УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

Базыкин Сергей Николаевич; Урваев Илья Николаевич

УДК 681.586.4

doi:10.21685/2072-3059-2022-4-8

Ультразвуковой дальномер для системы обнаружения препятствий при движении мобильного робота

С. Н. Базыкин1, И. Н. Урваев2

1,2Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1cbazikin@yandex.ru, 2iurvaev@mail.ru

Аннотация. Актуальность и цели. В последние годы роботы перешагнули грань опытных и малосерийных образцов и стали активно использоваться как в качестве бытовых систем, так и в качестве комплексов, от которых зависит наша жизнь и здоровье. Объектом исследования в данной работе являются ультразвуковые датчики для мобильного робота. Предметом исследования являются методы ориентации робота в среде, характеризующейся высоким уровнем динамической неопределенности. Целью исследования является повышение точности и достоверности определения расстояния до препятствия и корректировки последующего передвижения. Материалы и методы. Исследование проводилось с использованием схемотехнического моделирования в программной среде Proteus, а также натурного эксперимента с использованием ультразвукового дальномера. Результаты. Полученные результаты натурных испытаний ультразвукового дальномера робота согласуются с результатами схемотехнического моделирования. Выводы. Полученные результаты показали возможность использования ультразвуковых дальномеров в системах обнаружения препятствий.

Ключевые слова: мобильный робот, ультразвук, системы навигации, схемотехническое моделирование, натурные испытания, температурная компенсация Для цитирования: Базыкин С. Н., Урваев И. Н. Ультразвуковой дальномер для системы обнаружения препятствий при движении мобильного робота // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 4. С. 97-107. doi:10.21685/2072-3059-2022-4-8

Ultrasonic rangefinder for an obstacle detection system when moving a mobile robot

S.N. Bazykin1, I.N. Urvaev2

1,2Penza State University, Penza, Russia 1cbazikin@yandex.ru, 2iurvaev@mail.ru

Abstract. Background. In recent years, robots have crossed the line of experimental and small-scale samples and have become actively used both as household systems and as complexes, on which, sometimes, our life and health depend. The object of the research is ultrasonic sensors for a mobile robot. Robot orientation methods in an environment characterized by a high level of dynamic uncertainty are the subject of the research. The purpose of the study is to increase the accuracy and reliability of determining the distance to the obstacle and adjusting the subsequent movement. Materials and methods. The study was carried out using schematic modeling in the Proteus software environment, as well as a full-scale experiment using an ultrasonic rangefinder. Results. The obtained results of field tests of the ultrasonic rangefinder of the robot are consistent with the results of circuit modeling.

Conclusions. The results obtained showed the possibility of using ultrasonic rangefinders in systems for detecting obstacles.

Keywords: mobile robot, ultrasound, navigation systems, circuit modeling, field tests, temperature compensation

For citation: Bazykin S.N., Urvaev I.N. Ultrasonic rangefinder for an obstacle detection system when moving a mobile robot. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(4):97-107. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-4-8

Введение

Мобильный робот - это аппарат, управляемый программным обеспечением, который использует датчики и другие технологии для определения своего окружения и перемещения в окружающей среде. Это позволяет ему выполнять определенные задачи с высокой степенью автономности [1]. Чаще всего мобильные роботы используются для помощи в рабочих процессах и выполнения задач в условиях, которые невозможны или опасны для людей. Такие условия имеют место при ликвидации последствий аварий, при разминировании объектов или при работе на других планетах. Применение мобильных роботов в этих условиях позволяет исключить человеческие жертвы [1].

Система управления мобильного робота обладает способностью автономно (без участия человека-оператора) принимать решения о поведении системы в некоторых неопределенных ситуациях и обеспечивает самостоятельную ориентацию на местности. Значительную роль при этом играет система навигации, с помощью которой робот может автономно анализировать окружающую среду и планировать свой маршрут при наличии движущихся предметов на пути его движения. Для решения этой задачи часто используют навигационные системы, построенные на применении лазерных сканирующих дальномеров (лидаров). Наряду с явными преимуществами, подобные системы обладают некоторыми недостатками: они плохо работают в замкнутом пространстве и при солнечном свете, имеют ограниченный угол обзора в азимутальной плоскости, обладают высокой энергоемкостью. Ультразвуковые датчики лишены указанных недостатков.

Целью исследования является анализ возможностей использования ультразвуковых дальномеров в системах навигации для обхода препятствий.

Материалы и методы

Принцип действия ультразвукового дальномера состоит в следующем. Передатчик излучает звуковые колебания с частотой более 20 кГц. При встрече с объектом эти звуковые колебания отражаются и принимаются приемником. Далее фиксируется время между отправленным и принятым ультразвуковым сигналом. Таким образом, зная полученное время и скорость распространения звука в воздухе, вычисляют расстояние L по формуле

(1)

где t - время между импульсом и приемом эха; V - скорость звука.

Так как звуковые волны проходят путь, равный двойному расстоянию между объектом и датчиком, то произведение делится на 2 [2].

Общий принцип измерения расстояния с помощью ультразвуковой волны показан на рис. 1.

Рис. 1. Принцип измерения расстояния с использованием ультразвукового сигнала

Вышеуказанный принцип измерения расстояния имеет ряд ограничений. Предмет, до которого необходимо измерить расстояние, должен представлять собой плоскую поверхность, перпендикулярную апертуре ультразвукового излучения. Ему необходимо также обладать акустическим затуханием, отличным от воздуха, чтобы отражать достаточное количество энергии ультразвукового импульса для того, чтобы его мог принять приемник дальномера. На рис. 2 показаны некоторые ситуационные ограничения при измерении расстояния с использованием ультразвука.

На рис. 2,а расстояние до предмета настолько большое, что отраженный сигнал ослабевает до момента принятия его приемником; таким образом, точность измерения расстояния будет низка. На рис. 2,б предмет находится слишком близко, а это означает, что, когда отраженный сигнал должен быть принят приемником, передатчик будет еще находиться в режиме его излучения. На рис. 2,в объект слишком мал и отражает недостаточно энергии ультразвукового импульса. На рис. 2,г показано влияние угла, не перпендикулярного ультразвуковому лучу, чтобы он эффективно отражался и принимался приемником [3].

Скорость звука зависит от температуры и влажности, что, в свою очередь, способствует значительным отклонениям в измерениях. Воздушные потоки также вносят свой вклад в погрешность измерения, поскольку могут действовать как невидимые барьеры, которые на своих границах перехода плотности будут отражать ультразвуковые импульсы.

Анализ существующих датчиков расстояния показал, что оптимальными техническими характеристиками обладает ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04. Диаграмма направленности выбранного датчика приведена на рис. 3.

Датчик HC-SR04 работает следующим образом: чтобы начать измерение расстояния на контакт, предназначенный для приема сигнала, с микроконтроллера подается управляющий импульс, время которого составляет

Иэпучатег Приемник

Расстояние L

Результаты

t = 10...15 мкс. После завершения данного импульса излучаются восемь зондирующих ультразвуковых сигналов с частотой 40 кГц. Через 1 мкс после передачи ультразвуковых импульсов с выходного контакта датчика подается логическая единица на управляющий микроконтроллер, которая сигнализирует об отправке зондирующего сигнала. Далее на микроконтроллере запустится таймер. Когда отраженный ультразвуковой сигнал достигнет приемника датчика, на вход микроконтроллера подастся логически ноль и таймер, запущенный микроконтроллером, остановится. Длительность полученного времени между отправленным и принятым ультразвуковым сигналом свидетельствует о дальности до объекта [4].

<ХлХ\\ д \

а)

б)

в)

Рис. 2. Влияние среды на погрешности измерения расстояний

Рис. 3. Диаграмма направленности датчика HC-SR04

Рис. 4. Временные диаграммы работы датчика HC-SR04

На рис. 5 приведена принципиальная схема ультразвукового дальномера, построенная на основе датчика HC-SR04.

Рис. 5. Принципиальная схема ультразвукового дальномера

Разработанный дальномер выполнен на микросхеме DDI (EM78P153S), операционном усилителе DA2 (TL074CN), приемопередатчике DA3 (ST202EBDR). Транзисторы VTI-VT2, резисторы Я3-Я8, R10-R20, конденсаторы С5-С8, С10-С12, С18-С20, С22-С23 используются для создания рабочего режима микросхем, входящих в состав ультразвукового датчика расстояния. Кварцевый резонатор BQ1 необходим для работы микросхемы DD1. Для обработки данных, полученных с ультразвукового датчика расстояния и датчика температуры, используется микроконтроллер DD2, выполненный на микросхеме Atmega 328. В качестве интерфейса связи с компьютером выбрана микросхема DD3 (FT4232RL).

Экспериментальная проверка работоспособности разработанного устройства была проведена моделированием процесса в программной среде Proteus 8.13 [5]. Компьютерная модель дальномера приведена на рис. 6.

Рис. 6. Компьютерная модель дальномера

Погрешность измерения расстояния при использовании компьютерной модели составляет

L - L 350 0 - 349 7

Я = ^ ^ -100% = 350,0 349,7 -100%-0,1%,

L,

350

(2)

где Цл - показания отсчетного устройства дальномера; ¿н - номинальное значение измеряемого расстояния.

На рис. 7 приведены результаты моделирования: осциллограмма на рис. 7,а показывает управляющий импульс, осциллограмма на рис. 7,б показывает выходной импульс датчика (отраженный импульс), длительность которого определяется измеряемым расстоянием.

Зная длительность т импульса, по формуле (1) рассчитываем расстояние Lр до препятствия:

, XV 20, 20-10-3-346

L р =-=—--= 349,5 см.

р 2 2

Сравнив полученный результат измерения расстояния с показанием отсчетного табло дальномера, определяем, что по формуле (2) ошибка моделирования не превышает 0,06 %:

Lм - Lр 349 7 - 349 5

5 = —-р -100 % = ' ' -100 % = 0,06 %.

Lh

350

a)

Digital Oscilloscope

Рис. 7. Осциллограмма работы дальномера НС-8Я04: а - управляющий импульс; б - отраженный импульс

Разработан стенд для натурных испытаний макетного образца дальномера (рис. 8). С помощью стенда были проведены исследования влияния температуры на показания дальномера.

Результаты полученных испытаний при измерении расстояния в 3,5 м приведены на рис. 9; при измерении расстояния в 0,5 м - на рис. 10; при измерении расстояния в 0,10 м - на рис. 11.

Рис. 8. Стенд для натурных испытаний дальномера

Измерение расстояния в 3,5 м

3,695 "-

3,680 3,665 3,650 3,635 3,620 ^ 3,605 3,590 3,575 3,560 3,545 3,530 3,515 3,500

2,2 2,3 2,4 5,0 9,3 10,1 10,3 11,8 13,1 13,2 13,3 14,9 17,9 18,0 18,2 21,5 23,3 23,9

т, с°

Рис. 9. Результаты испытаний при измерении расстояния в 3,5 м

Результаты испытаний макетного образца дальномера показали, что при увеличении расстояния и уменьшении температуры окружающей среды погрешность измерения увеличивается. Если в систему навигации робота ввести мониторинг измеряемого расстояния до препятствия, то погрешность измерения расстояния будет равна

г - ц |0,100 - 0,103|

5и = -L -100 % = ----100 % ® 3 %,

и ^ 0,100

где Гщ [м] - номинальное значение расстояния до препятствия; [м] - измеренное значение расстояния до препятствия.

Измерение расстояния в 0,5 м

0,527

n'tit

0,514

0,513

0,511

0,508 2 2 2 3 2 4 5 0 9 3 1С .1 1С ,3 11 ,8 13 ,1 13 т, 1 II II II 1 .2 13,3 14,9 17,9 18,0 18,2 21,5 23,3 23,9 с°

Рис. 10. Результаты испытаний при измерении расстояния в 0,5 м

Рис. 11. Результаты испытаний при измерении расстояния в 0,1 м

Путем внесения поправки при одновременном измерении температуры и времени распространения ультразвукового импульса и последующего ее учета при расчете расстояния снижают погрешность дальномера, созданную перепадом температуры.

Зависимость скорости распространения звука от температуры определяется как

v-^-M1 ■ (3)

где V - скорость звука в воздухе [м/с]; у = 7/5 - показатель адиабаты воздуха [ед.]; Я - универсальная газовая постоянная [Дж/моль • К]; Я = 8,3144598(48), Т - абсолютная температура воздуха [К] Т = РС + 273,15, М = 28,98 г/моль -молекулярная масса воздуха.

Подставив в формулу известные значения у, Я, М, получим значение скорости:

V = 20,042JT = 20,042л/1 + 273,15 .

Так, при температуре t = 10 °С скорость звука составляет 337 м/с.

Объединяя формулы вычисления скорости V и расстояния L, получим зависимость расстояния от температуры окружающей среды:

т т-20,042 -J t + 273,15 L = -(4)

где L - расстояние [м]; т - время ожидания эха [мкс]; t - температура воздуха [°С].

Зная температуру воздуха окружающей среды, по формуле (3) можно внести температурную поправку.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Заключение

Полученные результаты показали возможность использования ультразвуковых дальномеров в системах для обнаружения препятствий. Результаты испытаний дальномера показали, что при увеличении расстояния и уменьшении температуры окружающей среды погрешность измерения увеличивается. Если в систему навигации робота ввести мониторинг измеряемого расстояния до препятствия, то погрешность измерения расстояния не будет превышать 3 %.

Список литературы

1. Бар Д. Н. Разработка интеллектуальной системы управления мобильными роботами на основе следящей системы технического зрения и нечеткой логики : дис. ... канд. техн. наук. М., 2008. 215 с.

2. Материалы студенческой научной конференции за 2021 год / под общ. ред. проф. О. С. Корнеевой. Воронеж : ВГУИТ, 2021. 510 с.

3. Компоненты и технологии: Components&Technologies. СПб : Изд-во Файнстрит, 2019. № 8. 132 с. URL: https://rucont.ru/efd/655290 (дата обращения: 15.05.2022).

4. Ультразвуковой дальномер HC-SR04. URL: https://www.radioradar.net/radiofan/ measuing_technics/ultrasonic_rangefmder_hc_srt4_witoout_microcontroller_partLhtml.

5. Марсов В. И., Гематудинов Р. А., Селезнев В. С., Джабраилов Х. А. Моделирование в PROTEUS VSM : учеб.-метод. пособие. М. : МАдИ, 2019. 44 с.

References

1. Bar D.N. Development of an intelligent control system for mobile robots based on a servo vision system and fuzzy logic. PhD dissertation. Moscow, 2008:215. (In Russ.)

2. Korneeva O.S. (ed.). Materialy studencheskoy nauchnoy konferentsii za 2021 god = Materials of the student scientific conference for 2021. Voronezh: VGUIT, 2021:510. (In Russ.)

3. Komponenty i tekhnologii: Components&Technologies = Components and technologies: Components&Technologies. Saint Petersburg: Izd-vo Faynstrit, 2019;(8):132. (In Russ.). Available at: https://rucont.ru/efd/655290 (accessed 15.05.2022).

4. Ul'trazvukovoy dal'nomer HC-SR04 = Ultrasonic rangefinder HC-SR04. (In Russ.). Available at: https://www.radioradar.net/radiofan/measuing_technics/ultrasonic_ rangefinder_hc_sr04_without_microcontroller_part1.html.

5. Marsov V.I., Gematudinov R.A., Seleznev V.S., Dzhabrailov Kh.A. Modelirovanie v PROTEUS VSM: ucheb.-metod. posobie = Modeling in PROTEUS VSM: textbook. Moscow: MADI, 2019:44. (In Russ.)

Информация об авторах / Information about the authors

Сергей Николаевич Базыкин

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

E-mail: cbazykin@yandex.ru

Sergey N. Bazykin

Doctor of engineering sciences, associate professor, head of the sub-department of instrumentation, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Илья Николаевич Урваев магистрант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)

E-mail: iurvaev@mail.ru

Ilya N. Urvaev

Master's degree student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Поступила в редакцию / Received 16.05.2022

Поступила после рецензирования и доработки / Revised 23.08.2022 Принята к публикации / Accepted 20.09.2022

ULTRASONIC RANGEFINDER FOR AN OBSTACLE DETECTION SYSTEM WHEN MOVING A MOBILE ROBOT

Текст научной работы на тему «УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАЛЬНОМЕР ДЛЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ МОБИЛЬНОГО РОБОТА»