ПОСТРОЕНИЕ УЧЕБНОЙ ЭХОЛОКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ

Варзар Р. Л., Хоруженко А. С.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Современные проблемы математики и ее приложения в естественных науках и информационных технологиях / Сборник материалов международной научно конференции для студентов и аспирантов. - Харьков, ХНУ им. В. Н. Каразина - 2007, с. 23.

В этой работе рассматриваются основные принципы эхолокации и построение эхолокационной системы на основе обыкновенного домашнего персонального компьютера. Основной целью является рассмотрение эхолокационных методов исследования объектов и реализации их на ЭВМ.

Минимальные требования к аппаратному обеспечению компьютера.

В состав ЭВМ должна входить звуковая плата, имеющая двухканальный аналоговый аудиовыход и одноканальный аналоговый аудиовход и поддерживать функцию одновременного воспроизведения и записи аудиоданных, т. е. она должна работать в двунаправленном полнодуплексном режиме; звуковые стереоколонки; микрофон.

Требования к программному обеспечению компьютера.

На компьютере должна быть установлена операционная система Windows с версией не ниже 95-й, драйвера, поддерживающие работу со звуковой картой и само программное обеспечение для проведения опытов по эхолокации.

Устройство эхолокатора и принцип его работы.

Эхолокатор – это устройство, позволяющее определить расстояние до какого-либо объекта, его положение в пространстве, используя свойство звуковых волн распространяться с определенной скоростью в среде и свойство отражения.

Принцип эхолокации заключается в следующем. Генератор вырабатывает постоянный сигнал определенной частоты, прерыватель делит его на отдельные импульсы, которые с помощью звукового излучателя в виде звуковой волны посылаются в пространство. Когда эти звуковые импульсы встречают на своем пути препятствие, то они отражаются, возвращаются обратно и попадают в приемник (микрофон). Измеряя время с начала посылки импульса и до момента приема, можно определить расстояние до препятствия по следующей формуле:

,

где V₀ – скорость звука в воздухе (340,2 м/сек на нулевой высоте, температуре 288К и давлении 760 мм. рт. ст.), t – время, прошедшее с момента посылки импульса до и его регистрации в приемнике. Деление на 2 производится потому, что время прохождения импульса равно суммарному времени движения импульса до препятствия и обратно. А нам нужно только расстояние до препятствия.

Реализация “эхолокатора” на персональной ЭВМ.

С помощью компьютера реализовать процесс эхолокацию намного проще, чем использовать сложное оборудование. Алгоритм работы эхолокатора на основе компьютера действует следующим образом:

• Заранее создается в любом аудиредакторе звуковой файл, в который помещается звук передаваемого импульса.
• Содержимое файла записывается в буфер передачи звуковой карты компьютера.
• Буфер приема данных очищается (заполняется, например, нулями).
• После вышеперечисленных операций звуковая карта запускается для обработки данных в полнодуплескном режиме, т. е. одновременно будет происходить и запись, и воспроизведение данных.
• По окончании этих процессов анализируется принятая информация и определяется величина сдвига принятого импульса от начала записи.
• По этой величине, зная частоту дискретизации звуковой карты, рассчитывается время прохождения импульса от колонок до микрофона и вычисляется расстояние между ними.

Для реализации этого алгоритма автором был создан ряд программ. Пока они не позволяют определять расстояние до препятствия, но могут определить расстояние между микрофоном и колонками с точностью до сантиметра, а также определить относительные координаты микрофона в пространстве. Координаты микрофона определяются методом треугольника. Для его реализации достаточно определить расстояние сначала до одной колонки, а потом до второй от микрофона.

Основные недостатки системы:

1. Незащищенность от помех.
2. Некоторая зависимость от аппаратного обеспечения ЭВМ: форма и размеры мембран динамиков, диапазон частот микрофона, особенности устройства звуковой карты влияют на качество определения импульса и точность измерений.
3. Ограниченный диапазон частот колонок и микрофона не позволяет сформировать и распознать импульс качественно в ультразвуковом диапазоне, поэтому пока программы формируют импульсы в виде громких низкочастотных щелчков.

Основные преимущества системы:

1. Не нужно использовать никакой дорогостоящей дополнительной аппаратуры. Все компоненты системы можно приобрести в компьютерном магазине.
2. Универсальность использования, т. е. программу можно запустить на любом домашнем или офисном компьютере, отвечающим описанным выше требованиям к аппаратному и программному обеспечению.
3. Простота использования – не требуется сложной настройки, достаточно подбора чувствительности микрофона и громкости аудиосистемы.
4. Не требуется инсталляция дополнительного ПО. Разработанные автором программы занимают достаточно мало места на диске и совместимы практически со всеми версиями операционной системы Windows.

Цели применения эхолокационной системы:

1. Применение в учебных целях для изучения принципов эхолокации и работы радаров и эхолокаторов.
2. Применение в научно-исследовательских целях для изучения движения и поведения разного рода объектов и механизмов.
3. Использование данной системы как детектора движения и в качестве сигнализации.
4. Разработка систем искусственного интеллекта, например роботов, например система определения расстояния до препятствия.

Литература

1. Короткова М. А. Изготовление ультразвукового эхолокатора и его использование для проведения демонстрационных экспериментов по физике.
2. Кинтцель Тим. Программирование звука на ПК = A programmer’s Guide to Sound: Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2005.
3. www.inventors.ru/index.asp?mode=3284 (10.02.2007)
4. www.vb.kiev.ua/ref/w32api/showdoc.php?f=waveoutopen (15.01.2007)