Система ультразвукового измерения дальности

Макетирование многоканальной системы
ультразвукового зрения робота Феникс-3.
Бурдуков А.В., студент-стажер СКБ ГУАП
Введение.
Данная работа была проведена в рамках проекта «Феникс 3». Целью этого проекта
является освоение методов синтеза нейронных регуляторов, применительно к автономным
мобильным роботам.
Предполагается, что автономный робот «Феникс 3» будет снабжен системой объезда
препятствий, для чего предполагается использовать систему технического зрения на базе
многоканального ультразвукового дальномера.
В рамках выработки концепции построения архитектуры бортовой сети робота
«Феникс 3» было проведено натурное моделирование одноканального ультразвукового
дальномера, выполненного по сетевой технологии на базе пьезопреобразователей
MA40S8S и MA40S8R фирмы MuRata.
В работе содержится описание результатов полученных при макетировании
одноканального ультразвукового дальномера.
1. Система ультразвукового зрения.
Система предназначена ориентации робота в
пространстве при движении в
естественной среде. Эта возможность обеспечивается при использовании достаточно
большого количества независимых каналов измерения. Таким образом, речь идет о
необходимости разработки многоканального ультразвукового дальномера, включенного в
бортовую управляющую сеть робота.
Технические
характеристики
системы
определяются
главным
образом
характеристиками
использованных
ультразвуковых
пьезопреобразователей
пьезоизлучатель MuRata MA40S8S и приёмник MA40S8R приведены в табл.1.1.
Таблица 1.1
Технические характеристики пьезоизлучателя MA40S8S и приёмника MA40S8R
Наименование
Номинальная рабочая
частота
Уровень звукового давления
в максимуме диаграммы
направленности
Чувствительность
Диапазон измеряемых
расстояний
Ширина диаграммы
направленности
MA40S8S
40 кГц
MA40S8R
40 кГц
120 дБ
-
0,2 – 4 м
-63 дБ
0,2 – 4 м
60°
60°
В силу ограничений бортовой системы питания робота Феникс на пьезоизлучатель
подаются импульсы меньшей амплитуды, чем максимально допустимая для MA40S8S, что
уменьшает максимальное измеряемое расстояние до 2 м.
Предварительные расчёты показали, что максимальное разрешение, с которым
производится измерение расстояния, составляет 0,17 мм.
1.2 Принцип действия и структурная схема.
Структура макетируемого фрагмента приведена на рис. 1.1
1
3
5
2
4
6
7
8
Рис.1.1. Структурная схема сетевого ультразвукового одноканального
дальномера
1 – контроллер шины CAN; 2 – микроконтроллер PIC18F458; 3 – 16-битный счётчик: 4 –
формирователь пачки импульсов; 5 – ультразвуковой приёмник; 6 – ультразвуковой
излучатель; 7 – делитель частоты; 8 – опорный кварцевый генератор.
Система ультразвукового зрения можно разделить на две части:
А) сенсорный узел. Выполняет цикл измерения дальности и передаёт эту
информацию по каналу связи по запросу узла Б.
Б) приёмный узел. Посылает запрос информации у узла А и получает её.
Узлы соединяются между собой при помощи последовательной шины CAN. В
рамках структуры робота «Феникс-3», роль узла Б выполняет контроллер-«мастер».
Сенсорный узел представляет собой разновидность классического импульсного
локатора. МК PIC18F458 с интервалом в 100 мс формирует запускающий импульс,
который запускает формирователь пачки импульсов и одновременно запускает на счёт 16битный счётчик времени. Формирователь пачки импульсов вырабатывает пачку
импульсов частотой 40 кГц и длительностью 40 мкс.
Излучённый ультразвуковой сигнал отражается от объекта и возвращается назад.
Фронт первого принятого импульса останавливает счётчик времени, а также формирует
сигнал окончания цикла измерения. При поступлении этого сигнала МК считывает
значение, накопившееся в счётчике. Делитель частоты формирует сигналы требуемых
частот для схемы. В частности, на счётчик для подсчёта времени подаются импульсы с
периодом 1 мкс. Таким образом, можно найти расстояние до объекта как
340  T  10 6
м. Где Т – число, накопленное в счётчике. Теоретическое минимальное
2
340  40  10 6
измеряемое расстояние составляет Lmin 
 0,0068 м = 6,8 мм.
2
На практике из-за конструктивных особенностей излучателя и приёмника
минимальное измеряемое расстояние больше и составляет ок. 200 мм.
Исходя из принципа действия системы ультразвукового зрения, максимальное
разрешение, с которым производится измерение расстояния, составляет
340  10 6
L
 0,00017 м = 0,17 мм.
2
Максимальное расстояние ограничивается в основном мощностью излучателя и
составляет ок. 2 м. В схеме нет специального сигнала для случая, когда сигнал не
достигнет приёмника. При этом, когда счётчик отсчитает 2 16 импульсов, он
останавливается, и формируется сигнал окончания счёта. Таким образом, максимальное
время измерения расстояния составляет примерно 65536 · 10-6 = 0,07 с.
L
2. Макетирование системы.
Для проверки работоспособности выбранного алгоритма работы сенсорного узла
было произведено его предварительное макетирование.
Для этого была использована доработанная макетная плата, заимствованная из
другого проекта. В качестве интерфейса для связи с контроллером-«мастером» был
использован контроллер шины CAN MCP2510, т.к. он уже имелся на плате.
В качестве излучателя и приёмника ультразвука использованы пьезопреобразователи
MuRata MA40B8S и MA40B8R соответственно. Узлы 3, 4 и 7 реализованы на ПЛИС MAX
EPM7128STC100. В качестве узла 2 был использован МК PIC18F458, имеющийся на
плате.
Принципиальная схема платы макета приведена в Приложении 1.
Плата была подвергнута следующей доработке:
 Вывод 16 микросхемы D3 (по схеме) отключён от порта RB1 МК и
подключен к порту RC2. Это было сделано для совместимости с имеющимися
встроенными библиотечками для контроллера шины CAN MCP2510,
имеющимися в составе компилятора С18.
 ПЛИС отключена от порта RC2 МК.
 Вывод 17 контроллера CAN D3 соединён с питанием +5В. В нашем случае
специальный сигнал сброса не используется. Использован программный
сброс контроллера CAN.
 В качестве Q3 - Q6 использованы МОП-транзисторы IRLML2402, а Q1 и Q2 IRLML6401. У этих транзисторов сопротивление в открытом состоянии
значительно меньше, чем у тех, которые использовались в оригинальной
схеме. При этом чтобы выходные ключи стабильно закрывались пришлось
также добавить в цепи затворов Q3 и Q4 резисторы утечки (на землю) по 2,2к.
 Вывод DRDY ПЛИС соединён с портом RB1 МК, а выход INT CAN
контроллера – к порту RB0.
Для макетирования системы использовался только один ультразвуковой канал. В
качестве контроллера-«мастера» была использована макетная плата поддержки разработки
для контроллера «ASK Lab», на которой также был установлен интерфейсный контроллер
CAN MCP2510. Узел использовался для тестовых целей при отладке сенсорного узла.
Макетная плата включает в себя контроллер шины CAN MCP2510,
PIC18F458 и
символьный ЖК индикатор.
«Мастер» и сенсорная плата обменивались данными по шине CAN. МК
периодически формировал запрос данных, принимал данные от сенсорного узла и
выводил принятую информацию на индикатор. Также на индикатор выводилась
информация о тестовых посылках сенсорного узла.
При поступлении команды запроса данных МК сенсорного узла передавал числовые
данные о текущем измеренном расстоянии. Также периодически (раз в 100 мс) МК
передавал «мастеру» тестовую посылку для подтверждения того, что узел функционирует
нормально.
Программное обеспечение для МК сенсорной платы и макетной платы «ASK Lab»
написано на языке С18 и откомпилировано в среде MPLAB 8. Прошивка для микросхемы
ПЛИС создана в среде MAX+ 10.0.
Плата сенсорного узла была установлена в пластмассовый корпус, на боковые стенки
которого были также выведены разъёмы для подключения питания,
пьезопреобразователей и линии CAN. Внешний вид собранного ультразвукового модуля
приведён на рис. 2.1
Рис.2.1 Внешний вид ультразвукового модуля
Пьезопреобразователи установлены в специальные держатели, которые
обеспечивают их механическую защиту, а также облегчают установку на робот. Внешний
вид ульразвукового приемо-передатчика приведён на рис. 2.2
Рис.2.2. Внешний вид ульразвукового приемо-передатчика
3. Экспериментальные результаты
Для проверки работоспособности системы были проведены предварительные
испытания. Производилось определение расстояния до различных объектов и наблюдение
результата на индикаторе приёмного узла (рис.3.1).
Как показали испытания, характеристики системы соответствуют заявленным.
Рис.3.1 Проведение испытаний макета ультразвукового дальномера
Как показали проведённые испытания, шина CAN имеет ряд преимуществ по
сравнению с RS-485, такие как аппаратная реализация адресации, арбитража шины и т.д.
На основании проведенных испытаний
было принято решение использовать шину
CAN в качестве бортовой сети робота «Феникс-3».
Заключение.
В заключение автор выражает благодарность коллективу СКБ ГУАП и OOO “ASK
Lab” за всестороннюю поддержку в реализации данного проекта.
Приложение 1.
Принципиальная схема