Ultraäänianturiin perustuva autonomisen mobiilirobotin tunnistusjärjestelmä

Ultraäänianturin laajennus on hyvä lisä olemassa olevaan mobiilirobottien tunnistusjärjestelmään. Se on täysin todistettu kokeellisissa sovelluksissa, ja sillä on tiettyä käytännöllisyyttä esteiden havaitsemisessa ja robotin asennon säätämisessä. Tätä menetelmää on kuitenkin parannettava edelleen reaaliajassa ja tarkkuudessa.

 

Yksi tärkeimmistä u Ultraäänitason anturi mobiiliroboteille itsenäisen käyttäytymisen hankkimiseen on ympäristötietoisuuden hankkiminen. Tämä saavutetaan käyttämällä erilaisia ​​ultraäänianturimittauksia ja poimimalla tietoa näistä mittauksista. Mobiiliroboteissa on käytetty antureita, kuten näkö-, infrapuna-, laser- ja ultraääniantureita. Ultraääniantureita on käytetty laajalti mobiilirobottien tunnistusjärjestelmissä niiden korkean kustannustehokkuuden ja yksinkertaisen laitteistototeutuksen vuoksi. Ultraääniantureilla on kuitenkin myös tiettyjä rajoituksia, jotka johtuvat pääasiassa suuresta sädekulmasta, huonosta suunnasta ja etäisyysmittauksen epävakaudesta (ei-pystysuorassa heijastuksessa). Siksi kompensoimiseen käytetään usein useita ultraääniantureita tai muita antureita. Korjatakseen itse ultraäänianturin puutteet ja parantaakseen sen kykyä saada ympäristötietoa tässä artikkelissa suunnitellaan tunnistusjärjestelmä, joka koostuu integroidusta ultraäänianturista ja askelmoottorista.

 

1 Ultraääniantureiden tunnistusperiaatteen ja menetelmän analyysi

 

Ultraäänianturin perusperiaate on lähettää (ultraääni) paineaaltopaketteja ja mitata aika, joka kuluu aaltopakettien lähettämiseen ja palauttamiseen vastaanottimeen.

 

Niistä se on kohteen ja ultraäänianturin välinen etäisyys; c on ultraääniaallon nopeus (kuvauksen yksinkertaistamiseksi lämpötilan vaikutusta aallonopeuteen ei oteta huomioon, kun se mitataan alla käsiteltyä etäisyyttä; t on aikaväli emissiosta vastaanottoon.

 

Koska etäisyyden mittaaminen ultraäänellä ei ole pistemittausta. Ultraääniantureilla on tietyt diffuusio-ominaisuudet. Säteilevä ultraäänienergia keskittyy pääasiassa pääkeilaan ja vaimenee aaltomaisesti pääaallon akselin molemmilla puolilla diffuusiokulman ollessa noin 30 ° vasemmalle ja oikealle. Itse asiassa kaavan laskentamenetelmä ajan myötä perustuu ultraääniaaltojen onnistuneeseen pystysuuntaiseen heijastukseen. Liikkuvan robotin on kuitenkin vaikea varmistaa oman liikkeensä vakautta. Käytetään tunnistusmenetelmää, jossa ultraäänianturi kiinnitetään mobiilirobotin runkoon. Kun liikkuva robotti poikkeaa rinnakkaisesta seinästä, tunnistusjärjestelmän on usein vaikea saada todellista etäisyyttä. Lisäksi, kun ultraäänen hajoamisominaisuutta käytetään esteiden mittaamiseen, se voi antaa vain kohteen etäisyystietoa, mutta ei kohteen suunta- ja rajatietoa. Nämä viat rajoittavat suuresti ultraääniantureiden käytännön käyttöä ja edistämistä.

 

Teoreettisen analyysin ja jatkuvan testauksen perusteella tämä paperi käyttää nelivaiheista askelmoottoria yhden integroidun ultraäänianturin pyörittämiseen dynaamisen tunnistusjärjestelmän muodostamiseksi.

 

2 Tunnistusjärjestelmä koostuu integroidusta ultraäänianturista ja askelmoottorista

 

2.1 Rakennesuunnittelu

 

Ultraäänianturi on hitsattu piirilevylle, levy on rakennettu teräsputkella ja teräsputken toinen pää on kytketty askelmoottorin akseliin ja askelmoottori on kiinnitetty robotin rungon alle. Ultraäänianturin ohjaussignaali ja lähtösignaali, jotka on kytketty ajoneuvon korin ohjauskorttiin signaalilinjan kautta. Lisäksi ultraäänianturin anturin eteen on lisätty vaahtomateriaalista valmistettu kartiomainen holkki, yläsuun halkaisija on 22 mm, alasuun halkaisija 16 mm ja korkeus 20 mm. Tällä tavalla lähetetyn aallon sädekulmaa ja kulmaa, jossa heijastunut aalto vastaanotetaan, rajoitetaan suuresti. Jotta robotti voisi säätää asentoaan, sen on määritettävä oma pyörimissuuntansa ja vertailuasemansa. Siksi itse valmistamme yksinkertaisen valosähköisen kooderin, joka koostuu suorasta infrapunavalosähköisestä anturista ja levysoittimesta. 2 suoran infrapunavalosähköisen anturin jakautuminen on esitetty ja ne on sijoitettu vaakasuoraan keskipisteen yhdysviivalle robottiauton korin molemmille puolille 180 ° välein. Kääntöpöytä ja pyörivä varsi on yhdistetty samankeskiseen ympyrään, kuten kuvassa ulompi ympyrä osoittaa, 1, 3 mittakaavaviivaa erottaa 27 ° ; 2, 1 asteikkoviivaa erottaa 180 ° , ja 1 asteikkoviiva ja ultraäänianturin keskikohta pidetään samalla vaakaviivalla. Yksin johtavuutta käytetään vertailukoordinaattina, I:tä ja II:ta ohjataan samanaikaisesti pyörimissuunnan määrittämiseen, ja Ⅱ -kertaa käytetään navigoinnin referenssinä, kun robotti palaa seinää pitkin.

 

Integroitu ultraäänianturi saa pyörimään askelmoottorilla, ja ultraäänianturin keskiakselin suuntaa kohtisuorassa robotin runkoon nähden käytetään koordinaattireferenssinä sen omalle asennon säädölle. Askelmoottori ottaa käyttöön 4-vaiheisen 4-iskun askelkulman 1,8 ° ja 1 askeleen kierrosta kohden. Ultraäänianturi havaitsee kerran ja lähettää mittausarvon ylempään tietokoneeseen sarjaportin kautta.

 

2.2 Havaintojärjestelmän laitteiston suunnittelu

 

Havaintojärjestelmän laitteisto koostuu pääasiassa ultraäänigeneraattoripiiristä, ultraäänivastaanottopiiristä, askelmoottorin nopeudensäätömoduulista jne. Järjestelmän ydin on yksisiru, joka pääosin suorittaa signaalin lähetyksen ja vastaanoton, ohjaa askelmoottoria ja lähettää tiedot robotin isäntätietokoneeseen käsittelyä varten.

 

Ultraäänilähetinpiiri käyttää yksisirun P11-porttia lähettämään lähettimen pulssin, ja sitä ohjaa 74HC04 ultraäänianturin liittämiseen. Ne parantavat sen lähtövirtakykyä ja lisäävät ultraäänianturin lähetysetäisyyttä.

 

Ultraäänivastaanotto- ja käsittelypiiri ottaa käyttöön integroidun piirin. se on omistettu integroitu piiri infrapunavastaanottimille. Tässä CX20106:ta käytetään vahvistimena ja tunnistuslaitteena ultraääniantureiden signaalien vastaanottamiseksi, ja myös hyviä tuloksia on saavutettu. Kun esivahvistin vastaanottaa heijastuneen signaalin ultraäänivastaanottimesta, se vahvistaa signaalia noin 80 dB:n jännitevahvistuksella. Sitten signaali lähetetään rajoittavaan vahvistimeen, jotta siitä tulee suorakaiteen muotoinen pulssi, ja sitten suodatin valitsee taajuuden suodattaakseen häiriösignaalin, kantoaaltotaajuus suodatetaan ilmaisimella komentosignaalin havaitsemiseksi, ja muotoilun jälkeen se lähetetään nastan 7 matalalla tasolla. Nastasta 7 tulevan pulssilähdön laskeva reuna syötetään mikro-ohjaimen INT0-portin kautta.

 

Integroidun ultraäänianturin lähetinpiiri ja vastaanotinpiiri käyttävät samaa anturin pin-tuloa/lähtöä. Jos tuloa/lähtöä ei ole eristetty, vastaanotinpiiri ja lähetinpiiri vaikuttavat suuresti. CMOS-kaksisuuntaista analogista kytkintä käytetään lähetyksen ja vastaanoton eristyksen toteuttamiseen. Askelmoottorin ohjausmoduuli ottaa käyttöön rengaspulssinjakolaitteen L297 + kaksois-H-sillan integroidun tehopiirin L298 ohjaustilan. Yksisiruisen mikrotietokoneen P1.6, P1.7 ja P2.3 on kytketty vastaavasti CW:hen, kelloon ja mahdollistavat L297:n ohjausliittimien ohjaamaan pyörimistä eteen- ja taaksepäin, kellosignaalia, moottorin käynnistystä ja pysäytystä.

 

2.3 Havaintojärjestelmän ohjelmistosuunnittelu

Havaintojärjestelmän ohjelmisto koostuu pääosin pääohjelmamoduulista, keskeytyspalveluohjelmamoduulista ja ultraäänianturista, jossa on lähetys- ja vastaanottomoduuli. Havaintojärjestelmän pääohjelmamoduuli selitetään pääasiassa tässä.

 

Ultraäänianturi- ja askelmoottorin mittaus- ja ohjausmoduuleja ohjataan erilaisilla yksisiruisilla mikrotietokoneilla, joten tunnistusjärjestelmän ja mobiilirobotin ylemmän tietokoneen on perustuttava I/O-porttilinjaan ja sarja-asynkroniseen tietoliikenteeseen yksisiruisten mikrotietokoneiden välillä. Lippua T käytetään toimintojen vaihtamiseen. Kun T=0 ja OFF=0 täyttyvät samanaikaisesti, kyseessä on tavallinen ultraääniantureiden tunnistusprosessi; kun T=1, OFF=0, sitä käytetään atsimuutin säätämiseen ennen jokaista syklin mittausta; OFF=1 Odottaa seuraavaa toimintoa. Kaiun ajan laskemiseen käytetään ajastinta T0, joten etäisyysarvo d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. yksi laukaisupulssi annetaan askelmoottorille. Päätä sitten, onko seuraava toimenpide tehdä anturin tunnistus vai säätää itse robotin atsimuuttikulmaa, joka siirtyy uuteen sykliin.

 

3 Havaintojärjestelmän kokeilu ja soveltaminen mobiilirobotille

3.1 Etsi seinää lähinnä oleva kohta

 

Tässä artikkelissa suunnitteluidea seinää lähimmän pisteen löytämisestä perustuu ultraäänimittaukseen. Valitse aikatason etäisyysmittausmenetelmä ja rajoita ultraäänianturin vastaanottoaluetta asettamalla vastaanottokaiun kynnys ja lisäämällä ääntä vaimentava holkki ennen anturin. Mitattu säteen kulma on noin ± 20° pisteessä a

etäisyys 75 cm, ja tehollinen kulma, joka voi vastaanottaa heijastuneita aaltoja, on noin ± 40°.

 

Ultraäänianturin likimääräinen kartiomainen säde määrittää lähimmän pisteen heijastusetäisyyden joka kerta, kun se mittaa etäisyyden. Vaikka säteen kulma poikkeaisi katkoviivasta, todellinen etäisyys on silti säteen keskiviivaa pitkin mitattu arvo. Teoreettisesti lähettävän säteen kulman sisällä mitatun etäisyyden tulisi olla sama, mutta ultraäänianturin iskuajalla ja vastaanottokynnyksen asetuksella, mukaan lukien seinän heijastus, on tietty vaikutus etäisyyden mittaukseen. Kokeilla mitattuna tietyssä kulmassa (noin ± 20° ) mittausetäisyysarvo ei muutu merkittävästi ja sen viereiset arvot ovat suhteellisen lähellä (enintään 2 mm). Kun taipumakulma jatkaa kasvamistaan, myös vierekkäisten mittausarvojen muutokset kasvavat merkittävästi. Siksi yksi menetelmä on käyttää näitä kahta kriittistä pistettä säteen ja seinän välisen kulman (eli seinää lähimmän pisteen) löytämiseen, ja askelmoottori käyttää ultraääntä pyörimään löytääkseen nämä kaksi kriittistä pistettä. Kun kahta vierekkäistä arvoa havaitaan jatkuvasti alle 2 mm:n, katsotaan, että se on mennyt vakaalle alueelle, ja kriittiseksi pisteeksi asetetaan piste, jossa muutos tapahtuu ennen ja jälkeen. Kaikki tämän kriittisen pisteen pisteet tallennetaan, ja sitten lasketaan keskipiste. Keskipiste on lähin seinän ja ultraäänianturin välinen piste. se näyttää joukon mitattuja tietoja. 72 °～ 108° :n sisällä se on etäisyyden mittauksen vakaa alue. Tämän ulkopuolella mitatun etäisyyden viereinen poikkeama ylittää 8 mm ja kulman myötä Se kasvaa edelleen molemmille puolille käännettäessä. Kokeet suoritettiin muuttamalla integroidun ultraäänianturin ja seinän välistä etäisyyttä 50 cm ja 200 cm. Tämän seurauksena pystysuoran kulman mitattu virhe seinään rajoittui 2 askelkulmaan.

 

3.2 Havaintojärjestelmää käytetään robotissa navigoimaan seinää pitkin

 

Autonomiset mobiilirobotit havaitsevat tietoa nykyisestä ympäristöstä liikkeen aikana. Joka kerta havaitut etäisyystiedot mitataan robotin nykyisen liikeasennon perusteella. Kävellessään suorassa linjassa seinää pitkin robotti takaa liikeradansa tarkkuuden etäisyyden mittauksen ja oman asennon yhteishavainnon kautta. Ultraäänietäisyysmittausta on käytetty laajalti. Ultraäänitunnistuskulman ja etäisyysmittauksen välisen suhteen testaamisen jälkeen ultraääniantureilla voidaan mitata ajoneuvon korin atsimuuttikulma (oman asennon määrittämiseksi) lähimmän pisteen laskentamenetelmän mukaisesti. Mitattu lähin piste on todellinen etäisyys robotin ja seinän välillä. Robotin referenssikoordinaatit määrittää yksinkertaisen kooderin suora infrapuna-anturi 1 ja lähin piste lasketaan askelmoottorin jokaisen vaiheen aikana tallennettujen tietojen perusteella. Vertailukoordinaattien ja lähimmän pisteen välillä askelmoottorin kulkemaa kulmaa käytetään robotin ja seinän välisen taipumakulman määrittämiseen, minkä jälkeen taipumakulma välitetään pyöränkäytön ohjausjärjestelmään atsimuuttikulman säätämiseksi.

 

3.3 Etsi esteitä

 

Askelmoottorin käyttö ajamiseen teollinen ultraäänianturi

 kiertäminen on toiminnallisesti samanlaista kuin usean sensorin tunnistus. Mobiilirobotit käyttävät yleensä useita ultraääniantureita kehon ympärillä saadakseen lisää tietoa, mikä lisää esteiden aluetta ja määrittää kohteen suunnan ja rajatiedot. Sitä vastoin kiertomenetelmän etuna on se, että tunnistustiheyttä voidaan säätää automaattisesti esteen tiiviyden mukaan. Lisäantureiden määrää rajoittavat sen omat olosuhteet, ja kiertomenetelmän tiukkuus liittyy vain askelmoottorin askelkulmaan. Havaintotiheyden lisääminen voi parantaa huomattavasti kulman resoluutiota, mikä vahvistaa kohteen suunnan ja rajainformaation määritystä.

 

Tämä järjestelmä on toiminnan laajennus ultraääniläheisyysanturi ja hyvä lisä olemassa olevaan mobiilirobottien tunnistusjärjestelmään. Se on täysin todistettu kokeellisissa sovelluksissa, ja sillä on tiettyä käytännöllisyyttä esteiden havaitsemisessa ja robotin asennon säätämisessä. Tätä menetelmää on kuitenkin parannettava edelleen reaaliajassa ja tarkkuudessa.