Реализация модульной сенсорной системы широкого назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Обзорный анализ современных методик детектирования и обнаружения объектов, производящих излучение в инфракрасном диапазоне
• 1.1 Обзор специальных средств обнаружения движения
• 1.2 Обзор современных систем технического зрения интегрированных в робототехнические комплексы
• 2. Постановка задачи
• 3. Разработка функциональной схемы устройства
• 3.1 Разработка функциональной схемы устройства на пассивных датчиках
• 3.2 Разработка функциональной схемы устройства системы технического зрения
• 4. Разработка электрической схемы устройства
• 5. Выбор элементной базы
• 5.1 Микроконтроллер
• 5.2 Пассивные SMD элементы
• 5.3 Кварцевый генератор
• 5.4 Линейные регуляторы напряжения
• 5.5 Ультразвуковой сонар
• 5.6 Пироэлектрический инфракрасный датчик
• 5.7 Перечень используемых электронных компонентов
• 6. Модернизация датчиков
• 6.1 Модернизация пироэлектрического датчика
• 6.2 Модернизация ультразвукового сонара
• 7. Проектирование печатной платы
• 7.1 Трассировка печатной платы в САПР Altium Designer
• 7.2 Изготовление печатной платы
• 8. Анализ возможностей модульной сенсорной системы широкого назначения
• Заключение
• Список литературы
• Обозначения и сокращения
• ТС Техническое средство
• РТК Робототехнический комплекс
• СТЗ Система технического зрения
• ТВ Телевизионный
• ДД Датчик движения
• ИК Инфракрасный
• УЗ Ультразвуковой
• РТС Робототехническое средство
• РТК ВН Робототехнический комплекс военного назначения
• МК Микроконтроллер
• ИМС Интегральная схема
• ЕСКД Единая система конструкторской документации
• САПР Система автоматизированного проектирования
• РЭА Радиоэлектронная аппаратура
• ПП Печатная плата
• ПУ Печатный узел
• Введение
• В настоящее время сенсорные системы различного типа широко используются во многих сферах деятельности человека. Подобные технические средства (ТС) могут быть использованы в охранных средствах, военной промышленности, бытовой сфере, индустрии развлечений и т.д. Также стоит отметить, что сенсоры являются неотъемлемой частью робототехнических комплексов (РТК).
• Роботизация в современном мире рассматривается как одно из важнейших направлений совершенствования и качественного обновления всех сфер деятельности человека. Таким образом, во многих технологических процессах исключается «человеческий фактор» и повышается производительность и точность выполняемых ТС процессов.
• Для задач ориентации в пространстве обычно используются системы технического зрения (СТЗ) основанные на телевизионных (ТВ) камерах и сложном алгоритме распознавания образов. Однако, зачастую, такой сложный процесс не оправдан, и необходимы более простые и дешевые системы.
• Также для работы охранных систем, используются датчики движения (ДД) для детектирования объектов в зоне охраны. Но в основном, все методы определения основаны на активных датчиках. Однако, системы, основанные на пассивных датчиках, отличаются своей малой точностью определения расположения излучающего тепло объекта. Такие системы работаю только на определение наличия человека в зоне охраны.
• В работе рассматривается реализация модульной сенсорной системы широкого назначения, основанной на пассивных датчиках для целей обнаружения излучающего тепло объекта (человека) в помещении, либо на комбинации инфракрасных (ИК) (пассивных) датчиков и ультразвуковых (УЗ) сонаров для целей ориентации в пространстве, а. также как альтернатива системы технического зрения.
• 1. Обзорный анализ современных методик детектирования и обнаружения объектов, производящих излучение в инфракрасном диапазоне
• В современном мире уже нет таких сфер деятельности, где не используются технические средства, они становятся все более усовершенствованными и способны выполнять многие задачи, и в основном те, которые не под силу человеку. Для функционирования многих ТС необходимы системы детектирования человека, технического зрения, а также всевозможные системы, позволяющие оценивать обстановку вокруг ТС, и ориентироваться в пространстве.
• 1.1 Обзор специальных средств обнаружения движения
• Для решения этих задач используют различные средства, например, в охранных системах используются ДД, в зависимости от предназначения, в основе используются ультразвуковые, инфракрасные, магнитоконтактные, микроволновые, томографические датчики и т.д. Все эти датчики имеют свои преимущества и недостатки. [1]
• Но все ДД можно классифицировать на активные и пассивные. Точность активных датчиков выше по сравнению с пассивными, однако, пассивные датчики практически невозможно обнаружить дистанционно, что является существенным преимуществом применительно к охранным системам. [2]
• Активные ДД обычно работают на ультразвуковых сонарах, которые работают по принципу измерения времени отражения ультразвуковой волны от объекта, они являются достаточно точными, недорогостоящими и простыми в использовании, но данные датчики являются активными за счет испускания УЗ волны, что для охранных систем является существенным недостатком. Остальные датчики, кроме инфракрасных, работают по аналогичному принципу и имеют тот же недостаток.
• В основе пассивных ДД обычно используются инфракрасные датчики, работающие по принципу анализа теплового (инфракрасного) излучения. Они являются также простыми и дешевыми, но имеют очень широкую диаграмму направленности, следовательно, они определяют наличие теплого объекта (человека) в помещении, но не определяют его конкретное местоположение. [3]

1.2 Обзор современных систем технического зрения интегрированных в робототехнические комплексы

Системы технического зрения обычно используется в робототехнических комплексах.

«Робототехнический комплекс - совокупность функционально связанных между собой технических устройств, включающая робототехническое средство (РТС) и средства его эксплуатации.» [4]

Робототехнические комплексы крепко закрепились в нашей повседневной жизни. Они используются практически во всех сферах деятельности, а зачастую и полностью заменяют человека. Из этого вытекает ряд положительных моментов, т.к. роботы могут вести рутинную работу исключая «человеческий фактор», что повышает качество и точность выполняемых роботом задач. Главное преимущество РТК заключается в том, что они могут работать в труднодоступных и опасных для человека местах. [5]

Робототехнические комплексы можно подразделить на автономные и управляемые. Для управления РТК без возможности автономного движения для оценки окружающий среды и ориентации в пространстве используются ТВ камеры, с помощью которых оператор оценивает ситуацию и подает команду через средства связи на управляющий модуль РТК. [6]

Но для правильного функционирования автономного робототехнического комплекса, ему необходимо оценивать окружающую среду вокруг для ориентации в пространстве. Для этих целей и используют систему технического зрения, основанную на ТВ камерах и сложном алгоритме распознавания предметов. Такие системы затрачивают значительные вычислительные ресурсы, и как следствие, являются дорогостоящими. [7]

Зачастую, бывают задачи, при решении которых необходимо однократно использовать РТК с дальнейшим его разрушением. В основном это робототехнические комплексы военного назначения (РТК ВН) [8]. Для таких задач, целесообразно использовать недорогостоящие роботы, с целью экономии средств, затраченных на их производство. Также следует отметить, что зачастую ТВ камеры, используемые в СТЗ при выполнении ряда задач, имеют избыточные функции. [9]

Поэтому систему технического зрения можно упростить, таким образом, чтобы РТК смог самостоятельно передвигаться и выполнять поставленные ему задачи. Предлагается для решения данной задачи использовать комбинацию из ультразвуковых сонаров, с помощью которых РТК сможет определять наличие препятствий вокруг него, и инфракрасных датчиков, по средствам которых РТК сможет различать живые объекты среди данных препятствий.

электрический ультразвуковой сонар датчик

2. Постановка задачи

Таким образом, использование инфракрасных датчиков имеет исключительные достоинства наряду с другими датчиками. Но широкая диаграмма направленности не позволяет использовать их с целью определения расположения человека в пространстве. Диаграмма направленности датчиков, использующихся в настоящее время показана на рисунках 1 и 2.

Рис. 1 Горизонтальный сектор обзора ИК датчика

Рис. 2 Вертикальный сектор обзора ИК датчика

Поэтому для определения расположения объекта используют комбинацию из датчиков, один из которых будет обязательно активным, что делает достоинство инфракрасного датчика (пассивность) бесполезным.

Таким образом, если модернизировать ИК датчик и уменьшить его диаграмму направленности, то можно использовать группу из модернизированных датчиков, с целью определения местоположения излучающего тепло объекта. Следовательно, данное устройство может пригодиться для охранных систем, а также роботизированных комплексов. Также, помимо инфракрасных датчиков, модернизации можно подвергнуть и ультразвуковые сонары уменьшив диаграмму направленности с целью увеличения точности детектирования. [10]

Предлагается создать сенсорную систему, основанную на модернизированных инфракрасных датчиках и, исходя из целей, ультразвуковых сонарах. Данная система должна иметь разъемы для подключения датчиков, управляющий контроллер, а также разъем для подключения к другому контроллеру. Таким образом, будет возможно использовать несколько сенсорных систем, управляемых единым контроллером, следовательно, будет увеличена площадь детектирования.

У данной системы нет аналогов, она конструктивно проста, а также является недорогостоящей. Данная сенсорная система широкого назначения сможет стать альтернативой для многих систем и использоваться во многих сферах. [11]

3. Разработка функциональной схемы устройства

Разработка функциональной и электрической схем устройства производилось в программном комплексе RuSplan. Программа предназначена для создания электрических и функциональных схем, разработанная немецкой фирмой ABAKOM. Интерфейс программы очень прост и удобен, т.е. позволяет освоить программу за короткое время. Программа имеет внутреннюю библиотеку, содержащую необходимые элементы, которые при построении схемы нужно перетащить на лист и соединить между собой. Все элементы библиотеки могут быть отредактированы и сохранены, их можно группировать, вращать, перемещать, а также можно создавать новые элементы и сохранять их в библиотеку. При переносе элемента на лист они автоматически привязываются к сетке листа. Таким образом, программа позволяет рисовать схемы любой сложности. [12]

Рис. 3 Интерфейс программы RuSplan

Библиотека RuSplan включает в себя такие группы элементов как:

- Акустика (микрофон, громкоговоритель и т.д.);

- Антенны;

- Генераторы (импульсный, синусоидальный, пилообразный);

- Диоды, тиристоры;

- Заземление;

- Индуктивности;

- Клеммы, вилки;

- Конденсаторы;

- Корпуса транзисторов;

- Лампы (люминесцентная лампа, неоновая лампа и т.д.);

- Операционные усилители;

- Оптроны;

- Переключатели;

- Питание (батарея, аккумулятор, солнечный элемент и т.д.);

- Полевые транзисторы;

- Приборы (ваттметр, индикатор, амперметр, вольтметр и т.д.);

- Разное (пьезоэлектрический резонатор, экран, экранированный провод и т.д.);

- Разъемы;

- Резисторы;

- Реле;

- Сигнальные устройства (лампа, звонок);

- Символы (различные условные знаки);

- Структурные схемы (преобразователь, заземление, модулятор и т.д.);

- Транзисторы;

- Трансформаторы;

- Цифровые интегральные схемы (далее ИМС).

Предполагается, что сенсорная система широкого назначения будет включать в себя:

- Единый управляющий микроконтроллер (МК), с помощью которого будет осуществляться сбор и обработка данных полученных с датчиков, а также передача этой информации на устройство следующего уровня, либо общий контроллер;

- Датчики, в зависимости от поставленной задачи.

Тип и быстродействие МК, выбирается исходя из необходимого количества датчиков, которое в свою очередь определяется исходя из требуемого сектора обзора самого устройства

Также стоит отметить, что для правильного функционирования пироэлектрических датчиков, им необходимо усиливающее и управляющее устройство, которое будет в дальнейшем передавать информацию на управляющий контроллер. [13]

Функциональная схема устройства предполагает два варианта реализации.

3.1 Разработка функциональной схемы устройства на пассивных датчиках

Первый вариант, показанный на рисунке 4, предполагает наличие только ИК датчиков, таким образом сенсор является пассивным и может быть использован в охранных системах, с целью детектирования производящего ИК излучение объекта в зоне работы сенсора, а также с дальнейшим определением расположения данного объекта.

Количество ИК датчиков зависит от поставленной задачи. С увеличением точности работы устройства уменьшается площать детектирования (Рисунок 5)



Рис. 4 Функциональная схема сенсорной системы широкого назначения, основанной на ИК датчиках

.

Рис. 5 Принцип расположения датчиков

3.2 Разработка функциональной схемы устройства системы технического зрения

Функциональная схема устройства системы технического зрения, показанная на рисунке 6, предполагает наличие инфракрасных датчиков и ультразвуковых сонаров в соотношении, зависящем от поставленной задачи. Данный сенсор будет способен ориентироваться в пространстве, строить карту местности, а также определять излучающие тепло объекты, которые предположительно могут быть людьми. Такой сенсор может стать альтернативой системы технического зрения для робототехнических комплексов.

Рис. 6 Функциональная схема сенсорной системы широкого назначения, основанной на ИК датчиках и УЗ сонарах

При уменьшении диаграммы направленности ультразвукового сонара, можно добиться одинакового угла обзора двух датчиков. Таким образом, расположив их в непосредственной близости, мы можем наблюдать за перемещением объекта в более узких секторах, что значительно повысит точность определения расположения детектируемого объекта. Следовательно, заплатив избыточностью датчиков в схеме, но подключая их по мере надобности, можно добиться значительного уменьшения затрачиваемой мощности, что является положительным моментом, в изолированных системах. [14]



Рис. 7 Пример устройства модуля секторообразующей системы

4. Разработка электрической схемы устройства

Электрическая схема была разработана в соответствии с рекомендациями подключения элементов от производителя, а также в соответствии с единой системой конструкторской документации (ЕСКД).

«ЕСКД - комплекс стандартов, устанавливающих взаимосвязанные нормы и правила по разработке, оформлению и обращению конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой на всех стадиях жизненного цикла изделия (при проектировании, изготовлении, эксплуатации, ремонте и т.д.)» [15]

ЕСКД используется с целью унификации конструкторской документации, назначение стандартов ЕСКД заключается в установлении единых правил на выполнение и оформление конструкторской документации. Таким образом, повышается качество изделий, за счет оптимальной комплектности документации и возможности взаимообмена документов на изделие среди изготовителей.

Схема электрическая принципиальная разрабатывалась в комплексной системе автоматизированного проектирования (САПР) Altium Designer.

«Схема электрическая - документ, содержащий в виде условных изображений или обозначений составные части изделия, действующие при помощи электрической энергии, и их взаимосвязи.». [16]

На принципиальной схеме изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии установленных электрических процессов, все электрические взаимосвязи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы и т.д.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

«Altium Designer - комплексная система автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств.»

В настоящее время Altium Designer позволяется разрабатывать проекты электронных средств практически любой сложности. Отличительной особенностью программы является проектная структура и сквозная целостность ведения разработки на разных уровнях проектирования.

Рис. 8 Интерфейс схемного редактора Altium Designer

Приступая к проектированию проекта, необходимо разработать библиотеку элементов в Altium Designer, это позволит использовать элементы при построении принципиальной схемы устройства, а в дальнейшем и при трассировке платы.

Так как разработка проекта в Altium Designer является сквозной, необходимо не только начертить элемент для принципиальной схемы устройства, но также разработать footprint исходя из конструктивных особенностей элемента, описанных в datasheet.

На рисунке 9 показана разработка библиотечного элемента на примере фильтра питания MC78M00. Каждый вывод элемента в схемном редакторе синхронизирован с выводом в редакторе печатной платы. [17]

Прототипом данной системы является «системы датчиков для универсальной роботизированной платформы» [18], которая является основой для модуля секторообразующей системы. Электрическая схема системы была разработана в соответствии с рекомендациями подключения отдельных элементов и их обвязки, а также подключения этих элементов к микроконтроллеру.

Рис. 9 Редактор библиотек Altium Designer

Система датчиков, которая уже прошла апробацию, имеет разъемы для трех пироэлектрических датчиков, двух сонаров, а также гироскопа и акселерометра. Так как, имеющаяся система построена на микроконтроллере ATmega 328, то количество датчиков варьироваться не может, но для секторообразующей системы гироскоп и акселерометр являются лишними, и поэтому вычислительные ресурсы, а также освободившиеся выводы контроллера можно задействовать для подключения дополнительных датчиков. Схемы включения контроллера (МК) была построена исходя из особенностей работы контроллера и благодаря представленным справочным материалам на него.

Базовая схема включения микроконтроллера (далее МК) состоит из цепи синхронизации (ZQ1, C9, C10), цепи автосброса (С14, R12), фильтра электропитания (С7, С8) и разъема программирования ISP (Х2). [19]

На рисунке 10 представлена цоколевка микроконтроллера AТmega328 с указанием адресации выводов, используемых в плате Arduino, что позволяет использовать базовые программы при программировании, и как следствие, существенно упрощает процесс программирования. AТmega328 имеет 14 цифровых выводов и 8 аналоговых.

Рис. 10 Цоколевка микроконтроллера ATmega328

Для загрузки микропрограммы используется разъем ISP (In System Programming), также ставшим стандартом для плат Arduino. На рисунке 11 показана схема цоколевки разъемов.

Рис. 11 Цоколевка ISP разъема

- Masterout/ Slavein (MOSI) -Данные;

- Slaveout/ Masterin (MISO) -Данные;

- Syncclock (SCK) - Синхросигнал;

- TargetVoltage (VCC) - Питание;

- RESET - Сброс;

- 0V Groung (GND) - Общая шина.

Исходя из особенностей работы микроконтроллера и благодаря представленным справочным материалам на него, была построена схема включения, представленная на рисунке 12.

Рис. 12 Схема включения микроконтроллера ATmega328

В данном проекте будет использован ультразвуковой дальномер HC-SR04 [18], который имеет 4 вывода:

- 5V Supply (VCC) - Питание;

- Trigger Pulse Input (Trig) - Триггерный импульсный вход;

- Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;

- 0V Ground (GND) - Общая шина.

Также будет использован пироэлектрический датчик D203B, который имеет 3 вывода:

- 5V Supply (VCC) - Питание;

- Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;

- 0V Ground (GND) - Общая шина.

Таким образом, разъем для внешних датчиков будет универсальным, но при использовании пироэлектрического датчика вывод Trig будет не подключен.

Еще одно отличие, которое будет содержать новая электрическая схема, это блок схемы, отвечающий за питание всей системы. Так как, в системе, содержащей гироскоп и контроллер, стояла острая необходимость решения проблемы согласования датчиков, так как, гироскоп и акселерометр имели меньшее напряжение питания относительно управляющего контроллера [20]. Сонары и инфракрасные датчики имеют такое же напряжение питания как микроконтроллер - 5В, таким образом, проблема согласования питания в данном случае нет.

Получившаяся электрическая схема показана на рисунке 13.

Рис. 13 Схема электрическая принципиальная

5. Выбор элементной базы

Выбор элементной базы для модуля секторообразующей системы осуществлялся исходя из элементной базы прототипа, о котором писалось выше, и исходя из функциональности элементов, их размеров, а также доступности на рынке и экономической составляющей. Так как прототип удачно прошел испытания, можно с уверенностью сказать, что при работе с этими элементами устройство будет функционировать стабильно.

5.1 Микроконтроллер

Микроконтроллер ATmega328 (рис.14) является базовым звеном платформы ArduinoUNO. Микроконтроллер является управляющим ядром устройства, так как в его функции входит сбор и обработка информации с датчиков, а также дальнейшая передача сигналов управляющему модулю.

Рис. 14 Микроконтроллер ATmega328

Микроконтроллер ATmega328 имеет 32кБайта встроенной flash памяти, 32 вывода, из них 8 аналоговых и 15 цифровых, из них 6 вывода ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Сам котроллер является достаточно миниатюрным, что является важным фактором при учете задачи микроминиатюризации конструкции.



Рис. 15 Конфигурация контактных площадок для микроконтроллера ATmega328

Конфигурация контактных площадок для микроконтроллера показана на рисунке 15.

Таблица 1 Характеристики микроконтроллера ATmega328

Параметр	Значение
Диапазон напряжения	1,8 -...- 5,5 В
Максимальная тактовая частота	до 20 МГц
Память: Flash	32 Кб
Память: RAM	2 Кб
Память: EEPROM	1 Кб
линии ввода/вывода I/O	23
Таймеры: 8-бит	2 шт
Таймеры: 16-бит	1 шт
1	2
Таймеры: Каналов ШИМ	6 шт
Таймеры: RTC	Да
Интерфейсы: UART	1 шт
Интерфейсы: SPI	1 шт
Интерфейсы: I2C	1 шт
Аналоговые входы: Разрядов АЦП	10 бит
Аналоговые входы: Каналов АЦП	8 шт
Аналоговые входы: Быстродействие АЦП	76.9 kSPS
Аналоговые входы: Аналоговый компаратор	2 шт
Сохранность информации	20 лет при 85°С / 100 лет при 25 °С

5.2 Пассивные SMD элементы

При разработке устройства было решено использовать компоненты для поверхностного монтажа в корпусе типоразмера - 0805 (рис. 16), так как такие компоненты являются миниатюрными (рис. 17), но в тоже время поддаются ручному монтажу. [21]

Рис. 16 SMD компонент в корпусе типоразмера 0805

Рис. 17 Размер SMD компонента

Где для резистора:

· L = 2 мм;

· L₁ = 0.4 мм;

· H = 0.4 мм;

· W = 1.2 мм.

Для конденсатора:

· L = 2 мм;

· L₁ = 0.5 мм;

· H = 0.9 мм;

· W = 1.25 мм.

Конфигурация контактных площадок для SMD компонентов показана на рисунке 18.



Рис. 18 Конфигурация контактных площадок для SMD компонентов

Бескорпусные толстопленочные резисторы, предназначены для работы в цепях постоянного и импульсного тока, они являются доступными и экономически выгодными, а также, диапазон номинальных сопротивлений (1 Ом - 10 MОм) позволяет подобрать необходимый резистор. Такие резисторы используются при поверхностном монтаже и имеют номинальную мощность 0.125 Вт.

Керамические ЧИП конденсаторы являются доступными и недорогими, диапазон возможных емкостей колеблется в пределах от 0,3 пФ до 100 мкФ, а также, данные конденсаторы имеют низкий уровень собственных шумов, за счет низкого уровня импеданса на высоких частотах.

Таблица 2 Характеристики SMD резистора

Параметр	Значение
Номинальная мощность	0.125 Вт
Рабочее напряжение	150 В
Максимально допустимое напряжение	300 В
Диапазон рабочих температур	-55..125°С
Точность	5%
Диапазон номинальных сопротивлений	1 Ом - 10 MOм

Таблица 3 Характеристики SMD конденсатора

Параметр	Значение
Номинальная мощность	0.125 Вт
Рабочее напряжение	50 В
Диапазон рабочих температур	-55..125°С
Тип диэлектрика	C0G; C0H; P2H; S2H; T2H; U2J; SL; X5R; X7R; Z5U; Y5V
Диапазон номинальных емкостей	0,3 пФ - 100 мкФ

5.3 Кварцевый генератор

Для стабильной работы микроконтроллера ATmega328 необходим кварцевый генератор с тактовой частотой 16 МГц. Он предназначен для получения колебаний фиксированной частоты. Для конструирования устройства был выбран кварцевый генератор KX-7T (рис. 19) на 16 МГц, выполненным в SMD корпусе для поверхностного монтажа. [22]

Рис. 19 кварцевый генератор KX-7T

Рис. 20 Конфигурация контактных площадок для кварцевого генератора KX-7T

Таблица 4 Характеристики кварцевого генератора

Параметр	Значение
Частота	16 МГц
Стабильность при 25°C	50
Стабильность в рабочем температурном диапазоне	100
Шунтирующая ёмкость	5 пФ
Нагрузочная ёмкость	12 пФ
Номер рабочей гармоники	1
Резонансное сопротивление	100 Ом
Рабочая температура	-40..85°С

5.4 Линейные регуляторы напряжения

Линейный регулятор напряжения в электрической схеме отвечает за понижение напряжения с 9В (общее питание) до 5В, необходимого для питания микроконтроллера и внешних датчиков. Для разработки устройства был выбран регулятор напряжения MC78M05CDT (рис. 21). [10]

Рис. 21 Регулятор напряжения MC78M05CDT

Рис. 22 регулятора напряжения MC78M05CDT

Конфигурация контактных площадок (рис. 22, 23) была взята из справочного материала на этот элемент.

Рис. 23 Конфигурация контактных площадок для регулятора напряжения MC78M05CDT

Таблица 5 Характеристики регулятора напряжения MC78M05CDT

Параметр	Значение
Мин. входное напряжение	7 В
Макс. выходное напряжение	35 В
Выходное напряжение	5 В
Номинальный выходной ток	0.5 А
Падение напряжения вх/вых	2
Тип монтажа	поверхностный
Полярность включения	положительная
Рабочая температура	0..125°С

5.5 Ультразвуковой сонар

В задачи системы технического зрения входит определение расстояния до объектов, поэтому необходимо применить ультразвуковой или инфракрасный дальномер. Для удобства было принято решение использовать ультразвуковой сонар HC-SR04 (рис. 24), так как он приспособлен к работе с контроллером ATmega328, а также является доступным и экономически выгодным. [21]

Он имеет 4 вывода:

- 5V Supply (VCC) - Питание;

- Trigger Pulse Input (Trig) - Триггерный импульсный вход;

- Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;

- 0V Ground (GND) - Общая шина.



Рис. 24 Ультразвуковой сонар HC-SR04

Таблица 6 Характеристики ультразвукового сонара HC-SR04

Параметр	Значение
Напряжение питания	5 В
Потребление в режиме «тишины»	2 мА
Потребление при работе	15 мА
Диапазон расстояний	2-400 см
Эффективный угол наблюдения	15°
Рабочий угол наблюдения	30°

Рис. 25 Диаграмма направленности ультразвукового сонара HC-SR04

Данные сонары будут подвержены модернизации, с целью уменьшения диаграммы направленности, так как, на данный момент угол обзора для нашей задачи слишком велик (рис. 25).

5.6 Пироэлектрический инфракрасный датчик

Для использования в сенсорной системе, а также для дальнейшей модернизации, был выбран датчик D203B (рисунок 26), так как он приспособлен к работе с контроллером ATmega328, а также является удобным для модернизации. [23]

Рис. 26 Пироэлектрический инфракрасный датчик D203B

Таблица 7 Характеристики ультразвукового сонара D203B

Параметр	Значение
ИК приемного электрода	2х1 мм, 2 элемента
Размер окна	5х3,8 мм
спектральный отклик	5-14 мкм
прозрачность	?75%
выходной сигнал	?3500мВ
чувствительность	?3300 В/Вт
шум	<70мВ
выходной баланс	<10%
напряжение смещения	0,3-1,2В
напряжение питания	3-15В
рабочая температура	-30-70°С
температура хранения	-40-80°С

Рис. 27 Горизонтальный и вертикальный сектора обзора датчика D203B без линзы Френеля



Рис. 28 Горизонтальный и вертикальный сектора обзора датчика D203B с линзой Френеля

Данные датчики служат для регистрации инфракрасного излучения вблизи устройства. Обычно, для увлечения поля обзора датчика используют линзу Френеля, что позволяет регистрировать появление излучающего тепло объекта в широком секторе обзора Диаграмма направленности данного датчика слишком широка и для задачи определения объектов, испускающих инфракрасное излучение. Но снятие линзы не решает данную проблему, т.к. сектор обзора должен регулироваться исходя из поставленных задач. [24]

5.7 Перечень используемых электронных компонентов

Перечень используемых электронных компонентов представлен в таблице 8. [25]

Таблица 8 Перечень электронных компонентов устройства

№	Наименование	Кол-во	Примечание
Резисторы
1	SMD 0805 0.125Вт - 10 КОм 1%	1
Конденсаторы
2	SMD 0805 0.125Вт - 10мкФ ±5%	4
3	SMD 0805 0.125Вт - 100нФ ±5%	4
4	SMD 0805 0.125Вт - 22пФ ±10%	2
Кварцевый генератор
5	SMD 0805 KX-7T 16МГц	1
ИМС
6	Microcontroller ATmega328	1
Разъемы
7	ISP	1	d-0,7мм, 6отв.
8	Внешний датчик	8	d-0,7мм, 4отв.
9	RS232	1	d-0,7мм, 2отв.

6. Модернизация датчиков

Для реализации данного проекта необходимо модернизировать используемые датчики, т.к. для решения поставленной задачи ультразвуковые сонары будут иметь точность определения объектов в недостаточных пределах, а диаграмма направленности ультразвукового сонара полностью не подходит для данного проекта.

Таким образом необходимо модернизировать пироэлектрические датчики, а ультразвуковые сонары в зависимости от необходимой точности работы системы.

6.1 Модернизация пироэлектрического датчика

Пироэлектрические датчики служат для регистрации инфракрасного излучения вблизи устройства. Обычно, для увлечения поля обзора датчика используют линзу Френеля, что позволяет регистрировать появление излучающего тепло объекта в широком секторе обзора (рис. 29). Но при решении задач определения местоположения объекта вблизи устройства подобные характеристики неприемлемы.

Рис. 29 Горизонтальный сектор обзора датчика

Исходя из выше сказанного, было решено заменить линзу Френеля апертурой (рис. 31), длина которой определяется из законов геометрической оптики, таким образом, чтобы диаграмма направленности сузилась (рис. 30).

Рис. 30 Горизонтальный сектор обзора модернизированного датчика

Рис. 31 Модернизированный пироэлектрический ИК датчик

Экспериментально, было доказано, что диаграмма направленности является прогнозируемой, а, следовательно, длина апертуры может быть рассчитана. Зависимость угла обзора датчика от длины апертуры показана на диаграмме (рис. 32). В экспериментальном исследовании интерференция излучения не учитывалась. [26]

После уменьшения сектора обзора датчика, стало возможным размещение нескольких модернизированных инфракрасных датчиков, таким образом, чтобы диаграммы направленности пересекались друг с другом (рис. 33).



Рис. 32 График зависимости угла обзора датчика от длины сменной насадки, красная вертикальное расположение датчика, черная горизонтальное расположение датчика

Рис. 33 Размещение нескольких модернизированных ИК датчиков и временная диаграмма срабатывания системы датчиков, при движении излучающего тепло объекта влево

Цифрами 1,2,3 обозначены зоны обнаружения датчиков, установленных в передней части шасси. В случае обнаружения излучающего тепло объекта датчики формируют активные сигналы S1, S2, S3.

Такая система расположения датчиков, помогает явно определить направления движения объекта относительно шасси, а также их взаиморасположение.

При попадании излучающего тепло тела (например, человека) в зону обнаружения датчика 3 (в промежуток времени t1… t2), он формирует активный сигнал S3. При движении объекта справа налево, в момент времени t2 он попадет в зону обнаружения датчика 2, оставаясь в зоне обнаружения датчика 3 (сигналы S3 и S2 имеют активный уровень). В момент времени t3 объект выйдет из зоны обнаружения датчика 3 и до момента t4 будет находиться только в зоне датчика 2 (активный только выход S2). В момент t4 датчик 1 обнаружит объект и сформирует активный сигнал S1. С t5 по t6 активный сигнал будет формироваться только датчиком 1 (сигнал S1). Анализируя данную картину изменения выходных сигналов датчиков, можно сделать вывод о движении излучающего тела влево относительно системы датчиков, а также вычислить относительную скорость этого перемещения. [27]

Таким образом, стало возможным детектировать излучающий тепло объект в секторах, притом, точность системы определяется количеством датчиков и шириной диаграммы направленности.

6.2 Модернизация ультразвукового сонара

Ультразвуковые сонары используются для бесконтактного измерения расстояния, используя метод измерения времени отражения волны в ультразвуковом диапазоне. Ультразвуковой сонар используемый в данном проекте имеет диаграмму направленности, показанную на рисунке 25, т.е. рабочий угол наблюдения порядка 30°. Но данный угол является широким, т.к. при детектировании объекта на значительном расстоянии точность определения расположения уменьшается.

Также, стоит отметить, что при модернизации пироэлектрического датчика диаграмма направленности была уменьшена, но также при увеличении расстояния до определяемого объекта точность уменьшается. Поэтому, следует данную погрешность компенсировать использованием модернизируемого ультразвукового сонара с точечной диаграммой направленности.

Так как ультразвуковой дальномер работает по принципу испускания ультразвуковой волны и расчета времени отражения ее от объекта, можно направить испускаемую волну на «зеркало», которое соберет излучение в пучок и отразит в нужном направлении (рис.34).

Рис. 34 Схематичная презентация работы модернизированной УЗ сонара

Для этого планируется использовать «зеркало», распечатанное на 3D принтере (рис. 35).

При работе сонара через зеркало, теоретически его диаграмма направленности будет в виде линейного пучка, но на практике диаграмма направленности датчика будет составлять в пределах 5-10°. [28]

Таким образом, датчик будет измерять расстояние до объекта в достаточно узких пределах, что при задачах ориентации является большим плюсом. Однако стоит заметить, что за счет зеркала конструкция достаточно сильно увеличивается в размерах, а также на устройстве должны быть предусмотрены крепления для зеркала, поэтому всегда использовать модернизированных сонар не является целесообразным.

Рис. 35 Ультразвуковой сонар интегрированный в зеркало

7. Проектирование печатной платы

Одним из основных этапов проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), является трассировка печатных плат, заключающаяся в пошаговом проектировании структуры проводников вручную или в автоматическом режиме. [29]

При разведении печатной платы (ПП) всегда стоит помнить, что при высоких частотах ПП надо расценивать как компонент схемы. Так как на высоких частотах любой проводник на плате будет оказывать влияние на работу схемы.

Устраняя помехи по шинам питания и отскока опорного напряжения стоит понимать физическую суть полного сопротивления. По снижению полного сопротивления системы питания существуют общие рекомендации:

- Располагать шины питания и заземления (возвратные проводники) на минимальном расстоянии друг от друга, это расстояние определяется в ПП минимально возможной толщиной диэлектрической прокладки между проводящими слоями;

- Необходимо применять развязывающие конденсаторы с низкой индуктивностью (собственной и выводов);

- Целесообразно распределять подачу напряжения питания между несколькими параллельными выводами микросхемы;

- Следует отдавать предпочтение применению развязывающих конденсаторов, встроенных в корпуса микросхемы.

При размещении и подключении конденсаторов минимизация индуктивности развязывающего конденсатора и его присоединительных проводников является одним из важнейших требований. Исходя из этого, конденсатор должен устанавливаться на минимально возможном расстоянии от вывода питания и заземления микросхемы. Следовательно, конденсатор малой емкости должен быть расположен на минимальном расстоянии от микросхемы, поскольку он обеспечивает быстрый заряд/разряд.

Проводники, проходящие от выводов питания к слою питания (или к развязывающему конденсатору) должны быть широкими насколько это возможно. Это уменьшает последовательную индуктивность проводников и поэтому уменьшает потери напряжения от источника питания до вывода питания и снижает уровень подскока напряжения заземления. [30]

7.1 Трассировка печатной платы в САПР Altium Designer

Трассировка печатной платы была выполнена вручную с помощью САПР Altium Designer [31]. Как уже говорилось выше, Altium Designer - это комплексная система автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронных средств. И так как данный САПР имеет сквозную целостность ведения разработки, а схема данного проекта была разработана с помощью данной программы, библиотека разрабатывалась с учетом дальнейшей трассировки. Altium Designer позволяет интегрировать схему с электрическими связями на проект печатного узла, как показано на рис. 36.

Рис. 36 Интерфейс редактора ПП Altium Designer

При удачной компиляции, все связи сохранены, что значительно упрощает процесс трассировки. Altium Designer предоставляет возможность автоматизированной трассировки, но в этом случае не учитываются все правила проектирования ПП, поэтому был выбран ручной режим. [32]

Также при проектировании ПП, учитывался метод микроминиатюризации, т.е. ПП должна быть разработана минимального размера, а проводники ПП, должны быть минимальной толщины, которая зависит от технологического оснащения при производстве платы. [33]

Так как, данный печатный узел (ПУ) будет разработан с целью испытаний, то он является только проектом. Следовательно, ПП будет производиться вручную. При изготовлении ПП в лабораторных условиях толщина проводника должна быть не менее 0,3 мм, так как меньшую толщину не позволяет лабораторное оборудование. [34] (рис. 37)

Рис. 37 Altium Designer - окно ввода правил проектирования ПП

Altium Designer предоставляет возможность занесения данного правила в структуру программы. Таким образом, исключаются ошибки при трассировке. Также данный САПР позволяет отрегулировать ширину между проводниками, с целью упрощения дальнейшего изготовления платы, а также отрегулировать минимальную толщину проводника «питания» и общей шины.

Технологическое оснащение лаборатории позволяет изготовлять двухсторонние платы. Данный факт дает много преимуществ. [35]

На двухсторонних платах нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

- Общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом, поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки;

- Увеличивается механическая прочность платы;

- Уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки;

- Увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум;

- Полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Несмотря на все свои преимущества двухсторонние печатные платы, имеют ряд недостатков, в частности применительно для малосигнальных или высокоскоростных схем. Обычно толщина диэлектрика в двухсторонней ПП, равняется 1,5 мм, что делает невозможным осуществление некоторых преимуществ двухсторонней ПП приведенных выше, к примеру, распределенная емкость, будет недостаточно велика из-за столь большого расстояния между металлизированными слоями.

В данном случае двухсторонняя плата является наиболее подходящей.

При проектировании ПУ были соблюдены все вышеизложенные правила и была разработана трассировка платы, показанная на рисунке 38.

Рис. 38 Трассировка слоя top

Также стоит заметить, что все свободное пространство было использовано для полигона общей шины, таким образом это дает те же преимущества, что и при полигоне земли на слое bottom. А также это уменьшает затраты на раствор при травлении платы.

При трассировке слоя bottom были использованы некоторые допущения, т.к. шину питания, было удобнее расположить на слое Bottom. Слой показан на рисунке 39.

При проектировании ПУ были не учтены крепежные отверстия.

Также, после трассировки проект ПУ должен пройти внутреннюю проверку в Altium Designer. Это позволит определить ошибки в подключении связей, если таковые имеются, а также зазоры между проводниками, которые вводились в начале проектирования. [36]

Проверка на ошибки в программном комплексе Altium Designer показана на рисунке 40.

Программа показала две ошибки, которые были сделаны намеренно, т.к. данный проводник было целесообразно вывести именно таким образом.



Рис. 39 Трассировка слоя bottom

Рис. 40 Altium Designer - Проверка на ошибки

Ошибка заключается в том, что не соблюдено расстояние в 0,3 мм между проводниками. Данное расстояние было выбрано исходя из возможностей травления платы в лабораторных условиях. При изготовлении ПП, данный проводник не будет вытравлен и данном месте будет короткое замыкание. После травления ошибка будет устранена механически, т.к. данная плата будет изготовлена в единичном экземпляре.

Итоговый вариант печатного узла показан на рисунке 41. Данный ПУ имеет 11 разъемов, 8 из которых для подключения внешних датчиков (Х3-Х10), разъем для программирования МК (Х11), разъем для входа питания и общей шины устройства, на котором будет располагаться данный сенсор (Х2) и разъем для подключения к МК верхнего уровня (Х1). 4 отверстия для крепления модуля к устройству. А также элементы для функционирования схемы.

Рис. 41 Проект ПУ разработанный в Altium Designer

7.2 Изготовление печатной платы

Для изготовления платы был выбран фотохимический метод. Данный метод является наиболее выгодным при изготовлении платы в лабораторных условиях, так как отсутствует сложное оборудование, а точность и разрешающая способность изготовления платы не уступают промышленным методам. [37]

Фотохимический метод не подходит для изготовления плат высокого уровня сложности (несколько слоев), так как он не позволяет изготавливать металлизированные отверстия в лабораторных условиях. Но данный недостаток является незначительным при единичном производстве, а, следовательно, для макетирования устройства в лабораторных условиях не играет решающей роли.

Процесс изготовления платы начинается с печати фотошаблона трассировки печатной платы в негативном изображении на прозрачной пленке. Печать шаблона лучше производить на струйном принтере, так как точность печати тонких проводников не уступает лазерному принтеру, а заливка полигонов производится более насыщенной, что при экспонировании ультрафиолетом является важным фактором. [38]

Далее, после печати, производится вырубка заготовки необходимого размера, желательно с запасом 5-10 мм. Перед нанесением фоторезиста на заготовку ее необходимо очистить для улучшения функций адгезионного сцепления поверхности с защитным слоем, а также ускорения процесса травления. Очистка производится в два этапа. На первом этапе заготовка зачищается механически наждачной бумагой от грязи и окислов. После механического метода переходят к химическому. Фольгированный текстолит помещают в щелочной раствор для удаления остаточных окислов, с последующей промывкой в деионизированной воде. [39]

Предварительно до нанесения фоторезиста на текстолит, одну сторону необходимо защитить от последующего травления, так как одна из сторон будет отвечать за общий полигон (GND) и, как следствие, будет обладать экранными свойствами для защиты от электромагнитных помех.

Процесс нанесения фоторезистивной пленки является наиболее ответственным, так как от качества нанесения пленки будет зависеть качество непосредственно самой печатной платы. Если при нанесении пленки на поверхность заготовки образовались пузыри воздуха, то необходимо переклеить пленку, так как в местах, где пленка не соприкасается с фольгированной поверхностью, при стравливании фоторезиста в кальцинированной соде она вся удалится с платы. После наклеивания пленки ее необходимо «прокатать» через ламинатор, таким образом, повышается адгезия пленочного фоторезиста с поверхностью платы. Весь процесс нанесения пленки необходимо проводить в помещении, куда не попадает ультрафиолет.

Экспонирование платы проводится с помощью ультрафиолетовой лампы, предварительно перед помещением платы в лампу к ней прикладывается фотошаблон со стороны, которая будет засвечиваться. Проявление рисунка происходит с помощью раствора кальцинированной соды, в который на некоторое время помещается плата, до тех пор, пока незасвеченные участки фоторезиста не стравятся с платы. [40]

Далее происходит травление платы в растворе хлорного железа, т.е. удаление лишнего слоя металла для получения топологии платы. После вытравливания платы, происходит повторный процесс удаления фоторезиста, но на этот раз, происходит удаление фоторезиста с проводников платы. Далее, после просушивания платы, плата подготавливается к монтажу, следовательно, на участки проводников, где сохранился фольгированный слой, наносят слой паяльной пасты, с применением припоя для удаления окислов и повышения уровня адгезии. Таким образом, происходит лужение платы.

После необходимо проверить ПП на наличие короткого замыкания между проводниками с помощью, к примеру, цифрового мультиметра в режиме прозвонки. После данной операции плата подготовлена к монтажу элементов. [41]

8. Анализ возможностей модульной сенсорной системы широкого назначения

Анализ возможностей модульной сенсорной системы широкого назначения показывает, что данная система может стать альтернативой системы технического зрения, интегрированной в робототехнические комплексы, а также средств обнаружения движения. [42]

Сенсорная система на основе пассивных модернизированных пироэлектрических датчиков должна стать подспорьем современных методов обнаружения человека. Данную систему выгодно отличает ее «невидимость» для приемников, что является преимуществом для охранных систем.

В охранных системах должен использоваться комплексный метод из нескольких сенсоров, подключенных к единому управляющему контроллеру. Таким образом, при использовании минимум 3-х сенсоров, расположенных в разных плоскостях, пространство разбивается на квадратные секторы, как показано на рисунке 42.

Рис. 42 Пример расположения сенсорной системы

Точность работы системы напрямую зависит от размера сектора, который в свою очередь зависит от длины апертуры модернизированного датчика. Площадь работы всей секторообразующей системы зависит от количества сенсорных систем, включенных в одну группу.

Также стоит отметить, что для данной задачи, может использоваться сенсорная система с ультразвуковыми датчиками, но в этом случае, МК, отвечающий за управление сенсорной системы, должен быть запрограммирован таким образом, что ультразвуковые датчики в обычном режиме являются неактивными, но при детектировании пироэлектрическим датчиком объекта испускающего ИК излучение, ультразвуковой сонар, отвечающий за этот сектор активизируется и измеряет расстояние до объекта. Данная система, также не будет потреблять большое количество вычислительных ресурсов, и не будет «захламлять» пространство лишними ультразвуковыми помехами.

Сенсорная система на основе модернизированных пироэлектрических датчиках и ультразвуковых сонарах может стать альтернативой системы технического зрения для робототехнических комплексов. Данный сенсор будет способен ориентироваться в пространстве, строить карту местности, а также определять излучающие тепло объекты, которые предположительно могут быть людьми. Данную систему выгодно отличает ее конструктивная простота и дешевизна, что при работе в «одноразовых» РТК является преимуществом.

А при использовании в сенсоре ультразвуковых сонаров, интегрированных в «зеркало», уменьшается диаграмма направленности сонара, таким образом можно добиться одинакового угла обзора двух датчиков. Следовательно, расположив их в непосредственной близости, мы можем наблюдать за перемещением объекта в более узких секторах, что значительно повысит точность определения расположения детектируемого объекта. Следовательно, заплатив избыточностью датчиков в схеме, но подключая их по мере надобности, можно добиться значительного уменьшения затрачиваемой мощности, что является положительным моментом, в изолированных системах.

Заключение

В данной работе был проведен анализ современных методик детектирования и обнаружения объектов, производящих излучение в инфракрасном диапазоне. В результате рассмотрения технических средств, отвечающих за обнаружение движения, а также систем технического зрения, интегрированных в робототехнические комплексы, была поставлена задача разработать модульную сенсорную систему широкого назначения.

При проектировании данной системы были разработаны различные варианты функциональных схем устройства. В соответствии с первым вариантом, устройство будет основано на пассивных датчиках и являться датчиком движения. Во втором случае, сенсор будет основан на комбинации датчиков, а также являться альтернативой системы технического зрения, интегрированной в робототехнический комплекс.

Однако, разработанная электрическая схема устройства является универсальной для обоих случаев. Она была разработанная в соответствии с единой системой конструкторской документации.

Для дальнейшего проектирования печатной платы был проведен выбор элементной базы исходя из проведенного анализа рынка, функциональности элементов, размеров, доступности и экономической составляющей. Также были модернизированы внешние датчики, уменьшены диаграммы направленности, с целью увеличения точности работы устройства.

Таким образом, данная плата была спроектирована и изготовлена в соответствии с поставленной задачей.

Список литературы

1. Видеонаблюдение и системы безопасности. Информация, практические советы и рекомендации. «Охранная система»:

2. Догадин Н.Б. Основы радиотехники. - «Лань», 2007. - с. 250;

3. Молчанов А.П., Занадворов П.Н. Курс электротехники и радиотехники. - «БХВ-Петербург», 2011 - с. 605;

4. ГОСТ Р 54344-2011 Техника пожарная. Мобильные робототехнические комплексы для проведения аварийно-спасательных работ и пожаротушения. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний;

5. ГОСТ Р 60.0.0.1-2016Роботы и робототехнические устройства. Общие положения;

6. ГОСТ Р 60.0.0.2-2016Роботы и робототехнические устройства. Классификация;

7. Герман Кругль. Профессиональное видеонаблюдение. Практика и технологии аналогового и цифрового CCTV. -- «Секьюрити Фокус», 2010. -- с. 640;

8. Корчак В.Ю., Рубцов И.В., Рябов А.В. Состояние и перспективы развития наземных робототехнических комплексов военного и специального назначения // Инженерный журнал: наука и инновации. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана., 2013 - с. 275;

9. Наговицин А.И., Молоткова Б.Б. Робототехнические комплексы военного назначения, перспективы их применения в РВ и А ВС РФ // Известия ЮФУ. Технические науки. Раздел I. Наземная робототехника - 01.02.2017;

10. Коробова К.В. Модернизация пироэлектрических датчиков в устройствах робототехники // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. - М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014 - с. 185;