Análisis de aplicaciones del sensor ultrasónico en el sistema de distancia de robot móvil.

I. Introducción

En el proceso de evitación de obstáculos en tiempo real y planificación de la ruta para robots móviles autónomos, el robot debe confiar en la adquisición de información ambiental externa, sentir la presencia de obstáculos y medir la distancia de los obstáculos. En la actualidad, el robot, la evitación de obstáculos y los sensores de rango incluyen sensores de infrarrojos, ultrasónicos, láser y visuales. Los sensores láser y los sensores visuales son caros y requieren altos requisitos para los controladores. Por lo tanto, infrarrojo yTransductores de nivel ultrasónicoSe utilizan principalmente en sistemas de robots móviles.

La mayoría de los sistemas utilizan un solo sensor para la recopilación de información, pero debido al problema de medir los puntos ciegos, la gama de sensores ultrasónicos es generalmente entre 30 y 300 cm; Mientras que la distancia de detección de sensores de distancia infrarrojos es corta, generalmente dentro de decenas de centímetros. Hasta cierto punto, puede compensar las deficiencias de los sensores ultrasónicos que no se pueden medir a corta distancia. Por lo tanto, este sistema utiliza múltiples sensores de infrarrojos y ultrasónicos para medir y recolectar información de distancia.

2. PRINCIPIO Y MÉTODO DE RANGO

(1) sensor ultrasónico
El ultrasonido se refiere a las ondas de sonido con una frecuencia de resonancia superior a 20Hz. Cuanto mayor sea la frecuencia, más fuerte la capacidad de reflexión. Los sensores ultrasónicos son económicos, y su rendimiento no se ve afectado por la luz, el polvo, el humo, la interferencia electromagnética y el metal, la madera, el concreto, el vidrio, el caucho y el papel pueden reflejar casi el 100% de las ondas ultrasónicas, por lo que se pueden usar para detectar objetos .
El método de medición de distancia ultrasónica es el método de detección de eco. El transductor de transmisión emite continuamente pulsos de sonido. Después de que la onda de sonido se encuentra con el obstáculo, se refleja y recibe el transductor receptor. La distancia del obstáculo se calcula de acuerdo con la velocidad de sonido y la diferencia de tiempo. Se expresa la relación entre la distancia y la velocidad del sonido y el tiempo.

(2) Métodos para mejorar la precisión del transductor de rango ultrasónico.
1. Utilice la frecuencia y la longitud de onda apropiadas: usandoTransductor ultrasónico de alta potenciaPara medir la distancia, la frecuencia es demasiado baja; La interferencia de ruido externa es más; La frecuencia es demasiado alta, y la atenuación es grande durante el proceso de propagación. Además, el sensor ultrasónico es propenso a generar puntos ciegos durante el proceso de medición, y el extremo receptor es propenso a recibir ondas con fugas. Para mejorar esta deficiencia, es necesario reducir la longitud de la cadena de onda transmitida y aumentar la frecuencia de la onda transmitida. Sin embargo, si la longitud de la cadena de onda transmitida es demasiado corta, el transductor de transmisión no puede estar emocionado o la vibración emocionada no alcanza el valor máximo; Si la frecuencia de la onda transmitida es demasiado alta, la atenuación es grande, y la distancia de trabajo disminuye. Las pruebas han demostrado que el uso de ondas ultrasónicas de 40 kHz para transmitir el grupo de pulso contiene 10-20 pulsos y tiene un buen rendimiento de propagación.

2. La mejora de la precisión del sincronización del sistema también puede mejorar la precisión del transductor de distancia ultrasónica. Cuanto mayor sea la frecuencia de conteo del temporizador, menor será el error de rango debido al error de cuantificación del tiempo.

3. Compensar el retraso de tiempo del circuito del sistema puede reducir el error de rango y mejorar la precisión de rango. En la fórmula, △ T es el tiempo de retardo, s; S1, S2 son dos distancias de medición conocidas, M; T1, T2 son el tiempo de medición correspondiente, s.

(3) sensor de evitación de obstáculos infrarrojos
El infrarrojo es una onda electromagnética entre la luz visible y el microondas. Por lo tanto, no solo tiene las características de la propagación luminosa visible, la reflexión, la refracción, etc., sino que también tiene ciertas características de las microondas, como la penetración fuerte y la capacidad de penetrar cierta materia opaca, etc. El sensor infrarrojo incluye un dispositivo de emisión de infrarrojos y un dispositivo de recepción infrarrojo. Todos los objetos en la naturaleza irradiarán la radiación infrarroja siempre que la temperatura esté por encima del cero absoluto. Por lo tanto, los sensores infrarrojos deben tener capacidades de transmisión y recepción más fuertes.

El principio básico del rango de los sensores ultrasónicos infrarrojos es que el tubo emisor de luz emite luz infrarroja, y el tubo de recepción sensible a la luz recibe la luz reflejada del objeto delante de ella, y luego juzga si hay un obstáculo frente a eso. La distancia del objeto puede ser juzgada de acuerdo con la intensidad de la luz emitida. Su principio es que la intensidad de la luz recibida por el tubo de recepción varía con la distancia del objeto reflectante. La intensidad de la luz reflejada está cerca de la distancia, y la intensidad de la luz reflejada está muy lejos.

En la actualidad, un interruptor fotoeléctrico infrarrojo, que es uno de los sensores más utilizados, tiene una frecuencia de transmisión de aproximadamente 38 kHz y una distancia de detección relativamente corta. Por lo general, se usa para el reconocimiento de obstáculos de corta distancia. Este sistema utiliza este tipo de sensor.

(4) defectos de la medición de la distancia infrarroja
Afectados por las características del dispositivo, el interruptor fotoeléctrico infrarrojo general tiene pobre anti-interferencia y se ve muy afectada por la luz ambiental; y el color del objeto detectado y la suavidad de la superficie son diferentes, y la intensidad de la luz infrarroja reflejada será diferente.

Tercero, la estructura del sistema de hardware.

(1) composición del sistema
El sistema de medición de distancia se compone de microordenador de un solo chip, circuito de transmisión ultrasónica y circuito de recepción, circuito de transmisión y recepción de infrarrojos, circuito de visualización digital y circuito de comunicación en serie. El núcleo de control es el microcontrolador de 16 bits de Lingyang SPCE061 A. Hay 2 16 bits Temporizadores / temporizadores programables, 14 fuentes de interrupción, canales de entrada / salida programables universales de 32 bits y A / D de 10 bits de 7 canales en el chip. convertidor.

(2) circuito de sensor ultrasónico
El puerto I / O9-I / O11 de Lingyang MCU está conectado con el circuito transmisor de ultrasonidos de tres vías, y la I / O3-I / O5 está conectado al circuito de recepción de ultrasonidos de tres vías. El transductor de señal de 40 kHz generada por el microordenador de un solo chip se emite por la I / O, y es impulsado por el circuito amplificador de refuerzo compuesto por el inversor 4049B. Finalmente, se transmite por el ultrasónica UCM40T transductor de transmisión; La onda de sonido vuelve al obstáculo y es recibida por el receptor transductor UCM40R, la señal es amplificada por un circuito de amplificador de dos etapas compuesto por OP07, por un audio de bucle de enganche de fase decodificador LM567, filtrando señales de interferencia seleccionado de la frecuencia, y finalmente, insertando en un microordenador de un solo chip a través de un puerto de E / S. El único chip de microordenador calcula la distancia del obstáculo a través del tiempo de transmisión de la onda de sonido.

(3) circuito de infrarrojos sensor
El I / O0 ~ I / O6 de Lingyang MCU se pueden utilizar como un 10-bit A / D del convertidor. En este sistema, el I / O0 ~ I / O2 puertos de Lingyang MCU se utilizan como convertidores A / D. I / O6 ~ I / O8 están conectados a tres circuitos transmisores infrarrojos, y O0 ~ I / I / O2 están conectados a tres receptores de infrarrojos con circuito. Cuando el puerto I / O del microordenador de un solo chip da salida a un nivel alto, se lleva a cabo con el tubo luminiscente infrarrojo TLN205 y emite luz infrarroja; la onda de luz se refleja después de encontrarse con un obstáculo y recibida por el TPS708 tubo de recepción de infrarrojos, que genera una corriente correspondiente a la intensidad de la luz. Después de que el circuito de amplificación de dos etapas compuesto se amplifica, se da salida a una tensión analógica de 0 ~ 3V, que es introducida en el microordenador de un solo chip a través del puerto A / D. Los individuales calcula microordenador de la viruta y jueces la distancia del obstáculo a través de la magnitud de la tensión.

4. Diseño de Software
El ordenador de un solo chip SPCE061 A selecciona la frecuencia del sistema fosc = 20.480MHz, la frecuencia de reloj de la CPU (CPUCLK) es fosc / 2 = 10. 24 MHz, las selecciona la fuente de reloj de la frecuencia de 32768 Hz, los selecciona la fuente de reloj de la frecuencia de 1 Hz, y la SPCE061A proporciona 216 bits de temporización / contador: Timera y TImerB. La fuente de reloj de Timera se forma por las operaciones de fuente de reloj A y fuente de reloj B; la fuente de reloj de TImerB es único reloj fuente A.
El pulso ultrasónico de 40 kHz es una onda cuadrada con niveles altos y bajos, cada uno que ocupa 12.5 μs. El recuento de reloj de CPU se retrasa por 123 ciclos de instrucciones, que es de 12.5 μs. La computadora de un solo chip puede generar una señal de pulso de 40 kHz generando continuamente niveles altos y bajos de 12.5 μs. Cada vez que se emite un grupo de pulsos de 20 pulsos durante 0,5 m, y la emisión de pulso y el tiempo de intervalo son al menos 20 ms, que se emite desde el puerto de E / S. . El sistema selecciona el temporizador A como una interrupción del temporizador de 20 ms y el temporizador B como un contador ultrasónico. Debido a que el sensor ultrasónico tiene una medición de la zona muerta, en el diseño del programa, la medición de la distancia de más de 30 cm se completa con el sensor ultrasónico, y el sensor de infrarrojos se completa dentro de los 30 cm.

En el proceso de rango de infrarrojos, el temporizador A se usa para generar una interrupción de 0.1S para el muestreo A / D, y el valor de voltaje se convierte en información de distancia. En el programa principal, primero, ingrese la subrutina de detección de infrarrojos. Si se detecta un obstáculo, ingrese la subrutina de control de transmisión, pantalla y control de movimiento; Si no se detecta ningún obstáculo, ingrese la subrutina de detección de ultrasonidos. El ultrasonido detecta obstáculos, luego ingresa la transmisión de datos, la pantalla y las subrutinas de control de movimiento. Si no se detectan obstáculos, la detección de infrarrojos se realiza las subrutinas de detección de infrarrojos y ultrasonidos cíclicamente, respectivamente.

V. Resultados de medición
Durante la prueba, se utilizan obstáculos del mismo tamaño, textura y color. Las pruebas muestran que la precisión de rango del sistema es dentro del 1% de 0 a 200 cm, que puede medir con precisión la distancia de los obstáculos. La medición de la distancia dentro de los 30 cm se realiza mediante sensores infrarrojos, y la medición de la distancia entre 30 y 200 cm se realiza mediante sensores ultrasónicos.

6. Conclusión
Este documento estudia un sistema de distancia lateral de robot móvil de bajo costo, baja potencia, de alto rendimiento, un sistema multi-sensor que utiliza sensores ultrasónicos e infrarrojos, que resuelve efectivamente el problema de medir los puntos ciegos en un solo sistema de rango de sensores; Los tres grupos de sensores se ensamblan en tres posiciones diferentes del robot, de modo que el robot puede completar las tareas de rango en tres direcciones diferentes.