Analiza zastosowania czujnika ultradźwiękowego w systemie odległości robota mobilnego

I. Wprowadzenie

W procesie omijania przeszkód w czasie rzeczywistym i planowania ścieżki dla autonomicznych robotów mobilnych robot musi polegać na pozyskiwaniu zewnętrznych informacji o środowisku, wykrywać obecność przeszkód i mierzyć odległość do przeszkód. Obecnie roboty do unikania przeszkód i czujniki odległości obejmują czujniki na podczerwień, ultradźwiękowe, laserowe i wizualne. Czujniki laserowe i czujniki wizualne są drogie i wymagają wysokich wymagań dla sterowników. Dlatego podczerwień i ultradźwiękowe przetworniki poziomu są najczęściej stosowane w systemach robotów mobilnych.

Większość systemów wykorzystuje pojedynczy czujnik do zbierania informacji, ale ze względu na problem związany z pomiarem martwych punktów zasięg czujników ultradźwiękowych wynosi zazwyczaj od 30 do 300 cm; podczas gdy odległość wykrywania czujników odległości na podczerwień jest krótka, zwykle rzędu kilkudziesięciu centymetrów. W pewnym stopniu może zrekompensować mankamenty czujników ultradźwiękowych, których nie da się zmierzyć z bliskiej odległości. Dlatego system ten wykorzystuje wiele czujników podczerwieni i ultradźwiękowych do pomiaru i gromadzenia informacji o odległości.

2. Zasada i metoda ustalania zasięgu

(1) Czujnik ultradźwiękowy
Ultradźwięki oznaczają fale dźwiękowe o częstotliwości rezonansowej wyższej niż 20 Hz. Im wyższa częstotliwość, tym silniejsza zdolność odbicia. Czujniki ultradźwiękowe są niedrogie, a na ich działanie prawie nie ma wpływu światło, kurz, dym, zakłócenia elektromagnetyczne, a metal, drewno, beton, szkło, guma i papier mogą odbijać prawie 100% fal ultradźwiękowych, dzięki czemu można ich używać do wykrywania obiektów.
Metodą ultradźwiękowego pomiaru odległości jest metoda detekcji echa. Przetwornik nadawczy w sposób ciągły emituje impulsy dźwiękowe. Po natrafieniu na przeszkodę fala dźwiękowa jest odbijana i odbierana przez przetwornik odbiorczy. Odległość przeszkody jest obliczana na podstawie prędkości dźwięku i różnicy czasu. Wyrażony jest związek między odległością i prędkością dźwięku a czasem.

(2) Metody poprawy dokładności ultradźwiękowego przetwornika odległości
1. Użyj odpowiedniej częstotliwości i długości fali: używając przetwornik ultradźwiękowy dużej mocy do pomiaru odległości, częstotliwość jest zbyt niska; zakłócenia hałasu zewnętrznego są większe; częstotliwość jest zbyt wysoka, a tłumienie jest duże podczas procesu propagacji. Ponadto czujnik ultradźwiękowy jest podatny na generowanie martwych punktów podczas procesu pomiaru, a strona odbiorcza jest podatna na odbieranie nieszczelnych fal. Aby poprawić tę wadę, konieczne jest zmniejszenie długości transmitowanego ciągu fal i zwiększenie częstotliwości transmitowanej fali. Jeżeli jednak długość przesyłanego ciągu fal jest zbyt mała, przetwornik nadawczy nie może zostać wzbudzony lub wzbudzone wibracje nie osiągają wartości maksymalnej; jeśli częstotliwość transmitowanej fali jest zbyt wysoka, tłumienie jest duże, a odległość robocza maleje. Testy wykazały, że przy użyciu fal ultradźwiękowych 40 kHz do transmisji grupa impulsów zawiera 10-20 impulsów i ma dobre właściwości propagacyjne.

2. Poprawa dokładności taktowania systemu może również poprawić dokładność ultradźwiękowego przetwornika odległości. Im wyższa częstotliwość zliczania timera, tym mniejszy błąd pomiaru wynikający z błędu kwantyzacji czasu.

3. Kompensacja opóźnienia czasowego obwodu systemowego może zmniejszyć błąd pomiaru i poprawić dokładność pomiaru. We wzorze △ t jest czasem opóźnienia, s; s1, s2 to dwie znane odległości pomiarowe, m; t1, t2 to odpowiedni czas pomiaru, s.

(3) Czujnik unikania przeszkód na podczerwień Podczerwień
to fala elektromagnetyczna powstająca pomiędzy światłem widzialnym a kuchenką mikrofalową. Dlatego też ma on nie tylko cechy liniowej propagacji, odbicia, załamania światła widzialnego itp., ale ma także pewne cechy mikrofal, takie jak silna penetracja i zdolność przenikania przez pewną nieprzezroczystą materię itp. Czujnik podczerwieni zawiera urządzenie emitujące podczerwień i urządzenie odbierające podczerwień. Wszystkie obiekty w przyrodzie będą emitować promieniowanie podczerwone, dopóki temperatura będzie wyższa od zera absolutnego. Dlatego czujniki podczerwieni muszą mieć silniejsze możliwości nadawania i odbioru.

Podstawowa zasada działania czujnika ultradźwiękowego podczerwieni polega na tym, że rura emitująca światło emituje światło podczerwone, a światłoczuła rura odbiorcza odbiera światło odbite od obiektu znajdującego się przed nią, a następnie ocenia, czy przed nią znajduje się przeszkoda. Odległość obiektu można ocenić na podstawie intensywności emitowanego światła. Zasada jego działania polega na tym, że natężenie światła odbieranego przez rurę odbiorczą zmienia się w zależności od odległości od obiektu odbijającego. Odbite natężenie światła jest blisko odległości, a odbite natężenie światła jest daleko.

Obecnie przełącznik fotoelektryczny na podczerwień, będący jednym z najczęściej stosowanych czujników, charakteryzuje się częstotliwością transmisji około 38 kHz i stosunkowo krótką odległością detekcji. Zwykle służy do rozpoznawania przeszkód na krótkich dystansach. System ten wykorzystuje tego rodzaju czujnik.

(4) Wady pomiaru odległości w podczerwieni
Ze względu na charakterystykę urządzenia ogólny przełącznik fotoelektryczny na podczerwień ma słabą odporność na zakłócenia i jest pod dużym wpływem światła otoczenia; a kolor wykrytego obiektu i gładkość powierzchni są różne, a intensywność odbitego światła podczerwonego będzie inna.

Po trzecie, struktura systemu sprzętowego

(1) Skład systemu
System pomiaru odległości składa się z jednoukładowego mikrokomputera, ultradźwiękowego obwodu nadawczego i odbiorczego, obwodu nadawczego i odbiorczego podczerwieni, obwodu wyświetlacza cyfrowego i obwodu komunikacji szeregowej. Rdzeniem sterującym jest 16-bitowy mikrokontroler Lingyang SPCE061 A. Dostępne są 2 16-bitowe programowalne timery/timery, 14 źródeł przerwań, 32-bitowe uniwersalne programowalne kanały wejścia/wyjścia i 7-kanałowy 10-bitowy A / D na chipie. przetwornik.

(2) Obwód czujnika ultradźwiękowego
Port I/O9-I/O11 MCU Lingyang jest podłączony do trójdrożnego obwodu nadawczego ultradźwiękowego, a port I/O3-I/O5 jest podłączony do trójdrożnego obwodu odbiorczego ultradźwiękowego. Przetwornik sygnału 40 kHz generowany przez mikrokomputer jednoukładowy jest wyprowadzany przez wejścia/wyjścia i jest wzmacniany przez obwód wzmacniacza wzmacniającego składający się z falownika 4049B. Wreszcie jest transmitowany przez ultradźwiękowy przetwornik nadawczy UCM40T; fala dźwiękowa powraca do przeszkody i jest odbierana przez przetwornik odbiorczy UCM40R. Sygnał jest wzmacniany przez dwustopniowy obwód wzmacniacza składający się z OP07, częstotliwości wybieranej przez dekoder audio z pętlą synchronizacji fazowej LM567, filtrujący sygnały zakłócające i wreszcie wprowadzany do jednoukładowego mikrokomputera przez port I/O. Mikrokomputer jednoukładowy oblicza odległość przeszkody na podstawie czasu transmisji fali dźwiękowej.

(3) Obwód czujnika podczerwieni
We/Wy ～ I/O6 mikrokontrolera Lingyang może być używany jako 10-bitowy przetwornik A/D. W tym systemie porty I/O0 ～ I/O2 MCU Lingyang są używane jako przetworniki A/D. I / O6 ～ I / O8 są podłączone do trzech obwodów nadajników podczerwieni, a I / O0 ～ I / O2 są podłączone do trzech odbiorników podczerwieni z obwodem. Gdy port we/wy mikrokomputera jednoukładowego generuje wysoki poziom, przewodzi za pomocą lampy luminescencyjnej na podczerwień TLN205 i emituje światło podczerwone; fala świetlna po natrafieniu na przeszkodę zostaje odbita i odebrana przez odbiornik podczerwieni TPS708, który generuje prąd odpowiadający natężeniu światła. Po wzmocnieniu dwustopniowego obwodu wzmacniającego, na wyjściu pojawia się napięcie analogowe 0 ~ 3 V, które jest wprowadzane do mikrokomputera jednoukładowego przez port A/D. Mikrokomputer jednoukładowy oblicza i ocenia odległość przeszkody na podstawie wielkości napięcia.

4. Projektowanie oprogramowania
Komputer jednoukładowy SPCE061 A wybiera częstotliwość systemową fosc = 20,480 MHz, częstotliwość zegara procesora (CPUCLK) wynosi fosc / 2 = 10,24 MHz, źródło zegara wybiera częstotliwość 32768 Hz, źródło zegara wybiera częstotliwość 1 Hz, a SPCE061A zapewnia 216-bitowe taktowanie/licznik: TimerA i TImerB. Źródło zegara TImerA jest tworzone przez działanie źródła zegara A i źródła zegara B; źródłem zegara TImerB jest tylko źródło zegara A.
Impuls ultradźwiękowy 40 kHz jest falą prostokątną z wysokim i niskim poziomem każdy zajmujący 12,5 μs. Liczenie zegara procesora jest opóźnione o 123 cykle instrukcji, czyli 12,5 μs. Komputer jednoukładowy może generować sygnał impulsowy o częstotliwości 40 kHz, generując w sposób ciągły wysoki i niski poziom 12,5 μs. Za każdym razem emitowana jest grupa impulsów złożona z 20 impulsów przez 0,5 ms, a emisja impulsów i czas przerwy wynoszą co najmniej 20 ms, co jest wyprowadzane z portu I/O. . System wybiera timer A jako przerwanie timera o długości 20 ms i timer B jako licznik ultradźwiękowy. Ponieważ czujnik ultradźwiękowy ma pomiar strefy martwej, w projekcie programu pomiar odległości większej niż 30 cm jest wykonywany przez czujnik ultradźwiękowy, a czujnik podczerwieni jest wykonywany w ciągu 30 cm.

W procesie ustalania odległości w podczerwieni timer A jest używany do generowania przerwania 0,1 s dla próbkowania A/D, a wartość napięcia jest konwertowana na informację o odległości. Najpierw w programie głównym wejdź do podprogramu wykrywania podczerwieni. Jeżeli wykryta zostanie przeszkoda, należy przejść do podprogramu transmisji danych, wyświetlania i sterowania ruchem; jeśli nie zostanie wykryta żadna przeszkoda, wejście do podprogramu wykrywania ultradźwiękowego. Ultradźwięki wykrywają przeszkody, a następnie wchodzą do podprogramów transmisji danych, wyświetlania i sterowania ruchem. Jeśli nie zostaną wykryte żadne przeszkody, detekcja w podczerwieni wykonywana jest cyklicznie odpowiednio podprogramami detekcji w podczerwieni i ultradźwiękowej.

V. Wyniki pomiarów
Podczas badania do pomiaru wykorzystuje się przeszkody o tej samej wielkości, fakturze i kolorze. Testy wykazały, że dokładność pomiaru zasięgu systemu mieści się w granicach 1% od 0 do 200 cm, co pozwala na dokładne zmierzenie odległości od przeszkód. Pomiar odległości w promieniu 30 cm odbywa się za pomocą czujników podczerwieni, natomiast pomiar odległości w zakresie 30–200 cm odbywa się za pomocą czujników ultradźwiękowych.

6. Podsumowanie
W artykule zbadano tani, energooszczędny i wydajny system pomiaru odległości bocznej robota mobilnego, wielosensorowy system wykorzystujący czujniki ultradźwiękowe i podczerwone, który skutecznie rozwiązuje problem pomiaru martwych punktów w systemie pomiaru odległości z jednym czujnikiem; Trzy grupy czujników są zamontowane w trzech różnych pozycjach robota, dzięki czemu robot może wykonywać zadania w trzech różnych kierunkach.