|Библиотека| |Следующая статья

УДК 621.317

 

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ПРЕПЯТСТВИЙ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

 

Франчук Д.С., магистрант; Лыков А.Г., ст. пр.

(ГОУ ВПО  «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР)

 

Для автономного перемещения объекта необходимо наличие продвинутой системы ориентации, которая позволяет ему планировать свои действия по перемещению в пространстве, просчитывать оптимальный маршрут движения, собирать и использовать информацию об окружающих местность препятствиях, что в конечном итоге, позволит ему выполнять полезную функциональную нагрузку. Для реализации данных действий необходимо снабдить объект электронным устройством измерения расстояния до препятствий, рассчитанном на диапазон измерения от 0.02 м до 4 м.

На данный момент на отечественном рынке специального оборудования можно приобрести различные виды датчиков измерения расстояния. Наиболее оптимальным вариантом для использования в разрабатываемом электронном устройстве является ультразвуковой датчик HC-SR04, имеющий небольшие габариты и простой интерфейс.

Расчет расстояния (S) до препятствия в ультразвуковом датчике HC-SR04 производится по формуле [1]:

 

 

где F – изменяющаяся продолжительность импульса;

       k – заведомо запрограммированная константа, которая вычислена исходя из номинальной скорости звука ( ) при температуре Т ≈ 0 ºС: k = 58.

Из графика зависимости скорости распространения звуковой волны в воздухе от температуры , можно сделать вывод, что скорость звука изменяется при отклонениях температуры окружающей среды от номинальной.

 

Соответственно при изменении температурных условий определение расстояния по выражению 1 будет производиться с определенной погрешностью. Для того, чтобы оценить вносимую в результат измерения погрешность, в выражение 1 введем добавочный коэффициент по температуре окружающей среды (далее температурный коэффициент):

 

где Smin(tmax)=Fmin∙21+(tmax+273)27358=116∙(21+(50+273)273)58=1.83см;

 

 

 

− при максимальном расстоянии:

 

 

 

Построим график зависимости измеренного расстояния до объекта от длины импульса и температуры окружающей среды.

 

 

По полученным значениям рассчитаем вносимую в результат измерения расстояния абсолютную и относительную погрешности (см. табл. 1).

 

Таблица 1 – Расчет погрешности измерения расстояния по температуре

 

Исходя из результатов таблицы 1 можно сделать вывод, что наибольшая погрешность определения расстояния наблюдается при максимальной температуре. В проведенных расчетах максимальный порог температуры устанавливается на уровне +50ºС, однако при работе датчика на открытой местности, температура может подниматься и выше.

Для корректировки результата измерения расстояния по температуре окружающей среды введем коэффициент обратный температурному:

 

 

Таким образом, формула для измерения расстояния до объекта с учетом коррекции по температуре принимает вид:

 

 

На основании представленных выше положений разработана структурная электронного устройства измерения расстояния до препятствий подвижных объектов.

 

Вся работа устройства начинается с микроконтроллера, который обладает определенным количеством портов ввода-вывода данных, где хотя бы один из них является входом для внешнего прерывания. Помимо прямого назначения в схеме электронного устройства измерения расстояния, он может так же использоваться как контроллер всей робототехнической платформы при необходимости. В таком случае выбирается микроконтроллер, удовлетворяющий заданным характеристикам для остальных устройств платформы. В разрабатываемом электронном устройстве его основное назначение – это запуск, отсчет времени и окончание измерения. Для запуска микроконтроллер выдает команду для начала излучения пакета ультразвуковых импульсов с частотой 40 кГц и одновременно с этим включает таймер, ожидая прихода на один из своих портов логической единицы от приемной части устройства. С выхода микроконтроллера сигнал поступает на усилитель, который поднимает уровень сигнала на ультразвуковой излучатель для более мощного звукового излучения. После этого ультразвуковые волны поступают в воздушное пространство, где начинают распространяться как свойственно всем звуковым волнам в упругой среде. За счет хороших свойств распространения ультразвука в воздухе, сигнал на малых расстояниях, в нашем случае до 4-х метров, можно считать мало затухающим. А именно, при прохождении ультразвуковой волны с частотой 40 кГц расстояния в несколько метров, ослабление амплитуды звукового приемника от максимального значения составляет порядка (15-20) мВ, что дает возможность измерить данный сигнал без больших коэффициентов усиления в измерительном канале схемы. После отражения от препятствия ультразвуковая волна начинает распространяться в противоположную сторону, то есть в сторону ультразвукового приемника. Приемник ожидает ультразвуковой сигнал, входящий в его полосу пропускания. Поскольку сигнал с выхода приемника довольно мал по уровню для дальнейшей обработки, он усиливается первым усилителем. После первого этапа усиления в работу вступает узкополосный фильтр, настроенный на несущую частоту 40 кГц с узкой полосой пропускания, составляющей несколько сотен Герц. Фильтр выделяет полезную составляющую и подавляет остальные частоты спектра принятого сигнала. После проделанных операций на выходе фильтра мы имеем сигнал с частотой 40кГц и амплитудой порядка нескольких десятых Вольт. Далее в работу вступает второй усилитель, который поднимает амплитуду принятого сигнала до уровня срабатывания компаратора – порядка нескольких Вольт. Компаратор является заключительным элементом перед возвращением сигнала в микроконтроллер, на вход внешнего прерывания. Он сравнивает принятый полезный сигнал с опорным и при выполнении условия превосходства полезного сигнала, выдает логическую единицу на микроконтроллер, который в свою очередь обрабатывает данное прерывание и останавливает таймер-счетчик. Таким образом, микроконтроллер определяет время распространения ультразвуковой волны от излучателя до препятствия и обратно к приемнику (величина F в выражении 6).

Для учета зависимости скорости распространения звука в воздухе от температуры окружающей среды в структурную схему устройства введен измерительный канал температуры, который состоит из датчика температуры, измерительного моста, усилителя, который приводит уровень принятого сигнал ко входному формату аналого-цифрового преобразователя. Абсолютная погрешность измерения температуры в данном случае будет составлять до 1 °С.

На основании измеренных значения продолжительности импульса F и температуры окружающей среды t микроконтроллер, в соответствии с выражением 6, рассчитывает истинное расстояние до препятствий на пути следования подвижного объекта.

Полученное значения расстояния может выводиться на индикацию и использоваться в качестве управляющего сигнала для блока согласования с исполнительным механизмом, который приводит в действие или изменяет состояние силовых агрегатов платформы подвижного объекта.

 

Перечень ссылок

1. Академия роботехники [Электронный ресурс]: Ультразвуковые датчики. – Электронные данные. – Режим доступа: https://mirrobo.ru/micro/ultrazvukovye-datchiki – Дата доступа: март 2017. – Загл. с экрана.