Sistema de detecção de robô móvel autônomo com base no sensor ultrassônico

Uma extensão do sensor ultrassônico é um bom suplemento para o sistema de detecção existente de robôs móveis. Foi totalmente demonstrado em aplicações experimentais, e tem certa praticidade na detecção de obstáculos e ajuste de pose de robô. No entanto, este método precisa ser melhorado em tempo real e precisão.

Um dos mais importantesusensor de nível ltrasônicopara robôs móveis adquirir comportamento autônomo é adquirir conhecimento sobre o meio ambiente. Isso é conseguido usando diferentes medições de sensores ultrassônicos e extraindo informações dessas medições. Sensores como visão, infravermelho, laser e ultra-sônico foram todos usados ​​em robôs móveis. Os sensores ultra-sônicos têm sido amplamente utilizados em sistemas de detecção de robôs móveis devido ao seu desempenho de alto custo e implementação simples de hardware. No entanto, os sensores ultra-sônicos também têm certas limitações, principalmente devido ao grande ângulo de feixe, má diretividade e instabilidade da medição de distância (sob reflexão não vertical). Portanto, vários sensores ultrassônicos ou outros sensores são freqüentemente usados ​​para compensar. A fim de compensar as deficiências do próprio sensor ultrassônico e melhorar sua capacidade de obter informações ambientais, este artigo deseja um sistema de detecção composto por um sensor ultra-sônico integrado e um motor de piso.

1 Análise do princípio da detecção e método de sensores ultrassônicos

O princípio básico de um sensor ultra-sônico é enviar pacotes de onda de pressão (ultra-sônico) e medir o tempo necessário para os pacotes de ondas a serem transmitidos e retornados ao receptor.

Entre eles, é a distância entre o alvo e o sensor ultrassônico; C é a velocidade da onda ultra-sônica (a fim de simplificar a descrição, a influência da temperatura na velocidade da onda não é considerada quando está medindo a distância discutida abaixo; T é o intervalo de tempo da emissão para a recepção.

Porque a distância de medição com ultrassom não é uma medição de ponto. Os sensores ultra-som têm certas características de difusão. A energia ultra-sônica emitida é concentrada principalmente no lobo principal, e atenuates em forma de onda em ambos os lados do eixo de onda principal, com um ângulo de difusão de cerca de 30°esquerda e direita. De fato, o método de cálculo de fórmula ao longo do tempo é baseado no reflexo bem sucedido e vertical de ondas ultrassônicas. No entanto, é difícil para um robô móvel garantir a estabilidade de sua própria postura de movimento. O método de detecção que um sensor ultrassônico é fixado no corpo do robô móvel é usado. Quando o robô móvel se desvia de uma parede paralela, o sistema de detecção é muitas vezes difícil de obter a distância real. Além disso, quando a divergência característica da ultrassonografia é usada para medir obstáculos, ela só pode fornecer as informações de distância do obstáculo alvo, mas não a direção e as informações de limite do alvo. Esses defeitos limitam muito a aplicação prática e a promoção de sensores ultrassônicos.

Com base na análise teórica e nos testes contínuos, este artigo usa um motor de passo quatro fábrico para conduzir um único sensor ultra-sônico integrado para girar para formar um sistema de detecção dinâmica.

2 sistema de detecção é composto de sensor ultrassônico integrado e motor de passo

2.1 Design Estrutural

O sensor ultra-sônico é soldado na placa PCB, a placa é construída por um tubo de aço, e a outra extremidade do tubo de aço é conectada ao eixo do motor de entrada, e o motor de entrada é fixado sob o chassi do robô. O sinal de controle do sensor ultra-sônico e sinal de saída conectados à placa de controle no corpo do veículo através da linha de sinal. Além disso, uma manga em forma de cone feita de material de espuma é adicionada na frente da sonda do sensor ultrassônico, o diâmetro da boca superior é de 22 mm, o diâmetro da boca inferior é de 16 mm, e a altura é de 20 mm . Desta forma, o ângulo do feixe da onda transmitida e do ângulo em que a onda refletida é recebida são bastante restritas. Para que o robô ajuste sua postura, ele precisa determinar sua própria direção de rotação e posição de referência. Portanto, um simples codificador fotoelétrico composto por um sensor fotoelétrico infravermelho direto e uma plataforma giratória é feita por nós mesmos. A distribuição de 2 sensores fotoelétricos infravermelhos diretos é mostrada e eles são organizados horizontalmente na linha de conexão do ponto médio em ambos os lados do corpo do carro do robô em 180°intervalos. A plataforma giratória e o braço rotativo são conectados em um círculo concêntrico, conforme mostrado pelo círculo externo na figura, as linhas de escala 1, 3 são separadas por 27°; As linhas de escala 2, 1 são separadas por 180°e a linha de 1 escala e o centro do sensor ultrassônico são mantidos na mesma linha horizontal. Eu só condução é usado como coordenada de referência, I e II são simultaneamente guiadas para determinar a direção da rotação, eⅡA única passagem é usada como referência de navegação quando o robô retorna ao longo da parede.

O sensor ultra-sônico integrado é impulsionado para girar por um motor de piso, e a direção do eixo central do sensor ultra-sônico perpendicular ao corpo do robô é usado como referência de coordenada para o seu próprio ajuste de postura. O motor de piso adota um ângulo de passo de 4 fases de 4 fases de 1.8°e 1 passo por revolução, o sensor ultrassônico detecta uma vez e envia o valor de medição para o computador superior através da porta serial.

2.2 Design de hardware do sistema de detecção

O hardware do sistema de detecção é composto principalmente de circuito de geração ultra-sônica, circuito receptor ultra-sônico, módulo de controle de velocidade do motor de passo, etc. O núcleo do sistema é o chip único, o que conclui principalmente a transmissão de sinal e a recepção, controla o motor de entrada. Transmite dados para o computador host do robô para processamento.

O circuito de transmissor ultrassônico usa a porta P11 do chip único para produzir o pulso do transmissor e é acionado pelo 74HC04 para conectar o sensor ultrassônico. Eles aumentam sua capacidade de saída de corrente e aumentam a distância de transmissão do sensor ultrassônico.

O circuito ultra-sônico de recebimento e processamento adota circuito integrado. É um circuito integrado dedicado para receptores infravermelhos. Aqui o CX20106 é usado como um dispositivo amplificador e detectivo para receber sinais de sensores ultrassônicos, e bons resultados também foram alcançados. Depois que o pré-amplificador recebe o sinal refletido da sonda de recepção ultrassônica, amplifica o sinal com um ganho de tensão de cerca de 80 dB. Em seguida, o sinal é enviado para o amplificador limitante para transformá-lo em um pulso retangular e, em seguida, a frequência é selecionada pelo filtro para filtrar o sinal de interferência, a freqüência de transportadora é filtrada pelo detector para detectar o sinal de comando e depois Moldando, é resultado pelo nível baixo PIN 7. A borda queda da saída de pulso do PIN 7 é entrada através da porta INT0 do microcontrolador.

O circuito do transmissor e o circuito receptor do sensor ultra-sônico integrado usam a mesma entrada / saída do pino do sensor. Se a entrada / saída não estiver isolada, o circuito do receptor e o circuito do transmissor serão muito afetados. O interruptor analógico Bidirecional CMOS é usado para realizar o isolamento da transmissão e da recepção. O módulo de controle do motor de passo adota o modo de controle do distribuidor de pulso de anel L297 + duplo circuito integrado de potência H-Bridge L298. P1.6, P1.7 e P2.3 do microcomputador de chip único são respectivamente conectados aos terminais CW, relógio e habilitar os terminais de controle de L297 para controlar a rotação avançada e reversa, sinal de relógio, início e parada do motor .

2.3 Design de software de sistema de detecção

O software do sistema de detecção é composto principalmente de um módulo de programa principal, um módulo de programa de serviço de interrupção e um sensor ultrassônico transmitindo e recebendo módulo. O módulo principal do programa do sistema de detecção é explicado principalmente aqui.

O sensor ultra-sônico e os módulos de medição e controle do motor de passo são controlados por diferentes microcomputadores de chip único, portanto, o sistema de detecção e o computador superior do robô móvel devem confiar na linha de porta de E / S e comunicação assíncrona serial entre os microcomputadores de chips único. A bandeira T é usada para mudar de ações. Quando t = 0 e desligado = 0 estão satisfeitos ao mesmo tempo, é um processo de detecção comum de sensores ultrassônicos; Quando t = 1, desligado = 0, ele é usado para ajustar o azimute antes de cada medição do ciclo; OFF = 1 está aguardando a próxima ação. O temporizador T0 é usado para calcular o tempo do eco, então o valor de distância d = 0,334×(Th0.×256 + TL0) / 2. Um pulso de gatilho é dado ao motor de passo. Em seguida, determine se a próxima ação é fazer a detecção do sensor ou para ajustar o ângulo azimute do próprio robô, o que entra em um novo ciclo.

3 experimento e aplicação do sistema de detecção no robô móvel

3.1 Encontre o ponto mais próximo da parede

Neste artigo, a ideia de design de encontrar o ponto mais próximo da parede é baseada em variamento ultrassônico. Selecionando o método de medição de distância no nível de tempo e limita o intervalo de recebimento do sensor ultrassônico, definindo o limiar de eco recebendo e adicionando uma manga absorção de som antes da sonda. O ângulo de feixe medido é sobre±20°em A.

distância de 75 cm, e o ângulo efetivo que pode receber ondas refletidas é sobre±40°.

O feixe cônico aproximado do sensor ultrassônico determina a distância de reflexão do ponto mais próximo toda vez que mede a distância. Mesmo que o ângulo de feixe se desvia à linha pontilhada, a distância real ainda é a medição do valor ao longo da linha central do feixe. Teoricamente, a distância medida dentro do ângulo de transmissão deve ser a mesma, mas o tempo de choque do sensor ultrassônico e a configuração do limiar de recebimento, incluindo o reflexo da parede, terá um certo impacto na medição de distância. Medido por experimentos, dentro de um determinado ângulo (aproximadamente±20°), o valor da distância de medição não muda significativamente e seus valores vizinhossão relativamente próximos (não mais que 2 mm). Quando o ângulo de deflexão continua a aumentar, as alterações nos valores de medição adjacentes também aumentam significativamente. Portanto, um método é usar esses dois pontos críticos para encontrar o ângulo entre o feixe e a parede (ou seja, o ponto mais próximo da parede), e o motor de passo impulsiona a ultra-sônica para encontrar esses dois pontos críticos. Quando dois valores adjacentes são continuamente detectados abaixo de 2 mm, considera-se que introduziu a zona estável e o ponto em que a alteração ocorre antes e depois é definida como o ponto crítico. Todos os pontos dentro desse ponto crítico são registrados e, em seguida, o ponto médio é calculado. O ponto médio é o ponto mais próximo entre a parede e o sensor ultrassônico. Ele mostra um conjunto de dados medidos. Dentro de 72.~108°é a área estável da medição de distância. Fora disso, o desvio adjacente da distância medido excede 8 mm, e com o ângulo será ainda mais ampliado quando virado para os dois lados. As experiências foram realizadas alterando a distância entre o sensor ultrassônico integrado e a parede dentro de 50 cm e 200 cm. Como resultado, o erro medido do ângulo vertical à parede estava limitado a 2 ângulos de passo.

3.2 O sistema de detecção é aplicado ao robô para navegar pela parede

Robôs móveis autônomos detectam informações sobre o ambiente atual durante o movimento. As informações de distância detectadas cada vez são medidas na premissa da postura de movimento do robô atual. Enquanto caminha em linha reta ao longo da parede, o robô garante a precisão de sua trajetória através da percepção conjunta da medição de distância e sua própria postura. A medição de distância ultra-sônica tem sido amplamente utilizada. Depois de testar a relação entre ângulo de detecção ultra-sônica e medição de distância, os sensores ultra-sônicos podem ser usados ​​para medir o ângulo de azimute do corpo do veículo (para determinar sua própria postura) de acordo com o método de cálculo do ponto mais próximo. O ponto mais próximo é a distância real entre o robô e a parede. As coordenadas de referência do robô são determinadas pelo sensor infravermelho direto 1 no codificador simples, e o ponto mais próximo é calculado de acordo com as informações armazenadas durante cada etapa do motor. Entre as coordenadas de referência e o ponto mais próximo, o ângulo percorrido pelo motor de passo é usado para determinar o ângulo de deflexão entre o robô e a parede, e então o ângulo de deflexão é transmitido para o sistema de controle da unidade de roda para ajustar o ângulo de azimute.

3.3 Pesquisar por obstáculos

O uso de um motor de piso para conduzir oSensor ultrassônico industrial

para girar é funcionalmente semelhante à detecção multi-sensor. Os robôs móveis geralmente usam vários sensores ultra-sônicos ao redor do corpo para obter mais informações, aumentando assim a gama de obstáculos e determinando a direção do alvo e as informações de limite. Em contraste, uma vantagem do método de rotação é que a densidade de detecção pode ser ajustada automaticamente de acordo com o aperto do obstáculo. O número de sensores adicionais é limitado por suas próprias condições, e o aperto do método de rotação está relacionado apenas ao ângulo de passo do motor de passo. O aumento da densidade de detecção pode melhorar muito a resolução do ângulo, fortalecendo assim a determinação da direção alvo e informações de limite.

Este sistema é uma extensão da função dosensor de proximidade ultra-sônica. e um bom suplemento para o sistema de detecção existente de robôs móveis. Foi totalmente demonstrado em aplicações experimentais, e tem certa praticidade na detecção de obstáculos e ajuste de pose de robô. No entanto, este método precisa ser melhorado em tempo real e precisão.