Primjena ultrazvučnog sustava određivanja udaljenosti u mobilnom robotu

Ultrazvučni senzori naširoko se koriste u robotskim sustavima za izbjegavanje prepreka. Na temelju principa ultrazvučnog mjerenja udaljenosti dizajniran je paralelni sustav mjerenja udaljenosti. Predstavljen je hardverski sastav i način programske realizacije sustava. S ciljem otkrivanja fenomena da paralelno mjerenje raspona s više senzora lako stvara smetnje, analizira se uzrok smetnji i predlaže učinkovito rješenje. Sustav se koristi u eksperimentu izbjegavanja prepreka mobilnog robota, a dani su rezultati eksperimentalne kalibracije mjernog raspona sustava.

Ultrazvučni senzor za mjerenje udaljenosti naširoko se koristi u aplikacijama koje zahtijevaju mjerenje udaljenosti kao što su mobilni roboti za izbjegavanje prepreka i radari za vožnju unatrag zbog njihovih prednosti jednostavne obrade informacija, velike brzine i niske cijene. Zbog karakteristika zračenja ultrazvuka, postojeći sustav za određivanje dometa s više senzora koristi kružni prijenos radi smanjenja stvaranja smetnji. Ova metoda ima veliku mrtvu točku za udaljenost i ne može se jamčiti izvedba u stvarnom vremenu. Mjerni podaci također su problematični za naknadnu obradu, kao što je pozicioniranje prepreka i razlikovanje oblika. Oni dizajniraju ultrazvučni sustav za mjerenje udaljenosti s više senzora koji rade paralelno. Sustav se koristi za pokuse izbjegavanja prepreka na inteligentnim mobilnim robotima i dobiveni su dobri rezultati.

1 Dizajn ultrazvučnog sustava za mjerenje udaljenosti

Postoje mnoge metode ultrazvučnog mjerenja udaljenosti. Ovaj članak usvaja metodu vremena leta, odnosno udaljenost se izračunava mjerenjem vremena t ultrazvučnog vala od prijenosnog senzora kroz medij za širenje do prijamnog senzora. Njegov princip može se izraziti formulom kao L=vt/2, (L je udaljenost koju treba izmjeriti; v je brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku, a t je vrijeme prolaza). Brzina širenja ultrazvuka u zraku povezana je s temperaturom okoline, a točnost mjerenja udaljenosti može se poboljšati temperaturnom kompenzacijom.

1.1 Dizajn hardverskog sklopa

Uglavnom uključuje gornje računalo, procesor, krug ultrazvučnog oscilatora, pogonski krug, pojačanje signala, oblikovanje i usporedni krug.

Procesor koristi STC single-chip STC12C5410, koji je kompatibilan sa serijom 51. Svako mikroračunalo s jednim čipom kontrolira dva ultrazvučna senzora putem multipleksera, koji se nalaze na prednjoj i stražnjoj strani robota. Glavni zadatak mikroračunala s jednim čipom je mjerenje vremena prolaska i temperature okoline te izračunavanje udaljenosti prepreka. Mikroračunalo s jednim čipom komunicira s glavnim računalom putem RS232. Gornje računalo analizira primljene podatke kako bi lociralo prepreke i kontroliralo kretanje robota.

Krug ultrazvučnog odašiljača sastoji se od dva dijela: oscilacijskog kruga i pogonskog kruga. Oscilirajući krug je jednostavan krug sastavljen od NAND vrata, otpornika i kondenzatora, koji može generirati kvadratni valni signal od 40kHz koji pokreće ultrazvučni senzor da emitira ultrazvučne valove; pogonski krug generira ultrazvučni električni impuls s određenom snagom za pobuđivanje ultrazvučnog senzora, koji se sastoji od 6 NOT vrata u paralelnom sastavu, koristeći pogonsku sposobnost samog čipa. Nakon pokretanja, konačni signal dodan ultrazvučnom senzoru je kvadratni val s amplitudom od 5V.

1.2 Dizajn softverskog programa

U sustavu, mikroračunalo s jednim čipom mora kontrolirati 2 mjerača vremena, jedan se koristi za mjerenje vremena prolaza, a drugi se koristi za postavljanje brzine prijenosa podataka u komunikaciji između jednog čipa i osobnog računala kako bi se osigurala točnost komunikacije; upravljanje vanjskim prekidnim priključkom za praćenje ultrazvučnog prijemnog senzora u stvarnom vremenu. Treba li primiti reflektirani ultrazvučni signal; koristiti I/O za kontrolu senzora ultrazvučnog odašiljača za emitiranje ultrazvuka na određenoj frekvenciji; korištenje jednog protokola sabirnice za kontrolu I/O za očitavanje prikupljene vrijednosti temperature. Mikroračunalo s jednim čipom također treba primati i obrađivati ​​naredbe gornjeg računala i slati podatke natrag u gornje računalo u stvarnom vremenu prema zahtjevima gornjeg računala. 

The krug senzora ultrazvučnog pretvarača podijeljen je u tri dijela: pojačanje signala, oblikovanje i usporedbu. Signal koji prima ultrazvučni prijemni senzor je vrlo slab, na razini milivolta, signal treba pojačati prije nego što ga detektira mikroračunalo s jednim čipom. U ovom radu koriste se dvostupanjska pojačala za pojačanje ukupno 1000 puta. Dvostupanjski krugovi za pojačanje povezani su spregom otpor-kapacitivnost. Izlazni signal iz pojačala teče u komparator nakon prolaska kroz krug za oblikovanje udvostručitelja napona. Podešavanje referentnog napona komparatora može promijeniti raspon mjerenja i točnost mjerenja sustava za mjerenje raspona. Izlaz signala komparatora spojen je na INT0 mikroračunala s jednim čipom, aktivirajući prekid s jednim čipom.

Komunikacija s više računala koristi se za prijenos podataka između računala s jednim čipom i glavnog računala. PC nema kontrolni bit za više računala i 

modul ultrazvučnog senzora udaljenosti treba koristiti softver za simulaciju bita TB8/RB8 mikrokontrolera. Koraci za postavljanje komunikacijskog protokola su sljedeći:

1) Postavite MCU da bude u stanju praćenja adrese;

2) PC šalje skup adresnih podataka s paritetnim bitom 1;

3) Mikroračunalo s jednim čipom prosuđuje je li primljena adresa ista kao lokalna adresa. Ako je ista, adresa će biti poslana domaćinu radi uspostavljanja sporazuma o rukovanju s domaćinom;

4) Nakon što glavno računalo primi adresu, šalje podatke s paritetnim bitom 0 kako bi obavijestio mikrokontroler da pošalje informacije o udaljenosti;

5) Mikroračunalo s jednim čipom šalje podatke o udaljenosti. Nakon slanja vratite se na korak za nastavak praćenja adrese.

Zadatak je slanje skupa naredbi upita serijskom portu svakih 50 ms prema postavljenom komunikacijskom protokolu za očitavanje informacija o udaljenosti koje mjeri mikroračunalo s jednim čipom; locirati prepreku analizom očitane informacije o udaljenosti i grubo procijeniti karakteristike oblika prepreke; poduzeti potrebne mjere za izbjegavanje prepreka kontrolirati rad robota i prikazati stazu za trčanje. Softver ima dobro korisničko sučelje, što je pogodno za otklanjanje programskih pogrešaka.