Система обнаружения автономного мобильного робота на основе ультразвукового датчика

Расширение ультразвукового датчика является хорошим дополнением к существующей системе обнаружения мобильных роботов. Он был полностью продемонстрирован в экспериментальных приложениях, и он имеет определенную практичность в обнаружении препятствий и корректировке позы робота. Тем не менее, этот метод должен быть дополнительно улучшен в режиме реального времени и точности.

Один из наиболее важныхuLtrasonic Level SensorДля мобильных роботов приобрести автономное поведение - это приобретение знаний об окружающей среде. Это достигается с использованием различных измерений ультразвуковых датчиков и извлечения информации из этих измерений. Такие датчики, как видение, инфракрасный, лазерный и ультразвуковой, использовались в мобильных роботах. Ультразвуковые датчики широко использовались в системах мобильных роботов из -за их высокой производительности и простой реализации аппаратного обеспечения. Однако ультразвуковые датчики также имеют определенные ограничения, в основном из-за большого угла луча, плохой направленности и нестабильности измерения расстояния (при неверном отражении). Следовательно, для компенсации часто используются несколько ультразвуковых датчиков или других датчиков. Чтобы восполнить недостатки самого ультразвукового датчика и улучшить его способность получать информацию о окружающей среде, в этой статье разрабатывается система обнаружения, состоящая из интегрированного ультразвукового датчика и ступенчатого двигателя.

1 Анализ принципа обнаружения и метода ультразвуковых датчиков

Основным принципом ультразвукового датчика является отправка (ультразвуковые) пакеты давления и измерение времени, необходимого для передачи и возврата волновых пакетов и возврата в приемник.

Среди них это расстояние между мишенью и ультразвуковым датчиком; C - скорость ультразвуковой волны (чтобы упростить описание, влияние температуры на скорость волны не учитывается, когда оно измеряет расстояние, обсуждаемое ниже; t - интервал времени от излучения до приема.

Потому что измерение расстояния с ультразвуком не является точечным измерением. Ультразвуковые датчики имеют определенные диффузионные характеристики. Излучаемая ультразвуковая энергия в основном сосредоточена на основной доле и ослабляет волноподобную форму с обеих сторон основной волны, с углом диффузии около 30°Лево и право. Фактически, метод расчета формулы во времени основан на успешном, вертикальном отражении ультразвуковых волн. Тем не менее, мобильному роботу трудно обеспечить стабильность собственной осанки движения. Используется метод обнаружения, который используется ультразвуковым датчиком на корпусе мобильного робота. Когда мобильный робот отклоняется от параллельной стены, систему обнаружения часто трудно получить фактическое расстояние. Кроме того, когда для измерения препятствий используется дивергенция для ультразвука, она может предоставить только информацию о расстоянии целевого препятствия, но не направление и граничную информацию цели. Эти дефекты значительно ограничивают практическое применение и продвижение ультразвуковых датчиков.

Основываясь на теоретическом анализе и непрерывном тестировании, в этой статье используется четырехфазный шаговый двигатель для привлечения одного интегрированного ультразвукового датчика для вращения с образованием системы динамического зондирования.

2 Система обнаружения состоит из интегрированного ультразвукового датчика и шагового двигателя

2.1 Структурный дизайн

Ультразвуковой датчик приварен на плате печатной платы, плата строится стальной трубой, а другой конец стальной трубы подключен к валу ступенчатого двигателя, а ступенчатый двигатель закреплен под шасси робота. Ультразвуковой сигнал управления датчиком и выходной сигнал, которые подключены к плате управления на корпусе транспортного средства через линию сигнала. Кроме того, перед зондом ультразвукового датчика добавляется рукав в форме конуса, изготовленный из пенопласта, диаметр верхнего рта составляет 22 мм, диаметр нижнего рта составляет 16 мм, а высота-20 мм. Анкет Таким образом, угол луча передаваемой волны и угол, под которым получен отраженная волна, значительно ограничены. Чтобы робот регулировал свою осанку, ему необходимо определить собственное направление вращения и эталонную позицию. Следовательно, простой фотоэлектрический энкодер, состоящий из прямого инфракрасного фотоэлектрического датчика и поворота, создается нами. Распределение 2 прямых инфракрасных фотоэлектрических датчиков показано, и они горизонтально расположены в средней точке соединительной линии с обеих сторон тела робота в 180°интервалы. Поворотный стол и вращающийся рычаг соединены по концентрическому кругу, как показано наружным кругом на рисунке, линии шкалы 1, 3 разделены 27°; 2, 1 линии шкалы разделены 180°и 1 шкала и центр ультразвукового датчика хранятся на той же горизонтальной линии. Я только проводится в качестве эталонной координаты, I и II одновременно руководствуются для определения направления вращения, иⅡОдиночный проход используется в качестве ссылки на навигацию, когда робот возвращается вдоль стены.

Интегрированный ультразвуковой датчик приводит к вращению с помощью ступенчатого двигателя, а направление центральной оси ультразвукового датчика, перпендикулярного телу робота, используется в качестве координат для своей собственной регулировки осанки. Ступенчатый двигатель принимает 4-фазный угол шага 4-бита 1,8°и 1 шаг за революцию, ультразвуковой датчик обнаруживает один раз и отправляет измерительное значение на верхний компьютер через последовательный порт.

2.2 Проектирование оборудования системы обнаружения

Оборудование системы обнаружения в основном состоит из ультразвуковой генерирующей схемы, ультразвуковой схемы принимающей схемы, модуля управления скоростью шагового двигателя и т. Д. Ядро системы-это однои-чип, которая в основном завершает передачу и прием сигнала, управляет ступенчатым двигателем, и и передает данные на компьютер -хост робота для обработки.

Схема ультразвуковой передатчики использует порт P11 одноклетой для вывода импульса передатчика и управляется 74HC04 для подключения ультразвукового датчика. Они повышают возможности его выходного тока и увеличивают расстояние передачи ультразвукового датчика.

Схема ультразвуковой приемной и обработки принимает интегрированную схему. Это выделенная интегрированная схема для инфракрасных приемников. Здесь CX20106 используется в качестве усиления и обнаружения устройства для получения сигналов от ультразвуковых датчиков, и также были достигнуты хорошие результаты. После того, как предварительный усилитель получает отраженный сигнал от ультразвукового приемного зонда, он усиливает сигнал с усилением напряжения около 80 дБ. Затем сигнал отправляется на ограничивающий усилитель, чтобы превратить его в прямоугольный импульс, а затем частота выбирается фильтром для фильтра для фильтрации интерференционного сигнала, частота переноса отфильтровывается детектором для обнаружения сигнала команды и после Формирование, он выводится по контакту 7 низкий уровень. Падающий край вывода импульса из контакта 7 вводит через порт Int0 микроконтроллера.

Схема передатчика и схема приемника интегрированного ультразвукового датчика используют тот же вход/выход датчика. Если вход/выход не изолирован, схема приемника и схема передатчика будут сильно затронуты. Двунаправленный аналоговый переключатель CMOS используется для реализации изоляции передачи и приема. Модуль управления двигателем ступенчатого двигателя использует режим управления дистрибьютором кольцевого импульса L297 + Интегрированная схема мощности с двойным мощностью H L298. P1.6, P1.7 и P2.3 однохип-микрокомпьютера соответственно подключены к CW, такте и включают клеммы управления L297 для управления передним и обратным вращением, тактовым сигналом, запуска и остановкой двигателя Анкет

2.3 Проектирование программного обеспечения для обнаружения

Программное обеспечение системы обнаружения в основном состоит из основного программного модуля, модуля службы прерываний и ультразвукового датчика, который имеет передачу и принимающий модуль. Основной программный модуль системы обнаружения в основном объясняется здесь.

Модули измерения и управления ультразвуковым датчиком и шаговым двигателем контролируются различными микрокомпьютерами с одним чип, поэтому сенсорная система и верхний компьютер мобильного робота должны полагаться на линию порта ввода/вывода и последовательную асинхронную связь между однохипными микрокомпьютерами. Флаг T используется для переключения действий. Когда t = 0 и выкл. = 0 выполняются одновременно, это обычный процесс обнаружения ультразвуковых датчиков; Когда t = 1, OFF = 0, он используется для регулировки азимута до каждого измерения цикла; OFF = 1 ждет следующего действия. Таймер T0 используется для расчета времени эха, поэтому значение расстояния d = 0,334×(TH0×256+TL0)/2. Один триггерный импульс придается шаговому двигателю. Затем определите, является ли следующее действие для обнаружения датчиков или отрегулировать азимутальный угол самого робота, который входит в новый цикл.

3 Эксперимент и применение системы обнаружения на мобильном роботе

3.1 Найдите ближайшую точку к стене

В этой статье дизайнерская идея поиска ближайшей точки к стене основана на ультразвуковом диапазоне. Выбор метода измерения расстояния на уровне времени и ограничивает диапазон приемного ультразвукового датчика, установив порог приема эха и добавив звукопоглощающий рукав перед зондом. Измеренный угол луча около±20°в

расстояние 75 см, и эффективный угол, который может получить отраженные волны, примерно±40°.

Приблизительный конический луч ультразвукового датчика определяет расстояние отражения ближайшей точки каждый раз, когда он измеряет расстояние. Даже если угол луча отклоняется до пунктирной линии, фактическое расстояние по -прежнему остается значением, измеряющим вдоль центральной линии луча. Теоретически, расстояние, измеренное под углом передаваемого луча, должно быть таким же, но время шока ультразвукового датчика и настройка порогового порога, включая отражение стены, окажут определенное влияние на измерение расстояния. Измеряется экспериментами под определенным углом (приблизительно±20°), значение расстояния измерения существенно не изменяется, и его соседние значенияотносительно близко (не более 2 мм). Когда угол отклонения продолжает увеличиваться, изменения в смежных значениях измерения также значительно увеличиваются. Следовательно, одним из методов является использование этих двух критических точек, чтобы найти угол между лучами и стеной (то есть ближайшей точкой к стене), а шаговый двигатель приводит к ультразвуковому вращению, чтобы найти эти две критические точки. Когда два смежных значения непрерывно обнаруживаются ниже 2 мм, считается, что оно вошло в стабильную зону, и точка, в которой изменение происходит до и после, установлена ​​в качестве критической точки. Все точки в этой критической точке записываются, а затем рассчитывается средняя точка. Средняя точка является ближайшей точкой между стеной и ультразвуковым датчиком. Он показывает набор измеренных данных. В течение 72° ～108°, это стабильная площадь измерения расстояния. Помимо этого, смежное отклонение измеренного расстояния превышает 8 мм, и с углом оно будет дополнительно увеличено при повороте на обе стороны. Эксперименты проводились путем изменения расстояния между интегрированным ультразвуковым датчиком и стеной в пределах 50 см и 200 см. В результате измеренная ошибка вертикального угла на стену была ограничена 2 шагами.

3.2 Система обнаружения применяется к роботу для навигации по стене

Автономные мобильные роботы обнаруживают информацию о текущей среде во время движения. Информация о расстоянии, обнаруженная каждый раз, измеряется на предпосылке текущей позиции движения робота. В то время как идет по прямой линии вдоль стены, робот гарантирует точность своей траектории посредством совместного восприятия измерения расстояния и собственной осанки. Ультразвуковое измерение расстояния широко использовалось. После проверки взаимосвязи между угла ультразвукового угла обнаружения и измерением расстояния ультразвуковые датчики могут использоваться для измерения азимутального угла корпуса транспортного средства (для определения его собственной осанки) в соответствии с методом расчета ближайшей точки. Измеренная ближайшая точка - это фактическое расстояние между роботом и стеной. Справочные координаты робота определяются прямым инфракрасным датчиком 1 на простом энкодере, а ближайшая точка рассчитывается в соответствии с информацией, хранящейся на каждом этапе ступенчатого двигателя. Между эталонными координатами и ближайшей точкой угол, проходящий с помощью шагового двигателя, используется для определения угла отклонения между роботом и стеной, а затем угол отклонения передается в систему управления приводом колеса, чтобы отрегулировать угол азимута.

3.3 Поиск препятствий

Использование ступенчатого мотора для управленияПромышленный ультразвуковой датчик

Повернуть функционально аналогично обнаружению мультисенсора. Мобильные роботы обычно используют несколько ультразвуковых датчиков вокруг тела, чтобы получить больше информации, тем самым увеличивая диапазон препятствий и определяя направление целевого и граничную информацию. Напротив, одним из преимуществ метода вращения является то, что плотность обнаружения может быть автоматически скорректирована в зависимости от стеснения препятствия. Количество дополнительных датчиков ограничено своими собственными условиями, а плотность метода вращения связана только с углом ступенчатого шагового двигателя. Увеличение плотности обнаружения может значительно улучшить разрешение угла, тем самым усиливая определение направления цели и граничной информации.

Эта система является расширением функцииУльтразвуковой датчик близости и хорошее дополнение к существующей системе обнаружения мобильных роботов. Он был полностью продемонстрирован в экспериментальных приложениях, и он имеет определенную практичность в обнаружении препятствий и корректировке позы робота. Тем не менее, этот метод должен быть дополнительно улучшен в режиме реального времени и точности.