Analisis Penerapan Sensor Ultrasonik pada Sistem Jarak Robot Mobile

I. Pendahuluan

Dalam proses penghindaran rintangan dan perencanaan jalur secara real-time untuk robot bergerak otonom, robot harus mengandalkan perolehan informasi lingkungan eksternal, merasakan keberadaan rintangan, dan mengukur jarak rintangan. Saat ini, sensor penghindaran dan jangkauan robot termasuk sensor inframerah, ultrasonik, laser, dan visual. Sensor laser dan sensor visual mahal dan memerlukan persyaratan pengontrol yang tinggi. Oleh karena itu, inframerah dan transduser tingkat ultrasonik sebagian besar digunakan dalam sistem robot bergerak.

Kebanyakan sistem menggunakan sensor tunggal untuk pengumpulan informasi, namun karena masalah pengukuran titik buta, jangkauan sensor ultrasonik umumnya antara 30 dan 300 cm; sedangkan jarak deteksi sensor jarak infra merah pendek, umumnya dalam jarak puluhan sentimeter. Sampai batas tertentu, hal ini dapat menutupi kekurangan sensor ultrasonik yang tidak dapat diukur dalam jarak dekat. Oleh karena itu, sistem ini menggunakan beberapa sensor inframerah dan ultrasonik untuk mengukur dan mengumpulkan informasi jarak.

2. Mulai prinsip dan metode

(1) Sensor ultrasonik
Ultrasonografi mengacu pada gelombang suara dengan frekuensi resonansi lebih tinggi dari 20Hz. Semakin tinggi frekuensinya, semakin kuat kemampuan refleksinya. Sensor ultrasonik tidak mahal, dan kinerjanya hampir tidak terpengaruh oleh cahaya, debu, asap, interferensi elektromagnetik, dan logam, kayu, beton, kaca, karet, dan kertas dapat memantulkan hampir 100% gelombang ultrasonik, sehingga dapat digunakan untuk mendeteksi objek.
Metode pengukuran jarak ultrasonik adalah metode deteksi gema. Transduser pemancar terus menerus mengeluarkan pulsa suara. Setelah gelombang suara menemui hambatan, gelombang suara tersebut dipantulkan kembali dan diterima oleh transduser penerima. Jarak rintangan dihitung berdasarkan kecepatan suara dan perbedaan waktu. Hubungan antara jarak dan kecepatan suara dan waktu diungkapkan.

(2) Metode untuk meningkatkan akurasi transduser rentang ultrasonik
1. Gunakan frekuensi dan panjang gelombang yang sesuai: menggunakan transduser ultrasonik daya tinggi untuk mengukur jarak, frekuensinya terlalu rendah; gangguan kebisingan eksternal lebih banyak; frekuensinya terlalu tinggi, dan redamannya besar selama proses propagasi. Selain itu, sensor ultrasonik rentan menimbulkan titik buta selama proses pengukuran, dan pihak penerima rentan menerima gelombang bocor. Untuk memperbaiki kekurangan ini, perlu dilakukan pengurangan panjang rangkaian gelombang yang ditransmisikan dan peningkatan frekuensi gelombang yang ditransmisikan. Namun, jika panjang rangkaian gelombang yang ditransmisikan terlalu pendek, transduser pemancar tidak dapat tereksitasi atau getaran tereksitasi tidak mencapai nilai maksimum; jika frekuensi gelombang yang ditransmisikan terlalu tinggi, redamannya besar, dan jarak kerja berkurang. Pengujian menunjukkan bahwa penggunaan gelombang ultrasonik 40 kHz untuk mengirimkan kelompok pulsa berisi 10-20 pulsa dan memiliki kinerja propagasi yang baik.

2. Meningkatkan akurasi waktu sistem juga dapat meningkatkan akurasi transduser jarak ultrasonik. Semakin tinggi frekuensi penghitungan pengatur waktu, semakin kecil kesalahan rentang akibat kesalahan kuantisasi waktu.

3. Mengkompensasi waktu tunda rangkaian sistem dapat mengurangi kesalahan jangkauan dan meningkatkan akurasi jangkauan. Dalam rumusnya, △ t adalah waktu tunda, s; s1, s2 adalah dua jarak pengukuran yang diketahui, m; t1, t2 adalah waktu pengukuran yang sesuai, s.

(3) Sensor penghindar rintangan inframerah
Inframerah adalah gelombang elektromagnetik antara cahaya tampak dan gelombang mikro. Oleh karena itu, ia tidak hanya memiliki karakteristik perambatan linier cahaya tampak, refleksi, pembiasan, dll., tetapi juga memiliki karakteristik gelombang mikro tertentu, seperti penetrasi yang kuat dan kemampuan untuk menembus bahan buram tertentu, dll. Sensor inframerah mencakup perangkat pemancar inframerah dan perangkat penerima inframerah. Semua benda di alam akan memancarkan radiasi infra merah selama suhunya di atas nol mutlak. Oleh karena itu, sensor infra merah harus memiliki kemampuan transmisi dan penerimaan yang lebih kuat.

Prinsip dasar jangkauan sensor ultrasonik inframerah adalah bahwa tabung pemancar cahaya memancarkan cahaya inframerah, dan tabung penerima peka cahaya menerima cahaya yang dipantulkan dari objek di depannya, dan kemudian menilai apakah ada hambatan di depannya. Jarak suatu benda dapat dinilai berdasarkan intensitas cahaya yang dipancarkan. Prinsipnya adalah intensitas cahaya yang diterima oleh tabung penerima bervariasi sesuai dengan jarak benda yang dipantulkan. Intensitas cahaya yang dipantulkan dekat dengan jarak, dan intensitas cahaya yang dipantulkan jauh.

Saat ini, saklar fotolistrik inframerah, yang merupakan salah satu sensor yang paling banyak digunakan, memiliki frekuensi transmisi sekitar 38 kHz dan jarak deteksi yang relatif pendek. Biasanya digunakan untuk mengenali rintangan jarak pendek. Sistem ini menggunakan sensor semacam ini.

(4) Cacat pengukuran jarak inframerah
Dipengaruhi oleh karakteristik perangkat, saklar fotolistrik inframerah umum memiliki anti-interferensi yang buruk dan sangat dipengaruhi oleh cahaya sekitar; dan warna objek yang terdeteksi serta kehalusan permukaannya berbeda, dan intensitas cahaya infra merah yang dipantulkan akan berbeda.

Ketiga, struktur sistem perangkat keras

(1) Komposisi sistem
Sistem pengukuran jarak terdiri dari komputer mikro chip tunggal, sirkuit pemancar dan penerima ultrasonik, sirkuit transmisi dan penerima inframerah, sirkuit tampilan digital dan sirkuit komunikasi serial. Inti kontrolnya adalah mikrokontroler Lingyang 16-bit SPCE061 A. Terdapat 2 pengatur waktu/pengatur waktu yang dapat diprogram 16-bit, 14 sumber interupsi, saluran input/output universal 32-bit yang dapat diprogram, dan 7 saluran 10-bit A/D pada chip. konverter.

(2) Rangkaian sensor ultrasonik
Port I / O9-I / O11 Lingyang MCU terhubung ke sirkuit transmisi ultrasonik tiga arah, dan I / O3-I / O5 terhubung ke sirkuit penerima ultrasonik tiga arah. Transduser sinyal 40 kHz yang dihasilkan oleh mikrokomputer chip tunggal dikeluarkan oleh I / O, dan diperkuat oleh rangkaian penguat booster yang terdiri dari inverter 4049B. Akhirnya, ditransmisikan oleh transduser transmisi ultrasonik UCM40T; gelombang suara kembali ke penghalang dan diterima oleh transduser penerima UCM40R, Sinyal diperkuat oleh rangkaian penguat dua tahap yang terdiri dari OP07, frekuensi dipilih oleh dekoder audio loop fase-terkunci LM567, menyaring sinyal interferensi, dan akhirnya, memasukkan ke dalam komputer mikro chip tunggal melalui port I / O. Komputer mikro chip tunggal menghitung jarak rintangan melalui waktu transmisi gelombang suara.

(3) Rangkaian sensor inframerah
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU dapat digunakan sebagai konverter A / D 10-bit. Dalam sistem ini, port I/O0 ～ I/O2 Lingyang MCU digunakan sebagai konverter A/D. I / O6 ～ I / O8 dihubungkan ke tiga rangkaian pemancar inframerah, dan I / O0 ～ I / O2 dihubungkan ke tiga penerima inframerah dengan sirkuit. Ketika port I / O dari komputer mikro chip tunggal mengeluarkan tingkat tinggi, port tersebut bekerja dengan tabung luminescent inframerah TLN205 dan memancarkan cahaya inframerah; gelombang cahaya dipantulkan setelah menemui hambatan dan diterima oleh tabung penerima inframerah TPS708, yang menghasilkan arus yang sesuai dengan intensitas cahaya. Setelah rangkaian penguat dua tahap yang tersusun diperkuat, ia mengeluarkan tegangan analog 0 ~ 3V, yang dimasukkan ke komputer mikro chip tunggal melalui port A / D. Komputer mikro chip tunggal menghitung dan menilai jarak rintangan melalui besarnya tegangan.

4. Desain Perangkat Lunak
Komputer chip tunggal SPCE061 A memilih frekuensi sistem fosc = 20.480MHz, frekuensi jam CPU (CPUCLK) adalah fosc / 2 = 10.24 MHz, sumber jam memilih frekuensi 32768 Hz, sumber jam memilih frekuensi 1Hz, dan SPCE061A menyediakan waktu/penghitung 216 Bit: TimerA dan TImerB. Sumber jam TImerA dibentuk oleh operasi sumber jam A dan sumber jam B; sumber jam TImerB hanya sumber jam A.
Pulsa ultrasonik 40 kHz adalah gelombang persegi dengan level tinggi dan rendah masing-masing menempati 12,5 μs. Jumlah jam CPU tertunda sebanyak 123 siklus instruksi, yaitu 12,5 s. Komputer chip tunggal dapat menghasilkan sinyal pulsa 40 kHz dengan terus menerus menghasilkan level tinggi dan rendah 12,5 μs. Sekelompok pulsa yang terdiri dari 20 pulsa dipancarkan setiap waktu selama 0,5 ms, dan emisi pulsa serta waktu interval minimal 20 ms, yang merupakan keluaran dari port I / O. . Sistem memilih timer A sebagai timer interupsi 20 ms dan timer B sebagai counter ultrasonik. Karena sensor ultrasonik mempunyai pengukuran zona mati, maka pada perancangan program pengukuran jarak lebih dari 30 cm diselesaikan oleh sensor ultrasonik, dan sensor infra merah diselesaikan dalam jarak 30 cm.

Dalam proses jangkauan inframerah, pengatur waktu A digunakan untuk menghasilkan interupsi 0,1S untuk pengambilan sampel A/D, dan nilai tegangan diubah menjadi informasi jarak. Di program utama, pertama-tama masukkan subrutin deteksi inframerah. Jika hambatan terdeteksi, masukkan subrutin transmisi data, tampilan dan kontrol gerak; jika tidak ada hambatan yang terdeteksi, masukkan subrutin deteksi ultrasonik. Ultrasonografi mendeteksi hambatan, kemudian memasuki subrutin transmisi data, tampilan, dan kontrol gerak. Jika tidak ada hambatan yang terdeteksi, deteksi inframerah dilakukan masing-masing subrutin deteksi inframerah dan ultrasonik secara siklis.

V. Hasil pengukuran
Selama pengujian, rintangan dengan ukuran, tekstur dan warna yang sama digunakan untuk pengukuran. Pengujian menunjukkan bahwa akurasi jangkauan sistem berada dalam 1% dari 0 hingga 200 cm, yang dapat mengukur jarak rintangan secara akurat. Pengukuran jarak dalam jarak 30 cm dilakukan dengan sensor infra merah, dan pengukuran jarak antara 30 hingga 200 cm dilakukan dengan sensor ultrasonik.

6. Kesimpulan
Makalah ini mempelajari sistem jarak samping robot seluler berbiaya rendah, berdaya rendah, dan berkinerja tinggi, sistem multi-sensor menggunakan sensor ultrasonik dan inframerah, yang secara efektif memecahkan masalah pengukuran titik buta dalam sistem jangkauan sensor tunggal; Ketiga kelompok sensor tersebut dirakit pada tiga posisi robot yang berbeda, sehingga robot dapat menyelesaikan tugas jangkauan dalam tiga arah berbeda.