Ultraschall und IR

Hi, ich (16) bin gerade dabei ein Roboter mit Ultraschall und IR zu bauen. Ich möchte damit die Position ermitteln. Hat jemand von euch das schon mal gemacht?
Ringelkrat

[Albanac]

http://www-personal.engin.umich.edu/~johannb/position.htm

[hrrh]

es gibt 2 moeglichkeiten:
1. man stellt mehrere "sender" auf und verwendet ein system zur peilung. dann laesst sich aus den winkeln die position bestimmen
2. man nutzt die signallaufzeiten (schall ist viel langsamer als licht) aus den signallaufzeiten laesst sich die entfernung zu den "sendern" bestimmen. wenn man mehrere verhendet auch sehr genau

[Manf]

es gibt 2 moeglichkeiten:
1. man stellt mehrere "sender" auf und verwendet ein system zur peilung. dann laesst sich aus den winkeln die position bestimmen
2. man nutzt die signallaufzeiten (schall ist viel langsamer als licht) aus den signallaufzeiten laesst sich die entfernung zu den "sendern" bestimmen. wenn man mehrere verhendet auch sehr genau

Hallo hrrh
Das klingt ja grundsätzlich sehr interessant, könntest Du das vielleicht noch etwas mehr auf Sensoren beziehen, damit es hier im Sensor Forum bleiben kann?

1.Was für Sender sollten es denn sein, welche Signale, die wie gepeilt werden?
2. Wie sollten die Sensoren denn die Signallaufzeiten messen: Interaktiv oder nach Kennung?
Manfred

[Ringelkrat]

@ Albanac: Ja, ich hab das Buch schon gelesen. Ist nicht schlecht.

@ hrrh: Genau das habe ich vor. Hast Du das schon mal gemacht? Muss ich das Mikrofonsignal verstärken oder reicht es auch so wenn ich das ein einem Mirkrocontroler anschließe (ATTiny 26 von ATMEL)??

Ich hab schon verstanden, wie ich die Position berechnen kann: Mit 3 Ultraschall-Sedebojen und eine IR-Sendeeinheit. Das funktioniert dann so:


Von mir selber:
- Du sendest ein IR (infrarot) Signal, was dein Roboter empfängt und gleichzeitig ein US (Ultraschall) Signal
Sobald der Roboter das IR Signal emfängt (sofort durch Lichtgeschwindigkeit) setzt er einen Timer auf null und misst die Zeit bis er das US Signal empfängt. Mit der Schallgeschwindigkeit (307 m/s Hängt aber auch von der Luft-Temperatur ab) kannst du die Strecke zwischen US-Sender und Roboter berechnen.


Nur wie werte ich das Mikrofon-Signal aus?

MfG Ringelkrat

[hrrh]

auswertung des mikrofonsignals: man verwendet einen "timer", der die zeitdifferenz zwischen dem eintreffen der beiden signale misst (der timer wird per IR gestartet und vom ultraschallsignasl gwestoppt). die signale muessen modulirt sein, damit man auswerten kann, von welchem "sender" sie kommen. eine andere noch genauere moeglichkeit zur standortbestimmung ist die verwendung von 3 oder mehr (je mehr, desto besser) sendern, die mit einer freqenz von mehreren (2-100) GHz senden. deren position (im vergleich zum roboter) mit kreuzpeilung genau bestimmen (daher die hohe freqenz). statt HF laesst sich auch IR oder ultrachall verwenden (beides ist ungenauer). als sensoren verwendet man geeignete exemplare aus dem fachhandel (oder selber bauen). wenn mikrofone verwendet werden sind mikrofonverstaerker noetig (und ein ad-wandler). ausprobiert habe ich das alles nicht, muss (muesste) aber funktioniren

[Manf]

An hrrh:
Das mit mit der Keruzpeilung die auch mit Ultraschall geht habe ich nicht ganz verstanden, könnest Du das noch etwas geanuer beschreiben? Das wäre sicher interessant, weil die Frequenz dabei sicher nicht ganz so hoch sein muß wie bei der davor genannten Methode.
Manfred

[hrrh]

das funktionirt genauso wie mit funk, nur verwendet man anstatt einer richtantenne ein richtmikrofon (logisch...). diese methode ist aber stoernfaelliger und ungenauer. das mit ulteraschall kann z.B. probleme geben, wenn ein ultraschallabstandssensor oder ein "mueckenverscheucher" verwendet wird. das peilen mit funk geht auch mit nidrigenren freqenzen, nur muessen dann die zum peilen verwendeten antennen groeser sein. auserdem ist der btrib eines selbstgebauten senders nur was fuer leute mit funklizens. bei der verwendung von ultraschall muessen aber mikrofone verwendet werden, die fuer ultraschall verwendet werden. das peilen funktionirt schon mit einem "sender", mit mehreren wirds genauer.

[Manf]

Zum Peilen benötigt man eine gewisse Winkelauflösung.
Wie sieht es da bei den Richtmikrofonen aus, in einer Umgebung in der mehrere Sender gleichzeitig aktiv sind und angepeilt werden sollen.
Wie unterscheidet man die einzelnen Sender und vor allem auch die Echos, die im Raum entstehen?
Welche Winkelauflösung wäre denn für eine solche Aufgabe bei Mikrofonen angemessen? Gibt es solche Richtmikofone, die eine zur Positionsbestimmung ausreichende Winkelauflösung haben oder sollte man sie selbst als Arrays zusammensetzen?
Manfred

[hrrh]

1. die sender sollten nicht gleichzeitig, zondern nacheinander aktiv sein
2. die sender sind lauter als die echos
3. die winkelgeanuigkeit haengt von der baugroese ab. nur passt leider ein 2m grosses parabolmikrofon schlecht auf den roboter. :( man muss also mehrere mikrofone (am besten kleine richtmikrofone) und differenzverstaerker verwenden
4. diese probleme hat man nicht, wenn man mit HF arbeitet. dann reicht (bei hohen freqenzen) eine sehr kleine richtantene und es ist genauer.
5. es sollte moeglich sein, zusaetzlich zur standortbestimmung, daten zum roboter zu uebertragen

[Manf]

Es muß also ein 2m großes Parabolmikrofon zur Peilung eingesetzt werden oder kleine Richtmikrofone, die dann zusammengeschaltet werden?
Wenn es Richtmikrofone sind, müssen sie dann auch noch auf den Sender ausgerichtet werden?

[Matthias]

Es gibt beim großen C Radarsensoren (auch Doppelradarsensoren) hat jemand damit schon Erfahrungen gemacht? wäre doch noch viel praktischer als ein riesiger Parabol-Spiegel.

Matthias

[Manf]

Ja, Dopplerradarsensoren messen die Bewegungsgeschwindigkeit von Echoquellen, (sehr häufig zur Spülung öffentlicher Toiletten, damit man dort nichts anzufassen braucht).
Für eine Positionsbestimmung sind sie von Prinzip her schlecht geeignet.
Manfred

[hrrh]

1. das mikrofon muss kein 2m grosses parabolmikrofon sein, nur wird (bei verwendung von parabolmikrofonen) die standortbestimmung ungenauer. daher haette sowas seine berechtigung wenns sehr genau sein muss. die groese des mikrofons ist an die gewuenschte genauigkeit anzupassen (oder umgehert). prinzipjel funktionirt das auch mit 20cm grossen parabolmikrofonen, allerdings nicht so genau
2. die vermutung, dass man das richtmikrofon (automatich) ausrichten muesste, stimmt =D>
3. in anbetracht des preises sind die dopplerradarsensoren von conrad sicher nicht die genausten. bei besseren sensorenwird oft mit wellenlaengen von wenigen mm (technisch ist diene noch hoere freqenz nicht moeglich) gearbeitet. auserdem gibt es massive qalitaetsunterrschide (das in militaerhelikopter zur standortbestimmung oder das in aufklaerungssateliten ist sicher hochwertiger und genauer als dieses von conrad) weider gibts auch preisunterschide. ich denke, dass das von conrad vielleicht als bewegungsmelder oder automatische klospuelung geeignet ist, zumal die reichweite gering ist. doplerradar ist zur standortbestimmung geeignet, wird z.B. vom militaer bei kampfhelis verwendet, wobei die auch entsprechend mehr geld als ein roboter kosten (ein paar tausender mehr machen den kohl auch nicht mehr fett :) ). die standortbestimmung mit einem dopplerradar macht aber probleme, wenn das gelaende keine konturen hat (wuesten, seen...) :(

[Manf]

Für eine Positionsbestimmung sind sie von Prinzip her schlecht geeignet.
Das war leider nicht deutlich genug ausgedrückt, die Dopplersensoren sind gar nicht zur Positionsbestimmung geeinget, das gibt das Prinzip nicht her, denn es können nur bewegte Objekte erkannt werden.

Wie sieht es denn mit den elektromagnetischen Peilungen aus? Wie kommte es, daß hier die Peilung mit IR ungenauer ist als die HF Peilung (2-100) GHz, wo doch die Wellenlänge bei IR so viel kürzer ist? Wenn man eine LED mit einer Kamera (oder einem abbildendem System) anpeilt, müßte man doch eine höhere Geanuigkeit erreichen können als bei der Peilung mit HF (2-100) GHz. Es müßten doch auch Kameras verbreiteter und billiger sein als die genannten HF Peilantennen.

"statt HF laesst sich auch IR oder ultrachall verwenden (beides ist ungenauer)"

[hrrh]

1. dopplerradar ist zur positionsbestimmung geeignet!!! das militaer verwendet dies in manchen helikoptern. allerdings wird meines wissens nach der boden abgetastet und dadurch laesst sich die bewegung des helikopters im vergleich zum boden feststellen (der boden scheint sich zu bewegen, wenn der heli fliegt). wenn man den boden die ganze zeit abtastet un die startposition genau bekannt ist, laesst sich die position berechnen (man misst wie sich der boden im vergleich zum heli bewegt). daher gibts in konturarmen gelaende probleme. dopplerradar zur positionsbestimmung ist also moeglich, aber sehr aufwaendig und teuer.
2. auf die idee, dass man eine kamera zur peilung von IR verwenden koennte, bin ich nicht gekommen, allerdings wirds aufwaendieg, weil man eine genaue videoverarbeitung braucht :( wie genau das dann wird, weis ich nicht. ich bin davon ausgeganngen, dass ein relativ leistungschwacher microcontroller verwendet wird, aber mit einem PC sollte das machbar sein

[Manf]

Vielleicht kann man doch noch eine Erkärung hinzufügen zur Positionsbestimmung durch Loggen. Ich stelle mir das so vor:
Wenn man von einer bekannten Position ausgeht und die Wege mißt, die man zurücklegt, dann kann man die neue Position durch die Berechnung des zurückgelegten Weges berechnen.
Die Messung des zurückgelegten Weges kann man durch Abstandsmessungen durchführen. Das ist wohl nicht so sicher wie die Bestimmung der absoluten Position durch Peilung aber wenn es nichts zum peilen gibt, wird man es machen.

Worin liegt aber dann der Vorteil, die Messung mit Dopplerradar durchzuführen, das ja nur die Geschwindigkeit mißt und nicht den Abstand direkt?
Ich verstehe, daß man beispielsweise bewegte Hindernisse von unbewegten mit Dopplerradar gut unterscheiden kann, auch beim Flug über den Boden, aber zur Positionsbestimmung wäre das Verfahren wohl neu, vielleicht gibt es ja irgendwelche Angaben dazu. Insgesamt scheint es aber wohl zu aufwändig zu sein.

Die Peilung mit Infrarot ist auch zu aufwändig?

Dann bliebe erst einmal noch die Peilung mit Mikrowellenmethode:
"die signale muessen modulirt sein, damit man auswerten kann, von welchem "sender" sie kommen. eine andere noch genauere moeglichkeit zur standortbestimmung ist die verwendung von 3 oder mehr (je mehr, desto besser) sendern, die mit einer freqenz von mehreren (2-100) GHz senden. deren position (im vergleich zum roboter) mit kreuzpeilung genau bestimmen"
Was ist denn da die Anforderung an die Empfangsantennen? Ich nehme an eine gute Winkelauflösung, damit die Richtung des Senders genau genug angepeilt werden kann? Die Antennen sind aber hoffenlich schon kleiner als "ein 2m grosses parabolmikrofon"?

[hrrh]

1. die groese der antennen ist frequenzabhaengig. bei mehreren GHz (und besonders wenn man die winkelaufloesung mit elektronik und dem einsatz von 2 antennen und erhoet) sind die antennen simlich klein. wenn man aber mit 500kHz arbeitet sind die antennen logischerweise groeser (mehrere meter). daher auch die empfelung eine hohe freqenz zu verwenden... leider sind sender und empfaenger fuer hohe freqenzen teurer und komplizirter. bei beringen frequenzen reicht ein tranasistor, eine spule und ein kondensator; bei hohen frequenzen gibt es probleme, weil jede leitung als induktivitaet und als kapazitaet arbeitet. daher ist z.B. eas einsteigerobjekt der mittelwellenradio und nicht das UKW-Radio (soweit man den eigentlichen empfaenger nicht fertig als ic kauft, wobei man davon nix lernt)
2. peilen ist aber nicht immer moeglich (z.B. wenn die sicht auf den sender versperrt ist), dann muss man sich andere metoden zur positionsbestimmung einfallen lassen. :(
3. bei der verwendung mit ultraschall kommt man auch ohne parabolmikrofon aus, wenn man 2 mikrofone und differenzverastaerker verwendet. dann sind die richtmikrofone entsprechend kleiner. auserdem gibt es noch das resonanzmikrofon. das mit dem 2m parabolmikrofon war etwas uebertriben, obwohl das hinsichtlich eignung zum peilen so zimlich das beste ist. manchmal muess es aber nicht sooo genau sein; dann reicht ein 30cm grosses :) ist alles eine frage von genauigkeit und platz :)
4. ich habe nicht gesagt, dass peilen mit IR zu aufwaendig ist, man koennte z. B. aus einem alten fernglas und einem phototransistror ein geeigneter empfaenger bauen. nur ist videoverarbeitung aufwaendig

[Manf]

Wie ist das, wenn man eine ganz normale Peilantenne (Google Peilantenne) für die Peilung benutzt, die mit der magnetischen Detektion, bei der man die scharf detektierbare Nullstelle in der Empfangscharakteristik zur Peilung nutzt?
Dann wäre die Baugröße ja nicht so groß bei tiefen Frequenzen. Diese Antenne muß ja erst bei sehr hohen Frequenzen klein genug sein, um nicht mehr als eine halbe Wellenlänge zu umschließen.

Wäre das vielleicht ein Lösung zur Begrenzung der Antennengröße bei der Peilung und zur Vermeidung des Aufwandes bei hohen Frequenzen?

Man muß ja nichts neu erfinden, und wenn das Gerät schon Peilantenne heißt...

[hrrh]

an ferritantennen (klein und zum peilen bei nidrigen frequenzen gut geeignet) oder rahmenantennen (wegen groese nicht ganz so gut geeignet) habe ich nicht gedacht, mit den geht das bei relativ geringen freqenzen platzsparend. also sind hohe freqenzen nicht umbedingt noetig. wenn man mit geringen frequenzen arbeitet, sollte man die motoren gut entstoeren (wenn es keine buerstenlosen motoren sind) und den controller ordentlich abschirmen (auch der stoert). ob ein eigener sender von allen sooo gerne gesehen wird, ist eine anderew frage :-k also wenn doch nicht zugelassener sender ohne funklizens, dann mit moeglchast geringer leistung (ein 1000W sender ist leichter zu entdecken wie ein 100mW sender) und die frequenz so waelen, dass man weder radio noch sonstige funkdienste stoert. das reduziert wie warscheinlichkeit von aerger mit den leuten, die fuer schwarzsenden zustaendig sind (schliest es aber nicht aus) der sender sollte so schwach sein, dass er nur innerhalb eines bestimmten raums zu hoeren ist. schwarzsenden ist und bleibt eine straftat [-X

Hi,
Ich würde mir eine US-Rictfunkmikro selber bauen, allerdings sollten das welche mit Kugel-
charakteristic sein. Beide Mikros "gucken in entgegengesetzte Richtung. Sie sollten im Abstand von ca. einer Wellenlänge voneinander befestigt werden. Die selektive Richtung ist dann eine
Ebene, die durch die Mitte der Achse der beiden Mikros verläuft und Senkrecht durch diese verläuft.

Jean

[hrrh]

1. die mikrofone sollten im abstand einer HALBEN wellenlaenge voneinander entfernt sein, weil man dann einen differenzverstaerker verwenden kann
2. die mikrofone sollten eine richtkarakteristik haben (grund faellt einem bei etwas nachdenken ein)

[Manf]

Wäre es denn möglich eine Skizze von der Anordnung zu machen? Die Richtcharakteristik von schmalbandigen Multi-Antennen-Konfigurationen läßt sich erstaunlich einfach berechnen. Das sollten wir mal machen.
Ich helfe dann auch beim Nachdenken.
Manfred

Ein Richtmikrophon benötigst Du nur wenn Du nur eine Schallquelle hast. Sobald Du 2 oder mehr Sender hast, kannst Du die Position über den Laufzeitunterschied ermitteln. Funktioniert wenn alle Sender gleichzeitig senden (synchronisiert sind) oder wenn Du wie oben beschrieben zusätzlich zum US noch ein IR Signal aussendest und so die Laufzeit (die Entfernung) zum jeweiligen Sender ermittelst.
Hat schon mal jemand probiert ein US Sensor mit höherer Auflösung zu bauen ohne fest installierte Peilsender? Ich stelle mir ein US Sender mit je einem Empfänger rechts und links daneben vor. Durch Laufzeitunterschiede und Amplitudenunterschiede im reflektierten Echo sollte eine bessere Objekterkennung möglich sein.

[Manf]

Hat schon mal jemand probiert ein US Sensor mit höherer Auflösung zu bauen ohne fest installierte Peilsender? Ich stelle mir ein US Sender mit je einem Empfänger rechts und links daneben vor. Durch Laufzeitunterschiede und Amplitudenunterschiede im reflektierten Echo sollte eine bessere Objekterkennung möglich sein.
Es sind hier zwei interessante Anordnungen beschrieben.

Am Anfang steht das mit dem Mikrophon (kein Richtmikrophon). Hier sollen Signale voneinander getrennt und in ihrer Phasenlage verglichen werden. Dabei wäre interessant wie sich die Signale unterscheiden, und wie ihre Phaseninformation codiert ist. Zur Laufzeitmessung müßte es ja eine absolute Phaseninformation sein, die nicht nur durch die Sendefrequenz gegeben wird. Die Signale die mit einen Mikrophon empfangen werden müssen dann auch gut voneinander trennbar sein. Da ist noch ein bischen was offen.

Im zweiten Teil geht es um eine Anordnung mit Sendern und 2 Empfängern mit denen geortet wird. Sollen kurze Impule ausgesendet werden, die dann mit zwei Empfängern nach der Richtung geortet werden?
Ich habe es wegen der einfacheren Signalverarbeitung umgekehrt gemacht, mehrere Sender nicht 2 sondern 8 Sender und einen Empfänger. Es funktioniert. Es läßt sich durch die phasenverschobene Ansteuerung der Sender eine Richtung festlegen in der der Impuls ausgesendet wird.
Manfred