Aplicarea sistemului de măsurare cu ultrasunete în robotul mobil

Senzorii cu ultrasunete sunt utilizați pe scară largă în sistemele robotizate de evitare a obstacolelor. Pe baza principiului ultrasunetelor, este proiectat un sistem paralel. Sunt introduse compoziția hardware și metoda de realizare software a sistemului. Vizând fenomenul conform căruia distanța paralelă multisenzoră este ușor de produs interferență, se analizează motivul interferenței și se propune o soluție eficientă. Sistemul este utilizat în experimentul de evitare a obstacolelor cu robotul mobil și sunt date rezultatele calibrării experimentale ale intervalului de măsurare a sistemului.

Senzorul cu ultrasunete pentru măsurarea distanței este utilizat pe scară largă în aplicațiile care necesită măsurarea distanței, cum ar fi roboții mobili pentru a evita obstacolele și radarele inversoare, datorită avantajelor lor de procesare simplă a informațiilor, viteză rapidă și preț scăzut. Datorită caracteristicilor de radiație ale ultrasunetelor, sistemul de măsurare multisenzor existent folosește transmisia round-robin pentru a reduce generarea de interferențe. Această metodă are un punct mort mare pentru distanță, iar performanța în timp real nu poate fi garantată. Datele de măsurare sunt, de asemenea, supărătoare pentru procesarea ulterioară, cum ar fi poziționarea obstacolelor și discriminarea formei. Ei proiectează un sistem de măsurare cu ultrasunete cu mai mulți senzori care lucrează în paralel. Sistemul este folosit pentru experimente de evitare a obstacolelor pe roboți mobili inteligenți și se obțin rezultate bune.

1 Proiectarea sistemului de măsurare cu ultrasunete

Există multe metode de măsurare a distanței cu ultrasunete. Acest articol adoptă metoda timpului de zbor, adică distanța este calculată prin măsurarea timpului t al undei ultrasonice de la senzorul de transmisie prin mediul de propagare la senzorul de recepție. Principiul său poate fi exprimat prin formula ca L=vt/2, (L este distanța de măsurat; v este viteza de propagare a undelor ultrasonice în aer și t este timpul de tranzit). Viteza de propagare a ultrasunetelor în aer este legată de temperatura mediului, iar precizia măsurării distanței poate fi îmbunătățită prin compensarea temperaturii.

1.1 Proiectarea circuitelor hardware

Acesta include în principal computerul superior, procesorul, circuitul oscilator ultrasonic, circuitul de acționare, amplificarea semnalului, modelarea și circuitul de comparație.

Procesorul adoptă STC single-chip STC12C5410, care este compatibil cu seria 51. Fiecare microcomputer cu un singur cip controlează doi senzori cu ultrasunete printr-un multiplexor, care se află pe partea din față și din spate a robotului. Sarcina principală a microcomputerului cu un singur cip este de a măsura timpul de tranzit și temperatura ambiantă și de a calcula distanța obstacolelor. Microcomputerul cu un singur cip comunică cu computerul gazdă prin RS232. Calculatorul superior analizează datele primite pentru a localiza obstacolele și pentru a controla mișcarea robotului.

Circuitul transmițător cu ultrasunete este compus din două părți: un circuit de oscilație și un circuit de antrenare. Circuitul oscilant este un circuit simplu compus dintr-o poartă NAND, un rezistor și un condensator, care poate genera un semnal de undă pătrată de 40 kHz pentru a conduce senzorul ultrasonic să emită unde ultrasonice; circuitul de antrenare generează un impuls electric ultrasonic cu o anumită putere pentru a excita senzorul ultrasonic, care este compus din 6 porți NU în compoziție paralelă, folosind capacitatea de antrenare a cipul în sine. După ce a fost condus, semnalul final adăugat la senzorul ultrasonic este o undă pătrată cu o amplitudine de 5V.

1.2 Proiectarea programelor software

În sistem, microcomputerul cu un singur cip trebuie să controleze 2 temporizatoare, unul este folosit pentru a măsura timpul de tranzit, iar celălalt este utilizat pentru a seta viteza de transmisie a comunicației dintre un singur cip și PC pentru a asigura acuratețea comunicării; controlați un port de întrerupere extern pentru a monitoriza senzorul de recepție cu ultrasunete în timp real Dacă să primiți semnalul ultrasonic reflectat; utilizați un I/O pentru a controla senzorul transmițătorului ultrasonic pentru a emite ultrasunete la o anumită frecvență; folosind un singur protocol de magistrală pentru a controla un I/O pentru a citi valoarea temperaturii colectată. De asemenea, microcomputerul cu un singur cip trebuie să primească și să proceseze comenzile computerului superior și să trimită datele înapoi către computerul superior în timp real, conform cerințelor computerului superior. 

The Circuitul senzorului cu traductor ultrasonic este împărțit în trei părți: amplificarea semnalului, modelarea și compararea. Semnalul primit de senzorul de recepție cu ultrasunete este foarte slab, la nivelul milivoltilor, semnalul trebuie amplificat înainte de a putea fi detectat de microcomputerul cu un singur cip. În această lucrare, circuitele de amplificare în două etape sunt utilizate pentru a amplifica un total de 1000 de ori. Circuitele de amplificare în două trepte sunt conectate prin cuplare rezistență-capacitate. Semnalul de ieșire de la amplificator curge în comparator după ce trece prin circuitul de modelare a dublatorului de tensiune. Ajustarea tensiunii de referință a comparatorului poate modifica domeniul de măsurare și precizia de măsurare a sistemului de măsurare. Semnalul de ieșire de către comparator este conectat la INT0 al microcomputerului cu un singur cip, declanșând întreruperea cu un singur cip.

Comunicarea cu mai multe computere este utilizată pentru a transmite date între computerul cu un singur cip și computerul gazdă. PC-ul nu are un bit de control multi-computer și 

Modulul senzorului ultrasonic de distanță trebuie să utilizeze software pentru a simula bitul TB8/RB8 al microcontrolerului. Pașii de setare a protocolului de comunicare sunt următorii:

1) Setați MCU să fie în starea de monitorizare a adresei;

2) PC-ul trimite un set de date de adresă cu un bit de paritate de 1;

3) Microcomputerul cu un singur cip judecă dacă adresa primită este aceeași cu adresa locală. Dacă este aceeași, adresa va fi trimisă gazdei pentru a stabili un acord de strângere de mână cu gazda;

4) După ce gazda primește adresa, trimite date cu un bit de paritate de 0 pentru a anunța microcontrolerul să trimită informații despre distanță;

5) Microcomputerul cu un singur cip trimite datele despre distanță. După trimitere, reveniți la pasul pentru a continua să monitorizați adresa.

Sarcina este de a trimite un set de comenzi de interogare la portul serial la fiecare 50 ms conform protocolului de comunicare setat pentru a citi informațiile despre distanță măsurată de microcomputerul cu un singur cip; localizați obstacolul analizând informațiile despre distanța citită și apreciați aproximativ caracteristicile formei obstacolului; luați măsurile necesare de evitare a obstacolelor controlați funcționarea robotului și afișați pista de alergare. Software-ul are o interfață de utilizator bună, care este propice pentru depanarea programului.