अल्ट्रासोनिक सेंसर पर आधारित स्वायत्त मोबाइल रोबोट की जांच प्रणाली

अल्ट्रासोनिक सेंसर का विस्तार मोबाइल रोबोट की मौजूदा पहचान प्रणाली का एक अच्छा पूरक है। प्रायोगिक अनुप्रयोगों में इसे पूरी तरह से प्रदर्शित किया गया है, और बाधा का पता लगाने और रोबोट मुद्रा समायोजन में इसकी कुछ व्यावहारिकता है। हालाँकि, इस पद्धति को वास्तविक समय और सटीकता में और बेहतर बनाने की आवश्यकता है।

 

सबसे महत्वपूर्ण में से एक मोबाइल रोबोट के लिए यू अल्ट्रासोनिक लेवल सेंसर का उद्देश्य स्वायत्त व्यवहार प्राप्त करना है और पर्यावरण के बारे में ज्ञान प्राप्त करना है। यह विभिन्न अल्ट्रासोनिक सेंसर मापों का उपयोग करके और उन मापों से जानकारी निकालकर प्राप्त किया जाता है। मोबाइल रोबोट में विज़न, इंफ्रारेड, लेजर और अल्ट्रासोनिक जैसे सेंसर का उपयोग किया गया है। उनके उच्च लागत प्रदर्शन और सरल हार्डवेयर कार्यान्वयन के कारण मोबाइल रोबोट सेंसिंग सिस्टम में अल्ट्रासोनिक सेंसर का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। हालाँकि, अल्ट्रासोनिक सेंसर की भी कुछ सीमाएँ हैं, मुख्य रूप से बड़े बीम कोण, खराब दिशा और दूरी माप की अस्थिरता (गैर-ऊर्ध्वाधर प्रतिबिंब के तहत) के कारण। इसलिए, क्षतिपूर्ति के लिए अक्सर कई अल्ट्रासोनिक सेंसर या अन्य सेंसर का उपयोग किया जाता है। अल्ट्रासोनिक सेंसर की कमियों को पूरा करने और पर्यावरणीय जानकारी प्राप्त करने की इसकी क्षमता में सुधार करने के लिए, यह पेपर एक एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर और एक स्टेपिंग मोटर से बना एक डिटेक्शन सिस्टम डिजाइन करता है।

 

1 अल्ट्रासोनिक सेंसर का पता लगाने के सिद्धांत और विधि का विश्लेषण

 

अल्ट्रासोनिक सेंसर का मूल सिद्धांत (अल्ट्रासोनिक) दबाव तरंग पैकेट भेजना और तरंग पैकेट को प्रेषित करने और रिसीवर तक वापस आने में लगने वाले समय को मापना है।

 

उनमें से, यह लक्ष्य और अल्ट्रासोनिक सेंसर के बीच की दूरी है; सी अल्ट्रासोनिक तरंग गति है (विवरण को सरल बनाने के लिए, नीचे चर्चा की गई दूरी को मापते समय तरंग गति पर तापमान के प्रभाव पर विचार नहीं किया जाता है; टी उत्सर्जन से रिसेप्शन तक का समय अंतराल है।

 

क्योंकि अल्ट्रासाउंड से दूरी मापना कोई बिंदु माप नहीं है। अल्ट्रासोनिक सेंसर में कुछ प्रसार विशेषताएँ होती हैं। उत्सर्जित अल्ट्रासोनिक ऊर्जा मुख्य रूप से मुख्य लोब पर केंद्रित होती है, और मुख्य तरंग अक्ष के दोनों किनारों पर लगभग 30 डिग्री बाएँ और दाएँ प्रसार कोण के साथ एक लहर जैसी आकृति में क्षीण हो जाती है। दरअसल, समय के साथ सूत्र की गणना पद्धति अल्ट्रासोनिक तरंगों के सफल, ऊर्ध्वाधर प्रतिबिंब पर आधारित है। हालाँकि, एक मोबाइल रोबोट के लिए अपनी स्वयं की गति मुद्रा की स्थिरता सुनिश्चित करना कठिन है। पता लगाने की विधि का उपयोग किया जाता है जिसमें मोबाइल रोबोट के शरीर पर एक अल्ट्रासोनिक सेंसर लगाया जाता है। जब मोबाइल रोबोट एक समानांतर दीवार से भटकता है, तो पता लगाने वाली प्रणाली के लिए वास्तविक दूरी प्राप्त करना अक्सर मुश्किल होता है। इसके अलावा, जब अल्ट्रासाउंड की विचलन विशेषता का उपयोग बाधाओं को मापने के लिए किया जाता है, तो यह केवल लक्ष्य बाधा की दूरी की जानकारी प्रदान कर सकता है, लेकिन लक्ष्य की दिशा और सीमा की जानकारी नहीं। ये दोष अल्ट्रासोनिक सेंसर के व्यावहारिक अनुप्रयोग और प्रचार को बहुत सीमित कर देते हैं।

 

सैद्धांतिक विश्लेषण और निरंतर परीक्षण के आधार पर, यह पेपर एक गतिशील सेंसिंग सिस्टम बनाने के लिए एकल एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर को घुमाने के लिए चार-चरण स्टेपर मोटर का उपयोग करता है।

 

2 डिटेक्शन सिस्टम एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर और स्टेपर मोटर से बना है

 

2.1 संरचनात्मक डिज़ाइन

 

अल्ट्रासोनिक सेंसर को पीसीबी बोर्ड पर वेल्ड किया जाता है, बोर्ड एक स्टील पाइप द्वारा बनाया जाता है, और स्टील पाइप का दूसरा सिरा स्टेपिंग मोटर के शाफ्ट से जुड़ा होता है, और स्टेपिंग मोटर रोबोट चेसिस के नीचे तय की जाती है। अल्ट्रासोनिक सेंसर नियंत्रण सिग्नल और आउटपुट सिग्नल जो सिग्नल लाइन के माध्यम से वाहन बॉडी पर नियंत्रण बोर्ड से जुड़े होते हैं। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक सेंसर की जांच के सामने फोम सामग्री से बनी एक शंकु के आकार की आस्तीन जोड़ी जाती है, ऊपरी मुंह का व्यास 22 मिमी, निचले मुंह का व्यास 16 मिमी और ऊंचाई 20 मिमी है। इस प्रकार, संचरित तरंग का किरण कोण और वह कोण जिस पर परावर्तित तरंग प्राप्त होती है, बहुत सीमित है। रोबोट को अपनी मुद्रा समायोजित करने के लिए, उसे अपनी घूर्णन दिशा और संदर्भ स्थिति निर्धारित करने की आवश्यकता होती है। इसलिए, प्रत्यक्ष इन्फ्रारेड फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर और टर्नटेबल से बना एक साधारण फोटोइलेक्ट्रिक एनकोडर स्वयं द्वारा बनाया गया है। 2 प्रत्यक्ष अवरक्त फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर का वितरण दिखाया गया है और वे 180 डिग्री के अंतराल पर रोबोट कार बॉडी के दोनों किनारों पर मध्य बिंदु कनेक्टिंग लाइन पर क्षैतिज रूप से व्यवस्थित हैं। टर्नटेबल और घूमने वाली भुजा एक संकेंद्रित वृत्त पर जुड़े हुए हैं, जैसा कि चित्र में बाहरी वृत्त द्वारा दिखाया गया है, 1, 3 स्केल रेखाएँ 27 ° से अलग होती हैं ; 2, 1 स्केल रेखाओं को 180 ° से अलग किया जाता है , और 1 स्केल रेखा और अल्ट्रासोनिक सेंसर के केंद्र को एक ही क्षैतिज रेखा पर रखा जाता है। I अकेले चालन का उपयोग संदर्भ समन्वय के रूप में किया जाता है, I और II को रोटेशन की दिशा निर्धारित करने के लिए एक साथ निर्देशित किया जाता है, और जब रोबोट दीवार के साथ लौटता है तो Ⅱ एकल पास का उपयोग नेविगेशन संदर्भ के रूप में किया जाता है।

 

एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर को एक स्टेपिंग मोटर द्वारा घुमाया जाता है, और रोबोट बॉडी के लंबवत अल्ट्रासोनिक सेंसर की केंद्रीय धुरी की दिशा का उपयोग अपने स्वयं के आसन समायोजन के लिए समन्वय संदर्भ के रूप में किया जाता है। स्टेपिंग मोटर 1.8 के 4-चरण 4-बीट चरण कोण ° और प्रति क्रांति 1 चरण को अपनाती है, अल्ट्रासोनिक सेंसर एक बार पता लगाता है, और मापने वाले मूल्य को सीरियल पोर्ट के माध्यम से ऊपरी कंप्यूटर पर भेजता है।

 

2.2 डिटेक्शन सिस्टम हार्डवेयर डिज़ाइन

 

डिटेक्शन सिस्टम हार्डवेयर मुख्य रूप से अल्ट्रासोनिक जेनरेटिंग सर्किट, अल्ट्रासोनिक रिसीविंग सर्किट, स्टेपर मोटर स्पीड कंट्रोल मॉड्यूल आदि से बना होता है। सिस्टम का मूल सिंगल-चिप है, जो मुख्य रूप से सिग्नल ट्रांसमिशन और रिसेप्शन को पूरा करता है, स्टेपिंग मोटर को नियंत्रित करता है, और प्रोसेसिंग के लिए डेटा को रोबोट होस्ट कंप्यूटर तक पहुंचाता है।

 

अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर सर्किट ट्रांसमीटर पल्स को आउटपुट करने के लिए सिंगल-चिप के P11 पोर्ट का उपयोग करता है, और अल्ट्रासोनिक सेंसर को कनेक्ट करने के लिए 74HC04 द्वारा संचालित होता है। वे इसकी आउटपुट करंट क्षमता को बढ़ाते हैं और अल्ट्रासोनिक सेंसर की ट्रांसमिशन दूरी को बढ़ाते हैं।

 

अल्ट्रासोनिक प्राप्त करने और प्रसंस्करण सर्किट एकीकृत सर्किट को अपनाता है। यह इन्फ्रारेड रिसीवर्स के लिए एक समर्पित एकीकृत सर्किट है। यहां CX20106 का उपयोग अल्ट्रासोनिक सेंसर से सिग्नल प्राप्त करने के लिए एक प्रवर्धक और पता लगाने वाले उपकरण के रूप में किया जाता है, और अच्छे परिणाम भी प्राप्त हुए हैं। प्री-एम्प्लीफायर को अल्ट्रासोनिक प्राप्त जांच से परावर्तित सिग्नल प्राप्त होने के बाद, यह लगभग 80 डीबी के वोल्टेज लाभ के साथ सिग्नल को बढ़ाता है। फिर सिग्नल को एक आयताकार पल्स में बनाने के लिए सीमित एम्पलीफायर को भेजा जाता है, और फिर हस्तक्षेप सिग्नल को फ़िल्टर करने के लिए फ़िल्टर द्वारा आवृत्ति का चयन किया जाता है, कमांड सिग्नल का पता लगाने के लिए वाहक आवृत्ति को डिटेक्टर द्वारा फ़िल्टर किया जाता है, और आकार देने के बाद, इसे पिन 7 निम्न स्तर द्वारा आउटपुट किया जाता है। पिन 7 से पल्स आउटपुट का गिरता किनारा माइक्रोकंट्रोलर के INT0 पोर्ट के माध्यम से इनपुट होता है।

 

एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर का ट्रांसमीटर सर्किट और रिसीवर सर्किट एक ही सेंसर पिन इनपुट/आउटपुट का उपयोग करते हैं। यदि इनपुट/आउटपुट को अलग नहीं किया गया है, तो रिसीवर सर्किट और ट्रांसमीटर सर्किट बहुत प्रभावित होंगे। ट्रांसमिशन और रिसेप्शन अलगाव का एहसास करने के लिए सीएमओएस द्विदिश एनालॉग स्विच का उपयोग किया जाता है। स्टेपिंग मोटर नियंत्रण मॉड्यूल रिंग पल्स डिस्ट्रीब्यूटर L297 + डबल एच-ब्रिज पावर इंटीग्रेटेड सर्किट L298 के नियंत्रण मोड को अपनाता है। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के P1.6, P1.7 और P2.3 क्रमशः CW, क्लॉक से जुड़े हैं, और मोटर के आगे और पीछे के रोटेशन, क्लॉक सिग्नल, स्टार्ट और स्टॉप को नियंत्रित करने के लिए L297 के नियंत्रण टर्मिनलों को सक्षम करते हैं।

 

2.3 डिटेक्शन सिस्टम सॉफ्टवेयर डिजाइन

डिटेक्शन सिस्टम का सॉफ्टवेयर मुख्य रूप से एक मुख्य प्रोग्राम मॉड्यूल, एक इंटरप्ट सर्विस प्रोग्राम मॉड्यूल और एक अल्ट्रासोनिक सेंसर से बना होता है जिसमें ट्रांसमिटिंग और रिसीविंग मॉड्यूल होता है। डिटेक्शन सिस्टम के मुख्य प्रोग्राम मॉड्यूल को यहां मुख्य रूप से समझाया गया है।

 

अल्ट्रासोनिक सेंसर और स्टेपर मोटर माप और नियंत्रण मॉड्यूल को अलग-अलग सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इसलिए सेंसिंग सिस्टम और मोबाइल रोबोट के ऊपरी कंप्यूटर को सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के बीच I/O पोर्ट लाइन और सीरियल एसिंक्रोनस संचार पर निर्भर होना चाहिए। ध्वज T का उपयोग क्रियाओं को बदलने के लिए किया जाता है। जब T=0 और OFF=0 एक ही समय में संतुष्ट होते हैं, तो यह अल्ट्रासोनिक सेंसर की एक सामान्य पहचान प्रक्रिया है; जब T=1, OFF=0, इसका उपयोग प्रत्येक चक्र माप से पहले अज़ीमुथ को समायोजित करने के लिए किया जाता है; OFF=1 अगली कार्रवाई की प्रतीक्षा कर रहा है। टाइमर T0 का उपयोग प्रतिध्वनि के समय की गणना करने के लिए किया जाता है, इसलिए दूरी मान d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2। स्टेपर मोटर को एक ट्रिगर पल्स दिया जाता है। फिर निर्धारित करें कि अगली कार्रवाई सेंसर का पता लगाना है या रोबोट के अज़ीमुथ कोण को समायोजित करना है, जो एक नए चक्र में प्रवेश करता है।

 

3 मोबाइल रोबोट पर डिटेक्शन सिस्टम का प्रयोग और अनुप्रयोग

3.1 दीवार के निकटतम बिंदु का पता लगाएं

 

इस पेपर में, दीवार के निकटतम बिंदु को खोजने का डिज़ाइन विचार अल्ट्रासोनिक रेंजिंग पर आधारित है। समय-स्तरीय दूरी माप विधि का चयन करना, और प्राप्त इको थ्रेशोल्ड सेट करके और जांच से पहले ध्वनि-अवशोषित आस्तीन जोड़कर अल्ट्रासोनिक सेंसर की प्राप्त सीमा को सीमित करना। मापा गया बीम कोण लगभग ° 20है ±

75 सेमी की दूरी, और परावर्तित तरंगों को प्राप्त करने वाला प्रभावी कोण लगभग ± 40° है.

 

अल्ट्रासोनिक सेंसर की अनुमानित शंक्वाकार किरण हर बार दूरी मापने पर निकटतम बिंदु की प्रतिबिंब दूरी निर्धारित करती है। भले ही बीम कोण बिंदीदार रेखा से विचलित हो, वास्तविक दूरी अभी भी बीम केंद्र रेखा के साथ मापने वाला मान है। सैद्धांतिक रूप से, ट्रांसमिटिंग बीम कोण के भीतर मापी गई दूरी समान होनी चाहिए, लेकिन अल्ट्रासोनिक सेंसर का झटका समय और दीवार के प्रतिबिंब सहित प्राप्त थ्रेशोल्ड की सेटिंग, दूरी माप पर एक निश्चित प्रभाव डालेगी। प्रयोगों द्वारा मापे गए, एक निश्चित कोण (लगभग ± 20° ) के भीतर, मापने की दूरी का मान महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलता है, और इसके पड़ोसी मान अपेक्षाकृत करीब हैं (2 मिमी से अधिक नहीं)। जब विक्षेपण कोण बढ़ता रहता है, तो आसन्न माप मूल्यों में परिवर्तन भी काफी बढ़ जाता है। इसलिए, एक विधि यह है कि बीम और दीवार (यानी, दीवार के निकटतम बिंदु) के बीच के कोण को खोजने के लिए इन दो महत्वपूर्ण बिंदुओं का उपयोग किया जाए, और स्टेपर मोटर इन दो महत्वपूर्ण बिंदुओं को खोजने के लिए अल्ट्रासोनिक को घुमाने के लिए प्रेरित करती है। जब दो आसन्न मान लगातार 2 मिमी से नीचे पाए जाते हैं, तो यह माना जाता है कि यह स्थिर क्षेत्र में प्रवेश कर चुका है, और वह बिंदु जहां पहले और बाद में परिवर्तन होता है उसे महत्वपूर्ण बिंदु के रूप में सेट किया जाता है। इस महत्वपूर्ण बिंदु के भीतर सभी बिंदुओं को रिकॉर्ड किया जाता है, और फिर मध्यबिंदु की गणना की जाती है। मध्यबिंदु दीवार और अल्ट्रासोनिक सेंसर के बीच निकटतम बिंदु है। यह मापे गए डेटा का एक सेट दिखाता है। 72 °～ 108° के भीतर यह दूरी माप का स्थिर क्षेत्र है। इसके बाहर, मापी गई दूरी का आसन्न विचलन 8 मिमी से अधिक है, और कोण के साथ दोनों तरफ मुड़ने पर यह और बढ़ जाएगा। एकीकृत अल्ट्रासोनिक सेंसर और दीवार के बीच की दूरी को 50 सेमी और 200 सेमी के भीतर बदलकर प्रयोग किए गए। परिणामस्वरूप, दीवार के ऊर्ध्वाधर कोण की मापी गई त्रुटि 2 चरण कोणों तक सीमित थी।

 

3.2 दीवार पर नेविगेट करने के लिए रोबोट पर डिटेक्शन सिस्टम लगाया जाता है

 

स्वायत्त मोबाइल रोबोट आंदोलन के दौरान वर्तमान वातावरण के बारे में जानकारी का पता लगाते हैं। हर बार पाई गई दूरी की जानकारी वर्तमान रोबोट गति मुद्रा के आधार पर मापी जाती है। दीवार के साथ एक सीधी रेखा में चलते समय, रोबोट दूरी माप और अपनी मुद्रा की संयुक्त धारणा के माध्यम से अपने प्रक्षेपवक्र की सटीकता की गारंटी देता है। अल्ट्रासोनिक दूरी माप का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। अल्ट्रासोनिक पहचान कोण और दूरी माप के बीच संबंध का परीक्षण करने के बाद, निकटतम बिंदु की गणना की विधि के अनुसार वाहन शरीर के अज़ीमुथ कोण को मापने (अपनी स्वयं की मुद्रा निर्धारित करने के लिए) के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर का उपयोग किया जा सकता है। मापा गया निकटतम बिंदु रोबोट और दीवार के बीच की वास्तविक दूरी है। रोबोट के संदर्भ निर्देशांक सरल एनकोडर पर प्रत्यक्ष अवरक्त सेंसर 1 द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, और निकटतम बिंदु की गणना स्टेपिंग मोटर के प्रत्येक चरण के दौरान संग्रहीत जानकारी के अनुसार की जाती है। संदर्भ निर्देशांक और निकटतम बिंदु के बीच, स्टेपर मोटर द्वारा तय किए गए कोण का उपयोग रोबोट और दीवार के बीच विक्षेपण कोण को निर्धारित करने के लिए किया जाता है, और फिर विक्षेपण कोण को अज़ीमुथ कोण को समायोजित करने के लिए व्हील ड्राइव नियंत्रण प्रणाली में प्रेषित किया जाता है।

 

3.3 बाधाओं की खोज करें

 

को चलाने के लिए स्टेपिंग मोटर का उपयोग औद्योगिक अल्ट्रासोनिक सेंसर

 घुमाना कार्यात्मक रूप से मल्टी-सेंसर डिटेक्शन के समान है। मोबाइल रोबोट आमतौर पर अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए शरीर के चारों ओर कई अल्ट्रासोनिक सेंसर का उपयोग करते हैं, जिससे बाधाओं की सीमा बढ़ जाती है और लक्ष्य की दिशा और सीमा की जानकारी निर्धारित होती है। इसके विपरीत, रोटेशन विधि का एक फायदा यह है कि बाधा की जकड़न के अनुसार पता लगाने के घनत्व को स्वचालित रूप से समायोजित किया जा सकता है। अतिरिक्त सेंसर की संख्या अपनी शर्तों से सीमित है, और रोटेशन विधि की जकड़न केवल स्टेपर मोटर के चरण कोण से संबंधित है। पहचान घनत्व में वृद्धि से कोण के रिज़ॉल्यूशन में काफी सुधार हो सकता है, जिससे लक्ष्य दिशा और सीमा जानकारी के निर्धारण को मजबूत किया जा सकता है।

 

यह प्रणाली के कार्य का विस्तार है अल्ट्रासोनिक प्रॉक्सिमिटी सेंसर और मोबाइल रोबोट की मौजूदा पहचान प्रणाली का एक अच्छा पूरक है। प्रायोगिक अनुप्रयोगों में इसे पूरी तरह से प्रदर्शित किया गया है, और बाधा का पता लगाने और रोबोट मुद्रा समायोजन में इसकी कुछ व्यावहारिकता है। हालाँकि, इस पद्धति को वास्तविक समय और सटीकता में और बेहतर बनाने की आवश्यकता है।