Analisis Aplikasi Penderia Ultrasonik dalam Sistem Jarak Robot Mudah Alih

I. Pengenalan

Dalam proses pengelakan halangan masa nyata dan perancangan laluan untuk robot mudah alih autonomi, robot mesti bergantung pada pemerolehan maklumat persekitaran luaran, merasakan kehadiran halangan dan mengukur jarak halangan. Pada masa ini, pengelakkan halangan robot dan penderia jarak termasuk penderia inframerah, ultrasonik, laser dan visual. Penderia laser dan penderia visual adalah mahal dan memerlukan keperluan yang tinggi untuk pengawal. Oleh itu, inframerah dan transduser tahap ultrasonik kebanyakannya digunakan dalam sistem robot mudah alih.

Kebanyakan sistem menggunakan penderia tunggal untuk pengumpulan maklumat, tetapi kerana masalah mengukur titik buta, julat penderia ultrasonik biasanya antara 30 dan 300 cm; manakala jarak pengesanan penderia jarak inframerah adalah pendek, biasanya dalam lingkungan berpuluh-puluh sentimeter. Pada tahap tertentu, ia boleh menampung kekurangan sensor ultrasonik yang tidak boleh diukur pada jarak dekat. Oleh itu, sistem ini menggunakan pelbagai sensor inframerah dan ultrasonik untuk mengukur dan mengumpul maklumat jarak.

2. Ranging prinsip dan kaedah

(1) Penderia ultrasonik
Ultrasound merujuk kepada gelombang bunyi dengan frekuensi resonans lebih tinggi daripada 20Hz. Semakin tinggi frekuensi, semakin kuat keupayaan pantulan. Penderia ultrasonik adalah murah, dan prestasinya hampir tidak terjejas oleh cahaya, habuk, asap, gangguan elektromagnet, dan logam, kayu, konkrit, kaca, getah dan kertas boleh memantulkan hampir 100% gelombang ultrasonik, jadi ia boleh digunakan untuk mengesan objek .
Kaedah pengukuran jarak ultrasonik ialah kaedah pengesanan gema. Transduser pemancar secara berterusan mengeluarkan denyutan bunyi. Selepas gelombang bunyi menemui halangan, ia dipantulkan kembali dan diterima oleh transduser penerima. Jarak halangan dikira mengikut kelajuan bunyi dan perbezaan masa. Hubungan antara jarak dan kelajuan bunyi dan masa dinyatakan.

(2) Kaedah untuk meningkatkan ketepatan transduser julat ultrasonik
1. Gunakan frekuensi dan panjang gelombang yang sesuai: menggunakan transduser ultrasonik kuasa tinggi untuk mengukur jarak, frekuensi terlalu rendah; gangguan bunyi luaran adalah lebih; kekerapan terlalu tinggi, dan pengecilan adalah besar semasa proses pembiakan. Di samping itu, penderia ultrasonik terdedah untuk menjana titik buta semasa proses pengukuran, dan hujung penerima terdedah untuk menerima gelombang bocor. Untuk memperbaiki kekurangan ini, adalah perlu untuk mengurangkan panjang rentetan gelombang yang dihantar dan meningkatkan frekuensi gelombang yang dihantar. Walau bagaimanapun, jika panjang rentetan gelombang yang dihantar terlalu pendek, transduser pemancar tidak boleh teruja atau getaran teruja tidak mencapai nilai maksimum; jika frekuensi gelombang yang dihantar terlalu tinggi, pengecilan adalah besar, dan jarak kerja berkurangan. Ujian telah menunjukkan bahawa menggunakan gelombang ultrasonik 40 kHz untuk menghantar kumpulan nadi mengandungi 10-20 denyutan dan mempunyai prestasi perambatan yang baik.

2. Meningkatkan ketepatan masa sistem juga boleh meningkatkan ketepatan transduser jarak ultrasonik. Semakin tinggi frekuensi pengiraan pemasa, semakin kecil ralat julat disebabkan oleh ralat pengkuantitian masa.

3. Mengimbangi kelewatan masa litar sistem boleh mengurangkan ralat julat dan meningkatkan ketepatan julat. Dalam formula, △ t ialah masa tunda, s; s1, s2 ialah dua jarak ukuran yang diketahui, m; t1, t2 ialah masa ukuran yang sepadan, s.

(3) Penderia pengelakan halangan inframerah
Inframerah ialah gelombang elektromagnet antara cahaya boleh dilihat dan gelombang mikro. Oleh itu, ia bukan sahaja mempunyai ciri perambatan linear cahaya yang boleh dilihat, pantulan, pembiasan, dsb., tetapi juga mempunyai ciri gelombang mikro tertentu, seperti penembusan kuat dan keupayaan untuk menembusi Bahan legap tertentu dsb. Sensor inframerah termasuk peranti pemancar inframerah dan peranti penerima inframerah. Semua objek di alam semula jadi akan memancarkan sinaran inframerah selagi suhu melebihi sifar mutlak. Oleh itu, penderia inframerah mesti mempunyai keupayaan penghantaran dan penerimaan yang lebih kuat.

Prinsip asas julat sensor ultrasonik inframerah ialah tiub pemancar cahaya memancarkan cahaya inframerah, dan tiub penerima peka cahaya menerima cahaya pantulan objek di hadapannya, dan kemudian menilai sama ada terdapat halangan di hadapannya. Jarak objek boleh dinilai mengikut keamatan cahaya yang dipancarkan. Prinsipnya ialah keamatan cahaya yang diterima oleh tiub penerima berbeza dengan jarak objek pemantulan. Keamatan cahaya yang dipantulkan adalah dekat dengan jarak, dan keamatan cahaya yang dipantulkan adalah jauh.

Pada masa ini, suis fotoelektrik inframerah, yang merupakan salah satu sensor yang paling banyak digunakan, mempunyai frekuensi penghantaran kira-kira 38 kHz dan jarak pengesanan yang agak pendek. Ia biasanya digunakan untuk pengecaman halangan jarak dekat. Sistem ini menggunakan sensor jenis ini.

(4) Kecacatan pengukuran jarak inframerah
Dijejaskan oleh ciri-ciri peranti, suis fotoelektrik inframerah am mempunyai anti-gangguan yang lemah dan banyak dipengaruhi oleh cahaya ambien; dan warna objek yang dikesan dan kelancaran permukaan adalah berbeza, dan keamatan cahaya inframerah yang dipantulkan akan berbeza.

Ketiga, struktur sistem perkakasan

(1) Komposisi sistem
Sistem pengukur jarak terdiri daripada mikrokomputer cip tunggal, litar pemancar dan penerima ultrasonik, litar pemancar dan penerima inframerah, litar paparan digital dan litar komunikasi bersiri. Teras kawalan ialah mikropengawal Lingyang 16-bit SPCE061 A. Terdapat 2 pemasa / pemasa boleh atur cara 16-bit, saluran keluaran / pemasa sejagat, 1342 saluran keluaran boleh sampuk 7-saluran 10-bit A / D pada cip. penukar.

(2) Litar penderia ultrasonik
Port I / O9-I / O11 Lingyang MCU disambungkan ke litar pemancar ultrasonik tiga hala, dan I / O3-I / O5 disambungkan ke litar penerima ultrasonik tiga hala. Transduser isyarat 40 kHz yang dijana oleh mikrokomputer cip tunggal dikeluarkan oleh I / O, dan dirangsang oleh litar penguat penggalak yang terdiri daripada penyongsang 4049B. Akhirnya, ia dihantar oleh transduser pemancar ultrasonik UCM40T; gelombang bunyi kembali ke halangan dan diterima oleh transduser penerima UCM40R, Isyarat dikuatkan oleh litar penguat dua peringkat yang terdiri daripada OP07, frekuensi dipilih oleh penyahkod audio gelung berkunci fasa LM567, menapis isyarat gangguan, dan akhirnya, memasukkan ke dalam port cip tunggal I / Okomputer. Mikrokomputer cip tunggal mengira jarak halangan melalui masa penghantaran gelombang bunyi.

(3) Litar penderia inframerah
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU boleh digunakan sebagai penukar A/D 10-bit. Dalam sistem ini, port I / O0 ～ I / O2 MCU Lingyang digunakan sebagai penukar A / D. I / O6 ～ I / O8 disambungkan kepada tiga litar pemancar inframerah, dan I / O0 ～ I / O2 disambungkan kepada tiga penerima inframerah dengan litar. Apabila port I / O mikrokomputer cip tunggal mengeluarkan tahap yang tinggi, ia mengalir dengan tiub bercahaya inframerah TLN205 dan memancarkan cahaya inframerah; gelombang cahaya dipantulkan selepas menghadapi halangan dan diterima oleh tiub penerima inframerah TPS708, yang menghasilkan arus yang sepadan dengan keamatan cahaya. Selepas litar penguat dua peringkat yang terdiri dikuatkan, ia mengeluarkan voltan analog 0 ~ 3V, yang merupakan input kepada mikrokomputer cip tunggal melalui port A / D. Mikrokomputer cip tunggal mengira dan menilai jarak halangan melalui magnitud voltan.

4. Reka Bentuk Perisian
Komputer cip tunggal SPCE061 A memilih fosc frekuensi sistem = 20.480MHz, frekuensi jam CPU (CPUCLK) adalah fosc / 2 = 10. 24 MHz, sumber jam memilih frekuensi 32768 Hz, sumber jam memilih frekuensi 1Hz, dan pemasaan SPCE061A TImer/Timer SPCE061A. Sumber jam TImerA dibentuk oleh operasi sumber jam A dan sumber jam B; sumber jam TImerB hanyalah sumber jam A.
Nadi ultrasonik 40 kHz ialah gelombang persegi dengan aras tinggi dan rendah setiap satu menduduki 12.5 μs. Kiraan jam CPU ditangguhkan sebanyak 123 kitaran arahan, iaitu 12.5 μs. Komputer cip tunggal boleh menjana isyarat nadi 40 kHz dengan terus menjana tahap tinggi dan rendah 12.5 μs. Kumpulan nadi sebanyak 20 denyutan dipancarkan setiap kali selama 0.5 ms, dan pelepasan nadi dan masa selang sekurang-kurangnya 20 ms, iaitu output daripada port I / O. . Sistem memilih pemasa A sebagai gangguan pemasa 20 ms dan pemasa B sebagai pembilang ultrasonik. Oleh kerana sensor ultrasonik mempunyai ukuran zon mati , dalam reka bentuk program, ukuran jarak lebih daripada 30 cm diselesaikan oleh sensor ultrasonik, dan sensor inframerah diselesaikan dalam 30 cm.

Dalam proses julat inframerah, pemasa A digunakan untuk menjana gangguan 0.1S untuk pensampelan A / D, dan nilai voltan ditukar kepada maklumat jarak. Dalam program utama, pertama, masukkan subrutin pengesanan inframerah. Jika halangan dikesan, masukkan subrutin penghantaran, paparan dan kawalan pergerakan data; jika tiada halangan dikesan, masukkan subrutin pengesanan ultrasonik. Ultrasound mengesan halangan, kemudian memasuki penghantaran data, paparan dan subrutin kawalan gerakan. Jika tiada halangan dikesan, pengesanan inframerah dilakukan secara kitaran inframerah dan subrutin pengesanan ultrasonik, masing-masing.

V. Keputusan pengukuran
Semasa ujian, halangan yang sama saiz, tekstur dan warna digunakan untuk pengukuran. Ujian menunjukkan bahawa ketepatan julat sistem adalah dalam lingkungan 1% dari 0 hingga 200 cm, yang boleh mengukur jarak halangan dengan tepat. Pengukuran jarak dalam lingkungan 30 cm dilakukan oleh sensor inframerah, dan ukuran jarak antara 30 dan 200 cm dilakukan oleh sensor ultrasonik.

6. Kesimpulan
Makalah ini mengkaji sistem jarak sisi robot mudah alih kos rendah, berkuasa rendah, berprestasi tinggi, sistem berbilang sensor menggunakan sensor ultrasonik dan inframerah, yang secara berkesan menyelesaikan masalah mengukur titik buta dalam sistem julat sensor tunggal; Tiga kumpulan penderia dipasang pada tiga kedudukan robot yang berbeza, supaya robot boleh menyelesaikan tugasan dalam tiga arah yang berbeza.