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超音波センサーの拡張は、移動ロボットの既存の検出システムを適切に補完します。これは実験アプリケーションで十分に実証されており、障害物の検出やロボットの姿勢調整において一定の実用性を持っています。ただし、この方法はリアルタイム性と精度をさらに向上させる必要があります。
最も重要なものの 1 つ 移動ロボットが自律的な行動を獲得するための超音波レベルセンサーは 、環境に関する知識を獲得することになります。これは、さまざまな超音波センサー測定値を使用し、それらの測定値から情報を抽出することによって実現されます。視覚、赤外線、レーザー、超音波などのセンサーはすべて移動ロボットに使用されています。超音波センサーは、コストパフォーマンスが高く、ハードウェアの実装が簡単であるため、移動ロボットのセンシングシステムで広く使用されています。ただし、超音波センサーには、主にビーム角度が大きいこと、指向性が低いこと、距離測定が（非垂直反射下で）不安定であることなどにより、一定の制限もあります。したがって、複数の超音波センサーまたはその他のセンサーを使用して補正することがよくあります。超音波センサ自体の欠陥を補い、環境情報を取得する能力を向上させるために、本論文では、統合された超音波センサとステッピングモータから構成される検出システムを設計した。
1 超音波センサーの検出原理と検出方法の解析
超音波センサーの基本原理は、(超音波)圧力波パケットを送信し、波パケットが送信されて受信機に返されるまでにかかる時間を測定することです。
その中で、ターゲットと超音波センサーの間の距離です。 cは超音波の速度（説明を簡単にするため、後述の距離測定では波速に対する温度の影響は考慮していません）、tは発信から受信までの時間です。
超音波による距離の測定は点の測定ではないためです。超音波センサーには特定の拡散特性があります。放射された超音波エネルギーは主にメインローブに集中し、主波軸を中心に左右に約30 °の拡散角で波状に減衰します 。実際、時間の経過に伴う式の計算方法は、超音波の垂直反射の成功に基づいています。しかし、移動ロボットは自身の動作姿勢の安定性を確保することが困難である。移動ロボットの胴体に超音波センサーを固定して検出する方式を採用しています。移動ロボットが平行な壁から逸脱すると、検出システムが実際の距離を取得することが困難になることがよくあります。また、超音波の発散特性を障害物の計測に利用した場合、対象となる障害物の距離情報のみが得られ、対象の方向や境界情報は得られません。これらの欠陥は、超音波センサーの実用化と普及を大きく制限します。
この論文では、理論分析と継続的なテストに基づいて、4 相ステッピング モーターを使用して単一の統合超音波センサーを駆動し、回転させて動的検出システムを形成します。
2 検出システムは統合された超音波センサーとステッピングモーターで構成されています
2.1 構造設計
超音波センサーは PCB 基板に溶接され、基板は鋼管で組み立てられ、鋼管の他端はステッピング モーターのシャフトに接続され、ステッピング モーターはロボット シャーシの下に固定されます。超音波センサーの制御信号と出力信号は信号線を介して車体の制御基板に接続されます。また、超音波センサーのプローブの前には発泡材からなる円錐形のスリーブが追加されており、上口の直径は22mm、下口の直径は16mm、高さは20mmである。このように、送信波のビーム角度と反射波の受信角度は大きく制限される。ロボットが姿勢を調整するためには、ロボット自身の回転方向と基準位置を決める必要があります。そこで、直接赤外線光電センサーとターンテーブルからなる簡易的な光電エンコーダーを自作しました。 2個の直接赤外線光電センサをロボット車体の両側の中点接続線上に180 ° 間隔で水平に配置した配置を示します。ターンテーブルと回転アームは同心円上に接続されており、図の外円で示すように、1、3の目盛り線は27 °離れています。 2、1の目盛り線は180 °離れており、1の目盛り線と超音波センサーの中心は同一水平線上にあります。 I単独の伝導は基準座標として使用され、IとIIは回転方向を決定するために同時に誘導され、 II 単一パスはロボットが壁に沿って戻るときのナビゲーション基準として使用されます。
内蔵の超音波センサーはステッピングモーターにより回転駆動され、ロボット本体に垂直な超音波センサーの中心軸方向を座標基準として姿勢調整を行います。ステッピングモーターは1.8 の4相4ビートステップ角を採用し°、1回転あたり1ステップ、超音波センサーが1回検出し、測定値をシリアルポートを介して上位コンピューターに送信します。
2.2 検出システムのハードウェア設計
検出システムのハードウェアは、主に超音波発生回路、超音波受信回路、ステッピングモーター速度制御モジュールなどで構成されています。システムの核心は、主に信号の送受信を完了し、ステッピングモーターを制御し、処理のためにロボットのホストコンピューターにデータを送信するシングルチップです。
超音波送信回路は、シングルチップの P11 ポートを使用して送信パルスを出力し、超音波センサーを接続するために 74HC04 によって駆動されます。これらは出力電流能力を強化し、超音波センサーの伝送距離を延ばします。
超音波受信処理回路には集積回路を採用。これは赤外線受信機専用の集積回路です。ここではCX20106を超音波センサーからの信号を受信する増幅・検出装置として使用し、良好な結果も得ています。プリアンプは超音波受信プローブからの反射信号を受信後、約80dBの電圧ゲインで信号を増幅します。その後、信号はリミットアンプに送られて矩形パルスとなり、フィルターで周波数を選択して妨害信号を除去し、搬送波周波数を検波器で濾波して指令信号を検出し、整形後、7番ピンのローレベルで出力されます。 7 ピンから出力されるパルスの立ち下がりエッジは、マイコンの INT0 ポートから入力されます。
統合超音波センサーの送信回路と受信回路は、同じセンサー ピンの入出力を使用します。入出力が絶縁されていない場合、受信回路や送信回路に大きな影響を与えます。 CMOS双方向アナログスイッチを採用し、送受信分離を実現しています。ステッピング モーター制御モジュールは、リング パルス ディストリビューター L297 + ダブル H ブリッジ パワー集積回路 L298 の制御モードを採用しています。シングルチップマイコンの P1.6、P1.7、P2.3 はそれぞれ L297 の CW、クロック、イネーブル制御端子に接続され、モータの正転、逆転、クロック信号、起動、停止を制御します。
2.3 検出システムのソフトウェア設計
検出システムのソフトウェアは主にメインプログラムモジュール、割り込みサービスプログラムモジュール、超音波センサーの送受信モジュールで構成されています。ここでは検出システムのメインプログラムモジュールを中心に説明します。
超音波センサーとステッピングモーターの測定および制御モジュールは、異なるシングルチップマイクロコンピューターによって制御されるため、移動ロボットのセンシングシステムと上位コンピューターは、シングルチップマイクロコンピューター間のI/Oポートラインとシリアル非同期通信に依存する必要があります。フラグ T はアクションを切り替えるために使用されます。 T=0、OFF=0が同時に成立する場合は、通常の超音波センサーの検出処理となります。 T=1、OFF=0 の場合、各サイクル測定の前に方位角を調整するために使用されます。 OFF=1 次のアクションを待っています。タイマ T0 はエコーの時間を計算するために使用されるため、距離値 d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2 となります。ステッピングモーターに1つのトリガーパルスが与えられます。次に、次のアクションがセンサー検出を行うか、ロボット自体の方位角を調整するかを決定し、新しいサイクルに入ります。
3 移動ロボットにおける検出システムの実験と応用
3.1 壁に最も近い点を見つける
この論文では、壁に最も近い点を見つけるという設計思想は超音波測距に基づいています。時間レベルの距離測定方法を選択し、受信エコーしきい値を設定し、プローブの前に吸音スリーブを追加することで、超音波センサーの受信範囲を制限します。測定されたビーム角度は約 ± 20°です 。
距離75cm、反射波を受信できる有効角度は約 ± 40°.
超音波センサーの近似円錐ビームは、距離を測定するたびに最近接点の反射距離を決定します。ビーム角度が点線までずれていても、実際の距離はビーム中心線に沿って測定した値となります。理論的には、送信ビーム角度内で測定される距離は同じであるはずですが、超音波センサーのショックタイムと壁の反射を含む受信閾値の設定は、距離測定に一定の影響を与えます。実験により測定すると、特定の角度（約 ± 20° ）内では、測定距離の値は大きく変化せず、その近傍の値は 比較的近い値（2 mm以下）になります。偏向角が増加し続けると、隣接する測定値の変化も大幅に増加します。したがって、1 つの方法は、これら 2 つの臨界点を使用して梁と壁の間の角度 (つまり、壁に最も近い点) を見つけることです。ステッピング モーターは超音波を駆動して回転させ、これら 2 つの臨界点を見つけます。 2mm以下で隣り合う2つの値が連続して検出された場合、安定域に入ったとみなして、その前後で変化が生じた点を臨界点とします。この臨界点内のすべての点が記録され、中間点が計算されます。中点は、壁と超音波センサーの間の最も近い点です。一連の測定データを示します。 72 °～ 108°以内が安定した距離測定領域です。これ以外では隣接する測定距離のずれは8mmを超えており、角度を付けて両側に回すとさらに大きくなります。内蔵超音波センサーと壁との距離を50cmと200cmの範囲で変えて実験を行いました。その結果、壁に対する垂直角度の測定誤差は 2 ステップ角に限定されました。
3.2 壁に沿って移動するロボットに検出システムを適用する
自律移動ロボットは移動中に現在の環境に関する情報を検出します。毎回検出される距離情報は、現在のロボットの動作姿勢を前提として計測される。ロボットは、壁に沿って直線的に歩行している間、距離測定と自身の姿勢の共同認識を通じて、その軌道の正確性を保証します。超音波距離測定は広く使用されています。超音波検出角度と距離測定の関係を検証した後、最近点の計算方法に従って、超音波センサーを使用して車体の方位角を測定（姿勢を測定）することができます。測定された最近接点は、ロボットと壁の間の実際の距離です。ロボットの基準座標は簡易エンコーダ上の直接赤外線センサ1により求められ、ステッピングモータの各ステップ中に記憶された情報に基づいて最近接点が計算されます。基準座標と最も近い点の間で、ステッピング モーターが移動する角度を使用してロボットと壁の間の偏向角が決定され、その偏向角が車輪駆動制御システムに送信されて方位角が調整されます。
3.3 障害物の探索
ステッピングモーターを使用して駆動することで、 工業用超音波センサー
回転することは、機能的にはマルチセンサー検出と同様です。移動ロボットは通常、体の周囲に複数の超音波センサーを使用してより多くの情報を取得し、それによって障害物の範囲を広げ、目標の方向と境界情報を決定します。これに対し、回転方式の利点は、障害物の密集度に応じて検出密度を自動的に調整できることです。追加のセンサーの数は独自の条件によって制限され、回転方法の厳密さはステッピング モーターのステップ角にのみ関係します。検出密度の増加により角度の分解能が大幅に向上し、ターゲットの方向と境界情報の判定が強化されます。
このシステムは、 超音波近接センサー であり、移動ロボットの既存の検出システムを補完するものです。これは実験アプリケーションで十分に実証されており、障害物の検出やロボットの姿勢調整において一定の実用性を持っています。ただし、この方法はリアルタイム性と精度をさらに向上させる必要があります。
