Tillämpning av ultraljudsavståndssystem i mobil robot

Ultraljudssensorer används ofta i system för undvikande av hinder för robotar. Baserat på ultraljudsavståndsprincipen är ett parallellt avståndssystem utformat. Systemets hårdvarusammansättning och mjukvaruförverkligandemetoden introduceras. Med sikte på fenomenet att parallellavstånd med flera sensorer är lätt att generera störningar, analyseras orsaken till störningen och en effektiv lösning föreslås. Systemet används i experimentet med att undvika hinder för mobila robotar, och de experimentella kalibreringsresultaten för systemets mätområde ges.

Ultraljudssensor för avståndsmätning används ofta i applikationer som kräver avståndsmätning som mobila robotar för att undvika hinder och backradar på grund av deras fördelar med enkel informationsbehandling, snabb hastighet och lågt pris. På grund av ultraljuds strålningsegenskaper använder det befintliga multisensoravståndssystemet round-robin-överföring för att minska genereringen av störningar. Denna metod har en stor död fläck för avstånd, och realtidsprestanda kan inte garanteras. Mätdata är också besvärliga för efterföljande bearbetning såsom hinderpositionering och formdiskriminering. De designar ett ultraljudsavståndssystem med flera sensorer som arbetar parallellt. Systemet används för försök att undvika hinder på intelligenta mobila robotar och goda resultat erhålls.

1 Design av ultraljudsavståndssystem

Det finns många metoder för ultraljudsavståndsmätning. Den här artikeln använder tiden för flygningsmetoden, det vill säga avståndet beräknas genom att mäta tiden t för ultraljudsvågen från den sändande sensorn genom utbredningsmediet till den mottagande sensorn. Dess princip kan uttryckas med formeln som L=vt/2, (L är avståndet som ska mätas; v är utbredningshastigheten för ultraljudsvågor i luften och t är transittiden). Utbredningshastigheten för ultraljud i luften är relaterad till omgivningens temperatur, och avståndsmätningens noggrannhet kan förbättras genom temperaturkompensation.

1.1 Hårdvarukretsdesign

Det inkluderar främst övre dator, processor, ultraljudsoscillatorkrets, drivkrets, signalförstärkning, formning och jämförelsekrets.

Processorn använder STC single-chip STC12C5410, som är kompatibel med 51-serien. Varje mikrodator med ett chip styr två ultraljudssensorer via en multiplexer, som är placerade på fram- och baksidan av roboten. Huvuduppgiften för mikrodatorn med ett chip är att mäta transittiden och omgivningstemperaturen och beräkna avståndet mellan hindren. Mikrodatorn med ett chip kommunicerar med värddatorn via RS232. Den övre datorn analyserar mottagna data för att lokalisera hinder och kontrollera robotens rörelse.

Ultraljudssändarkretsen består av två delar: en oscillationskrets och en drivkrets. Den oscillerande kretsen är en enkel krets som består av en NAND-grind, ett motstånd och en kondensator, som kan generera en 40 kHz fyrkantvågssignal för att driva ultraljudssensorn att avge ultraljudsvågor; drivkretsen genererar en elektrisk ultraljudspuls med en viss effekt för att excitera ultraljudssensorn, som är sammansatt av 6 INTE-grindar i parallell sammansättning, med hjälp av själva chipets drivförmåga. Efter att ha drivits är den slutliga signalen som läggs till ultraljudssensorn en fyrkantvåg med en amplitud på 5V.

1.2 Programdesign

I systemet måste mikrodatorn med ett chip styra 2 timers, den ena används för att mäta transittiden och den andra används för att ställa in överföringshastigheten för kommunikationen mellan enkretskretsen och datorn för att säkerställa kommunikationens noggrannhet; styra en extern avbrottsport för att övervaka den ultraljudsmottagande sensorn i realtid Om den reflekterade ultraljudssignalen ska tas emot; använd en I/O för att styra ultraljudssändarsensorn så att den avger ultraljud vid en viss frekvens; använder ett enda bussprotokoll för att styra en I/O för att läsa av det insamlade temperaturvärdet. Enkelchipsmikrodatorn behöver också ta emot och bearbeta kommandon från den övre datorn och skicka tillbaka data till den övre datorn i realtid enligt kraven från den övre datorn. 

De ultraljudsgivarens sensorkrets är uppdelad i tre delar: signalförstärkning, formning och jämförelse. Signalen som tas emot av den ultraljudsmottagande sensorn är mycket svag, i millivoltnivån måste signalen förstärkas innan den kan detekteras av mikrodatorn med ett chip. I denna artikel används tvåstegsförstärkningskretsar för att förstärka totalt 1000 gånger. Tvåstegsförstärkarkretsarna är anslutna genom resistans-kapacitanskoppling. Utsignalen från förstärkaren flödar in i komparatorn efter att ha passerat genom spänningsfördubblarformningskretsen. Justering av referensspänningen för komparatorn kan ändra mätområdet och mätnoggrannheten för avståndssystemet. Utsignalen från komparatorn är ansluten till INT0 på mikrodatorn med ett chip, vilket utlöser avbrott med ett chip.

Flerdatorkommunikation används för att överföra data mellan enchipsdatorn och värddatorn. Datorn har ingen kontrollbit för flera datorer, och 

ultraljudsavståndssensormodulen måste använda programvara för att simulera TB8/RB8-biten på mikrokontrollern. Inställningsstegen för kommunikationsprotokoll är följande:

1) Ställ in MCU:n att vara i adressövervakningstillståndet;

2) PC:n skickar en uppsättning adressdata med en paritetsbit på 1;

3) Enkelchipsmikrodatorn bedömer om den mottagna adressen är densamma som den lokala adressen. Om det är samma, kommer adressen att skickas till värden för att upprätta ett handslagsavtal med värden;

4) Efter att värden tagit emot adressen skickar den data med en paritetsbit på 0 för att meddela mikrokontrollern att skicka avståndsinformationen;

5) Mikrodatorn med ett chip skickar avståndsdata. Efter sändning, gå tillbaka till steg för att fortsätta att övervaka adressen.

Uppgiften är att skicka en uppsättning frågekommandon till den seriella porten var 50:e ms enligt det inställda kommunikationsprotokollet för att läsa avståndsinformationen uppmätt av mikrodatorn med en chip; lokalisera hindret genom att analysera den avlästa avståndsinformationen och grovt bedöma hindrets formegenskaper; vidta nödvändiga åtgärder för att undvika hinder kontrollera robotens drift och visa löparbanan. Programvaran har ett bra användargränssnitt, vilket bidrar till programfelsökning.