Обгрунтування, розробка і дослідження лазерного далекоміра для систем машинного зору роботівЗміст
ВступУ загальній частині роботи розглянуті методи і засоби для вимірювання відстаней, проаналізовані вимоги до систем машинного зору роботів, обраний метод вимірювань, проведено опис прототипу і сформульовані основні завдання роботи. У проектній частині розглянута узагальнена структура лазерного далекоміра. Проблемними моментами, які технічно важко реалізувати на практиці є забезпечення великого коефіцієнта посилення і труднощі детектування фази для відбитого сигналу високої частоти. Для подолання цих проблем пропонується здійснити пряме перетворення частоти вимірювального високочастотного сигналу з пониженням частоти до звукової частоти. Також пропонується структурна схема і сформульовані вимоги до окремих вузлів, запропоновані методи визначення фазового зсуву. Розроблюваний далекомір повинен вимірювати дальність фазовим методом. Перевага полягає в тому, що фазові лазерні далекоміри володіють більш високою точністю вимірювань, в порівнянні з імпульсними апаратами, і до того ж вартість їх виробництва, а відповідно і ціна, істотно нижче. В якості основи для вирішення даної задачі використовуються науково-технічна документація та звіт по виробничій практиці. Актуальність темиВ даний час актуальним є завдання вимірювання відстані в системах машинного зору роботів. У простих системах машинного зору роботів широко використовуються ультразвукові та інфрачервоні далекоміри. Однак, їх великим недоліком є низька просторовий дозвіл внаслідок широкої діаграми спрямованості випромінювачів. Даного недоліку позбавлені лазерні далекоміри. Як випромінювач вони використовують лазер, який забезпечує гранично вузьку діаграму спрямованості і високу точність визначення дистанції до предмета. Мета і завдання дослідженняМетою дослідження є обгрунтування, розробка і дослідження лазерного далекоміра для систем машинного зору роботів, що реалізований по фазового методу. Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені наступні завдання: обгрунтовано структуру далекоміра, виконано розрахунки та моделювання електричних вузлів далекоміра, проведені дослідження фазового детектора, виконані дослідження макетного зразка. Об’єкт дослідження: прилад для вимірювання відстані в системах машинного зору роботів. Предмет дослідження: лазерний далекомір для систем машинного зору роботів. Методи дослідження: аналіз і синтез, математичне та імітаційне моделювання, науковий експеримент. Наукова новизна отриманих результатів1. Запропоновано використовувати метод прямого перетворення частоти відбитого сигналу лазерного випромінювання для зниження частоти вимірювального сигналу з метою його подальшого посилення і детектування фаз. 2. Запропоновано використання сучасних DDS-генераторів з прямим цифровим синтезом частоти, які дозволяють оперативно змінювати робочу частоту випромінювання, необхідно для подолання нестачі фазового детектора, обумовленого неоднозначністю залежності вихідного сигналу від вимірюваної різниці фаз (від відстані). Практичне значення отриманих результатів: 1. Обгрунтовано структурну і функціональну схеми лазерного далекоміра для систем машинного зору роботів. 2. Запропоновано визначати фазовий зсув вимірювального сигналу безпосередньо за допомогою мікроконтролера, дозволяє спростити схему, виключити фільтр нижніх частот і АЦП, підвищити точність і забезпечити незалежність результату вимірювань від частоти тактових імпульсів. 3. Виконано розрахунок та моделювання електричних вузлів лазерного далекоміра. Результати моделювання добре підтверджують теорію. Основні розділи роботи пройшли апробацію на науковому семінарі За результатами роботи опубліковано 2 тези на науково-технічних конференціях. 1 . Вимоги, методи і завдання для розробки лазерного далекоміра1.1. Постановка вимог до лазерного далекоміруЛазерний далекомір повинен відповідати таким вимогам: 1. Діапазон вимірюваних відстаней від 0,3 м до 5 м. 2. Похибка вимірів не більше 1 см. 3. Потужність лазерного випромінювання не більше 5 мВт. 1.2. Вибір методу вимірюваньПринцип дії далекоміра фізичного типу полягає у вимірюванні часу, який витрачає посланий далекоміром сигнал для проходження відстані до об’єкту і назад. Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійної швидкістю дає можливість визначати дальність до об’єкта [1-7]. Існує кілька методів вимірювання дальності: 1. Метод тріангуляції. 2. Частотний. 3. Імпульсний метод. 4. Фазовий метод.
Розроблюваний лазерний далекомір пропонується виконати але основі фазового методу. Фазовий метод вимірювання відстаней заснований на визначенні різниці фаз посилаються і прийнятих модульованих сигналів. Режим роботи пристрою залежить від його температури, із зміною якої незначно змінюється фаза сигналу. Внаслідок цього точний початок відліку фази визначити не можна. З цією метою фазові вимірювання повторюються на еталонному відрізку (калібрувальної лінії) всередині приладу. Головна перевага фазового методу вимірювання – більш висока точність, яка може досягати одиниць міліметрів [2]. 1.3. Проблеми реалізації та шляхи їх подоланняТруднощі реалізації обраного методу вимірювань полягають в тому, що на високих частотах (мегагерци) технічно складно забезпечити велике посилення відбитого сигналу і подальше детектування фази. Для їх подолання запропоновано приймальний пристрій відбитого оптичного сигналу виконати за схемою прямого перетворення з пониженням частоти вимірювального і опорного сигналів до звукової в 1 кГц. При цьому інформація про різниці фаз сигналів зберігається [6]. 1.4. ВисновкиТаким чином, в даному розділі були поставлені вимоги до лазерного далекоміру, був обраний метод, який взятий за основу для розробки лазерного далекоміра, а також запропоновано шляхи подолання проблем реалізації. 2. Обгрунтування структури далекоміраРозглянемо узагальнену структурну схему лазерного далекоміра, що реалізує фазовий метод вимірювання відстані (рис. 2.1). 
Рисунок 2.1 – Узагальнена структурна схема лазерного далекоміра де Laser – лазерний світлодіод, Photodiode – фотодіод, Phase detector – фазовий детектор, Generator – високочастотний генератор з прямим цифровим синтезом часітоти. Суть методу полягає в тому, що до об’єкта надсилається модульований лазерний промінь, який потім відбивається від його поверхні і повертається назад. Приймальний пристрій обробляє отриманий сигнал і по різниці фаз вихідного і прийнятого сигналу визначає відстань до об’єкта. Труднощі реалізації даного методу вимірювань полягають в тому, що на високій частоті технічно складно забезпечити велике посилення відбитого сигналу і подальше детектування фази. Для їх подолання запропоновано приймальний пристрій відображення сигналу виконати за схемою прямого перетворення [6] з пониженням частоти вимірювального і опорного сигналів до звукової в 1 кГц. При цьому інформація про різниці фаз сигналів зберігається. На рисунку 2.2 представлена функціональна схема схема розробляється далекоміра. 
Рисунок 2.2 – Функціональна схема лазерного далекоміра Для генерації сигналів використовуються два високоточних генератора з прямим цифровим синтезом частоти (DDS) [3]. Основне посилення вимірювального сигналу забезпечує низькочастотний електронний підсилювач з коефіцієнтом посилення по напрузі KU = 104. 3. Розрахунок і моделювання електричних вузлів приладу3.1. Розрахунок і моделювання селективного підсилювачаУ запропонованій схемі далекоміра основне посилення відбитого вимірювального сигналу відбувається на низьких частотах після частотного змішувача. Для того, щоб забезпечити коефіцієнт посилення по напрузі KU = 104 і зменшити рівень шумів на частоті 1 кГц було вирішено скористатися схемою Т-образного моста [4]. На рисунку 3.1 приведена схема двокаскадного селективного підсилювача. Розрахуємо параметри Т-образного моста. Так як необхідно отримати коефіцієнт посилення по напрузі KU = 104, пропонується використовувати схему, яка складається з двох каскадів. Так як коефіцієнт посилення по напрузі всієї схеми буде визначатися добутком коефіцієнтів підсилення по напрузі каскадів, що входять в схему, то встановимо коефіцієнт підсилення кожного каскаду KU = 100. 
Рисунок 3.1 – Схема селективного підсилювача Відомо, що: 
Можемо знайти: 
Нехай С=C6=C7=100 нФ, тогда: 
Для опору і ємностей моста справедливі співвідношення: 
Приймаються номінали резисторів R7=R8=1.6 кОм. Для моделювання схеми підсилювача (див. рис. 3.2) використовується ППП Electronics Workbench. У процесі моделювання необхідно перевірити правильність розрахунків і в результаті отримувати підсилювач, який забезпечив би коефіцієнт посилення по напрузі KU = 104. Для забезпечення необхідного коефіцієнта посилення по напрузі, схема підсилювача складається з двох каскадів. Спочатку виконаємо моделювання одного каскаду. Схему змодельованого каскаду наведена на рисунку 3.2. 
Рисунок 3.2 – Схема першого каскаду змодельованого в ППП Electronics Workbench Даний каскад повинен забезпечити коефіцієнт посилення по напрузі KU = 100. Побудуємо частотні характеристики каскаду підсилювача, і оцінимо його роботу. На рисунку 3.3 приведена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) каскаду підсилювача, отримана в результаті моделювання . 
Рисунок 3.3 – Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) першого каскаду підсилювача З рисунка 3.3 видно, що на частоті 1кГц даний каскад забезпечує коефіцієнт посилення по напрузі Ku = 108. Як ми бачимо похибка даної моделі не перевищує 10 % і відповідає вимогам. Виконаємо моделювання схеми другого каскаду і оцінимо його роботу. На рисунку 3.4 приведена схема другого каскаду підсилювача, яку змодельоване за допомогою ППП Electronics Workbench. 
Рисунок 3.4 – Схема другого каскаду змодельованого в ППП Electronics Workbench Дана схема на частоті 1 кГц повинна забезпечити коефіцієнт посилення по напрузі KU = 100. Побудуємо частотні характеристики каскаду, і оцінимо його роботу. На рисунку 3.5 приведена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) каскаду підсилювача, отриманої в результаті моделювання. 
Рисунок 3.5 – Амплітудно-частотна характеристика ( АЧХ ) другого каскаду підсилювача З рисунка 3.5 видно, що на частоті 1кГц даний каскад забезпечує коефіцієнт посилення по напрузі K U = 104. Як ми бачимо похибка даної моделі не перевищує 10 % і відповідає вимогам. Виконаємо моделювання повної схеми і оцінимо роботу підсилювача. На рисунку 3.6 приведена повна схема підсилювача, яку змодельований за допомогою ППП Electronics Workbench. 
Рисунок 3.6 – Повна схема підсилювача Дана схема повинна забезпечити коефіцієнт посилення по напрузі KU = 104. Побудуємо частотні характеристики підсилювача, і оцінимо його роботу. На рисунку 3.7 наведені амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) підсилювача, отриманої в результаті моделювання. 
Рисунок 3.7 – Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) повної схеми підсилювача З рисунка 3.7 видно, що на частоті 1 кГц даний каскад забезпечує коефіцієнт посилення по напрузі Ku = 1.2*104. Як ми бачимо похибка даної моделі не перевищує 10 % і відповідає вимогам [5]. 3.2. Моделювання змішувача частотиОскільки вимір різниці фаз безпосередньо на великій частоті модуляції технічно незручно, використовується попереднє зниження частоти сигналів в область звукових частот. При цьому інформація про різниці фаз сигналів зберігається. Використовувана схема пониження частоти наведена на рисунку 3.8. 
Рисунок 3.8 – Схема пониження частоти де Mixer – змішувач, Heterodyne – гетеродин, Low-pass filter – фільтр низьких частот. Нехай, наприклад, вхідний сигнал і сигнал з гетеродина мають вигляд: 
Тоді на виході змішувача вийде сигнал, пропорційний вирази: 
Таким чином, сигнал на виході змішувача являє собою суму гармонійних сигналів з частотами, рівними різниці частот f-f0 і сумі частот f+f0. При цьому інформація про різниці фаз зберігається і у вихідному сигналі. За допомогою низькочастотного фільтра, підключеного до виходу змішувача, виділяється складова з різницевої частотою f-f0, а інші складові вихідного сигналу змішувача придушуються. Різницеву частоту прийнято також називати проміжною частотою. В експериментальній установці частота гетеродина обрана такою, щоб різницева частота лежала в діапазоні звукових частот (порядку сотень герц – одиниць кілогерц). Операція пониження частоти здійснюється як з сигналом, що йде від фотоприймача, так і з опорним сигналом. Виконаємо моделювання схеми змішувача, наведеної на рисунку 3.9, оцінимо його роботу, а також переконаємося, що при зниженні частоти інформація про різницю фаз зберігається. 
Рисунок 3.9 – Принципова схема для дослідження роботи змішувача На рисунку 3.10 наведені осцилограми сигналів при частоті 1 МГц. 
Рисунок 3.10 – Осцилограма при частоті 1 МГц Знизимо частоту до 1 кГц і отримаємо осцилограму сигналів, наведеної на рисунку 3.11. 
Рисунок 3.11 – Осцилограма при частоті 1 кГц Рисунки 3.10 і 3.11 підтверджують, що при зниженні частоти вимірювального і опорного сигналів до звукової частоти в 1 кГц інформація про різницю фаз зберігається. Визначимо як залежить рівень вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродина для схеми, наведеної на рисунку 3.12. 
Рисунок 3.12 – Схема для визначення залежності рівня вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродина Побудуємо графічну залежність, наведена на рисунку 3.13. 
Рисунок 3.13 – Залежність рівня вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродина Дослідження показало, що рівень вихідного сигналу змішувача збільшується при зменшенні рівня сигналу на гетеродині. Визначимо як залежить рівень вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродина для схеми, наведеної на рисунку 3.14. 
Рисунок 3.14 – Схема для визначення залежності рівня вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродинного Побудуємо графічну залежність (див. рис. 3.15.) 
Рисунок 3.15 – Залежність рівня вихідного сигналу змішувача від рівня сигналу гетеродина Дослідження показало, що рівень сигналу на виході змішувача практично не змінюється при зміні рівня сигналу гетеродина, на відміну від схеми, наведеної на рисунку 3.12. 4. Дослідження фазового детектораРозглянемо схему фазового детектора, наведену на рисунку 4.1. Фазовий детектор зібраний на логічному елементі DD1 (виключає або) і RC-фільтрі нижніх частот першого порядку. 
Рисунок 4.1 – Функціональна схема фазового детектора На вхід фазового детектора надходить вимірювальний і опорний сигнали. На виході DD1 формуються імпульси, тривалість яких пропорційна фазовому зрушенню вхідних сигналів (див.рис. 4.2). 
Рисунок 4.2 – Осцилограми сигналів в контрольних точках RC-фільтр придушує змінні складові і виділяє корисний сигнал у вигляді постійного рівня [10]. На рисунку 4.3 наведена залежність рівня сигналу на виході фазового детектора від вимірюваного відстані (фазового зсуву) при частоті модуляції сигналу F=15 МГц. 
Рисунок 4.3 – Залежність рівня сигналу на вході фазового детектора від виміряного відстані З рисунка видно, що дана залежність носить періодичний характер. При цьому, виникає складність розшифровки показань через неоднозначність. Наприклад, згідно рисунка 4.3, вихідний сигнал з рівнем U = Umax/2 буде відповідати відстаням в 2.5 м , 7.5 м , 12.5 м і так далі [8]. Найбільш ефективним способом подолання даного недоліку є виконання додаткового виміру при меншій частоті модуляції. Якщо при цьому рівень сигналу на виході фазового детектора зменшиться пропорційно частоті, то це означає, що відстань до об’єкта не перевищує граничних 5 метрів, інакше результат перебуває за межами діапазону вимірювань і буде виключений. Розглянемо спосіб вимірювання різниці фаз безпосередньо мікроконтролером без використання АЦП і ФНЧ. Спосіб заснований на вимірюванні за допомогою мікроконтролера тривалості імпульсів на вході DD1, періоду T з подальшим розрахунком різниці фаз за формулою: 
Для вимірювань t і T використовується інтегрований в мікроконтролер таймер. Так як тут використовується відношення (t/T), то будь-які зміни частоти тактових імпульсів не впливатимуть на точність вимірювань. Розглянемо блок-схему алгоритму визначення різниці фаз запропонованим вище способом (див. рис. 4.4). 
Рисунок 4.4 – Блок-схема алгоритму визначення фази за допомогою мікрокнтролера На систему визначення фази подається два сигналу. У момент проходження одного сигналу через нуль включається таймер. У цей інтервал часу таймер починає вважати такти генератора імпульсів. Коли другий сигнал досягне нульового значення – в таймері буде зберігатися число, відповідне різниці фаз еталонного й вимірюваного сигналів, і відбудеться скидання таймера. Це число використовується для розрахунку різниці фаз. При використанні AVR МК з тактовою частотою 16 МГц дозвіл при вимірюванні часових інтервалів становить 62,5 нс, що дозволяє в 16 разів збільшити точність вимірювань відносно першого способу з АЦП [9]. ВисновокОсновні наукові висновки і результати роботи полягають у наступному: 1. Виконано аналіз методів вимірювання відстані. Розглянуто переваги та недоліки кожного з методів. Аналіз показав, що найбільш підходящим методом для розробки лазерного далекоміра є фазовий метод. 2. Сформульовано основні технічні вимоги до лазерного далекоміра. 3. У процесі виконання проектної частини були розглянуті узагальнену структурну схему лазерного далекоміра, а також були виділені проблеми, які технічно важко реалізувати – це забезпечення більшого коефіцієнта посилення і труднощі детектування фази для відбитого сигналу високої частоти. Для подолання цих проблем був використаний метод прямого перетворення частоти вимірювального високочастотного сигналу з пониженням до звукової частоти. Інформація про різницю фаз при цьому збереглася. Також була розроблена уточнена структурна схема і сформульовані вимоги до окремих структурних вузлів. Генераторів з прямим цифровим синтезом частоти дозволяє оперативно змінювати частоту модулюючого випромінювання, необхідно для подолання нестачі фазового детектора, обумовленого неоднозначністю залежності вихідного сигналу від вимірюваної різниці фаз. 4. Виконано розрахунок та моделювання селективного підсилювача лазерного далекоміра. Результати моделювання добре підтверджують теорію. 5. Визначення фазового зсуву між опорним і вимірювальним відбитим сигналами пропонується виконувати напрямки мікроконтролером, що дозволяє виключити фільтр нижніх частот і АЦП, підвищити точність і забезпечити незалежність результату вимірювань від частоти тактових імпульсів. При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року.
|
