سیستم تشخیص ربات متحرک مستقل مبتنی بر حسگر اولتراسونیک

توسعه حسگر اولتراسونیک مکمل خوبی برای سیستم تشخیص موجود ربات های متحرک است. این به طور کامل در کاربردهای آزمایشی نشان داده شده است، و در تشخیص موانع و تنظیم موقعیت ربات کاربرد خاصی دارد. با این حال، این روش باید در زمان واقعی و دقت بیشتر بهبود یابد.

 

یکی از مهمترین برای حسگر سطح اولتراسونیک ربات های متحرک برای به دست آوردن رفتار مستقل، کسب دانش در مورد محیط است. این با استفاده از اندازه گیری های مختلف سنسور اولتراسونیک و استخراج اطلاعات از آن اندازه گیری ها به دست می آید. حسگرهایی مانند بینایی، مادون قرمز، لیزر و اولتراسونیک همگی در ربات های متحرک استفاده شده اند. سنسورهای اولتراسونیک به دلیل کارایی بالا و اجرای سخت افزاری ساده به طور گسترده در سیستم های حسگر ربات متحرک مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال، سنسورهای اولتراسونیک نیز محدودیت‌های خاصی دارند که عمدتاً به دلیل زاویه پرتو بزرگ، جهت دهی ضعیف و ناپایداری اندازه‌گیری فاصله (تحت بازتاب غیرعمودی) است. بنابراین، اغلب از چندین سنسور اولتراسونیک یا سنسورهای دیگر برای جبران استفاده می شود. به منظور جبران کمبودهای خود سنسور اولتراسونیک و بهبود توانایی آن در به دست آوردن اطلاعات محیطی، این مقاله یک سیستم تشخیص متشکل از یک حسگر اولتراسونیک یکپارچه و یک موتور پله طراحی می‌کند.

 

1 تجزیه و تحلیل اصل تشخیص و روش سنسورهای اولتراسونیک

 

اصل اساسی یک سنسور اولتراسونیک ارسال بسته های موج فشار (اولتراسونیک) و اندازه گیری زمان لازم برای ارسال بسته های موج و بازگشت به گیرنده است.

 

در میان آنها، فاصله بین هدف و سنسور اولتراسونیک است. c سرعت موج اولتراسونیک است (به منظور ساده‌تر شدن توصیف، تأثیر دما بر سرعت موج در هنگام اندازه‌گیری فاصله مورد بحث در زیر در نظر گرفته نمی‌شود؛ t فاصله زمانی از انتشار تا دریافت است.

 

زیرا اندازه گیری فاصله با سونوگرافی اندازه گیری نقطه ای نیست. سنسورهای اولتراسونیک دارای ویژگی های انتشار خاصی هستند. انرژی اولتراسونیک ساطع شده عمدتاً روی لوب اصلی متمرکز می شود و به شکل موج مانند در دو طرف محور موج اصلی با زاویه انتشار حدود 30 درجه به چپ و راست ضعیف می شود. در واقع، روش محاسبه فرمول در طول زمان بر اساس انعکاس موفق و عمودی امواج اولتراسونیک است. با این حال، برای یک ربات متحرک اطمینان از ثبات وضعیت حرکتی خود دشوار است. روش تشخیصی که حسگر اولتراسونیک بر روی بدنه ربات متحرک ثابت می شود استفاده می شود. هنگامی که ربات متحرک از یک دیوار موازی منحرف می شود، سیستم تشخیص اغلب برای بدست آوردن فاصله واقعی دشوار است. علاوه بر این، هنگامی که مشخصه واگرایی اولتراسوند برای اندازه گیری موانع استفاده می شود، فقط می تواند اطلاعات فاصله مانع هدف را ارائه دهد، اما اطلاعات جهت و مرز هدف را نمی دهد. این نقص ها کاربرد عملی و ارتقاء سنسورهای اولتراسونیک را تا حد زیادی محدود می کند.

 

بر اساس تجزیه و تحلیل نظری و آزمایش مداوم، این مقاله از یک موتور پله‌ای چهار فاز برای به حرکت درآوردن یک حسگر اولتراسونیک یکپارچه برای چرخش برای تشکیل یک سیستم سنجش پویا استفاده می‌کند.

 

2 سیستم تشخیص از حسگر اولتراسونیک یکپارچه و موتور پله ای تشکیل شده است

 

2.1 طراحی سازه

 

سنسور اولتراسونیک بر روی برد PCB جوش داده می شود، برد توسط یک لوله فولادی ساخته می شود و انتهای دیگر لوله فولادی به شفت موتور پله متصل می شود و موتور پله در زیر شاسی ربات ثابت می شود. سیگنال کنترل سنسور اولتراسونیک و سیگنال خروجی که از طریق خط سیگنال به برد کنترل روی بدنه خودرو متصل می شوند. علاوه بر این، یک آستین مخروطی شکل از مواد فوم در جلوی پروب سنسور اولتراسونیک اضافه می شود، قطر دهانه بالایی 22 میلی متر، قطر دهانه پایینی 16 میلی متر و ارتفاع آن 20 میلی متر است. به این ترتیب زاویه پرتو موج ارسالی و زاویه دریافت موج منعکس شده بسیار محدود می شود. برای اینکه ربات بتواند وضعیت خود را تنظیم کند، باید جهت چرخش و موقعیت مرجع خود را تعیین کند. بنابراین، یک رمزگذار فوتوالکتریک ساده متشکل از یک سنسور فوتوالکتریک مادون قرمز مستقیم و یک صفحه گردان توسط خودمان ساخته شده است. توزیع 2 سنسور فوتوالکتریک مادون قرمز مستقیم نشان داده شده است و آنها به صورت افقی بر روی خط اتصال نقطه میانی در دو طرف بدنه ماشین ربات در درجه قرار گرفته اند. فواصل 180 میز گردان و بازوی دوار روی یک دایره متحدالمرکز به هم متصل شده اند، همانطور که توسط دایره بیرونی در شکل نشان داده شده است، خطوط مقیاس 1، 3 با 27 درجه از هم جدا شده اند . خطوط مقیاس 2، 1 با 180 درجه از هم جدا می شوند و خط مقیاس 1 و مرکز سنسور اولتراسونیک در همان خط افقی نگه داشته می شوند. هدایت I به تنهایی به عنوان مختصات مرجع استفاده می شود، I و II به طور همزمان برای تعیین جهت چرخش هدایت می شوند و Ⅱ تک گذر به عنوان مرجع ناوبری هنگامی که ربات در امتداد دیوار برمی گردد استفاده می شود.

 

حسگر اولتراسونیک یکپارچه توسط یک موتور پله ای به چرخش در می آید و جهت محور مرکزی حسگر اولتراسونیک عمود بر بدنه ربات به عنوان مرجع مختصات برای تنظیم وضعیت خود استفاده می شود. موتور پله ای زاویه گام 4 فاز 4 ضربان 1.8 درجه و 1 گام در هر دور را اتخاذ می کند، سنسور اولتراسونیک یک بار تشخیص داده و مقدار اندازه گیری را از طریق پورت سریال به رایانه بالایی ارسال می کند.

 

2.2 طراحی سخت افزار سیستم تشخیص

 

سخت افزار سیستم تشخیص عمدتا از مدار تولید اولتراسونیک، مدار دریافت اولتراسونیک، ماژول کنترل سرعت موتور پله ای و غیره تشکیل شده است. هسته سیستم تک تراشه است که عمدتاً انتقال و دریافت سیگنال را تکمیل می کند، موتور پله را کنترل می کند و داده ها را برای پردازش به کامپیوتر میزبان ربات ارسال می کند.

 

مدار فرستنده اولتراسونیک از پورت P11 تک تراشه برای خروجی پالس فرستنده استفاده می کند و توسط 74HC04 برای اتصال سنسور اولتراسونیک هدایت می شود. آنها قابلیت جریان خروجی آن را افزایش می دهند و فاصله انتقال سنسور اولتراسونیک را افزایش می دهند.

 

مدار دریافت و پردازش اولتراسونیک مدار مجتمع را اتخاذ می کند. این یک مدار مجتمع اختصاصی برای گیرنده های مادون قرمز است. در اینجا CX20106 به عنوان یک دستگاه تقویت کننده و تشخیص برای دریافت سیگنال از سنسورهای اولتراسونیک استفاده می شود و نتایج خوبی نیز به دست آمده است. پس از اینکه پیش تقویت کننده سیگنال منعکس شده را از پروب دریافت کننده اولتراسونیک دریافت کرد، سیگنال را با افزایش ولتاژ حدود 80 دسی بل تقویت می کند. سپس سیگنال به تقویت کننده محدود کننده ارسال می شود تا به یک پالس مستطیلی تبدیل شود و سپس فرکانس توسط فیلتر برای فیلتر کردن سیگنال تداخل انتخاب می شود، فرکانس حامل توسط آشکارساز فیلتر می شود تا سیگنال فرمان را تشخیص دهد و پس از شکل دهی، توسط پایه 7 سطح پایین خروجی می شود. لبه سقوط خروجی پالس از پایه 7 از طریق پورت INT0 میکروکنترلر وارد می شود.

 

مدار فرستنده و مدار گیرنده سنسور اولتراسونیک یکپارچه از ورودی/خروجی پین سنسور یکسانی استفاده می کنند. اگر ورودی/خروجی ایزوله نباشد، مدار گیرنده و مدار فرستنده به شدت تحت تاثیر قرار خواهند گرفت. سوئیچ آنالوگ دو جهته CMOS برای تشخیص جداسازی انتقال و دریافت استفاده می شود. ماژول کنترل موتور پله ای از حالت کنترل توزیع کننده پالس حلقه L297 + مدار مجتمع برق دو پل H L298 استفاده می کند. P1.6، P1.7 و P2.3 میکروکامپیوتر تک تراشه به ترتیب به CW، ساعت متصل می شوند و پایانه های کنترل L297 را برای کنترل چرخش رو به جلو و معکوس، سیگنال ساعت، شروع و توقف موتور فعال می کنند.

 

2.3 طراحی نرم افزار سیستم تشخیص

نرم افزار سیستم تشخیص عمدتاً از یک ماژول برنامه اصلی، یک ماژول برنامه سرویس وقفه تشکیل شده است و یک سنسور اولتراسونیک دارای ماژول انتقال و دریافت است. ماژول برنامه اصلی سیستم تشخیص به طور عمده در اینجا توضیح داده شده است.

 

ماژول‌های اندازه‌گیری و کنترل سنسور اولتراسونیک و موتور پله‌ای توسط میکروکامپیوترهای تک تراشه مختلف کنترل می‌شوند، بنابراین سیستم حسگر و رایانه بالایی ربات متحرک باید به خط پورت I/O و ارتباط ناهمزمان سریال بین میکروکامپیوترهای تک تراشه تکیه کند. پرچم T برای تغییر عملکردها استفاده می شود. هنگامی که T=0 و OFF=0 به طور همزمان برآورده شوند، این یک فرآیند تشخیص معمولی حسگرهای اولتراسونیک است. هنگامی که T=1، OFF=0، برای تنظیم آزیموت قبل از هر اندازه گیری چرخه استفاده می شود. OFF=1 منتظر اقدام بعدی است. تایمر T0 برای محاسبه زمان اکو استفاده می شود، بنابراین مقدار فاصله d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2. یک پالس ماشه به استپر موتور داده می شود. سپس تعیین کنید که آیا اقدام بعدی انجام تشخیص حسگر است یا تنظیم زاویه آزیموت خود ربات که وارد چرخه جدیدی می شود.

 

3 آزمایش و کاربرد سیستم تشخیص روی ربات متحرک

3.1 نزدیکترین نقطه به دیوار را پیدا کنید

 

در این مقاله، ایده طراحی یافتن نزدیکترین نقطه به دیوار بر اساس محدوده اولتراسونیک است. انتخاب روش اندازه‌گیری فاصله در سطح زمانی و محدود کردن برد دریافت حسگر اولتراسونیک با تنظیم آستانه اکو دریافت و افزودن یک غلاف جاذب صدا قبل از پروب. زاویه پرتو اندازه گیری شده حدود ± 20درجه در a است

فاصله 75 سانتی متر و زاویه موثری که می تواند امواج منعکس شده را دریافت کند حدود ± 40درجه است.

 

پرتو مخروطی تقریبی سنسور اولتراسونیک هر بار که فاصله را اندازه می‌گیرد، فاصله بازتاب نزدیک‌ترین نقطه را تعیین می‌کند. حتی اگر زاویه پرتو به خط نقطه چین منحرف شود، فاصله واقعی همچنان مقداری است که در امتداد خط مرکزی پرتو اندازه گیری می شود. از نظر تئوری، فاصله اندازه‌گیری شده در زاویه پرتو فرستنده باید یکسان باشد، اما زمان ضربه سنسور اولتراسونیک و تنظیم آستانه دریافت، از جمله انعکاس دیوار، تأثیر خاصی بر اندازه‌گیری فاصله خواهد داشت. اندازه گیری شده توسط آزمایش ها، در یک زاویه خاص (تقریبا ± 20درجه )، مقدار فاصله اندازه گیری به طور قابل توجهی تغییر نمی کند و مقادیر همسایه آن نسبتا نزدیک هستند (بیش از 2 میلی متر). هنگامی که زاویه انحراف همچنان افزایش می یابد، تغییرات در مقادیر اندازه گیری مجاور نیز به طور قابل توجهی افزایش می یابد. بنابراین، یک روش استفاده از این دو نقطه بحرانی برای یافتن زاویه بین تیر و دیوار (یعنی نزدیکترین نقطه به دیوار) است و موتور پله ای اولتراسونیک را به چرخش می راند تا این دو نقطه بحرانی را پیدا کند. هنگامی که دو مقدار مجاور به طور مداوم زیر 2 میلی متر تشخیص داده می شود، در نظر گرفته می شود که وارد منطقه پایدار شده است و نقطه ای که تغییر قبل و بعد رخ می دهد به عنوان نقطه بحرانی تعیین می شود. تمام نقاط این نقطه بحرانی ثبت می شود و سپس نقطه میانی محاسبه می شود. نقطه میانی نزدیکترین نقطه بین دیوار و سنسور اولتراسونیک است. مجموعه ای از داده های اندازه گیری شده را نشان می دهد. در 72 درجه 108سانتیگراد ، منطقه پایدار اندازه گیری فاصله است. خارج از این، انحراف مجاور فاصله اندازه گیری شده بیش از 8 میلی متر است، و با زاویه، هنگامی که به دو طرف چرخانده می شود، بیشتر بزرگ می شود. آزمایش ها با تغییر فاصله بین سنسور اولتراسونیک یکپارچه و دیوار در 50 سانتی متر و 200 سانتی متر انجام شد. در نتیجه، خطای اندازه‌گیری شده زاویه عمودی به دیوار به ۲ زاویه پله محدود شد.

 

3.2 سیستم تشخیص برای حرکت در امتداد دیوار بر روی ربات اعمال می شود

 

ربات‌های متحرک مستقل اطلاعات محیط فعلی را در حین حرکت تشخیص می‌دهند. اطلاعات فاصله ای که هر بار شناسایی می شود، بر اساس وضعیت حرکتی فعلی ربات اندازه گیری می شود. ربات در حالی که در یک خط مستقیم در امتداد دیوار راه می رود، دقت مسیر خود را از طریق درک مشترک اندازه گیری فاصله و وضعیت خود تضمین می کند. اندازه گیری فاصله اولتراسونیک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. پس از آزمایش رابطه بین زاویه تشخیص اولتراسونیک و اندازه‌گیری فاصله، می‌توان از سنسورهای اولتراسونیک برای اندازه‌گیری زاویه آزیموت بدنه خودرو (برای تعیین وضعیت خود) با توجه به روش محاسبه نزدیک‌ترین نقطه استفاده کرد. نزدیکترین نقطه اندازه گیری شده فاصله واقعی بین ربات و دیوار است. مختصات مرجع ربات توسط حسگر مادون قرمز مستقیم 1 روی رمزگذار ساده تعیین می شود و نزدیکترین نقطه با توجه به اطلاعات ذخیره شده در هر مرحله از موتور پله محاسبه می شود. بین مختصات مرجع و نزدیکترین نقطه، زاویه عبور شده توسط استپر موتور برای تعیین زاویه انحراف بین ربات و دیوار استفاده می شود و سپس زاویه انحراف به سیستم کنترل محرک چرخ منتقل می شود تا زاویه آزیموت را تنظیم کند.

 

3.3 جستجوی موانع

 

استفاده از موتور پله ای برای راندن سنسور اولتراسونیک صنعتی

 چرخش از نظر عملکردی شبیه به تشخیص چند سنسوری است. روبات‌های متحرک معمولاً از چندین حسگر اولتراسونیک در اطراف بدن برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر استفاده می‌کنند و در نتیجه دامنه موانع را افزایش می‌دهند و جهت و اطلاعات مرزی هدف را تعیین می‌کنند. در مقابل، یکی از مزایای روش چرخش این است که چگالی تشخیص را می توان به طور خودکار با توجه به تنگی مانع تنظیم کرد. تعداد سنسورهای اضافی با توجه به شرایط خاص خود محدود است و تنگی روش چرخش فقط به زاویه گام استپر موتور مربوط می شود. افزایش چگالی تشخیص می تواند وضوح زاویه را تا حد زیادی بهبود بخشد، در نتیجه تعیین جهت هدف و اطلاعات مرزی را تقویت می کند.

 

این سیستم توسعه ای از عملکرد است سنسور مجاورت اولتراسونیک و مکمل خوبی برای سیستم تشخیص موجود ربات های متحرک. این به طور کامل در کاربردهای آزمایشی نشان داده شده است، و در تشخیص موانع و تنظیم موقعیت ربات کاربرد خاصی دارد. با این حال، این روش باید در زمان واقعی و دقت بیشتر بهبود یابد.