Тема 6 (Раздаточные материалы)

Тема 6. Локационные системы роботов

План занятия

1. Основные положения

2. Модуляция сигналов

3. Электромагнитные локационные системы

4. Акустические локационные системы

4.1. Принципы распространения звука

4.2. Датчики акустической локации

4.3. Способы записи и анализа звука

5. Оптические локационные системы

1. Основные положения

Локационные информационные системы (ЛС) относятся к устройствам бесконтактного действия и реализуют бионическую функцию слуха. Информативным параметром этих систем является модулированная волна различной физической природы, характеристики которой определяются интегральными свойствами среды распространения. В зависимости от пространственно-временных свойств среды различают потенциальные (например, электростатические) и вихревые (электромагнитные и акустические) поля.

Движение волны, представляющее собой колебательный процесс распространения возмущения в некоторой среде, происходит с конечной скоростью c и описывается волновым и частотным уравнениями вида:

П од затуханием будем понимать некоторую интегральную характеристику, определяющую потерю энергии колебаний в среде и приводящую к ослаблению амплитуды сигнала. Затухание сигнала влияет на дальность его распространения.

Т еоретически затухание длится бесконечно долго, однако на практике колебательный процесс считают закончившимся, если его амплитуда составляет 1% от начальной, т. е. или t = 4,6/z.

Ослабление сигнала зависит от расстояния l между приемником и излучателем (или объектом) и свойств среды.

В пассивной ЛС, где волна проходит расстояние до объекта один раз

В активной ЛС дальность можно определить по времени возвращения отраженного сигнала:

Н аправленность излучателя (приемника) ЛС — это свойство, заключающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т. е. способности излучать (принимать) волны в одних направлениях в большей степени, чем в других. Для направленного излучения необходимо, чтобы волновой размер излучателя был больше 1:

Направленность излучателя и приемника, а также форма диаграммы направленности зависят от их волнового размера.

В современных ЛС, преобразователи которых состоят из большого числа элементарных диполей (антенные решетки), существует возможность управления диаграммой направленности путем соответствующего амплитудно-фазового распределения излучения по поверхности излучателя или приемника

1. Модуляция сигналов

В результате модуляции спектр информационного сигнала переносится в область высоких частот.

П ри непрерывной (аналоговой) модуляции частоту несущего колебания f выбирают из условия:

П ри дискретной (импульсной и кодовой) модуляции частота следования импульсов f_и должна удовлетворять теореме Шеннона-Котельникова:

В общем случае амплитудно-модулированный сигнал определяется выражением:

В случае модуляции несущей частоты гармоническим сигналом, имеем:

Ширина спектра Dw ЧМ сигнала определяется значением индекса ЧМ:

М одулированный сигнал при фазовой модуляции колебания с несущей частотой w₀ гармоническим сигналом sin w_мt имеет вид

Если модулирующий сигнал u_м гармонический, то спектры фазово- и ЧМ сигналов практически одинаковы.

Ширина спектра ФМ, также как ЧМ сигнала увеличивается с возрастанием глубины модуляции.

При импульсной модуляции (ИМ) переносчиком сигнала служит последовательность импульсов, каждый из которых обычно представляет собой цуг колебаний с высокой несущей частотой

Кроме амплитуды, частоты и фазы различают длительность (или ширину) импульсов t и их скважность q

Д ля восстановления информации из модулированных сигналов применяют схемы демодуляции.

Е сли соотношение элементов фильтра удовлетворяет условию то на выходе схемы имеем

Принцип действия частотного дискриминатора (детектора наклона) основан на пропорциональном изменении амплитуды напряжения на колебательном контуре с элементами R, L и C при вариациях мгновенных значений частоты модулированных колебаний.

1. Электромагнитные ЛС

Принцип работы электромагнитных ЛС основан на взаимодействии магнитного поля преобразователя с металлическими объектами. В качестве ЧЭ служат дроссели и трансформаторы различной формы.

Магнитные ЛС являются основными средствами неразрушающего контроля в литейном и прокатном производствах.

Р абота вихретоковой ЛС основана на взаимодействии внешнего магнитного поля с электромагнитным полем вихревых (замкнутых) токов, наводимых возбуждающей катушкой в любом электропроводящем объекте.

1. Акустические ЛС

4.1. Принципы распространения звука

Р аспространение звука в некоторой среде описывается волновыми и частотным уравнениями:

Обычно звук представляет собой сложное колебание в виде линейчатого спектра с основной (собственной) частотой f и кратными частотами — гармониками (обертонами) 2f, 3f, ... и т.д. У гармонического колебания (тона) спектр состоит из одной частоты. Для непериодических колебаний (шумов) характерны сплошные спектры.

Для акустических ЛС по сравнению с электромагнитными характерна значительно меньшая скорость распространения сигналов. Для газов она составляет 0,2 … 1,5 км/c, для жидкостей — 0,5…2 км/с, для твердых сред — 2…8 км/c. Это приводит к значительно большей разрешающей способности ультразвуковых методов по отношению к электромагнитным при равных частотах.

Длина звуковой волны зависит от частоты и среды распространения.

Для оценки звуковой волны используют следующие параметры: упругое смещение u; колебательную скорость частиц среды n = du/dt и акустическое давление p.

Характеристикой акустического давления в среде является интенсивность, или сила звука J, определяемая через энергию звуковой волны W:

Громкость £ слышимых звуков одинаковой интенсивности зависит от их частот. За единицу громкости принят сон — громкость тона (чистого звука) частотой 1 кГц при интенсивности 40 дБ.

У чистого тона с частотой 1000 Гц уровень в фонах численно равен уровню в децибелах, для других частот используют поправки из таблицы или специального графика — контура равных громкостей — изофонов.

Экспериментальные оценки показывают, что зависимость психологической оценки громкости £_пс (в сонах) от физической £_физ (в фонах) описывается формулой:

В звуковой локации наиболее важен закон Снеллиуса — закон отражения и преломления звуковых волн

Коэффициенты отражения и прохождения звуковой волны определяются выражениями:

Следствием преломления волны является рефракция, т.е. искривление звуковых лучей в неоднородной среде, в которой скорость звука зависит от координат, градиента температуры и пр. Звуковые лучи всегда поворачивают к слою с меньшей скоростью звука, при этом рефракция выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.