Sistema de detección de robot móvil autónomo basado en sensor ultrasónico

Una extensión del sensor ultrasónico es un buen suplemento al sistema de detección existente de robots móviles. Se ha demostrado plenamente en aplicaciones experimentales, y tiene cierta practicidad en la detección de obstáculos y el ajuste de la postura del robot. Sin embargo, este método debe mejorarse aún más en tiempo real y precisión.

Uno de los mas importantesusensor de nivel ltrasónicoPara los robots móviles adquirir comportamiento autónomo es adquirir conocimiento sobre el medio ambiente. Esto se logra utilizando diferentes mediciones de sensores ultrasónicas y extrayendo información de esas mediciones. Los sensores como la visión, el infrarrojo, laser y el ultrasónico se han utilizado en robots móviles. Los sensores ultrasónicos se han utilizado ampliamente en los sistemas de detección de robots móviles debido a su rendimiento de alto costo y su implementación simple de hardware. Sin embargo, los sensores ultrasónicos también tienen ciertas limitaciones, principalmente debido al ángulo del haz grande, la mala directividad y la inestabilidad de la medición de la distancia (bajo reflexión no vertical). Por lo tanto, los múltiples sensores ultrasónicos u otros sensores se utilizan a menudo para compensar. Para compensar las deficiencias del propio sensor ultrasónico y mejorar su capacidad para obtener información ambiental, este documento diseña un sistema de detección compuesto por un sensor ultrasónico integrado y un motor paso a paso.

1 Análisis del principio de detección y método de sensores ultrasónicos.

El principio básico de un sensor ultrasónico es enviar paquetes de onda de presión (ultrasonidos) y medir el tiempo necesario para que los paquetes de onda se transmita y se devuelvan al receptor.

Entre ellos, es la distancia entre el objetivo y el sensor ultrasónico; c es la velocidad de la onda de ultrasonidos (con el fin de simplificar la descripción, la influencia de la temperatura sobre la velocidad de onda no se considera cuando se está midiendo la distancia discute a continuación; t es el intervalo de tiempo desde la transmisión hasta la recepción.

Debido a que la medición de distancia con el ultrasonido no es una medición de punto. Los sensores ultrasónicos tienen ciertas características de difusión. La energía ultrasónica emitida se concentra principalmente en el lóbulo principal, y atenúa en una forma de onda similar a ambos lados del eje principal de onda, con un ángulo de difusión de aproximadamente 30°izquierda y derecha. De hecho, el método de cálculo de la fórmula con el tiempo se basa en el éxito de la reflexión, vertical de las ondas ultrasónicas. Sin embargo, es difícil para un robot móvil para asegurar la estabilidad de su propia postura movimiento. Se utiliza el método de detección que un sensor de ultrasonidos está fijado en el cuerpo del robot móvil. Cuando el robot móvil se desvía de una pared paralela, el sistema de detección es a menudo difícil de obtener la distancia real. Además, cuando se utiliza la característica divergencia de ultrasonido para medir los obstáculos, sólo puede proporcionar la información de la distancia del obstáculo objetivo, pero no la dirección y la información sobre los límites del objetivo. Estos defectos limitan en gran medida la aplicación práctica y la promoción de sensores de ultrasonidos.

Basado en el análisis teórico y pruebas continuas, este documento utiliza un motor paso a paso de cuatro fases para conducir un único sensor ultrasónico integrado a rotar para formar un sistema de detección dinámico.

2 Sistema de detección se compone de sensor ultrasónico integrado y motor paso a paso

2.1 Diseño estructural

El sensor de ultrasonido se suelda en la placa PCB, la junta está construido por un tubo de acero, y el otro extremo de la tubería de acero está conectado al eje del motor paso a paso, y el motor paso a paso se fija bajo el chasis del robot. La señal de señal de control de sensor y la salida de ultrasonidos que están conectados a la placa de control sobre la carrocería del vehículo a través de la línea de señal. Además, se añade un manguito en forma de cono hecha de material de espuma frente a la sonda del sensor de ultrasonido, el diámetro de la boca superior es 22 mm, el diámetro de la boca inferior es 16 mm, y la altura es de 20 mm . De esta manera, el ángulo del haz de la onda transmitida y el ángulo en el que se recibe la onda reflejada se restringen en gran medida. Para que el robot para ajustar su postura, que necesita para determinar su propia posición y dirección de rotación de referencia. Por lo tanto, un simple codificador fotoeléctrico compuesto de un sensor fotoeléctrico infrarrojo directa y una placa giratoria es hecha por nosotros mismos. La distribución de 2 sensores fotoeléctricos infrarrojos directos se muestra y que están dispuestos horizontalmente en la línea que conecta el punto medio a ambos lados de la carrocería del vehículo robot en 180°intervalos. El plato giratorio y el brazo giratorio están conectados en un círculo concéntrico, como se muestra por el círculo exterior en la figura, el 1, 3 líneas de escala están separados por 27°; Las líneas de 2, 1 escala están separadas por 180.°, y la línea de 1 escala y el centro del sensor ultrasónico se mantienen en la misma línea horizontal. La conducción sola se usa como la coordenada de referencia, I y II se guían simultáneamente a determinar la dirección de rotación, yⅡLa única pasada se utiliza como referencia de navegación cuando el robot regresa a lo largo de la pared.

El sensor ultrasónico integrado se acciona para girar por un motor paso a paso, y la dirección del eje central del sensor ultrasónico perpendicular al cuerpo del robot se utiliza como referencia de coordenadas para su propio ajuste de postura. El motor paso a paso adopta un ángulo de paso de 4 pulsaciones de 4 fases de 1.8°, y 1 paso por revolución, el sensor ultrasónico detecta una vez, y envía el valor de medición a la computadora superior a través del puerto serie.

2.2 Diseño de hardware del sistema de detección

El hardware del sistema de detección se compone principalmente de circuito generador de ultrasonidos, circuito de recepción ultrasónico, módulo de control de velocidad de motor paso a paso, etc. El núcleo del sistema es el chip único, que completa principalmente la transmisión y recepción de la señal, controla el motor de escalón y controla el motor de escalón y Transmite datos a la computadora Host de Robot para su procesamiento.

El circuito del transmisor ultrasónico utiliza el puerto P11 del chip único para emitir el pulso del transmisor, y está impulsado por el 74HC04 para conectar el sensor ultrasónico. Mejoran su capacidad de corriente de salida y aumentan la distancia de transmisión del sensor ultrasónico.

El circuito de recepción y procesamiento ultrasónico adopta un circuito integrado. Es un circuito integrado dedicado para los receptores infrarrojos. Aquí, CX20106 se utiliza como un dispositivo de amplificación y detección para recibir señales de los sensores ultrasónicos, y también se han logrado buenos resultados. Después de que el pre-amplificador recibe la señal reflejada de la sonda de recepción ultrasónica, amplifica la señal con una ganancia de voltaje de aproximadamente 80 dB. Luego, la señal se envía al amplificador limitante para que se convierta en un pulso rectangular, y luego la frecuencia se selecciona por el filtro para filtrar la señal de interferencia, la frecuencia del portador se filtra por el detector para detectar la señal de comando, y después Formando, se emite con pin 7 de bajo nivel. El borde cayendo de la salida del pulso desde el pin 7 se ingresa a través del puerto INT0 del microcontrolador.

El circuito transmisor y el circuito receptor de la utilización sensor ultrasónico integrado el mismo pasador sensor de entrada / salida. Si no se aísla la entrada / salida, el circuito receptor y el circuito transmisor se verá muy afectada. El conmutador analógico bidireccional CMOS se utiliza para realizar el aislamiento de transmisión y recepción. El módulo de control de motor paso a paso adopta el modo de control de anillo distribuidor de impulsos L297 circuito + doble de energía de puente en H integrado L298. P1.6, P1.7, P2.3 y de la de un solo chip de microordenador están conectados respectivamente a la CW, reloj, y permitir que los terminales de control de L297 para controlar la rotación hacia adelante y hacia atrás, señal de reloj, iniciar y parada del motor .

2.3 Detección de diseño del software del sistema

El software del sistema de detección se compone principalmente de un módulo de programa principal, un módulo de programa de servicio de interrupción, y un sensor de ultrasonidos ha transmisión y recepción de módulo. El módulo principal del programa del sistema de detección se explica principalmente aquí.

Sensor ultrasónico y módulos de medición de control y motor paso a paso son controlados por diferentes microordenadores de un solo chip, por lo que el sistema de detección y el ordenador superior del robot móvil deben confiar en la línea de puerto de E / S y la comunicación asincrónica en serie entre los microordenadores de un solo chip. La bandera T se utiliza para acciones de conmutación. Cuando T = 0 y OFF = 0 se satisfacen al mismo tiempo, es un proceso de detección de corriente de los sensores ultrasónicos; cuando T = 1, OFF = 0, se utiliza para ajustar el acimut antes de cada medición ciclo; OFF = 1 está a la espera para la siguiente acción. El T0 temporizador se utiliza para calcular el tiempo del eco, por lo que el valor de la distancia d = 0,334×(TH0×256 + TL0) / 2. un impulso de disparo se le da al motor paso a paso. Entonces determinar si la siguiente acción es hacer sensor de detección o para ajustar el ángulo de acimut del robot en sí, que entra en un nuevo ciclo.

3 Experimento y la aplicación del sistema de detección en el robot móvil

3.1 Encontrar el punto más cercano a la pared

En este trabajo, la idea de diseño de encontrar el punto más cercano a la pared se basa en que van ultrasónica. Selección del método de medición de la distancia a nivel de tiempo, y limitar el alcance de recepción del sensor de ultrasonido estableciendo el umbral de recepción del eco y la adición de un manguito de absorción de sonido antes de la sonda. El ángulo de haz de medida se trata de±20°a una

distancia de 75 cm, y el ángulo eficaz que puede recibir ondas reflejadas se trata de±40°.

El haz cónico aproximada del sensor ultrasónico determina la distancia de reflexión del punto cada vez que se mide la distancia más cercana. Incluso si el ángulo del haz se desvía de la línea de puntos, la distancia real es todavía el valor de medición a lo largo de la línea central del haz. Teóricamente, la distancia medida dentro del ángulo del haz de transmisión debe ser el mismo, pero el tiempo de choque del sensor de ultrasonidos y el ajuste del umbral de recepción, incluyendo el reflejo de la pared, tendrá un cierto impacto en la medición de distancia. Medido por experimentos, dentro de un cierto ángulo (aproximadamente±20°), El valor de la distancia de medición no cambia significativamente, y sus valores vecinosestán relativamente cerca (no más de 2 mm). Cuando el ángulo de deflexión continúa aumentando, los cambios en los valores de medición adyacentes también aumentan significativamente. Por lo tanto, un método es usar estos dos puntos críticos para encontrar el ángulo entre la viga y la pared (es decir, el punto más cercano a la pared), y el motor paso a paso acciona el ultrasónico para girar para encontrar estos dos puntos críticos. Cuando dos valores adyacentes se detectan continuamente por debajo de 2 mm, se considera que ha entrado en la zona estable, y el punto en el que se produce el cambio antes y después se establece como el punto crítico. Se registran todos los puntos dentro de este punto crítico, y luego se calcula el punto medio. El punto medio es el punto más cercano entre la pared y el sensor ultrasónico. Muestra un conjunto de datos medidos. Dentro de 72° ~ ~108°, Es el área estable de la medición de la distancia. Fuera de esto, la desviación adyacente de la distancia medida excede de 8 mm, y con el ángulo se ampliará aún más cuando se giró a ambos lados. Se realizaron experimentos cambiando la distancia entre el sensor ultrasónico integrado y la pared dentro de los 50 cm y 200 cm. Como resultado, el error medido del ángulo vertical a la pared se limitó a los ángulos de 2 pasos.

3.2 El sistema de detección se aplica al robot para navegar a lo largo de la pared.

Los robots móviles autónomos detectan información sobre el entorno actual durante el movimiento. La información de distancia detectada cada vez se mide en la premisa de la postura actual de movimiento de robots. Mientras camina en una línea recta a lo largo de la pared, el robot garantiza la precisión de su trayectoria a través de la percepción conjunta de la medición a distancia y su propia postura. La medición de distancia ultrasónica se ha utilizado ampliamente. Después de probar la relación entre el ángulo de detección de ultrasonidos y la medición de la distancia, se pueden usar sensores ultrasónicos para medir el ángulo de azimut del cuerpo del vehículo (para determinar su propia postura) de acuerdo con el método de calcular el punto más cercano. El punto más cercano medido es la distancia real entre el robot y la pared. Las coordenadas de referencia del robot están determinadas por el sensor de infrarrojos directo 1 en el codificador simple, y el punto más cercano se calcula de acuerdo con la información almacenada durante cada paso del motor paso a paso. Entre las coordenadas de referencia y el punto más cercano, el ángulo atravesado por el motor paso a paso se usa para determinar el ángulo de desviación entre el robot y la pared, y luego el ángulo de desviación se transmite al sistema de control de la tracción a la rueda para ajustar el ángulo de azimut.

3.3 Buscar obstáculos.

El uso de un motor paso a paso para conducir elSensor ultrasónico industrial

Para girar es funcionalmente similar a la detección de sensores múltiples. Los robots móviles usualmente usan múltiples sensores ultrasónicos alrededor del cuerpo para obtener más información, lo que aumenta el rango de obstáculos y la determinación de la dirección de destino y la información de límites. En contraste, una ventaja del método de rotación es que la densidad de detección se puede ajustar automáticamente de acuerdo con la estanqueidad del obstáculo. El número de sensores adicionales está limitado por sus propias condiciones, y la estanqueidad del método de rotación solo está relacionada con el ángulo de paso del motor paso a paso. El aumento de la densidad de detección puede mejorar enormemente la resolución del ángulo, fortaleciendo así la determinación de la dirección de destino y la información de los límites.

Este sistema es una extensión de la función de laSensor de proximidad ultrasónica y un buen suplemento al sistema de detección existente de robots móviles. Se ha demostrado plenamente en aplicaciones experimentales, y tiene cierta practicidad en la detección de obstáculos y el ajuste de la postura del robot. Sin embargo, este método debe mejorarse aún más en tiempo real y precisión.