Detekčná charakteristika - MATLAB

Detekčná charakteristika - MATLAB
pridal deadawp 8.8. 2021 o 14:22 (naposledy upravené 4.6. 2026 o 19:47)

Dnes si ukážeme výpočet a vizualizáciu detekčnej charakteristiky ultrazvukových senzorov v prostredí MATLAB. Vizualizácie boli využité v projekte Watmonitor (webové rozhranie hladinomera) pre lepšiu reprezentáciu detekčnej charakteristiky používateľovi webaplikácie pri výbere ultrazvukového senzora, ktorého charakteristika vyhovuje priemeru studne pre meranie bez odrazov.

Detekčná charakteristika vyjadruje schopnosť detekcie plochy na určitú vzdialenosť so známou šírkou lúča. Ultrazvukové senzory vzdialenosti fungujú na princípe vysielanie signálu Trigger s dĺžkou 10 mikrosekúnd, ktorý sa od detekovanej plochy odrazí a vráti sa do prijímača - Echo. Na základe času príchodu signálu vieme určiť vzdialenosť v metroch, resp. centimetroch.

V prípade použitia senzora s nevhodnou detekčnou charakteristikou sa zvyšuje čas príchodu signálu, prípadne sa signál nevráti vôbec z dôvodu príliš veľkého počtu odrazov od stien studne. V projekte Watmonitor boli využité dva druhy ultrazvukových senzorov vzdialenosti. Ako komunikačné mikrokontroléry boli použité Arduino Uno, ESP8266, či ESP32. Prenosové technológie Ethernet / WiFi / IoT sieť Sigfox, či LoRa PPP / LoRaWAN.

Prvým typom ultrazvukového senzora v projekte bol HC-SR04 (existujú aj kompatibilné senzory HC-SR05, HY-SRF05, HY-SRF06, DYP-ME007, Parallax Ping), ktorý má detekčnú charakteristiku 15°, alebo ak chceme cca 262 mRAD. Senzor je veľmi lacný a veľmi obľúbený. Nevýhodou je určite, že senzor nie je vodotesný a nehodí sa priamo do studne. Druhým senzorom bol JSN-SR04T, ktorý má priemerne 60° detekčnú charakteristiku (udávaná 45° až 75°), teda 1047 mRAD. To znamená, že lúč v prípade JSN-SR04T je 4x širší v rovnakej vzdialenosti ako HC-SR04. Senzor je síce drahší, ako HC-SR04, je však vodotesný a hodí sa priamo aj do vlhkého prostredia studne bez vysokého rizika korózie. Podobnú detekčnú charakteristiku ako JSN-SR04T dosahuje aj DFROBOT A01NYUB.

Aby sme mali zastúpenie aj pre laserové snímače a detekciu vzdialenosti s využitím svetelného zdroja, využili sme ToF laserový snímač VL53L1X od STMelectronics (modul TOF400C), ktorý má detekčnú charakteristiku 27° - 471 mRAD, ale umožňuje v nastavení nastaviť aj ROI, tzv. Region of Interest, ktorým je možné upraviť prijímaciu detekčnú charakteristiku na menšiu oblasť SPAD matice. a to až na 15° a teda zhodne s HC-SR04, teda 262 mRAD.

Pri výpočte detekčnej charakteristiky si musíme definovať určité hranice. Oba ultrazvukové senzory sú schopné merať vzdialenosť maximálne do 450 cm, VL53L1X oficiálne 400 cm. Na základe známych detekčných charakteristík môžeme v prostredí MATLAB vypočítať šírku lúča vo vzdialenosti 0 až 450 cm pre všetky snímače. Pri výpočte využijeme trigonometriu. pre vizualizáciu polomeru (resp. celkového priemeru) som v prostredí MATLAB využil grafickú reprezentáciu s využitím osi X, ktorá rozdeľuje priemer na polomer. Z toho dôvodu sa pri výpočte počíta detekčná charakteristika s rozdeleným uhlom na polovicu. Nakoľko nám to os X rozdeľuje, budeme počítať s uhlom 7,5° a -7,5° (pre HC-SR04). Pri výpočte je nutné previesť uhol na radiány t.j. (pre HC-SR04) 0.1316525 a -0.1316525 (čo už realizuje program).

Vzorec pre výpočet šírky lúča v danom bode (polomer) je: vzdialenosť * tg(rad_studne).

Celkovo som vytvoril viacero matíc so vzdialenosťou po pol metri s využitím jemného stúpania, aby detekcia vo vizualizácii nebola skokovitá. Taktiež je každého pol metra vizualizované rozličkou farbou v grafickej reprezentácii. Pre 0 až 0,5 metra bola postupnosť po 0,01 m lineárne. Následne som už výsledky mohol vykresliť do grafu, kde som si prispôsobil jeho rozmery. Z výsledkov u oboch detekčných charakteristík je zrejmé, že šírka lúča pri HC-SR04 vo vzdialenosti 4,5 metra od senzora je 1,20 metra. V prípade JSN-SR04T je pri vzdialenosti hladiny 4,5 metra od senzora šírka lúča takmer 6 metrov.

Detekčná charakteristika - HC-SR04 - 15° - 262 mRAD / VL53L1X s pozmeneným ROI:

Detekčná charakteristika - JSN-SR04T - 60° - 1048 mRAD:

Detekčná charakteristika - VL53L1X - 27° - 471 mRAD:

Rovnaký princíp výpočtu je integrovaný aj do webaplikácie projektu Watmonitor, kde výpočet realizuje PHP script. Na základe známeho priemeru studne vypočíta maximálnu teoretickú merateľnú vzdialenosť po hladinu vody, kde by nemalo dôjsť k odrazom od stien studne. Tým si viete zvoliť vhodný snímač pre vašu studňu, či nádrž pre spoľahlivé meranie.