Существуют ещё решения - условно-бесконтактного измерения. В этом случае на измеряемый объект крепиться ответная часть измерительного устройства, а само устройство помещается рядом и прямого контакта с объектом исследования не имеет. Данный метод позволяет проводить измерения бесконтактным методом, однако масса ответной части должна быть пренебрежимо мала, в сравнении с массой объекта. Данный метод позволяет применять методы, пригодные только для токопроводящих изделий к любым изделиям, установив на них металлическую ответную часть. Другим таким примером является магнитострикционный датчик, объединяющий в себе принципы магнетизма и ультразвука. Он имеет очень сложный физический принцип, не очень прост в производстве, однако обладает высокой точность и стойкостью к помехам.
Таким образом, можно прийти к выводу, что существует огромное количество различных датчиков, работающих на совершенно разных принципах, обладающих разными, иногда совершенно противоположными свойствами. Оптические датчики обладают очень значимым преимуществом - они универсальны и не зависят от материала, из которого изготовлен измеряемый объект. При анализе, можно заметить, что такие датчики представлены крайне малым разнообразием, представляющим собой крайности: дорого и очень точно, дешево и не точно, при этом отсутствует вариант средней точности. В связи с этим было принято решение разработать оптический датчик, являющийся достаточно точным для большинства лабораторных исследований и в тоже время с умеренной стоимостью.
Аналитический обзор литературы
В последние годы тема разработки систем по созданию датчиков движения активно появляется в публикациях ученых со всего света. Стоит обратить внимание на ключевые подходы в каждой из работ, чтобы избежать повторения ошибок, а также быстрее прийти к выводам, которые уже были представлены в работах других людей.
Одной из таких работ может служить статья нашего научного руководителя Гудкова Ю. И. и Тува А. Л. " Активный инфракрасный датчик для систем контроля вращения привода " [1]. В ней детально проанализированы основные факторы, которые влияют на считывание показаний движения объекта в пространстве с использованием оптического датчика, который в свою очередь управляется серийно выпускаемым прецизионным компаратором, а не микроконтроллером, как планируется осуществить в этом дипломном проекте. Компаратор обеспечивает высокую точность регистрации границы метки, а формирователь импульсов, построенный на основе D-триггеров минимизирует задержки при прохождении импульса выходного сигнала устройства. Также ключевым моментом является использование двух фотоприемников, которые расположены симметрично относительно оси источника излучения и схемы обработки измерительной информации. Такая компоновка системы является более надежной и с обладает более высокой точностью измерений. Она не подвержена таким внешним воздействиям как дрейф интенсивности потока излучения источника и не зависит от меняющихся свойств отражающих поверхностей контролируемого объекта, которые связаны с пылью взвесями и прочими факторами внешней среды.
Также авторы представляют другие преимущества этого датчика, а именно: бесконтактный метод получения измерительной информации, диапазон частот от нуля герц до сотен килогерц, долговечность, малые размеры и вес, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации. Практическое применение устройство, которое предлагается этой статьей - использование инфракрасного датчика в судостроении где необходимо отслеживать синхронность вращение ходовых винтов судна или же в танковой/тракторной технике, в которой также важно синхронность вращения гусениц.
В патенте [2] сингапурских изобратателей Yufeng Yao и Chi Boon Ong описывается оптический датчик приближения. В изобретении используются три различных подхода, которые были скомбинированы при разработки оптического датчика приближения.
? первый подход представляет собой пакет светоизлучателя
? второй подход представляет собой детектор света
? третий представляет собой интегральную схему
Практическое применение авторы видят в использовании своего датчика в различной портативной технике. В мобильных телефонах, в помощниках по работе с персональными данными (Personal Data Assistants (“PDAs”)), в ноутбуках и КПК, в портативных устройствах, а также в торговых автоматах, в машинах и оборудовании для промышленной автоматизации, в бесконтактных выключателях, машинах и оборудовании для сантехники и т.д.
Конструкция датчика содержит в себе излучатель инфракрасного света, детектор или фотодиод обнаруживающий этот свет, схему управления излучателем света, металлический корпус или экран с отверстиями и объектом, подлежащим обнаружению. Лучи света фиксируются по средствам фотодиода и благодаря ему фиксируется расстояние от датчика до объекта наблюдения. На данный патент ссылаются 54 статьи, среди которых есть такие компании как Osram Gmbh, A Germany Corporation, Avago Technologies Ecbu, Optiz, Inc. и другие. Это означает, что данный датчик признан мировым сообществом и широко используется в производстве. То есть идеи примененный в данной патенте более чем достойны того, чтобы на них опираться в вновь создаваемых работах.
Из работы наших соотечественников Сяпина А.В. и Зотина А. Г «Система управления движением автономной колесной платформы» [3] можно подчеркнуть принципы, которые используются при создании программного обеспечения. Их система включает в себя микроконтроллер ArduinoDuemilanove на основе ATMega 328. Для управления работой двигателей предназначен силовой модуль расширения Ardumoto L298P MotorDriverShield, что как раз соответствует планам реализуемого в данной дипломной работе проекта. В этой статье также задействованы ультразвуковые датчики расстояния, оценивающие расстояние до препятствий перед платформой слева и справа по направлению движения. По центру платформы в передней части расположен инфракрасный датчик препятствий, выдающий сигнал в случае, если препятствие находится прямо перед платформой на расстоянии 800 мм и менее.
Что касаемо непосредственно программного обеспечения микроконтроллера, то движением аппарата управляет микроконтроллер, микропрограмма которого включает в себя блок инициализации, в котором производится настройка датчиков, а также основной цикл, в котором последовательно производится опрос датчиков аппарата, определение возможности движения в данный момент, остановка движения в случае наличия препятствия в непосредственной близости, передача телеметрической информации в бортовой компьютер. Одним из главных преимуществ данной работы можно считать высокую надежность работы и устойчивость к возникновению прерываний и сбоев в канале передаче данных между бортовым компьютером и микроконтроллером. Исходя из этих требований, для реализации программного обеспечения микроконтроллера в проекте Сяпина А.В. и Зотина А. Г была выбрана концепция автоматного программирования. Часть программного кода, ответственная за командноинформационный обмен с бортовым компьютером, представляет собой конечный частично определенный детерминированный автомат-распознаватель. Программное обеспечение на стороне бортового компьютера, принимающее телеметрические данные от микроконтроллера, реализовано по такому же принципу. Таким образом, сбой работы микроконтроллера так же не приводит к прекращению обменом информацией между бортовым компьютером и управляющим микроконтроллером или зависанию программы. Для возобновления нормального функционирования системы достаточно перезагрузить микроконтроллер либо бортовой компьютер, других специальных шагов предпринимать не требуется.
Еще одним немаловажным вопросом для проекта является выбор микрокомпьютера для обработки сигналов датчика. Статья Peter Jamieson [4] и книга Dr.Simon Monk [5] поможет в этом разобраться. В статье про Arduino утверждается, что устройство имеет много положительных моментов, таких как развитое сообщество инженеров и творческих личностей с опытом эксплуатации данного устройства и большим количеством разноплановых проектов. По утверждению автора данный параметр является основополагающим для выбора Arduino студентами, так как появляется доступ к большому количеству материала людей, которые уже прошли путь от поставки цели до конечного результата с работающими прототипами устройств. К достоинствам этой платформы Peter Jamieson относит легкую первоначальную установку. Достаточно включить устройство и оно уже будет готово к работе. Совместимость с операционными системами Windows, Linux и Mac OS также является плюсом. И самое главное, что Arduino может принимать на вход программы, написанные на большом количестве языков. В том числе на C.
Если же рассматривать использование микроконтроллера Raspberri Pi как основу для проекта, то по утверждению автора Raspberry Pi Cookbook [5] отличный выбор очень дешевого микроконтроллера на основе Linux компьютера. Среди моделей есть более 4 вариантов, которые отличаются процессорами и набором портов для подключения периферийного оборудования. В отдельном разделе книги описываются базовые принципы написания программ. Основным языком является Python, но также как и в Arduino поддерживаются и другие языки программирования. Более того, описывается огромное количество практических примеров по использованию Python, по созданию базовых алгоритмов с последовательным описанием всех действий.
Главными недостатками микрокомпьютера Arduino Dr.Simon Monk определяет малую частоту процессора (разница более чем в 43 раза), в разы меньшее количество оперативной и дисковой памяти, а также отсутствие какого-либо интерфейса для ввода информации непосредственно на устройство. Эти действия необходимо осуществлять с стороннего компьютера.
Аналогичное устройство указано в патенте Казачкова Юрия Петровича и Миллера Олега Васильевича. Авторы предлагают использовать три волокна, два из которых ведут к приемникам, а одно - к излучателю. Таким образом, это позволяет компенсировать боковой наклон датчика в боковой плоскости. Однако этот подход не самый оптимальный, так как оптическая компенсация наклона происходит только в одной плоскости. На основе простых геометрических основ оптики, идеальный вариант оптической компенсации будет самым подходящим.
Один сердечник внутри другого, но производство таких волоконных систем недешево, поэтому было бы правильнее использовать четыре приемных волокна, расположенных по диагонали относительно друг друга вокруг центрального излучающего световода. При таком расположении свет от излучающего диода будет передаваться через центральную жилу к объекту исследования. Отраженный от объекта свет попадает в световоды, подключенные к приемным фотодиодам, после чего смещение будет рассчитываться по формуле:
где k - коэффициент пересчета; U1, U2 - сигналы от первого и второго фотоприемников соответственно.
Кроме того, авторы предлагают размещать излучатель света дальше от объекта, чем оптические волокна приемников, что приведет к увеличению точности измерений и уменьшению эффекта отклонения направления светового луча от нормальный к объекту. Авторы также упоминают о различиях в оптических свойствах различных поверхностей и предлагают бороться с этим путем нанесения специального распыления на объект. Этот метод не оптимален, поскольку предполагает взаимодействие с объектом, что противоречит концепции бесконтактного оптического датчика и делает невозможным его использование во многих научных исследованиях. Для обработки данных авторы предложили использовать микропроцессор совместно с аналого-цифровым преобразователем. Чтобы использовать датчик в качестве измерителя колебаний, необходимо, чтобы микропроцессор имел высокую рабочую частоту, а для получения высокой точности измерений необходимо использовать АЦП с высоким разрешением. В современных реалиях правильнее будет использовать микроконтроллер, в котором есть все необходимое. Это обеспечит более высокую надежность, простоту и меньшую стоимость получаемой электронной схемы. Кроме того, современные микроконтроллеры имеют различные встроенные интерфейсы передачи данных, что позволяет легко передавать данные с датчика на персональный компьютер или специальное научное оборудование.
Суммируя проанализированный материалы можно сделать вывод, что об оптических эффектах нужно учитывать много разных вещей. Начиная от основ геометрической оптики и заканчивая волновым поведением света. Обе стороны вопроса подробно обсуждаются в книге Макса Борна и Эмиля Вольфа «Основы оптики» (3). Таким образом, есть два важных взаимосвязанных принципа: принцип Гюйгенса - принцип Френеля и Ферма или метод наименьшего времени. Первый относится к волновой оптике, второй - к оптической. Без этих принципов невозможно создать достаточно точный оптический датчик.
Кроме того, необходимо учитывать, что поверхности могут быть шероховатыми, что приводит к различиям в их отражательной способности. Подробности об этом эффекте описаны в книге Scott M «Photoelectric sensors and controls: selection and application» (1). В ней автор описывает проблему диффузного отражения, которая может составлять значительный процент отраженного света. В случае датчиков очень удобно использовать коэффициент отражения Ламберта. Зная коэффициенты основных типов материалов, можно контролировать значение коэффициента на уровне сенсорного программного обеспечения. В исследовании Вольфганга Крюгера и Пата Ханрахана (2) получена формула для компьютерного моделирования отражательной способности слоистых поверхностей, другими словами, поверхностей, состоящих из нескольких частично прозрачных слоев.
Разработка
Разработка алгоритма получения измерительной информации
Прежде всего необходимо было понять общее представление структуры устройства. Была составлена схема, приведенная на рисунке 1.
Рисунок 1
Хорошо видно, что весь программно-аппаратный комплекс состоит из трех частей: датчика или измерительного модуля, логического модуля и персонального компьютера, на котором выполняется специализированное ПО. Стрелками показано направление обмена данными. Так датчик, представляя собой некий аналоговый сенсор, только передает данные в логический модуль, занимающийся обработкой полученных данных. После обработки логический модуль передает данные, в готовом виде для работы с ними виде, в пользовательское программное обеспечение на ПК. Компьютер в свою очередь может управлять логическим модулем, запрашивая у него данные.
Из всего этого следует, что нужно сделать устройство, способное вести двустороннюю связь с ПК, а также считывать аналоговый сигнал с измерительного модуля.
Разработка структурной схемы датчика перемещений
После разработки общего алгоритма работы устройства была разработана структурная схема устройства, отражающая полный набор модулей и их состав. (Рисунок 2).