Système de détection de robot mobile autonome basé sur un capteur à ultrasons

Une extension du capteur à ultrasons est un bon complément au système de détection existant des robots mobiles. Il a été entièrement démontré dans les applications expérimentales, et il a une certaine pratique dans la détection des obstacles et l'ajustement de la pose des robots. Cependant, cette méthode doit être encore améliorée en temps réel et en exactitude.

L'un des plus importantsucapteur de niveau ltrasoniquePour que les robots mobiles acquièrent un comportement autonome, c'est acquérir des connaissances sur l'environnement. Ceci est réalisé en utilisant différentes mesures de capteur à ultrasons et en extraction des informations de ces mesures. Des capteurs tels que la vision, l'infrarouge, le laser et ultrasonores ont tous été utilisés dans les robots mobiles. Les capteurs à ultrasons ont été largement utilisés dans les systèmes de détection de robots mobiles en raison de leurs performances à coût élevé et de leur simple implémentation matérielle. Cependant, les capteurs à ultrasons ont également certaines limites, principalement en raison de l'angle grand du faisceau, de la mauvaise directivité et de l'instabilité de la mesure de la distance (sous réflexion non verticale). Par conséquent, plusieurs capteurs à ultrasons ou autres capteurs sont souvent utilisés pour compenser. Afin de compenser les lacunes du capteur à ultrasons lui-même et d'améliorer sa capacité à obtenir des informations environnementales, cet article conçoit un système de détection composé d'un capteur à ultrasons intégré et d'un moteur de tremplin.

1 Analyse du principe de détection et de la méthode des capteurs à ultrasons

Le principe de base d'un capteur à ultrasons est d'envoyer des paquets d'onde de pression (ultrasoniques) et de mesurer le temps pris pour que les paquets d'onde soient transmis et retournés au récepteur.

Parmi eux, c'est la distance entre la cible et le capteur à ultrasons; C est la vitesse d'onde à ultrasons (afin de simplifier la description, l'influence de la température sur la vitesse des vagues n'est pas prise en compte lorsqu'elle mesure la distance discutée ci-dessous; t est l'intervalle de temps de l'émission à la réception.

Parce que la distance de mesure avec l'échographie n'est pas une mesure ponctuelle. Les capteurs à ultrasons ont certaines caractéristiques de diffusion. L'énergie ultrasonique émise est principalement concentrée sur le lobe principal et atténue dans une forme en forme d'onde des deux côtés de l'axe d'onde principal, avec un angle de diffusion d'environ 30°gauche et droite. En fait, la méthode de calcul de la formule au fil du temps est basée sur la réflexion verticale réussie des ondes ultrasoniques. Cependant, il est difficile pour un robot mobile d'assurer la stabilité de sa propre posture de mouvement. La méthode de détection qu'un capteur à ultrasons est fixée sur le corps du robot mobile est utilisée. Lorsque le robot mobile s'écarte d'un mur parallèle, le système de détection est souvent difficile pour obtenir la distance réelle. De plus, lorsque la caractéristique de divergence de l'échographie est utilisée pour mesurer les obstacles, elle ne peut fournir que les informations de distance de l'obstacle cible, mais pas la direction et les informations limites de la cible. Ces défauts limitent considérablement l'application pratique et la promotion des capteurs à ultrasons.

Sur la base d'une analyse théorique et d'un test continu, cet article utilise un moteur pas à pas en quatre phases pour conduire un seul capteur ultrasonique intégré pour faire tourner pour former un système de détection dynamique.

2 Le système de détection est composé d'un capteur à ultrasons intégré et d'un moteur pas à pas

2.1 Conception structurelle

Le capteur à ultrasons est soudé sur la planche PCB, la planche est construite par un tuyau en acier et l'autre extrémité du tuyau en acier est connectée à l'arbre du moteur de tremplin, et le moteur de trempage est fixé sous le châssis du robot. Le signal de commande et le signal de sortie du capteur à ultrasons qui sont connectés à la carte de commande du corps du véhicule via la ligne de signal. De plus, une manche en forme de cône en matériau en mousse est ajoutée devant la sonde du capteur ultrasonique, le diamètre de la bouche supérieure est de 22 mm, le diamètre de la bouche inférieure est de 16 mm et la hauteur est de 20 mm . De cette façon, l'angle de faisceau de l'onde transmise et l'angle auquel l'onde réfléchie est reçue est considérablement restreinte. Pour que le robot ajuste sa posture, il doit déterminer sa propre direction de rotation et sa position de référence. Par conséquent, un codeur photoélectrique simple composé d'un capteur photoélectrique infrarouge direct et d'une platine est fabriqué par nous-mêmes. La distribution de 2 capteurs photoélectriques infrarouges directs est affiché et ils sont disposés horizontalement sur la ligne de connexion médiane des deux côtés du corps de la voiture du robot à 180°intervalles. La platine et le bras rotatif sont connectés sur un cercle concentrique, comme le montre le cercle extérieur de la figure, les lignes d'échelle 1, 3 sont séparées par 27°; Les lignes d'échelle 2, 1 sont séparées par 180°, et la ligne d'échelle 1 et le centre du capteur ultrasonique sont conservées sur la même ligne horizontale. La conduction seule est utilisée comme coordonnée de référence, I et II sont guidées simultanément pour déterminer la direction de la rotation, etⅡUne seule passe est utilisée comme référence de navigation lorsque le robot revient le long du mur.

Le capteur à ultrasons intégré est entraîné pour tourner par un moteur de tremplin, et la direction de l'axe central du capteur ultrasonique perpendiculaire au corps du robot est utilisée comme référence de coordonnées pour son propre ajustement de la posture. Le moteur de pas adopte un angle de pas à 4 raies à 4 phases de 1,8°et 1 étape par révolution, le capteur à ultrasons détecte une fois et envoie la valeur de mesure à l'ordinateur supérieur via le port série.

2.2 Conception matérielle du système de détection

Le matériel du système de détection est principalement composé de circuit de génération à ultrasons, de circuit de réception à ultrasons, de module de commande de vitesse du moteur pas à pas, etc. Transmet des données sur l'ordinateur hôte de robot pour le traitement.

Le circuit d'émetteur à ultrasons utilise le port P11 du seul puce pour sortir l'impulsion de l'émetteur et est entraîné par le 74HC04 pour connecter le capteur à ultrasons. Ils améliorent sa capacité de courant de sortie et augmentent la distance de transmission du capteur à ultrasons.

Le circuit de réception et de traitement à ultrasons adopte le circuit intégré. Il s'agit d'un circuit intégré dédié pour les récepteurs infrarouges. Ici, CX20106 est utilisé comme dispositif d'amplification et de détection pour recevoir des signaux de capteurs ultrasoniques, et de bons résultats ont également été obtenus. Une fois que le pré-amplificateur a reçu le signal réfléchi de la sonde de réception à ultrasons, il amplifie le signal avec un gain de tension d'environ 80 dB. Ensuite, le signal est envoyé à l'amplificateur limitant pour en faire une impulsion rectangulaire, puis la fréquence est sélectionnée par le filtre pour filtrer le signal d'interférence, la fréquence porteuse est filtrée par le détecteur pour détecter le signal de commande, et après Façon, il est sorti par la broche 7 à bas niveau. Le bord qui tombe de la sortie d'impulsion de la broche 7 est entrée à travers le port INT0 du microcontrôleur.

Le circuit de l'émetteur et le circuit récepteur du capteur ultrasonique intégré utilisent la même entrée / sortie de broche de capteur. Si l'entrée / sortie n'est pas isolée, le circuit du récepteur et le circuit de l'émetteur seront considérablement affectés. L'interrupteur analogique bidirectionnel du CMOS est utilisé pour réaliser l'isolement de transmission et de réception. Le module de commande du moteur de pas adopte le mode de commande du distributeur d'impulsions d'anneau L297 + Circuit intégré de puissance H-Bridge L298. P1.6, P1.7 et P2.3 du micro-ordinateur à puce unique sont respectivement connectés aux bornes CW, horloge et activer le L297 pour contrôler la rotation vers l'avant et l'inverse, le signal d'horloge, le démarrage et l'arrêt du moteur .

2.3 Conception du logiciel du système de détection

Le logiciel du système de détection est principalement composé d'un module de programme principal, d'un module de programme de service d'interruption et d'un capteur à ultrasons a un module de transmission et de réception. Le module de programme principal du système de détection est principalement expliqué ici.

Les modules de mesure et de contrôle du capteur et de stepre à ultrasons sont contrôlés par différents micro-ordinateurs à puce unique, de sorte que le système de détection et l'ordinateur supérieur du robot mobile doivent s'appuyer sur la ligne de port d'E / S et la communication asynchrone en série entre les micro-ordinateurs à puce. Le drapeau T est utilisé pour changer les actions. Lorsque t = 0 et OFF = 0 sont satisfaits en même temps, il s'agit d'un processus de détection ordinaire des capteurs à ultrasons; Lorsque t = 1, off = 0, il est utilisé pour ajuster l'azimut avant chaque mesure du cycle; OFF = 1 attend la prochaine action. La minuterie T0 est utilisée pour calculer le temps de l'écho, donc la valeur de distance d = 0,334×(Th0×256 + tl0) / 2. Une impulsion de déclenchement est donnée au moteur pas à pas. Déterminez ensuite si la prochaine action consiste à faire de la détection du capteur ou à ajuster l'angle d'azimut du robot lui-même, qui entre un nouveau cycle.

3 Expérience et application du système de détection sur le robot mobile

3.1 Trouvez le point le plus proche du mur

Dans cet article, l'idée de conception de trouver le point le plus proche du mur est basée sur la variation ultrasonique. Sélection de la méthode de mesure de la distance au niveau du temps et limitez la plage de réception du capteur à ultrasons en définissant le seuil d'écho de réception et en ajoutant une manche absorbant le son avant la sonde. L'angle de faisceau mesuré est à propos±20°à

La distance de 75 cm, et l'angle effectif qui peut recevoir des ondes réfléchies est à propos±40°.

Le faisceau conique approximatif du capteur à ultrasons détermine la distance de réflexion du point le plus proche chaque fois qu'il mesure la distance. Même si l'angle de faisceau s'écarte à la ligne pointillée, la distance réelle est toujours la valeur mesurant le long de la ligne médiane du faisceau. Théoriquement, la distance mesurée dans l'angle du faisceau de transmission doit être la même, mais le temps de choc du capteur ultrasonique et le réglage du seuil de réception, y compris la réflexion du mur, auront un certain impact sur la mesure de la distance. Mesuré par des expériences, sous un certain angle (approximativement±20°), la valeur de distance de mesure ne change pas de manière significative et ses valeurs voisinessont relativement proches (pas plus de 2 mm). Lorsque l'angle de déviation continue d'augmenter, les changements dans les valeurs de mesure adjacentes augmentent également considérablement. Par conséquent, une méthode consiste à utiliser ces deux points critiques pour trouver l'angle entre le faisceau et la paroi (c'est-à-dire le point le plus proche du mur), et le moteur pas à pas entraîne l'ultrasons pour tourner pour trouver ces deux points critiques. Lorsque deux valeurs adjacentes sont détectées en continu en dessous de 2 mm, il est considéré qu'il est entré dans la zone stable, et le point où le changement se produit avant et après est défini comme le point critique. Tous les points de ce point critique sont enregistrés, puis le point médian est calculé. Le point médian est le point le plus proche entre le mur et le capteur à ultrasons. Il montre un ensemble de données mesurées. En 72° ～108°, c'est la zone stable de mesure de la distance. En dehors de cela, l'écart adjacent de la distance mesurée dépasse 8 mm, et avec l'angle, il sera encore élargi lorsqu'il est tourné des deux côtés. Des expériences ont été réalisées en modifiant la distance entre le capteur ultrasonique intégré et la paroi à moins de 50 cm et 200 cm. En conséquence, l'erreur mesurée de l'angle vertical par rapport à la paroi était limitée à 2 angles de pas.

3.2 Le système de détection est appliqué au robot pour naviguer le long du mur

Les robots mobiles autonomes détectent des informations sur l'environnement actuel pendant le mouvement. Les informations de distance détectées à chaque fois sont mesurées sur la prémisse de la posture actuelle de mouvement du robot. Pendant que vous marchez en ligne droite le long du mur, le robot garantit l'exactitude de sa trajectoire par la perception articulaire de la mesure de la distance et de sa propre posture. La mesure de la distance à ultrasons a été largement utilisée. Après avoir testé la relation entre l'angle de détection par ultrasons et la mesure de la distance, les capteurs à ultrasons peuvent être utilisés pour mesurer l'angle d'azimut du corps du véhicule (pour déterminer sa propre posture) en fonction de la méthode de calcul du point le plus proche. Le point le plus proche mesuré est la distance réelle entre le robot et le mur. Les coordonnées de référence du robot sont déterminées par le capteur infrarouge direct 1 sur le codeur simple, et le point le plus proche est calculé en fonction des informations stockées à chaque étape du moteur de pas. Entre les coordonnées de référence et le point le plus proche, l'angle traversé par le moteur pas à pas est utilisé pour déterminer l'angle de déviation entre le robot et la paroi, puis l'angle de déviation est transmis au système de commande d'entraînement de roue pour régler l'angle d'azimut.

3.3 Recherche d'obstacles

L'utilisation d'un moteur de tremplin pour conduire lecapteur à ultrasons industriels

Rotation est fonctionnellement similaire à la détection multi-capteurs. Les robots mobiles utilisent généralement plusieurs capteurs à ultrasons autour du corps pour obtenir plus d'informations, augmentant ainsi la gamme d'obstacles et déterminant la direction cible et les informations limites. En revanche, un avantage de la méthode de rotation est que la densité de détection peut être automatiquement ajustée en fonction de l'étanchéité de l'obstacle. Le nombre de capteurs supplémentaires est limité par ses propres conditions, et l'étanchéité de la méthode de rotation n'est liée qu'à l'angle de pas du moteur pas à pas. L'augmentation de la densité de détection peut considérablement améliorer la résolution de l'angle, renforçant ainsi la détermination de la direction cible et des informations limites.

Ce système est une extension de la fonction ducapteur de proximité à ultrasons et un bon complément au système de détection existant des robots mobiles. Il a été entièrement démontré dans les applications expérimentales, et il a une certaine pratique dans la détection des obstacles et l'ajustement de la pose des robots. Cependant, cette méthode doit être encore améliorée en temps réel et en exactitude.