CS265493B1

CS265493B1 - Ultrasonic rangefinder

Info

Publication number: CS265493B1
Application number: CS875245A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Ing Havranek; Algirdas Ing Csc Tamulis
Original assignee: Miroslav Ing Havranek; Algirdas Ing Csc Tamulis
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1989-10-13
Also published as: CS524587A1

Abstract

Je řešen dálkoměr s vysokým dynamickým rozsahem. Jeho generátor budicích impulsů se skládá z generátoru videoimpulsů a generátoru radioimpulsů. Na elektroakustický měnič je připojen komutátor spojený prvním vstupem s výstupem generátoru videoimpulsů, druhým vstupem s výstupem generátoru radioimpulsů a výstupem přes přijímač a komparátor s druhým vstupem obvodu logického součtu, s druhým vstupem měřiče časových intervalů majícím třetí vstup spojen s kompenzačním synchronizačním obvodem a přes zpoždovací obvod se vstupem generátoru taktovacích impulsů. Druhý výstup generátoru je připojen na čtvrtý vstup měřiče časových intervalů a první výstup na první vstup měřiče a na první vstupy hradel. Výstup prvního hradla je spojen se vstupem generátoru videoimpulsů a přes první vstup obvodu logického součtu se vstupem klopného obvodu. První výstup je spojen s druhým vstupem hradla a třetím vstupem komutátoru. Druhý výstup je spojen s druhým vstupem hradla, jehož výstup je připojen na vstup generátoru radioimpulsů a na čtvrtý vstup komparátoru.A rangefinder with a high dynamic range is designed. Its excitation pulse generator consists of a video pulse generator and a radio pulse generator. A commutator is connected to the electroacoustic transducer with a first input connected to the output of the video pulse generator, a second input connected to the output of the radio pulse generator and an output via a receiver and a comparator with the second input of the logic sum circuit, with the second input of the time interval meter having a third input connected to the compensation synchronization circuit and via a delay circuit with the input of the clock pulse generator. The second output of the generator is connected to the fourth input of the time interval meter and the first output to the first input of the meter and to the first inputs of the gates. The output of the first gate is connected to the input of the video pulse generator and via the first input of the logic sum circuit to the input of the flip-flop. The first output is connected to the second input of the gate and the third input of the commutator. The second output is connected to the second input of the gate, the output of which is connected to the input of the radio pulse generator and to the fourth input of the comparator.

Description

Vynález se týká ultrazvukového dálkoměru.The invention relates to an ultrasonic rangefinder.

V současné době je znám ultrazvukový dálkoměr, který obsahuje přijímací a vysílací obvod, generátor vysílacích impulsů, zesilovač, klopný obvod, generátor pilového napětí, sumátor, prahovací obvod, dynamickou pamět, tvarovač Impulsů, klíčovací obvod a také dvouvstupový a třívstupový koincidenční obvod. Takové zařízení má, mimo značné složitosti obvodové, malý měřicí rozsah, tedy velké mrtvé pásmo. Dále je známo zařízení, které obsahuje kompenzační synchronizační obvod, což je v podstatě volně kmitající oscilátor, jehož zpětná vazba je uzavřena přes vyšetřované prostředí a při změně rychlosti šíření zvuku se mění kmitočet jeho výstupního signálu, čímž se stává konečný údaj o měřené vzdálenosti nezávislý na rychlosti šířeni zvuku v prostředí. Dále toto zařízeni obsahuje tvarovač strobovaoích impulzů a měřicí a synchronizační obvod s generátorem budicích impulsů, akustickým měničem, přijímačem a obvodem blokování. Dále obsahuje obvod děleni frekvence, ve kterém je obvod indikace poruch. Toto zařízeni má nevýhody při měření malých vzdáleností, nebot obvod indikace poruch omezuje maximální frekvenci synchronizačních impulzů. Zatím nejlepších vlastností je dosaženo v zařízení, které obsahuje synchronizační obvod s generátorem budicích impulsů, akustickým měničem, přijímačem, obvodem blokování a součtovým obvodem, tvarovací obvod, měřič časových intervalů, který je spojen s kompenzačním synchronizačním obvodem, dělič frekvence a generátor taktovaoích impulzů. Nedostatkem tohoto zapojení však je, že nedovoluje měřit vzdálenost v širokém rozsahu od několika desítek metrů do několika centimetrů.At present, an ultrasonic rangefinder is known which includes a receive / transmit circuit, a pulse generator, an amplifier, a flip-flop, a saw voltage generator, a sumper, a threshold circuit, a dynamic memory, a pulse former, a keying circuit, as well as a two-input and three-input coincidence circuit. Such a device has, besides considerable circumferential complexity, a small measuring range, i.e. a large dead zone. Furthermore, a device is known which comprises a compensating synchronization circuit, which is essentially a freely oscillating oscillator, whose feedback is closed across the environment under investigation and the frequency of its output signal changes as the speed of the sound changes, making the final measured distance independent the speed of sound propagation in the environment. Further, the device comprises a strobe pulse former and a measuring and synchronizing circuit with an excitation pulse generator, an acoustic transducer, a receiver and a blocking circuit. It further comprises a frequency division circuit in which there is a fault indication circuit. This device has disadvantages when measuring small distances since the fault indication circuit limits the maximum frequency of the synchronization pulses. The best features so far are achieved in a device that includes a synchronization circuit with a pulse generator, an acoustic transducer, a receiver, a blocking circuit and a summation circuit, a shaping circuit, a time interval meter that is coupled to a compensating synchronization circuit, a frequency divider and clock pulse generator. The disadvantage of this connection, however, is that it does not allow to measure distances over a wide range of several tens of meters to several centimeters.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje ultrazvukový dálkoměr podle vynálezu. Tento ultrazvukový dálkoměr sestává z generátoru budicích impulsů, elektroakustického měniče, přijímače měniče časových intervalů, spojeného s kompenzačním synchronizačním obvodem, generátoru taktovacích inpulsů a obvodu logického součtu. Podstatou vynálezu je, že generátor budicích impulsů se skládá z generátoru videoimpulsů a generátoru radioimpulsů a stávající bloky jsou doplněny sériově spojeným, klopným obvodem s komutátorem dále pak prvním a druhým hradlem, komparátorem a zpožáovacím obvodem. Na elektroakustický měnič je připojen komutátor, jehož první vstup je spojen s výstupem generátoru vidoeimupulsů. Druhý jeho vstup je spojen s výstupem generátoru radioimupulsů. Výstup komutátoru je přes přijímač a komparátor spojen jednak s druhým vstupem obvodu logického součtu, jednak s druhým vstupem měřiče časových intervalů, na jehož třetí vstup je napojen kompenzační synchronizační obvod a jednak přes zpoždovací obvod se vstupem generátoru taktovaoích impulsů. Druhý výstup' generátoru taktovaoích impulsů je připojen na čtvrtý vstup měřiče časových intervalů a první výstup je spojen jednak s prvním vstupem měřiče časových intervalů a jednak s prvními vstupy prvního a druhého hradla. Výstup prvního hradla je spojen se vstupem generátoru videoimpulsů a přes první vstup obvodu logického součtu se vstupem klopného obvodu. První výstup klopného obvodu je spojen s druhým vstupem prvního hradla a zároveň se- třetím vstupem komutátoru.The above-mentioned drawbacks are overcome by the ultrasonic rangefinder according to the invention. This ultrasonic rangefinder consists of an excitation pulse generator, an electroacoustic transducer, a time interval converter receiver coupled to a compensating synchronization circuit, a clock pulse generator, and a logic sum circuit. The essence of the invention is that the excitation pulse generator consists of a video pulse generator and a radio pulse generator, and the existing blocks are complemented by a series-connected flip-flop with a commutator, a first and a second gate, a comparator and a delay circuit. A commutator is connected to the electroacoustic transducer, the first input of which is connected to the output of the vidoeimupuls generator. The second input is connected to the output of the radioimupuls generator. The commutator output is connected via a receiver and a comparator to the second input of the logic sum circuit, to the second input of the time interval meter, to the third input of which the compensating synchronization circuit is connected, and to the input of the clock pulse generator. The second output of the pulse generator is connected to the fourth input of the time interval meter and the first output is connected both to the first input of the time interval meter and to the first inputs of the first and second gates. The output of the first gate is coupled to the input of the video pulse generator and through the first input of the logic sum circuit to the input of the flip-flop. The first output of the flip-flop is connected to the second input of the first gate and the third input of the commutator.

Druhý výstup klopného obvodu je spojen s druhým vstupem druhého hradla, jehož výstup je připojen na vstup generátoru radioimpulsů a zároveň na čtvrtý vstup komparátoru.The second output of the flip-flop is connected to the second input of the second gate, the output of which is connected to the input of the radio-pulse generator and simultaneously to the fourth input of the comparator.

Výhodou tohoto dálkoměru je, že pro dosaženi vysokého dynamického rozsahu využívá vysílání dvou druhů impulsů, dlouhých radioimpulsů pro velké vzdálenosti a krátkých videoimpulsů pro měření malých vzdáleností. Vhodným střídáním těchto dvou režimů je dosaženo měřicího rozsahu od několika cm až do několika desítek metrů.The advantage of this rangefinder is that it uses two types of pulses, long radio pulses for long distances and short video pulses for measuring short distances to achieve a high dynamic range. By suitable alternation of the two modes, a measuring range of several cm to several tens of meters is achieved.

Příklad zapojení ultrazvukového dálkoměru podle vynálezu je blokově uveden na přiloženém výkrese na obr. 1. Na obr. 2 je časový diagram funkce zařízení.An example of wiring an ultrasonic rangefinder according to the invention is shown in the attached drawing in Fig. 1. Fig. 2 is a timing diagram of the operation of the device.

Generátor 2 budících impulsů je tvořen generátorem 2 videoimpulsů a generátorem 2 radioimpulsů, jejichž výstupy jsou připojeny na první a druhý vstup 41, 42 komutátoru 2» na nějž je napojen elektroakustický měnič 2· Výstup komutátoru 2 j® přes přijímač 2 spojen se vstupem komparátoru 10. Jeho výstup je spojen jednak s druhým vstupem 122 obvodu 12 logického součtu, jednak s druhým vstupem 152 měřiče 15 časových intervalů a jednak se vstupem zpožaovaciho obvodu 14. Na třetí vstup 153 měřiče 15 časových intervalů je připojen kompenzační synchronizační obvod 22· Výstup zpož3ovacího obvodu 14 je spojen s generátorem 11 taktovacích impulsů, jehož první výstup 111 je spojen s prvními vstupy 21, 81 prvního a druhého hradla 7 a 8 ^as prvním 151 vstupem měřiče 15 časových intervalů, na jehož čtvrtý vstup 154 je připojen druhý výstup 112 generátoru 11 taktovacích impulsů. Výstup prvního hradla T_ je spojen se vstupem generátoru 2 videoimpulsů a zároveň s prvním vstupem 121 obvodu 12 logického součtu. Výstup obvodu 12 logického součtu je spojen se vstupem klopného obvodu 9. První výstup 22 klopného obvodu 2 í^e spojen s druhým vstupem 72 prvního hradla T_ a se třetím vstupem 43 komutátoru 2· Druhý výstup 92 klopného obvodu 2 j® spojen s druhým vstupem 82 druhého hradla 2« jehož výstup je napojen na generátor 2 radioimpulsů.The excitation pulse generator 2 consists of a video pulse generator 2 and a radio pulse generator 2, the outputs of which are connected to the first and second inputs 41, 42 of the commutator 2, to which the electroacoustic transducer 2 is connected. Its output is connected both to the second input 122 of the logic sum circuit 12 and to the second input 152 of the time interval meter 15 and to the input of the delay circuit 14. A compensating synchronization circuit 22 is connected to the third input 153 of the time interval meter. 14 is coupled to a clock pulse generator 11, the first output 111 of which is connected to the first inputs 21, 81 of the first and second gates 7 and 8 ^and to the first 151 input of the time interval meter 15, to the fourth input 154 is connected to the second output 112 of the generator 11 clocking pulses. The output of the first gate T1 is connected to the input of the video pulse generator 2 and at the same time to the first input 121 of the logic sum circuit 12. The output of the logical sum circuit 12 is coupled to the input of flip-flop 9. The first output 22 of the flip-flop 2 ^te coupled to the second input of the first gate 72 t and the third input 43 of the commutator 2 · second output 92 of flip-flop 2 J® connected to second input 82 a second gate 2 ' whose output is connected to a radio pulse generator 2.

Po zapnutí začíná zařízení pracovat v režimu videoimpulsů, ve kterém setrvává až do doby, kdy se nepodaří zachytit odražený signál. Potom se přejde do režimu vysílání radioimpulsů Pokud je zachycen signál, přepíná se střídavě mezi režimem radioimpulsů a videoimpulsů za účelem zjištění, zda není možno přejít trvale do režimu videoimpulsů. Pokud však není zachycen odražený signál ani v režimu radioimpulsů, zůstává se trvale v tomto režimu. Pokud není zachycen odražený signál je blokován výstup dálkoměru, aby se zabránilo vydání chybné informace.When switched on, the device begins to operate in video pulse mode, where it remains until the reflected signal fails to be detected. Then it enters radio pulse transmission mode. When a signal is detected, it alternates between radio pulse mode and video pulse mode to determine if it is possible to permanently switch to video pulse mode. However, if the reflected signal is not detected even in the radio-pulse mode, it remains permanently in that mode. If the reflected signal is not detected, the rangefinder output is blocked to prevent erroneous information from being output.

Podrobně lze činnost zařízení popsat takto. Při zapnutí zařízení v čase t_Q, viz obr. 2, je měřič 15 časových intervalů automaticky nastaven do nulového stavu. Kompenzační synchronizač ní obvod 13 je ve vybuzeném stavu a vydává signál, jehož frekvence je úměrná rychlosti šíření zvuku v prostředí. Klopný obvod 2 se nachází v jednom ze dvou svých stavů. Předpokládejme, že log. 1 je na jeho prvním výstupu 22' průběh b/ na obr. 2. To způsobí otevření prvního hradla J_ a tím se připojí k elektroakustickému měniči 2 pomocí komutátoru 4 výstup generátoru 2 videoimpulsů. V čase t^ se na výstupu generátoru 11 taktovacích impulsů objeví krátký negativní impuls, obr. 2 a”, který nastavuje nulový stav měřiče 15 časových intervalů. Tento impuls se objevuje pouze tehdy, není-li zachycen odražený signál a generátor 11 taktovacích impulsů pracuje v autonomním režimu. Je-li zachycen odražený signál, je generátor 11 taktovacích impulsů tímto signálem zasynchronizován a impuls z obr. 2a' se neobjevuje. V autonomním režimu se generují dva signály - negativní - druhý výstup 112 generátoru 11 taktovacích impulsů a pozitivní - na jeho prvním výstupu 111, obr. 2a a 2a', které následují krátce po sobě. Perioda jejich opakování T, viz průběh na obr. 2a, je dána maximální dobou průchodu ultrazvukového impulsu. V zasynchronizovaném režimu se generuje pouze signál na prvním výstupu 111. V čase t^ je na prvním výstupu 111 generátoru taktovacích impulsů 11 krátký impuls, který spouští měřič časových intervalů 15 (obr. 2j) a přes první hradlo T_ generátor 2 videoimpulsů. Současně je signál z výstupu prvního hradla ]_ převeden přes obvod 12 logického součtu do klopného obvodu 2 ^a nastavuje log. 1 na jeho druhém výstupu 92 (obr. 2b). Tím se otevírá druhé hradlo 2 ^a první hradlo T_ se zablokovává. Na výstupu generátoru 2 videoimpulsů se objevuje videoimpuls (obr. 2d), který přes komutátor 2 vybudí elektroakustický měnič 2' například piezoelektrický. Po vyslání akustického impulsu zůstává komutátor 2 přepnutý do režimu videoimpulsů, protože jeho stav se mění pouze při log 1 na jeho druhém řídicím vstupu 42. Jestliže během času T nepřijde odražený impuls, objeví se na výstupu z generátoru 11 taktovacích impulsů negativní impuls, kterým se zablokuje měřič 15 časových intervalů (obr. 2j) a nevydává informaci. Po tomto impulsu se objevuje na druhém výstupu 112 generátoru 11 takových impulsů impuls (obr. 2a), který znovu nastaví měřič 15 časových intervalů do stavu 0 a přes druhé hradlo 2 spustí generátor 2 radioimpulsů a komutátoru 2 nastaví do režimu vysílání a příjmu radioimpulsů. V tomto režimu postupuje vybuzený radioimpuls na elektroakustický měnič 2' který vyšle ultrazvukový radioimpuls (obr. 2e). Signál odražený od překážky se přijímá tímtéž elektroakustickým měničem 2 ^a postupuje přes komutátor 2 do přijímače 6 (obr. 2f). Odtud zesílený signál postupuje na komparátor 22' který vygeneruje na výstupu impuls pouze v okamžiku prvního převýšení referenční úrovně U_Q (obr. 2h). Tento impuls pak přes obvod 12 logického součtu překlopí klopný obvod 2· To způsobí log. 1 na jeho prvním výstupu 21 (obr. 2b) a tím se odblokuje první hradlo T_ a přepne se komutátor 2 do režimu videoimpulsů. Druhé hradlo 2 se zablokuje. Impuls z komparátoru 10 dále uzavírá měřič 15 časových intervalů (obr. 2j) a přes obvod 14 zpožděni synchronizuje generátor 11 taktovacích impulsů. Časové zpoždění je nutné pro ustálení režimu dálkoměru. Generátor 11 taktových impulsů přejde z autonomního do synchronizovaného režimu a vygeneruje na svém druhém výstupu 112 opět impuls (obr. 2a), který znovu spustí měřič 15 časových intervalů (obr. 2j) a dovolí vydat naměřenou informaci o vzdálenosti. Dále přes první hradlo 7_ vybudí videoimpuls a přes obvod 12 součtu překlopí klopný obvod £ do stavu pro vysílání radioimpulsú (log. 1 na výstupu 2 viz obr. 2c). Tím se zavře první hradlo £ a otevře druhé hradlo £, avšak komutátor £ setrvává v původním stavu vysílání a příjmu videoimpulsů. Po příjmu odraženého signálu (obr. 2f), který mimo jiné znamená, že vzdálenost je tak malá nebo odrazná plocha tak velká, že můžeme přejít do režimu videoimpulsů, je tento signál zpracován komparátorem 10 (obr. 2g). Jeho výstupní signál způsobí překlopení klopného obvodu £ zpět do režimu videoimpulsů a zastaví měřič 15 časových intervalů. Dále se po zpoždění ve zpoždovacím obvodu 14 vygeneruje přes první hradlo £, generátor £ videoimpulsů a komutátor £ další videoimpuls a celý cyklus se opakuje až do doby, kdy nepřijde odražený videosignál. V tomto režimu zůstává dokud není zachycen odražený signál, poté přechází do režimu střídání video a rádio impulsů. Je-li zachycen odražený videoimpuls přechází se trvale do režimu vysílání videoimpulsů až,do doby, kdy opět není zachycen odražený videoimpuls.The operation of the device can be described in detail as follows. When the device is switched on at time t _Q , see Fig. 2, the time interval meter 15 is automatically set to zero. The compensation synchronization circuit 13 is in the energized state and emits a signal whose frequency is proportional to the speed of sound propagation in the environment. The flip-flop 2 is in one of its two states. Suppose log. 1, there is a waveform b / in FIG. 2 on its first output 22 '. At time t1, a short negative pulse appears in the output of the clock pulse generator 11, FIGS. 2 ", which sets the meter to zero time intervals 15. This pulse only occurs when the reflected signal is not detected and the pulse generator 11 operates in autonomous mode. When the reflected signal is captured, the clock pulse generator 11 is synchronized with this signal and the pulse of FIG. 2a 'does not appear. In autonomous mode, two signals - negative - second output 112 of clock pulse generator 11 and positive - are generated at its first output 111, Figs. 2a and 2a ', which follow shortly. The period of their repetition, T, as shown in Fig. 2a, is given by the maximum time of the ultrasonic pulse. In synchronized mode, only the signal at the first output 111 is generated. At time t1, the first output 111 of the pulse generator 11 is a short pulse that triggers the time interval meter 15 (FIG. 2j) and a video pulse generator 2 through the first gate. At the same time, the signal from the output of the first gate 10 is transferred through the logic sum circuit 12 to the flip-flop 2 ^and adjusts the log. 1 at its second outlet 92 (FIG. 2b). This opens the second gate 2 ^{and the} first gate T1 is blocked. At the output of the video pulse generator 2 a video pulse appears (Fig. 2d), which excites an electroacoustic transducer 2 ', for example a piezoelectric transducer, via a commutator 2. After the acoustic pulse is transmitted, the commutator 2 remains switched to video pulse mode because its state changes only at log 1 on its second control input 42. If no reflected pulse is received during time T, a negative pulse appears at the output of the pulse generator 11 it blocks the time interval meter 15 (Fig. 2j) and does not issue information. After this pulse, a pulse (FIG. 2a) appears on the second output 112 of the pulse generator 11 (FIG. 2a), which resets the timer 15 to the 0 state and starts the radio pulse generator 2 via the second gate 2 and set the commutator 2 to transmit and receive. In this mode, the excited radio pulse proceeds to an electroacoustic transducer 2 'which sends an ultrasonic radio pulse (Fig. 2e). The signal reflected from the obstacle is received by the same electroacoustic transducer 2 ^and passes through the commutator 2 to the receiver 6 (Fig. 2f). From there, the amplified signal passes to the comparator 22 'which generates a pulse at the output only at the moment of the first increase of the reference level U _Q (Fig. 2h). This pulse then flips the flip-flop 2 over the logic sum circuit 12. This causes the log. 1 at its first output 21 (FIG. 2b), thereby unlocking the first gate T and switching the commutator 2 to video pulse mode. The second gate 2 is blocked. The pulse from the comparator 10 further closes the time interval meter 15 (FIG. 2j) and synchronizes the pulse generator 11 via delay circuit 14. The time delay is necessary to stabilize the rangefinder mode. The pulse generator 11 switches from autonomous to synchronized mode and generates again at its second output 112 a pulse (FIG. 2a), which restarts the time interval meter 15 (FIG. 2j) and allows the measured distance information to be output. Next, through the first gate 7, it excites the video pulse and, via the sum circuit 12, flips the flip-flop circuit 6 into the state for transmitting radio pulses (log. 1 at output 2 see Fig. 2c). This closes the first gate 6 and opens the second gate 6, but the commutator 8 remains in the original state of transmitting and receiving video pulses. After receiving the reflected signal (Fig. 2f), which means, inter alia, that the distance is so small or the reflective surface is so large that we can switch to video pulse mode, the signal is processed by comparator 10 (Fig. 2g). Its output signal causes the flip-flop flip back to the video pulse mode and stops the timer for 15 time intervals. Further, after a delay in the delay circuit 14, a further video pulse is generated via the first gate 6, the video pulse generator 6 and the commutator 6, and the entire cycle is repeated until the reflected video signal is received. In this mode, it remains in the video and radio pulses mode until the reflected signal is detected. If a reflected video pulse is captured, it permanently enters the video pulse transmission mode until the reflected video pulse is not detected again.

Claims

An ultrasonic rangefinder consisting of an excitation pulse generator, an electroacoustic transducer, a receiver, a time interval meter associated with a compensating synchronization circuit, a pulse generator and a logic sum circuit, characterized in that the excitation pulse generator (1) consists of a generator (2) the video pulses and the radio pulses generator (3) and the existing blocks are complemented by a series-connected flip-flop (9) with commutator (4), first and second gates (7, 8), comparator (10) and delay circuit (14) an acoustic transducer (5) is connected to a commutator (4) whose first input (41) is connected to the output of the video pulse generator (2), the second input (42) is connected to the output of the radio pulse generator (3); a receiver (6) and a comparator (10) connected both to the second input (122) of the logic sum circuit (12) and to the second input (152) of the meter (15) intervals, to which the third input (153) is connected the compensation synchronization circuit (13) and secondly through the delay circuit (14) with the input of the pulse generator (11), the second output (112) is connected to the fourth input (154) of the meter (15) the time intervals and the first output (111) is connected both to the first input (151) of the time interval meter (15) and to the first inputs (71, 81) of the first and second gates (7, 8), (7) is coupled to the input of the video pulse generator (2) and via the first input (121) of the logical sum circuit (12) to the input of the flip-flop (9) whose first output (191) is connected to the second input (72) of the first gate ( 7) and simultaneously with the third input (43) of the commutator (4) and the second output (92) of the flip-flop (9) is connected to the second input (82) of the second gate (8) whose output is connected to the input and at the fourth input (44) of the comparator (9).