Аналіз застосування ультразвукового датчика в системі відстані мобільного робота

I. Вступ

У процесі уникнення перешкод у режимі реального часу та планування шляху для автономних мобільних роботів робот повинен покладатися на отримання інформації про зовнішнє середовище, відчувати наявність перешкод і вимірювати відстань до перешкод. В даний час датчики уникнення перешкод і визначення дальності роботів включають інфрачервоні, ультразвукові, лазерні та візуальні датчики. Лазерні датчики і візуальні датчики дорогі і вимагають високих вимог до контролерів. Тому інфрачервоний і Ультразвукові датчики рівня в основному використовуються в системах мобільних роботів.

Більшість систем використовують один датчик для збору інформації, але через проблему вимірювання сліпих зон радіус дії ультразвукових датчиків зазвичай становить від 30 до 300 см; в той час як відстань виявлення інфрачервоних датчиків відстані невелика, як правило, в межах десятків сантиметрів. Певною мірою це може компенсувати недоліки ультразвукових датчиків, які неможливо виміряти на близькій відстані. Тому ця система використовує кілька інфрачервоних і ультразвукових датчиків для вимірювання та збору інформації про відстань.

2. Принцип і метод ранжування

(1) Ультразвуковий датчик
Ультразвуком називаються звукові хвилі з резонансною частотою вище 20 Гц. Чим вища частота, тим сильніша здатність відображення. Ультразвукові датчики недорогі, на їх роботу майже не впливає світло, пил, дим, електромагнітні перешкоди, а метал, дерево, бетон, скло, гума та папір можуть відбивати майже 100% ультразвукових хвиль, тому їх можна використовувати для виявлення об’єктів.
Методом ультразвукового вимірювання відстані є метод еходетектора. Передавальний перетворювач безперервно випромінює звукові імпульси. Коли звукова хвиля зустрічає перешкоду, вона відбивається назад і приймається приймальним перетворювачем. Відстань до перешкоди розраховується відповідно до швидкості звуку та різниці в часі. Виражено залежність між відстанню та швидкістю звуку та часом.

(2) Методи підвищення точності ультразвукового вимірювального перетворювача
1. Використовуйте відповідну частоту та довжину хвилі: використовуючи потужний ультразвуковий перетворювач для вимірювання відстані, частота занадто низька; зовнішні шумові перешкоди більше; частота занадто висока, а загасання велике під час процесу розповсюдження. Крім того, ультразвуковий датчик схильний утворювати сліпі плями під час процесу вимірювання, а приймальний кінець схильний сприймати хвилі витоку. Для усунення цього недоліку необхідно зменшити довжину хвилі, що проходить, і збільшити частоту хвилі, що проходить. Однак, якщо довжина переданої хвильової струни занадто коротка, передавальний перетворювач не може бути збуджений або збуджена вібрація не досягає максимального значення; якщо частота переданої хвилі занадто висока, загасання велике, і робоча відстань зменшується. Випробування показали, що використання ультразвукових хвиль 40 кГц для передачі групи імпульсів містить 10-20 імпульсів і має хороші характеристики розповсюдження.

2. Підвищення точності синхронізації системи також може підвищити точність ультразвукового датчика відстані. Чим вище частота підрахунку таймера, тим менша помилка визначення діапазону через помилку квантування часу.

3. Компенсація часової затримки системної схеми може зменшити помилку вимірювання дальності та підвищити точність визначення дальності. У формулі △ t – час затримки, с; s1, s2 – дві відомі відстані вимірювання, м; t1, t2 – відповідний час вимірювання, с.

(3) Інфрачервоний датчик уникнення перешкод.
Інфрачервоне випромінювання – це електромагнітна хвиля між видимим світлом і мікрохвилями. Таким чином, він не тільки має характеристики лінійного поширення видимого світла, відбивання, заломлення тощо, але також має певні характеристики мікрохвиль, такі як сильне проникнення та здатність проникати через певну непрозору матерію тощо. Інфрачервоний датчик включає в себе інфрачервоний випромінюючий пристрій та інфрачервоний приймальний пристрій. Усі об’єкти в природі випромінюють інфрачервоне випромінювання, поки температура вище абсолютного нуля. Тому інфрачервоні датчики повинні мати потужніші передавальні та приймальні можливості.

Основний принцип вимірювання дальності інфрачервоного ультразвукового датчика полягає в тому, що світловипромінювальна трубка випромінює інфрачервоне світло, а світлочутлива приймальна трубка приймає відбите світло об’єкта перед ним, а потім визначає, чи є перед ним перешкода. За інтенсивністю випромінюваного світла можна судити про відстань об'єкта. Його принцип полягає в тому, що інтенсивність світла, яке приймає приймальна трубка, змінюється залежно від відстані до об’єкта, що відбиває. Інтенсивність відбитого світла близька до відстані, а інтенсивність відбитого світла – далеко.

В даний час інфрачервоний фотоелектричний перемикач, який є одним з найбільш використовуваних датчиків, має частоту передачі близько 38 кГц і відносно коротку відстань виявлення. Зазвичай використовується для розпізнавання перешкод на короткій відстані. Ця система використовує такий датчик.

(4) Дефекти інфрачервоного вимірювання відстані
Залежно від характеристик пристрою, загальний інфрачервоний фотоелектричний перемикач має низький захист від перешкод і на нього сильно впливає навколишнє освітлення; і колір виявленого об'єкта, і гладкість поверхні різні, і інтенсивність відбитого інфрачервоного світла буде різною.

По-третє, апаратна структура системи

(1) Склад системи.
Система вимірювання відстані складається з однокристального мікрокомп’ютера, ультразвукової передавальної та приймальної схеми, інфрачервоної передавальної та приймальної схеми, схеми цифрового дисплея та послідовної комунікаційної схеми. Ядром керування є 16-розрядний мікроконтролер Lingyang SPCE061 A. Є 2 16-розрядних програмованих таймера/таймера, 14 джерел переривань, 32-розрядний універсальний програмований вхід/вихід каналів, і 7-канальний 10-бітний A/D на мікросхемі. конвертер.

(2) Ланцюг ультразвукового датчика.
Порт I / O9-I / O11 Lingyang MCU підключено до тристоронньої ультразвукової передавальної схеми, а I / O3-I / O5 підключено до тристоронньої ультразвукової приймальної схеми. Перетворювач сигналу 40 кГц, створений однокристальним мікрокомп'ютером, виводиться на вхід/вихід і посилюється ланцюгом допоміжного підсилювача, що складається з інвертора 4049B. Нарешті, він передається ультразвуковим передавальним перетворювачем UCM40T; звукова хвиля повертається до перешкоди та приймається приймальним перетворювачем UCM40R. Сигнал посилюється двокаскадною схемою підсилювача, що складається з OP07, частота вибирається аудіодекодером LM567 з фазовою автопідстроюванням частоти, фільтруючи сигнали перешкод і, нарешті, вводиться в однокристальний мікрокомп’ютер через порт вводу-виводу. Однокристальний мікрокомп'ютер обчислює відстань до перешкоди за часом проходження звукової хвилі.

(3) Схема інфрачервоного датчика
I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU можна використовувати як 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач. У цій системі порти I/O0 ～ I/O2 Lingyang MCU використовуються як аналого-цифрові перетворювачі. I / O6 ～ I / O8 підключені до трьох схем інфрачервоного передавача, а I / O0 ～ I / O2 підключені до трьох інфрачервоних приймачів із схемою. Коли порт вводу/виводу однокристального мікрокомп’ютера видає високий рівень, він проводить інфрачервону люмінесцентну трубку TLN205 і випромінює інфрачервоне світло; світлова хвиля відбивається після зустрічі з перешкодою та приймається інфрачервоною приймальною трубкою TPS708, яка генерує струм, що відповідає інтенсивності світла. Після посилення складеної двокаскадної схеми підсилення вона видає аналогову напругу 0 ~ 3 В, яка надходить на однокристальний мікрокомп’ютер через порт A/D. Однокристальний мікрокомп'ютер обчислює та оцінює відстань до перешкоди за величиною напруги.

4. Розробка програмного забезпечення.
Однокристальний комп’ютер SPCE061 A вибирає системну частоту fosc = 20,480 МГц, тактова частота ЦП (CPUCLK) – fosc / 2 = 10,24 МГц, джерело тактового сигналу вибирає частоту 32768 Гц, джерело тактового сигналу вибирає частоту 1 Гц, а SPCE061A забезпечує 216-бітну синхронізацію/лічильник: TimerA та TIMErB. Джерело тактового сигналу TIMErA формується за допомогою операцій джерела тактового сигналу A та джерела тактового сигналу B; джерелом тактового сигналу TImerB є лише джерело тактового сигналу А.
Ультразвуковий імпульс 40 кГц є прямокутною хвилею з високим і низьким рівнями, кожен з яких займає 12,5 мкс. Лічильник тактової частоти процесора затримується на 123 цикли інструкцій, що становить 12,5 мкс. Однокристальний комп’ютер може генерувати імпульсний сигнал 40 кГц, безперервно генеруючи високий і низький рівні 12,5 мкс. Імпульсна група з 20 імпульсів випромінюється щоразу протягом 0,5 мс, а випромінювання імпульсу та час інтервалу становлять не менше 20 мс, які виводяться з порту вводу-виводу. . Система вибирає таймер A як переривання таймера на 20 мс, а таймер B як ультразвуковий лічильник. Оскільки ультразвуковий датчик має вимірювання мертвої зони, у розробці програми вимірювання відстані понад 30 см виконується ультразвуковим датчиком, а інфрачервоним датчиком – у межах 30 см.

У процесі інфрачервоного вимірювання дальності таймер A використовується для генерації переривання 0,1 с для дискретизації аналого-цифрового сигналу, а значення напруги перетворюється на інформацію про відстань. У головній програмі спочатку введіть підпрограму інфрачервоного виявлення. При виявленні перешкоди увійти в підпрограму передачі даних, відображення та управління рухом; якщо перешкоди не виявлено, увійдіть до підпрограми ультразвукового виявлення. Ультразвук виявляє перешкоди, а потім вводить підпрограми передачі даних, відображення та керування рухом. Якщо перешкоди не виявлено, інфрачервоне виявлення виконується циклічно відповідно підпрограмами інфрачервоного та ультразвукового виявлення.

V. Результати вимірювань
Під час тесту для вимірювання використовуються перешкоди однакового розміру, текстури та кольору. Випробування показують, що точність визначення дальності системи становить 1% від 0 до 200 см, що дозволяє точно вимірювати відстань до перешкод. Вимірювання відстані в межах 30 см здійснюється інфрачервоними датчиками, а вимірювання відстані від 30 до 200 см здійснюється ультразвуковими датчиками.

6. Висновок
У цій статті досліджується недорога, малопотужна, високопродуктивна мобільна робота-система бокового дистанційування, система з кількома датчиками, що використовує ультразвукові та інфрачервоні датчики, яка ефективно вирішує проблему вимірювання сліпих зон в системі визначення дальності з одним датчиком; Три групи датчиків зібрані в трьох різних положеннях робота, щоб робот міг виконувати завдання визначення дальності в трьох різних напрямках.