अल्ट्रासोनिक समन्वय प्रणाली 2.0

अल्ट्रासोनिक समन्वय प्रणाली 2.0

यह लेख किस बारे में है: यह लेख मेरे समन्वय निर्धारण प्रणाली के संचालन के सिद्धांतों और इसके निर्माण में मेरे अनुभव का वर्णन करता है। यह आलेख नेविगेशन सिस्टम के निर्माण के लिए एक निर्देश नहीं है, क्योंकि यह एक लेख में वर्णन करने के लिए इतना सरल नहीं है।



यह लेख मेरे पिछले लेख के विचारों का विकास है:
habr.com/ru/post/451408

सिस्टम संरचना

समन्वय निर्धारण प्रणाली में निम्नलिखित संरचनात्मक आरेख हैं:


अंजीर। 1 - निर्देशांक निर्धारित करने के लिए अल्ट्रासाउंड प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख।

आइए प्रत्येक तत्व पर अधिक बारीकी से विचार करें।

अल्ट्रासाउंड रिसीवर

अंजीर। 2 - अल्ट्रासाउंड रिसीवर का विकास (ऊपर से नीचे)।

प्रारंभ में, रिसीवर में एक मॉड्यूल शामिल था और कमरे का एक बहुत छोटा कवरेज क्षेत्र था, उन दिनों में मैंने सिग्नल को डिजिटाइज़ नहीं किया था, लेकिन बस सेंसर से प्राप्त लंबाई जो नियमित नियंत्रक ने दी थी।

फिर, कवरेज को बढ़ाने के लिए, मैंने तीन सेंसर का एक मॉड्यूल बनाने का फैसला किया, जिसमें से डेटा को एक साथ डिजिटल किया गया और एक पीसी पर प्रेषित किया गया, जहां दूरी और निर्देशांक की गणना की गई। तीन-घटक रिसीवर का परीक्षण करने के बाद, मैंने देखा कि यदि आप स्वयं सिग्नल को संसाधित करते हैं तो एक रिसीवर पर्याप्त है।

नतीजतन, रिसीवर फिर से एक-घटक बन गया, लेकिन इस तथ्य के कारण कि मैं वर्तमान में सिग्नल को संसाधित कर रहा हूं, कवरेज क्षेत्र काफी बड़ा हो गया है। डिजिटलीकरण के बाद संकेत अब STM32 में संसाधित किया गया है, यह आउटपुट के लिए केवल दूरी तय करता है।

सामग्री:

• STM32 - अल्ट्रासोनिक सिग्नल को डिजिटाइज़ करने और एमिटर से दूरी की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है;
• HC-SR04 - मैंने इसे थोड़ा संशोधित किया और अब मैं इसके इनपुट से संकेत प्राप्त कर सकता हूं, चित्र 3 में दिखाया गया है;
• RS485 - पीसी पर एमिटर को दूरी प्रेषित करने के लिए।

अंजीर। 3 - डिजिटाइज्ड अल्ट्रासोनिक सिग्नल।


अंजीर। 4 - 4700 क्षेत्र में अल्ट्रासाउंड संकेत - ऊपर दिए गए आंकड़े का 5200।

अल्ट्रासोनिक उत्सर्जक

अंजीर। 5 - एमिटर का विकास (ऊपर से नीचे)।

जैसा कि आप चित्र 5 से देख सकते हैं, सबसे पहले मैंने HC-SR04 सेंसर पर ट्रिग फुट को खींचा, यह सबसे अच्छी प्रणाली नहीं थी, यदि केवल इसलिए कि मैं यह निर्धारित नहीं कर सकता था कि मैं कितनी अल्ट्रासाउंड तरंगें बना सकता हूं, मैं उनकी शक्ति नहीं बदल सकता, और यह उत्सर्जक नहीं काफी भारी था।

फिर मैंने एक दूसरा संस्करण बनाया, जो बहुत अधिक बोझिल था, लेकिन मैं पहले से ही एसटीएम 32 और एल 293 डी के साथ सब कुछ विनियमित कर सकता था, जो सीधे अल्ट्रासाउंड स्पीकर से जुड़े थे। अब, मानक 5 वोल्ट के बजाय, मैंने 17 को लागू किया और इससे कार्य क्षेत्र में बहुत वृद्धि हुई। मैंने एक रेडियो मॉड्यूल और एक RS485 इंटरफ़ेस भी जोड़ा, जिसने इस मॉड्यूल को अकेला खड़ा कर दिया।

परीक्षणों की एक श्रृंखला के बाद, मैंने एक सभ्य आकार के उत्सर्जक को कम करने और इसे अधिक कसकर एक साथ रखने का फैसला किया, जिसके परिणामस्वरूप आप अंतिम तस्वीर में देखते हैं।

सामग्री:

• STM32 - रेडियो चैनल के माध्यम से ट्रिग कमांड (दूरियां शुरू करना) प्राप्त करता है और एक अल्ट्रासोनिक सिग्नल का उत्सर्जन करता है, रेडियो मॉड्यूल से प्राप्त आदेशों को RS485 तक भी पहुंचाता है (मैं इसका उपयोग मोबाइल प्लेटफ़ॉर्म के रिमोट कंट्रोल के लिए करता हूं);
• RS485 - उपयोगकर्ता के लिए डिवाइस सूचना इंटरफ़ेस;
• DC-DC बूस्ट - एमिटर के लिए बिजली की आपूर्ति 5V से 17V में परिवर्तित करता है;
• L293D - मैं 17 वी के वोल्टेज के साथ एक मजबूत अल्ट्रासोनिक सिग्नल उत्पन्न करने के लिए उपयोग करता हूं;
• nRF24 - रेडियो चैनल;
• उत्सर्जक - 6 उत्सर्जक जो HC-SR04 मॉड्यूल से बाहर निकाले जाते हैं।

बेस मॉड्यूल

अंजीर। 6 - मूल मॉड्यूल।

सामग्री:

• STM32 - ट्रिगर्स को एमिटर और रिसीवर्स को भेजता है, रेडियो चैनल के माध्यम से एमिटर (मोबाइल मॉड्यूल) के माध्यम से प्रसारण के लिए पीसी से यूएसबी कमांड प्राप्त करता है;
• nRF24 - ट्रिग को एमिटर तक पहुंचाना और कमांड को एमिटर तक पहुंचाना।

पीसी मॉड्यूल

RS485 एडाप्टर के माध्यम से पीसी सभी अल्ट्रासोनिक रिसीवर से जुड़ा हुआ है, इस इंटरफ़ेस पर उनसे सभी लंबाई प्राप्त होती है और मोबाइल मॉड्यूल के निर्देशांक की गणना करता है। USB के माध्यम से यह आधार मॉड्यूल से जुड़ा होता है और इसके माध्यम से मोबाइल मॉड्यूल पर नियंत्रण आदेश स्थानांतरित करता है।

कार्य क्षेत्र में मॉड्यूल का स्थान

कोनों पर लगाए गए अल्ट्रासाउंड रिसीवर्स वाले कमरे का नक्शा इस तरह दिखता है:


अंजीर। 7 - सेंसर के स्थान का सामान्य विचार।


अंजीर। 8 - एक पैमाने पर शीर्ष दृश्य (सर्कल, अंदर संख्या के साथ, सेंसर संकेत दिए गए हैं)।

अल्ट्रासोनिक समन्वय निर्धारण प्रणाली के काम का एल्गोरिथ्म

1. बेस मॉड्यूल उत्सर्जक (हवा के ऊपर) और रिसीवर (तार के ऊपर) पर एक ट्रिग कमांड भेजता है।
2. एमिटर का उत्सर्जन शुरू होता है, और रिसीवर प्रसारण को सुनना शुरू करते हैं।
3. प्रत्येक रिसीवर, अल्ट्रासोनिक सिग्नल को सुनकर, ट्रिग कमांड और इस सिग्नल की प्राप्ति के समय के बीच के समय को रिकॉर्ड करता है और इसे एक दूरी में अनुवाद करता है।
4. RS485 रिसीवर एक पीसी पर खुद को उत्सर्जक से दूरी भेजते हैं।
5. पीसी एमिटर के निर्देशांक की गणना करता है।

सिस्टम ऑपरेशन

यह सब चलाते हुए, हमें ऑब्जेक्ट के निर्देशांक मिलते हैं, सटीकता कमरे में जगह पर निर्भर करती है। सबसे अच्छी जगहों में, त्रुटि कुछ सेंटीमीटर से अधिक नहीं होती है, और सबसे खराब ... अच्छी तरह से, आप स्वयं चित्र 9 में सब कुछ देख सकते हैं।


अंजीर। 9 - कमरे के चारों ओर एमिटर ले जाना।

इस आंकड़े में निर्देशांक के चार सेट हैं, क्योंकि हमारे पास चार रिसीवर हैं, और तीन आयामी अंतरिक्ष में निर्देशांक निर्धारित करने के लिए हमें केवल तीन की आवश्यकता है, फिर हमारे पास रिसीवर के चार संयोजन हैं।

जैसा कि आंकड़े से देखा जा सकता है, सामान्य तौर पर, सिस्टम सही ढंग से निर्देशांक निर्धारित करता है, लेकिन विभिन्न स्थानों में त्रुटि अलग है। मैंने एक्स और वाई कुल्हाड़ियों के समानांतर एमिटर को स्थानांतरित कर दिया, कहीं एक मीटर में लाइनों के बीच अंतराल के साथ, कहीं आधे मीटर में, यह आंकड़ा में देखा जा सकता है। सबसे अच्छी सटीकता केंद्र में है, और किनारों पर सब कुछ खराब है, क्योंकि वहां से अल्ट्रासोनिक सिग्नल रिसीवर पर एक बड़े कोण पर गिरता है, और यह डिजीटल सिग्नल में विकृतियां पैदा करता है।

निर्देशांक के चार जोड़ों को छानने और औसत करने के बाद, हमें निम्नलिखित चित्र मिलते हैं:


अंजीर। 10 - एवरेज्ड प्रक्षेपवक्र।

बर्फ नहीं है, लेकिन वहाँ क्या है।

मज़े के लिए, मैं आपको दिखाता हूँ कि यह 3 डी में कैसे दिखता है, क्योंकि हमारे पास एक तीसरा समन्वय भी है, हालांकि यह मेरी परियोजना में आवश्यक नहीं है, क्योंकि एक मोबाइल रोबोट केवल एक विमान में चलता है।


अंजीर। 11 - 3 डी प्रक्षेपवक्र।

जैसा कि हम देख सकते हैं, सभी बिंदु एक ही विमान में लगभग झूठ बोलते हैं, और यह सही है, क्योंकि मैंने एमिटर को बिना उतार दिए फर्श से पार कर दिया।

और यहां एक एमिटर के साथ मोबाइल प्लेटफॉर्म के असफल पारित होने का एक उदाहरण है, इसका प्रक्षेपवक्र स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। योजना के अनुसार, प्लेटफ़ॉर्म को शुरुआती बिंदु पर लौटना था, जो एक आयताकार पथ के साथ गुजरता था, लेकिन यह काम नहीं करता था, निम्नलिखित लेखों में मैं आपको बताऊंगा कि क्यों।


अंजीर। 12 - मोबाइल प्लेटफॉर्म की गति का प्रक्षेपवक्र।

वास्तविक समस्याएं

वर्तमान में मेरे पास कई आवश्यक समस्याएं हैं, और यदि कोई व्यक्ति कुछ सुझा सकता है, तो कृपया इसे टिप्पणियों में या वीके पर लिखें:
vk.com/b__s__v

1. अल्ट्रासाउंड सिग्नल प्राप्त करने का सबसे अच्छा तरीका क्या है? HC-SR04 सेंसर जो अब मैं एक अल्ट्रासाउंड सिग्नल को प्राप्त करने और बढ़ाने के लिए उपयोग करता हूं, सबसे अच्छा विकल्प नहीं हैं। सबसे पहले, क्योंकि वे हमेशा केवल एक आवृत्ति के साथ एक संकेत प्राप्त करते हैं और आप उनसे सिग्नल स्रोतों की आवृत्ति को अलग नहीं कर सकते हैं (जो कि मेरे लिए दिलचस्प है), इसके अलावा, वे बहुत तेज़ हैं, और मैं उन पर बहुत निर्भर हूं।
2. कमरे के विभिन्न कोनों में समन्वित विकृतियों को कैसे दूर किया जाए? ग्रिड पर जिसे मैंने फर्श पर फेंक दिया, यह देखा जा सकता है कि कभी-कभी सीधी रेखाएं विचलन करने लगती हैं, हालांकि मैंने हमेशा मोबाइल मॉड्यूल को सुचारू रूप से स्थानांतरित किया, और किसी तरह मुझे इससे छुटकारा पाने की आवश्यकता है।
3. nRF24 के लिए, सिग्नल गायब हो जाता है। जब मॉड्यूल करीब होते हैं, तो कोई समस्या नहीं होती है, लेकिन यह जरूरी है कि उन्हें कुछ मीटर तक फैलाया जाए और खुद उनके बीच खड़े हों, क्योंकि संदेश एक के माध्यम से पहुंचते हैं। मुझे वहां संदेश भेजने की जरूरत नहीं है, क्योंकि मैं इस चैनल पर घड़ी के संकेत प्रसारित करता हूं, और उन्हें हमेशा एक ही सेकंड में आना चाहिए। मेरे पास बाहरी एंटीना के साथ मॉड्यूल हैं, और आधार मॉड्यूल पर एक एंटीना के बिना इसके साथ बेहतर काम करता है। मुझे कुछ भी समझ नहीं आ रहा है, शक्ति अधिकतम है।
4. परियोजना प्रोत्साहन के स्थान। यदि कोई अंग्रेजी में हैबर जैसी अंतरराष्ट्रीय साइटों को जानता है, तो कृपया लिंक को छोड़ दें, अन्यथा मुझे कुछ भी अच्छा नहीं मिला, लेकिन स्टैकओवरफ्लो, ये सिर्फ सवाल और जवाब हैं, इस तरह के लेखों को पोस्ट करने के लिए नहीं।
5. टिप्पणियाँ और सुझाव। यदि कोई बोलना चाहता है, तो मुझे आलोचना और सुझावों पर खुशी होगी।

यह मेरी परियोजना के अंत से बहुत दूर है, हालांकि समय करीब आ रहा है, लेकिन अगर इसमें रुचि है, तो मैं इस बारे में एक लेख लिखूंगा कि मेरे कमरे में दिए गए निर्देशांक पर इस प्रणाली पर आधारित मोबाइल रोबोट कैसे यात्रा करता है।