Sistem deteksi robot bergerak otonom berbasis sensor ultrasonik

Perpanjangan sensor ultrasonik merupakan pelengkap yang baik untuk sistem deteksi robot bergerak yang ada. Ini telah didemonstrasikan sepenuhnya dalam aplikasi eksperimental, dan memiliki kepraktisan tertentu dalam deteksi rintangan dan penyesuaian pose robot. Namun metode ini perlu lebih ditingkatkan lagi secara real-time dan akurat.

 

Salah satu yang paling penting u Sensor tingkat ultrasonik untuk robot seluler untuk memperoleh perilaku otonom adalah untuk memperoleh pengetahuan tentang lingkungan. Hal ini dicapai dengan menggunakan pengukuran sensor ultrasonik yang berbeda dan mengekstraksi informasi dari pengukuran tersebut. Sensor seperti penglihatan, inframerah, laser, dan ultrasonik semuanya telah digunakan pada robot bergerak. Sensor ultrasonik telah banyak digunakan dalam sistem penginderaan robot bergerak karena kinerjanya yang berbiaya tinggi dan implementasi perangkat keras yang sederhana. Namun, sensor ultrasonik juga memiliki keterbatasan tertentu, terutama karena sudut pancaran yang besar, pengarahan yang buruk, dan ketidakstabilan pengukuran jarak (dalam refleksi non-vertikal). Oleh karena itu, beberapa sensor ultrasonik atau sensor lain sering digunakan untuk mengimbanginya. Untuk menutupi kekurangan dari sensor ultrasonik itu sendiri dan meningkatkan kemampuannya dalam memperoleh informasi lingkungan, makalah ini merancang sistem deteksi yang terdiri dari sensor ultrasonik terintegrasi dan motor penggerak.

 

1 Analisis prinsip pendeteksian dan metode sensor ultrasonik

 

Prinsip dasar sensor ultrasonik adalah mengirimkan paket gelombang tekanan (ultrasonik) dan mengukur waktu yang dibutuhkan paket gelombang untuk dikirim dan dikembalikan ke penerima.

 

Diantaranya adalah jarak antara target dan sensor ultrasonik; c adalah kecepatan gelombang ultrasonik (untuk menyederhanakan uraian, pengaruh suhu terhadap kecepatan gelombang tidak dipertimbangkan ketika mengukur jarak yang dibahas di bawah; t adalah interval waktu dari emisi hingga penerimaan.

 

Karena mengukur jarak dengan USG bukanlah pengukuran titik. Sensor ultrasonik memiliki karakteristik difusi tertentu. Energi ultrasonik yang dipancarkan terutama terkonsentrasi pada lobus utama, dan dilemahkan dalam bentuk seperti gelombang di kedua sisi sumbu gelombang utama, dengan sudut difusi sekitar 30 ° ke kiri dan ke kanan. Faktanya, metode perhitungan rumus dari waktu ke waktu didasarkan pada keberhasilan refleksi vertikal gelombang ultrasonik. Namun, sulit bagi robot bergerak untuk memastikan stabilitas postur geraknya sendiri. Metode deteksi yang digunakan adalah sensor ultrasonik yang dipasang pada tubuh mobile robot. Ketika robot bergerak menyimpang dari dinding paralel, sistem deteksi seringkali sulit mendapatkan jarak sebenarnya. Selain itu, ketika karakteristik divergensi USG digunakan untuk mengukur hambatan, ia hanya dapat memberikan informasi jarak dari target hambatan, tetapi tidak memberikan informasi arah dan batas target. Cacat ini sangat membatasi penerapan praktis dan promosi sensor ultrasonik.

 

Berdasarkan analisis teoritis dan pengujian berkelanjutan, makalah ini menggunakan motor stepper empat fase untuk menggerakkan sensor ultrasonik tunggal terintegrasi untuk berputar membentuk sistem penginderaan dinamis.

 

2 Sistem deteksi terdiri dari sensor ultrasonik terintegrasi dan motor stepper

 

2.1 Desain struktural

 

Sensor ultrasonik dilas pada papan PCB, papan tersebut dibuat dengan pipa baja, dan ujung pipa baja yang lain dihubungkan ke poros motor penggerak, dan motor penggerak dipasang di bawah sasis robot. Sinyal kendali sensor ultrasonik dan sinyal keluarannya dihubungkan ke papan kendali pada badan kendaraan melalui jalur sinyal. Selain itu ditambahkan selongsong berbentuk kerucut yang terbuat dari bahan busa di depan probe sensor ultrasonik, diameter mulut atas 22 mm, diameter mulut bawah 16 mm, dan tinggi 20 mm. Dengan cara ini, sudut pancaran gelombang yang ditransmisikan dan sudut penerimaan gelombang pantul menjadi sangat terbatas. Agar robot dapat menyesuaikan posturnya, ia perlu menentukan arah putaran dan posisi referensinya sendiri. Oleh karena itu, encoder fotolistrik sederhana yang terdiri dari sensor fotolistrik inframerah langsung dan meja putar dibuat sendiri. Ditampilkan sebaran 2 sensor fotolistrik infra merah langsung dan disusun secara horizontal pada garis penghubung titik tengah di kedua sisi badan mobil robot dengan interval 180 ° . Meja putar dan lengan putar dihubungkan dalam lingkaran konsentris, seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran luar pada gambar, garis skala 1, 3 dipisahkan oleh 27 ° ; garis skala 2, 1 dipisahkan sebesar 180 ° , dan garis skala 1 serta pusat sensor ultrasonik dijaga pada garis horizontal yang sama. Konduksi I sendiri digunakan sebagai koordinat acuan, I dan II sekaligus dipandu untuk menentukan arah putaran, dan single pass digunakan sebagai acuan navigasi saat robot kembali menyusuri dinding.

 

Sensor ultrasonik terintegrasi digerakkan untuk berputar oleh motor penggerak, dan arah sumbu tengah sensor ultrasonik yang tegak lurus terhadap badan robot digunakan sebagai acuan koordinat untuk penyesuaian posturnya sendiri. Motor loncatan mengadopsi sudut langkah 4 fase 4 ketukan 1,8 ° , dan 1 langkah per putaran, Sensor ultrasonik mendeteksi satu kali, dan mengirimkan nilai pengukuran ke komputer atas melalui port serial.

 

2.2 Perancangan perangkat keras sistem deteksi

 

Perangkat keras sistem deteksi terutama terdiri dari sirkuit pembangkit ultrasonik, sirkuit penerima ultrasonik, modul kontrol kecepatan motor stepper, dll. Inti dari sistem ini adalah chip tunggal, yang terutama melengkapi transmisi dan penerimaan sinyal, mengontrol motor penggerak, dan mengirimkan data ke komputer host robot untuk diproses.

 

Rangkaian pemancar ultrasonik menggunakan port P11 dari chip tunggal untuk mengeluarkan pulsa pemancar, dan digerakkan oleh 74HC04 untuk menghubungkan sensor ultrasonik. Mereka meningkatkan kemampuan arus keluarannya dan meningkatkan jarak transmisi sensor ultrasonik.

 

Sirkuit penerimaan dan pemrosesan ultrasonik mengadopsi sirkuit terpadu. ini adalah sirkuit terintegrasi khusus untuk penerima inframerah. Di sini CX20106 digunakan sebagai perangkat penguat dan pendeteksi untuk menerima sinyal dari sensor ultrasonik, dan hasil yang baik juga telah dicapai. Setelah pra-penguat menerima sinyal pantulan dari probe penerima ultrasonik, pra-penguat memperkuat sinyal dengan penguatan tegangan sekitar 80 dB. Kemudian sinyal dikirim ke penguat pembatas untuk dijadikan pulsa persegi panjang, kemudian frekuensi dipilih oleh filter untuk menyaring sinyal interferensi, frekuensi pembawa disaring oleh detektor untuk mendeteksi sinyal perintah, dan setelah dibentuk, dikeluarkan oleh pin 7 level rendah. Tepi jatuh keluaran pulsa dari pin 7 diinput melalui port INT0 mikrokontroler.

 

Rangkaian pemancar dan rangkaian penerima sensor ultrasonik terintegrasi menggunakan input/output pin sensor yang sama. Jika input/output tidak diisolasi, rangkaian penerima dan rangkaian pemancar akan sangat terpengaruh. Sakelar analog dua arah CMOS digunakan untuk mewujudkan isolasi transmisi dan penerimaan. Modul kontrol motor loncatan mengadopsi mode kontrol distributor pulsa cincin L297 + sirkuit terpadu daya H-bridge ganda L298. P1.6, P1.7, dan P2.3 dari komputer mikro chip tunggal masing-masing terhubung ke CW, jam, dan mengaktifkan terminal kontrol L297 untuk mengontrol rotasi maju dan mundur, sinyal jam, mulai dan berhenti motor.

 

2.3 Perancangan perangkat lunak sistem deteksi

Perangkat lunak sistem deteksi terutama terdiri dari modul program utama, modul program layanan interupsi, dan sensor ultrasonik yang memiliki modul pemancar dan penerima. Modul program utama sistem deteksi dijelaskan terutama di sini.

 

Sensor ultrasonik dan modul pengukuran dan kontrol motor stepper dikendalikan oleh mikrokomputer chip tunggal yang berbeda, sehingga sistem penginderaan dan komputer atas robot seluler harus bergantung pada jalur port I/O dan komunikasi asinkron serial antara mikrokomputer chip tunggal. Bendera T digunakan untuk mengalihkan tindakan. Ketika T=0 dan OFF=0 terpenuhi pada saat yang sama, ini adalah proses deteksi biasa dari sensor ultrasonik; ketika T=1, OFF=0, ini digunakan untuk mengatur azimuth sebelum setiap pengukuran siklus; OFF=1 Sedang menunggu tindakan selanjutnya. Timer T0 digunakan untuk menghitung waktu gema, sehingga nilai jarak d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. satu pulsa pemicu diberikan ke motor stepper. Kemudian menentukan apakah tindakan selanjutnya adalah melakukan deteksi sensor atau mengatur sudut azimuth robot itu sendiri yang memasuki siklus baru.

 

3 Percobaan dan penerapan sistem deteksi pada mobile robot

3.1 Temukan titik terdekat dengan dinding

 

Dalam makalah ini, ide desain untuk menemukan titik terdekat ke dinding didasarkan pada jangkauan ultrasonik. Memilih metode pengukuran jarak tingkat waktu, dan membatasi jangkauan penerimaan sensor ultrasonik dengan mengatur ambang gema penerima dan menambahkan selongsong penyerap suara sebelum probe. Sudut pancaran yang diukur adalah sekitar ± 20° pada a

jarak 75 cm, dan sudut efektif yang dapat menerima gelombang pantul adalah sekitar ± 40°.

 

Perkiraan sinar berbentuk kerucut dari sensor ultrasonik menentukan jarak pantulan titik terdekat setiap kali mengukur jarak. Sekalipun sudut berkas menyimpang ke garis putus-putus, jarak sebenarnya tetap merupakan nilai yang diukur sepanjang garis tengah berkas. Secara teoritis, jarak yang diukur dalam sudut pancaran sinar harus sama, namun waktu guncangan sensor ultrasonik dan pengaturan ambang batas penerimaan, termasuk pantulan dinding, akan berdampak tertentu pada pengukuran jarak. Diukur secara eksperimen, dalam sudut tertentu (kira-kira ± 20° ), nilai jarak pengukuran tidak berubah secara signifikan, dan nilai tetangganya relatif dekat (tidak lebih dari 2 mm). Ketika sudut defleksi terus meningkat, perubahan nilai pengukuran yang berdekatan juga meningkat secara signifikan. Oleh karena itu, salah satu metodenya adalah dengan menggunakan dua titik kritis ini untuk mencari sudut antara balok dan dinding (yaitu, titik terdekat ke dinding), dan motor stepper menggerakkan ultrasonik untuk berputar untuk menemukan dua titik kritis tersebut. Bila dua nilai yang berdekatan terdeteksi terus menerus di bawah 2 mm, dianggap telah memasuki zona stabil, dan titik terjadinya perubahan sebelum dan sesudah ditetapkan sebagai titik kritis. Semua titik dalam titik kritis ini dicatat, dan kemudian titik tengahnya dihitung. Titik tengah merupakan titik terdekat antara dinding dengan sensor ultrasonik. itu menunjukkan sekumpulan data terukur. Dalam 72 °～ 108° , ini adalah area pengukuran jarak yang stabil. Di luar ini, deviasi yang berdekatan dari jarak yang diukur melebihi 8 mm, dan dengan sudut Ini akan semakin diperbesar bila diputar ke kedua sisi. Eksperimen dilakukan dengan mengubah jarak antara sensor ultrasonik terintegrasi dengan dinding dalam jarak 50 cm dan 200 cm. Akibatnya, kesalahan pengukuran sudut vertikal ke dinding dibatasi pada 2 sudut langkah.

 

3.2 Sistem deteksi diterapkan pada robot untuk bernavigasi di sepanjang dinding

 

Robot bergerak otonom mendeteksi informasi tentang lingkungan saat ini selama pergerakan. Informasi jarak yang terdeteksi setiap kali diukur berdasarkan postur gerak robot saat ini. Saat berjalan lurus sepanjang dinding, robot menjamin keakuratan lintasannya melalui persepsi gabungan pengukuran jarak dan posturnya sendiri. Pengukuran jarak ultrasonik telah banyak digunakan. Setelah dilakukan pengujian hubungan antara sudut deteksi ultrasonik dan pengukuran jarak, sensor ultrasonik dapat digunakan untuk mengukur sudut azimuth badan kendaraan (untuk menentukan posturnya sendiri) sesuai dengan metode penghitungan titik terdekat. Titik terdekat yang diukur adalah jarak sebenarnya antara robot dan dinding. Koordinat referensi robot ditentukan oleh sensor infra merah langsung 1 pada encoder sederhana, dan titik terdekat dihitung berdasarkan informasi yang disimpan selama setiap langkah motor penggerak. Antara koordinat acuan dan titik terdekat, sudut yang dilalui motor stepper digunakan untuk menentukan sudut defleksi antara robot dan dinding, kemudian sudut defleksi tersebut ditransmisikan ke sistem kendali penggerak roda untuk mengatur sudut azimuth.

 

3.3 Mencari rintangan

 

Penggunaan motor pijakan untuk menggerakkan sensor ultrasonik industri

 untuk memutar secara fungsional mirip dengan deteksi multi-sensor. Robot bergerak biasanya menggunakan beberapa sensor ultrasonik di sekitar tubuhnya untuk memperoleh lebih banyak informasi, sehingga meningkatkan jangkauan rintangan dan menentukan arah target serta informasi batas. Sebaliknya, salah satu keuntungan metode rotasi adalah kepadatan deteksi dapat disesuaikan secara otomatis sesuai dengan ketatnya hambatan. Jumlah sensor tambahan dibatasi oleh kondisinya sendiri, dan ketatnya metode putaran hanya terkait dengan sudut langkah motor stepper. Peningkatan kepadatan deteksi dapat sangat meningkatkan resolusi sudut, sehingga memperkuat penentuan arah target dan informasi batas.

 

Sistem ini merupakan perpanjangan dari fungsi sensor jarak ultrasonik dan pelengkap yang baik untuk sistem deteksi robot seluler yang ada. Ini telah didemonstrasikan sepenuhnya dalam aplikasi eksperimental, dan memiliki kepraktisan tertentu dalam deteksi rintangan dan penyesuaian pose robot. Namun metode ini perlu lebih ditingkatkan lagi secara real-time dan akurat.