В.А. МАРФИН

Научный руководитель – П.В. НЕКРАСОВ, к.т.н.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СОНАР
Произведен обзор систем ориентации, принцип действия которых основан на явлении отражения звуковых и световых волн от препятствий. Разработана система для измерения расстояний с помощью ультразвуковых колебаний (сонар).
На автоматизированных производственных линиях, в автомобильной индустрии и, главным образом, в роботостроении постоянно необходимо ориентировать предмет в пространстве. Для решения такого рода задач используются системы ориентации. К таким системам относятся инерциальные системы навигации, нивелирные системы навигации, а также системы ориентации, измеряющие расстояние до препятствия.

Поставленная задача - ориентировать робота в пространстве в реальном времени в условиях постоянно изменяющейся внешней обстановки. Лучше всего для решения этой задачи подходят системы, измеряющие расстояние до окружающих объект тел. В качестве основного принципа, позволяющего определять расстояния, используется явление отражения звуковых и световых волн от препятствий. Системы, использующие для определения расстояния звуковые колебания, получили название сонаров. Принцип действия сонаров основан на измерении временного отрезка между испускаемой звуковой волной и отраженной от препятствия. С помощью полученного времени можно легко определить расстояние до препятствия, зная скорость распространения звуковых колебаний в среде. Для получения испускаемой звуковой волны используются ультразвуковые излучатели. К достоинствам таких систем относится их простота и относительно высокая точность определения расстояния. К недостаткам – относительно низкая скорость измерения расстояния и сравнительно небольшой диапазон расстояний. В значительной степени этих недостатков лишены системы, использующие в процессе своей работы отражение световой волны [1]. Один из методов измерения расстояния так же основан на принципе измерения задержки распространения волны. Очевидный недостаток данного способа заключается в огромном значении скорости распространения света; применение этого метода целесообразно при измерении значительных расстояний. Также существует возможность измерять расстояния до препятствий с помощью амплитудной, например, модуляции мощности испускаемого луча и последующего измерения разности фаз испускаемого и отраженного лучей. Следует отметить, что главными преимуществами измерения расстояний с помощью светового излучения, являются высокая скорость измерений и большой диапазон измеряемых расстояний, однако для получения хороших результатов необходимо использование оптических систем фокусировки луча и высокая точность расположения датчиков.

Было принято решение реализовать систему ориентации, измеряющую расстояние до препятствия с помощью ультразвуковых колебаний [2].

Рис 1. Принципиальная электрическая Рис 2. Внешний вид программы

схема сонара управления

В качестве передатчика и приемника ультразвуковых колебаний был использован совмещенный ультразвуковой приемопередатчик US RT [3] (рис 1). Данная схема обладает всеми достоинствами и недостатками сонаров. Характеристики исследуемого устройства: точность измерения расстояния – достигает 0,1 см; максимальное измеряемое расстояние – 7,5 м; время одного измерения – около 15 мс (при l = 2.5 м). ), к недостаткам сонара можно отнести т.н. «зону нечувствительности» которая составляет - около 40 см. На рис 2 представлен внешний вид программы управления сонаром. В настоящее время ведется разработка системы ориентации, измеряющей расстояния на основе модуляции светового луча (инфракрасного спектра) и измерения разности фаз испускаемого и отраженного лучей.

Список литературы

1. 
   www.geototal.ru/laser_range_finders/
   
2. 
   www.maxbotix.com/MB1040__LV-MaxSonar-EZ4.html
   
3. 
   www.maxbotix.com/uploads/MaxSonar-UT-Datasheet.pdf