نظام تنسيق بالموجات فوق الصوتية 2.0

نظام تنسيق بالموجات فوق الصوتية 2.0

حول موضوع هذه المقالة : توضح هذه المقالة مبادئ تشغيل نظام تحديد الإحداثيات الخاص بي ، وتجربتي في تصنيعها. هذه المقالة ليست إرشادات لتصنيع نظام الملاحة ، لأنه ليس من السهل وصفه في مقال واحد.



هذا المقال هو تطور لأفكار مقالي السابق:
habr.com/ru/post/451408

هيكل النظام

يحتوي نظام تحديد الإحداثيات على المخطط الهيكلي التالي:


التين. 1 - رسم تخطيطي لنظام الموجات فوق الصوتية لتحديد الإحداثيات.

لننظر في كل عنصر عن قرب.

استقبال الموجات فوق الصوتية

التين. 2 - تطوير جهاز الموجات فوق الصوتية (أعلى إلى أسفل).

في البداية ، كانت أجهزة الاستقبال تتكون من وحدة نمطية واحدة وكانت مساحة تغطية صغيرة جدًا في الغرفة ، في تلك الأيام لم أقمم من رقمنة الإشارة ، لكنني استلمت ببساطة من المستشعر الطول الذي أعطته وحدة التحكم العادية.

بعد ذلك ، لزيادة التغطية ، قررت إنشاء وحدة من ثلاثة أجهزة استشعار ، تم تحويل البيانات منها إلى رقم واحد ونقلها إلى جهاز كمبيوتر ، حيث تم حساب المسافة والإحداثيات. بعد اختبار جهاز استقبال مكون من ثلاثة مكونات ، رأيت أن جهاز استقبال واحد يكفي إذا قمت بمعالجة الإشارة بنفسك.

ونتيجة لذلك ، أصبح جهاز الاستقبال مرة أخرى مكونًا واحدًا ، ولكن نظرًا لأنني أعالج الإشارة حاليًا ، أصبحت منطقة التغطية كبيرة جدًا. تتم معالجة الإشارة الآن في STM32 بعد الرقمنة ، فإنه يخرج فقط المسافة إلى الإخراج.

المقادير:

• STM32 - يستخدم لرقمنة الإشارة بالموجات فوق الصوتية وحساب المسافة إلى باعث ؛
• HC-SR04 - قمت بتعديلها قليلاً والآن يمكنني تلقي الإشارة من مدخلاتها ، كما هو موضح في الشكل 3 ؛
• RS485 - لنقل المسافة إلى باعث إلى جهاز كمبيوتر.

التين. 3 - إشارة الموجات فوق الصوتية الرقمية.


التين. 4 - إشارة الموجات فوق الصوتية في المنطقة 4700 - 5200 من الشكل أعلاه.

باعث بالموجات فوق الصوتية

التين. 5 - تطوير باعث (أعلى إلى أسفل).

كما ترون من الشكل 5 ، في البداية قمت بسحب قدم Trig على جهاز استشعار HC-SR04 ، لم يكن أفضل نظام ، فقط لأنني لم أتمكن من تحديد عدد الموجات فوق الصوتية التي يمكنني إنشاؤها ، لم أستطع تغيير قوتها ، وهذا باعث كان ضخمة بما فيه الكفاية.

بعد ذلك ، قمت بإنشاء إصدار ثانٍ ، كان أكثر تعقيدًا ، لكنني استطعت بالفعل تنظيم كل شيء باستخدام STM32 و L293D ، اللذين كانا متصلين مباشرة بسماعات الموجات فوق الصوتية. الآن ، بدلاً من 5 فولت قياسي ، تقدمت بطلب للحصول على 17 ، مما أدى إلى زيادة كبيرة في مساحة العمل. أضفت أيضًا وحدة راديو وواجهة RS485 ، مما جعل هذه الوحدة قائمة بذاتها.

بعد سلسلة من الاختبارات ، قررت تقليل حجم الباعث إلى حجم لائق ووضعه معًا بشكل أكثر إحكاما ، كنتيجة لما تراه في الصورة الأخيرة.

المقادير:

• STM32 - يستقبل الأمر Trig (بدء قياس المسافات) عبر قناة الراديو وينبعث إشارة بالموجات فوق الصوتية ، كما ينقل الأوامر المستلمة من وحدة الراديو إلى RS485 (أنا استخدامها للتحكم عن بعد في منصة متنقلة) ؛
• RS485 - واجهة معلومات الجهاز للمستخدم.
• دفعة DC-DC - يحول مصدر الطاقة 5 فولت إلى 17 فولت للبعث ؛
• L293D - أستخدمه لإنشاء إشارة قوية بالموجات فوق الصوتية بجهد 17 فولت ؛
• nRF24 - قناة راديو ؛
• البواعث - 6 بواعث يتم سحبها من وحدة HC-SR04.

وحدة قاعدة

التين. 6 - الوحدة الأساسية.

المقادير:

• STM32 - يرسل علم حساب المثلثات إلى باعث والمستقبلات ، ويستقبل أوامر USB من جهاز الكمبيوتر لنقلها عبر قناة الراديو إلى باعث (ويعرف أيضا باسم وحدة المحمول) ؛
• nRF24 - إرسال علم حساب المثلثات إلى باعث وأوامر الإرسال إلى باعث.

وحدة الكمبيوتر

يتم توصيل جهاز الكمبيوتر من خلال محول RS485 بجميع أجهزة الاستقبال بالموجات فوق الصوتية ، على هذه الواجهة يستقبل جميع أطوالها ويحسب إحداثيات وحدة المحمول. عبر USB ، يتم توصيله بالوحدة الأساسية ومن خلاله ينقل أوامر التحكم إلى وحدة المحمول.

موقع الوحدات في منطقة العمل

تبدو خريطة غرفة بها مستقبلات الموجات فوق الصوتية في الزوايا كما يلي:


التين. 7 - الفكرة العامة لموقع أجهزة الاستشعار.


التين. 8 - عرض أعلى على مقياس (الدوائر ، مع أرقام الداخل ، تتم الإشارة إلى أجهزة الاستشعار).

خوارزمية عمل نظام تحديد إحداثيات الموجات فوق الصوتية

1. ترسل الوحدة النمطية الأساسية أمر حساب المثلثات إلى باعث (عبر الأثير) وأجهزة الاستقبال (عبر السلك).
2. يبدأ الباعث في الانبعاث ، وتبدأ أجهزة الاستقبال في الاستماع إلى البث.
3. يقوم كل جهاز استقبال ، بعد سماع إشارة الموجات فوق الصوتية ، بتسجيل الوقت بين أمر علم حساب المثلثات ووقت استلام هذه الإشارة وترجمتها إلى مسافة.
4. ترسل مستقبلات RS485 مسافات من باعث لأنفسهم على جهاز كمبيوتر.
5. يقوم الكمبيوتر بحساب إحداثيات الباعث.

تشغيل النظام

تشغيل كل هذا ، نحصل على إحداثيات الكائن ، تعتمد الدقة على المكان في الغرفة. في أفضل الأماكن ، لا يتجاوز الخطأ بضعة سنتيمترات ، وفي أسوأ الأحوال ... حسنًا ، يمكنك أن ترى كل شيء في الشكل 9.


التين. 9 - تحريك باعث في جميع أنحاء الغرفة.

هناك أربع مجموعات من الإحداثيات في هذا الشكل ، نظرًا لأن لدينا أربعة مستقبلات ، ولإحداث إحداثيات في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، نحتاج إلى ثلاثة فقط ، ثم لدينا أربعة مجموعات من المستقبلات.

كما يتضح من الشكل ، بشكل عام ، يحدد النظام الإحداثيات بشكل صحيح ، ولكن في أماكن مختلفة ، يكون الخطأ مختلفًا. قمت بتحريك باعث بالتوازي مع محاور X و Y ، في مكان ما مع فاصل زمني بين السطور في متر ، في مكان ما في نصف متر ، وهذا يمكن أن ينظر إليه في الشكل. توجد أفضل دقة في الوسط ، وكل شيء على الحواف سيء ، لأن الإشارة بالموجات فوق الصوتية تقع من هناك بزاوية كبيرة ، مما يؤدي إلى تشوهات في الإشارة الرقمية.

بعد تصفية أربعة أزواج من الإحداثيات ومتوسطها ، نحصل على الصورة التالية:


التين. 10 - المسار المتوسط.

ليس الجليد ، ولكن ما هو هناك.

للمتعة ، سأريكم كيف يبدو كل شيء في ثلاثي الأبعاد ، لأن لدينا أيضًا إحداثيًا ثالثًا ، على الرغم من عدم الحاجة إليه في مشروعي ، لأن روبوت متحرك يتحرك فقط في طائرة.


التين. 11 - مسار ثلاثي الأبعاد.

كما نرى ، تقع كل النقاط تقريبًا في نفس الطائرة ، وهذا صحيح ، لأنني قادت المرسل عبر الأرض دون أن أخرجها.

وهنا مثال على مرور غير ناجح لمنصة متنقلة مع باعث ، مسارها واضح للعيان. وفقًا للخطة ، كان من المفترض أن تعود المنصة إلى نقطة البداية ، بعد أن قطعت مسارًا مستطيلًا ، لكنها لم تنجح ، في المقالات التالية سوف أخبرك لماذا.


التين. 12 - مسار حركة منصة المحمول.

المشاكل الفعلية

لديّ حاليًا عدد من المشكلات العاجلة ، وإذا كان بإمكان شخص ما اقتراح شيء ما ، فيرجى كتابة ذلك في التعليقات أو على VK:
vk.com/b__s__v

1. ما هي أفضل طريقة لتلقي إشارة الموجات فوق الصوتية؟ إن مجسات HC-SR04 التي أستخدمها الآن لتلقي إشارة الموجات فوق الصوتية وتضخيمها ليست الخيار الأفضل. أولاً ، نظرًا لأنهم يتلقون دائمًا إشارة ذات تردد واحد فقط ولا يمكنك إجراء فصل تردد لمصادر الإشارة عنها (وهو أمر مثير للاهتمام بالنسبة لي للمحاولة) ، فهي أيضًا ضخمة جدًا ، وأنا أعتمد عليها كثيرًا.
2. كيفية إزالة تشوهات التنسيق في زوايا مختلفة من الغرفة؟ على الشبكة التي رسمتها على الأرض ، يمكن ملاحظة أن الخطوط المستقيمة تبدأ في بعض الأحيان بالانحراف ، على الرغم من أنني كنت دائماً أحرك الوحدة المتنقلة بسلاسة ، وعلى نحو ما أحتاج إلى التخلص منها.
3. بالنسبة إلى nRF24 ، تختفي الإشارة. عندما تكون الوحدات متقاربة ، فلا توجد مشاكل ، لكن من المفيد نشرها على بعد أمتار قليلة والوقوف بينها بنفسك ، حيث تصل الرسائل عبر واحد. لست مضطرًا إلى إعادة إرسال الرسائل هناك ، لأنني أرسل إشارات عقارب الساعة على هذه القناة ، ويجب أن تأتي دائمًا في نفس الثانية. لديّ وحدات بها هوائي خارجي ، وتعمل الوحدة الموجودة على الوحدة الأساسية بشكل أفضل بدون هوائي أكثر من الهوائي. لا أفهم شيئًا ، فالسلطة في الحد الأقصى.
4. أماكن الترويج للمشروع. إذا كان شخص ما يعرف مواقع دولية مثل Habr باللغة الإنجليزية ، فالرجاء تجاهل الروابط ، وإلا فإنني لم أجد أي شيء لائق ، لكن stackoverflow ، فهذه مجرد أسئلة وإجابات ، وليس فقط لنشر مثل هذه المقالات.
5. التعليقات والاقتراحات. إذا أراد شخص ما التحدث ، سأكون سعيدًا بالنقد والاقتراحات.

هذا بعيد عن نهاية مشروعي ، على الرغم من أن الوقت قد انتهى ، ولكن إذا كان هناك اهتمام ، فسوف أكتب مقالًا حول كيفية انتقال روبوت متنقل بناءً على هذا النظام عند الإحداثيات المحددة في غرفتي.