Az ultrahangos távolságmérés valójában egy a kisugárzott és a felületről visszaverődő hang visszaérkezésének időbeni eltolódásán alapuló, hangsebességet (páratartalmat, hőmérsékletet, légnyomást) figyelembevevő mérési módszer.

(Forrás: SensorWiki.org)

Az ultrahang: ultrahangnak nevezünk minden 20 kHz fölötti hangot (tehát az emberi hallásküszöb fölött). Műszaki szempontból az ultrahangra azért van szükség, mert egyrészt relatíve jól irányítható (keskeny sávban sugározható), másrészt pedig könnyen és olcsón előállítható piezo kristályokkal.

A kisugárzást mindenképp hangsugárzó elemmel szükséges végezni, viszont a visszaérkező visszhangot már többféle módon érzékelhetjük. Első lehetőség, hogy egy kifejezetten vételre készített eszközt (pl. mikrofon, vagy piezo vevő egység) használunk a visszaverődés érzékelésére, a másik lehetőség pedig, hogy megfelelő meghajtással rendelkező elektronikát létrehozva az alapvetően sugárzásra használt eszközön hallgatjuk vissza a visszaverődő (és ezáltal a kisugárzón elmozdulást létrehozó) hangot. Előbbi esetben egyirányú ultrahangos adó-vevő párra (egy adó, egy vevő) van szükség, míg utóbbi esetben pedig egyetlen kifejezetten erre a célra gyártott kétirányú adó-vevő elemet használunk (kétirányú ultrahangos adó-vevő például a legtöbb autós tolatóradar).

Számos régebbi fejlesztésemnél készítettem ultrahangos mérőegységeket (ultra kis-zajú, stb), de manapság hobbi célra egyáltalán nem éri meg sajátot építeni. Modulként megvásárolva, egy pár-száz forintos tételről van csupán szó. Összemérhetetlen ez az ár azzal, hogy ezer forint közelében van egy adó-vevő ultrahangos pár, ami pedig még csak az adó és a szenzor, elektronika nélkül.

Az én kopteremben ezért egy HC-SR04-4P modul kapott helyet. Ez a szenzor 40 kHz-es frekvenciával dolgozik, és a távolsággal arányos impulzusszélességet logikai jelként ad a kimenetén.

	HC-SR04.pdf
	HC-SR04 modul [HESTORE]

A modul az alábbi módon néz ki. Egy adó és egy vevő található rajta, illetve hátoldalán a szükséges vezérlő áramkör.

Eredetileg tüskesoros csatlakozású, de én direktben forrasztva szereltem rá (rázkódás). Ugyan a cikk még elméleti részeket tartalmaz, de az elhelyezés szempontjából fontos megnézni a szerelését.

Lézervágtam hozzá egy tartószendvicset, és a váz közepéhez a lehető legközelebb helyeztem el, lefelé nézve.

Hogy miért a váz közepén?

Itt lesz érthető, miért is tértem ki a szerelésre kivételesen. Mivel az ultrahangos szenzor, a visszaérkező hang által megrezegtetett ultrahangos vevő segítségével értesül a visszhangról, így látható, hogy nem a legprecízebb mérést fogja adni ezt a szenzor úgy, hogy az egész gépváz a motorok és légcsavarok miatt folyamatosan rezonál. Egyébként is célszerű a karokon is törekedni a minimális rezonanciára, de a legkevesebb rezonancia a gépváz közepén van (illetve kell lennie), ahol az IMU szenzorai is elhelyezkednek.

Az ultrahangos szenzor komoly zajterheltsége okán kizárólag a földhöz közeli pár méteren használható üzembiztosan (megfelelő digitális jelszűréseket követően), ugyanis csak itt kellően jó a környezeti zaj miatti jel-zaj viszony. Kisebb távolságon nem csillapodik a visszaérkező ultrahangos jel amplitúdója annyit, hogy komolyan tönkretegye a mérést.

Ultrahangos szenzornál tehát multikoptereknél minden esetben figyelni kell arra, hogy a környezet ahol használjuk, minden esetben nagyon zajos (mechanikai és elektronikai szempontból)!

Kiszámítási mód

A feldolgozás során a távolságot eltelt időként kapjuk meg. Az emberi olvashatóság érdekében átalakíthatjuk a kapott értéket távolságra. Ezesetben figyelembe kell venni a hang terjedési sebességét.

A mérési mód könnyebb mérhetőségét fokozza az, hogy az eltelt idő a távolság kétszeresét jelenti, ugyanis egyszer oda, egyszer pedig visszautazott a hang t idő alatt.

A hangsebesség száraz (0% páratartalom), 20 °C-os környezetben 343.2 méter/szekundum. Amennyiben rendelkezésünkre áll a szenzorok közül hőmérséklet adat, abban az esetben a hang terjedési sebességét kompenzálhatjuk a hőmérséklettel az alábbi összefüggés szerint:

ebben az esetben fok Celsius. A fentebbi összefüggés csak egy egyszerűsített változata az ehhez szükséges Taylor-sornak, de ennél pontosabb számolási módra azért nincs szükség, mert túl zajterhelt a környezet. Maga a visszahang időmérése eredendően pontatlan.

Így tehát ha 10ms telik el a kisugárzás és a visszaérkezés között, akkor:

A számolásból egyetlen egy dolgot érdemes kifigyelni, mégpedig megállapítható belőle ránézésre is, hogy milyen időmérési pontosságra van szükségünk egy kívánt mérési pontossághoz. A képlet meg is fordítható. Íme, ha ezt mondjuk 1 cm pontosságra van szükségünk.

Az alapképlet megfordítva azaz továbbá korrigálva a féltávolság jelenséggel

Ebből látható, hogy amennyiben ultrahangos szenzor jelét kívánjuk feldolgozni 1 cm felbontásban, úgy legalább 58.28 us (mikroszekundum) léptékben kell tudnunk időt mérni. Frekvenciára átszámolva látható, hogy könnyű szerrel teljesíthető ez a feltétel bármelyik manapság elérhető mikrovezérlővel:

Használata

Az ultrahangos szenzort a pontos magasságtartás érdekében vezethetjük be a szabályozásba. Segíthet pontosan adott magasságban lebegni, illetve az adatai felhasználásával a szabályozást úgy korrigálhatja, hogy egy gombnyomásra szépen óvatosan letegye a gépet a földre automatikusan. Tapasztalataim alapján nem bíznám rá a teljesen automatikus leszállást, viszont remekül végezhetünk vele gázkar kompenzálást.

A következőkben az ütközés elkerülésről lesz szó.