УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАДАР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА

ULTRASONIC RADAR WITH THE ABILITY TO EVALUATE THE PARAMETERS OF THE OBJECT

Andrey Parfenov

student, Department of Radio Engineering, Smolensk State University,

Russia, Smolensk

Yaroslav Volodchenkov

student, Department of Radio Engineering, Smolensk State University,

Russia, Smolensk

Evgeny Tsaregorodtsev

Scientific supervisor, candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Smolensk State University,

Russiaation, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Целью данной научной работы является описание подхода к проектированию ультразвукового радара с возможностью проведения испытаний для оценки параметров объекта. Используя современное программно-аппаратное обеспечение создана, работоспособная система, которая на первоначальном этапе – имеет возможность оценить факт наличия (отсутствия) объекта в зоне ультразвуковой видимости. В дальнейшем можно проводить исследования по оценке параметров объекта на основе ультразвуковых волн (дальность до объекта; его протяженность и геометрия и т.д.).

ABSTRACT

The purpose of this scientific work is to describe an approach to the design of an ultrasonic radar with the possibility of conducting tests to assess the parameters of the object. Using modern software and hardware, a workable system has been created, which at the initial stage has the ability to assess the fact of the presence (absence) of an object in the ultrasonic visibility zone. In the future, studies can be carried out to assess the parameters of an object based on ultrasonic waves (distance to the object; its length and geometry, etc.).

Ключевые слова: ультразвуковой радар, радиотехника, параметры объекта, зона видимости, эхолокация, отражение, преломление, рассеяние.

Keywords: ultrasonic radar, radio engineering, object parameters, field of view, echolocation, reflection, refraction, scattering.

Современные возможности программного обеспечения и аппаратных средств в последние десятилетия значительно возросли. Время требует дальнейшего развития науки и техники, что несомненно оказывает влияние на   развитие и совершенствование автоматических систем управления, беспилотных воздушных и наземных систем, робототехники и т.д.

Интерес вызывают способы, основанные на различных физических принципах с целью определения параметров удаленных объектов, начиная от факта – есть или нет объект и заканчивая его физическими параметрами. Принцип действия любого радара – эхолокация. В зависимости от применяемых волн выделяют звуковую локацию (ультразвуковую), радиолокацию и оптическую локацию. При этом принцип действия локаторов имеют свои особенности. Их работа происходит в импульсном режиме. Вначале излучается мощный импульс. В противном случае энергия быстро рассеивается в пространстве, так и не успев дойти до какого-нибудь препятствия. Затем наступает пауза – время, в течение которого ожидается ответ. Параметры (глубина) разведки связана именно с такими параметрами, как мощностью импульсов и паузами между ними. В проекте поставлена задача работы с ультразвуком.

Ультразвук (УЗ) – это звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемым ухом человека (20 000 Гц). Ультразвук применяется очень широко. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на УЗ-частотах позволяет с небольшими погрешностями определять тепловые характеристики быстропротекающих процессов, упругие свойства и т.д. [1]. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей. Необходимо четко понимать, что при прохождении УЗ через материалы с различными акустическим сопротивлением и скоростью распространения волн проявляются отражение, преломление, рассеяние и поглощение. Интерес вызывает исследование вопросов, связанных с интенсивностью отраженного УЗ и прошедшего границу сред в зависимости, например, от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение. Если длина волны сопоставима с неровностями или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание УЗ.

Для таких исследований необходимо создать лабораторный макет, использующий в своей работе программно-аппаратные принципы. Принцип его действия показывает рис.1.

Рисунок 1. Принцип действия ультразвукового дальномера

Существует много разных модификаций подобных устройств, но все они работают по принципу измерения времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно. Скорость звука в некоторой среде величина постоянная, но зависящая от плотности среды. Зная скорость звука в воздухе и время полета звука до цели, можно рассчитать пройденное звуком расстояние по формуле:

S(t)=V*t,                                                                                                (1)

где v — скорость звука в м/с, а t — время в секундах.

Конструктивные особенности дальномера:

во-первых, чтобы звук хорошо отражался от препятствий, датчик должен излучать ультразвук с частотой 40 кГц. Для этого в датчике имеется пьезокерамический излучатель, который способен генерировать звук такой высокой частоты;

во-вторых, излучатель устроен таким образом, когда звук распространяется не во все стороны, а в узком направлении. На рис.2 представлена диаграмма направленности типового УЗ дальномера.

Рисунок 2. Форма диаграммы направленности УЗ дальномера

В проекте работа велась с датчиком HC-SR04 и контроллером Arduino Uno R3 Micro-USB. Дальномер имеет возможность измерять расстояние от 1-2 см до 4-6 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см. Принципиальная схема макета показана на рис.3.

Рисунок 3. Принципиальная схема макета

Программно-аппаратный инструментарий позволяет собрать устройство (систему) в виде лабораторного макета и написав физически реализуемый программный код, прошить им используемый микроконтроллер.

Физика работы устройства поясняет рис.4 [2].

Рисунок 4. Физика работы макета

Для начала измерения необходимо сгенерировать на выводе Trig положительный импульс длиной 10 мкс. Вслед за этим, передатчик излучит из серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo, перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала. Как только дальномер “почувствует”, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo.

Необходимо выполнить две задачи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по выражению (1). В рамках проекта был разработан соответствующий алгоритм, представленный в табл. 1.

Таблица 1

Алгоритм

Рабочий лабораторный макет с возможностью наблюдения работы УЗ дальномера на ПЭВМ показан на рис.5.

Натурные испытания показали его полную работоспособность, о чем свидетельствует изображение на экране монитора. Красная засветка на экране фиксирует объект, находящийся в зоне действия УЗ-датчика. В данном случае решена задача обнаружения объекта в зоне действия лабораторного макета.

Рисунок 5. Лабораторный макет

Используя предоставленное устройство можно решать и другие задачи с целью, например, идентификации объекта и определения его параметров – фронтальную протяжённость (ширину); тип объекта. Все это представляет научный интерес и определяет тренд дальнейших исследований.

Список литературы:

1. Пёрышкин А.В., Гутник Е. М. Физика – 9 – М.: Дрофа, 2014 – 300 с.
2. https://robotclass.ru/tutorials/arduino-sonic-hc-sr04.