СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО СПЛОШНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА
METHOD OF DETERMINING DISTANCE TO OBJECT SOLID SURFACE

Изобретение относится к области измерения расстояний до объекта акустическими методами, точнее с использованием для этого ультразвука и его особенностей, и может быть использовано для определения расстояния от опорной плоскости (например, рамы плуга) до сплошной поверхности почвы при автоматической регулировке глубины пахоты.
Под сплошной поверхностью понимается основная поверхность, например поверхность воды в озере, на которой находятся объекты, образующие не сплошную, разрывную поверхность, например, верхушки и стебли растений, растущих в этом озере.
При пахоте почвы, на ее сплошной поверхности могут находиться остатки стерни, всходы травы и другие объекты, образующие не сплошную поверхность. Глубина пахоты задается по отношению к основной, сплошной поверхности почвы. Использование для этого контактных методов измерения расстояния, как показала практика, затруднено ввиду их специфики. Использование бесконтактных методов, в частности ультразвуковых, более перспективно. Однако и в этом случае возникает ряд технических трудностей, приводящих к снижению уровня качества или надежности измерений. Так, при использовании ультразвуковых методов, основанных на измерении отрезка времени между моментом излучения ультразвука в направлении поверхности почвы и моментом приема отраженного от нее сигнала, возникают паразитные сигналы, обусловленные наличием на ней остатков стерни, всходов травы и др. Эти сигналы могут быть восприняты как отраженные от основной сплошной поверхности. Это неизбежно приведет к серьезным погрешностям установления глубины пахоты (до 30 см и более).
Учитывая, что большинство почв средней полосы РФ имеет плодородный слой такого же порядка, подобная погрешность может привести к потере урожайности с/х культур и даже к полной порче почвы при пахоте. В рамках предлагаемого технического решения принимается эквивалентность измерения расстояния от точки А до точки В, измерению расстояния от точки В до точки А. Под определением расстояния понимаются косвенные измерения, которые будучи реализованы в приборе, становятся в сущности прямыми измерениями. В этом смысле термины определение и измерение эквивалентны [3].
Известен способ определения расстояния до объекта, широко применяемый в гидролокации (более 50 лет) при измерении скорости ультразвука [1], включающий излучение ультразвукового импульсного сигнала в звукопроводящую среду, (например, воду, воздух и др.), его отражение от поверхности объекта (например, от дна водоема), прием отраженного ультразвукового сигнала, измерение времени запаздывания принятого сигнала относительно излученного, определение по этому времени и известной скорости звука расстояния от точки излучения ультразвука до некоторой точки на поверхности объекта, отражающей ультразвук.
Сущность способа заключается в следующем.
При излучении ультразвукового импульса в звукопроводящую среду он со скоростью звука С распространяется от излучающей поверхности в направлении объекта, расстояние L до которого необходимо измерить, в виде ультразвукового луча, расширяющегося в некотором телесном угле φ. Ввиду этого ультразвуковой сигнал, достигнув поверхности объекта через время
образует на ней некоторое ультразвуковое пятно, с характерным размером 1, определяемым L и φ, в котором формируется отраженный сигнал, в первом приближении являющийся зеркально отраженным продолжением распространяющегося (теоретически) дальше излученного сигнала.
Отраженный сигнал, пройдя тот же путь за время t, достигнет приемника ультразвука, в качестве которого может быть использован сам излучатель, переключенный в режим приема или отдельный приемник, жестко связанный геометрически с точкой излучателя и позволяющий измерять время t. В этом случае ультразвуковой сигнал пройдет путь 2L за время
Величина Т может быть измерена, величина С может быть найдена из таблиц, а расстояние L определено из формулы
При этом, чем меньше угол φ, тем меньше площадь ультразвукового пятна, тем меньший участок отражающей поверхности объекта будет им охвачен, тем более равномерен его рельеф, тем более интенсивен принятый сигнал, что существенно повышает качество измерений величины L. Эти обстоятельства, а также ряд других, дают основания предпочитать для измерения L звуки высоких частот, а именно ультразвук [1].
Недостатки способа
1. Отсутствует критерий отличия паразитного сигнала (помехи) от основного, что снижает надежность полученных результатов измерений.
2. Отсутствует оптико-геометрическое ограничение диапазона рабочих частот ультразвука сверху, что может привести к появлению паразитных отраженных сигналов, сравнимых с основным и даже превышающих его.
Эти недостатки снижают надежность результатов измерений расстояния, особенно в автоматическом режиме измерения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения расстояний до препятствия, используемый в устройствах парковки автомобилей [2]. Способ основан на горизонтальной ориентации процесса измерения, излучении импульсного ультразвукового сигнала в направлении препятствия, формировании его диаграммы направленности, его отражении от сплошной поверхности препятствия, приеме отраженного сигнала, сравнении его уровня с заданным пороговым уровнем, измерении времени запаздывания принятого сигнала по отношению к излученному, если его уровень превышает пороговый, определении по этому времени расстояния от опорной точки, жестко связанной с поверхностью излучения до ближайшей точки, отражающей сплошной поверхности препятствия, формировании сигнала, несущего информацию о результатах измерения, подаче этого сигнала на исполнительное устройство.
Сущность способа заключается в следующем:
При парковке автомобиля задним ходом на малых скоростях ультразвуковой преобразователь, размещенный на бампере, излучает ультразвуковой импульс в горизонтальном направлении, перпендикулярном бамперу. Этот импульс распространяется в воздушной среде, частично отражаясь от различных препятствий (штыри, столбики и др.). Отраженный сигнал, будучи принятым ультразвуковым преобразователем, переключенным в режим приема, сравнивается с сигналом, уровень которого устанавливается как пороговый. Принятые сигналы, уровень которых ниже порогового (например, шумы) считаются паразитными и дальнейшему анализу не подлежат. Сигнал, превышающий пороговый уровень принимается за полезный и измеряется время его запаздывания Т по отношению к излученному сигналу. Далее по известному соотношению:
,
где L - расстояние от преобразователя до препятствия; С - скорость звука.
Определяют расстояние L от бампера или конкретных точек его поверхности до препятствия и подают сигнал, несущий информацию о L на исполнительное устройство (цифровой, звуковой или иной индикатор).
Паразитные сигналы могут формироваться путем отражения ультразвука от поверхностей, не подлежащих контролю, например от краев колеи, комков почвы, гравия и других объектов, расположенных ниже зоны контроля. С целью ослабления этих сигналов до уровня ниже порогового и усиления полезных сигналов в ряде случаев формируют асимметричную диаграмму направленности преобразователя на излучение и прием ультразвука, не чувствительную к низко расположенным отражающим объектам и чувствительную к остальным их видам в максимально широкой зоне. Характерным является то, что в способе, взятом за прототип, прослеживается горизонтальная ориентация излучения и приема ультразвукового импульса.
Эффективность способа возрастает с ростом характерной частоты (близкой по смыслу к частоте несущей) импульсного сигнала, поскольку с ростом частоты уменьшается длина волны. Это способствует росту разрешающей способности способа, уменьшению габаритов преобразователя. Рекомендуемые частоты [2] 40-250 кГц.
Недостатки способа
1. Специфика способа такова, что при измерении расстояния до сплошной поверхности при наличии на ней не сплошных фрагментов будет наблюдаться основная тенденция измерения расстояния именно до них, т.е. до не сплошной поверхности. Например, при измерении расстояния от рамы плуга до поверхности почвы при наличии на ней стерни, травы и др. Этим способом могут измеряться расстояния до поверхности этих объектов, что ведет к большим погрешностям измерения. Последнее обстоятельство вызвано прежде всего стремлением к использованию максимально больших характерных частот ультразвука в известном способе.
2. Горизонтальная ориентация ультразвуковых преобразователей, необходимая для реализации способа, способствует накоплению в области поверхности излучения - приема пыли, грязи и др., ухудшающих их работу или делающих их вовсе неработоспособными.
3. Широкая диаграмма направленности, необходимая для поиска препятствий в максимально большой зоне обзора, приводит при измерениях расстояния до сплошной поверхности к сравнительно большому ультразвуковому пятну на ней, в котором формируется отраженный ультразвуковой сигнал. При неравномерностях поверхности, например комки почвы, сравнимых или превышающих характерную длину волны ультразвукового сигнала, на приемник ультразвука, отраженного от поверхности, придут сигналы, отраженные от различных участков неравномерного рельефа пятна. В этом случае их сумма приведет к неопределенной величине результирующего сигнала и возможно даже его уменьшение до уровня ниже порогового, что существенно снижает качество контроля расстояния до сплошной поверхности почвы при пахоте.
Как следует из вышеизложенного, основными проблемами при измерении расстояния до сплошной поверхности объекта (например, почвы) ультразвуковым методом являются:
- влияние фрагментов не сплошной поверхности на результат измерения;
- влияние неравномерности рельефа сплошной поверхности (комки почвы, ямки, бугорки) сравнимой или превышающей по размерам характерную длину волны ультразвукового сигнала на результат измерения.
Это приводит к неоправданно большим погрешностям измерения и к их недостаточно высокой надежности (измерение может состояться или не состояться).
Одним из путей решения этих задач является понижение характерной частоты ультразвукового сигнала (увеличение длины волны), позволяющее ослабить и даже устранить влияние не сплошной поверхности на результат измерения.
Другим путем решения является сужение диаграммы направленности. В этом случае ситуация улучшается, поскольку возрастает удельный уровень сигнала, падающего на сплошную поверхность, возрастает эффективность работы ультразвукового преобразователя в режиме приема, уменьшается размер ультразвукового пятна в пределах которого формируется отраженный сигнал, делая его более дифференциальным по отношению к крупным неровностям рельефа.
В то же время с уменьшением частоты ультразвука усложняется процесс сужения диаграммы направленности, растут габариты фокусирующих устройств (например, рупоров), снижается помехозащищенность датчиков. Таким образом, характерная частота ультразвукового сигнала должна быть достаточно низкой, чтобы снизить чувствительность способа к не сплошной поверхности, но достаточно высокой, чтобы возрастала эффективность сужения диаграммы направленности и чтобы длина волны не превышала характерного размера участка сплошной поверхности, принимаемого за участок с однородным рельефом.
При этом на результат измерения не должны влиять помехи, шумы и иные паразитные сигналы.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении качества и надежности результатов измерения расстояния до сплошной поверхности объекта, за счет того, что устанавливают характерные частоты излучаемого ультразвукового сигнала и диаграмму его направленности, обеспечивающие высокое качество и надежность результатов измерения.
Поставленная задача решается в способе определения расстояния до сплошной поверхности объекта, включающем излучение импульсного ультразвукового сигнала, формирование его диаграммы направленности, прием отраженного сигнала, измерение времени запаздывания принятого сигнала относительно излученного, при условии, что его уровень превышает пороговый, определении по этому времени расстояния от опорной точки, жестко связанной с поверхностью излучения до сплошной поверхности, причем устанавливают такую характерную частоту излучаемого ультразвукового сигнала и диаграмму его направленности, что достигают устойчивого приема ультразвукового сигнала, отраженного от сплошной поверхности, и превышающего заданный пороговый уровень при пренебрежимо малом уровне ультразвукового сигнала, отраженного от не сплошной поверхности и других паразитных сигналов, не достигающих порогового уровня, а соответствующая характерной частоте длина волны λ удовлетворяет следующему соотношению: ζ<λ<l,
где ζ - характерный размер фрагментов, составляющих не сплошную поверхность, определяющий их отражательные свойства;
l - характерный размер участка сплошной поверхности, принимаемый за участок с однородным рельефом, определяющий допустимый размер ультразвукового пятна, а расстояние до сплошной поверхности определяют по расстоянию, измеренному от опорной точки, жестко связанной с поверхностью излучения, до точки, жестко связанной со сплошной поверхностью.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что характерная частота и диаграмма направленности ультразвукового сигнала соответствуют длине волны, удовлетворяющей соотношению:
ζ≤λ≤l
а расстояние измеряют от опорной точки, жестко связанной с поверхностью излучения до точки, жестко связанной со сплошной поверхностью.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в возрастании качества и надежности результатов измерения расстояния до сплошной поверхности объекта.
Пример реализации заявляемого способа
Способ опробован в лабораторных условиях на макете. Макет представлял собой ультразвуковой преобразователь, работающий как на излучение, так и на прием ультразвука на характерной частоте около 40 кГц (λ≈8 мм), размещенный на корпусе, содержащем электронные блоки. Макет размещали так, что излучение и прием ультразвука осуществлялись по вертикали на расстоянии от 50 до 130 см от отражающей поверхности. При этом была предусмотрена возможность надевать на преобразователь рупорные насадки, сужающие диаграмму его направленности от 75° до 40° и 30°.
1. Измерение расстояния до образца сплошной поверхности в виде фрагмента почвы размером 1×1 м с остатками травы, стерни.
Установлено, что в диапазоне 55-125 см расстояний до почвы, оно измеряется с помощью макета с погрешностью около ±1 см по отношению к результатам измерения рулеткой.
В отдельных положениях макета над различными участками фрагмента почвы, принятый им сигнал падал до уровня ниже опорного. Снижение опорного уровня приводило к неустойчивости принятого сигнала, а с ним и к неустойчивости результата измерений расстояния.
Применение рупорной насадки, сужающей диаграмму направленности до 30° позволило полностью устранить этот дефект.
2. Измерение расстояния до образца сплошной поверхности в виде фрагмента почвы - песка, размером ≈⌀70 см было установлено, что создание в нем бугорков и углублений позволяет создать ситуацию, когда отраженный сигнал, формируемый в ультразвуковом пятне, будучи принят преобразователем, падал практически до нуля. Сужением диаграммы направленности до 30° достигалось существенное уменьшение размеров ультразвукового пятна, увеличение эффективности работы преобразователя.
В этом случае, в тех же условиях упомянутый сигнал был устойчиво выше опорного уровня и дефект был устранен. Увлажнение поверхности не приводило к изменению сигнала, что обусловлено особенностью ультразвука эффективно отражаться от границы раздела двух сред с аномально различными акустическими импедансами.
3. Измерение расстояния до образца сплошной поверхности в виде почвы с крупными уплотненными валиками сухой травы (крайне редко встречающимися на практике).
Измерения показали, что такие плотные образования ограничивают область применения способа, однако, если на такой валик поместить пластину, приминающую его, то эффективность способа восстанавливается, если измерять расстояние до пластины, как поверхности состоящей из точек, жестко связанных со сплошной поверхностью почвы. Роль такой пластины может выполнять колесо трактора и измерение может свестись к измерению расстояния между рамой плуга и точкой на тракторе, жестко с ним связанной.
Было также установлено, что при снятии пластины (весом около 5 кг) с валика, он оставался прижатым к почве, и эффективность способа восстанавливалась. В полевых условиях этот эффект достигается измерением расстояния от рамы плуга до поверхности почвы в колее колеса трактора.
Литература
1. В.А.Красильников. Звуковые волны. М.-Л., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951, с.55, 56; с.245-259.
2. Компоненты и технологии №2, 2007, часть 5. Ультразвуковые датчики, с.30-35.
3. Г.Р.Бурдун, Б.Н.Марков. Основы метрологии. М., Изд. Стандартов, 1975, с.8, 9.