Лекция 21 Измерване на разстояние чрез време на преминаване на сигнала

Нека разгледаме три метода за измерване на разстояние, базирани на определяне на времето за преминаване на сигнала между обекта и приемника. Две от тях са лазерни, едната е ултразвукова.

Първият метод е да се измери времето, през което светлинният импулс, изпратен по оста, се връща по същата ос от отразяващата повърхност. Разстоянието до обекта се определя по формулата

, къдетоTе времето за преминаване на сигнала иsе скоростта на светлината (0,3m/ns). Честотата на вземане на проби трябва да бъде 50Hz, за да се постигне точност на измерване от порядъка наmm.

Лазерните измервателни уреди дават двуизмерен масив със стойности, пропорционални на разстоянието. 2D сканирането се извършва чрез отклоняване на лазерен лъч с въртящо се огледало. Работната зона на това устройство е в рамките на 1-4 метра, точността е

mm.

Във втория случай се използва непрекъснат лазерен лъч вместо импулсен светлинен сигнал и се измерва забавянето (т.е. фазово изместване) между изпратения и върнатия лъч (фиг. 21-1).

Лазерният лъч с дължина на вълната

се разделя на два лъча. Единият от тях (референтният "референтен лъч") преминава разстояниетоLдо фазомера, а другият преминава разстояниетоDдо отразяващата повърхност. Общото разстояние, изминато от отразения лъч, е . Фазово изместване между два лъча в точката на измерване (фиг. 21.1, b) възниква, ако отразеният лъч измине по-дълъг път от изходящия. В този случай имаме:

. (21-1)

Тъй като, замествайки тази стойност в уравнение (21-1), получаваме:

, (21-2)

което определя разстоянието през фазовото отместване, ако дължината на вълната е известна (632.8nmза хелиево-неонов лазер). При такава малка дължина на вълната методът, чиято схема е показана на фиг. 21.1, е неподходящо да се използва в роботиката порадитрудности при определяне на малки фазови отмествания.

Най-приемливото решение е амплитудна модулация на лазерния лъч от вълна с много по-голяма дължина на вълната, например 30 метра (f=10MHz) (фиг. 21.2). Основната процедура остава същата, но примерният сигнал вече е модулационна функция. Модулираният лазерен сигнал се изпраща към обекта, а върнатият сигнал се демодулира и сравнява с референтния сигнал, за да се определи фазовото изместване.

Фигура 21.1. Принципът на измерване на разстоянието чрез фазово изместване (a) и изместването между изходящи и отразени светлинни вълни (b)

Фигура 21.2. Форма на вълната, модулирана по амплитуда чрез модулираща функция с много по-голяма дължина на вълната

Равенството (21-2) все още е валидно, но сега работата се извършва в по-удобен диапазон на дължина на вълната.

Третият метод за измерване е ултразвуковият метод, който реализира идеята за измерване на разстоянието чрез времето за преминаване на сигнала.

Ултразвуковият сигнал се предава за кратко време и тъй като скоростта на звука е известна за определена среда, просто изчисление, включващо интервала от време между предавания и отразения сигнал, дава оценка на разстоянието до отразяващата повърхност.

Например, в ултразвукова измервателна система, произведена от Polaroid, сигнал с продължителност 1ms, състоящ се от 56 импулса с четири честоти (50, 53, 57, 60kHz), се предава от преобразувател с диаметър

38 мм. Сигналът, отразен от обекта, се улавя от същия сензор и, преминавайки през усилвателя и веригата за индикация, може да измери разстоянието в диапазона

0,3-10 м с точност 2,5 см. Смесени честоти на сигнала се използват за подобряване на стабилността на сигнала. Отклонение внасочеността на това устройство е

30°. Ултразвуковите сензори се използват в роботиката главно при навигация и избягване на препятствия.

---