УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАЛЬНОМЕР

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к устройствам, позволяющим обнаруживать объекты, определять их пространственное положение с использованием отражения акустических (ультразвуковых) волн, и может быть использована в системах обнаружения препятствий различных робототехнических комплексов.
Методы ультразвукового зондирования широко применяются при построении различных устройств обнаружения препятствий или измерения расстояний до конкретного объекта в различных разделах робототехники. Классический ультразвуковой дальномер состоит из передатчика ультразвукового сигнала, приемника отраженного эхосигнала и системы расчета дальности до цели на основе времени распространения сигнала от передатчика до цели и обратно до приемника. В качестве ультразвукового сигнала часто используется серия стробированных импульсов одинаковой амплитуды. Так, например в представленных на рынке ультразвуковых дальномерах URM37 V3.2, HC-SR04 используется 8 прямоугольных импульсов частотой 40 кГц.
Известен ультразвуковой дальномер [патент US №6202034 В1, G01S 7/527, от 27.01.1999], состоящий из генераторов низкочастотного модулирующего сигнала и высокочастотного несущего сигнала с частотой ультразвукового диапазона, амплитудного модулятора, преобразующего амплитуду высокочастотного несущего сигнала по закону низкочастотного модулирующего сигнала, преобразователя электрического сигнала поступающего с амплитудного модулятора в ультразвуковой сигнал и излучающего его в заданном направлении, являющегося одновременно приемником сигнала, отраженного от мишени, и преобразователем отраженных от объекта ультразвуковых волн в электрический сигнал, который от приемника через усилитель поступает в процессор, выполняющий расчеты дальности на основе полученной информации о времени начала прихода эхосигнала и времени конца прихода эхосигнала.
К достоинствам прототипа следует отнести достаточно высокую точность измерения расстояния до объекта, к недостаткам невозможность работы в группе аналогичных устройств, по причине сложностей идентификации источника пойманного приемником сигнала в ситуации, когда рядом одновременно работают несколько аналогичных ультразвуковых дальномеров.
Общими существенными признаками прототипа с заявляемым устройством является наличие излучателя и приемника ультразвукового сигнала, усилителя принятого сигнала, процессора, выполненного с функцией расчета расстояния до объекта по информации об излучаемом и принимаемом сигналах.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании ультразвукового дальномера, определяющего расстояния до объекта путем идентификации принятого отраженного сигнала с излучением источника при работе нескольких ультразвуковых дальномеров одновременно.
Технический результат - создание ультразвукового дальномера, работающего в группе аналогичных устройств.
Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом дальномере, состоящем из излучателя и приемника ультразвукового сигнала, усилителя принятого сигнала, процессора, выполненного с функцией расчета расстояния до объекта по информации об излучаемом и принимаемом сигналах, процессор выполнен с функцией генерации кодированного сигнала на выходе, с возможностью оцифровывать входной сигнал, выполнять сравнение параметров входного сигнала с генерируемым, при этом выход кодированного сигнала процессора соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности с излучателем ультразвукового сигнала, а приемник отраженного ультразвукового сигнала через полосовой фильтр, приемный усилитель и модуль выделения огибающей соединен со входом процессора, к выходам которого также подсоединены порт передачи данных и графический дисплей, выполненный с возможностью отображения информации о расстоянии до объекта.
Применение ультразвуковом дальномере процессора, обладающего функциями вычислительного устройства, выполненного с возможностью генерировать импульсы сигнала с заданными параметрами, оцифровывать входной сигнал, выполнять сравнение параметров входного сигнала с генерируемым, позволило создать дальномер обладающий возможностью определения расстояния до препятствия при работе в группе аналогичных устройств за счет идентификации принадлежности принимаемого сигнала.
Способность заявляемого устройства идентифицировать принадлежность принятого сигнала повышает достоверность полученных данных и исключает ошибку принятия сигнала от другого подобного устройства, работающего в том же диапазоне частот.
Сущность полезной модели поясняется рисунком и примером практического исполнения. На Фиг. 1. представлена блок-схема заявляемого устройства.
В состав ультразвукового дальномера входят излучатель 1, приемник 2, отвечающие за излучение ультразвукового и прием отраженного сигнала, усилители генерируемого 3 и принимаемого сигналов 4, модуль построения огибающей принятого сигнала 5, полосовой фильтр 6, процессор 7, порт передачи данных 8. Ультразвуковой дальномер комплектуется модулем графического дисплея 9 для отображения информации о результате измерения расстояния до объекта.
Дальномер работает следующим образом.
При включении ультразвукового дальномера генерируемый процессором 7 кодированный сигнал, являющийся высокочастотным ультразвуковым модулированным сигналом, с выхода процессора поступает на усилитель мощности генерируемого сигнала 3 и далее передается на ультразвуковой излучатель 1, с которого в виде ультразвуковой волны сигнал распространяется в окружающем дальномер пространстве. В случае нахождения в зоне измерений дальномера объекта с достаточной отражательной способностью, отраженный сигнал регистрируется приемником 2, с выхода которого через модуль выделения огибающей 5, приемный усилитель 4, полосовой фильтр 6 поступает на вход процессора 7, выполняющего преобразование сигнала в цифровой вид. Процессор сравнивает цифровые параметры принятого сигнала, а именно форму огибающей принятого сигнала, с формой огибающей генерируемого процессором сигнала. В случае совпадения формы огибающей исходящего и входящего сигналов, процессором по параметрам временной задержки выполняется расчет расстояния до объекта. В противном случае, если параметры принятого и генерируемого сигнала не совпадают, процессор идентифицирует принимаемый сигнал как чужой и расчет расстояния не производится. Информация о расстоянии и типе принятого сигнала подается на порт передачи данных 8. На подключенном к выходу процессора графическом дисплее 9 информация о расстоянии до объекта отображается в цифровом виде.
Пример практического исполнения. На базе процессора STM32F103C8T6 был изготовлен ультразвуковой дальномер Д-1. В качестве излучателя и приемника ультразвукового сигналов были использованы датчики 400SR160. Частота излучаемого ультразвукового сигнала составляла 40 кГц. Кодированный сигнал представлял собой бинарную последовательность импульсов, где в качестве единицы использовалось восемь прямоугольных импульсов с частотой следования 40 кГц, в качестве 0 была задана пауза между единицами с продолжительностью равной длительности единицы. Группа в количестве 3 дальномеров, работала на удалении до 2 метров друг от друга, при этом каждый дальномер определял свой сигнал.
Таким образом, заявляемый ультразвуковой дальномер позволяет распознать составляющую своего сигнала в отраженном сигнале на фоне сигналов, генерируемых работающими в группе дальномерами.
Заявляемый ультразвуковой дальномер имеет габаритные размеры сравнимые с аналогами, прост в управлении, и обладает расширенными функциональными возможностями, что делает его конкурентоспособным на рынке дальномеров.