CC BY
43
SCIENCE TIME
■
ДОПЛЕРОВСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ
Зильгараева Алия Кылышбаевна Садиров Чингизхан Каимжанович Университет «Туран», г. Алматы
E-mail: alya_zk@mail.ru
Аннотация. В данной статье проведен анализ доплеровских методов измерения скорости объектов.
Ключевые слова: доплеровские методы, скорость объектов, измерение.
Актуальность
Актуальность заключается в возможности использования бесконтактного измерителя для повышения скорости реагирования систем курсовой устойчивости, в возможности использования измерителя в навигационных системах счисления пути, а также в качестве штатного измерителя скорости. В настоящее время наземные транспортные средства преимущественно укомплектовываются измерителями скорости - спидометрами, вырабатывающими скорость движения по оборотам вала. Данное обстоятельство приводит к значительным (порядка 10%) погрешностям измерения скорости у такого рода измерителей. Основными причинами возникновения погрешностей являются: различный диаметр колёс, изношенность шин, изношенность механических частей спидометра, погрешность передачи данных. Использование GPS систем для выработки скорости также не обеспечивает возможности качественного и точного измерения скорости во всех условиях эксплуатации наземных подвижных объектов. Спидометры с бесконтактными чувствительными элементами, работающие по эхо-сигналу, отраженному от подстилающей поверхности (асфальт, грунт и т.п.), в отличие от обычных (традиционных) спидометров являются более точными. Бесконтактные спидометры имеют погрешность на уровне 0.5%, которая не зависит от подвижных частей наземных подвижных объектов, от диаметра колес, степени
изношенности шин. В отличие от лазерных, микроволновых и оптических измерителей ультразвуковые датчики более «грязеустойчивы», т.к. не имеют легко загрязняемых оптических элементов (линз, зеркал и т.д.) или микроволновых антенн.
1. Принцип работы устройства
Рис. 1 Блок схема. Принцип работы устройства
Доплеровский датчик содержит в себе приемник и передатчик (TX, RX) рис.2 постоянно испускает электромагнитный сигнал с частотой 10525GHz (Гигагерц) который генерируется в колебательном контуре.
Рис. 2 Принципиальная схема доплеровского датчика HB100
Далее сигнал попадая на измеряемый объект принимает инерцию и возвращается обратно к датчику, этот сигнал фиксирует приемник, далее сигнал поступает на сумматор где отнимается частотам генерируемая колебательным контуром, оставшаяся частота, полученная по инерции от измеряемого объекта, отправляется на выход датчика, данная частота и есть не что иное как доплеровский сдвиг, то что нам и нужно для определения скорости объекта!
Данный сигнал далее отправляется на операционный усилитель, который имеет собственное внешнее питание 12У Операционный усилитель служит для усиления данного сигнала, но помимо полезного сигнала он усилит и ненужные нам шумы от них необходимо избавиться и для этого усиленный сигнал отправляется на компаратор, который содержит в себе заданное мною опорное напряжение для отсечения полезного сигнала от шума. Следующий конечной остановкой уже полезного сигнала, будет вычислительный блок микропроцессора, где лежит программа с необходимыми расчётными формулами для определения скорости.
И уже после всех этих этапов на экране выводится скорость объекта.
Скорость определяется по формуле, частоты регистрируемая неподвижным источником и не подвижным приемником:
2. Используемые программы
Ardшno
Рис. 3 Эмблема и плата Arduino
Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и
простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторовА^шш позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino (основан на языке Wiring) и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе. В 2006 Arduino получила признание в категории Digital Communities на фестивале Ars Electronica Prix. Язык программирования устройств Ардуино основан на C/C++. Он прост в освоении, и на данный момент Arduino — это, пожалуй, самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах.
Рис. 4 Рабочее окно программы
Аппаратная часть платформы Arduino: Существует несколько версий платформ Arduino. Последняя версия Leonardo базируется на микроконтроллере ATmega32u4. Uno, как и предыдущая версия Duemilanove построены на микроконтроллере Atmel ATmega328 . Старые версии платформы Diecimila и первая рабочая Duemilanoves были разработаны на основе Atmel ATmega168, более ранние версии использовали ATmega8 .Arduino Mega2560, в свою очередь, построена на микроконтроллере ATmega2560 Версии платформы Arduino:
I
SCIENCE TIME
I
Ниже представлены основные версии плат Arduino:
- Due — новая плата на базе ARM микропроцессора 32bit Cortex-M3 ARM SAM3U4E;
- Leonardo — последняя версия платформы Arduno на ATmega32u4 микроконтроллере . Отличается разъемом microUSB, по размерам совпадает с
- Yun (описание на англ.) - новая плата, с встроенной поддержкой WiFi на базе ATmega32u4 and the Atheros AR9331 ;
- Micro — новое компактное решение на базе ATmega32u4;
- Uno — самая популяраня версия базовой платформы Arduino USB. Uno имеет стандартный порт USB. Arduino Uno во многом схожа с Duemilanove, но имеет новый чип ATMega8U2 для последовательного подключения по USB и новую, более удобную маркировку вход/выходов. Платформа может быть дополнена платами расширения, например, пользовательскими платами с различными функциями;
- Arduino Ethernet — контроллер со встроенной поддержкой работы по сети и с опциональной возможностью питания по сети с помощью модуля POE (Power over Ethernet);
- Duemilanove — является предпоследней версией базовой платформы Arduino USB. Подключение Duemilanove производится стандартным кабелем USB. После подключения она готова к использованию. Платформа может быть дополнена платами расширения, например, пользовательскими платами с различными функциями;
- Diecimila — предыдущая версия базовой платформы Arduino USB;
- Nano — это компактная платформа, используемая как макет. Nano подключается к компьютеру при помощи кабеля USB Mini-B;
- Mega ADK - версия платы Mega 2560 с поддрежкой USB host интерфейса для связи с телефонами на Android и другими устройствами с USB интерфейсом;
- Mega2560 - новая версия платы серии Mega. Построена на базе Atmega2560 и с использованием чипа ATMega8U2 для последовательного соединения по USB порту;
- Mega - предыдущая версия серии Mega на базе Atmega1280;
- Arduino BT платформа с модулем Bluetooth для беспроводной связи и программирования. Совместима с платами расширения Arduino;
- LilyPad- платформа, пурпурного цвета, разработанная для переноски, может зашиваться в ткань;
- Fio - платформа разработана для беспроводных применений. Fio содержит разъем для радио XBee, разъем для батареи LiPo и встроенную схему подзарядки;
- Mini - самая маленькая платформа Arduino. Прекрасно работает как
UNO;
I SCIENCE TIME Щ
макетная модель, или, в проектах, где пространство является критическим параметром. Платформа подключается к компьютеру при помощи адаптера Mini USB;
- Адаптер Mini USB - плата, конвертирующая подключение USB в линии 5 В, GND, TX и RX для соединения с платформой Arduino Mini или другими микроконтроллерами;
- Pro - платформа, разработанная для опытных пользователей, может являться частью большего проекта. Она дешевле, чем Diecimila и может питаться от аккумуляторной батареи, но в тоже время требует дополнительной сборки и компонентов;
- Pro Mini - как и платформа Pro разработана для опытных пользователей, которым требуется низкая цена, меньшие размеры и дополнительная функциональность;
- Serial - базовая платформа с интерфейсом RS232 для связи и программирования. Плата легко собирается даже начинающими пользователями. (включает схемы и файлы CAD);
- Serial Single Sided - платформа разработана для ручной сборки. Она обладает чуть большим размером, чем Diecimila, но совместима с платами расширения Arduino;
- USB Serial Light Адаптер - адаптер, позволяющий подключать платы Arduino к компьютеру для обмена данными и заливки скетчей. Удобен для программирования таких плат, как Arduino Mini, Arduino Ethernet и других, не имеющих своего разъема USB.
Платы расширения
Платы расширения, устанавливаемыми на платформы, являются платы, расширяющие функциональность Arduino для управления различными устройствами, получения данных и т.д.
1. Плата расширения WiFi используется для соединения с беспроводными сетями стандарта 802.11 b/g.
2. Плата расширения Xbee Shield обеспечивает при помощи модуля Maxstream Xbee Zigbee беспроводную связь нескольким устройствам Arduino в радиусе до 35 метров (в помещении) и до 90 метров (вне помещения).
3. Плата расширения Motor Shield обеспечивает управление двигателями постоянного тока и чтение датчиков положения.
4. Плата расширения Ethernet Shield обеспечивает подключение к интернету.
Конструктив
Рис. 5 Платы расширений
Ардуино и Ардуино-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти платы расширений подключаются к Ардуино посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. Кроме того, выпускаются платы уменьшенных габаритов (например, Nano, Lilypad) и специальных конструктивов для задач робототехники. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степени совместимых с базовым конструктивом Ардуино.
В концепцию Ардуино не входит корпусной или монтажный конструктив. Разработчик выбирает метод установки и механической защиты плат самостоятельно. Сторонними производителями выпускаются наборы робототехнической электромеханики, ориентированной на работу совместно с платами Ардуино.
EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) система проектирования схем электрических принципиальных и печатных плат. EAGLE пользуется популярностью среди западных радиолюбителей из-за своей бесплатной лицензии и наличия в Интернете большого количества библиотек компонентов.
Eagle CAD - мощный инструмент для создания печатных плат, простой в освоении и в использовании. Он был создан в 1988 году, и сейчас им пользуются десятки тысяч энтузиастов по всему миру. Одна из его ключевых особенностей -в том, что он имеет бесплатный режим, которого с лихвой достаточно для разнообразных домашних и не очень проектов. Видимо, именно из-за этого режима он так популярен на Западе, где пиратство не столь популярно, а софтверным компаниям куда как легче подать в суд на незадачливого пирата. Ну а популярность, в свою очередь, помогла сформировать вокруг Eagle CAD
106
<•
Щ SCIENCE TIME Щ
большое сообщество энтузиастов, в большинстве своём с радостью помогающих друг другу и делящихся материалами - что, как по мне, является ещё одним аргументом в пользу его использования.
Eagle CAD
Рис. 6 Эмблема Eagle CAD
TopoR
Рис. 7 Эмблема программы Topor
TopoR (сокр. от Topological Router) — система автоматизированного проектирования (САПР), предназначенная для трассировки печатных плат, предварительно подготовленных в других системах в форматах PCAD ASCII PCB, PADS ASCII PCB или DSN [1]. Разрабатывается российской компанией Эремекс.
Начало работ по созданию гибкого [2] топологического трассировщика относится к 1988 году, когда стало ясно, что традиционные методы
I
SCIENCE TIME
I
трассировки — регулярная и нерегулярная сетка, последовательная прокладка проводников с фиксацией их геометрии — исчерпали возможности своего развития. Метод гибкой трассировки отличается от других методов отсутствием жесткой фиксации каждой из прокладываемых трасс, создающей часто совершенно необоснованные препятствия для других, еще не проложенных трасс.
В 2001 году вышла первая версия топологического трассировщика под Windows, получившая название TopoR (Topological Router). Эта программа уже трассировала не только двухсторонние, но и многослойные печатные платы.
В САПР TopoR имеется Возможность 100% автотрассировки печатных плат без обязательного обеспечения ограничений наложенных разработчиком.
Автотрассировка выполняется следующим образом.
1. Параллельно прокладывается несколько вариантов топологии с 100% трассировкой с нарушением ограничений наложенных разработчиком.
2. Каждый вариант параллельно перепрокладывается с целью устранения полученного нарушения ограничения разработчика если таковой имеется после прокладки проводников.
3. Каждый вариант параллельно перепрокладывается с целью оптимизации топологии или уменьшения суммарной длины проводников одновременно с общим количеством межслойных переходов [3]. Варианты, проигрывающие по всем параметрам (суммарная длина проводников, число межслойных переходов) удаляются.
4. Остановка процесса оптимизации пользователем. Поскольку оптимизация печатной платы может происходить бесконечно, пользователь сам решает в какой момент времени остановить оптимизировать печатную плату основываясь на данных выводимых в таблицу информации о уже полученных топологиях печатной платы. Рекомендация: не останавливать процесс оптимизации до 6-8 перепрокладок одной топологии.
5. Выбор приоритетной для разработчика топологии в зависимости от длины проводников и числа переходов [4]. Обычно на выбор предоставляется 68 вариантов топологии. На данный момент в программе нет возможности регулировать приоритеты между длиной проводников и числом переходов.
6. После выбора оптимальной топологии разработчик зачастую без проблем устраняет оставшиеся нарушения ограничений, наложенных разработчиком (если такие имеются) используя инструментарий TopoR.
Зачастую оставшиеся после автотрассировки нарушения ограничений, наложенных разработчиком вызваны недостаточными зазорами между компонентами для обеспечения наложенных разработчиком ограничений.
Другие программы автотрассировки самостоятельно прокладывают проводники используя ограничения, наложенные разработчиком. Разработчик
| SCIENCE TIME Щ
контролирует результат. При необходимости корректирует исходные параметры задачи и повторяет трассировку. Корректировка включает изменение расположения компонентов, предварительную отрисовку цепей вручную и т.п. При автотрассировке в TopoR корректировка происходит с уже имеющейся топологией с нарушениями ограничений и перетрассировка не требуется. Данный подход более нагляден и требует меньше времени поскольку разработчик интерактивно перемещает компоненты, проводники, переходные отверстия исправляя нарушения.
Параллельная оптимизация позволяет использовать механизм распределённых вычислений для повышения скорости трассировки. По заверениям авторов, в одной из ближайших версий трассировщика TopoR в арсенале пользователей появится распределённая трассировка.
Автоматическая топологическая трассировка соединений выполняется в произвольных направлениях, не ограничиваясь углами 90° и 45°, может выполняться ломаными линиями или даже дугами.
Отсутствие преимущественных направлений трассировки и возможность использования ресурсов монтажного пространства для автоматического увеличения зазоров может снизить уровень электромагнитных перекрёстных помех и повысить целостность сигналов на печатной плате за счет снижения паразитных связей между проводниками.
Пользователю предоставляется возможность выбора из двух способов расчёта формы проводника: без использования и с использованием дуг окружностей. Первый способ предполагает прокладку проводника ломаными линиями. При втором способе проводник огибает препятствия по дугам окружностей с необходимым зазором, а с одной дуги на другую переходит вдоль отрезков прямых.
В TopoR имеется автоматическое размещение компонентов. Процедура может применяться как ко всем компонентам на плате, так и к компонентам в определённом окне. Конечно, она не может сравниться с ручным размещением по качеству. Тем не менее, она может быть использована для получения начального размещения для последующего ручного размещения.
В TopoR существует возможность задания для каждой цепи минимально допустимого и желательного зазоров. Система автоматически уменьшает ширину проводника, если он подходит к контакту, имеющему меньшую ширину (или диаметр контакта меньше ширины проводника), и при проходе через узкие места (например, между контактами компонента).
Как и во многих EDA, имеется возможность каплевидного сглаживания стыков проводников с контактными площадками (teardrops)
■
SCIENCE TIME
■
3. Операционный усилитель
Для данного проекта использовался усилитель ЬМ387 использовал его так как он лучше подходит по помехоустойчивости.
é
Inverting Amplifier Ultra«Low Distortion
o.bf
1 jF —
O—I I—VV4——
A v = Ш
Рис. 8 Электрическая принципиальная схема усилителя LM387
Для изготовления электрической принципиальной схемы использовал программу Eagle CAD, рис.7.
1 Схема - Ci\RABOTAVdopler4Pop<er Artem EaglgM>opler ArtE«n Eagle.sch - EAGLE 6.4-0 Р
sт тш ^^^т 10 " ® в ? """а-**-
/ т о о
GNDA Г-h"
CL7621 _GND
i
Рис. 9 Электрическая схема усилителя на LM38
110
-т
Для трассировки печатной платы использовал программу Topor, рис.10.
TopoR - [Редактор ПП - Doplerjtopor.fsx ] - П1
Файл Правка Вид Вставка Настройка Режимы Инструменты Вывод Справка
II а в? в I *-ц | д и Eu h I л- о- ь- и- а | в а II q | в «щ«: | ►
II ^"^flaiQKlL-H^^W дЩДРиЬ
II в Ч^О.
Проект I_
1ЩВВ л
В dopier jjsil
I.....В J. Печа,..
......В J, Варна,,.
ИЯТТИ^И
ffla§GPSdiod..,
Ш af GPSPIT~1
IB a^strelec ...
Е artileriya
Ш «а04_12_,.,
а ART1LE~1
Э a^Kollektor,..
ffla^NA mini ,,. V
Имя файла; .,.\Dople
Изменен: 16.,, Ы
Размер: 8,35 КБ
Атрибуты:
i: 54.379 им, переходов: О, нарушений: 011
:: n «si <з л «я га ш а Ц ф S3
Рис. 10 Трассировка платы усилителя на LM387
Далее изготавливал печатную плату при помощи ЛУТ методики, и вытравливал в растворе хлорида железа.
4. Доплеровский датчик НВ100
НВ100 - датчик, принцип действия которого базируется на эффекте Доплера. Данный модуль в основном используется в автоматических выключателях дверей, системах обеспечения безопасности, в банкоматах, в автоматических железнодорожных системах.
- напряжение питания: 5В;
- данный метод, по сравнению с другими методами обнаружения, имеет следующие преимущества:
а) бесконтактное обнаружение;
б) независимый от температуры, влажности, шума и пыли;
в) маленькая выходная мощность, модуль полностью безопасен для человека;
- частота сигнала: 10.525 ГГц;
- погрешность: 3 МГц;
- выходная мощность (минимальная): 13dBm;
- рабочее напряжение: 5 В ± 0.25 В;
| SCIENCE TIME Щ
- рабочий ток: 60мА максимальный, 37мА средний;
- динамический диапазон: -86дБ;
- вертикальной рабочий угол при мощности 3 дБ: 36 градусов;
- горизонтальный рабочий угол при мощности 3 дБ: 72 градуса;
- расстояние обнаружения объектов: больше 20 метров;
- размеры: 37x45X8 (мм) • Вес: 8 гр.
Рис. 11 Доплеровский датчик НВ100
Рис. 12 Принципиальная схема доплеровского датчика НВ 100
Принцип действия данного датчика базируется на эффекте Доплера -изменения частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванного движением их источника и/или движением приёмника. То есть датчик реагирует на приближение к нему или отдаления от него. Идеален для различной автоматизации (управления раздвижными дверями, освещением, системой безопасности и т.д.) и использования в системах микроконтроллеров (Arduino, PIC, AVR и т.д.)
5. Цифровой осциллограф HANTEK 6052b
Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь + греч. ураф® — пишу) — прибор для
| SCIENCE TIME Щ
наблюдения, записи; измерения амплитудных и временных параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.
Современные осциллографы позволяют исследовать
сигнал гигагерцовых частот. Для исследования более высокочастотных сигналов можно использовать электронно-оптические камеры.
Рис. 13 Цифровой осциллограф HANTEK 6052b
- полоса пропускания осциллографа: 50 МГц;
- 2 канала, дополнительный канал внешней синхронизации;
- частота выборки в реальном времени: 150 МГц;
- разрешение 8 бит;
- емкость памяти 10~64k;
- произвольно настраиваемый режим предзаписи/послезаписи: 0% ~ 100%;
- режим самописца, тестирование по маске;
- типы развертки: авто, ждущий, однократный;
- курсорные измерения;
- 23 типа автоматических измерений;
- фурье-анализатор спектра, 4 типа математических операций, Лиссажу;
- автоматическая установка оптимального режима развертки и синхронизации;
- интерфейс Hantek6052BE: USB2.0, дополнительное питание не требуется;
- сохранение данных, форматы: BMP, JPG, Excel, сохранение настроек
SCIENCE TIME
прибора;
- алюминиевый корпус;
- ПО под Windows NT/2000/XP/Vista/7;
- драйвер Labview в комплекте;
- габариты: 200х120х35 (мм).
Один из плюсов осциллографа - он не требует отдельного питания и довольствуется получаемой мощностью от USB гнезда компьютера. Но прежде чем подключать прибора к компьютеру требуется установить софт с прилагаемого диска. Установка много времени не занимает - все происходит быстро и без лишних вопросов. После установки можно подключить и сам осциллограф, от чего, индикатор, расположенный над входными гнездами осциллографа начнет моргать оранжевым цветом, индицируя правильность подключения. После запуска софта, если тот найдет осциллограф и установит с ним связь, индикатор переключится на моргание зеленым цветом.
Рис. 14 Рабочее окно программы осциллографа 6. Эксперименты
Для измерения погрешностей был изготовлен стенд, рис.15. Труба, наклоненная под углом и на нижней части трубы, был установлен прибор измерения скорости в трубу помещали металлический шар, он в свою очередь скатывался по трубе вниз к прибору, и уже на выходе из трубы прибор фиксировал скорость рис.16.
-т
Рис. 15 Стенд измерения скорости
а)
б)
Рис. 16 Окно зафиксированной скорости измеряемого объекта
Заключение
В работе приведены результаты разработки бесконтактного ультразвукового измерителя линейной скорости наземного подвижного объекта, основанного на эффекте Доплера. Произведены измерения на макетном стенде:
- произвели работы по улучшение мощности усилителя;
- измерение скорости быстрых объектов;
- разработали системное и прикладное программное обеспечение для вычислителя блока выработки скорости измерителя;
- провели натурные испытания измерителя и выполнили калибровку измерителя по их результатам;
- провели моделирование работы измерителя с учетом температурной погрешности (влияет на скорость звука, а, следовательно, и на измерение составляющих скорости), с учетом шероховатости подстилающей поверхности, с учетом «сдувания характеристик направленности» приемников, с учетом вибрации наземного подвижного объекта.
Листинг программы А^шпо
#include ,TreqPerюd.h" double М pp;
void setup() { Serial.begin(115200); FreqPeriod: :begin();
Serial.println("FreqPeriod Library Test"); }
void loop() {
pp = FreqPeriod::getPeriod();
if (PP) {
Serial.print ("period: "); Serial.print(pp);
Serial.print(" 1/16us / frequency: ");
lfrq = 16000400.0 /pp; Serial.print(lfrq); Serial.print(" Hz "); Serial.print(lfrq/31.36);
Serial.println( " Mph ");
}
}
//
void printDouble( double val, byte precision){ // prints val with number of decimal places determine by precision // precision is a number from 0 to 6 indicating the desired decimial places // example: lcdPrintDouble( 3.1415, 2); // prints 3.14 (two decimal places)
if(val < 0.0){ Serial.print('-');
val = -val;
}
Serial.print (int(val)); //prints the int part if( precision > 0) {
Serial.print("."); // print the decimal point unsigned long frac; unsigned long mult = 1; byte padding = precision -1; while(precision-- )
mult *=10; if(val >= 0)
frac = (val - int(val)) * mult; else
frac = (int(val)- val ) * mult; unsigned long frac1 = frac; while( frac1 /= 10 ) padding--; while( padding--) Serial.print("0");
Serial.print(frac,DEC) ;
}
}
Литература:
1. [Электронный ресурс]. - URL: http://arduino.ru/Hardware/ ArduinoBoardMega2560
2. [Электронный ресурс]. - URL: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano
