Sistema di rilevamento di robot mobili autonomi basato su sensore a ultrasuoni

Un'estensione del sensore a ultrasuoni costituisce un buon complemento al sistema di rilevamento esistente dei robot mobili. È stato ampiamente dimostrato in applicazioni sperimentali e presenta una certa praticità nel rilevamento degli ostacoli e nella regolazione della posa del robot. Tuttavia, questo metodo deve essere ulteriormente migliorato in tempo reale e precisione.

 

Uno dei più importanti u Sensore di livello ad ultrasuoni per consentire ai robot mobili di acquisire un comportamento autonomo significa acquisire conoscenze sull'ambiente. Ciò si ottiene utilizzando diverse misurazioni di sensori a ultrasuoni ed estraendo informazioni da tali misurazioni. Sensori come quelli visivi, a infrarossi, laser e ultrasonici sono stati tutti utilizzati nei robot mobili. I sensori a ultrasuoni sono stati ampiamente utilizzati nei sistemi di rilevamento dei robot mobili grazie alle loro prestazioni ad alto costo e alla semplice implementazione dell'hardware. Tuttavia, i sensori a ultrasuoni presentano anche alcune limitazioni, dovute principalmente all'ampio angolo del fascio, alla scarsa direttività e all'instabilità della misurazione della distanza (in condizioni di riflessione non verticale). Pertanto, per compensare vengono spesso utilizzati più sensori a ultrasuoni o altri sensori. Per sopperire alle carenze del sensore a ultrasuoni stesso e migliorare la sua capacità di ottenere informazioni ambientali, questo articolo progetta un sistema di rilevamento composto da un sensore a ultrasuoni integrato e un motore passo-passo.

 

1 Analisi del principio e del metodo di rilevamento dei sensori a ultrasuoni

 

Il principio di base di un sensore a ultrasuoni è quello di inviare pacchetti di onde di pressione (ultrasoniche) e misurare il tempo impiegato affinché i pacchetti di onde vengano trasmessi e restituiti al ricevitore.

 

Tra questi c'è la distanza tra il bersaglio e il sensore a ultrasuoni; c è la velocità dell'onda ultrasonica (per semplificare la descrizione, quando si misura la distanza discussa di seguito, non viene considerata l'influenza della temperatura sulla velocità dell'onda; t è l'intervallo di tempo dall'emissione alla ricezione.

 

Perché misurare la distanza con gli ultrasuoni non è una misurazione puntuale. I sensori a ultrasuoni hanno determinate caratteristiche di diffusione. L'energia ultrasonica emessa si concentra principalmente sul lobo principale, e si attenua in forma ondulatoria su entrambi i lati dell'asse dell'onda principale, con un angolo di diffusione di circa 30 ° a destra e a sinistra. Infatti il ​​metodo di calcolo della formula nel tempo si basa sull'avvenuta riflessione verticale delle onde ultrasoniche. Tuttavia, è difficile per un robot mobile garantire la stabilità della propria postura di movimento. Viene utilizzato il metodo di rilevamento mediante il quale un sensore a ultrasuoni è fissato sul corpo del robot mobile. Quando il robot mobile si discosta da una parete parallela, spesso è difficile per il sistema di rilevamento ottenere la distanza effettiva. Inoltre, quando la caratteristica di divergenza degli ultrasuoni viene utilizzata per misurare gli ostacoli, può fornire solo le informazioni sulla distanza dell'ostacolo target, ma non le informazioni sulla direzione e sui confini del target. Questi difetti limitano notevolmente l'applicazione pratica e la promozione dei sensori a ultrasuoni.

 

Basato sull'analisi teorica e sui test continui, questo documento utilizza un motore passo-passo a quattro fasi per far ruotare un singolo sensore a ultrasuoni integrato per formare un sistema di rilevamento dinamico.

 

2 Il sistema di rilevamento è composto da un sensore a ultrasuoni integrato e da un motore passo-passo

 

2.1 Progettazione strutturale

 

Il sensore a ultrasuoni è saldato sulla scheda PCB, la scheda è costituita da un tubo d'acciaio e l'altra estremità del tubo d'acciaio è collegata all'albero del motore passo-passo e il motore passo-passo è fissato sotto il telaio del robot. Il segnale di controllo del sensore a ultrasuoni e il segnale di uscita sono collegati alla scheda di controllo sulla carrozzeria del veicolo attraverso la linea del segnale. Inoltre, davanti alla sonda del sensore a ultrasuoni viene aggiunto un manicotto a forma di cono in materiale espanso, il diametro della bocca superiore è di 22 mm, il diametro della bocca inferiore è di 16 mm e l'altezza è di 20 mm. In questo modo, l'angolo del fascio dell'onda trasmessa e l'angolo di ricezione dell'onda riflessa sono fortemente limitati. Affinché il robot possa regolare la propria postura, deve determinare la propria direzione di rotazione e la posizione di riferimento. Pertanto, noi stessi abbiamo realizzato un semplice codificatore fotoelettrico composto da un sensore fotoelettrico a infrarossi diretti e da una piattaforma girevole. Viene mostrata la distribuzione di 2 sensori fotoelettrici a infrarossi diretti, disposti orizzontalmente sulla linea di collegamento del punto medio su entrambi i lati della carrozzeria dell'auto robot a intervalli di 180 ° . Il piatto ed il braccio rotante sono collegati su un cerchio concentrico, come mostrato dal cerchio esterno in figura, le linee della scala 1,3 sono separate di 27 ° ; le linee della scala 2,1 sono separate di 180 ° e la linea della scala 1 e il centro del sensore a ultrasuoni sono mantenuti sulla stessa linea orizzontale. I sola conduzione viene utilizzata come coordinata di riferimento, I e II vengono guidati simultaneamente per determinare la direzione di rotazione e Ⅱ passaggio singolo viene utilizzato come riferimento di navigazione quando il robot ritorna lungo il muro.

 

Il sensore a ultrasuoni integrato viene azionato in rotazione da un motore passo-passo e la direzione dell'asse centrale del sensore a ultrasuoni, perpendicolare al corpo del robot, viene utilizzata come riferimento delle coordinate per la regolazione della postura. Il motore passo-passo adotta un angolo di passo a 4 fasi a 4 battiti di 1,8 ° e 1 passo per giro. Il sensore a ultrasuoni rileva una volta e invia il valore di misurazione al computer superiore tramite la porta seriale.

 

2.2 Progettazione hardware del sistema di rilevamento

 

L'hardware del sistema di rilevamento è composto principalmente da un circuito di generazione di ultrasuoni, un circuito di ricezione di ultrasuoni, un modulo di controllo della velocità del motore passo-passo, ecc. Il nucleo del sistema è il chip singolo, che completa principalmente la trasmissione e la ricezione del segnale, controlla il motore passo-passo e trasmette i dati al computer host del robot per l'elaborazione.

 

Il circuito del trasmettitore a ultrasuoni utilizza la porta P11 del chip singolo per emettere l'impulso del trasmettitore ed è guidato dal 74HC04 per collegare il sensore a ultrasuoni. Migliorano la sua capacità di corrente di uscita e aumentano la distanza di trasmissione del sensore a ultrasuoni.

 

Il circuito di ricezione ed elaborazione degli ultrasuoni adotta un circuito integrato. è un circuito integrato dedicato per ricevitori a infrarossi. Qui CX20106 viene utilizzato come dispositivo di amplificazione e rilevamento per ricevere segnali da sensori a ultrasuoni e sono stati ottenuti anche buoni risultati. Dopo aver ricevuto il segnale riflesso dalla sonda ricevente a ultrasuoni, il preamplificatore amplifica il segnale con un guadagno di tensione di circa 80 dB. Quindi il segnale viene inviato all'amplificatore limitatore per trasformarlo in un impulso rettangolare, quindi la frequenza viene selezionata dal filtro per filtrare il segnale di interferenza, la frequenza portante viene filtrata dal rilevatore per rilevare il segnale di comando e, dopo la modellazione, viene emessa dal pin 7 a livello basso. Il fronte di discesa dell'impulso in uscita dal pin 7 viene immesso attraverso la porta INT0 del microcontrollore.

 

Il circuito trasmettitore e il circuito ricevitore del sensore a ultrasuoni integrato utilizzano lo stesso ingresso/uscita del pin del sensore. Se l'ingresso/uscita non è isolato, il circuito del ricevitore e il circuito del trasmettitore ne risentiranno notevolmente. L'interruttore analogico bidirezionale CMOS viene utilizzato per realizzare l'isolamento di trasmissione e ricezione. Il modulo di controllo del motore passo-passo adotta la modalità di controllo del distributore di impulsi ad anello L297 + circuito integrato di potenza a doppio ponte H L298. P1.6, P1.7 e P2.3 del microcomputer a chip singolo sono rispettivamente collegati a CW, orologio e consentono ai terminali di controllo di L297 di controllare la rotazione avanti e indietro, il segnale di orologio, l'avvio e l'arresto del motore.

 

2.3 Progettazione del software del sistema di rilevamento

Il software del sistema di rilevamento è composto principalmente da un modulo di programma principale, un modulo di programma di servizio di interruzione e un sensore a ultrasuoni con modulo di trasmissione e ricezione. Qui viene spiegato principalmente il modulo principale del programma del sistema di rilevamento.

 

I moduli di misurazione e controllo del sensore a ultrasuoni e del motore passo-passo sono controllati da diversi microcomputer a chip singolo, quindi il sistema di rilevamento e il computer superiore del robot mobile devono fare affidamento sulla linea di porta I/O e sulla comunicazione seriale asincrona tra i microcomputer a chip singolo. Il flag T viene utilizzato per cambiare azione. Quando T=0 e OFF=0 sono soddisfatti contemporaneamente, si tratta di un normale processo di rilevamento dei sensori a ultrasuoni; quando T=1, OFF=0, viene utilizzato per regolare l'azimut prima di ogni misurazione del ciclo; OFF=1 È in attesa dell'azione successiva. Il timer T0 viene utilizzato per calcolare il tempo dell'eco, quindi il valore della distanza d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. un impulso di trigger viene inviato al motore passo-passo. Quindi determinare se l'azione successiva consiste nel rilevare il sensore o nel regolare l'angolo di azimut del robot stesso, che entra in un nuovo ciclo.

 

3 Sperimentazione e applicazione del sistema di rilevamento su robot mobile

3.1 Trova il punto più vicino al muro

 

In questo articolo, l'idea progettuale di trovare il punto più vicino al muro si basa sulla misurazione degli ultrasuoni. Selezionare il metodo di misurazione della distanza a livello di tempo e limitare il campo di ricezione del sensore a ultrasuoni impostando la soglia dell'eco di ricezione e aggiungendo un manicotto fonoassorbente prima della sonda. L'angolo del fascio misurato è di circa ± 20° a

distanza di 75 cm, e l'angolo effettivo che può ricevere le onde riflesse è di circa ± 40°.

 

Il raggio conico approssimativo del sensore a ultrasuoni determina ogni volta che misura la distanza la distanza di riflessione del punto più vicino. Anche se l'angolo del raggio devia rispetto alla linea tratteggiata, la distanza effettiva è ancora il valore misurato lungo la linea centrale del raggio. In teoria, la distanza misurata all'interno dell'angolo del raggio di trasmissione dovrebbe essere la stessa, ma il tempo di shock del sensore a ultrasuoni e l'impostazione della soglia di ricezione, inclusa la riflessione della parete, avranno un certo impatto sulla misurazione della distanza. Misurato sperimentalmente, entro un certo angolo (circa ± 20° ), il valore della distanza di misurazione non cambia in modo significativo e i valori vicini sono relativamente vicini (non più di 2 mm). Quando l'angolo di deflessione continua ad aumentare, anche le variazioni dei valori di misurazione adiacenti aumentano in modo significativo. Pertanto, un metodo consiste nell'utilizzare questi due punti critici per trovare l'angolo tra il raggio e il muro (ovvero il punto più vicino al muro) e il motore passo-passo fa ruotare l'ultrasuono per trovare questi due punti critici. Quando vengono rilevati continuamente due valori adiacenti inferiori a 2 mm, si considera che si è entrati nella zona stabile e il punto in cui si verifica il cambiamento prima e dopo viene impostato come punto critico. Tutti i punti all'interno di questo punto critico vengono registrati, quindi viene calcolato il punto medio. Il punto medio è il punto più vicino tra la parete e il sensore a ultrasuoni. mostra una serie di dati misurati. Entro 72 °～ 108° , è l'area stabile di misurazione della distanza. Al di fuori di questo, la deviazione adiacente della distanza misurata supera gli 8 mm e con l'angolo verrà ulteriormente ingrandita se ruotata su entrambi i lati. Gli esperimenti sono stati eseguiti modificando la distanza tra il sensore a ultrasuoni integrato e la parete entro 50 cm e 200 cm. Di conseguenza, l'errore misurato dell'angolo verticale rispetto alla parete è stato limitato a 2 angoli di gradino.

 

3.2 Il sistema di rilevamento viene applicato al robot per navigare lungo il muro

 

I robot mobili autonomi rilevano informazioni sull'ambiente attuale durante il movimento. Le informazioni sulla distanza rilevate ogni volta vengono misurate in base alla postura di movimento corrente del robot. Mentre cammina in linea retta lungo il muro, il robot garantisce la precisione della sua traiettoria attraverso la percezione congiunta della misurazione della distanza e della propria postura. La misurazione della distanza ad ultrasuoni è stata ampiamente utilizzata. Dopo aver testato la relazione tra l'angolo di rilevamento a ultrasuoni e la misurazione della distanza, i sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati per misurare l'angolo di azimut della carrozzeria del veicolo (per determinarne la postura) secondo il metodo di calcolo del punto più vicino. Il punto più vicino misurato corrisponde alla distanza effettiva tra il robot e il muro. Le coordinate di riferimento del robot sono determinate dal sensore a infrarossi diretto 1 sull'encoder semplice e il punto più vicino viene calcolato in base alle informazioni memorizzate durante ogni passo del motore passo-passo. Tra le coordinate di riferimento e il punto più vicino, l'angolo percorso dal motore passo-passo viene utilizzato per determinare l'angolo di deflessione tra il robot e il muro, quindi l'angolo di deflessione viene trasmesso al sistema di controllo della trazione integrale per regolare l'angolo di azimut.

 

3.3 Ricerca degli ostacoli

 

L'uso di un motore passo-passo per azionare il sensore ad ultrasuoni industriale

 ruotare è funzionalmente simile al rilevamento multisensore. I robot mobili di solito utilizzano più sensori a ultrasuoni attorno al corpo per ottenere più informazioni, aumentando così la portata degli ostacoli e determinando la direzione del bersaglio e le informazioni sui confini. Un vantaggio del metodo di rotazione, invece, è che la densità di rilevamento può essere regolata automaticamente in base alla rigidità dell'ostacolo. Il numero di sensori aggiuntivi è limitato dalle proprie condizioni e la rigidità del metodo di rotazione è correlata solo all'angolo di passo del motore passo-passo. L'aumento della densità di rilevamento può migliorare notevolmente la risoluzione dell'angolo, rafforzando così la determinazione della direzione del target e delle informazioni sui confini.

 

Questo sistema è un'estensione della funzione del sensore di prossimità a ultrasuoni e un buon complemento al sistema di rilevamento esistente dei robot mobili. È stato ampiamente dimostrato in applicazioni sperimentali e presenta una certa praticità nel rilevamento degli ostacoli e nella regolazione della posa del robot. Tuttavia, questo metodo deve essere ulteriormente migliorato in tempo reale e precisione.