Разработка макета имитатора "эхо" сигнала с использованием ультразвука

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Начало развития радиолокации относится к 1930-м годам. Уже широкое практическое применение радиолокация имела в годы Великой Отечественной войны Советского Союза. Явление, лежащее в основе локации, ? отражение волн - было замечено и описано изобретателем радио Александром Степановичем Поповым еще в 1897 году. Опыт, в результате которого было установлено, что электромагнитная волна отражается от большинства металлических тел, широко описывается во многих научных источниках. Однако в то время указанное открытие не могло найти практического применения из-за недостаточного развития науки и техники. Более того, эта идея не могла найти практического применения и последующие десятилетия. Первым прообразом отечественной радиолокационной станции была импульсная ионосферная станция, созданная в 1932 году в СССР М.А. Бонч-Бруевичем.

21 век характеризуется, как век новых технологий и открытий. Законы, принципы и явления, открытые еще в прошлых столетиях, широко применяются в современных устройствах и системах. Сегодня мы знаем, что не только радиосигналы могут отражаться от поверхностей. Сегодня расстояние до объектов можно определять лазерным, тензометрическим, а также и ультразвуковым методом. Каждый из них прост или сложен в своём техническом исполнении, выгоден или не выгоден по экономическим соображениям, имеет более высокую или низкую устойчивость к дестабилизирующим факторам.

В настоящее время ультразвук широко используется в различных физических и технологических методах. Использование ультразвука получило распространение и в военных технологиях. Ультразвуковые приборы и устройства отличаются простотой и удобством в эксплуатации по сравнению с лазерными и тензометрическими. Они допускают работу в широком диапазоне температур при больших вибрационных и ударных нагрузках, обладают высокой надёжностью, безотказностью работы в длительный промежуток времени и достаточно высокой точностью. Военные ученые стали широко использовать ультразвук для решения своих задач.

При выполнении поставленной задачи по созданию имитатора дальномера макета радиотехнического подразделения я решил использовать в своем «устройстве» ультразвуковые волны. Использование ультразвука в данном случае объясняется выше перечисленными преимуществами ультразвукового метода по отношению к другим методам. Данный метод подходит для определения небольших расстояний до объектов. В рамках макета имитатора нет необходимости в усилении излучаемого эхо-сигнала: ультразвуковой сигнал по своей мощности значительно слабее сигналов, излучаемых при лазерном, тензометрическом и радиолокационном методе.

В состав разрабатываемого макета имитатора эхо-сигнала будет входить УЗ-датчик измерения расстояния, принцип работы которого основан на принципе локации. Таким образом работа создаваемого макета имитатора будет абсолютно схожа с работой настоящей РЛС.

1. Обзор существующих радиолокационных комплексов

Существует большое количество различных радиолокационных комплексов, как зарубежных, так и отечественных, имеющие различную структуру, тактико-технические характеристики а, следовательно, и разные возможности. В зависимости от конкретного назначения современные радиолокационные станции имеют характерные особенности. Из всего их разнообразия значительную долю составляют РЛС обнаружения.

Выделим следующие РЛС, стоящие на вооружении в Вооруженных силах Республики Беларусь: «Восток-Д», «Роса-РБ», «Небо», «Оборна», П-18, «Дисна», П-37, 19Ж6. Раскроем следующие параметры станций:

- дальность обнаружения воздушных объектов;

- время свертывания и развертывания;

- количество сопровождаемых объектов;

1. «Восток-Д» ? РЛС белорусского производства. Принята на вооружение в 2014 году. Характеризуется высокой устойчивостью к пассивным помехам, имеет малые потери мощности при распространении зондирующих сигналов в реальной атмосфере, характеризуется неэффективностью программ снижения радиолокационной заметности целей типа Stealth и ей подобных. Локатор имеет высокие способности по обнаружению в том числе маловысотных целей и беспилотных летательных аппаратов. Дальность обнаружения станции -- до 360 километров, в зависимости от высоты полета цели. Время свертывания и развертывания в боевое положение -- не более восьми минут. Станция дежурного режима ? обеспечивает обнаружение и трассовое сопровождение в коридорах воздушного пространства и вне их воздушных целей всех типов. Имеет большую наработку на отказ, малое энергопотребление. При необходимости может работать автономно от собственного генератора энергопитания. Имеет небольшие габариты и характеризуется хорошей маневренностью.

2. «Роса-РБ» ? РЛС белорусского производства. Принята на вооружение в 2012 году. Осуществляет полный контроль за наземной и надводной поверхностью путем обнаружения и автоматического сопровождения целей различных классов, движущихся со скоростями от 0,4 до 200 км/ч. Радиолокационная станция работает в автоматическом режиме, она способна распознавать воздушные цели на высоте верхушек деревьев в радиусе до 50 километров, обнаруживать не только управляемые человеком объекты, но и образцы беспилотной авиации.

3. РЛС П-18 ? мобильная двухкоординатная радиолокационная станция кругового обзора метрового диапазона волн. Предназначена для своевременного обнаружения и сопровождения воздушных объектов, в том числе выполненных по технологии Stealth в пределах зоны видимости, определения государственной принадлежности и выдачи их координат (дальность, азимут) потребителям информации о воздушной обстановке. В 2008 году П18 белорусским ВПК была модернизирована до П18БМ.

4. РЛС 55Ж6 «Небо» ? трехкоординатная РЛС дежурного режима обнаружения и сопровождения воздушных объектов метрового диапазона. Поступила на вооружение в Вооруженные Силы в 1995 году. Дальность обнаружения цели типа истребитель: на высоте 20 км -- до 400 км; на высоте 500 м -- до 65 км. РЛС предназначена для обнаружения, измерения координат и сопровождения воздушных целей разных классов - самолетов, крылатых и управляемых ракет, малоразмерных гиперзвуковых, баллистических, малозаметных с использованием технологии stealth. В том числе в автоматическом режиме и при работе как автономно так и в составе АСУ соединений ПВО. РЛС обеспечивает распознавание классов целей, определение государственной принадлежности воздушных объектов, пеленгацию постановщиков активных помех. При сопряжении с вторичным радиолокатором РЛС может использоваться в качестве трассового локатора для управления воздушным движением.

5. РЛС 22Ж6 «Дисна» ? станция больших и средних высот боевого режима. Предназначена для контроля воздушного пространства, автоматического обнаружения и определения координат (дальность, азимут, высота и угол места) широкого класса воздушных объектов в условиях интенсивного противодействия. Трехкоординатная РЛС имеет автоматизированные системы: диагностирования, контроля и поиска неисправности, съема данных. Могла использоваться в составе автоматизированных систем управления.

Существует большое количество различных станций обнаружения воздушных объектов противника. Подвижные станции обнаружения представлены в таблице 1.

Табл. 1

2. Актуальность создания макета радиотехнического подразделения

Имитатор дальномера, предлагаемый в данной дипломной работе, предназначен для использования в макете радиотехнического подразделения. Данный имитатор используется для наглядного обоснования принципов радиолокации обучающимся. Кроме того, при успешном сопряжении с КСА РИФ-Р макета радиотехнического подразделения, появляется возможность проведения автономных тренировок расчетов обучающихся. Это в свою очередь позволяет прививать практические навыки работы с аппаратурой автоматизации, добиваться слаживания расчётов обучающихся без привлечения дополнительных сил и средств.

Данный макет обеспечивает имитацию на входе КСА РИФ-Р информационного потока. При этом имитационный поток информации аналогичен реальному.

3. Разработка алгоритма ультразвукового устройства измерения дальности

Рис. 1

4. Структура имитатора дальномера макета радиотехнического подразделения

В настоящем дипломном проекте ставится задача разработать имитатор дальномера макета радиотехнического подразделения, отвечающий за обеспечение комплекса средств автоматизации РИФ-Р информацией о дальности до воздушного объекта.

Под имитатором дальномера будем понимать устройство, обеспечивающее измерение дальности до имитированной воздушной цели с последующей выдачей её на КСА. ….. написать про масштабирование… уменьшить в 105 раз существующую ВО.

Изучив структуру и тактико-технические характеристики дальномеров существующих радиолокационных комплексов, был определён состав имитатора дальномера макета радиотехнического подразделения:

1) Ультразвуковой измеритель дальности, определяющий расстояние до имитированной воздушной цели.

2) Контроллер, обрабатывающий результаты измерений и передающий значения на КСА РИФ-Р.

3) Блок питания, обеспечивающий работу контроллера.

Исходя из задания на дипломный проект был собран имитатор дальномера с использованием ультразвукового датчика измерения расстояния.

5. Выбор материальной части для создания имитатора дальномера макета радиотехнического подразделения, технические характеристики её элементов

Выбор ультразвукового датчика измерения расстояния.

При разработке дипломной работы была поставлена задача измерения расстояния до имитированной воздушной цели ультразвуком. Использование ультразвука можно объяснить следующим образом:

- высокая точность измерения данных;

- достаточное количество различных ультразвуковых датчиков, позволяющих использовать их с различными контроллерами и создавать устройства разного назначения;

- ультразвук не оказывает плохого влияния на организм человека (по сравнению с электромагнитным импульсом высокой мощности, излучаемого в радиолокационных станциях);

Для определения дальности до имитированной воздушной цели был использован ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04. Настоящий дальномер представляет собой модуль с двумя пъезоизлучателями, один из которых служит излучателем, а второй - приемником ультразвуковой волны. НС-SR04 имеет 4 обычных вывода (pin) стандарта 2,54 мм, которые позволяют установить его на плату. 2 вывода необходимы для питания сонара и 2 для общения датчика с контроллером (pin Trig (вход) и pin Echo (выход)). Данный модуль подключается к управляющему контроллеру напрямую. Структурная схема не требует дополнения другими дискретными элементами, поскольку все необходимые элементы имеются в плате модуля.

Внешний вид ультразвукового датчика измерения расстояния представлен на рисунке 2.

Рис. 2

Фронтальная и горизонтальная проекции датчика представлены на рисунке 3.

Рис. 3

Габариты датчика составляют 43*20*40 миллиметров.

Основные электрические параметры ультразвукового датчика измерения расстояния НС-SR04 представлены в таблице 2:

Табл. 2

Технические возможности ультразвукового датчика измерения расстояния НС-SR04 представлены в таблице 3:

Табл. 3

Эффективный угол измерения составляет 15°. Диаграмма направленности датчика представлена на рисунке 4.

Рис. 4

Принцип работы ультразвукового датчика измерения расстояния полностью идентичен принципу радиолокации: пъезоизлучатель излучает пачку коротких ультразвуковых импульсов, которые отражаясь от объектов, принимаются приемником. Дальность до объекта определяется по формуле:

,

где: с - скорость распространения ультразвука в воздухе, равная ? 330 м/с., t ? время, за которое проходит излученный сигнал от сенсора и обратно.

После исчезновения эха от сигнала излучается следующий.

Применимо к датчику HC-SR04 это можно объяснить следующим образом:

1) На вход (Trig) подаётся импульс запуска tи = 10 мкс.

2) После обнаружения импульса запуска ультразвуковой датчик излучает пачку из восьми импульсов частотой 40 кГц.

3) После излучения пачки импульсов, приёмник датчика обнаруживает отражённый сигнал. Длительность отраженного сигнала в мкс будет пропорциональна измеренному расстоянию в метрах.

Выбор управляющего контроллера.

Контроллер - это специализированное устройство, предназначенное для управления другими устройствами путём получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства (ЭВМ, датчика или иного устройства), преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющих воздействий в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала. Контроллер является так называемым «мозгом» любого устройства. Контроллеры были и остаются основными компонентами для разработки различных устройств. Существует множество различных контроллеров, различающихся между собой по типу процессора, объему памяти, составу периферийных интерфейсов и т.п., а следовательно, и по возможности решения существующих задач. В настоящее время широкое распространение получили «шилды» на основе семейства микроконтроллеров ARM, AVR, и PIC, которые применяются в промышленных системах управления, в современных бытовых устройствах и различных гаджетах.

При выборе управляющего программируемого логического контроллера мой выбор был остановлен на контроллере Arduino. Arduino на микроконтроллерах AVR (реже ARM) на сегодняшний день, популярная аппаратная вычислительная платформа, завоевавшая признание во всём мире среди разработчиков-любителей и разработчиков-профессионалов.

Arduino представляет собой аппаратную и программную часть. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Arduino имеет полностью открытую архитектуру, которая позволяет свободно работать с программной частью. Arduino может использоваться как для создания автономных объектов, так и подключаться к программному обеспечению на ПЭВМ через стандартные и беспроводные интерфейсы.

Arduino выпускает несколько плат с микроконтроллерами, которые снабжены минимально необходимым набором обвязки для нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса). Arduino создана таким образом, что при необходимости в нее можно добавлять новые компоненты. Платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на ней штырьевых разъемов (порты ввода/вывода). Буферизация, защита, конвертация уровней на ней отсутствует. Контроллеры запитываются от 5В или от 3В, в зависимости от модели используемой платы. Соответственно порты имеют такой же размах допустимых входных и выходных напряжений. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом платы. Помимо портов на платах могутбыть установлена периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet.

Для создания имитатора дальномера из семейства Arduino мною был выбран контроллер Arduino UNO.

Контроллер ARDUINO UNO:

Arduino Uno - это контроллер, построенный на ATmega 328. Используется конвертер USB-UART на базе ATmega 16U2. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъём USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку презагрузки. Контроллер Arduino Uno запитывается через USB типа или от внешнего источника питания. Внешнее питание (не через USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с центральным положительным плюсом. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin. Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5 В может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать не стабильно. При использовании напряжения выше 12 В, регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендованный диапазон от 7 В до 12 В. Внешний вид контроллера Arduino UNO представлен на рисунке 5.

Рис. 5

Каждый из 14 цифровых выходов контроллера может быть настроен как вход или выход, используя функции pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключён) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции: последовательная шина 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL. Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на заднем или переднем фронте, или при изменении значения. ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11 пины. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite(). SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI. LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит. На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов

На платформе Arduino Uno установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega328 поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет данный интерфейс через USB, программы на стороне компьютера "общаются" с платой через виртуальный COM порт. Прошивка ATmega8U2 использует стандартные драйвера USB COM, никаких стороних драйверов не требуется.

Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение.

Платформа программируется посредством ПО Arduino. Микроконтроллер ATmega328 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования внешних программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500. Uno разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой Arduino на компьютере, а не нажатием кнопки на платформе.

Технические характеристики контроллера Arduino UNO представлены в таблице 4.

Табл. 4

Подключение ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04 к контроллеру Arduino UNO.

Порядок подключения ультразвукового датчика измерения расстояния HC-SR04 к контроллеру Arduino Uno представлен на рисунке 6:

Рис. 6

Вывод Тrig к 12 пину Arduino Uno;

Вывод Echo к 13 пину Arduino Uno;

Вывод Gnd к пину GND (power);

Вывод Ucc к пину 5V (power);

Порядок работы устройства представлен на рисунке 7.

Рис. 7

Осциллограммы работы устройства представлены на рисунках:

Рис. 8. Формирование импульса запуска канал 1 на осцилограмме

Формирование импульса длительностью, пропорциональной измеренному расстоянию канал 2 осцилограммы:

Рис. 9

Рис. 10

6. Код программы, обеспечивающей работу имитатора «эхо-сигнала»

// Ultrasonic HR-SC04 sensor

#define Trig 12

#define Echo 13

#define IZ 2

#define ES 4

void setup()

{

pinMode(Trig, OUTPUT);

pinMode(Echo, INPUT);

pinMode(IZ, INPUT);

pinMode(ES, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

Serial.println("Opredelyau dalnost do objecta : "); // start the serial port

}

unsigned int impulseTime=0;

unsigned int distance_km=0;

void loop()

{

digitalWrite(Trig, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(Trig, LOW);

impulseTime=pulseIn(Echo, HIGH);

distance_km=impulseTime/58;

digitalWrite(ES, digitalRead(Echo));

digitalWrite(IZ, digitalRead(Trig));

Serial.print("Vizhy cel. Dalnost : ");

Serial.println(distance_km); // print the distance

delayMicroseconds(24242); // arbitary wait time.

}

7. Тактико-экономическое обоснование

Экономическая оценка является одним из важнейших факторов при изготовлении имитатора дальномера, поскольку выбор плат и датчиков осуществляется подбором более дешевых вариантов. Кроме того любое устройство может быть оценено критерием «эффективность-стоимость», который может быть выражен отношением, в числителе которого - обобщенная тактико-техническая характеристика устройства, а в знаменателе - его стоимость.

Рассчитаем стоимость имитатора, подключаемого к комплексу средств автоматизации.

Экономический расчет приведен в таблице.

Табл. 5

радиолокационный ультразвуковой дальномер контроллер

В настоящем макете имитатора имеются следующие недостатки:

- не позволяет при имитации учитывать влияние дестабилизирующих факторов на процесс измерения;

- возможность определения дальности только до одного воздушного объекта.

Литература

1. Радио и радиолокационная техника и их применение. К.М. Листов, К.Н. Трофимов. «Воениздат МО СССР», 1960.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. М.: «Советская энциклопедия», 1979.

3. Электроника. Проекты с использованием контроллера Arduino. Виктор Петтин.

Размещено на Allbest.ru