Aplikasi Sistem Ranging Ultrasonik dalam Robot Mudah Alih

Penderia ultrasonik digunakan secara meluas dalam sistem pengelakan halangan robot. Berdasarkan prinsip julat ultrasonik, sistem julat selari direka. Komposisi perkakasan dan kaedah realisasi perisian sistem diperkenalkan. Bertujuan kepada fenomena bahawa julat selari berbilang penderia adalah mudah untuk menghasilkan gangguan, sebab gangguan dianalisis dan penyelesaian yang berkesan dicadangkan. Sistem ini digunakan dalam eksperimen pengelakan halangan robot mudah alih, dan keputusan penentukuran percubaan julat ukuran sistem diberikan.

Penderia ultrasonik untuk pengukuran jarak digunakan secara meluas dalam aplikasi yang memerlukan pengukuran jarak seperti robot mudah alih untuk mengelakkan halangan dan radar terbalik kerana kelebihan pemprosesan maklumat yang mudah, kelajuan pantas dan harga yang rendah. Disebabkan oleh ciri sinaran ultrabunyi, sistem julat berbilang penderia sedia ada menggunakan penghantaran round-robin untuk mengurangkan penjanaan gangguan. Kaedah ini mempunyai titik buta yang besar untuk jarak, dan prestasi masa nyata tidak dapat dijamin. Data pengukuran juga menyusahkan untuk pemprosesan seterusnya seperti kedudukan halangan dan diskriminasi bentuk. Mereka mereka bentuk sistem julat ultrasonik dengan berbilang penderia yang berfungsi secara selari. Sistem ini digunakan untuk eksperimen mengelak halangan pada robot mudah alih pintar, dan keputusan yang baik diperolehi.

1 Reka Bentuk Sistem Ranging Ultrasonik

Terdapat banyak kaedah pengukuran jarak ultrasonik. Artikel ini mengguna pakai kaedah masa penerbangan, iaitu jarak dikira dengan mengukur masa t gelombang ultrasonik daripada sensor pemancar melalui medium perambatan ke sensor penerima. Prinsipnya boleh dinyatakan dengan formula sebagai L=vt/2, (L ialah jarak yang hendak diukur; v ialah kelajuan perambatan gelombang ultrasonik di udara, dan t ialah masa transit). Kelajuan penyebaran ultrasound di udara adalah berkaitan dengan suhu persekitaran, dan ketepatan pengukuran jarak boleh dipertingkatkan melalui pampasan suhu.

1.1 Reka bentuk litar perkakasan

Ia terutamanya termasuk komputer atas, pemproses, litar pengayun ultrasonik, litar pemacu, penguatan isyarat, membentuk dan litar perbandingan.

Pemproses menggunakan cip tunggal STC STC12C5410, yang serasi dengan siri 51. Setiap mikrokomputer cip tunggal mengawal dua penderia ultrasonik melalui pemultipleks, yang terletak di hadapan dan belakang robot. Tugas utama mikrokomputer cip tunggal adalah untuk mengukur masa transit dan suhu ambien, dan mengira jarak halangan. Mikrokomputer cip tunggal berkomunikasi dengan komputer hos melalui RS232. Komputer atas menganalisis data yang diterima untuk mencari halangan dan mengawal pergerakan robot.

Litar pemancar ultrasonik terdiri daripada dua bahagian: litar ayunan dan litar pemanduan. Litar berayun ialah litar ringkas yang terdiri daripada get NAND, perintang dan kapasitor, yang boleh menjana isyarat gelombang persegi 40kHz untuk memacu sensor ultrasonik untuk memancarkan gelombang ultrasonik; litar pemanduan menjana nadi elektrik ultrasonik dengan kuasa tertentu untuk merangsang sensor ultrasonik, yang terdiri daripada 6 pintu NOT dalam komposisi selari, menggunakan keupayaan memandu cip itu sendiri. Selepas dipandu, isyarat akhir yang ditambahkan pada sensor ultrasonik ialah gelombang persegi dengan amplitud 5V.

1.2 Reka bentuk program perisian

Dalam sistem, mikrokomputer cip tunggal mesti mengawal 2 pemasa, satu digunakan untuk mengukur masa transit, dan satu lagi digunakan untuk menetapkan kadar baud komunikasi antara cip tunggal dan PC untuk memastikan ketepatan komunikasi; mengawal port gangguan luaran untuk memantau sensor penerima ultrasonik dalam masa nyata Sama ada untuk menerima isyarat ultrasonik yang dipantulkan; gunakan I/O untuk mengawal sensor pemancar ultrasonik untuk memancarkan ultrasonik pada frekuensi tertentu; menggunakan protokol bas tunggal untuk mengawal I/O untuk membaca nilai suhu yang dikumpul . Mikrokomputer cip tunggal juga perlu menerima dan memproses arahan komputer atas, dan menghantar data kembali ke komputer atas dalam masa nyata mengikut keperluan komputer atas. 

The litar sensor transduser ultrasonik dibahagikan kepada tiga bahagian: penguatan isyarat, membentuk dan perbandingan. Isyarat yang diterima oleh sensor penerima ultrasonik adalah sangat lemah, dalam tahap milivolt, isyarat perlu dikuatkan sebelum ia dapat dikesan oleh mikrokomputer cip tunggal. Dalam kertas ini, litar penguat dua peringkat digunakan untuk menguatkan sebanyak 1000 kali ganda. Litar penguat dua peringkat disambungkan oleh gandingan rintangan-kapasiti. Keluaran isyarat daripada penguat mengalir ke dalam pembanding selepas melalui litar pembentuk pengganda voltan. Melaraskan voltan rujukan pembanding boleh mengubah julat pengukuran dan ketepatan pengukuran sistem julat. Output isyarat oleh pembanding disambungkan kepada INT0 mikrokomputer cip tunggal, mencetuskan gangguan cip tunggal.

Komunikasi berbilang komputer digunakan untuk menghantar data antara komputer cip tunggal dan komputer hos. PC tidak mempunyai bit kawalan berbilang komputer, dan 

modul sensor jarak ultrasonik perlu menggunakan perisian untuk mensimulasikan bit TB8/RB8 mikropengawal. Langkah penetapan protokol komunikasi adalah seperti berikut:

1) Tetapkan MCU berada dalam keadaan pemantauan alamat;

2) PC menghantar satu set data alamat dengan bit pariti 1;

3) Mikrokomputer cip tunggal menilai sama ada alamat yang diterima adalah sama dengan alamat tempatan. Jika ia adalah sama, alamat akan dihantar kepada hos untuk mewujudkan perjanjian berjabat tangan dengan hos;

4) Selepas hos menerima alamat, ia menghantar data dengan bit pariti 0 untuk memberitahu mikropengawal untuk menghantar maklumat jarak;

5) Mikrokomputer cip tunggal menghantar data jarak. Selepas menghantar, kembali ke langkah untuk terus memantau alamat.

Tugasnya adalah untuk menghantar satu set arahan pertanyaan ke port bersiri setiap 50ms mengikut protokol komunikasi yang ditetapkan untuk membaca maklumat jarak yang diukur oleh mikrokomputer cip tunggal; cari halangan dengan menganalisis maklumat jarak baca, dan menilai secara kasar ciri-ciri bentuk halangan; mengambil langkah mengelakkan halangan yang diperlukan mengawal operasi robot dan memaparkan trek larian. Perisian ini mempunyai antara muka pengguna yang baik, yang kondusif untuk penyahpepijatan program.