1. Вступ За запитом найбільших клієнтів випускаються датчики з особливою прошивкою. Такі моделі оптимізуються...
2. Заводське калібрування діаграм спрямованості ультразвукових датчиків
3. Виявлення людей і фільтрація перевідбиттів від бічних об'єктів
4. Температурна похибка і похибка монтажу ультразвукового датчика
5. Робота ультразвукового датчика в широкому діапазоні температур
6. Управління харчуванням ультразвукового датчика
7. Самокалібровка ультразвукового датчика в процесі роботи
8. Фільтрація постійних джерел шуму
9. Фільтрація непостійних джерел шуму
10. Перехресні перешкоди при використанні декількох ультразвукових датчиків
11. Дозвіл і точність
12. Компенсація температурної похибки при визначенні відстані до об'єкта
13. Виявлення об'єктів, розташованих впритул до датчика
14. огляд датчиків

Вступ

За запитом найбільших клієнтів випускаються датчики з особливою прошивкою. Такі моделі оптимізуються відповідно до вимог конкретних додатків. Незважаючи на це, більшість розробників вважає за краще використовувати стандартні моделі датчиків для своїх пристроїв. Вибір оптимального датчика передбачає знання його особливостей. Розробник повинен враховувати можливі обмеження при написанні програмного коду. При правильному підході стандартний датчик без будь-яких проблем може застосовуватися навіть у великосерійному проектах.

Розглянемо особливості вибору оптимального ультразвукового датчика для системи захисту від зіткнення, використовуваної в мобільних роботів. У даній статті ми покажемо основні відмінності між найпопулярнішими лінійками датчиків і пояснимо, чому той чи інший датчик буде найкращим. Для отримання повної інформації про характеристики кожного з представлених датчиків, слід звернутися до документації.

Найбільш популярними датчиками MaxBotix для систем захисту від зіткнення є: MB1033 з лінійки HRLV-MaxSonar-EZ, MB1030 з лінійки LV-MaxSonar-EZ і MB1240 з лінійки XL-MaxSonar-EZ (рис. 1).

Мал. 1. Зовнішній вигляд ультразвукових датчиків MB1033, MB1030, MB1240

габаритні розміри

Всі три представлених датчика є практично повністю сумісними з точки зору монтажу. Вони мають однакове розташування ультразвукового трансдьюсера і монтажних отворів. Однак варто зазначити, що на зворотному боці MB1240 розташований трансформатор, але за іншими розмірами MB1240 ідентичний MB1030 і MB1033. Для отримання повної інформації про габаритні розміри слід звернутися до документації (MB1033, MB1030, MB1240) або використовувати надані 3D-моделі.

Заводське калібрування діаграм спрямованості ультразвукових датчиків

Компанія MaxBotix калібрує кожен датчик, щоб забезпечити повторюваність діаграм спрямованості та інших характеристик усіх випущених сенсорів. Калібрування діаграми спрямованості важлива, оскільки без відповідного коригування показники датчиків можуть відрізнятися в три рази. Саме тому датчикам від інших виробників зазвичай не вистачає стабільності для їх використання в великосерійних проектах.

Виявлення людей і фільтрація перевідбиттів від бічних об'єктів

Щоб продемонструвати можливості датчиків по розпізнаванню людей, зазвичай використовують діаграму виявлення тестового об'єкта типу B (діаметр 2,53 см). На рис. 2 видно, що всі представлені датчики виявляють людей на відстані 1,2 ... 1,5 метра.

Мал. 2. Діаграми виявлення об'єкта типу B (металевий циліндр діаметром 2,54 см) для ультразвукових датчиків MB1033, MB1030, MB1240

Як видно з діаграми на рис. 2 датчики відрізняються яскраво вираженою спрямованістю. Вони здатні ігнорувати відображення від невеликих об'єктів, розташованих поза прямого кута зору.

До послуг розробників пропонуються і інші моделі датчиків з більшою або меншою дистанцією виявлення.

Температурна похибка і похибка монтажу ультразвукового датчика

Представлені датчики здатні працювати в діапазоні температур від -40 ° C до + 65 ° C. Проте, для більшості додатків дуже важливо проводити випробування кінцевих пристроїв. Правильне тестування поряд з грамотним вибором датчика і / або вибіркова калібрування можуть усунути більшість похибок, викликаних особливостями конструкції і монтажу.

Кількість ультразвукової енергії, що повертається назад на датчик, сильно залежить від температури. Крім того, що випромінюється ультразвук відчуває численні відображення всередині корпусу кінцевого приладу. Тому може виявитися так, що датчик нормально працює при кімнатній температурі, але починає давати збої, коли температура падає нижче 0 ° C або піднімається вище 50 ° C.

Довжина хвилі ультразвуку залежить від температури, що викликає відповідні зміни при взаємодії звуку з навколишніми об'єктами, в тому числі і з конструктивними елементами. З цієї причини рекомендується тестувати обраний датчик у всьому діапазоні робочих температур, щоб перевірити правильність його роботи. Якщо при цьому виникають проблеми, то вирішити їх можна за рахунок вибору іншого сенсора, використання пінопластових вставок або зміни програми.

Робота ультразвукового датчика в широкому діапазоні температур

У всіх великосерійних проектах настійно рекомендується перевіряти правильність роботи датчика у всьому діапазоні робочих температур. Правильне тестування допомагає виявляти будь-які потенційні аномалії, викликані особливостями конструкції або монтажу сенсора.

При виробництві датчики MaxBotix випробовуються у всьому діапазоні робочих температур від -40 ° C до + 65 ° C.

ПРИМІТКА 1. Кожна лінійка сенсорів реагує на зміну температури по-різному.

Датчики MB1033 і MB1240 нормально працюють у всьому діапазоні температур і не вимагають ручного калібрування.

Датчик MB1030 автоматично калібрує себе при включенні. Це дозволяє йому нормально працювати при будь-якій температурі. Однак, якщо в процесі роботи температура падає або піднімається більш ніж на 5 ° C, сенсор може почати видавати некоректні результати до тих пір, поки не буде повторно відкалібрований. У таких випадках інженери MaxBotix рекомендують виключити і заново включити датчик.

ПРИМІТКА 2. Повторна калібрування датчика дозволяє MB1030 нормально працювати в широкому діапазоні напруг і температур при різних конструктивних особливостях кріплення сенсора.

ПРИМІТКА 3. Користувач повинен мати можливість включати і вимикати харчування датчика MB1030 для виконання повторного калібрування.

ПРИМІТКА 4. Оскільки споживання датчика MB1030 надзвичайно мало, то для його харчування можна використовувати звичайний цифровий порт вводу-виводу мікроконтролера.

Управління харчуванням ультразвукового датчика

Всі три датчика мають широкий діапазон робочих напруг. Для їх харчування можуть бути використані як джерела 3,3 В, так і 5 В. Повну інформацію про параметри живлення і споживання можна знайти в документації.

Датчики MB1033 і MB1240 нормально працюють навіть при змінному напрузі живлення.

Як говорилося вище, датчик MB1030 виконує калібрування при включенні. Він здатний працювати в широкому діапазоні напруг живлення. Проте, якщо в процесі роботи напруга падає або збільшується, необхідно вимкнути живлення датчика і знову включити, щоб сенсор міг виконати повторне калібрування.

Див. Примітки 2, 3, 4.

Таким чином, датчики з лінійки LV-MaxSonar-EZ, і зокрема MB1030, не рекомендується використовувати в додатках, де напруга живлення зменшується або збільшується в процесі роботи, за винятком тих випадків, коли у користувача є можливість виконувати повторне калібрування.

Самокалібровка ультразвукового датчика в процесі роботи

Датчики MB1033 і MB1240 калибруются на етапі виробництва. Якщо в конкретному додатку виникають аномалії, то MaxBotix пропонує свої послуги зі створення спеціальних версій сенсорів. Це, як правило, робиться для великосерійних проектів, де калібрування виконується в робочому діапазоні температур і потім відбувається настройка під конкретне застосування. Зазвичай замовник оплачує створення відповідної тестової оснащення і на виході отримує спеціалізовану модель сенсора, що відповідає всім вимогам, що пред'являються.

MB1030 має вбудовану функцію калібрування при включенні харчування. Вона дозволяє датчику вивчати навколишнє середовище. Калібрування допомагає відфільтрувати все переотражения від об'єктів, що знаходяться на відстані ближче, ніж 15 сантиметрів. Кожен раз, коли датчик включається, він досліджує навколишній простір. Відключення і повторне включення дозволяють користувачеві виконати перекалібровка сенсора. Це дозволяє MB1030 нормально працювати в широкому діапазоні напруг і температур при різних конструктивних особливостях кінцевого пристрою.

Див. Примітки 2, 3, 4.

Варто відзначити, що якщо під час включення живлення об'єкт знаходився поруч з ультразвуковим датчиком, то це призведе до того, що у датчика можуть виникнути проблеми з розпізнаванням прилеглих об'єктів.

Фільтрація постійних джерел шуму

Всі датчики MaxBotix добре справляються з джерелами постійних шумів. Шум, викликаний, наприклад, вентиляторами або пропелерами дронів, зазвичай фільтрується. Проте, рекомендується тестувати датчики в тому середовищі, в якій передбачається їх подальша експлуатація. Для кращої роботи в умовах високого шуму слід використовувати датчики з лінійки XL-MaxSonar-EZ, зокрема, MB1240, оскільки вони відрізняються збільшеною акустичною потужністю і забезпечують підвищену надійність через високий співвідношення сигнал-шум.

Фільтрація непостійних джерел шуму

Датчик MB1033 виконує вимірювання, коли висновок 4 не підключений або на ньому присутній високий сигнал. Даний сенсор має функцію фільтрації з використанням попередніх результатів вимірювань. Тому рекомендується, щоб MB1033 постійно перебував у включеному стані.

Датчики MB1030 і MB1240 виконують вимірювання, коли висновок 4 не підключений або на ньому присутній високий сигнал. Ці сенсори не мають функції фільтрації і повідомляють про поточний відстані до найближчого об'єкта. Зазвичай датчики виявляють об'єкти тільки в рамках свого поля зору. Однак акустичні перешкоди від зовнішнього джерела шуму, наприклад від іншого датчика, можуть привести до того, що MB1030 або MB1240 не зможуть коректно виміряти відстань до об'єкта.

При використанні декількох датчиків на одному і тому ж роботі необхідно погоджувати їх роботу за допомогою висновків 4. У неактивному стані вхід 4 слід утримувати на низькому рівні. Для активізації вимірювань на вхід 4 подається високий сигнал. Це зменшує можливість взаємного впливу датчиків, розташованих на одному роботі. Детальніше ця тема розкривається в статті « How to Use Multiple Ultrasonic Sensors ». За додатковою інформацією слід звертатися до розділу технічної підтримки MaxBotix.

Перехресні перешкоди при використанні декількох ультразвукових датчиків

При використанні декількох ультразвукових датчиків в одній системі між ними можуть виникати перехресні перешкоди. Це відбувається, коли датчик починає виявляти ультразвук, що випромінюється іншим датчиком (датчиками). Перехресні перешкоди можуть обмежувати точність і надійність вимірювань.

Датчик MB1033 оснащений вбудованою функцією придушення перехресних перешкод. Вона ефективна, коли MB1033 постійно знаходиться у включеному стані. MB1033 може працювати з двома або більше датчиками з мінімальним впливом перехресних перешкод. В результаті при одночасному перебуванні кількох роботів в одному просторі датчик MB1033 зазвичай працює без проблем.

Для підтвердження стійкості датчиків MB1033 до перехресним перешкод було проведено тестове випробування. Десять датчиків одночасно працювали з однією і тією ж мішенню, розташованої на дистанції 2 метри. Такий досвід є симуляцією одночасної експлуатації декількох роботів. При проведенні випробування MB1033 забезпечував точне вимірювання відстані з похибкою в кілька міліметрів протягом 97% часу навіть при одночасному використанні дев'яти сенсорів. Варто зазначити, що 100% вимірів мали похибка менше 10% навіть при наявності перехресних перешкод. Однак варто визнати, що датчики працюють найкраще, коли не зазнають зовнішніх перешкод. Тому варто мінімізувати кількість одночасно використовуваних сенсорів. Крім того, слід обмежувати число датчиків, що працюють в одному напрямку. При необхідності можна обмежити акустичне взаємодія всередині корпусу, наприклад, за допомогою пінопластових вставок.

MB1240 і MB1030 не мають функції придушення перехресних перешкод. При використанні декількох сенсорів MB1240 або MB1030 важливо не допускати їх одночасної роботи, для цього слід управляти активністю датчиків за допомогою входу 4, як було показано вище. Однак при одночасній експлуатації декількох роботів такий механізм захисту від перехресних перешкод не працює. Тому сенсори можуть почати видавати некоректні результати.

Якщо на якійсь із датчиків впливають перехресні перешкоди від інших найближчих датчиків, вимірювана відстань завжди буде менше реальної відстані до об'єкта. Про наявність перехресних перешкод можна судити по постійних змін відстані до об'єкта.

Дозвіл і точність

Важливо розуміти, що дозвіл і точність - принципово різні характеристики.

Дозвіл - характеризує найменшу зміну в показаннях датчика.

Точність - визначає різницю між виміряним і реальним відстанню до об'єкта.

Датчик MB1033 забезпечує міліметрове дозвіл і точність 1% в більшості додатків. MB1033 додатково пропонує функцію компенсації розміру цілі. Справа в тому, що при виявленні малих об'єктів свідчення ультразвукових сенсорів, як правило, виявляються більше, ніж справжнє відстань. Функція компенсації MB1033 враховує це явище і забезпечує точність вимірювань незалежно від розміру цілі.

Датчик MB1240 має сантиметрове дозвіл. У MB1240 немає температурної компенсації, і точність для цієї моделі не нормується. Користувачі також можуть помітити невелика зміна точності при виявленні прилеглих і віддалених цілей. Завдяки сантиметровому вирішенню, розмір об'єкта слабо впливає на точність, тому у MB1240 немає відповідної вбудованої функції компенсації.

Датчик MB1030 має дозвіл 2,54 сантиметра. Оскільки в MB1030 немає температурної компенсації, точність для цієї моделі не нормується. Користувачі також можуть помітити невелика зміна точності при виявленні прилеглих і віддалених цілей. Завдяки дозволу сантиметрового діапазону, розмір об'єкта слабо впливає на точність, тому у MB1030 немає відповідної вбудованої функції компенсації.

Компенсація температурної похибки при визначенні відстані до об'єкта

Важливим фактором, що впливає на точність вимірювання, є швидкість звуку. Швидкість звуку в повітрі збільшується приблизно на 0,6 м / с на кожен градус Цельсія. Датчик MB1033 вимірює температуру і виконує корекцію показань з урахуванням температурної залежності швидкості звуку.

MB1240 і MB1030 не враховують зміни швидкості звуку і припускають, що користувач працює при кімнатній температурі. Користувач може виконати корекцію результатів вимірювань самостійно за допомогою зовнішнього датчика температури. Для отримання формули компенсації температурної залежності швидкості звуку слід зв'язатися з MaxBotix.

Виявлення об'єктів, розташованих впритул до датчика

Датчик MB1033 має просунутими алгоритмами, що дозволяють впевнено виявляти об'єкти, в тому числі ті, які виявляються ближче, ніж мінімальна відстань. Дуже часто вдається надійно розпізнавати цілі, навіть якщо вони розміщуються поруч з передньою поверхнею датчика при його включенні.

Датчик MB1240 має підвищену вихідну потужність для надійного виявлення цілей на всіх дистанціях. Величезна кількість випромінюваної енергії дозволяє датчику надійно виявляти цілі на відстанях, навіть менше заявлених в документації.

Датчик MB1030 при виконанні вимірювань враховує калібрувальні дані, отримані при початковій калібрування при включенні. Це дозволяє датчику виявляти відмінності в формі сигналів, викликані мішенями на дуже близьких відстанях. Однак якщо напруга живлення, температура або інші параметри навколишнього середовища змінюються, датчики слід вимкнути і заново включити датчик для виконання повторного калібрування.

Слід підкреслити, що в деяких випадках датчики MB1030 і MB1240 не завжди гарантовано розпізнають близькі об'єкти. Це необхідно враховувати.

огляд датчиків

MB1033 найкраще використовувати в безперервному режимі з частотою 10 Гц.

• Це самий простий і зручний датчик для більшості додатків. Він забезпечує надійне вимірювання відстаней без будь-яких додаткових зусиль з боку користувача. (Досвідченим користувачам слід подумати про використання MB1240).
• Датчик проводить вимірювання з частотою 10 Гц.
• У включеному стані датчик накопичує дані і виконує фільтрацію 2 Гц.
• Датчик автоматично виконує калібрування з урахуванням температури і напруги.
• Датчик легко справляється з більшістю джерел шуму.
• Датчик враховує зміни швидкості звуку в залежності від температури.

MB1030 здатний працювати з частотою 20 Гц.

• Для багатьох застосувань цей датчик забезпечує необхідну надійність.
• Датчик здатний працювати на частоті 20 Гц.
• Датчик визначає відстань до найближчого об'єкта (без фільтрації).
• При використанні цього датчика необхідно самостійно враховувати обмеження, що накладаються навколишнім середовищем, фільтрувати будь-які ненадійні свідчення, а також при необхідності додатково калібрувати датчик.

MB1240 здатний працювати з частотою 10 Гц.

• Датчик відрізняється скроню стійкістю до акустичних шумів, что дозволяє Йому надійно працювати в складі безпілотніх дронів.
• Датчик проводити вимірювання з частотою 10 Гц.
• Висока акустична потужність забезпечує надійну роботу.
• Датчик визначає відстань до найближчого об'єкта (без фільтрації).
• При використанні цього датчика необхідно самостійно враховувати обмеження, що накладаються навколишнім середовищем, фільтрувати будь-які ненадійні свідчення, а також при необхідності додатково калібрувати датчик.