Розробка макету акустичної системи виявлення перешкод за допомогою ультразвукового датчика HC-SR04 для Arduino

Створення мобільних платформ для навігації робота в просторі. Розробка акустичної системи виявлення перешкод, забезпечення розпізнавання та подолання. Схема ультразвукового далекоміра. Визначення оптимальних комбінацій типів датчиків для використання.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид статья
Язык украинский
Дата добавления 26.07.2021
Размер файла 1,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

Національний технічний університет «Київский політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорьского»

Розробка макету акустичної системи виявлення перешкод за допомогою ультразвукового датчика Hc-SR04 для Arduino

Богданова Наталія Володимирівна кандидат технічних наук,

доцент кафедри Акустики та акустоелектроніки

Сінчук Ігор Олександрович студент

кафедра Акустики та акустоелектроніки

Summary

Development of the acoustic diagnostic detection system used by the ultrasonic sensor HC-SR04 for Arduino

Bogdanova N. V. Philosophiae doctor, Departament of Acoustics&Acoustoelectronics, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” Sinchuk I.A. Student, Departament of Acoustics&Acoustoelectronics, National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

The design and design of an interference-sensing acoustic system based on the Arduino Pro Mini microcontroller and the Ultrasonic ranging module HC-SR04 ultrasonic range finder have been developed.

The developed layout can be recharged from solar energy with the help of a solar panel installed on it. The program itself involves executing the microcontroller commands. An ultrasonic range finder is used to detect obstacles. Also installed photoresistors used by the microcontroller to find the most illuminated area of the room, for example, in order to charge the batteries, the system needs the sun.

Key words: robotics; ultrasonic electronic system; location; Arduino.

Анотація

Здійснено розробку та проектування акустичної системи виявлення перешкод на базі мікроконтролера Arduino Pro Mini та ультразвукового далекоміра Ultrasonic ranging module HC-SR04.

Розроблений макет може заряджатися від сонячної енергії за допомогою встановленої на ньому сонячної панелі. Сама програма системи передбачає виконання команд мікроконтролера. Для виявлення перешкод використовується ультразвуковий далекомір. Також встановлені фоторезистори, використовувані мікроконтролером для пошуку найбільш освітленої області приміщення, наприклад, для того, щоб зарядити акумулятори, системі потрібно сонце.

Ключові слова: робототехніка, ультразвукова електронна система, локація, Arduino.

Вступ

Актуальнісь теми дослідження. Для більшості автономних мобільних платформ однією з актуальних задач є проблема розпізнавання та подолання перешкод. Рішення цієї проблеми є ключем до створення алгоритмів навігації робота в просторі, тобто аналізу навколишнього ситуації і вибору маршруту самим роботом без участі людини.

Представлені в літературі рішення [1-4] для орієнтації в просторі найчастіше засновані на наступних принципах:

- використання систем глобального позиціонування (GPS, ГЛОНАСС) і прив'язка до карті місцевості;

- використання систем машинного зору в оптичному діапазоні електромагнітного випромінювання (інфрачервоні камери, стандартні камери у видимій області спектра);

- використання різного роду датчиків відстані.

Основна проблема, що виникає при використанні систем на основі перших двох принципів - високе обчислювальне навантаження, пов'язане із завданнями обробки зображення від однієї або декількох камер, а також проблема аналізу відповідності поточних координат перешкодам, позначеним на карті місцевості. Крім того, системи глобального позиціонування, як правило, мають значну похибку в локальних умовах, а в закритих приміщеннях і зовсім можуть не працювати, що призводить до необхідності останніх обладнувати спеціальними засобами локалізації (активні маяки, мітки).

Електронна система виявлення перешкод (ЕСВП) - це сукупність технічних засобів та організаційних заходів, що дозволяють контролювати доступ до об'єктів ЕСВП.

В даний час, ЕСВП є одним з найбільш застосовних методів рішення задач виявлення перешкод. Дивлячись на швидке зростання інтересу до ЕСВП і перспективу широкого їх застосування в найближчому майбутньому, не слід забувати, що ЕСВП тільки спрощує процес ідентифікації, економить час і підвищує ефективність роботи служб безпеки організації, але, при цьому, все одно вимагає контролю з боку людини. Від рівня ймовірних загроз і поставлених перед системою завдань, залежить необхідність підбору оптимального співвідношення між людьми і технічними ресурсами системи.

Установка системи виявлення перешкод, що дозволить не тільки підняти рівень загальної безпеки, але і скоротити витрати на її забезпечення, оскільки ЕСВП не вимагають великої кількості персоналу для обслуговування, економічні в споживанні електроенергії.

Мета работи та завдання дослідження

Розробити акустичну систему виявлення перешкод з урахуванням сучасного рівня розвитку електроніки. При розробці необхідно задовольнити наступні вимоги, тобто, електронна система виявлення перешкод, що розробляється повинна володіти такими технічними параметрами:

- період між імпульсами не менше 50 мс;

- частота 40 кГц;

- робочий кут огляду 300;

- ефективний кут огляду 150;

- напруга живлення 5В;

- вимірюваний діапазон - від 2 до 400 см;

- точність - 0,3 см.

Також слід прагнути створити компактний і зручний у використанні пристрій, який буде конкурентоспроможним в порівнянні з аналогами.

Структурна схема системи ультразвукового виявлення перешкод

Акустична система (АС) базується на активному методі локації, а саме - ехо- імпульсному. В даному методі нас цікавить час затримки сигналу. Параметри інформаційного сигналу: даний інформаційний сигнал відноситься до динамічних, які призначені для передачі інформації в просторі (акустичні хвилі). Первинним параметром сигналу буде час, за який повертається відбитий сигнал. Електричні імпульси надходять через КИП до оберненого акустичного перетворювача (АП) та випромінюються у повітря у вигляді зондуючого УЗ- імпульсу. Відбиті від перешкоди звукові хвилі потрапляють на вхід оберненого перетворювача, трансформуються в послідовність електричних імпульсів.

Рис. 1. Узагальнена структурна схема акустичної системи: АС - акустична система; КПП - комутатор прийому-передачі; ГР - генератор радіосигналу; КП - керуючий підсилювач (рп); ЧРП - часове регулювання підсилення; МКК - мікроконтроллер; Д - детектор; ФНЧ- фільтр низьких частот; КП - компаратор

Електричний еквівалент ехоімпульсу поступає через КПП до тракту прийому сигналу, який реалізовано на основі оптимального приймача - ко- релятора, який складається з смугового фільтру - АП, детектору, ФНЧ та компаратору.

Блок підсилення слугує для підтримання амплітуди зонда на постійному рівні. Блок ЧРП потрібен для того, щоб компенсувати втрати акустичної енергії за рахунок явища дифракції, розходження фронту хвилі.

Структурна схема електронної системи виявлення перешкод (рис.2.) складається з наступних елементів:

- фототранзистор;

- діод D;

- мікроконтролер Arduino Pro Mini (МК);

- сонячна панель;

- акумуляторна батарея живлення (АКБ);

- перетворювач напруги, що підвищує (П) DC/DC;

- модуль Bluetooth для управління по бездротовому зв'язку;

- модуль для управління по каналу інфрачервоного зв'язку (IR);

- ультразвуковий далекомір Ultrasonic ranging module HC-SR04.

Рис. 2. Структурна схема електронної системи виявлення перешкод

Сонячні елементи можуть служити джерелом заряджати акумулятори системи. Таке комбіноване вторинного електроживлення, якщо таким чином джерело живлення знижує вимоги до потужності сонячних елементів в порівнянні з безпосереднім живленням системи від сонячних батарей.

Однак в цьому випадку система буде активно функціонувати тільки частину часу, а в іншу заряджати свої акумулятори [1].

Пристрій може взаємодіяти з оточенням за допомогою актюаторів - електронних компонентів, які перетворюють електричні сигнали в фізичні дії. Сонячна енергія потрапляє на фотоелемент FS, який генерує електричний струм. Фотоелемент складається з декількох послідовно включених елементів, які генерують напругу порядку 5-7 В. Струм проходить від панелі до перетворювача напруги. Від перетворювача на виході маємо струм 8,40В. Через діод D струм йде до акумуляторних батарей. Діод в схемі потрібен для запобігання розряду акумуляторних батарей через сонячну панель.

При достатній кількості сонячних елементів можна створити сонячну батарею з практично будь-якими напругою і струмом і здатну забезпечити зарядку будь-якого типу акумуляторів. Звісно, не слід забувати, що потужна сонячна батарея буде займати велику площу для своєї установки.

Бажано використовувати сонячну батарею, що забезпечує прискорений зарядний струм, величина якого знаходиться в межах 0,15-0,3 від ємності акумуляторів [2]. Акумуляторні батареї, в свою чергу, живлять Arduino через канали живлення.

Користувач може управляти пристроєм за допомогою інфрачервоного каналу зв'язку за допомогою пульта управління або ж будь-яким Bluetooth- терміналом, що встановлюється на безліч сучасних пристроїв, таких як смартфони, планшети, комп'ютери.

Рух на світло здійснюється завдяки наявності фоторезисторів, встановлених в передній частині пристрою. Пристрій порівнює рівень освітленості і вибирає максимальне значення.

Автономний рух пристрою з обходом перешкод реалізовано за допомогою ультразвукового далекоміра моделі HC-SR04. Далекомір посилає сигнали і при зустрічі з перешкодою посилає сигнал на зупинку (звуковий).

Найбільша ефективність кутів огляду становить 15 °, що показано на рис.3. Діяльність виміру становить 4 метри.

Рис. 3. Розміри та кут огляду ультразвукового далекоміра [5]

Відстань до об'єкта визначається за формулою:

У якості мікроконтролера використовуємо плату Arduino Pro Mini (рис. 4). Arduino Pro Mini побудована на мікроконтролері ATMega328.

Рис. 4. Зовнішній вигляд та роз 'єми плати Arduino Pro Mini [5]

Дана плата використовується в рішеннях, які вимагають мінімальних розмірів (33,3мм*18,0мм) і низького споживання енергії.

Характеристики:

— мікроконтролер ATmega168

— робоча напруга 3,3В або 5В (в залежності від моделі)

— напруга живлення 3,35-12В (для моделі 3,3 В) або 5-12В

— (для моделі 5В)

— цифрові входи / виходи 14 (з них 6 можуть використовуватися в якості ШІМ-виходів);

— аналогові входи 8;

— максимальний струм одного виведення 40 мА;

— Flash-пам'ять 16 КБ (з яких 2 КБ використовуються для завантаження);

— SRAM 1 КБ;

— EEPROM 512 байт;

— Тактова частота 8 МГц (для моделі 3,3 В) або 16 МГц (в моделі 5В)

Рис. 5. Електрична схема плати Arduino Pro Mini

Перетворювач напруги, що підвищує (П) DC/DC (рис. 6).

Рис. 6. Перетворювач напруги, що підвищує DC/DC [5]

DC-DC перетворювач напруги з 513 В на вході, до 12 В вихідного постійного струму 1,5А. Перетворювач отримує меншу напругу і дає більш високу на виході, щоб використовувати там де є напруга менша необхідних 12 вольт. Використовується для збільшення напруги наявних батарейок. Це по суті інтегральний DC-DC конвертер.

Рис. 7. Електрична схема перетворювача напруги DC/DC

Ультразвуковий далекомір Ultrasonic ranging module HC-SR04 (рис. 8).

Рис. 8. Ультразвуковий далекомір Ultrasonic ranging module HC-SR04 [5]

акустичний ультразвуковий далекомір датчик

Безконтактний спрямований датчик HC-SR04 використовуючи ультразвукові хвилі, вимірює відстань до об'єкта або просто виявляє перешкоду на шляху руху рухомої конструкції. На платі модуля розміщені п'єзовипромінювач ультразвуку і мікрофон, що сприймає відбиту хвилю. На відміну від інфрачервоних далекомірів на ультразвуковий датчик HC-SR04 не впливають джерела світла або колір перешкоди.

Можуть виникнути труднощі при визначенні відстані до пухнастих або тонких об'єктів. Швидкість звуку в повітрі залежить від температури, це впливає на точність датчика.

Схема ультразвукового далекоміра Ultrasonic ranging module HC-SR04 наведена на рис. 9.

Рис. 9. Схема ультразвукового далекоміра Ultrasonic ranging module HC-SR04: VCC - живлення; GND - загальний провід; Trig - цифровий вхід для включення вимірювання;Echo - після завершення вимірювання, на цей вихід буде подана логічна одиниця на час, пропорційний відстані до об'єкта

Методика експериментальних досліджень, порівняння отриманих результатів з розрахунковими параметрами. Проводилося визначення відстані до різних об'єктів і результат спостереження виводився на індикаторі приймального вузла. (рис. 10), у нашому випадку через ноутбук. В якості перешкоди використовувалися об'єкти з різними коефіцієнтами відбиття ультразвуку, як, наприклад, скло, картон, тканина.

Рис. 10. Макетні випробування системи виявлення перешкод c перешкодою зі скла

Результати перевірки підтвердили працездатність пристрою в цілому. При цьому були отримані оцінки технічних характеристик пристрою для різних поверхонь, що відбивають, які наведені у таблиці 1.

Таблиця 1.

Експериментальні технічні характеристики електронної системи виявлення перешкод

Параметр

Скло

Картон

Вовняна тканина

Мінімальна вимірювана відстань, м

0,1

0,1

0,1

Максимальна стійко вимірювана відстань, м

1,5

1

0,25

Роздільна здатність, м

0,02

0,02

0,02

Отримані результати відповідають вимогам, викладеним раніше, і узгоджуються з теоретичними для випадку поверхні, що добре відбиває. Разом з тим, з отриманих даних випливає максимальна відстань виявлення перешкоди сильно залежить від коефіцієнта відбиття, тобто від матеріалу з якого складається перешкода.

Висновки

Із результатів дослідження випливає ряд висновків, важливих для проектування систем, що включають в себе ультразвукові вимірювачі відстаней:

- використання ультразвукових вимірювачів відстані без використання додаткової підтримки виправдано тільки у випадку, якщо умови роботи системи чітко обумовлені (що відображає здатність об'єктів, межі вимірювання відстані до них);

- використання вимірників у динамічно мінливих умовах роботи без додаткової підтримки не гарантує отримання заявлених результатів. Подібна ситуація має місце, зокрема, при використанні ро- бототехнічних комплексів і систем у польових умовах. Однак, залежність параметрів від умов роботи в рівній мірі властива іншим типам вимірювачів відстані (відео, лазерні). Звідси випливає, що використання ультразвукових датчиків в даному застосуванні доцільно використовувати спільно з іншими типами вимірювачів відстані. Це дозволяє компенсувати розбіжності у можливостях датчиків і забезпечити запас надійності системи в цілому;

- виходячи з вищесказаного, представляє інтерес визначення оптимальних комбінацій типів датчиків для використання в мобільних системах, а також оптимальних способів їх комбінування.

Разом з тим, отримані результати підтвердили працездатність запропонованих схемотехнічних і програмних рішень, що дозволило перейти до натурних випробувань розробленого модуля.

Література

1. Di Halt Учебник по микроконтроллерам AVR для начинающих - Издательство: http://dihalt.ru/, 2008. - 574 с.

2. Белов А. В. Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике - СП: «Наука и Техника», 2007. - 339 с.

3. Шпак Ю. А. Программирование микроконтроллеров на языке СИ. - К.: «МК-Пресс», СПб.: «КОРОНА-ВЕК», 2011. - 544 с.

4. Белов А. В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. - Изд. 2-е, пе- рераб. и доп. - СПб.: Наука и Техника, 2010. - 528с.

5. Ультразвуковой дальномер HC-SR04. [Электронный ресурс]. -http://amperka.ru/product/hc-sr04-ultrasonic-sensor- distance-module.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Призначення і склад акустичної системи, її електрична принципова схема, принцип дії і умови експлуатації. Розробка додаткових технічних вимог до конструкції ЕА. Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати та трасування друкованого монтажу.

    дипломная работа [1,7 M], добавлен 05.07.2010

  • Вибір та обґрунтування функціональної схеми акустичної системи. Розрахунок фільтрів. Вибір фільтруючих ланок. Характеристика інтегральних підсилювачів. Вибір гучномовців та розрахунок корпусів.

    дипломная работа [3,6 M], добавлен 08.08.2007

  • Розробка інформаційно-вимірювальної системи визначення температури. Методи вимірювання температури, вибір оптимальної структурної схеми. Електрична принципова схема, розрахунок вузлів системи. Визначення основної похибки перетворювача–датчика KTY81-121.

    курсовая работа [991,6 K], добавлен 24.01.2011

  • Разработка и сборка устройства передачи данных по каналу GSM. Принцип измерения расстояния при помощи датчика. Изготовление печатной платы устройства. Основные технические характеристики ультразвукового датчика HC-SR04 и микроконтроллера PIC16F628A.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 10.11.2017

  • Структурна схема пристрою ультразвукового вимірювача рівня рідини, принцип роботи. Конструкція і розташування деталей. Залежність частоти настройки від опору резистора. Обґрунтування елементної бази. Інтегральні мікросхеми. Розрахунок надійності роботи.

    курсовая работа [2,1 M], добавлен 05.12.2013

  • Варіанти рішення задач на виявлення реальних сигналів при перешкодах із гауссівським (нормальним) розподілом. Ознайомлення із методиками визначення відношень правдоподібності для перешкод із повністю відомими та випадковими нефіксованими параметрами.

    контрольная работа [454,6 K], добавлен 26.06.2011

  • Технічні канали витоку інформації або несанкціонованого доступу до неї. Дослідження інформаційної захищеності приміщення. Оцінка можливостей акустичної розвідки по перехопленню мовної інформації за допомогою мікрофонів та оптико-електронної апаратури.

    курсовая работа [689,0 K], добавлен 12.06.2011

  • Принципи побудови акустичних датчиків. Конструкції й технічні характеристики сучасних датчиків. Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль. Принцип дії та функціональна схема термодатчика. Розрахунок порогової чутливості термодатчика.

    дипломная работа [2,5 M], добавлен 30.08.2010

  • Вимоги до системи безпеки об'єктів категорії Б. Розробка підключень і розрахунок необхідної кількості відеокамер та датчиків для забезпечення захисту приміщення. Перевірка правильності вибору та оцінки споживчих характеристик технічних засобів охорони.

    курсовая работа [308,0 K], добавлен 28.04.2011

  • Розробка структурної схеми мікропроцесора. Узгодження максимальної вхідної напруги від датчиків з напругою, що може обробити МПСза допомогою дільника напруги та аналогового буферного повторювача. Система тактування та живлення. Організація виводу даних.

    курсовая работа [354,3 K], добавлен 14.12.2010

  • Аналогові та цифрові системи відеоспостереження. Розробка програмної системи АСУ. Обгрунтування вибору Trace Mode. Розробка загальної структури керування. Загальні визначення, послідовність дій по реалізації. Тестування програмного забезпечення АСУ.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 06.11.2016

  • Система підключення, розташування і кількість датчиків відеоспостереження для забезпечення оптимального захисту приміщення. Зв’язок з пунктом прийому контроля. Вимоги до системи безпеки об’єктів даної категорії. Технічні засоби охоронної сигналізації.

    курсовая работа [484,7 K], добавлен 11.05.2012

  • Розробка електричної схеми оптичної охоронної системи. Дослідження можливої реалізації структурних блоків. Вибір елементної бази та розрахунок параметрів елементів схеми. Характеристика особливостей сервісних датчиків і пристроїв охоронної сигналізації.

    курсовая работа [358,0 K], добавлен 12.03.2014

  • Розробка передавального напівкомплекту кодоімпульсної системи телевимірювань. Застосування системи для відправлення в лінію зв’язку сигналів телевимірювання. Розробка функціональної схеми багатоканального напівкомплекту. Вибір елементної бази системи.

    курсовая работа [188,3 K], добавлен 31.05.2013

  • Функціональна схема мікроконтролера ATMega8. Розробка робота на базі мікроконтролера ATMega8 з можливістю керування електродвигунами за допомогою програми. Функціональна і принципова схеми пристрою з вибором додаткових елементів, алгоритм його роботи.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 08.10.2012

  • Датчик як найважливіший елемент системи автоматичного регулювання, його призначення та основні сфери використання. Різновиди датчиків та їх відмінні властивості, вимоги. Передаточна функція термометра. Визначення початкового електричного опору датчика.

    контрольная работа [383,1 K], добавлен 22.02.2011

  • Визначення та класифікація датчиків. Особливості датчиків механічних величин, принцип дії оптоелектронних датчиків положення. Порівнянні характеристики датчиків різних типів для перетворення параметрів зовнішнього середовища у електричний сигнал.

    курсовая работа [6,3 M], добавлен 29.06.2010

  • Конструкція та принцип роботи холодильної камери. Структурна схема автоматизованої системи керування, її проектування на основі мікроконтролера за допомогою сучасних програмно-інструментальних засобів розробки та налагодження мікропроцесорних систем.

    курсовая работа [4,5 M], добавлен 08.07.2012

  • Розробка цифрової радіорелейної системи передачі на базі обладнання Ericsson mini-link TN. Створення мікрохвильових вузлів мереж безпроводового зв'язку. Розробка DCN для передачі інформації сторонніх систем управління. Дослідження профілів даної РРЛ.

    контрольная работа [807,7 K], добавлен 05.02.2015

  • Розробка мікропроцесорної системи управління роботом з контролем переміщення на базі мікроконтролера AT89C51. Розробка і опис структурної схеми мікропроцесорної системи. Відстань між світлодіодом і фототранзистором. Розробка алгоритмів програми.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.04.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.