Анализ применения ультразвукового датчика в системе расстояния мобильного робота

Введение

В процессе предотвращения препятствий в режиме реального времени и планирования пути для автономных мобильных роботов робот должен полагаться на приобретение внешней экологической информации, ощущение наличия препятствий и измерять расстояние препятствий. В настоящее время датчики предотвращения препятствий робота и датчики включают инфракрасные, ультразвуковые, лазерные и визуальные датчики. Лазерные датчики и визуальные датчики дороги и требуют высоких требований для контроллеров. Следовательно, инфракрасный иУльтразвуковые преобразователи уровняв основном используются в системах мобильных роботов.

Большинство систем используют один датчик для сбора информации, но из -за проблемы измерения слепых пятен диапазон ультразвуковых датчиков, как правило, составляет от 30 до 300 см; в то время как расстояние обнаружения инфракрасных датчиков расстояния является коротким, как правило, в пределах десятков сантиметров. В определенной степени это может компенсировать недостатки ультразвуковых датчиков, которые не могут быть измерены с близкого расстояния. Следовательно, эта система использует несколько инфракрасных и ультразвуковых датчиков для измерения и сбора информации о расстоянии.

2. Принцип и метод дальности

(1) Ультразвуковой датчик
Ультразвук относится к звуковым волнам с резонансной частотой выше 20 Гц. Чем выше частота, тем сильнее способность отражения. Ультразвуковые датчики недороги, и на их характеристики едва страдают от света, пыли, дыма, электромагнитных помех, а металл, древесина, бетон, стекло, резина и бумага могут отражать почти 100% ультразвуковых волн, поэтому их можно использовать для обнаружения объекты .
Метод измерения ультразвукового расстояния является методом обнаружения Echo. Передачающий преобразователь непрерывно излучает звуковые импульсы. После того, как звуковая волна сталкивается с препятствием, она отражается обратно и получен приемным преобразователем. Расстояние препятствия рассчитывается в соответствии с скоростью звука и разницы во времени. Связь между расстоянием и скоростью звука и временем выражается.

(2) Методы повышения точности ультразвукового датчика
1. Используйте соответствующую частоту и длину волны: использованиеУльтразвуковой датчик высокой мощностиЧтобы измерить расстояние, частота слишком низкая; Внешние помехи шума больше; Частота слишком высока, а затухание велика в процессе распространения. Кроме того, ультразвуковой датчик подвержен генерации слепых пятен во время процесса измерения, а приемный конец склонен к получению протекающих волн. Чтобы улучшить этот недостаток, необходимо уменьшить длину передаваемой волновой строки и увеличить частоту передаваемой волны. Однако, если длина передаваемой волновой строки слишком короткая, передающий датчик не может быть возбужден, или возбужденная вибрация не достигает максимального значения; Если частота передаваемой волны слишком высока, ослабление велика, а рабочее расстояние уменьшается. Тесты показали, что использование ультразвуковых волн 40 кГц для передачи пульсной группы содержит 10-20 импульсов и обладает хорошими характеристиками распространения.

2. Повышение точности времени системы также может повысить точность ультразвукового преобразователя расстояний. Чем выше частота подсчета таймера, тем меньше ошибка диапазона из -за ошибки квантования времени.

3. Компенсация временной задержки системной схемы может уменьшить ошибку диапазона и повысить точность диапазона. В формуле △ t - время задержки, s; S1, S2 - два известных расстояния измерения, M; T1, T2 - соответствующее время измерения, с.

(3) Датчик предотвращения инфракрасных препятствий
Инфракрас - это электромагнитная волна между видимым светом и микроволновкой. Следовательно, он не только имеет характеристики видимого линейного распространения, отражения, рефракции и т. Д., но также имеет определенные характеристики микроволн, такие как сильное проникновение и способность проникнуть в определенные непрозрачные вещества и т. Д. Инфракрасный датчик включает инфракрасное излучающее устройство и инфракрасное приемное устройство. Все объекты в природе будут излучать инфракрасное излучение до тех пор, пока температура выше абсолютного нуля. Следовательно, инфракрасные датчики должны иметь более сильные возможности передачи и получения.

Основной принцип инфракрасного ультразвукового датчика состоит в том, что светоизлучающая трубка излучает инфракрасный свет, а чувствительная к свету приемная трубка получает отраженный свет перед ним, а затем судит, существует ли препятствие впереди Это. Расстояние объекта можно оценить в соответствии с интенсивностью испускаемого света. Его принцип состоит в том, что интенсивность света, полученного приемной трубкой, варьируется в зависимости от расстояния отражающего объекта. Отраженная интенсивность света находится близко к расстоянию, и отраженная интенсивность света далеко.

В настоящее время инфракрасный фотоэлектрический переключатель, который является одним из наиболее используемых датчиков, имеет частоту передачи около 38 кГц и относительно короткое расстояние обнаружения. Обычно он используется для признания препятствий на расстоянии. Эта система использует этот вид датчика.

(4) Дефекты измерения инфракрасного расстояния
Затронутые характеристиками устройства, общий инфракрасный фотоэлектрический переключатель имеет плохую противоположность и сильно влияет на окружающий свет; и цвет обнаруженного объекта и гладкость поверхности различны, а интенсивность отраженного инфракрасного света будет отличаться.

В -третьих, структура аппаратной системы

(1) Системный состав
Система измерения расстояний состоит из схемы с цепью с одной чип-микрокомпьютером, схемой ультразвуковой передачи и приема, инфракрасной передачей и приемом, цифровой схеме отображения и последовательной схеме связи. Ядро управления-16-битный микроконтроллер SPCE061 A. Программируемые таймеры / таймеры, 14 источников прерываний, 32-разрядные универсальные программируемые программные каналы ввода / вывода и 7-канальный 10-битный A / D на чипе. конвертер.

(2) Схема ультразвукового датчика
Порт ввода / o9-I / O11 в Lingyang MCU подключен к трехсторонней ультразвуковой передаче, а вводный / O3-I / O5 подключен к трехсторонней ультразвуковой приемной схеме. Датчик сигнала 40 кГц, сгенерированный с помощью одного чип-микрокомпьютера, выводится с помощью ввода / вывода и повышается с помощью схемы усилителя усилителя, состоящей из инвертора 4049B. Наконец, он передается ультразвуковым передавающим преобразователем UCM40T; Звуковая волна возвращается к препятствию и принимается приемным преобразователем UCM40R, сигнал усиливается двухэтапной схемой усилителя, состоящей из OP07, отображаемого частоты с помощью фазовой петле Наконец, ввод в один чип-микрокомпьютер через порт ввода / вывода. Единый микрокомпьютер вычисляет расстояние препятствия во время передачи звуковой волны.

(3) Инфракрасный схема датчика
Ввод I / O0 ～ I / O6 Lingyang MCU может использоваться в качестве 10-битного преобразователя A / D. В этой системе порты ввода -ввода / O0 Lingyang MCU используются в качестве конвертеров A / D. Ввод ввода / O6 ～ I / O8 подключены к трем инфракрасным схемам передатчика, а ввод -ввод -ввод I / O2 подключены к трем инфракрасным приемникам с цепью. Когда порт ввода / вывода однохипского микрокомпьютера выводит высокий уровень, он проводит с инфракрасной люминесцентной трубкой TLN205 и излучает инфракрасный свет; Легкая волна отражается после того, как столкнулся с препятствием и полученной инфракрасной приемной трубкой TPS708, который генерирует ток, соответствующий интенсивности света. После того, как двухэтапная усиливающаяся схема усиливается, он выводит аналоговое напряжение 0 ~ 3 В, которое вводится в одноцепочечный микрокомпьютер через порт A / D. Одиночный микрокомпьютер вычисляет и судит расстояние препятствия по величине напряжения.

4. Программный дизайн
Одно Chip Computer SPCE061 A выбирает системную частоту FOSC = 20,480 МГц, такточная частота CPU (CPUCLK) составляет FOSC / 2 = 10. 24 МГц, источник часов выбирает частоту 32768 Гц, источник часов выбирает частоту 1 Гц, и SPCE061A предоставляет 216 -битное время / счетчик: Timera и Timerb. Источник часов Timera образуется в результате работы источника часов A и источника часов B; Источником часов TimerB является только источник часов A.
Ультразвуковой импульс 40 кГц представляет собой квадратную волну с высокими и низкими уровнями, каждый из которых занимает 12,5 мкс. Количество часов процессора задерживается на 123 цикла инструкций, что составляет 12,5 мкс. Одно-чипский компьютер может генерировать импульсный сигнал 40 кГц, постоянно генерируя высокие и низкие уровни 12,5 мкс. Группа импульсов из 20 импульсов выделяется каждый раз в течение 0,5 мс, а излучение импульса и время интервала составляют не менее 20 мс, что выводит из порта ввода / вывода. Анкет Система выбирает таймер A как прерывание таймера 20 мс и таймер B в качестве ультразвукового счетчика. Поскольку ультразвуковой датчик имеет измерение мертвой зоны, в проекте программы измерение расстояния более 30 см завершается ультразвуковым датчиком, а инфракрасный датчик завершается в течение 30 см.

В процессе инфракрасного дальности таймер A используется для генерации прерывания 0,1S для отбора проб A / D, а значение напряжения преобразуется в информацию о расстоянии. В основной программе, сначала введите подпрограмму инфракрасного обнаружения. Если обнаружено препятствие, введите подпрограмму передачи данных, отображения и управления движением; Если препятствие не обнаружено, вход в подпрограмму ультразвукового обнаружения. Ультразвук обнаруживает препятствия, затем входит в подпрограмму передачи данных, отображения и управления движением. Если не обнаружено никаких препятствий, инфракрасное обнаружение проводится циклически инфракрасными и ультразвуковыми подпрограммами, соответственно.

V. Результаты измерения
Во время теста препятствия того же размера, текстура и цвет используются для измерения. Тесты показывают, что точность диапазона системы находится в пределах 1% от 0 до 200 см, что может точно измерить расстояние препятствий. Измерение расстояния в пределах 30 см проводится инфракрасными датчиками, а измерение расстояния между 30 и 200 см выполняется ультразвуковыми датчиками.

6. Заключение
В этом документе изучается недорогая система с низкой мощностью, высокоэффективная система мобильного робота, многосенсорная система с использованием ультразвуковых и инфракрасных датчиков, которая эффективно решает проблему измерения слепых пятен в одной датчике; Три датчики собираются в трех разных позициях робота, так что робот может выполнять задачи дальности в трех разных направлениях.