Некоторые вопросы конструирования любительских оптических локаторов. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2019

М.П. Басков
О.Д. Левашов

Аннотация

В статье освещаются некоторые вопросы конструирования высокочувствительных инфракрасных оптических локаторов. Приводится несколько электронных схем, конструкция оптического Приемопередающего узла и результаты испытаний, подтвержденные видеоматериалами.

Оптические инфракрасные локаторы широко применяются в любительской робототехнике для обнаружения препятствий в диапазоне расстояний от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, поскольку именно на этот диапазон имеются готовые решения в китайских интернет-магазинах.

Если требуется уверенное обнаружение препятствий на расстоянии более 1 метра, то перед разработчиком робота стоит дилемма: либо разработать собственную конструкцию локатора, либо начать поиски промышленного решения и его адаптации.

В статье рассматриваются некоторые вопросы конструирования оптических инфракрасных локаторов для диапазона обнаружения препятствий от 5 до 40 метров, конструкция оптических систем которых обладает простотой и возможностью тиражирования. Последнее особенно актуально, так как робот может иметь несколько локаторов.

Описанные в статье инфракрасные локаторы могут применяться также в охранных системах, для учета трафика и в системах предупреждения столкновения внутрицеховых транспортных средств.

В первой части мы рассмотрим оптические локаторы, использующие в качестве излучателя мощные инфракрасные светодиоды.

Немного теории

Основой любого оптического локатора являются оптические конструкции, осуществляющие формирование потока излучения и прием части этого излучения, отраженного от препятствия. В подавляющем большинстве случаев используются оптические конструкции, основным элементом которых является линза.

При рассмотрении этих конструкций мы будем использовать базовые термины геометрической оптики:

  • Точечный источник излучения – источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно, и размерами которого, по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь.
     
  • Главная оптическая ось – прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Каждая двояковыпуклая сферическая линза имеет одну главную оптическую ось.
     
  • Оптическая аберрация – искажения светового потока, присущие всякой реальной оптической системе. Возникновение аберрации вызвано тем, что преломляющие поверхности неспособны собрать в точку широкие пучки лучей, падающие на них под углом к главной оптической оси. И наоборот, они неспособны создать идеальный параллельный пучок лучей, излученных точечным источником.
     
  • Главный фокус – точка, в которой пересекаются продолжения лучей, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.
     
  • Световое пятно – область поверхности, на которую падает световой поток от источника излучения, в которой интенсивность света максимальна.

Использование линзового формирователя светового потока имеет несколько особенностей.

  • Первая заключается в неполном использовании светового потока светодиода. Мощные светодиоды, имеют угол излучения от 180 до 110 градусов, в то время как типичные сферические линзы имеют угол фокусировки около 60 градусов. В общем случае, чем меньше фокусное расстояние линзы и больше ее диаметр, тем большую часть потока излучения светодиода можно будет перевести в направленное излучение. Реальная линза формирует луч, собирая только от 30 до 50 процентов излучения светодиода.
     
  • Вторая особенность заключается в том, что свойственная линзам оптическая аберрация, уменьшает количество света в луче, сформированном линзой. Для уменьшения аберрации применяются специальные линзы с переменной кривизной поверхности.
     
  • Мощный светодиод только в первом приближении можно рассматривать как точечный источник света. Даже при «идеальной» фокусировке мы получаем весьма размытое световое пятно в форме кристалла [группы кристаллов], на котором можно разглядеть элементы структуры.
     
  • Прозрачное покрытие кристалла светодиода только условно можно считать сферическим. Нарушения геометрии этого покрытия затрудняет точную фокусировку.

Условия эксплуатации

Приступая к созданию собственной конструкции инфракрасного локатора, разработчик должен сформулировать для себя определенный набор условий применения локатора:

  1. Вид препятствия. Это могут быть стены, транспортные средства, люди или крупные животные.
     
  2. Расстояние до препятствий, на котором они должны уверенно обнаруживаться.

Пункты 1 и 2 напрямую зависят от оптической конструкции прибора. В Таблице 1 приведена зависимость размеров светового пятна от угла излучения.

Таблица 1. Зависимость диаметра светового
пятна в сантиметрах от угла расхождения
светового потока
Дистанция
[м]
Угол расхождения луча
[градусов]
3 5 10 15
1 5 9 18 27
2 10 18 35 54
3 16 26 53 81
4 21 35 71 108
5 26 44 88 135
10 52 88 177 270
15 79 131 265 404
20 105 175 354 539
25 131 219 442 674
50 262 438 884 1348

При настройке локатора светодиод излучателя ориентируем так, чтобы нижняя грань кристалла была горизонтальна.

Чисто теоретически, при применении оптики с углами излучения/приема 10 градусов без учета мощности излучателя и отражательной способности объекта дальность обнаружения составит:

  • для первого случая – 10 м,
  • для второго случая – 15 м.
Оптимальные размеры светового пятна для излучателя на основе мощного светодиода.
Рисунок 1. Оптимальные размеры светового пятна для излучателя
на основе мощного светодиода.

Уменьшая угол излучения и «угол зрения» приемника, можно получить лучшие значения, что и следует из Таблицы 1. В этом случае диаметр светового пятна в таблице соответствует вписанной окружности, так как показано на Рисунке 1.

  1. Отражающая способность препятствий. Под отражающей способностью мы понимаем не только коэффициент отражения поверхности объекта, но и угол под которым излучение падает на эту поверхность. Если поверхность имеет высокое значение отражающей способности и угол падения на него луча локатора заметно отличается от 90 градусов, например, при наведении локатора на лобовое стекло легкового автомобиля, мы можем вообще не получить отраженного луча.
     
  2. Условия внешнего освещения. Надо понимать, что при ярком солнечном освещении препятствия, или при полной темноте дальность обнаружения препятствия существенно уменьшается. Если локатор должен работать в широком диапазоне внешней освещенности, то необходимо заранее предусмотреть комплекс мер по компенсации потерь чувствительности.
     
  3. Условия эксплуатации. Если локатор предназначен для эксплуатации вне помещений, то нужно обеспечить соответствующую степень влагозащиты. Необходимо определить также, каким способом будет происходить защита оптической системы от пыли. Если защита от пыли отсутствует, то нужно понять, с какой регулярностью и каким инструментом будет производиться очистка поверхностей линз от пыли и других видов загрязнений.

После того как условия эксплуатации локатора определены, можно перейти непосредственно к конструированию локатора.

Приемопередающий узел локатора

Конструкция Приемопередающего узла оптического локатора, описанная в статье, достаточно проста в реализации; ее можно тиражировать, однако каждый собранный из типовых деталей узел нуждается в индивидуальной настройке.

Ниже мы не только детально опишем изготовление Приемопередающего узла, но и особенности его настройки, а также приведем практические рекомендации по конструкции локатора в целом.

Излучатель и приемник Приемопередающего узла оптического локатора с целью унификации используют одну и ту же оптическую схему, в которой используются объективы с одинаковым диаметром линз.

Объективы приобретены на AliExpress по цене «рупь за ведро» (Рисунок 2).

Объективы локаторов.
Рисунок 2. Объективы локаторов.

В экспериментах, описываемых ниже, используются объективы с линзами из поликарбоната двух диаметров: 10 мм и 20 мм, формирующих пучок лучей с углами расхождения 10 и 3 градусов, соответственно. Наружный диаметр объективов составляет 14 и 22 мм, соответственно.

Конструкция Приемопередатчика, показанная на Рисунке 3, состоит из объединенных в одно целое отрезков тонкостенных металлических труб нужного диаметра длиной 70-80 мм, обеспечивающих эффективное электрическое и оптическое экранирование приемного элемента. Длина объясняется необходимостью размещения в одном таком тубусе объектива с фотоприемником и предварительного усилителя, а в другом – излучателя с радиатором и драйвера мощного светодиода.

Приемопередатчик в сборе.
Рисунок 3. Приемопередатчик в сборе.

Следует учесть, что объектив фотоприемника должен быть заглублен в тубус примерно на 20 мм для уменьшения внешней засветки.

Если вы не поместите предварительный усилитель и драйвер внутрь металлических тубусов, то вместо полезного сигнала будете наблюдать помехи от внешних и внутренних электромагнитных полей.

Такая конструкция обеспечивает максимальную параллельность оптических осей излучателя и приемника, что является важнейшим условием при конструировании оптического локатора. Нужно заранее продумать способ крепления Приемопередатчика к корпусу или плате локатора и изготовить необходимые крепежные элементы.

Обратите внимание на третью трубку, служащую корпусом лазерного целеуказателя. Целеуказатель, в качестве которого используется лазерный модуль с AliExpress с наружным диаметром 6 мм, – это очень важная деталь инфракрасного локатора, которая будет использоваться на этапе монтажа по месту.

Практические советы по сборке Приемопередающего узла

Подготовленные трубки укладываются на плоскую поверхность, плотно сжимаются с помощью двух деревянных брусков и склеиваются между собой моментальным клеем с использованием пищевой соды в качестве катализатора.

Проверенная методика заключается в следующем:

  • На место склейки наносится несколько капель моментального клея. Благодаря высокой текучести клей растекается тонким слоем и проникает между трубками.
     
  • Затем место склеивания посыпается содой. Процесс полимеризации происходит мгновенно, после чего бруски, сжимающие трубки, можно убрать.
     
  • Трубки следует перевернуть. С обратной стороны слой клея еще остается в жидком состоянии. Повторяем операцию с содой.
     
  • После этого наши трубки составляют одно целое. Для лучшего электрического контакта трубки можно пропаять.
     
  • Трубка целеуказателя укладывается в ложбину между трубками приемопередатчика. Вся конструкция стягивается резиновым жгутом, после чего трубка целеуказателя приклеивается описанным выше способом. Собранная таким способом основа приемопередатчика гарантированно обеспечивает параллельность всех трех оптических осей.

Сборка и монтаж объективов

Поскольку фокусировка невидимого светового потока является нетривиальной задачей, подскажем небольшой лайфхак. Объективы, показанные на Рисунке 2, предназначаются для мощных светодиодов и имеют специальные пазы для выводов светодиодов.

Лайфхак заключается в том, что светодиод нужно установить так, чтобы выводы светодиодов расположились перпендикулярно имеющимся пазам. После этого следует вдавить светодиод в отверстие объектива до состояния, когда выводы светодиода лягут на поверхность торца объектива (Рисунок 4).

Установка светодиода в объектив излучателя.
Рисунок 4. Установка светодиода в объектив излучателя.

В 90% случаев мы получим хорошую фокусировку. Вы можете проверить этот совет на любом светодиоде мощностью 1-3 Вт, излучающему в видимой части спектра.

Сборка фотоприемника – более трудоемкая и кропотливая работа, требующая вспомогательного оборудования. Отверстие в объективе имеет диаметр 8 мм, а фототранзистор имеет наружный диаметр 5 мм.

Поэтому надо самостоятельно изготовить втулку с наружным диаметром 8 мм и внутренним 5 мм. Длина втулки 3 мм. Изготовленную втулку нужно жестко зафиксировать в отверстии объектива заподлицо с плоскостью, например, с помощью клея.

Поскольку моментальный клей имеет очень высокую текучесть, надо соблюдать максимальную осторожность при вклеивании втулки, чтобы избежать попадания клея или его паров на линзу объектива. В основном это относится к 10-мм объективам, так как 20-мм объективы имеют отделяемое донышко.

Мы описываем все так подробно потому, что в процессе экспериментов нами были изготовлены два десятка фотоприемников с разными сенсорами, а первые опыты были весьма трудоемкими и неудачными.

После того как втулка фотоприемника будет надежно закреплена, нужно вставить в нее фототранзистор и убедиться, что он может с небольшим усилием перемещаться в ней. Сразу плотно вставлять фототранзистор не нужно! Таким образом, мы имеем все три узла приемопередатчика и можем приступить к настройке.

Блок-схема оборудования для настройки Приемопередающего узла.
Рисунок 5. Блок-схема оборудования для настройки Приемопередающего узла.

Настройка Приемопередающего узла локатора

Необходимое оборудование для настройки (Рисунок 5):

  • Генератор прямоугольных импульсов с частотой 1000 Гц и амплитудой не менее 5 В на нагрузке 1 кОм.
     
  • Драйвер светодиода с регулируемым током 0-2 А.
     
  • Предварительный усилитель. Это может быть как усилитель, который будет использоваться в дальнейшем, так и просто эмиттерный повторитель с сопротивлением нагрузки 10 кОм.
     
  • Осциллограф с чувствительностью не менее 1 мВ/дел.
     
  • Специальная мишень, представляющая собой лист 40 см × 60 см из упаковочного картона, оргалита или другого аналогичного материала, обладающего поверхностью с диффузным отражением. На мишень надо нанести сетку с шагом 100 мм черным маркером с толщиной линии около 3 мм. Расстояние между мишенью и Приемопередатчиком в процессе настройки должно оставаться постоянным и равным трем метрам.
     
  • Видеокамера наблюдения, имеющая ночной режим и WiFi-интерфейс со смартфоном, например, IP камера Xiaomi MI Small Square Smart Camera. Собственную ИК-подсветку камеры нужно отключить, или заклеить ИК-диоды подсветки несколькими слоями плотной изоленты. Фотодатчик «день/ночь» также следует затемнить. Видеокамеру удобно запитать от повербанка большой емкости, чтобы в процессе работы не мешали провода питания.

Важно! Приемопередатчик в процессе настройки должен быть неподвижен и обеспечивать легкий доступ к объективам со стороны электронных компонентов. Например, нами использовался деревянный брус, закрепленный струбциной к поверхности стола, к которому при помощи скотча крепился Приемопередатчик. Такая фиксация позволяет в любой момент сделать перерыв в процессе настройки для приема кофе (или пива), а также облегчить душу парой-тройкой выражений из области ненормативной лексики.

Настройку желательно проводить при рассеянном дневном свете при выключенных источниках искусственного освещения, выключенном телевизоре и других возможных источниках оптических и электрических помех. Питание предусилителя и драйвера желательно производить от отдельных автономных источников, например от аккумуляторов 18650.

Процесс настройки состоит из нескольких этапов.

Литература

  1. Можаров Г. Геометрическая оптика. СПБ. Издательство «Лань». 2017 г.
  2. Левашов О. Д., Басков М. П. Увеличение чувствительности фотоприемника на базе фототранзистора

Материалы по теме

  1. Datasheet BetLux BL-L515RGBC-CA
  2. Datasheet Texas Instruments CD4011B
  3. Datasheet Texas Instruments CD4013B
  4. Datasheet Texas Instruments CD4093B
  5. Datasheet Texas Instruments CD40107B
  6. Datasheet International Rectifier IFR3205
  7. Datasheet Texas Instruments LM567C
  8. Datasheet Vishay TSOP4836

Окончание

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя