Zastosowanie czujników ultradźwiękowych w robotach mobilnych

Stosowane w robotach mobilnych dalmierze akustyczne opierają się na wykorzystywaniu ultradźwięków- drgań akustycznych o częstotliwości powyżej 16 kHz.

Zasada działania dalmierzy ultradźwiękowych stosowanych w robotyce opiera się na metodzie impulsowe, polegającej na wysyłaniu przez sensor impulsu i pomiarze czasu do jego powrotu. Na tej podstawie obliczana jest droga przebyta przez falę dźwiękową odpowiadającą odległości od obiektu, od którego powierzchni się odbiła.

czujniki ultradźwiękowe Sick

W związku z problemem jednoznacznego określenia momentu powrotu echa wykorzystuje się detekcje progowa tzn. za powrót echa przyjmuje się moment, w którym odebrany sygnał przekracza pewien określony poziom sygnału. Dzięki tej metodzie budowa dalmierzy jest bardzo prosta lecz niestety powoduje ona utratę informacji o amplitudzie odbieranego sygnału.

Prędkość dźwięku jest zależna od środowiska w jakim dźwięk się rozchodzi, przekrój wiązki ultradźwiękowej również nie jest stały lecz rozbieżny. Charakterystyka kierunkowa źródła fal ultradźwiękowych składa się z listka głównego oraz listków bocznych, gdzie położenie i kształt listków bocznych jest uzależnione od wytłumienia źródła i jego sprzężenia akustycznego z ośrodkiem, w którym wytwarzane jest pole. Szerokość wiązki zmienia się wraz wykorzystywaną częstotliwością dźwięku, a emitowana energia maleje wraz z oddalaniem się od osi akustycznej nadajnika. Sonary stosowane w robotach mobilnych emitują fale o długości kilku milimetrów.

Przedstawione powyżej cechy ultradźwięków stanowią wyznacznik dla charakterystyk i ograniczeń sonarom stosowanych w robotyce. Ze względu na duże tłumienie ultradźwięków w powietrzu maksymalny zasięg pomiarów ograniczony jest przez minimalną wymaganą moc powracającego sygnału zamyka się w kilkunastu metrach. Minimalny zasięg jest natomiast uwarunkowany kształtem charakterystyki pomiarowej. Ze względu na interferencje nakładających się maksimów lokalnych wiarygodne pomiary mogą być przeprowadzane tylko w polu dalekim wiązki. W praktyce ten sam przetwornik wykorzystywany jest naprzemiennie jako nadajnik i odbiornik sygnału. Rozwiązanie takie, mające na celu zmniejszenie kosztów powoduje ograniczenie minimalnego zasięgu dalmierza ze względu na czas konieczny dla zmiany trybu pracy przetwornika. Na wynik pomiaru wpływają także czynniki zewnętrzne powodujące zmiany prędkości rozchodzenia się fali oraz kształt wiązki pomiarowej.

Zalety i wady:

Podstawowymi przyczynami niskiej wiarygodności pomiarów sonarami są jednak zjawiska związane z odbiciem fal o znacznej długości od przeszkód. Większość obiektów spotykanych w typowym środowisku odbija fale o długości kilku milimetrów, rozpraszając je w znikomym stopniu. Powoduje to ograniczenie kata widzenia powierzchni przeszkód oraz wielokrotne odbicia od obiektów znajdujących się w otoczeniu robota. W ten sposób echo nie wraca do sensora, lub wraca odbite od kilku obiektów, powodując powstanie fałszywego pomiaru.

Eliminowanie tego rodzaju błędów jest trudne gdyż zalezą one od rodzaju konfiguracji i przeszkód w otoczeniu robota, a na podstawie samego pomiaru nie można ustalić czy jest on błędny. Znane metody interpretacji pomiarów sonarami opierają się głównie na archiwizacji odczytów zgodnie z odpowiednio założonymi regułami i wnioskowaniu na podstawie wielu pomiarów odległości dokonywanych dla różnych położeń sensora. Najbardziej znane są metody rastrowa i neuronowe.