Anwendungsanalyse des Ultraschallsensors im mobilen Roboter -Distanzsystem

I. Einleitung

Bei der Vermeidung von Hindernis in Echtzeit und der Planung autonomer mobiler Roboter muss sich der Roboter auf den Erwerb externer Umweltinformationen verlassen, das Vorhandensein von Hindernissen spüren und die Entfernung der Hindernisse messen. Gegenwärtig umfassen Roboterhindernis und Sensoren in Infrarot-, Ultraschall-, Laser- und visuelle Sensoren. Lasersensoren und visuelle Sensoren sind teuer und erfordern hohe Anforderungen für Controller. Daher Infrarot undUltraschallpegelwandlerwerden hauptsächlich in mobilen Robotersystemen verwendet.

Die meisten Systeme verwenden einen einzelnen Sensor zur Informationssammlung, aber aufgrund des Problems der Messung der blinden Flecken liegt der Bereich der Ultraschallsensoren im Allgemeinen zwischen 30 und 300 cm. Während der Nachweisabstand der Infrarotabstandssensoren kurz ist, im Allgemeinen innerhalb von Zehn Zentimetern. Bis zu einem gewissen Grad kann es die Mängel von Ultraschallsensoren ausgleichen, die nicht aus nächster Nähe gemessen werden können. Daher verwendet dieses System mehrere Infrarot- und Ultraschallsensoren, um Entfernungsinformationen zu messen und zu sammeln.

2. Ranggrundprinzip und Methode

(1) Ultraschallsensor
Ultraschall bezieht sich auf Schallwellen mit einer Resonanzfrequenz von mehr als 20 Hz. Je höher die Frequenz, desto stärker die Reflexionsfähigkeit. Ultraschallsensoren sind kostengünstig und ihre Leistung wird kaum von Licht, Staub, Rauch, elektromagnetischen Störungen und Metall, Holz, Beton, Glas, Gummi und Papier beeinflusst, die fast 100% der Ultraschallwellen widerspiegeln können, sodass sie zum Erkennen verwendet werden können Objekte.
Die Methode der Ultraschallabstandsmessung ist die Echo -Erkennungsmethode. Der Übertragungswandler emittiert kontinuierlich Schallimpulse. Nachdem die Schallwelle auf das Hindernis trifft, wird es zurückgespiegelt und vom Empfangswandler empfangen. Die Entfernung des Hindernisses wird gemäß der Geschwindigkeit des Klang- und Zeitunterschieds berechnet. Die Beziehung zwischen Entfernung und Geschwindigkeit von Schall und Zeit wird ausgedrückt.

(2) Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit des Ultraschallbereichs Wandler
1. Verwenden Sie die entsprechende Frequenz und Wellenlänge: Verwenden SieHochleistungs -UltraschallwandlerUm den Abstand zu messen, ist die Frequenz zu niedrig; Die externe Rauschinterferenz ist mehr; Die Frequenz ist zu hoch und die Dämpfung während des Ausbreitungsprozesses groß. Darüber hinaus ist der Ultraschallsensor während des Messprozesses anfällig für blinde Flecken, und das Empfangsende neigt dazu, undichte Wellen zu empfangen. Um dieses Mangel zu verbessern, ist es erforderlich, die Länge der übertragenen Wellenschnur zu verringern und die Frequenz der übertragenen Welle zu erhöhen. Wenn die Länge der übertragenen Wellenzeichenfolge jedoch zu kurz ist, kann der Übertragungswandler nicht angeregt werden oder die angeregte Schwingung erreicht den maximalen Wert nicht. Wenn die Frequenz der übertragenen Welle zu hoch ist, ist die Dämpfung groß und der Arbeitsabstand nimmt ab. Tests haben gezeigt, dass die Verwendung von 40 kHz-Ultraschallwellen zur Übertragung der Impulsgruppe 10-20 Impulse enthält und eine gute Ausbreitungsleistung aufweist.

2. Die Verbesserung der Zeitgenauigkeit des Systems kann auch die Genauigkeit des Ultraschalluntersuchungswandlers verbessern. Je höher die Zählfrequenz des Timers ist, desto kleiner ist der Rangierungsfehler aufgrund des Quantisierungsfehlers der Zeit.

3. Die Zeitverzögerung der Systemkreislauf kann den Abstiegsfehler verringern und die Ranggenauigkeit verbessern. In der Formel ist △ t die Verzögerungszeit, s; S1, S2 sind zwei bekannte Messabstände, m; T1, T2 sind die entsprechende Messzeit, s.

(3) Infrarot -Hindernisvermeidungssensor
Infrarot ist eine elektromagnetische Welle zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen. Daher hat es nicht nur die Eigenschaften der linearen Ausbreitung, Reflexion, Refraktion usw. sichtbares Licht, sondern auch bestimmte Eigenschaften von Mikrowellen, wie z. und ein Infrarot -Empfangsgerät. Alle Objekte in der Natur werden die Infrarotstrahlung ausstrahlen, solange die Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt. Daher müssen Infrarotsensoren eine stärkere Übertragungs- und Empfangsfähigkeit haben.

Das Grundprinzip der Rangliste des Infrarot-Ultraschallsensors ist, dass das Licht-emittierende Röhrchen das Infrarotlicht abgibt und das lichtempfindliche Empfangsrohr das reflektierte Licht des vorschreitenden Objekts erhält und dann beurteilt, ob ein Hindernis vor sich vor es. Der Abstand des Objekts kann nach der Intensität des emittierten Lichts beurteilt werden. Sein Prinzip ist, dass die Intensität des vom Empfangsrohrs empfangenen Lichts mit der Entfernung des reflektierenden Objekts variiert. Die reflektierte Lichtintensität liegt nahe am Abstand und die reflektierte Lichtintensität ist weit weg.

Gegenwärtig hat ein photoelektrischer Infrarotschalter, der einer der am häufigsten verwendeten Sensoren ist, eine Übertragungsfrequenz von etwa 38 kHz und einen relativ kurzen Erkennungsabstand. Es wird normalerweise zur Erkennung von Hindernissen mit Kurzstrecken verwendet. Dieses System verwendet diese Art von Sensor.

(4) Defekte der Infrarotentfernungsmessung
Der allgemeine photoelektrische Infrarot-Schalter ist von den Eigenschaften des Geräts betroffen und hat einen schlechten Anti-Interferenz und wird stark von Umgebungslicht betroffen. und die Farbe des erkannten Objekts und die Glätte der Oberfläche sind unterschiedlich, und die Intensität des reflektierten Infrarotlichts wird unterschiedlich sein.

Drittens die Hardware -Systemstruktur

(1) Systemzusammensetzung
Das Abstandsmesssystem besteht aus Einzel-Chip-Mikrocomputer, Ultraschallübertragungs- und Empfangskreis, Infrarotübertragungs- und Empfangskreis, digitaler Anzeigekreis und serieller Kommunikationsschaltung. Der Steuerkern ist Lingyang 16-Bit-Mikrocontroller SPCE061 A. Es gibt 2 16-Bit Programmierbare Timer / Timer, 14 Interrupt-Quellen, 32-Bit-universelle programmierbare Eingangs- / Ausgangskanäle und 7-Kanal-10-Bit-A / D auf dem Chip. Konverter.

(2) Ultraschallsensorschaltung
Der I / O9-I / O11-Anschluss von Lingyang MCU ist mit dem Drei-Wege-Ultraschallübertragungskreis verbunden, und der I / O3-I / O5 ist an die Drei-Wege-Ultraschallempfangsschaltung angeschlossen. Der vom Einzelchip-Mikrocomputer erzeugte 40-kHz-Signalwandler wird durch die E / A ausgegeben und durch den Auswacherverstärker-Schaltkreis aus dem Wechselrichter 4049b gesteigert. Schließlich wird es durch den Ultraschallübertragungswandler UCM40T übertragen; Die Schallwelle kehrt zum Hindernis zurück und wird vom empfangenden Wandler UCM40R empfangen. Das Signal wird durch eine zweistufige Verstärkerschaltung verstärkt, die aus OP07 besteht, die von einem Phasenschlaufe-Audio-Decoder LM567 ausgewählt, störende Signale und Filtern von Interferenzsignalen und -Filtern und Auswahl Schließlich Eingabe in einen Single-Chip-Mikrocomputer über einen E / A-Anschluss. Der Einzelchip -Mikrocomputer berechnet den Abstand des Hindernis durch die Übertragungszeit der Schallwelle.

(3) Infrarotsensorschaltung
Der I / O0 ～ I / O6 von Lingyang MCU kann als 10-Bit-A / D-Wandler verwendet werden. In diesem System werden die I / O0 ～ I / O2 -Ports von Lingyang MCU als A / D -Konverter verwendet. I / O6 ～ I / O8 sind mit drei Infrarot -Senderschaltungen verbunden, und E / O0 ～ I / O2 sind mit drei Infrarotempfängern mit Schaltung verbunden. Wenn der E / A-Port des Single-Chip-Mikrocomputers einen hohen Niveau ausgibt, läuft er mit dem Infrarot-Lumineszenzrohr TLN205 und emittiert Infrarotlicht; Die Lichtwelle wird nach Begegnung mit einem Hindernis reflektiert und vom Infrarot -Empfangsrohr TPS708 empfangen, was einen Strom erzeugt, der der Lichtintensität entspricht. Nachdem die zweistufige Verstärkungsschaltung verstärkt wurde, gibt es eine analoge Spannung von 0 ~ 3 V aus, die über den A / D-Port in den Einzel-Chip-Mikrocomputer eingegeben wird. Der Einzelchip -Mikrocomputer berechnet und beurteilt den Abstand des Hinderniss durch die Größe der Spannung.

4. Softwaredesign
Der Single-Chip-Computer SPCE061 A wählt die Systemfrequenz FOSC = 20,480 MHz, die CPU-Taktfrequenz (CPUCLK) FOSC / 2 = 10. 24 MHz, die Taktquelle wählt die Frequenz 32768 Hz aus, die Taktquelle wählt die Frequenz 1Hz aus, 1 Hz, 1Hz,, und die SPCE061A bietet 216 Bit -Timing / Zähler: Timera und Timerb. Die Uhrenquelle von Timera wird durch die Operationen der Uhrquelle A und der Uhrquelle B gebildet. Die Timerb -Quelle für Timerb ist nur die Uhr Quelle A.
Der 40 -kHz -Ultraschallimpuls ist eine Quadratwelle mit hohen und niedrigen Werten, die jeweils 12,5 μs belegen. Die CPU -Taktzahl wird durch 123 Befehlszyklen verzögert, was 12,5 μs beträgt. Der Einzelchip-Computer kann ein Impulssignal von 40 kHz erzeugen, indem sie kontinuierlich hohe und niedrige Spiegel von 12,5 μs erzeugen. Eine Impulsgruppe von 20 Impulsen wird jedes Mal für 0,5 ms emittiert, und die Impulsemission und die Intervallzeit betragen mindestens 20 ms, was aus dem E / A -Anschluss ausgegeben wird. . Das System wählt Timer A als Timer -Interrupt von 20 ms und Timer B als Ultraschallzähler aus. Da der Ultraschallsensor über eine Messung der toten Zone verfügt, wird im Programmdesign die Entfernungsmessung von mehr als 30 cm vom Ultraschallsensor abgeschlossen und der Infrarotsensor innerhalb von 30 cm abgeschlossen.

Im Infrarot -Bereichsprozess wird der Timer A verwendet, um einen 0,1S -Interrupt für die A / D -Probenahme zu erzeugen, und der Spannungswert wird in Abstandsinformationen umgewandelt. Geben Sie im Hauptprogramm zunächst die Infrarot -Erkennungs -Unterroutine ein. Wenn ein Hindernis erkannt wird, geben Sie die Datenübertragung, Anzeige und Bewegungssteuerung ein. Wenn kein Hindernis erkannt wird, betritt der Ultraschalldetektionstroutine. Ultraschall erkennt Hindernisse und fährt dann in die Datenübertragungs-, Anzeige- und Bewegungssteuer -Unterprogramme ein. Wenn keine Hindernisse nachgewiesen werden, wird der Infrarotdetektion zyklisch Infrarot- und Ultraschalldetektionssubroutinen durchgeführt.

V. Messungsergebnisse
Während des Tests werden Hindernisse gleicher Größe, Textur und Farbe zur Messung verwendet. Tests zeigen, dass die Rangergenauigkeit des Systems innerhalb von 1% von 0 bis 200 cm liegt, was den Abstand der Hindernisse genau messen kann. Die Entfernungsmessung innerhalb von 30 cm erfolgt von Infrarotsensoren und die Entfernungsmessung zwischen 30 und 200 cm wird von Ultraschallsensoren durchgeführt.

6. Schlussfolgerung
In diesem Papier untersucht ein mobiles Seitungssystem für mobile Roboter mit niedriger Leistung, ein Multi-Sensor-System mit Ultraschall- und Infrarotsensoren, das das Problem der Messung der blinden Flecken in einem einzelnen Sensor-Sendungssystem effektiv löst. Die drei Sensorgruppen werden an drei verschiedenen Positionen des Roboters zusammengesetzt, so dass der Roboter die Subjektaufgaben in drei verschiedene Richtungen erledigen kann.