TI 技術(shù)手冊(cè)

引言

割草機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)完全自主操作，必須配備能夠檢測(cè)周圍環(huán)境的傳感器，從而省去人工操作。

必須避免草坪上有異物，因?yàn)榕鲎部赡軐?dǎo)致代價(jià)高昂的故障。傳感技術(shù)必須能夠在室外可靠地運(yùn)行，并且能夠檢測(cè)諸如椅子腿之類的薄物體?？梢钥紤]使用非接觸式超聲波感應(yīng)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，因?yàn)榧词故窃趷毫迎h(huán)境條件下它也能高效地執(zhí)行。

當(dāng)前的割草機(jī)器人需要在所需的操作區(qū)域周邊安裝電線，這可能需要高昂的成本來(lái)維持指定路徑。如果沒(méi)有系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)器人在草坪上的位置，機(jī)器人可能會(huì)進(jìn)入不需要的區(qū)域并造成廣泛的損壞。超聲波感應(yīng)可以檢測(cè)機(jī)器人所處的地形類型，從而使機(jī)器人能夠高效地穿越草地，而無(wú)需外部機(jī)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(jué)的上限，可以橫向穿過(guò)不同的介質(zhì)（影響聲速），以確定物體相對(duì)于換能器點(diǎn)的位置。發(fā)射的聲波反射回?fù)Q能器所需的時(shí)間乘以聲速，然后除以 2 得到精確的距離測(cè)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(huì)增加，但可測(cè)量的距離會(huì)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(qū)動(dòng)器和調(diào)節(jié)器，用于收集這些實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確結(jié)果。它與在 30kHz-80kHz 和 180kHz-480kHz 中心頻率運(yùn)行的超聲波換能器兼容

正確絕緣和安裝

割草機(jī)器人應(yīng)用需要將換能器暴露在惡劣環(huán)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)，然后使用堅(jiān)固的材料固定換能器位置，并防止任何外部振動(dòng)影響換能器。

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

如果換能器安裝不當(dāng)，誤報(bào)的可能性會(huì)增加，這會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)于障礙物檢測(cè)，TI 建議將換能器安裝在草坪機(jī)的前部，朝外并略高于地面，以避免可能產(chǎn)生誤報(bào)的地面反射。對(duì)于地形類型檢測(cè)，TI 建議將換能器安裝在割草機(jī)下方，換能器朝下。圖 1-3 顯示了用于割草機(jī)器人進(jìn)行障礙物和地形類型檢測(cè)的換能器建議安裝。

障礙物檢測(cè)

位于割草機(jī) 15 厘米范圍內(nèi)的物體應(yīng)被視為威脅，系統(tǒng)應(yīng)指示割草機(jī)器人改變方向并找到未堵塞的路徑。對(duì)于障礙物檢測(cè)，建議使用 220kHz Massa E188/220 密閉式換能器，因?yàn)樵撈骷?20cm 范圍內(nèi)非?？煽?。

圖 1-4 顯示了換能器不受障礙物影響時(shí)的回波響應(yīng)。觀察到的初始峰值是單基地?fù)Q能器產(chǎn)生的振鈴時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)外部硬件配置或?qū)崿F(xiàn)雙靜態(tài)拓?fù)鋪?lái)縮短振鈴時(shí)間。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱 PGA460 超聲波模塊硬件和軟件優(yōu)化。

圖 1-5 顯示了使用 Massa E188/220 檢測(cè)草坪上常見的物體。當(dāng)物體處于 15cm 閾值范圍內(nèi)時(shí)，換能器接收到回波響應(yīng)。與其他傳感技術(shù)不同，超聲波感應(yīng)能夠在戶外條件下可靠地檢測(cè)目標(biāo)，包括椅子腿和柱子等細(xì)物體。

地形類型檢測(cè)

圖 1-6 顯示了當(dāng)傳感器距離地面 5cm 時(shí)，400kHz Steminc SMATR400H99XDA 密閉式換能器如何進(jìn)行地形類型檢測(cè)。此應(yīng)用使用頻率更高的換能器來(lái)縮短振鈴時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更短的最小檢測(cè)范圍。由于表面硬度較高，水泥具有較大的回波響應(yīng)，而由于隨機(jī)圖案表面類型的漫反射，草幾乎沒(méi)有回聲響應(yīng)。

器件建議

由于割草機(jī)器人暴露在包括水和污垢在內(nèi)的惡劣環(huán)境中，因此必須采用密閉式換能器。為了實(shí)現(xiàn)可靠的短距離檢測(cè)，換能器必須能夠發(fā)出高頻聲波。

對(duì)于地形類型檢測(cè)，這些實(shí)驗(yàn)中的最小可測(cè)量距離為 5cm。因此，使用了 400kHz 換能器來(lái)進(jìn)行低范圍檢測(cè)。由于障礙物檢測(cè)需要進(jìn)行中低范圍檢測(cè)，因此使用了 220kHz 換能器。

PGA460 器件是高度集成的片上系統(tǒng)超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)器，配備先進(jìn)的 DSP 內(nèi)核。表 1-1 包含一個(gè)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(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) ti.com/ultrasonic。