Dále popsané čidlo bylo navrženo k montáži na mobilního robota.Zde je natáčeno pomocí dvou modelářských servomotorů ve dvou osách, horizontálně a vertikálně (PAN / TILT). Při návrhu konstrukce toho to čidla, jsem chtěl vyřešit problémy spojené s ultrazvukovou detekcí běžných předmětů v bytě. Obzvláště nepříjemné vlastnosti ultrazvukové detekce předmětů pomocí běžně používaných systémů uveřejňovaných v různých časopisech jsou:

• necitlivost na měkké materiály
• plochy z malých úhlů 
• minimální měřitelná vzdálenost (řádově kolem 30-40 ti cm).

Popsaný systém řeší všechny tyto nedostatky. Problém s detekcí měkkých materiálů jako jsou například různé závěsy a plochy z malých úhlů je odstraněn pomocí infračerveného senzoru GP2D02. Tento senzor je výrobek firmy Sharp, který se na trhu objevil asi před dvěma roky a od té doby se často užívá v robotech a podobných zařízeních. Vlastnosti tohoto senzoru jsou popsány v přiložené dokumentaci ve formátu PDF  -  GP2D02

Ze zkušenosti mohu říci, že tento senzor je spíše dálkoskop než dálkoměr, což vyplývá z použitého principu měření. 

Dálkoměr - Zařízení s urřitou, definovanou přesností, např.: 7%.
Dálkoskop - Zařízení s přesneji nedefinovatelnou přesnosti, např.: 7-30%.

 

Je nutno si uvědomit, že za cenu asi 500,- Kč, nelze nic lepšího očekávat. Tento nedostatek však tolik nevadí, doplníme-li tento senzor ultrazvukovým systémem. Problém běžně publikovaných sonarů, kterým je dost velká minimální měřitelná vzdálenost, byl odstraněn pomocí časově závislé regulace zisku přijímače. Výsledkem je, možnost změřit odraz už z 6-ti centimetrů.

Jádrem zařízení je jednočipový počítač AT89C2051 (dále jen procesor). 

Schéma zařízení :

Použitím procesoru se podařilo snížit potřebu ostatních součástek na minimum. Použitý algoritmus pracuje přibližně následujícím způsobem:

1. Procesor vyšle nekolik impulsů o frekvenci 40kHz a poté začne meřit čas do zachycení odraženého signálu.
   Zároveň čeká až odezní přímý signál z vysílacího měniče.  Pokud není signál zachycen, následuje bod 2.
    
2. Začnou se načítat data z infra senzoru a po digitální filtraci, kde se ověří, zda-li byla zachycena překážka, nebo jsou data jen "informační šum". Po filtraci se data odešlou na sériový výstup. 
    

    

   Rozlišení je 2 cm. Toto se mi zdá dostatečné vzhledem k rozdílům v rychlosti šíření zvuku při různé teplotě prostředí.

Data z infračidla jsou zpracovávána pomocí převodní tabulky. Řešení s použitím tabulky hodnot není příliš elegantní s ohledem na opakovatelnost výroby, protože výstupní údaje infra senzorů, se mění v malém rozmezí kus od kusu. Tento výstupní údaj se však mění ještě více v závislosti na materiálu překážky (odrazivost). Informace ze souboru GP2D02 nelze brát úplně doslova.

Převodní tabulka byla vypracována na základě průměrných údajů ze tří infra senzorů. Údaj získaný z infra čidla se může lišit až o 15-20% od skutečné vzdálenosti.
Pro případ, že sonar není schopen překážku zachytit vůbec je na pinu infra, konektoru komunikace, logická H v případě, že sonar získal údaj o vzdálenosti z infra senzoru. To umožňuje jeho odlišné zpracování nadřízeným systémem. Infra senzor je v tomto zařízení pouze doplňkovým systémem a je potřeba k němu tak přistupovat.

 

Funkce jumperů:

J6 - Infra senzor povolen.

Spojením tohoto jumperu se povolí činost infrasenzoru. V případě, že není použit infra senzor, lze procesoru zakázat požívání tohoto senzoru. Sonar jde tedy použít bez nutnosti kupovat infra senzor GP2D02J5 - Přepočet výstupního čísla na 1 cm (dosah omezen na 254cm). Sonar je primárně navržen na spolupráci s 8 bitovým vyhodnocovacím systémem a vzhledem k použitelné přesnosti této metody byl zvolen minimální krok měření 2cm. To znamená maximální dosah 512 cm. pokud by z nějakého důvodu bylo žádoucí aby výstup vyjadřoval číslo v centimetrech je možné spojit tento jumper. J3 - Sonar zobrazí vzdálenost k překážce cca 50 cm za první zachycenou překážkou. V určitých specifických případech se ukázalo užitečné potlačit zobrazení první zachycené překážky a měřit vzdálenost k následující překážce. Po spojení jumperu bude sonar ignorovat první překážku a zobrazí až další, která musí být minimálně o 50 cm dále než ta první.J4 - Nepoužívat sonar, data z infračidla posílat bez úpravy na výstup. Tato funkce se dá použít k přímému zasílání dat z infra senzoru k dalšímu, dokonalejšímu zpracování. Odesílaná data, viz dokumentace GP2D02.Napětím na pinu Sleep na konektoru komunikace, se může ovládat režim SLEEP. Po přivedení log. H na tento vstup, přejde infra senzor a procesor do stavu IDLE a tím se sníží odběr na 20 mA. Po přivedení log. L se obnoví normální činnost sonaru.
 

Mechanická konstrukce:

Mechanická konstrukce je vylepšena použitím paraboly k usměrnění dopadající zvukové energie na přijímací senzor. Na místo paraboly lze s úspěchem použít kulový vrchlík, získaný například ze dna velkého spraye, na které se dají pájením připevnit držáky pro přijímací ultrazvukový senzor. Použitá parabola by měla mít průměr minimálně 60 mm. Mnou použitá parabola měla průměr 70mm a ohniskovou vzdálenost 40mm. Nedoporučuji používat paraboly s menší ohniskovou vzdáleností, například nabízející se “paraboly” z různých baterek, které mají příliš malou ohniskovou vzdálenost. Velikost celého přístroje se tím poněkud zvětšila ale sonar je citlivější než bez použití paraboly. Tato citlivost je velmi užitečná pro detekci méně odrazivých předmětů. Vzhledem k tomuto uspořádání je od údaje o vzdálenosti odečtena vzdálenost mezi přijímačem a parabolou asi 4cm. 

Na obrázku je patrné mechanické uspořádání:
 

V pravo nahoře je vidět infra senzor, na levo je parabola s ultrazvukovým přijímačem a v pravo dole je ultrazvukový vysílač.

Na dalším obrázku je vidět elektronika na universálním plošném spoji.

Použité obrázky byly získány pomocí skaneru a nejsou příliš kvalitní, pro ilustraci však myslím postačí.

Oživení elektronické části:

Schéma zapojení je na obrázku výše.
Elektronika je postavena na universálním plošném spoji. Zapojení je zřejmé z přiloženého schématu. Procesor vysílá impulsy pomocí dvou invertorů 40106, které zajišťují větší rozkmit napětí na vysílači sonaru (asi 20V). Přijatý signál je zesílen zesilovačem U3B a po té porovnáván s napětím Comp-lev, které se mění v závislosti na čase a umožňuje malou citlivost přijímače těsně po vyslání impulsu a její následné zvýšení tak, aby byla dostatečná na zachycení slabých odrazů. Celkově se citlivost nastavuje pomocí trimru R4. Mě se osvědčilo nastavit napětí Comp_ref o 100mV méně než je napětí za stabilizátorem (+5V). Z výstupu komparátoru U3A je přes dva invertory přiveden signál zpět do procesoru. Ke komunikaci s infračidlem slouží konektor s označením GP2D02. Pro spojení s nadřízeným systémem je použit konektor komunikace. Tento konektor je možné rozšířit o piny jumperů J4 - J6. Tím se zvětší možnosti ovládání sonaru nadřízeným systémem.

 

Použité součástky jsou na našem trhu běžně dostupné, pouze s vyjímkou infra senzoru GP2D02. Tento lze zakoupit u firmy Conrad electronic také na dobírku. 

Download kódu procesoru ve formátu OBJ 

Sonar1_2.obj - přičítá 4 cm pro použití paraboly

Pro ty, kteří by chtěli stavět sonar bez paraboly, přikládám soubor, který neodečítá 4cm pro korekci vzdálenosti parabola - přijímač.Sonar1_3.obj

V případě potřeby jsem ochoten procesor naprogramovat a poslat za cenu procesoru a poštovné + 40 Kč. Jelikož nevím, kolik budou tyto procesory stát a někomu by se mohla jejich cena zdát příliš vysoká naprogramuji také zaslané nové procesory.

Tecnické údaje:

Napájecí napětí		12V	12V
Odebíraný proud	sleep – 20mA	sonar – 35mA	infra - 50 mA
Rozsah měření		6-512 cm (sonar)	2-34cm (infra)
Krok měření			2 cm
Přesnost měření		asi 5 % (sonar)	asi 20% (infra)
Rychlost měření		6 / sec. (sonar)	1,5 / sec. (infra)
Výstup		sériový přenos 9600 Bps	8 datových bitů

 

Přibližný rozpočet:

procesor		100,-
ultrazvuk.vložky		240,-
infrasensor		500,-
ostatní		80,-
celkem		920,-

Uvedené ceny jsou jen orientační, jelikož se ceny součástek značně liší podle dodavatele.

Použitá literatura:

1. Firemní dokumentace Sharp
2. Ultrazvukový dálkoměr KTE 5/97
3. P.Skalický Mikroprocesory řady 8051
4. Rozličné materiály zabývající se robotikou, na internetu

Jakékoli náměty a poznatky ke konstrukci uvítám. V nejbližší budoucnosti připravuji tyto související konstrukce:

Infračervená detekce překážek s přibližným rozpoznáním azimutu k překážce (vlevo, ve předu, vpravo), jehož cena by neměla přesáhnout 350-, Kč. Měl by sloužit k levné detekci předmětů a přibližnému určení jejich polohy.

Navigační systém s využitím magnetického kompasu a snímače otáček kol. Jeho výstup by měl obsahovat ujetou vzdálenost a azimut pohybu. Výhledově (podle výsledků praktických testů) by mělo být možné připojit piezogyroskop pro pohyb v rušivých magnetických polích.

Všechny tyto konstrukce jsou primárně určeny pro použití v mobilních robotech.