Особенности применения ультразвукового дальномера HC-SR04 в качестве средства ориентации мобильного объекта

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2020

Басков М.П., Левашов О.Д.
Москва – Брешия (Италия)

Для проверки алгоритма избегания препятствий мобильным объектом в условиях помещения с произвольной планировкой нами использовалась мобильная платформа на гусеничном ходу с размерами 200 × 100 мм. В качестве управляющего контроллера использовался микроконтроллер «Искра JS” на базе чипа STM32F405RG. Язык высокого уровня JavaScript позволяет проводить отладку в ходе исполнения программы, загруженной в память микроконтроллера.

Особенности применения ультразвукового дальномера HC-SR04 в качестве средства ориентации мобильного объекта

В качестве средства получения информации об окружающей среде нами был выбран недорогой и достаточно точный ультразвуковой датчик HC-SR04. Датчик установлен на вращающейся платформе, обеспечивающей сканирование передней полусферы с шагом 15 градусов. Перед установкой в макет датчик был проверен на точность измерения расстояния с применением лазерной рулетки, и показал точность 1-3 см в диапазоне от 3 до 250 см.

Экспериментальная проверка дала отрицательный результат. Объект терся о стены, врезался в углы мебели, и его поведение, несмотря на алгоритм, прошедший испытание в компьютерной модели, никак нельзя было назвать разумным. Причина такого поведения объекта заключалась в полной неспособности датчика измерять расстояние при движении к препятствию под углом. Для того чтобы предупредить возможные ошибки коллег, мы провели показательные испытания ультразвукового датчика в типовых ситуациях.

Типовая ситуация приближения мобильного объекта к препятствию под острым углом.
Рисунок 1. Типовая ситуация приближения мобильного объекта к препятствию
под острым углом.
 
Типовая ситуация движения объекта в узком коридоре. Расстояние между стенами 30 см.
Рисунок 2. Типовая ситуация движения объекта в узком коридоре. Расстояние
между стенами 30 см.

На ситуационных фотографиях (Рисунки 1-5) представлены различные положения объекта и препятствий, а также приведены данные сканирования. При анализе данных необходимо учитывать, что измеренное расстояние отсчитывается от края платформы объекта, а не от фронтальной плоскости датчика. Красным фоном выделены ошибочные результаты измерения расстояния до препятствия. Сканирование производится справа налево, т.е. крайнее правое положение датчика соответствует 0 градусов, а крайнее левое – 180 градусам.

Типовая ситуация движения объекта в коридоре шириной 1 м.
Рисунок 3. Типовая ситуация движения объекта в коридоре шириной 1 м.
 
Нестандартная ситуация движения объекта к вершине острого угла, образованного стенами помещения.
Рисунок 4. Нестандартная ситуация движения объекта к вершине острого
угла, образованного стенами помещения.

Причина такого поведения датчика объясняется, на наш взгляд, достаточно просто. При измерении расстояния до препятствия, плоскость которого находится под прямым углом к оси измерения, проекция пучка ультразвуковых колебаний условно является кругом. При измерении под углом к плоскости препятствия круг вырождается в эллипс. Разное время прихода отраженного сигнала от ближнего и дальнего концов этого эллипса является основной причиной ошибок измерений. К тому же значительная часть энергии излучения бесполезно отражается в пространство, что также не способствует точности измерений. Мы должны были подумать об этом заранее, но поскольку все наше внимание было сосредоточено на алгоритме, упустили этот феномен из виду.

Стандартная ситуация. Движение объекта к углу препятствия.
Рисунок 5. Стандартная ситуация. Движение объекта к углу препятствия.
 
Переходный процесс, возникающий в механизме перемещения УЗ-датчика после изменения положения.
Рисунок 6. Переходный процесс, возникающий в механизме перемещения
УЗ-датчика после изменения положения.

Еще одно важное практическое наблюдение, относящееся к процессу сканирования. Механическая система, состоящая из ротора серводвигателя, редуктора, платформы датчика, самого датчика и декоративной крышки имеет в нашем случае время затухания собственных колебаний 240 мс. Характер переходного процесса показан на Рисунке 6. Поэтому между командой поворота серводвигателя и измерением расстояния необходим таймаут, величина которого зависит от конкретной конструкции сканера.

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 666
сейчас смотрят 11
представлено поставщиков 579
загружено
позиций
25 067 862