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I. はじめに
自律移動ロボットのリアルタイムの障害物回避と経路計画のプロセスでは、ロボットは外部環境情報の取得に依存し、障害物の存在を感知し、障害物までの距離を測定する必要があります。現在、ロボットの障害物回避および測距センサーには、赤外線、超音波、レーザー、視覚センサーが含まれています。レーザー センサーと視覚センサーは高価であり、コントローラーには高い要件が必要です。したがって、赤外線と 超音波レベルトランスデューサは 主に移動ロボットシステムで使用されます。
ほとんどのシステムは情報収集に単一のセンサーを使用しますが、死角の測定の問題があるため、超音波センサーの範囲は通常 30 ～ 300 cm です。一方、赤外線距離センサーの検出距離は短く、一般に数十センチメートル以内です。近距離での測定ができない超音波センサーの欠点をある程度補うことができます。そのため、このシステムでは複数の赤外線センサーと超音波センサーを使用して距離情報を測定および収集します。
2. 測距原理と方法
(1) 超音波センサー
超音波とは、共振周波数が 20Hz 以上の音波を指します。周波数が高くなるほど、反射能力が強くなります。超音波センサーは安価で、その性能は光、塵、煙、電磁干渉の影響をほとんど受けず、金属、木、コンクリート、ガラス、ゴム、紙などは超音波をほぼ100％反射するため、物体の検出に使用できます。
超音波距離測定方式はエコー検出方式です。送信トランスデューサーは継続的に音響パルスを放射します。音波は障害物に遭遇すると反射して戻り、受信トランスデューサーによって受信されます。障害物までの距離は音速と時間差から計算されます。距離や音速、時間の関係を表現します。
(2) 超音波測距トランスデューサの精度を向上させる方法
1. 適切な周波数と波長を使用します。 高出力超音波トランスデューサー、周波数が低すぎます。 距離を測定するには外部ノイズの干渉が大きくなります。周波数が高すぎるため、伝播プロセス中の減衰が大きくなります。また、超音波センサーは測定過程で死角が発生しやすく、受信側で漏洩波を受信しやすくなります。この欠点を改善するには、送信波列の長さを短くし、送信波の周波数を高くする必要があります。ただし、送信波列の長さが短すぎると、送信トランスデューサを励振できなかったり、励起振動が最大値に達しなかったりするため、送信波列の長さが短すぎると送信振動子が励振されなくなります。送信波の周波数が高すぎると減衰が大きくなり、作動距離が減少します。テストにより、40 kHz の超音波を使用してパルス グループを送信すると、10 ～ 20 個のパルスが含まれ、良好な伝播性能が得られることが示されました。
2. システムのタイミング精度を向上させると、超音波距離トランスデューサーの精度も向上します。タイマーのカウント周波数が高くなるほど、時間の量子化誤差による測距誤差は小さくなります。
3. システム回路の時間遅延を補償すると、測距誤差が減少し、測距精度が向上します。式中、△ t は遅延時間 s です。 s1、s2 は 2 つの既知の測定距離 m です。 t1、t2 は、対応する測定時間 s です。
(3) 赤外線障害物回避センサー
赤外線は可視光とマイクロ波の中間の電磁波です。そのため、可視光の直線伝播、反射、屈折などの特性だけでなく、透過力が強く、特定の不透明な物質を透過する能力など、マイクロ波の特性も併せ持っています。 赤外線センサーには、赤外線発光素子と赤外線受信素子が含まれます。自然界のすべての物体は、温度が絶対零度より高い限り、赤外線を放射します。したがって、赤外線センサーにはより強力な送受信能力が必要です。
赤外線超音波センサの測距の基本原理は、発光管が赤外線を発光し、その前方にある物体の反射光を受光管が受光し、前方に障害物があるかどうかを判断します。照射される光の強さにより物体までの距離を判断できます。その原理は、受光管が受け取る光の強度が反射物体の距離に応じて変化するというものです。遠くにあるものは反射光の強度があり、遠くにあるものは反射光の強度が異なります。
現在、最もよく使われているセンサーの一つである赤外線光電スイッチは、送信周波数が約38kHzで、検出距離が比較的短い。通常、近距離の障害物の認識に使用されます。このシステムではこのようなセンサーを使用しています。
(4) 赤外線距離測定の欠点
一般的な赤外線光電スイッチはデバイスの特性により耐干渉性が悪く、外乱光の影響を大きく受けます。検出物の色や表面の滑らかさが異なり、反射される赤外線の強度も異なります。
第三に、ハードウェアシステムの構造
(1) システム構成
測距システムは、ワンチップマイコン、超音波送受信回路、赤外線送受信回路、デジタル表示回路、シリアル通信回路で構成されています。制御コアは、凌陽製 16 ビットマイコン SPCE061 A です。チップ。コンバータ。
(2) 超音波センサー回路
凌陽 MCU の I/O9 ～ I/O11 ポートは 3 方向超音波送信回路に接続され、I/O3 ～ I/O5 ポートは 3 方向超音波受信回路に接続されます。シングルチップマイコンで生成された40kHzの信号変換器はI/Oで出力され、インバータ4049Bで構成される昇圧増幅回路で昇圧されます。最後に、超音波送信トランスデューサー UCM40T によって送信されます。障害物に戻ってきた音波は受信トランスデューサUCM40Rで受信され、OP07で構成される2段増幅回路で増幅され、フェーズロックループオーディオデコーダLM567で周波数選択され、妨害信号を除去した後、I/Oポートを介してワンチップマイコンに入力されます。シングルチップマイコンが音波の伝播時間から障害物までの距離を計算します。
(3) 赤外線センサー回路
Lingyang MCU の I/O0 ～ I/O6 を 10 ビット A/D コンバータとして使用できます。このシステムでは、Lingyang MCU の I/O0 ～ I/O2 ポートを A/D コンバータとして使用します。 I/O6～I/O8は3つの赤外線送信回路に接続されており、I/O0～I/O2は3つの赤外線受信回路に接続されています。シングルチップマイコンのI/Oポートがハイレベルを出力すると、赤外発光管TLN205と導通して赤外光を発光します。光波は障害物に当たると反射し、赤外線受信管TPS708で受信され、光の強度に応じた電流が発生します。構成された2段増幅回路により増幅された後、0～3Vのアナログ電圧が出力され、A/Dポートを介してシングルチップマイコンに入力されます。ワンチップマイコンが電圧の大きさから障害物までの距離を計算し判断します。
4. ソフトウェア設計
シングルチップ コンピュータ SPCE061 A はシステム周波数 fosc = 20.480MHz、CPU クロック周波数 (CPUCLK) は fosc / 2 = 10.24 MHz、クロック ソースは周波数 32768 Hz、クロック ソースは周波数 1Hz を選択し、SPCE061A は 216 ビットのタイミング / カウンタ: TimerA および TImerB を提供します。 TImerA のクロック ソースは、クロック ソース A とクロック ソース B の動作によって形成されます。 TImerB のクロック ソースはクロック ソース A のみです。40
kHz の超音波パルスは、高レベルと低レベルがそれぞれ 12.5 μs を占める方形波です。 CPU クロック数は 123 命令サイクル、つまり 12.5 μs 遅れます。ワンチップコンピュータは12.5μsのハイレベルとローレベルを連続的に発生させることで40kHzのパルス信号を生成することができます。 0.5msごとに20パルスからなるパルス群を発光し、パルス発光とインターバル時間は20ms以上でI/Oポートから出力されます。 。システムは、タイマー A を 20 ms のタイマー割り込みとして選択し、タイマー B を超音波カウンターとして選択します。超音波センサーには不感帯測定があるため、プログラム設計上、30cm以上の距離測定は超音波センサーで完了し、赤外線センサーは30cm以内で完了するように設計されています。
赤外線測距処理では、タイマーAを使用してA/Dサンプリングの0.1S割り込みを発生させ、電圧値を距離情報に変換します。メインプログラムでは、まず赤外線検出サブルーチンに入ります。障害物が検出された場合は、データ送信、表示および動作制御サブルーチンに入ります。障害物が検出されない場合は、超音波検出サブルーチンに入ります。超音波は障害物を検出し、データ送信、表示、およびモーション制御サブルーチンに入ります。障害物が検出されない場合は、赤外線検出サブルーチンと超音波検出サブルーチンがそれぞれ周期的に実行されます。
V. 測定結果
テスト中は、同じサイズ、質感、色の障害物が測定に使用されます。テストの結果、システムの測距精度は 0 ～ 200 cm で 1% 以内で、障害物までの距離を正確に測定できることが示されています。 30cm以内の距離測定は赤外線センサーによって行われ、30〜200cm間の距離測定は超音波センサーによって行われます。
6. 結論
この論文は、単一センサー測距システムにおける死角測定の問題を効果的に解決する、超音波センサーと赤外線センサーを使用したマルチセンサーシステムである、低コスト、低電力、高性能の移動ロボット側距離システムを研究します。 3 つのセンサー グループはロボットの 3 つの異なる位置に組み立てられているため、ロボットは 3 つの異なる方向で測距タスクを完了できます。
