CC BY
31
Visiiyk NTUU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2017, Iss. 68, pp. 43—47
УДК 621.39
Розроблення системи керування роботизованою платформою з ультразвуковим радаром
HC-SR04
Могильний С. Б., Цимбал В. О.
Нацшиалышй тохшчшш ушворситот Украши "Кишський иолггохшчиий шстатут ¡м. 1горя Сжорського", м. Киш, Украша
Е-mai 1 : ie earch■ (Фикт. пс I.
Викопаш досл1джеппя точпоста вим1рюваппя реально!' в!дсташ до об'екту та для 3-х кутав повороту ультразвукового модуля. На основ! отримапих дапих запропоповапий алгоритм для змши руху платформп з метою огппаппя перешкоди.
Ключоег слова: ультразвуковий радар: HC-SR04: огипаппя перешкод: роботизовапа платформа
Вступ
Модуль ультразвукового радара НС-БШМ (рис. 1) е найпоширешшим елементом ргагома-штних конструкщй роботизованих платформ 1 дозволяв при мпималышх затратах вщпрацювати алгоритми автоматичного руху. Наводеш в опи-сах д1аграми випромпиовання модуля або надто спрогцош [1]. або чисто експорименталыи [2]. гцо но дозволяе використати 1х в алгоритмах корування. В [3] при визначонш вщсташ до иорошкоди вико-ристовуються два сирямоваш впород модуль гцо виявляють иорошкоду лише пород платформою. В робот [4] використовуються два розносош па повиу ввдетаиь модуль гцо дозволило розглянути лише чотири можлив1 вар1анти виявлоння вщбитих в1д иорошкоди сигнал1в. У мотодищ визначоння вщеташ до об'екту за допомогою 3-х моду.шв НС-БШМ [5] вибраш значения кутв втпрювання обумовлеш розм1рами НС-БШМ. а но техшчними параметрами модуля. В [6] модуль повсртаеться на р1зний кут 1. при виявленш иорошкоди. фшсуеться зиачоиия кута. яко внкорнстовусться для повороту шш01 антонн в напрямку внявлоно! порошкодн для бшьш точно! и щентифшащь В докумонтащ! [7] д1апазон втпрюваних вщетаной 2-400 см наводоний боз вка-зано! точносп втпрювання ввдеташ. гцо но дозволяс використати дсяш алгоритми визначоння типу порошкодн. а в робот [8] зазначаеться. що на точшеть визначоння ввдеташ впливас кут ввдбиття сигналу В1д порошкодн. Алгоритм уннкноння зикноння 3 фронтальною перешкодою. зпдно якого вщбувае-ться змоншоння швидкост та змша напрямку руху на протнложний. розглядаеться в [9]. Зазначош обможоння вимагають бшьш детального дослщже-ння параметр1в НС-БИМ з метою иодальшого 1х
використання для реал1зацп алгоритму огинання перешкоди.
1111
Рис. 1. Модуль ультразвукового радара
1 Досл1дження tohhoctí bhmí-рювання вщеташ
Для розроблення алгоритму огинання перешкоди важливо знати неодноднозначшеть втпрювання вщеташ до не!, яка в загальному випадку оиисус-ться формулою f ]:D = де D — вщетань ввд перешкоди; V — швидшеть звуку; Т — вим1ряний прохйжок часу в1д сигналу запуску до отрнмання ввдгуку. Зауважнмо. що швидшеть звуку в noBÍTpi змпиоеться залежио ввд температури таким чипом f }:V = 331,4 + 0, 62í, де í — температура, ви-хпряна в "С. а швидшеть в м/с. У платформ! можна використати цифровий сеисор температури DS18B20 i втпряне значения автоматично шдстав-лятн у наведену формулу. Для визначоння точност втирювання нами виконаш дослщжоння 7 моду.шв HC-SR04. Вщхилення реально! вщеташ. визначено! за допомогою метричних втпрювать. та втпряно!'. визначено!' радаром. наводеш на (рис. 2).Обробле-иия отриманих даних показало, гцо. при над1йност визиачеиия похнбкн втирювання (0.99) i чист про-ведених ирямих biimípíb понад 200. знаходимо. що
коефщент Стыодента р1вний 2.617 [11] 1 розрахо-вана похибка втирювання но поровищуе '2%. Отри-маний результат буде використаний для визначоння типу перешкоди. При вщетанях, менших за 5 см. похибка суттево збшынуеться.
д
г ш
Л и*
у
у у
у
у
у У
I 1
—
0 1 2 3 4 5 в 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Реальна вщетань (см)
повороту модуля. Найбшын пошироною с перешкода типу «стша»: чи то стша в примщенш, чи то зовшшня стша будовль При визначонш порошкоди 3-х кутовим мотодом значну роль ввдграе значения кута повороту радара для проведения б1чних втир1в. На виб1р кута повороту впливае не лише доаграма спрямованосп радара, а й чутлившть йо-го приймача, косфшдент вщбиття в1д порошкоди та 11 форма. Для порошкоди типу «стша» нами були проведен! сксперименталыи дослщження (рис. 4). яш показали, що, якщо кут повороту бшышш 40° при ввдетапях до перешкоди не менше 40 см, ввдгук не фжсуеться. При ввдетанях менше 30 см кут повороту радара не повинен перевищувати 30°. Враховуючи щ значения, вибирасмо кут повороту радара а для б1чиих вим1р1в (рис. ), щоб отрима-ти даш вадсташ до перешкоди типу «стша» за 3-х кутовим методом.
Рис. 2. Графж розб1жносп вихйрянсм 1 реально! вщетаной до перешкоди
2 Визначення допустимого кута повороту платформи 1 типу перешкоди
Для визначоння типу порошкоди, а також визначення допустимого кута повороту платформи радара „шворуч/праворуч при втпрюванш ввдеташ до перешкоди, скористаемося методом втпру в1д-сташ до перешкоди при 3-х кутах випромпиовання (даль 3-х кутовий метод) (рис. 3).
50 / 1
48
46
44
42
40 2
38
36
34
32
30
28 |
Вщетань (см)
Рис. 4. Заложшсть максимального кута повороту радара вщ вщеташ до перешкоди (1-поворот пра-воруч: 2-поворот „шворуч)
Розгляиемо загалышй випадок щентифшагщ типу перешкоди. Перев1римо, чи наложить перешкода до типу «стша» (рис. 5), враховуючи, що кут вимь рювання встановлюеться поворотом серводвигуна. Для цього знаходимо за допомогою радара вщеташ до точок М 1 И. або М 1 Ь та за формулою (1) розрахо-вусмо вщетань до третьей точки (Ь або И). Оскшьки радар отримус значения вщеташ до вах точок Ь, М, И, пор1внюемо обчислене 1 вишряно значения. Якщо р1зниця по перевищус знайдено! рашше по-хибки (2%), приймасться ршгсння про наявшеть перешкоди типу «стша».
Рис. 3. Положения доаграм спрямованосп для 3-х кутового методу втирювання вщеташ
Щоб не обмежувати виб1р кута випромпиовання радара розм1рами модуля НС-БШМ, використаемо лише один модуль, закршивши його на серводвигу-ш. Сигнали керування серводвигуном задають кут
Рис. 5. Геометрична штерпретащя для визначоння перешкоди типу «стша»
Розроблоиия систоми корувашш роботшоваиою платформою :¡ ультразвуковым радаром HC-SR04
45
II =
1м Ir
2/д cosa — 1м
(1)
Рис. 6. Побудови для визначення кута повороту платформи
7 = arctg
Ibsina 1м — lbc°sa
(2)
м
R
Табл. 1 Рух платформи залежно вщ наявноста сигналу радара
3 Опис алгоритму реал1зацп огинання перешкоди
Враховуючи наводеш вшце допущения та розра-хункн. розгляномо алгоритм огннання порошкод pignoro типу. Для перешкоди типу «стша» очовидним с cnoci6 огинання паралолыго (вздовж) перешкоди. Щоб знайти кут повороту платформи для роал1зацп' такого алгоритму, розгляномо вщеташ до точок М i R або М i L. залежно вщ того, яка вщетань буде меншою: до L чи до R. Розглядаючи розмщення точок М i L вщносно платформи Р (рис. 6). отримаемо формулу (2) для розрахунку кута i"í повороту.
L М R Опис алгоритму огинання перешкоди
— — — Перешкоди номае: платформа 1до вперед
— — + Перешкода праворуч: поворот ль воруч
+ Перешкода малих po3MipiB: мо-жливе огииаиия „шворуч, праворуч. рух назад
+ + Л1воруч перешкоди номае: визна-чаемо кут повороту „шворуч за точками М та R
+ — — Перешкода „шворуч: поворот праворуч
+ + Залежно вщ вщеташ до L та R ви-значаемо fiMOBipnicTb подальшого руху вперед: якщо рух вперед но-можливий (вузький щхлпжок мЬк перешкодами) рух назад
+ + Праворуч перешкоди номае: ви-значаемо кут повороту праворуч за точками L та М
+ + + Визначаемо за вщетаншо до точок L, М, R. чи лежать вони на однш лпш (перешкода типу «стша»). i на ocuoBi цього розраховуемо опти-малышй кут повороту платформи для огинання перешкоди (рис. 7-9)
Якщо розрахована координата третьо! точки X ^находиться ближче за втпряну перешкода типу «ув1гнута дуга» (рис. 8). Платформу слщ повериути в сторону бшыио! вщеташ (L або R).
Залежно вщ отриманих значень сигналу вщеташ до перешкоди (—) чи вщсутноста такого сигналу (-) мо-жлив1 pÍ3iii способи огинання перешкоди (табл. 1).
4 Виб1р алгоритму огинання для р1зних перешкод
Якщо точки лежать на прямш це перешкода типу «стша» (рис. 7). У цьому випадку необхщно визначити кут для руху вздовж «стши» в стороиу бшьшо! вщеташ (Ь або И).
Рнс. 7. Модель перешкодн тнпу «CTina»
Рис. 8. Модель перешкоди типу «ув1гнута дуга»
Якщо розрахована координата третьо! точки X знаходиться дал1 вщ вт-пряно! перешкода типу «випукла дуга» (рис. 9). Платформа повинна вщ'-1хати назад на певну вщетань \ иовернути праворуч або „шворуч, щоб зробити наступи! вихйри для вибо-ру алгоритму огинання перешкоди.
X
Висновки
Визначона мпимальна ввдстань до порошкоди, при якш похнбка втпрювання но порсвищуб: '2%. Враховуючи дану нсвизначошсть втирювання, за-пропонований алгоритм щснтифшагш порошкод типу «стша» та шших. Для 3-х кутового мотоду ви-м1рювання ввдсташ до порошкоди знайдоний допу-стимий кут повороту радара для б1чних вим1р1в з урахуванням його д1аграми спрямованость розмь гцоння ввдносно иородавача тогцо. Зроблош досль джсння дозволили роатзувати алгоритм огинання порошкоди за допомогою ультразвукового модуля НС-БШМ. Отримаш законохйрносп можуть бути застосоваш для шших тишв радар1в (наприклад, ш-фрачорвоних) в систомах автоматичного ксрування роботизованими платформами та автомобшями.
Перелж посилань
1.
2.
3. Черных Л. Л. Обход препятствий платформой на AVR микроконтроллере (Arduino UNO) с использованием ультразвуковых датчиков / A.A. Черных // Технологии Microsoft в теории и практике программирования ; X Всеросийская научи.-нракт. коиф. '2013. Томск, НИ ТПУ. с. 25-27.
4. Нурсеитов Д.В. Обзор алгоритмов обхода препятствий, используемых в робототехнике / Д.В. Нурсеитов, И.Л. Угай, Р.И Вармашёв., Д..4. Заурбеков ; Национальная научная лаборатория коллективного пользования информационных и космических технологий Казахского национального технического университета имени К.И. Сатиаева. 2014. с.11-12.
5. HC-SR04: using multiple ultrasonic modules. Режим доступу: ht tps://macduino. blogspot. com/2013/11/hc-sr04-using-multiple-ultrasonic.html
6. Kar R. Object Detection for Collision Avoidance in ITS / R. Kar, S. N. Sur // European Journal of Advances in Engineering and Technology. 2016. Vol. 3, No 5. pp. 29-35.
7. Ultrasonic ranging module HC-SR04. Режим доступу: http://www.micropik.com/PDF/HCSR04. pdf
8. Юлдашев М.Н. Ультразвуковые системы для определения пространственного положения подвижного объекта / М.Н. Юлдашев // Сборник научных трудов.
17-ая молодежная научно-техническая конференция "Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы 2015". М.: изд-во МГТУ им.Н.Э.Ваумапа, 22-23 апреля 2015 г. с. 465-472.
9. Вогдаиовський М. В. Лабораторный стенд досль джеппя Kojiicuoi Mo6i.;ibiio'i платформы ¡3 детектором фронтально! иерешши па 6a:ii Arduino UNO / М.В. Вогдаиовський, Д.Г. Курасов, Я.В. Михайлюк // ЫформацШио-коми'юторш техпологй'. 2016. Житомир, ЖДТУ. с. 123.
10. HC-SR04: ultrasonic sensor for Arduino. Режим доступу: https://macduino.blogspot.com/2013/ll/HC-SR04-partl.html
11. Обработка результатов прямого измерения. Режим доступу: http://teachmen.ru/methods/phys_prac6.php
References
[1] Ultrasonic Rangers. Available at: https://robot-electronics.co.uk/htm/sonar_faq.htm
[2] Ultrasonic Banging Module HC-SRO4- Available at: https://www.itead.cc/wiki/Ultrasonic_Ranging_Module _HC-SR04
[3] Chernykh A. A. (2013) Obkhod prepyatstvii platformoi na AVR mikrokontrollere (Arduino UNO) s ispol'zovani-em ul:trazvukovykh datchikov [Bypassing obstacles by a platform with an AVR microcontroller (Arduino UNO) using ultrasonic sensors]. Tckhnologii Microsoft v tcorii i praktike program.mirovani.ya, Tomsk, N1 TPU, pp. 25-27.
[5] HC-SROj: using multiple ultrasonic modules. Available at: https://macduino.blogspot.com/2013/ll/hc-sr04-using-multiple-ultrasonic.html
[6] Kar R. and Sur S.N. (2016) Object Detection for Collision Avoidance in ITS. European .Journal of Advances in Engineering and Technology, Vol. 3, No 5, p. 29-35.
[7] Ultrasonic ranging module HC - SR04. Available at: http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf
[8] Yuldashev M. N. (2015) Ultrasonic system for determining the spatial position of the mobile object. Naukoemkie tckhnologii i. intellektual'nye sistemy, Moskow, MCTU im. N.E. Baumana, pp. 465-472.
[9] Bohdanovskyi M. V., Kurasov D.H. and Mykhailiuk Ya.V. (2016) Laboratornyi stend doslidzhennia kolisnoi mobi-lnoi platformy iz detektorom frontalnoi perepony na bazi Arduino UNO [Laboratory model research wheeled mobile platform in front of the detector obstacles based on Arduino UNO], lnform.atsiino-kom.p'iuterni tekhnolohii, Zhytomyr, ZhDTU, pp. 123.
[10] HC-SR04: ultrasonic sensor for Arduino. Available at: https://macduino.blogspot.com/2013/ll/HC-SR04-partl.html
[11] Obrabotka rezultatov pryamogo izmereniya. Available at: http://teachmen.ru/methods/phys_prac6.php
Ultrasonic Rangers. Режим доступу: https://robot-electronics.co.uk/htm/sonar_faq.htm
Ultrasonic Ranging Module HC-SR04. Режим доступу: https://www.itead.cc/wiki/Ultrasonic_Ranging_Mof HC-SR04
[4] Nurseitov D.B., Ugai LA., Barmashev R. 1. and Zaurbekov D. L. (2014) Obzor algoritmov obkhoda prepyatstvii, ispol'zuemykh v robototekhnike [Overview obstacle avoidance algorithms used in robotics]. Kazakhskii natsional:nyi tekhnicheskii universitet imeni K.l. Satpaeva, pp. 11-12. "
Development of control system of robotic platform with ultrasonic radar HC-SR04
47
Разработка системы управления робо-
и 1 и
тизированнои платформой с ультразвуковым радаром НС-БШМ
Могильный С. В., Цымбси В. О.
Выполнены исследования точности измерения расстояния до объекта. Показано, что для расстояний 4150 см неопределенность значения расстояния не превышает 2%. Предложено метод идентификации типа помехи, в котором сравниваются рассчитанное значение и значение, полученное экспериментально с помощью радара. При этом используются измерения расстояния до объекта для 3-х углов поворота ультразвукового модуля. Определен максимально допустимый угол поворота ультразвукового радара платформы, при котором фиксируется сигнал, отраженный от препятствия. На уровень отраженного сигнала влияют угол отражения сигнала от препятствия, чувствительность приемника, коэффициент отражения сигнала и другие параметры. На основе полученных данных предложены алгоритмы для изменения движения платформы с целью огибания препятствия.
Ключевые слова: ультразвуковой радар; НС-вШМ; огибание препятствий; роботизированная платформа
Development of control system of robotic platform with ultrasonic radar HC-SR04
Mohylnyi S. B., Tsymbal V. 0.
Analytical review of known methods of using the ultrasonic radars to detect and round the obstacles. Researches of precision distance measurement to the object. It is shown that for distances uncertainty 4-150 cm value of a distance is less than 2%. The method of authentication such obstacles, which compares the calculated value and the value obtained experimentally by using radar. It uses the distance measurement to the object for 3 angles of rotation of ultrasonic module.The specified maximum angle of rotation of ultrasonic radar platform in which fixed signal reflected from the obstacle. The level of the reflected signal depends on the angle of reflection signal from obstacles, receiver sensitivity, reflectance signal and other parameters. Based on the data proposed algorithms to change the movement of platform to perform round the obstacles. In the algorithms comprises all possible options for receiving the reflected signal from obstacles.
Key words: ultrasonic radar; HC-SR04; sail around obstacles; robotic platform
