Erkennungssystem des autonomen mobilen Roboters basierend auf Ultraschallsensor

Eine Erweiterung des Ultraschallsensors ist eine gute Ergänzung zum vorhandenen Erkennungssystem mobiler Roboter. Es wurde in experimentellen Anwendungen vollständig demonstriert und hat eine gewisse Praktikabilität bei der Anpassung der Hinderniserkennung und der Roboterpose. Diese Methode muss jedoch in Echtzeit und Genauigkeit weiter verbessert werden.

Eins der wichtigstenuLtrasonischer NiveausensorMobile Roboter, um autonomes Verhalten zu erwerben, besteht darin, Wissen über die Umwelt zu erwerben. Dies wird durch die Verwendung verschiedener Ultraschallsensormessungen und das Extrahieren von Informationen aus diesen Messungen erreicht. Sensoren wie Vision, Infrarot, Laser und Ultraschall wurden in mobilen Robotern verwendet. Ultraschallsensoren wurden aufgrund ihrer hohen Kostenleistung und der einfachen Hardware -Implementierung in mobilen Roboter -Sensing -Systemen häufig eingesetzt. Ultraschallsensoren weisen jedoch auch bestimmte Einschränkungen auf, hauptsächlich aufgrund des großen Strahlwinkels, der schlechten Direktivität und der Instabilität der Entfernungsmessung (unter nichtvertemischer Reflexion). Daher werden häufig mehrere Ultraschallsensoren oder andere Sensoren verwendet, um dies auszugleichen. Um die Mängel des Ultraschallsensors selbst auszugleichen und seine Fähigkeit zur Erlangung von Umweltinformationen zu verbessern, entwirft dieses Papier ein Erkennungssystem, das aus einem integrierten Ultraschallsensor und einem Schrittmotor besteht.

1 Analyse des Erkennungsprinzips und der Methode von Ultraschallsensoren

Das Grundprinzip eines Ultraschallsensors besteht darin, (Ultraschall-) Druckwellenpakete zu senden und die Zeit zu messen, die für die übertragenen Wellenpakete benötigt und an den Empfänger zurückgegeben werden soll.

Unter ihnen ist es der Abstand zwischen dem Ziel und dem Ultraschallsensor; C ist die Ultraschallwellengeschwindigkeit (um die Beschreibung zu vereinfachen, wird der Einfluss der Temperatur auf die Wellengeschwindigkeit nicht berücksichtigt, wenn sie den unten diskutierten Abstand misst. T ist das Zeitintervall von der Emission bis zur Empfang.

Denn die Messentfernung mit Ultraschall ist keine Punktmessung. Ultraschallsensoren haben bestimmte Diffusionseigenschaften. Die emittierte Ultraschallenergie konzentriert sich hauptsächlich auf den Hauptlappen und dämpft auf beiden Seiten der Hauptwellenachse in einer wellenähnlichen Form mit einem Diffusionswinkel von etwa 30°links und rechts. Tatsächlich basiert die Berechnungsmethode der Formel über die Zeit auf der erfolgreichen vertikalen Reflexion von Ultraschallwellen. Für einen mobilen Roboter ist es jedoch schwierig, die Stabilität seiner eigenen Bewegungshaltung zu gewährleisten. Die Erkennungsmethode, die ein Ultraschallsensor am Körper des mobilen Roboters fixiert ist, wird verwendet. Wenn der mobile Roboter von einer parallelen Wand abweicht, ist das Erkennungssystem häufig schwierig, die tatsächliche Entfernung zu erhalten. Wenn die von Ultraschall charakteristische Divergenz zur Messung von Hindernissen verwendet wird, kann sie außerdem nur die Entfernungsinformationen des Zielhinderniss liefern, jedoch nicht die Richtung und die Grenzinformationen des Ziels. Diese Defekte begrenzen die praktische Anwendung und Förderung von Ultraschallsensoren stark.

Basierend auf theoretischen Analysen und kontinuierlichen Tests verwendet dieses Papier einen vierphasigen Schrittmotor, um einen einzelnen integrierten Ultraschallsensor zu antreiben, um ein dynamisches Erfassungssystem zu bilden.

2 Nachweissystem besteht aus integriertem Ultraschallsensor und Steppermotor

2.1 Strukturdesign

Der Ultraschallsensor ist auf der Leiterplatte geschweißt, die Platine ist von einem Stahlrohr gebaut und das andere Ende des Stahlrohrs ist an die Welle des Trittmotors angeschlossen, und der Trittmotor wird unter dem Roboter -Chassis fixiert. Das Ultraschallsensor -Steuerungssignal und das Ausgangssignal, das über die Signallinie an die Steuerplatine an der Fahrzeugkörper angeschlossen ist. Darüber hinaus wird vor der Sonde des Ultraschallsensors eine kegelförmige Hülse aus Schaumstoffmaterial zugegeben, der Durchmesser des oberen Mundes beträgt 22 mm, der Durchmesser des unteren Mundes und die Höhe 20 mm . Auf diese Weise sind der Strahlwinkel der übertragenen Welle und der Winkel, in dem die reflektierte Welle empfangen wird, stark eingeschränkt. Damit der Roboter seine Haltung anpassen kann, muss er seine eigene Rotationsrichtung und Referenzposition bestimmen. Daher wird ein einfacher photoelektrischer Encoder, der aus einem direkten Infrarot -photoelektrischen Sensor und einem Plattenteller besteht, von uns selbst hergestellt. Die Verteilung von 2 direkten photoelektrischen Infrarot -Sensoren ist gezeigt und sie sind auf der Mittelpunkt -Verbindungslinie auf beiden Seiten des Roboterkörperkörpers bei 180 horizontal angeordnet°Intervalle. Der Plattenspieler und der rotierende Arm sind an einem konzentrischen Kreis angeschlossen, wie durch den äußeren Kreis in der Abbildung gezeigt, sind die 1, 3 -Skalierungslinien durch 27 getrennt°; Die 2-, 1 -Skalierungslinien sind durch 180 getrennt°und die 1 -Skala -Linie und die Mitte des Ultraschallsensors werden auf derselben horizontalen Linie gehalten. I allein wird die Leitung als Referenzkoordinate verwendet, i und II werden gleichzeitig geführt, um die Rotationsrichtung zu bestimmen undⅡDer Einzelpass wird als Navigationsreferenz verwendet, wenn der Roboter entlang der Wand zurückkehrt.

Der integrierte Ultraschallsensor wird durch einen Trittmotor zum Drehen von Drehstunden und die Richtung der zentralen Achse des Ultraschallsensors senkrecht zum Roboterkörper als Koordinatenreferenz für seine eigene Haltungsanpassung verwendet. Der Schrittmotor nimmt einen 4-Phasen-4-Beat-Schrittwinkel von 1,8 an°und 1 Schritt pro Revolution erkennt der Ultraschallsensor einmal und sendet den Messwert über den seriellen Anschluss an den oberen Computer.

2.2 Hardwaredesign von Erkennungssystemen

Die Hardware für Erkennungssysteme besteht hauptsächlich aus Ultraschallgenerierungsschaltung, Ultraschallempfangsschaltung, Stepper-Motor-Geschwindigkeitsregelmodul usw. Der Kern des Systems ist der Einzelchip, der hauptsächlich das Signalgetriebe und die Empfangsempfang abhält, den Trittmotor steuert und haupt Überträgt Daten zur Verarbeitung an den Roboter -Host -Computer.

Die Ultraschalltransmitterschaltung verwendet den P11-Anschluss des Einzelchips, um den Senderimpuls auszugeben, und wird vom 74HC04 angetrieben, um den Ultraschallsensor zu verbinden. Sie verbessern seine Ausgangsstromfähigkeit und erhöhen den Übertragungsabstand des Ultraschallsensors.

Der Ultraschallempfangs- und Verarbeitungsschaltkreis übernimmt den integrierten Schaltkreis. Es ist eine dedizierte integrierte Schaltung für Infrarotempfänger. Hier wird CX20106 als Verstärkungs- und Erkennungsgerät zum Empfangen von Signalen von Ultraschallsensoren verwendet, und es wurden auch gute Ergebnisse erzielt. Nachdem der Vorverstärker das reflektierte Signal aus der Ultraschallempfangssonde empfangen hat, verstärkt es das Signal mit einer Spannungsverstärkung von etwa 80 dB. Dann wird das Signal an den begrenzenden Verstärker gesendet, um es in einen rechteckigen Impuls zu schaffen, und dann wird die Frequenz vom Filter ausgewählt, um das Interferenzsignal herauszufiltern Formbildung wird nach Pin 7 niedriger Pegel ausgegeben. Die fallende Kante des Impulsausgangs aus Pin 7 wird durch den INT0 -Anschluss des Mikrocontrollers eingegeben.

Die Senderschaltung und der Empfängerkreis des integrierten Ultraschallsensors verwenden den gleichen Sensorstifteingang/-ausgang. Wenn der Eingang/die Ausgang nicht isoliert ist, wird der Empfängerkreis und der Senderkreis stark betroffen. Der bidirektionale analoge CMOS -Schalter wird verwendet, um die Isolation von Getriebe und Empfang zu realisieren. Das Stufenmotor-Steuermodul übernimmt den Steuerungsmodus des Ringimpulsverteilers L297 + Double H-Bridge Power Integrated Circuit L298. P1.6, p1.7 und p2.3 des Einzelchip-Mikrocomputer .

2.3 Softwaredesign für Erkennungssysteme

Die Software des Erkennungssystems besteht hauptsächlich aus einem Hauptprogrammmodul, einem Interrupt -Service -Programmmodul, und ein Ultraschallsensor verfügt über Sende- und Empfangsmodul. Das Hauptprogrammmodul des Erkennungssystems wird hier hauptsächlich erläutert.

Die Mess- und Steuermodule von Ultraschallsensor und Schrittmotor werden von verschiedenen Einzelchip-Mikrocomputern gesteuert, sodass das Erfassungssystem und der obere Computer des mobilen Roboters auf die E/A-Portlinie und die serielle asynchrone Kommunikation zwischen den Single-Chip-Mikrocomputern beruhen müssen. Das Flag T wird verwendet, um Aktionen zu wechseln. Wenn t = 0 und aus = 0 gleichzeitig erfüllt sind, ist es ein gewöhnlicher Erkennungsprozess von Ultraschallsensoren; Wenn t = 1, aus = 0, wird es verwendet, um den Azimut vor jeder Zyklusmessung anzupassen. Off = 1 wartet auf die nächste Aktion. Der Timer T0 wird verwendet, um die Zeit des Echos zu berechnen, sodass der Abstandswert d = 0,334×(Th0×256+tl0)/2. Ein Triggerimpuls wird dem Schrittmotor gegeben. Stellen Sie dann fest, ob die nächste Aktion die Erkennung von Sensoren oder den Azimutwinkel des Roboters selbst einstellen soll, der in einen neuen Zyklus eintritt.

3 Experiment und Anwendung des Erkennungssystems auf mobilem Roboter

3.1 Finden Sie den nächsten Punkt an der Wand

In diesem Artikel basiert die Entwurfsidee, den nächsten Punkt an der Wand zu finden, auf Ultraschallbereiche. Wählen Sie die Zeitverstandsmessmethode aus und begrenzen Sie den Empfangsbereich des Ultraschallsensors, indem Sie den Empfangs-Echo-Schwellenwert festlegen und vor der Sonde eine schallabsorbierende Hülse hinzufügen. Der gemessene Strahlwinkel ist ungefähr±20°an einer

Abstand von 75 cm und der effektive Winkel, der reflektierte Wellen empfangen kann±40°.

Der ungefähre konische Strahl des Ultraschallsensors bestimmt den Reflexionsabstand des nächsten Punktes bei jedem Messung des Abstands. Selbst wenn der Strahlwinkel von der gepunkteten Linie abweicht, ist der tatsächliche Abstand immer noch der Wert, der entlang der Strahlmittelzeile misst. Theoretisch sollte die im Sendestrahlwinkel gemessene Entfernung gleich sein, aber die Schockzeit des Ultraschallsensors und die Einstellung der Empfangsschwelle, einschließlich der Reflexion der Wand, wirken sich einen gewissen Einfluss auf die Entfernungsmessung. Gemessen durch Experimente in einem bestimmten Winkel (ungefähr±20°) Der Messwertwert ändert sich nicht wesentlich und seine benachbarten Wertesind relativ nah (nicht mehr als 2 mm). Wenn der Ablenkwinkel weiter zunimmt, steigen auch die Änderungen der benachbarten Messwerte signifikant an. Daher besteht eine Methode darin, diese beiden kritischen Punkte zu verwenden, um den Winkel zwischen dem Strahl und der Wand (dh dem nächstgelegenen Punkt an der Wand) zu finden, und der Schrittmotor treibt die Ultraschall zum Drehen, um diese beiden kritischen Punkte zu finden. Wenn zwei benachbarte Werte kontinuierlich unter 2 mm erfasst werden, wird davon ausgegangen, dass es in die stabile Zone eingegeben wurde und der Punkt, an dem die Änderung vor und nach dem kritischen Punkt eingestellt ist. Alle Punkte in diesem kritischen Punkt werden aufgezeichnet und dann wird der Mittelpunkt berechnet. Der Mittelpunkt ist der engste Punkt zwischen der Wand und dem Ultraschallsensor. Es zeigt eine Reihe von gemessenen Daten. Innerhalb von 72° ～108°Es ist der stabile Bereich der Entfernungsmessung. Außerdem überschreitet die benachbarte Abweichung des gemessenen Abstands 8 mm und wird mit dem Winkel weiter vergrößert, wenn sie auf beide Seiten gedreht wird. Die Experimente wurden durchgeführt, indem der Abstand zwischen dem integrierten Ultraschallsensor und der Wand innerhalb von 50 cm und 200 cm geändert wurde. Infolgedessen war der gemessene Fehler des vertikalen Winkels an die Wand auf 2 Schrittwinkel begrenzt.

3.2 Das Erkennungssystem wird auf den Roboter angewendet, um entlang der Wand zu navigieren

Autonome mobile Roboter erkennen Informationen über die aktuelle Umgebung während der Bewegung. Die Distanzinformationen, die jedes Mal erkannt werden, werden an der Prämisse der aktuellen Roboterbewegungshaltung gemessen. Während der Roboter in einer geraden Linie entlang der Wand geht, garantiert er die Genauigkeit seiner Flugbahn durch die gemeinsame Wahrnehmung der Entfernungsmessung und seiner eigenen Haltung. Die Messung der Ultraschallabstand wurde weit verbreitet. Nach dem Testen der Beziehung zwischen Ultraschalldetektionswinkel und Entfernungsmessung können Ultraschallsensoren verwendet werden, um den Azimutwinkel der Fahrzeugkörper (um seine eigene Haltung zu bestimmen) gemäß der Methode zur Berechnung des nächsten Punktes. Der gemessene nächstgelegene Punkt ist der tatsächliche Abstand zwischen dem Roboter und der Wand. Die Referenzkoordinaten des Roboters werden durch den direkten Infrarotsensor 1 am einfachen Encoder bestimmt, und der nächstgelegene Punkt wird gemäß den Informationen berechnet, die während jedes Schritts des Sprungbrettmotors gespeichert sind. Zwischen den Referenzkoordinaten und dem nächstgelegenen Punkt wird der vom Schrittmotor durchquere Winkel verwendet, um den Ablenkwinkel zwischen dem Roboter und der Wand zu bestimmen, und dann wird der Ablenkwinkel an das Radantriebskontrollsystem übertragen, um den Azimutwinkel anzupassen.

3.3 Suche nach Hindernissen

Die Verwendung eines Sprungmotors zum Anfahren desindustrieller Ultraschallsensor

Das Drehen ist funktional ähnlich wie die Erkennung von Multisensor. Mobile Roboter verwenden normalerweise mehrere Ultraschallsensoren rund um den Körper, um mehr Informationen zu erhalten, wodurch der Bereich der Hindernisse erhöht und die Zielrichtung und die Grenzinformationen bestimmt werden. Im Gegensatz dazu ist ein Vorteil der Rotationsmethode, dass die Erkennungsdichte automatisch entsprechend der Enge des Hinderniss eingestellt werden kann. Die Anzahl der zusätzlichen Sensoren ist durch seine eigenen Bedingungen begrenzt, und die Enge der Rotationsmethode hängt nur mit dem Schrittwinkel des Schrittmotors zusammen. Die Erhöhung der Erkennungsdichte kann die Auflösung des Winkels erheblich verbessern und so die Bestimmung der Zielrichtung und der Randinformationen stärken.

Dieses System ist eine Erweiterung der Funktion desUltraschall -Näherungssensor und eine gute Ergänzung zum vorhandenen Erkennungssystem mobiler Roboter. Es wurde in experimentellen Anwendungen vollständig demonstriert und hat eine gewisse Praktikabilität bei der Anpassung der Hinderniserkennung und der Roboterpose. Diese Methode muss jedoch in Echtzeit und Genauigkeit weiter verbessert werden.