Horizontální sonar

Práce na projektu začala obecným seznámením s hardwarem a principy, které budou použity při řízení a pro které je hardware také navržen. Jednalo se zejména o možnosti reprezentací polohy v prostoru (quaternion, rotační matice, Eulerovy úhly), stručný popis tvorby modelu v MATLABu a vysvětlení práce horizontálního sonaru.

Horizontální sonar tvoří všesměrový ultrazvukový vysílač a čtyři přijímače, které budou vůči sobě natočené o 90°. Obvod přijímače je založený na širokopásmovém mikrofonu a frekvenční násobičce, díky které bude provedena selekce echa od šumu a jiných nežádoucích signálů (rušení od motorů atd.).  Buzení ultrazvukového vysílače bude obdélníkový signál s neměnnou amplitudou a frekvencí, která bude odpovídat násobku frekvence buzení motorů.

Frekvenci signálu, který bude detekován, nastavíme obdélníkovými signály o požadovaném kmitočtu, vzájemně posunuté o ½ π, můžeme si to představit jako sinovou a kosinovou služku. Vynásobením a následnou integrací obou složek získáme normy obou vektorů (které jsou vzájemně posunuté o ½ π). Z těchto informací jednoduše spočítáme fázový posun signálu, díky kterému zvýšíme rozlišovací schopnost sonaru pod vlnovou délku, na které pracuje. Současně vektorovým součtem ověřujeme kmitočet přijatého signálu.

Zmíněný princip byl simulován MATLABem, schéma můžeme vidět zde:

Po vynásobení je signál přiveden k filtrům, jejichž výstupem je střední hodnota vynásobeného signálu. Úhel, který odpovídá fázovému posunu přijatého signálu a vektorový součet (norma), závisející na kmitočtu tohoto signálu je třeba odečíst s ohledem na kvadrant, ve kterém se vektor nachází, informaci o kvadrantu jednoduše získáme pomocí znamének obou integrálů.

Po rozboru principu činnosti sonaru, proběhlo měření směrovosti přijímače a jeho oživování. Směrovost byla měřena následovně:

Senzor byl umístěn na podložku s vyznačenými úhly (po 5,625°), jednalo se o úhly vůči ose, ve které se nacházel ultrazvukový vysílač. Otáčením přijímače a vzdalováním vysílače (po 5cm), byly získány potřebné hodnoty k zjištění směrovosti přijímače. Hodnoty byly zapsány ve formě peak-to-peak (měřeno osciloskopem na výstupu OZ IC100-A).

Postup oživování:

Byl naprogramován jednoduchý generátor dvou obdélníkových signálů o frekvenci 40kHz (frekvence testovacího ultrazvukového vysílače) s fázovým posunem ½ π. Oba signály byly přivedeny na vstupy 3 a 6 (vstupy switchů), na vstup 5 byla přivedena reference 1.5V (polovina napájecího napětí OZ - pro symetrické zesílení). Po přivedení napájení a vyslání několika ultrazvukových impulzů byly měřeny výstupy senzorové desky a některé uzly obvodu.

Měřením byl odhalen zkrat na desce, zkrat byl odstraněn a upravila se časová konstanta filtrů (změna kapacity kondenzátorů na 1nF). Oživení bylo úspěšné.

Další kroky povedou k seznámení se s MCU na řídící desce (ARM Cortex-M4).