czujniki ultradźwiękowe stosowane w systemach sonarowych w wodzie

Czujniki ultradźwiękowe do pomiaru odległości stanowią podstawę wielu
zastosowań robotycznych i automatycznych, takich jak systemy unikania przeszkód i ostrzegania przed kolizją w samochodach, pojazdy autonomiczne, roboty terenowe i tak dalej. Jednakże, istnieją określone ograniczenia w przypadku stosowania powietrznego przetwornika ultradźwiękowego w działaniu w terenie, ponieważ jego wartość Q jest wyższa (szerokość pasma jest stosunkowo niższa) i trudno jest poprawić zarówno kierunkowość, jak i duży zasięg wykrywania powietrznego przetwornika ultradźwiękowego. W związku z tym, nawet obecnie, jednym z trudnych problemów w polu ultradźwiękowym jest opracowanie wysokowydajnego przetwornika ultradźwiękowego i ultradźwiękowy system pomiaru odległości w powietrzu.

Ultradźwiękowy system zasięg-odległość składa się z przetwornika ultradźwiękowego, elektroniki nadawczo-odbiorczej oraz procesora sygnałowego. Oryginalność tej pracy polega na wyjaśnieniu podstaw przetwornika ultradźwiękowego, który przetwarza energię elektryczną na energię mechaniczną (ciśnienie akustyczne) i odwrotnie, energię mechaniczną na energię elektryczną, arytmetykę wykrywania słabego sygnału fali dźwiękowej oraz procedurę wdrażania ultradźwiękowego systemu pomiaru odległości o dużym skoku pomiarowym. Główne tematy tego artykułu to:

(2) Zgodnie z właściwościami fizycznymi fali ultradźwiękowej i piezocu

materiału eramicznego, a także wydajność indukcyjnych ultradźwiękowych czujników zbliżeniowych , wybrano tryb rezonansowy i częstotliwość piezoceramicznego oscylatora dyskowego. Dzięki zastosowaniu techniki dopasowywania impedancji akustycznej do konstrukcji przetwornika oraz optymalnej techniki dopasowywania impedancji mechanicznych i elektrycznych do przesyłanej elektroniki, z powodzeniem zwiększyliśmy zasięg wykrywania i poprawiliśmy kierunkowość wykrywania przetwornika, który jest w stanie sprawdzać szumy wielokierunkowe.

(3) Pierwotnie proponowano nowy kompozytowy przetwornik ultradźwiękowy w połączeniu z przetwornikiem piezoelektrycznym i odbiornikiem typu talerzowego, aby poradzić sobie z efektem Dopplera.

(4) Pierwotnie zaproponowano nowatorską metodę optymalnego projektowania konwertera przeciwsobnego i powiązany z nią wzór do obliczania efektywności przekształcania energii, a obwód nadawczy realizowany za pomocą proponowanej metody charakteryzuje się lepszą wydajnością przetwarzania energii. Co więcej, elektronika odbiorcza z nowatorskim obwodem sterującym wzmocnieniem czasowym i wysokim stosunkiem sygnału do szumu (SNR) została zaprojektowana i wdrożona w celu eksperymentowania z ultradźwiękowy przetwornik pomiaru odległości.

(5) Wykorzystując fakt, że wykrywanie korelacji jest równoważne wykrywaniu dopasowania, przedstawiono niezbędny wzór modyfikujący do wyznaczania czasu przelotu (ToF) przy zastosowaniu metody wykrywania dopasowania. Niniejszym zaproponowano nowatorską metodę poprawy wzmocnienia przetwarzania i odpowiedzi systemu pomiaru odległości w czasie rzeczywistym, to znaczy zastosowanie metody wykrywania dopasowania opartej na sygnale binarnego kluczowania z przesunięciem fazowym (2PSK), podczas gdy sygnał przesyłany ultradźwiękowo ma postać binarnego kluczowania z przesunięciem amplitudy (2ASK), a algorytm szybkiego wykrywania dopasowania został zaimplementowany poprzez obliczenie funkcji korelacji krzyżowej za pomocą dwuetapowej procedury dla system czujników podwodnej sondy głębinowej .

Wyniki eksperymentów pokazują, że efektywny zasięg wykrywania przetwornika jest większy niż 32 metry, a szerokość wiązki mniejsza niż 50, co zapewnia lepszą wydajność niż istniejące, na przykład podobne produkty z katalogu przetworników powietrznych (AIRMAR Tech. CorpU.SA). The podwodny system przetworników akustycznych opracowany w tym artykule został zastosowany na przykład w kilku innych projektach, które dostarczyły jedno z rozwiązań wykrywania obiektów polowych dla kluczowego projektu „Badanie teorii i metod sterowania nawigacyjnego dla robotyki mobilnej w nieznanym środowisku” oraz projektu „Bezzałogowa platforma kampanii” (zaawansowany projekt badawczy 10-letniego planu pięcioletniego, wspierany przez Centralę Sprzętu).

    Nie ma wątpliwości, że wszystkie techniki przyjęte w tym artykule można bezpośrednio zastosować do opracowania systemów sonarowych w wodzie o wysokiej wydajności kosztowej.