Análise de aplicação do sensor ultra-sônico no sistema de distância do robô móvel

I. Introdução

No processo de evitação de obstáculos em tempo real e planejamento de caminho para robôs móveis autônomos, o robô deve confiar na aquisição de informações ambientais externas, sentir a presença de obstáculos, e medir a distância dos obstáculos. Atualmente, a evitação de obstáculos do robô e os sensores de alcance incluem sensores infravermelhos, ultrassônicos, laser e visuais. Sensores a laser e sensores visuais são caros e exigem altos requisitos para os controladores. Portanto, infravermelho etransdutores de nível ultra-sônico.são usados ​​principalmente em sistemas de robôs móveis.

A maioria dos sistemas usa um único sensor para coleta de informações, mas devido ao problema de medir pontos cegos, o intervalo de sensores ultra-sônicos é geralmente entre 30 e 300 cm; Enquanto a distância de detecção de sensores de distância infravermelhada é curta, geralmente dentro das dezenas de centímetros. Até certo ponto, pode compensar as deficiências de sensores ultrassônicos que não podem ser medidos a curta distância. Portanto, este sistema usa vários sensores infravermelhos e ultrassônicos para medir e coletar informações de distância.

2. Princípio e método

(1) sensor ultrassônico
Ultrassom refere-se a ondas sonoras com uma frequência de ressonância superior a 20Hz. Quanto maior a frequência, mais forte a capacidade de reflexão. Os sensores ultra-sônicos são baratos, e seu desempenho dificilmente é afetado por luz, poeira, fumaça, interferência eletromagnética e metal, madeira, concreto, vidro, borracha e papel podem refletir quase 100% das ondas ultra-sônicas, para que possam ser usadas para detectar objetos.
O método de medição de distância ultra-sônica é o método de detecção de eco. O transdutor de transmissão emite continuamente pulsos de som. Depois que a onda sonora encontra o obstáculo, ela é refletida de volta e recebida pelo transdutor de recebimento. A distância do obstáculo é calculada de acordo com a velocidade de sons e horários. A relação entre distância e velocidade de som e tempo é expressa.

(2) Métodos para melhorar a precisão do transdutor de variação ultrassônica
1. Use a frequência apropriada e o comprimento de onda: usandotransdutor ultra-sônico de alta potênciaPara medir a distância, a frequência é muito baixa; A interferência externa de ruído é mais; A frequência é muito alta, e a atenuação é grande durante o processo de propagação. Além disso, o sensor ultrassônico é propenso a gerar pontos cegos durante o processo de medição, e a extremidade de recebimento é propensa a receber ondas com vazamento. Para melhorar esta falta, é necessário reduzir o comprimento da cadeia de onda transmitida e aumentar a frequência da onda transmitida. No entanto, se a duração da cadeia de onda transmitida for muito curta, o transdutor de transmissão não pode ser animado ou a vibração excitada não atingir o valor máximo; Se a frequência da onda transmitida for muito alta, a atenuação é grande e a distância de trabalho diminui. Os testes mostraram que usar 40 ondas ultra-sônicas de 40 kHz para transmitir o grupo de pulso contém 10-20 pulsos e possui um bom desempenho de propagação.

2. Melhorar a precisão do tempo do sistema também pode melhorar a precisão do transdutor de distância ultra-sônica. Quanto maior a frequência de contagem do temporizador, menor o erro variável devido ao erro de quantização do tempo.

3. Compensar o atraso de tempo do circuito do sistema pode reduzir o erro de distância e melhorar a precisão que abriga. Na fórmula, △ t é o tempo de atraso; S1, S2 são duas distâncias de medição conhecidas, m; T1, T2 são o tempo de medição correspondente, s.

(3) sensor de evitação de obstáculo infravermelho
O infravermelho é uma onda eletromagnética entre luz visível e microondas. Portanto, não só tem as características de propagação linear de luz visível, reflexão, refração, etc., mas também tem certas características de microondas, como forte penetração e capacidade de penetrar certa matéria opaca, etc. O sensor infravermelho inclui um dispositivo de emissão de infravermelho e um dispositivo de recepção infravermelho. Todos os objetos da natureza irradiarão a radiação infravermelha, desde que a temperatura esteja acima de zero absoluto. Portanto, os sensores infravermelhos devem ter capacidades de transmissão e recebimento mais fortes.

O princípio básico do sensor ultrassônico infravermelho é que o tubo emissor de luz emite luz infravermelha, e o tubo de recepção sensível à luz recebe a luz refletida do objeto na frente dele, e então julga se há um obstáculo na frente de isto. A distância do objeto pode ser julgada de acordo com a intensidade da luz emitida. Seu princípio é que a intensidade da luz recebida pelo tubo de recebimento varia com a distância do objeto refletivo. A intensidade da luz refletida é próxima à distância, e a intensidade da luz refletida está longe.

Actualmente, um interruptor fotoelétrico infravermelho, que é um dos sensores mais utilizados, tem uma frequência de transmissão de cerca de 38 kHz e uma distância de detecção relativamente curta. Geralmente é usado para o reconhecimento de obstáculos de curta distância. Este sistema usa esse tipo de sensor.

(4) defeitos da medição de distância infravermelha
Afetado pelas características do dispositivo, o interruptor fotoelétrico infravermelho geral tem inadequado anti-interferência e é muito afetado pela luz ambiente; E a cor do objeto detectado e a suavidade da superfície são diferentes, e a intensidade da luz infravermelha refletida será diferente.

Terceiro, a estrutura do sistema de hardware

(1) composição do sistema
O sistema de medição de distância é composto de microcomputador de chip único, transmissão ultra-sônica e circuito de recepção, transmissão infravermelha e circuito de recepção, circuito de exibição digital e circuito de comunicação serial. O núcleo de controle é Lingyang 16-bit microcontrolador SPCE061 A. Existem 2 16 bits Temporizadores / temporizadores programáveis, 14 fontes de interrupção, canais de entrada / saída programáveis ​​universais de 32 bits e 7-canais de 10 bits a / d no chip. conversor.

(2) circuito de sensor ultra-sônico
A porta de I / O9-I / O11 do Lingyang MCU é conectada ao circuito de transmissão ultrassônica de três vias, e a I / O3-I / O5 é conectada ao circuito de recepção ultrassônica de três vias. O transdutor de sinal de 40 kHz gerado pelo microcomputador de chip único é a saída pela E / S e é impulsionado pelo circuito do amplificador de reforço composto pelo inversor 4049B. Finalmente, é transmitido pelo transdutor ucm40t ultra-sônico de transmissão; A onda sonora retorna ao obstáculo e é recebida pelo transdutor UCM40R de recebimento, o sinal é amplificado por um circuito de amplificador de dois estágios composto por OP07, selecionado de frequência por um decodificador de áudio de loop bloqueado de fase LM567, filtrando os sinais de interferência, e Finalmente, inserindo em um microcomputador de chip único através de uma porta de E / S. O microcomputador de chip único calcula a distância do obstáculo através do tempo de transmissão da onda sonora.

(3) circuito de sensor infravermelho
O I / O0 ~ I / O6 de Lingyang MCU pode ser usado como um conversor A / D de 10 bits. Neste sistema, as portas de I / O0 ~ I / O2 de Lingyang MCU são usadas como conversores A / D. I / O6 ~ I / O8 estão conectados a três circuitos de transmissor infravermelho e E / O0 ~ I / O2 são conectados a três receptores infravermelhos com circuito. Quando a porta de E / S do microcomputador de chip único saía de alto nível, ela conduz com o tubo luminescente infravermelho TLN205 e emite luz infravermelha; A onda de luz é refletida depois de encontrar um obstáculo e recebido pelo tubo de recepção infravermelho TPS708, que gera uma corrente correspondente à intensidade da luz. Depois que o circuito de amplificação de dois estágios compostos for amplificado, ele produz uma tensão analógica de 0 ~ 3V, que é inserida para o microcomputador de chip único através da porta A / D. O microcomputador de chip único calcula e julga a distância do obstáculo através da magnitude da tensão.

4. Design de software.
O computador de chip spce061 A Seleciona a frequência do sistema Fosc = 20.480MHz, a frequência do relógio da CPU (CPUCLK) é fosc / 2 = 10. 24 MHz, a fonte do relógio seleciona a frequência 32768 Hz, a fonte do relógio seleciona a frequência 1Hz, E o SPCE061A fornece tempo / contador de 216 bits: Timera e Timerb. A fonte do relógio de Timera é formada pelas operações da fonte de relógio A e da fonte de relógio B; A fonte do relógio de Timerb é apenas fonte de relógio A.
O pulso ultra-sônico de 40 kHz é uma onda quadrada com níveis elevados e baixos cada ocupando 12,5 μs. A contagem do relógio da CPU é atrasada por 123 ciclos de instrução, que é de 12,5 μs. O computador de chip único pode gerar um sinal de pulso de 40 kHz gerando continuamente níveis elevados e baixos de 12,5 μs. Um grupo de 20 pulsos é emitido todas as vezes para 0,5 ms, e a emissão de pulso e o tempo de intervalo são pelo menos 20 ms, que é de saída da porta de E / S. . O sistema seleciona temporizador A como temporizador interrupção de 20 ms e temporizador b como um contador ultrassônico. Como o sensor ultra-sônico tem uma medição de zona morta, no projeto do programa, a medição de distância de mais de 30 cm é concluída pelo sensor ultrassônico, e o sensor infravermelho é concluído dentro de 30 cm.

No processo de travamento infravermelho, o temporizador A é usado para gerar uma interrupção de 0,1S para a amostragem A / D, e o valor de tensão é convertido em informações de distância. No programa principal, primeiro, insira a sub-rotina de detecção de infravermelho. Se um obstáculo for detectado, insira a transferência de dados, a exibição e a sub-rotina de controle de movimento; Se nenhum obstáculo for detectado, inserindo a sub-rotina de detecção ultra-sônica. O ultra-som detecta obstáculos, então entra nas sub-rotinas de transmissão de dados, exibição e controle de movimento. Se nenhum obstáculo for detectado, a detecção infravermelha é realizada ciclicamente infravermelho e sub-rotina ultra-sônica, respectivamente.

V. Resultados da medição
Durante o teste, os obstáculos do mesmo tamanho, textura e cor são usados ​​para medição. Os testes mostram que a precisão que a precisão do sistema é de 1% de 0 a 200 cm, que pode medir com precisão a distância dos obstáculos. A medição de distância dentro de 30 cm é feita por sensores infravermelhos e a medição de distância entre 30 e 200 cm é feita por sensores ultrassônicos.

6. Conclusão
Este artigo estuda um sistema de distância de robô móvel de baixo custo, baixo desempenho, um sistema de distância móvel de alto desempenho, um sistema multi-sensor usando sensores ultrassônicos e infravermelhos, que efetivamente resolve o problema de medir manchas cegas em um único sistema de factura de sensor; Os três grupos de sensores são montados em três posições diferentes do robô, para que o robô possa completar as tarefas que variam em três direções diferentes.