Рассмотрен вариант повышения качества измерений дальности ультразвуковыми датчиками за счёт применения медианной фильтрации. Подобный подход позволяет исключить негативную особенность ультразвуковых датчиков, которая заключается в том, что из-за особенностей окружающей среды, в которой производится измерение расстояния, датчик периодически определяет это расстояние некорректно. С точки зрения метрологии это означает, что в ряду измерений расстояния часто появляются результаты измерения, резко отличающиеся от остальных в этом ряду
медианная фильтрация, пьезоэлектрический эффект, качество измерений
Для измерения расстояний находят широкое применение ультразвуковые датчики. Их работа основана на прямом и обратном пьезоэффектах. Типовой датчик содержит две пластины кварца, вырезанных определённым образом. На одну пластину подаётся переменное напряжение с ультразвуковой частотой, из-за чего пластина начинает деформироваться с этой же частотой и излучать в окружающую среду звуковые колебания. Эти колебания доходят до объекта, который не должен обладать звукопоглощающей поверхностью, и отражаются от него. После чего они возвращаются и начинают воздействовать на вторую пластину кварца, деформируя её. На гранях этой пластины возникают заряды и, соответственно, напряжение, которое и фиксирует измерительная цепь датчика. Зная время с момента излучения ультразвуковых колебаний до момента их возвращения, а также скорость распространения ультразвука в воздухе, можно определить расстояние до объекта. Принцип работы ультразвукового датчика расстояния поясняется на рисунке 1.
Рисунок 1 – Принцип работы ультразвукового датчика расстояния
Подобные датчики используют не только для измерения расстояний, а также для определения уровня жидкостей, скорости потока жидкости или газа, определения расхода [1]. Несколько видов таких датчиков приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Виды ультразвуковых датчиков: а) ультразвуковой уровнемер; б) ультразвуковой расходомер
Работа ультразвукового уровнемера аналогична работе ультразвукового датчика расстояния, при этом звуковая волна отражается от границы раздела сред. Ультразвуковой расходомер состоит из двух трансмиттер/ресиверов, которые попеременно могут как излучать колебания, так и принимать их. При этом, ультразвуковые колебания распространяются как по потоку жидкости, так и против него. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости потока, на основании которой вычисляется расход.
При практическом применении подобных датчиков можно столкнуться с одной их особенностью, которая заключается в том, что при измерении расстояния до неподвижного объекта из-за особенностей окружающей среды и распространения ультразвука часто в ряду измерений присутствуют значения расстояния, которые однозначно попадают под определение грубых промахов, т. е. они резко отличаются от других измерений в этом же ряду. Очевидно, что использовать данные с датчика без их предварительной обработки нельзя.
Решить подобную проблему можно при помощи применения медианной фильтрации, реализовать которую можно непосредственно на микроконтроллере, который получает сигнал измерительной информации с датчика. На рисунке 3 приведено пояснение принципа работы медианного фильтра.
Рисунок 3 – Принцип работы медианного фильтра
Медианная фильтрация выполняется следующим образом.
1. На первом этапе микроконтроллер получает от датчика несколько значений расстояния до объекта. Их число ограничено быстродействием датчика и расстоянием до объекта. Из рисунка 3 видно, что для последующей обработки берётся шесть значений расстояний до некоторого объекта.
2. На втором этапе значения расстояний данной выборки ранжируются (выстраиваются) в порядке возрастания. На рисунке 3 это соответствует получению сортированной выборки.
3. Если число значений расстояния нечётное, то за результат измерения принимается значение, расположенное посередине в данной выборке. Если число измерений чётное, то за результат измерения принимается среднее арифметическое значение двух измерений, расположенных посередине данной выборки. Именно такой случай и демонстрирует рисунок 3.
4. На последнем этапе из выборки исключается первое значение измерения (сделанное первым) и добавляется новое измерение, после чего весь алгоритм повторяется, что соответствует сдвигу окна фильтра на одно измерение вправо.
На рисунке 4 приведён алгоритм, реализующий медианный фильтр для обработки результатов измерений с датчика расстояния.
Рисунок 4 – Алгоритм медианной фильтрации
Алгоритм использует служебную переменную «i», при помощи которой реализуются циклы на шесть итераций. В служебную переменную «res» помещают итоговое значение расстояния. Также алгоритм использует два массива на шесть элементов «izm[]» и «data[]». В первый массив помещаются значения расстояния, полученные от датчика. Второй массив содержит эти же самые значения, сортированные при помощи метода сортировки обменами (метод Пузырька). Значения расстояний попадают в массив «izm[]» и выходят из этого массива по принципу «первый вошёл, первый вышел».
Для экспериментальной проверки эффективности медианной фильтрации была собрана измерительная установка, состоящая из платы быстрой разработки Arduino Uno и ультразвукового датчика расстояния HC-SR04. Для визуального контроля работы устройства и вывода дополнительной измерительной информации использовался ЖК-индикатор MT10S1. Измеренные значения расстояния передавались на персональный компьютер при помощи USB интерфейса и сохранялись на его жёстком диске. Структурная схема измерительной установки и упрощённое изображение экспериментального стенда приведены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Экспериментальное оборудование: а) структурная схема измерительной установки; б) экспериментальный стенд
В собранном экспериментальном стенде ультразвуковой датчик HC-SR04 должен измерять расстояние до мишени, удалённой от него на 100 см. При этом возникновение грубых промахов должно моделироваться при помощи импровизированного маятника, который с определённой периодичностью будет оказываться между датчиком и мишенью. Удаление маятника от датчика составляет около 50 см. При этом в процессе эксперимента расстояние до мишени будет определяться двумя способами: с использованием медианной фильтрации (алгоритм на рисунке 4); без использования медианной фильтрации, когда измеренные значения расстояния берутся напрямую с датчика и никак предварительно не обрабатываются.
На рисунке 6 приведены результаты проведённого эксперимента.
Рисунок 6 – Результаты измерений расстояния: а) измерения, полученные без медианной фильтрации; б) измерения, полученные с использованием медианной фильтрацией
Анализируя графики на рисунке 6 можно увидеть присутствие грубых промахов (вносимых маятником) в значениях расстояния, полученных без применения фильтрации. Это проявляется в виде периодического уменьшения расстояния до мишени до 50 см. При этом в значениях расстояния, полученных с применением медианной фильтрации, таких промахов не наблюдается, несмотря на то, что маятник использовался и в этом случае. Хотя, очевидно, что, если повысить частоту колебаний маятника, в какой-то момент он будет гораздо чаще находиться между датчиком и мишенью, и данного фильтра, использующего выборку из шести значений, будет не хватать, а результат измерений начнёт отклоняться от 100 см. Исправить это можно увеличением объёма выборки, что в свою очередь увеличит инерционность измерителя. Это означает, что медианный фильтр (объем его выборки) необходимо настраивать под конкретную задачу, чтобы найти баланс между отсутствием промахов в ряду измерений и быстродействием применяемой измерительной системы.
Применение медианных фильтров для обработки измерительной информации с ультразвуковых датчиков расстояния, предложенное в данной работе, позволяет исключать грубые промахи и использовать данные с датчиков напрямую. Недостатком подобного подхода является необходимость в сортировке значений измерений, которая требует времени и снижает общее быстродействие измерительной системы, в которой реализованы подобные фильтры.
1. Келим, Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления / Ю. М. Келим. – Москва : ФОРУМ: ИНФРА–М, 2002. – 384 с.
