Застосування ультразвукової системи визначення дальності в мобільних роботах

Ультразвукові датчики широко використовуються в системах уникнення перешкод роботів. На основі принципу ультразвукового вимірювання відстані розроблена система паралельного визначення відстані. Ознайомлено з апаратним складом і програмним способом реалізації системи. Маючи на меті явище, коли паралельне визначення діапазону з кількома датчиками легко створює перешкоди, проаналізовано причину перешкод і запропоновано ефективне рішення. Система використовується в експерименті з уникнення перешкод мобільного робота, і наведені результати експериментального калібрування дальності вимірювання системи.

Ультразвуковий датчик для вимірювання відстані широко використовується в додатках, які вимагають вимірювання відстані, наприклад мобільних роботів для уникнення перешкод і реверсивних радарів завдяки їхнім перевагам простої обробки інформації, високої швидкості та низької ціни. Завдяки характеристикам випромінювання ультразвуку існуюча багатосенсорна система визначення дальності використовує циклічну передачу для зменшення генерування перешкод. Цей метод має велику сліпу зону для відстані, і продуктивність у реальному часі не може бути гарантована. Дані вимірювань також ускладнюють подальшу обробку, наприклад позиціонування перешкод і розрізнення форми. Вони розробляють ультразвукову систему визначення дальності з кількома датчиками, що працюють паралельно. Система використовується для експериментів з уникненням перешкод на інтелектуальних мобільних роботах, і отримано хороші результати.

1 Проектування ультразвукової системи вимірювання дальності

Існує багато методів ультразвукового вимірювання відстані. У цій статті використовується метод часу польоту, тобто відстань обчислюється шляхом вимірювання часу t ультразвукової хвилі від передаючого датчика через середовище розповсюдження до приймального датчика. Його принцип можна виразити формулою: L=vt/2, (L — відстань, яку потрібно виміряти; v — швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі, t — час проходження). Швидкість поширення ультразвуку в повітрі залежить від температури навколишнього середовища, а точність вимірювання відстані можна підвищити за допомогою температурної компенсації.

1.1 Схема апаратного проектування

В основному він включає верхній комп'ютер, процесор, схему ультразвукового генератора, схему приводу, підсилення сигналу, схему формування та порівняння.

Процесор використовує однокристальний процесор STC STC12C5410, який сумісний із серією 51. Кожен однокристальний мікрокомп’ютер керує двома ультразвуковими датчиками через мультиплексор, які розташовані спереду та ззаду робота. Основним завданням однокристального мікрокомп'ютера є вимірювання часу проходження і температури навколишнього середовища, а також обчислення відстані до перешкод. Однокристальний мікрокомп'ютер зв'язується з головним комп'ютером через RS232. Верхній комп’ютер аналізує отримані дані, щоб локалізувати перешкоди та контролювати рух робота.

Контур ультразвукового передавача складається з двох частин: коливального контуру та керуючого контуру. Коливальний контур — це проста схема, що складається з затвора NAND, резистора та конденсатора, який може генерувати прямокутний сигнал 40 кГц, щоб ультразвуковий датчик випромінював ультразвукові хвилі; ланцюг керування генерує ультразвуковий електричний імпульс із певною потужністю для збудження ультразвукового датчика, який складається з 6 елементів НЕ у паралельній композиції, використовуючи здатність керування самою мікросхемою. Після запуску останній сигнал, доданий до ультразвукового датчика, є прямокутним сигналом з амплітудою 5 В.

1.2 Проектування програмного забезпечення

У системі однокристальний мікрокомп’ютер повинен керувати 2 таймерами, один використовується для вимірювання часу проходження, а інший використовується для встановлення швидкості передачі даних між однокристальним комп’ютером і ПК для забезпечення точності зв’язку; керування зовнішнім портом переривання для моніторингу датчика прийому ультразвуку в режимі реального часу. Чи приймати відбитий ультразвуковий сигнал; використовувати вхід/вихід для керування датчиком ультразвукового передавача для випромінювання ультразвуку на певній частоті; використання єдиного протоколу шини для керування введенням/виведенням для читання зібраного значення температури. Однокристальний мікрокомп’ютер також повинен отримувати й обробляти команди верхнього комп’ютера, а також надсилати дані назад на верхній комп’ютер у реальному часі відповідно до вимог верхнього комп’ютера. 

The Схема датчика ультразвукового перетворювача розділена на три частини: посилення сигналу, формування та порівняння. Сигнал, отриманий ультразвуковим датчиком прийому, дуже слабкий, на рівні мілівольт, сигнал потрібно посилити, перш ніж його зможе виявити однокристальний мікрокомп’ютер. У цій статті двокаскадні підсилювальні схеми використовуються для посилення в цілому 1000 разів. Двокаскадні підсилювальні схеми з'єднані ємнісним опором. Сигнал з виходу підсилювача надходить у компаратор після проходження через схему формування подвоєння напруги. Регулювання еталонної напруги компаратора може змінити діапазон вимірювання та точність вимірювання системи вимірювання дальності. Вихідний сигнал компаратора підключається до INT0 однокристального мікрокомп'ютера, запускаючи однокристальне переривання.

Багатокомп'ютерний зв'язок використовується для передачі даних між однокристальним комп'ютером і головним комп'ютером. ПК не має біта управління кількома комп'ютерами, і 

Модуль ультразвукового датчика відстані потребує використання програмного забезпечення для імітації біта TB8/RB8 мікроконтролера. Кроки налаштування протоколу зв’язку такі:

1) Встановіть MCU у стан моніторингу адреси;

2) ПК посилає набір адресних даних з бітом парності 1;

3) Однокристальний мікрокомп’ютер визначає, чи збігається отримана адреса з локальною адресою. Якщо вона збігається, адресу буде надіслано хосту для встановлення угоди про рукостискання з хостом;

4) Після того, як хост отримує адресу, він надсилає дані з бітом парності 0, щоб сповістити мікроконтролер надіслати інформацію про відстань;

5) Однокристальний мікрокомп’ютер надсилає дані про відстань. Після надсилання поверніться до кроку, щоб продовжити моніторинг адреси.

Завдання полягає в тому, щоб надсилати набір команд запиту до послідовного порту кожні 50 мс відповідно до встановленого протоколу зв’язку для зчитування інформації про відстань, виміряної однокристальним мікрокомп’ютером; визначити місцезнаходження перешкоди, аналізуючи зчитану інформацію про відстань, і приблизно оцінити характеристики форми перешкоди; вживайте необхідних заходів для уникнення перешкод, контролюйте роботу робота та відображайте бігову доріжку. Програма має гарний користувальницький інтерфейс, який сприяє налагодженню програми.