Ультразвуковые технологии находят широкое применение в различных областях науки и техники. Одним из приоритетных направлений использования информационно-измерительных систем на основе ультразвуковых (УЗ) технологий является оценка методов локальной навигации для роботов, манипуляторов. При построении системы навигации роботов возникает ряд технических задач, так, например, чтобы двигаться к цели, роботу необходимо сформировать достаточно точный образ окружающего его пространства. В сфере использования промышленных манипуляторов - оценка погрешности перемещения рабочего органа, связанная с работой шаговых двигателей промышленного манипулятора. С целью решения данных технических задач разработана система измерения пространственного положения подвижного объекта (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема измерительной системы
На рис. 1 представлены структурные элементы разработанной установки: ПО1 - алгоритм обработки измерительной информации на ЭВМ; ПО2 - алгоритм связи контроллера и ЭВМ по интерфейсу USB; S1, S2, S3 - УЗ передатчики; R - УЗ приёмник; MR - подвижный объект. ЭВМ является средством для управления контроллером, акустически активным объектом измерений и визуализации результатов измерений.
Процесс, происходящий по ультразвуковому каналу, опишем следующим уравнением:
(1)
где X(ω) - преобразование Фурье от X(t) (образ спектра излученного сигнала); Y(ω)- преобразование Фурье от Y(t) (образ спектра принятого сигнала); H(ω) - вещественная акустическая спектральная передаточная функция [2].
(2)
где - вектор параметров, зависящий от собственных характеристик датчиков (приемника и передатчика) и частотной характеристики среды. Hизл(ω) и Hпр(ω) можно принять неизменными, в то время как Hсреды(ω) варьируется.
В результате проведенных экспериментов были получены графические зависимости, отражающие процесс распространения ультразвуковой волны от передатчиков к приёмнику с последующей цифровой обработкой (рис. 2).
Рис. 2. Графическая зависимость характеристик системы (расстояние между S1 и R - 60 мм)
По оси абсцисс данного графика расположены отсчёты времени, а по оси ординат - дискреты АЦП. На графике (рис. 2) видим две контрольные точки (первая и последняя), которые означают, что пакет данных пришел без искажений. Совокупность точек, которые расположены в нижней левой части графика, даёт представление о длительности прохождения волны. Период УЗ колебания равен 8 измерениям, одно измерение равно 3 мкс. Так как на выходе АЦП восемь бит, то максимальное значение по оси ординат - 256, а условный ноль соответствует 128. Полученный экспериментальный график позволяет выделить отсчеты 20-40 как особенные и интерпретировать их как результат интерференции основной и отраженной волн [1].
Макет данной информационно-измерительный системы можно использовать для реализации интеллектуального управления промышленными манипуляторами с целью модернизации оборудования. Алгоритм работы УЗ информационно-измерительная система контроля управления манипулятором представлена на рис. 3.
Схема размещения УЗ датчиков в рабочей зоне представлена на рис. 4, где ШД1, ШД2, ШД3 - шаговые двигатели; Пр - УЗ приёмник; П - УЗ передатчик.
Рабочая зона УЗ измерений насыщена объектами, создающими отражения УЗ волны, поэтому необходимо обеспечить минимальную длительность измерительных импульсов.
В результате исследований установлено: резонатор имеет высокую добротность (50-200); имеется возможность сформировать короткий УЗ импульс со стабильным передним фронтом. В реальном времени проведена оценку точности проводимых измерений, которая составила 1-5 мм.
Рис. 3
Рис. 4
Список литературы
-
Канцедалов Д.А., Капля В.И. Разработка ультразвуковой системы измерения пространственного положения подвижного объекта // Научный потенциал XXI века: материалы V Международной научной конференции. Том первый. Естественные и технические науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011. - С. 24-27.
-
Ластовенко О.Р., Лисютин В.А., Ярошенко А.А. Моделирование передаточных и импульсных характеристик гидроакустических волноводов // Акустичний вiсник. - 2007. - Т. 10, №4. - С. 59-69.