Звуковые и ультразвуковые системы

Для определения расстояний и обнаружения препятствий часто используется ультразвук. Многие конструкторы остановились на использовании ультразвуковых модулей компании Polaroid (см. рис. 1). Подобные модули используются в фотокамерах Polaroid для быстрого определения расстояния до объекта и фокусировки объектива с целью получения четкого изображения. При соединении с интерфейсом микроконтроллера подобные устройства способны измерять расстояния с большой точностью.

Рис. 1. Ультразвуковой дальномер типа Polaroid

Такие датчики фирмы Polaroid очень удобны для использования в роботах с целью определения расстояний. Устройство способно измерять расстояния до 10 м. При использовании сервомотора или шагового двигателя устройство можно поворачивать на манер радара для составления навигационной карты или обнаружения свободного прохода.

При каждом включении УЗ преобразователь фирмы Polaroid издает слышимый щелчок. Эти постоянные щелчки, исходящие от датчика, кажутся мне раздражающими. Хотя модуль функционирует в ультразвуковом диапазоне, начальный процесс возбуждения УЗ излучателя сопровождается слышимыми звуками.

Относительно легко создать УЗ систему избегания столкновений, которая, будучи полостью ультразвуковой, работает «тихо». Основная схема повторяет схему избегания столкновений на ИК лучах, с тем отличием, что мы используем звук вместо света. На рис. 2 показана функциональная схема устройства. Передатчик посылает сигнал 40 кГц в УЗ преобразователь (излучатель). Другой преобразователь (приемник) расположен рядом с излучателем передатчика. Когда робот приближается к стене или препятствию, сигнал 40 кГц отражается и попадает в приемник, что вызывает повышение амплитуды его выходного напряжения. Когда напряжение превысит пороговое значение, компаратор перебросится в другое состояние, сигнализируя о наличии препятствия.

Рис. 2. Схема УЗ детектора препятствий

УЗ приемный блок

УЗ приемный блок (см. рис. 3) используется для точной настройки передатчика. Дело в том, что УЗ преобразователи имеют резонансную частоту 40 кГц. Если частота отличается от резонансной (±750 Гц), то эффективность преобразователя резко падает. Точная настройка преобразователя на максимум резонанса не составляет трудности, если вы воспользуетесь процедурой, описанной ниже. Для этого потребуется авометр, измеряющий постоянный ток, со шкалой 2 В.

Рис. 3. Схема УЗ приемника

Поскольку преобразователи имеют очень узкую полосу пропускания, (резонанс лежит около частоты 40 кГц), использование петли ФАПЧ (ИС LM567) не является необходимым. Сам преобразователь подавляет сигналы вне его частотного диапазона.

В приемном блоке использован ОУ КМОП-структуры. Цоколевка корпуса усилителя с 8 выводами аналогична универсальной ИС типа 741 (но не является заменой ОУ 741). ОУ включен в схему с инвертированным входом и имеет коэффициент усиления порядка 22.

УЗ передающий блок

УЗ передающий блок выполнен на ИС КМОП-структуры типа 555, включенной в режиме генерации. Для точной подстройки частоты использован подстроечный резистор R2 4,7 кОм (см. рис. 4).

Рис. 4. Схема УЗ передатчика

Настройка передатчика

Расположите УЗ преобразователи (излучатели) навстречу друг другу на расстоянии 10–15 см (см. рис. 5). Присоедините вольтметр, как показано на вставке к рис. 3 (компаратор при этом нужно отсоединить). Установите авометр на измерение напряжения постоянного тока. Выходное напряжение будет порядка 2 В, соответственно необходимо установить нужный предел измерения. Включите одновременно оба устройства. Подстраивая передатчик с помощью R2, добейтесь максимума выходного напряжения на вольтметре, которое должно составлять порядка 2 В.

Рис. 5. Проверка работы УЗ устройства

Настройка КМОП-компаратора

После настройки передатчика мы должны настроить схему компаратора. Отсоедините вольтметр и присоедините компаратор. Расположите УЗ преобразователи в ряд, в одном и том же направлении на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. Расположите предмет с плоской гранью на расстоянии примерно 75 мм перед УЗ преобразователями. Включите приемник и передатчик и подстраивайте резистор R5 приемника до зажигания сверхминиатюрного светодиода.

Для проверки работы схемы уберите предмет, расположенный перед излучателями. В этом случае светодиод должен погаснуть. Отодвиньте предмет на расстояние 12–15 см и еще раз подстройте R5 до зажигания светодиода. Помните, что приемник очень чувствителен к углу отражения. Если предмет имеет острый угол, то ультразвуковой сигнал может отразиться «вбок» от приемника. По мере приближения объекта угол отражения становится менее критичным.

Устройство способно обнаруживать объекты на расстояниях до 20 см. На больших расстояниях угол отражения становится очень критичным. Я использовал перпендикулярное положение излучателей. Для различных расстояний можно немного поворачивать излучатели.

При обнаружении объекта на расстоянии до 15 см устройство стабильно выдает TTL сигнал высокого уровня, зажигающий светодиод. Этот сигнал можно легко использовать для управления нейросетью или микроконтроллером.

Расположение УЗ датчиков

Очевидными способами использования УЗ преобразователей (датчиков) является обнаружение препятствий спереди, сзади и по бокам робота. Другим применением, не столь очевидным, является мониторинг поверхности. Если закрепленный спереди УЗ датчик наклонен немного вниз, то он может предоставлять информацию о состоянии поверхности, по которой движется робот. Если робот достигает обрыва или «ступеньки», то нормально высокий сигнал становится низким, информируя ЦПУ о необходимости остановки движения.