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超音波センサーはロボットの障害物回避システムで広く使用されています。超音波測距原理に基づいて、並列測距システムが設計されています。システムのハードウェア構成とソフトウェア実現方法を紹介した。マルチセンサー並列測距が干渉を生じやすい現象に焦点を当てて,干渉の原因を分析し,効果的な解決策を提案した。このシステムは移動ロボットの障害物回避実験に使用され,システムの測定範囲の実験的校正結果が与えられた。
距離測定用超音波センサは、 情報処理が簡単、高速、低価格という利点から、障害物回避のための移動ロボットや後退レーダーなど、距離測定が必要な用途に広く使用されています。超音波の放射特性により、既存のマルチセンサー測距システムは干渉の発生を減らすためにラウンドロビン送信を使用しています。この方法は距離の死角が大きく、リアルタイム性は保証できません。測定データは、障害物の位置や形状の識別などの後続の処理にも面倒です。複数のセンサーが並行して動作する超音波測距システムを設計します。このシステムは知能移動ロボットの障害物回避実験に使用されており、良好な結果が得られている。
1 超音波測距システムの設計
超音波距離測定には多くの方法があります。この記事では飛行時間法を採用しています。つまり、超音波が送信センサーから伝播媒体を通って受信センサーに到達するまでの時間tを測定することによって距離を計算します。その原理は、L=vt/2（Lは測定する距離、vは空気中の超音波の伝播速度、tは伝播時間）という式で表すことができます。空気中の超音波の伝播速度は環境の温度に関係しており、温度補償によって距離測定の精度を向上させることができます。
1.1 ハードウェア回路設計
主に上位コンピュータ、プロセッサ、超音波発振回路、駆動回路、信号増幅、整形、比較回路が含まれます。
プロセッサには51シリーズと互換性のあるSTCシングルチップSTC12C5410を採用。各シングルチップ マイクロコンピューターは、ロボットの前後にある 2 つの超音波センサーをマルチプレクサーを介して制御します。シングルチップマイコンの主な役割は、通過時間と周囲温度を測定し、障害物までの距離を計算することです。シングルチップマイコンは RS232 を介してホストコンピュータと通信します。上部コンピューターは受信したデータを分析して障害物の位置を特定し、ロボットの動作を制御します。
超音波送信回路は発振回路と駆動回路の2つの部分から構成されます。発振回路は、NAND ゲート、抵抗、コンデンサで構成される単純な回路で、超音波センサーを駆動して超音波を放射するための 40kHz の方形波信号を生成できます。駆動回路は、チップ自体の駆動能力を利用して、6個のNOTゲートを並列構成した超音波センサーを励起するために一定の電力の超音波電気パルスを発生します。駆動後、超音波センサーに追加される最終信号は振幅 5V の方形波です。
1.2 ソフトウェアプログラムの設計
システムでは、シングルチップ マイクロコンピュータは 2 つのタイマーを制御する必要があります。1 つは通過時間の測定に使用され、もう 1 つはシングルチップと PC 間の通信のボー レートを設定して通信の精度を保証するために使用されます。外部割り込みポートを制御して超音波受信センサーをリアルタイムで監視し、反射された超音波信号を受信するかどうかを監視します。 I/O を使用して超音波送信センサーを制御し、特定の周波数で超音波を放射します。単一のバス プロトコルを使用して I/O を制御し、収集された温度値を読み取ります。また、シングルチップマイクロコンピュータは、上位コンピュータの要求に応じて、上位コンピュータのコマンドを受信して処理し、リアルタイムで上位コンピュータにデータを送り返す必要がある。
の 超音波トランスデューサーセンサー 回路は、信号の増幅、整形、比較の 3 つの部分に分かれています。超音波受信センサーが受信する信号はミリボルトレベルの非常に微弱なものであるため、シングルチップマイコンで検出するには信号を増幅する必要があります。本稿では2段の増幅回路を用いて合計1000倍の増幅を行っています。 2段の増幅回路は抵抗と容量の結合で接続されています。アンプから出力された信号は、倍電圧整形回路を通過した後、コンパレータに流れ込みます。コンパレータの基準電圧を調整すると、測距システムの測定範囲と測定精度が変化する可能性があります。コンパレータの出力信号はシングルチップマイコンのINT0に接続され、シングルチップ割り込みが発生します。
マルチコンピュータ通信は、シングルチップコンピュータとホストコンピュータの間でデータを送信するために使用されます。 PC にはマルチコンピュータ制御ビットがありません。
超音波距離センサーモジュールは 、ソフトウェアを使用してマイクロコントローラーのTB8/RB8ビットをシミュレートする必要があります。通信プロトコルの設定手順は以下のとおりです。
1) MCU をアドレス監視状態に設定します。
2) PC はパリティ ビット 1 を持つアドレス データのセットを送信します。
3) シングルチップマイコンは受信したアドレスがローカルアドレスと同じかどうかを判断します。同じであれば、ホストとのハンドシェイク合意を確立するためにアドレスがホストに送信されます。
4) ホストはアドレスを受信した後、パリティ ビット 0 のデータを送信して、マイクロコントローラーに距離情報を送信するように通知します。
5) シングルチップマイコンが距離データを送信します。送信後はステップに戻り、アドレスの監視を続けます。
タスクは、設定された通信プロトコルに従って一連のクエリ コマンドを 50 ミリ秒ごとにシリアル ポートに送信し、シングルチップ マイクロコンピュータによって測定された距離情報を読み取ることです。読み取った距離情報を解析して障害物の位置を特定し、障害物の形状特徴を大まかに判断する。必要な障害物回避措置を講じ、ロボットの動作を制御し、走行軌跡を表示します。このソフトウェアには優れたユーザー インターフェイスがあり、プログラムのデバッグに役立ちます。
