Dlaczego fala dźwiękowa jest najlepszym wyborem dla wielu detektorów lokalizacji?

Obecnie pracuję nad moim końcowym projektem w szkole średniej, który jest w zasadzie radarem :) ...

Używam SRF05 detektor do wykrywania obiektów znajdujących się blisko powierzchni urządzenia. Moim bieżącym zadaniem jest poznanie i podsumowanie wszystkich różnych elementów, które zostaną zmontowane na końcu. (UART, MAX232 74HC244 itp., Jeśli chcesz wiedzieć :)

Mój nauczyciel powiedział mi, że im więcej się dowiem o tych elementach, tym lepiej zrobię to w pracy i na egzaminach. Oto moje pytanie: dlaczego fale dźwiękowe są najlepszym wyborem dla SRF05? Ponadto, dlaczego UltraSonic? Jakie są zalety korzystania z fal dźwiękowych, ale nie niewidocznych fal świetlnych, ciepła lub innych środków, które mogą wykonać to zadanie? Na przykład światło porusza się znacznie szybciej, co zapewnia lepszy wynik i prawdopodobnie będzie bardziej skuteczne niż dźwięk.

Zasadniczo dźwięk jest wolny.

Korzystając z dźwięku, możesz łatwo określić, ile czasu zajmuje fala, aby dotrzeć do obiektu i odbić się od niego, dzięki czemu uzyskasz dość dokładną odległość. Światło idzie na to zbyt szybko, chyba że chcesz zmierzyć odległość księżyca, powiedzmy.

A dlaczego ultradźwiękowy? Więc nie możesz tego rokować. Wyobraź sobie, jak denerwujące byłoby, gdybyś był zmuszony słuchać go przez cały czas? BeeeEEEeeeEEEEeeeEEEEEEEeeeeeeEEE .... eeEEEeeEEEP

Istnieje analiza na /electronics//a/130095/9006 w odpowiedzi na pytanie dotyczące znalezienia pozycji obiektu.

Promieniowanie świetlne, radiowe i cieplne są promieniowaniem elektromagnetycznym i przemieszczają się bardzo, bardzo szybko. Nie jest automatycznie prawdą, że zapewniają one lepszy wynik tylko dlatego, że są szybsze.

Promieniowanie elektromagnetyczne przemieszcza się 1 000 000 razy szybciej niż dźwięk. O wiele łatwiej jest stworzyć coś, co może zmierzyć czas potrzebny na przebycie dźwięku o kilka metrów niż na światło. Dźwięk rozchodzi się z prędkością około 0,34 metra na milisekundę. Twoje uszy i mózg są wystarczająco dobre, aby wykryć czas lotu w pomieszczeniu o długości około 30 metrów lub więcej.

Element elektroniczny do pomiaru odległości za pomocą czasu przelotu dźwięku jest tani. Aby uzyskać 0,34 m lub 34 cm, musi działać w ciągu jednej milisekundy (0,001 sekundy). Co jest powolne dla każdego rodzaju komputera, choć jest również znacznie szybsze niż człowiek. Jest stosunkowo łatwo uzyskać 10-krotnie lepszy, 3,4 cm, co stanowi 0,1 milisekundy. W przypadku ultradźwięków, przy 38 kHz, 0,1 milisekundy to prawie 4 całe cykle, co mieści się w możliwościach niedrogiego sprzętu elektronicznego do pomiaru. Zatem pomiar 34 cm z 10% dokładnością jest zrozumiały i wykonalny.

Mierzenie czasu lotu 30 cm za pomocą światła byłoby znacznie trudniejsze. Światło zajmie 1 000 000 mniej czasu lub 0,000 000,001 sekundy, czyli 1 nanosekundę. Dokładność pomiaru do 3 cm wynosiłaby 0,1 nanosekundy, czyli około 3 razy szybciej niż jeden cykl najszybszego mikroprocesora Intel. Byłoby znacznie trudniej wykonać ten pomiar na 30 cm, a jeszcze trudniej uzyskać 10% dokładność przy użyciu czasu lotu. Można to zrobić, ale nie tak tanio i łatwo jak dźwięk. Zwykle nie wykorzystuje czasu przelotu, lecz inną właściwość fali świetlnej.

Uwaga dodatkowa (
edycja ): Jeśli chcesz mieć większą dokładność niż 3,4 cm z dźwiękiem (nie światłem), jak możesz to zrobić? Co sprawia, że ​​trudniej jest uzyskać znacznie większą dokładność z SRF05? Zastanów się, a możesz zrozumieć, jakie ograniczenia narzuca wybrany SRF05, a tym samym lepiej zrozumieć system.

Najbardziej znanym zwierzęciem, które korzysta z ultradźwięków, są nietoperze. Używają go do pomiaru zasięgu i pozycji za pomocą czasu lotu, a dwoje uszu znajduje informacje o kierunku. Tak więc część systemów biologicznych nietoperzy jest w stanie wykorzystać czas lotu dźwięku wystarczająco dobrze, aby złapać „pożywienie” (ćmy i inne owady) podczas lotu. To bardzo imponujące. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak można korzystać z ultradźwięków, zapoznaj się z artykułami na temat systemu lokalizacji echa nietoperza . Jest wysoko rozwinięty.

Wiele innych zwierząt emituje ultradźwięki, na przykład gryzonie i niektóre owady. Ale dla większości jest to mechanizm komunikacji.

Dlaczego nie skorzystać z laserów? To jest tak doskonały link, że uważam, że zasługuje na odpowiedź: http://www.repairfaq.org/sam/laserlia.htm#liarfi

Cała strona jest pełna informacji na ten temat. Trudno jest podać konkretny akapit, ponieważ jest on istotny, ale jest to dobry przegląd techniki.

Aby uzyskać znacznie lepszą rozdzielczość niż byłoby to możliwe przy prostym próbkowaniu przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów, cyfrowe dalmierze TOF mogą łączyć precyzyjny analogowy interpolator czasowy z systemem CMOS działającym z częstotliwością 100 MHz. Obwody analogowe do osiągnięcia tego celu znajdują się w wielu jednostkach produkcyjnych (do różnych zastosowań) - ale rozdzielczość 5 ps została osiągnięta dzięki niedrogim komponentom i w produkcji przez 15 lat od co najmniej jednego producenta. Pomysł polega na interpolacji między cyfrowymi okresami zliczania za pomocą precyzyjnego konwertera czasu na napięcie, który jest następnie próbkowany przez mikrokontroler i łączony z wynikami licznika cyfrowego.

Lasery (widzialne lub IR), RADAR itp. Działają i mogą dawać bardzo wysoką precyzję - przy wysokich kosztach i złożoności. W przypadku laserów potrzebna jest dobra ścieżka optyczna od lasera do odbiornika oraz staranne zaprojektowanie obwodu, aby zapewnić czas potrzebny na przepływ sygnałów przez obwód.

Surowy, ale tani pomiar odległości można wykonać za pomocą diod IR i fotodiod po prostu poprzez pomiar ilości światła odbijanego od celu. Jest to trudne do dokładnej kalibracji i podatności na oświetlenie otoczenia, ale jeśli chcesz tylko „blisko” lub „daleko”, może to wystarczyć. Jest to technika stosowana przez kamerę Microsoft Kinect.

Fale dźwiękowe są „najlepszym” wyborem dla SRF05, ponieważ nie masz wyboru, jest to ultradźwiękowy czujnik odległości.

Częstotliwości ultradźwiękowe są często używane w pomiarach i zastosowaniach diagnostycznych z tego powodu, że poziom hałasu jest niższy przy wyższych częstotliwościach.

Ciepło byłoby niezwykle trudne do zmierzenia odległości ze względu na fizykę dyfuzji cieplnej.

Światło lasera może zapewniać bardziej wiarygodne i dokładne wyniki przy większych odległościach oraz wyższy koszt, ale musi być precyzyjnie ukierunkowane.

Ultradźwiękowy czujnik akustyczny integruje ogólną reakcję środowiska, umożliwiając przetwarzanie danych w celu wyciągnięcia wniosków na temat odległości do więcej niż jednego punktu.