Detektionssystem för autonom mobil robot baserat på ultraljudssensor

En förlängning av ultraljudssensorn är ett bra komplement till det befintliga detektionssystemet för mobila robotar. Det har demonstrerats fullt ut i experimentella tillämpningar, och det har en viss praktisk funktion i hinderdetektion och justering av robotposition. Denna metod behöver dock förbättras ytterligare i realtid och noggrannhet.

 

En av de viktigaste u ltraljudsnivåsensor för mobila robotar att förvärva autonomt beteende är att skaffa kunskap om miljön. Detta uppnås genom att använda olika ultraljudssensormätningar och extrahera information från dessa mätningar. Sensorer som syn, infraröd, laser och ultraljud har alla använts i mobila robotar. Ultraljudssensorer har använts i stor utsträckning i mobila robotavkänningssystem på grund av deras höga kostnadsprestanda och enkla hårdvaruimplementering. Men ultraljudssensorer har också vissa begränsningar, främst på grund av den stora strålvinkeln, dålig riktning och instabilitet vid avståndsmätning (under icke-vertikal reflektion). Därför används ofta flera ultraljudssensorer eller andra sensorer för att kompensera. För att kompensera för bristerna hos själva ultraljudssensorn och förbättra dess förmåga att få miljöinformation, designar detta papper ett detekteringssystem som består av en integrerad ultraljudssensor och en stegmotor.

 

1 Analys av detekteringsprincipen och metoden för ultraljudssensorer

 

Grundprincipen för en ultraljudssensor är att skicka (ultrasonic) tryckvågspaket och mäta den tid det tar för vågpaketen att sändas och returneras till mottagaren.

 

Bland dem är det avståndet mellan målet och ultraljudssensorn; c är ultraljudsvåghastigheten (för att förenkla beskrivningen beaktas inte temperaturens inverkan på våghastigheten när den mäter avståndet som diskuteras nedan; t är tidsintervallet från emission till mottagning.

 

För att mäta avstånd med ultraljud är inte en punktmätning. Ultraljudssensorer har vissa diffusionsegenskaper. Den emitterade ultraljudsenergin är huvudsakligen koncentrerad till huvudloben och dämpas i en vågliknande form på båda sidor om huvudvågaxeln, med en diffusionsvinkel på cirka 30 ° åt vänster och höger. Faktum är att beräkningsmetoden för formel över tid är baserad på framgångsrik, vertikal reflektion av ultraljudsvågor. Det är dock svårt för en mobil robot att säkerställa stabiliteten i sin egen rörelseställning. Detekteringsmetoden som en ultraljudssensor fixeras på den mobila robotens kropp används. När den mobila roboten avviker från en parallell vägg är detekteringssystemet ofta svårt att få fram det faktiska avståndet. Dessutom, när divergenskaraktäristiken för ultraljud används för att mäta hinder, kan den endast tillhandahålla avståndsinformation för målhindret, men inte riktning och gränsinformation för målet. Dessa defekter begränsar i hög grad den praktiska tillämpningen och marknadsföringen av ultraljudssensorer.

 

Baserat på teoretisk analys och kontinuerliga tester, använder detta dokument en fyrfas stegmotor för att driva en enda integrerad ultraljudssensor att rotera för att bilda ett dynamiskt avkänningssystem.

 

2 Detektionssystem består av integrerad ultraljudssensor och stegmotor

 

2.1 Strukturell utformning

 

Ultraljudssensorn är svetsad på PCB-kortet, kortet byggs upp av ett stålrör och den andra änden av stålröret är ansluten till stegmotorns axel och stegmotorn är fixerad under robotchassit. Ultraljudssensorns styrsignal och utsignal som är anslutna till styrkortet på fordonskarossen genom signalledningen. Dessutom läggs en konformad hylsa av skummaterial till framför sonden på ultraljudssensorn, diametern på den övre munnen är 22 mm, diametern på den nedre munnen är 16 mm och höjden är 20 mm. På detta sätt begränsas strålvinkeln för den sända vågen och vinkeln vid vilken den reflekterade vågen tas emot kraftigt. För att roboten ska kunna justera sin hållning måste den bestämma sin egen rotationsriktning och referensposition. Därför tillverkas en enkel fotoelektrisk kodare som består av en direkt infraröd fotoelektrisk sensor och en skivspelare av oss själva. Fördelningen av 2 direkta infraröda fotoelektriska sensorer visas och de är horisontellt anordnade på mittpunktsanslutningslinjen på båda sidor av robotbilens kaross med 180 ° intervall. Vridskivan och den roterande armen är anslutna till en koncentrisk cirkel, som visas av den yttre cirkeln i figuren, 1, 3 skallinjerna är åtskilda med 27 ° ; 2, 1 skallinjerna är åtskilda med 180 ° och 1 skallinjen och ultraljudssensorns centrum hålls på samma horisontella linje. Enbart I-ledning används som referenskoordinat, I och II styrs samtidigt för att bestämma rotationsriktningen, och Ⅱ enkelpassage används som navigeringsreferens när roboten återvänder längs väggen.

 

Den integrerade ultraljudssensorn drivs att rotera av en stegmotor, och riktningen för ultraljudssensorns centrala axel vinkelrät mot robotkroppen används som koordinatreferens för dess egen ställningsjustering. Stegmotorn antar en 4-fas 4-takts stegvinkel på 1,8 ° och 1 steg per varv, ultraljudssensorn detekterar en gång och skickar mätvärdet till den övre datorn via serieporten.

 

2.2 Detekteringssystem hårdvarudesign

 

Detekteringssystemets hårdvara består huvudsakligen av ultraljudsgenereringskrets, ultraljudsmottagningskrets, stegmotorhastighetskontrollmodul, etc. Kärnan i systemet är enkelchippet , som huvudsakligen avslutar signalöverföringen och mottagningen, styr stegmotorn och överför data till robotens värddator för bearbetning.

 

Ultraljudssändarkretsen använder P11-porten på enkelchippet för att mata ut sändarpulsen och drivs av 74HC04 för att ansluta ultraljudssensorn. De förbättrar dess utströmskapacitet och ökar överföringsavståndet för ultraljudssensorn.

 

Ultraljudsmottagnings- och bearbetningskretsen antar integrerad krets. det är en dedikerad integrerad krets för infraröda mottagare. Här används CX20106 som en förstärknings- och detekteringsenhet för att ta emot signaler från ultraljudssensorer, och goda resultat har också uppnåtts. Efter att förförstärkaren tagit emot den reflekterade signalen från ultraljudsmottagningssonden förstärker den signalen med en spänningsförstärkning på cirka 80 dB. Sedan skickas signalen till begränsningsförstärkaren för att göra den till en rektangulär puls, och sedan väljs frekvensen av filtret för att filtrera bort störsignalen, bärvågsfrekvensen filtreras bort av detektorn för att detektera kommandosignalen, och efter formning matas den ut av stift 7 låg nivå. Den fallande flanken på pulsutgången från stift 7 matas in genom INT0-porten på mikrokontrollern.

 

Sändarkretsen och mottagarkretsen för den integrerade ultraljudssensorn använder samma sensorstiftingång/utgång. Om ingången/utgången inte är isolerad kommer mottagarkretsen och sändarkretsen att påverkas kraftigt. Den dubbelriktade analoga CMOS-omkopplaren används för att realisera sändnings- och mottagningsisoleringen. Stegmotorstyrmodulen antar styrläget för ringpulsfördelare L297 + dubbel H-brygga kraft integrerad krets L298. P1.6, P1.7 och P2.3 i mikrodatorn med en chip är anslutna till CW, klocka, och aktiverar kontrollterminaler på L297 för att styra framåt och bakåt rotation, klocksignal, start och stopp av motorn.

 

2.3 Design av programvara för detekteringssystem

Mjukvaran för detektionssystemet består huvudsakligen av en huvudprogrammodul, en avbrottsserviceprogrammodul och en ultraljudssensor har sändnings- och mottagningsmodul. Detekteringssystemets huvudprogrammodul förklaras huvudsakligen här.

 

Ultraljudssensorer och stegmotormätnings- och kontrollmoduler styrs av olika mikrodatorer med ett chip, så avkänningssystemet och den övre datorn på den mobila roboten måste förlita sig på I/O-portlinjen och seriell asynkron kommunikation mellan mikrodatorerna med ett chip. Flaggan T används för att byta åtgärder. När T=0 och OFF=0 är uppfyllda samtidigt är det en vanlig detekteringsprocess av ultraljudssensorer; när T=1, OFF=0, används den för att justera azimuten före varje cykelmätning; OFF=1 Väntar på nästa åtgärd. Timern T0 används för att beräkna tiden för ekot, så avståndsvärdet d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. en triggerpuls ges till stegmotorn. Bestäm sedan om nästa åtgärd är att göra sensordetektering eller att justera azimutvinkeln för själva roboten, som går in i en ny cykel.

 

3 Experiment och tillämpning av detektionssystem på mobil robot

3.1 Hitta den punkt som ligger närmast väggen

 

I den här artikeln är designidén att hitta den närmaste punkten till väggen baserad på ultraljudsavstånd. Välj metod för mätning av avstånd på tidsnivå och begränsa mottagningsområdet för ultraljudssensorn genom att ställa in mottagningsekotröskeln och lägga till en ljudabsorberande hylsa före sonden. Den uppmätta strålvinkeln är ca ± 20° vid a

avstånd på 75 cm, och den effektiva vinkeln som kan ta emot reflekterade vågor är ca ± 40°.

 

Den ungefärliga koniska strålen från ultraljudssensorn bestämmer reflektionsavståndet för den närmaste punkten varje gång den mäter avståndet. Även om strålvinkeln avviker från den prickade linjen är det faktiska avståndet fortfarande värdet som mäts längs strålens mittlinje. Teoretiskt sett bör avståndet som mäts inom den sändande strålvinkeln vara detsamma, men chocktiden för ultraljudssensorn och inställningen av mottagningströskeln, inklusive reflektionen av väggen, kommer att ha en viss inverkan på avståndsmätningen. Mät genom experiment, inom en viss vinkel (ungefär ± 20° ), ändras mätavståndsvärdet inte signifikant och dess närliggande värden är relativt nära (högst 2 mm). När avböjningsvinkeln fortsätter att öka ökar också förändringarna i intilliggande mätvärden avsevärt. Därför är en metod att använda dessa två kritiska punkter för att hitta vinkeln mellan strålen och väggen (det vill säga den punkt som ligger närmast väggen), och stegmotorn driver ultraljudet att rotera för att hitta dessa två kritiska punkter. När två angränsande värden kontinuerligt detekteras under 2 mm anses det ha kommit in i den stabila zonen, och punkten där förändringen sker före och efter ställs in som den kritiska punkten. Alla punkter inom denna kritiska punkt registreras, och sedan beräknas mittpunkten. Mittpunkten är den närmaste punkten mellan väggen och ultraljudssensorn. den visar en uppsättning uppmätta data. Inom 72 °～ 108° är det det stabila området för avståndsmätning. Utanför detta överstiger den intilliggande avvikelsen av det uppmätta avståndet 8 mm, och med vinkeln kommer den att förstoras ytterligare när den vänds åt båda sidor. Experiment utfördes genom att ändra avståndet mellan den integrerade ultraljudssensorn och väggen inom 50 cm och 200 cm. Som ett resultat begränsades det uppmätta felet för den vertikala vinkeln mot väggen till 2 stegvinklar.

 

3.2 Detekteringssystemet appliceras på roboten för att navigera längs väggen

 

Autonoma mobila robotar upptäcker information om den aktuella miljön under rörelse. Avståndsinformationen som upptäcks varje gång mäts utifrån den aktuella robotens rörelseställning. Medan den går i en rak linje längs väggen garanterar roboten noggrannheten i sin bana genom den gemensamma uppfattningen av avståndsmätning och sin egen hållning. Ultraljudsavståndsmätning har använts i stor utsträckning. Efter att ha testat förhållandet mellan ultraljudsdetekteringsvinkel och avståndsmätning kan ultraljudssensorer användas för att mäta fordonskarossens azimutvinkel (för att bestämma dess egen hållning) enligt metoden för att beräkna den närmaste punkten. Den uppmätta närmaste punkten är det faktiska avståndet mellan roboten och väggen. Referenskoordinaterna för roboten bestäms av den direkta infraröda sensorn 1 på den enkla kodaren, och den närmaste punkten beräknas enligt den information som lagras under varje steg i stegmotorn. Mellan referenskoordinaterna och den närmaste punkten används den vinkel som stegmotorn korsas för att bestämma avböjningsvinkeln mellan roboten och väggen, och sedan överförs avböjningsvinkeln till styrsystemet för hjuldrift för att justera azimutvinkeln.

 

3.3 Sök efter hinder

 

Användningen av en stegmotor för att driva industriell ultraljudssensor

 att rotera är funktionellt likt multisensordetektering. Mobila robotar använder vanligtvis flera ultraljudssensorer runt kroppen för att få mer information, och ökar därmed utbudet av hinder och bestämmer målriktning och gränsinformation. Däremot är en fördel med rotationsmetoden att detektionstätheten kan justeras automatiskt efter hindrets täthet. Antalet ytterligare sensorer begränsas av sina egna förhållanden, och rotationsmetodens täthet är endast relaterad till stegmotorns stegvinkel. Ökningen av detektionstätheten kan avsevärt förbättra upplösningen av vinkeln, och därigenom stärka bestämningen av målriktningen och gränsinformation.

 

Detta system är en förlängning av funktionen hos ultraljudsnärhetssensor och ett bra komplement till det befintliga detektionssystemet för mobila robotar. Det har demonstrerats fullt ut i experimentella tillämpningar, och det har en viss praktisk funktion i hinderdetektion och justering av robotposition. Denna metod behöver dock förbättras ytterligare i realtid och noggrannhet.