Zastosowanie ultradźwiękowego systemu pomiaru odległości w robocie mobilnym

Czujniki ultradźwiękowe są szeroko stosowane w robotycznych systemach unikania przeszkód. W oparciu o ultradźwiękową zasadę pomiaru odległości zaprojektowano równoległy system pomiaru odległości. Przedstawiono budowę sprzętową i sposób realizacji oprogramowania systemu. Mając na celu zbadanie zjawiska polegającego na tym, że wieloczujnikowy pomiar równoległy łatwo powoduje zakłócenia, analizowana jest przyczyna zakłóceń i proponowane jest skuteczne rozwiązanie. System jest stosowany w eksperymencie omijania przeszkód przez robota mobilnego i podano wyniki eksperymentalnej kalibracji zakresu pomiarowego systemu.

Czujnik ultradźwiękowy do pomiaru odległości jest szeroko stosowany w zastosowaniach wymagających pomiaru odległości, takich jak roboty mobilne do omijania przeszkód i radary cofania ze względu na ich zalety w postaci prostego przetwarzania informacji, dużej prędkości i niskiej ceny. Ze względu na charakterystykę promieniowania ultradźwięków istniejący wieloczujnikowy system pomiaru odległości wykorzystuje transmisję okrężną w celu ograniczenia generowania zakłóceń. Ta metoda charakteryzuje się dużym „martwym punktem” w przypadku odległości i nie można zagwarantować wydajności w czasie rzeczywistym. Dane pomiarowe są również kłopotliwe w późniejszym przetwarzaniu, takim jak pozycjonowanie przeszkód i rozróżnianie kształtu. Projektują ultradźwiękowy system pomiaru odległości z wieloma czujnikami pracującymi równolegle. System jest używany do eksperymentów z unikaniem przeszkód na inteligentnych robotach mobilnych i uzyskuje dobre wyniki.

1 Projekt ultradźwiękowego systemu pomiaru odległości

Istnieje wiele metod ultradźwiękowego pomiaru odległości. W artykule przyjęto metodę czasu przelotu, czyli odległość oblicza się poprzez pomiar czasu t fali ultradźwiękowej od czujnika nadawczego, przez ośrodek propagacyjny, do czujnika odbiorczego. Jej zasadę można wyrazić wzorem: L=vt/2, (L to odległość, którą należy zmierzyć, v to prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu, a t to czas przejścia). Prędkość propagacji ultradźwięków w powietrzu jest powiązana z temperaturą otoczenia, a dokładność pomiaru odległości można poprawić poprzez kompensację temperatury.

1.1 Projekt obwodu sprzętowego

Obejmuje głównie górny komputer, procesor, obwód oscylatora ultradźwiękowego, obwód napędowy, obwód wzmacniający sygnał, kształtujący i porównawczy.

W procesorze zastosowano jednoukładowy układ STC STC12C5410, który jest kompatybilny z serią 51. Każdy jednoukładowy mikrokomputer steruje dwoma czujnikami ultradźwiękowymi poprzez multiplekser, które znajdują się z przodu i z tyłu robota. Głównym zadaniem mikrokomputera jednoukładowego jest pomiar czasu przejścia i temperatury otoczenia oraz obliczanie odległości przeszkód. Mikrokomputer jednoukładowy komunikuje się z komputerem głównym poprzez RS232. Górny komputer analizuje otrzymane dane, aby zlokalizować przeszkody i kontrolować ruch robota.

Obwód przetwornika ultradźwiękowego składa się z dwóch części: obwodu oscylacyjnego i obwodu sterującego. Obwód oscylacyjny to prosty obwód składający się z bramki NAND, rezystora i kondensatora, który może generować sygnał fali prostokątnej o częstotliwości 40 kHz w celu wysterowania czujnika ultradźwiękowego w celu emisji fal ultradźwiękowych; obwód sterujący generuje ultradźwiękowy impuls elektryczny o określonej mocy w celu wzbudzenia czujnika ultradźwiękowego, który składa się z 6 bramek NOT połączonych równolegle, wykorzystując zdolność napędzającą samego chipa. Po wysterowaniu końcowym sygnałem dodawanym do czujnika ultradźwiękowego jest fala prostokątna o amplitudzie 5V.

1.2 Projektowanie oprogramowania

W systemie mikrokomputer jednoukładowy musi sterować 2 timerami, jeden służy do pomiaru czasu tranzytu, a drugi służy do ustawiania szybkości transmisji pomiędzy jednoukładem a komputerem, aby zapewnić dokładność komunikacji; sterować zewnętrznym portem przerwań w celu monitorowania ultradźwiękowego czujnika odbiorczego w czasie rzeczywistym. Czy odbierać odbity sygnał ultradźwiękowy; użyć wejścia/wyjścia do sterowania czujnikiem nadajnika ultradźwiękowego w celu emitowania ultradźwięków o określonej częstotliwości; wykorzystanie protokołu pojedynczej magistrali do sterowania wejściami/wyjściami w celu odczytania zebranej wartości temperatury. Mikrokomputer jednoukładowy musi również odbierać i przetwarzać polecenia komputera górnego oraz wysyłać dane z powrotem do komputera górnego w czasie rzeczywistym, zgodnie z wymaganiami komputera górnego. 

The Obwód czujnika przetwornika ultradźwiękowego jest podzielony na trzy części: wzmocnienie sygnału, kształtowanie i porównanie. Sygnał odbierany przez ultradźwiękowy czujnik odbiorczy jest bardzo słaby, na poziomie miliwoltów sygnał musi zostać wzmocniony, zanim będzie mógł zostać wykryty przez mikrokomputer jednoukładowy. W tym artykule dwustopniowe obwody wzmacniające zostały użyte do wzmocnienia łącznie 1000 razy. Dwustopniowe obwody wzmacniające są połączone za pomocą sprzężenia rezystancyjno-pojemnościowego. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza po przejściu przez obwód kształtujący podwajacz napięcia trafia do komparatora. Dostosowanie napięcia odniesienia komparatora może zmienić zakres pomiarowy i dokładność pomiaru systemu pomiaru odległości. Sygnał wyjściowy komparatora jest podłączony do INT0 mikrokomputera jednoukładowego, wyzwalając przerwanie jednoukładowe.

Komunikacja wielokomputerowa służy do przesyłania danych pomiędzy komputerem jednoukładowym a komputerem głównym. Komputer PC nie ma bitu sterującego wieloma komputerami i 

Moduł ultradźwiękowego czujnika odległości wymaga oprogramowania do symulacji bitu TB8/RB8 mikrokontrolera. Kroki ustawiania protokołu komunikacyjnego są następujące:

1) Ustaw MCU tak, aby znajdował się w stanie monitorowania adresu;

2) Komputer PC wysyła zestaw danych adresowych z bitem parzystości równym 1;

3) Mikrokomputer jednoukładowy ocenia, czy odebrany adres jest taki sam jak adres lokalny. Jeżeli jest taki sam, adres zostanie przesłany do gospodarza w celu ustalenia porozumienia z gospodarzem;

4) Po otrzymaniu adresu host wysyła dane z bitem parzystości 0, aby powiadomić mikrokontroler o konieczności przesłania informacji o odległości;

5) Mikrokomputer jednoukładowy wysyła dane dotyczące odległości. Po wysłaniu wróć do kroku, aby kontynuować monitorowanie adresu.

Zadanie polega na wysyłaniu zestawu poleceń zapytań do portu szeregowego co 50ms zgodnie z ustawionym protokołem komunikacyjnym w celu odczytania informacji o odległości zmierzonej przez mikrokomputer jednoukładowy; zlokalizować przeszkodę, analizując odczytane informacje o odległości i z grubsza ocenić charakterystykę kształtu przeszkody; podjąć niezbędne środki w celu uniknięcia przeszkód, kontrolować działanie robota i wyświetlać tor jazdy. Oprogramowanie ma dobry interfejs użytkownika, który sprzyja debugowaniu programu.