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A Hardware-level Method to Improve the Range and Accuracy of an Ultrasonic Ranging System

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A hardware-level method to improve the range, robustness, and accuracy of a one-dimensional ultrasonic ranging system is presented. Peak detection is combined with phase measurement to determine accurately the time-of-flight of the transmitted signal. An automatic gain controller taking feedback from the level of the peak of the received signal is used to increase the working range of the unit, and to attenuate signals resulting from undesirable reflections.

Prototype circuitry was built and tested using a pair of 40 kHz transducers in a transmitter/receiver configuration. Combining fixed gain adjustments and automatic gain control the system operated reliably up to a distance of 6.09 m, and a misalignment angle of 40°, yielding a resolution of 0.2 mm. The automatic gain controller allowed a range of operation of 1.52 m about a reference position for which the fixed gain was optimally set. The system proved to be both accurate at relatively long distances, and robust against reflections. Since the signal processing is performed at the hardware level, it allows high update rates (approximately 100 Hz). The cost of the circuitry per receiver was approximately $100.

Zusammenfassung

Es wird eine Hardware-Methode zur Verbesserung der Reichweite, der Robustheit und Genauigkeit eines eindimensionalen Ultraschall-Ortungssystems vorgestellt. Die Spitzendetektion wird mit einer Phasenmessung zur genauen Bestimmung der Laufzeit des ubertragenen Signals kombiniert. Zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches der Einheit sowie zur Schwächung von unerwünschten Reflexionen wird eine automatische Verstarkungsregelung durch den Spitzenpegel des Empfangssignals vorgenommen.

Es wurde ein Schaltungsprototyp erstellt und getestet unter Benutzung zweier 40 kHz-Wandler in einer Sender- Empfänger-Konfiguration. Bei Kombination einer festen Verstärkungseinstellung mit der automatischen Verstärkungsregelung arbeitet das System zuverlässig bis zu einer Entfernung von etwa 6 m und einer Winkelabweichung von 40°; die erreichte Auflösung betrug 0,2 mm. Die automatische Verstärkungsregelung ließ einen Arbeitsbereich von 1,52 m um eine Referenzposition zu, für welche die feste Verstärkung optimal eingestellt wurde. Das System arbeitete genau bei relativ weiten Entfernungen und erwies sich dabei als unempfindlich gegenüber Reflexionen. Da die Signalverarbeitung mit Hardwaremitteln erfolgt, sind hohe Auffrischungsraten (etwa 100 Hz) möglich. Die Kosten der Schaltung betrugen etwa 100 $.

Sommaire

On présente une méthode destinée à améliorer la portée, la robustesse et la précision d'un système unidimensionnel de mesure de distances par ultrasons, basée sur l'emploi d'une électronique câblée. La durée de vol du signal transmis s'obtient précisément en combinant la détection de pointe et la mesure de phase. Un contrôleur automatique de gain, piloté par le niveau de pointe du signal reçu, sert à accroître la portée efficace du module et à atténuer les signaux provenant de réflexions indésirables.

Le prototype construit et testé est constitué d'une paire de traducteurs à 40 kHz en configuration émetteur-récepteur. En combinant les ajustements du gain fixe et le contrôle automatique de gain, on peut exploiter fiablement le système jusqu'à une distance de 6,09 m, et un angle de dépointage de 40°, avec une résolution de 0,2 mm. Le contrôle automatique de gain permet un intervalle opératoire de 1,52 m autour d'une position de référence pour laquelle le gain fixe a été régié de façon optimale. Le système s'est révélé à la fois précis sur des distances relativement longues, et résistant aux réflexions parasites. Le fait que le traitement du signal soit effectué au niveau du processeur permet des taux de mise à jour élevés (environ 100 Hz). Le coût du circuit est d'environ 100 dollars par récepteur.
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Document Type: Research Article

Publication date: May 1, 1993

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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