Járműipari környezetérzékelés

Átírás

1 Járműipari környezetérzékelés 2. előadás Dr. Aradi Szilárd

2 Az ultrahangos érzékelés története Ultrasound_range_diagram.png: Original uploader was LightYear at en.wikipediaultrasound_range_diagram_png_(sk).svg:, CC BY-SA 3.0, Az ultrahang denevérek általi alkalmazását 1794-ben fedezte fel Lazzaro Spallanzani. Francis Galton 1893-ban fejlesztette ki egy állítható frekvenciájú ultrahangot kibocsájtó sípot (Galton-síp). Ezzel mérte az emberi és állati hallás határait és bebizonyította, hogy sok állat magasabb frekvenciákat is érzékel, mint az ember. Az első műszaki felhasználása 1917-ben történt. Paul Langevin ultrahangot használt tengeralattjárók érzékelésére. Járműipari felhasználásával először az 1970-es években kísérleteztek. Már ekkor is a parkoló szenzor kifejlesztése volt a cél. Manapság is ezen a területen használják, néhány kisebb kiegészítő funkció mellett. Legfontosabb előnye az optikai érzékeléssel szemben, hogy érzéketlen a külső zavarásokra és szennyeződésekre.

3 Működés alapelve A hanghullámok rugalmas, rezgőképes közegben terjednek (vákuumban nem). Levegőben longitudinális hullámként terjed, a mozgás irányában megváltozik a levegő sűrűsége és nyomása. Azonban szilárd anyagok felületén és különböző anyagok határfelületein többféle komplex hullámforma is létrejöhet. A hangvilla szinuszos vibrációja magas é s alacsony nyomású pontokat állít elő a levegőben, melyek megfelelő detektorokkal mérhetőek.

4 Hangsebesség A hanghullámok terjedési sebesség függ a közeg összenyomhatóságától és sűrűségétől. Az összenyomhatóságot a kompressziós vagy bulk modulusszal jellemezzük, amely a végtelenül kicsi nyomásnövekedés, és az eredményeképpen bekövetkező relatív térfogatcsökkenés hányadosa. K = V dp dp = ρ dv dρ Longitudinális hullám sebessége: c = K/ρ c = Elasztikus tulajdonságok Inerciális tulajdonságok Alkalmazási szempontból a legfontosabb, hogy a fenti tulajdonságok a hőmérséklet függvényében változnak. A hanghullámok terjedési sebessége levegőben 0 C-on 331,45 m/s, ami a hőmérséklet függvényében a következőképpen változik: c t = c 0 + kt k = m s C

5 Távolság számítás elve Az ultrahang szenzorok alkalmazása esetén a távoságmérés alapja a jel kibocsájtása és a visszavert jel beérkezése között eltelt idő meghatározása. c t s = 2

6 Működési módok Diffúziós mód A kiadott jel elérve a célobjektumot visszaverődik, így megváltoztatva a szenzor kimenetét. Reflexiós mód A működési tartomány belül egy reflektor kerül elhelyezésre, amely folyamatosan visszaveri a kiadott ultrahang-hullámokat. Ha egy idegen tárgy kerül a reflektor és a szenzor közé, a szenzor kimenete megváltozik. Átmenő mód A kibocsájtó, illetve az érzékelő áramkör külön egységben található. Közöttük folyamatos kapcsolat van, ha egy objektum közéjük kerül, megszakítja a kapcsolatot, így megvalósítva az érzékelést.

7 Hullámterjedés I. A hanghullámokat terjedésük során különböző fizikai hatások érhetik, amelyek módosíthatják a jel tulajdonságait. Reflexió Egy új közeg határára érve a hullám egy része behatol a közegbe, míg másik része visszaverődik. A behatolás és visszaverődés arányát a két közeg ún. akusztikus impedanciája határozza meg A r = R 1 R 2 R 1 + R 2, R 1 = ρ 1 c 1, R 2 = ρ 2 c 2 A hullám egyik közegből a másik közegbe történő átlépése során változást tapasztalhatunk a hullám terjedési irányában. sin(θ 1 ) sin(θ 2 ) = C 1 C 2

8 Hullámterjedés II. Diffrakció Ha a hullám terjedési irányába egy, a hullámhosszhoz viszonyított elengedő nagy réssel rendelkező akadályt állítunk, akkor a nyíláson keresztül áthaladó hullámok egyenes vonalban fognak tovább terjedni. Ha viszont elkezdjük szűkíteni a rést a hullámok még mindig átjutnak az akadályon, de a kilépésen során elhajlanak, azaz behatolnak abba a térrészbe is, ami az akadály által árnyékolva van. Abszorpció Egy anyag a rajta áthaladó sugárzás egy részét elnyeli, azaz a sugárzás az anyagban elnyelődik. I x = I 0 e mx m abszorpciós együttható x anyagvastagság By Inductiveload, Közkincs,

9 48 khz ultrahang csillapodása levegőben

10 Környezeti hatások Hőmérséklet c t = 331,45 + kt m s k = m s C Páratartalom Lásd előző dia! Légáramlás <50km/h Nincs hatás km/h Bizonytalan eredmény >100km/h Szenzor nem érzékel visszavert hullámokat. Közeg összetétele A szenzorok levegőhöz vannak tervezve. Jelentős összetétel változás esetén a mérés során hiba történhet. (Vákuumban nincs hangterjedés.) Csapadék Normál sűrűségű hó, illetve eső nincs hatással a szenzor működésére. Por Poros környezet csökkentheti a mérési tartományt 67-75%-kal is.

11 Hatótávolság Maximális hatótávolság a gyakorlatban ~5m. A csillapítás mértéke (azonos közegben) alapvetően a frekvenciától, kisebb mértékben a relatív páratartalomtól és a hőmérséklettől függ. A szenzorokat általában 25 C-ra és 45% páratartalomra kalibrálják, kpa nyomáson. (A hang terjedési sebességét a hőmérséklet alapján kompenzálják a korábbiak szerint.) A legkisebb mérhető távolság ( blind zone ) jellemzően ~20 cm körül alakul. Ezt a alapvetően az a folyamat korlátozza, hogy a szenzornak a kibocsájtás végrehajtása után fel kell készülnie a visszaverődött jel fogadására (beleértve az aktív kibocsájtást és lecsengési időt is).

12 Ultrahang előállítása és érzékelése A járműipari szenzorokban az ultrahang előállításához és érzékeléséhez a piezoelektromos hatást használják ki. Piezoelektromos tulajdonsággal rendelkező anyagra elektromos feszültséget kapcsolva, az anyag deformálódik, míg mechanikus deformáció hatására feszültség jön létre az anyagban. Így a szenzorbon ugyanaz az anyag elláthatja mind a kibocsájtás, mind pedig az érzékelés feladatát.

13 Szenzorfelépítés Ház: Zárt rendszer esetében fémből készül és hozzávan rögzítve a piezoelektromos kerámia, nyitott esetben csak a szenzor védelmét biztosítja. Piezoelektromos kerámia: Előállítja a kibocsájtott ultrahang-hullámokat, illetve az ultrahang-hullámokból az elektromos jelet. Kürt: Nyitott rendszer esetén alkalmazzák, segíti a hatékony sugárzást, illetve a visszavert hullámokat koncentrálja a piezo kerámia felé. Alap: A szenzor egységet rögzíti a házhoz. Nyitott esetben szilárd anyagból készítik, zárt esetben gyanta. Árnyékolás Kábelek Nyitott Zárt

14 Távolságmérés

15 Sugárzási zóna A ultrahang szenzor jele nem egyenes vonalban terjed, hanem egy sugárzási kúp jön létre. Az alábbiakban a Bosch egy UH szenzorának méréssel meghatározott vízszintes és függőleges látószöge, valamint az ebből előállított 3D jellegfelülelete látható.

16 Interferenciák Az egymás mellett lévő szenzorok sugárzási zónája fedheti egymást. Egy szenzor által kibocsájtott ultrahang visszaverődhet egy másik szenzor felületére is ( cross-echo ). A szenzorokat nem egyszere, hanem adott sorrendben (általában párosával) szólaltatják meg. Így ezek a jelenségek kezelhetők, illetve a cross-echo fel is használható a méréshez.

17 Architektúra Bemenetek Gyújtás Sebességfokozat Sebesség Hőmérséklet Stb. Kimenetek Nyers távolságok Mérés verifikáció Objektum távolságok Kijelző információk Stb.