PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Pierscie´n ultradzwiekowy

Politechnika Wrocławska
Wydział Elektroniki
Instytut Cybernetyki Technicznej
K IERUNEK :
S PECJALNO Ś Ć :
Automatyka i Robotyka (AiR)
Robotyka (ARR)
PRACA DYPLOMOWA
MAGISTERSKA
Pierścień ultradźwiekowy do detekcji obiektów w
otoczeniu robota.
AUTOR :
Krzysztof Szambeliński
P ROWADZ ACY
˛
PRAC E˛ :
dr inż. Bogdan Kreczmer, I-6
O PIEKUN :
dr inż. Bogdan Kreczmer, I-6
O CENA PRACY:
Wrocław 2004
Spis treści
Wst˛ep
i
1
Założenia
1
2
Przeglad
˛ znanych rozwiaza
˛ ń
2.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Realizacja pierścienia sonarowego z wykorzystaniem dwóch sonarów . . . . . .
2.3 Realizacja pierścienia trójsonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Realizacja pierścieni wielosonarowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Połaczenie
˛
wielokierunkowego sonaru z wielokierunkowa˛ kamera˛ . . . . . . . .
2.6 Wykorzystanie techniki mikrofonów kierunkowych do realizacji pierścienia sonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
3
4
5
8
3
Podstawowe własności sonarów ultradźwi˛ekowych
3.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Podstawowe parametry sonarów ultradźwi˛ekowych
3.3 Przetworniki ultradźwi˛ekowe firmy Murata . . . .
3.3.1 Przetwornik MA40B8R . . . . . . . . . .
3.3.2 Przetwornik MA40E7S-1 . . . . . . . . . .
3.3.3 Przetwornik MA40MF14-1B . . . . . . . .
3.3.4 Przetwornik MA80A1 . . . . . . . . . . .
3.4 Przetworniki ultradźwi˛ekowe firmy Polaroid . . . .
3.4.1 Przetwornik serii 600 . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Przetworniki serii 9000 . . . . . . . . . . .
3.5 Sterowanie przetwornikami ultradźwi˛ekowymi . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 10
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
13
13
13
14
14
15
16
16
16
17
18
19
4
Własności propagacji fali ultradźwi˛ekowej w powietrzu
21
4.1 Wpływ wrunków otoczenia na własności fali ultradźwi˛ekowej . . . . . . . . . . . 23
5
Układ wzmacniacza synału ultradźwi˛ekowego
5.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Cel budowy wzmacniaczy sonarowych . . . . . .
5.3 Budowa pojedynczego wzmacniacza sonarowego
5.3.1 Ogólna zasada działania . . . . . . . . .
5.4 Budowa przejściówki . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Ogólna zasada działania . . . . . . . . .
6
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
25
25
25
25
27
27
28
Pierścień sonarów ultradźwi˛ekowych
33
6.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2 Realizacja pierścienia sonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
i
SPIS TREŚCI
ii
7
8
Wyniki eksperymentów
7.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Eksperymenty z obudowami . . . . . . .
7.3 Eksperymenty z pi˛ecioma sonarami . . .
7.4 Eksperymenty z pierścieniem sonarowym
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Podsumowanie
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
35
35
35
38
38
39
A Wzmacniacz sonarowy
41
B Przejściówka
43
C Aplikacja do wykonywania charakterystyk kierunkowych
45
Spis rysunków
2.1
2.2
Układ dwusonarowy a) zaproponowany system sonarowy b) przebiegi czasowe .
a) Mini robot Keprera wraz z zamontowanymi przetwornikami ultradźwi˛ekowymi
b) Scieżka wiazki
˛ ultradźwi˛ekowej biegnaca
˛ od nadajnika (S) do punktu odbicia
(P) i do odbiorników (E1 E2 ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Schemat pomiarowy systemu wielosonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 System wielosonarowy a) schemat pomiarowy dla kraw˛edzi i płaszczyzny b) sposób wyliczania odległości i kata
˛
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Modyfikacja ścieżki robota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Schemat wykonanego pierścienia sonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Połaczenie
˛
danych uzyskanych z systemu sonarowego i wizyjnego a) obraz uzyskany z wielokierunkowej kamery b) schemat łaczenie
˛
danych z systemu sonarowego i wizyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Rozłożone wielokierunkowe zdj˛ecie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9 Różne rodzaje obudów stosowane do poprawienia kierunkowości: a) z wykorzystaniem kilku rurek różnej długości, b) z wykorzystaniem rurki stożkowej z dodatkowymi otworami, c) z wykorzystaniem rurki stożkowej ze szczelina.˛ . . . . . .
2.10 Charakterystyki kierunkowe w zależności od długości obudowy . . . . . . . . .
.
4
.
.
5
6
.
.
.
7
8
8
.
.
9
9
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
Sonar ultradźwi˛ekowy MA40B8R . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40B8R . . .
Sonar ultradźwi˛ekowy MA40E7S-1 . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40E7S-1 . .
Sonar ultradźwi˛ekowy MA40MF14-1B . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40MF14-1B
Sonar ultradźwi˛ekowy MA80A1 . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA80A1 . . .
Sonar ultradźwi˛ekowy serii 600 . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika serii 600 . . . .
Sonar ultradźwi˛ekowy serii 9000 . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika serii 9000 . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.1
4.2
Przybliżony kształt pola ultradźwi˛ekowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Przykładowa charakterystyka kierunkowości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.1
5.2
Schemat ideowy wzmacniacza sonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozkład sygnałów: a) w gnieździe telefonicznym 6p6c b) we wtyku telefonicznym
6p6c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat ideowy przejściówki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozkład sygnałów: a) w gnieździe telefonicznym słuchawkowym 4p4c b) we
wtyku telefonicznym słuchawkowym 4p4c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozkład napi˛eć we wtyku zasilajacym
˛
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
5.4
5.5
iii
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. 10
. 11
14
15
15
15
16
16
17
17
17
18
18
19
. 26
. 28
. 29
. 30
. 30
SPIS RYSUNKÓW
iv
6.1
Scemat blokowy wykonanego pierścienia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.1
Charakterystyka kierunkowa przetwornika użytego do budowy pierścienia sonarowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 10 cm bez otworów . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 10 cm z otworami . . . . .
Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 18 cm z otworami . . . . .
7.2
7.3
7.4
.
.
.
.
36
36
37
37
A.1 Schemat montażowy płytki wzmacniacza (strona elementów) . . . . . . . . . . . . 41
A.2 Schemat montażowy płytki wzmacniacza (strona złacz)
˛
. . . . . . . . . . . . . . . 42
B.1 Schemat montażowy przejściówki (strona elementów) . . . . . . . . . . . . . . . . 43
B.2 Schemat mozajki ścieżek przejściówki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
C.1 Aplikacja ułatwiajaca
˛ wykonywanie wykresów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Spis tablic
v
Wst˛ep
Ten rozdział pisze si˛e zawsze jako ostatni. Powinno znalezć si˛e w nim ogólne omówienie pracy
i jej celu oraz w sposób skrótowy przedstawienie organizacji całej pracy (jakie sa˛ rodziały i co w
nich jest).
i
ii
WSTEP
˛
Rozdział 1
Założenia
Celem niniejszej pracy jest realizacja pierścienia sonarowego pozwalajacego
˛
na jednoczesna˛ detekcj˛e i lokalizacj˛e obiektów znajdujacych
˛
si˛e w otoczeniu robota. Każdy z takich sonarów musi
być wyposażony w indywidualny układ wzmacniajacy
˛ odbierany sygnał, który znajdowałby si˛e
jak najbliżej sonaru. Spowodowane jest to tym, że sonary posiadaja˛ duża˛ impedancje wyjściowa.˛
Dodatkowo układy wzmacniajace
˛ musza˛ posiadać jak najmniejsze gabaryty. W wyniku wyżej
wymienionych ograniczeń układ wzmacniacza powinien spełniać nast˛epujace
˛ warunki:
powinien być zrealizowany w oparciu o montaż powierzchniowy
układ wzmacniajacy
˛ powinen być bezpośrednio podłaczony
˛
do sonaru i dodatkowo powinen
być z nim zintegrowany w jednej obudowie
układ powinien zapewniać możliwość zmiany wzmocnienia
układy wzmacniaczy powinny być zasilane napi˛eciem symetrycznym 5 V
ze wzgl˛edu na ograniczona˛ ilość przewodów jaka˛ trzeba b˛edzie doprowadzić do układu,
wzmocnienie musi być wymuszane jedna˛ linia˛ sygnałowa˛ w wyniku czego trzeba b˛edzie
dodatkowo zastosować licznik impulsów
Wszystkie sonary maja˛ być podłaczone
˛
już do istniejacego
˛
sterownika. W ramach pracy konieczne jest również oprogramowanie wspomnianego sterownika (w j˛ezyku C) oraz stworzenie
aplikacji graficznej w oparciu o bibliotek˛e Qt (j˛ezyk C++). Aplikacja ta ma umożliwiać współprac˛e ze sterownikiem i wizualizować prac˛e całego pierścienia.
Wspomniane oprogramowanie ma być stworzone w oparciu o istniejace
˛ już przykłady takiego
oprogramowania zrealizowanego w ramach wcześniejszych prac badawczych.
Dla skonstruowanego układu należy opracować metod˛e detekcji, lokalizacji i o ile to możliwe,
identyfikacji obiektów, jak również zaimplementować ja.˛ W celu weryfikacji zaproponowanej metody i określenia własności oraz parametrów pierścienia sonarowego należy przeprowadzić seri˛e
eksperymentów. Ich celem jest określenie dokładności odległości, dokładności położenia kato˛
wego wykrytych obiektów, jak również określenie rozdzielczości.
1
2
ROZDZIAŁ 1. ZAŁOŻENIA
Rozdział 2
Przeglad
˛ znanych rozwiaza
˛ ń
2.1 Wprowadzenie
W rozdziale tym zostana˛ omówione sposoby realizacji pierścieni sonarowych przez naukowców na
całym świecie. Zostana˛ podane zarówno zalety jak i wady tych rozwiaza
˛ ń. Rozwiazania
˛
zostana˛
zaprezentowane od najprostszych konstrukcji (dwu, trzysonarowych) aż do bardzo skomplikowanych zawierajacych
˛
kilkanaście lub kilkadziesiat sonarów umieszczonych na okregu tworzacych
˛
pierścien sonarowy. Omówione konstrukcje prezentuja˛ sposoby poprawienia kierunkowości prezetworników w wynkiu czego uzyskuje si˛e dokładniejsze pomiary. Uzyskanie lepszej kierunkowości sonaru można uzyskać w dwojki sposób. Pierwszym z nich jest wykorzystanie metody
fazowej pojegajacej
˛ na stworzeniu z kilku sonarów (przynajmniej trzech) jednego wirtualnego sonaru. Nastepnie korzystajac
˛ z interferencj nakłada si˛e na siebiebie wszystkie sygnały odbrane
z przetworników i na tej podstawiem można dokładnie określić położenie przeszkody. Metoda
ta jest najcz˛eściej spotykana w robotyce. Drugim sposobem na uzyskanie lepszej kerunkowości
jest wykonanie specjalnych obudów takich jakie stosuje si˛e w przypadku mikrofonów kierunkowych. Metoda ta jest dosyć kłopotliwa, ponieważ obudowy te musza˛ być stosunkowo duże przez
co rzadko si˛e stosuje.
2.2 Realizacja pierścienia sonarowego z wykorzystaniem dwóch
sonarów
Budowa pierścienia sonarowego składajacego
˛
si˛e z dwóch sonarów, który daje dobre rezultaty została zaprezentowana w pracy[4]. Metoda ta polega na wykorzystaniu zjawisko crosstalk 1 , które
zazwyczaj jest niepożadane.
˛
Kolejna˛ ważna˛ rzecza˛ w tym rozwiazaniu
˛
jest to, że nadawany sygnał
jest w prosty sposób kodowany. Kodowanie to polega na tym, że emitowany jest nie jeden impuls lecz wiele i każdy sonar emituje różna˛ ilość impulsów. Impulsy te tworza˛ tak zwana˛ paczk˛e,
która umożliwia bardzo szybka˛ identyfikacj˛e z którego nadajnika pochodzi dana paczka. Podczas
nadawania, nadajniki nie nadaja˛ jednocześnie jak to miało miejsce w innych metodach lecz tylko
sa˛ wprowadzone pewne opóźnienia. Sa˛ one potrzbne, ponieważ gdyby wszystkie nadajniki nadawał w tym samym czasie to odbiornik mógłby odebrać paczke z ilościa˛ impulsów, która w ogóle
nie była wysłana przez żaden nadajnik. Każdy sonar może odebrać wielw ech i odrazu wiadomo
który nadajnik je wysłał. Na rys. 2.1a został pokazany ukła pierścienia wykorzystujacy
˛ dwa sonary. Natomiast rys. 2.1b pokazuje czasy nadawanych i odbieranych sygnałów dla poszczególnych
sonarów.
W pracy[4] zaprezentowano trzy eksperymenty do których użyto tylko dwóch sonarów a miomo
1 Crosstalk - przesłuch, wzajemne zagłuszanie si˛
e sonarów, czyli odbieranie przez jeden czujnik sygnału wysłanego
przez inny, co uniemożliwia dokładny pomiar odległości
3
ROZDZIAŁ 2. PRZEGLAD
˛ ZNANYCH ROZWIAZA
˛ Ń
4
a)
b)
Rysunek 2.1: Układ dwusonarowy a) zaproponowany system sonarowy b) przebiegi czasowe
to uzyskano dobre rezultaty. Nie oznacza jednak to, że metoda ta opiera si˛e jedynie na dwóch sonarach, ponieważ można użć wi˛ekszej ilości sonarów. Przy użyciu wi˛ekszej ilości sonarów z dosyć
szerokimi charakterystykami kierunkowymi i ze spora˛ ilościa˛ obiektów w otoczeniu może okazać
si˛e że odbierane paczki b˛eda˛ bł˛edne (spowodowane może być to złym doborem czasów opóźnień
dla posczególnych nadajników). Niewatpliwie
˛
metoda ta jest bardzo prosta w realizacji, ponieważ
do poprawnego działania całego pierścienia wystarcza˛ tylko dwa przetworniki ultradźwi˛ekowe
pracujace
˛ zarówno jako nadajniki jak i odbiorniki. Dodatkowo pomiary takie nie zawieraja˛ dużych bł˛edów. Natomiast niefortunne ulokowanie przeszkód może dostarczy ć kompletnie bł˛ednych
wyników. Prawdopodobieństwo to wzrasta wraz ze wzrostem użytych sonarów, ale w przypadku
użycia tylko dwóch sonarów prawdopodobieństwo to jest naprawd˛e niewielkie i rezultaty zadawalajace.
˛
2.3 Realizacja pierścienia trójsonarowego
W pracy[1] został zaprezentowany pierścień sonarowy wykonany z trzech sonarów. Został on
wykonany do współpracy z malutkim robotem Khepera. Ze wzgl˛edu na fakt że jest to bardzo
mały robot to sonary zostały umieszczone na robocie. Pierścień ten składa si˛e z trzech sonarów
z czego dwa to oddbiorniki i jeden nadajnik. Odbiorniki umieszczone sa˛ po bokach natomiast
nadajnik znajduje si˛e w środku. Na rys. 2.2a jest pokazany mini robt Khepera wraz z sonarami.
Natomiast rys. 2.2b przedstawiona jest ścieżka przebiegu wiazki
˛ ultradźwi˛ekowej od nadajnika do
przeszkody i do odbiorników.
Idea tego rozwiazania
˛
polega na tym, że jest generowana pseudolosowa sekwencja widma. Wybierane jest także kombinacja Minimum-Shift-Keying (MKS) i prostokatna
˛ modulacja fazowa(PM).
Nast˛epnie wygenerowany zostaje MKS-PM sygnał ze środkowa˛ cz˛estotliwościa˛ 40,2 kHz z pasmem 25,6 kHz. Tak wygenerowany sygnał jest ciagle
˛ emitowany i równocześnie odbierany.
W pierwszym kroku analizy odebranego sygnału lewy i prawy odbiorni jest powiazany
˛
z sygnałem odniesienia emulujacym
˛
pusty kanał. Prosty model kanału zbiorowych ech i ich różne
osłabienia(Di ) doprowadzaja˛ do:
φ1 τ φxy1 τ 24 N 1
∑
i 0
φ2 τ φxy2 τ 24 N 1
∑
i 0
D1i φxx τ iTa D2i φxx τ iTa (2.1)
(2.2)
2.4. REALIZACJA PIERŚCIENI WIELOSONAROWYCH
a)
5
b)
Rysunek 2.2: a) Mini robot Keprera wraz z zamontowanymi przetwornikami ultradźwi˛ekowymi b)
Scieżka wiazki
˛ ultradźwi˛ekowej biegnaca
˛ od nadajnika (S) do punktu odbicia (P) i do odbiorników
(E1 E2 ).
Ponadto tylko maksymalny możliwy TOF różnicy ∆τmax jest ustawiany jako odległość pomi˛edzy odbiornikami, który b˛edzie rozpatrywany
∆τmax
Nq Ta Φ τ iTa 2Nq
∑φ τ
i 0
q
fa c
51 Ta
(2.3)
1
φr ∆τ 2N 1
q
(2.4)
φ τ iTa ∆τ (2.5)
iTa W wyniku zastosowania tej metody doszło do zredukowania wymaga ń obliczeniowych. Ponadto w metodzie tej jest możliwe wykrycie i sklasyfikowanie obiektu gdzie maksimum słabego
echa jest niższe niż próg wskazuje szum
W rezultacie rozdzielczość systemu wynosi (φ1 5 ), a dla odległości (ρ) 0,73mm. Obiekty
moga˛ być wykrywane do 1,5 m wewnatrz
˛ kata
˛
60 . Dodatkowo małe obiekty sa˛ dobrze rozpoznawane. System ten daje możliwość jednoczesnego wykrycia wielu obiektów i sklasyfikowaniu
ich odpowiednio. Natomiast brak zróżnicowania rozdzielczości przyczynia si˛e do niepoprawnej
klasyfikacji blisko umiejscowionych obiektów i małych bł˛edów położenia.
2.4 Realizacja pierścieni wielosonarowych
Do realizacji układów wielosonarowych wykorzystywancy jest od kilku do kilkunastu sonarów,
które umieszczone sa˛ na okr˛egu. Obszary nadawania i odbierania poszczególnych sonarów czyli
6
ROZDZIAŁ 2. PRZEGLAD
˛ ZNANYCH ROZWIAZA
˛ Ń
katy
˛ rozwarcia stożków cz˛eściowo si˛e pokrywaja.˛ Przy takim roawiazaniu
˛
można rozważyć kilka
typów pracy.
Najprostszym a za razem najbardziej czasochłonnym jest zastosowanie rozwiazania
˛
w który
po kolei jeden po drugim jest inicjowany do nadawania, ale nast˛epny nadaje dopiero gdy przyjdzie
echo od nadajacego
˛
lub po upłyni˛eciu odpowiednio długiego czasu. Tego typu rozwiazanie
˛
jest
uciażliwe
˛
dlatego nie stosuje si˛e go w rozwiazaniach
˛
robotycznych.
W kolejnym rozwiazaniu
˛
wychodzi si˛e z założenia, że jeżeli obszary nadawania i odbioru
sasiaduj
˛
acych
˛
ze soba˛ sonarów cz˛eściowo si˛e pokrywaja˛ to wówczas można nadawać wszystkimi
sonarami jednocześnie a nast˛epnie czekać na echo. Rozwiazanie
˛
takie może być traktowane jako
źródło fali kulstej, które zostało zawarte w pracy[5]. Sposób pomiaru jest przedstawiony na rys.
2.3.
Rysunek 2.3: Schemat pomiarowy systemu wielosonarowego
W rozwiazaniu
˛
tym ważna˛ rzecza˛ jest właściwe pogrupowanie przychodzacych
˛
ech na podstawie których wyznacza si˛e odległość i kierunek do danej przeszkody. Krytycznym czynnikiem do
porawnej detekcji przy zastosowaniu tej metody jest moment detekcji kolejnych ech przychodza˛
cych od różnych przeszkód. Po przyjściu ech od różnych obiektów sa˛ one grupowane i zestawiane
razem w wyniku czego dokonuje si˛e wyliczeń zależności geometrycznych jakie wyst˛epuja˛ w otoczeniu. Rys. 2.4 pokazuje model oraz sposób wyznaczania odległości i kata
˛ do obiektu.
2.4. REALIZACJA PIERŚCIENI WIELOSONAROWYCH
a)
7
b)
Rysunek 2.4: System wielosonarowy a) schemat pomiarowy dla kraw˛edzi i płaszczyzny b) sposób
wyliczania odległości i kata
˛
Metoda ta daje możliwość jednoznaczenego wyznaczenia czy mamy doczynienia z kraw˛edzia˛
czy z płasczyzna.˛ Wyliczenia dla punktu lub kata
˛ przyjmuja˛ nast˛epujac
˛ a˛ posta ć:
d p θ L2 R2 2LRcos θ θ0 L R
(2.6)
Natomiast dla płaszczyzny wyliczenia te wyrażaja˛ si˛e nast˛epujaco:
˛
d pł θ 2L2 R2 4LRcos θ θ0 R
(2.7)
Powyższe formuły 2.6 i 2.7 sa˛ aproksymowane poniższym wyrażeniem przy założeniach L i θ θ0 jest sensownie mały np. θ θ0 45 .
T OF θ dapprox θ c 2 L R
c
LR
c 2L R θ θ0 2
R
(2.8)
gdzie, c jest pr˛edkościa˛ dźwi˛eku. Natomiast T θ jest czasem przeleotu fali dla pojedynczego
sonaru. Gdy znane sa˛ już znane czasy przelotu dla wszystkich sonarów i zostało dokonane odpowiednie grupowanie ech, wtedy można wyliczyć odległść do poszczególnych przeszkód oraz
położenie katowe
˛
θ. Dużym problemem może si˛e okazać dopasowanie poszczególnych ech, żeby
póżniej momenty ich przyjścia można było aproksymować parabola.˛ Minimum tej paraboli wyznacza szukane położenie obiektu wzgl˛edem systemu. Rozwiazanie
˛
to daje w jednym pomiarze
daje możliwość stwierdzenia z jakim rodzajem obiektu mamy doczynienia tyczka,˛ kraw˛edzia,˛ czy
może z katem
˛
albo ściana(k
˛ at
˛ i ściana sa˛ nierozrożnialne). Metoda ta daje duża˛ dokładność zarówno dla kata
˛ jak i odległości(bład
˛ w określeniu orientacji jest nie wi˛ekszy niż 0 8 dla obiektu
znajdujacego
˛
si˛e w odległości 1,5 m).
W pracy[2] został zaprezentowany pierścień sonarowy do wykrywania i unikania przeszkód.
Opiera on si˛e o ide "metody średniego kata".
˛
Alogorytm ten polga na tym, że na poczatku
˛ należy
wyszukać w obszarze w którym si˛e poruszamy ( 60 ) dwóch linii łacz
˛ acych
˛
robota z sasiaduj
˛
a˛
cymi ze soba˛ dwoma przeszkodami. Nast˛epnie należy wyznaczyć kat
˛ pomi˛edzy tymi liniami. Nast˛epnie wyznaczony kat
˛ jest kierunkiem porusznia si˛e robota. W momencie gdy zostanie omini˛eta
przeszkoda, robot jest ustawiany w kierunku celu. W przypadku dużej ilości przeszkód należy
zmienić obszar wyszukiwania poprzez obrót o 45 stopni na HIMM (Histogram In-Motion Map-
8
ROZDZIAŁ 2. PRZEGLAD
˛ ZNANYCH ROZWIAZA
˛ Ń
ping), która jest tworzona przez robota. W przypadku wykonania ostatniego kroku cały algorytm
należy powtórzyć. Na rys. 2.5 został pokazany sposób wyznaczania kierunku porusznia si˛e robota.
Rysunek 2.5: Modyfikacja ścieżki robota
W pierścieniu tym o średnicy 34 cm zastosowano 24 sonary, które pokrywaja˛ całe otoczenie
robota. Sonary te sa˛ firmy Polarid serii 6500, które pracuja˛ z cz˛estotliwościa˛ 50 kHz. Na rys. 2.6
został przedstawiony diagram tego pierścienia sonarowego.
Rysunek 2.6: Schemat wykonanego pierścienia sonarowego
W wyniku minimalizacji zasi˛egu udało si˛e osiagn
˛ ać
˛ zasi˛eg 0,05 m. Dodatkowa˛ zaleta˛ tego
rozwiazania
˛
jest to, że cały system działa szybko i samo rozwiazanie
˛
jest ekonomiczne. Celem
tego systemu nie jest w miare dokładne wyznaczanie kierunku do przeszkody (obiektu) lecz tylko
wykrywanie ich i omijanie.
2.5 Połaczenie
˛
wielokierunkowego sonaru z wielokierunkowa˛
kamera˛
W pracy [6] została zaprezentowana metoda, króra polega na połaczeniu
˛
danych uzyskanych z
pierścienia sonarowego z kamera˛ wielokierunkowa.
˛ Połaczenie
˛
takie daje znacznie wi˛ecej informacji dotyczacych
˛
otoczenia robota, ale jest znacznie kosztowniejsz i trudniejsze do realizacji.
Sam proces pomiaru za pomoca˛ tak skonstruowanego systemu jest podzielony na dwie cz˛e ści.
Pierwsza˛ z nich stanowi wielokierunkowy sonar składajacy
˛ si˛e z 30 sonarów, którego zadaniem
jest wyznaczanie kierunku i odległości do przeszkody. Każdy z tych sonarów posiada odr˛ebny
wzmacniacz, który wzmacnia odebrane sygnały. Nast˛epnie sygnały z tych wzmacniaczy sa˛ podawane na komparator gdzie sygnał ten jest progowany o zadanym progu. W wyniku tego działania
2.5. POŁACZENIE
˛
WIELOKIERUNKOWEGO SONARU Z WIELOKIERUNKOWA˛ KAMERA˛9
uzyskuje binarna˛ postać danych, która jest przesyłana do sterownika. Sterownik wyznacza kierunek z różnicy czasu przelotu sygnału do przeszkody i spowrotem (TOF).
Natomiast zadaniem wielokierunkowej kamery jest dostarczenie jak najdokładniejszych informacji dotyczacych
˛
otoczenia (kształtu przeszkód, kraw˛edzi, ścian itp.). Realizowane jest to przez
wykonanie zdj˛ecia przez kamer˛e z rozdzielczościa 512 x 480 pixel’i, które jest pokazane na rys.
2.7a. Nastepnie obraz z takiego zdj˛ecia jest rozkładany na wielokierunkowe zdj˛ecie pokazane na
rys. 2.8.
a)
b)
Rysunek 2.7: Połaczenie
˛
danych uzyskanych z systemu sonarowego i wizyjnego a) obraz uzyskany
z wielokierunkowej kamery b) schemat łaczenie
˛
danych z systemu sonarowego i wizyjnego
Rysunek 2.8: Rozłożone wielokierunkowe zdj˛ecie
W wyniku tego wyznaczane sa˛ kierunki do odcinków ścian i kraw˛edzi. W wyniku połaczenia
danych z obydwóch źródeł otrzymujemy dokładniejszy opis otoczenia, gdzie zadaniem układu
wizyjnego było wykrycie brzegów i kraw˛edzi a systemu sonarowego wykrycie punktów odbicia
oraz ich odległości od robota. Dokładniejszy opis zaprezentowanej metody jest zawarty w pracy
[6].
10
ROZDZIAŁ 2. PRZEGLAD
˛ ZNANYCH ROZWIAZA
˛ Ń
2.6 Wykorzystanie techniki mikrofonów kierunkowych do realizacji pierścienia sonarowego
W pracy [3] jest zaprezentowany sposób poprawienia kierunkowości mikrofonów o dosyć szerokiej charakterystyce kierunkowej. W podobny sposób można też wykorzysta ć t˛e technike w przypadku realizacji pierścienia. Sposobem na poprawienie bardzo znaczaco
˛ kierunkowości sonaru
czy mikrofonów jest wykonanie specjalnych obudów, których rozmiar zależy jak waska
˛
ma by ć
charakterystyka kierunkowa. Wyglad
˛ obudów został pokazany na poniższym rysunku z którego
widać, że można wykonać trzy rodzaje obudów. Pierwsza składa si˛e z kilku rurek różnej długości.
Rysunek 2.9: Różne rodzaje obudów stosowane do poprawienia kierunkowości: a) z wykorzystaniem kilku rurek różnej długości, b) z wykorzystaniem rurki stożkowej z dodatkowymi otworami,
c) z wykorzystaniem rurki stożkowej ze szczelina.˛
Natomiast w przypadku drugiej obudowy zastosowano jedna˛ rurk˛e stożkowa˛ z wyci˛etymi otworami rozmieszczonym w jednakowej odległości. Otwory te sa˛ umieszczone w jednej płaszczyźnie
i ich celem jest poprawienie kierunkowości w poziomie. Jeżeli trzebaby było poprawić kierunkowość także w pionie to należy wykonć dodatkowo otwory w płaszczyźnie pionowej. W przypadku
trzeciej obudowy sytuacja jest podobna jak przy obudowie drugiej z tym, że zamiast otworów jest
szczelina.
Metoda ta nie jest zbyt dobra do zastosowań robotycznych, ponieważ wykonanie długich obudów może okazać bardzo kłopotliw i problematyczne w praktycznym zastosowaniu. Długość obudowy jest uzależniona od tego jak waska
˛
ma być charakterystyka kierunkowa. Dlatego też rozwiazanie
˛
tego typu bardzo rzadko si˛e stosuje. Na rysunku 2.10 został pokazany wpływ długości
obudowy na popraw˛e charakterystyki kierunkowej.
2.6. WYKORZYSTANIE TECHNIKI MIKROFONÓW KIERUNKOWYCH DO REALIZACJI PIER ŚCIENIA
Rysunek 2.10: Charakterystyki kierunkowe w zależności od długości obudowy
12
ROZDZIAŁ 2. PRZEGLAD
˛ ZNANYCH ROZWIAZA
˛ Ń
Rozdział 3
Podstawowe własności sonarów
ultradźwi˛ekowych
3.1 Wprowadzenie
Fale ultradźwi˛ekowe sa˛ to fale spr˛eżyste podłużne o cz˛estotliwościach wi˛ekszych od 2 104 Hz.
Natomiast górna granica ultradźwi˛eków wynosi 109 Hz. Podstawowa˛ cecha˛ ultradźwi˛eków jest
fakt, że odbijaja˛ si˛e od wi˛ekszości przedmiotów. Spowodowane jest to tym, że długość fali jest
rz˛edu pojedynczych milimetrów. Wykorzystujac
˛ powyższa˛ własność ultradźwi˛eki znajduja˛ zastosowanie w echolokacji.
Do tego celu wykorzystuje si˛e sonary ultradźwi˛ekowe (przetworniki ultradźwi˛ekowe). Sonary sa˛
urzadzeniami
˛
elektromechanicznymi które moga˛ działać w obu kierunkach to znaczy, że moga˛
jednocześnie nadawać jak również odbierać echo sygnału odbitego. Jednak odbiór może nastapić
˛
dopiero po pewnym czasie. Spotyka si˛e także tylko nadajniki lub odbiorniki. W niniejszej pracy
zostana˛ wykorzystane sonary firmy MURATA pracujace
˛ jednocześnie jako nadajniki i odbiorniki.
Takie rozwiazanie
˛
ma uprościć budow˛e systemu pomiarowego.
3.2 Podstawowe parametry sonarów ultradźwi˛ekowych
Sonary ultradźwi˛ekowe posiadaja˛ kilka ważnych cech przez co sa˛ bardzo atrakcyjne w zastosowaniach przemysłowych (robotycznych). Nie oznacza to jednak, że nie maja˛ danych wad. Poniżej
zostana˛ zestawione najważniejsze zalety i wady.
Podstawowe zalety sonarów ultradźwi˛ekowych to:
niska cena w stosunku do innych układów sensorycznych takich jak skaner laserowy czy
systemy wizyjne
niewrażliwość na niektóre warunki otoczenia takie jak oświetlenie czy ciśnienie powietrza
z przetwornika otrzymujemy nieskomplikowana informacje w postaci amplitudy, cz˛estotliwości oraz czas przelotu fali
Podstawowe wady czujników ultradźwi˛ekowych to:
wpływ temperatury i w znacznie mniejszym stopniu wilgotności na pr˛edkość fali ultradźwi˛ekowej
stosunkowo duża szerokość wiazki
˛ ultradźwi˛ekowej, przez co utrudnia lokalizacj˛e obiektu
wewnatrz
˛ wiazki
˛
13
14
ROZDZIAŁ 3. PODSTAWOWE WŁASNOŚCI SONARÓW ULTRADŹWIEKOWYCH
˛
zasi˛eg w aerolokacji ultradźwi˛ekowej zależy od cz˛estotliwości, charakterystyk kierunkowości przetworników, mocy akustycznej nadawanej fali ultradźwi˛ekowej, własności obiektu
odbijajacego
˛
i parametrów środowiska powietrznego
rozdzielczość sonarów silnie zależy od cz˛estotliwości
wyst˛epowanie zjawiska Cross-talk1
istnienie strefy nieczułości (odległość przed czujnikiem, w której sonar nie potrafi dokonać
żadnych pomiarów)
wraz ze zwi˛ekszaniem cz˛estotliwości uzyskujemy lepsza˛ kierunkowość, ale tłumienie ultradźwi˛eków rośnie przez co tracimy na zasi˛egu
Spogladaj
˛ a˛ na wady i zalety można wywnioskować, że przetworniki ultradźwi˛ekowe posiadaja˛
wi˛ecej wad niż zalet. Jednak okazuje si˛e, że te wady można ograniczyć poprzez stosowanie odpowiednich układów elektonicznych czy przez używanie ich w grupie albo poprzez zastosowanie
specjaklnych konstrukcji mechanicznych (np. obudowy). Jednak podstawowe zalety takie jak:
niska cena, niewrażliwość na wiele czynników zewn˛etrznych czy też duża niezawodność stanowia˛
spora˛ zach˛et˛e do ich stosowania w układach sensorycznych.
3.3 Przetworniki ultradźwi˛ekowe firmy Murata
W tym punkcie zostana˛ zaprezentowane przykładowe sonary najcz˛e ściej spotykane na rynku, a
sa˛ to przetworniki firmy Murata oraz Polaroid. Jednak najbardziej uwaga poświ˛econa zostanie
przetwornikom firmy Murata ponieważ zdecydowano si˛e na użycie jednego rodzaju w niniejszej
pracy.
Obydwie firmy dostarczaja˛ przetworników z różnymi charakterystykami kierunkowymi jak
również produkuja˛ sonary do różnych wariantów pracy tylko jak nadajnik lub odbiornik albo jednocześnie jako nadajnik i odbiornik.
3.3.1 Przetwornik MA40B8R
Sonar ten jest przetwornikiem ultradźwi˛ekowym pracujacym
˛
jedynie jako odbiornik. Poniżej sa˛
wyszczególnione najważniejsze parametry:
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Rozdzielczość:
Odbiór
40 kHz
-63 dB typ., 0 dB = 10 V/Pa
-35 do 85o C
0,2 do 6 m
9 mm
Rysunek 3.1: Sonar ultradźwi˛ekowy MA40B8R
Na rys. 3.2 została przedstawiona charakterystyka kierunkowa przetwornika ultradźwi˛ekowego MA40B8R. Widać na niej, że sonar posiada dodatkowe „listki” interferencyjne. Listki te
wyst˛epuja˛ dla katów
˛
wi˛ekszych od 60o , co oznacza że odbierana fala ultradźwi˛ekowa posiada
lokalnie wi˛eksza˛ energi˛e.
1 Crosstalk - przesłuch, wzajemne zagłuszanie si˛
e sonarów, czyli odbieranie przez jeden czujnik sygnału wysłanego
przez inny, co uniemożliwia dokładny pomiar odległości
3.3. PRZETWORNIKI ULTRADŹWIEKOWE
˛
FIRMY MURATA
15
Rysunek 3.2: Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40B8R
3.3.2 Przetwornik MA40E7S-1
Przetwornik może pracować jednocześnie jako nadajnik i odbiornik. Poniżej zostana˛ przedstawione najważniejsze parametry:
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Rozdzielczość:
Maksymalne napi˛ecie wejściowe:
Nadawanie/Odbiór
40 kHz
-72 dB typ., 0 dB = 10 V/Pa
-35 do 85o C
0,2 do 3 m
9 mm
100 Vp-p
Rysunek 3.3: Sonar ultradźwi˛ekowy MA40E7S-1
Rysunek 3.4: Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40E7S-1
Charakterystyk˛e kierunkowa˛ tego przetwornika jest przedstawiona na rys. 3.4. Wida ć, że
charakterystyka ta jest dosyć szeroka, posiada jeden główny kierunek rozchodzenia si˛e fali i nie
ma „listków” interferencyjnych. Sonar ten jest wykonany w obudowie wodoszczelnej przez co
zakres zastosowań jest wi˛ekszy.
16
ROZDZIAŁ 3. PODSTAWOWE WŁASNOŚCI SONARÓW ULTRADŹWIEKOWYCH
˛
3.3.3 Przetwornik MA40MF14-1B
Czujnik ten posiada bardzo szeroka˛ charakterystyk˛e pozioma.
˛ Na rys. 3.5 sa˛ przedstawione najważniejsze jego parametry. Natomiast na rys. 3.6 znajduje si˛e charakterystyka kierunkowa tego
sonaru. Widać, że przetwornik posiada asymetryczna˛ charakterystyk˛e kierunkowa.˛ W jednym
kierunku kat
˛ rozwarcia stożka jest nieco wi˛ekszy od 30o (kier. pionowy). Natomisat w kierunku
poziomym kat
˛ stożka wynosi ok 70o . Sonar dodatkowo posiada obudow˛e wodoszczelna˛
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Rozdzielczość:
Maksymalne napi˛ecie wejściowe:
Nadawanie/Odbiór
40 kHz
-85 dB typ., 0dB = 10V/Pa
-35 do 85o C
0,2 do 1,5 m
9 mm
160 Vp-p
Rysunek 3.5: Sonar ultradźwi˛ekowy MA40MF14-1B
Rysunek 3.6: Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA40MF14-1B
3.3.4 Przetwornik MA80A1
Sonar ten posiada bardzo wask
˛ a˛ charakterystyk˛e kierunkowa˛ rz˛edu pojedynczych stopni. Jego
najważniejszymi parametrami sa:
˛
Charakterystyka kierunkowa tego czujnika jest przedstawiona na rys. 3.8. Wida ć, że czujnik
posiada bardzo wask
˛ a˛ charakterystyk˛e kierunkowa.˛ Dodatkowo przetwornik posiada jeden kierunek emisji fali przez co staje si˛e bardzo atrakcyjny do zastosowa ń np. robotycznych. Sonar ten
znacznie mniej reaguje na fale które wielokrotnie zostały odbite od równych obiektów.
3.4 Przetworniki ultradźwi˛ekowe firmy Polaroid
Firma Polaroid jest firma˛ która także dostarcza przetworników ultradźwi˛ekowych o nieco innej
budowie i charakterystykach kierunkowych
3.4. PRZETWORNIKI ULTRADŹWIEKOWE
˛
FIRMY POLAROID
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Rozdzielczość:
Maksymalne napi˛ecie wejściowe:
17
Nadawanie/Odbiór
75 5 kHz
-47 dB typ., 0dB = 18V/Pa
-10 do 60o C
0,5 do 5 m
4 mm
120 Vp-p
Rysunek 3.7: Sonar ultradźwi˛ekowy MA80A1
Rysunek 3.8: Charakterystyka kierunkowa przetwornika MA80A1
3.4.1 Przetwornik serii 600
Sonary tej serii musza˛ być zasilane bardzo wysokim napi˛eciem zarówno podczas odbioru jak i
nadawania.
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Rozdzielczość:
Maksymalne napi˛ecie wejściowe:
Nadawanie/Odbiór
47 - 65 kHz
-42 dB min
-30 do 70o C
0,15 do 10,7 m
1%
400 Vp-p
Rysunek 3.9: Sonar ultradźwi˛ekowy serii 600
18
ROZDZIAŁ 3. PODSTAWOWE WŁASNOŚCI SONARÓW ULTRADŹWIEKOWYCH
˛
Rysunek 3.10: Charakterystyka kierunkowa przetwornika serii 600
Z charakterystyki kierunkowej tej serii przetworników widać, że posiadaja˛ one dodatkowe
listki „listki” interferencyjne. Wskazuja˛ one kierunek w którym fala ultradźwi˛ekowa ma lokalnie wi˛eksza˛ energi˛e.
3.4.2 Przetworniki serii 9000
Podstawowe parametry tego przetwornika sa˛ przedstawione poniżej:
Rodzaj pracy:
Cz˛estotliwość nominalna:
Czułość:
Zakres temperatury:
Zasi˛eg:
Szerokość wiazki:
˛
Rozdzielczość:
Maksymalne napi˛ecie wejściowe:
Nadawanie/Odbiór
45 kHz
-75 dB min
-40 do 90o C
0,15 do 7 m
niesym. 17o x35o
1%
140 Vp-p
Rysunek 3.11: Sonar ultradźwi˛ekowy serii 9000
3.5. STEROWANIE PRZETWORNIKAMI ULTRADŹWIEKOWYMI
˛
19
Rysunek 3.12: Charakterystyka kierunkowa przetwornika serii 9000
Przetwornik ten posiada asymetryczna˛ charakterystyk˛e kierunkowa.˛ W jednym kierunku kat
˛
o
o
stożka wynosi 17 a w drugim 35
3.5 Sterowanie przetwornikami ultradźwi˛ekowymi
W niniejsze pracy zdecydowno si˛e na użycie przetworników MA40B8R firmy MuRata do budowy
pierścienia. Podyktowane jest to tym, że sonary pracyja˛ wyłacznie
˛
jako odbiorniki, jak również nie
jest wymagany żaden specjalistyczny układ do sterowania. Dodatkowym faktem, który przemawiał za zastosowaniem tych przetworników okazała si˛e łatwa dost˛epność jak i niski koszt budowy.
Jak już wcześniej zostało wspomniane sonary te nie wymagaja˛ żadnych układów sterowania
i w momencie gdy zostanie wysłana fala ultradźwi˛ekowa to one sa˛ w stanie ja˛ odebra ć bez żadnej wcześniejszej polaryzacji przetwornika. Jedyna˛ rzecza˛ jaka˛ trzeba zrobić to tylko wzmocnić
sygnał który został odebrany przez odbiornik.
Zastosowanie tych przetworników daje duże możliwości i różnorodność w kostruowaniu układu
wzmocnienia sygnału, jak również zmniejsza do minimum liczb˛e użytych elementów. Mówiac
˛
dokładnie wystarczy tylko wzmacniacz operacyjny (o dobrych parametrach) i kilka elementów zewn˛etrznych by zbudować poprawnie działajacy
˛ układ wzmacniajacy.
˛ Wzmocniony sygnał jest w
postaci analogowej (amplitudy napi˛ecia - kilka lub kilkadziesiat
˛ mV). Taki sygnał jest już podawany do sterownika, który zamienia sygnał analogowy na cyfrowy.
Nie oznacza to jednak, że tak prosta budowa odbiornika nie daje możliwości odbioru wielokrotnego echa. Jak już wcześniej wspomniano układ ma możliwość tylko odbioru, wi˛ec przez cały
czas jest w stanie odbierać sygnały. To czy zostanie odebrane wielokrotne echo zależy przede
wszystkim od sterownika, ponieważ on decyduje kiedy ma nastapić
˛ koniec odbierania sygnału.
Natomiast jako źródło fali ultradźwi˛ekowej użyto wcześniej zbudowany nadajnik wykorzystujac
˛ przetwornik firmy Polaroid. Jedynym zadaniem jego jest wytwarzanie fali ultradźwi˛ekowej o
cz˛estotliwości 40 kHz.
20
ROZDZIAŁ 3. PODSTAWOWE WŁASNOŚCI SONARÓW ULTRADŹWIEKOWYCH
˛
Rozdział 4
Własności propagacji fali ultradźwi˛ekowej
w powietrzu
Cechy carakterystyczne pola ulradźwi˛ekowego (kształt i rozkaład ciśnienia) zależa˛ od rodzaju ultradźwi˛eków i od cz˛estotliwości.Modelem źródła ultradźwi˛eków najlepiej reprezentujacym
˛
wi˛ekszość przetworników ultradźwi˛ekowych jest płaska i okragła
˛ płytka, która drga z jednakowa˛ amplituda˛ i cz˛estotliwościa.
˛ Ten sposób drgań jest identyczny z drganiami tłoka. Struktur˛e propagacji
fal ultradźwi˛ekowej można podzielić na dwie strefy. Jedna˛ z nich stanowi sterefa Fresnela (strefa
bliska) i strefa Fraunhofera. W strefie Fresnela najcz˛eściej pracuja˛ urzadzenia
˛
medyczne ultrasonograficzne. Strefa ta charakteryzuje si˛e tym, że pole jakie tworzy jest w przybliżeniu cylindryczne.
Wyst˛epuje także w tej strefie nierównomierny rozkład ciśnienia, który wynika z interferencji elementarnych fal kulistych pochodzacych
˛
od punktowych źródeł rozłożonych na powierzchni tłoka.
Natomiast cz˛estotliwości jakie si˛e stosuje w strefie Fresnela musza˛ spełniać poniższa˛ zależność:
a2
λ2
(4.1)
gdzie:
a - średnica przetwornika
λ - długość fali
Rysunek 4.1: Przybliżony kształt pola ultradźwi˛ekowego
Sterfa Fraunhofera (pole dalekie) zaczyna si˛e w odległości wi˛ekszej niż a2 λ w której różnica
faz dochodzacych
˛
fal elementarnych jest tak mała, że skutki interferencji przestaja˛ by ć zauważalne
a wiazka
˛
ultradźwi˛ekowa rozszeża si˛e i przybiera kształt ści˛etego stożka. Taki kształt wyst˛epuje
wtedy gdy długość fali jest mniejsza niż średnica przetwornika. Kształt i rozkład ciśnienia pola
21
22 ROZDZIAŁ 4. WŁASNOŚCI PROPAGACJI FALI ULTRADŹWIEKOWEJ
˛
W POWIETRZU
dalekiego jest określony przez charakterystyk˛e kierunkowości. Na rys. 4.2 została przedstawiona
przykładowa charakterystyka kierukowości.
Rysunek 4.2: Przykładowa charakterystyka kierunkowości
Charakterystyka kierunkowości jest krzywa˛ wykreślona˛ w układzie współrz˛ednych biegunaowym takich, że na współrz˛ednej odci˛etej prowadzonej pod pewnym katem
˛
θ odkłada si˛e stosunek
amplitudy (np. ciśnienia) fali wysyłanej przez źródło w danym kierunku do amplitudy fali wysyłanej pod katem
˛
θ = 0. Miara˛ własności kierunkowych źródeł jest kat
˛ rozbieżności charakterystyki
2α. Może on być wyznaczony z nast˛epujacej
˛ zależności (4.2) Charakterystyki kierunkowości
przetworników najcz˛eściej wyznacza si˛e na podstawie pomiaru.
Stosuje si˛e jeszcze inne określenie kata
˛ rozbieżności, mianowicie że kat
˛ rozwarcia 2α mieści
si˛e mi˛edzy punkatami na charakterystyce kierunkowości, dla których amplituda ciśnienia równa
si˛e 0,708 wartości maksymalnej (co odpowiada spadkowi o 3 dB lub obniżeniu nat˛eżenia dźwi˛eku
do połowy.
0 61λ
(4.2)
a
Ze wzoru (4.2) widać, że kierunkowość zwi˛eksza si˛e w miar˛e wzrostu cz˛estotliwości i zwi˛ekszania powierzchni promieniujacego
˛
źródła. Natomiast amplituda A(α) jest opisana zależnościa:
˛
arcsinα A α A 0 exp
gdzie:
A(0) - oznacza amplitud˛e na osi sonaru
α - aktualnie mierzony kat
˛
2α2
α20
(4.3)
4.1. WPŁYW WRUNKÓW OTOCZENIA NA WŁASNOŚCI FALI ULTRADŹWIEKOWEJ
˛
23
4.1 Wpływ wrunków otoczenia na własności fali ultradźwi˛ekowej
Transmisja sygnałów ultradźwi˛ekowych w aerolokacji ultradźwi˛ekowej zależy od parametrów
akustycznych środowiska powietrznego (pr˛edkości rozchodzenia si˛e si˛e fali ultradżwi˛ekowej i
jej tłumienia), właściwości powierzchni odbijajacej
˛ (współczynnik odbicia) i parametrów zastosowanych przetworników. Zależność temperaturowa pr˛edkości ultradźwi˛eków w powietrzu jest
nast˛epujaca:
˛
c 331 82 1 1 83 10 3t (4.4)
m s
lub
c 20 067 T
m s
(4.5)
gdzie:
t - temperatura [o C]
T - temperatura w [K]
Wraz ze wzrostem zawartości pary wodnej w powietrzu wzrasta także pr˛edkość ultradźwi˛eków
zgodnie z poniższa˛ zależnościa:
˛
c 331 82 1 2 10 3υ 1 1 83 10 3t m s
(4.6)
gdzie:
υ - wzgl˛edna wilgotność powietrza
Tłumienie
ultradźwi˛eków w powietrzu αt jest uwarunkowane lepkościa˛ αr ) i przewodnictwem
cieplny αl ). Zatem współczynnik ten wynosi:
αt
αr αl
(4.7)
Zasi˛eg w aerolokacji ultradźwi˛ekowej jest zależny od cz˛estotliwości, charakterystyki kierunkowości, mocy akustycznej ndawanej fali, właściwości obiektu odbijajacego,
˛
parametrów środowiska powietrznego i minimalnej mocy sygnału odbiorczego. Dobór cz˛estotliwości jest kompromisem pomi˛edzy zasi˛egiem a rozdzielczościa.˛ Poprzez zwi˛ekszanie cz˛estotliwości zwi˛eksza si˛e
rozdzielczość i uzyskuje si˛e coraz lepsza˛ charakterystyk˛e kierunkowa.˛ Jednak ze wzrostem cz˛estotliwości rośnie tłumienie sygnału przez co zasi˛eg jest mniejszy.
Równania zasi˛egu w aerolokacji moga˛ przybierać jedna˛ z form:
Pt
Pr
Pt
Pr
4
R
KA d 2 e2αd
KA
4π 4 2αd
d e
σ
sonda
(4.8)
aerolokac ja
(4.9)
gdzie:
PT - moc promieniowania,
Pr - moc odbierana,
d - odległość,
α - współczynnik tłumienia,
R - współczynnik odbicia,
σ - równoważna powierzchnia echa celu
Zmniejszenie amplitudy sygnału ultradźwi˛ekowego w środowisku powietrznym jest spowodowane rozprzestrzenianiem proprcjonalnym do czwartej pot˛egi odległości w układzie aerolokacyjnym, oraz tłumieniem zależnym wykładniczo od współczynnika tłumienia αt .
24 ROZDZIAŁ 4. WŁASNOŚCI PROPAGACJI FALI ULTRADŹWIEKOWEJ
˛
W POWIETRZU
Jednak podstawowym pomiarem jaki dokonuje si˛e pojedynczym sonarem jest to pomiar odległości poprzez pomiar czasu propagacji wyemitowanej fali. Dokładniej mowiac
˛ mierzy si˛e czas
jaki upływa pomi˛edzy wysłaniem a odebraniem pojedynczego echa. Na tej podstwie wyznacza si˛e
odległość do obiektu:
D
c
t
2
gdzie:
D - odległość do obiektu
c - pr˛edkość fali ultradźwi˛ekowej w danym ośrodku
t - czas przelotu od czujnika do obiektu i z powrotem
(4.10)
Rozdział 5
Układ wzmacniacza synału
ultradźwi˛ekowego
5.1 Wprowadzenie
Jednym z podstawowych celów niniejszej pracy dyplomowej jest zaprojektowanie i praktyczna
realizacja 20 wzmacniaczy somarowych, które mogłyby współpracować z istniejacym
˛
już sterownikiem.
5.2 Cel budowy wzmacniaczy sonarowych
Celem budowy dwudziestu wzmacniaczy sonarowych jest fakt, że sygnał jaki otrzymujemy z przetwornika ultradźwi˛ekowego jest bardzo słaby. Spowodowało to, że wzmacnicze te musza˛ by ć
umieszczone bardzo blisko sonarów jak również wielkość całego układu musi być jak najmniejsz,
żeby dało si˛e wykonać pierścień sonarowy.
5.3 Budowa pojedynczego wzmacniacza sonarowego
Układ wzmacniacza stanowi cz˛eść już istniejacego
˛
systemu sonarowego. W zwiazku
˛
z tym parametry wejściowe i wyjściowe zostały dostosowane do tych jakie obowiazuj
˛ a˛ w tym systemie.
Parametry wejściowe
Podstawowym parametrew wejściowym jest symetryczne napi˛ecie zasilania
5V. Drugim
parametrem wejściowym sa˛ to impulsy sterujace
˛ pochodzace
˛ ze sterownika systemu sonarowego.
Sygnały te sa˛ w standardzie TTL. Ze wzgl˛edu na fakt, że sa˛ tylko dwa sygnały sterujace
˛ aw
układzie jest wymaganych wi˛ecej sterowań przez co konieczne okazało si˛e zbudowanie układu
dekodujacego
˛
sygnałów sterujacych
˛
Parametry wyjściowe
Podstawowym celem układu wzmacniacza sonarowego jest uzyskanie wzmocnionego sygnału
jaki został odebrany z przetwornika ultradźwi˛ekowego. Nast˛epnie odpowiednio wzmocniony sygnał jest przesyłany do sterownika.
25
26
ROZDZIAŁ 5. UKŁAD WZMACNIACZA SYNAŁU ULTRADŹWIEKOWEGO
˛
Rysunek 5.1: Schemat ideowy wzmacniacza sonarowego
5.4. BUDOWA PRZEJŚCIÓWKI
27
5.3.1 Ogólna zasada działania
Schemat ideowy wzmacniacza sonarowego jest pokazany na rys. 5.1. Natomiast schemat montażowy i schemat mozaiki ścieżek jest zawarty w załaczniku
˛
A. Cały układ wzmacnaicza został
zbudowany w oparciu o trzy główne układy (CD4029, CD4051, LM833). Sercem całego układu
jest wzmacniacz operacyjny LM833. Służy on do wzmacniania sygnałów otrzymanych z sonaru.
Natomiast układ CD4029 jest to licznik którego zadaniem jest dekodowanie sygnałów sterujacych
˛
(właczanie
˛
coraz to wi˛ekszych wzmocnień oraz reakcja na sygnał resetu poczym jest załaczone
˛
najmniejsze wzmocnienie). Układ CD4051 stanowi multiplekser analogowy ośmiobitowy do którego należy załaczanie
˛
odpowiednich rezystorów by uzyskać odpowiednie wzmocnienie wzmacniacza.
Przy tak zaprojektowanym wzmacniaczu okazało si˛e, że do układu trzeba osbno doprowadzi ć
zasilanie w wyniku czego została stworzona tzw. przejściówka. Oznacza to, że układ wzmacniacza
jest podłaczany do przejściówki poprzez przewód sześciożyłowy zakończony na obu końcach wtykiem telefonicznym. Na płytce wzmacniacza jest zamontowane gniazdo telefoniczne (6p6c), które
umożliwia szybkie łaczenie
˛
wzmacniacza z przejściówka˛ w której też znajduja˛ si˛e takie gniazda.
Ze wzgl˛edu na fakt że zaprojektowany układ wzmacniacza musi być jak najmniejszy dlatego
zastosowano powierzchniowy montaż elementów.
Rozkład sygnałów w gnieździe i we wtyku (6p6c) jest przedstawiony na rys. 5.2.
Vcc dodatnie napi˛ecie zasilania dla układu wzmacniacza
Vee ujemne napi˛ecie zasilania dla układu wzmacniacza
GND - sygnał odniesienia (masa)
CLK - sygnał sterowania wzmocnieniami
RST - sygnał resetujacy
˛ układ licznika
ANLG - analogowy sygnał otrzymany jako wynik pomiaru
Sygnał CLK i RST na poszczególnych wtykach sa˛ połaczone
˛
pomi˛edzy soba.˛ Pierwszy z
sygnałów umożliwia inkremetacj˛e wzmocnienia układu wzmacniacza drugi natomiast służy do
resetowania licznika wzmocnień w dowolnym momencie i po osiagni˛
˛ eciu najwi˛ekszej wartości
(siedem bo układ wzmacniacza został wyposażony w osiem możliwych do zrealizowania wzmocnień). ANLG jest sygnałem który pochodzi z sonaru, który został wzmocniony przez wzmacniacz
operacyjny (wynik pomiaru). Sygnały Vcc Vee oraz GND sa˛ odpowiednio połaczone
˛
pomi˛edzy
soba.˛ Dodatkowo każda masa GND układu wzmacniacza jest połaczona
˛
poprzez przejściówk˛e z
masa˛ sterownika.
5.4 Budowa przejściówki
Podczas konstrukcji układu wzmacniacza okazało si˛e, że niemożliwe b˛edzie bezpośrednie podłaczenie
˛
wzmacniaczy do sterownika, ponieważ wzmacniacze wymagaja˛ symetrycznego napi˛ecia
zasilania 5V. Drugim powodem dla którego konieczna jest przejsciówka to zamiana sygnału
przesłanego ze wzmacniacza, który może mieć wartość 5V na standardoey sygnał TTL.
Parametry wejściowe
Podstawowym parametrem wejściowym jest symetryczne napi˛ecie zasilania 5V, które nast˛epnie jest przekazywane do układów wzmacniaczy. Kolejnym parametrem jest sygnał otrzymany
z układu wzmacniacza lub układów. Do przejściówki wchodza˛ także sygnały sterujace
˛ układami
wzmacniaczy (CLK i RST).
Parametry wyjściowe
28
ROZDZIAŁ 5. UKŁAD WZMACNIACZA SYNAŁU ULTRADŹWIEKOWEGO
˛
a)
b)
Rysunek 5.2: Rozkład sygnałów: a) w gnieździe telefonicznym 6p6c b) we wtyku telefonicznym
6p6c.
Najważniejszym parametrem wyjściowy jest sygnał pochodzacy
˛ ze układu wzmacniaczy, który
został przekonwertowany w przejściówce na sygnał w standardzie TTL. Kolejnymi parametrami
wyjściowymi jest symetryczne napi˛ecie zasilania, które jest dostarczane do wszystkich podła˛
czonych układów wzmacniaczy. Dodatkowymi parametrami wyjściowymi sa˛ sygnały sterujace
˛
wzmacniacz (CLK i RST).
5.4.1 Ogólna zasada działania
Przejściówka stanowi urzadzenie,
˛
które uczestniczy w przekazywaniu sygnałów od sterownika do
układów wzmacniaczy i z powrotem. Dodatkowo poprzez przejściówke wprowadzane jest niezb˛edne napi˛ecie zasilania wzmacniaczy. Z jednej strony przejściówki znajduje si˛e dwadzieścia
gniazd telefonicznych (6p6c) natomiast z drugiej strony jest dwadzieścia gniazd telefonicznych
słuchawkowych (4p4c). Schemat ideowy przejściówki sostał przedstawiony na rys. 5.3, a pozostałe schematy znajduja˛ si˛e w załaczniku
˛
B
Gniazdo telefoniczne 6p6c służy do połaczenia
˛
wzmacniaczy z przejściówka.˛ W przewodzie
łacz
˛ acym
˛
przejściówke ze wzmacniaczem płyna˛ sygnały zarówno do wzmacniacza jak i sygnały ze
wzmacniacza. Za pomca˛ gniazda telefonicznego słuchawkowego (4p4c) przejściówka jest łaczona
˛
ze sterownikiem.
Ważnym zadaniem jakie spełnia przejściówka to jest konwersja sygnału pochodzacego
˛
ze
wzmacniacza na sygnał TTL. Sygnał CLK jak również RST może być połaczony
˛
z SND lub PULS.
Do tego służa˛ zworki umieszczone na płytkach każdej przejściówki.
W przypadku przejściówki wielkość nie była prametrem krytycznym dlatego nie było konieczności stosowania elementów powierzchniowych.
Rozkład sygnałów w gnieździe jak i we wtyku 6p6c w przejściówce jest taki sam jak w wzmacniaczu i jest on przedstawiony na rys. 5.2. Natomiast na rys. 5.4 został przedstwiony rozkład
sygnałów w gnieździe i we wtyku 4p4c.
SND - sygnał inicjalizacji pomiaru
PULS - sygnał sterowania wzmocnieniami
ANLG - analogowy sygnał otrzymany jak wynik pomiaru
GND - masa układu
W przypadku sygnałów sterujacych
˛
SND i PULS nie ma żelaznej zasady który sygnał ma by ć
połaczony
˛
z linia˛ CLK czy RST. Do tego służa˛ już wcześniej wspomniane zworki. Nastomiast
5.4. BUDOWA PRZEJŚCIÓWKI
29
Rysunek 5.3: Schemat ideowy przejściówki
sygnał ANLG b˛edacy
˛ wynikiem pomiaru z przejściówki trafia do sterownika. Sygnał masy GND
wzmacniaczy jest połaczony
˛
z sygnałem masy sterownika.
Na rys. 5.5 zosał przedstawiony rozkład napi˛eć we wtyku zasilajacym.
˛
ROZDZIAŁ 5. UKŁAD WZMACNIACZA SYNAŁU ULTRADŹWIEKOWEGO
˛
30
a)
b)
Rysunek 5.4: Rozkład sygnałów: a) w gnieździe telefonicznym słuchawkowym 4p4c b) we wtyku
telefonicznym słuchawkowym 4p4c.
Rysunek 5.5: Rozkład napi˛eć we wtyku zasilajacym
˛
5.4. BUDOWA PRZEJŚCIÓWKI
31
UWAGA!!!
Zastosowane złacze
˛
zasilajace
˛ (NSG25-3) należy montować od strony elementów, ponieważ
w przeciwnym wypadku może dojść do zamiany biegunowości napi˛ecia zasilania wzmacniaczy
sonarowych.
32
ROZDZIAŁ 5. UKŁAD WZMACNIACZA SYNAŁU ULTRADŹWIEKOWEGO
˛
Rozdział 6
Pierścień sonarów ultradźwi˛ekowych
6.1 Wprowadzenie
Głównym celem niniejszej pracy jest zbudowanie pierścienia sonarowego, jak również przeprowadzenie licznych eksperymentów.
6.2 Realizacja pierścienia sonarowego
W ramach tej pracy został zbudowany pierścień sonarowy składajacy
˛ si˛e z 20 przetworników ultradźwi˛ekowych umieszczonych na okr˛egu pokrywajac
˛ w ten sposób całe otoczenie. W pierścieniu
zastosowano przetworniki typu MA40B8R firmy Murata, które sa˛ tylko odbiornikami. Natomiast
jako nadajnik wykorzystano przetwornik firmy Polroid generujacy
˛ fale ultradźwi˛ekowe o cz˛estotliwości 40 kHz. Każdy z przetworników umieszczonych na okr˛egu został wyposażony w osobny
wzmacniacz o regulowanym cyfrowo wzmocnieniu. Wszystkie te wzmacniacze sa˛ połaczone
˛
z
przejściówka˛ znajdujac
˛ a˛ si˛e w środku okr˛egu, która przekazuje odebrane sygnały dalej do wcześniej skonstruowanego sterownika. Na rys. 6.1 został przedstawiony schemat blokowy pierścienia
sonarowego.
Ważnym celem tej pracy jest wymyślenie sposobu detekcji obiektów w otoczeniu tego pierścienia. Postanowiono sprawdzić dwa sposoby detekcji obiektów. W pierwszym przypadku skorzystano ze sposobu z wykorzystaniem obudów takich jakie stosuje si˛e w technice mikrfonów
kierunkowych. Celem tego eksperymentu jest sprawdzenie na ile takie obudowy poprwiaja˛ kierunkowość sonarów i czy ma sens zastosowanie tego rozwiazania
˛
w praktyce.
Drugi sposób pomiaru polega na tym że z 20 sonarów osadzonych na obwodzie tworzy si˛e 20
??? wirtualnych sonarów składajacych
˛
si˛e z 5 rzeczywistych sonarów. Dokładniej mówiac
˛ pierwszy wirtualny sonar stanowi np. pi˛eć pierwszych sonarów a drugi wirtualny sonar zaczyna si˛e od
drugiego sonaru i kończy si˛e na szóstym itd. W wyniku czego uzyskuje si˛e w ten sposób dwadzieścia wirtualnych sonarów. Echa odebrane przez te pi˛eć sonarów sa˛ na siebie nakładane w wyniku
interferencji. W konsekwencji czego cz˛eść sygnałów pochodzacych
˛
z tych ech b˛edzie si˛e wzmacniać a cz˛eść osłabiać. Sposób ten daje możliwość dokładnego określenia kierunku pochodzenia
źródła fali, jak również w jakiej odległości znajduje si˛e od pierścienia.
Wyniki eksperymentów obydwóch metod zostały zestawione w nast˛epnym rozdziale.
33
34
ROZDZIAŁ 6. PIERŚCIEŃ SONARÓW ULTRADŹWIEKOWYCH
˛
Rysunek 6.1: Scemat blokowy wykonanego pierścienia
Rozdział 7
Wyniki eksperymentów
7.1 Wprowadzenie
Eksperymenty zostały przeprowadzone dla trzech różnych przypadków. W pierwszym eksperymencie wykorzystano różnej długości obudowy w ksztalcie rurek. Do drugiej grupy eksperymentów wykorzystanao pi˛eć sonarów tworzac
˛ tzw. jeden wirtualny sonar. Natomiast w przypadku
ostatniej grupy eksperymentów wykorzystano zbudowany w ramach niniejszej pracy pierścień sonarowy. Wynikiem tych eksperymentów sa˛ chakterystyki kierunkowe. Charakterystyki te zostały
wykonane przy wykorzystaniu specjlnie napisanej do tego celu aplikacji. Aplikacja ta została
dokładniej opisana w dodatku C.
7.2 Eksperymenty z obudowami
Wykonano dwa identyczne komplety rórek z tym, że jeden komplet posiada dodatkowo otwory o
średnicy 3 mm co 2 cm rozmieszczone wzdłuż średnicy rurek. Dodatkowo wykonano jeszcze jedna˛
rurk˛e o długości 18 cm z otworami 3 mm co 1 cm. Celem tego eksperymentu jest sprawdzenie
na ile takie obudowy sa˛ w stanie poprawić kierunkość takiego przetwornika. Na rys. 7.1 została
zamieszczona charakterystyka kierunkowa przetwornika jaka˛ uzyskano z pomiarów przy czym
odległość nadajnika od odbirnika wynoiła 200 cm.
Natomiast rys. 7.2 przedstawia charakterystyk˛e kierunkowa˛ odbiornika z obudowa˛ 10-cio cm
bez otworów.
Z rys. 7.2 widać, że już przy tak wykonanej obudowie nastapiło
˛
poprawienie kierunkowości
odbiornika. Wystapiła
˛
także niewielka niesymetryczność. Natomiast rys. 7.3 przedstawia charakterystyke dla obudowy o długości 10 cm z otworami.
Rys. 7.3 pokazuje, że charakterystyka kierunkowa odbiornika si˛e poprawiła, ale wyst˛epuja˛
dodatkowo listki interferencyjne. Oprócz tego obseruje si˛e wi˛eksza˛ asymetri˛e charakterystyki.
Asymetria może być spowodowana niezbyt precyzyjnym zamontowaniem obudowy na przetworniku. Natomiast na rys 7.4 została wykonana charakterystyka dla obudowy o długości 18 cm z
otworami rozmieszczonymi co 2 cm.
Rys. 7.4 pokazuje, że nie ma znaczacej
˛ poprawy w charakterystyce jak również wyst˛epuje
asymetria jedynie tylko nie wyst˛epuja˛ już listki interferencyjne dla wi˛ekszego kata.
˛
35
ROZDZIAŁ 7. WYNIKI EKSPERYMENTÓW
36
Charak. kier. odbiornika bezobudowy
1
Charakterystyka aproksymowana
Charakterystyka nieaproksymowana
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rysunek 7.1: Charakterystyka kierunkowa przetwornika użytego do budowy pierścienia sonarowego
Charak. kier. odbiornika z 10 cm obudowa bez otworow
1
Charakterystyka aproksymowana
Charakterystyka nieaproksymowana
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rysunek 7.2: Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 10 cm bez otworów
7.2. EKSPERYMENTY Z OBUDOWAMI
37
Charak. kier. odbiornika z 10 cm obudowa z otworami
1
Charakterystyka aproksymowana
Charakterystyka nieaproksymowana
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rysunek 7.3: Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 10 cm z otworami
Charak. kier. odbiornika z 18 cm obudowa z otwormi
1
Charakterystyka aproksymowana
Charakterystyka nieaproksymowana
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rysunek 7.4: Charakterystyka kierunkowa przetwornika z obudowa˛ 18 cm z otworami
38
ROZDZIAŁ 7. WYNIKI EKSPERYMENTÓW
7.3 Eksperymenty z pi˛ecioma sonarami
Do kolejnych eksperymentów użyto pi˛eciu sonarów tworzac
˛ jeden wirtualny sonar. Metoda ta
polega na tym, że wszystkie sonary jednocześnie odbieraja˛ echo a nast˛epnie sa˛ one na siebie nakładane przez co można wyznaczyć z którego kierunku pochodzi sygnał.
7.4 Eksperymenty z pierścieniem sonarowym
W tej grupie eksperymentów wykorzystano już zbudowany pierściń sonarowy.
OLD OLD OLD OLD OLD OLD OLD
Rozdział 8
Podsumowanie
39
40
ROZDZIAŁ 8. PODSUMOWANIE
Dodatek A
Wzmacniacz sonarowy
Ze wzgl˛edu na jak najmniejsze rozmiary układ wzmacniacza sonarowego oprócz zastosowania
montażu powierzchniowego elentów zosał wykonany na dwustronnym laminacie. Schemat montażowy wraz z mozjkami ścieżek na rys. A1 i A2. Natomiast schemat ideowy został umieszczony
w rozdziale 6.3.
Rysunek A.1: Schemat montażowy płytki wzmacniacza (strona elementów)
Na rys. A2 jest przedstawiony schemat płytki od strony złacz.
˛ Wszystkie układy wzmacniaczy
sa˛ umieszczone w obudowach z tworzywa sztucznego. Natomiast przetworniki ultradziw˛ekowe sa˛
przykr˛ecane do złacza
˛ ARK dopiero gdy wzmacniacz zostanie umieszczony w obudowie.
Płytka została zaprojektowana za pomoca˛ programu eagle
41
42
DODATEK A. WZMACNIACZ SONAROWY
Rysunek A.2: Schemat montażowy płytki wzmacniacza (strona złacz)
˛
Dodatek B
Przejściówka
Płytki przejściówki zostały także wykonane na laminacie dwustronnym z tym, że nie było konieczne stosowanie elementów do montażu powierzchniowego. Na ryskach B1 i B2 zostały przedstawione schematy montażowe wraz z mozajkami ścieżek. Natomiast schemat ideowy został
umieszcony w rozdziale 6.4.
Rysunek B.1: Schemat montażowy przejściówki (strona elementów)
Płytki przejsćiówki zostały zmotowane kaskadowo jedna na drugiej i umieszczone we wspólnej obudowie. Zasilanie płytek jest doprowadzone tylko do jednej a potem za pomoca˛ goldpinów i
gniazd umieszczonych naprzemiennie jest rozprowadzane do pozostałych płytek. Natomiast jako
główne złacze
˛
zasilajace
˛ zastosowano złacze
˛
katowe
˛
NSG25-3 wraz z gniazdem, które daje możliwość szybkiego podłaczenia
˛
zasilania.
Płytki te zostały także zaprojektowane przy użyciu programu eagle.
43
44
DODATEK B. PRZEJŚCIÓWKA
Rysunek B.2: Schemat mozajki ścieżek przejściówki
Dodatek C
Aplikacja do wykonywania charakterystyk
kierunkowych
Do wykonywania charakterystyk kierunkowych została specjalnie napisana aplikacja przy wykorzystaniu biblioteki Qt. Aplikacja ta przede wszystkim dostarcza interfejsu by móc sprawniej
wykonywać charakterystyki (nie tylko kierunkowe). Wykorzystuje ona aplikacj˛e GNUPlot w wyniku czego uzyskuje sie charakterystyk˛e. Na rys. C1 został przedstawiony podstawowy interfejs
aplikacji.
Rysunek C.1: Aplikacja ułatwiajaca
˛ wykonywanie wykresów
Głównym elementem tej aplikacji jest linia komend, w której podaje si˛e komendy przeznaczone dla GNUPlota w celu późniejszego wykonania ich. Komendy sa˛ przekazywane do GNUPlota poprzez potok w postaci pliku wsadowego. Kolejna˛ ważna˛ rzecza˛ jaka˛ daje aplikacji to
jest możliwość zapiania wykonanych wykresów do pliku jako PostScript. Można także zapisa ć
komendy do pliku, jak również można je wczytywać z pliku.
Dodatkowo można sobie wygenerować stopnie od 0 do 180 z tym że podaje si˛e liczbe kroków
a nie stopni (jeden krok = 0 9 ) wi˛ec zakres kroków wynosi od -100 do 100 kroków
45
46DODATEK C. APLIKACJA DO WYKONYWANIA CHARAKTERYSTYK KIERUNKOWYCH
Bibliografia
[1] J. Klahold, J. Rautenberg, and U. Rückert ". Continous sonar sensing for mobile mini-robots.
pages 323 – 328, Washington, DC, May 2002.
[2] A. Ming, K. Kajihara, M. Kajitani, and M. Shimojo. Development of a rapid obstacle sensing
system using sonar ring for mobile robot. pages 3068 – 3073, Washington, DC, May 2002.
[3] H. F. Olson. Directional microphones. pages 190 – 192, RCA Laborattories, Prinston, New
Jersey.
[4] S. Shoval and J. Borenstein. Using coded signals benefit from ultrasonoc sensor crosstalk in
mobile obstacle avoidance. pages 2879 – 2884, Seoul, Korea, May 2001.
[5] T. Yata, A. Ohya, and S. Yuta. A fast and accurate sonar-ring sensor for a mobile robot. In
Proceedings of IEEE Inter. Conference on Robotics and Automation, pages 630 – 636, Detroit,
Michigan, May 1999.
[6] T. Yata, A. Ohya, and S. Yuta. Fusion of omni-directional sonar and omni-directional vision
for environment recognition of mobile robots. In Proceedings of IEEE Inter. Conference on
Robotics and Automation, pages 3931 – 3938, San Francisco, California, April 2000.
47