Penerapan Sistem Jarak Ultrasonik pada Robot Bergerak

Sensor ultrasonik banyak digunakan dalam sistem penghindar rintangan robot. Berdasarkan prinsip jangkauan ultrasonik, dirancang sistem jangkauan paralel. Komposisi perangkat keras dan metode realisasi perangkat lunak dari sistem diperkenalkan. Bertujuan untuk fenomena bahwa rentang paralel multi-sensor mudah menghasilkan interferensi, alasan interferensi dianalisis dan solusi efektif diusulkan. Sistem ini digunakan dalam percobaan penghindaran rintangan robot bergerak, dan hasil kalibrasi eksperimental dari rentang pengukuran sistem diberikan.

Sensor ultrasonik untuk pengukuran jarak banyak digunakan dalam aplikasi yang memerlukan pengukuran jarak seperti robot bergerak untuk menghindari rintangan dan radar mundur karena keunggulannya dalam pemrosesan informasi yang sederhana, kecepatan cepat, dan harga murah. Karena karakteristik radiasi USG, sistem jangkauan multi-sensor yang ada menggunakan transmisi round-robin untuk mengurangi timbulnya interferensi. Metode ini memiliki titik buta yang besar terhadap jarak, dan performa real-time tidak dapat dijamin. Data pengukuran juga menyulitkan untuk pemrosesan selanjutnya seperti penentuan posisi rintangan dan diskriminasi bentuk. Mereka merancang sistem jangkauan ultrasonik dengan beberapa sensor yang bekerja secara paralel. Sistem ini digunakan untuk percobaan penghindaran rintangan pada robot bergerak yang cerdas, dan diperoleh hasil yang baik.

1 Desain Sistem Jarak Ultrasonik

Ada banyak metode pengukuran jarak ultrasonik. Artikel ini mengadopsi metode time of flight, yaitu jarak dihitung dengan mengukur waktu t gelombang ultrasonik dari sensor pemancar melalui media rambat ke sensor penerima. Prinsipnya dapat dinyatakan dengan rumus L=vt/2, (L adalah jarak yang akan diukur; v adalah kecepatan rambat gelombang ultrasonik di udara, dan t adalah waktu transit). Kecepatan propagasi USG di udara berhubungan dengan suhu lingkungan, dan keakuratan pengukuran jarak dapat ditingkatkan melalui kompensasi suhu.

1.1 Desain sirkuit perangkat keras

Ini terutama mencakup komputer bagian atas, prosesor, rangkaian osilator ultrasonik, rangkaian penggerak, amplifikasi sinyal, pembentukan dan rangkaian perbandingan.

Prosesor ini mengadopsi chip tunggal STC STC12C5410, yang kompatibel dengan seri 51. Setiap mikrokomputer chip tunggal mengontrol dua sensor ultrasonik melalui multiplexer, yang terletak di bagian depan dan belakang robot. Tugas utama komputer mikro chip tunggal adalah mengukur waktu transit dan suhu lingkungan, serta menghitung jarak rintangan. Komputer mikro chip tunggal berkomunikasi dengan komputer host melalui RS232. Komputer bagian atas menganalisis data yang diterima untuk menemukan hambatan dan mengontrol pergerakan robot.

Rangkaian pemancar ultrasonik terdiri dari dua bagian: rangkaian osilasi dan rangkaian penggerak. Rangkaian osilasi adalah rangkaian sederhana yang terdiri dari gerbang NAND, resistor dan kapasitor, yang dapat menghasilkan sinyal gelombang persegi 40kHz untuk menggerakkan sensor ultrasonik untuk memancarkan gelombang ultrasonik; rangkaian penggerak menghasilkan pulsa listrik ultrasonik dengan kekuatan tertentu untuk menggairahkan sensor ultrasonik, yang terdiri dari 6 gerbang NOT dalam komposisi paralel, menggunakan kemampuan penggerak dari chip itu sendiri. Setelah digerakkan, sinyal akhir yang ditambahkan pada sensor ultrasonik adalah gelombang persegi dengan amplitudo 5V.

1.2 Desain program perangkat lunak

Dalam sistem, komputer mikro chip tunggal harus mengontrol 2 pengatur waktu, satu digunakan untuk mengukur waktu transit, dan yang lainnya digunakan untuk mengatur laju baud komunikasi antara chip tunggal dan PC untuk memastikan keakuratan komunikasi; mengontrol port interupsi eksternal untuk memantau sensor penerima ultrasonik secara real time Apakah akan menerima sinyal ultrasonik yang dipantulkan; menggunakan I/O untuk mengontrol sensor pemancar ultrasonik untuk memancarkan ultrasonik pada frekuensi tertentu; menggunakan protokol bus tunggal untuk mengontrol I/O untuk membaca nilai suhu yang dikumpulkan. Komputer mikro chip tunggal juga perlu menerima dan memproses perintah dari komputer atas, dan mengirim data kembali ke komputer atas secara real time sesuai dengan kebutuhan komputer atas. 

Itu Rangkaian sensor transduser ultrasonik dibagi menjadi tiga bagian yaitu penguatan sinyal, pembentukan dan perbandingan. Sinyal yang diterima oleh sensor penerima ultrasonik sangat lemah, pada level milivolt, sinyal perlu diperkuat sebelum dapat dideteksi oleh komputer mikro chip tunggal. Dalam makalah ini, rangkaian penguat dua tahap digunakan untuk memperkuat total 1000 kali. Sirkuit penguat dua tahap dihubungkan dengan kopling resistansi-kapasitansi. Sinyal keluaran dari penguat dialirkan ke komparator setelah melewati rangkaian pembentuk pengganda tegangan. Menyesuaikan tegangan referensi komparator dapat mengubah rentang pengukuran dan akurasi pengukuran sistem jangkauan. Output sinyal oleh komparator dihubungkan ke INT0 dari mikrokomputer chip tunggal, memicu interupsi chip tunggal.

Komunikasi multi-komputer digunakan untuk mengirimkan data antara komputer chip tunggal dan komputer host. PC tidak memiliki bit kontrol multi-komputer, dan 

Modul sensor jarak ultrasonik perlu menggunakan perangkat lunak untuk mensimulasikan bit mikrokontroler TB8/RB8. Langkah-langkah pengaturan protokol komunikasi adalah sebagai berikut:

1) Atur MCU agar berada dalam status pemantauan alamat;

2) PC mengirimkan sekumpulan data alamat dengan bit paritas 1;

3) Komputer mikro chip tunggal menilai apakah alamat yang diterima sama dengan alamat lokal. Jika sama, alamatnya akan dikirimkan ke tuan rumah untuk membuat perjanjian jabat tangan dengan tuan rumah;

4) Setelah host menerima alamat, ia mengirimkan data dengan bit paritas 0 untuk memberitahu mikrokontroler agar mengirimkan informasi jarak;

5) Komputer mikro chip tunggal mengirimkan data jarak. Setelah mengirim, kembali ke langkah untuk terus memantau alamat.

Tugasnya adalah mengirimkan serangkaian perintah kueri ke port serial setiap 50 ms sesuai dengan protokol komunikasi yang ditetapkan untuk membaca informasi jarak yang diukur oleh komputer mikro chip tunggal; menemukan hambatan dengan menganalisis informasi jarak yang dibaca, dan menilai secara kasar karakteristik bentuk hambatan; mengambil tindakan penghindaran rintangan yang diperlukan, mengontrol pengoperasian robot dan menampilkan lintasan lari. Perangkat lunak ini memiliki antarmuka pengguna yang baik, yang kondusif untuk debugging program.