Tillämpningsanalys av ultraljudssensor i det mobila robotavståndssystemet

I. Inledning

I processen för att undvika hinder i realtid och vägplanering för autonoma mobila robotar måste roboten förlita sig på inhämtande av extern miljöinformation, känna av förekomsten av hinder och mäta avståndet mellan hindren. För närvarande inkluderar sensorer för undvikande av hinder och avstånd från robotar infraröda, ultraljuds-, laser- och visuella sensorer. Lasersensorer och visuella sensorer är dyra och kräver höga krav på styrenheter. Därför infraröd och ultraljudsnivågivare används mest i mobila robotsystem.

De flesta system använder en enda sensor för informationsinsamling, men på grund av problemet med att mäta döda vinklar är räckvidden för ultraljudssensorer i allmänhet mellan 30 och 300 cm; medan detekteringsavståndet för infraröda avståndssensorer är kort, vanligtvis inom tiotals centimeter. Till viss del kan det kompensera för bristerna hos ultraljudssensorer som inte kan mätas på nära håll. Därför använder detta system flera infraröda och ultraljudssensorer för att mäta och samla in avståndsinformation.

2. Spänningsprincip och metod

(1) Ultraljudssensor
Ultraljud avser ljudvågor med en resonansfrekvens högre än 20Hz. Ju högre frekvens, desto starkare reflektionsförmåga. Ultraljudssensorer är billiga och deras prestanda påverkas knappast av ljus, damm, rök, elektromagnetiska störningar, och metall, trä, betong, glas, gummi och papper kan reflektera nästan 100 % av ultraljudsvågorna, så de kan användas för att upptäcka föremål.
Metoden för ultraljudsavståndsmätning är ekodetekteringsmetoden. Den sändande givaren avger kontinuerligt ljudpulser. Efter att ljudvågen stött på hindret reflekteras den tillbaka och tas emot av den mottagande givaren. Avståndet till hindret beräknas enligt ljudets hastighet och tidsskillnad. Sambandet mellan avstånd och ljudhastighet och tid uttrycks.

(2) Metoder för att förbättra noggrannheten hos ultraljudsavståndsgivare
1. Använd lämplig frekvens och våglängd: med högeffekts ultraljudsgivare för att mäta avståndet, frekvensen är för låg; den externa brusinterferensen är mer; frekvensen är för hög, och dämpningen är stor under utbredningsprocessen. Dessutom är ultraljudssensorn benägen att generera döda fläckar under mätningsprocessen, och den mottagande änden är benägen att ta emot läckande vågor. För att förbättra denna brist är det nödvändigt att minska längden på den sända vågsträngen och öka frekvensen på den sända vågen. Men om längden på den sända vågsträngen är för kort, kan den sändande givaren inte exciteras eller så når inte den exciterade vibrationen det maximala värdet; om frekvensen för den sända vågen är för hög är dämpningen stor och arbetsavståndet minskar. Tester har visat att användningen av 40 kHz ultraljudsvågor för att överföra pulsgruppen innehåller 10-20 pulser och har god utbredningsprestanda.

2. Att förbättra systemets timingnoggrannhet kan också förbättra noggrannheten hos ultraljudsavståndsgivaren. Ju högre räknefrekvens för timern, desto mindre avståndsfel på grund av tidskvantiseringsfelet.

3. Kompensering av tidsfördröjningen för systemkretsen kan minska avståndsfelet och förbättra avståndsnoggrannheten. I formeln är △ t fördröjningstiden, s; s1, s2 är två kända mätavstånd, m; t1, t2 är motsvarande mättid, s.

(3) Infraröd sensor för undvikande av hinder
Infraröd är en elektromagnetisk våg mellan synligt ljus och mikrovågsugn. Därför har den inte bara egenskaperna för linjär utbredning av synligt ljus, reflektion, brytning, etc., utan har också vissa egenskaper hos mikrovågor, såsom stark penetration och förmåga att penetrera viss ogenomskinlig materia etc. Den infraröda sensorn inkluderar en infraröd emitterande enhet och en infraröd mottagningsenhet. Alla föremål i naturen kommer att utstråla infraröd strålning så länge som temperaturen är över absolut noll. Därför måste infraröda sensorer ha starkare sändnings- och mottagningsförmåga.

Grundprincipen för den infraröda ultraljudssensorns räckvidd är att det ljusemitterande röret sänder ut infrarött ljus, och det ljuskänsliga mottagningsröret tar emot det reflekterade ljuset från föremålet framför sig och bedömer sedan om det finns ett hinder framför det. Objektets avstånd kan bedömas efter intensiteten av det utsända ljuset. Dess princip är att intensiteten av ljuset som tas emot av mottagningsröret varierar med avståndet till det reflekterande föremålet. Den reflekterade ljusintensiteten är nära avståndet, och den reflekterade ljusintensiteten är långt borta.

För närvarande har en infraröd fotoelektrisk switch, som är en av de mest använda sensorerna, en överföringsfrekvens på cirka 38 kHz och ett relativt kort detekteringsavstånd. Det används vanligtvis för att känna igen kortdistanshinder. Detta system använder denna typ av sensor.

(4) Defekter i infraröd avståndsmätning
Påverkad av enhetens egenskaper har den allmänna infraröda fotoelektriska omkopplaren dålig anti-interferens och påverkas kraftigt av omgivande ljus; och färgen på det detekterade objektet och ytans jämnhet är olika, och intensiteten hos det reflekterade infraröda ljuset kommer att vara annorlunda.

För det tredje, hårdvarusystemets struktur

(1) Systemsammansättning
Avståndsmätsystemet består av mikrodatorer med en chip, ultraljudssändnings- och mottagningskrets, infraröd sändnings- och mottagningskrets, digital displaykrets och seriell kommunikationskrets. Styrkärnan är Lingyang 16-bitars mikrokontroller SPCE061 A. Det finns 2 16-bitars programmerbara källtimers1432-bitars programmerbara 1432-bitars programmerbara timers/timers. in-/utgångskanaler och 7-kanals 10-bitars A/D på chipet. omvandlare.

(2) Ultraljudssensorkrets
I / O9-I / O11-porten på Lingyang MCU är ansluten till trevägs ultraljudssändningskretsen och I / O3-I / O5 är ansluten till trevägs ultraljudsmottagningskretsen. 40 kHz-signalomvandlaren som genereras av mikrodatorn med en chip matas ut av I/O och förstärks av boosterförstärkarkretsen som består av inverteraren 4049B. Slutligen sänds den av den ultraljudssändande givaren UCM40T; ljudvågen återvänder till hindret och tas emot av den mottagande omvandlaren UCM40R. Signalen förstärks av en tvåstegs förstärkarkrets som består av OP07, frekvensvald av en faslåst slinga audiodekoder LM567, filtrerar bort störsignaler, och slutligen, matas in i en I/chips-mikrodator. Mikrodatorn med ett chip beräknar avståndet för hindret genom ljudvågens överföringstid.

(3) Infraröd sensorkrets
I/O0 ～ I/O6 i Lingyang MCU kan användas som en 10-bitars A/D-omvandlare. I detta system används I/O0 ～ I/O2-portarna på Lingyang MCU som A/D-omvandlare. I / O6 ～ I / O8 är anslutna till tre infraröda sändarkretsar, och I / O0 ～ I / O2 är anslutna till tre infraröda mottagare med krets. När I/O-porten på mikrodatorn med ett chip matar ut en hög nivå, leder den med det infraröda självlysande röret TLN205 och avger infrarött ljus; ljusvågen reflekteras efter att ha stött på ett hinder och tas emot av det infraröda mottagningsröret TPS708, som genererar en ström som motsvarar ljusintensiteten. Efter att den sammansatta tvåstegsförstärkarkretsen har förstärkts, matar den ut en analog spänning på 0 ~ 3V, som matas in till enchipsmikrodatorn via A/D-porten. Mikrodatorn med ett chip beräknar och bedömer avståndet till hindret genom spänningens storlek.

4. Mjukvarudesign
Enkelchipsdatorn SPCE061 A väljer systemfrekvensen fosc = 20,480MHz, CPU-klockfrekvensen (CPUCLK) är fosc / 2 = 10. 24 MHz, klockkällan väljer frekvensen 32768 Hz, klockkällan väljer frekvensen, och 1 bit / 1Hz, SP2CE 6 ger frekvensen räknare: TimerA och TImerB. Klockkällan för TIMERA bildas av operationerna hos klockkällan A och klockkällan B; klockkällan för TImerB är endast klockkälla A.
Ultraljudspulsen på 40 kHz är en fyrkantvåg med höga och låga nivåer som vardera upptar 12,5 μs. CPU-klockan är fördröjd med 123 instruktionscykler, vilket är 12,5 μs. Enkelchipsdatorn kan generera en pulssignal på 40 kHz genom att kontinuerligt generera höga och låga nivåer på 12,5 μs. En pulsgrupp på 20 pulser sänds ut varje gång under 0,5 ms, och pulsemissionen och intervalltiden är minst 20 ms, vilket matas ut från I/O-porten. . Systemet väljer timer A som ett timeravbrott på 20 ms och timer B som en ultraljudsräknare. Eftersom ultraljudssensorn har en dödzonsmätning, i programdesignen, slutförs avståndsmätningen på mer än 30 cm av ultraljudssensorn och den infraröda sensorn slutförs inom 30 cm.

I den infraröda avståndsprocessen används timern A för att generera ett 0,1S-avbrott för A/D-sampling, och spänningsvärdet omvandlas till avståndsinformation. I huvudprogrammet anger du först subrutinen för infraröd detektering. Om ett hinder upptäcks, gå in i subrutinen för dataöverföring, visning och rörelsekontroll; om inget hinder upptäcks, gå in i subrutinen för ultraljudsdetektering. Ultraljud upptäcker hinder och går sedan in i subrutinerna för dataöverföring, visning och rörelsekontroll. Om inga hinder upptäcks utförs infraröd detektering cykliskt infraröd respektive ultraljudsdetektering.

V. Mätresultat
Under testet används hinder av samma storlek, struktur och färg för mätning. Tester visar att systemets avståndsnoggrannhet ligger inom 1 % från 0 till 200 cm, vilket exakt kan mäta avståndet mellan hinder. Avståndsmätningen inom 30 cm görs av infraröda sensorer, och avståndsmätningen mellan 30 och 200 cm görs av ultraljudssensorer.

6. Slutsats
Denna artikel studerar ett lågkostnads-, lågeffekts- och högpresterande mobilt sidoavståndssystem för robotar, ett multisensorsystem som använder ultraljuds- och infraröda sensorer, vilket effektivt löser problemet med att mäta döda vinklar i ett enda sensoravståndssystem; De tre sensorgrupperna är sammansatta på tre olika positioner av roboten, så att roboten kan utföra avståndsuppgifterna i tre olika riktningar.