АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 7
1.1 Обзор существующих решений 7
1.2 Реверс-инженеринг лазерной рулетки «50m diy rangefinder» 9
1.3 Измерение расстояния с помощью лазера 11
1.4 Метод триангуляции 13
1.5 Измерения по времени пролёта 15
1.6 Метод сдвига фаз 16
1.7 Интерферометрические методы 20
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЯДЛИНЫ ЛАЗЕРНЫМИ
ДАЛЬНОМЕРАМИ 22
2.1 Повышение точности в лазерных фазовых дальномерах 22
2.2 Измерение разности фаз сигнала в лазерном фазовом дальномере 23
2.3 Двухчастотный модуляционный лазерный дальномер 26
2.4 Двухчастотный лазерный фазовый дальномер 31
2.5 Модель лазерного дальномера для автоматизации измерения
длины прыжка 41
2.6 Математическая модель измерения длины лазерными дальномерами . 47
3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ
ДЛИНЫ ПРЫЖКА 50
3.1 Модель устройства для автоматизации измерения длины прыжка 50
3.2 Программирование устройства для автоматизации измерения длины
прыжка 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А 66
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 72
Автоматизация - одно из основных направлений научно-технического прогресса. Автоматизация - применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Цель автоматизации - повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.
На сегодняшний день одним из самых популярных видов легкой атлетики являются прыжки в длину. Расстояние, на которое прыгнул спортсмен в дисциплине «прыжок в длину», замеряется от внутреннего края контрольной планки, от которой отталкивается спортсмен и до внутреннего края следа приземления. Для этого на соревнованиях вдоль ямы с песком устанавливается специальная измерительная панель с числовыми делениями. А арбитры снабжены дополнительными измерительными устройствами и приборами, которые могут быть использованы в случаях необходимости дополнительного и более точного замера. То есть на сегодняшний день все выполняется «вручную».
В легкой атлетике спортсмен может прыгать в длину с разбега или с места. Измерение длины прыжка происходит одинаково. Нужно учитывать то, что если спортсмен заступил за линию прыжка, даже если это сантиметр, результат не учитывается, он даже не измеряется, в протоколе ставят 0. Именно для этого после каждой попытки, если выполняется прыжок в прыжковую яму, полностью выравнивают песок, чтобы четко было видно начало приземления по следам. Длину прыжка измеряют в метрах и сантиметрах.
Автоматизация процессов измерения имеет своей целью освободить арбитров от ручного труда и передать управление от человека к микроконтроллеру, тем самым увеличив точность измерений и сделав этот процесс оптимально объективным.
Целью дипломного проекта является автоматизация сбора и учёта
параметров длины дистанции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) рассмотреть современные способы измерения расстояний при прыжках в длину;
2) выбрать способ измерения, который подойдет для автоматизации сбора данных;
3) разработать модель системы;
4) подобрать оборудование для системы;
5) разработать программу для микроконтроллера на языке C++.
Реализованная система позволит упразднить количество арбитров на площадке по прыжкам в длину, а также увеличить точность измерений до миллиметров и даже сотых долей миллиметров, что позволит решить многие спорные ситуации во время судейства соревнований по легкой атлетике. А также возможно использование системы во время тренировок автономно, без участия арбитра.
В результате работы над дипломным проектом была реализована система автоматизированного измерения длины. Для достижения этой цели, были решены следующие задачи.
Проанализированы и рассмотрены современные способы измерения расстояния при прыжках в длину. Было выявлено, что самый удобный способ - использование лазерной рулетки.
Был выбран способ измерения: фазовый дальномер.
Для измерения длины прыжка спортсмена в горизонтальном направлении было принято решение использовать лазерный дальномер. Это, во-первых, связано с тем, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Во-вторых, оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.
Рассмотрев различные способы измерения расстояния с помощью лазера, было принято решение использовать метод фазового сдвига. По сравнению с интерферометрами, устройства, основанные на принципе фазового сдвига менее точны, но они позволяют однозначно измерять большие расстояния. Кроме того, они подходят для целей с рассеянным отражением от шероховатой поверхности.
Если частота модуляции равна 10МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.
При превышении этого расстояния возникает сложность — невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения этой проблемы частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.
Была рассмотрена модель автоматизированной системы.
Для реализации системы было подобран оборудование, построена функциональная и принципиальная схемы.
Для реализации устройства измерения длины прыжка спортсмена были рассмотрены несколько вариантов дальномеров, основанные на принципе фазового сдвига. А также рассмотрен реверс-инженеринг лазерной рулетки «50M DIY Rangefinder», на основе которой и будет разработано устройство для измерения длины прыжка спортсмена.
В результате работы удалось выяснить, как устроен фазовый лазерный дальномер, представить его модель и написать прошивку для нее.
В процессе написания прошивки наиболее важным было добиться максимальной скорости измерений. К сожалению, повышение скорости измерений заметно сказывается на точности измерений. К примеру, код, представленный в дипломной работе, обеспечивает 60 измерений в секунду, и точность при этом составляет около 5-10 мм. Если уменьшить количество захватываемых значений сигнала, можно повысить скорость измерений.
Внешние условия, такие как расстояние до объекта и коэффициент отражения поверхности сильно влияют на отношение сигнал-шум, а следовательно, и на точность измерений. К сожалению, при слишком низком уровне светового сигнал даже увеличение усиления APD не сильно помогает — с ростом усиления растет и уровень шумов.
В таком виде устройство можно использовать в проекте, например, в качестве датчика измерения длины прыжка спортсмена в легкой атлетике.
В среде Visual Studio был реализован код на языке С++.
