Произодство и продажа бетона, пескобетона, кладочного раствора

  • ПРОДАЖА И ДОСТАВКА БЕТОНА

    Бетон | Москва | Щапово

  • ПЕСКОБЕТОН

    Пескобетон | Москва | Щапово

  • ЩЕБЕНЬ

    Продажа щебня в Московской области (Щапово)

  • ПЕСОК

    Продажа песка в Московской области (Щапово)

  • КЛАДОЧНЫЙ РАСТВОР

    Кладочный раствор в Подмосковье (Щапово)

+7(926)381-13-78
+7(985)999-71-40

+7(916)213-50-95

  КРУГЛОСУТОЧНО

­

Дальномер лазерный своими руками


Денисюк Роман Эдуардович - Лазерный дальномер

В продаже, есть большое количество дешевых датчиков – дальномеров, в их числе ультразвуковые и инфракрасные. Все эти устройства работают хорошо, но из-за значительного веса, не подходят для летающих роботов. Миниатюрный робот вертолет, например, может нести около 100 г полезной нагрузки. Это даёт возможность использовать, для поиска препятствий и предотвращения столкновений с ними, машинное зрение, используя веб-камеры (или другие миниатюрные, беспроводные камеры с подключением к компьютеру через USB). А еще лучше, установить две камеры, что обеспечит роботу, стерео зрение, таким образом, благодаря информации о глубине изображения, улучшится обход препятствий. Недостатком этой идеи является сравнительно большой вес камеры.

1. Лазерный дальномер из веб-камеры

1.1. Принцип работы

Лазерная точка проектируется на возможное препятствие, лежащие в поле зрения камеры, расстояние до этого препятствия может быть легко вычислено. Математика здесь очень простая, обработку данных лучше всего производить в компьютерных приложениях. (см. рис. 1.1)

Рисунок 1.1 – Принцип действия дальномера

Итак, вот как это работает. Лазерный луч проецируется на объект в поле зрения камеры. Этот луч должен быть идеально параллелен оптической оси камеры. Лазерная точка захватывается вместе с остальной сценой. Простой алгоритм ищет на изображении яркие пиксели. Предполагая, что точка лазера является яркой на фоне более тёмной обстановки (я использовал обычную лазерную указку купленную в магазине за доллар), изначально положение точки в кадре не известно. Затем нам нужно рассчитать дальность до объекта, основываясь на том, где вдоль оси Y находится лазерная точка, чем ближе она к центру изображения, тем дальше находится объект.

Как мы видим из рисунка выше, расстояние (D) может быть рассчитано по формуле:

Конечно, для решения этого уравнения, вы должны знать, h – фиксированное расстояние между лазерной указкой и камерой. Знаменатель высчитывается так:

Для калибровки системы, мы будем собирать серию измерений, где нам известно, дальность до цели, а также количество пикселей центра изображения до точки лазера.

Используя следующее уравнение, мы можем вычислить угол наклона в зависимости от значения h, а также фактическое расстояние до каждой точки.

Теперь у нас есть расчётные значения, мы можем придумать отношения, что позволяет нам рассчитывать, дальность, зная количеством пикселей от центра изображения. Можно использовать линейную зависимость.

Зная калибровочные данные, можно посчитать:

1.2. Компоненты

Для сборки дальномера требуется не так много деталей: веб-камера и лазерная указка. Для соединения лазерной указки и камеры необходимо вырезать раму из жести или фанеры:

Собранный дальномер должен выглядеть примерно следующим образом:

1.3. Программное обеспечение

Программа-обработчик написана на двух языках: Visual C ++ и Visual Basic. Вы, вероятно, подумаете, что программа на Visual Basic проще, чем на VC ++ в плане кода, но во всём есть компромисс. Код на VC ++ можно собрать бесплатно (при условии, что у вас есть Visual Studio), в то время как код VB требует приобретение программных пакетов сторонних производителей (в дополнение к Visual Studio).

Коды программ написанных на Visual Basic и Visual C ++ можно найти по ссылке: www.cxem.net

1.4. Дальнейшая работа

Одним из конкретных улучшений, которые могут быть внесены в этот дальномер, является проекция горизонтальной лазерной линии, вместо точки. Таким образом, мы сможем вычислять расстояние до цели, для каждого ряда пикселов на изображении [1].

2. Фазовый лазерный дальномер

В даном разделе описаны натуральные испытания макетного образца фазового лазерного дальномера, полученного собственными силами.

2.1. Выбор метода измерений

Принцип действия дальномера физического типа заключается в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта.

Существует несколько методов измерения дальности:

1. Метод триангуляции.

2. Частотный.

3. Импульсный метод.

4. Фазовый метод.

Разрабатываемый лазерный дальномер предлагается выполнить но основе фазового метода. Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.

Режим работы устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать единиц миллиметров [2].

2.2. Создание макетного образца

Для проверки теоретических положений на практике, проверки устойчивости усилительных каскадов и предварительной оценки чувствительности и уровня шумов измерительного канала отраженного лазерного излучения был разработан и исследован его макетный образец.

В качестве излучателя при разработке макетного образца использован стандартный модуль красного лазерного светодиода (см. рис. 2.1) мощностью 5 мВт длиной волны 650 нм.

Рисунок 2.1 – Модуль лазерного светодиода

Для регистрации отраженного лазерного излучения в качестве фотоприемника использован pin-фотодиод bpw24r (см. рис. 2.2). К преимуществам данного фотодиода следует отнести высокую чувствительность в красной области видимого спектра, узкую диаграмму направленности и малую емкость р-п-перехода (5 пФ). Максимальная рабочая частота 35 МГц.

Рисунок 2.2 – PIN-фотодиод bpw24r

Для генерации рабочего и опорного сигналов использован модуль DDS генератора сигналов на базе микросхемы AD9850 (см. рис. 2.3). Рабочий диапазон генерируемых синусоидальных колебаний лежит в пределах от 1 Гц до 40 МГц, шаг перестройки 1 Гц, относительная нестабильность частоты 10-5.

Рисунок 2.3 – Модуль AD9850 DDS генератора сигналов

В качестве микропроцессорного модуля управления использована стандартная плата Arduino Uno (см. рис. 2.4) на базе современного микро-контроллера ATmega328 c тактовой частотой 16 МГц.

Рисунок 2.4 – Микропроцессорный модуль Arduino Uno

На рисунке 2.5 приведена схема модулятора лазерного излучения. Гармоничный сигнал частотой 10 МГц и амплитудой 0,5 В с выхода DDS генератора поступает на электронный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению KU = 3, построен на базе операционного усилителя DA1 AD8042. С помощью подстроечного резистора R1 обеспечивается выбор оптимального положения рабочей точки по постоянному току.

Рисунок 2.5 – Функциональная схема модулятора лазерного излучения

На рисунке 2.6 представлена схема отраженного лазерного сигнала, состоящий из фотоусилителя на DA1, смесителя и двухкаскадного избирательного усилителя на DA2 и DA3. Фотопидсилювч превращает измерительный оптический сигнал в электрический. На выходе смесителя формируется низкочастотный разностный сигнал с частотой 1 кГц, который после фильтрации двухзвенный фильтром нижних частот (R3, R4, C4, C5) поступает на избирательный усилитель с коэффициентом усиления около 10000.

Модулятор лазерного излучения и измерительного канала отражен-ного сигнала собраны на отдельных беспаечних монтажных платах (см. рис. 2.7 и 2.8). Программное обеспечение модуля разработано в среде Arduino 1.0.5. Для управления DDS генератором использована стандартная библиотека AH_AD9850.h.

Рисунок 2.6 – Функциональная схема измерительного канала отраженного лазерного излучения

В результате испытаний макетного образца получили:

– Уровень шумов на выходе избирательного усилителя составляет 5 мВ;

– Уровень полезного сигнала на выходе избирательного усилителя при расстоянии до объекта 2 м составляет 200 мВ;

– Самовозбуждение усилителя отсутствует;

– Внешняя засветка фотодиода на результаты измерений не влияет.

Рисунок 2.7 – Макетная плата модулятора

Рисунок 2.8 – Макетная плата измерительного канала отраженного сигнала

3. Заключение

В целом результаты макетирование подтверждают способность предложенного способа измерений, основанного на технике прямого преобразования частоты. Чувствительность измерительного канала достаточна для регистрации отраженного лазерного сигнала. Уровень выходного сигнала позволяет в дальнейшем простыми средствами определять его фазу и вычислять расстояние до объекта.

Список источников

  1. Лазерный дальномер из web камеры. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: www.cxem.net – Дата доступа: апрель 2014 года. – Загл. с экрана.
  2. Денисюк Р.Э., Кузнецов Д.Н. Лазерный дальномер для систем машинного зрения роботов/Cборник тезисов докладов Второго регионального научно-практического семинара Теоретические и практические аспекты приборостроения, 18 апреля 2013, Луганск, кафедра Приборы, ВНУ им. В.Даля. – c. 20–21.

masters.donntu.org

Дальномер лазерный: изготовление своими руками

Этот прибор, который до сих пор считается уникальным, смог найти применение практически во всех сферах человеческой жизни. Сегодня лазерный дальномер можно увидеть в руках геологов и геодезистов. Иными словами, в тех областях человеческой деятельности, где необходимо замерить расстояние с особой точностью. Поэтому высокую популярность завоевали лазерные рулетки, отличающиеся высокой точностью, повышенной надежностью и вполне доступной ценой. Вполне естественно звучит вопрос, можно ли сделать дальномер лазерный своими руками.

К группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся: лазерный дальномер, ультразвуковой дальномер.

Измерения лазерным дальномером делаются на основе световых потоков, носителем сигнала является электромагнитное излучение, окрашенное в соответствующий оттенок. В большинстве случаев за основу берется красный свет.

Согласно законам физики, скорость света намного превышает скорость звука, поэтому и время измерения одинакового расстояния будет отличаться.

Схема работы лазерного дальномера.

Пользоваться механической рулеткой не всегда удобно. Порой она не дает положительного эффекта. В последние 10 лет все большее предпочтение отдается электронным дальномерам. К этой группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся:

  • лазерный дальномер;
  • ультразвуковой дальномер.

Все эти приборы функционируют по принципу бесконтактного метода. Такой дальномер своими руками сегодня создают отечественные мастера. Приборы работают не хуже тех, которые были выпущены в заводских условиях.

Лазерный дальномер, сделанный своими руками, состоит из нескольких частей:

  • плата;
  • микроконтроллер;
  • усилитель лазерного сигнала;
  • лазер;
  • фотоприемник;
  • фильтр.

В основном излучение лазера возникает при помощи синусоидального сигнала.

Довольно сложно получить такой сигнал, имеющий частоту 10 МГц. Простой контроллер здесь не подходит. Для этого лучше использовать меандр, у которого имеется нужная частота. Когда усиливается сигнал, приходящий из фотоприемника, удаляются ненужные гармоники специальным полосовым фильтром, который функционирует на частоте 10 МГц. На выходе появляется сигнал, сильно напоминающий синусоидальный.

Вернуться к оглавлению

Структурная схема импульсного лазерного дальномера.

Чтобы изготовить дальномер своими руками можно за основу взять схему лазерной связи. В данном случае передача данных происходит очень быстро, скорость равна 10 Мбит. Такая величина соответствует имеющейся частоте модуляции.

Для такого лазерного устройства берется самый простой усилитель мощности. Он состоит из одной микросхемы 74HC04, которая собрана из шести инверторов. Подача тока ограничивается специальными резисторами. Однако умельцы могут заменить резисторы более надежными деталями.

Пусконаладочная плата становится источником 5-вольтового напряжения. Таким образом усилитель получает питание. Чтобы убрать наводки сигнала на другую часть электрической схемы, усилительный корпус делается стальным, каждый провод экранируется.

В качестве лазера выступает привод, установленный в DVD-приставках. Такое устройство имеет вполне достаточную мощность для функционирования на частоте, достигающей 10 МГц.

В состав приемника входит:

В состав усилителя входит полевой транзистор, специальная микросхема. Когда увеличивается расстояние, происходит падение освещенности фотодиода. Поэтому необходимо иметь мощное усиление. Собираемая схема позволяет достичь 4000 единиц.

Когда увеличивается частота, начинают уменьшаться сигналы фотодиода. Усилитель подобной конструкции является главной и сильно уязвимой частью. Его настройка требует очень высокой точности. Желательно отрегулировать коэффициент усиления таким образом, чтобы получать максимальные значения. Самым простым способом будет подача на транзистор 3 В. Можно установить обыкновенную батарейку.

Чтобы приемник начал работать, необходимо подать 12 В. Для этого устанавливается специальный блок питания.

У такого усилителя высокая чувствительность к любым наводкам, поэтому его нужно обязательно экранировать. Можно для этого воспользоваться корпусом оптического датчика. Экранирование фотодиода можно сделать из обычной фольги.

Описанная выше система позволит создать самодельный лазерный дальномер в бытовых условиях.

moiinstrumenty.ru

Как сделать дальномер лазерный самостоятельно?

Итак, что же такое дальномер лазерный своими руками? Данное приспособление используется во многих сферах жизни человека. Им еще пользуются геологи и геодезисты. Это устройство можно использовать везде, где требуется произвести замеры расстояния с абсолютной точностью. По этой причине широкую популярность получили лазерные дальномеры, у которых высокие показатели точности и надежности. А можно ли соорудить такое устройство собственными руками?Такой дальномер выполняет измерения благодаря световым потокам. Сигналом выступает электромагнитное излучение, которое окрашено в нужный цвет. Зачастую оно бывает красным. По законам физики скорость света значительно выше скорости звука, поэтому время измерения равного промежутка будет отличаться.

Устройство лазерного дальномера.

Использовать рулетку в некоторых случаях неудобно. За последнее десятилетие предпочтение отдается электронным устройствам.

Они работают по принципу бесконтактного способа.

Данное устройство состоит из следующих элементов: платы, микроконтроллера, усилителя сигнала лазера, лазера, фотоприемника, фильтра. Лазерное излучение образовывается с помощью синусоидального сигнала. Его сложно получить, если частота 10 МГц. Рекомендуется использовать меандр с необходимой частотой. При усилении сигнала, который приходит из фотоприемника, нужно убрать ненужные гармоники специальным полосовым фильтром, работающим на частоте 10 МГц. На выходе образовывается сигнал, который напоминает синусоидальный.

Принцип работы лазерного дальномера

Схема работы лазерного дальномера.

Его принцип является очень простым. Это приемо-передающий прибор, излучающий и принимающий лазерный импульс, который отражается от поверхности.

Однако само по себе это устройство является сложным.

Важными моментами этого устройства являются многофункциональность, максимальный и минимальный промежуток выполнения измерений, точность устройства, воздействие внешних факторов на качество результатов.

Далее будет рассмотрено, как делается лазерный прибор для измерения расстояния.

Выполнение лазерного дальномера своими руками

Такое устройство может находить свое применение, если требуется определить промежуток до объекта, к которому очень сложно добраться. Список необходимых инструментов и материалов:

Лазерный дальномер из веб камеры.

  • ножницы для работ с металлом;
  • полоски из железа;
  • 2 лазерные указки;
  • линейка;
  • доски;
  • инструмент для столярных работ.

Чтобы выполнить лазерный дальномер своими руками, нужно сначала взять ровную доску из древесины и укрепить на второй доске. Такая конструкция станет основанием для последующего устройства. Оно должно получиться ровным и стоять устойчиво.

Затем необходимо отмерить от одного края начальный отрезок, длина которого должна быть от 50 до 100 см. От того, каким будет промежуток, будет зависеть, насколько точным будет измерение промежутка. Потом необходимо выполнить 2 равных визира. В этих целях нужно использовать 2 линейки из древесины. На их краях требуется закрепить мушки с прорезями аналогично оружейным. Выполняются они в виде пластинок из угольников железных либо алюминиевых. Далее они прикручиваются шурупчиками по боками деревянных линеек.

Теперь требуется выполнить осевые отверстия, которые будут располагаться строго по центру визиров. Линейки требуется укрепить по краям мерного участка. Нужно учитывать, чтобы 1 визир смог горизонтально вращаться вокруг собственной оси, а другой был надежно прикреплен. Прикрепить на 2 визирах лазерные указки. Далее нужно расположить дальномер в положение, чтобы на требуемый объект направлялся невращающийся визир. Затем необходимо себе представить, что выполняется прицел на объект из оружия и направить другой визир на этот же объект. Выполняется определение угла между осью другого визира и начальным отрезком. Получится прямоугольный треугольник, где начальный отрезок выступает катетом, а еще известен примыкающий к нему угол. Если применять теорему тангенсов, то можно будет вычислить и второй катет. Его показатель и будет расстоянием до нужного объекта. Вот так выполняется дальномер своими руками.

Вот теперь известно, как правильно делается данное устройство. Из приведенной инструкции ясно, что особых усилий и специальных знаний и умений для этого не требуется. Важно придерживаться того алгоритма и советов, которые описаны выше. Таким лазерным дальномером своими руками будет очень удобно пользоваться, потому как свои силы, свои вложения труда и души намного важнее, и такой прибор очень долго вам прослужит. Стандартные рулетки для измерений уже теряют свою известность, популярность и широкое применение. А с таким прибором будете идти в ногу со временем и инновациями. А вышеописанная инструкция и советы смогут в этом помочь. Желаем вам удачи!

masterinstrumenta.ru

Самодельный фазовый лазерный дальномер

В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.

Теория

Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.

Однако существуют и другие лазерные методы изменения расстояния, одним из них является фазовый. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм). Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером. Расстояние определяется по формуле:

Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг. Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f. Если частота модуляции равна 10МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см. При превышении этого расстояния возникает неоднозначность — невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.

Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.

Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах. Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.

Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).

Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты. Пример структурной схемы дальномера с гетеродином. М — генератор сигнала модуляции лазера, Г — гетеродин.

Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.

Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование. Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается. Более подробно (с всеми нужными формулами) этот метод рассматривается здесь (на английском) и здесь (на русском). В первой статье указывается, что если частота дискретизации сигнала (fsp) связана с частотой модуляции (fo) следующим соотношением:

где p — целое число, то процесс вычисления фазы значительно упрощается. Достаточно взять N выборок сигнала X[i], после чего разность фаз можно вычислить по следующим формулам:

Отмечу, что оба вышеуказанных метода часто применяются вместе — низкочастотные сигналы подаются напрямую на АЦП, высокочастотные переносятся в область более низких частот гетеродинным мотодом, и также подаются на АЦП.

Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.

Практика

Структурная схема моего дальномера:

Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром.

В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.

Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части): Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском. В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции. Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы. Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы.

Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.

Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000). Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки. Приемнику для работы требуется напряжение 12В, так что для его питания приходится использовать отдельный блок питания. Усилитель очень чувствителен к внешним наводкам, так что он тоже должен быть экранированным. Я взял готовый корпус от нерабочего оптического датчика, и разместил усилитель в нем (белая полоска — фольга для дополнительного экранирования фотодиода):

Отмечу, что наводка сигнала от лазера на приемник довольно сильно ухудшает точность измерения разности фаз, так что нужно контролировать, чтобы такая наводка отсутствовала.

LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).

Отладочная плата — STM32F4-DISCOVERY. Ее выбрал потому, что для формирования двух достаточно различающихся частот нужен генератор достаточно высокой частоты (PLL STM32F4 может давать частоты больше 100МГц). В формуле, связывающей частоту модуляции и дискретизации, коэффициент «p» я принял равным 6, так что при частоте модуляции 10МГц частота дискретизации должна быть 1.6МГц.

Для формирования частоты 10МГц используется таймер TIM2, работающий в режиме формирования ШИМ сигнала. При системной частоте 160МГц его период — 16 «тиков». АЦП получает запросы на запуск от таймера TIM2. Для формирования частоты 1.6МГц его период — 100 «тиков». Все данные от АЦП при помощи DMA сохраняются в массив, размер которого должен быть равен двойке в N степени. Оба таймера, АЦП и DMA запускаются один раз при включении и больше уже не отключаются. Таким образом, так как таймеры тактируются от одного источника, а одному периоду измеряемого сигнала соответствуют четыре выборки данных, получается, что в массив всегда попадет целое число периодов сигнала. Так как останавливать DMA не желательно (это упрощает управление захватом данных), при заполнении первой половины массива генерируется прерывание. Обнаружив, что половина массива заполнена, контроллер копирует ее содержимое в другой массив (в целях упрощения программы вторая половина основного массива при этом не используется). После этого полученные данные обрабатываются — вычисляется средняя амплитуда и фаза сигнала, проводится пересчет фазового сдвига в расстояние.

Полученные величины выводятся на ЖК индикатор от кассового аппарата, также подключенный к отладочной плате.

Дальномер должен знать где находится начало отсчета. Для его калибровки при включении на «нулевом» расстоянии от дальномера устанавливается объект, после чего на отладочной плате нужно нажать кнопку, при этом измеренное значение дальности записывается в память, после чего это значение будет вычитаться из измеренной дальномером дальности.

Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам. Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.

Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля. Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч. Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.

А вот и фотографии получившейся конструкции: На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.

Видео работы дальномера:

Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта. Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера. Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается. Фотография отражателя:

Использование отражателя: Как видно, расстояние до отражателя — 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.

Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо. Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.

Программа контроллера: ссылка

Автор: iliasam

Источник

www.pvsm.ru


Смотрите также