Analiza primjene ultrazvučnog senzora u sustavu udaljenosti mobilnog robota

I. Uvod

U procesu izbjegavanja prepreka u stvarnom vremenu i planiranja puta za autonomne mobilne robote, robot se mora oslanjati na prikupljanje informacija o vanjskom okruženju, osjetiti prisutnost prepreka i mjeriti udaljenost prepreka. Trenutačno robotski senzori za izbjegavanje prepreka i domet uključuju infracrvene, ultrazvučne, laserske i vizualne senzore. Laserski senzori i vizualni senzori su skupi i zahtijevaju visoke zahtjeve za kontrolere. Stoga, infracrveni i ultrazvučni pretvarači razine uglavnom se koriste u mobilnim robotskim sustavima.

Većina sustava koristi jedan senzor za prikupljanje informacija, ali zbog problema mjerenja mrtvih kutova, domet ultrazvučnih senzora općenito je između 30 i 300 cm; dok je udaljenost detekcije infracrvenih senzora udaljenosti kratka, općenito unutar desetaka centimetara. U određenoj mjeri može nadoknaditi nedostatke ultrazvučnih senzora koji se ne mogu mjeriti na blizinu. Stoga ovaj sustav koristi više infracrvenih i ultrazvučnih senzora za mjerenje i prikupljanje podataka o udaljenosti.

2. Princip i metoda rangiranja

(1) Ultrazvučni senzor
Ultrazvuk se odnosi na zvučne valove s frekvencijom rezonancije višom od 20 Hz. Što je veća frekvencija, to je jača sposobnost refleksije. Ultrazvučni senzori su jeftini, a na njihovu izvedbu jedva utječu svjetlost, prašina, dim, elektromagnetske smetnje, a metal, drvo, beton, staklo, guma i papir mogu reflektirati gotovo 100% ultrazvučnih valova, tako da se mogu koristiti za otkrivanje objekata.
Metoda ultrazvučnog mjerenja udaljenosti je metoda detekcije odjeka. Prijenosni pretvarač kontinuirano emitira zvučne impulse. Nakon što zvučni val naiđe na prepreku, reflektira se natrag i prima prijemni pretvornik. Udaljenost prepreke izračunava se prema brzini zvuka i vremenskoj razlici. Izražen je odnos između udaljenosti i brzine zvuka i vremena.

(2) Metode za poboljšanje točnosti ultrazvučnog pretvarača dometa
1. Koristite odgovarajuću frekvenciju i valnu duljinu: pomoću ultrazvučni pretvarač velike snage za mjerenje udaljenosti, frekvencija je preniska; vanjske smetnje buke su veće; frekvencija je previsoka, a slabljenje je veliko tijekom procesa širenja. Osim toga, ultrazvučni senzor je sklon stvaranju mrtvih točaka tijekom procesa mjerenja, a prijemni kraj sklon je primanju propusnih valova. Da bi se popravio ovaj nedostatak, potrebno je smanjiti duljinu odaslanog valnog niza i povećati frekvenciju odaslanog vala. Međutim, ako je duljina odaslanog valnog niza prekratka, odašiljač se ne može pobuditi ili pobuđena vibracija ne doseže maksimalnu vrijednost; ako je frekvencija odaslanog vala previsoka, slabljenje je veliko, a radna udaljenost se smanjuje. Ispitivanja su pokazala da uporaba ultrazvučnih valova od 40 kHz za prijenos impulsne skupine sadrži 10-20 impulsa i ima dobre performanse širenja.

2. Poboljšanje vremenske točnosti sustava također može poboljšati točnost ultrazvučnog pretvarača udaljenosti. Što je veća frekvencija brojanja mjerača vremena, to je manja pogreška rangiranja zbog pogreške kvantizacije vremena.

3. Kompenzacija vremenskog kašnjenja kruga sustava može smanjiti pogrešku određivanja dometa i poboljšati točnost određivanja dometa. U formuli, △ t je vrijeme kašnjenja, s; s1, s2 su dvije poznate mjerne udaljenosti, m; t1, t2 su odgovarajuće vrijeme mjerenja, s.

(3) Infracrveni senzor za izbjegavanje prepreka
Infracrveno je elektromagnetski val između vidljive svjetlosti i mikrovalova. Stoga, ne samo da ima karakteristike linearnog širenja vidljive svjetlosti, refleksije, refrakcije itd., već ima i određene karakteristike mikrovalova, kao što je jaka penetracija i sposobnost prodiranja u određenu neprozirnu materiju itd. Infracrveni senzor uključuje infracrveni uređaj za emitiranje i infracrveni prijemni uređaj. Svi objekti u prirodi zračit će infracrveno zračenje sve dok je temperatura iznad apsolutne nule. Stoga infracrveni senzori moraju imati jače mogućnosti odašiljanja i primanja.

Osnovni princip određivanja raspona infracrvenog ultrazvučnog senzora je da cijev koja emitira svjetlost emitira infracrveno svjetlo, a prijemna cijev osjetljiva na svjetlo prima reflektirano svjetlo objekta ispred sebe, te zatim procjenjuje postoji li prepreka ispred nje. Udaljenost objekta može se procijeniti prema intenzitetu emitirane svjetlosti. Njegov princip je da intenzitet svjetlosti koju prima prijemna cijev varira s udaljenošću reflektirajućeg objekta. Intenzitet reflektirane svjetlosti je blizu udaljenosti, a intenzitet reflektirane svjetlosti je daleko.

Trenutno, infracrveni fotoelektrični prekidač, koji je jedan od najčešće korištenih senzora, ima frekvenciju prijenosa od oko 38 kHz i relativno malu udaljenost detekcije. Obično se koristi za prepoznavanje prepreka na kratkim udaljenostima. Ovaj sustav koristi ovu vrstu senzora.

(4) Nedostaci infracrvenog mjerenja udaljenosti
Utječu na karakteristike uređaja, opći infracrveni fotoelektrični prekidač slabo štiti od smetnji i jako utječe na okolno svjetlo; a boja detektiranog objekta i glatkoća površine su različite, a intenzitet reflektirane infracrvene svjetlosti bit će različit.

Treće, struktura hardverskog sustava

(1) Sastav sustava
Sustav za mjerenje udaljenosti sastoji se od mikroračunala s jednim čipom, ultrazvučnog odašiljačkog i prijamnog kruga, infracrvenog odašiljačkog i prijamnog kruga, digitalnog displejskog kruga i serijskog komunikacijskog kruga. Upravljačka jezgra je Lingyang 16-bitni mikrokontroler SPCE061 A. Postoje 2 16-bitna programibilna mjerača vremena / tajmera, 14 izvora prekida, 32-bitni univerzalni programabilni ulaz/izlaz kanala i 7-kanalni 10-bitni A/D na čipu. konverter.

(2)
Krug ultrazvučnog senzora Priključak I / O9-I / O11 Lingyang MCU spojen je na trosmjerni ultrazvučni prijenosni krug, a I / O3-I / O5 spojen je na trosmjerni ultrazvučni prijemni krug. Transduktor signala od 40 kHz koji generira mikroračunalo s jednim čipom izlazi putem I/O, a pojačava ga krug pojačala koji se sastoji od pretvarača 4049B. Konačno, odašilje se ultrazvučnom transduktorom UCM40T; zvučni val se vraća na prepreku i prima ga prijamni pretvornik UCM40R. Signal se pojačava dvostupanjskim krugom pojačala sastavljenim od OP07, frekvencijski odabran audio dekoderom fazno zaključane petlje LM567, filtriranjem signala smetnji i konačno, unosom u mikroračunalo s jednim čipom kroz I/O priključak. Mikroračunalo s jednim čipom izračunava udaljenost prepreke kroz vrijeme prijenosa zvučnog vala.

(3) Krug infracrvenog senzora
I/O0 ～ I/O6 Lingyang MCU-a može se koristiti kao 10-bitni A/D pretvarač. U ovom sustavu, I/O0 ～ I/O2 priključci Lingyang MCU-a koriste se kao A/D pretvarači. I / O6 ～ I / O8 spojeni su na tri kruga infracrvenih odašiljača, a I / O0 ～ I / O2 povezani su na tri infracrvena prijemnika s krugom. Kada ulazno-izlazni priključak mikroračunala s jednim čipom emitira visoku razinu, on provodi s infracrvenom luminescentnom cijevi TLN205 i emitira infracrveno svjetlo; svjetlosni val se nakon susreta s preprekom reflektira i prima infracrvena prijemna cijev TPS708, koja stvara struju koja odgovara intenzitetu svjetla. Nakon što se sastavljen dvostupanjski krug za pojačanje pojača, daje analogni napon od 0 ~ 3 V, koji se unosi u mikroračunalo s jednim čipom kroz A/D priključak. Mikroračunalo s jednim čipom izračunava i procjenjuje udaljenost prepreke pomoću veličine napona.

4. Dizajn softvera
Računalo s jednim čipom SPCE061 A odabire sistemsku frekvenciju fosc = 20,480MHz, frekvencija takta CPU-a (CPUCLK) je fosc / 2 = 10,24 MHz, izvor takta odabire frekvenciju 32768 Hz, izvor takta odabire frekvenciju 1Hz, a SPCE061A pruža 216-bitno mjerenje vremena / brojač: TimerA i TIMErB. Izvor takta TIMErA formiran je operacijama izvora takta A i izvora takta B; izvor takta za TImerB je samo izvor takta A.
Ultrazvučni puls od 40 kHz kvadratni je val s visokim i niskim razinama od kojih svaka zauzima 12,5 μs. Broj takta CPU-a kasni za 123 ciklusa instrukcija, što je 12,5 μs. Računalo s jednim čipom može generirati pulsni signal od 40 kHz kontinuiranim generiranjem visokih i niskih razina od 12,5 μs. Grupa impulsa od 20 impulsa emitira se svaki put u trajanju od 0,5 ms, a emisija impulsa i vrijeme intervala su najmanje 20 ms, što je izlaz iz I/O porta. . Sustav odabire mjerač vremena A kao prekid mjerača vremena od 20 ms, a mjerač vremena B kao ultrazvučni brojač. Budući da ultrazvučni senzor ima mjerenje mrtve zone, u dizajnu programa mjerenje udaljenosti veće od 30 cm dovršava ultrazvučni senzor, a infracrveni senzor dovršava unutar 30 cm.

U procesu infracrvenog određivanja raspona, mjerač vremena A koristi se za generiranje prekida od 0,1 S za A/D uzorkovanje, a vrijednost napona se pretvara u informaciju o udaljenosti. U glavnom programu prvo unesite potprogram infracrvene detekcije. Ako se otkrije prepreka, uđite u potprogram za prijenos podataka, prikaz i kontrolu kretanja; ako se ne otkrije nikakva prepreka, ulazak u potprogram ultrazvučne detekcije. Ultrazvuk detektira prepreke, zatim ulazi u potprograme za prijenos podataka, prikaz i kontrolu pokreta. Ako se ne otkriju nikakve prepreke, infracrvena detekcija se izvodi ciklički infracrvenim i ultrazvučnim potprogramima detekcije.

V. Rezultati mjerenja
Tijekom testa za mjerenje se koriste prepreke iste veličine, teksture i boje. Testovi pokazuju da je točnost dometa sustava unutar 1% od 0 do 200 cm, čime se može precizno izmjeriti udaljenost prepreka. Mjerenje udaljenosti unutar 30 cm vrši se infracrvenim senzorima, a mjerenje udaljenosti između 30 i 200 cm vrši se ultrazvučnim senzorima.

6. Zaključak
Ovaj rad proučava jeftin mobilni robotski bočni sustav visokih performansi, sustav s više senzora koji koristi ultrazvučne i infracrvene senzore, koji učinkovito rješava problem mjerenja mrtvih kutova u sustavu za domet s jednim senzorom; Tri skupine senzora sastavljene su na tri različita položaja robota, tako da robot može izvršiti zadatke određivanja raspona u tri različita smjera.