Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое ультразвуковой датчик расстояния, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое ультразвуковой датчик расстояния , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
Ультразвуковой радар, также известный как ультразвуковой датчик или ультразвуковой дальномер, это устройство, которое использует ультразвуковые волны для обнаружения и измерения расстояния до объектов. Ультразвуковые волны имеют частоту выше верхней границы слышимого человеческого слуха (обычно свыше 20 кГц).
Основными данными, которые требуются роботу, для составления локальной карты являются расстояние до объекта и направление, по которому он расположен, относительно текущего положения робота. Рассмотрим основные бесконтактные методы измерения расстояния.
Методы измерения расстояния Устройства, осуществляющие бесконтактные метод измерения можно разделить на три группы:
Лазерные
С помощью лазеров можно измерить расстояние двумя способами.
Первый способ заключается в измерении времени за которое свет достигнет
объекта и вернется назад. Этот метод применяют в основном в тех случаях,
когда объект находится на достаточно большом расстоянии, так как из-за
того, что скорость света достаточно велика, бывает достаточно сложно
измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Чтобы измерить
небольшие расстояния (до 1 м), понадобится точность измерения времени до
десятков наносекунд.
Другой метод измерения расстояния – фазовый. В этом методе лазер
работает в непрерывном режиме, но его излучение подвергается
амплитудной модуляции сигналом определенной частоты (обычно меньше
500МГц). При этом длина волны лазера не меняется
Инфракрасные Данный способ измерения расстояния основан на триангуляции. Световой импульс ИК диапазона (длина волны 850нм ± 70нм) излучается и отражается обратно от препятствия. Расстояние до объекта определяется по углу возвращенного сигнала
Ультразвуковые Ультразвуковые дальномеры действуют по принципу эхолота: устройство посылает звуковые волны, улавливает их отражение от объекта и фиксирует время возврата, с помощью которого затем, зная скорость прохождения звуковой волны через среду, можно вычислить расстояние. Метод имеет некоторые недостатки: объект должен быть достаточно крупным, чтобы пучок звуковых волн отразился от него, некоторые материалы имеют свойство ослаблять звук, поэтому результат измерений будет искажен. К достоинствам можно отнести доступную цену. Таким образом, сравнив три метода измерения расстояния, выделим два способа, которые нам подходят: лазерный и ультразвуковой. Инфракрасные дальномеры не подходят для решения нашей задачи из-за наличия «слепой зоны
ультразвуковой датчик расстояния SRF04
Ультразвуковой датчик расстояния определяет расстояние до объекта, измеряя время отображения звуковой волны от объекта. Частота звуковой волны находится в пределах частоты ультразвука, что обеспечивает концентрированное направление звуковой волны, так как звук с высокой частотой рассеивается в окружающей среде меньше. Типичный ультразвуковой датчик расстояния состоит из двух мембран, одна из которых генерирует звук, а другая регистрирует отображенное эхо. Образно говоря, мы имеем дело со звуковой колонкой и микрофоном. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Звуковой генератор создает маленький, с некоторым периодом ультразвуковой импульс и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует прибытие отображенного импульса и останавливает таймер. От времени таймера по скорости звука возможно вычислить пройденное расстояние звуковой волны. Расстояние объекта приблизительно половина пройденного пути звуковой волны.
Принцип работы ультразвукового датчика расстояния
У ультразвукового датчика расстояния в повседневной жизни множество применений. Их используют взамен измерительной рулетки в устройствах измерения расстояния, например в строительстве. Современные автомобили снабжены ультразвуковым датчиком и предупреждающим сигналом для защиты от наезда на стоящее позади препятствие. Помимо измерения расстояния они могут также регистрировать нахождение объекта в измеряемом диапазоне, к примеру, в опасной зоне производственных машин. Если излучатель и приемник ультразвука разделить, то можно измерять скорость потока текущего между ними вещества, потому что звуковая волна против течения распространяется медленнее, а по течению быстрее.
В комплекте модуля «Датчики» Домашней Лаборатории имеется ультразвуковой датчик расстояния Devantech SRF04 или SRF05. SRF04/SRF05 - это только датчик, который напрямую информацию о расстоянии не выдает. У датчика помимо выводов питания имеется еще вывод триггера и вывод эха. При настройке вывода триггера высоким датчик генерирует 8-периодную 40 kHz ультразвуковую волну. В этот момент вывод эха становится высоким и остается высоким до того времени, пока отображенная звуковая волна достигнет датчика. Таким образом сигнал эха показывает время, в течение которого звук распространяется до объекта и обратно. Измерив это время, умножив его на скорость распространения и разделив на два, можно получить расстояние до объекта. Находящийся рядом график представляет связь между временем и сигналами, излучателя звуковой волны и эха.
Сигналы SRF04
Для использования ультразвукового датчика Devantech с микроконтроллером AVR, нужно выводы триггера и эха соединить с какими-либо выводами AVR. Для измерения времени желательно использовать 16-битный таймер, к примеру, timer3. Далее приведена функция, которая производит всю процедуру измерения - генерирует сигнал триггера, запускает таймер, измеряет длину сигнала эха и переводит его в расстояние в сантиметрах. Функция блокирующаяся, т.е. процессор занят этим до тех пор, пока результат измерения не получен или измерение затягивается дольше разрешенного. Чем быстрее эхо прибывает, тем быстрее получаем результат измерения. Если эхо не прибывает, то функция ждет этого ~36 ms и возвращает 0. Важно между измерением оставить паузу в несколько десятков миллисекунд, чтобы звуковая волна от предыдущего измерения успела затихнуть и не нарушила новое измерение. Если в одно время используется несколько ультразвуковых датчиков, то придется так же следить за тем, чтобы звуковые волны не перекрещивались.
#define ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND 33000 // cm/s
//
// Измерение ультразвука датчиком расстояния
//
unsigned short ultrasonic_measure(pin trigger, pin echo)
{
// Установка выводов
pin_setup_output(trigger);
pin_setup_input_with_pullup(echo);
// Таймер 3 в нормальный режим
// c периодом F_CPU / 8
timer3_init_normal(TIMER3_PRESCALE_8);
// Вывод триггера высоким
pin_set(trigger);
// Обнуление таймера
timer3_overflow_flag_clear();
timer3_set_value(0);
// Ожидание ~10 us
while (timer3_get_value() < 18) {}
// Вывод триггера низким
pin_clear(trigger);
// Ожидание начала сигнала эха
while (!pin_get_value(echo))
{
// Слишком долго ожидается?
if (timer3_overflow_flag_is_set())
{
return 0;
}
}
// Обнуление таймера
timer3_set_value(0);
// Ожидание конца сигнала эха
while (pin_get_value(echo))
{
// Слишком долго ожидается?
if (timer3_overflow_flag_is_set())
{
return 0;
}
}
// Перевод измеренного времени в расстояние
// растояние = время * (1 / (F_CPU / 8)) * скорость звука / 2
return (unsigned long)timer3_get_value() *
ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND / (F_CPU / 4);
}
Приведенная функция позволяет пользователю выбрать выводы триггера и эха так, чтобы датчик можно было подключить туда, где удобнее или где есть место. Вдобавок, свобода выбора выводов дает возможность использовать функцию не только в комплекте Домашней Лаборатории. Приведенная функция принадлежит библиотеке Домашней Лаборатории, что позволяет не записывать ее отдельно в свою программу. Но следует учитывать, что в библиотеке Домашней Лаборатории эта функция жестко связана с тактовой частотой в 14,7456 Mhz модуля «Контроллер» Домашней Лаборатории и при других тактовых частотах функция даст неправильный результат. При другой тактовой частоте придется эту функцию писать самому в свою программу. Приведенный далее программный код демонстрирует использование ультразвукового датчика SRF04/SRF05 с библиотекой Домашней Лаборатории.
//
// Пример программы ультразвукового датчика Домашней Лаборатории.
// Функция измерения расстояния блокирующаяся.
//
#include
#include
#include
#include
#include
//
// Выводы ультразвукового датчика
//
pin pin_trigger = PIN(G, 1);
pin pin_echo = PIN(G, 0);
//
// Основная программа
//
int main(void)
{
unsigned short distance;
char text[16];
// Настройка LCD экрана
lcd_alpha_init(LCD_ALPHA_DISP_ON);
// Очистка LCD экрана
lcd_alpha_clear();
// Название программы
lcd_alpha_write_string("Ультразвук");
// Маленькая пауза
sw_delay_ms(100);
// Бесконечный цикл
while (true)
{
// Измерение
distance = ultrasonic_measure(pin_trigger, pin_echo);
// Измерение удалось?
if (distance > 0)
{
// Перевод расстояния в текст
sprintf(text, "%d cm ", distance);
}
// При измерении произошла ошибка?
else
{
// Текст ошибки
sprintf(text, "Ошибка ");
}
// Отображение текста в начале второго ряда LCD
lcd_alpha_goto_xy(0, 1);
lcd_alpha_write_string(text);
// Маленькая пауза
sw_delay_ms(500);
}
}
Применение ультразвуковых радаров включает:
Промышленная автоматизация: Ультразвуковые радары широко применяются в промышленности для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в емкостях и резервуарах. Они могут использоваться для контроля заполнения, предотвращения перелива, а также для мониторинга уровня и контроля процессов.
Автомобильная промышленность: Ультразвуковые радары используются в автомобилях для систем помощи при парковке, которые помогают водителям избегать столкновений с препятствиями при маневрировании и парковке. Они также могут использоваться для систем автоматического торможения и контроля дистанции.
Робототехника: Ультразвуковые радары применяются в робототехнике для обнаружения и избегания препятствий. Роботы, оснащенные ультразвуковыми датчиками, могут использоваться в автономных системах навигации, пылесосах-роботах, беспилотных летательных аппаратах (дронах) и других приложениях.
Медицина: Ультразвуковые радары используются в медицинской диагностике, например, в ультразвуковых сканерах, для создания изображений внутренних органов и тканей. Они также могут использоваться в медицинской терапии, например, для фокусировки ультразвуковых волн в целевой зоне для лечения определенных заболеваний.
Безопасность и охрана: Ультразвуковые радары могут использоваться в системах безопасности и охраны для обнаружения движущихся объектов или людей в зоне наблюдения. Они могут быть установлены на периметрах зданий, складов или других объектов для обеспечения защиты и определения нарушителей.
Ультразвуковые радары обладают высокой точностью, надежностью и широким спектром применений в различных отраслях. Они играют важную роль в обеспечении безопасности, автоматизации и повышении эффективности различных процессов.
Информация, изложенная в данной статье про ультразвуковой датчик расстояния , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое ультразвуковой датчик расстояния и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы