ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
BAKALÁSKÁ PRÁCE Vyhodnocení akustického signálu detektoru kov
2009
Jan Roun
ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mení
BAKALÁSKÁ PRÁCE Vyhodnocení akustického signálu detektoru kov
Vedoucí práce Ing. Michal Janošek
Autor Jan Roun Praha 2009
(MÍSTO TÉTO STRÁNKY ORIGINÁL ZADÁNÍ)
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakaláskou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v piloženém seznamu. Nemám závažný dvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona .121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmn nkterých zákon (autorský zákon).
V Praze dne ………………………. ……………………………………. podpis
i
Podkování Dkuji pedevším vedoucímu své bakaláské práce Ing. Michalu Janoškovi za odborné vedení práce, pozitivní pístup a za cenné rady a pipomínky. Dále pak všem, kteí pispli k dokonení této práce. V neposlední ad dkuji i svým rodim a pítelkyni za podporu a trplivost bhem tvorby této bakaláské práce.
ii
Anotace Cílem této bakaláské práce je analyzovat výstupní zvukový signál z detektoru kov. K mení frekvence a amplitudy akustického signálu byl vytvoen mící systém v grafickém programovém prostedí LabView. Dále tento systém zpracovává data o výšce hlavy detektoru nad meným objektem, která jsou získávána z dálkomrného modulu. S pomocí vytvoeného programu se poté provádí experimentální mení s rznými testovacími objekty v rzných hloubkách. Z výsledk mení se nakonec uruje, v jakém rozsahu je možné rozpoznání pedmtu z daného akustického signálu.
Annotation The objective of this bachelor thesis is to analyze the audio signal from the metal detector. The measure system for the measurement of the frequency and amplitude of acustic signal has been created in graphics programme environment LabView. This system also process the data about the height of the detector coil above the measured object. The foregoing data are obtained by a telemetric module. After that, the created programme
is used for the
experimental measurement of various test objects in different depths. Consequently, the results of the measurement help to establish a recognition volume of the object from the acoustic signal.
iii
Obsah 1.
Kapitola ........................................................................................... 1
Úvod ............................................................................................................. 1 1.1 Úkol vlastní práce ........................................................................2 2.
Kapitola ........................................................................................... 3
Pístrojové vybavení a popis problému ....................................................3 2.1 Detektor kov ............................................................................... 3 2.1.1 Rušivé vlivy a jejich odstranní ...................................... 4 2.1.2 Kontrola a kalibrace detektoru ........................................ 4 2.2 Dálkomr ...................................................................................... 5 2.3 Modul pro sbr dat NI USB-6212 ................................................. 6 2.3.1 Analogový vstup ............................................................. 7 2.3.2 Digitální vstup / výstup ....................................................8 2.3.3 Digitální trigger ................................................................8 2.4 Celkové zapojení dálkomru a detektoru kov s PC ....................9 2.5 Synchronizace dat ...…............................................................... 11 3.
Kapitola ........................................................................................... 14
Programová realizace ...............................................................................14 3.1 Vlastní program........................................................................... 14 3.1.1 NI LabView ................................................................... 14 3.2 Simulaní schéma....................................................................... 15 3.2.1 Zpracování dat z dálkomru ......................................... 15 3.2.2 Zpracování dat z detektoru kov .................................. 17 3.3 Ovládání ..................................................................................... 18 3.4 Formát ukládaných dat ...............................................................20 4.
Kapitola............................................................................................ 21
Výsledky mení ....................................................................................... 21 4.1 Mení v laboratoi ..................................................................... 21 4.2 Výpoet rychlosti pohybu hlavy detektoru .................................. 23 4.3 Externí mení 1 .........................................................................25 4.4 Externí mení 2 .........................................................................29 4.5 Porovnání s pímým mením pomocí lock-in zesilovae .......... 31 iv
5.
Kapitola ........................................................................................... 33
Závr .......................................................................................................... 33 Seznam použité literatury a internetových odkaz................................ 35 Seznam obrázk ....................................................................................... 36 Píloha: Celkové mící systém ...............................................................38 Obsah piloženého CD ............................................................................. 39
v
1. Kapitola Úvod Detektory kov se uplatují jak v profesionální tak i v amatérské form. V minulosti tomu však tak nebylo; detektory kov byly využívány pouze vojenskými, policejními a v nkterých pípadech i bezpenostními složkami. Vojenským složkám slouží pedevším pro vyhledávání výbušnin, policejním a bezpenostím složkám pro vyhledávání zbraní a jiných nebezpených pedmt. V dnešní dob jsou detektory kov již cenov dostupnjší i pro širší veejnost a mnoho lidí je používá pro hledaní militárií, poklad nebo napíklad archeologických nález. Velmi rozšíené uplatnní nacházejí detektory kov zejména v prmyslu. Slouží napíklad k ochran technologie ped poškozením kovovými pedmty i k zajištní vysoké kvality výrobk. Z hlediska principu lze detektory kov rozdlit do 4 hlavních skupin: 1. Detektory s vyváženou indukností 2. Pulsní detektory 3. Detektory se záznjovým oscilátorem (BFO – beat frequency oscillator) 4. Magnetometr Pulsní detektory a detektory se záznjovým oscilátorem mají hlavní oblast využití u minohledaek a hleda kabel v zemi, avšak druhý jmenovanný detektor se vzhledem k jednoduchosti konstrukce nehodí pro profesionální použití. Magnetometry se využívají pedevším pi archeologickém przkumu. Pro drtivou vtšinu dnešních detektor je charakteristické, že mají akustickou indikaci a to bu pomocí sluchátek i mikrofonu. Nkteré, vtšinou dražší pístroje, jsou vybaveny také vizuální indikací, napíklad pomocí rukového midla nebo displeje. Pro mení v laboratoi . 73 byl využit detektor kov Schiebel ATMID, který je vybaven práv akustickou indikací. Jedná se o detektor s vyváženou indukností. Princip innosti je popsán v kapitole 2.
1
1.1 Úkol vlastní práce Tato práce se zabývá návrhem mícího systému v programovém prostedí LabView. Tento systém je uren k tomu, aby zpracovával data z dálkomru a souasn akustický signál z detektoru kov. Hlavním zámrem této práce je zjistit, v jakém rozsahu a s jakou pesností je možné z akustického signálu rozeznat velikost a vzdálenost hledaného pedmtu od hlavy detektoru. Dalším cílem je poté pomocí tchto výsledk urit, zda je možné využít stávající elektroniku minohledaky. Seznámení s jednotlivými ástmi pístrojového vybavení je popsáno v kapitole 2, kde je také vysvtlen stžejní problém celé práce, a tím je synchronizace dat z dálkomru a frekvence a amplitudy získané z akustického signálu. Je zde také popsáno celkové propojení jednotlivých ásti. Dalším úkolem je sestavení a popis samotného mícího systému. Jednotlivé ásti systému, jeho ovládání a zpsob zpracovávání hodnot je popsán v kapitole 3. Pomocí mícího systému se získají data ze standartních testovacích objekt. Z tchto dat jsou poté vytvoeny grafy, ze kterých se zjišuje tvar pedmtu a jeho vzdálenost od hlavy detektoru. Namené výsledky a jejich porovnání se nacházejí v kapitole 4. Poslední pátá kapitola obsahuje vyhodnocení této bakaláské práce.
2
2. Kapitola
Pístrojové vybavení a popis problému Tato kapitola se bude nejdíve vnovat popisu nejdležitjších ástí vybavení, které jsou nutné pro realizaci mení akustického signálu a mení vzdálenosti minohledaky od testovacích objekt. Hlavní ástí je poté popis synchronizace pijímaných dat.
2.1 Detektor kov Jak již bylo eeno v úvodu, k mení byl použit detektor kov ATMID od firmy Schiebel. Pracuje na principu vyvážené induknosti, který je uveden na obr. 2.1. Tento pístroj má v hledací sond dv cívky: jednu budící (Transmitting coil) a druhou snímací (Receiving coil). Budící cívka je napájena signálem (Sinewave generator), který kolem ní vytváí stídavé magnetické pole. Snímací cívka se nachází v tomto poli a pomocí elektroniky (Ground Balance Processor) je vyvážena tak, aby na výstupu vyhodnocovacích obvod bylo za normálních okolností (bez pítomnosti kovu) nulové naptí. Piblíží-li se kovový pedmt (Target) do urité vzdálenosti, definované mimo jiné rozložením cívek, naruší pole, což zpsobí rozvážení a píslušnou odezvu k upozornní
obsluhy
pítomnost.
Tato
na
jeho
odezva
je
reprezentována daným akustickým signálem. Detektor pracuje jako systém MOTION (pohybový). To znamená, že je nutný pohyb sondy vi hledanému pedmtu, aby se objevil na
výstupu
Rychlost
akustický
hlavy
detektoru
signál. vi
kovovému pedmtu musí být mén než 1 m·s-1 a více než 0,2 m·s-1, aby bylo možné vyhledat i menší kovové pedmty. Obr. 2.1 Princip detektoru kov s vyváženou indukností
3
2.1.1 Rušivé vlivy a jejich odstranní Jednou ze schopností detektoru je vylouení falešných signál, které jsou zpsobené vlivem zem. Kapacitní efekty zpsobené zemí je možné vylouit použitím Faradayova stínní kolem cívek, avšak vtšina pd obsahuje podíl oxidu železa, což zpsobuje signály podobné jako pi výskytu magnetického materiálu. Kvli tomuto efektu obsahuje minohledaka již výše zmínný prvek, tzv. Ground Balance Processor.
2.1.2 Kontrola a kalibrace detektoru Pi každém zapnutí minohledaky provádí elektronická jednotka kontrolu kalibrace. Díky ní se detektor pi kalibraci pizpsobí pípadné pítomnosti kovového pedmtu i výskytu elektromagnetického záení v okolním prostedí. Na obr. 2.2 je vývojový diagram kontroly minohledaky pi zapnutí. Kompletní návod k ovládání detektoru a popis jednotlivých ástí je uveden v [6]. Všeobecné informace o minohledakách lze nalézt nap. v [10], [11], [12] a [13].
Obr. 2.2 Vývojový diagram kontroly detektoru kov pi kalibraci
4
2.2 Dálkomr Dalším z ady použitého pístrojového vybavení je optoelektronický dálkomr vyrobený kolegou Janem Vyhnánkem. Na obr. 2.3 je vidt dálkomr pipojený pomocí devného polohovadla k hlav detektoru kov. Dálkomr obsahuje dv identická idla, která mají obchodní oznaení GP2Y0A21 a jsou vyrobeny firmou SHARP. Jejich mící rozsah vzdálenosti je dle uvedené katalogové hodnoty od 10 cm do 80 cm. Každý senzor má pibližnou maximální chybu ±3 cm. Použitím dvou senzor se tato maximální chyba ješt o nco sníží. Další výhodou použití dvou idel je možnost mit úhel natoení. Tato funkce však pi našem mení nebyla využita. Více informací nejen o senzorech vzdálenosti viz. [1] a [3]. Hlava
detektoru
a
dálkomr
jsou
oddleny
pomocí
polohovadla
kvli
nezanedbatelnému obsahu kovu a možnému rušení datovou resp. napájecí sbrnicí. Pokud
by
byl
dálkomr
pipevnn
pímo
na
detektoru,
docházelo
by
k elektromagnetickému rušení a detektor by se nezkalibroval. Zkušebním mením bylo zjištno, že pi nenapájeném dálkomru se minohledaka zkalibruje a pitom se nezmní její citlivost, avšak po zapnutí dálkomru dochází k velkému rušení a kalibrace neprobhne úspšn. Proto jsou tato dv zaízení propojena devným držadlem ve vzdálenosti nejmén 6 cm. Vzhledem k tomu, že výška hlavy detektoru je pibližn 3 cm, bylo poteba pomocí kalibraního programu, vytvoeném v programovém prostedí LabView, nastavit offset senzor pibližn na 9 cm. Tato vzdálenost je sice menší než minimální katalogová hodnota 10 cm, ale na další mení to vliv nemlo.
Obr. 2.3 Dálkomr pipojený k sond detektoru kov
5
2.3 Modul pro sbr dat NI USB-6212 USB-6212 je 16-bitová multifunkní mící karta od firmy National Instruments. Obsahuje 16 analogových vstup, 2 analogové výstupy a 32 obousmrných digitálních linek. Na obr. 2.4 je zobrazena mící karta a její možnosti pipojení.
Obr. 2.4 Modul NI USB-6212
Modul je díky své velikosti (rozmry: 17cm x 9,5cm x 3,1cm) uren speciáln pro mobilní aplikace nebo pro aplikace v menších prostorech. Nepotebuje externí zdroj napájení. Nkteré dležité parametry mící karty jsou uvedeny v tab. 2.1. Více informací lze nalézt v [9]. Analogový vstup Vzorkovací frekvence 400 kHz Rozlišení 16 bit Max. rozsah naptí -10 V ... 10 V Digitální I/O Logické úrovn TTL Maximální vstupní rozsah 0 ... 5,25 V Maximální výstupní rozsah 0 ... 3,8 V Tab. 2.1 parametry modulu NI USB-6212
Pro naše mení byl modul využit pro pipojení analogového audio signálu z minohledaky k poítai PC. K mící kart byl dále pipojen na digitální vstup signál z dálkomru zajišující synchronizaci.
6
2.3.1 Analogový vstup Na obr. 2.5 je zobrazeno blokové schéma analogového vstupu mící karty. Pes vstupn / výstupní svorku (I/O Connector) je možné pipojit analogový signál. Karta má jeden AD pevodník (ADC), který pevádí vstupní naptí na íslicovou informaci ve formátu dat. Multiplexor (MUX) pipojuje jednotlivé analogové vstupy AI . Signál z AI je ješt zesílen i zeslaben v programovatelném zesilovai (NI-PGIA) tak, aby bylo zajištno maximální rozlišení AD pevodníku. Za AD pevodníkem je zaazena vyrovnávací pam typu fronta AI FIFO (First In – First Out), která bhem mení zajišuje, aby nedošlo ke ztrát dat.
Obr. 2.5 Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212
Blok nastavení referenní zem analogového vstupu (AI Ground-Reference Settings) kontroluje, jakým zpsobem jsou pipojeny vstupní signály k modulu. Vybírá se jeden ze tí vstupních mód: -
rozdílový (diferenciální) režim (DIFF)
-
referenní uzemnný režim (RSE)
-
nereferenní uzemnný režim (NRSE)
Každý vstupní kanál mže využívat jiný režim. Napíklad je možné nastavit snímání 12 kanál, piemž 4 mají nastavený rozdílový režim a 8 kanál má nastavený referenní uzemnný režim (tzv. nesymetrické zapojení, kladný pól na vstup AI a záporný na zem GND). Pro naše mení bylo použito diferenciální zapojení (kladný pól na vstup AI+ a záporný na vstup AI-). Vstupní signál byl pipojen na svorky AI1 a AI9. Zapojení je znázornno na obr. 2.6.
7
Obr. 2.6 Diferenciální zapojení vstupního signálu
2.3.2 Digitální I/O Blokové schéma digitalního I/O je zobrazeno na obr. 2.7. Mící modul NI USB6212 obsahuje 32 digitálních linek, z toho 16 jich mže být použito jako digitální vstup/výstup a 16 jako vstupní nebo výstupní PFI(Programmable Function Interface) signál nebo opt jako digitální I/O. Pomocí PFI vstupu se k mící kart pipojuje nap. zdroj digitálního triggeru. Každá ze svorek mže být použita jako vstupní i jako výstupní. Digitální signál je chránn proti peptí, podptí a elektrostatickému výboji. Tuto ochranu zajišuje blok I/O Protection.
Obr. 2.7 Blokové schéma digitálního I/O modulu NI USB-6212
2.3.3 Digitální trigger Trigger je signál, který spouští uritou akci, jako je napíklad spouštní i zastavování A/D pevodníku. Mící karta NI USB-6212 podporuje jak vnitní softwarové spouštní, tak i extérní digitální triggering. Pro práci s digitálním triggerem je poteba specifikovat zdroj a hranu. Digitální zdroj mže být pipojen k jakémukoliv vstupnímu PFI signálu. Hrana mže být bu nábžná nebo sestupná. Nábžnou hranou je pechod z nízké logické úrovn do vysoké logické úrovn, u sestupné hrany naopak. Na obr. 2.8 je znázornno spouštní mení signálu reagující na sestupnou hranu.
8
Obr. 2.8 Trigger reagující na sestupnou hranu
Mící kartu lze též naprogramovat tak, aby se provedla rzná akce v reakci na trigger z digitálního zdroje. Tato akce mže být následující: -
mení signálu z analogového vstupu
-
generování signálu z analogového výstupu
-
reakce ítae
Pro naše mení byl digitální trigger využit tak, že se jako zdroj použil synchronizaní signál z dálkomru. Karta byla naprogramována tak, aby se provedl jeden odmr N vzok pi každé nábžné hran.
2.4 Celkové zapojení dálkomru a detektoru kov s PC Na obr. 2.9 mžeme vidt kompletní zapojení všech použitých zaízení. Dálkomr (DM) spolu s idly je pes devné polohovadlo pipevnn ve vzdálenosti asi 6 cm k hlav detektoru kov (HDK).
Obr. 2.9 Celkové zapojení minohledaky a dálkomru s PC. (HDK – Hlava detektoru kov, DM – Dálkomr)
9
Hlava detektoru je pipojena k elektronické jednotce, na jejímž výstupu je hledaný akustický signál. Ten je dále vysílán do reproduktoru nebo do mící karty NI USB6212 na analogový vstup. Vstupní audio signál je pipojen na svorky AI1 a AI9, jde tedy o diferenní režim (viz. obr. 2.6). K mící kart je také pipojen na digitální I/O synchronizaní signál na svorky PFI1 a DGND (Digital Ground). Jde o obdélníkový signál s periodou 40 ms. Dálkomr je pipojen pes USB kabel pímo k poítai, kam vysílá data o vzdálenosti. Stejn tak modul 6212, který posílá informace o analogovém signálu do PC, je pipojen k poítai pes USB. Osobní poíta PC je vybaven mícím systémem vytvoeným v programovém prostedí LabView. Více informací o vlastním programu je popsáno v kapitole 3.
Obr. 2.10 Zapojení pístrojového vybavení
Zapojení celého mícího systému je zobrazeno na obr. 2.10. Devné polohovadlo je vytvoeno tak, aby byl dálkomr pevn upevnn k detektoru, byl s ním stále v rovnobžné poloze a aby bylo možné vzdálenost mezi detektorem a dálkomrem pozdji dále korigovat. Díky otvorm v hlav detektoru mohou idla dálkomru „vidt“ na zem a tím získavat informace o vzdálenosti hlavice detektoru nad zemí. Po každém zapnutí elektronické jednotky minohledaky se provádí kalibrace detektoru. Tu je poté možno pomocí stejného tlaítka také provádt opakovan, aniž by se musela 10
elektronická
jednotka znovu vypnout a zapnout. Pomocí potenciometr lze též
nastavovat hlasitost a citlivost detektoru na pítomnost kovu. Aby bylo možné pijímat výstupní akustický signál mící kartou, musel být na konec drátk, které vedou na výstup el. jednotky, pipájen odpor o velikosti 160 , což odpovídá hodnot odporu použitého reproduktoru.
2.5 Synchronizace dat Asi nejvtším problémem této práce bylo zajistit synchronní ukládání dat do souboru. Jelikož se data z dálkomru a data z minohledaky posílala do poítae oddlen, bylo teba zajistit, aby byly v koneném výsledku ob informace spárovány. K tomu posloužil digitální trigger, jímž je vybavena mící karta USB-6212. Mikrokontrolér v dálkomru generuje obdélníkový signál, který se peklápí mezi 0V a 5V, což odpovídá logické 0 a 1. Tento obdélníkový signál je pipojen na digitální I/O modulu. Digitální trigger zde funguje tak, že pi každé nábžné hran se spustí jeden odmr. Doba trvání tohoto odmru se nastavuje v programu pomocí vzorkovací frekvence a potu odebraných vzork. Na obr. 2.11 jsou prbhy pi samotné synchronizaci. Digitální trigger spouští každý další odmr pi nábžné hran, piemž doba odmru musí být kratší než polovina délky periody synchronizaního signálu (tedy mén než [40 ms / 2] = 20 ms). To je dáno tím, že se musí nechat ást asu volného, aby program stail pijmout a zpracovat pijímaná data.
Obr. 2.11 Synchronizace dat z dálkomru a z minohledaky
11
Pomocí mení bylo oveno, že ím více se snižuje doba trvání 1 odmru, tím více se zvyšuje minimální frekvence, kterou je možno pomocí mícího systému zmit. Tuto závislost ukazuje tab. 2.3. Zde jsou znázornny rzné asy 1 odmru a vliv na minimální namitelnou frekvenci a poet odmených cykl. Doba mení byla 10 sekund, ili pi správném vzorkování byl ml být poet odmr: ଵ௦ ସ௦
ൌ ʹͷͲ݉݀³ݎõ
(2.1)
Z tab. 2.2 je vidt, že pi 20 ms se odmí pouze každý druhý odmr, což je dáno tím, že program nestaí za zbylých 20 ms daný odmr pijmout a zpracovat. Tato chyba je znázornna na obr. 2.12. Zde je vidt, že po pijmutí a zpracování jednoho odmru programem již probhlo peklopení synchronizaního signálu z log.0 do log.1 a tedy trigger reaguje až na následující nábžnou hranu. Pro as nižší než je 20 ms se již poet odmr blíží požadované hodnot 250. To, že poet cykl detektoru je menší než vypoítaných 250 je zpsobeno zpoždním USB penos. Samotné zpracování odmru je velmi rychlé a tedy neovlivuje celkové zpoždní. Ideální doba 1 odmru akustického signálu byla zvolena na 15 ms, protože program staí pijmout odmr tak, aby byl za zbývajících 25 ms pipraven na další odbr. Chyba zpsobená zpoždním USB penos je zde minimální a nemá tém vliv na další mení. Aby tedy bylo možné pomocí mícího programu odeíst frekvenci signálu, musí být perioda tohoto meného signálu vtší než doba jednoho odmru. as 1 odmru [ms]
min. zobrazitelná frekvence [Hz]
poet cykl detektoru
20 15 10 5 2
56 90 120 290 880
125 244 247 247 248
Tab. 2.2 Závislost min. frekvence a potu vzork na dob 1 odmru
Minimální namitelná frekvence ve vytvoeném mícím systému pro as 15 ms, kterou lze odeíst z analogového signálu, je okolo 90 Hz. Tato hodnota byla zjištna zkušebním mením a je pouze orientaní. Analogový signál je vzorkován asynchronn (tzn. že vzorkovací kmitoet není odvozený od frekvence základní harmonické meného signálu). Pro urení periody v pípad, že poet prchod referenní úrovní není vtší než 2, je nutné ovzorkovat a zpracovat o nco více než 1,5 periody meného 12
signálu. Vzhledem k asynchronnímu vzorkování však obecn platí N·TSA T, kde N je poet odebraných vzork, T skutená perioda a TSA perioda vzorkování. Více informací o stanovení periody vzorkovaného signálu lze nalézt v [4]. Protože se hranice rozsahu frekvencí audio signálu pi mení pohybuje pibližn od 250 Hz do 2,4 kHz, frekvence akustického signálu se nedostane pod hranici minimální zobrazitelné frekvence, pokud je nastavena doba odmru na 15 ms.
Obr. 2.12 Nesprávná synchronizace dat - špatné nastavení doby 1 odmru (ZO – doba zpracování 1 odmru programem)
13
3.
Kapitola
Programová realizace Tato kapitola se zabývá popisem mícího systému, jeho jednotlivých ástí (blok) a jejich funkcí. Je zde vysvtleno ovládání samotného programu a také popsán zpsob, jakým se ukládájí namená data do poítae. Dále je zde objasnn zpsob zpracování hodnot a jejich pevedení do graf, které se provádlo v programu Matlab a Microsoft Office Excel 2003.
3.1 Vlastní program K vytvoení použitého simulaního schématu byl využit program Labview verze 8.0 a poté 8.6. Jelikož tyto verze nejsou pln kompatibilní, bylo poteba asto pekonvertovávat rozpracovaný model do starší verze. Také bylo nutno nainstalovat ovladae NI-DAQmx kompatibilní s vývojovým prostedí LabView a ovladae k dálkomru.
3.1.1 NI LabView LabView je grafické vývojové prostedí od firmy National Instruments, jehož první verze vyšla již více než ped 20 lety. Umožuje sestavovat a vyvíjet mící, ídící a automatizaní systémy a používat pi vytváení programu ikony na místo ádk textu. Na rozdíl od textových jazyk se v prostedí LabView využívá programování na principu datového toku. Tok dat procházející uzly v blokovém diagramu uruje posloupnost provádní funkcí. Jedná se o tzv. Data Flow Model. Program LabView byl vyvinut tak, aby ho bylo možné snadno spojit s rznými mícími I/O systémy a zárove poskytoval knihovny pro testování, mení a ízení. Toto vývojové prostedí se v souasnosti používá v operaních systémech MacOS, Windows, Linux, Solaris, ve vestavných systémech a v hradlových polích (FPGA). Asi nejvtší pínosem LabView, oproti programování na bázi jazyka C, je schopnost rychlého vývoje prototyp a pístup k velkému množství oborových knihoven. Pi vývoji aplikace máme k dispozici dv základní okna. Jsou to okna Front panel a Block diagram. Front panel pedstavuje vlastní pohled na pední stranu použitého pístrojového vybavení. Je zde možné pidávat ovládací a zobrazovací prvky a sledovat namené hodnoty nap. ve form graf. Naproti tomu v okn Block diagram se vytváí 14
samotné simulaní schéma. Pidávají se zde terminály, funkce, ovladae a vodie. Více informací lze nalézt v [8].
3.2 Simulaní schéma Celý mící systém mžeme rozdlit do dvou základních blok. V prvním bloku se zpracovávají data z dálkomru. Druhý blok slouží ke zpracování akustického signálu a uložení namených hodnot do souboru. Na obr. 3.1 je znázornno blokové zapojení simulaního schématu. Vidíme zde navíc ješt blok Grafy. Ten je zvláš oddlen kvli tomu, aby samotné zobrazování grafu neprodlužovalo dobu zpracování jednoho odmru a tím nezpsobovalo chybu synchronizace, která je znázornna na obr. 2.12. Všechny ti bloky jsou uzaveny do struktury while loop, která zajišuje vícenásobné mení.
Obr. 3.1 Blokové schéma mícího systému
3.2.1 Zpracování dat z dálkomru Jelikož je blokový diagram vytvoený v programu LabView (viz. obr. 5.1) pomrn rozsáhlý, byl vytvoen vývojový diagram tak, aby bylo možno dobe pochopit postup zpracování a zobrazení namených dat. Celkové simulaní schéma je piloženo na konci dokumentu jako píloha. Obr. 3.2 zachycuje vývojový diagram mícího systému. Z pohledu zpracování dat z dálkomru dochází nejdíve k vytvoení penosového kanálu pro data a vytvoení nebo nahrazení souboru (pokud již v aktuálním adresái exituje), do kterého se ukládají informace z dálkomru. Tento soubor se jmenuje dalkomer.txt, avšak jeho název je možné zmnit. Slouží zde pouze ke kontrole správnosti namených dat a k dalšímu 15
zpracování se nepoužívá. V dalším kroku dochází k samotnému tení hodnot. Jelikož se po USB portu posílají bloky bit, jsou tyto data pevedeny do bitového pole dat. Zde poté dochází k takovým úpravám, že na výstupu jsou již jednotlivé namené položky. Tmito položkami jsou synchronizaní znaka, vzdálenost prvního idla a druhého idla. Data se dále upravují tak, aby je bylo možné uložit do souboru. Nejdíve se vypoítá prmr vzdáleností senzor, a poté dochází ke zmn z formátu Long Integer na formát String. Zmna formátu se samozejm provádí i u synchronizaní znaky. Po provedení úpravy dat se hodnoty uloží do souboru a pokud není uživatelem zvolen konec mení, proces se vrací do bloku tení dat.
Obr. 3.2 Vývojový diagram mícího systému
16
3.2.2 Zpracování audio signálu z detektoru kov Paraleln se zpracováním dat z dálkomru dochází i k mení analogového vstupního akustického signálu. Stejn jako v pedchozím postupu se vytvoí penosový kanál, avšak pro analogový vstup. Také se souasn vytvoí / nahradí soubor detektor.txt (opt je možné zmnit název). V dalším kroku dochází k nastavení vzorkovací frekvence a potu odebraných vzork za jeden odmr pro jeden kanál. Zvolí se zdroj digitálního triggeru a hrana, na kterou bude trigger reagovat. Jako zdroj digitálního triggeru slouží synchronizaní signál z dálkomru. Po provedení jednoho odmru zjistí mící systém hodnotu amplitudy a frekvence. Jelikož se akustický signál neustále mní v ase, jeho frekvence i amplituda se také mní. Proto blok Detekce amplitudy a frekvence odebere pouze prmrnou hodnotu z jednoho odmru. To znamená, že na výstupu bloku bude pouze jedna hodnota frekvence a jedna hodnota amplitudy. Dále dochází ke kontrole prahu. Pokud je namená amplituda vtší než zvolená hodnota prahu (zde nap. hodnota 0,02 V), frekvence zstane nezmnna. Jestliže však bude amplituda menší, dojde k vynulování namené frekvence. Jedná se o opatení, které zabrauje, aby se do souboru neukládaly náhodné šumy akustického signálu. Ped uložením dat do souboru se již hodnoty pouze upraví do správného formátu a spojí do jednoho etzce. K nmu se též pipojí namené hodnoty z dálkomru. Tento etzec pak obsahuje íslo cyklu, frekvenci a amplitudu jednoho odmru, synchronizaní znaku a vzdálenosti z obou idel. Pokud není zvolen konec mení, proces se vrátí k bloku Start odmru. V opaném pípad se uzavou penosové kanály a dojde k zavení obou soubor (dalkomer.txt, detektor.txt). Poté dojde k ukonení programu.
17
3.3 Ovládání programu Práce se samotným programem je velice snadná a intuitivní. Obr. 3.3 znázoruje pední panel mícího systému. Ped samotným spuštním programu je poteba nastavit nkolik parametr. Nastavení analogového vstupu se provede v bloku Channel Parameters. Lištou Physical Channel se vybere píslušný analogový vstup. V našem pípad byl použit vstup /Dev1/ai1, kde dev1 (Device 1) znamená zaízení .1 (zaízení .1 = mící modul NI USB 6212, zaízení . 2 = dálkomr) a ai1 (Analog Input 1) pedstavuje vstup . 1. Dále se v tomto bloku nastavuje rozsah amplitudy akustického signálu. Implicitn je zde nastavena hodnota -10 V až 10 V.
Obr. 3.3 Pední panel mícího systému programu LabView
18
V bloku Timing parameters se urí vzorkovací frekvence (Rate) a poet odebraných vzork pro jeden kanál (Samples per Channel). Jak již bylo popsáno v minulé kapitole, doba jednoho odmru byla zvolena na 15 ms. Jeden odmr je tedy roven: ௌ௦ ோ௧
ൌ
ଵହ ଵ
ൌ ͳͷ݉ݏ
(3.1)
Vzorkovací frekvence tedy byla zvolena na 10 kHz (pro druhé externí mení 100 kHz). Hodnoty obou parametr jsou nastaveny v programu jako výchozí, není je tedy nutné opakovan zapisovat po každém spuštní programu. Pomocí dalšího bloku Trigger parameters se definují parametry digitálního triggeru. Stejn jako u nastavení analogového vstupu, i zde se vybere digitální vstup. Pi mení byl vybrán vstup /Dev2/PFI0. Jak již bylo popsáno v kapitole 2, digitální trigger se pipojuje k PFI (Programmable Function Interface) vstupu. Dále se v tomto bloku pomocí lišty Slope urí, zda bude trigger reagovat na nábžnou (Rising) nebo sestupnou (Falling) hranu. Také je možné ješt nastavit práh amplitudy. Implicitn je nastavena hodnota prahu 0,02 V. Tato hodnota byla po zkušebním mení zvolena tak, aby se do souboru ukládala pevážn užitená hodnota frekvence audio signálu. Jako poslední je možno nastavit pomocí tlaítka ukládej, zda se budou do souboru detektor.txt ukládat píslušná data, a pomocí tlaítka zobraz, zda se bude vykreslovat graf vzdálenost. Po nastavení tchto parametr je již možné spustit samotné mení. Po spuštní se nejdíve program zeptá na umístní a pojmenování soubor, do kterých se budou ukládat namená data. Poté již mžeme sledovat v levém dolním rohu pedního panelu numerické hodnoty namených dat. Na tomto míst se zobrazuje prmrná hodnota vzdálenosti mezi prvním a druhým senzorem; a rovnž zde nalezneme informaci o frekvenci a amplitud akustického signálu. Pro efektivní sledování výstupních signál jsou zde vytvoeny také dva grafy, které zobrazují namená data v reálném ase (resp. se zpoždním 100 ms). První graf, vpravo nahoe, zobrazuje hodnoty namených vzdáleností v závislosti na ase. Jsou zde zobrazeny celkem ti kivky: první (LEFT) a druhá (RIGHT) ukazují prbhy obou idel, tetí kivka zobrazuje jejich prmr. V druhém grafu dole mžeme sledovat výsledný akustický signál.
19
3.4 Formát ukládaných dat Vzhledem k pomrn vysoké hardwarové náronosti mení nebylo možné na namených datech provádt další výpoty v reálném ase pímo v programu LabView. Proto se výsledky ukládají nejdíve do textového souboru, ze kterého je poté možné vytvoit píslušné grafy. Píklad takového textového souboru je na obr. 3.4.
Obr. 3.4 Píklad textového soubour s namenými hodnotami
Mící systém v LabView byl nastaven tak, aby se do souboru ukládaly následující data (sloupce v poadí zleva doprava v obr. 3.4): -
íslování odmr
-
frekvence akustického signálu
-
amplituda akustického signálu
-
synchronizaní znaka
-
prmrná vzdálenost obou idel (údaj v milimetrech)
Nejdležitjší hodnoty, které bylo teba sledovat a které poté byly i dále zpracovávány do graf, byly samozejm frekvence a amplituda akustického signálu a vzdálenost cívky detektoru od zem. Synchronizaní znaka sloužila pouze pro kontrolu, zda se data do souboru ukládájí správn. íslování cykl sloužilo též ke kontrole správného ukládání, ale rovnž bylo použito i jako asový údaj, protože doba jednoho odmru byla pevn definovaná (40 ms). Díky tomuto asu také bylo dále možné vypoítat rychlost pohybu cívkou detektoru. K pevedení namených dat do tabulek byl použit program Microsoft Office Excel 2003. Data se z textových soubor penášela pomocí funkce importování z textového souboru (Import data from text file). K vytváenení graf bylo využito programové prostedí MATLAB. 20
4.
Kapitola
Výsledky mení V této kapitole jsou uvedeny nejdležitjší namené hodnoty. Zjišovala se jak velikost frekvence a amplitudy akustického signálu pi použití rzných testovacích objekt, tak i napíklad rychlost pohybu cívky detektoru v okolí meného pedmtu. V poslední ásti této kapitoly jsou srovnávány jednotlivé výsledky jednotlivých mení.
4.1 Mení v laboratoi Jak již bylo eeno v kapitole 2, detektor kov pracuje na tzv. principu MOTION. To znamená, že aby bylo možné získat data z detektoru, bylo poteba jím pohybovat v urité vzdálenosti nad meným pedmtem. Na obr. 4.1 jsou zobrazeny použité standartní testovací objekty. Jedná se o kovové kuliky o prmru 5,10,15 a 20 mm. Pi externím mení byla jako testovací objekt také použita kovová lopatka pro vykopávání nález.
Obr. 4.1 Standartní testovací objekty
Vzhledem k tomu, že detektor kov má samozejm velkou citlivost na pítomnost kov, bylo velmi složité provádt mení v laboratoi. Tzv. Sweep, což je plynulý pohyb sondou zleva doprava a zprava doleva pi hledání, nebylo možno provádt, protože v podlaze se nacházely železobetonové podpry a laborato obsahovala též mnoho pístroj s kovovou konstrukcí. Zpsob sweepování je zobrazen na obr. 4.2, kde h1, h2 až hn jsou rzné hloubky pi pohybu cívkou detektoru.
21
První mení se provádlo tedy tak, že se pohybovalo pouze testovacími objekty a hlava detektoru zstala v klidu. Pomocí elektronické jednotky detektoru bylo poteba snížit citlivost, aby minohledaka nereagovala na okolní kovové pedmty a bylo ji možné zkalibrovat. Detektor byl otoen sondou nahoru a postupn se nad hlavou detektoru vodorovn pohybovalo se všemi testovacími objekty. Tento pohyb se poté opakoval v rzných vzdálenostech.
Obr. 4.2 Zpsob sweepování nad objektem
Výsledky tohoto mení jsou zobrazeny na obr. 4.3. Jedná se o 3D grafy znázorující sweepování v rzných vzdálenostech cívky detektoru nad objektem pro všechny testovací objekty. Každá kivka v grafech znázoruje jeden sweep, což zde pedstavuje pohyb testovacím objektem nad sondou detektoru kov zleva doprava i obrácen.
Obr. 4.3 3D grafy sweepování v rzných hloubkách hledací cívky od objektu
22
Y-ová osa pedstavuje as v sekundách, po který jeden sweep trval. Z graf je patrné, že se zvtšující se vzdáleností klesá maximální frekvence akustického signálu, avšak do vzdálenosti cca 10 cm má i nejmenší testovací objekt maximální frekvenci tém konstantní. Hodnota nejvyšší frekvence se ve všech mení pohybuje okolo 2,4 kHz. Dále je na obr. 4.3 vidt, že zatímco napíklad na objekt K20 reaguje detektor pomocí frekvence akustického signálu až do vzdálenosti cca 27 cm, u objektu K5 je to tém o 7 cm mén. Vzhledem k tomu, že zde nebylo možné sledovat rychlost pohybu testovaným objektem, nemžeme porovnávat šíku jednotlivých kivek, tzn. dobu, po kterou detektor kov reagoval na daný objekt pomocí akustického signálu. Na druhou stranu jsme se pi tomto mení snažili udržovat rychlost sweepování konstantní, proto si mžeme dovolit porovnat alespo prbhy nejmenšího a nejvtšího meného pedmtu (objektu K5 a objektu K20). Zde je vidt patrný rozdíl v šíce kivek pro všechny vzdálenosti. Zatímco na nejmenší pedmt reaguje detektor pomrn krátkou dobu, pro objekt K20 už je tento as o mnoho delší. Vtší pesnost výsledk tchto porovnání nám dalo až venkovní mení, kde jsme mohli sledovat i rychlost sweepování a tím mohly urit šíku aktivního pásma výskytu akustického signálu.
4.2 Výpoet rychlosti pohybu hlavy detektoru Pomocí graf na obr. 4.4 je možné zjistit rychlost pohybu hlavy detektoru nad meným pedmtem. Na výstupních prbzích z dálkomru je dobe patrný skok, kdy se idla dálkomru dostaly nad krabici a tím se snížila vzdálenost d. Nelinearitu prbhu v oblasti mimo krabici zpsobuje travnatý a nerovný povrch zem. Zjištní rychlosti lze provést 2 metodami: -
Odetení hodnot z prbh dálkomru
-
Pomocí korelace píkazem xcorr v programovém prostedí MATLAB
V prvním pípad se odetou z graf asy t1 a t2, po kterou byly idla dálkomru nad krabicí (zpsob uložení objektu viz. obr. 4.6). Z tchto dvou as se spoítá prmr t12. Pi znalosti délky krabice l se poté již snadno vypote rychlost v:
ݒൌ
భ శమ మ
ൌ
௧భమ
ሾ݉ ȉ ି ݏଵ ሿ
(4.1)
Tato metoda je však pomrn asov nároná kvli nutnosti zdlouhavého odeítání hodnot. Také není v praxi použitelná kvli nutné pítomnosti pedmtu s dostateným, z graf jednoznan identifikovatelným, skokem ve vzdálenosti. 23
Druhou možností výpotu rychlosi pohybu je použití funkce xcorr(). MATLAB poítá tímto píkazem odhady korelaních funkcí pro všech N namených hodnot. Zápisem c = xcorr(x,y) vrátí program kížovou korelaní posloupnost o délce vektoru 2·N-1, kde x a y jsou vektory o délce N (platí N>1). Více informací o principu korelaní funkce lze nalézt v [2]. V použitém programu pak píkaz vypadal nap. následovn: plot(xcorr(diff(dalkomer(500:550,3)),diff(dalkomer(500:550,4))))
Funkce Y = diff(X) poítá rozdíl mezi sousedními prvky X. Pomocí funkce plot() se poté vytvoil výsledný korelaní graf. Ten je zobrazen na obr. 4.5. Podrobnjší informace o použitých funkcích v programu Matlab jsou v [7].
Obr. 4.4 Pohyb dálkomru pes krabici – objekt K20 a lopatka
Obr. 4.5 Korelaní graf – Objekt K20
Z tohoto grafu se zjistí vzdálenost d polohy maxima od stedu. Výsledná rychlost se poté uruje jako:
ݒൌ
ௗȉ௧ೖ
ሾ݉ ȉ ି ݏଵ ሿ
24
(4.2)
kde l je vzdálenost mezi idly. V tomto pípad pro obr. 4.5 pi znalosti délky jednoho cyklu tcykl = 40 ms a roztei idel 0,13 m tedy platí:
ݒൌ
ௗȉ௧ೖ
ൌ
Ǥଵଷ ȉǤସ
ൌ ͲǤͷͶ݉ ȉ ି ݏଵ
(4.3)
Vypoítané rychlosti, jak metodou odetení hodnot z grafu tak pomocí korelace, jsou uvedeny v tab 4.1. Vidíme zde, že hodnoty získané obma metodami jsou velmi podobné. Tém stejné jsou rychlosti u prvního i druhého mení (objektu K20 a lopatky), které vycházejí pibližn okolo 0,5 m/s a mžeme tedy porovnat jejich namené frekvence i amplitudy akustického signálu. Jak již bylo eeno v kapitole 2, ideální rychlost sweepování by mla být mezi 0,2 a 1 m/s. Námi namená rychlost je tedy tém ideální. Rychlost pohybu sondy detektoru Mení Objekt . 4 Kovová lopatka
vGRAF [ms-1]
vKORELACE [ms-1]
0,49 0,55
0,54 0,54
Tab. 4.1 Vypoítané rychlosti pohybu hlavy detektoru kov – Externí mení 1, zpsob uložení 1
4.3 Externí mení 1 Aby bylo možné získat namená data bez vlivu pítomnosti jiných kov než mených objekt, byla provedena mení venku. Až zde mohl být detektor použit zpsobem, jakým se bžn vyhledávají kovové pedmty. První problém, který pi práci venku vznikl byl takový, že se kvli asové náronosti mení musel penosný poíta použitý pro sbr dat napájet pes prodlužovací kabel. Díky tomu byla mení omezena pouze na nedaleké okolí od laboratoe. Druhým problémem pak byl až neekan vysoký výskyt podzemních kabelových vedení a jiných kovových pedmt v okolí budovy FEL v Dejvicích. Proto byla poteba pomrn dlouhá doba k nalezení místa, kde detektor kov nezachycoval žádný akustický signál (v okolí se nenacházel žádný kov). První mení bylo provádno tak, že se na dno lepenkové krabice uložil testovací objekt. Krabice i s objektem se poté ješt položila na umlohmotnou pepravku, která byla otoena dnem vzhru. Tím nám vznikla pomrn velká vzdálenost od zem a z údaj dálkomru bylo možné efektivn sledovat skokovou zmnu vzdálenosti. Pro
25
lepší pedstavu je zpsob uložení testovacího objektu zobrazen na obr. 4.6 (zpsob uložení 1).
Obr. 4.6 Zpsob uložení testovacího objektu (zpsob uložení 1)
Výsledky tohoto mení jsou zobrazeny na obr. 4.7. K mení byly jako testovací pedmty použity standartní objekt K20 a kovová penosná lopatka na vykopávání nález. Ta byla použita zámrn, aby byl na grafech dobe vidt vliv velikosti objektu na namenou frekvenci akustického signálu. Dále jsou na obr. 4.7 vidt namené amplitudy akustického signálu. Amplitudový prbh by ml mít tvar tém jako obdélníkový signál. Zde je prbh, zejména u mení objektu K20, zásti deformovaný. Maximální hodnotu amplitudy uruje velikost hlasitosti audio signálu. Proto mže být tato deformace zpsobena tím, že hlasitost, která se nastavuje pomocí elektronické jednotky detektoru, nebyla nastavena na maximum, nebo se s ní bhem mení nedopatením pohybovalo. Dále mžeme sledovat splnnou podmínku minimálního prahu, která byla definována v mícím systému (viz. vývojový diagram na obr. 3.2).
Obr. 4.7 Porovnání prbh frekvence a amplitudy akustického signálu (Objekt K20 a lopatka) – Externí mení 1,zpsob uložení 1
26
Krom mení, jehož výsledky jsou zobrazeny na obr. 4.7 byly provedeny i další venkovní mení s odlišnými podmínkami. Testovaný objekt byl pemístn ze dna krabice na její horní plochu (zpsob uložení 2). To jsme uinili proto, aby mohl být použit i objekt K5 (nejmenší). Pi umístní tohoto pedmtu na dno krabice by byla totiž vzdálenost od hlavy detektoru pi sweepování píliš velká. Výsledky tohoto mení jsou velmi podobné s pedchozím externím mením a proto jsou graficky zobrazeny ve form porovnání namených frekvencí a amplitud na obr. 4.8. K mení byl použit testovací objekt K5 a K20. Rychlost pohybu sweepování pi tomto druhém mení je znázornna v tab 4.2. Vypoítané hodnoty se opt tém neliší a mžeme prohlásit, že rychlost je u mení obou testovacích objekt opt pibližn 0,5 ms-1. Rychlost pohybu sondy detektoru Mení Objekt K5 Objekt K20
vGRAF [ms-1]
vKORELACE [ms-1]
0,52 0,51
0,54 0,47
Tab. 4.2 Vypoítané rychlosti pohybu hlavy detektoru kov – Externí mení 1, zpsob uložení 2
Z grafu lze dobe rozpoznat, který prbh patí nejmenšímu testovacím objektem a který s nejvtším. Amplitudové prbhy se již mnohem více blíží obdelníkovému tvaru než jak tomu bylo u prvního externího mení (viz obr. 4.6). Vidíme, že prahová podmínka je opt dodržena.
Obr. 4.8 Porovnání prbh frekvence a amplitudy akustického signálu (Objekt K5 a K20) - Externí mení 1, zpsob uložení 2
27
Aktivní oblast akustického signálu pro rzné hloubky je znázornna na obr. 4.8. Pro testovací objekt K5 má oblast maximální šíku pibližn 29 cm a pro objekt K20 je asi 43 cm. Šíka oblasti se zaíná strmji zmenšovat u pedmtu K5 zhruba ve vzdálenosti 12 cm. U druhého testovacího pedmtu se tato aktivní oblast zaíná zmenšovat až pi vzdálenosti okolo 20 cm. Samozejm také musíme poítat s tím, že od urité hloubky pedmtu zaíná klesat frekvence akustického signálu, jak je zobrazeno nap. na obr. 4.3. Z tchto výsledk vyplývá, že lze pomrn dobe do urité hloubky odhadovat velikost pedmtu pomocí akustického signálu. Pi samotném mení detektorem kov mžeme sweepováním zjistit pibližnou šíku aktivní oblasti, ze které následn uríme velikost pedmtu. Toto ovšem platí pouze za podmínky, že se v okolí oblasti výskytu zvukového signálu nenachází další kovový pedmt. Ponkud složitjší problém pedstavuje odhadování hloubky pedmtu uloženého v zemi pomocí akustického signálu. Frekvence audio signálu je do urité vzdálenosti hledaného pedmtu od cívky detektoru konstantní (závisí na velikosti pedmtu, viz. obr. 4.3) a poté zan klesat. Rozpoznat tedy pímo z maximální frekvence akustického signálu hloubku je nemožné. Avšak existuje možnost, jak danou hloubku nalézt: 1. Mením se zjistí šíka aktivní oblasti (z ní se odhadne velikost pedmtu). 2. Cívka detektoru se zane plynulým sweepováním postupn zvedat, ímž se nalezne zlomová výška, kde se již frekvence akustického signálu zane zmenšovat. 3. Pi znalosti velikosti pedmtu pibližn víme, v jaké délce d zaíná klesat frekvence (viz obr. 4.3) a tedy pouhým odetením vzdálenosti lzem cívky od zem vypoteme hledanou hloubku pedmtu v zemi h = d - lzem. Tato metoda má však adu podmínek, aby byla vbec realizovatelná: pedmt nesmí být píliš hluboko, kde je již frekvence audio signálu za hranicí zlomu; v aktivní oblasti se nesmí nacházet žádné jiné kovové pedmty; délka d odhadnutá z velikosti pedmtu je pouze orientaní. K rozpoznání velikosti pedmtu i hloubky lze samozejm i použít sadu graf v databázi
pedmt
a
z nkolika
prbh
vzdálenostech odhadnout typ a velikost pedmtu.
28
sweepování
frekvence
v uritých
Obr. 4.9 Porovnání šíky aktivní oblasti detektoru kov v rzných hloubkách - Objekt K5 a K20
4.4 Externí mení 2 Pi druhém venkovním mení byla pozmnna nkterá nastavení. Vzorkovací frekvence se zmnila z 10 kHz na 100 kHz a poet odebraných vzork se nastavil na hodnotu 800. Doba jednoho odmru se tedy zmnila z 15 ms na 8 ms. To bylo provedeno proto, aby se co nejvíce zabránilo chyb ukládání dat zpsobenou zpoždním USB penos. Mení se opt provádla dvma zpsoby, nejdíve byly rzné testovací pedmty uloženy na dno krabice ( zpsob uložení 1, obr. 4.6 ) a poté na povrch krabice (zpsob uložení 2). Na obr. 4.9 je zobrazeno porovnání namených frekvencí akustického signálu všech testovacích objekt. Sweepování bylo provedeno u všech mených pedmtu pibližn ve vzdálenosti 8,5 cm (max. odchylka vzdálenosti ±10%) hledací cívky od objektu. Mžeme zde názorn sledovat vliv velikosti objektu na šíku aktivní oblasti výskytu akustického signálu.
29
Obr. 4.10 Porovnání prbh frekvence objekt K5, K10, K15, K20 - Externí mení 2, zpsob uložení 2
Nakonec je zde ješt porovnání obou venkovních mení. To je znázornno na obr. 4.10. Všechny objekty byly meny pibližn ve vzdálenosti 20 cm od cívky detektoru. V prvním grafu je vidt, že prbhy z obou mení jsou velmi podobné, rozdíl šíky aktivní oblasti je pouze jeden centimetr. U druhého grafu znázorujícího prbhy sweepování nad lopatkou je však již tento rozdíl šíek pibližn 11 cm. To je zpsobeno tím, že v prvním mení (externí mení 1) byla lopatka mena na šíku, zatímco v druhém mení (externí mení 2) se sweepování provádlo pes delší stranu lopatky a to se samozejm projevilo i na šíce aktivní oblasti výskytu audio signálu. V druhém prbhu je také vidt krátkodobý pokles frekvence. To je zpsobeno obasnými výpadky výstupnho akustického signálu, které nastávají obvzlášt u vtších kovových pedmt.
Obr. 4.11 Porovnání prbh frekvence objekt K20 a lopatky - Externí mení 1 a 2, zpsob uložení 1
30
4.5 Porovnání s pímým mením pomocí lock-in zesilovae Na rozdíl od vyhodnocování výstupního akustického signálu pomocí mícího systému se pi pímém mení pomocí lock-in zesilovae zjišuje hrubý, nezpracovaný indukovaný signál z cívky detektoru, resp. jeho amplituda a fáze. Ze zpracovaných výsledk se poté rozpoznává pomocí rzných metod tvar pedmtu a hloubka, ve které se daný pedmt nachází. Tímto tématem se zabývá bakaláská práce pana Vondráška (viz [5]). Na obr. 4.12 a 4.13 mžeme sledovat 3D grafy poklesu amplitudy v závislosti na umístní testovacích objekt K5 a K10 pod hledací cívkou. Nejvtší zmna amplitudy nastává pod stedem hledací cívky. Na obr. 4.11 jsou pak zobrazeny pro porovnání namené amplitudy akustického signálu opt pro testovací objekty K5 a K10. Na rozdíl od amplitudy indukovaného signálu se zaíná maximální amplituda akustického signálu u pedmtu K5 zmenšovat až ve vzdálenosti h zhruba 15 cm. U testovacího objektu K10 je tento rozdíl ješt vtší.
Obr. 4.12 3D grafy sweepování objekt K5 a K10 – Externí mení 2, zpsob uložení 2
31
Obr. 4.13 Závislost amplitudy na poloze testovacího objektu K5
Obr. 4.14 Závislost amplitudy na poloze testovacího objektu K10
Obr. 4.13 a 4.14 pevzaty z [5].
32
5.
Kapitola
Závr Hlavním cílem této bakaláské práce bylo vytvoení mícího systému, který dokáže efektivn analyzovat výstupní akustický signál z detektoru kov. K experimentálnímu mení bylo nutné znát krom prbhu audio signálu také informaci o výšce cívky detektoru nad meným objektem. To zajišoval dálkomr vytvoený kolegou Janem Vyhnánkem. Další ást je zamena na použitou mící kartu, díky níž bylo možné pijímat akustický signál do poítae. Karta byla také využita k synchronizaci dat, protože obsahuje funkci digitálního triggeru. Samozejm by bylo možné využít i jednoip z dálkomru k pímému mení frekvence audio signálu. Obrácený postup by byl také možný, tedy že by se pomocí mící karty zpracovávaly informace o vzdálenosti. Synchronizace dat se, zejména pi externím mení, stala neekaným problémem. Díky pomrn rozsáhlému mícímu systému bylo samotné mení pomrn hardwarov nároné. Pi mení v laboratoi byl použit stolní poíta, který zpracovávání dat zvládal dobe. Avšak pro venkovní mení se využíval penosný poíta a u nj pi nkterých mení docházelo ke zpoždní zpracování odmr. Kvli tomu bylo poteba ást mení opakovat s pozmnným nastavením. Další chybu synchronizace pi externím mení mohlo zpsobovat zpoždní a spolehlivost USB penos. Ze získaných výsledk mení je patrné, že lze pomocí akustického signálu pomrn kvalitn rozpoznat velikost objektu podle šíky oblasti, ve které vydává detektor kov zvukový signál. Problém je však v tom, že pokud se na míst hledání vyskytuje více kovových objekt, pak se tyto aktivní oblasti prolínají a rozpoznání velikosti pedmtu již není možné. Vtší problém ovšem pedstavuje odhadování hloubky pedmtu z akustického signálu. Maximální frekvence zvukového signálu zstává do urité hloubky konstantní, a poté zane pomrn strm klesat. Ani podle šíky aktivní oblasti výskytu akustického signálu nelze hloubku odhadovat, protože ta opt závisí na velikosti hledaného pedmtu. V pípad rozpoznávání hledaného pedmtu pímým mením pomocí lock-in zesilovae vzniká obdobný problém, tedy že neznáme skutenou hloubku hledaného
33
objektu. Na rozdíl od metody rozpoznávání objektu z akustického signálu, zde lze detekovat malé pedmty pouze do vzdálenosti 9-10 cm ve vzduchu a 6-7 cm v pd. Pi další práci na tomto projektu bych vidl možnost zamit se detailnji na zkoumání a odhadování tvaru pedmtu z akustického signálu, popípad odstranní vlivu hardwarové náronosti na synchronizaci dat. Dále by bylo možné implementovat zpracování dat pímo do mícího programu. To by však nebylo možné provádt pímo v reálném ase, ale pouze s uritým zpoždním, jelikož rychlost pohybu cívky detektoru se dá urit až z nameného prbhu.
34
Seznam použité literatury a internetových odkaz Tištné dokumenty [1]
Ripka, P., a o, S., Kreidl, M., Novák, J.: Senzory a pevodníky. Skripta VUT, Praha 2005
[2]
Hlavá, V., Sedláek, M.: Zpracování signál a obraz Skripta VUT, Praha 2001
[3]
Ma átko, J.: Elektronika IDEA SERVIS, Praha 2002
[4]
Haasz, Vl., a další: íslicové mící systémy Skripta VUT, Praha 2000
[5]
Vondrášek, M. (2009): Bakaláská práce Detekce kovových pedmt v reálných podmínkách
[6]
All Terrain Mine Detector. ATMIDTM. Maintance manual
[7]
Do ar, B., Zaplatílek, K.: MATLAB - tvorba uživatelských aplikací BEN, Praha 2005
[8]
Havlíek, J., Vlach, M., Vlachová, V.: Zaínáme s LabVIEW BEN, Praha 2008
Internetové odkazy [9]
http://www.ni.com/pdf/manuals/371931f.pdf - NI USB-621X User Manual
[10]
http://www.zetex.cz/ - Stránky výrobce detektoru kov
[11]
http://detektory.hantec.cz/ - Internetový magazín o detektorech
[12]
http://www.lovecpokladu.cz/ - Web ze svta detektor kov
[13]
http://metaldetectorreviews.net/ - Stránky o detektorech kov
35
Seznam obrázk Obrázek 2.1 Princip detektoru kov s vyváženou indukností ........................... 3 Obrázek 2.2 Vývojový diagram kontroly detektoru kov pi kalibraci ................. 4 Obrázek 2.3 Dálkomr pipojený k sond detektoru kov ................................. 5 Obrázek 2.4 Modul NI USB-6212 ....................................................................... 6 Obrázek 2.5 Blokové schéma analog. vstupu modulu NI USB-6212 ................. 7 Obrázek 2.6 Diferenciální zapojení vstupního signálu ....................................... 8 Obrázek 2.7 Blokové schéma digitálního I/O modulu NI USB-6212 .................. 8 Obrázek 2.8 Trigger reagující na sestupnou hranu ............................................ 9 Obrázek 2.9 Celkové zapojení minohledaky a dálkomru s PC ...................... 9 Obrázek 2.10 Zapojení pístrojového vybavení ............................................... 10 Obrázek 2.11 Synchronizace dat z dálkomru a z minohledaky .................... 11 Obrázek 2.12 Nesprávná synchronizace dat ................................................... 13 Obrázek 3.1 Blokové schéma mícího systému ............................................. 15 Obrázek 3.2 Vývojový diagram mícího systému ........................................... 16 Obrázek 3.3 Pední panel mícího systému programu LabView .................... 18 Obrázek 3.4 Píklad textového souboru s namenými hodnotami.................. 20 Obrázek 4.1 Standartní testovací objekty ........................................................ 21 Obrázek 4.2 Zpsob sweepování nad objektem .............................................. 22 Obrázek 4.3 3D grafy sweepování v rzných v rzných hloubkách hledací cívky od objektu.....................................................................................22 Obrázek 4.4 Pohyb dálkomru pes krabici – objekt K20 a lopatka ................. 24 Obrázek 4.5 Korelaní graf – Objekt .4 .......................................................... 24 Obrázek 4.6 Zpsob uložení testovacího objektu – Externí mení 1 .............26 Obrázek 4.7 Porovnání prbh frekvence a amplitudy akustického signálu (Objekt K20 a lopatka)–Externí mení 1,zpsob uložení 1......... 26 Obrázek 4.8 Porovnání prbh frekvence a amplitudy akustického signálu (Objekt K20 a lopatka)–Externí mení 1,zpsob uložení 2......... 27 Obrázek 4.9 Porovnání šíky aktivní oblasti detektoru kov v rzných hloubkách - Objekt K5 a K20 ....................................................... 29 Obrázek 4.10 Porovnání prbh frekvence objekt K5, K10, K15, K20 Externí mení 2, zpsob uložení 2 .......................................... 30 36
Obrázek 4.11 Porovnání prbh frekvence objekt K20 a lopatky - Externí mení 1 a 2, zpsob uložení 1 .................................................30 Obrázek 4.12 3D grafy sweepování objekt K5 a K10 – Externí mení 2, zpsob uložení 2 ........................................................................31 Obrázek 4.13 Závislost amplitudy na poloze testovacího objektu K5 .............. 32 Obrázek 4.14 Závislost amplitudy na poloze testovacího objektu K10 ............ 32 Obrázek 5.1 Kompletní schéma zapojení v programu LabView ...................... 38
37
Píloha
38
Obr. 5.1 Kompletní schéma zapojení v programu LabView
Obsah piloženého CD Složka: /BP/ - bp2009_Rounj1.pdf
- Bakaláská práce ve formátu .pdf
Složka: /Merici schema/v86/ - Projekt obsahující kompletní mící schéma ve verzi NI Labview 8.6 Složka: /Namerena data/
- Souhrn všech namených výsledk
Složka: /Obrazky/
- Obrazky použité v bakaláské práci
39
