Applikasjonsanalyse av ultralydsensor i det mobile robotavstandssystemet

I. Introduksjon

I prosessen med å unngå hindringer i sanntid og planlegging av sti for autonome mobile roboter, må roboten stole på innhenting av ekstern miljøinformasjon, registrere tilstedeværelsen av hindringer og måle avstanden til hindringer. For øyeblikket inkluderer robothindringer unngåelse og avstandssensorer infrarøde, ultralyd-, laser- og visuelle sensorer. Lasersensorer og visuelle sensorer er dyre og krever høye krav til kontrollere. Derfor infrarød og ultralydnivåtransdusere brukes mest i mobile robotsystemer.

De fleste systemer bruker en enkelt sensor for informasjonsinnsamling, men på grunn av problemet med å måle blindsoner, er rekkevidden av ultralydsensorer vanligvis mellom 30 og 300 cm; mens deteksjonsavstanden til infrarøde avstandssensorer er kort, vanligvis innen titalls centimeter. Til en viss grad kan det gjøre opp for manglene ved ultralydsensorer som ikke kan måles på nært hold. Derfor bruker dette systemet flere infrarøde og ultralydsensorer for å måle og samle inn avstandsinformasjon.

2. Rangeringsprinsipp og metode

(1) Ultralydsensor
Ultralyd refererer til lydbølger med en resonansfrekvens høyere enn 20Hz. Jo høyere frekvens, jo sterkere refleksjonsevne. Ultralydsensorer er rimelige, og ytelsen deres påvirkes nesten ikke av lys, støv, røyk, elektromagnetisk interferens, og metall, tre, betong, glass, gummi og papir kan reflektere nesten 100 % av ultralydbølgene, slik at de kan brukes til å oppdage gjenstander.
Metoden for ultralydavstandsmåling er ekkodeteksjonsmetoden. Senderen sender kontinuerlig ut lydpulser. Etter at lydbølgen møter hindringen, reflekteres den tilbake og mottas av den mottakende transduseren. Avstanden til hindringen beregnes i henhold til lydhastigheten og tidsforskjellen. Forholdet mellom avstand og lydhastighet og tid kommer til uttrykk.

(2) Metoder for å forbedre nøyaktigheten til ultralydavstandstransduseren
1. Bruk riktig frekvens og bølgelengde: ved å bruke høyeffekt ultralydsvinger for å måle avstanden, frekvensen er for lav; den eksterne støyinterferensen er mer; frekvensen er for høy, og dempningen er stor under forplantningsprosessen. I tillegg er ultralydsensoren utsatt for å generere blindsoner under måleprosessen, og mottakerenden er utsatt for å motta lekke bølger. For å forbedre denne mangelen er det nødvendig å redusere lengden på den overførte bølgestrengen og øke frekvensen til den overførte bølgen. Imidlertid, hvis lengden på den overførte bølgestrengen er for kort, kan den sendende transduseren ikke eksiteres eller den eksiterte vibrasjonen når ikke maksimumsverdien; hvis frekvensen til den overførte bølgen er for høy, er dempningen stor, og arbeidsavstanden reduseres. Tester har vist at bruk av 40 kHz ultralydbølger for å overføre pulsgruppen inneholder 10-20 pulser og har god forplantningsytelse.

2. Forbedring av timing-nøyaktigheten til systemet kan også forbedre nøyaktigheten til ultralydavstandstransduseren. Jo høyere tellefrekvensen til timeren er, desto mindre er avstandsfeilen på grunn av tidskvantiseringsfeilen.

3. Kompensering av tidsforsinkelsen til systemkretsen kan redusere avstandsfeilen og forbedre avstandsnøyaktigheten. I formelen er △ t forsinkelsestiden, s; s1, s2 er to kjente måleavstander, m; t1, t2 er den tilsvarende måletiden, s.

(3) Infrarød sensor for unngåelse av hindringer
Infrarød er en elektromagnetisk bølge mellom synlig lys og mikrobølge. Derfor har den ikke bare egenskapene til synlig lys lineær forplantning, refleksjon, brytning, etc., men har også visse egenskaper til mikrobølger, som sterk penetrasjon og evne til å penetrere visse ugjennomsiktige stoffer etc. Den infrarøde sensoren inkluderer en infrarød emitterende enhet og en infrarød mottaksenhet. Alle gjenstander i naturen vil utstråle infrarød stråling så lenge temperaturen er over absolutt null. Derfor må infrarøde sensorer ha sterkere overførings- og mottaksmuligheter.

Grunnprinsippet for den infrarøde ultralydsensorens rekkevidde er at det lysemitterende røret sender ut infrarødt lys, og det lysfølsomme mottakerrøret mottar det reflekterte lyset fra objektet foran seg, og bedømmer deretter om det er en hindring foran det. Avstanden til objektet kan bedømmes i henhold til intensiteten til det utsendte lyset. Prinsippet er at intensiteten til lyset som mottas av mottakerrøret varierer med avstanden til det reflekterende objektet. Den reflekterte lysintensiteten er nær avstanden, og den reflekterte lysintensiteten er langt unna.

For tiden har en infrarød fotoelektrisk bryter, som er en av de mest brukte sensorene, en overføringsfrekvens på omtrent 38 kHz og en relativt kort deteksjonsavstand. Den brukes vanligvis til gjenkjennelse av hindringer på kort avstand. Dette systemet bruker denne typen sensor.

(4) Defekter ved infrarød avstandsmåling
Påvirket av egenskapene til enheten, har den generelle infrarøde fotoelektriske bryteren dårlig anti-interferens og er sterkt påvirket av omgivelseslys; og fargen på det oppdagede objektet og glattheten på overflaten er forskjellige, og intensiteten til det reflekterte infrarøde lyset vil være forskjellig.

For det tredje, maskinvaresystemets struktur

(1) Systemsammensetning
Avstandsmålesystemet består av mikrodatamaskin med én brikke, ultralydsende- og mottakskrets, infrarød sende- og mottakskrets, digital skjermkrets og seriell kommunikasjonskrets. Kontrollkjernen er Lingyang 16-bits mikrokontroller SPCE061 A. Det er 2 16-biters programmerbare tidtakere, 1432-bit programmerbare kildetidtakere, universaltidtakere/interrupte timer. inngangs-/utgangskanaler og 7-kanals 10-bits A/D på brikken. omformer.

(2) Ultralydsensorkrets
I / O9-I / O11-porten til Lingyang MCU er koblet til den treveis ultralydsendekretsen, og I / O3-I / O5 er koblet til treveis ultralydmottakskretsen. 40 kHz-signalomformeren generert av enkeltbrikkemikrodatamaskinen sendes ut av I/O, og forsterkes av boosterforsterkerkretsen som består av omformeren 4049B. Til slutt sendes den av den ultralydsende transduseren UCM40T; lydbølgen går tilbake til hindringen og mottas av den mottakende transduseren UCM40R. Signalet forsterkes av en totrinns forsterkerkrets som består av OP07, frekvensvalgt av en faselåst sløyfe-lyddekoder LM567, filtrerer ut interferenssignaler, og til slutt, inn i en I/chip-mikrodatamaskin. Mikrodatamaskinen med én brikke beregner avstanden til hindringen gjennom overføringstiden til lydbølgen.

(3) Infrarød sensorkrets
I/O0 ～ I/O6 til Lingyang MCU kan brukes som en 10-bits A/D-omformer. I dette systemet brukes I / O0 ～ I / O2-portene til Lingyang MCU som A / D-omformere. I / O6 ～ I / O8 er koblet til tre infrarøde senderkretser, og I / O0 ～ I / O2 er koblet til tre infrarøde mottakere med krets. Når I/O-porten til enkeltbrikke-mikrodatamaskinen sender ut et høyt nivå, leder den med det infrarøde selvlysende røret TLN205 og sender ut infrarødt lys; lysbølgen reflekteres etter å ha møtt en hindring og mottatt av det infrarøde mottakerrøret TPS708, som genererer en strøm som tilsvarer lysintensiteten. Etter at den sammensatte to-trinns forsterkerkretsen er forsterket, sender den ut en analog spenning på 0 ~ 3V, som sendes inn til enkeltbrikkemikrodatamaskinen gjennom A/D-porten. Enkeltbrikkemikrodatamaskinen beregner og bedømmer avstanden til hindringen gjennom spenningens størrelse.

4. Programvaredesign
Enkeltbrikkedatamaskinen SPCE061 A velger systemfrekvensen fosc = 20.480MHz, CPU-klokkefrekvensen (CPUCLK) er fosc / 2 = 10. 24 MHz, klokkekilden velger frekvensen 32768 Hz, klokkekilden velger frekvensen, og 1 bit 1H06 gir SP2CE16. teller: TimerA og TImerB. Klokkekilden til TIMERA dannes av operasjonene til klokkekilden A og klokkekilden B; klokkekilden til TImerB er bare klokkekilde A.
40 kHz ultralydpulsen er en firkantbølge med høye og lave nivåer som hver opptar 12,5 μs. CPU-klokketellingen er forsinket med 123 instruksjonssykluser, som er 12,5 μs. Enkeltbrikkedatamaskinen kan generere et pulssignal på 40 kHz ved kontinuerlig å generere høye og lave nivåer på 12,5 μs. En pulsgruppe på 20 pulser sendes ut hver gang i 0,5 ms, og pulsemisjonen og intervalltiden er minst 20 ms, som sendes ut fra I/O-porten. . Systemet velger timer A som et timeravbrudd på 20 ms og timer B som en ultralydteller. Fordi ultralydsensoren har en dødsonemåling, i programdesignet, fullføres avstandsmålingen på mer enn 30 cm av ultralydsensoren, og den infrarøde sensoren fullføres innen 30 cm.

I den infrarøde avstandsmålingsprosessen brukes timeren A til å generere et 0,1S-avbrudd for A/D-sampling, og spenningsverdien konverteres til avstandsinformasjon. I hovedprogrammet, skriv først inn subrutinen for infrarød deteksjon. Hvis en hindring oppdages, skriv inn underrutinen for dataoverføring, visning og bevegelseskontroll; Hvis ingen hindring oppdages, gå inn i subrutinen for ultralyddeteksjon. Ultralyd oppdager hindringer og går deretter inn i underrutinene for dataoverføring, visning og bevegelseskontroll. Hvis ingen hindringer oppdages, utføres infrarød deteksjon henholdsvis syklisk infrarød og ultralyddeteksjonssubrutiner.

V. Måleresultater
Under testen brukes hindringer av samme størrelse, tekstur og farge for måling. Tester viser at systemets avstandsnøyaktighet er innenfor 1 % fra 0 til 200 cm, noe som kan måle avstanden til hindringer nøyaktig. Avstandsmålingen innenfor 30 cm gjøres med infrarøde sensorer, og avstandsmålingen mellom 30 og 200 cm gjøres av ultralydsensorer.

6. Konklusjon
Denne artikkelen studerer et rimelig, lavt strømforbruk og høyytelses mobilt sideavstandssystem for roboter, et multisensorsystem som bruker ultralyd og infrarøde sensorer, som effektivt løser problemet med å måle blindsoner i et enkelt sensoravstandssystem; De tre sensorgruppene er satt sammen på tre forskjellige posisjoner av roboten, slik at roboten kan utføre avstandsoppgavene i tre forskjellige retninger.