Applicazione del sistema di misurazione degli ultrasuoni nel robot mobile

I sensori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati nei sistemi di evitamento degli ostacoli dei robot. Sulla base del principio della portata a ultrasuoni, è stato progettato un sistema a portata parallela. Vengono introdotte la composizione hardware e il metodo di realizzazione software del sistema. Considerando il fenomeno per cui è facile che il range parallelo di più sensori produca interferenze, viene analizzata la causa dell'interferenza e viene proposta una soluzione efficace. Il sistema viene utilizzato nell'esperimento per evitare gli ostacoli del robot mobile e vengono forniti i risultati della calibrazione sperimentale del campo di misurazione del sistema.

Il sensore a ultrasuoni per la misurazione della distanza è ampiamente utilizzato in applicazioni che richiedono la misurazione della distanza come robot mobili per evitare ostacoli e radar di retromarcia grazie ai vantaggi di semplice elaborazione delle informazioni, alta velocità e prezzo basso. A causa delle caratteristiche di radiazione degli ultrasuoni, il sistema di rilevamento multisensore esistente utilizza la trasmissione round-robin per ridurre la generazione di interferenze. Questo metodo presenta un ampio punto cieco per la distanza e non è possibile garantire le prestazioni in tempo reale. I dati di misurazione sono anche problematici per l'elaborazione successiva come il posizionamento degli ostacoli e la discriminazione della forma. Progettano un sistema di misurazione a ultrasuoni con più sensori che lavorano in parallelo. Il sistema viene utilizzato per esperimenti su robot mobili intelligenti per evitare gli ostacoli e si ottengono buoni risultati.

1 Progettazione del sistema di misurazione degli ultrasuoni

Esistono molti metodi per la misurazione della distanza ad ultrasuoni. Questo articolo adotta il metodo del tempo di volo, ovvero la distanza viene calcolata misurando il tempo t dell'onda ultrasonica dal sensore trasmittente attraverso il mezzo di propagazione al sensore ricevente. Il suo principio può essere espresso dalla formula L=vt/2, (L è la distanza da misurare; v è la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria e t è il tempo di transito). La velocità di propagazione degli ultrasuoni nell'aria è correlata alla temperatura dell'ambiente e la precisione della misurazione della distanza può essere migliorata attraverso la compensazione della temperatura.

1.1 Progettazione del circuito hardware

Comprende principalmente computer superiore, processore, circuito dell'oscillatore ultrasonico, circuito di azionamento, amplificazione del segnale, circuito di modellatura e confronto.

Il processore adotta il chip singolo STC12C5410 STC, compatibile con la serie 51. Ogni microcomputer a chip singolo controlla due sensori a ultrasuoni attraverso un multiplexer, che si trovano sulla parte anteriore e posteriore del robot. Il compito principale del microcomputer a chip singolo è misurare il tempo di transito e la temperatura ambiente e calcolare la distanza degli ostacoli. Il microcomputer a chip singolo comunica con il computer host tramite RS232. Il computer superiore analizza i dati ricevuti per individuare gli ostacoli e controllare il movimento del robot.

Il circuito del trasmettitore ad ultrasuoni è composto da due parti: un circuito di oscillazione e un circuito di pilotaggio. Il circuito oscillante è un semplice circuito composto da una porta NAND, un resistore e un condensatore, che può generare un segnale ad onda quadra da 40kHz per pilotare il sensore a ultrasuoni per emettere onde ultrasoniche; il circuito di pilotaggio genera un impulso elettrico ultrasonico con una certa potenza per eccitare il sensore ultrasonico, che è composto da 6 porte NOT in composizione parallela, sfruttando la capacità di pilotaggio del chip stesso. Dopo essere stato guidato, il segnale finale aggiunto al sensore a ultrasuoni è un'onda quadra con un'ampiezza di 5 V.

1.2 Progettazione del programma software

Nel sistema, il microcomputer a chip singolo deve controllare 2 timer, uno viene utilizzato per misurare il tempo di transito e l'altro viene utilizzato per impostare la velocità di trasmissione della comunicazione tra il chip singolo e il PC per garantire l'accuratezza della comunicazione; controllare una porta di interruzione esterna per monitorare il sensore di ricezione ultrasonico in tempo reale Se ricevere il segnale ultrasonico riflesso; utilizzare un I/O per controllare il sensore del trasmettitore a ultrasuoni per emettere ultrasuoni a una determinata frequenza; utilizzando un unico protocollo bus per controllare un I/O per leggere il valore di temperatura raccolto. Il microcomputer a chip singolo deve anche ricevere ed elaborare i comandi del computer superiore e inviare i dati al computer superiore in tempo reale in base ai requisiti del computer superiore. 

IL Il circuito del sensore del trasduttore a ultrasuoni è diviso in tre parti: amplificazione del segnale, modellatura e confronto. Il segnale ricevuto dal sensore di ricezione a ultrasuoni è molto debole, a livello di millivolt, il segnale deve essere amplificato prima di poter essere rilevato dal microcomputer a chip singolo. In questo articolo vengono utilizzati circuiti di amplificazione a due stadi per amplificare un totale di 1000 volte. I circuiti di amplificazione a due stadi sono collegati tramite accoppiamento resistenza-capacità. Il segnale in uscita dall'amplificatore fluisce nel comparatore dopo essere passato attraverso il circuito di modellazione del duplicatore di tensione. La regolazione della tensione di riferimento del comparatore può modificare l'intervallo di misurazione e la precisione di misurazione del sistema di misurazione. Il segnale in uscita dal comparatore è collegato all'INT0 del microcomputer a chip singolo, attivando l'interruzione a chip singolo.

La comunicazione multi-computer viene utilizzata per trasmettere dati tra il computer a chip singolo e il computer host. Il PC non dispone di un bit di controllo multi-computer e 

Il modulo sensore di distanza a ultrasuoni deve utilizzare un software per simulare il bit TB8/RB8 del microcontrollore. I passaggi per l'impostazione del protocollo di comunicazione sono i seguenti:

1) Impostare l'MCU in stato di monitoraggio dell'indirizzo;

2) Il PC invia una serie di dati di indirizzo con bit di parità pari a 1;

3) Il microcomputer a chip singolo giudica se l'indirizzo ricevuto è lo stesso dell'indirizzo locale. Se è lo stesso, l'indirizzo verrà inviato all'host per stabilire un accordo di handshake con l'host;

4) Dopo che l'host riceve l'indirizzo, invia i dati con un bit di parità pari a 0 per notificare al microcontrollore di inviare le informazioni sulla distanza;

5) Il microcomputer a chip singolo invia i dati sulla distanza. Dopo l'invio, tornare al passaggio per continuare a monitorare l'indirizzo.

Il compito è inviare una serie di comandi di interrogazione alla porta seriale ogni 50 ms secondo il protocollo di comunicazione impostato per leggere le informazioni sulla distanza misurata dal microcomputer a chip singolo; individuare l'ostacolo analizzando le informazioni sulla distanza letta e giudicare approssimativamente le caratteristiche della forma dell'ostacolo; adottare le misure necessarie per evitare gli ostacoli controllare il funzionamento del robot e visualizzare il percorso di corsa. Il software ha una buona interfaccia utente, che favorisce il debug del programma.