Система ориентирования в пространстве
Направление:
Исполнитель: ученик 10 класса Дмитрий Тюкалов
Руководитель: Аминов Евгений Витальевич
учитель физики
высшей категории
Оглавление
Введение. 3
Глава I. Эхолокация. 4
I.1. История. 4
I.2. Принципы эхолокации. 4
I.3. Способы применения. 5
I.5. Принцип замеров. 12
I.6. Виды приборов. 13
Глава II. Arduino. 14
II.1. Применение. 14
II.2. Язык программирования. 14
II.3. Отличия от других платформ. 14
Заключение. 18
Список литературы и Интернет-источников. 18
Приложение. 19
Введение
В наше время люди постепенно разрабатывают устройства, которые облегчают нашу жизнь. И конечно без ориентирования они бы были неполноценны. В данной работе мы подробно рассмотрим один из видов ориентирования - эхолокация. Объектом моего исследования является ориентирование по способу эхолокации, который мы рассматриваем на примере автономного устройства, созданного на базе Ардуино. Проблема же состоит в том удобен и эффективен ли он.
Целью данной работы стало: выявление плюсов и минусов ориентирования по принципу эхо локации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить суть явления.
2. Исследовать автономное устройство Ардуино.
3. Создание устройства.
4. Написание программы.
5. Тестирование в различных условиях.
6. Найти достойное применение.
Данная проблема не разрабатывалась в прошлом, но само явление эхо локации было рассмотрено Пьером Кюри в 1880 г., а применение её в жизни стало возможны благодаря Александру Бему в 1912 году. Он создал первый в мире эхолот.
Я предполагаю, что ориентирование по принципу эхо локации весьма эффективно и сможет помогать людям в опасных для жизни ситуациях.
Глава I. Эхолокация
Я бы хотел начать из далека, а именно с определения:
Эхолокация (эхо и лат. locatio — «положение») — способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. Если волны являются звуковыми, то это звуколокация, если радио — радиолокация.
I.1. История
Эхолокация как явление в робототехнике и механике пришло из биологии. Её открытие связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате, не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, — и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя — короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.
Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.
Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.
I.2. Принципы эхолокации
Эхолокация начинается с ультразвука, так узнаем же о нём побольше.
Как и многие другие физические явления, УЗ-волны обязаны своим открытием случаю. В 1876 г. английский физик Фрэнк Гальтон, изучая генерацию звука свистками особой конструкции (резонаторов Гельмгольца), носящими теперь его имя, обнаружил, что при определённых размерах камеры звук перестаёт быть слышимым. Можно было предположить, что звук просто не излучается, однако Гальтон сделал вывод, что звук не слышен потому, что его частота становится слишком высокой. Кроме физических соображений, в пользу этого вывода свидетельствовала реакция животных (прежде всего собак) на применение такого свистка.
Очевидно, что излучать ультразвук с помощью свистков можно, но не слишком удобно. Ситуация изменилась после открытия пьезоэффекта Пьером Кюри в 1880 г., когда появилась возможность излучать звук, не продувая резонатор потоком воздуха, а подавая на пьезокристалл переменное электрическое напряжение. Однако, несмотря на появление достаточно удобных источников и приёмников ультразвука (тот же пьезоэффект позволяет преобразовывать энергию акустических волн в электрические колебания) и на огромные успехи физической акустики как науки, связанной с такими именами, как Уильям Стрэтт (лорд Рэлей), ультразвук рассматривался в основном как объект для изучения, но не для применения.
I.3. Способы применения
Следующий шаг был сделан в 1912 г., когда всего через два месяца после гибели «Титаника» австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. Представьте себе, как могла измениться история! С этих пор и до настоящего времени УЗ-гидролокация остаётся незаменимым инструментом для надводных и подводных кораблей.
Ещё один принципиальный сдвиг в развитии УЗ-техники был сделан в 20-е гг. XX в.: в СССР были проведены первые эксперименты по прозвучиванию сплошного металла ультразвуком с приёмом на противоположном краю образца, причём регистрирующая техника была устроена так, что можно было получать двумерные теневые изображения трещин в металле, подобные рентгеновским (трубка С.А.Соколова). Так началась УЗ-дефектоскопия, позволяющая «увидеть невидимое».
Очевидно, что применение ультразвука не могло ограничиться лишь техническими приложениями. В 1925 г. выдающийся французский физик Поль Ланжевен, занимавшийся оснащением флота эхолотами, исследовал прохождение ультразвука через мягкие ткани человека и воздействие ультразвуковых волн на организм человека. Тот же С.А.Соколов в 1938 г. получил первые томограммы руки человека «на просвет». А в 1955 г. английские инженеры Ян Дональд и Том Браун построили первый в мире УЗ-томограф, в котором человек погружался в ванну с водой, а оператор с УЗ-излучателем и УЗ-приёмником должен был обходить объект исследований по кругу. Они же впервые применили к человеку принцип эхолокации и получили не просветную, а отражательную томограмму.
Следующие пятьдесят лет (практически до наших дней) можно охарактеризовать как эпоху проникновения ультразвука во всевозможные области технической и медицинской диагностики и применения ультразвука в технологических областях, где он позволяет сделать зачастую то, что невозможно в природе. Но об этом подробнее.
Пожалуй, наиболее важным применением эхолокации в технике является неразрушающий контроль конструкций (металлических, бетонных, пластмассовых) для выявления в них дефектов, вызванных механическими нагрузками. В простейшем случае дефектоскоп – это эхолокатор, на экране которого отображается эхограмма. Перемещая УЗ-датчик по поверхности контролируемого изделия, можно обнаруживать трещины. Обычно дефектоскоп снабжается набором УЗ-преобразователей, позволяющих вводить ультразвук в материал под разными углами, и звуковой сигнализацией превышения порога отражённым эхосигналом.
Среди металлоконструкций наиболее важным объектом неразрушающего контроля являются железнодорожные рельсы. Несмотря на значительные успехи внедрения средств автоматики, на железных дорогах России наиболее распространён ручной контроль. Многоканальный эхолокатор устанавливается на съёмную тележку, которую толкает оператор. УЗ-датчики устанавливаются в лыжи, скользящие по поверхности катания рельсов. Для обеспечения акустического контакта на тележке устанавливаются баки с контактной жидкостью (летом – вода, зимой – спирт). И шагают тысячи операторов по всем железным дорогам, толкая тележки, в снег и дождь, в жару и мороз... Требования к конструкции аппаратуры высоки – приборы должны работать в диапазоне температур от –40 до +50 °С, быть пылевлагонепроницаемыми, работать от аккумулятора. Первые отечественные рельсовые дефектоскопы в СССР были созданы 50 лет назад проф. А.К.Гурвичем в Ленинграде. Развитие вычислительной техники дало возможность в последнее десятилетие создать автоматизированные дефектоскопы, позволяющие не только обнаружить дефект, но и записать всю эхограмму пройденного пути для просмотра информации, её хранения и дальнейшего анализа в специальных центрах. Один из таких приборов – АДС-02 – был создан сотрудниками нашего ИПФ РАН совместно с фирмой «Медуза» и выпускается серийно Нижегородским заводом им. М.Фрунзе. К настоящему времени более 300 приборов работают на российских железных дорогах, помогая обнаруживать в год по несколько тысяч так называемых острых дефектов, каждый из которых может стать причиной крушения. За применение современных компьютерных технологий дефектоскоп АДС-02 получил в 2005 г. 1-е место на международном конкурсе разработчиков встраиваемых систем в Сан-Франциско (США).
УЗ-толщиномеры применяются для непрерывных измерений толщины листа (стального, стеклянного) при производстве, а также толщины объекта, к которому имеется доступ лишь с одной стороны (например, толщины стенки ёмкости или трубы). Здесь зачастую приходится иметь дело с очень малыми задержками, поэтому для повышения точности измерений применяют зацикливание эхолокатора: первый принятый эхосигнал сразу же запускает передатчик для излучения следующего импульса и т.д., при этом измеряют не время задержки, а частоту запуска.
Эхолоты, развитие которых началось почти сто лет назад, используются сейчас на самых разнообразных объектах, от надводных и подводных военных кораблей до надувных лодок рыбаков-любителей. Применение компьютеров позволило не просто отображать на экран эхолота профиль дна, но и распознавать тип отражающего объекта (рыба, топляк, сгусток ила и т.п.). С помощью эхолотов составляются карты профиля шельфа, были обнаружены суточные колебания глубины расположения слоя планктона в океане.
В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е. обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение. Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.
Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование.
Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого. Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию. Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.
Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е. позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще. Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу. Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.
В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например, BFI. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.
Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы. В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион. Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п., Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см2.