मोबाइल रोबोट में अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सिस्टम का अनुप्रयोग

रोबोट बाधा निवारण प्रणालियों में अल्ट्रासोनिक सेंसर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सिद्धांत के आधार पर, एक समानांतर रेंजिंग प्रणाली डिज़ाइन की गई है। सिस्टम की हार्डवेयर संरचना और सॉफ्टवेयर प्राप्ति पद्धति पेश की गई है। इस घटना को ध्यान में रखते हुए कि मल्टी-सेंसर समानांतर रेंजिंग में हस्तक्षेप उत्पन्न करना आसान है, हस्तक्षेप के कारण का विश्लेषण किया जाता है और एक प्रभावी समाधान प्रस्तावित किया जाता है। सिस्टम का उपयोग मोबाइल रोबोट बाधा निवारण प्रयोग में किया जाता है, और सिस्टम की माप सीमा के प्रयोगात्मक अंशांकन परिणाम दिए जाते हैं।

दूरी मापने के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर का व्यापक रूप से उन अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जिनमें दूरी मापने की आवश्यकता होती है, जैसे कि सरल सूचना प्रसंस्करण, तेज गति और कम कीमत के फायदे के कारण बाधाओं से बचने और रडार को उलटने के लिए मोबाइल रोबोट। अल्ट्रासाउंड की विकिरण विशेषताओं के कारण, मौजूदा मल्टी-सेंसर रेंजिंग सिस्टम हस्तक्षेप की पीढ़ी को कम करने के लिए राउंड-रॉबिन ट्रांसमिशन का उपयोग करता है। इस पद्धति में दूरी के लिए एक बड़ा ब्लाइंड स्पॉट है, और वास्तविक समय के प्रदर्शन की गारंटी नहीं दी जा सकती है। मापने वाला डेटा बाद के प्रसंस्करण जैसे बाधा स्थिति और आकार भेदभाव के लिए भी परेशानी भरा है। वे समानांतर में काम करने वाले कई सेंसर के साथ एक अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सिस्टम डिजाइन करते हैं। इस प्रणाली का उपयोग बुद्धिमान मोबाइल रोबोटों पर बाधा निवारण प्रयोगों के लिए किया जाता है, और अच्छे परिणाम प्राप्त होते हैं।

1 अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सिस्टम का डिज़ाइन

अल्ट्रासोनिक दूरी मापने की कई विधियाँ हैं। यह लेख उड़ान विधि के समय को अपनाता है, अर्थात, प्रसार माध्यम से प्राप्त सेंसर तक ट्रांसमिटिंग सेंसर से अल्ट्रासोनिक तरंग के समय टी को मापकर दूरी की गणना की जाती है। इसके सिद्धांत को सूत्र द्वारा L=vt/2 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, (L मापी जाने वाली दूरी है; v हवा में अल्ट्रासोनिक तरंगों के प्रसार की गति है, और t पारगमन समय है)। हवा में अल्ट्रासाउंड के प्रसार की गति पर्यावरण के तापमान से संबंधित है, और तापमान मुआवजे के माध्यम से दूरी माप की सटीकता में सुधार किया जा सकता है।

1.1 हार्डवेयर सर्किट डिजाइन

इसमें मुख्य रूप से अपर कंप्यूटर, प्रोसेसर, अल्ट्रासोनिक ऑसिलेटर सर्किट, ड्राइव सर्किट, सिग्नल एम्प्लीफिकेशन, शेपिंग और तुलना सर्किट शामिल हैं।

प्रोसेसर एसटीसी सिंगल-चिप STC12C5410 को अपनाता है, जो 51 श्रृंखला के साथ संगत है। प्रत्येक सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर एक मल्टीप्लेक्सर के माध्यम से दो अल्ट्रासोनिक सेंसर को नियंत्रित करता है, जो रोबोट के सामने और पीछे स्थित होते हैं। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर का मुख्य कार्य पारगमन समय और परिवेश के तापमान को मापना और बाधाओं की दूरी की गणना करना है। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर RS232 के माध्यम से होस्ट कंप्यूटर के साथ संचार करता है। ऊपरी कंप्यूटर बाधाओं का पता लगाने और रोबोट की गति को नियंत्रित करने के लिए प्राप्त डेटा का विश्लेषण करता है।

अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर सर्किट दो भागों से बना है: एक दोलन सर्किट और एक ड्राइविंग सर्किट। ऑसिलेटिंग सर्किट एक NAND गेट, एक अवरोधक और एक संधारित्र से बना एक सरल सर्किट है, जो अल्ट्रासोनिक तरंगों को उत्सर्जित करने के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर को चलाने के लिए 40kHz वर्ग तरंग संकेत उत्पन्न कर सकता है; ड्राइविंग सर्किट अल्ट्रासोनिक सेंसर को उत्तेजित करने के लिए एक निश्चित शक्ति के साथ एक अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रिक पल्स उत्पन्न करता है, जो चिप की ड्राइविंग क्षमता का उपयोग करके समानांतर संरचना में 6 नॉट गेट्स से बना होता है। संचालित होने के बाद, अल्ट्रासोनिक सेंसर में जोड़ा गया अंतिम सिग्नल 5V के आयाम के साथ एक वर्ग तरंग है।

1.2 सॉफ्टवेयर प्रोग्राम डिज़ाइन

सिस्टम में, सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर को 2 टाइमर को नियंत्रित करना होगा, एक का उपयोग पारगमन समय को मापने के लिए किया जाता है, और दूसरे का उपयोग संचार की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए सिंगल-चिप और पीसी के बीच संचार की बॉड दर निर्धारित करने के लिए किया जाता है; वास्तविक समय में अल्ट्रासोनिक प्राप्त करने वाले सेंसर की निगरानी के लिए एक बाहरी इंटरप्ट पोर्ट को नियंत्रित करें कि क्या परावर्तित अल्ट्रासोनिक सिग्नल प्राप्त करना है; एक निश्चित आवृत्ति पर अल्ट्रासोनिक उत्सर्जित करने के लिए अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर सेंसर को नियंत्रित करने के लिए I/O का उपयोग करें; एकत्र किए गए तापमान मान को पढ़ने के लिए I/O को नियंत्रित करने के लिए एकल बस प्रोटोकॉल का उपयोग करना। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर को भी ऊपरी कंप्यूटर के आदेशों को प्राप्त करने और संसाधित करने की आवश्यकता होती है, और ऊपरी कंप्यूटर की आवश्यकताओं के अनुसार डेटा को वास्तविक समय में ऊपरी कंप्यूटर पर वापस भेजना होता है। 

अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर सेंसर सर्किट को तीन भागों में बांटा गया है: सिग्नल प्रवर्धन, आकार देना और तुलना। अल्ट्रासोनिक प्राप्त करने वाले सेंसर द्वारा प्राप्त सिग्नल बहुत कमजोर है, मिलीवोल्ट स्तर में, सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर द्वारा पता लगाने से पहले सिग्नल को प्रवर्धित करने की आवश्यकता होती है। इस पेपर में, कुल 1000 बार प्रवर्धन के लिए दो-चरण प्रवर्धक सर्किट का उपयोग किया जाता है। दो-चरण प्रवर्धक सर्किट प्रतिरोध-कैपेसिटेंस युग्मन द्वारा जुड़े हुए हैं। एम्पलीफायर से सिग्नल आउटपुट वोल्टेज डबललर शेपिंग सर्किट से गुजरने के बाद तुलनित्र में प्रवाहित होता है। तुलनित्र के संदर्भ वोल्टेज को समायोजित करने से रेंजिंग सिस्टम की माप सीमा और माप सटीकता बदल सकती है। तुलनित्र द्वारा सिग्नल आउटपुट सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के INT0 से जुड़ा होता है, जिससे सिंगल-चिप इंटरप्ट ट्रिगर होता है।

मल्टी-कंप्यूटर संचार का उपयोग सिंगल-चिप कंप्यूटर और होस्ट कंप्यूटर के बीच डेटा संचारित करने के लिए किया जाता है। पीसी में मल्टी-कंप्यूटर नियंत्रण बिट नहीं है, और 

अल्ट्रासोनिक डिस्टेंस सेंसर मॉड्यूल को माइक्रोकंट्रोलर के टीबी8/आरबी8 बिट को अनुकरण करने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। संचार प्रोटोकॉल सेटिंग चरण इस प्रकार हैं:

1) एमसीयू को एड्रेस मॉनिटरिंग स्थिति में सेट करें;

2) पीसी 1 की समता बिट के साथ पता डेटा का एक सेट भेजता है;

3) सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर यह निर्धारित करता है कि प्राप्त पता स्थानीय पते के समान है या नहीं। यदि यह समान है, तो मेज़बान के साथ हाथ मिलाने का अनुबंध स्थापित करने के लिए मेज़बान को पता भेजा जाएगा;

4) होस्ट को पता प्राप्त होने के बाद, यह दूरी की जानकारी भेजने के लिए माइक्रोकंट्रोलर को सूचित करने के लिए 0 के समता बिट के साथ डेटा भेजता है;

5) सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर दूरी का डेटा भेजता है। भेजने के बाद, पते की निगरानी जारी रखने के लिए चरण पर वापस लौटें।

कार्य एकल-चिप माइक्रो कंप्यूटर द्वारा मापी गई दूरी की जानकारी को पढ़ने के लिए सेट संचार प्रोटोकॉल के अनुसार प्रत्येक 50ms पर क्वेरी कमांड का एक सेट सीरियल पोर्ट पर भेजना है; पढ़ी गई दूरी की जानकारी का विश्लेषण करके बाधा का पता लगाएं, और बाधा की आकार विशेषताओं का मोटे तौर पर मूल्यांकन करें; आवश्यक बाधा निवारण उपाय अपनाएं, रोबोट के संचालन को नियंत्रित करें और रनिंग ट्रैक प्रदर्शित करें। सॉफ़्टवेयर में एक अच्छा उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस है, जो प्रोग्राम डिबगिंग के लिए अनुकूल है।