Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
бакалаврської кваліфікаційної роботи.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
КН
Кафедра:
Кафедра ЕОМ
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Кваліфікаційна робота
Предмет:
Практика
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра ЕОМ
ЗВІТ
з практики на тему
бакалаврської кваліфікаційної роботи.
«Система визначення відстані
на базі ультразвукового датчика»
Львів – 2012 ЗМІСТ
ВСТУП
В даній роботі розглядається система визначення відстані на базі ультразвукового датчика вимірювання відстані. Дана система розроблена для вимірювання відстані в любительській робототехніці.
На сьогоднішній день аматорська робототехніка дійшла до такого рівня, що обчислювальна потужність бортових пристроїв може значно перевищувати потужність необхідну для обробки сигналів з безлічі датчиків, і відповідно робота можна «навантажити» додатковою інформацією. З іншого боку все більший ступінь автономності роботів вимагає більшої інформації про навколишній його світі для самостійного ухвалення рішення і більшої мобільності. Іншими словами, постає проблема вирішення завдань локалізації та орієнтації в просторі. Найбільш поширеними методами вирішення цих завдань є методи, засновані на штучному зорі (обробка сигналу з відео камери) і системи сканерів на базі датчиків відстані.
Обробка відео сигналу, все ж є досить ресурсномісткою завданням, як в плані обчислювальних витрат, так і людино-годин на розробку програмного забезпечення. Тому основний акцент в даній роботі було зроблено на розробку системи вимірювання відстані для використання в любительській робототехніці.
Існує багато методів вимірювання відстані, але основними є: фазовий, частотний, інтерференційований і імпульсний (часовий).
Найбільш поширеним методом вимірювання відстані в геодезії є фазовий, що дозволяє вимірювати відстані від десятків метрів до десятків (в радіодіапазоні - до сотень) кілометрів. Практично у всіх світло-і радіодальномірах і в більшості радіогеодезичних систем використовують фазовий метод. В сучасних світлодальноміра управління, обчислення і контроль виконуються мікропроцесором по заданій програмі. Вимірювання відстаней таким світлодалекоміром полягає в установці над пунктами світлодалекоміра і відбивача, наведенні світлодалекоміра на відбивач і натисканні кнопки «пуск». Вимірювання виконують протягом кількох секунд.
У фазовому світлодальномір (рис. 1) світловий потік проходить через модулятор, керований напругою від генератора стабільної частоти, на виході з модулятора він модульований на амплітуді з частотою, рівною частоті генератора. Оптична система збирає світловий потік і направляє його на відбивач, встановлений на кінці вимірюваної лінії, від відбивача він надходить на фотоприймач, в якому світлова енергія перетворюється в електричну і після посилення і перетворення надходить на фазометр. На нього ж надходить сигнал від генератора, тобто на фазометр надходять два сигнали однакової частоти, але різної фази, різниця фаз залежить від Довжини вимірюваної лінії.
Рис. 1. Схема фазового світлодальноміра
Для контролю і підвищення точності в світлодальноміра є оптична лінія короткого замикання, використовувана як контрольне відстань. Довжина хвилі масштабної частоти генератора значно менше вимірюваного відстані, тому різниця фаз набагато більше 360 °, а фазометр вимірює величину від 0 до 360 °. Виникає неоднозначність, як уже зазначалося, вирішують шляхом вимірювання відстані на декількох частотах генератора стабільної частоти. Точність світлодальномірів залежить від стабільності і величини масштабної частоти генератора, точності фазовимірювального блоку, потужності світлового потоку та інших факторів.
В радіодальноміра в якості несучої частоти використовують зазвичай 3-сантиметрові електромагнітні хвилі, а замість використовуваного в світлодальноміра пасивного відбивача - активний відповідач. На кінцях вимірюваної лінії встановлюють провідну і відому станції, які часто роблять взаємозамінними. При вимірюванні обидві станції працюють як активні радіоелектронні пристрої, результат вимірювання одержують на провідній станції. На цій станції працюють два генератора електромагнітних коливань - несучої частоти ГМЧ1.
Сигнали низької частоти виходять в змішувачах ведучої і веденої станцій. Різниця фаз цих двох низькочастотних сигналів, яка вимірюється фазометром, дає інформацію про вимірюваному відстані. Для вирішення неоднозначності використовують кілька різних модулюючих частот.
Основні переваги радіодальноміра - можливість вимірювати великі відстані і незалежність від метеорологічних умов. Недоліками є: необхідність роботи одночасно двох станцій; можливі помилки через відображення хвиль від підстилаючої поверхні і від будівель та споруд; велика (2-3 см) постійна частина похибки вимірювання. Як можна побачити з недоліків, радіодальноміра не можна використовувати в робототехніці через велику похибку обчислень, складну реалізацію і достатньо великі габарити.
Частотний метод заснований на використанні частотно-модульованих коливань і зводиться до вимірювання збільшення частоти за час поширення цих коливань до об'єкта і назад. Точність таких приладів близько 1:1000. Застосовується він в основному в літакових радіовисотомір і радіолокаційних системах.
Структурна схема частотного далекоміра буде виглядати наступним чином:
Рис. 2. Структурна схема частотного далекоміра
Модулятор формує модуляцію частоти, що виробляється генератором СВЧ. Після чого сигнал надходить на передавальну антену. Так як сигнал безперервний, то потрібно ще й окрема приймаюча антена.
На приймач надходять прямий і відбитий сигнали, з яких на змішувачі виділяється їх різницева частота, значення якої після фільтрування передається на систему індикації.
Переваги частотного методу вимірювання дальності:
дозволяє вимірювати дуже малі відстані;
використовується малопотужний передавач;
Недоліки:
необхідне використання двох антен;
погіршення чутливості приймача внаслідок просочування в прийомний тракт через антену випромінювання передавача, підданого випадковим змінам;
високі вимоги до лінійності зміни частоти
Інтерференціонний метод заснований на безпосередньому спостереженні результату інтерференції двох (або більше) когерентних світлових хвиль, що пройшли різні відстані. Застосовується для вимірювання невеликих відстаней з високою точністю. Наприклад, з використанням деяких інтерферометрів можна вимірювати відстань до 60 м з точністю до 0,5 мкм / м.
Імпульсний метод вимірювання дальності ґрунтується на визначенні часу запізнення характерного зміни амплітуди прийнятого радіолокаційного сигналу. Антена радіолокаційної станції (РЛС) посилає потужний радіоімпульс, який відбивається від цілі і приймається. Так як швидкість поширення сигналу, який поширюється радіоімпульсом, набагато більший швидкості цілі, то в хорошому наближенні цілі вважатимуться нерухомій.
Для того, щоб постійно визначати дальність, РЛС повинна випускати періодичну послідовність імпульсів, - працювати в імпульсному режимі. Проаналізованих даних достатньо, щоб побудувати загальну структурну схему.
Рис. 3. Структурна схема імпульсного далекоміра
Система синхронізації визначає імпульсну роботу РЛС. Вона формує відеоімпульси через постійні проміжки часу Т і. Т і називають періодом повторення імпульсу. Так як. система синхронізації визначає період роботи - один цикл визначення дальності.
Передавач включається отримавши черговий імпульс від системи синхронізації і на проміжку часу Т формує сигнал необхідної потужності, амплітуди і частоти. Т називають тривалістю імпульсу.
Протягом часу тривалості імпульсу антенний перемикач спрямовує випромінюваний сигнал на антену. Потім переключається на приймач. Таким . чином до кінця періоду система "чекає" відображеного сигналу. Зауважимо, що на перемикання антена витрачає певний час tдод.
Переваги імпульсного методу вимірювання дальності:
можливість побудови РЛС з одного антеною;
простота індикаторного пристрою;
зручність вимірювання дальності кількох цілей;
простота випромінюваних імпульсів, що тривають дуже малий час Т, і сигналів, що приймаються;
Недоліки:
Необхідність використання великих імпульсних потужностей передавача;
неможливість вимірювання малих відстаней
велика мертва зона
В робототехніці найчастіше використовуються лазерні і ультразвукові датчики для вимірювання відстані до цілі. Серед лазерних найчастіше використовуються датчики, які побудовані на базі фазового методу вимірювання відстані.
Широко поширені датчики відстані такі, як наприклад SHARP GP2Y0A21YK0F, хоч і є простими і дешевими але, тим не менше, їх точність, не лінійність, і розмір «плями» сильно обмежує область їх застосування.
В якості альтернативи, є можливість використовувати готові скануючі лазерні далекоміри такі, як наприклад, SICK LMS-200, але їх ціна починається з декількох тисяч євро, що робить їх не придатними для любительської техніки.
Одним із способів застосування ультразвуку є визначення відстані. Ультразвуковий імпульс, що посилається пристроєм, відбивається від перешкоди і поступає назад до приймача, як луна, що фіксується датчиками.
Рис.4 Відображення звуку від різних об’єктів
Інформація про відстань до контрольованого тіла, точніше деякої відбиваючої зони, що належить поверхні контрольованого тіла, визначається тимчасовим запізнюванням сигналу щодо випромінюється. Приблизно таким же чином кажани орієнтуються в просторі: вони випромінюють вперед спрямований пучок ультразвукових коливань і ловлять відбитий сигнал. Звукові хвилі поширюються в повітряному середовищі з певною швидкістю, тому за затримку приходу відбитого сигналу можна з достатнім ступенем точності судити, на якій відстані знаходиться той предмет, який відбив звук.
Заміряючи час між посиланням і отриманням луни, можна визначити, наскільки далеко знаходиться об'єкт. Прилади, що використовує подібний принцип, називаються Сонора. Аналогічно працюють радари.
Метою розробки є проектування ультразвукового вимірювача відстані.
Принцип дії ультразвукових датчиків відстані заснований на випромінюванні імпульсів ультразвуку та вимірі, поки звуковий імпульс, відбившись від об'єкта вимірювання, повернеться назад у датчик. При цьому досягається дозволу до 0,2 мм.
Завдяки тому, що п'єзорезистивний перетворювач може служити як випромінювачем, так і приймачем ультразвукових імпульсів, з'являється можливість створити ультразвукові датчики відстані з одним перетворювачем. Такий перетворювач спочатку випромінює короткий ультразвуковий імпульс. Одночасно з цим, в датчику запускається внутрішній таймер. Коли відбитий від об'єкта ультразвукової імпульс повернеться назад у датчик, таймер зупиняється. Час, що минув між моментом випромінювання імпульсу і моментом, коли відбитий імпульс повернувся в датчик, служить основою для обчислення відстані до об'єкта. Повний контроль за процесом вимірювання проводиться за допомогою мікропроцесора, що забезпечує високу лінійність вимірювань. Найбільш важливими особливостями застосувань ультразвукових датчиків служить їх можливість вимірювати відстані до таких складних об'єктів як, наприклад, сипучі речовини, рідини, гранули, прозорі або навпаки сильно відображають поверхні. На додаток ультразвуковими датчиками можна вимірювати порівняно великі відстані, при цьому, зберігаючи їх невеликі розміри, що може бути істотно для ряду застосувань.
АНАЛІЗ СИСТЕМИ ВИМІРЮВАННЯ ВІДСТАНІ НА БАЗІ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА
ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
07.12.2014 14:12-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора