Analiza aplicației senzorului cu ultrasunete în sistemul mobil de distanță a robotului

I. Introducere

În procesul de evitare a obstacolelor în timp real și de planificare a traseului pentru roboții mobili autonomi, robotul trebuie să se bazeze pe achiziția de informații externe de mediu, să detecteze prezența obstacolelor și să măsoare distanța obstacolelor. În prezent, senzorii roboți de evitare a obstacolelor și de distanță includ senzori cu infraroșu, ultrasonic, laser și senzori vizuali. Senzorii laser și senzorii vizuali sunt scumpi și necesită cerințe ridicate pentru controlere. Prin urmare, infraroșu și Traductoarele de nivel cu ultrasunete sunt utilizate mai ales în sistemele robotice mobile.

Majoritatea sistemelor folosesc un singur senzor pentru colectarea informațiilor, dar din cauza problemei de măsurare a unghiurilor moarte, gama senzorilor ultrasonici este în general între 30 și 300 cm; în timp ce distanța de detecție a senzorilor de distanță în infraroșu este scurtă, în general în intervalul de zeci de centimetri. Într-o anumită măsură, poate compensa deficiențele senzorilor cu ultrasunete care nu pot fi măsurați la distanță apropiată. Prin urmare, acest sistem folosește mai mulți senzori cu infraroșu și ultrasunete pentru a măsura și colecta informații despre distanță.

2. Principiul și metoda de range

(1) Senzor cu ultrasunete Ultrasunetele
se referă la undele sonore cu o frecvență de rezonanță mai mare de 20Hz. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât capacitatea de reflexie este mai puternică. Senzorii cu ultrasunete sunt ieftini, iar performanța lor este greu afectată de lumină, praf, fum, interferențe electromagnetice, iar metalul, lemnul, betonul, sticla, cauciucul și hârtia pot reflecta aproape 100% din undele ultrasonice, astfel încât pot fi utilizați pentru a detecta obiecte.
Metoda de măsurare a distanței cu ultrasunete este metoda de detectare a ecoului. Traductorul de transmisie emite continuu impulsuri sonore. După ce unda sonoră întâlnește obstacolul, este reflectată înapoi și recepționată de traductorul receptor. Distanța obstacolului este calculată în funcție de viteza sunetului și diferența de timp. Relația dintre distanță și viteza sunetului și timp este exprimată.

(2) Metode de îmbunătățire a preciziei traductorului cu ultrasunete
1. Utilizați frecvența și lungimea de undă adecvate: folosind traductor cu ultrasunete de mare putere pentru a măsura distanța, frecvența este prea mică; interferența zgomotului extern este mai mare; frecvența este prea mare, iar atenuarea este mare în timpul procesului de propagare. În plus, senzorul cu ultrasunete este predispus să genereze puncte moarte în timpul procesului de măsurare, iar capătul de recepție este predispus să primească unde scurgeri. Pentru a îmbunătăți acest neajuns, este necesar să se reducă lungimea șirului de unde transmise și să crească frecvența undei transmise. Totuși, dacă lungimea șirului de unde transmise este prea scurtă, traductorul de transmisie nu poate fi excitat sau vibrația excitată nu atinge valoarea maximă; dacă frecvența undei transmise este prea mare, atenuarea este mare, iar distanța de lucru scade. Testele au arătat că utilizarea undelor ultrasonice de 40 kHz pentru a transmite grupul de impulsuri conține 10-20 de impulsuri și are performanțe bune de propagare.

2. Îmbunătățirea preciziei de sincronizare a sistemului poate îmbunătăți, de asemenea, precizia traductorului de distanță cu ultrasunete. Cu cât frecvența de numărare a temporizatorului este mai mare, cu atât eroarea de distanță este mai mică din cauza erorii de cuantizare a timpului.

3. Compensarea întârzierii circuitului sistemului poate reduce eroarea de distanță și poate îmbunătăți acuratețea distanței. În formulă, △ t este timpul de întârziere, s; s1, s2 sunt două distanțe de măsurare cunoscute, m; t1, t2 sunt timpul de măsurare corespunzător, s.

(3) Senzor de evitare a obstacolelor în infraroșu.
Infraroșul este o undă electromagnetică între lumina vizibilă și cuptorul cu microunde. Prin urmare, nu numai că are caracteristicile de propagare liniară a luminii vizibile, reflexie, refracție etc., dar are și anumite caracteristici ale microundelor, cum ar fi penetrarea puternică și capacitatea de a pătrunde în anumite materii opace etc. Senzorul infraroșu include un dispozitiv care emite infraroșu și un dispozitiv de recepție infraroșu. Toate obiectele din natură vor radia radiații infraroșii atâta timp cât temperatura este peste zero absolut. Prin urmare, senzorii cu infraroșu trebuie să aibă capacități de transmisie și recepție mai puternice.

Principiul de bază al intervalului senzorului cu ultrasunete în infraroșu este că tubul emițător de lumină emite lumină infraroșie, iar tubul receptiv sensibil la lumină primește lumina reflectată a obiectului din fața lui și apoi judecă dacă există un obstacol în fața lui. Distanța obiectului poate fi judecată în funcție de intensitatea luminii emise. Principiul său este că intensitatea luminii primite de tubul receptor variază în funcție de distanța obiectului care reflectă. Intensitatea luminii reflectate este aproape de distanță, iar intensitatea luminii reflectate este departe.

În prezent, un comutator fotoelectric în infraroșu, care este unul dintre cei mai folosiți senzori, are o frecvență de transmisie de aproximativ 38 kHz și o distanță de detecție relativ scurtă. Este de obicei folosit pentru recunoașterea obstacolelor pe distanțe scurte. Acest sistem folosește acest tip de senzor.

(4) Defecte de măsurare a distanței în infraroșu
Afectat de caracteristicile dispozitivului, comutatorul fotoelectric general în infraroșu are anti-interferență slabă și este foarte afectat de lumina ambientală; iar culoarea obiectului detectat și netezimea suprafeței sunt diferite, iar intensitatea luminii infraroșii reflectate va fi diferită.

În al treilea rând, structura sistemului hardware

(1) Compoziția sistemului
Sistemul de măsurare a distanței este compus din microcomputer cu un singur cip, circuit de transmisie și recepție cu ultrasunete, circuit de transmisie și recepție în infraroșu, circuit de afișare digitală și circuit de comunicare în serie. 7 canale 10 biți A / D pe cip. convertor.

(2) Circuitul senzorului cu ultrasunete
Portul I / O9-I / O11 al Lingyang MCU este conectat la circuitul de transmisie cu ultrasunete în trei căi, iar I / O3-I / O5 este conectat la circuitul de recepție cu ultrasunete în trei căi. Traductorul de semnal de 40 kHz generat de microcomputerul cu un singur cip este ieșit de I/O și este amplificat de circuitul amplificator de amplificare compus din invertorul 4049B. În cele din urmă, este transmis de traductorul cu ultrasunete UCM40T; Unda sonoră revine la obstacol și este recepționată de traductorul receptor UCM40R, Semnalul este amplificat de un circuit amplificator în două trepte compus din OP07, selectat în frecvență de un decodor audio cu buclă blocată în fază LM567, filtrând semnalele de interferență și, în final, introducând într-un microcomputer cu un singur cip I/O. Microcomputerul cu un singur cip calculează distanța obstacolului prin timpul de transmisie a undei sonore.

(3) Circuitul senzorului infraroșu
I / O0 ～ I / O6 al Lingyang MCU poate fi folosit ca un convertor A / D pe 10 biți. În acest sistem, porturile I / O0 ～ I / O2 ale Lingyang MCU sunt utilizate ca convertoare A / D. I / O6 ～ I / O8 sunt conectate la trei circuite transmițătoare infraroșu, iar I / O0 ～ I / O2 sunt conectate la trei receptoare infraroșu cu circuit. Când portul I/O al microcomputerului cu un singur cip iese la un nivel ridicat, acesta conduce cu tubul luminescent în infraroșu TLN205 și emite lumină infraroșie; unda luminoasă este reflectată după întâlnirea unui obstacol și recepționată de tubul receptor infraroșu TPS708, care generează un curent corespunzător intensității luminii. După ce circuitul de amplificare în două etape compus este amplificat, acesta emite o tensiune analogică de 0 ~ 3V, care este introdusă în microcomputerul cu un singur cip prin portul A / D. Microcomputerul cu un singur cip calculează și judecă distanța obstacolului prin mărimea tensiunii.

4. Proiectare software
Calculatorul cu un singur cip SPCE061 A selectează frecvența sistemului fosc = 20.480MHz, frecvența tacului CPU (CPUCLK) este fosc / 2 = 10.24 MHz, sursa de ceas selectează frecvența 32768 Hz, sursa de ceas selectează frecvența 1Hz, iar contorul de timp SPCE: /2161 TIMERB. Sursa de ceas a TImerA este formată din operațiile sursei de ceas A și sursei de ceas B; sursa de ceas a TImerB este doar sursa de ceas A.
Pulsul ultrasonic de 40 kHz este o undă pătrată cu niveluri înalte și scăzute, fiecare ocupând 12,5 μs. Numărul de ceas al procesorului este întârziat cu 123 de cicluri de instrucțiuni, care este de 12,5 μs. Calculatorul cu un singur cip poate genera un semnal de impuls de 40 kHz generând continuu niveluri ridicate și scăzute de 12,5 μs. Un grup de impulsuri de 20 de impulsuri este emis de fiecare dată timp de 0,5 ms, iar emisia de impulsuri și intervalul de timp sunt de cel puțin 20 ms, care este scos din portul I/O. . Sistemul selectează temporizatorul A ca o întrerupere a temporizatorului de 20 ms și temporizatorul B ca numărător cu ultrasunete. Deoarece senzorul cu ultrasunete are o măsurare a zonei moarte, în proiectarea programului, măsurarea distanței de peste 30 cm este finalizată de senzorul cu ultrasunete, iar senzorul infraroșu este finalizat în termen de 30 cm.

În procesul de măsurare în infraroșu, temporizatorul A este utilizat pentru a genera o întrerupere de 0,1 S pentru eșantionarea A/D, iar valoarea tensiunii este convertită în informații despre distanță. În programul principal, mai întâi, introduceți subrutina de detectare în infraroșu. Dacă este detectat un obstacol, introduceți subrutina de transmisie a datelor, afișare și control al mișcării; dacă nu este detectat niciun obstacol, intrând în subrutina de detectare cu ultrasunete. Ultrasunetele detectează obstacolele, apoi intră în subrutinele de transmisie a datelor, afișare și control al mișcării. Dacă nu sunt detectate obstacole, detecția în infraroșu este efectuată ciclic subrutinele de detectare în infraroșu și, respectiv, ultrasonic.

V. Rezultatele măsurătorilor
În timpul testului, pentru măsurare sunt utilizate obstacole de aceeași dimensiune, textură și culoare. Testele arată că precizia sistemului este de 1% de la 0 la 200 cm, ceea ce poate măsura cu precizie distanța obstacolelor. Masurarea distantei in 30 cm se face cu senzori cu infrarosu, iar masurarea distantei intre 30 si 200 cm se face cu senzori ultrasonici.

6. Concluzie
Această lucrare studiază un sistem de distanță laterală a robotului mobil de înaltă performanță, cu costuri reduse, de putere redusă și de înaltă performanță, un sistem multi-senzor care utilizează senzori ultrasonici și infraroșii, care rezolvă eficient problema măsurării punctelor moarte într-un singur sistem de măsurare a senzorului; Cele trei grupuri de senzori sunt asamblate în trei poziții diferite ale robotului, astfel încât robotul să poată îndeplini sarcinile de distanță în trei direcții diferite.