Sistem de detectare a robotului mobil autonom bazat pe senzor ultrasonic

O extensie a senzorului cu ultrasunete este un bun supliment la sistemul de detectare existent al roboților mobili. A fost pe deplin demonstrat în aplicații experimentale și are o anumită utilitate în detectarea obstacolelor și ajustarea poziției robotului. Cu toate acestea, această metodă trebuie îmbunătățită în continuare în timp real și acuratețe.

 

Una dintre cele mai importante u ltrasonic Senzor de nivel pentru roboții mobili pentru a dobândi un comportament autonom este de a dobândi cunoștințe despre mediu. Acest lucru se realizează prin utilizarea diferitelor măsurători cu senzori ultrasonici și prin extragerea de informații din acele măsurători. Senzorii precum viziunea, infraroșul, laserul și ultrasunetele au fost folosiți în roboții mobili. Senzorii cu ultrasunete au fost utilizați pe scară largă în sistemele de detectare a roboților mobili datorită performanței lor ridicate la costuri și implementării hardware simple. Cu toate acestea, senzorii cu ultrasunete au, de asemenea, anumite limitări, în principal din cauza unghiului mare al fasciculului, a directivității slabe și a instabilității măsurării distanței (sub reflexie neverticală). Prin urmare, mai mulți senzori ultrasonici sau alți senzori sunt adesea utilizați pentru a compensa. Pentru a compensa deficiențele senzorului ultrasonic în sine și pentru a îmbunătăți capacitatea acestuia de a obține informații despre mediu, această lucrare proiectează un sistem de detectare compus dintr-un senzor ultrasonic integrat și un motor pas cu pas.

 

1 Analiza principiului și metodei de detectare a senzorilor ultrasonici

 

Principiul de bază al unui senzor ultrasonic este să trimită pachete de unde de presiune (ultrasunete) și să măsoare timpul necesar pentru ca pachetele de unde să fie transmise și returnate la receptor.

 

Printre acestea, este distanța dintre țintă și senzorul ultrasonic; c este viteza undei ultrasonice (pentru a simplifica descrierea, influența temperaturii asupra vitezei undei nu este luată în considerare atunci când se măsoară distanța discutată mai jos; t este intervalul de timp de la emisie până la recepție.

 

Pentru că măsurarea distanței cu ultrasunete nu este o măsurare punctuală. Senzorii cu ultrasunete au anumite caracteristici de difuzie. Energia ultrasonică emisă este concentrată în principal pe lobul principal și se atenuează sub formă de undă pe ambele părți ale axei principale a undei, cu un unghi de difuzie de aproximativ 30 ° la stânga și la dreapta. De fapt, metoda de calcul a formulei în timp se bazează pe reflectarea reușită, verticală, a undelor ultrasonice. Cu toate acestea, este dificil pentru un robot mobil să asigure stabilitatea propriei posturi de mișcare. Se folosește metoda de detectare prin care un senzor ultrasonic este fixat pe corpul robotului mobil. Când robotul mobil se abate de la un perete paralel, sistemul de detectare este adesea dificil de obținut distanța reală. În plus, atunci când caracteristica de divergență a ultrasunetelor este utilizată pentru a măsura obstacolele, acesta poate furniza doar informații despre distanța obstacolului țintă, dar nu și informațiile despre direcția și limita țintei. Aceste defecte limitează foarte mult aplicarea practică și promovarea senzorilor ultrasonici.

 

Pe baza analizei teoretice și a testelor continue, această lucrare folosește un motor pas cu patru faze pentru a conduce un singur senzor ultrasonic integrat pentru a se roti pentru a forma un sistem de detectare dinamic.

 

2 Sistemul de detectare este compus din senzor ultrasonic integrat și motor pas cu pas

 

2.1 Proiectare structurală

 

Senzorul cu ultrasunete este sudat pe placa PCB, placa este construită de o țeavă de oțel, iar celălalt capăt al țevii de oțel este conectat la arborele motorului pas cu pas, iar motorul pas este fixat sub șasiul robotului. Semnalul de control al senzorului ultrasonic și semnalul de ieșire care sunt conectate la placa de control de pe caroseria vehiculului prin linia de semnal. În plus, în fața sondei senzorului cu ultrasunete se adaugă un manșon în formă de con din material spumant, diametrul gurii superioare este de 22 mm, diametrul gurii inferioare este de 16 mm și înălțimea este de 20 mm. În acest fel, unghiul fasciculului undei transmise și unghiul la care este recepționată unda reflectată sunt foarte limitate. Pentru ca robotul să își ajusteze postura, trebuie să-și determine propria direcție de rotație și poziția de referință. Prin urmare, un codificator fotoelectric simplu compus dintr-un senzor fotoelectric cu infraroșu direct și o placă turnantă este realizat de noi înșine. Este prezentată distribuția a 2 senzori fotoelectrici cu infraroșu direct și aceștia sunt aranjați orizontal pe linia de conectare a punctului de mijloc de pe ambele părți ale caroseriei robotului la ° . intervale de 180 Placa turnantă și brațul rotativ sunt conectate pe un cerc concentric, așa cum se arată în cercul exterior din figură, liniile de scară 1, 3 sunt separate de 27 ° ; liniile de scară 2, 1 sunt separate de 180 ° , iar linia de scară 1 și centrul senzorului ultrasonic sunt menținute pe aceeași linie orizontală. Numai conducția I este folosită ca coordonată de referință, I și II sunt ghidate simultan pentru a determina direcția de rotație, iar Ⅱ o singură trecere este folosită ca referință de navigare atunci când robotul se întoarce de-a lungul peretelui.

 

Senzorul ultrasonic integrat este condus să se rotească de un motor pas cu pas, iar direcția axei centrale a senzorului ultrasonic perpendicular pe corpul robotului este folosită ca referință de coordonate pentru propria sa reglare a posturii. Motorul pas cu pas adoptă un unghi de pas cu 4 faze de 1,8 ° și 1 pas pe rotație, Senzorul cu ultrasunete detectează o dată și trimite valoarea de măsurare către computerul superior prin portul serial.

 

2.2 Proiectarea hardware a sistemului de detectare

 

Hardware-ul sistemului de detectare este compus în principal din circuit generator de ultrasunete, circuit de recepție cu ultrasunete, modul de control al vitezei motorului pas cu pas, etc. Miezul sistemului este un singur cip, care completează în principal transmisia și recepția semnalului, controlează motorul pas cu pas și transmite date către computerul gazdă robot pentru procesare.

 

Circuitul transmițător cu ultrasunete folosește portul P11 al unui singur cip pentru a scoate impulsul transmițătorului și este condus de 74HC04 pentru a conecta senzorul cu ultrasunete. Ele îmbunătățesc capacitatea de curent de ieșire și măresc distanța de transmisie a senzorului ultrasonic.

 

Circuitul de recepție și procesare cu ultrasunete adoptă un circuit integrat. este un circuit integrat dedicat pentru receptoare infrarosu. Aici CX20106 este folosit ca dispozitiv de amplificare și de detectare pentru recepția semnalelor de la senzori ultrasonici și s-au obținut și rezultate bune. După ce preamplificatorul primește semnalul reflectat de la sonda de recepție cu ultrasunete, acesta amplifică semnalul cu un câștig de tensiune de aproximativ 80 dB. Apoi semnalul este trimis la amplificatorul de limitare pentru a-l transforma într-un impuls dreptunghiular, iar apoi frecvența este selectată de filtru pentru a filtra semnalul de interferență, frecvența purtătorului este filtrată de detector pentru a detecta semnalul de comandă și, după modelare, este scoasă de pinul 7 la nivel scăzut. Marginea descendentă a impulsului de ieșire de la pinul 7 este introdusă prin portul INT0 al microcontrolerului.

 

Circuitul transmițător și circuitul receptor al senzorului ultrasonic integrat utilizează aceeași intrare/ieșire a pinului senzorului. Dacă intrarea/ieșirea nu este izolată, circuitul receptor și circuitul transmițător vor fi foarte afectate. Comutatorul analogic bidirecțional CMOS este utilizat pentru a realiza izolarea transmisiei și recepției. Modulul de control al motorului pas cu pas adoptă modul de control al distribuitorului de impulsuri inelare L297 + circuit integrat de putere dublu H-bridge L298. P1.6, P1.7 și P2.3 ale microcomputerului cu un singur cip sunt conectate la CW, ceas și permit terminalele de control ale L297 să controleze rotația înainte și înapoi, semnalul ceasului, pornirea și oprirea motorului.

 

2.3 Proiectarea software-ului sistemului de detectare

Software-ul sistemului de detectare este compus în principal dintr-un modul de program principal, un modul de program de întrerupere, iar un senzor cu ultrasunete are un modul de transmisie și recepție. Modulul de program principal al sistemului de detectare este explicat în principal aici.

 

Senzorul cu ultrasunete și modulele de măsurare și control al motorului pas cu pas sunt controlate de diferite microcalculatoare cu un singur cip, astfel încât sistemul de detectare și computerul superior al robotului mobil trebuie să se bazeze pe linia portului I/O și pe comunicarea asincronă serială între microcalculatoarele cu un singur cip. Indicatorul T este folosit pentru a comuta acțiuni. Când T=0 și OFF=0 sunt satisfăcute în același timp, este un proces obișnuit de detectare a senzorilor ultrasonici; când T=1, OFF=0, este folosit pentru a regla azimutul înainte de fiecare măsurătoare de ciclu; OFF=1 Se așteaptă următoarea acțiune. Cronometrul T0 este utilizat pentru a calcula timpul ecoului, deci valoarea distanței d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. un impuls de declanșare este dat motorului pas cu pas. Apoi determinați dacă următoarea acțiune este să faceți detectarea senzorului sau să ajustați unghiul de azimut al robotului însuși, care intră într-un nou ciclu.

 

3 Experimentarea și aplicarea sistemului de detectare pe robotul mobil

3.1 Găsiți cel mai apropiat punct de perete

 

În această lucrare, ideea de design de a găsi cel mai apropiat punct de perete se bazează pe măsurarea ultrasonică. Selectarea metodei de măsurare a distanței la nivel de timp și limitarea domeniului de recepție a senzorului cu ultrasunete prin setarea pragului de eco de recepție și adăugarea unui manșon fonoabsorbant înaintea sondei. Unghiul fasciculului măsurat este de aproximativ ± 20° la a

distanță de 75 cm, iar unghiul efectiv care poate primi unde reflectate este de aproximativ ± 40°.

 

Fasciculul conic aproximativ al senzorului ultrasonic determină distanța de reflexie a celui mai apropiat punct de fiecare dată când măsoară distanța. Chiar dacă unghiul fasciculului deviază față de linia punctată, distanța reală este totuși valoarea măsurată de-a lungul liniei centrale a fasciculului. Teoretic, distanța măsurată în unghiul fasciculului de transmisie ar trebui să fie aceeași, dar timpul de șoc al senzorului cu ultrasunete și setarea pragului de recepție, inclusiv reflectarea peretelui, vor avea un anumit impact asupra măsurării distanței. Măsurată prin experimente, într-un anumit unghi (aproximativ ± 20° ), valoarea distanței de măsurare nu se modifică semnificativ, iar valorile învecinate sunt relativ apropiate (nu mai mult de 2 mm). Când unghiul de deviere continuă să crească, modificările valorilor de măsurare adiacente cresc, de asemenea, semnificativ. Prin urmare, o metodă este să folosiți aceste două puncte critice pentru a găsi unghiul dintre fascicul și perete (adică cel mai apropiat punct de perete), iar motorul pas cu pas conduce ultrasunetul să se rotească pentru a găsi aceste două puncte critice. Când două valori adiacente sunt detectate în mod continuu sub 2 mm, se consideră că a intrat în zona stabilă, iar punctul în care se produce schimbarea înainte și după este setat ca punct critic. Toate punctele din acest punct critic sunt înregistrate și apoi se calculează punctul de mijloc. Punctul de mijloc este cel mai apropiat punct dintre perete și senzorul ultrasonic. arată un set de date măsurate. În intervalul de 72 °～ 108° , este zona stabilă de măsurare a distanței. În afară de aceasta, abaterea adiacentă a distanței măsurate depășește 8 mm, iar cu unghiul va fi mărită și mai mult atunci când este întors pe ambele părți. Experimentele au fost efectuate prin modificarea distanței dintre senzorul ultrasonic integrat și perete între 50 cm și 200 cm. Ca rezultat, eroarea măsurată a unghiului vertical față de perete a fost limitată la 2 unghiuri de trepte.

 

3.2 Sistemul de detectare este aplicat robotului pentru a naviga de-a lungul peretelui

 

Roboții mobili autonomi detectează informații despre mediul actual în timpul mișcării. Informațiile despre distanță detectate de fiecare dată sunt măsurate pe baza posturii actuale de mișcare a robotului. În timp ce merge în linie dreaptă de-a lungul peretelui, robotul garantează acuratețea traiectoriei sale prin percepția comună a măsurării distanței și a propriei posturi. Măsurarea distanței cu ultrasunete a fost utilizată pe scară largă. După testarea relației dintre unghiul de detectare cu ultrasunete și măsurarea distanței, senzorii ultrasonici pot fi utilizați pentru a măsura unghiul de azimut al caroseriei vehiculului (pentru a-și determina propria postură) conform metodei de calcul al punctului cel mai apropiat. Cel mai apropiat punct măsurat este distanța reală dintre robot și perete. Coordonatele de referință ale robotului sunt determinate de senzorul infraroșu direct 1 de pe codificatorul simplu, iar punctul cel mai apropiat este calculat în funcție de informațiile stocate în timpul fiecărei etape a motorului pas cu pas. Între coordonatele de referință și cel mai apropiat punct, unghiul traversat de motorul pas cu pas este utilizat pentru a determina unghiul de deviere dintre robot și perete, iar apoi unghiul de deviere este transmis sistemului de control al roților pentru a regla unghiul de azimut.

 

3.3 Căutarea obstacolelor

 

Utilizarea unui motor pas cu pas pentru a conduce senzor ultrasonic industrial

 a roti este similar din punct de vedere funcțional cu detecția multi-senzor. Roboții mobili folosesc de obicei mai mulți senzori cu ultrasunete în jurul corpului pentru a obține mai multe informații, crescând astfel gama de obstacole și determinând direcția țintei și informațiile de limită. În schimb, un avantaj al metodei de rotație este că densitatea de detectare poate fi ajustată automat în funcție de etanșeitatea obstacolului. Numărul de senzori suplimentari este limitat de propriile condiții, iar etanșeitatea metodei de rotație este legată doar de unghiul de pas al motorului pas cu pas. Creșterea densității de detectare poate îmbunătăți considerabil rezoluția unghiului, întărind astfel determinarea direcției țintei și a informațiilor de limită.

 

Acest sistem este o extensie a funcției senzor de proximitate cu ultrasunete și un bun supliment la sistemul de detectare existent al roboților mobili. A fost pe deplin demonstrat în aplicații experimentale și are o anumită utilitate în detectarea obstacolelor și ajustarea poziției robotului. Cu toate acestea, această metodă trebuie îmbunătățită în continuare în timp real și acuratețe.