Ультразвуковая информационно-измерительная система

PDF версия
В статье рассмотрена разработка экспериментального образца ультразвуковой информационно-измерительной системы для бесконтактного определения расстояния. Приводится описание разработки ультразвукового измерителя дальности, а также необходимые расчеты и схемы, результаты экспериментов. Ставятся задачи для дальнейшей деятельности в данном направлении.

Ультразвуковая информационно-измерительная система (ИИС) предназначена для измерения расстояния бесконтактным способом в следующих областях: робототехника, охранные системы, устройства ориентации, промышленность, медицина, автомобилестроение.

Для определения расстояния бесконтактным способом используются различные принципы измерений: индуктивный, радиочастотный, ультразвуковой, лазерный, оптический, технологии на основе 3D-камер (табл. 1).

Таблица 1. Основные типы датчиков для измерения расстояний и их основные параметры

Типы

Внешний вид

Измеряемое расстояние

Разрешение

Время измерения, мс

Потребляемый ток

Диапазон рабочих температур, °С

Индуктивные

Индуктивные датчики

0–120 мм

0,1 мкм

0,3

5–500 мА

–30…+60

Емкостные

Емкостные датчики

0–50 мм

0,1 мкм

60

50–250 мА

–30…+80

Магнито-чувствительные

Магнито- чувствительные датчики

0–30 мм

20

0,01–3 А

–40…+80

Оптические

Оптические датчики

0,001–500 м

0,5 мм

1

20–35 мА

–25…+60

Инфракрасные

Инфракрасные датчики

0,001–10 м

0,1 мм

20

20–35 мА

–25…+55

Радарные

Радарные датчики

0,001–10 м

1 мкм

1

20–35 мА

–25…+55

Ультразвуковые

Ультразвуковые датчики

0–20 м

1 мкм

1

4–20 мА

–25…+70

По сравнению с УЗ-датчиками видеокамеры представляют собой более дорогое оборудование, требующее сложных алгоритмов обработки, оснащения системами ночного видения.

В силу ограниченной дальности обнаружения индуктивных, емкостных и магниточувствительных датчиков уместно провести сравнение между ультразвуковым и оптическим методами.

В диапазоне до 10 м ультразвуковые датчики приближения дешевле, чем лазерные датчики. УЗ-датчики уступают оптическим методам в быстродействии, в точности они уступают лазерным датчикам перемещения, но превосходят лазерные датчики расстояния. Как для других задач, так и для измерения перемещения для УЗ-датчиков справедливо следующее:

  • измерение перемещения прозрачных объектов;
  • работоспособность при наличии пара, тумана;
  • работоспособность в условиях пыли и грязи;
  • индифферентность к воздействию бликов и ярких световых вспышек;
  • исполнение для химически агрессивных сред.

Поэтому актуальной является задача усовершенствования системы измерений расстояний с использованием ультразвуковых датчиков.

Цель работы — создание и экспериментальное исследование ультразвуковой ИИС.

Работа ультразвуковой ИИС базируется на излучении, приеме и анализе прямой или отраженной УЗ-волны.

Для устранения сбоев и возникновения существенных ошибок в измерениях необходимо учитывать факторы влияния, такие как:

  • изменения скорости звука в зависимости от температуры и свойств окружающей среды;
  • изменения длины звуковой волны в зависимости от скорости и частоты звука;
  • изменения величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности;
  • изменения уровня внешних шумов в зависимости от частоты;
  • изменения амплитуды отраженного эха в зависимости от расстояния до объекта, размеров и геометрии поверхности.

Предварительным этапом создания ультразвуковой ИИС является разработка электрической принципиальной схемы УЗ-дальномера, а также применение соответствующей элементной базы, при выборе которой была принята во внимание ее доступность и наличие инструментария (рис. 1).

Ультразвуковой пьезопреобразователь MA40ES

Рис. 1. Ультразвуковой пьезопреобразователь MA40ES

В качестве акустических преобразователей, учитывая факторы влияния на распространение ультразвуковой волны, используются узкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи с резонансной частотой порядка 40–50 кГц. Наиболее распространенными являются устройства, работающие на частоте 40 кГц.

Для измерительной системы выбран серийно выпускаемый пьезопреобразователь, приемопередатчик MA40ES фирмы Murata (рис. 1). Технические характеристики датчика приведены в таблице 2. Диаграмма направленности ультразвукового датчика показана на рис. 2.

Диаграмма направленности ультразвукового передатчика MA40ES

Рис. 2. Диаграмма направленности ультразвукового передатчика MA40ES

Таблица 2. Технические характеристики пьезоизлучателя MA40ES

Наименование

MA40ES

Номинальная рабочая частота

40 кГц

Чувствительность

–63 ±3 дБ

Диапазон измеряемых расстояний

0,2–6 м

Ширина диаграммы направленности

60°

Средняя мощность передатчика

10 мВт

Средняя мощность приемника

10 мкВт

Диапазон рабочих температур

−25…+50 °C

Разрешение

10 мм

Частота излучения выбранного ультразвукового передатчика MA40ES f = 40 кГц.

Максимальное расстояние до объекта измерения l = 6 м. Скорость распространения ультразвука в воздухе v = 330 м/с.

Время, за которое звуковой импульс дойдет до объекта:

t = l/v = 6/330 = 0,0181818 с 18,2 мс.

Исходя из времени, за которое звуковой импульс дойдет до объекта, зададимся длительностью испускаемых импульсов:

tu t×2.

Таким образом, tu = 50 мс.

Структурная схема, реализующая разновидность классического импульсного локатора, приведена на рис. 3.

Структурная схема измерительной системы

Рис. 3. Структурная схема измерительной системы:
1 — предварительный усилитель сигнала;
2 — основной усилитель;
3 — выпрямитель (диодный мост — BW990W);
4 — МК;
5 — устройство вывода (осциллограф);
6 — устройство сопряжения с ПК; 7 — ПК

Принцип работы ИИС заключается в следующем. Микроконтроллер с интервалом в 50 мс формирует запускающий импульс, который одновременно активирует формирователь пачки импульсов и счетчик времени. Формирователь пачки импульсов вырабатывает пачку импульсов частотой 40 кГц и длительностью 50 мс.

Излученный ультразвуковой сигнал, отразившись от препятствия, поступает на приемник. Фронт первого принятого импульса останавливает счетчик времени, а также формирует сигнал окончания цикла измерения. При поступлении этого сигнала МК считывает значение, накопившееся в счетчике. Делитель частоты формирует сигналы требуемых частот для схемы. В частности, на счетчик для подсчета времени подаются импульсы с периодом 50 мс. Таким образом, можно найти расстояние до объекта (L):

L = (vz×t)/2 (м),

где t — измеряемое время; vz — скорость распространения ультразвуковой волны в воздухе.

Для более точного измерения расстояния скорость ультразвука необходимо пересмотреть в соответствии с температурой. Скорость ультразвуковой волны может быть рассчитана по следующей формуле:

C(t) = 331√(1+t/273),

где t — температура в градусах Цельсия.

Теоретическое минимальное измеряемое расстояние составляет:

Lmin = (340×40×10–6)/2 = 0,0068 м = 6,8 мм.

Максимальное разрешение, с которым производится измерение расстояния, составляет:

L = (340×10–6)/2 = 0,00017 м = 0,17 мм.

На рис. 4 показана электрическая принципиальная схема УЗ-измерителя дальности.

Схема электрическая принципиальная УЗ-измерителя дальности

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная УЗ-измерителя дальности

За работу схемы отвечает МК PIC16F676, поскольку мощность принимаемых отраженных ультразвуковых импульсов недостаточна для подачи их непосредственно на вход МК. Для этого в схеме предусмотрен дополнительный предусилитель принятого сигнала, построенный на микросхеме LM324. Схему усилителя можно выполнить на одном операционном усилителе, но тогда добавятся нежелательные искажения и шумы.

Коэффициент усиления предварительного усилителя:

ky1 = 1+R6/R7 = 1+100/4,7 22,28.

Коэффициент усиления основного усилителя:

ky2 = 1+R9/R8 = 1+100/2,7 38,04.

Общий коэффициент усиления:

ky общ. = ky1×ky2 = 22,28×38,04 847,53.

Паразитное усиление сводится к единице с помощью емкостной обратной связи цепочкой R7C5 и R8C6, соединенной с нулевым уровнем («землей»):

RC5 = 4,7×103×680×10–12 = 3,196×10–6

RC6 = 2,7×103×680×10–12 = 1,836×10–6.

Поэтому уровень постоянной составляющей равен напряжению смещения. Таким образом удается избежать возникновения искажений из-за усиления напряжения смещения.

С1, С4 — фильтр по питанию.

Для того чтобы использовать усилитель эффективно, то есть получить с его выхода максимальный сигнал без ограничений, выходной сигнал должен быть смещен на середину выходного диапазона, или на уровень половины питающего напряжения. Наиболее популярная схема смещения — резистивный делитель напряжения питания.

Делитель R3, R5 питается напряжением ±5 В, а поскольку нужно выбрать среднюю точку относительно корпуса, то с этого делителя подается половина напряжения.

LM324 (контакты 2–4 и контакты 8–10) — повторитель с коэффициентом передачи, близким к единице.

В качестве устройства сопряжения с ПК было выбрано готовое устройство Arduino Uno. Это аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются плата ввода/вывода с собственным процессором и памятью, а также среда разработки на языке Processing/Wiring.

После аппаратной реализации програм-много комплекса (рис. 5) производилось определение расстояния до различных объектов и наблюдение результата на мониторе ПК и осциллографе. Все данные с датчика автоматически записывались в файл.

Общий вид ИИС

Рис. 5. Общий вид ИИС:
1 — кабель USB для подключения устройства к ПК;
2 — плата сопряжения с ПК Arduino Uno;
3 — ультразвуковой датчик и схема дальномера

В качестве препятствия использовались объекты с различными коэффициентами отражения ультразвука, например стекло, картон, ткань. Результаты экспериментов приведены на рис. 6, 7.

Выходной сигнал с устройства (расстояние до препятствия 228 см)

Рис. 6. Выходной сигнал с устройства (расстояние до препятствия 228 см)

Выходной сигнал с устройства (расстояние до препятствия 100 см)

Рис. 7. Выходной сигнал с устройства (расстояние до препятствия 100 см)

На рис. 8 приведен пример графика измерения расстояния до движущегося объекта (человека) с разной скоростью.

Измерение расстояния до движущегося объекта

Рис. 8. Измерение расстояния до движущегося объекта

Для обработки сигналов, устранения различных помех и шумов, которые затрудняют выделение полезного сигнала, был применен метод скользящего среднего. Наиболее распространенной формой сглаживания является линейное, то есть сглаживание с использованием многочлена первой степени.

В общем виде формула сглаживания для средней точки скользящей группы из m = 2р+1 имеет вид [1]:

Формула

При большом числе точек исходного ряда эту процедуру можно привести к рекуррентной, использующей каждый раз предыдущее значение сглаженного уровня:

Формула

Для сглаживания было выбрано оптимальное количество точек — 7. На рис. 9 показан график 8 после обработки сигнала. График дает достаточную информативность, качественный результат. Дальнейшее увеличение количества точек лишь приведет к потере информации.

График усреднения данных (по 7 точкам)

Рис. 9. График усреднения данных (по 7 точкам)

В итоге была разработана и собрана схема экспериментального образца ИИС, способная определить расстояние бесконтактным способом. Установлено, что, измеряя дальность до объекта с помощью ультразвуковых датчиков, можно контролировать положение объекта с высокой точностью, однако существует проблема, связанная с тем, что ультразвуковые датчики имеют ряд зависимостей от размера целей.

В дальнейшем планируется доработать и усовершенствовать данную ИИС, произвести экспериментальное исследование ультразвукового устройства для формирования признаков распознавания движущихся объектов.

Литература
  1. Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.
  2. Кроуфорд А. Э. Ультразвуковая техника. Пер. с англ. М., 1958.
  3. Балдев Р., Раджендран В., Паланичами П. Применения ультразвука. М.: Техносфера, 2006.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.