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【兆恒機(jī)械】移動(dòng)機(jī)器人避障、測(cè)距,不可缺少的超聲波傳感器!

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  • 添加日期:2021年07月05日

超聲波傳感器是移動(dòng)機(jī)器人避障、測(cè)距常用傳感器之一。傳感器安裝在機(jī)器人上時(shí)距離地面不能太近,太近容易產(chǎn)生干擾信號(hào),而且容易將可以翻越的障礙物當(dāng)成無(wú)法逾越的障礙物。傳感器兩探頭間的距離不能太遠(yuǎn)也不能太近,太遠(yuǎn)測(cè)量誤差過(guò)大,太近串?dāng)_信號(hào)過(guò)強(qiáng)。

機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要包括:ARM處理器、單片機(jī)、外圍接口電路、機(jī)器人底盤(pán)以及電源等,其中ARM處理器是上層的核心,51單片機(jī)是下層的核心。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

移動(dòng)機(jī)器人采用H橋控制方案,整體控制方案如圖2所示。

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圖2H橋控制方案

電機(jī)共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅(qū)動(dòng),而通過(guò)2路PWM輸出可控制一個(gè)電機(jī),兩個(gè)電機(jī)以并聯(lián)方式連接。

當(dāng)L298N芯片使能信號(hào)ENABLE為高時(shí),輸出才隨輸入變化,否則為高阻態(tài),所以焊接時(shí),ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC。

具體驅(qū)動(dòng)過(guò)程為:通過(guò)編程由控制芯片經(jīng)PWM發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào),PWM輸出作為L(zhǎng)298N的輸入,經(jīng)L298N轉(zhuǎn)換輸出控制信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

PWM輸出信號(hào)的高低則可以控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)占空比加大時(shí),轉(zhuǎn)速升高;占空比減小時(shí),轉(zhuǎn)速降低;當(dāng)PWM信號(hào)輸出占空比為0時(shí)可控制電機(jī)的停止。

當(dāng)左輪停止,右輪轉(zhuǎn)時(shí),小車(chē)左轉(zhuǎn);當(dāng)右輪停止,左輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),小車(chē)右轉(zhuǎn)。而2路PWM輸出的正負(fù)順序轉(zhuǎn)換則可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),進(jìn)而控制小車(chē)的前進(jìn)和后退。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

外加信號(hào)頻率等于兩壓電晶片的固有振動(dòng)頻率時(shí),將會(huì)發(fā)生共振,課題中采用的超聲波傳感器中心頻率為40kHz,因此在超聲波發(fā)射電路中,通過(guò)軟件編程方式,對(duì)單片機(jī)I/O口置高和置低,產(chǎn)生40kHz脈沖信號(hào),輸出到發(fā)射電路中。由于AT89S51單片機(jī)I/O口使用時(shí)能提供20mA灌電流能力,而吸電流能力較小,所以用74HC04來(lái)提高其輸出電流的能力,保證40kHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。超聲波發(fā)射模塊原理圖如圖4所示。

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圖4 超聲波發(fā)射模塊原理圖

超聲波接收模塊設(shè)計(jì)

如圖5所示,超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106. CX20106接收到與其中心頻率相符的信號(hào)時(shí), 7腳就輸出低電平。 7腳輸出的脈沖下降沿和紅外傳感器測(cè)距信號(hào)相與后接單片機(jī)中斷口。

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圖5 超聲波接收電路原理圖

反射式紅外傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外測(cè)距電路如圖6所示, LM567可以構(gòu)成低頻振蕩器作為紅外傳感系統(tǒng)的編碼電路,即利用其內(nèi)部的壓控振蕩器來(lái)產(chǎn)生低頻信號(hào),由于R25=10.9kΩ, C25=2200pF,根據(jù)公式f0 =1/1.1RC,5腳輸出頻率38.91kHz的脈沖信號(hào)。此脈沖信號(hào)使三極管T1(8050)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外脈沖。采用這種方法省去了信號(hào)發(fā)生電路,簡(jiǎn)化了線(xiàn)路和調(diào)試工作,又防止了周?chē)h(huán)境變化和元件參數(shù)變化對(duì)收發(fā)頻率造成的差異,實(shí)現(xiàn)了紅外線(xiàn)發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤,使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。

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圖6 反射式紅外傳感器測(cè)距原理圖