Detectiesysteem van autonome mobiele robot op basis van ultrasone sensor

Een uitbreiding van de ultrasoonsensor is een goede aanvulling op het bestaande detectiesysteem van mobiele robots. Het is volledig gedemonstreerd in experimentele toepassingen, en het heeft een zekere praktische bruikbaarheid bij het detecteren van obstakels en het aanpassen van de robothouding. Deze methode moet echter in realtime en nauwkeurigheid verder worden verbeterd.

 

Een van de belangrijkste Ultrasone niveausensor voor mobiele robots om autonoom gedrag te verwerven is het verwerven van kennis over de omgeving. Dit wordt bereikt door verschillende ultrasone sensormetingen te gebruiken en informatie uit die metingen te extraheren. Sensoren zoals vision, infrarood, laser en ultrasoon zijn allemaal gebruikt in mobiele robots. Ultrasone sensoren worden op grote schaal gebruikt in detectiesystemen voor mobiele robots vanwege hun hoge kosten en eenvoudige hardware-implementatie. Ultrasone sensoren hebben echter ook bepaalde beperkingen, voornamelijk als gevolg van de grote stralingshoek, de slechte gerichtheid en de instabiliteit van de afstandsmeting (bij niet-verticale reflectie). Daarom worden ter compensatie vaak meerdere ultrasone sensoren of andere sensoren gebruikt. Om de tekortkomingen van de ultrasone sensor zelf te compenseren en zijn vermogen om omgevingsinformatie te verkrijgen te verbeteren, ontwerpt dit artikel een detectiesysteem dat bestaat uit een geïntegreerde ultrasone sensor en een stappenmotor.

 

1 Analyse van het detectieprincipe en de methode van ultrasoonsensoren

 

Het basisprincipe van een ultrasone sensor is het verzenden van (ultrasone) drukgolfpakketten en het meten van de tijd die nodig is voordat de golfpakketten worden verzonden en teruggestuurd naar de ontvanger.

 

Onder hen is dit de afstand tussen het doel en de ultrasone sensor; c is de ultrasone golfsnelheid (om de beschrijving te vereenvoudigen wordt er geen rekening gehouden met de invloed van de temperatuur op de golfsnelheid bij het meten van de hieronder besproken afstand; t is het tijdsinterval van emissie tot ontvangst.

 

Want het meten van afstanden met echografie is geen puntmeting. Ultrasone sensoren hebben bepaalde diffusie-eigenschappen. De uitgezonden ultrasone energie is voornamelijk geconcentreerd op de hoofdlob en verzwakt in een golfachtige vorm aan beide zijden van de hoofdgolfas, met een diffusiehoek van ongeveer 30 ° links en rechts. In feite is de berekeningsmethode van de formule in de loop van de tijd gebaseerd op de succesvolle, verticale reflectie van ultrasone golven. Voor een mobiele robot is het echter lastig om de stabiliteit van zijn eigen bewegingshouding te garanderen. Er wordt gebruik gemaakt van de detectiemethode waarbij een ultrasone sensor op het lichaam van de mobiele robot wordt bevestigd. Wanneer de mobiele robot afwijkt van een parallelle muur, is het voor het detectiesysteem vaak moeilijk om de werkelijke afstand te bepalen. Wanneer de divergentiekarakteristiek van ultrageluid wordt gebruikt om obstakels te meten, kan het bovendien alleen de afstandsinformatie van het doelobstakel verschaffen, maar niet de richting en grensinformatie van het doel. Deze defecten beperken de praktische toepassing en promotie van ultrasone sensoren aanzienlijk.

 

Gebaseerd op theoretische analyse en continu testen, gebruikt dit artikel een vierfasige stappenmotor om een ​​enkele geïntegreerde ultrasone sensor aan te drijven om te roteren om een ​​dynamisch detectiesysteem te vormen.

 

2 Het detectiesysteem bestaat uit een geïntegreerde ultrasone sensor en stappenmotor

 

2.1 Structureel ontwerp

 

De ultrasone sensor is op de printplaat gelast, de plaat is opgebouwd uit een stalen buis en het andere uiteinde van de stalen buis is verbonden met de as van de stappenmotor en de stappenmotor is bevestigd onder het robotchassis. Het regelsignaal en het uitgangssignaal van de ultrasone sensor die via de signaallijn zijn verbonden met de besturingskaart op de voertuigcarrosserie. Bovendien wordt vóór de sonde van de ultrasone sensor een kegelvormige hoes van schuimmateriaal toegevoegd, de diameter van de bovenmond is 22 mm, de diameter van de ondermond is 16 mm en de hoogte is 20 mm. Op deze manier worden de stralingshoek van de uitgezonden golf en de hoek waaronder de gereflecteerde golf wordt ontvangen sterk beperkt. Om ervoor te zorgen dat de robot zijn houding kan aanpassen, moet hij zijn eigen draairichting en referentiepositie bepalen. Daarom hebben we zelf een eenvoudige foto-elektrische encoder gemaakt, bestaande uit een directe infrarood foto-elektrische sensor en een draaitafel. De verdeling van 2 directe infrarood foto-elektrische sensoren wordt weergegeven en deze zijn horizontaal gerangschikt op de middelpuntverbindingslijn aan beide zijden van de carrosserie van de robotauto met intervallen van 180 ° . De draaitafel en de roterende arm zijn verbonden op een concentrische cirkel, zoals weergegeven door de buitenste cirkel in de figuur, de schaallijnen 1, 3 zijn gescheiden door 27 ° ; de 2, 1 schaallijnen zijn 180 ° gescheiden en de 1 schaallijn en het midden van de ultrasone sensor worden op dezelfde horizontale lijn gehouden. Alleen I-geleiding wordt gebruikt als referentiecoördinaat, I en II worden gelijktijdig geleid om de rotatierichting te bepalen, en Ⅱ enkele pas wordt gebruikt als navigatiereferentie wanneer de robot langs de muur terugkeert.

 

De geïntegreerde ultrasone sensor wordt aangedreven om te roteren door een stappenmotor, en de richting van de centrale as van de ultrasone sensor loodrecht op het robotlichaam wordt gebruikt als coördinatenreferentie voor zijn eigen houdingsaanpassing. De stappenmotor heeft een 4-fasige staphoek van 4 slagen van 1,8 ° en 1 stap per omwenteling. De ultrasone sensor detecteert één keer en stuurt de meetwaarde via de seriële poort naar de bovenste computer.

 

2.2 Hardwareontwerp van het detectiesysteem

 

De hardware van het detectiesysteem bestaat voornamelijk uit een ultrasoon genererend circuit, een ultrasoon ontvangstcircuit, een stappenmotorsnelheidsregelmodule, enz. De kern van het systeem is de enkele chip, die voornamelijk de signaaloverdracht en -ontvangst voltooit, de stappenmotor bestuurt en gegevens naar de hostcomputer van de robot verzendt voor verwerking.

 

Het ultrasone zendercircuit gebruikt de P11-poort van de enkele chip om de zenderpuls uit te voeren en wordt aangestuurd door de 74HC04 om de ultrasone sensor aan te sluiten. Ze verbeteren de uitgangsstroomcapaciteit en vergroten de transmissieafstand van de ultrasone sensor.

 

Het ultrasone ontvangst- en verwerkingscircuit maakt gebruik van een geïntegreerd circuit. het is een speciaal geïntegreerd circuit voor infraroodontvangers. Hier wordt CX20106 gebruikt als versterkings- en detectieapparaat voor het ontvangen van signalen van ultrasone sensoren, en er zijn ook goede resultaten geboekt. Nadat de voorversterker het gereflecteerde signaal van de ultrasone ontvangstsonde heeft ontvangen, versterkt hij het signaal met een spanningsversterking van ongeveer 80 dB. Vervolgens wordt het signaal naar de begrenzingsversterker gestuurd om er een rechthoekige puls van te maken, en vervolgens wordt de frequentie geselecteerd door het filter om het interferentiesignaal uit te filteren, de draaggolffrequentie wordt door de detector uitgefilterd om het commandosignaal te detecteren, en na het vormen wordt het uitgevoerd door pin 7 laag niveau. De dalende flank van de pulsuitvoer van pin 7 wordt ingevoerd via de INTO-poort van de microcontroller.

 

Het zendercircuit en het ontvangercircuit van de geïntegreerde ultrasone sensor gebruiken dezelfde sensorpiningang/uitgang. Als de ingang/uitgang niet geïsoleerd is, zullen het ontvangstcircuit en het zendercircuit grote gevolgen ondervinden. De CMOS bidirectionele analoge schakelaar wordt gebruikt om de transmissie- en ontvangstisolatie te realiseren. De stappenmotorbesturingsmodule neemt de besturingsmodus over van ringpulsverdeler L297 + dubbele H-brug vermogensgeïntegreerde schakeling L298. P1.6, P1.7 en P2.3 van de microcomputer met één chip zijn respectievelijk verbonden met de CW, klok en inschakelen besturingsterminals van L297 om de voorwaartse en achterwaartse rotatie, het kloksignaal, het starten en stoppen van de motor te regelen.

 

2.3 Ontwerp van software voor detectiesystemen

De software van het detectiesysteem bestaat hoofdzakelijk uit een hoofdprogrammamodule, een interruptserviceprogrammamodule en een ultrasone sensor met een zend- en ontvangstmodule. De hoofdprogrammamodule van het detectiesysteem wordt hier hoofdzakelijk uitgelegd.

 

De meet- en regelmodules voor ultrasone sensoren en stappenmotoren worden bestuurd door verschillende microcomputers met één chip, dus het detectiesysteem en de bovenste computer van de mobiele robot moeten vertrouwen op de I/O-poortlijn en seriële asynchrone communicatie tussen de microcomputers met één chip. De vlag T wordt gebruikt om van actie te wisselen. Wanneer tegelijkertijd aan T=0 en OFF=0 wordt voldaan, is dit een gewoon detectieproces van ultrasone sensoren; wanneer T=1, OFF=0, wordt het gebruikt om de azimut aan te passen vóór elke cyclusmeting; UIT=1 Wacht op de volgende actie. De timer TO wordt gebruikt om het tijdstip van de echo te berekenen, dus de afstandswaarde d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. één triggerpuls wordt aan de stappenmotor gegeven. Bepaal vervolgens of de volgende actie het uitvoeren van sensordetectie is of het aanpassen van de azimuthoek van de robot zelf, die een nieuwe cyclus ingaat.

 

3 Experiment en toepassing van detectiesysteem op mobiele robot

3.1 Zoek het dichtstbijzijnde punt bij de muur

 

In dit artikel is het ontwerpidee van het vinden van het dichtstbijzijnde punt bij de muur gebaseerd op ultrasoon bereik. Selecteer de afstandsmeetmethode op tijdniveau en beperk het ontvangstbereik van de ultrasone sensor door de ontvangende echodrempel in te stellen en een geluidsabsorberende hoes vóór de sonde toe te voegen. De gemeten stralingshoek is ongeveer ± 20° bij a

afstand van 75 cm, en de effectieve hoek die gereflecteerde golven kan ontvangen is ongeveer ± 40°.

 

De geschatte conische straal van de ultrasone sensor bepaalt de reflectieafstand van het dichtstbijzijnde punt, telkens wanneer deze afstand wordt gemeten. Zelfs als de stralingshoek afwijkt van de stippellijn, is de werkelijke afstand nog steeds de waarde gemeten langs de middellijn van de straal. Theoretisch zou de gemeten afstand binnen de zendende stralingshoek hetzelfde moeten zijn, maar de schoktijd van de ultrasone sensor en de instelling van de ontvangstdrempel, inclusief de reflectie van de muur, zullen een zekere invloed hebben op de afstandsmeting. Gemeten door experimenten ± 20° ) niet significant en verandert de meetafstandswaarde binnen een bepaalde hoek (ongeveer liggen de aangrenzende waarden relatief dichtbij (niet meer dan 2 mm). Wanneer de afbuighoek verder toeneemt, nemen ook de veranderingen in aangrenzende meetwaarden aanzienlijk toe. Daarom is één methode om deze twee kritische punten te gebruiken om de hoek tussen de balk en de muur te vinden (dat wil zeggen het dichtstbijzijnde punt bij de muur), en de stappenmotor drijft de ultrasoon aan om te roteren om deze twee kritische punten te vinden. Wanneer twee aangrenzende waarden continu worden gedetecteerd onder de 2 mm, wordt ervan uitgegaan dat deze de stabiele zone zijn binnengegaan en wordt het punt waar de verandering ervoor en erna plaatsvindt ingesteld als het kritieke punt. Alle punten binnen dit kritieke punt worden geregistreerd en vervolgens wordt het middelpunt berekend. Het middelpunt is het dichtstbijzijnde punt tussen de muur en de ultrasone sensor. het toont een reeks gemeten gegevens. Binnen 72 °~ 108° is dit het stabiele gebied voor afstandsmeting. Daarbuiten is de aangrenzende afwijking van de gemeten afstand groter dan 8 mm, en met de hoek wordt deze verder vergroot wanneer deze naar beide zijden wordt gedraaid. Experimenten werden uitgevoerd door de afstand tussen de geïntegreerde ultrasone sensor en de muur te veranderen binnen 50 cm en 200 cm. Hierdoor bleef de gemeten fout van de verticale hoek ten opzichte van de muur beperkt tot 2 staphoeken.

 

3.2 Het detectiesysteem wordt op de robot aangebracht om langs de muur te navigeren

 

Autonome mobiele robots detecteren tijdens beweging informatie over de huidige omgeving. De elke keer gedetecteerde afstandsinformatie wordt gemeten op basis van de huidige bewegingshouding van de robot. Terwijl hij in een rechte lijn langs de muur loopt, garandeert de robot de nauwkeurigheid van zijn traject door de gezamenlijke perceptie van afstandsmeting en zijn eigen houding. Ultrasone afstandsmeting wordt op grote schaal gebruikt. Na het testen van de relatie tussen ultrasone detectiehoek en afstandsmeting, kunnen ultrasone sensoren worden gebruikt om de azimuthoek van de voertuigcarrosserie te meten (om de eigen houding te bepalen) volgens de methode voor het berekenen van het dichtstbijzijnde punt. Het gemeten dichtstbijzijnde punt is de werkelijke afstand tussen de robot en de muur. De referentiecoördinaten van de robot worden bepaald door de directe infraroodsensor 1 op de eenvoudige encoder, en het dichtstbijzijnde punt wordt berekend op basis van de informatie die is opgeslagen tijdens elke stap van de stappenmotor. Tussen de referentiecoördinaten en het dichtstbijzijnde punt wordt de door de stappenmotor doorlopen hoek gebruikt om de afbuighoek tussen de robot en de muur te bepalen, en vervolgens wordt de afbuighoek doorgegeven aan het wielaandrijvingssysteem om de azimuthoek aan te passen.

 

3.3 Zoeken naar obstakels

 

Het gebruik van een stappenmotor om de aandrijving aan te drijven industriële ultrasone sensor

 roteren is functioneel vergelijkbaar met detectie met meerdere sensoren. Mobiele robots gebruiken meestal meerdere ultrasone sensoren rond het lichaam om meer informatie te verkrijgen, waardoor het bereik van obstakels wordt vergroot en de doelrichting en grensinformatie worden bepaald. Een voordeel van de rotatiemethode is daarentegen dat de detectiedichtheid automatisch kan worden aangepast aan de dichtheid van het obstakel. Het aantal extra sensoren wordt beperkt door zijn eigen omstandigheden, en de strakheid van de rotatiemethode houdt alleen verband met de staphoek van de stappenmotor. De toename van de detectiedichtheid kan de resolutie van de hoek aanzienlijk verbeteren, waardoor de bepaling van de doelrichting en grensinformatie wordt versterkt.

 

Dit systeem is een uitbreiding van de functie van de ultrasone naderingssensor en een goede aanvulling op het bestaande detectiesysteem van mobiele robots. Het is volledig gedemonstreerd in experimentele toepassingen, en het heeft een zekere praktische bruikbaarheid bij het detecteren van obstakels en het aanpassen van de robothouding. Deze methode moet echter in realtime en nauwkeurigheid verder worden verbeterd.