Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Муниципальное казенное учреждение «Управление образования

ГО «Город Лесной»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей»

Использование автоматизации в картографировании

Направление:

Исполнитель: ученик 10 класса Дмитрий Тюкалов

Руководитель: Аминов Евгений Витальевич

учитель физики

высшей категории

2

Оглавление

Введение 3

III.4. Эксперимент. 15

В данной работе мы рассмотрели эхолокацию как явление в технике, медицине и животного мира. Изучили историю данного явления. 15

Введение

В наше время люди постепенно разрабатывают устройства, которые облегчают нашу жизнь. Все профессии раннее не представляемые без человека лишаются этого фактора. В своей работе я рассматриваю одну из этих профессий-картографию. Услышав это начинаешь задумывается, а как же это может работать. Современные технологии позволяют очень точно составлять полноценные 3D карты, получить площадь и даже определить координаты по меридианам.

Автономные системы могут помочь человеку, как в мирной, так и в военной сфере деятельности. Робот-картограф способен точно и быстро разметить поле на приусадебные участки, сделать план больших и малых помещений любой сложности, что может помочь строителям. В наше время разведка местности может решить исход битвы, но воздушная разведка не всегда может принести должных результатов при проверке закрытых помещений.

Целью данной работы стало: создание установки способной составлять план территории и вычисления площади.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить методы картографирования.

2. Изучить возможности микроконтроллерной платформы Ардуино.

3. Разработка устройства для наших целей.

4. Написание программы для реализации цели и задачи нашей работы.

5. Тестирование в различных условиях.

Мы предполагаем, что составление планов территории весьма перспективный проект т.к. он не требует особых затрат сил, времени и денег. Его можно использовать как в военной отрасли, так и в повседневной жизни. От составления планов класса до огромных складов.

Глава I.

Методы картографии

В картографическом производстве карты получают либо в результате полевых съёмок и обработки их материалов, либо в камеральных, т. е. в кабинетных или лабораторных, условиях путём использования и переработки разнообразных источников – картографических, географических, экономико-статистических и др.

Методы полевых съёмок и их обработки для создания топографических карт рассматриваются топографией и аэрофототопографией. Тематические съёмки – геологические, почвенные и др. – входят в задачи картографирования геологического, почвенного и т.д. Методы проектирования и камерального изготовления карт разрабатываются собственно картографией. При камеральной работе, исходя из назначения проектируемой карты, намечают её предварительную программу: масштаб, картографическую проекцию, содержание карты (перечень элементов содержания, их классификации, полноту и подробность передачи каждого элемента и т.д.) и способы изображения. Далее подбирают необходимые источники и изучают по ним картографируемые явления, чтобы установить их типические черты и характерные особенности, которые следует отобразить на карте. С учётом результатов этой работы готовят окончательную программу карты.

Далее следуют работы по графическому изготовлению оригинала карты (картосоставительские процессы), включающие построение картографической сетки, перенос на неё содержания источников (полностью или выборочно), генерализацию и вычерчивание оригинала в установленных программой картографических знаках. При составлении тематических карт содержание источников переносится на заранее подготовленную (или выбранную) географическую основу.

Для нашей работы мы выбрали метод полевых сьёмок так как он наиболее точный из всех методов картографии. Бот создан именно для такого метода картографии проводя замеры в реальном времени на выбранной территории.

Эхолокация

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 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.

В будущем сформировалось определение этого явления. 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.

Эхолокация была бы бесполезна без замеров, которые позволяют ориентироваться в пространстве. Эту проблему смогли решить. Измеряя время запаздывания принятого импульса относительно излучённого τ и зная скорость звука в среде c, можно определить расстояние L до отражателя: L = cτ/2. Очевидно, что в реальных условиях приходится принимать меры к тому, чтобы эхолокатор не показывал слабые цели для исключения ложного срабатывания. Для этого существуют процедуры оценки минимального порогового уровня чувствительности обнаружения. Кроме того, разумно ограничиться некоторой зоной интереса по L, исключив из неё ближнюю зону, где всегда имеются мощные помехи, и дальнюю зону, где полезный сигнал становится сравним по амплитуде с шумами. Если к этому добавить управление усилением принятого сигнала (причём его можно сделать зависящим от дальности, чтобы скомпенсировать ослабление сигнала с расстоянием), мы получим универсальный эхолокатор, который с небольшими вариациями может быть использован для решения множества задач технической и медицинской диагностики.

Эхолокация начинается с ультразвука. 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.

Но со временем люди научились применять эхолокацию в различных средах её проявления. В эхолокационной технике можно выделить несколько больших классов – уровнемеры, толще меры, эхолоты, дефектоскопы. Различаются они в основном алгоритмами использования получаемой акустической информации, тогда как основой для каждого из них по-прежнему является описанный выше одномерный эхолокатор. Но вернёмся к применению эхолокации.

Способы применения эхолокации весьма широки так в 1912 г., всего через два месяца после гибели «Титаника», австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. 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». УЗ-толщиномеры, например, 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.

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.

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 не инвазивные 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.

В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации, т.е. простейшего вида эхолокации. Импульс напряжения подаётся на излучающий элемент (генератор), тот направляет в среду короткий акустический импульс. Если на пути звуковой волны встречается препятствие (граница раздела слоёв с разными акустическими свойствами, например, трещина в металле), то часть сигнала отражается и может быть принята датчиком, чаще всего размещаемым там же, где и излучатель. Сигнал преобразуется в электрический, усиливается и появляется на экране. Пример к принципу действия одномерного УЗ-локатора находится в приложении 5. Одним из применений одномерной УЗ-локации 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.

Как и другие виды волн, ультразвук поглощается при распространении в вязкоупругой среде. Поглощённая энергия вызывает нагрев мягких тканей, который можно использовать для целей физиотерапии. В отличие от обычных источников тепла прогрев происходит за счёт поглощения ультразвука внутри тканей, а не за счёт их теплопроводности. Отличие от нагрева СВЧ-излучением заключается в направленности УЗ-пучка, т.к. длины волн ультразвука существенно короче. Поглощение ультразвука быстро растёт с увеличением частоты, что позволяет довольно сильно прогревать локальные участки тела, например, злокачественные опухоли. Интенсивность терапевтического ультразвука не превышает 3 Вт/см².

В одной области физиотерапии, по-видимому, ультразвуку нет конкурентов. Речь идёт о лечении угревой сыпи и ряда сходных заболеваний. До сих пор ни один из методов лечения не дал 100%-ной гарантии выздоровления. В 2007 г. появились УЗ-приборы, работающие в диапазоне 15–20 МГц, которые показали хорошие результаты при клиническом тестировании. Ещё более мощный ультразвук приводит к разрушению сплошной структуры мягких тканей. Это явление лежит в основе действия УЗ-скальпелей, позволяющих получать бескровный разрез (повреждённая кромка ткани запекается под воздействием УЗ-волны), что очень важно для многих хирургических операций. Но можно воспользоваться тем, что ультразвук довольно легко фокусируется, например, с помощью вогнутых излучателей, формирующих сходящийся волновой фронт. При этом вблизи поверхности тела интенсивность ультразвука не превышает диагностический уровень, а в фокусе достигает огромных значений, что позволяет, например, дробить камни в почках, не нарушая целостности окружающих тканей. В перспективе может быть создан хирургический инструмент для внутриполостных операций без разреза поверхности, работающий под управлением двумерного или трёхмерного эхолокатора.

Существование видов животных, способных воспринимать ультразвук, было открыто одновременно с самим ультразвуком (вспомните свисток Гальтона). Оказалось, что огромное количество биологических видов чувствительно к ультразвуку, по крайней мере в диапазоне 20–40 кГц.

Гораздо более интересное открытие было сделано позднее – некоторые биологические виды не только чувствительны к ультразвуку, но могут его излучать и использовать для обнаружения целей и препятствий. Наиболее известны здесь летучие мыши и дельфины, издавна использующие физические и информационные принципы, которые человек научился применять лишь недавно. Например, долгое время оставалось загадкой, как летучая мышь может обнаруживать в темноте тонкие проволочки, натянутые в комнате (такие эксперименты проводил Р. Вуд). Впоследствии оказалось, что мозг летучей мыши проводит сложнейшую обработку информации, накопленной не за один цикл передачи-приёма звука, а за множество циклов при движении животного (такая процедура в радиолокации называется апертурным синтезом), увеличивая разрешающую способность своего «локатора» во много раз. Не исключено, что некоторые виды используют ультразвук и для передачи информации.

Говоря об информационных возможностях УЗ-волн, нельзя не упомянуть ещё одно интересное применение мощного фокусированного ультразвука: передачу речевой информации путём прямого воздействия на слуховой нерв. Пионерские исследования в этой области были начаты в 80-е гг. прошлого века проф. Л.Р. Гавриловым (г. Москва). Идея заключалась в следующем: высокочастотный (100–200 кГц) сигнал модулируется по амплитуде низкочастотным речевым сигналом и подаётся на фокусированный УЗ-излучатель, возбуждая модулированную волну. Излучатель прикладывается к поверхности головы так, чтобы фокус находился в области, где проходит слуховой нерв. При этом было обнаружено, что слуховой нерв становится «детектором», и человек начинает слышать модулирующий речевой сигнал. Конечно, этот метод может помочь не всем глухим людям, а лишь тем, глухота которых связана с нарушениями подвижности механической части слухового аппарата. Тем не менее эта технология в настоящее время применяется достаточно широко во всём мире.