2.1.7. Ультразвуковой дальномер

Измерение расстояния до различных препятствий необходимо для возможности автономного движения роботизированного устройства. В настоящее время существует несколько разновидностей дальномеров (датчиков расстояния). Большинство из них измеряют расстояние путем излучения в пространство акустического либо оптического сигнала с последующим измерением его характеристик при отражении от препятствий.

Наибольшую точность (доли миллиметров) обеспечивают так называемые лидары. Принцип их работы подразделяется на 2 вида. Первые используются в основном для измерения больших расстояний, около десятков-сотен метров. Источником излучения является лазер, в большинстве случаев инфракрасного диапазона (не виден человеческому глазу). Отраженный оптический сигнал регистрируется специализированным фотоприемником. Измеренное расстояние пропорционально половине времени между излучением оптического импульса и его приемом. Другая разновидность лидаров осуществляет постоянное излучение и прием сигнала с частотной либо фазовой модуляцией, а расстояние пропорционально сдвигу фаз излученного и отраженного сигнала. К преимуществам лидаров можно отнести очень узкую диаграмму направленности, что позволяет более точно локализовать место измерения, а также большую точность измерений. К недостаткам, в первую очередь, относится большая цена подобных устройств, невозможность измерения расстояния до зеркальных препятствий.

Другим видом датчиков расстояния являются ультразвуковые дальномеры. Один из таких датчиков изображен на рис. 2.11. Принцип его действия подобен принципу действия лидаров. Колебания ультразвуковой частоты (модулированные) излучаются в пространство, отражаются от препятствия, принимаются и обрабатываются. Для датчика на рис. 2.11 излучается синусоидальный сигнал частотой 42 кГц. Зная это и скорость распространения звука в воздухе, можно посчитать, что в таком случае длина волны излучения составляет около 8 миллиметров. Следовательно, это минимальный размер препятствий, расстояние до которых может измеряться данным видом датчиков. К преимуществам ультразвуковых дальномеров можно отнести простоту их использования, относительно низкую цену по сравнению с лидарами, а также возможность измерения расстояния до зеркальных препятствий. Недостатками являются, прежде всего, широкая диаграмма направленности излучения (около 60 градусов), а также неспособность измерения расстояния до пористых предметов, ковровых покрытий и других материалов, поглощающих акустические волны.

Проанализировав преимущества и недостатки различных видов дальномеров, было принято решение остановить выбор на использовании ультразвукового датчика, преимущественно из-за его цены, а также слабых вычислительных возможностей микроконтроллера для работы с лидарами.

28

Рис. 2.11. Внешний вид ультразвукового дальномера [14] Характеристики ультразвукового дальномера приведены в табл. 2.10.

Дальномер имеет для связи с микроконтроллером следующие выводы: VCC – питание, GND – общий провод, Trig – сигнал излучения, Echo – импульсный сигнал, время пребывания которого в низком логическом уровне пропорционально измеряемому расстоянию. Для осуществления измерения необходимо подать на вход Trig – импульс длительностью 10 мс и затем дождаться появления сигнала на выводе Echo и измерить его.

В приложении Ж представлена принципиальная схема дальномера. В составе модуля ультразвукового дальномера имеется три микросхемы. STC11 является микроконтроллером. Если на его вход Trig поступает импульс длительностью 10 мс, то он выдает пачку из восьми импульсов на микросхему MAX232. В данной микросхеме амплитуда импульсов повышается и они затем поступают в ультразвуковой излучатель, который посылает сигнал в пространство. Отраженный сигнал из ультразвукового приемника (на самом деле это тоже ультразвуковой излучатель) попадает в усилитель на базе микросхемы TL074 и затем передается обратно в микроконтроллер. Последний формирует на выходе Echo импульс, длительность которого пропорциональна прошедшему времени между излучением и приемом сигнала. Упрощенная диаграмма описанных сигналов показана на рис. 2.12.

Для оперативного мониторинга в реальном времени окружающих препятствий с учетом диаграммы направленности дальномер необходимо поворачи-

29

вать, чтобы обеспечить больший угол обзора. Для этих целей целесообразно применять сервоприводы.

Сервопривод представляет собой электродвигатель с понижающим редуктором и платой управления. Плата управления обеспечивает подачу напряжения на электродвигатель и посредством сигналов обратной связи осуществляет позиционирование выходного вала сервопривода.

Рис. 2.12. Сигналы управления ультразвуковым дальномером [14]

В рамках данной работы было принято решение о применении сервопривода SG90. Он имеет к омпактный корпус, вес 9 г, малое энергопотребление, а также способен развивать усилие в 1.5 кг × см при максимальном угле поворота вала 178ᵒ. Внешний вид сервопривода показан на рис. 2.13.

Управление сервоприводом осуществляется подачей на его единственный вход сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Скважность сигнала пропорциональна углу поворота сервопривода (рис. 2.14).

Рис. 2.13. Внешний вид сервопривода

30

Рис. 2.14. Схема сигналов управления сервоприводом

Таким образом, роботизированное устройство имеет возможность измерения расстояния до окружающих препятствий. Кроме того, датчик расстояния является подвижным, что обеспечивает большую область измерений. Благодаря дальномеру роботизированное устройство может осуществлять движение в автоматическом режиме.

2.1.8. Модуль измерения радиоактивного фона

Модуль измерения радиоактивного фона (дозиметр) относится к группе датчиков сбора информации. В составе модуля используется устройство регистрации заряженных частиц – счетчик Гейгера.

Принцип работы дозиметра достаточно прост. Трубка счетчика заполнена газом. При прохождении заряженной частицы через счетчик происходит выбивание из трубки электронов, в результате чего возникает электрический пробой. На короткое время через трубку начинает протекать электрический ток. Подсчет количества пробоев за определенную единицу времени (конкретное значение зависит от вида счетчика Гейгера) показывает текущий радиоактивный фон. В прил. 8 приведена принципиальная схема модуля.

Единственная сложность при реализации модуля в том, что для трубки счетчика Гейгера необходимо напряжение питания свыше 400 вольт. Однако ток, протекающий через трубку во время пробоя небольшой (порядка 10 мА), что позволяет использовать маломощный трансформатор. Для питания модуля используется литий-полимерный аккумулятор (тот же, что используется для питания электродвигателей).

Микроконтроллер через делитель напряжения встроенным АЦП измеряет напряжение на выводах счетчика Гейгера. Вывод микроконтроллера, обеспечи-

31