Ультразвуковые датчики

Используемые в роботах ультразвуковые датчики применяются, как правило, для обнаружения препятствий. Они могут использоваться и в дальномерных системах (измеряющих расстояние между объектом и препятствием), а также для определения угла между излучателем и приемником. В данном разделе речь пойдет в основном о способах использования ультразвуковых датчиков для дальномерно-измерительных систем.

Принцип работы ультразвуковых дальномерных сенсоров

Ультразвуковые волны распространяются в воздухе подобно свету и радиоволнам, но со значительно более низкой скоростью; при этом, подобно радиоволнам, они имеют существенно меньшую направленность, чем свет. Принцип действия ультразвуковых дальномерных приборов основан на определении расстояния до цели путем измерения времени, затрачиваемого на его прохождение ультразвуковым сигналом, и пересчета его на расстояние при известной скорости распространения ультразвука в воздухе. При использовании ультразвуковых датчиков на роботе расстояние между излучателем и приемником сравнительно мало и акустическая волна, отраженная от цели, улавливается приемником в виде эхо-сигнала. Зная время распространения сигнала (до цели и обратно), нетрудно определить расстояние до цели. Скорость распространения ультразвука в воздухе приблизительно равна 344 м/с при 20°С (так же как и звука); следовательно, время T, необходимое для распространения сигнала до цели х (см) и обратно, составит

На рис. 5.56 иллюстрируется принцип определения расстояния ультразвуковым дальномером для автоматической фокусировки фототелевизионных камер фирмы Polaroud. Для излучателя и приемника использован один и тот же преобразователь- датчик. На рис. 5.56, б приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы прибора. Пусковой сигнал ON определяет момент излучения ультразвукового сигнала. Излучается 56 импульсных сигналов на одной из четырех несущих частотах: 60, 57, 53, 50 кГц. Использование четырех несущих частот для работы прибора вызвано различной степенью отражения ультразвукового сигнала от объектов (различной формы и материала) и, как следствие, неустойчивым приемом отраженных эхо-сигналов. Отраженная от объекта волна (штриховые линии на рис. 5.56, а) вызывает вибрацию мембраны датчика-преобразователя, инициируя в нем слабый электрический ток, подобно тому как это происходит в микрофоне. После усиления аналоговой схемой и выделения огибающей принятого сигнала подсчитывается число импульсов таймера, накопленных за отрезок времени до прихода первого эхо-сигнала, и по ним определяется время.

Рис. 5.56. Структура и временное диаграммы работы дальномера камеры с автоматической фокусировкой (фирма Polaroid). а - структурная схема дальномера; б - временные диаграммы работы дальномера

На рис. 5.57, а приведена блок-схема ультразвукового дальномера при разнесенных излучателе и приемнике, а на рис. 5.57, а - соответствующие временные диаграммы. Нетрудно видеть, что в обоих случаях принцип работы один и тот же. Форма излучаемого сигнала зависит от характеристик излучателя. Серийно выпускаемые излучатели общего применения (рис. 5.57, б) характеризуются довольно затянутым передним фронтом этого сигнала. В результате пороговая схема дает существенные расхождения в определении момента прихода эхо-сигнала после его усиления и детектирования (выделения огибающей).

Рис. 5.57. Структурная схема ультразвукового дальномера (а) и соответствующие временное диаграммы (б)

Улучшение характеристик ультразвукового дальномерного датчика

Использование ультразвука в дальномерных приборах позволяет получить сравнительно высокую точность измерений, которая обычно соизмерима с длиной волны ультразвукового сигнала. Так, при частоте 40 кГц погрешность определения дальности до объекта составляет 8,6 мм. Скорость распространения ультразвуковых волн в воздушной среде зависит от температуры воздуха (на 0,6 м/с при изменении температуры на 1°С), поэтому даже колебания температуры воздуха становятся источником возникновения заметных ошибок измерений. Одной из причин ошибок измерений является неидеальность формы диаграммы направленности, которая обычно имеет боковые лепестки (рис. 5.58), что приводит к образованию побочных изображений одного объекта.

Рис. 5.58. Диаграмма направленности ультразвукового излучателя

Характеристики эхо-сигнала существенным образом зависят от формы поверхности объекта отражения. В случае когда отражающая ультразвуковой сигнал поверхность имеет идеально диффузионные характеристики, при любом угле падения луча на эту поверхность существует возможность принять эхо-сигнал. Однако обычно имеет место зеркальное отражение ультразвука от поверхности объекта, что усложняет определение расстояния до наклонных поверхностей и стен. Наиболее сильный прием эхо-сигнала наблюдается при отражении от выступающих участков поверхности объекта. Характеристики эхо-сигнала зависят также от свойств материала объекта: хорошо отражают сигнал твердые предметы, а от звукопоглощающих материалов, таких, как ткань или губка, эхо-сигнал практически не образуется.

В случае ультразвуковых дальномеров, работающих по рассмотренному выше принципу, важной проблемой является обеспечение требуемой точности измерений. Для определения положения объекта необходимо разворачивать излучатель и приемник ультразвуковых волн подобно тому, как это делается в радиолокаторах, при этом неидеальность диаграммы направленности излучателя и колебания скорости распространения ультразвуковых волн заметно снижают точность определения положения объекта.

Для разрешения этих проблем был предложен другой принцип работы ультразвукового дальномера, суть которого сводится к следующему. Приемники эхо-сигнала располагаются симметрично по обе стороны одиночного ультразвукового излучателя (рис. 5.59). Осреднение информации о местоположении объекта, получаемой от каждого приемника, позволяет повысить достоверность и точность определения положения объекта. При поступлении на приемник R_m отраженной от объекта волны, излученной передатчиком Т (расположенным в центре линейной антенной решетки), из разности временных интервалов можно определить r₀ + r_m. Для двух произвольных приемников R_m, R_n этой решетки, где r₀ - расстояние от Т до объекта, а Х₀, Y₀ - координаты местоположения объекта, эти значения определяются из следующих выражений:

Здесь с - скорость звука, d - расстояние между датчиками и приемниками; t - время распространения сигнала до цели и обратно.

Рис. 5.59. Способ определения положения объекта с повышенной точностью с помощью линейной матрицы ультразвуковых приемников. Т - излучатель; R - приемник

Аналогичные вычисления могут быть проведены для любых двух приемников из имеющегося набора в решетке. Путем осреднения результатов таких вычислений для различных сочетаний m, n достигается значительное повышение надежности и точности измерения. Согласно одному из способов осреднения, в качестве весового коэффициента была выбрана интенсивность приема. По методу триангуляции точность измерения будет тем выше, чем больше расстояние между приемниками, поэтому предлагались также способы осреднения, в которых весовым коэффициентом было расстояние между приемниками. Предлагалось также повысить точность путем сочетания этих двух способов. Например, пусть I_m, I_n - уровни эхо-сигналов, принимаемых приемниками R_m, R_n и I_mn = I_m × I_n. Тогда для весового коэффициента по интенсивности приема Wi_mn = I_mn / ∑ I_mn, a для весового коэффициента по интервалу между приемниками Wd_mn = |m - n| / ∑ |m - n|, и получаем следующие оценки координат (X₀, Y₀) объекта с использованием коэффициентов р, q (p + q = I):

Результаты сравнения оценок, полученных по этим формулам, с результатами прямых измерений для соответствующих пар приемников приведены на рис. 5.60. В качестве объекта был выбран вертикально стоящий цилиндр из пеностирола диаметром 15 см и высотой 23 см. Как следует из рисунка, результаты измерений, полученные парами приемников; дают заметный разброс в замерах, в то время как осреднение позволяет получить значения, близкие к истинным, что означает существенное повышение точности.

Рис. 5.60. Результаты оценки точности определения положения объекта с использованием линейной матрицы ультразвуковых приемников. ● - измеренное положение объекта; X - оценочные значения местоположения объекта, полученные в результате осреднения данных измерения; + - реальное местоположение объекта