TI 技術手冊

引言

割草機器人要實現完全自主操作，必須配備能夠檢測周圍環境的傳感器，從而省去人工操作。

必須避免草坪上有異物，因為碰撞可能導致代價高昂的故障。傳感技術必須能夠在室外可靠地運行，并且能夠檢測諸如椅子腿之類的薄物體。可以考慮使用非接觸式超聲波感應進行障礙物檢測，因為即使是在惡劣環境條件下它也能高效地執行。

當前的割草機器人需要在所需的操作區域周邊安裝電線，這可能需要高昂的成本來維持指定路徑。如果沒有系統來監測機器人在草坪上的位置，機器人可能會進入不需要的區域并造成廣泛的損壞。超聲波感應可以檢測機器人所處的地形類型，從而使機器人能夠高效地穿越草地，而無需外部機制。

超聲波工作原理

超聲波傳感器使用的高頻聲波高于人類聽覺的上限，可以橫向穿過不同的介質（影響聲速），以確定物體相對于換能器點的位置。發射的聲波反射回換能器所需的時間乘以聲速，然后除以 2 得到精確的距離測量。

值得注意的是，隨著頻率的增加，分辨率、方向性和衰減都會增加，但可測量的距離會減小。圖 1-1 顯示了超聲波傳感器如何使用聲波工作。

PGA460 是一款完全集成的超聲波換能器驅動器和調節器，用于收集這些實驗的準確結果。它與在 30kHz-80kHz 和 180kHz-480kHz 中心頻率運行的超聲波換能器兼容

正確絕緣和安裝

割草機器人應用需要將換能器暴露在惡劣環境中，因此建議使用密閉式換能器。必須用柔軟材料包住換能器以實現振動，然后使用堅固的材料固定換能器位置，并防止任何外部振動影響換能器。

圖 1-2 顯示了必須如何絕緣換能器以優化在 BOOSTXL-PGA460 圖形用戶界面 (GUI) 上觀察到的信號。

如果換能器安裝不當，誤報的可能性會增加，這會降低系統的可靠性。

對于障礙物檢測，TI 建議將換能器安裝在草坪機的前部，朝外并略高于地面，以避免可能產生誤報的地面反射。對于地形類型檢測，TI 建議將換能器安裝在割草機下方，換能器朝下。圖 1-3 顯示了用于割草機器人進行障礙物和地形類型檢測的換能器建議安裝。

障礙物檢測

位于割草機 15 厘米范圍內的物體應被視為威脅，系統應指示割草機器人改變方向并找到未堵塞的路徑。對于障礙物檢測，建議使用 220kHz Massa E188/220 密閉式換能器，因為該器件在 20cm 范圍內非常可靠。

圖 1-4 顯示了換能器不受障礙物影響時的回波響應。觀察到的初始峰值是單基地換能器產生的振鈴時間。可以通過外部硬件配置或實現雙靜態拓撲來縮短振鈴時間。有關更多信息，請參閱 PGA460 超聲波模塊硬件和軟件優化。

圖 1-5 顯示了使用 Massa E188/220 檢測草坪上常見的物體。當物體處于 15cm 閾值范圍內時，換能器接收到回波響應。與其他傳感技術不同，超聲波感應能夠在戶外條件下可靠地檢測目標，包括椅子腿和柱子等細物體。

地形類型檢測

圖 1-6 顯示了當傳感器距離地面 5cm 時，400kHz Steminc SMATR400H99XDA 密閉式換能器如何進行地形類型檢測。此應用使用頻率更高的換能器來縮短振鈴時間，從而實現更短的最小檢測范圍。由于表面硬度較高，水泥具有較大的回波響應，而由于隨機圖案表面類型的漫反射，草幾乎沒有回聲響應。

器件建議

由于割草機器人暴露在包括水和污垢在內的惡劣環境中，因此必須采用密閉式換能器。為了實現可靠的短距離檢測，換能器必須能夠發出高頻聲波。

對于地形類型檢測，這些實驗中的最小可測量距離為 5cm。因此，使用了 400kHz 換能器來進行低范圍檢測。由于障礙物檢測需要進行中低范圍檢測，因此使用了 220kHz 換能器。

PGA460 器件是高度集成的片上系統超聲波換能器驅動器和信號調節器，配備先進的 DSP 內核。表 1-1 包含一個配套資料資源列表，以幫助確保 BOOSTXL-PGA460 以及可用的不同換能器的正確使用。有關更多信息，請訪問 ti.com/ultrasonic。