Toepassingsanalyse van ultrasone sensor in het mobiele robotafstandssysteem

I. Inleiding

In het proces van real-time obstakelvermijding en padplanning voor autonome mobiele robots moet de robot vertrouwen op de verwerving van externe omgevingsinformatie, de aanwezigheid van obstakels waarnemen en de afstand van obstakels meten. Momenteel omvatten de sensoren voor het vermijden van obstakels en het bereik van robots infrarood-, ultrasone, laser- en visuele sensoren. Lasersensoren en visuele sensoren zijn duur en stellen hoge eisen aan controllers. Daarom infrarood en ultrasone niveautransducers worden meestal gebruikt in mobiele robotsystemen.

De meeste systemen gebruiken een enkele sensor voor het verzamelen van informatie, maar vanwege het probleem van het meten van blinde vlekken ligt het bereik van ultrasone sensoren doorgaans tussen 30 en 300 cm; terwijl de detectieafstand van infraroodafstandssensoren kort is, doorgaans binnen tientallen centimeters. Tot op zekere hoogte kan het de tekortkomingen compenseren van ultrasone sensoren die niet van dichtbij kunnen worden gemeten. Daarom maakt dit systeem gebruik van meerdere infrarood- en ultrasone sensoren om afstandsinformatie te meten en te verzamelen.

2. Variërend principe en methode

(1) Ultrasone sensor
Ultrageluid verwijst naar geluidsgolven met een resonantiefrequentie hoger dan 20 Hz. Hoe hoger de frequentie, hoe sterker het reflectievermogen. Ultrasone sensoren zijn goedkoop en hun prestaties worden nauwelijks beïnvloed door licht, stof, rook, elektromagnetische interferentie, en metaal, hout, beton, glas, rubber en papier kunnen bijna 100% van de ultrasone golven reflecteren, zodat ze kunnen worden gebruikt om objecten te detecteren.
De methode voor ultrasone afstandsmeting is de echodetectiemethode. De zendende transducer zendt continu geluidspulsen uit. Nadat de geluidsgolf het obstakel tegenkomt, wordt deze teruggekaatst en ontvangen door de ontvangende transducer. De afstand van het obstakel wordt berekend op basis van de geluidssnelheid en het tijdsverschil. De relatie tussen afstand en snelheid van geluid en tijd wordt uitgedrukt.

(2) Methoden om de nauwkeurigheid van de ultrasone bereiktransducer te verbeteren
1. Gebruik de juiste frequentie en golflengte: gebruiken ultrasone transducer met hoog vermogen om de afstand te meten, de frequentie is te laag; de externe geluidsinterferentie is groter; de frequentie is te hoog en de verzwakking is groot tijdens het voortplantingsproces. Bovendien is de ultrasone sensor gevoelig voor het genereren van blinde vlekken tijdens het meetproces, en is het ontvangende uiteinde gevoelig voor het ontvangen van lekkende golven. Om deze tekortkoming te verbeteren is het noodzakelijk om de lengte van de uitgezonden golfreeks te verkleinen en de frequentie van de uitgezonden golf te verhogen. Als de lengte van de uitgezonden golfreeks echter te kort is, kan de zendtransducer niet worden aangeslagen of bereikt de aangeslagen trilling niet de maximale waarde; als de frequentie van de uitgezonden golf te hoog is, is de verzwakking groot en neemt de werkafstand af. Tests hebben aangetoond dat het gebruik van ultrasone golven van 40 kHz om de pulsgroep uit te zenden 10-20 pulsen bevat en goede voortplantingsprestaties heeft.

2. Het verbeteren van de timingnauwkeurigheid van het systeem kan ook de nauwkeurigheid van de ultrasone afstandstransducer verbeteren. Hoe hoger de telfrequentie van de timer, hoe kleiner de bereikfout als gevolg van de kwantiseringsfout van de tijd.

3. Het compenseren van de tijdvertraging van het systeemcircuit kan de afstandsfout verminderen en de afstandsnauwkeurigheid verbeteren. In de formule is △ t de vertragingstijd, s; s1, s2 zijn twee bekende meetafstanden, m; t1, t2 zijn de overeenkomstige meettijd, s.

(3) Infraroodsensor voor het vermijden van obstakels
Infrarood is een elektromagnetische golf tussen zichtbaar licht en microgolven. Daarom heeft het niet alleen de kenmerken van lineaire voortplanting, reflectie, breking, enz. van zichtbaar licht, maar heeft het ook bepaalde kenmerken van microgolven, zoals sterke penetratie en het vermogen om bepaalde ondoorzichtige materie binnen te dringen, enz. De infraroodsensor omvat een infrarood uitzendend apparaat en een infrarood ontvangstapparaat. Alle objecten in de natuur stralen infraroodstraling uit zolang de temperatuur boven het absolute nulpunt ligt. Daarom moeten infraroodsensoren sterkere zend- en ontvangstmogelijkheden hebben.

Het basisprincipe van het bereik van de infrarood-ultrasone sensor is dat de lichtgevende buis infrarood licht uitzendt, en de lichtgevoelige ontvangstbuis het gereflecteerde licht van het object ervoor ontvangt en vervolgens beoordeelt of er een obstakel voor staat. De afstand tot het object kan worden beoordeeld aan de hand van de intensiteit van het uitgestraalde licht. Het principe ervan is dat de intensiteit van het door de ontvangstbuis ontvangen licht varieert met de afstand tot het reflecterende object. De intensiteit van het gereflecteerde licht ligt dichtbij de afstand en de intensiteit van het gereflecteerde licht is ver weg.

Momenteel heeft een infrarood foto-elektrische schakelaar, een van de meest gebruikte sensoren, een zendfrequentie van ongeveer 38 kHz en een relatief korte detectieafstand. Het wordt meestal gebruikt voor het herkennen van obstakels op korte afstand. Dit systeem maakt gebruik van dit soort sensoren.

(4) Defecten bij infraroodafstandsmeting
De algemene infrarood-foto-elektrische schakelaar wordt beïnvloed door de kenmerken van het apparaat en heeft een slechte anti-interferentie en wordt sterk beïnvloed door omgevingslicht; en de kleur van het gedetecteerde object en de gladheid van het oppervlak zijn verschillend, en de intensiteit van het gereflecteerde infraroodlicht zal anders zijn.

Ten derde de structuur van het hardwaresysteem

(1) Systeemsamenstelling
Het afstandsmeetsysteem bestaat uit een microcomputer met één chip, een ultrasoon zend- en ontvangcircuit, een infrarood zend- en ontvangcircuit, een digitaal weergavecircuit en een serieel communicatiecircuit. De besturingskern is de Lingyang 16-bit microcontroller SPCE061 A. Er zijn 2 16-bit programmeerbare timers / timers, 14 interruptbronnen, 32-bit universele programmeerbare invoer- / uitvoerkanalen en 7-kanaals 10-bit A / D op de chip. omvormer.

(2) Ultrasoon sensorcircuit
De I / O9-I / O11-poort van Lingyang MCU is verbonden met het drieweg ultrasone zendcircuit en de I / O3-I / O5 is verbonden met het drieweg ultrasone ontvangstcircuit. De door de microcomputer met één chip gegenereerde signaaltransducer van 40 kHz wordt uitgevoerd door de I/O en wordt versterkt door het boosterversterkercircuit dat bestaat uit de inverter 4049B. Ten slotte wordt het verzonden door de ultrasone zendtransducer UCM40T; de geluidsgolf keert terug naar het obstakel en wordt ontvangen door de ontvangende transducer UCM40R. Het signaal wordt versterkt door een tweetraps versterkercircuit bestaande uit OP07, frequentiegeselecteerd door een fasevergrendelde lus-audiodecoder LM567, die interferentiesignalen uitfiltert en ten slotte wordt ingevoerd in een microcomputer met één chip via een I / O-poort. De microcomputer met één chip berekent de afstand tot het obstakel via de transmissietijd van de geluidsgolf.

(3) Infraroodsensorcircuit
De I / O0 ~ I / O6 van Lingyang MCU kan worden gebruikt als een 10-bit A / D-omzetter. In dit systeem worden de I/O0 ~ I/O2-poorten van Lingyang MCU gebruikt als A/D-converters. I / O6 ~ I / O8 zijn verbonden met drie infraroodzendercircuits, en I / O0 ~ I / O2 zijn verbonden met drie infraroodontvangers met circuit. Wanneer de I/O-poort van de microcomputer met één chip een hoog niveau afgeeft, geleidt deze met de infrarood-lichtgevende buis TLN205 en zendt infrarood licht uit; de lichtgolf wordt gereflecteerd nadat hij een obstakel tegenkomt en ontvangen door de infrarood-ontvangstbuis TPS708, die een stroom genereert die overeenkomt met de lichtintensiteit. Nadat het samengestelde tweetrapsversterkingscircuit is versterkt, voert het een analoge spanning van 0 ~ 3V uit, die via de A / D-poort wordt ingevoerd in de microcomputer met één chip. De microcomputer met één chip berekent en beoordeelt de afstand tot het obstakel aan de hand van de grootte van de spanning.

4. Softwareontwerp
De computer met één chip SPCE061 A selecteert de systeemfrequentie fosc = 20,480 MHz, de CPU-klokfrequentie (CPUCLK) is fosc / 2 = 10, 24 MHz, de klokbron selecteert de frequentie 32768 Hz, de klokbron selecteert de frequentie 1 Hz, en de SPCE061A biedt 216 bit timing / teller: TimerA en TIMErB. De klokbron van TIMErA wordt gevormd door de werking van klokbron A en klokbron B; de klokbron van TImerB is alleen klokbron A.
De ultrasone puls van 40 kHz is een blokgolf met hoge en lage niveaus die elk 12,5 μs beslaan. De CPU-kloktelling wordt vertraagd met 123 instructiecycli, wat neerkomt op 12,5 μs. De computer met één chip kan een pulssignaal van 40 kHz genereren door continu hoge en lage niveaus van 12,5 μs te genereren. Er wordt elke keer gedurende 0,5 ms een pulsgroep van 20 pulsen uitgezonden, en de pulsemissie en de intervaltijd bedragen minimaal 20 ms, die wordt uitgevoerd via de I/O-poort. . Het systeem selecteert timer A als timer-interrupt van 20 ms en timer B als ultrasone teller. Omdat de ultrasone sensor een dode zone-meting heeft, wordt in het programmaontwerp de afstandsmeting van meer dan 30 cm voltooid door de ultrasone sensor en wordt de infraroodsensor binnen 30 cm voltooid.

Bij het infraroodbereikproces wordt timer A gebruikt om een ​​onderbreking van 0,1 seconde te genereren voor A/D-bemonstering, en wordt de spanningswaarde omgezet in afstandsinformatie. Voer in het hoofdprogramma eerst de subroutine infrarooddetectie in. Als er een obstakel wordt gedetecteerd, ga dan naar de subroutine voor gegevensoverdracht, weergave en bewegingsbesturing; als er geen obstakel wordt gedetecteerd, wordt de subroutine ultrasone detectie betreden. Ultrageluid detecteert obstakels en komt vervolgens terecht in de subroutines voor gegevensoverdracht, weergave en bewegingsbesturing. Als er geen obstakels worden gedetecteerd, wordt de infrarooddetectie respectievelijk cyclisch infrarood- en ultrasoondetectiesubroutines uitgevoerd.

V. Meetresultaten
Tijdens de test worden obstakels van dezelfde grootte, textuur en kleur gebruikt voor de meting. Tests tonen aan dat de bereiknauwkeurigheid van het systeem binnen 1% ligt van 0 tot 200 cm, waardoor de afstand tot obstakels nauwkeurig kan worden gemeten. De afstandsmeting binnen 30 cm gebeurt door infraroodsensoren en de afstandsmeting tussen 30 en 200 cm gebeurt door ultrasone sensoren.

6. Conclusie
Dit artikel bestudeert een goedkoop, energiezuinig en krachtig zijafstandssysteem voor mobiele robots, een multisensorsysteem dat gebruik maakt van ultrasone en infraroodsensoren, dat effectief het probleem oplost van het meten van blinde vlekken in een enkel sensorbereiksysteem; De drie sensorgroepen zijn op drie verschillende posities van de robot gemonteerd, zodat de robot de variërende taken in drie verschillende richtingen kan uitvoeren.