मोबाइल रोबोट दूरी प्रणाली में अल्ट्रासोनिक सेंसर का अनुप्रयोग विश्लेषण

I. प्रस्तावना

स्वायत्त मोबाइल रोबोटों के लिए वास्तविक समय बाधा निवारण और पथ नियोजन की प्रक्रिया में, रोबोट को बाहरी पर्यावरणीय जानकारी के अधिग्रहण, बाधाओं की उपस्थिति को समझने और बाधाओं की दूरी को मापने पर भरोसा करना चाहिए। वर्तमान में, रोबोट बाधा निवारण और रेंजिंग सेंसर में इन्फ्रारेड, अल्ट्रासोनिक, लेजर और विजुअल सेंसर शामिल हैं। लेजर सेंसर और विज़ुअल सेंसर महंगे हैं और नियंत्रकों के लिए उच्च आवश्यकताओं की आवश्यकता होती है। इसलिए, अवरक्त और अल्ट्रासोनिक स्तर के ट्रांसड्यूसर का उपयोग ज्यादातर मोबाइल रोबोट सिस्टम में किया जाता है।

अधिकांश सिस्टम सूचना संग्रह के लिए एकल सेंसर का उपयोग करते हैं, लेकिन ब्लाइंड स्पॉट को मापने की समस्या के कारण, अल्ट्रासोनिक सेंसर की सीमा आम तौर पर 30 और 300 सेमी के बीच होती है; जबकि इन्फ्रारेड दूरी सेंसर की पहचान दूरी कम है, आम तौर पर दसियों सेंटीमीटर के भीतर। कुछ हद तक, यह अल्ट्रासोनिक सेंसर की कमियों को पूरा कर सकता है जिन्हें नज़दीकी सीमा पर नहीं मापा जा सकता है। इसलिए, यह प्रणाली दूरी की जानकारी को मापने और एकत्र करने के लिए कई इन्फ्रारेड और अल्ट्रासोनिक सेंसर का उपयोग करती है।

2. रेंजिंग सिद्धांत और विधि

(1) अल्ट्रासोनिक सेंसर
अल्ट्रासाउंड 20 हर्ट्ज से अधिक अनुनाद आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों को संदर्भित करता है। आवृत्ति जितनी अधिक होगी, परावर्तन क्षमता उतनी ही मजबूत होगी। अल्ट्रासोनिक सेंसर सस्ते होते हैं, और उनका प्रदर्शन प्रकाश, धूल, धुआं, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप से शायद ही प्रभावित होता है, और धातु, लकड़ी, कंक्रीट, कांच, रबर और कागज लगभग 100% अल्ट्रासोनिक तरंगों को प्रतिबिंबित कर सकते हैं, इसलिए उनका उपयोग वस्तुओं का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।
अल्ट्रासोनिक दूरी माप की विधि इको डिटेक्शन विधि है। ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर लगातार ध्वनि स्पंदन उत्सर्जित करता है। ध्वनि तरंग बाधा का सामना करने के बाद, यह वापस परावर्तित होती है और प्राप्तकर्ता ट्रांसड्यूसर द्वारा प्राप्त की जाती है। बाधा की दूरी की गणना ध्वनि की गति और समय के अंतर के अनुसार की जाती है। ध्वनि और समय की दूरी और गति के बीच संबंध व्यक्त किया जाता है।

(2) अल्ट्रासोनिक रेंजिंग ट्रांसड्यूसर की सटीकता में सुधार करने के तरीके
1. उचित आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य का उपयोग करें: का उपयोग करना उच्च शक्ति अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर , आवृत्ति बहुत कम है; दूरी मापने के लिए बाहरी शोर का हस्तक्षेप अधिक है; आवृत्ति बहुत अधिक है, और प्रसार प्रक्रिया के दौरान क्षीणन बड़ा है। इसके अलावा, माप प्रक्रिया के दौरान अल्ट्रासोनिक सेंसर में ब्लाइंड स्पॉट उत्पन्न होने का खतरा होता है, और प्राप्त करने वाले सिरे पर लीक तरंगें प्राप्त होने का खतरा होता है। इस कमी को सुधारने के लिए संचरित तरंग स्ट्रिंग की लंबाई को कम करना और संचरित तरंग की आवृत्ति को बढ़ाना आवश्यक है। हालाँकि, यदि संचारित तरंग स्ट्रिंग की लंबाई बहुत कम है, तो संचारण ट्रांसड्यूसर उत्तेजित नहीं हो सकता है या उत्तेजित कंपन अधिकतम मूल्य तक नहीं पहुंच पाता है; यदि संचरित तरंग की आवृत्ति बहुत अधिक है, तो क्षीणन बड़ा होता है, और कार्य दूरी कम हो जाती है। परीक्षणों से पता चला है कि पल्स समूह को प्रसारित करने के लिए 40 किलोहर्ट्ज़ अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करने पर 10-20 पल्स होते हैं और इसका प्रसार प्रदर्शन अच्छा होता है।

2. सिस्टम की समय सटीकता में सुधार से अल्ट्रासोनिक दूरी ट्रांसड्यूसर की सटीकता में भी सुधार हो सकता है। टाइमर की गिनती आवृत्ति जितनी अधिक होगी, समय की परिमाणीकरण त्रुटि के कारण रेंजिंग त्रुटि उतनी ही कम होगी।

3. सिस्टम सर्किट की समय देरी की भरपाई करने से रेंजिंग त्रुटि कम हो सकती है और रेंजिंग सटीकता में सुधार हो सकता है। सूत्र में, △ t विलंब समय है, s; s1, s2 दो ज्ञात माप दूरियाँ हैं, m; t1, t2 संगत माप समय हैं, s।

(3) इन्फ्रारेड बाधा निवारण सेंसर
इन्फ्रारेड दृश्य प्रकाश और माइक्रोवेव के बीच एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है। इसलिए, इसमें न केवल दृश्य प्रकाश रैखिक प्रसार, परावर्तन, अपवर्तन आदि की विशेषताएं हैं, बल्कि माइक्रोवेव की कुछ विशेषताएं भी हैं, जैसे मजबूत प्रवेश और कुछ अपारदर्शी पदार्थ को भेदने की क्षमता आदि। इन्फ्रारेड सेंसर में एक इन्फ्रारेड उत्सर्जक उपकरण और एक इन्फ्रारेड प्राप्त करने वाला उपकरण शामिल होता है। जब तक तापमान परम शून्य से ऊपर रहेगा, प्रकृति की सभी वस्तुएँ अवरक्त विकिरण उत्सर्जित करेंगी। इसलिए, इन्फ्रारेड सेंसर में मजबूत संचारण और प्राप्त करने की क्षमता होनी चाहिए।

इन्फ्रारेड अल्ट्रासोनिक सेंसर की रेंजिंग का मूल सिद्धांत यह है कि प्रकाश उत्सर्जक ट्यूब इन्फ्रारेड प्रकाश उत्सर्जित करती है, और प्रकाश-संवेदनशील प्राप्त ट्यूब अपने सामने वस्तु की परावर्तित रोशनी प्राप्त करती है, और फिर यह निर्धारित करती है कि उसके सामने कोई बाधा है या नहीं। उत्सर्जित प्रकाश की तीव्रता के अनुसार वस्तु की दूरी का अंदाजा लगाया जा सकता है। इसका सिद्धांत यह है कि प्राप्त ट्यूब द्वारा प्राप्त प्रकाश की तीव्रता परावर्तक वस्तु की दूरी के साथ बदलती रहती है। परावर्तित प्रकाश की तीव्रता दूरी के करीब है, और परावर्तित प्रकाश की तीव्रता दूर है।

वर्तमान में, एक इन्फ्रारेड फोटोइलेक्ट्रिक स्विच, जो सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले सेंसर में से एक है, की ट्रांसमिशन आवृत्ति लगभग 38 किलोहर्ट्ज़ और अपेक्षाकृत कम पहचान दूरी है। इसका उपयोग आमतौर पर कम दूरी की बाधाओं की पहचान के लिए किया जाता है। यह सिस्टम इस प्रकार के सेंसर का उपयोग करता है।

(4) उपकरण की विशेषताओं से प्रभावित अवरक्त दूरी माप के दोष
, सामान्य अवरक्त फोटोइलेक्ट्रिक स्विच में खराब विरोधी हस्तक्षेप होता है और परिवेश प्रकाश से बहुत प्रभावित होता है; और पता लगाई गई वस्तु का रंग और सतह की चिकनाई अलग है, और परावर्तित अवरक्त प्रकाश की तीव्रता अलग होगी।

तीसरा, हार्डवेयर सिस्टम संरचना

(1) सिस्टम संरचना
दूरी मापने की प्रणाली सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर, अल्ट्रासोनिक ट्रांसमिटिंग और रिसीविंग सर्किट, इंफ्रारेड ट्रांसमिटिंग और रिसीविंग सर्किट, डिजिटल डिस्प्ले सर्किट और सीरियल कम्युनिकेशन सर्किट से बनी है। नियंत्रण कोर लिंगयांग 16-बिट माइक्रोकंट्रोलर एसपीसीई061 ए है। 2 16-बिट प्रोग्रामेबल टाइमर / टाइमर, 14 इंटरप्ट स्रोत, 32-बिट यूनिवर्सल प्रोग्रामेबल इनपुट / आउटपुट चैनल और 7-चैनल हैं। चिप पर 10-बिट ए/डी। कनवर्टर.

(2) अल्ट्रासोनिक सेंसर सर्किट
लिंगयांग एमसीयू का I / O9-I / O11 पोर्ट तीन-तरफा अल्ट्रासोनिक ट्रांसमिटिंग सर्किट से जुड़ा है, और I / O3-I / O5 तीन-तरफा अल्ट्रासोनिक रिसीविंग सर्किट से जुड़ा है। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर द्वारा उत्पन्न 40 kHz सिग्नल ट्रांसड्यूसर I/O द्वारा आउटपुट होता है, और इन्वर्टर 4049B से बने बूस्टर एम्पलीफायर सर्किट द्वारा बढ़ाया जाता है। अंत में, यह अल्ट्रासोनिक ट्रांसमिटिंग ट्रांसड्यूसर UCM40T द्वारा प्रसारित होता है; ध्वनि तरंग बाधा पर लौटती है और प्राप्तकर्ता ट्रांसड्यूसर UCM40R द्वारा प्राप्त की जाती है, सिग्नल को OP07 से बने दो-चरण एम्पलीफायर सर्किट द्वारा प्रवर्धित किया जाता है, चरण-लॉक लूप ऑडियो डिकोडर LM567 द्वारा आवृत्ति-चयन किया जाता है, हस्तक्षेप संकेतों को फ़िल्टर किया जाता है, और अंत में, I / O पोर्ट के माध्यम से एकल-चिप माइक्रो कंप्यूटर में इनपुट किया जाता है। सिंगल चिप माइक्रो कंप्यूटर ध्वनि तरंग के संचरण समय के माध्यम से बाधा की दूरी की गणना करता है।

(3) इन्फ्रारेड सेंसर सर्किट
लिंगयांग एमसीयू के I/O0 ~ I/O6 का उपयोग 10-बिट ए/डी कनवर्टर के रूप में किया जा सकता है। इस प्रणाली में, लिंगयांग MCU के I/O0 ~ I/O2 पोर्ट का उपयोग A/D कनवर्टर के रूप में किया जाता है। I/O6 ~ I/O8 तीन इंफ्रारेड ट्रांसमीटर सर्किट से जुड़े हैं, और I/O0 ~ I/O2 सर्किट के साथ तीन इंफ्रारेड रिसीवर से जुड़े हैं। जब सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर का I/O पोर्ट उच्च स्तर का आउटपुट देता है, तो यह इन्फ्रारेड ल्यूमिनसेंट ट्यूब TLN205 के साथ संचालित होता है और इन्फ्रारेड प्रकाश उत्सर्जित करता है; प्रकाश तरंग एक बाधा का सामना करने के बाद परावर्तित होती है और इन्फ्रारेड प्राप्त ट्यूब TPS708 द्वारा प्राप्त की जाती है, जो प्रकाश की तीव्रता के अनुरूप करंट उत्पन्न करती है। निर्मित दो-चरण एम्प्लीफाइंग सर्किट को प्रवर्धित करने के बाद, यह 0 ~ 3V का एक एनालॉग वोल्टेज आउटपुट करता है, जो ए / डी पोर्ट के माध्यम से सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर में इनपुट होता है। सिंगल चिप माइक्रो कंप्यूटर वोल्टेज के परिमाण के माध्यम से बाधा की दूरी की गणना और मूल्यांकन करता है।

4. सॉफ्टवेयर डिज़ाइन
सिंगल-चिप कंप्यूटर SPCE061 A सिस्टम फ़्रीक्वेंसी fosc = 20.480MHz का चयन करता है, CPU क्लॉक फ़्रीक्वेंसी (CPUCLK) fosc / 2 = 10. 24 MHz का चयन करता है, क्लॉक स्रोत फ़्रीक्वेंसी 32768 Hz का चयन करता है, क्लॉक स्रोत फ़्रीक्वेंसी 1Hz का चयन करता है, और SPCE061A 216 बिट टाइमिंग / काउंटर प्रदान करता है: TimerA और TImerB। TImerA का घड़ी स्रोत घड़ी स्रोत A और घड़ी स्रोत B के संचालन से बनता है; TImerB का घड़ी स्रोत केवल घड़ी स्रोत A है।
40 kHz अल्ट्रासोनिक पल्स एक वर्ग तरंग है जिसमें उच्च और निम्न स्तर होते हैं, जिनमें से प्रत्येक 12.5 μs पर होता है। सीपीयू घड़ी की गिनती में 123 निर्देश चक्रों की देरी होती है, जो 12.5 μs है। सिंगल-चिप कंप्यूटर 12.5 μs के उच्च और निम्न स्तर को लगातार उत्पन्न करके 40 kHz का पल्स सिग्नल उत्पन्न कर सकता है। 20 दालों का एक पल्स समूह हर बार 0.5 एमएस के लिए उत्सर्जित होता है, और पल्स उत्सर्जन और अंतराल समय कम से कम 20 एमएस होता है, जो आई/ओ पोर्ट से आउटपुट होता है। . सिस्टम टाइमर ए को 20 एमएस के टाइमर इंटरप्ट के रूप में और टाइमर बी को अल्ट्रासोनिक काउंटर के रूप में चुनता है। क्योंकि अल्ट्रासोनिक सेंसर में डेड जोन माप होता है, प्रोग्राम डिज़ाइन में, 30 सेमी से अधिक की दूरी माप अल्ट्रासोनिक सेंसर द्वारा पूरा किया जाता है, और इन्फ्रारेड सेंसर 30 सेमी के भीतर पूरा किया जाता है।

इन्फ्रारेड रेंजिंग प्रक्रिया में, टाइमर ए का उपयोग ए / डी नमूने के लिए 0.1S इंटरप्ट उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, और वोल्टेज मान को दूरी की जानकारी में परिवर्तित किया जाता है। मुख्य प्रोग्राम में, सबसे पहले, इन्फ्रारेड डिटेक्शन सबरूटीन दर्ज करें। यदि किसी बाधा का पता चलता है, तो डेटा ट्रांसमिशन, डिस्प्ले और मोशन कंट्रोल सबरूटीन दर्ज करें; यदि कोई बाधा नहीं पाई जाती है, तो अल्ट्रासोनिक डिटेक्शन सबरूटीन में प्रवेश करें। अल्ट्रासाउंड बाधाओं का पता लगाता है, फिर डेटा ट्रांसमिशन, डिस्प्ले और गति नियंत्रण सबरूटीन में प्रवेश करता है। यदि कोई बाधा नहीं पाई जाती है, तो इन्फ्रारेड डिटेक्शन क्रमशः चक्रीय रूप से इन्फ्रारेड और अल्ट्रासोनिक डिटेक्शन सबरूटीन द्वारा किया जाता है।

वी. माप परिणाम
परीक्षण के दौरान, माप के लिए समान आकार, बनावट और रंग की बाधाओं का उपयोग किया जाता है। परीक्षणों से पता चलता है कि सिस्टम की रेंजिंग सटीकता 0 से 200 सेमी तक 1% के भीतर है, जो बाधाओं की दूरी को सटीक रूप से माप सकती है। 30 सेमी के भीतर की दूरी का माप इन्फ्रारेड सेंसर द्वारा किया जाता है, और 30 और 200 सेमी के बीच की दूरी का माप अल्ट्रासोनिक सेंसर द्वारा किया जाता है।

6. निष्कर्ष
यह पेपर कम लागत, कम-शक्ति, उच्च-प्रदर्शन वाले मोबाइल रोबोट साइड-डिस्टेंस सिस्टम, अल्ट्रासोनिक और इन्फ्रारेड सेंसर का उपयोग करने वाले एक मल्टी-सेंसर सिस्टम का अध्ययन करता है, जो एकल सेंसर रेंजिंग सिस्टम में ब्लाइंड स्पॉट को मापने की समस्या को प्रभावी ढंग से हल करता है; तीन सेंसर समूहों को रोबोट के तीन अलग-अलग स्थानों पर इकट्ठा किया जाता है, ताकि रोबोट तीन अलग-अलग दिशाओं में कार्य पूरा कर सके।