Лекція 21 Вимірювання відстані часу проходження сигналу
Розглянемо три методи вимірювання відстані, засновані на визначенні часу проходження сигналу між об'єктом та приймачем. Два з них – лазерні, один – ультразвуковий.
Перший метод - вимірюється час, протягом якого посланий вздовж осі світловий імпульс повертається вздовж тієї ж осі від поверхні, що відбиває. Відстань до об'єкта визначається за формулою
Лазерні вимірювачі дають двомірний масив зі значеннями, пропорційними відстані. Двовимірне сканування виконується шляхом відхилення лазерного променя обертовим дзеркалом. Робоча зона цього пристрою знаходиться в межах 1-4 метри, точність
У другому випадку замість імпульсного світлового сигналу використовується безперервний промінь лазера і вимірюється затримка (тобто фазовий зсув) між променями, що посилаються і повернутими (рис. 21-1).
Промінь лазера з довжиною хвилі розщеплений на два промені. Один з них (опорний «промінь відліку») проходить відстаньLдо фазометра, а інший проходить відстаньDдо поверхні, що відбиває. Загальна відстань, пройдена відбитим променем, становить . Фазовий зсув між двома променями в точці вимірювання (рис. 21.1,б) виникає у разі, якщо відбитий промінь проходить шлях більший, ніж вихідний. У цьому випадку маємо:
Оскільки , підставивши це значення рівняння (21-1), отримаємо:
що визначає відстань через фазовий зсув, якщо відома довжина хвилі (632,8нму гелій-неонового лазера). При такій малій довжині хвилі метод, схема якого показана на рис. 21.1, недоцільно застосовувати у робототехніці черезскладності визначення малих фазових зміщень
Найбільш прийнятним рішенням є амплітудне модулювання лазерного променя хвилею з набагато більшою довжиною, наприклад, 30 метрів (f=10МГц) (рис. 21.2). Основна процедура залишається незмінною, але сигнал відліку є тепер функцією модулювання. Модульований лазерний сигнал посилається на об'єкт, а повернутий сигнал демодулюється і порівнюється з відліковим сигналом визначення фазового зсуву.
Малюнок 21.1. Принцип вимірювання відстані по фазовому зсуву (а) і зсув між вихідною та відображеною світловими хвилями (б)
Малюнок 21.2. Хвильовий сигнал, модульований по амплітуді модулюючим функцією з набагато більшою довжиною хвилі
Рівність (21-2) все ще має силу, але тепер робота відбувається у зручнішому діапазоні довжин хвиль.
Третім методом вимірювання є ультразвуковий метод, що реалізує ідею вимірювання відстані часу проходження сигналу.
Ультразвуковий сигнал передається за короткий проміжок часу і, так як швидкість звуку відома для певного середовища, просте обчислення, що включає інтервал часу між сигналом, що посилається і відображеним, дає оцінку відстані до поверхні, що відбиває.
Наприклад, в ультразвуковій вимірювальній системі, що випускається фірмою Polaroid, сигнал тривалістю 1мс, що складається з 56 імпульсів чотирьох частот (50, 53, 57, 60кГц), передається датчиком діаметром
38 мм. Сигнал, відбитий об'єктом, уловлюється тим самим датчиком і, проходячи через підсилювач і схему індикації, здатний вимірювати відстань у діапазоні
0,3-10 м з точністю до 2,5 см. Змішані частоти використовуються для поліпшення стійкості сигналу. Відхилення успрямованості цього приладу складає
30 °. Ультразвукові датчики застосовуються в робототехніці переважно в навігації та для обходу перешкод.