System detekcji autonomicznego robota mobilnego oparty na czujniku ultradźwiękowym

Rozbudowa czujnika ultradźwiękowego jest dobrym uzupełnieniem istniejącego systemu detekcji robotów mobilnych. Zostało to w pełni zademonstrowane w zastosowaniach eksperymentalnych i ma pewną praktyczność w wykrywaniu przeszkód i dostosowywaniu pozycji robota. Jednakże metodę tę należy dalej udoskonalać pod względem czasu rzeczywistego i dokładności.

 

Jeden z najważniejszych Ultradźwiękowy czujnik poziomu dla robotów mobilnych do nabywania autonomicznych zachowań polega na zdobywaniu wiedzy o środowisku. Osiąga się to poprzez zastosowanie różnych pomiarów czujników ultradźwiękowych i wyodrębnienie informacji z tych pomiarów. W robotach mobilnych zastosowano czujniki takie jak wizyjne, podczerwone, laserowe i ultradźwiękowe. Czujniki ultradźwiękowe są szeroko stosowane w systemach wykrywania robotów mobilnych ze względu na ich wysoką wydajność kosztową i prostą implementację sprzętową. Jednak czujniki ultradźwiękowe mają również pewne ograniczenia, głównie ze względu na duży kąt wiązki, słabą kierunkowość i niestabilność pomiaru odległości (przy odbiciu niepionowym). Dlatego do kompensacji często stosuje się wiele czujników ultradźwiękowych lub innych czujników. Aby nadrobić braki samego czujnika ultradźwiękowego i poprawić jego zdolność do pozyskiwania informacji o środowisku, w artykule zaprojektowano system detekcji składający się ze zintegrowanego czujnika ultradźwiękowego i silnika krokowego.

 

1 Analiza zasady i metody detekcji czujników ultradźwiękowych

 

Podstawową zasadą czujnika ultradźwiękowego jest wysyłanie (ultradźwiękowych) pakietów fal ciśnienia i mierzenie czasu potrzebnego na przesłanie pakietów fal i ich powrót do odbiornika.

 

Wśród nich jest to odległość między celem a czujnikiem ultradźwiękowym; c to prędkość fali ultradźwiękowej (dla uproszczenia opisu, przy pomiarze odległości omówionej poniżej nie uwzględnia się wpływu temperatury na prędkość fali; t to odstęp czasu od emisji do odbioru.

 

Ponieważ pomiar odległości za pomocą ultradźwięków nie jest pomiarem punktowym. Czujniki ultradźwiękowe mają pewne właściwości dyfuzyjne. Emitowana energia ultradźwiękowa koncentruje się głównie w płacie głównym i tłumi w kształcie fali po obu stronach osi fali głównej, przy kącie dyfuzji około 30 ° w lewo i w prawo. W rzeczywistości metoda obliczania wzoru w czasie opiera się na udanym, pionowym odbiciu fal ultradźwiękowych. Robotowi mobilnemu trudno jest jednak zapewnić stabilność własnej postawy ruchowej. Wykorzystywana jest metoda detekcji, w której czujnik ultradźwiękowy jest zamocowany na korpusie robota mobilnego. Kiedy robot mobilny odbiega od równoległej ściany, system detekcji często ma trudności z ustaleniem rzeczywistej odległości. Ponadto, gdy do pomiaru przeszkód wykorzystuje się charakterystykę rozbieżności ultradźwięków, może ona dostarczyć jedynie informacji o odległości docelowej przeszkody, ale nie informacji o kierunku i granicach celu. Wady te znacznie ograniczają praktyczne zastosowanie i promocję czujników ultradźwiękowych.

 

W oparciu o analizę teoretyczną i ciągłe testy, w artykule wykorzystano czterofazowy silnik krokowy do napędzania pojedynczego zintegrowanego czujnika ultradźwiękowego w celu jego obrotu, tworząc dynamiczny system wykrywania.

 

2 System detekcji składa się ze zintegrowanego czujnika ultradźwiękowego i silnika krokowego

 

2.1 Projekt konstrukcyjny

 

Czujnik ultradźwiękowy jest przyspawany do płytki drukowanej, płytka jest zbudowana ze stalowej rury, a drugi koniec stalowej rury jest podłączony do wału silnika krokowego, a silnik krokowy jest zamocowany pod podwoziem robota. Sygnał sterujący czujnika ultradźwiękowego i sygnał wyjściowy, które są podłączone do płyty sterującej na nadwoziu pojazdu za pośrednictwem linii sygnałowej. Dodatkowo przed sondą czujnika ultradźwiękowego dodano stożkową tuleję wykonaną z materiału piankowego, średnica górnego otworu wynosi 22 mm, średnica dolnego otworu wynosi 16 mm, a wysokość 20 mm. W ten sposób kąt wiązki transmitowanej fali i kąt, pod którym odbierana jest fala odbita, są znacznie ograniczone. Aby robot mógł dostosować swoją postawę, musi określić własny kierunek obrotu i pozycję odniesienia. Dlatego też własnoręcznie wykonujemy prosty enkoder fotoelektryczny składający się z fotoprzekaźnika na podczerwień i stołu obrotowego. Pokazano rozmieszczenie 2 bezpośrednich czujników fotoelektrycznych na podczerwień, rozmieszczonych poziomo na linii łączącej punkt środkowy po obu stronach nadwozia robota w ° . odstępach co 180 Obrotnica i ramię obrotowe są połączone na koncentrycznym okręgu, jak pokazano na zewnętrznym okręgu na rysunku, linie skali 1, 3 są oddzielone od siebie o 27 ° ; linie skali 2, 1 są oddzielone od siebie o 180 ° , a linia skali 1 i środek czujnika ultradźwiękowego znajdują się na tej samej linii poziomej. Samo przewodnictwo I służy jako współrzędna odniesienia, I i II są jednocześnie prowadzone w celu określenia kierunku obrotu, a Ⅱ pojedynczego przejścia służy jako odniesienie do nawigacji, gdy robot powraca wzdłuż ściany.

 

Zintegrowany czujnik ultradźwiękowy obraca się za pomocą silnika krokowego, a kierunek osi środkowej czujnika ultradźwiękowego, prostopadły do ​​korpusu robota, służy jako współrzędne odniesienia do regulacji własnej postawy. Silnik krokowy przyjmuje 4-fazowy, 4-taktowy kąt kroku wynoszący 1,8 ° i 1 krok na obrót. Czujnik ultradźwiękowy wykrywa raz i wysyła wartość pomiarową do górnego komputera przez port szeregowy.

 

2.2 Projekt sprzętu systemu detekcji

 

Sprzęt systemu wykrywania składa się głównie z obwodu generującego ultradźwięki, obwodu odbiorczego ultradźwiękowego, modułu sterującego prędkością silnika krokowego itp. Rdzeniem systemu jest pojedynczy układ scalony, który głównie kończy transmisję i odbiór sygnału, steruje silnikiem krokowym i przesyła dane do komputera głównego robota w celu przetworzenia.

 

Obwód przetwornika ultradźwiękowego wykorzystuje port P11 jednoukładowego układu do wysyłania impulsu nadajnika i jest sterowany przez układ 74HC04 w celu podłączenia czujnika ultradźwiękowego. Zwiększają one wydajność prądową wyjścia i zwiększają odległość transmisji czujnika ultradźwiękowego.

 

Ultradźwiękowy obwód odbiorczy i przetwarzający przyjmuje układ scalony. jest to dedykowany układ scalony dla odbiorników podczerwieni. Tutaj CX20106 jest używany jako urządzenie wzmacniające i detekcyjne do odbierania sygnałów z czujników ultradźwiękowych i również osiągnięto dobre wyniki. Po odebraniu przez przedwzmacniacz sygnału odbitego od ultradźwiękowej sondy odbiorczej, wzmacnia on sygnał ze wzmocnieniem napięciowym około 80 dB. Następnie sygnał jest wysyłany do wzmacniacza ograniczającego w celu przekształcenia go w impuls prostokątny, a następnie częstotliwość jest wybierana przez filtr w celu odfiltrowania sygnału zakłócającego, częstotliwość nośna jest filtrowana przez detektor w celu wykrycia sygnału sterującego, a po ukształtowaniu jest wyprowadzana na pin 7 niski poziom. Opadające zbocze sygnału wyjściowego z pinu 7 jest wprowadzane przez port INT0 mikrokontrolera.

 

Obwód nadajnika i obwód odbiornika zintegrowanego czujnika ultradźwiękowego wykorzystują to samo wejście/wyjście czujnika. Jeśli wejście/wyjście nie jest izolowane, będzie to miało duży wpływ na obwód odbiornika i obwód nadajnika. Dwukierunkowy przełącznik analogowy CMOS służy do realizacji izolacji transmisji i odbioru. Moduł sterujący silnikiem krokowym przyjmuje tryb sterowania dystrybutorem impulsów pierścieniowych L297 + podwójny układ scalony mocy mostka H L298. P1.6, P1.7 i P2.3 jednoukładowego mikrokomputera są odpowiednio podłączone do CW, zegara i umożliwiają zaciskom sterującym L297 sterowanie obrotami do przodu i do tyłu, sygnałem zegara, uruchamianiem i zatrzymywaniem silnika.

 

2.3 Projekt oprogramowania systemu detekcji

Oprogramowanie systemu detekcji składa się głównie z głównego modułu programu, modułu programu obsługi przerwań oraz czujnika ultradźwiękowego z modułem nadawczo-odbiorczym. W tym miejscu opisano głównie główny moduł programu systemu detekcji.

 

Moduły pomiarowe i sterujące czujnika ultradźwiękowego oraz silnika krokowego są sterowane przez różne mikrokomputery jednoukładowe, zatem system wykrywania i komputer górny robota mobilnego muszą opierać się na linii portu we/wy i szeregowej asynchronicznej komunikacji pomiędzy mikrokomputerami jednoukładowymi. Flaga T służy do przełączania akcji. Gdy jednocześnie spełnione są T=0 i OFF=0, jest to zwykły proces detekcji czujników ultradźwiękowych; gdy T=1, OFF=0, służy do regulacji azymutu przed każdym pomiarem cyklu; WYŁ.=1 Oczekiwanie na następną akcję. Timer T0 służy do obliczenia czasu echa, zatem wartość odległości d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. do silnika krokowego podawany jest jeden impuls wyzwalający. Następnie określ, czy kolejną czynnością będzie wykonanie detekcji czujnika, czy też dostosowanie kąta azymutu samego robota, który wchodzi w nowy cykl.

 

3 Eksperyment i zastosowanie systemu detekcji na robocie mobilnym

3.1 Znajdź punkt najbliższy ścianie

 

W tym artykule pomysł znalezienia punktu najbliższego ścianie opiera się na pomiarze ultradźwiękowym. Wybierając metodę pomiaru odległości na poziomie czasu i ograniczając zasięg odbioru czujnika ultradźwiękowego, ustawiając próg echa odbioru i dodając przed sondą tuleję dźwiękochłonną. Zmierzony kąt wiązki wynosi około ± 20° przy a

odległość 75 cm, a efektywny kąt, pod którym mogą odbierać fale odbite, wynosi około ± 40°.

 

Przybliżona wiązka stożkowa czujnika ultradźwiękowego określa odległość odbicia najbliższego punktu za każdym razem, gdy mierzy odległość. Nawet jeśli kąt wiązki odbiega od linii przerywanej, rzeczywistą odległością jest nadal wartość mierzona wzdłuż linii środkowej wiązki. Teoretycznie odległość mierzona w obrębie kąta wiązki nadawczej powinna być taka sama, jednak pewien wpływ na pomiar odległości będzie miał czas uderzenia czujnika ultradźwiękowego oraz ustawienie progu odbioru, z uwzględnieniem odbicia od ściany. Zmierzona doświadczalnie, w obrębie pewnego kąta (w przybliżeniu ± 20° ), wartość odległości pomiarowej nie zmienia się znacząco, a wartości sąsiadujące z nią są stosunkowo bliskie (nie więcej niż 2 mm). Gdy kąt odchylenia stale rośnie, zmiany sąsiednich wartości pomiarowych również znacznie rosną. Dlatego jedną z metod jest wykorzystanie tych dwóch punktów krytycznych do znalezienia kąta między belką a ścianą (to znaczy punktu najbliższego ścianie), a silnik krokowy wprawia urządzenie ultradźwiękowe w ruch obrotowy w celu znalezienia tych dwóch punktów krytycznych. Jeżeli w sposób ciągły wykrywane są dwie sąsiednie wartości poniżej 2 mm, uznaje się, że osiągnęły one strefę stabilną, a punkt, w którym zmiana następuje przed i po, zostaje uznany za punkt krytyczny. Rejestrowane są wszystkie punkty w obrębie tego punktu krytycznego, a następnie obliczany jest punkt środkowy. Punkt środkowy to najbliższy punkt pomiędzy ścianą a czujnikiem ultradźwiękowym. pokazuje zestaw zmierzonych danych. W zakresie 72 °～ 108° jest to stabilny obszar pomiaru odległości. Poza tym sąsiednie odchylenie zmierzonej odległości przekracza 8 mm, a wraz z kątem będzie się dalej zwiększać po obróceniu w obie strony. Doświadczenia przeprowadzono zmieniając odległość zintegrowanego czujnika ultradźwiękowego od ściany w zakresie od 50 cm do 200 cm. W rezultacie błąd pomiaru kąta pionowego do ściany ograniczono do 2 kątów schodkowych.

 

3.2 W robocie zastosowano system detekcji umożliwiający poruszanie się wzdłuż ściany

 

Autonomiczne roboty mobilne podczas ruchu wykrywają informacje o aktualnym otoczeniu. Wykryta za każdym razem informacja o odległości jest mierzona na podstawie aktualnej pozycji ruchu robota. Robot poruszając się po ścianie w linii prostej gwarantuje dokładność swojej trajektorii poprzez wspólne postrzeganie pomiaru odległości i własnej postawy. Ultradźwiękowy pomiar odległości jest szeroko stosowany. Po zbadaniu zależności kąta detekcji ultradźwiękowej od pomiaru odległości, czujniki ultradźwiękowe można wykorzystać do pomiaru kąta azymutu nadwozia pojazdu (w celu określenia jego własnej postawy) według metody obliczania najbliższego punktu. Zmierzony najbliższy punkt to rzeczywista odległość pomiędzy robotem a ścianą. Współrzędne odniesienia robota są określane przez bezpośredni czujnik podczerwieni 1 na prostym enkoderze, a najbliższy punkt jest obliczany na podstawie informacji przechowywanych podczas każdego kroku silnika krokowego. Pomiędzy współrzędnymi odniesienia a najbliższym punktem kąt przebyty przez silnik krokowy służy do określenia kąta odchylenia robota od ściany, a następnie kąt odchylenia przekazywany jest do układu sterującego napędem kół w celu dostosowania kąta azymutu.

 

3.3 Szukaj przeszkód

 

Zastosowanie silnika krokowego do napędzania przemysłowy czujnik ultradźwiękowy

 obracanie jest funkcjonalnie podobne do wykrywania za pomocą wielu czujników. Roboty mobilne zwykle wykorzystują wiele czujników ultradźwiękowych rozmieszczonych wokół ciała, aby uzyskać więcej informacji, zwiększając w ten sposób zasięg przeszkód i określając kierunek celu oraz informacje o granicach. Natomiast zaletą metody rotacyjnej jest to, że gęstość wykrywania może być automatycznie dostosowywana w zależności od szczelności przeszkody. Ilość dodatkowych czujników ograniczona jest własnymi warunkami, a szczelność sposobu obrotu związana jest jedynie z kątem kroku silnika krokowego. Zwiększenie gęstości wykrywania może znacznie poprawić rozdzielczość kąta, wzmacniając w ten sposób określanie kierunku celu i informacji o granicach.

 

System ten jest rozszerzeniem funkcji ultradźwiękowy czujnik zbliżeniowy i dobre uzupełnienie istniejącego systemu detekcji robotów mobilnych. Zostało to w pełni zademonstrowane w zastosowaniach eksperymentalnych i ma pewną praktyczność w wykrywaniu przeszkód i dostosowywaniu pozycji robota. Jednakże metodę tę należy dalej udoskonalać pod względem czasu rzeczywistego i dokładności.