Введение

Выбирая датчик препятствий для своего роботая остановился именно на ультразвуковом.

Но почему именно самодельный, ведь сейчас уже существует много готовых решений?

На момент создания, был произведённ анализ уже существующих сонаров. Самым лучшим на тот момент был сонар EZ1. Но купить его было сложно, да и стоил он слишком дорого (более 1200 руб).

Было принято решение сделать свой собственный ультразвуковой измеритель расстояния.

Характеристики получились не самые лучшие, но в рамках поставленной задачи (разработка алгоритмов построения карты окружающего пространства и ориентирования по этой карте), характеристики оказались вполне приемлемыми. После того, как удастся наконец-то решить задачу построение карты можно будет улучшить конструкцию сонара для достижения лучших характеристик.

Характеристики

Схема ультразвукового измерителя расстояния

Элементы и пояснения

Вид устройства

Устройство было выполнено в виде двух плат: аналоговой и цифровой

Описание и особенности

Микроконтроллером генерируется сигнал в форме меандра с частотой 40 кГц, который подаётся на пьезо излучатель BA1. Сигнал излучается короткой пачкой импульсов (количество импульсов в пачке настраивается). Время начала излучения засекается.

Отражённый от препятствия сигнал попадает в приёмник (время прохождения пропорционально расстоянию). Далее сигнал поступает на ФВЧ и ФНЧ, собранные на DA1.2 и DA1.3. Фильтры активные второго порядка, являются фильтрами Чебышева, реализованы при помощи звена Рауха.

С выхода фильтров сигнал подаётся на триггер Шмитта DD1. Он служит для преобразования аналогового сигнала в цифровой. На выходе триггера получается меандр, который затем подаётся на цифровой вход микроконтроллера DD2.

Микроконтроллер DD2 следит за состоянием цифрового входа, и останавливает таймер по приходу нескольких импульсов с частотой 40кГц. Полученное время пересчитывается в расстояние).

Связь с микроконтроллером осуществляется по шине I2C. Протокол обмена собственный. В будущем планируется перейти на поддержку шины SMBus.

Данный измеритель имеет 2 серводвигателя для изменения положение, однако рассмотрение их работы выходит за рамки данной статьи.

Оценка работы устройства. Выявленные недостатки

Регистрация излучаемого сигнала

Основной выявленный недостаток — несоответствие фактического диапазона измерения расчётному. Воздушная среда для ультразвуковых волн обладает некоторой неоднородностью, в результате чего происходит рассеивание сигнала. Приёмник начинает регистрировать рассеиваемое излучение сразу после подачи пачки импульсов на передатчик. Причём амплитуда этого паразитного сигнала (на выходе фильтров) доходит до 2В. (см картинку)

Для борьбы с данным явлением в алгоритме обработки входного сигнала предусмотрена т.н. «мёртвая зона» - значение расстояния до достижения которого микроконтроллер игнорирует значение входного сигнала. Данное значение выставляется таким образом, чтобы амплитуда паразитного сигнала во время начала анализа входного сигнала была меньше амплитуды срабатывания триггера Шмитта. Макетирование показало, что для стабильной работы устройства величина «мёртвой зоны» должна быть не меньше 0,20м. Это больше, чем предполагалось изначально.

Однако данную проблему всё же удалось решить (См. ниже "Регулировка мощности излучения").

Зависимость от геометрии объекта

Второй выявленный недостаток — зависимость максимального расстояния от геометрии отражающего объекта.

На результаты измерений оказывает существенное влияние величина угла между излучаемым аккустическим лучём и отражающей поверхностью. Объект можно обнаружить только если отклонение угла от перпендикулярного не превышает некоторого значения (зависит от мощности извучения и расстояния). При привышении критического угла объект обнаружить невозможно.

Как было выяснено в ходе дальнейших исследований, это не проблема самого измерителя, это проблема метода измерения при помощи ультразвука.

Устранение недостатков и дальнейшее возможное развитие

 Регулировка мощности излучения

Как уже было сказано в предыдущем пункте, основной выявленный недостаток — снижения минимального детектируемого расстояния из-за реверберации, вызванной неоднородностью воздушной среды. Предполагаемый путь решения данной проблемы — введение возможности регулировки мощности излучения передатчика. При уменьшении мощности передатчика снижается амплитуда паразитного реверберационного сигнала, а значит снижаетсвеличина «мёртвой зоны» устройства. К тому же увеличение мощности позволяет проводить измерение на больших расстояниях. Предполагается сделать 3 ступени мощности, соответствующих трём диапазонам измерений. При этом увеличивается время единичного измерения т.к заранее не известно в какой зоне находится объект. В самом худшем случае потребуется троекратное измерение.

Схемотехнически данное решение выглядит следующим образом:

В таблице  приведены режимы работы и методы их реализации:

 Максимальная мощность излучения:

Средняя мощность излучени:

Минимальная мощность излучения:

Упрощение схемы

Схема получилась достаточно громоздкой. Стремление избавиться от помех привело к добавлению в неё НЧ и ВЧ фильтров второго порядка. ВЧ фильтр позволяет избавиться от сигналов звукового диапазона, НЧ фильтр позволяет отфильтровать высокочастотные помехи (их могут создавать регуляторы освещения и лампы дневного света). Однако некоторая фильтрация уже происходит блогодаря использованию пьезо-приёмника. У него есть своя собственная частота колебаний, и сигналы других частот сильно ослабляются. К сожалению, мне не удалось найти его частотную характеристику.

Можно попробовать заменить фильтры хотя бы на фильтры первого порядка. При этом количество деталей и сложность схемы существенно сократится.

Пересчёт коэффициента усиления

Ещё хотелось бы обратить внимание на коэффициент усиления схемы. Схема выполнена на трёх операционных усилителях, коэффициент усиления каждого равен 50. Суммарно получается Ку = 125 000. На практике оказалось, что это многовато. Переменный резистор на первом операционном усилителе установлен почти в начальное положение. Для этого усилителя, думаю, что хватило бы Ку = 3. Тогда суммарный Ку = 12500, если разделить поровну, то Ку = 24 для каждого ОУ. При этом возможно будет использовать более низкочастотные ОУ.

Использование лучшего пьезо-приёмника

Текущая версия измерителя использует пьезоизлучатель и приёмник MA40B8S и MA40B8R. У них ужасно большой угол расхождения аккустического луча (50º). При замене этих элементов на более узконаправленные, удастся существенно улучшить характеристики измерителя

Использование одного приёмо-передатчика

Возможно использовать и один пьезо приёмо-передатчик. Это существенно сократит размеры и стоимость измерителя.
Однако это потребует небольшой переделки схемы.

Литература

1 . Г о р б а т о в А . А . , Р у д а ш е в с к и й Г . Е . Акустические методы измерения расстояний и управления.-М.: Энергоиздат, 1981.
2 . Г у т н и к о в В . С . Фильтрация измерительных сигналов.-Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.
3 . Т и т ц е У . , Ш е н к К . Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство -М.: Мир, 1982

Ссылки по теме

Робот с ультразвуковым измерителем

Поисковой робот

Шина I2C и SMBus в робототехнике