Anvendelse av ultrasonisk rangeringssystem i mobil robot

Ultralydsensorer er mye brukt i systemer for unngåelse av hindringer for roboter. Basert på ultralydavstandsprinsippet, er et parallelt avstandssystem designet. Maskinvaresammensetningen og programvarerealiseringsmetoden til systemet introduseres. Med sikte på fenomenet at multi-sensor parallell rekkevidde er lett å produsere interferens, blir årsaken til interferens analysert og en effektiv løsning foreslås. Systemet brukes i det mobile robotforsøket med hindringer, og de eksperimentelle kalibreringsresultatene for systemets måleområde er gitt.

Ultralydsensor for avstandsmåling er mye brukt i applikasjoner som krever avstandsmåling som mobile roboter for å unngå hindringer og ryggradarer på grunn av fordelene med enkel informasjonsbehandling, høy hastighet og lav pris. På grunn av strålingsegenskapene til ultralyd, bruker det eksisterende multisensor-avstandssystemet round-robin-overføring for å redusere genereringen av interferens. Denne metoden har en stor blindsone for avstand, og sanntidsytelse kan ikke garanteres. Måledataene er også plagsomme for etterfølgende prosessering som for eksempel posisjonering av hindringer og formdiskriminering. De designer et ultralydavstandssystem med flere sensorer som jobber parallelt. Systemet brukes til forsøk på å unngå hindringer på intelligente mobile roboter, og gode resultater oppnås.

1 Design av ultralydavstandssystem

Det finnes mange metoder for ultralydavstandsmåling. Denne artikkelen tar i bruk flytidsmetoden, det vil si at avstanden beregnes ved å måle tiden t for ultralydbølgen fra sendersensoren gjennom forplantningsmediet til mottakssensoren. Prinsippet kan uttrykkes med formelen som L=vt/2, (L er avstanden som skal måles; v er forplantningshastigheten til ultralydbølger i luften, og t er transitttiden). Utbredelseshastigheten til ultralyd i luften er relatert til temperaturen i omgivelsene, og nøyaktigheten av avstandsmåling kan forbedres gjennom temperaturkompensasjon.

1.1 Maskinvarekretsdesign

Den inkluderer hovedsakelig øvre datamaskin, prosessor, ultrasonisk oscillatorkrets, drivkrets, signalforsterkning, forming og sammenligningskrets.

Prosessoren bruker STC enkeltbrikke STC12C5410, som er kompatibel med 51-serien. Hver enkeltbrikke mikrodatamaskin styrer to ultralydsensorer gjennom en multiplekser, som er plassert foran og bak på roboten. Hovedoppgaven til enbrikke-mikrodatamaskinen er å måle transporttiden og omgivelsestemperaturen, og beregne avstanden til hindringer. Enkeltbrikkemikrodatamaskinen kommuniserer med vertsdatamaskinen gjennom RS232. Den øvre datamaskinen analyserer de mottatte dataene for å lokalisere hindringer og kontrollere bevegelsen til roboten.

Ultralydsenderkretsen består av to deler: en oscillasjonskrets og en drivkrets. Den oscillerende kretsen er en enkel krets som består av en NAND-port, en motstand og en kondensator, som kan generere et 40kHz firkantbølgesignal for å drive ultralydsensoren til å sende ut ultralydbølger; drivkretsen genererer en ultrasonisk elektrisk puls med en viss kraft for å eksitere ultralydsensoren, som er sammensatt av 6 IKKE-porter i parallell sammensetning, ved å bruke drivevnen til selve brikken. Etter å ha blitt drevet, er det endelige signalet lagt til ultralydsensoren en firkantbølge med en amplitude på 5V.

1.2 Programvaredesign

I systemet må mikrodatamaskinen med én brikke kontrollere 2 timere, den ene brukes til å måle transporttiden, og den andre brukes til å stille inn overføringshastigheten for kommunikasjonen mellom enkeltbrikken og PC-en for å sikre nøyaktigheten av kommunikasjonen; kontrollere en ekstern avbruddsport for å overvåke ultralydmottakssensoren i sanntid Om det reflekterte ultralydsignalet skal mottas; bruk en I/O for å kontrollere ultralydsendersensoren til å sende ut ultralyd ved en viss frekvens; ved å bruke en enkelt bussprotokoll for å kontrollere en I/O for å lese innsamlet temperaturverdi. Enkeltbrikke-mikrodatamaskinen må også motta og behandle kommandoene til den øvre datamaskinen, og sende dataene tilbake til den øvre datamaskinen i sanntid i henhold til kravene til den øvre datamaskinen. 

De ultrasonisk transdusersensorkrets er delt inn i tre deler: signalforsterkning, forming og sammenligning. Signalet som mottas av ultralydmottakssensoren er veldig svakt, i millivoltnivået må signalet forsterkes før det kan oppdages av mikrodatamaskinen med én brikke. I denne artikkelen brukes to-trinns forsterkerkretser for å forsterke totalt 1000 ganger. To-trinns forsterkerkretser er koblet sammen med motstand-kapasitans kobling. Utgangssignalet fra forsterkeren strømmer inn i komparatoren etter å ha passert gjennom spenningsdoblerens formingskrets. Justering av referansespenningen til komparatoren kan endre måleområdet og målenøyaktigheten til avstandssystemet. Signalutgangen fra komparatoren er koblet til INT0 til enkeltbrikkemikrodatamaskinen, og utløser enkeltbrikkeavbruddet.

Multidatamaskinkommunikasjon brukes til å overføre data mellom enkeltbrikkedatamaskinen og vertsdatamaskinen. PC-en har ikke en kontrollbit for flere datamaskiner, og 

ultrasonisk avstandssensormodul må bruke programvare for å simulere TB8/RB8-biten til mikrokontrolleren. Trinnene for innstilling av kommunikasjonsprotokoll er som følger:

1) Sett MCU til å være i adresseovervåkingstilstand;

2) PC-en sender et sett med adressedata med en paritetsbit på 1;

3) Enkeltbrikkemikrodatamaskinen bedømmer om den mottatte adressen er den samme som den lokale adressen. Hvis det er det samme, vil adressen bli sendt til verten for å etablere en håndtrykkavtale med verten;

4) Etter at verten mottar adressen, sender den data med en paritetsbit på 0 for å varsle mikrokontrolleren om å sende avstandsinformasjonen;

5) Enkeltbrikkemikrodatamaskinen sender avstandsdataene. Etter sending går du tilbake til trinn for å fortsette å overvåke adressen.

Oppgaven er å sende et sett med spørringskommandoer til den serielle porten hver 50. ms i henhold til den angitte kommunikasjonsprotokollen for å lese avstandsinformasjonen målt av enkeltbrikke-mikrodatamaskinen; lokalisere hindringen ved å analysere den avleste avstandsinformasjonen, og grovt bedømme formkarakteristikkene til hindringen; ta de nødvendige tiltak for å unngå hindringer kontrollere driften av roboten og vise løpebanen. Programvaren har et godt brukergrensesnitt, som bidrar til programfeilsøking.