XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование ультразвукового датчика для позиционирования робота

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мезенина М.С. 1

---

1МАОУ СОШ №2

Шевчук Л.А. 1

---

1МАОУ СОШ №2

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые технологии применяются в различных сферах деятельности человека и играют важную роль в процессах производства. Например, в химической промышленности ультразвуковые датчики используют для определения плотности и уровня жидкости, а так же контроля смешивания и протекания реакций. При производстве электроники ультразвук применяют для контроля толщины пленок и обнаружения дефектов на их поверхностях. В автомобильной индустрии ультразвуковые датчики используются для контроля уровня топлива в баках, измерения скорости/расстояния между автомобилем и препятствиями при парковке, при активации системы автоматического торможения. Поэтому позиционирование умных механизмов (машин, роботов) в пространстве с помощью ультразвуковых датчиков является актуальной задачей.

В начале работы мы выдвинули гипотезу: позиционирование робота (механизма) с помощью ультразвукового датчика возможно.

Цель работы: изучение работы ультразвукового датчика.

Задачи:

• изучить материал по применению ультразвука;

• изучить паспортные данные ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04;

• определить характеристики и параметры датчика, зависящие от расстояния до поверхности препятствия;

• собрать робота, позиционирование которого основано на показаниях ультразвукового датчика;

• провести вычисление зависимости расстояния от входного электрического сигнала; запрограммировать робота на удержание определенного расстояния до препятствия.

Объект исследования: ультразвуковой датчик.

Предмет исследования: характеристики ультразвукового датчика.

Методы исследования: теоретический анализ и изучение литературы; моделирование входного сигнала; анализ функции расстояния от входного сигнала датчика; эксперимент с роботом, программа которого построена на обработке сигнала с ультразвукового датчика.

При выполнении проектной работы использовались учебные пособия, статьи и публикации из научной и научно-популярной литературы, сети Интернет, рассматривающие вопросы, связанные физическими основами акустики и их практическим применением.

Личный вклад в проведение исследования определяется формулировкой цели, постановки задач, определением методологического подхода к решению задач, получением и обоснованием своих результатов в проведенных экспериментах.

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Бионика ультразвука

Ультразвук – это упругие волны с высокими частотами. Ультразвуковым диапазоном считают полосу частот более 20 кГц. Верхний предел определяется межмолекулярным расстоянием и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Упругими волнами называют механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Распространение упругих волн не связано с переносом вещества. [1]

Основные физические закономерности, свойственные звуку, полностью применимы для ультразвуковых волн. Источник звука – колеблющееся тело. Звук определяется такими параметрами как звуковое давление, интенсивность звука, длина и частота звуковой волны, скорость распространения. Но для ультразвука есть некоторые особые явления, несвойственные звуку.

Ультразвуковые волны, длина которых очень мала, могут быть получены в виде узких направленных пучков. Направленность излучения зависит от соотношения между размерами излучателя и длиной волны. Направленность излучения тем больше, чем меньше длина волны по сравнению с размерами излучателя. Кроме того, с уменьшением длины волны уменьшается и роль дифракции в процессе распространения волн.

Ультразвуковые волны по существу, единственный вид волнового процесса, который распространяется с относительно малым поглощением в воде. Электромагнитные волны в гидроакустике, гидролокации не используются из-за их сильного поглощения под водой. Ультразвуковые волны в воде приблизительно в 100 раз поглощаются слабее, чем в воздухе, что связано с акустическим сопротивлением среды. У воды акустическое сопротивление почти в 3500 раз больше, чем у воздуха. Значит, при одинаковом звуковом давлении скорость колебания частиц воздуха в 3500 раз больше, чем частиц воды. Кинематическая вязкость воды – характеристика способности воды сопротивляться деформации при движении, значительно меньше, чем воздуха.

Ультразвуковой сигнал может излучаться импульсами благодаря малому периоду колебаний.

При распространении волн плотность потока энергии прямо пропорциональна квадрату частоты. И при сравнительно небольших амплитудах колебаний в ультразвуковых пучках можно получить большую плотность энергии.

Все эти особенности ультразвуковых волн имеют свое проявление в природе. Ультразвук является компонентом множества естественных шумов таких как громовые разряды, водопад, ветер, дождь, галька морского прибоя. Ультразвуком пользуются некоторые виды животных для ориентации в пространстве, для обнаружения препятствий и добычи. Самое известное животное, которое использует ультразвук – дельфин. Дельфины вырабатывают сигналы ультразвуковой частоты от 80 до 100 кГц. Мощность испускаемых ими локационных сигналов настолько большая, что позволяет им обнаружить препятствия и добычу на расстоянии до километра (рис. 1).

Рисунок 1 – Дельфин обнаружил добычу с помощью ультразвуковых волн

В своей статье [2] ученые описывают, что для дельфинов ультразвук является одновременно и средством коммуникации, и средством навигации. Действительно, дельфин испускает ультразвуковые волны, которые возвращаются назад в виде отраженной звуковой волны. Отраженная ультразвуковая волна через нос и полые кости нижней челюсти попадают на внутреннее ухо (рис. 2), благодаря чему у дельфина появляется многомерная картинка - образ предметов и окружающего мира.

Рисунок 2 – Эхолокация у дельфинов

Ультразвук испускают летучие мыши. В гортани летучих мышей расположены своеобразные натянутые голосовые связки – струны, которые производят звук. Гортань летучей мыши похожа на свисток. Выдыхаемый воздух из легких резкими толчками проходит через неё, тем самым возникает звук высокой частоты до 150 кГц.

Советский ученый Пумпер Е.Я. сделал в 1946 году очень интересное предположение, которое хорошо объясняет физиологическую природу эхолокации летучей мыши. Он считает, что летучая мышь каждый новый звук издает сразу же, после того как услышит эхо предыдущего сигнала. Таким образом, импульсы рефлекторно следуют друг за другом, а раздражителем, вызывающим их, служит эхо, воспринимаемое ухом. Чем ближе летучая мышь подлетает к препятствию, тем быстрее возвращается эхо и, следовательно, тем чаще издает зверек новые эхолотирующие «крики». Наконец при непосредственном приближении к препятствию звуковые импульсы начинают следовать друг за другом с исключительной быстротой. Это сигнал опасности. Летучая мышь инстинктивно изменяет курс полета, уклоняясь от направления, откуда отраженные звуки приходят слишком быстро. [3]

Эхолокация (эхо и лат. locatio – «положение») – способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. [4] Многие животные используют ее для определения препятствий, ориентации в пространстве, поиске насекомых. Эхолокация, осуществляется с помощью ультразвуковых сигналов.

В частности у летучих мышей эхолокатор (рис.3) – сверхточный «навигационный прибор». Он способен обнаружить препятствие, например насекомое диаметром до 0,1 мм. Ученые выяснили [3], что летучие мыши ускоряют подачу ультразвуковых сигналов примерно за два метра до препятствия. Своими ультразвуковыми волнами они его «нащупывают», но сразу не меняют направление, а летят прямо на препятствие и лишь в нескольких сантиметрах от него отклоняются в сторону резким взмахом крыла.

Рисунок 3 – Эхолокация летучих мышей

Таким образом, летучие мыши не только ориентируются в пространстве, но и охотятся на ночных насекомых: мотыльков, комаров, бабочек.

Предположительно, что эхолокация у животных возникла как замещение зрения. Животные, которые обитают в темноте пещер или глубин морей используют для ориентации в пространстве ультразвуковые волны взамен на свет.

Способность животных ориентироваться в пространстве, используя ультразвуковые волны, исследована человеком. Подобные принципы ориентации в пространстве заложены в современные датчики. Уже сложно представить бытовую технику, машины, водные и подводные аппараты без применения эхо и гидролокации, где в качестве сигнала применяется ультразвук.

Как у животных, так и в технике для генерирования и приема ультразвуковых волн используются ультразвуковые излучатели и приемники (рис. 4).

Рисунок 4 – Генерация и прием ультразвуковых волн (излучаемая (желтая) и принимаемая (красная) ультразвуковая волна)

В современной технике применяются различные источники ультразвуковых колебаний, их называют ультразвуковыми преобразователями. Ультразвуковой преобразователь обеспечивает преобразование подводимой энергии в энергию ультразвуковых колебаний. Подводимая энергия может иметь разную природу, поэтому ультразвуковые преобразователи классифицируются следующим образом:

1. Аэродинамические преобразователи (преобразовывают энергию потока газа в ультразвуковые колебания газовой среды, частота до 20 кГц).

2. Гидродинамические преобразователи (преобразовывают энергию потока жидкости, частота до 10 кГц).

3. Электромеханические преобразователи (преобразовывают электрическую, магнитную энергии в механическую энергию ультразвуковых колебаний), подразделяющиеся на:

• магнитострикционные преобразователи (преобразовывают энергию магнитного поля, рабочая частота до 100 кГц);

• пьезоэлектрические преобразователи (преобразовывают энергию электрического поля, частоты от 20 кГц до 25 мГц).

Пьезоэлектрический вид преобразователей получил наиболее широкое распространение.

Рисунок 5 – Классификация ультразвуковых преобразователей

В основе такого преобразователя лежит пьезоэлектрический эффект, который был открыт братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году. Они обнаружили, что при деформации кристалла сжатием с двух сторон, на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани – положительные, на другой – отрицательные.

Явление возникновения электрических зарядов на кристаллах при их сжатии или расширении называют пьезоэлектричеством (от греческого слова «пьезо» - давлю). [5]

Позже в 1881 году Липпманом Г.И. был открыт, а братьями Кюри подтвержден экспериментально обратный эффект: если к кристаллу приложить напряжение, то произойдет его механическая деформация.

Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в технике, у них проще конструкция, они не требуют охлаждения по сравнению с магнитострикционными. Преобразователи компактны, имеют небольшой вес, могут излучать колебания ультразвука разной частоты. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть как источниками ультразвуковых волн при использовании обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 7), так и приемниками ультразвуковых волн при использовании прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 6).

Рисунок 6 – Прямой пьезоэлектрический эффект

Рисунок 7 – Обратный пьезоэлектрический эффект

В зависимости от конструкции пьезоэлектрические датчики классифицируются с одним и двумя пьезоэлектрическими преобразователями.

В первом случае (рис. 8) излучатель и приемник – это один и то же элемент. Элемент генерирует ультразвуковую волну, а после принимает отраженную волну и преобразовывает ее в электрический сигнал, который считывается электрической схемой. Устройства с одним элементом более компактные и простые, но сложны в настройке из-за затухающей волны в мембране излучателя.

Рисунок 8 – Датчики с одним пьезоэлектрическим элементом

Во втором случае (рис. 9) излучатель и приемник располагаются раздельно. Такая конструкция исключает образование слепой зоны, и датчик исправно работает независимо от расстояния до объекта.

Рисунок 9 – Датчики с двумя пьезоэлектрическими элементами

В практической деятельности применение находят оба вида конструкции.

1.2 Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04

В качестве объекта исследования возьмем ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 (рис. 10). На рис. 10 передатчик (transmitter) и приемник (receiver), обозначены T и R соответственно.

Т

R

Рисунок 10 – Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04

Выводы датчика (рис. 10): GND (Ground) – вывод общий (-U_пит); Echo (Echo Pin) – выход сигнала ожидания; Trig (Trigger Pin) – вход стартового импульса; VCC (Voltage 5V) – Вывод питания постоянного тока (+U_пит).

Паспортные данные датчика HC-SR04:

Питание датчика: (VCC) 5 В постоянного тока;

Потребляемый ток: 2,0 мА в режиме ожидания и 15 мА при передаче;

Частота ультразвука: 40 кГц (датчик генерирует 8 импульсов меандра с периодом 25 мкс);

Измеряемая дальность: от 2 до 400 см;

Точность измерения: 0,3 мм;

Угол измерения: 15 °;

Рабочая температура: от -30 до 80 °С.

Принцип действия ультразвукового датчика измерения расстояния

HC-SR04 представлен на рис. 11:

1. 1. Для вывода датчика из режима ожидания, требуется подать стартовый импульс на вход Trig (положительный импульс длительностью 10 мкс);

   2. Датчик генерирует 8 импульсов меандра с периодом 25 мкс (что соответствует частоте 40кГц) на ультразвуковой передатчик;

   3. По спаду последнего сгенерированного импульса, датчик устанавливает уровень логической «1» на выходе Echo, одновременно, датчик ждет получение отраженной ультразвуковой волны той же частоты на ультразвуковой приёмник;

   4. После получения последнего импульса отраженной волны, датчик переходит в режим ожидания, устанавливая уровень логического «0» на выходе Echo. Аналогичные действия будут совершены, если в течении 38 мс датчик не примет отраженную ультразвуковую волну. В результате время наличия логической «1» на выходе Echo равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно.

Рисунок 11 – Принцип действия ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04

Упрощённо, принцип работы датчика можно представить так: датчик генерирует звуковые волны на частоте 40 кГц, после того как эти волны отражаются от объекта и возвращаются на приёмник, датчик выдает информацию о времени, затраченном на прохождение звука от датчика до объекта и обратно (рис. 12).

Рисунок 12 – Движение ультразвукового сигнала от передатчика к приёмнику

В соответствии с паспортом датчика ультразвуковой сигнал распространяется достаточно широкой волной более 22,5 ° только на малых расстояниях до объекта. Диаграмма направленности представлена на рис. 13.

Рисунок 13 – Диаграмма направленности ультразвукового датчика

измерения расстояния HC-SR04

На больших расстояниях, ближе к максимальному пределу измерения, сектор работы датчика уменьшается.

1.3 Расчет расстояния до объекта по показаниям датчика

Расчет расстояния до объекта вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости звуковой волны, на время ожидания эха) по формуле 1:

L = V · duration, (1)

где L – расстояние, м;

V – скорость звука в воздухе, м/с;

duration – время ожидания эха, с.

Так как звуковая волна проходит расстояние до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат (1) делим на 2:

L = V· duration/2. (2)

Скорость звука в воздухе, величина не постоянная и зависит от температуры:

V² = γ R T/M , (3)

где V – скорость звука в воздухе, м/с;

γ – показатель адиабаты воздуха, ед;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль · K);

T – абсолютная температура воздуха, К;

M – молекулярная масса воздуха, г/моль.

Подставив в формулу (3) известные значения γ = 7/5 ед., M = 28,98 г/моль (ее требуется перевести в 0,02898 кг/моль), R= 8,3144598 Дж/(моль · K), получим:

V ≈ 20,042√T, (4)

где T – абсолютная температура воздуха, К (t°C + 273,15).

Объединим формулы вычисления V (4) и L (2), и переведем L из [м] в [см], duration из [с] в [мкс], T из [К] в [°C], получим:

L ≈ duration · √(t+273,15) / 1000, (5)

где L – расстояние, см;

duration – время ожидания эха, мкс;

t – температура воздуха, °C.

Произведем расчеты расстояния до объекта учетом использования ультразвукового датчика HC-SR04 совместно с платой Arduino Uno. В проекте Keyestudio отсутствует датчик температуры, поэтому расчеты для микроконтроллера произведем без учета изменения температуры окружающей среды. При условии, что температура воздуха t=20°C, расстояние до объекта будет:

L ≈ duration · 0,017. (6)

В микроконтроллере не предусмотрены операции над числами с плавающей точкой. Поэтому для вычисления расстояния необходимо заменить число 0,017 на взаимно обратное 58,8:

L ≈ duration /58,8. (7)

Данных формул (6) и (7) достаточно для корректного измерения расстояния, но если имеется необходимость улучшить точность измерения, нужно учесть ряд факторов:

1. Учитывать влияние температуры окружающей среды на показания датчика, так как скорость звука в газах увеличивается с повышением температуры. При повышении температуры воздуха на 1 °С, скорость звука в нем увеличивается на 0,6 м/с. Зависимость скорости звука от температуры представлена на рис. 14. Для оперативного учета температуры окружающей среды в проект можно добавить датчик температуры, например DS18B20. Данные показаний температурного датчика DS18B20 можно использовать для проведения расчетов по формуле (5).

Рисунок 14 – Зависимость скорости звука от температуры

2. Учитывать траекторию распространения сигнала. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 с двумя пьезоэлектрическими элементами. Наличие двух элементов (передатчик, приемник) при малых расстояниях до объекта будет оказывать существенное влияние на показания датчика [6]. В соответствии с рис. 15 расстояние от датчика до объекта - это высота равнобедренного треугольника (h). По формулам (6) или (7) можем вычислить сторону треугольника (а).

Рисунок 15 – Геометрическое представление расстояния до объекта

с учетом разделенных пьезоэлектрических элементов

Высоту треугольника (h) определим по теореме Пифагора:

h² =a² - (b/2) ², (8)

где h – расстояние от датчика до объекта (высота равнобедренно треугольника), см;

a – расстояние пройденное звуковой волной от передатчика до объекта или от объекта до приёмника (боковая сторона), см;

b – расстояние от передатчика до приёмника (основание треугольника), для HC-SR04 b = 3 см.

Для расчета возьмем минимально (h_мин) и максимально (h_макс) возможные расстояния измерения датчика.

В соответствии с паспортными данными: h_мин = 2 см, h_макс = 400 см.

При h_мин = 2 см по формуле (8) получим:

a = √(2²+3²/4) = √(4+2,25) = 2,5 см.

Абсолютная погрешность δx = а - h_мин = 0,5 см,

относительная погрешность δ = (δx/ h_мин)·100% = 25%.

При h_макс = 400 см по формуле (8) получим:

a = √(400²+3²/4) = √(160000+2,25) = 400,0028 см.

Абсолютная погрешность δx = а - h_макс = 0,0028 см,

относительная погрешность δ = (δx/ h_макс)·100% = 0,0007%.

Для устранения большой погрешности необходимо ввести компенсирующие коэффициенты.

РАЗДЕЛ 2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Практическая часть исследования ультразвукового датчика построена на основе проекта Keyestudio 4WD BT Multi-purpose Car V2.0 Kit. В состав проекта Keyestudio (полноприводного программируемого робота) входит:

1. Плата управления Keyestudio V4.0 Board(UNO compatible), аналог Arduinno UNO;

2. Плата привода двигателями постоянного тока;

3. Четыре двигателя постоянного тока;

4. Периферийные модули (датчики): ИК датчик, датчик слежения, BT модуль, WiFi модуль, УЗ датчик (HC-SR04), LED панель, сервопривод.

Сборка робота проходила в соответствии с инструкцией и сборочной схемой (рис. 16, рис. 16.1), представленной разработчиком (Keyestudio).

Рисунок 16 – Сборочная схема от разработчика

Рисунок 16.1 – Сборка робота и установка платы привода

Для программирования контроллера ATmega328P MCU с сайта разработчика установлено программное обеспечение (рис. 17). Установлены драйверы, библиотеки Arduino IDE2.0 и обучающие программы с примерами и описанием.

Рисунок 17 – Программное обеспечение на сайте

Ультразвуковой датчик подключен по схеме разработчика (рис. 18). Датчик HC-SR04, согласно диаграмме направленности (рис.13) имеет достаточно узкий сектор, поэтому в проекте предусмотрена возможность поворота датчика на ±90°. Повороты датчика осуществляются посредством сервопривода. Сервопривод позволяет роботу Keyestudio 4WD BT Multi-purpose Car V2.0 Kit ориентироваться в пространстве не подключая дополнительно приводы колес.

Рисунок 18 – Подключение ультразвукового датчика HC-SR04

к плате управления

Практическая работа с датчиком осуществлялась с помощью программного обеспечения и мониторинга выходного порта. Программа представлена в Приложении 2. Мониторинг выходного порта осуществлялся с помощью ноутбука Lenovo ideapad 330, показания транслировались в сантиметрах (рис.18.1).

Рисунок 18.1 – Мониторинг выходного порта

с помощью программы Arduino IDE 2.2.1.

В ходе практической работы планируется выполнить следующее:

1. Провести калибровку датчика;

2. Построить диаграмму направленности ультразвукового датчика HC-SR04 (Приложение 1);

3. Определить зависимость температуры окружающей среды на показания датчика;

4. Рассмотреть влияние угла отраженной волны на показания датчика;

5. Провести опыты с различными поверхностями объекта;

6. Определить влияние «прозрачности» среды на показания датчика;

7. Разработать программу движения робота за препятствием.

2.1 Калибровка датчика

Теоретические расчеты показали (8), а практические данные подтвердили (табл. 1), что на разных расстояниях до препятствия заметны значительные погрешности датчика.

Таблица 1 – Погрешность измерения ультразвукового датчика

Принято решение откалибровать датчик с помощью программных средств.

Для калибровки ультразвукового датчика построена математическая модель:

1. Если расстояние от объекта до датчика меньше, либо равно 30 см, то к полученному значению необходимо добавить 1 см;

2. Если расстояние от объекта до датчика больше 30 см, но меньше, либо равно 70 см, то к полученному значению необходимо добавить 2 см;

3. Если расстояние от объекта до датчика больше 70 см, но меньше, либо равно 100 см, то к полученному значению необходимо добавить 3 см;

4. Если расстояние от объекта до датчика больше 100 см, то к полученному значению необходимо добавить 4 см.

Математическая модель калибровки датчика реализована с помощью программного обеспечения. Код программы представлен в Приложении 3.

Показания датчика после калибровки отражены в табл. 2.

Таблица 2 – Показания датчика после калибровки

Посредством программного кода удалось откорректировать показания датчика в рабочем диапазоне. В ходе проведения практической работы выяснилось, что на показания датчика влияют: неровности пола, перепады высот и металлические конструкции в полу. Поэтому принято решение приподнять устройство над уровнем пола с помощью подручных средств (рис.18.2).

Рисунок 18.2 – Для исключения влияния неровностей пола датчик с платой управления подняли с помощью подручных средств

Данная конструкция позволила проводить корректные измерения и получать данные с минимальным влиянием неровностей поверхности пола.

2.2 Построение диаграммы направленности

Диаграмма направленности строилась в пределах диапазона работы датчика от 2 см до 400 см. Сектор действия датчика определялся посредством занесения в область распространения ультразвуковой волны плоского предмета, до получения четкого сигнала о расстоянии до предмета (рис. 19). Углы фиксировались с помощью металлической линейки и определялись по транспортиру (рис.20).

Рисунок 19 – Получение данных для построения диаграммы направленности

Рисунок 20 – Получение данных для построения диаграммы направленности

Данные для построения диаграммы направленности указаны в табл. 3. Диаграмма направленности построена на кальке формата А3 (Приложение 1). Проведено десять измерений, каждая точка указана в таблице и пронумерована на диаграмме.

Таблица 3 – Данные для построения диаграммы направленности

На диаграмме направленности (Приложение 1), сектор работы датчика зависит от расстояния до объекта, чем дальше объект, тем уже сектор. На расстоянии 400 см сектор действия датчика составляет порядка 10 градусов. Поэтому, на больших расстояниях, когда важно охватить эхолокацией больший сектор (больше 10 градусов), необходимо обеспечить поворот датчика либо с помощью сервопривода, либо с помощью вращения колес машины (робота).

2.3 Определение влияния температуры на показания датчика

Практическую работу по определению влияния температуры окружающей среды на показания датчика провели в сауне. В качестве датчика температуры использовался навесной термометр (рис. 21).

Рисунок – 21. Навесной термометр

Практические замеры проходили в несколько этапов. Замерялась температура окружающей среды, далее сравнивались показания ультразвукового датчика и действительные значения до плоской поверхности, данные заносились в таблицу (табл. 4). С помощью твердотопливной печи, температура окружающего воздуха поднималась. Новые показания заносились в таблицу. Датчик, контроллер с платой управления, ноутбук находились внутри нагреваемого помещения (рис. 22).

Рисунок 22 – Определение влияния температуры на показание датчика

Таблица 4 – Показаний датчика от температуры окружающей среды

Как видно из табл. 4 показания ультразвукового датчика HC-SR04 зависят от температуры окружающей среды. Данные подтверждаются теоретическими расчетами (5). Чем выше температура окружающей среды, тем интенсивнее движение молекул воздуха, тем скорость распространения плоской звуковой волны выше (рис. 14). Поэтому при увеличении температуры окружающей среды время ожидания эха снижается, а значит и снижаются показания датчика (увеличивается абсолютная погрешность). С целью снижения влияния температуры окружающей среды на показания ультразвукового датчика в корпус промышленных измерительных устройств добавляют датчик температуры. Например, ультразвуковой уровнемер Prosonic FDU92 оснащен встроенным датчиком температуры для дополнительной коррекции показаний.

2.4 Влияние угла отраженной волны на показания датчика

С целью определить влияние угла отраженной от препятствия ультразвуковой волны поставим на расстояние 25 см от датчика плоское препятствие (рис. 23). Поворотом препятствия определим угол, при котором показания датчика не соответствую действительному расстоянию до препятствия.

Рисунок 23 – Схема определения влияния угла отраженной волны на показания датчика

При повороте плоского препятствия на угол больше ≈ 51 ° сигналы с датчика изменились, они стали значительно выше (67 см) и не соответствовали реальному расстоянию до объекта (25 см). Это говорит о том, что волна отразилась от препятствия, но не попала на приемник датчика (рис. 24). При проектировании техники и использовании ультразвукового датчика для позиционирования машины (робота) в пространстве необходимо учитывать тот факт, что при определенных углах плоского препятствия ультразвуковая волна может отражаться от препятствия и не попадать на ультразвуковой приемник. Датчик при этом может показывать ошибочные (ложные) сигналы.

Рисунок 24 – Отраженная волна не попала на приемник ультразвукового датчика

Чтобы избежать потери сигнала отраженной волны необходимо менять (поворачивать) сектор эхолокации с помощью сервопривода датчика или непосредственно поворотом всего робота. Так же избежать потери сигнала поможет установка дополнительных ультразвуковых датчиков на удаленном расстоянии друг от друга, под разными углами, как это сделано в парктрониках автомобилей (рис. 25).

Рисунок 25 – Ультразвуковые датчики парктроника автомобиля

Чем больше установлено датчиков в парктронике, тем более полную информацию о препятствиях он показывает.

2.5 Влияние поверхности объекта на отражение ультразвуковой волны

В ходе проведения практической работы исследованы различные материалы поверхности объекта. Определено влияние поверхности объекта на отражение сигнала ультразвуковой волны. Данные занесены в табл. 5. Замеры проходили на расстоянии 250 см от ультразвукового датчика. Плоскость объекта находилась перпендикулярно направлению ультразвуковой волны. Если сигнал о расстоянии до объекта получен, то волна отразилась. В случае, если сигнала нет или он нестабильный, то отраженная волна не пришла, ультразвуковые колебания затухли.

Таблица 5 – Отражение ультразвуковой волны от разных поверхностей

В соответствии с полученными данными можно сделать вывод, что материал поверхности объекта не влияет на отражение ультразвуковых волн. Исключение составляет мягкая ворсистая поверхность, на которой ультразвуковые волны затухают.

2.6 Влияние параметров среды (прозрачность воздуха) на показания датчика

В ходе проведения практической работы исследовано влияние прозрачности среды на показания датчика. Рассмотрены различные сыпучие вещества, которые могут создавать взвесь мелких частиц в воздушном пространстве между датчиком и поверхностью объекта, тем самым внести ошибку в показания датчика. В практической работе опробованы следующие сыпучие вещества: крахмал, мука, манная крупа. Работа проводилась при включенном ультразвуковом датчике.

Рисунок 26 – Занесение сыпучего вещества в рабочее пространство

между датчиком и объектом

В рабочее пространство заносилось сыпучее вещество (рис. 26), а на мониторе контролировалось наличие помех или искажение сигнала. По результатам практической работы ни одно из сыпучих веществ не оказало влияние на показания датчика до препятствия. Работа проводилась на расстоянии 40 см от датчика до объекта. По данным практической работы можно сделать вывод о том, что взвесь твердых частиц в рабочем пространстве не оказывает влияния на показания датчика.

2.7 Разработка программы позиционирования робота

С учетом технических параметров и калибровки данных ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04 стало возможно реализовать функцию позиционирования объекта на плоской поверхности. В ходе проведения практической работы разработана математическая модель удержания расстояния до подвижного объекта и подготовлена программа для полноприводного программируемого робота проекта Keyestudio (4WD BT Multi-purpose Car V2.0 Kit).

Похожей функцией удержания расстояния обладают современные автомобили (рис. 27). В своей полосе умные автомобили могут следовать (в том числе тормозить, разгоняться) за впереди идущим транспортом. Такая функция умного автомобиля называется адаптивный круиз-контроль.

Рисунок 27 – Удержание расстояния до впереди идущего автомобиля

Математическая модель удержания расстояния до подвижного объекта следующая:

1. если дистанция до подвижного объекта меньше, либо равна 20 см, то робот двигается назад;

2. если дистанция от подвижного объекта до робота больше 20 см, но меньше 35 см, то робот останавливается;

3. если расстояние от подвижного объекта до робота больше или равно 35 см, но меньше, либо равно 80 см, то робот начинает двигаться вперед;

4. в остальных случаях робот останавливается.

Данная математическая модель реализована в программе, представленной в Приложении 4. Программа позволяет обрабатывать сигнал с ультразвукового датчика, управлять приводом робота, а так же выводить индикацию рисунка на фронтальную LED панель. Позиционирование робота в плоском пространстве осуществляется по показаниям ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04.

ВЫВОДЫ

Работа по изучению свойств ультразвука, определению параметров ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04 прошла успешно.

С помощью программы для контроллера и ультразвукового датчика стала возможна реализация функции позиционирования робота в плоском пространстве. Гипотеза подтвердилась.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы изучен материал по использованию ультразвуковых колебаний животными для ориентации в пространстве. Рассмотрено применение ультразвука в промышленной автоматизации и робототехнике. Изучены типы ультразвуковых преобразователей. Более подробно рассмотрен ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04. Разобраны технические параметры ультразвукового датчика. Проведен теоретический расчет функции показаний датчика (мкс) от расстояния до объекта (см).

В практической части работы выполнено следующее:

1. проведена калибровка датчика;

2. построена диаграмма направленности ультразвукового датчика HC-SR04 (Приложение 1);

3. определена зависимость показаний датчика от температуры окружающей среды;

4. рассмотрено влияние угла отраженной волны на показания датчика;

5. проведены опыты с различными поверхностями объекта;

6. определено влияние «прозрачности» среды на показания датчика;

7. разработана программа движения робота за препятствием.

Гипотеза о возможности позиционирования робота в плоском пространстве с помощью ультразвукового датчика подтверждена.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования /В. Ф. Дмитриева. – 6-е изд., стер. – М : Издательский центр «Академия», 2013. – 448 с.

2. Клинико-психологические аспекты развития дельфинотерапии как метода психологической коррекции психических и поведенческих расстройств у детей с ограниченными возможностями здоровья (аналитический обзор литературы). Часть 2 / С.В. Гундаренко, С.Б. Селезнёв, В.Г. Косенко [и др.] // Медицинская психология в России. – 2019. – T. 11, № 3. – C. 3.

3. Занимательная биоакустика./ Морозов В. П.- изд. 2-е, доп., перераб. – М.: Знание, 1987. – 208 с. + 32 с. вкл. – С. 30-36.

4. Википедия. Эхолокация. 2021: [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эхолокация (Дата обращения: 04.01.2024).

5. Википедия. Пьезоэлектричество. Изм.2023: [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пьезоэлектричество (Дата обращения: 04.01.2024).

6. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 / В. А. Жмудь, Н. О. Кондратьев, К. А. Кузнецов [и др.] // Автоматика и программная инженерия. – 2017. – № 4 (22). – URL : //www.jurnalnips.ru (Дата обращения: 04.01.2024).

7. Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики: Учеб.пособие. – М.: Высш. Школа, 1981. – 261 с.

Приложение 1

Диаграмма направленности ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04 в масштабе М1:12

Приложение 2

Программа для практической работы с ультразвуковым датчиком

/*

Ultrasonic Sensor

*/

int trigPin = 12;    // Trigger Pin - входстартовогоимпульса

int echoPin = 13;    // Echo Pin- выходсигналаожидания

long duration, cm, inches, dis;

voidsetup(){

  //Serial Port begin

  Serial.begin(9600);

  //Define inputs and outputs (назначаемвходыивыходы)

  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  pinMode(echoPin, INPUT);

}

voidloop(){

  // The sensor is triggered by a HIGH pulse of 10 or more microseconds.(Надатчикподается «1» длительностью 10 мкс, рис.11 пункт 1)

  // Give a short LOW pulse beforehand to ensure a clean HIGH pulse:

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);

  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

   // Read the signal from the sensor: a HIGH pulse whose (послеподачиультразвуковогосигналадатчика Echo Pin взводится в «1»,рис.11 пункт 3 иначинаетсяотсчетвремениожиданияэха)

  // duration is the time (in microseconds) from the sending (отсчетвремениожиданияэхавмкс)

  // of the ping to the reception of its echo off of an object (отсчетвремениожиданияэхаидетдомомента, когда Echo Pin станет «0», рис.11 пункт 4).

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

   // Convert the time into a distance (конвертациявремениожиданияэхаврасстояниедообъектавсм)

  cm = (duration) / 58.8;     // Деление на 58.8 или умножение на 0.017 (преобразование в соответствии с формулой (7))

Serial.print(cm); // вывод на монитор расстояния до объекта в см

  Serial.print("cm");

  Serial.println();

  delay(250);

}

//*************

Приложение 3

Блок программы для калибровки ультразвукового датчика

 // Convert the time into a distance

  cm = (duration) / 58.8;     // Деление на 58.8 или умножение на 0.017

   if(cm <= 30)// Если расстояние от объекта до датчика меньше, либо равно 30 см, то к полученному значению необходимо добавить 1 см

  {

    cm=cm+1;// добавим 1 см

  }

  else if((cm > 30)&&(cm <= 70))// Если расстояние от объекта до датчика больше 30 см, но меньше, либо равно 70 см, то к полученному значению необходимо добавить 2 см

{

    cm=cm+2;// добавим 2 см

  }

  else if((cm > 70)&&(cm <= 100))//Если расстояние от объекта до датчика больше 70 см, но меньше, либо равно 100 см, то к полученному значению необходимо добавить 3 см

{

    cm=cm+3;// добавим 3 см

  }

  else//иначе

  {

    cm=cm+4;// добавим 4 см

  }

  Serial.print(cm);

  Serial.print("cm");

  Serial.println();

  delay(250);

Приложение 4

Блок программы следования робота за подвижным объектом

//*******************************************************************************

/*

 keyestudio 4wd BT Car

*/

void loop() {

  distance = sr04.Distance();//определение дистанции до подвижного объекта с помощью ультразвукового датчика

   if(distance <= 20)//Если дистанция до подвижного объекта меньше, либо равна 20 см, то робот двигается назад

  {

    back();//команда «двигаться назад»

  }

  else if((distance > 20)&&(distance< 35 ))// Если дистанция от подвижного объекта до робота больше 20 см, но меньше 35 см, то робот останавливается

{

    Stop();//команда «стоп»

  }

  else if((distance >= 35)&&(distance <= 80))// Если расстояние от подвижного объекта до робота больше или равно 35 см, но меньше, либо равно 80 см, то робот начинает двигаться вперед;

{

    front();//команда «двигаться вперед»

  }

  else//в любых других случаях останавливаться

  {

    Stop();//команда «стоп»

  }

}

//*******************************************************************************