Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015

Studentská tvůrčí a odborná činnost

STOČ 2015

ULTRAZUKOVÉ VIDĚNÍ PRO ROBOTICKÉ APLIKACE

Bc. Libor SMÝKAL

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky Nad Stráněmi 4511 760 05 Zlín

23. dubna 2015 FAI UTB ve Zlíně

STOČ 2015 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 23. dubna 2015, FAI UTB ve Zlíně

Klíčová slova: ultrazvuk, ultrazvukové vidění, detekce objektu Anotace: Tato práce se zabývá ultrazvukovým vidění s využitím více senzorů. Součástí práce bylo navrhnout schema zapojení a desku plošných spojů. Dále byly implementovány základní SW rutiny pro vysílání a příjem ultrazvukového signálu a byl navrhnut algoritmus pro analýzu jednoduchých scén s jednou překážkou.

2


Obsah 1. Ultrazvuk................................................................................................................ 4 2. Ultrazvukové měniče ............................................................................................. 4 3. Napájení ................................................................................................................. 5 4. Vysílací část ........................................................................................................... 6 5. Přijímací část .......................................................................................................... 7 6. Určení polohy objektu............................................................................................ 8 7. Princip funkce ........................................................................................................ 9 Literatura ......................................................................................................................... 10

3


1.

Ultrazvuk

Ultrazvuk je mechanické kmitání částic kolem svých rovnovážných poloh v určitém prostředí. Ultrazvuk se tedy šíří prostředím pomocí přenosu energie mezi jednotlivými částicemi. Za ultrazvuk uvažujeme vlnění o frekvenci větší než 16 kHz. Rychlost šíření ultrazvukového vlnění v daném prostředí je závislá na elasticitě prostředí a jeho hustotě. V našem případě je prostředím vzduch, v němž je rychlost šíření akustických vln přibližně 346 m/s, viz. Tabulka 1. Změny podmínek, za nichž se akustická vlna šíří, např. teploty, vlhkosti či tlaku vzduchu způsobují změnu rychlosti šíření zvuku a jsou zdrojem chyb měření. Tabulka 1: Rychlost šíření zvuku Látka Vodík Oxid uhličitý Kyslík vzduch vzduch Voda Led Měď Ocel

2.

Teplota (°C) 0 25 25 0 25 25 -4 20 20

Rychlost (m.s-1) 1270 259 316 331,4 346,3 1440 3250 3500 5000

Ultrazvukové měniče

Existuje velké množství ultrazvukových měničů, které se liší kmitočtem, intenzitou generovaného signálu, citlivostí, směrovými charakteristikami apod. Při výběru přijímače a vysílače je nutné dodržet to, aby oba pracovali na shodné frekvenci. Je tedy nutné vybrat senzory stejného typu a od stejného výrobce.

Obr. 1. Ultrazvukový měnič 400ST/R160 Pro realizace byly vybrány ultrazvukové měniče v hliníkovém pouzdře od firmy ProWave Electronics typ 400ST160 pro vysílač a typ 400SR160 pro přijímač. Jedná se o piezoelektrické měniče, pracující na frekvenci 40 kHz. Intenzita generovaného 4


ultrazvukového signálu vysílačem je 120 dB a citlivost přijímače je -65 dB. Citlivost měniče je nejlepší na frekvenci 40 kHz, při změně frekvence citlivost velmi rychle klesá. Provozní teplota se pohybuje od -30°C do 80°C. Na Obr. 5 je znázorněna směrová vyzařovací charakteristika měniče, s úhlem vyzařování 55°.

Obr. 2. Směrová vyzařovací charakteristika 3.

Napájení

Celý systém může být napájen z externího zdroje proudu od napětí 13 V do 25 V, ze kterého je pomocí lineárního stabilizátoru IC1 získáno napětí 12 V. Toto napětí je také možné přivést přímo z externího akumulátoru. Tímto napětím je napájena výkonová část pro buzení ultrazvukových měničů. Dále je z tohoto napětí získáno pomocí lineárního stabilizátoru IC2 napětí 3,3 V pro analogovou část systému. Tímto napětím jsou napájeny A/D převodníky mikropočítače a operační zesilovače zesilující napětí vytvořené přijímačem odraženého ultrazvukového signálu. Napětí 3,3 V používané pro napájené mikropočítače a dalších obvodů je získáno pomocí spínaného zdroje, nebo pomocí lineárního stabilizátoru IC4, který nebude v konečné verzi desky, a je využívám pouze při vývoji.

5


Obr. 3: Schéma zapojení napájecí části 4.

Vysílací část

Ultrazvukový měnič je buzen signálem o kmitočtu 40 kHz, který je generován mikropočítačem pomocí čítače/časovače. Tento generovaný signál má malé napětí, pouze 3,3 V, kterým není vhodné ultrazvukový měnič budit. Při buzení měniče vyšším napětím totiž dosáhneme většího vyzařovacího výkonu. Z tohoto důvodu je generovaný signál nejdříve zesílen na napětí 12 V, kterým je ultrazvukový měnič buzen. Zesílení je realizováno pomocí operačního zesilovače.

Obr. 4: Zapojení vysílací části

6


5.

Přijímací část

Vzhledem k tomu, že přijatý signál z ultrazvukového měniče je velmi slabý (řádově jednotky mV), je signál zesílen pomocí operačního zesilovače. Je použit nízko šumový dvoustupňový operační zesilovač LVM772MA. Pro minimalizaci rušení jsou u zesilovačů použity keramické blokovací kondenzátory. Oba stupně zesilovače jsou zapojeny jako invertující. Zesílení prvního stupně je -10 (20 dB) a zesílení druhého stupně je -47 (33 dB). Celkové zesílení je potom 470 (53 dB). Příklad výpočtu zesílení pro první stupeň

R6 10  103 A   10  20  log(10)  20 dB R9 1  103

(1)

Obr. 5: Zapojení přijímací části – dvoustupňový zesilovač 5.1

Detekovaný signál Na Obr. 5 je znázorněn typický průběh detekovaného signálu přijímačem ultrazvuku od jednoho objektu. Od času 0 µs je detekován signál vyvolaný vysílačem, který se po dokončení vysílání ustálí. V čase 300 µs je potom detekován odražený signál.

Obr. 6: Ukázka detekovaného signálu [1] 7


6.

Určení polohy objektu

Při použití jednoho snímače, nedokážeme určit polohu objektu A, a dokonce ani počet objektů, odrážejících ultrazvukový signál. Objekt A může být totiž umístěný kdekoliv na kružnicovém oblouku s poloměrem naměřené vzdálenosti. Tuto situaci můžeme vidět na Obr. 7. Vzniká tedy neurčitost polohy objektu odrážejícího ultrazvukový signál.

Obr. 7: Neurčitost polohy objektu [2] Tuto neurčitost polohy můžeme odstranit použitím více senzorů vzájemně posunutých o určitou vzdálenost viz Obr. 8. S využitím dvou senzorů dokážeme určit polohu objektu ve 2D prostoru, který je v místě, kde se kružnicové oblouky od jednotlivých snímačů protnou.

Obr. 8: Určení polohy objektu Pro určení polohy objektu ve 3D prostoru potřebujeme minimálně 3 snímače, další snímače navíc tuto polohu pouze zpřesňují. Princip je úplně stejný jako ve 2D s tím rozdílem, že poloha detekovaného objektu je někde na povrchu koule o poloměru naměřeného času. 8


7.

Princip funkce

Systém využívá 4 dvojice (vysílač-přijímač) ultrazvukových snímačů, umístěných do čtverce ve vzdálenosti 15 cm viz Obr. 9.

Obr. 9: Foto desky Vysílání signálu probíhá postupně, po jednotlivých vysílačích. Frekvence ultrazvukového signálu je 40 kHz. Vždy po odeslání dávky signálu o pěti kmitech z jednoho vysílače se čeká na příjem dat viz Obr. 10. Poté se celý postup opakuje s dalším vysílačem.

Obr. 10: Teoretická ukázka vyslání dávky pulzů a příjem odraženého signálu [3] Signál detekovaný přijímačem je po zesílení navzorkován A/D převodníkem mikropočítače s frekvencí 160 kHz. Dále jsou z navzorkovaných dat vytvořeny průměrné hodnoty po časových úsecích odpovídající 25 µs. Tato doba odpovídá 1 periodě signálu na frekvenci 40 kHz a současně odpovídá vlnové délce λ, které určuje rozlišovací schopnost. Index periody nám potom udává čas, ze kterého lehce vypočítáme vzdálenost, a hodnota nám 9


udává intenzitu detekovaného signálu. Tyto data jsou poté odeslána pomocí sériové komunikace do počítače na další zpracování. Vzdálenost, kterou zvuku urazí za 1 s při 20 °C je 340 m. Za 25 µs potom urazí vzdálenost 8,5 mm. Podle výše uvedeného, nám potom hodnota za jednu periodu udává odraz jedné kuloplochy vzdálené n  8.5 mm , kde n je index periody.

Obr. 11: Ukázka detekovaného objektu v matici Algoritmus potom funguje následovně. Do 3D prostoru, který je reprezentován trojrozměrnou maticí, jsou vykresleny (vnásobeny) podle rovnice 2 jednotlivé kuloplochy, které mají hodnotu periody a mají poloměr n  8.5 mm . (2) Tento postup provedeme pro všechny kuloplochy od všech senzorů. Polohu detekovaného objektu potom vyznačuje extrém (maximum) v matici, který vznikl protnutím kuloploch (opakovaným vynásobením jedné buňky matice více kuloplochami). Literatura [1] Air-Coupled Piezoelectric Transducers with Active Polypropylene Foam Matching Layers. [online]. [cit. 2015-04-22]. Dostupné z:http://www.mdpi.com/14248220/13/5/5996/htm [2] HANZEL, Jaroslav a JURIŠICIA. Experimentálna identifikácia parametrov ultrazvukového diaľkomeru. [online]. [cit. 2015-04-22]. Dostupné z: http://www.idbjournal.sk/buxus/docs/casopisy/atp_plus/plus_2006_2/plus23_31.pdf [3] What Is Ultrasonic Ranging?. [online]. [cit. 2015-04-22]. https://www.westfloridacomponents.com/blog/what-is-ultrasonic-ranging/

Dostupné

z:

10

Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015

Recommend Documents