Wie misst die Ultraschallmessung die Entfernung in einem intelligenten Auto?

- Mar 21, 2019-

Dieser Bericht enthält Details zum Design und zu einem Teil der Codes der Ultraschall-Entfernungsmessung und der Ortung von Objekten, die Teil eines selbst entworfenen Roboterprojekts sind.

Entfernungserkennungs- und Brotschubteil

In diesem Teil werden die Entfernungstestkomponente, das HCSR04-Ultraschallmodul, die Anwendung in unserem Design und unsere Arbeit am Brotschubteil erörtert.

1 Beschreibung des Ultraschallmoduls HCSR04

Die Ultraschallwelle wird verwendet, um den Abstand zwischen dem Roboter und dem Brot zu messen. Durch das Reflektieren des Charakters der Ultraschallwelle kann der Abstand zwischen dem Ultraschallmodul und dem Hindernis durch die Formel berechnet werden


.

Wobei L der Abstand zwischen Brot und Auto ist, C die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in der Luft und T die Zeitdifferenz zwischen dem Start und dem Empfang der Ultraschallwelle ist. Bei Verwendung dieser Methode ist jedoch ein Fehler unvermeidlich, da sich der Roboter bewegt. Wenn das Modul arbeitet, ist die Position des Fahrzeugs nicht festgelegt. Daher ist die vom Modul gemessene Zeit kleiner als die wahre Zeit.

Bei diesem Experiment ist die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle jedoch viel größer als die Geschwindigkeit des Autos. Daher ist die Zeit zwischen Start und Empfang so kurz, dass sie ignoriert werden kann.

In unserem Design ist das zum Starten und Empfangen der Ultraschallwelle ausgewählte Modul HC-SR04. Das Bild des Moduls kann wie folgt dargestellt werden.


Abbildung 1.1. Ein Bild des HCSR04-Moduls

Das Modul ist ein IO-Trigger-Typ. Die Auslösebedingung des Moduls ist ein Signal mit einem Signal von mindestens 10 Mikrosekunden. Nach dem Auslösen startet das Modul acht Rechteckwellen mit 40 kHz. Wenn das Modul die zurückkommende Ultraschallwelle empfängt, erhält es als Ausgangssignal einen anhaltend hohen Pegel. Die Zeit für diesen hohen Pegel ist die im letzten Absatz erwähnte Zeit T.


Abbildung 1.2. Die zeitliche Abfolge der Ultraschallwelle

Das Designverarbeitungsbild ist wie folgt dargestellt, der wichtigste Punkt sollte bei der Verarbeitung 30 ms sein. Gemäß der Spezifikation des Moduls beträgt der Mindestwert der Periode des Triggersignals 60 ms. Zur Vermeidung des nächsten Abschusses beeinflusst die Ultraschallwelle das Echo der letzten Ultraschallwelle. Die Zeit zwischen dem Starten und dem Empfangen muss kleiner als 30 ms sein.


Abbildung 1.3. Das Diagramm der Arbeitslogik der Ultraschall-Distanzprüfung (Anzeige E bedeutet, dass die Entfernung nicht gemessen werden kann und Fehler angezeigt werden).

2 Verfahren zur Lokalisierung von Brot

In diesem Abschnitt wird hauptsächlich beschrieben, wie das Brot erkannt und in den See geschoben wird. Zu Beginn bewegt sich unser Roboter am Zaun entlang, der der linken Seite des Brotes zugewandt ist. Der Abstand zwischen dem Brot und dem Roboter wird mit einem Ultraschallgerät gemessen - HCSR04. Das Modul sendet ein Ultraschallsignal vom Sender aus. Wenn der Empfänger das Signal nach einiger Zeit erhalten kann, kann die Entfernung mit einer mathematischen Methode gemessen werden. Solange der Abstand kleiner als 20 cm ist, stoppt der Roboter eine Sekunde lang vorwärts und biegt nach links ab und fährt geradeaus, dann rechts und 1 Sekunde geradeaus, biegt dann rechts ab und vorwärts.

Dies bedeutet, dass der Roboter seine ursprüngliche Position in die neue Position ändert, die der Vorderseite des Brotes zugewandt ist. Während sich das Fahrzeug auf das Brot zu bewegt, beginnt das Ultraschallgerät, eine neue Entfernung zwischen dem Brot und dem Fahrzeug zu messen. Wenn der Abstand kleiner als 20 cm ist, hält das Fahrzeug an und die Schubstange drückt das Brot in den See und bewegt sich dann rückwärts. Danach wird der Roboter nach links abbiegen und die restliche Reise beenden.

Der Code für die Ultraschallentfernungsmessung ist unten angegeben.


Abbildung 2.1. Ein Screenshot eines Codefragments der Ultraschall-Entfernungsmessung

Zu erwähnen ist, dass der Abstand auf 100 cm eingestellt ist, nachdem das Fahrzeug beurteilt hat, dass der Abstand kleiner als 20 cm ist. Dadurch wird die Ultraschallausrüstung deaktiviert, damit das Fahrzeug während des Abbiegens nicht durch die Umgebung gestört wird. Und wir setzen die Ultraschallausrüstung erneut in Szene, wenn das Fahrzeug die Kurvenfahrt beendet.

3 Aufbau und mechanischer Aufbau der Schubstange

In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die selbst entworfene Brotschubstange und ihr Funktionsprinzip beschrieben. Der Prozess darüber, wie der Roboter die Stange drückt, um das Brot in den See zu werfen.

Die Rute hält an, sobald der Abstand zwischen Rute und Brot weniger als 20 cm beträgt. Die Batterie liefert die Energie an den Mikrocontroller. In diesem Projekt wird mbed verwendet, um diese Funktion auszuführen. Durch die Energie dreht sich der Getriebemotor, wenn das Zahnrad aktiviert wird, drückt es die Stange nach vorne und die Stange drückt das Brot nach vorne. Nach einer bestimmten Zeit (wir haben die Zeit geschätzt, in der das Brot weggeschoben werden kann), dreht sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung und nimmt die Stange zurück.

Dann werden einige Details im Prozess besprochen. Zunächst geht es um die Energieversorgung. Zu Beginn versorgt die Batterie die Batterie mit der Energie, sie ist jedoch nicht stark genug, um den Motor anzutreiben. Also haben wir zwischen Mbed und Motor einen Inverter hinzugefügt, um sie anzuschließen. Wenn am Eingang des Umrichters eine niedrige Spannung anliegt, gibt er eine höhere Spannung aus, die stark genug ist, um das Zahnrad drehen zu lassen. Dann geht es darum, wie man die Stange durch Drehen des Zahnrads drückt. Der Motor lässt das Zahnrad im Uhrzeigersinn drehen, nachdem es den Befehl vom mbed akzeptiert hat. Dann wird die Stange bis zu einer bestimmten Zeit nach vorne geschoben und danach dreht sich das Zahnrad in die entgegengesetzte Richtung, um die Stange zurückzunehmen. Außerdem stellen wir eine Zahnstange auf, die in Reihe mit der Stange ist und deren Schnitte vollständig auf das Zahnrad abgestimmt sind.

Im mechanischen Teil werden hauptsächlich zwei Kunststoffverzahnungen mit Zähnen und ein kleiner Gleichstrommotor mit einer Versorgungsspannung von 5 V verwendet.

Es gibt einige Grundvoraussetzungen. Die erste ist, dass der gesamte brottriebende Teil einfach zu steuern ist, was bedeutet, dass er auf der Grundlage einfacher Codeanweisungen gesteuert werden kann und dass die Struktur während des Bewegungsvorgangs nicht stecken bleibt. Das zweite ist, dass das Teil fest und zuverlässig sein muss, wodurch andere Teile mehr Fehler machen können, während dies selbst nicht der Fall ist. Drittens soll der Teil bis zu einem gewissen Grad modifiziert werden können, so dass die Struktur aufgrund realer Situationen und Anforderungen festgelegt oder angepasst werden kann.


Abbildung 3.1. Abbildung 3.2.

Eine Grafik der Brotschubstange Bild der Brotschubstange

Zunächst gibt es, einschließlich der endgültigen Version, drei mögliche Lösungen, nämlich Splines und einen Motor, einen mechanischen Arm und ein einfach strukturiertes, einmal verwendbares, schleuderähnliches Modul. Der mechanische Arm ist jedoch etwas zu groß für die Körpergröße des Wagens und gleichzeitig schwer zu programmieren. In der Zwischenzeit ist die Schleuder-Struktur unempfindlich gegen physikalische Stöße und Vibrationen, was möglicherweise zu einer hohen Rate von Fehlauslösungen während des Vorlaufs führt. Schließlich wird der Spline und ein Motor als Lösung gewählt, da er mit nur einem Motor programmiert werden kann.

Für den Aufbau der Struktur werden die unterstützenden Teile aufgrund der Inkompatibilität des Standardmoduls selbst hergestellt. In der Praxis hat sich die selbst gemachte Struktur als effizient und gut genug erwiesen, um sich auszudehnen und zurückzuziehen.