Ультрозвуковой высотомер для стабилизации полёта квадрокоптера

Аннотация

В.В. Перебейнос, Д.Н. Кузнецов - Ультрозвуковой высотомер для стабилизации полёта квадрокоптера В статье рассмотрены конструкция, схемотехника и принцип работы импульсного термоанемометра на термопаре. Выполнены исследования разработанного термоанемометра с целью его градуировки и определения основных метрологических характеристик.

Актуальность.

Новым течением в современном авиамоделизме является построение мультикоптеров – беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с четным количеством роторов, вращающимися диагонально в противоположных направлениях. В случае, когда двигателей четыре, такой БПЛА называется – квадрокоптер. Важным элементом стабилизации полёта квадрокоптера является высотомер, необходимый для удержания необходимой высоты и безопасной посадки в автоматическом режиме. Ультразвуковые высотомеры рационально использовать на относительно малых высотах (до 4 метров). Высокой точности от такой системы не требуется, приемлемой является погрешность в 1 сантиметр. Квадрокоптер весьма динамичная система, что обуславливает высокие требования к быстродействию. Время измерения не должно превышать 0.1 секунды.

Разработка высотомера.

В качестве отправной точки при разработке использована публикация [1] с описанием самодельного ультразвукового дальномера. Целью работы является доработка и улучшение базовой конструкции. Ниже рассмотрен улучшенный алгоритм обработки измерительного сигнала высотомера, обеспечивающий существенное повышение точности измерений.

В высотомере реализован времяпролетный метод, основанный на измерении времени прохода акустических колебаний от измерителя до объекта и обратно [2]. Устройство работает по следующему обобщенному алгоритму:

1. Передающая часть формирует и излучает пакет импульсов ультразвуковой частоты (частота зависит от модели излучателя и приемника).
2. Приемная часть принимает и усиливает отраженный сигнал.
3. Схема обработки фиксирует максимум полученного сигнала. Время между отправкой импульсов и возвращением максимума будет пропорционально расстоянию.

Функциональная схема высотомера представлена на рисунке 1. Микроконтроллер (МК) с помощью таймера формирует пакет из 8 импульсов (оптимальное количество установлено экспериментально) частотой 38 кГц. Слабый отраженный сигнал усиливается электронным усилителем. Коэффициент усиления усилителя по напряжению подобран опытным путем и равен 400. При меньших значениях коэффициента падает максимальное измеряемое расстояние до объекта, при больших – усилитель входит в ограничение на малых дистанциях до объекта. Усиленный измерительный сигнал детектируется и с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в дискретный массив цифровых значений, расположенный в памяти МК. В завершении цикла измерений МК находит максимальный элемент массива и по его индексу рассчитывает дистанцию до объекта.

Рисунок 1 – Функциональная схема высотомера

Разрешающая способность высотомера определяется как отношение предела измерений к числу ячеек измерительного массива. Таким образом, для обеспечения разрешения в 1 см при пределе в 4 м объем ОЗУ должен быть не менее 400 байт. При этом время преобразования АЦП не должно превышать 62 мкс (25 мс/400).

При создании опытного образца высотомера был использован доступный и недорогой микроконтроллер ATmega8 (ценой в $1), содержащий АЦП с минимальным временем преобразования 15 мкс и объемом ОЗУ 1024 байта, что позволило обеспечить разрешающую способность на уровне 0,4 см.

Выводы

1. Разработанный высотомер соответствует поставленным требованиям и обеспечивает в диапазоне измерений от 0,3 до 4 метров разрешение 0,4 см при быстродействии 40 измерений в секунду.
2. Поскольку в основе работы устройства используется звук, высотомер плохо подходит для определения расстояния до звукопоглощающих объектов.

Список использованной литературы

1. Ampersant [Электронный ресурс]: Ультразвуковой дальномер – Электронные данные. – Режим доступа:http://www.ampersant.ru/ultra/Дата доступа: апрель 2013. – Загл. с экрана.
2. Разработка ультразвукового измерителя дальности / А.В. Бурдуков // Дипломный проект Государственный университет аэрокосмического приборостроения. – 2010. – С. 17 – 22.