221 Название датчика Разрешение r (мм) Частота f (кГц) Длина

III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
3-5 мая 2012 г.
УДК 621.391.244
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СИСТЕМА 3D ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
(ULTRASOUND SYSTEM 3D POSITIONING)
И.Ю. Кузьменко, С.Э. Шипилов, В.П. Якубов
I. Kuzmenko, S. Shipilov, V. Yakubov
Национальный исследовательский Томский государственный университет
E-mail: kyzmenko@sibmail.com
В работе представлена методика определения расстояния с помощью ультразвука, а также приведены
результаты эксперимента по измерению расстояния с помощью предлагаемой методики.
(In this article presents method for measuring distance using ultrasound wave. Results of experimental
investigations are presented.)
Ключевые слова:
Позиционирование, измерение расстояния.
(Positioning, distance measurement.)
Введение
Существующие в настоящее время ультразвуковые датчики позволяют определять
расстояние с определенной точностью. В таблице 1 приведены параметры некоторых
ультразвуковых датчиков. Датчики работают на разных частотах и имеют разную
разрешающую способность, что затрудняет сравнение датчиков между собой. Также
неизвестны алгоритмы, используемые для определения расстояния. В качестве параметра для
сравнения выбрано отношение длины волны к разрешающей способности N =  / r. Большее
значение данного параметра означает более высокое качество датчика (более высокая
разрешающая способность при равной рабочей частоте).
На лабораторном макете достигнута разрешающая способность 1 миллиметр, при
использованной длине волны ультразвукового излучения  = 8,25 мм (N = 8,25).
Таблица 1
Название
датчика
SICK UM 3011111
SICK UM 3012111
SICK UM 3013111
Разрешение
r (мм)
Частота
f (кГц)
Длина волны
λ (мм)
N=/r
0,36
320
1,03
2,86
0,36
400
0,82
2,29
0,36
200
1,65
4,58
MIC+25
0,18
320
1,03
5,73
Ballaf BUS M18
0,2
330
1
5
Решение задачи определения расстояния
Для проверки работоспособности предлагаемой методики был собран лабораторный
макет, представленный на рисунке 1. В лабораторном макете используются датчики японской
фирмы Murata Manufacturing. Рабочая частота датчика 40 кГц, полоса пропускания 38-42 кГц.
Диапазон напряжений 0-20 В.
Для автоматизации эксперимента применена плата управления на основе
микроконтроллера
STMicroelectronics
STM32F207.
Микроконтроллер
генерировал
221
III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
3-5 мая 2012 г.
возбуждающий сигнал, оцифровывал принимаемый сигнал, выполнял математическую
обработку принятого сигнала для определения расстояния.
На рисунке 2 представлен импульсный усилитель для увеличения амплитуды
возбуждающего сигнала до 20 вольт. На рисунке 3 представлен двухкаскадный операционный
усилитель для увеличения амплитуды регистрируемого сигнала.
Рис. 1. Вид лабораторной установки.
Рис. 2. Схема усилительного каскада для
возбуждающего сигнала.
Рис. 3. Схема усилительного каскада для
принимаемого сигнала.
На рисунке 4 представлена нормированная форма возбуждаемого ультразвуковой датчик
сигнала (1) и нормированная форма регистрируемого сигнала (2).
Рис. 4. Форма возбуждаемого и принимаемого
сигнала.
222
Рис. 5. Нормированная АЧХ принимаемого
сигнала.
III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
3-5 мая 2012 г.
Рис. 7. Линеаризованная ФЧХ
принимаемого сигнала.
Рис. 6. ФЧХ принимаемого сигнала.
Из рисунка 5 видно, что принимаемый сигнал имеет богатый спектр гармоник около
центральной частоты датчика. Фаза ультразвуковой волны, приходящей в точку приема,
определяется выражением

2f
r,
c
(1)
где с – скорость звука в среде, r – расстояние между датчиками.
Из формулы 1 видно, что фаза с увеличением частоты линейно возрастает при условии,
что расстояние между точками приема и излучения остается неизменным. Отсюда можно
сделать вывод, что угол наклона фазы к оси частот d  df определяет расстояние между
датчиками.
r
d c
df 2
На рисунке 3 представлена фазочастотная характеристика принимаемого сигнала, после
линеаризации ФЧХ принимает вид, изображенный на рисунке 4. Используя метод наименьших
квадратов можно определить угол наклона прямой к оси частот и определить расстояние между
датчиками.
С целью экспериментальной проверки методики собран лабораторный макет. На макете
проводилось перемещение источника излучения к приемнику с постоянной скоростью. В
процессе перемещения измерялось расстояние между источником и приемником, также
проводилась обработка полученных данных. Далее представлены результаты обработки.
Рис. 8. Ошибка измерения расстояния
при использовании метода –
согласованной фильтрации.
Рис. 9. Ошибка измерения расстояния
при использовании предлагаемой
методики.
На рисунке 8 изображена погрешность при определении расстояния в зависимости от
величины измеряемого расстояния при использовании метода согласованной фильтрации,
который применяется при решении подобных задач. На рисунке 9 изображен результат
применения разработанной методики. Из данных графиков видно, что применение
предлагаемой методики позволяет получать более точные результаты при определении
расстояния. На расстояниях до 1 м удалось получить погрешность измерения расстояния 1 мм.
При дальнейшем увеличении расстояния, (более 1 м) погрешность определения расстояния
резко увеличивается, что связано с уменьшением отношения сигнал\шум. На данный момент на
223
III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
3-5 мая 2012 г.
кафедре радиофизики совершенствуется лабораторный макет. В дальнейшем, при
использовании предложенной методики, макет будет способен измерять расстояния до 3 м с
погрешностью 1 мм.
Работа выполнена при поддержке ФЦП в рамках мероприятия 1.1. (ГК № 14.740.11.0076).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. – М.: Иностранной
литературы, 1957. – 623с.
2. Балдаев Р., Раджендран В., Паланичами П. Применение ультразвука М.: Техносфера,
2006. – 289с.
Сведения об авторах:
Кузьменко И.Ю.: Томск; ТГУ; аспирант; статрадиофизика, цифровая обработка сигналов и полей.
Шипилов С.Э.: Томск; ТГУ; доцент; статрадиофизика, цифровая обработка сигналов и полей.
Якубов В.П.: Томск; ТГУ; профессор; электродинамика, статрадиофизика, цифровая обработка
сигналов и полей.
224