Dual Sensor Echo Locator: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Αυτό το διδακτικό εξηγεί πώς να εντοπίσετε τη θέση ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας ένα Arduino, δύο υπερηχητικούς αισθητήρες και τον τύπο του Heron για τρίγωνα. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη.

Ο τύπος Heron σάς επιτρέπει να υπολογίσετε το εμβαδόν οποιουδήποτε τριγώνου για το οποίο είναι γνωστές όλες οι πλευρές. Μόλις γνωρίζετε το εμβαδόν ενός τριγώνου, τότε μπορείτε να υπολογίσετε τη θέση ενός μόνο αντικειμένου (σε σχέση με μια γνωστή βασική γραμμή) χρησιμοποιώντας τριγωνομετρία και Πυθαγόρα.

Η ακρίβεια είναι εξαιρετική. Μεγάλες περιοχές ανίχνευσης είναι δυνατές χρησιμοποιώντας κοινά διαθέσιμους αισθητήρες υπερήχων HC-SR04 ή HY-SRF05.

Η κατασκευή είναι απλή… το μόνο που χρειάζεστε είναι ένα κοφτερό μαχαίρι, δύο τρυπάνια, ένα κολλητήρι και ένα πριόνι ξύλου.

Εικόνες

• Το βίντεο κλιπ δείχνει τη μονάδα σε λειτουργία.
• Η φωτογραφία 1 δείχνει τον συναρμολογημένο "εντοπισμό ηχώ"
• Η φωτογραφία 2 δείχνει μια τυπική οθόνη. Το αντικείμενο είναι η κόκκινη (αναβοσβήνει) κουκκίδα.
• Η φωτογραφία 3 δείχνει τη ρύθμιση της δοκιμής βίντεο. Itταν απαραίτητο να τοποθετηθούν οι δύο αισθητήρες υπερήχων HY-SRF05 50 cm κάτω από τη γραμμή βάσης για να "φωτιστεί" πλήρως η περιοχή ανίχνευσης με ήχο.

Βήμα 1: Διάγραμμα καλωδίωσης

Η φωτογραφία 1 δείχνει το διάγραμμα καλωδίωσης για τον "εντοπιστή ηχώ διπλού αισθητήρα".

Ο αισθητήρας Β καθίσταται "παθητικός" τοποθετώντας πολλά στρώματα ταινίας κάλυψης πάνω από το μορφοτροπέα μετάδοσης (Τ). Αυτή η ταινία μπλοκάρει τον ήχο υπερήχων που διαφορετικά θα εκπέμπεται.

Βήμα 2: Λίστα μερών

Όπως φαίνεται στη φωτογραφία 1, απαιτούνται πολύ λίγα μέρη για την ολοκλήρωση αυτού του έργου:

Τα ακόλουθα μέρη λήφθηκαν από τη διεύθυνση

• 1 μόνο Arduino Uno R3 πλήρες με καλώδιο USB
• 2 μόνο μετατροπείς υπερήχων HY-SRF05 ή HC-SR04

Τα ακόλουθα μέρη αποκτήθηκαν τοπικά:

• 1 μόνο αρσενική ταινία κεφαλίδας arduino
• 2 μόνο θηλυκές ταινίες κεφαλίδας arduino
• 2 μόνο κομμάτια θραύσματα αλουμινίου
• 2 μόνο μικρά κομμάτια ξύλου
• 2 μόνο μικρές βίδες
• 3 μόνο συνδετήρες καλωδίων
• Σύρμα με πλαστική επίστρωση 4 μόνο μήκους (διάφορα χρώματα) [1]

Σημείωση

[1]

Το συνολικό μήκος κάθε σύρματος πρέπει να ισούται με την επιθυμητή απόσταση μεταξύ των αισθητήρων συν μια μικρή ποσότητα για συγκόλληση. Τα σύρματα στη συνέχεια στρίβονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα καλώδιο.

Βήμα 3: Θεωρία

Μοτίβα δοκών

Η φωτογραφία 1 δείχνει τα επικαλυπτόμενα σχέδια δέσμης για τον μορφοτροπέα Α και τον μορφοτροπέα Β.

Ο αισθητήρας Α θα λάβει ηχώ από οποιοδήποτε αντικείμενο στην «κόκκινη περιοχή».

Ο αισθητήρας Β θα λάβει ηχώ μόνο εάν το αντικείμενο βρίσκεται στην «μωβ περιοχή». Έξω από αυτήν την περιοχή δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η συντεταγμένη ενός αντικειμένου. [1]

Μεγάλες «ανυπόμονες» περιοχές ανίχνευσης είναι δυνατές εάν οι αισθητήρες βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση.

Υπολογισμοί

Με αναφορά στη φωτογραφία 2:

Το εμβαδόν οποιουδήποτε τριγώνου μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο:

εμβαδόν = βάση*ύψος/2 ……………………………………………………………………. (1)

Η αναδιάταξη της εξίσωσης (1) μας δίνει το ύψος (συντεταγμένη Υ):

ύψος = εμβαδόν*2/βάση ……………………………………………………………………. (2)

Μέχρι τώρα καλά … αλλά πώς υπολογίζουμε την περιοχή;

Η απάντηση είναι να τοποθετήσετε δύο μετατροπείς υπερήχων σε γνωστή απόσταση μεταξύ τους (βασική γραμμή) και να μετρήσετε την απόσταση που κάθε αισθητήρας βρίσκεται από το αντικείμενο χρησιμοποιώντας υπερηχογράφημα.

Η φωτογραφία 2 δείχνει πώς αυτό είναι δυνατό.

Ο μετατροπέας Α στέλνει έναν παλμό ο οποίος αναπηδά από το αντικείμενο προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτός ο παλμός ακούγεται τόσο από τον μορφοτροπέα Α όσο και από τον μορφοτροπέα Β. Κανένας παλμός δεν αποστέλλεται από τον μορφοτροπέα Β… ακούει μόνο.

Η διαδρομή επιστροφής στον μορφοτροπέα Α εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα. Όταν διαιρείται με δύο και λαμβάνεται υπόψη η ταχύτητα του ήχου, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση "d1" από τον τύπο: [2]

d1 (cm) = χρόνος (μικροδευτερόλεπτα)/59 ……………………………………………… (3)

Η διαδρομή προς τον μορφοτροπέα Β εμφανίζεται με μπλε χρώμα. Εάν αφαιρέσουμε την απόσταση "d1" από αυτό το μήκος διαδρομής, έχουμε την απόσταση "d2". Ο τύπος για τον υπολογισμό του "d2" είναι: [3]

d2 (cm) = χρόνος (μικροδευτερόλεπτα/29,5 - d1 …………………………………….. (4)

Έχουμε τώρα το μήκος και των τριών πλευρών του τριγώνου ABC … εισάγετε "Heron"

Η φόρμουλα του onρωνα

Ο τύπος του Heron χρησιμοποιεί κάτι που ονομάζεται "ημιπερίμετρος" στο οποίο προσθέτετε κάθε μία από τις τρεις πλευρές ενός τριγώνου και διαιρείτε το αποτέλεσμα με δύο:

s = (a+b+c)/2 ……………………………………………………………………………. (5)

Η περιοχή μπορεί τώρα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

εμβαδόν = sqrt (s*(s-a)*(s-b)*(s-c)) ……………………………………………………. (6)

Μόλις γνωρίζουμε την περιοχή μπορούμε να υπολογίσουμε το ύψος (συντεταγμένη Υ) από την εξίσωση (2) παραπάνω.

Πυθαγόρας

Η συντεταγμένη Χ μπορεί τώρα να υπολογιστεί ρίχνοντας μια κάθετη από την κορυφή του τριγώνου στη βασική γραμμή για να δημιουργήσει ένα ορθογώνιο τρίγωνο. Η συντεταγμένη Χ μπορεί τώρα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον Πυθαγόρα:

c1 = sqrt (b2 - h2) ……………………………………………………………….. (7)

Σημειώσεις

[1]

Η περιοχή -στόχος μπορεί να "φωτιστεί" πλήρως με ήχο τοποθετώντας τους αισθητήρες κάτω από τη βασική γραμμή.

[2]

Η τιμή 59 για τη σταθερά προκύπτει ως εξής:

Η ταχύτητα του ήχου είναι περίπου 340m/S που είναι 0,034cm/uS (εκατοστά/μικρό δευτερόλεπτο).

Το αντίστροφο του 0,034cm/uS είναι 29,412uS/cm το οποίο, όταν πολλαπλασιαστεί με 2 για να επιτραπεί η διαδρομή επιστροφής, ισούται με 58,824 ή 59 όταν στρογγυλοποιείται.

Αυτή η τιμή μπορεί να προσαρμοστεί πάνω/κάτω για να ληφθεί υπόψη η θερμοκρασία του αέρα, η υγρασία και η πίεση.

[3]

Η τιμή 29,5 για τη σταθερά προκύπτει ως εξής:

Δεν υπάρχει διαδρομή επιστροφής, οπότε χρησιμοποιούμε 29,5 που είναι η μισή τιμή που χρησιμοποιείται στο [2] παραπάνω.

Βήμα 4: Κατασκευή

Βάσεις στήριξης

Δύο στηρίγματα στήριξης κατασκευάστηκαν από φύλλο αλουμινίου 20 μετρητών χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που περιγράφεται στο διδακτικό μου

Οι διαστάσεις για τις αγκύλες μου φαίνονται στη φωτογραφία 1.

Οι δύο οπές με την ένδειξη "βασική γραμμή" προορίζονται για τη σύνδεση μιας χορδής σε κάθε αισθητήρα. Απλώς συνδέστε τη συμβολοσειρά στο απαιτούμενο διάστημα για εύκολη εγκατάσταση.

Υποδοχές αισθητήρα

Οι υποδοχές αισθητήρων (φωτογραφία 2) έχουν διαμορφωθεί από τυπικές υποδοχές κεφαλίδας Arduino.

Όλες οι ανεπιθύμητες καρφίτσες έχουν τραβηχτεί έξω και μια τρύπα 3 χιλ. Διάτρητη στο πλαστικό.

Κατά τη συγκόλληση των συνδέσεων προσέξτε να μην βραχυκυκλώσετε τα καλώδια στο στήριγμα αλουμινίου.

Ανακούφιση από στέλεχος

Ένα μικρό κομμάτι σωλήνα συρρίκνωσης θερμότητας σε κάθε άκρο του καλωδίου εμποδίζει το ξετύλιγμα των καλωδίων.

Οι σύνδεσμοι καλωδίων έχουν χρησιμοποιηθεί για να αποτρέψουν την ανεπιθύμητη κίνηση του καλωδίου.

Βήμα 5: Εγκατάσταση λογισμικού

Εγκαταστήστε τον ακόλουθο κώδικα με αυτήν τη σειρά:

Arduino IDE

Κατεβάστε και εγκαταστήστε το Arduino IDE (ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης) από τη διεύθυνση https://www.arduino.cc/en/main/software εάν δεν είναι ήδη εγκατεστημένο.

Επεξεργασία 3

Κατεβάστε και εγκαταστήστε το Processing 3 από τη διεύθυνση

Σκίτσο Arduino

Αντιγράψτε το περιεχόμενο του συνημμένου αρχείου, "dual_sensor _echo_locator.ino", σε ένα "σκίτσο" του Arduino, αποθηκεύστε το και, στη συνέχεια, ανεβάστε το στο Arduino Uno R3.

Κλείστε το Ardino IDE αλλά αφήστε το καλώδιο USB συνδεδεμένο.

Σκίτσο επεξεργασίας

Αντιγράψτε τα περιεχόμενα του συνημμένου αρχείου, "dual_sensor_echo_locator.pde" σε ένα "Σκίτσο" επεξεργασίας.

Τώρα κάντε κλικ στο επάνω αριστερό κουμπί "Εκτέλεση" … θα εμφανιστεί μια οθόνη γραφικών στην οθόνη σας.

Βήμα 6: Δοκιμή

Συνδέστε το καλώδιο USB Arduino στον υπολογιστή σας

Εκτελέστε το "dual_sensor_echo_locator.pde" κάνοντας κλικ στο κουμπί "πάνω-αριστερά" εκτέλεσης στο Processing 3 IDE (ενσωματωμένο περιβάλλον ανάπτυξης).

Οι αριθμοί, χωρισμένοι με κόμμα θα πρέπει να αρχίσουν να μεταδίδονται στην οθόνη σας, όπως φαίνεται στη φωτογραφία 1.

Μήνυμα σφάλματος κατά την εκκίνηση

Ενδέχεται να λάβετε ένα μήνυμα σφάλματος κατά την εκκίνηση.

Εάν ναι, αλλάξτε το [0] στη γραμμή 88 της φωτογραφίας 1 για να ταιριάζει με τον αριθμό που σχετίζεται με τη θύρα "COM".

Ανάλογα με το σύστημά σας, ενδέχεται να αναφέρονται αρκετές θύρες "COM". Ένας από τους αριθμούς θα λειτουργήσει.

Στη φωτογραφία 1 ο αριθμός [0] σχετίζεται με το "COM4" μου.

Τοποθέτηση των αισθητήρων σας

Διαστήστε τους αισθητήρες σας 100 εκατοστά μακριά με το αντικείμενο 100 εκατοστά μπροστά.

Περιστρέψτε και τους δύο αισθητήρες αργά προς τη διαγώνια αντίθετη γωνία ενός φανταστικού τετραγώνου 1 μέτρου.

Καθώς περιστρέφετε τους αισθητήρες, θα βρείτε μια θέση όπου εμφανίζεται μια κόκκινη κουκκίδα που αναβοσβήνει στην οθόνη γραφικών.

Επιπλέον δεδομένα θα εμφανιστούν (φωτογραφία 2) μόλις οι αισθητήρες εντοπίσουν το αντικείμενό σας:

• απόσταση 1
• απόσταση 2
• βασική γραμμή
• αντισταθμίζεται
• ημιπερίμετρο
• περιοχή
• Συντεταγμένη Χ
• Συντεταγμένη Υ

Βήμα 7: Εμφάνιση

Η οθόνη έχει γραφτεί χρησιμοποιώντας την επεξεργασία 3… εμφανίζεται μια γραμμή βάσης 100 εκατοστών.

Αλλαγή της βασικής γραμμής

Ας αλλάξουμε τη βασική μας γραμμή από 100cm σε 200cm:

Αλλαγή "float Baseline = 100;" στην κεφαλίδα επεξεργασίας για να διαβάσετε "float Baseline = 200;"

Αλλάξτε τις ετικέτες "50" και "100" στη ρουτίνα επεξεργασίας "draw_grid ()" για να διαβάσετε "100" και "200".

Αλλαγή της αντιστάθμισης

Μεγαλύτερες περιοχές στόχοι μπορεί να παρακολουθούνται εάν τοποθετήσουμε τους αισθητήρες κάτω από τη βασική γραμμή.

Μια μεταβλητή "Offset" στην κεφαλίδα επεξεργασίας πρέπει να τροποποιηθεί εάν επιλέξετε να το κάνετε αυτό.

Κάντε κλικ εδώ για να δείτε τις άλλες οδηγίες μου.