6Merenje faznog pomeraja i frekvencijska modulacija

6.1 Merenje faznog pomeraja

Merenje faznog pomeraja (ili detekcija faze), predstavlja jednu od tehnika za merenje daljine. Za razliku od sistema za merenje vremena leta, diskutovanih u poglavlju 5, koji koriste pulsirajuće talase, ovde se koriste kontinualni talasi. (Pulsirajuci talas se može koristiti za transmisiju sinhronizovan sa referentnim kontinualnim talasom, u odno-su na koji se meri faza povratnog signala.) Prednost sistema sa kontinualnim talasima nad sistemima sa pulsirajućim je mogućnost merenja pravca kretanja i brzine pokretne mete, pored merenja udaljenosti. 1842. godine Austrijanac Johan Dopler objavio je rad u kome je objasnio ono što danas znamo kao Doplerov efekat: frekevencija energetskog talasa odbijenog od tela u pokretu je funkcija relativne brzine između tog tela i posmatrača. Ova tema će se detaljnije diskutovati u poglavlju 8.

U praksi, zrak amplitudski modulisanog lasera, RF, ili zvučna energija upravlja se prema meti, kako je prikazano na slici 6-1. Mali deo ovog talasa (možda do šest redova veličine manje amplitude) odbija se od površine tela ka detektoru (Čen, 1993.). Poboljša-na preciznost i opseg merenja mogu se postići dodavanjem pomoćnih meta na objekat od interesa radi povećanja gustine energije odbijenog signala. Povratna energija se poredi sa referencom koja se istovremeno odvaja od izvornog signala, i meri se relativni fazni po-meraj između njih da bi se odredio pređeni put talasa. Kao kod merača udaljenosti pomo-ću vremena leta, putanje izvornog i odbijenog zraka su koaksijalne, što sprečava problem nestalih delova.

Za visokofrekventne RF ili laserske sisteme detekciji prethodi sabiranje referent-nog i primljenog signala sa signalom srednje frekvencije (pri čemu se ne menja fazni po-meraj), što omogućava rad detektora faze na povoljnijoj, nižoj frekvenciji (Vajlstik, 1990.). Fazni pomeraj kao funkcija udaljenosti od površine mete izražava se (Vudberi, 1993.):

λπφ d4=

gde je

φ = fazni pomeraj,d = daljina mete,λ = talasna dužina modulišućeg signala.

Slika 6-1. Veza između polaznog i odbijenog signala, gde je x daljina koja odgovara razlici faza φ (Vudberi, 1993,)

Tražena udaljenost od mete d je, dakle,

fcd

πφ

πφ λ

44==

gde je

c = brzina svetlosti,f = frekvencija modulišućeg signala.

Fazni pomeraj između polaznog i odbijenog sinusnog signala može se izmeriti množenjem ta dva signala u elektronskom množaču, a zatim izračunati srednja vrednost posle više ciklusa modulacije (Vudberi, 1993.). Ova operacija oduzima dosta vremena i onemogućava brzo dobijanje novih podataka. Njen rezultat se izražava na sledeći način:

dtcdtcT

T

+∫ λ

πλπ

λπ 2sin42sin1lim

0

∞→Tšto se svodi na:

λπ dA 4cos

gde je :

t = vreme,

T = interval uprosečavanja,A = faktor pojačanja amplitude od integratora.

Iz ranijeg izraza za φ vidi se da je njegova merena vredost, zapravo, kosinus faz-nog pomeraja, a ne i sam fazni pomeraj (Vudberi, 1993.). Zbog toga se uvodi tzv. interval višeznačnosti, za situacije u kojima pređeni put prelazi vrednost talasne dužine modulišu-ćeg signala λ (npr. merenje faze postaje višeznačno kada vrednost φ pređe 360°). Konrad i Sempson su 1990. godine definisali ovaj interval višeznačnosti kao maksimalnu daljinu do koje razlika faza dostigne vrednost od 360°

fcRa 2

=

gde je

Ra = dužina intervala višeznačnosti (indeks a potiče od engleske reči ambiguity što znači višeznačnost).

Na slici 6-1 se vidi da je ukupan pređeni put 2d jednak nekom celom broju talas-nih dužina nλ plus deo talasne dužine x koji je povezan sa faznim pomerajem.Pošto kosi-nusna veza nije jednoznačna za sve φ, postojaće više razdaljina d koje odgovaraju nekom izmerenom faznom pomeraju (Vudberi, 1993.):

=

λπφ d4coscos

gde je:

d = (x + nλ) / 2 = prava daljina mete,x = daljina koja odgovara razlici faza φ,n = broj celih ciklusa modulišućeg signala.

Pažljivije ispitivanje slike 6-1 pokazuje da kosinusna funkcija nije jednoznačna čak ni u jedinom talasnom intervalu od 360°. Prema Skotu, 1990. godine, ako se meri kosinus faze, interval višeznačnosti se treba smanjiti na polovinu talasnog intervala mo-dulacionog signala, ili 180°. Takođe, nagib krive je takav da promena nelinearne kosi-nusne funkcije nije konstantna u intervalu 0° ≤ φ ≤ 180°, i jednaka je nuli u obe ekstrem-ne vrednosti. Zbog toga tačnost tehnike merenja udaljenosti preko faznog pomeraja varira od najviše za fazni ugao od 90° do najniže za 0° i 180°, pa je korisni opseg merenja ogra-ničen na 90% intervala višeznačnosti od 180° (Čen, 1993.).

Uobičajeno rešenje ovog problema je vršenje još jednog merenja, samo sa refe-rentnim signalom fazno pomerenim za 90°, pa će se umesto kosinusa, meriti sinus faznog pomeraja. Ova dodatna informacija (merenje i sinusa i kosinusa faze) može se iskoristiti za proširenje intervala višeznačnosti faznog ugla na ranije diskutovanih 360° (Skot, 1990.). Dalje, poboljšava se ukupna tačnost sistema, jer tamo gde je osetljivost pri mere-

nju kosinusa najmanja (nagib u 0°), osetljivost pri merenju sinusa je najveća (Vudberi, 1993.).

Ipak, najveći izvor pogrešnih informacija je i dalje interval višeznačnosti, i to umanjuje značaj ovakvih sistema. U nekim primenama problem se zaobilazi podešava-njem optike tako da je opseg merenja uvek manji od intervala višeznačnosti (slika 6-2). U drugim, jedno za drugim mogu da se izvrše merenja udaljenosti iste mete koristeći dve različite modulacije frekvencije, pri čemu se dobijaju dve jednačine sa dve nepoznate, i x i n (iz ranije jednačine) se jednoznačno određuju. Ker je 1988. godine opisao implemen-taciju ove ideje koristeći modulišuće signale frekvencija 6 MHz i 32 MHz.

Slika 6-2. Greške pri merenju daljine se izbegavaju ogranučavanjem opsega merenja na vrednost manju od Ra.

Za četvrtasti modulacioni signal na relativno niskim frekvencijama, tipičnim za ultrazvučne sisteme (20 KHz – 200 KHz), razlika faza početnog i povratnog signala može se meriti jednostavnim linearnim kolom pokazanom na slici 6-3 (Figeroa i Barbieri, 1991.). Izlaz „ekskluzivno-ili“ kola je logičko „1“ kada su ulazi različitih logičkih nivoa, generišući napon proporcionalan faznom pomeraju na kondenzatoru C1. Npr. kada su dva signala u fazi (npr. φ = 0°), izlaz „ekskluzivno-ili“ kola je logička „0“, a maksimalni izlazni napon se dobija kada φ dostigne 180°. Iako je lako za implementaciju, ovakvo jednostavno rešenje je ograničeno na vrlo niske frekvencije i može zahtevati čestu kalibraciju za kompenzaciju drifta i ofseta zbog starenja komponenti ili promena spoljašnjih uslova (Figeroa i Lamankuza 1992.).

Slika 6-3. Na nižim frekvencijama tipičnim za ultrazvučne sisteme jednostavno kolo za detekciju faze sa ″ekskluzivno-ili″ kolom će generisati analogni izlazni napon proporcionalan faznoj razlici

signala na ulazu (Figeroa i Barbieri, 1991.)

Figeroa i Barbieri su 1991. pisali o zanimljivim metodama produženja intervala višeznačnosti za ultrazvučne sisteme za detekciju faze koje koriste deljenje frekvencije referentnog i primljenog signala. Pošto je raspon značajnih poređenja ograničen, u najbo-ljem slučaju na jednu talasnu dužinu, λ, može se zaključiti da deljenjem frekvenije nekim

brojem, množimo talasnu dužinu tim istim brojem. Koncept je ilustrovan na slici 6-4. Po-što je talasna dužina ultrazvučne energije mala (npr. oko 0.64 cm za Polaroidov sistem na 49.1KHz), ukupan efektivan opseg je i dalje samo 10 cm posle deljenja ulaza detektora faktorom 16. Zbog ovakve inherentne ograničenosti, ultrazvučni sistemi za određivanje udaljenosti detekcijom faze nemaju jako veliku primenu u pokretnim robotima, iako su Figeroa i Lamankuza 1992. godine opisali hibridni pristup koji bi povećao tačnost TOF određivanja daljine za trodimenzionalno određivanje pozicije (videti poglavlje 15).

Slika 6-4. Deljenje frekvencije ulaza u komparator faza nekim celim brojem će povećati interval višeznačnosti isti broj puta, ali po cenu rezolucije (Figeroa i Barbieri, 1991.)

Određivanje daljine pomoću laserskog kontinualnog talasa je poteklo iz rada Sten- fordskog instituta za istraživanja, 1970-ih (Nican, 1977.) Tačnosti određivanja daljine približavaju se onim koje su postignute kod TOF sistema sa pulsirajućim laserom. Međutim, nad njima je postignuta samo mala prednost jer je problem merenja vremena zamenjen potrebom za veoma sofisticiranom elektronikom za merenje faze (Depkovič i Vulf, 1984.). Takođe, do problema sa ovakvim pristupom je dolazilo u situacijama kada se odlazni signal istovremeno odbijao o dve mete na različitim udaljenostima od senzora, npr. skeniranje pored istaknute vertikalne ivice (Hebert i Krotkov, 1991.). Elektronika sistema je podešena da upoređuje samo jedan ulazni signal sa referentnim, i ne može da se nosi sa dva superponirana signala. Adams je 1993. godine opisao tehniku prepoznava-nja ovakvog događaja radi eliminisanja pogrešnih rezultata.

6.1.1 ERIM-3D Vision sistemi

Vozilo sa prilagodljivim vešanjem (Adaptive Suspension Vehicle, ASV), razvijeno na Državnom Univerzitetu u Ohaju (Paterson, 1984.), i Autonomno zemljano vozilo (Autonomous Land Vehicle, ALV), razvijeno od strane kompanije ″Martin Marietta Denver Aerospace″, bili su prvi projekti pokretnih robota finansirani od strane Agencije za napredne istraživačke projekte u odbrani (Defence Advanced Research Project Agency, DARPA) u 1980-tima, u okviru Programa strategijskog računanja (Strategic Computing Program). Kao podršku njihovim naporima, Institut za istraživanja okoline u Mičigenu (Environmental Research Institute of Michigan, ERIM) dobio je zadatak da razvije sistem naprednog trodimenzionalnog vida za potrebe upravljanja pokretnih uređaja u blizini drugih objekata i izbegavanja sudara. Početni dizajn, poznat kao Snzor vozila sa prilagodljivim vešanjem (na slici 6-5), radi na principu optičkog radara i

određuje daljinu do tačke putem merenja faznog pomeraja koriteći kontinualni laserski izvor talasa (Bejer, 1987.)

Sekvenca određivanja daljine počinje odašiljanjem amplitudski modulisanog la-serskog zraka koji obasjava objekat i delimično se obija od njega ka detektoru, odakle se pojačava i filtrira da bi se izdvojio modulišući signal od 16 MHz. Tada se odvaja amplituda signala za gledanje slike ili dvodimenzionalnu obradu slike. Referentni signal je izlaz iz oscilatora modulišućeg signala, i zajedno sa signalom iz detektora šalje se komparatorskoj elektronici. Rezultujuća fazna razlika se dobija tehnikom merenja vremena gde vodeća ivica referentnog signala pokreće brojač koji prestaje s brojanjem kada naiđe vodeća ivica povratnog signala. Rezultujuća brojna vrednost je funkcija fazne razlike dva signala, i konvertuje se u 8-bitnu digitalnu reč koja predstavlja daljinu do mete.

Trodimenzionalne slike proizvodi ASV senzor korišćenjem skenirajuće optike. Mehanizam se sastoji od jednog ogledala nagnutog vertikalno na niže (klimajućeg ogledala), i rotirajućeg pravougaonog ogledala sa četiri reflektujuće površine, keko je pokazano na slici 6-6. Pravougaono ogledalo odbija laserski zrak napred preko zemlje, zadajući liniju skeniranja na fiksnoj udaljenosti od vozila. Linija skeniranja se odbija od objekata i površina posmatranog regiona i formira konturu okoline u horizontalnom vidnom polju senzora. Treća dimenzija se dodaje tako što klimajuće ogledalo podiže zrak menjajući svoj položaj za diskretne vrednosti. Kompletna slika nastaje skeniranjem lasera s leva na desno i od dna ka vrhu.

Slika 6-5. ASV Senzor (slikano u ERIM-u)

Povratni signali dele istu stazu kroz klimajuće ogledalo i rotirajuće višeugaono ogledalo (koji su međudobno u malom ofsetu), a odvajaju se u posebnom staklenom opti-čkom lancu, odakle stižu do detektora. Brzina skeniranja od 180 linija u sekundi je funkcija vidnog polja i željene brzine frejmova, koji su određeni maksimalnom brzinom

vozila (u ovom slučaju 3 m/s). Veličina, težina i tražena brzina ogledala sprečile su kori-šćenje galvanometara u dizajniranju sistema, stoga, rotiranjem, spuštanjem i podizanjem ogledala se upravlja servo motorom.

820-nanometarska laserska dioda od galijum-arsenida (GaAs) sa optikom za koli-maciju i proširenje koristi se za proizvodnju laserskog zraka od 15 cm u poluprečniku na 9 m razdaljine. Detektor je silikonska fotodioda sa lavinskim probojem, optički filtrirana da se slaže sa talasnom dužinom lasera. Izvor lasera, detektor, optika za skeniranje i po-gonski motori smešteni su u jedno kućište koje se nalazi na visini od 2.44 m i gleda na vidno polje. Skenirajući laserski zrak pada na zemlju između 0.61 m i 9.14 m ispred vozila, sa 6.71 m širokom horizontalnom linijom skeniranja, sa maksimumom na 9.14 m. (Glavni faktor koji ograničava korisni merni opseg sistema jeste višeznačnost merenja, koja se dešava kada je fazna razlika između polaznog i primljenog signala veća od 360°.) Frekvencija osvežavanja sistema od 2 Hz stvara novu sliku svakih 1.52 m pri kretanju vozila unapred brzinom od 3 m/s.

Slika 6-6. Raspored ogledala u ERIM laserskom sistemu za određivanje razdaljine za ASV (slika je uzeta iz ERIM-a)

Posle dizajna i izrade ASV senzora, ERIM je uzeo zadatak razvijanja slične napra-ve poznate kao ALV senzor za DARPA autonomno zemljano vozilo.Ova dva instrumenta su u suštini isti u konfiguaciji i funkciji, ali sa modifikovanom izvedbom tako da odgovaraju potrebama različitih pokretnih platformi (tabela 6-1).

Tabela 6-1. Odabrane specifikacije za ASV i ALV ređaje za merenje razdaljine

Parametar ASV ALV JedinicaHorizontalno vidno polje 80 80 °Vertikalno vidno polje 60 30 °

Širina zraka 1 0.5 °Frekvencija frejmova 2 2 HzLinije skeniranja po

frejmu128 64

Pikseli po liniji skeniranja 128 256Maksimalna daljina 9.75 19.5 m

Vertikalno skeniranje 10 20 mTalasna dužina 820 820 nm

Napajanje 24 24 V450 450 W

Veličina 35.6*66.0*55.9 35.6*73.7*55.9 cm3

Masa 38.6 38.6 kg

Napredna naprava za određivanje razdaljine poznata kao Multispektralni ASV senzor je kasnije razvijena za primenu u spoljašnjem okruženju i na grubljim terenima, dosta dazličitim od relativno ravnih i jednoličnih površina na kojima je ASV koncept prvo testiran. Promene u terenu, podlozi i vegetaciji na koje se nailazi van puta zahtevaju efektivne načine razlikovanja zemljišta, stena, drveća, vode i drugih delova prirode. Mehanizam skenera multispektralnog senzora je u suštini isti kao kod njegovih prethodnika, ASV i ALV senzora. Jedina bitna razlika je u tome što umesto kvadratnog ro-tirajućeg ogledala za usmeravanje zraka uma šestougaono. Ovakva konfiguracija omogu-ćava da se emitovani i primljeni zrak odbijaju od različitih površina ogledala, što smanju-je interferenciju, i olakšava nameštanje ogledala u željeni položaj (slika 6-7). Klimajuće ogledalo za pomeranje zraka gore-dole ostalo je nepromenjeno.

Slika 6-7. Šestougaono rotirajuće ogledalo korišceno u multispektralnom skeneru smanjuje interferenciju i olakšava poravnanje ogledala (slika je preuzeta iz ERIM-a)

Masa mehanizma skenera plus mnoštvo lasera, optike i detektora učinile su multi-spektralni senzor velikim (3.7*0.9*0.9 m3), i teškim (272 kg), što komplikuje upravljanje i analizu potrebnu za dobijanje rezultata. Nekoliko izvora frekvencije, odgovarajućih de-tektora, rashladni sistem detektora i skener troše značajnu snagu: 15 kW!

6.1.2 Perceptron LASAR

Korporacija Perceptron (Farmington Hills, MI), razvila je i trenutno proizvodi LASAR, AM-modulisani 3-D laserski skener pokazan na slici 6-8. Namenjen je za indu-strijske primene i različite verzije se već koriste u navigaciji mašina, odabiranju kon-tejnera, inspekciju štete, i u rudarstvu. Senzor koristi klimajuće ogledalo zajedno sa pra-vougaonim rotirajućim radi postizanja vidnog polja od 45° u horizontalnom i vertikalnom smeru. U punoj rezoluciji (1024*1024) osvežavanje slike traje 6.4 s, dok pri manjim rezolucijama traje kraće. Maksimalna udaljenost koju LASAR sistem može da skenira je 40 m, sa tačnošću od ±2 mm po frejmu na 2 m daljine. Frekvencija frejmova je do 10 Hz, a moguća udaljenost skeniranja za specijalno konfigurisane verzije je i do 100 m.

Slika 6-8. LASAR 3-D skener postiže tačnost merenja od 2 mm u horizontalnom i vertikalnom vidnom polju od 45° na razdaljini od 2 m (slika je uzeta iz ERIM-a).

6.1.3 Odetics-ov Sistem za imidžing sa skenirajućim laserom

Odetics, Inc., (Anaheim, CA), razvio je prilagodljivi i multifunkcionalni merač razdaljine sa skenirajućim laserom ranih 1980-ih za upotrebu u ODEX-u 1, hodajućem

robotu sa šest nogu pokazanom na slici 6-9 (Binger i Heris, 1987., Bird i De Vri, 1990.). Sistem određuje razdaljinu putem merenja faznog pomeraja, praveći trodimenzionalnu sliku površine pomerajuci senzor s leva na desno i od gore ka dole. Tahnika merenja faznog pomeraja je odabrana pre akustičnog merenja daljine, stereo-vizije i svetlosnih struktura zbog visoke tačnosti i brzine dobijanja podataka.

Sistem za imidžing (dobijanje slike) se sastoji od dva glavna elementa, jedinice za skeniranje i jedinice sa elektronikom. Jedinica za skeniranje sadrži izvor lasera, fotode-tektor i mehanizam skenera. Izvor lasera je GaAlAs laserska dioda koja emituje zrak ta-lasne dužine od 820 nm, snage promenljive putem softvera, opsega 1 mW – 50 mW. Detekcija povratnog signala postiže se korišćenjem fotodiode sa lavinskim probojem čiji se izlaz vodi na elektroniku za merenje faze.

Drugi element, jedinica sa elektronikom, sadrži procesor za računanje daljine i obradu slike, kao i programabilni interfejs za bafer za frejmove. Procesor je odgovoran za upravljanje laserom, aktiviranje mehanizma za skeniranje, detekciju povratne energije i određivanje vrednosti razdaljina. Daljina se računa posebnim načinom detekcije faze, koji je brz, potpuno digitalan i samokalibrirajućisa visokim odnosom signal-šum. Minimalna posmatrana razdaljina je 0.5 m, a maksimalna (bez višeznačnosti, zbog faznih pomeraja većih od 360°) je 9.4 m.

Slika 6-9. Sistem za imidžing sa skenirajućim laserom je prvenstveno razvijen za upotrebu u Odex serijama hodajućih robota sa šest nogu (slika je uzeta iz Odetics, Inc.).

Hardver za skeniranje sastoji se od rotirajućeg šestougaonog ogledala koje pome-ra laserski zrak preko posmatrane površine s leva na desno, i ravnog ogledala čije klima-nje napred-nazad pomera zrak gore-dole, što ostvaruje vidno polje od 60° horizontalno i vertikalno. Sekvenca skeniranja je s leva na desno i od gore ka dole, i obasjava i detektuje nizove od 128*128 piksela frekvencijom frejmova od 1.2 Hz (Boltinghaus, 1990.)

Slika 6-10. Blok-dijagram Odetiksovog merača daljine sa skenirajućim laserom (slika je preuzeta od Odetics, Inc.).

Slika 6-11. Odetiksov Sistem za imidžing sa skenirajućim laserom stvara sliku od 128*128 piksela svakih 835 ms (slika je preuzeta od Odetics, Inc.).

Za svaki pixel, procesor daje vrednost razdaljine i vrednost video refleksije. Ovi podaci su ekvivalentni onima koji se dobijaju iz standardne crno-bele televizijske kamere, ali bez interferencije zbog svetla u spoljašnjoj sredini i efekta senke. Vrednost refleksije se poredi sa pretpostavljenim pragom radi sprečavanja obrade piksela sa preniskom po-vratnom snagom, i eliminisanja potencijalnih pogrešnih podataka o razdaljini; vrednost razdaljine se za ovakve piksele postavlja na maksimum (Boltinghaus i Larsen, 1989.). Jedan 3*3 set susednih median filtera se koristi za dalje filtriranje šuma od obrade poda-taka, refleksija sočiva, i impulsnih signala (Larsen i Boltinghaus, 1988.).

Izlaz je 16-bitna binarna reč koja sadrži vrednost razdaljine u 8 ili 9 bita, i infor-maciju o slici u 8 ili 7 bita, respektivno. Konačna rezolucija razdaljine za sistem je 3.66 cm za 8-bitni podatak i 1.83 cm za 9-bitni. Interfejs bafera omogućava privremeno

čuvanje podataka i može da prosledi podatke iz memorije reč po reč, ili u celim blokovi-ma eksternim host-kontrolerima pod kontrolom programa. Informacije se mogu proslediti i direktno, bez držanja u baferu. Trenutno, iterfejs podržava VAX, VME-Bus, Multybus i IBM-PC/AT opremu. Skenirajuća jedinica i jedinica sa elektronikom zajedno imaju masu od 14 kg i napajaju se strujom od 2 A i naponom od 28 V.

6.1.4 Sandia Scanerless Range Imager

Prvobitno osmišljen kao glava za pretraživanje kod pametnih oružja, SRI (na slici 6-12), razvijen u Sandia nacionalnim laboratorijama (Albuquerque, NM), računa trodi-menzionu informaciju o razdaljini bez mehaničkog čvrstog skeniranja. Laserska dioda ili niz LED-ova koristi se da osvetli celu oblast, na sličan način kao Robotic Video System-ov pulsirajući TOF Sistem za dugo optičko određivanje razdaljine i detekciju, opisan na kraju prethodnog poglavlja. Sandia-in pristup, međutim, koristi izvor amplitudski modulisanog kontinualnog talasa, zajedno sa jednom CCD kamerom, i određuje razdalji-ne za sve piksele istovremeno, na način baziran na određenom faznom pomeraju posle celog pređenog puta (Frejžer, 1994.). Merenje faznog pomeraja se vrlo elegantno postiže pretvaranjem fazne razlike u reprezentaciju snage koja se lakše kvantifikuje korišćenjem mikrokanalne ploče za pojačavanje slike, pokazanom na blok-dijagramu na slici 6-13.

Slika 6-12. Sandijin SRI koristi laserski izvor amplitudski modulisanog kontinualnog signala zajedno sa jednom CCD kamerom (slika je preuzeta od Sandia nacionalnih laboratorija).

Energija odbijena od osvetljene oblasti fokusira se u optici risivera na fotokatodni element koji stvara snop elektrona koji se menja u skladu sa promenama aplitude dolaze-će svetlosti. Sinusoidalni signal frekvencije fm koji moduliše laser se povezuje sa tankim provodnim listom (npr. kao usmeravač u katodnoj cevi), kako je pokazano na slici gore, radi kontrole toka elektrona iz fotokatode ka mikrokanalnoj ploči (Skot, 1990.). Tok elek-trona se pojačava sekundarnim emisijama dok prolazi kroz mikrokanalnu ploču, i pretva-ra se u svetlosnu energiju kada udari u fosforni ekran, kako je ilustrovano. Pošto je poja-čanje u delu za pojačanje slike modulisano signalom iste frekvencije kao i emitovana

energija, jačina svetlenja fosfora je, stoga, funkcija kosinusa faznog ugla zavisnog od raz-daljine (npr. zbog konstruktivne i destruktivne interferencije). Dalsina CCD kamera koja snima 210 frejmova u sekundi povezana je sa fosfornim ekranom koherentnim snopom optičkih kablova i služi kao integrisani 256*256 niz detektora (Vajs, 1994.).

Slika 6-13. Vrednost razdaljine računa se posebno za svaki pixel CCD detektora na osnovu detektovanog faznog pomeraja.

Da bi se proširio interval višeznačnosti i popravila rezolucija, snima se druga slika pomoću pojačavača slike fazno pomerenog za 90° u odnosu na izvor svetlosti, efektivno mereći sinus faznog ugla. Ove „sinusne“ i „kosinusne“ slike se obrađuju zajedno sa osnovnom slikom napravljenom bez modulacija transmitera i risivera da bi se eliminisale varijacije koje ne potiču od procesa određivanja udaljenosti (Skot, 1990.). Brzina osveža-vanja sistema koji koristi PC baze 68040 na 40 Mhz je jedan frejm u sekundi, ali će biti povećana u vrlo bliskoj budućnosti razvojem TI-C40 digitalnog procesora signala (DSP).

Slika 6-14. Rezultujuće slike dazdaljine (levo) i odbijene svetlosti (desno) tipične spoljašnje oblasti, koristeći niz od 660-nanometarskih crvenih LED dioda (slika je preuzeta iz Sandia

nacionalnih laboratorija).

Zbog jednostavne strukture, relativno niske cene, i demonstriranog potencijala za obradu širokog pojasa podataka o razdaljini srednje rezolucije, Sandia-in SRI se proučava za upotrebu na više robotskih platformi, uključujući i MDARS-Eksterni sistem. Jedini postojeći prototip senzora koristi lasersku diodu snage 20 W i modulisanu na 5 MHz, što kao posledicu ima dužinu inervala fišeznačnosti od 27.4 m i rezolucijom od 0.3 m na

maksimalnoj razdaljini od 609.6 m noću (Vajs, 1994.). Noćni rad sa LED emiterima bez-bednim za oči je takođe demonstriran na 61 m. Primeri slika razdaljine i osvetljenja na daljini od približno 18.3 m su na slici 6-14. Potencijalni problemi koji se i dalje razmatra-ju uključuju značajne zahteve za napajanje i rashlađivanje laserskog izvora, i održanje dovoljnog odnosa signal-šum za pouzdan rad uređaja tokom dana.

6.1.5 ESP Sistem za optičko određivanje razdaljine

Sistem za optičko određivanje razdaljine (Optical Ranging System, ORS-1) je jeftini uređaj za određivanje daljine koji koristi uski spektar infracrvenog zračenja (slika 6-15), razvijen 1989. godine od strane ESP Technologies, Inc., (Lawrenceville, NJ), za upotrebu u upravljanju autonomnim robotskim kolicima u fabrikama i sličnim okruženji-ma. LED izvor, snage 2 mW i talasne dužine 820 nm, 100% modulisanog na 5 MHz, formira kolimisan zrak prečnika 2.5 cm koji je bezuslovno bezbedan za oči. Odbijeno zračenje se fokusira koaksijalnim Fresnelovim sočivom prečnika 10.1 cm na fotodetektor. Mereni fazni pomeraj je proporcionalan pređenom putu zraka od transmitera do osvetljenog objekta. Kao adaptacija ranijeg prototipa razvijenog od strane AT&T (Miler i Vagner, 1987.), ORS-1 proizvodi 3 izlaza: razdaljinu i ugao mete i signal za kontrolu automatskog pojačanja (automatic gain control, AGC). Rezolucija daljine na 6.1 m je približno 6.35 cm, dok je ugaona rezolucija oko 2.5 cm na daljini od 1.5 m.

Slika 6-15. ORS-1 Sistem za optičko određivanje daljine određuje razdaljinu putem merenja faznog pomeraja koristeći LED izvor uskog infracrvenog spektra bezbednog za oči (slika je

preuzeta od ESP Technologies, Inc.).

Izlazni AGC signal je obrnuto propocionalan primljenom signalu i daje informaci-ju o reflektovanoj svetlosti o metu, i upozorava ako je povratni signal prejak ili preslab (ESP, 1992.). Korisni podaci o daljini se dobijaju samo kada je odgovarajuće pojačan signal u prethodno definisanom opsegu rada. Rotirajuće ogledalo postavljeno na 45° u odnosu na optičku osu obezbeđuje pokrivenost polarne koordinate od 360° (slika 6-16).

Pokreće ga motor sa optičkim enkoderom brzinom od (1-2) obrtaja u sekundi. Sistem je sposoban da radi kao risiver za simultanu širokopojasnu komunikaciju (Miler i Wagner, 1987.).

Slika 6-16. Šematski prikaz ORS-1 sistema za određivanje daljine (slika je preuzeta iz ESP Technologies, Inc.).

Tabela 6-2. Odabrane specifikacije Sistema za optičko određivanje daljine sa LED-om uskog infracrvenog spektra

Parametar Vrednost JedinicaMaksimalna daljina 6.1 mMinimalna daljina 0.6 m

Tačnost <15.2 cmAGC izlaz 1-5 V

Snaga izlaznog signala 2 mWŠirina zraka 2.5 cmDimenzije 15.2*15.2*30.5 cm3

Masa kgNapajanje 12 V (DC)

2 A

Primer rezultata skeniranja ovim uređajem u laboratorijskim uslovima dat je na slici 6-17. Montiran je na robotska kolica i postavljen u tačku (0,0) obeleženom krstićem na sredini slike.Podaci na njoj odgovaraju jednoj rotaciji ogledala u toku jedne sekunde. Primećuje se odsustvo podataka u pojedinim segmentima slike (npr., od tačke A do tačke B na slici). To su oni koji su izašli iz AGC opsega, pa nisu zabeleženi. Za sve objekte u prostoriji pokazano je da njihova daljina odgovara onoj izmerenoj urađajem (Miler i Vagner, 1987.).

Slika 6-17. Slika dobijena skeniranjem laboratorije jednom rotacijom ogledala u toku jedne sekunde (slika je uzeta iz ESP Technologies, Inc.).

6.1.6 Acuity Research AccuRange 3000

Acuity Research, Inc. (Menlo Park, CA), je skoro predstavila zanimljiv proizvod sposoban za jednoznačno merenje razdaljine od 0 m do 20 m koristeći svojstvenu tehniku gde je optički zrak deo petlje sa povratnim oscilacijama. AccuRange 3000 (slika 6-18) projektuje kolimisani zrak uskog infracrvenog ili vidljivog laserskog svetla, amplitudski modulisanog nesinusoidalnim signalom na 50% periode (Klark, 1994.). Otvor za skupljanje zraka prečnika 6.4 cm koji okružuje lasersku diodu na prednjem delu cilindričnog kućišta skuplja energiju odbijenu od mete i odmah zatim gasi laserski izvor. Kada primljena energija nestane (kao posledica prethodne akcije), laser se ponovo pali, i ciklus se ponavlja. Mrežni efekat ovako inovativnog pristupa, što zahteva minimalnu obradu, je četvrtasti izlazni talas, sa periodom oscilacija proporcionalnom merenoj razda-ljini.

Slika 6-18. AccuRange 3000 uređaj za merenje udaljenosti daje četvrtasti izlazni signal čija perioda varira i funkcija je razdaljine (slika je uzeta iz Acuity Research, Inc.).

Frekvencija izlaznog signala varira od 50 MHz na 0 m razdaljine do 4 MHz na 20 m. Daljina mete može se odrediti korišćenjem konvertora frekvencije u napon, ili me-renjem periode hardverskim ili softverskim tajmerom (Klark, 1994.). Odvojeni izlazni signali (od 0 V do 10 V) postoje za amplitudu povratnog signala, svetlost okoline, i tem-

peraturu radi obezbeđenja dinamičke kalibracije za optimalnu tačnost u zahtevnijim pri-menama. Izlazni signal se menja svakih 250 ns da bi se primetila i najmanja promena u daljini mete, i najgore vreme dobijanja novih podataka na izlazu je samo 3 ms. Ovako brz odgovor na signal pobude (do 312.5 Khz za svaki izlaz, sa opcionalnim SCSI intefejsom), omogućava manipulisanje zrakom frekvencijom od 1000 Hz do 2000 Hz pomoću opcio-nog mehaničkog lasera, pokazanog na slici 6-19 ispod. Sistem ogledala pod uglom od 45° rotira se servo-upravljačem radi odbijanja koaksijalnih izlaznih i ulaznih zraka za potpunu pokrivenost ravni od 360°.

Slika 6-19. Sposobnost odbijanja talasa od 360° omogućava se opcionalnim skienerom koji se rotira oko jedne ose (slika je uzeta iz Acuity Research, Inc.).

Tabela 6-3. Odabrane specifikacije Acuity AccuRange 3000 senzora za merenje daljine

Parametar Vrednost JedinicaIzlaz lasera 5 mW

Divergencija zraka 0.5 mradTalasna dužina 780/670 nm

Maksimalna daljina 20 mMinimalna daljina 0 m

Tačnost 2 mmUčestanost semplovanja do 312.5 KHz

Prečnik 7.6 cmDužina 14 cmMasa 510 gSnaga 5 i 12 V (DC)

250 i 50 mA

6.1.7 TRC Sistem za merenje daljine i pravca svetlosti

Transitions Research Corporation (TRC, Danbury, CT) nudi jeftini lidar sistem za de-tektovanje prepreka u blizini robota i/ili procenjivanje pozicije lokalnih orijentira ili meta koje odbijaju svetlost (videti poglavlje 15), baziran na prethodno diskutovanom uređaju AccuRange 3000 Acuity Research-a. TRC je dodala mehanizam za skeniranje sa dva ste-

pena slobode koji koristi ogledalo sa zlatnom površinom specijalno postavljeno na hori-zontalnu osu za skeniranje koja rotira brzinom od 200 rpm do 900 rpm (slika 6-20). Osa za naginjanje skenera je mehanički sinhronizovana da se jednom spusti („klimne“ 45° na dole, pa nazad) u toku 10 horizontalnih skeniranja, spiralno detektujući prostor oko robota (TRC, 1994.). Ova osa može biti mehanički ukočena radi horizontalnog 360-stepenog skeniranja pod fiksnim uglom.

Tabela 6-4. Odabrane specifikacije TRC Sistema za merenje daljine i pravca svetlosti

Parametar Vrednost JedinicaMaksimalna daljina 12 m

Frekvencija modulacije 2 MHzTačnost 25 mm

Rezolucija 5 mm0.18 °

Učestanost semplovanja 25 KHzVeličina skenera 13*13*35 cm3

Veličina elektronike 30*26*5 cm3

Masa 2 kg

Mikroprocesor 68HC11 vrši automatsku kompenzaciju ambijentalne svetlosti i temperaturi senzora, i šalje podatke o slici, pritisku i elevaciji RS232 interfejsom. Napaja se strujom od 500 mA pri jednosmernim naponom od 12 V i 100 mA pri 5 V. Tipični parametri dati su u tabeli 6-4.

Slika 6-20. TRC Sistem za merenje daljine i pravca svetlosti sadrži skener sa dve ose koji pokriva 360° u horizontalnoj, i 45° u vertikalnoj ravni (slika je uzeta od TRC).

6.2 Frekvencijska modulacija

Pored merenja udaljenosti pomoću faznog pomeraja postoji i merenje pomoću frekvencijski modulisanog (FM) radara. Ova tehnika uključuje odašiljanje kontinalnog elektromagnetnog talasa modulisanog periodičnim trougaonim signalom koji podešava frekvenciju nosioca iznad i ispod srednje frekvencije f0, kako je pokazano na slici 6-21. Transmiter odašilje signal frekvencije koja se menja kao funkcija vremena:

( ) atftf += 0

gde je:

a = konstanta,t = proteklo vreme.

Ovaj signal se obija od mete i stiže do risivera za vreme t + T.

cdT 2=

gde su:

T = ukupno vreme propagacije talasa (od transmitera do mete i nazad do risivera),d = daljina mete,c = brzina svetlosti.

Slika 6-21. Frekvencijska kriva primljenog signala je pomerena po vremenskoj osi u odnosu na frekvencijsku krivu referentnog signala.

Primljeni signal se poredi sa referentnim signalom preuzetim direktno iz transmi-tera. Frekvencijska kriva primljenog signala će biti pomerena u vremenu u odnosu na frekvencijsku krivu referentnog signala za iznos koji odgovara vremenu propagacije tala-sa do mete i nazad. (Takođe, može postojati i vertikalni pomeraj primljenog talasa, po frekvencijskoj osi, zbog Doplerovog efekta.) Ove dve frekvencije kombinovane u mikseru daju frekvenciju ritma Fb (engleski beat znači ritam):

( ) ( ) aTtTftfFb =+−=

gde je:

a = konstanta.

Izmerena frekvencija ritma se koristi za izračunavanje daljine do objekta:

dr

b

FFcFd

4=

gde su:

d = daljina mete,c = brzina svetlosti.Fb = frekvencija ritma,Fr = frekvencija ponavljanja (modulacije),Fd = ukupna devijacija FM frekvencije.

Merenje daljine je, dakle, direktno proporcionalno diferencijalnoj frekvenciji, ili frekven-ciji ritma, i njegova tačnost odgovara linearnosti promene frekvencije u intervalu broja-nja.

Napredak u kontroli talasne dužine zraka laserske diode sada dozvoljava da se ova metoda radarskog merenja razdaljine koristi i u laserskim uređajima. U njima, frekvencija ili talasna dužina zraka laserske diode može da se pomeri zbog promene temperature. Npr. talasna dužina 850 nanometarske laserske diode pomera se za 0.05 nm za 4 s: odgovarajući frekvencijski pomeraj je 5.17 MHz u ns. Ovaj laserski zrak, kada se odbije od površine udaljene 1 m proizvodi frekvenciju ritma od 34.5 MHz. Linearnost frekvencijskog pomeraja kontroliše tačnost sistema.

Merenje frekvencijske modulacije ima prednost nad merenjem faznog pomeraja jer nema višeznačnosti. (Sistemi sa merenjem faznog pomeraja povratnog signala moraju da izvrše više merenja sa različitom modulacijom da bi se izbegla višeznačnost.) Međutim, frekvencijska modulacija ima ozbiljne mane povezane sa linearnošću i moguć-nošću ponavljanja iste frekvencije, kao i koherentnosti laserskog zraka u optičkim siste-mima. Kao posledica, većina dostupnih FMCW (frekencijski modulisan kontinualni talas) sistema za određivanje razdaljine su bazirane na radaru, dok su za laserske naprave pogodnije metode sa merenjem vremena leta i detekcijom faze.

6.2.1 VRSS Radar za izbegavanje sudara za motorna vozila

Jedan od prvih sisema za izbegavanje sudara za motorna vozila je razvijen od strane VRSS (Vehicle Radar Safety Systems, Mt. Clemens, MI). Ova jedinica sa modifi-kovanim Dopler radarom je namenjena za skretanje pažnje vozačima na potencijalno opasne situacije. Minijaturna antena postavljena na hladnjak šalje uske mikrotalasne

zrake koji detektuju samo objekte koji su direktno na putanji vozila, ignorišući mete (kao što su znakovi pored puta i parkirani automobili) s obe strane. Kada se signal radara odbi-je od mete koja se sporije kreće ili je nepokretna, detektuje se pomoću antene i šalje se procesoru električnih signala, koji se nalazi ispod haube (VRSS, 1983.).

Procesor signala kontinualno obračunava brzinu i ubrzanje svog vozila, daljinu do mete, relativnu brzinu i ubrzanje mete. Ako ovi parametri zajedno zahtevaju da vozač preduzme bilo kakvu korektivnu ili preventivnu akciju, aktiviraće se zvonce i svetlo za upozorenje na posebnom delu komandne table. Ako se objekat ili sporije vozilo pojave na liniji kretanja vozila, upaliće se svetlo za obaveštenje. Ako razdaljina do mete nastavi da se smanjuje, i sistem utvrdi da je sudar moguć, upaliće se i svetlo i zvonce za upozorenje, signalizirajući vozaču da je potrebno prilagoditi vožnju novoj situaciji. Ako i dalje nema promene relativne brzine, upaliće se svetlo za opasnost, ukazujući potrebu za trenutnom akcijom.

Filter u procesoru signala omogućava optimalni opseg rada sistema, i baziran je na relativnoj brzini između vozila i opaženog objekta. Mogući odgovori odgovaraju izra-čunatim razlikama brzina od 0.16 km/h do 48.28 km/h (VRSS. 1983.). Ako razlika brzina pređe 48.28 km/h, kolo za filtriranje obezbeđuje kašnjenje signala za kontrolnu tablu, radi eliminisanja lažnih signala i signala koji bi mogli biti uzrokovani vozilina koja se približavaju pri preticanju na autoputu sa dve trake.

VRSS sistem za upozoravanje na sudare je testiran na preko milion km puta u raznim uslovima – po magli, kiši, snegu i ledu, sa dobrim rezultatima. Sadašnji model je usavršen 1983. godine posle 36 godina istraživanja, i odobren je od FCC 1985. godine. Iako je prvenstveno namenjen industriji autobusa i kamiona, ovaj jeftini uređaj je dokaz da mali radarski sistemi sa niskom potrošnjom predstavljaju alternativu korišćenju utra-zvučnih sistema za određivnje razdaljine za potrebe izbegavanja sudara kod mobilnih robota namenjenim za rad u spoljašnjim uslovima.

Tabela 6-5. Odabrane specifikacije VRSS radara za motorna vozila

Parametar Vrednost JedinicaEfektivna daljina 0.3 – 91.4 m

Tačnost 1.5 %Brzina osvežavanja

podataka200 Hz

Radna frekvencija 24 GHzRF snaga 10 mW

Širina zraka (horizontalno)

6 °

(vertikalno) 6 °Veličina (antene) 7.6*10.2 cm

(jedinice sa elektronikom)

10.2*12.7*5.1 cm

Masa 1.8 kgNapajanje 12 V

12 W

6.2.2 VORAD Sistem za detekciju vozila i uzbunjivanje vozača

VORAD (Vehicle Onboard Radar, radar za vozila) Safety Systems, Inc., (San Diego, CA), je takođe razvio komercijalni sistem sa FMCW Dopler radarskim sistemom sa milimetarskim talasima, dizajniran za upotrebu u motornim vozilima (VORAD, bez datuma). Sistem za upozorenje na sudar vozila koristi paket veličine 12.7*12.7 cm2, sa antenom/transmiterom/risiverom montiranim na hladnjak vozila radi merenja brzine i udaljenosti ostalog saobraćaja i prepreka na putu (slika 6-22). Ravna, kiselinom obrađena antena odašilje uski zrak snage od približno 0.5 mW na 24.725 GHz direktno niz put. Za transmiter se koristi GUNN dioda, a za risiver balansirani mikser-detektor (Vol, 1993.).

Slika 6-22. Paket antena/transmiter/risiver koji gleda unapred montiran je na prednji deo vozila na visini između 50 cm i 125 cm, dok opcionalna bočna antena može biti postavljena kako je

pokazano za pokrivanje mrtvog ugla (slika je preuzeta iz VORAD Safety Systems, Inc.).

Sastav za elektronsku kontrolu nalazi se u delu za putnike ili kabini (slika 6-22), i može odvojeno da razlikuje do 20 pokretnih ili nepokretnih objekata (Sjuru, 1994.) na maksimalnoj udaljenosti od 106.7 m; najbliže tri mete na daljini podešenoj za upozorenje detektuju se frekvencijom od 30 Hz. Motorola DSP 56001 i Intel 87C196 mikroprocesor računaju daljinu i njenu promenu iz RF podataka i analiziraju rezultate uz podatak o trenutnoj brzini vozila, kočenju i uglu upravljača. Jedinica za prikazivanje i kontrolu obaveštava vozača o mogućim štetnim situacijama u vožnji nizom svetlećih i zvučnih znakova.

Kao opcionalni deo, Sistem za upozorenje na sudar vozila nudi detekciju iz mrtvog ugla s desne strane vozila do daljine od 4.6 m. Transmiter bočnog senzora koristi dielektrični rezonantni oscilator koji radi u pulsnom Doplerovom modu na 10.525 GHz, i ravnu kiselinom obrađenu antenu sa širinom zraka od 70° (Vol, 1993.). Sistemski mikro-procesor u sastavu za elektronsku kontrolu analizira snagu signala i komponente frekven-cije iz podsistema sa bočnim senzorom zajedno sa podacima o brzini i položaju upravlja-ča vozila i aktivira zvučne i LED znakove ako se smatra da postoji opasna situacija.

Standardni deo za snimanje čuva 20 minuta najskorijih događaja u otklonjivoj EEPROM memorijskoj kartici za rekonstrukciju podataka posle nezgode, uključujući upravljanje, kočenje i vreme mirovanja. VORAD Safety Systems takođe nudi izveštaj o celom putu za vozače komercijalnih vozila, koji uključuje podatke o broju obrtaja u minuti motora, vremenu mirovaja, broju i ozbiljnosti upozorenja sistema, prekoračenju broja obrtaja motora, prekoračenju brzine, itd. Greyhound autobuske linije su skoro završile instaliranje VORAD radara na svakom od svojih 2400 autobusa (Balkli, 1993.), a odmah zatim zabeležile najnižu stopu saobraćajnih nezgoda u poslednjih 25 godina (Greyhound, 1994.). Ceo sistem ima masu od samo 3.1 kg i radi na 12 V ili 24 V sa nominalnim potrošnjom snage od 20W. Dostupan je i RS232 digitalni izlaz. Odabrane specifikacije su prikazane u tabeli 6-6 ispod.

Tabela 6-6. Odabrane specifikacije za Sistem za upozorenje na sudar.

Parametar Vrednost JedinicaEfektivna daljina 0.3 – 106.7 m

Tačnost 3 %Brzina osvežavanja podataka 30 Hz

Brzina vozila 0.8-193.1 km/hBrzina zatvaranja 0.4-160.9 km/hRadna frekvencija 24.725 GHz

RF snaga 0.5 mWŠirina zraka (horizontalno) 4 °

(vertikalno) 5 °Veličina (antene) 15.2*20.3*3.8 cm3

(juedinice sa elektronikom) 20.3*15.2*12.7 cm3

Masa 3.1 kgNapajanje 12 - 24 V (DC)

20 WSrednje veme rada 17000 sati

Zajedno sa poslovnim partnerom Eaton Corporation, VORAD dostavlja robusnije komercijalne sisteme za industriju teških kamiona, sa proširenim opsegom radne tempe-rature od -40°C do 85°C, 100V/m EMI susceptibilnošću, i koji potpuno odgovara standardu o zaštiti okoline SAE J1455 (VORAD, 1994.).

6.2.3 Safety First Systems Sistem za detekciju i upozoravanje na vozila

Safety First Systems, Ltd., (Plainview, NY) i General Microwave (Amityville, NY) timski su razvili i pustili na tržište mikrotalasnu jedinicu koja radi na 10.525 Hz za upotrebu u motornim vozilima za pokrivanje mrtve tačke za vozače pri kretanju unazad ili prelaženju u drugu traku (Sjuru, 1994.). Modifikovana FMCW tehnika uskog zraka (100 KHz) koristi metodu koja je na čekanju za patentiranje, sa povećanjem fazne diskri-minacije za povećanje rezolucije od 20 puta. Npr. konvencionalni FMCW sistem koji radi na 10.525 Ghz sa širinom opsega od 50 MHz ograničen je na, u najboljem slučaju,

rezoluciju od približno 3 m, dok poboljšanim pristupom može da se obradi daljina od 0.2 m do 12.2 m (SFS, bez datuma). Veća tačnost i opseg merenja (npr, do 48.8 m) mogući su sa dodatnom oradom signala.

Prototip sistema dostavljenog Chrysler Corporation koristi konformalnu bistatičku antenu sa mikrotrakom, postavljenu na zadnjim pločama i zadnjem braniku kombija i može da detektuje i pokretne i nepokretne objekte u delovima koje zrak pokriva, kao na slici 6-23. Približni podaci o daljini reflektujućih meta prezentuje u 4 opsega sa zasebnim TTL izlazima: 0 m – 1.8 m, 1.8 m – 3.4 m, 3.4 m – 6.1 m i veće od 6.1 m. Prosečna odašiljana snaga je oko 50 µW, sa 3% periode čime se eliminiše interferencija bliskih sistema. Sistem se napaja sa 1.5 A i 9 V ili 18 V jednosmernog napona.

Slika 6-23. Sistem za detekciju i upozoravanje na vozila koristi modifikovanu FMCW tehniku za određivanje daljine za detekciju iz mrtvog ugla pri vožnji unazad ili menjanju trake (slika je

preuzeta iz Safety First Systems, Ltd.).

6.2.4 Millitech Radar sa milimetarskim talasima

Millitech Corporation (Deerfield, MA) dizajnirala je nekoliko FMCW sistema sa milimetarskim talasima napravljenih za potrebe merenja malih razdaljina radi izbegava-nja sudara robota. Ovi senzori rade na talasnim dužinama od 3.2 mm (94 GHz) do 8.6 mm (35 GHz) i bolji su od naprava sa infracrvenim talasima zbog toga što rade pod svim vremenskim uslovima, jer im učinak nije umanjen zbog magle, kiše, prašine, ili peska (videti poglavlje 9). Slika 6-24 pokazuje sistem za skeniranje slike i akviziciju podataka u kome četiri vertikalno postavljena zraka mehanički skeniraju u horizontalnom pravcu radi proizvodnje slike razdaljina u 256 piksela brzinom od 5 Hz. Svaki piksel prikazuje 512 različitih opsega razdaljina (na 0.5 m).

Slika 6-24. Četiri vertikalno naslagana milimetarska talasa mehanički skeniraju u horizontalnom pravcu radi stvaranja slike od 4*64 piksela u vidnom polju od 12°*64° (slika je preuzeta iz

Millitech Corp.).

Inovativni deo Millitech dizajna je korišćenje kontrole oscilatora zatvorenom petljom radi generisanja osnovnog talasa transmitera, što daje stabilan rad koji se ne menja tokom vremena. Rad u milimetarskom delu spektra RF talasa dozvoljava performanse visoke rezolucije u malom pakovanju što može biti postignuto pomoću komplementarnih mikrotalasa na nižim frekvencijama. Dvostepeno vidno polje, na primer, zahteva veličinu otvora od samo 110 mm na 94 GHz, u odnosu na 300 mm na 35 GHz. Primer podataka o razdaljini dobijenih skenirajućim senzorom pokazanim iznad prikazan je na slici 6-25 za dve grupe objekata.

Slika 6-25. Podaci o daljini dobijeni pomoću skenirajućeg senzora sa 256 piksela pokazani su za ljudske mete (A i B), i nežive objekte kao šti je kamenje i trava (C i D) (slike su preuzete iz

Millitech Corp.).

Verzije Millitech FMCW radara sa fiksiranim pravcem i jednim zrakom (slika 6-26) su takođe napravljene za primenu u industriji u kontroli procesa gde jaka prašina, dim i/ili para onemogućavaju upotrebu konvencionalnih sistema za određivanje daljine baziranih na laseru ili zvučnim talasima. Ovakve industrijske primene generalno

zahtevaju određivanje daljine sa većom rezolucijom (tipično 50 mm), na manjim radnim razdaljinama (≤30 m) nego za primenu kod izbegavanja sudara robota (videti tabelu 6-7). Takođe, ekstremni uslovi rada u pojedinim industrijskim procesima mogu izložiti otvor senzora temperaturama do 200°C.

Slika 6-26. Tipični industrijski FMCW senzor daljine sa milimetarskim talasima često je izložen temperaturama koje prelaze 200°C (slika je preuzeta iz Millitech Corp.).

Tabela 6-7. Odabrane specifikacije Millitech prototipova radara sa milimetarskim talasima

Parametar Senzor sa skenerom 256 piksela

Industrijski senzorsa fiksiranim zrakom Jedinica

Maksimalna daljina 100 30 mMinimalna daljina 0.5 0.2 %

Snaga izlaznog signala 10 5-10 mWVidno polje 12*64 1-2 °

Presek radara -40 (minimalni) -30(minimalni) dBsmRezolucija - daljine 50 5 cm

- horizontalnog vidnog polja 1 1-2 °- vertikalnog vidnog polja 3 1-2 °

Centralna frekvencija 77 94 GHzŠirina opsega prebrisavanja 300 400 MHz

Brzina frejmova 5 -- HzIzlazni podaci Digitalnu Eksterna A/D

Napajanje 24 ±18 - ±28 V (DC)3 0.5 A