8331763656

12

3.2. Sonary ultradźwiękowe

Dopuszczalny kąt padania wiązki podczerwonej ograniczony jest do 40°. Emitowane światło jest wrażliwe na własności optyczne przeszkody takie jak kolor, gęstość optyczna czy reflektancja. Modyfikują one intensywność odbitej fali, co przekłada się na wzrost niepewności pomiarowej.

3.2 Sonary ultradźwiękowe

Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż górna granica słyszalności człowieka (>20kHz, np. 40kHz). Trafiająca na przeszkodę fala implikuje źródło kolejnej zgodnie z zasadą Huygensa. Wynikiem tego jest, np. odbicie dźwięku czyli tzw. echo. Właściwość tą wykorzystano w urządzeniach jakimi są sonary. Swoje pierwowzory czerpią one z natury, gdyż niektóre zwierzęta potrafią w taki sposób lokalizować przeszkody na swojej drodze.

Zastosowanie znalazły one nie tylko w robotyce, lecz również, a nawet przede wszystkim w marynarce i żegludze. Ponieważ woda ma ponad 780 razy większą gęstość niż powietrze, fale akustyczne poruszają się w niej około 4,5 razy szybciej. Z tego względu za pomocą sonarów mierzone mogą być bardzo duże odległości, np. z powierzchni do dna oceanicznego. Bliskim bratem sonarów są radary, które opierają swoje działanie na falach radiowych. Sonary ultradźwiękowe zyskały swoją popularność ze względu na niską cenę, niewielki pobór prądu oraz nieinwazyjność w środowisko (mimo że zaliczamy je do czujników aktywnych).

3.2.1 Zasada działania

Podstawową metodą pomiaru odległości jest pomiar czasu, jaki fala potrzebuje na przebycie drogi do przeszkody i z powrotem (TOF - ang. Time Of Flight) [Paz09, Joe09]. W kierunku przeszkody wysyłana jest krótka paczka ultradźwiękowa (ok. 6ms), która po pewnym czasie odbierana jest przez detektor. Znając prędkość c dźwięku w środowisku oraz czas propagacji t, możemy określić drogę r z prostej zależności:

Ponadto wykorzystując znajomość efektu Dopplera, możemy określić zmianę częstotliwości powracającej fali i na jej podstawie estymować prędkość liniową poruszającego się obiektu.

3.2.2 Charakter błędów i problemy związane z pomiarem

Niestety sonary ultradźwiękowe wykazują sporo właściwości, które znacznie ograniczają możliwości ich zastosowania. Pierwszą istotną wadą jest szerokość emitowanej fali. W