RU189788U1

RU189788U1 - ULTRASONIC DALNOMER

Info

Publication number: RU189788U1
Application number: RU2019103752U
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Кудрявцев; Максим Анатольевич Мурин; Александр Сергеевич Раков; Денис Сергеевич Раков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "КОМПСТАР"
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2019-06-04

Abstract

Использование: для измерения расстояния и определения местоположения или обнаружения объектов с использованием отражения или переизлучения акустических (ультразвуковых) волн. Сущность полезной модели заключается в том, что в ультразвуковом дальномере реализована возможность формирования кодированной последовательности на выходе ультразвукового излучателя, возможность оцифровывать входной сигнал, выполнять сравнение параметров входного сигнала с генерируемым, позволяющие идентифицировать принадлежность отраженного сигнала и измерить расстояние до препятствия при наличии работающих рядом других ультразвуковых дальномеров. Устройство содержит графический дисплей для отображения результатов измерения расстояния до цели и идентификационную информацию о принятом отраженном сигнале. Технический результат: обеспечение возможности создания дальномера, обладающего возможностью определения расстояния до препятствия при работе в группе аналогичных устройств за счет идентификации принадлежности принимаемого сигнала. 1 ил.Use: for measuring distances and determining the location or detection of objects using the reflection or re-radiation of acoustic (ultrasonic) waves. The essence of the utility model lies in the fact that the ultrasonic rangefinder provides the ability to form a coded sequence at the output of the ultrasonic emitter, the ability to digitize the input signal, compare the input signal with the generated one, allowing to identify the reflection signal and measure range finders. The device contains a graphic display for displaying the results of measuring the distance to the target and identification information about the received reflected signal. EFFECT: provision of the possibility of creating a range finder with the ability to determine the distance to an obstacle when working in a group of similar devices by identifying the membership of the received signal. 1 il.

Description

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к устройствам, позволяющим обнаруживать объекты, определять их пространственное положение с использованием отражения акустических (ультразвуковых) волн, и может быть использована в системах обнаружения препятствий различных робототехнических комплексов.The invention relates to robotics, in particular, to devices that allow to detect objects, determine their spatial position using the reflection of acoustic (ultrasonic) waves, and can be used in obstacle detection systems of various robotic complexes.

Методы ультразвукового зондирования широко применяются при построении различных устройств обнаружения препятствий или измерения расстояний до конкретного объекта в различных разделах робототехники. Классический ультразвуковой дальномер состоит из передатчика ультразвукового сигнала, приемника отраженного эхосигнала и системы расчета дальности до цели на основе времени распространения сигнала от передатчика до цели и обратно до приемника. В качестве ультразвукового сигнала часто используется серия стробированных импульсов одинаковой амплитуды. Так, например в представленных на рынке ультразвуковых дальномерах URM37 V3.2, HC-SR04 используется 8 прямоугольных импульсов частотой 40 кГц.Methods of ultrasonic sensing are widely used in the construction of various devices for detecting obstacles or measuring distances to a particular object in various sections of robotics. A classic ultrasound rangefinder consists of an ultrasound signal transmitter, a reflection echo receiver, and a target distance calculation system based on the propagation time of the signal from the transmitter to the target and back to the receiver. A series of gated pulses of the same amplitude is often used as an ultrasound signal. Thus, for example, the URM37 V3.2, HC-SR04 ultrasonic range finders on the market use 8 square-wave pulses with a frequency of 40 kHz.

Известен ультразвуковой дальномер [патент US №6202034 В1, G01S 7/527, от 27.01.1999], состоящий из генераторов низкочастотного модулирующего сигнала и высокочастотного несущего сигнала с частотой ультразвукового диапазона, амплитудного модулятора, преобразующего амплитуду высокочастотного несущего сигнала по закону низкочастотного модулирующего сигнала, преобразователя электрического сигнала поступающего с амплитудного модулятора в ультразвуковой сигнал и излучающего его в заданном направлении, являющегося одновременно приемником сигнала, отраженного от мишени, и преобразователем отраженных от объекта ультразвуковых волн в электрический сигнал, который от приемника через усилитель поступает в процессор, выполняющий расчеты дальности на основе полученной информации о времени начала прихода эхосигнала и времени конца прихода эхосигнала.Known ultrasonic rangefinder [US patent No. 6202034 B1, G01S 7/527, dated 1/27/1999], consisting of generators of low-frequency modulating signal and high-frequency carrier signal with frequency of ultrasonic range, amplitude modulator that converts the amplitude of high-frequency carrier signal according to the law of low-frequency modulating signal, converter of the electrical signal coming from the amplitude modulator into the ultrasonic signal and radiating it in a given direction, which is simultaneously a signal receiver, from Agen from the target, and the transducer of the reflected ultrasound waves from an object into an electrical signal which the receiver via an amplifier enters the processor executing calculation range based on the obtained information about the start time of arrival of the echo and the arrival time of the end echo.

К достоинствам прототипа следует отнести достаточно высокую точность измерения расстояния до объекта, к недостаткам невозможность работы в группе аналогичных устройств, по причине сложностей идентификации источника пойманного приемником сигнала в ситуации, когда рядом одновременно работают несколько аналогичных ультразвуковых дальномеров.The advantages of the prototype should include a fairly high accuracy of measuring the distance to the object, the disadvantages of not being able to work in a group of similar devices, due to the difficulty of identifying the source of the signal caught by the receiver in a situation where several similar ultrasonic range finders are working nearby.

Общими существенными признаками прототипа с заявляемым устройством является наличие излучателя и приемника ультразвукового сигнала, усилителя принятого сигнала, процессора, выполненного с функцией расчета расстояния до объекта по информации об излучаемом и принимаемом сигналах.Common essential features of the prototype with the claimed device is the presence of the emitter and receiver of the ultrasonic signal, the amplifier of the received signal, the processor, performed with the function of calculating the distance to the object according to the information about the emitted and received signals.

Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании ультразвукового дальномера, определяющего расстояния до объекта путем идентификации принятого отраженного сигнала с излучением источника при работе нескольких ультразвуковых дальномеров одновременно.The technical problem addressed by the claimed utility model is to create an ultrasonic rangefinder, which determines the distance to the object by identifying the received reflected signal with the source radiation when several ultrasonic rangefinders are working simultaneously.

Технический результат - создание ультразвукового дальномера, работающего в группе аналогичных устройств.The technical result - the creation of an ultrasonic rangefinder, working in a group of similar devices.

Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом дальномере, состоящем из излучателя и приемника ультразвукового сигнала, усилителя принятого сигнала, процессора, выполненного с функцией расчета расстояния до объекта по информации об излучаемом и принимаемом сигналах, процессор выполнен с функцией генерации кодированного сигнала на выходе, с возможностью оцифровывать входной сигнал, выполнять сравнение параметров входного сигнала с генерируемым, при этом выход кодированного сигнала процессора соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности с излучателем ультразвукового сигнала, а приемник отраженного ультразвукового сигнала через полосовой фильтр, приемный усилитель и модуль выделения огибающей соединен со входом процессора, к выходам которого также подсоединены порт передачи данных и графический дисплей, выполненный с возможностью отображения информации о расстоянии до объекта.The technical result is achieved by the fact that in the ultrasonic rangefinder consisting of the emitter and receiver of the ultrasonic signal, the amplifier of the received signal, the processor, performed with the function of calculating the distance to the object from the information about the emitted and received signals, the processor is configured to generate the coded signal at the output, the ability to digitize the input signal, to compare the parameters of the input signal with the generated one, while the output of the encoded signal of the processor is connected to the input of the amplifier i power, the output of the power amplifier with an ultrasound emitter, and the receiver of the reflected ultrasound signal through a band-pass filter, a receiving amplifier and an envelope extraction module connected to the processor input, the outputs of which are also connected to the data port and a graphic display configured to display distance information before the object.

Применение ультразвуковом дальномере процессора, обладающего функциями вычислительного устройства, выполненного с возможностью генерировать импульсы сигнала с заданными параметрами, оцифровывать входной сигнал, выполнять сравнение параметров входного сигнала с генерируемым, позволило создать дальномер обладающий возможностью определения расстояния до препятствия при работе в группе аналогичных устройств за счет идентификации принадлежности принимаемого сигнала.The use of an ultrasonic rangefinder processor with the functions of a computing device, made with the ability to generate signal pulses with given parameters, digitize the input signal, compare the input signal with the generated signal, allowed us to create a rangefinder with the ability to determine the distance to an obstacle when working in a group of similar devices by identifying the accessories of the received signal.

Способность заявляемого устройства идентифицировать принадлежность принятого сигнала повышает достоверность полученных данных и исключает ошибку принятия сигнала от другого подобного устройства, работающего в том же диапазоне частот.The ability of the claimed device to identify the identity of a received signal increases the reliability of the received data and eliminates the error of receiving a signal from another similar device operating in the same frequency range.

Сущность полезной модели поясняется рисунком и примером практического исполнения. На Фиг. 1. представлена блок-схема заявляемого устройства.The essence of the utility model is illustrated by a drawing and an example of practical execution. FIG. 1. presents the block diagram of the claimed device.

В состав ультразвукового дальномера входят излучатель 1, приемник 2, отвечающие за излучение ультразвукового и прием отраженного сигнала, усилители генерируемого 3 и принимаемого сигналов 4, модуль построения огибающей принятого сигнала 5, полосовой фильтр 6, процессор 7, порт передачи данных 8. Ультразвуковой дальномер комплектуется модулем графического дисплея 9 для отображения информации о результате измерения расстояния до объекта.The ultrasonic range finder includes emitter 1, receiver 2, which are responsible for ultrasound emission and reception of the reflected signal, amplifiers of the generated 3 and received signals 4, module for building the envelope of the received signal 5, band-pass filter 6, processor 7, data transmission port 8. Ultrasonic range finder graphic display module 9 for displaying information about the result of measuring the distance to the object.

Дальномер работает следующим образом.The range finder works as follows.

При включении ультразвукового дальномера генерируемый процессором 7 кодированный сигнал, являющийся высокочастотным ультразвуковым модулированным сигналом, с выхода процессора поступает на усилитель мощности генерируемого сигнала 3 и далее передается на ультразвуковой излучатель 1, с которого в виде ультразвуковой волны сигнал распространяется в окружающем дальномер пространстве. В случае нахождения в зоне измерений дальномера объекта с достаточной отражательной способностью, отраженный сигнал регистрируется приемником 2, с выхода которого через модуль выделения огибающей 5, приемный усилитель 4, полосовой фильтр 6 поступает на вход процессора 7, выполняющего преобразование сигнала в цифровой вид. Процессор сравнивает цифровые параметры принятого сигнала, а именно форму огибающей принятого сигнала, с формой огибающей генерируемого процессором сигнала. В случае совпадения формы огибающей исходящего и входящего сигналов, процессором по параметрам временной задержки выполняется расчет расстояния до объекта. В противном случае, если параметры принятого и генерируемого сигнала не совпадают, процессор идентифицирует принимаемый сигнал как чужой и расчет расстояния не производится. Информация о расстоянии и типе принятого сигнала подается на порт передачи данных 8. На подключенном к выходу процессора графическом дисплее 9 информация о расстоянии до объекта отображается в цифровом виде.When the ultrasonic range finder is turned on, the encoded signal generated by the processor 7, which is a high-frequency ultrasonic modulated signal, is output from the processor to the power amplifier of the generated signal 3 and then transmitted to the ultrasonic emitter 1, from which the signal propagates in the surrounding range finder. If a rangefinder with sufficient reflectivity is located in the measurement zone, the reflected signal is registered by receiver 2, from which output through envelope extraction module 5, receiving amplifier 4, band-pass filter 6 enters the input of processor 7, which converts the signal to a digital form. The processor compares the digital parameters of the received signal, namely the envelope shape of the received signal, with the envelope shape of the signal generated by the processor. In the case of coincidence of the envelope shape of the outgoing and incoming signals, the processor calculates the distance to the object from the time delay parameters. Otherwise, if the parameters of the received and generated signal do not match, the processor identifies the received signal as alien and the distance is not calculated. Information on the distance and type of the received signal is sent to the data transmission port 8. On the graphic display 9 connected to the processor output, information on the distance to the object is displayed in digital form.

Пример практического исполнения. На базе процессора STM32F103C8T6 был изготовлен ультразвуковой дальномер Д-1. В качестве излучателя и приемника ультразвукового сигналов были использованы датчики 400SR160. Частота излучаемого ультразвукового сигнала составляла 40 кГц. Кодированный сигнал представлял собой бинарную последовательность импульсов, где в качестве единицы использовалось восемь прямоугольных импульсов с частотой следования 40 кГц, в качестве 0 была задана пауза между единицами с продолжительностью равной длительности единицы. Группа в количестве 3 дальномеров, работала на удалении до 2 метров друг от друга, при этом каждый дальномер определял свой сигнал.An example of practical execution. Based on the STM32F103C8T6 processor, the D-1 ultrasonic range finder was manufactured. Sensors 400SR160 were used as an emitter and receiver of ultrasonic signals. The frequency of the emitted ultrasound signal was 40 kHz. The coded signal was a binary sequence of pulses, where eight rectangular pulses with a repetition rate of 40 kHz were used as a unit, and a pause between units with a duration equal to one was set as 0. The group in the amount of 3 rangefinders, worked at a distance of up to 2 meters from each other, with each rangefinder defined its signal.

Таким образом, заявляемый ультразвуковой дальномер позволяет распознать составляющую своего сигнала в отраженном сигнале на фоне сигналов, генерируемых работающими в группе дальномерами.Thus, the claimed ultrasonic range finder allows you to recognize the component of your signal in the reflected signal against the background of the signals generated by the rangefinders working in the group.

Заявляемый ультразвуковой дальномер имеет габаритные размеры сравнимые с аналогами, прост в управлении, и обладает расширенными функциональными возможностями, что делает его конкурентоспособным на рынке дальномеров.The inventive ultrasonic range finder has overall dimensions comparable to analogues, is easy to operate, and has advanced functionality that makes it competitive in the market for range finders.

Claims

Ultrasonic rangefinder consisting of the emitter and receiver of the ultrasonic signal, the amplifier of the received signal, the processor, performed with the function of calculating the distance to the object from the information about the emitted and received signals, characterized in that the processor is designed to generate the coded signal at the output, with the ability to digitize the input signal, to compare the input signal with the generated signal, while the output of the encoded signal of the processor is connected to the input of the power amplifier, the output is Ithel power to the ultrasound signal transmitter and the receiver of the reflected ultrasound signal through a bandpass filter, a receiving amplifier, the envelope extracting unit coupled to the processor input, the outputs of which are also connected a communication interface and a graphical display configured to display function information on the distance to the object.