移动机器人避障、测距,不可缺少的超声波传感器

源于:        2021-08-19

移动机器人避障、测距,不可缺少的超声波传感器

超声波传感器是移动机器人避障、测距常用传感器之一。传感器安装在机器人上时距离地面不能太近,太近容易产生干扰信号,而且容易将可以翻越的障碍物当成无法逾越的障碍物。传感器两探头间的距离不能太远也不能太近,太远测量误差过大,太近串扰信号过强。

机器人硬件系统主要包括:ARM处理器、单片机、外围接口电路、机器人底盘以及电源等,其中ARM处理器是上层的核心,51单片机是下层的核心。硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

移动机器人采用H桥控制方案,整体控制方案如图2所示。

图2H桥控制方案

电机共有4路PWM输出分别作为左右轮的驱动,而通过2路PWM输出可控制一个电机,两个电机以并联方式连接。

当L298N芯片使能信号ENABLE为高时,输出才随输入变化,否则为高阻态,所以焊接时,ENABLE引脚及电源引脚VS均接电源VCC。

具体驱动过程为:通过编程由控制芯片经PWM发出驱动信号,PWM输出作为L298N的输入,经L298N转换输出控制信号使电机转动,从而实现电动机的驱动。

PWM输出信号的高低则可以控制直流电机转速。当占空比加大时,转速升高;占空比减小时,转速降低;当PWM信号输出占空比为0时可控制电机的停止。

当左轮停止,右轮转时,小车左转;当右轮停止,左轮转动时,小车右转。而2路PWM输出的正负顺序转换则可控制电机的正反转,进而控制小车的前进和后退。

系统软件结构如图3所示。

图3 系统软件结构

超声波传感器超声波发射模块设计

外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频率时,将会发生共振,课题中采用的超声波传感器中心频率为40kHz,因此在超声波发射电路中,通过软件编程方式,对单片机I/O口置高和置低,产生40kHz脉冲信号,输出到发射电路中。由于AT89S51单片机I/O口使用时能提供20mA灌电流能力,而吸电流能力较小,所以用74HC04来提高其输出电流的能力,保证40kHz的脉冲信号有一定的功率。超声波发射模块原理图如图4所示。

图4 超声波发射模块原理图

超声波接收模块设计

如图5所示,超声波接收处理电路采用集成电路CX20106. CX20106接收到与其中心频率相符的信号时, 7脚就输出低电平。 7脚输出的脉冲下降沿和红外传感器测距信号相与后接单片机中断口。

图5 超声波接收电路原理图

反射式红外传感器检测系统设计

红外测距电路如图6所示, LM567可以构成低频振荡器作为红外传感系统的编码电路,即利用其内部的压控振荡器来产生低频信号,由于R25=10.9kΩ, C25=2200pF,根据公式f0 =1/1.1RC,5脚输出频率38.91kHz的脉冲信号。此脉冲信号使三极管T1(8050)工作于开关状态,驱动红外发光二极管发出的红外脉冲。采用这种方法省去了信号发生电路,简化了线路和调试工作,又防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异,实现了红外线发射与接收工作频率的同步自动跟踪,使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。

图6 反射式红外传感器测距原理图

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