Ultraäänianturin sovellusanalyysi mobiilirobotin etäisyysjärjestelmässä

I. Johdanto

Autonomisten mobiilirobottien reaaliaikaisessa esteen välttämisessä ja polun suunnittelussa robotin on turvauduttava ulkoisen ympäristötiedon hankintaan, aistittava esteiden läsnäolo ja mitattava esteiden etäisyys. Tällä hetkellä robotin esteiden välttämiseen ja mittausantureita ovat infrapuna-, ultraääni-, laser- ja visuaaliset sensorit. Laseranturit ja visuaaliset anturit ovat kalliita ja vaativat korkeat vaatimukset ohjaimille. Siksi infrapuna- ja ultraäänitasoantureita käytetään enimmäkseen mobiilirobottijärjestelmissä.

Useimmat järjestelmät käyttävät yhtä anturia tiedon keräämiseen, mutta kuolleiden kulmien mittausongelman vuoksi ultraääniantureiden kantama on yleensä 30-300 cm; kun taas infrapunaetäisyysantureiden tunnistusetäisyys on lyhyt, yleensä kymmenien senttimetrien sisällä. Se voi jossain määrin korvata ultraääniantureiden puutteet, joita ei voida mitata lähietäisyydeltä. Siksi tämä järjestelmä käyttää useita infrapuna- ja ultraääniantureita etäisyystietojen mittaamiseen ja keräämiseen.

2. Etäisyysperiaate ja -menetelmä

(1) Ultraäänianturi
Ultraäänellä tarkoitetaan ääniaaltoja, joiden resonanssitaajuus on yli 20 Hz. Mitä suurempi taajuus, sitä vahvempi heijastuskyky. Ultraäänianturit ovat edullisia, ja valo, pöly, savu, sähkömagneettiset häiriöt eivät juurikaan vaikuta niiden suorituskykyyn, ja metalli, puu, betoni, lasi, kumi ja paperi voivat heijastaa lähes 100 % ultraääniaalloista, joten niitä voidaan käyttää kohteiden havaitsemiseen.
Ultraäänietäisyyden mittausmenetelmä on kaiuntunnistusmenetelmä. Lähettävä anturi lähettää jatkuvasti äänipulsseja. Kun ääniaalto kohtaa esteen, se heijastuu takaisin ja vastaanottaa vastaanottava muunnin. Esteen etäisyys lasketaan äänen nopeuden ja aikaeron mukaan. Etäisyyden ja äänen nopeuden ja ajan välinen suhde ilmaistaan.

(2) Menetelmät ultraäänietäisyysanturin tarkkuuden parantamiseksi
1. Käytä sopivaa taajuutta ja aallonpituutta: käyttämällä suuritehoinen ultraäänianturi etäisyyden mittaamiseen, taajuus on liian alhainen; ulkoisen melun häiriöt ovat enemmän; taajuus on liian korkea ja vaimennus on suuri etenemisprosessin aikana. Lisäksi ultraäänianturi on taipuvainen synnyttämään kuolleita kulmia mittausprosessin aikana, ja vastaanottopää on altis vastaanottamaan vuotavia aaltoja. Tämän puutteen parantamiseksi on tarpeen lyhentää lähetettävän aaltojonon pituutta ja lisätä lähetetyn aallon taajuutta. Kuitenkin, jos lähetettävän aaltojonon pituus on liian lyhyt, lähettävää anturia ei voida virittää tai viritetty värähtely ei saavuta maksimiarvoa; jos lähetetyn aallon taajuus on liian korkea, vaimennus on suuri ja työskentelyetäisyys pienenee. Testit ovat osoittaneet, että 40 kHz:n ultraääniaaltojen käyttäminen pulssiryhmän lähettämiseen sisältää 10-20 pulssia ja sillä on hyvä etenemiskyky.

2. Järjestelmän ajoitustarkkuuden parantaminen voi myös parantaa ultraäänietäisyysanturin tarkkuutta. Mitä korkeampi ajastimen laskentataajuus on, sitä pienempi on ajan kvantisointivirheestä johtuva etäisyysvirhe.

3. Järjestelmäpiirin aikaviiveen kompensointi voi vähentää etäisyysvirhettä ja parantaa etäisyystarkkuutta. Kaavassa △ t on viiveaika, s; s1, s2 ovat kaksi tunnettua mittausetäisyyttä, m; t1, t2 ovat vastaava mittausaika, s.

(3) Infrapuna-esteen väistämisanturi
Infrapuna on sähkömagneettinen aalto näkyvän valon ja mikroaallon välillä. Siksi sillä ei ole vain näkyvän valon lineaarisen etenemisen, heijastuksen, taittumisen jne. ominaisuuksia, vaan sillä on myös tiettyjä mikroaaltojen ominaisuuksia, kuten voimakas tunkeutuminen ja kyky läpäistä tiettyä läpinäkymätöntä ainetta jne. Infrapuna-anturi sisältää infrapunasäteilyä lähettävän laitteen ja infrapunaa vastaanottavan laitteen. Kaikki luonnon esineet säteilevät infrapunasäteilyä niin kauan kuin lämpötila on absoluuttisen nollan yläpuolella. Siksi infrapuna-antureilla on oltava vahvemmat lähetys- ja vastaanottoominaisuudet.

Infrapuna-ultraäänianturin etäisyyden perusperiaate on, että valoa emittoiva putki lähettää infrapunavaloa ja valoherkkä vastaanottoputki vastaanottaa edessä olevan kohteen heijastuneen valon ja arvioi sitten, onko sen edessä estettä. Kohteen etäisyys voidaan arvioida säteilevän valon voimakkuuden mukaan. Sen periaate on, että vastaanottoputken vastaanottaman valon intensiteetti vaihtelee heijastavan kohteen etäisyyden mukaan. Heijastuneen valon intensiteetti on lähellä etäisyyttä ja heijastuneen valon intensiteetti on kaukana.

Tällä hetkellä infrapunavalokytkimen, joka on yksi eniten käytetyistä antureista, lähetystaajuus on noin 38 kHz ja suhteellisen lyhyt tunnistusetäisyys. Sitä käytetään yleensä lyhyen matkan esteiden tunnistamiseen. Tämä järjestelmä käyttää tällaista anturia.

(4) Infrapunaetäisyysmittauksen viat
Laitteen ominaisuuksiin vaikuttavat yleisellä infrapunavalokytkimellä on huono häiriönesto ja ympäristön valo vaikuttaa siihen suuresti. ja havaitun kohteen väri ja pinnan sileys ovat erilaisia, ja heijastuneen infrapunavalon intensiteetti on erilainen.

Kolmanneksi laitteistojärjestelmän rakenne

(1) Järjestelmän kokoonpano
Etäisyysmittausjärjestelmä koostuu yksisiruisesta mikrotietokoneesta, ultraäänilähetys- ja vastaanottopiiristä, infrapunalähetys- ja vastaanottopiiristä, digitaalisesta näyttöpiiristä ja sarjaliikennepiiristä. Ohjausydin on Lingyangin 16-bittinen mikro-ohjain SPCE061 A. Siinä on 2 16-bittistä ohjelmoitavaa ajastinta / ajastinta, 14 ohjelmoitavaa kanavaa, lähdettä / bittiä. 7-kanavainen 10-bittinen A / D sirulla. muunnin.

(2) Ultraäänianturipiiri
Lingyang MCU:n I / O9-I / O11-portti on kytketty kolmisuuntaiseen ultraäänilähetyspiiriin ja I / O3-I / O5 on kytketty kolmisuuntaiseen ultraäänivastaanottopiiriin. Yksisiruisen mikrotietokoneen tuottama 40 kHz:n signaalimuunnin antaa ulostulon I/O:sta, ja sitä tehostetaan invertteristä 4049B koostuvasta vahvistinpiiristä. Lopuksi sen lähettää ultraäänilähetysanturi UCM40T; ääniaalto palaa esteeseen ja vastaanottaa sen vastaanottavassa muuntimessa UCM40R. Signaalia vahvistetaan kaksivaiheisella vahvistinpiirillä, joka koostuu OP07:stä, jonka taajuus valitaan vaihelukitun silmukan audiodekooderilla LM567, suodattaa häiriösignaalit ja lopuksi syöttämällä yksisiruiseen O-mikrotietokoneen kautta. Yksisiruinen mikrotietokone laskee esteen etäisyyden ääniaallon lähetysajan kautta.

(3) Infrapuna-anturipiiri
Lingyang MCU:n I / O0 ～ I / O6:ta voidaan käyttää 10-bittisenä A / D-muuntimena. Tässä järjestelmässä Lingyang MCU:n I / O0 ～ I / O2 -portteja käytetään A / D-muuntimina. I / O6 ～ I / O8 on kytketty kolmeen infrapunalähetinpiiriin ja I / O0 ～ I / O2 on kytketty kolmeen infrapunavastaanottimeen, joissa on piiri. Kun yksisiruisen mikrotietokoneen I/O-portti tuottaa korkean tason, se johtaa infrapunaluminesenssiputken TLN205 kanssa ja lähettää infrapunavaloa; valoaalto heijastuu esteen kohtaamisen jälkeen ja sen vastaanottaa infrapunavastaanottoputki TPS708, joka tuottaa valon voimakkuutta vastaavan virran. Kun muodostettu kaksivaiheinen vahvistinpiiri on vahvistettu, se lähettää analogisen jännitteen 0 ~ 3 V, joka syötetään yksisiruiseen mikrotietokoneeseen A / D-portin kautta. Yksisiruinen mikrotietokone laskee ja arvioi esteen etäisyyden jännitteen suuruuden perusteella.

4. Ohjelmistosuunnittelu
Yksisiruinen tietokone SPCE061 A valitsee järjestelmän taajuuden fosc = 20.480MHz, prosessorin kellotaajuuden (CPUCLK) on fosc / 2 = 10.24 MHz, kellolähde valitsee taajuuden 32768 Hz, kellolähde tarjoaa taajuuden 1SPCE20161tA. laskuri: TimerA ja TIMErB. TIMERA:n kellolähde muodostuu kellolähteen A ja kellolähteen B toiminnoista; TImerB:n kellolähde on vain kellolähde A.
40 kHz:n ultraäänipulssi on neliöaalto, jonka korkeat ja matalat tasot kumpikin vievät 12,5 μs. Prosessorin kellolaskua viivästetään 123 käskyjaksolla, mikä on 12,5 μs. Yksisiruinen tietokone voi tuottaa 40 kHz:n pulssisignaalin generoimalla jatkuvasti korkeita ja matalia 12,5 μs:n tasoja. 20 pulssin pulssiryhmä lähetetään joka kerta 0,5 ms, ja pulssilähetys ja väliaika ovat vähintään 20 ms, joka lähetetään I/O-portista. . Järjestelmä valitsee ajastimen A 20 ms:n ajastinkeskeytykseksi ja ajastimen B ultraäänilaskuriksi. Koska ultraäänianturissa on kuollut aluemittaus, ohjelman suunnittelussa yli 30 cm:n etäisyysmittaus täydentyy ultraäänianturilla ja infrapuna-anturi 30 cm:n sisällä.

Infrapunamittausprosessissa ajastinta A käytetään generoimaan 0,1S keskeytys A/D-näytteenottoa varten, ja jännitearvo muunnetaan etäisyystiedoksi. Pääohjelmassa syötä ensin infrapunatunnistusalirutiini. Jos este havaitaan, siirry tiedonsiirto-, näyttö- ja liikkeenohjausalirutiiniin; jos estettä ei havaita, siirrytään ultraäänitunnistusalirutiiniin. Ultraääni havaitsee esteet ja siirtyy sitten tiedonsiirto-, näyttö- ja liikkeenohjausalirutiineihin. Jos esteitä ei havaita, infrapunatunnistus suoritetaan syklisesti infrapuna- ja ultraäänitunnistusalirutiinilla.

V. Mittaustulokset
Testin aikana mittaamiseen käytetään samankokoisia, rakenteellisia ja värillisiä esteitä. Testit osoittavat, että järjestelmän mittaustarkkuus on 1 % välillä 0–200 cm, mikä pystyy mittaamaan tarkasti esteiden etäisyyden. Etäisyyden mittaus 30 cm:n sisällä tehdään infrapuna-antureilla ja etäisyysmittaus 30-200 cm välillä ultraääniantureilla.

6. Johtopäätös
Tässä artikkelissa tutkitaan edullista, vähätehoista, korkean suorituskyvyn mobiilirobotin sivuetäisyysjärjestelmää, ultraääni- ja infrapunaantureita käyttävää monianturijärjestelmää, joka ratkaisee tehokkaasti kuolleiden kulmien mittaamisen ongelman yhdessä anturin etäisyysjärjestelmässä; Kolme anturiryhmää on koottu kolmeen eri paikkaan robotissa, jotta robotti voi suorittaa mittaustehtävät kolmeen eri suuntaan.