Analisi applicativa del sensore a ultrasuoni nel sistema di distanza del robot mobile

I. Introduzione

Nel processo di evitamento degli ostacoli in tempo reale e di pianificazione del percorso per i robot mobili autonomi, il robot deve fare affidamento sull'acquisizione di informazioni ambientali esterne, rilevare la presenza di ostacoli e misurare la distanza degli ostacoli. Al momento, i sensori per evitare gli ostacoli e raggiungere la distanza dei robot includono sensori a infrarossi, ultrasonici, laser e visivi. I sensori laser e visivi sono costosi e richiedono requisiti elevati per i controller. Pertanto, infrarossi e i trasduttori di livello a ultrasuoni sono utilizzati principalmente nei sistemi robotici mobili.

La maggior parte dei sistemi utilizza un unico sensore per la raccolta delle informazioni, ma a causa del problema della misurazione degli angoli ciechi, la portata dei sensori a ultrasuoni è generalmente compresa tra 30 e 300 cm; mentre la distanza di rilevamento dei sensori di distanza a infrarossi è breve, generalmente nell'ordine delle decine di centimetri. In una certa misura può compensare le carenze dei sensori a ultrasuoni che non possono essere misurati a distanza ravvicinata. Pertanto, questo sistema utilizza più sensori a infrarossi e ultrasonici per misurare e raccogliere informazioni sulla distanza.

2. Principio e metodo del range

(1) Sensore a ultrasuoni Per ultrasuoni
si intendono onde sonore con una frequenza di risonanza superiore a 20Hz. Maggiore è la frequenza, maggiore è la capacità di riflessione. I sensori a ultrasuoni sono economici e le loro prestazioni sono difficilmente influenzate da luce, polvere, fumo, interferenze elettromagnetiche e metallo, legno, cemento, vetro, gomma e carta possono riflettere quasi il 100% delle onde ultrasoniche, quindi possono essere utilizzati per rilevare oggetti.
Il metodo di misurazione della distanza a ultrasuoni è il metodo di rilevamento dell'eco. Il trasduttore trasmittente emette continuamente impulsi sonori. Dopo che l'onda sonora incontra l'ostacolo, viene riflessa e ricevuta dal trasduttore ricevente. La distanza dell'ostacolo viene calcolata in base alla velocità del suono e alla differenza temporale. Viene espressa la relazione tra distanza e velocità del suono e del tempo.

(2) Metodi per migliorare la precisione del trasduttore a ultrasuoni
1. Utilizzare la frequenza e la lunghezza d'onda appropriate: utilizzando trasduttore ultrasonico ad alta potenza per misurare la distanza, la frequenza è troppo bassa; l'interferenza del rumore esterno è maggiore; la frequenza è troppo alta e l'attenuazione è elevata durante il processo di propagazione. Inoltre, il sensore a ultrasuoni tende a generare punti ciechi durante il processo di misurazione e l'estremità ricevente tende a ricevere onde dispersive. Per ovviare a questo inconveniente è necessario ridurre la lunghezza della stringa d'onda trasmessa ed aumentare la frequenza dell'onda trasmessa. Se però la lunghezza della corda d'onda trasmessa è troppo corta, il trasduttore trasmittente non può essere eccitato oppure la vibrazione eccitata non raggiunge il valore massimo; se la frequenza dell'onda trasmessa è troppo alta, l'attenuazione è elevata e la distanza di lavoro diminuisce. I test hanno dimostrato che l'utilizzo di onde ultrasoniche da 40 kHz per trasmettere il gruppo di impulsi contiene 10-20 impulsi e ha buone prestazioni di propagazione.

2. Migliorare la precisione temporale del sistema può anche migliorare la precisione del trasduttore di distanza ad ultrasuoni. Maggiore è la frequenza di conteggio del timer, minore è l'errore di misurazione dovuto all'errore di quantizzazione del tempo.

3. La compensazione del ritardo temporale del circuito del sistema può ridurre l'errore di portata e migliorare la precisione della portata. Nella formula, △ t è il tempo di ritardo, s; s1, s2 sono due distanze di misurazione note, m; t1, t2 sono il tempo di misurazione corrispondente, s.

(3) Sensore evita ostacoli a infrarossi
L'infrarosso è un'onda elettromagnetica tra la luce visibile e le microonde. Pertanto, non ha solo le caratteristiche della propagazione lineare, della riflessione, della rifrazione della luce visibile, ecc., ma ha anche alcune caratteristiche delle microonde, come la forte penetrazione e la capacità di penetrare in determinate materie opache, ecc. Il sensore a infrarossi include un dispositivo di emissione di infrarossi e un dispositivo di ricezione di infrarossi. Tutti gli oggetti in natura emettono radiazioni infrarosse finché la temperatura è superiore allo zero assoluto. Pertanto, i sensori a infrarossi devono avere capacità di trasmissione e ricezione più potenti.

Il principio di base della portata del sensore a ultrasuoni a infrarossi è che il tubo emittente luce emette luce infrarossa e il tubo ricevitore sensibile alla luce riceve la luce riflessa dell'oggetto di fronte a lui e quindi giudica se c'è un ostacolo davanti ad esso. La distanza dell'oggetto può essere giudicata in base all'intensità della luce emessa. Il suo principio è che l'intensità della luce ricevuta dal tubo ricevitore varia con la distanza dell'oggetto riflettente. L'intensità della luce riflessa è vicina alla distanza e l'intensità della luce riflessa è lontana.

Attualmente un interruttore fotoelettrico a infrarossi, che è uno dei sensori più utilizzati, ha una frequenza di trasmissione di circa 38 kHz e una distanza di rilevamento relativamente breve. Viene solitamente utilizzato per il riconoscimento di ostacoli a breve distanza. Questo sistema utilizza questo tipo di sensore.

(4) Difetti della misurazione della distanza a infrarossi
Influenzato dalle caratteristiche del dispositivo, l'interruttore fotoelettrico a infrarossi generale ha una scarsa anti-interferenza ed è fortemente influenzato dalla luce ambientale; e il colore dell'oggetto rilevato e la levigatezza della superficie sono diversi, e l'intensità della luce infrarossa riflessa sarà diversa.

In terzo luogo, la struttura del sistema hardware

(1) Composizione del sistema
Il sistema di misurazione della distanza è composto da microcomputer a chip singolo, circuito di trasmissione e ricezione a ultrasuoni, circuito di trasmissione e ricezione a infrarossi, circuito di visualizzazione digitale e circuito di comunicazione seriale. Il nucleo di controllo è il microcontrollore Lingyang a 16 bit SPCE061 A. Sono presenti 2 timer/timer programmabili a 16 bit, 14 sorgenti di interruzione, canali di ingresso/uscita programmabili universali a 32 bit e A/D a 10 bit a 7 canali sul chip. convertitore.

(2) Circuito del sensore a ultrasuoni
La porta I / O9-I / O11 dell'MCU Lingyang è collegata al circuito di trasmissione a ultrasuoni a tre vie e I / O3-I / O5 è collegata al circuito di ricezione a ultrasuoni a tre vie. Il trasduttore del segnale da 40 kHz generato dal microcomputer a chip singolo viene emesso dall'I/O ed è potenziato dal circuito amplificatore booster composto dall'inverter 4049B. Infine viene trasmesso dal trasduttore ultrasonico UCM40T; l'onda sonora ritorna all'ostacolo e viene ricevuta dal trasduttore ricevente UCM40R. Il segnale viene amplificato da un circuito amplificatore a due stadi composto da OP07, selezionato in frequenza da un decodificatore audio ad anello bloccato in fase LM567, filtrando i segnali di interferenza e, infine, inserendolo in un microcomputer a chip singolo attraverso una porta I/O. Il microcomputer a chip singolo calcola la distanza dell'ostacolo attraverso il tempo di trasmissione dell'onda sonora.

(3) Circuito del sensore a infrarossi
I / O0 ～ I / O6 dell'MCU Lingyang può essere utilizzato come convertitore A / D a 10 bit. In questo sistema, le porte I/O0 ～ I/O2 dell'MCU Lingyang vengono utilizzate come convertitori A/D. I / O6 ～ I / O8 sono collegati a tre circuiti di trasmettitori a infrarossi e I / O0 ～ I / O2 sono collegati a tre ricevitori a infrarossi con circuito. Quando la porta I/O del microcomputer a chip singolo emette un livello elevato, conduce con il tubo luminescente a infrarossi TLN205 ed emette luce infrarossa; l'onda luminosa viene riflessa dopo aver incontrato un ostacolo e ricevuta dal tubo ricevente a infrarossi TPS708, che genera una corrente corrispondente all'intensità della luce. Dopo che il circuito di amplificazione a due stadi composto è stato amplificato, emette una tensione analogica di 0 ~ 3 V, che viene immessa nel microcomputer a chip singolo attraverso la porta A/D. Il microcomputer a chip singolo calcola e valuta la distanza dell'ostacolo attraverso l'entità della tensione.

4. Progettazione del software
Il computer a chip singolo SPCE061 A seleziona la frequenza di sistema fosc = 20,480 MHz, la frequenza di clock della CPU (CPUCLK) è fosc / 2 = 10,24 MHz, la sorgente di clock seleziona la frequenza di 32768 Hz, la sorgente di clock seleziona la frequenza di 1 Hz e SPCE061A fornisce temporizzazione/contatore a 216 bit: TimerA e TImerB. La sorgente di clock di TImerA è formata dalle operazioni della sorgente di clock A e della sorgente di clock B; la sorgente di clock di TImerB è solo la sorgente di clock A.
L'impulso ultrasonico da 40 kHz è un'onda quadra con livelli alto e basso che occupano ciascuno 12,5 μs. Il conteggio dell'orologio della CPU viene ritardato di 123 cicli di istruzioni, ovvero 12,5 μs. Il computer a chip singolo può generare un segnale di impulso di 40 kHz generando continuamente livelli alti e bassi di 12,5 μs. Un gruppo di impulsi di 20 impulsi viene emesso ogni volta per 0,5 ms e l'emissione degli impulsi e l'intervallo di tempo sono di almeno 20 ms, che vengono emessi dalla porta I/O. . Il sistema seleziona il timer A come interruzione del timer di 20 ms e il timer B come contatore a ultrasuoni. Poiché il sensore a ultrasuoni ha una misurazione della zona morta, nella progettazione del programma, la misurazione della distanza superiore a 30 cm viene completata dal sensore a ultrasuoni e il sensore a infrarossi viene completata entro 30 cm.

Nel processo di misurazione della distanza a infrarossi, il timer A viene utilizzato per generare un'interruzione di 0,1 S per il campionamento A/D e il valore della tensione viene convertito in informazioni sulla distanza. Nel programma principale, per prima cosa, inserire la subroutine di rilevamento degli infrarossi. Se viene rilevato un ostacolo, entrare nella subroutine di trasmissione dati, visualizzazione e controllo del movimento; se non viene rilevato alcun ostacolo, si accede alla subroutine di rilevamento a ultrasuoni. Gli ultrasuoni rilevano gli ostacoli, quindi entrano nelle subroutine di trasmissione dati, visualizzazione e controllo del movimento. Se non vengono rilevati ostacoli, il rilevamento a infrarossi viene eseguito ciclicamente rispettivamente con le subroutine di rilevamento a infrarossi e a ultrasuoni.

V. Risultati della misurazione
Durante il test, per la misurazione vengono utilizzati ostacoli della stessa dimensione, struttura e colore. I test mostrano che la precisione del sistema è compresa nell'1% da 0 a 200 cm, il che può misurare con precisione la distanza degli ostacoli. La misurazione della distanza entro 30 cm viene effettuata da sensori a infrarossi, mentre la misurazione della distanza tra 30 e 200 cm viene effettuata da sensori a ultrasuoni.

6. Conclusione
Questo articolo studia un sistema di distanza laterale per robot mobile a basso costo, a basso consumo e ad alte prestazioni, un sistema multisensore che utilizza sensori a ultrasuoni e infrarossi, che risolve efficacemente il problema della misurazione dei punti ciechi in un sistema di rilevamento a sensore singolo; I tre gruppi di sensori sono assemblati in tre diverse posizioni del robot, in modo che il robot possa completare i compiti di rilevamento in tre diverse direzioni.