Deteksjonssystem for autonom mobil robot basert på ultralydsensor

En utvidelse av ultralydsensoren er et godt supplement til det eksisterende deteksjonssystemet til mobile roboter. Den har blitt fullstendig demonstrert i eksperimentelle applikasjoner, og den har en viss praktisk funksjon i hindringsdeteksjon og justering av robotposisjon. Imidlertid må denne metoden forbedres ytterligere i sanntid og nøyaktighet.

 

En av de viktigste u ltrasonisk nivåsensor for mobile roboter for å tilegne seg autonom atferd er å tilegne seg kunnskap om miljøet. Dette oppnås ved å bruke forskjellige ultralydsensormålinger og trekke ut informasjon fra disse målingene. Sensorer som syn, infrarød, laser og ultralyd har alle blitt brukt i mobile roboter. Ultralydsensorer har blitt mye brukt i mobile robotsensorsystemer på grunn av deres høye kostnadsytelse og enkle maskinvareimplementering. Imidlertid har ultralydsensorer også visse begrensninger, hovedsakelig på grunn av den store strålevinkelen, dårlig retningsevne og ustabilitet ved avstandsmåling (under ikke-vertikal refleksjon). Derfor brukes ofte flere ultralydsensorer eller andre sensorer for å kompensere. For å kompensere for manglene ved selve ultralydsensoren og forbedre dens evne til å innhente miljøinformasjon, designer denne artikkelen et deteksjonssystem som består av en integrert ultralydsensor og en trinnmotor.

 

1 Analyse av deteksjonsprinsippet og metoden for ultralydsensorer

 

Grunnprinsippet for en ultralydsensor er å sende (ultralyd) trykkbølgepakker og måle tiden det tar før bølgepakkene sendes og returneres til mottakeren.

 

Blant dem er det avstanden mellom målet og ultralydsensoren; c er ultralydbølgehastigheten (for å forenkle beskrivelsen, vurderes ikke temperaturens innflytelse på bølgehastigheten når den måler avstanden diskutert nedenfor; t er tidsintervallet fra emisjon til mottak.

 

Fordi å måle avstand med ultralyd er ikke en punktmåling. Ultralydsensorer har visse diffusjonsegenskaper. Den utsendte ultralydenergien er hovedsakelig konsentrert om hovedloben, og dempes i en bølgelignende form på begge sider av hovedbølgeaksen, med en diffusjonsvinkel på omtrent 30 ° venstre og høyre. Faktisk er beregningsmetoden for formel over tid basert på vellykket, vertikal refleksjon av ultralydbølger. Det er imidlertid vanskelig for en mobil robot å sikre stabiliteten til sin egen bevegelsesstilling. Deteksjonsmetoden som en ultralydsensor festes på kroppen til den mobile roboten brukes. Når den mobile roboten avviker fra en parallell vegg, er deteksjonssystemet ofte vanskelig å få frem den faktiske avstanden. I tillegg, når divergenskarakteristikken til ultralyd brukes til å måle hindringer, kan den bare gi avstandsinformasjonen til målhindringen, men ikke retnings- og grenseinformasjonen til målet. Disse defektene begrenser i stor grad den praktiske bruken og promoteringen av ultralydsensorer.

 

Basert på teoretisk analyse og kontinuerlig testing, bruker denne artikkelen en firefaset trinnmotor for å drive en enkelt integrert ultralydsensor til å rotere for å danne et dynamisk sensorsystem.

 

2 Deteksjonssystem består av integrert ultralydsensor og trinnmotor

 

2.1 Konstruksjonsdesign

 

Ultralydsensoren er sveiset på PCB-kortet, brettet er bygget opp av et stålrør, og den andre enden av stålrøret er koblet til akselen til trinnmotoren, og trinnmotoren er festet under robotchassiset. Ultralydsensorens styresignal og utgangssignal som er koblet til kontrollkortet på kjøretøyets karosseri gjennom signallinjen. I tillegg legges en kjegleformet hylse laget av skummateriale foran sonden til ultralydsensoren, diameteren på overmunnen er 22 mm, diameteren på undermunnen er 16 mm, og høyden er 20 mm. På denne måten er strålevinkelen til den overførte bølgen og vinkelen som den reflekterte bølgen mottas med, sterkt begrenset. For at roboten skal kunne justere holdningen sin, må den bestemme sin egen rotasjonsretning og referanseposisjon. Derfor er en enkel fotoelektrisk koder sammensatt av en direkte infrarød fotoelektrisk sensor og en platespiller laget av oss selv. Fordelingen av 2 direkte infrarøde fotoelektriske sensorer er vist, og de er horisontalt anordnet på midtpunktets forbindelseslinje på begge sider av robotbilens karosseri med 180 ° intervaller. Dreieskiven og den roterende armen er koblet sammen på en konsentrisk sirkel, som vist av den ytre sirkelen i figuren, er 1, 3 skalalinjene atskilt med 27 ° ; 2, 1-skalalinjene er atskilt med 180 ° , og 1-skalalinjen og midten av ultralydsensoren holdes på samme horisontale linje. I alene-ledning brukes som referansekoordinat, I og II styres samtidig for å bestemme rotasjonsretningen, og Ⅱ enkeltpassering brukes som navigasjonsreferanse når roboten returnerer langs veggen.

 

Den integrerte ultralydsensoren drives til å rotere av en trinnmotor, og retningen til ultralydsensorens sentrale akse vinkelrett på robotkroppen brukes som koordinatreferanse for dens egen holdningsjustering. Trinnmotoren bruker en 4-fase 4-takts trinnvinkel på 1,8 ° , og 1 trinn per omdreining, ultralydsensoren oppdager én gang og sender måleverdien til den øvre datamaskinen gjennom serieporten.

 

2.2 Deteksjonssystem maskinvaredesign

 

Deteksjonssystemets maskinvare er hovedsakelig sammensatt av ultralydgenereringskrets, ultralydmottakskrets, trinnmotorhastighetskontrollmodul, etc. Kjernen i systemet er enkeltbrikken , som hovedsakelig fullfører signaloverføringen og mottaket, kontrollerer trinnmotoren og overfører data til robotens vertsdatamaskin for behandling.

 

Ultralydsenderkretsen bruker P11-porten på enkeltbrikken til å sende ut senderpulsen, og drives av 74HC04 for å koble til ultralydsensoren. De forbedrer utgangsstrømkapasiteten og øker overføringsavstanden til ultralydsensoren.

 

Ultralydmottaks- og prosesseringskretsen bruker integrert krets. det er en dedikert integrert krets for infrarøde mottakere. Her brukes CX20106 som en forsterker- og deteksjonsenhet for mottak av signaler fra ultralydsensorer, og det er også oppnådd gode resultater. Etter at forforsterkeren mottar det reflekterte signalet fra ultralydmottakersonden, forsterker den signalet med en spenningsforsterkning på ca. 80 dB. Deretter sendes signalet til den begrensende forsterkeren for å gjøre det til en rektangulær puls, og deretter velges frekvensen av filteret for å filtrere ut interferenssignalet, bærefrekvensen filtreres ut av detektoren for å oppdage kommandosignalet, og etter forming sendes det ut av pin 7 lavt nivå. Den fallende flanken til pulsutgangen fra pinne 7 føres inn gjennom INT0-porten på mikrokontrolleren.

 

Senderkretsen og mottakerkretsen til den integrerte ultralydsensoren bruker samme sensorpinneinngang/-utgang. Hvis inngangen/utgangen ikke er isolert, vil mottakerkretsen og senderkretsen bli sterkt påvirket. Den toveis analoge CMOS-svitsjen brukes til å realisere overførings- og mottaksisolasjonen. Trinnmotorkontrollmodulen tar i bruk kontrollmodusen til ringpulsfordeler L297 + dobbel H-bro strømintegrert krets L298. P1.6, P1.7 og P2.3 til enkeltbrikke-mikrodatamaskinen er henholdsvis koblet til CW, klokke, og aktiverer kontrollterminalene til L297 for å kontrollere forover og bakover rotasjon, klokkesignal, start og stopp av motoren.

 

2.3 Design av programvare for deteksjonssystem

Programvaren til deteksjonssystemet er hovedsakelig sammensatt av en hovedprogrammodul, en avbruddsserviceprogrammodul, og en ultralydsensor har sende- og mottaksmodul. Hovedprogrammodulen til deteksjonssystemet er hovedsakelig forklart her.

 

Ultralydsensor og trinnmotor måle- og kontrollmoduler styres av forskjellige mikrodatamaskiner med én brikke, så sensorsystemet og den øvre datamaskinen til den mobile roboten må stole på I/O-portlinjen og seriell asynkron kommunikasjon mellom mikrodatamaskinene med én brikke. Flagget T brukes til å bytte handlinger. Når T=0 og OFF=0 er tilfredsstilt samtidig, er det en vanlig deteksjonsprosess av ultralydsensorer; når T=1, AV=0, brukes den til å justere asimut før hver syklusmåling; AV=1 Venter på neste handling. Timeren T0 brukes til å beregne tiden for ekkoet, så avstandsverdien d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. en triggerpuls gis til trinnmotoren. Bestem deretter om neste handling er å gjøre sensordeteksjon eller å justere asimutvinkelen til selve roboten, som går inn i en ny syklus.

 

3 Eksperiment og bruk av deteksjonssystem på mobil robot

3.1 Finn det nærmeste punktet til veggen

 

I denne artikkelen er designideen om å finne det nærmeste punktet til veggen basert på ultralydavstand. Velg tidsnivå avstandsmålemetode, og begrense mottaksområdet til ultralydsensoren ved å stille inn mottaksekkoterskelen og legge til en lydabsorberende hylse før sonden. Den målte strålevinkelen er omtrent ± 20° ved a

avstand på 75 cm, og den effektive vinkelen som kan motta reflekterte bølger er ca ± 40°.

 

Den omtrentlige koniske strålen til ultralydsensoren bestemmer refleksjonsavstanden til det nærmeste punktet hver gang den måler avstanden. Selv om strålevinkelen avviker til den stiplede linjen, er den faktiske avstanden fortsatt verdien som måles langs strålens senterlinje. Teoretisk sett bør avstanden målt innenfor sendestrålevinkelen være den samme, men sjokktiden til ultralydsensoren og innstillingen av mottaksterskelen, inkludert refleksjon av veggen, vil ha en viss innvirkning på avstandsmålingen. Målt ved eksperimenter, innenfor en viss vinkel (omtrent ± 20° ), endres ikke måleavstandsverdien signifikant, og dens naboverdier er relativt nærme (ikke mer enn 2 mm). Når avbøyningsvinkelen fortsetter å øke, øker også endringene i tilstøtende måleverdier betydelig. Derfor er en metode å bruke disse to kritiske punktene for å finne vinkelen mellom strålen og veggen (det vil si det nærmeste punktet til veggen), og trinnmotoren driver ultralyden til å rotere for å finne disse to kritiske punktene. Når to tilstøtende verdier kontinuerlig detekteres under 2 mm, anses det å ha kommet inn i stabil sone, og punktet hvor endringen skjer før og etter settes som kritisk punkt. Alle punkter innenfor dette kritiske punktet registreres, og deretter beregnes midtpunktet. Midtpunktet er det nærmeste punktet mellom veggen og ultralydsensoren. den viser et sett med målte data. Innenfor 72 °～ 108° er det det stabile området for avstandsmåling. Utenfor dette overstiger det tilstøtende avviket av den målte avstanden 8 mm, og med vinkelen vil den bli ytterligere forstørret når den dreies til begge sider. Eksperimenter ble utført ved å endre avstanden mellom den integrerte ultralydsensoren og veggen innenfor 50 cm og 200 cm. Som et resultat ble den målte feilen for den vertikale vinkelen til veggen begrenset til 2 trinnvinkler.

 

3.2 Deteksjonssystemet brukes på roboten for å navigere langs veggen

 

Autonome mobile roboter oppdager informasjon om det gjeldende miljøet under bevegelse. Avstandsinformasjonen som oppdages hver gang, måles på grunnlag av gjeldende robotbevegelsesstilling. Mens den går i en rett linje langs veggen, garanterer roboten nøyaktigheten av banen gjennom felles oppfatning av avstandsmåling og sin egen holdning. Ultralydavstandsmåling har vært mye brukt. Etter å ha testet forholdet mellom ultralyddeteksjonsvinkel og avstandsmåling, kan ultralydsensorer brukes til å måle asimutvinkelen til kjøretøykroppen (for å bestemme sin egen holdning) i henhold til metoden for å beregne det nærmeste punktet. Det målte nærmeste punktet er den faktiske avstanden mellom roboten og veggen. Referansekoordinatene til roboten bestemmes av den direkte infrarøde sensoren 1 på den enkle koderen, og det nærmeste punktet beregnes i henhold til informasjonen som er lagret under hvert trinn i trinnmotoren. Mellom referansekoordinatene og det nærmeste punktet brukes vinkelen som trinnmotoren krysser av for å bestemme avbøyningsvinkelen mellom roboten og veggen, og deretter overføres avbøyningsvinkelen til styresystemet for hjuldrift for å justere asimutvinkelen.

 

3.3 Søk etter hindringer

 

Bruken av en trinnmotor for å drive industriell ultralydsensor

 å rotere er funksjonelt lik multisensordeteksjon. Mobile roboter bruker vanligvis flere ultralydsensorer rundt kroppen for å få mer informasjon, og øker dermed rekkevidden av hindringer og bestemmer målretning og grenseinformasjon. En fordel med rotasjonsmetoden er derimot at deteksjonstettheten kan justeres automatisk i henhold til hindringens tetthet. Antall ekstra sensorer er begrenset av sine egne forhold, og tettheten til rotasjonsmetoden er bare relatert til trinnvinkelen til trinnmotoren. Økningen av deteksjonstettheten kan i stor grad forbedre oppløsningen av vinkelen, og dermed styrke bestemmelsen av målretningen og grenseinformasjon.

 

Dette systemet er en utvidelse av funksjonen til ultrasonisk nærhetssensor og et godt supplement til det eksisterende deteksjonssystemet til mobile roboter. Den har blitt fullstendig demonstrert i eksperimentelle applikasjoner, og den har en viss praktisk funksjon i hindringsdeteksjon og justering av robotposisjon. Imidlertid må denne metoden forbedres ytterligere i sanntid og nøyaktighet.