Ultrazvukové sonary

Ultrazvukové sonary

Sonary jsou senzory určené k měření vzdálenosti k překážce, popř. k detekci překážky. Ultrazvukové sonary (dále jen sonary) jsou založeny na měření doby mezi vysláním akustického impulsu a okamžikem přijetí odraženého signálu od překážky – echa. Je-li vyhodnocována pouze přítomnost překážky a uživatele nezajímá vzdálenost k ní, je vyhodnocováno pouze přijetí a nepřijetí echa.

U běžných sonarů sloužících např. pro měření výšek hladiny, měření vzdáleností ve stavebnictví, zemědělství, lesnictví, robotice nebo automatizaci a pro hlídání prostoru se používá ultrazvukový signál nejčastěji o kmitočtu kolem 40 kHz [6].

Tento článek čtenáře seznamuje se dvěma představiteli dostupných a levných sonarů pro oblast měření do přibližně 10 m. S uvedenými typy sonarů máme na katedře robototechniky VŠB-TU Ostrava tříleté zkušenosti při jejich využívání v senzorickém subsystému mobilních robotů.

Sonar SRF04

Ultrazvukový sonar SRF04 (obr. 1) je určen pro měření vzdálenosti objektu (překážky) v rozmezí 3í napětí a proud sonaru jsou +5 V/50 mA. Kmitočet ultrazvukového signálu je 40 kHz. Rozměry snímače jsou 43 × × 20 × 17 mm. V zapojení sonaru [1] se používá mikroprocesor PIC12C508 a integrovaný obvod MAX232, který přímo budí výstupní rezonátor. Přijatý odražený signál je upraven dvěma operačními zesilovači a přes komparátor přiveden zpět na mikroprocesor.

Sled signálů je na obr. 2. Vzdálenost k překážce je úměrná délce impulsu echo pulse output. Pro ovládání tohoto zařízení je zapotřebí nadřazený mikropočítač, který odstartuje měření vygenerováním impulsu logické jedničky na vstupu trigger input (1). Na to reaguje mikroprocesor sonaru vygenerováním osmi pulsů, které jsou výkonově zesíleny obvodem MAX232 a přivedeny na rezonátor (2). Poté je výstup echo pulse output sonaru nastaven na logickou jedničku. Je-li přijat odražený signál – echo, je výstup echo pulse output uveden na logickou nulu. Není-li echo přijato do 18 ms, je tento výstup v 36. milisekundě uveden do stavu logické nuly (3). Doba impulsu v signálu echo pulse output delší než 18 ms tedy značí, že nebyl přijat žádný odražený signál, a v dosahu sonaru se tudíž nenachází žádná překážka, resp. předmět, který je sonar schopen vyhodnotit s ohledem na jeho velikost, tvar a materiál. Vzdálenost k překážce je rovna polovině doby délky impulsu echa vynásobené rychlostí zvuku. Vyhodnocení délky impulsu je v režii nadřazeného mikropočítače.

Další měření je možné uskutečnit po přibližně 10 ms. Na obr. 3 je vyzařovací diagram sonaru. Dolní hranice rozsahu 30 mm uváděná v katalogu je ve skutečnosti menší – kolem 16 mm. To odpovídá minimální době impulsu 100 µs.

Tab. 2. Webové odkazy

Možné zapojení zmíněného sonaru k mikropočítači s procesorem řady x51 včetně obslužného softwaru v jazyce BASCOM-8051 je uvedeno v [3].

Sonar SRF08

Sonar SRF08 byl představen v roce 2002. Výrazně předčí svého předchůdce, SRF04, především v těchto parametrech: maximální měřená vzdálenost, spotřeba, rozsah, nastavení zesílení přijatého signálu, krátká prodleva mezi jednotlivými měřeními, schopnost vyhodnotit vícenásobné odrazy, služby zabudovaného firmwaru a komunikace prostřednictvím sběrnice I2C. Sonar přímo poskytuje veškeré požadované informace – tedy vzdálenost k překážce (překážkám) již v konečné číselné podobě. Zapojení sonaru je dostupné v [2].

Tento sonar je vhodný pro měření vzdálenosti i k více překážkám – dokáže totiž vyhodnotit vícenásobné echo v nastavitelných rozsazích, přičemž nejdelší rozsah je přibližně 11 m. Základní parametry jsou v tab. 1. Jednou z předností zmíněného sonaru je jeho průměrná spotřeba – 15 mA/5 V. Oproti spotřebě jeho předchůdce SRF04 (50 mA/5 V), popř. sonarů řady Polaroid 6500 (300 mA/5 V a až 2,5 A ve špičce – [3]), v robotice doposud hodně často používaným, je velice malá. Díky tomu lze snadno napájet větší počet těchto snímačů z malého zdroje napětí (baterie, akumulátor). Navíc se sonar může po ukončeném měření při čekání na další příkaz přepnout do pohotovostního režimu, ve kterém odebírá ze zdroje proud jen 3 mA. Modul dokáže vyhodnotit vícenásobný odraz (echo) a uchovává až šestnáct prvních ech (umožňuje např. měřit skrz otevřené dveře – obr. 4). Dále dokáže v módu ANN (Artificial Neural Network) změřené hodnoty předem zpracovat a poskytnout je ve tvaru vhodném pro vyhodnocení neuronovou sítí. Modul komunikuje po sběrnici I2C a lze u něho softwarově změnit jeho adresu. V sonaru SRF08 je navíc zabudován senzor osvětlení, jehož analogový výstup je digitalizován zabudovaným A/D převodníkem, kterým je vybaven použitý mikroprocesor PIC16F872. Intenzita osvětlení je vyhodnocována během každého měření vzdálenosti. Modul SRF08 obsahuje celkem 36 registrů. Registr 0 je příkazový, registr 1 je vyhrazen pro zesílení senzoru osvětlení. Další registry obsahují údaje jednotlivých ech (pro každé echo jsou určeny dva registry). Zápisem příslušného kódu do příkazového registru se nastavuje jeden ze dvou módů činnosti modulu, tj. měření vzdálenosti nebo ANN, a zároveň se spustí vlastní měření.

Mód měření vzdáleností
Mód měření se nastaví zápisem jednoho ze tří příkazových bajtů 50H, 51H, 52H do příkazového registru. Vyrovnávací paměť (velikost: 36 B) je vynulována a je odstartována sekvence měření vzdálenosti, resp. vzdáleností. Hodnota prvního echa (ve formátu podle zvoleného měřicího módu) je uložena v registrech 2 a 3, druhé přijaté echo v registrech 4 a 5 atd. Je-li obsah těchto registrů po ukončení měření nulový, následující registry jsou rovněž nulové a žádné echo neobsahují. Standardní a doporučená doba měření je 65 ms, avšak může být zkrácena nastavením registru rozsahu (viz [3]). Zároveň je také aktualizována hodnota senzoru osvětlení v registru 1.

Mód ANN
Mód ANN je určen ke snazšímu následnému zpracování (vyhodnocení) dat vícenásobného echa neuronovou sítí. V tomto módu jsou naměřená data uložena v 32bajtové vyrovnávací paměti (adresy 4 až 35 včetně), kde každý bajt představuje maximální dobu měření 65 536 µs rozdělenou do 32 intervalů. Každý interval reprezentuje časové okno 2 048 µs (odpovídá 352že bylo v daném časovém okně přijato echo, bude v příslušném bajtu vyrovnávací paměti zapsána nenulová hodnota. Bude-li např. přijato echo do 352ů (neboli první bajt vyrovnávací paměti) bude obsahovat nenulovou hodnotu. Jestliže byla překážka detekována ve vzdálenosti 3 m, bude vnitřní registr na adrese 12 rovněž nenulový.

Test konce měření
Konec měření je možné zjišťovat v zásadě dvěma způsoby. Zaprvé lze po začátku měření počkat maximálně možnou dobu, která je přibližně 65 ms, a potom číst výsledek. Druhý způsob využívá to, že po dobu měření je modul z pohledu sběrnice I2C neaktivní a při jeho oslovení, např. čtení verze modulu na adrese 0 vnitřního registru, se objeví hodnota FFH. Vrátí-li senzor jinou hodnotu, znamená to, že měření je ukončeno a je možné číst změřená data.

Vzhledem k tomu, že mnoho parametrů sonaru SRF08 je programovatelných (módy, rozsahy, zesílení, jednotky atd.), jeho dokumentace je poměrně rozsáhlá. Zde byly uvedeny pouze některé jeho zajímavé vlastnosti. Další, mnohem rozsáhlejší informace potřebné pro práci s tímto sonarem jsou k dispozici v [3] nebo na webové adrese výrobce (viz tab. 2). Uvedené sonary jsou dostupné např. prostřednictvím internetového obchodu, jehož adresa je rovněž v tab. 2.

Poděkování: Tento článek byl podpořen projektem J17/98:272300008 MŠMT.

doc. Dr. Ing. Petr Novák,
katedra robototechniky VŠB-TU Ostrava
(petr.novak@vsb.cz)