Система виявлення автономного мобільного робота на основі ультразвукового датчика

Розширення ультразвукового датчика є хорошим доповненням до існуючої системи виявлення мобільних роботів. Це було повністю продемонстровано в експериментальних програмах, і воно має певну практичність у виявленні перешкод і коригуванні пози робота. Однак цей метод потребує подальшого вдосконалення в режимі реального часу та точності.

 

Один з найважливіших u Ультразвуковий датчик рівня для мобільних роботів, щоб набути автономної поведінки – це отримати знання про навколишнє середовище. Це досягається шляхом використання різних вимірювань ультразвукового датчика та отримання інформації з цих вимірювань. Такі датчики, як бачення, інфрачервоні, лазерні та ультразвукові, використовуються в мобільних роботах. Ультразвукові датчики широко використовуються в сенсорних системах мобільних роботів через їх високу вартість і просту апаратну реалізацію. Однак ультразвукові датчики також мають певні обмеження, в основному через великий кут променя, погану спрямованість і нестабільність вимірювання відстані (при невертикальному віддзеркаленні). Тому для компенсації часто використовують кілька ультразвукових датчиків або інших датчиків. Щоб компенсувати недоліки самого ультразвукового датчика та покращити його здатність отримувати інформацію про навколишнє середовище, у цій статті розроблено систему виявлення, що складається з вбудованого ультразвукового датчика та крокового двигуна.

 

1 Аналіз принципу та методу виявлення ультразвукових датчиків

 

Основним принципом ультразвукового датчика є надсилання (ультразвукових) хвильових пакетів тиску та вимірювання часу, необхідного для передачі хвильових пакетів і повернення до приймача.

 

Серед них це відстань між ціллю та ультразвуковим датчиком; c — швидкість ультразвукової хвилі (для спрощення опису вплив температури на швидкість хвилі не враховується, коли вимірюється відстань, про яку йдеться нижче; t — інтервал часу від випромінювання до прийому.

 

Тому що вимірювання відстані ультразвуком не є точковим. Ультразвукові датчики мають певні дифузійні характеристики. Випромінювана ультразвукова енергія в основному зосереджена на головній пелюстці та затухає у хвилеподібній формі по обидва боки від осі головної хвилі з кутом дифузії приблизно 30 ° ліворуч і праворуч. Насправді метод розрахунку за формулою в часі заснований на успішному вертикальному відображенні ультразвукових хвиль. Проте мобільному роботу складно забезпечити стабільність пози власного руху. Використовується метод виявлення, при якому ультразвуковий датчик закріплюється на корпусі мобільного робота. Коли мобільний робот відхиляється від паралельної стіни, системі виявлення часто важко визначити фактичну відстань. Крім того, коли характеристика розбіжності ультразвуку використовується для вимірювання перешкод, вона може надавати лише інформацію про відстань цільової перешкоди, але не інформацію про напрямок і межі цілі. Ці недоліки сильно обмежують практичне застосування та просування ультразвукових датчиків.

 

Базуючись на теоретичному аналізі та безперервному тестуванні, у цьому документі використовується чотирифазний кроковий двигун для приводу одного інтегрованого ультразвукового датчика, який обертається, утворюючи динамічну сенсорну систему.

 

2 Система виявлення складається з вбудованого ультразвукового датчика та крокового двигуна

 

2.1 Конструктивне проектування

 

Ультразвуковий датчик приварений до плати друкованої плати, плата побудована сталевою трубою, а інший кінець сталевої труби з’єднаний з валом крокового двигуна, а кроковий двигун закріплений під шасі робота. Контрольний сигнал ультразвукового датчика та вихідний сигнал, які підключаються до панелі керування на кузові транспортного засобу через сигнальну лінію. Крім того, перед зондом ультразвукового датчика додана конусоподібна втулка з спіненого матеріалу, діаметр верхнього гирла – 22 мм, діаметр нижнього гирла – 16 мм, висота – 20 мм. Таким чином, кут променя хвилі, що проходить, і кут, під яким приймається відбита хвиля, сильно обмежені. Щоб робот регулював свою позу, йому необхідно визначити власний напрямок обертання та вихідне положення. Таким чином, простий фотоелектричний кодер, що складається з прямого інфрачервоного фотоелектричного датчика та вертушки, виготовляється нами. Показано розподіл 2 прямих інфрачервоних фотоелектричних датчиків, розташованих горизонтально на середній лінії з’єднання з обох боків кузова автомобіля-робота з інтервалом 180 ° . Поворотний столик і обертовий важіль з’єднані по концентричному колі, як показано зовнішнім колом на малюнку, 1, 3 лінії шкали розділені на 27 ° ; лінії шкали 2, 1 розділені на 180 ° , а лінія шкали 1 і центр ультразвукового датчика зберігаються на одній горизонтальній лінії. Лише I провідність використовується як опорна координата, I та II одночасно спрямовуються для визначення напрямку обертання, а Ⅱ один проход використовується як навігаційна опорна, коли робот повертається вздовж стіни.

 

Вбудований ультразвуковий датчик обертається кроковим двигуном, а напрямок центральної осі ультразвукового датчика, перпендикулярної до тіла робота, використовується як координатна точка для його власного регулювання пози. Кроковий двигун приймає 4-фазний 4-тактний кут кроку 1,8 ° та 1 крок на оберт. Ультразвуковий датчик виявляє один раз і надсилає значення вимірювання на верхній комп’ютер через послідовний порт.

 

2.2 Конструкція апаратного забезпечення системи виявлення

 

Апаратне забезпечення системи виявлення в основному складається з ланцюга генерації ультразвуку, ланцюга прийому ультразвуку, модуля керування швидкістю крокового двигуна тощо. Ядром системи є однокристальний процесор, який в основному завершує передачу та прийом сигналу, керує кроковим двигуном і передає дані на головний комп’ютер робота для обробки.

 

Схема ультразвукового передавача використовує порт P11 однокристального процесора для виведення імпульсу передавача та керується 74HC04 для підключення ультразвукового датчика. Вони покращують вихідний струм і збільшують дальність передачі ультразвукового датчика.

 

Схема отримання та обробки ультразвуку використовує інтегральну схему. це спеціальна інтегральна схема для інфрачервоних приймачів. Тут CX20106 використовується як підсилювальний і детектуючий пристрій для прийому сигналів від ультразвукових датчиків, і також були досягнуті хороші результати. Після того, як попередній підсилювач отримує відбитий сигнал від ультразвукового приймального зонда, він посилює сигнал із посиленням напруги приблизно на 80 дБ. Потім сигнал надсилається на обмежувальний підсилювач, щоб перетворити його на прямокутний імпульс, а потім частота вибирається фільтром, щоб відфільтрувати сигнал перешкод, несуча частота фільтрується детектором, щоб виявити командний сигнал, і після формування він виводиться на висновок 7 низького рівня. Западний фронт вихідного імпульсу з виводу 7 вводиться через порт INT0 мікроконтролера.

 

Схема передавача та схема приймача вбудованого ультразвукового датчика використовують той самий вхід/вихід контакту датчика. Якщо вхід/вихід не ізольовано, це сильно вплине на схему приймача та передавача. Двонаправлений аналоговий перемикач CMOS використовується для реалізації ізоляції передачі та прийому. Модуль керування кроковим двигуном приймає режим керування кільцевим розподільником імпульсів L297 + інтегральною схемою живлення L298 з подвійним H-мостом. P1.6, P1.7 і P2.3 однокристального мікрокомп'ютера відповідно підключені до клем CW, годинника та дозволу керування L297 для керування прямим і зворотним обертанням, тактовим сигналом, пуском і зупинкою двигуна.

 

2.3 Розробка програмного забезпечення системи виявлення

Програмне забезпечення системи виявлення в основному складається з головного програмного модуля, програмного модуля обслуговування переривань, а ультразвуковий датчик має модуль передачі та прийому. Тут в основному пояснюється основний програмний модуль системи виявлення.

 

Модулі вимірювання та керування ультразвуковим датчиком і кроковим двигуном керуються різними однокристальними мікрокомп’ютерами, тому сенсорна система та верхній комп’ютер мобільного робота повинні покладатися на лінію порту введення/виведення та послідовний асинхронний зв’язок між однокристальними мікрокомп’ютерами. Прапор T використовується для перемикання дій. Коли T=0 і OFF=0 задовольняються одночасно, це звичайний процес виявлення ультразвукових датчиків; коли T=1, OFF=0, він використовується для налаштування азимута перед кожним вимірюванням циклу; OFF=1 Очікує на наступну дію. Таймер T0 використовується для обчислення часу відлуння, тому значення відстані d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. один тригерний імпульс подається на кроковий двигун. Потім визначте, чи буде наступною дією виявлення датчика чи налаштування кута азимута самого робота, який входить у новий цикл.

 

3 Експеримент і застосування системи виявлення на мобільному роботі

3.1 Знайдіть найближчу точку до стіни

 

У цьому документі ідея пошуку найближчої точки до стіни базується на ультразвуковому вимірюванні дальності. Виберіть метод вимірювання відстані на рівні часу та обмежте діапазон прийому ультразвукового датчика, встановивши поріг прийому відлуння та додавши звукопоглинальну втулку перед зондом. Виміряний кут променя становить близько ± 20° при a

відстань 75 см, а ефективний кут, під який можуть приймати відбиті хвилі, становить близько ± 40°.

 

Приблизний конічний промінь ультразвукового датчика визначає відстань відбиття найближчої точки кожного разу, коли він вимірює відстань. Навіть якщо кут променя відхиляється від пунктирної лінії, фактична відстань все одно є значенням, виміряним уздовж центральної лінії променя. Теоретично відстань, виміряна в межах кута передавального променя, має бути однаковою, але час удару ультразвукового датчика та налаштування порогу прийому, включаючи відбиття від стіни, матимуть певний вплив на вимірювання відстані. Виміряна експериментально в межах певного кута (приблизно ± 20° ) величина вимірювальної відстані суттєво не змінюється, а її сусідні значення відносно близькі (не більше 2 мм). Коли кут відхилення продовжує збільшуватися, зміни суміжних вимірюваних значень також значно зростають. Таким чином, одним із методів є використання цих двох критичних точок для визначення кута між балкою та стіною (тобто найближчої точки до стіни), а кроковий двигун змушує ультразвук обертатися, щоб знайти ці дві критичні точки. Коли два сусідніх значення безперервно виявляються нижче 2 мм, вважається, що воно увійшло в стабільну зону, а точка, де відбувається зміна до і після, встановлюється як критична точка. Усі точки в межах цієї критичної точки записуються, а потім обчислюється середня точка. Середня точка – це найближча точка між стіною та ультразвуковим датчиком. він показує набір виміряних даних. У межах 72 °～ 108° це стабільна зона вимірювання відстані. За межами цього суміжне відхилення виміряної відстані перевищує 8 мм, а з кутом воно буде додатково збільшено при повороті в обидві сторони. Експерименти проводили, змінюючи відстань між вбудованим ультразвуковим датчиком і стіною в межах 50 см і 200 см. В результаті вимірювана похибка вертикального кута до стіни була обмежена 2 кроковими кутами.

 

3.2 Система виявлення застосована до робота для навігації вздовж стіни

 

Автономні мобільні роботи виявляють інформацію про поточне середовище під час руху. Інформація про відстань, що виявляється кожного разу, вимірюється на основі поточної пози руху робота. Рухаючись по прямій уздовж стіни, робот гарантує точність своєї траєкторії через спільне сприйняття вимірювання відстані та власної пози. Ультразвукове вимірювання відстані знайшло широке застосування. Після перевірки зв’язку між кутом виявлення ультразвуком і вимірюванням відстані ультразвукові датчики можна використовувати для вимірювання кута азимута кузова транспортного засобу (щоб визначити його власне положення) відповідно до методу розрахунку найближчої точки. Виміряна найближча точка є фактичною відстанню між роботом і стіною. Опорні координати робота визначаються прямим інфрачервоним датчиком 1 на простому енкодері, а найближча точка обчислюється відповідно до інформації, що зберігається під час кожного кроку крокового двигуна. Між опорними координатами та найближчою точкою кут, пройдений кроковим двигуном, використовується для визначення кута відхилення між роботом і стіною, а потім кут відхилення передається в систему керування приводом коліс для регулювання кута азимута.

 

3.3 Пошук перешкод

 

Використання крокового двигуна для приводу промисловий ультразвуковий датчик

 обертання функціонально схоже на мультисенсорне виявлення. Мобільні роботи зазвичай використовують кілька ультразвукових датчиків навколо тіла, щоб отримати більше інформації, таким чином збільшуючи діапазон перешкод і визначаючи напрямок цілі та інформацію про межі. Навпаки, одна перевага методу обертання полягає в тому, що щільність виявлення можна автоматично регулювати відповідно до щільності перешкоди. Кількість додаткових датчиків обмежена власними умовами, а герметичність способу обертання пов'язана лише з кутом кроку крокового двигуна. Збільшення щільності виявлення може значно покращити роздільну здатність кута, тим самим покращуючи визначення напрямку цілі та інформацію про межі.

 

Ця система є розширенням функції ультразвуковий датчик наближення і гарне доповнення до існуючої системи виявлення мобільних роботів. Це було повністю продемонстровано в експериментальних програмах, і воно має певну практичність у виявленні перешкод і коригуванні пози робота. Однак цей метод потребує подальшого вдосконалення в режимі реального часу та точності.