Ultraäänimittausjärjestelmän käyttö mobiilirobotissa

Ultraääniantureita käytetään laajalti robottien esteiden välttämisjärjestelmissä. Ultraäänimittausperiaatteella suunnitellaan rinnakkaismittausjärjestelmä. Esitellään järjestelmän laitteistokoostumus ja ohjelmistojen toteutustapa. Tavoitteena on ilmiö, että usean sensorin rinnakkaisetäisyys on helppo tuottaa häiriötä, analysoidaan häiriön syytä ja ehdotetaan tehokasta ratkaisua. Järjestelmää käytetään liikkuvan robotin esteen välttämiskokeessa ja järjestelmän mittausalueen kokeelliset kalibrointitulokset annetaan.

Ultraäänianturi etäisyyden mittaamiseen on laajalti käytössä sovelluksissa, jotka vaativat etäisyyden mittaamista, kuten mobiilirobotit välttämään esteitä ja peruutustutkat yksinkertaisen tiedonkäsittelyn, nopean nopeuden ja alhaisen hinnan ansiosta. Ultraäänen säteilyominaisuuksien vuoksi nykyinen monisensorinen etäisyysmittausjärjestelmä käyttää kiertolähetystä vähentääkseen häiriöiden syntymistä. Tällä menetelmällä on suuri sokea kulma etäisyydelle, eikä reaaliaikaista suorituskykyä voida taata. Mittaustiedot ovat hankalia myös myöhemmässä käsittelyssä, kuten esteiden paikannuksessa ja muodon erottelussa. He suunnittelevat ultraäänimittausjärjestelmän, jossa useita antureita toimii rinnakkain. Järjestelmää käytetään esteiden välttämiskokeisiin älykkäillä mobiiliroboteilla ja saadaan hyviä tuloksia.

1 Ultraäänimittausjärjestelmän suunnittelu

Ultraäänietäisyyden mittaamiseen on monia menetelmiä. Tässä artikkelissa käytetään lentoaikamenetelmää, eli etäisyys lasketaan mittaamalla ultraääniaallon aika t lähettävästä anturista etenemisväliaineen kautta vastaanottavaan anturiin. Sen periaate voidaan ilmaista kaavalla L=vt/2, (L on mitattava etäisyys; v on ultraääniaaltojen etenemisnopeus ilmassa ja t on kulkuaika). Ultraäänen etenemisnopeus ilmassa on yhteydessä ympäristön lämpötilaan ja etäisyysmittauksen tarkkuutta voidaan parantaa lämpötilakompensoinnilla.

1.1 Laitteiston piirisuunnittelu

Se sisältää pääasiassa ylemmän tietokoneen, prosessorin, ultraäänioskillaattoripiirin, ohjauspiirin, signaalin vahvistus-, muotoilu- ja vertailupiirin.

Prosessori käyttää STC yksisirua STC12C5410, joka on yhteensopiva 51-sarjan kanssa. Jokainen yksisiruinen mikrotietokone ohjaa kahta ultraäänianturia multiplekserin kautta, jotka sijaitsevat robotin edessä ja takana. Yksisiruisen mikrotietokoneen päätehtävänä on mitata kulkuaikaa ja ympäristön lämpötilaa sekä laskea esteiden etäisyyttä. Yksisiruinen mikrotietokone kommunikoi isäntätietokoneen kanssa RS232:n kautta. Ylempi tietokone analysoi vastaanotetut tiedot esteiden paikantamiseksi ja robotin liikkeen ohjaamiseksi.

Ultraäänilähetinpiiri koostuu kahdesta osasta: värähtelypiiristä ja ohjauspiiristä. Värähtelypiiri on yksinkertainen piiri, joka koostuu NAND-portista, vastuksesta ja kondensaattorista, joka voi tuottaa 40 kHz:n neliöaaltosignaalin, joka ohjaa ultraäänianturia lähettämään ultraääniaaltoja; ohjauspiiri generoi tietyllä teholla ultraäänisähköpulssin virittääkseen ultraäänianturia, joka koostuu kuudesta rinnakkaisesta NOT-portista, käyttämällä itse sirun ohjauskykyä. Ajon jälkeen ultraäänianturiin lisättävä viimeinen signaali on neliöaalto, jonka amplitudi on 5 V.

1.2 Ohjelmistosuunnittelu

Järjestelmässä yksisiruisen mikrotietokoneen on ohjattava 2 ajastinta, joista toista käytetään siirtoajan mittaamiseen ja toisella asetetaan yksisirun ja PC:n välisen tiedonsiirtonopeus tiedonsiirron tarkkuuden varmistamiseksi; ohjaa ulkoista keskeytysporttia ultraäänivastaanottoanturin tarkkailemiseksi reaaliajassa. Vastaanotetaanko heijastunut ultraäänisignaali; käytä I/O:ta ultraäänilähettimen anturin ohjaamiseksi lähettämään ultraääntä tietyllä taajuudella; käyttämällä yhtä väyläprotokollaa I/O:n ohjaamiseen kerätyn lämpötila-arvon lukemiseksi . Yksisiruisen mikrotietokoneen tulee myös vastaanottaa ja käsitellä ylemmän tietokoneen komennot ja lähettää tiedot takaisin ylempään tietokoneeseen reaaliajassa ylemmän tietokoneen vaatimusten mukaisesti. 

The Ultraäänimuuntimen anturipiiri on jaettu kolmeen osaan: signaalin vahvistus, muotoilu ja vertailu. Ultraäänivastaanottoanturin vastaanottama signaali on erittäin heikko, millivolttitasolla, signaalia on vahvistettava ennen kuin yksisiruinen mikrotietokone pystyy havaitsemaan sen. Tässä artikkelissa kaksivaiheisia vahvistuspiirejä käytetään vahvistamaan yhteensä 1000 kertaa. Kaksivaiheiset vahvistinpiirit on kytketty vastus-kapasitanssikytkennällä. Vahvistimesta tuleva signaali virtaa komparaattoriin sen jälkeen, kun se on kulkenut jännitteen tuplaajan muotoilupiirin läpi. Vertailun referenssijännitteen säätäminen voi muuttaa mittausalueen mittausaluetta ja mittaustarkkuutta. Komparaattorin antama signaali on kytketty yksisirun mikrotietokoneen INT0:aan, mikä laukaisee yksisiruisen keskeytyksen.

Monen tietokoneen tiedonsiirtoa käytetään tiedon siirtämiseen yksisiruisen tietokoneen ja isäntätietokoneen välillä. PC:ssä ei ole usean tietokoneen ohjausbittiä ja 

Ultraäänietäisyysanturimoduulin on käytettävä ohjelmistoa mikro-ohjaimen TB8/RB8-bitin simulointiin. Viestintäprotokollan asetusvaiheet ovat seuraavat:

1) Aseta MCU olemaan osoitteenvalvontatilassa;

2) PC lähettää joukon osoitetietoja, joiden pariteettibitti on 1;

3) Yksisiruinen mikrotietokone arvioi, onko vastaanotettu osoite sama kuin paikallinen osoite. Jos se on sama, osoite lähetetään isännälle kättelysopimuksen tekemiseksi isännän kanssa;

4) Kun isäntä on vastaanottanut osoitteen, se lähettää dataa pariteettibitillä 0 ilmoittaakseen mikro-ohjaimelle lähettämään etäisyystiedot;

5) Yksisiruinen mikrotietokone lähettää etäisyystiedot. Palaa lähettämisen jälkeen vaiheeseen jatkaaksesi osoitteen seurantaa.

Tehtävänä on lähettää sarjaporttiin joukko kyselykomentoja 50 ms välein asetetun tiedonsiirtoprotokollan mukaisesti, jotta voidaan lukea yksisiruisen mikrotietokoneen mittaama etäisyystieto; paikantaa este analysoimalla luetut etäisyystiedot ja arvioida karkeasti esteen muotoominaisuudet; ryhtyä tarvittaviin esteiden välttämistoimenpiteisiin ohjata robotin toimintaa ja näyttää juoksuradan. Ohjelmistossa on hyvä käyttöliittymä, joka mahdollistaa ohjelman virheenkorjauksen.