Sistem pengesanan robot mudah alih autonomi berdasarkan sensor ultrasonik

Sambungan sensor ultrasonik adalah tambahan yang baik kepada sistem pengesanan robot mudah alih yang sedia ada. Ia telah ditunjukkan sepenuhnya dalam aplikasi eksperimen, dan ia mempunyai kepraktisan tertentu dalam pengesanan halangan dan pelarasan pose robot. Walau bagaimanapun, kaedah ini perlu dipertingkatkan lagi dalam masa nyata dan ketepatan.

 

Salah satu yang paling penting u sensor tahap ltrasonik untuk robot mudah alih untuk memperoleh tingkah laku autonomi adalah untuk memperoleh pengetahuan tentang alam sekitar. Ini dicapai dengan menggunakan ukuran sensor ultrasonik yang berbeza dan mengekstrak maklumat daripada ukuran tersebut. Penderia seperti penglihatan, inframerah, laser dan ultrasonik semuanya telah digunakan dalam robot mudah alih. Penderia ultrasonik telah digunakan secara meluas dalam sistem penderiaan robot mudah alih kerana prestasi kosnya yang tinggi dan pelaksanaan perkakasan yang mudah. Walau bagaimanapun, penderia ultrasonik juga mempunyai had tertentu, terutamanya disebabkan oleh sudut pancaran yang besar, kearah yang lemah, dan ketidakstabilan pengukuran jarak (di bawah pantulan bukan menegak). Oleh itu, pelbagai sensor ultrasonik atau sensor lain sering digunakan untuk mengimbangi. Untuk mengimbangi kekurangan sensor ultrasonik itu sendiri dan meningkatkan keupayaannya untuk mendapatkan maklumat alam sekitar, kertas kerja ini mereka bentuk sistem pengesanan yang terdiri daripada sensor ultrasonik bersepadu dan motor melangkah.

 

1 Analisis prinsip pengesanan dan kaedah penderia ultrasonik

 

Prinsip asas penderia ultrasonik adalah untuk menghantar paket gelombang tekanan (ultrasonik) dan mengukur masa yang diambil untuk paket gelombang dihantar dan dikembalikan kepada penerima.

 

Antaranya, ia adalah jarak antara sasaran dan sensor ultrasonik; c ialah kelajuan gelombang ultrasonik (untuk memudahkan penerangan, pengaruh suhu pada kelajuan gelombang tidak dipertimbangkan apabila ia mengukur jarak yang dibincangkan di bawah; t ialah selang masa dari pelepasan ke penerimaan.

 

Kerana mengukur jarak dengan ultrasound bukanlah ukuran titik. Penderia ultrasonik mempunyai ciri penyebaran tertentu. Tenaga ultrasonik yang dipancarkan terutamanya tertumpu pada lobus utama, dan melemahkan dalam bentuk seperti gelombang pada kedua-dua belah paksi gelombang utama, dengan sudut resapan kira-kira 30 ° kiri dan kanan. Sebenarnya, kaedah pengiraan formula dari semasa ke semasa adalah berdasarkan pantulan gelombang ultrasonik yang berjaya dan menegak. Walau bagaimanapun, sukar bagi robot mudah alih untuk memastikan kestabilan postur gerakannya sendiri. Kaedah pengesanan yang mana penderia ultrasonik dipasang pada badan robot mudah alih digunakan. Apabila robot mudah alih menyimpang dari dinding selari, sistem pengesanan selalunya sukar untuk mendapatkan jarak sebenar. Di samping itu, apabila ciri perbezaan ultrasound digunakan untuk mengukur halangan, ia hanya boleh memberikan maklumat jarak halangan sasaran, tetapi bukan maklumat arah dan sempadan sasaran. Kecacatan ini sangat mengehadkan aplikasi praktikal dan promosi penderia ultrasonik.

 

Berdasarkan analisis teori dan ujian berterusan, kertas ini menggunakan motor stepper empat fasa untuk memacu sensor ultrasonik bersepadu tunggal untuk berputar untuk membentuk sistem penderiaan dinamik.

 

2 Sistem pengesanan terdiri daripada sensor ultrasonik bersepadu dan motor stepper

 

2.1 Reka bentuk struktur

 

Sensor ultrasonik dikimpal pada papan PCB, papan dibina oleh paip keluli, dan hujung paip keluli yang lain disambungkan ke aci motor loncatan, dan motor loncatan dipasang di bawah casis robot. Isyarat kawalan sensor ultrasonik dan isyarat keluaran yang disambungkan ke papan kawalan pada badan kenderaan melalui garis isyarat. Di samping itu, lengan berbentuk kon yang diperbuat daripada bahan buih ditambah di hadapan probe sensor ultrasonik, diameter mulut atas ialah 22 mm, diameter mulut bawah ialah 16 mm, dan ketinggian ialah 20 mm. Dengan cara ini, sudut pancaran gelombang yang dihantar dan sudut di mana gelombang pantulan diterima sangat terhad. Untuk membolehkan robot menyesuaikan posturnya, ia perlu menentukan arah putaran dan kedudukan rujukannya sendiri. Oleh itu, pengekod fotoelektrik ringkas yang terdiri daripada penderia fotoelektrik inframerah langsung dan meja putar dibuat oleh kami sendiri. Taburan 2 penderia fotoelektrik inframerah langsung ditunjukkan dan ia disusun secara mendatar pada garis penghubung titik tengah pada kedua-dua belah badan kereta robot pada ° . selang 180 Meja putar dan lengan berputar disambungkan pada bulatan sepusat, seperti yang ditunjukkan oleh bulatan luar dalam rajah, garis skala 1, 3 dipisahkan oleh 27 ° ; garisan skala 2, 1 dipisahkan oleh 180 ° , dan garisan skala 1 dan pusat sensor ultrasonik disimpan pada garisan mendatar yang sama. I sahaja pengaliran digunakan sebagai koordinat rujukan, I dan II secara serentak dibimbing untuk menentukan arah putaran, dan Ⅱ satu laluan digunakan sebagai rujukan navigasi apabila robot kembali di sepanjang dinding.

 

Penderia ultrasonik bersepadu didorong untuk berputar oleh motor melangkah, dan arah paksi pusat sensor ultrasonik berserenjang dengan badan robot digunakan sebagai rujukan koordinat untuk pelarasan posturnya sendiri. Motor melangkah menggunakan sudut langkah 4-fasa 4-beat 1.8 ° , dan 1 langkah setiap revolusi, Sensor ultrasonik mengesan sekali, dan menghantar nilai pengukur ke komputer atas melalui port bersiri.

 

2.2 Reka bentuk perkakasan sistem pengesanan

 

Perkakasan sistem pengesanan terutamanya terdiri daripada litar penjana ultrasonik, litar penerima ultrasonik, modul kawalan kelajuan motor stepper, dan lain-lain. Teras sistem ialah cip tunggal , yang terutamanya melengkapkan penghantaran dan penerimaan isyarat, mengawal motor melangkah, dan menghantar data ke komputer hos robot untuk diproses.

 

Litar pemancar ultrasonik menggunakan port P11 cip tunggal untuk mengeluarkan nadi pemancar, dan didorong oleh 74HC04 untuk menyambungkan sensor ultrasonik. Mereka meningkatkan keupayaan arus keluarannya dan meningkatkan jarak penghantaran sensor ultrasonik.

 

Litar penerimaan dan pemprosesan ultrasonik menggunakan litar bersepadu. ia adalah litar bersepadu khusus untuk penerima inframerah. Di sini CX20106 digunakan sebagai peranti penguat dan pengesan untuk menerima isyarat daripada sensor ultrasonik, dan keputusan yang baik juga telah dicapai. Selepas pra-penguat menerima isyarat yang dipantulkan daripada probe penerima ultrasonik, ia menguatkan isyarat dengan keuntungan voltan kira-kira 80 dB. Kemudian isyarat dihantar ke penguat mengehadkan untuk menjadikannya nadi segi empat tepat, dan kemudian frekuensi dipilih oleh penapis untuk menapis isyarat gangguan, frekuensi pembawa ditapis oleh pengesan untuk mengesan isyarat arahan, dan selepas membentuk, ia dikeluarkan oleh pin 7 tahap rendah. Tepi jatuh output nadi dari pin 7 adalah input melalui port INT0 mikropengawal.

 

Litar pemancar dan litar penerima sensor ultrasonik bersepadu menggunakan input/output pin sensor yang sama. Jika input/output tidak diasingkan, litar penerima dan litar pemancar akan terjejas dengan teruk. Suis analog dua hala CMOS digunakan untuk merealisasikan pengasingan penghantaran dan penerimaan. Modul kawalan motor melangkah menggunakan mod kawalan pengedar nadi gelang L297 + litar bersepadu kuasa jambatan H berganda L298. P1.6, P1.7 dan P2.3 mikrokomputer cip tunggal masing-masing disambungkan kepada CW, jam dan membolehkan terminal kawalan L297 untuk mengawal putaran ke hadapan dan belakang, isyarat jam, mula dan berhenti motor.

 

2.3 Reka bentuk perisian sistem pengesanan

Perisian sistem pengesanan terutamanya terdiri daripada modul program utama, modul program perkhidmatan gangguan, dan sensor ultrasonik mempunyai modul penghantaran dan penerimaan. Modul program utama sistem pengesanan diterangkan terutamanya di sini.

 

Modul pengukuran dan kawalan sensor ultrasonik dan motor stepper dikawal oleh mikrokomputer cip tunggal yang berbeza, jadi sistem penderiaan dan komputer atas robot mudah alih mesti bergantung pada talian port I/O dan komunikasi tak segerak bersiri antara mikrokomputer cip tunggal. Bendera T digunakan untuk menukar tindakan. Apabila T=0 dan OFF=0 berpuas hati pada masa yang sama, ia adalah proses pengesanan biasa bagi penderia ultrasonik; apabila T=1, OFF=0, ia digunakan untuk melaraskan azimut sebelum setiap pengukuran kitaran; OFF=1 Sedang menunggu tindakan seterusnya. Pemasa T0 digunakan untuk mengira masa gema, jadi nilai jarak d=0.334 × (TH0 × 256+TL0)/2. satu nadi pencetus diberikan kepada motor stepper. Kemudian tentukan sama ada tindakan seterusnya adalah melakukan pengesanan sensor atau melaraskan sudut azimut robot itu sendiri, yang memasuki kitaran baharu.

 

3 Eksperimen dan aplikasi sistem pengesanan pada robot mudah alih

3.1 Cari titik paling hampir dengan dinding

 

Dalam kertas ini, idea reka bentuk untuk mencari titik terdekat dengan dinding adalah berdasarkan julat ultrasonik. Memilih kaedah pengukuran jarak peringkat masa, dan hadkan julat penerimaan penderia ultrasonik dengan menetapkan ambang gema penerima dan menambah lengan menyerap bunyi sebelum probe. Sudut rasuk yang diukur adalah kira-kira ± 20° pada a

jarak 75 cm, dan sudut berkesan yang boleh menerima gelombang pantulan adalah kira-kira ± 40°.

 

Rasuk kon anggaran sensor ultrasonik menentukan jarak pantulan titik terdekat setiap kali ia mengukur jarak. Walaupun sudut rasuk menyimpang ke garisan putus-putus, jarak sebenar masih merupakan nilai yang diukur sepanjang garis tengah rasuk. Secara teorinya, jarak yang diukur dalam sudut pancaran pemancar hendaklah sama, tetapi masa kejutan sensor ultrasonik dan penetapan ambang penerimaan, termasuk pantulan dinding, akan memberi kesan tertentu pada pengukuran jarak. Diukur dengan eksperimen, dalam sudut tertentu (kira-kira ± 20° ), nilai jarak pengukur tidak berubah dengan ketara, dan nilai jirannya agak dekat (tidak lebih daripada 2 mm). Apabila sudut pesongan terus meningkat, perubahan dalam nilai ukuran bersebelahan juga meningkat dengan ketara. Oleh itu, satu kaedah adalah dengan menggunakan dua titik kritikal ini untuk mencari sudut antara rasuk dan dinding (iaitu, titik paling hampir dengan dinding), dan motor stepper memacu ultrasonik untuk berputar untuk mencari dua titik kritikal ini. Apabila dua nilai bersebelahan dikesan secara berterusan di bawah 2 mm, ia dianggap telah memasuki zon stabil, dan titik di mana perubahan berlaku sebelum dan selepas ditetapkan sebagai titik kritikal. Semua titik dalam titik kritikal ini direkodkan, dan kemudian titik tengah dikira. Titik tengah ialah titik terdekat antara dinding dan sensor ultrasonik. ia menunjukkan satu set data yang diukur. Dalam 72 °～ 108° , ia adalah kawasan pengukuran jarak yang stabil. Di luar ini, sisihan bersebelahan jarak yang diukur melebihi 8 mm, dan dengan sudut Ia akan diperbesarkan lagi apabila berpaling ke kedua-dua belah. Eksperimen dilakukan dengan menukar jarak antara sensor ultrasonik bersepadu dan dinding dalam lingkungan 50 cm dan 200 cm. Akibatnya, ralat diukur sudut menegak ke dinding adalah terhad kepada 2 sudut langkah.

 

3.2 Sistem pengesanan digunakan pada robot untuk mengemudi di sepanjang dinding

 

Robot mudah alih autonomi mengesan maklumat tentang persekitaran semasa semasa pergerakan. Maklumat jarak yang dikesan setiap kali diukur pada premis postur gerakan robot semasa. Semasa berjalan dalam garis lurus di sepanjang dinding, robot menjamin ketepatan trajektorinya melalui persepsi bersama pengukuran jarak dan posturnya sendiri. Pengukuran jarak ultrasonik telah digunakan secara meluas. Selepas menguji hubungan antara sudut pengesanan ultrasonik dan ukuran jarak, sensor ultrasonik boleh digunakan untuk mengukur sudut azimut badan kenderaan (untuk menentukan posturnya sendiri) mengikut kaedah pengiraan titik terdekat. Titik terdekat yang diukur ialah jarak sebenar antara robot dan dinding. Koordinat rujukan robot ditentukan oleh sensor inframerah langsung 1 pada pengekod mudah, dan titik terdekat dikira mengikut maklumat yang disimpan semasa setiap langkah motor melangkah. Di antara koordinat rujukan dan titik terdekat, sudut yang dilalui oleh motor stepper digunakan untuk menentukan sudut pesongan antara robot dan dinding, dan kemudian sudut pesongan dihantar ke sistem kawalan pacuan roda untuk melaraskan sudut azimut.

 

3.3 Mencari halangan

 

Penggunaan motor loncatan untuk memandu sensor ultrasonik industri

 untuk berputar secara fungsinya serupa dengan pengesanan berbilang sensor. Robot mudah alih biasanya menggunakan pelbagai penderia ultrasonik di sekeliling badan untuk mendapatkan lebih banyak maklumat, dengan itu meningkatkan julat halangan dan menentukan arah sasaran dan maklumat sempadan. Sebaliknya, satu kelebihan kaedah putaran ialah ketumpatan pengesanan boleh dilaraskan secara automatik mengikut keketatan halangan. Bilangan penderia tambahan dihadkan oleh keadaannya sendiri, dan ketat kaedah putaran hanya berkaitan dengan sudut langkah motor stepper. Peningkatan ketumpatan pengesanan boleh meningkatkan resolusi sudut, dengan itu mengukuhkan penentuan arah sasaran dan maklumat sempadan.

 

Sistem ini adalah lanjutan daripada fungsi sensor jarak ultrasonik dan tambahan yang baik kepada sistem pengesanan robot mudah alih sedia ada. Ia telah ditunjukkan sepenuhnya dalam aplikasi eksperimen, dan ia mempunyai kepraktisan tertentu dalam pengesanan halangan dan pelarasan pose robot. Walau bagaimanapun, kaedah ini perlu dipertingkatkan lagi dalam masa nyata dan ketepatan.