Kombinierte US-IR-Bake

[Christian H]

Hallo Gemeinde,

zur Zeit versuche ich ein Ortungssystem mit einer Reichweite von etwa 15 m zu bauen. Vor Kurzem habe ich´s mit zwei IR-Baken versucht https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=48791. Mit den Baken wird der Winkel zum Robo bestimmt. Mit etwas Trigonometrie kann man daraus diePosition des Robo bestimmen. Um mit nur einer Bake auszukommen, möchte ich gleichzeitig mit dem Winkel noch den Abstand zum Robo per US bestimmen. Der Ultraschallteil basiert auf dem Abstandsmesser von Uffi http://freenet-homepage.de/uffmann/Ultrasonic1.html.

Halb zusammengebastel sieht das Ganze so aus:
http://www.rasenrobo.de/bake/Imgp2307.ipg
Links die Bake mit IR-Diode und US-Kapsel auf einem Servo montiert. Zwischenzeitlich habe ich die IR-Diode SFH4550 ausprobiert, welche mehr Reichweite bringt als die SFH480-2. Allerdings produziert diese auch mehr Streulicht. Zumindest für kurzen Entfernungen muss deshalb noch eine Blende vor die IR-Diode desetzt werden. Um die nötige Spannung dür die US-Kapsel zu erzeugen ist ein Max232 vorhanden, der aus 5 V 8 V macht. Zusätzlich bildet die US-Kapsel mit Kondesator und Spule einen Schwingkreis und ist über eine Diode angekoppelt, wodurch sich die Spannung weiter erhöht, wie von Uffi beschrieben.

Oben rechts der Empfangsteil für IR mit 8 TSOP7000 . Rechts der US-Empfänger, wie von Uffi angegeben.

Getestet ist das Ganze bis jetzt soweit, dass ich zumindest über 10 m per IR die Winkelinformation übertragen bekomme und am US-Empfänger in ebenfalls etwa 10 m Entfernung die US-bursts ankommen.

Was bleibt ist den US-Empfänger mit dem Interrupt vom Atmega32 des IR-Empfängers zu verbinden und dann die Laufzeit des US zu messen. Die Referenzzeit ergibt sich durch die IR-Signale. Es steht also noch etwas Programmierarbeit an.

Ideal wäre es natürlich die US-Kapsel in der Mitte der 8 TSOP7000 zu plazieren. Über die US-Kapsel kommt ein Trichter um die US-burst aus allen Richtungen empfangen zu können. Eine Alternative wäre die TSOP nicht nur parallel zu schalten, sondern einzeln auszuwerten. Dadurch hätte man eine grobe Information darüber in welcher Richtung die Bake steht, bzw. wie der Robo ausgerichtet ist. Mit dieser Information könnte man per Servo die US-Empfangskapsel immer grob in Richtung Bake ausrichten.

So viel vorerst. Mal schaun, ob ich das Projekt noch fertig kriege.


Viele Grüße

Christian

[Robotniks]

Hallo Christian,

das sieht mal wieder sehr vielversprechen aus was du hier bastelst!
Bin auf weitere Berichte schon sehr gespannt.

Grüße Ulli

[Christian H]

Hallo Robotnics et al.,


zwischenzeitlich hat die US-Kapsel ihren Kegelaufbau bekommen. Die ganze Konstruktion ist mir eigentlich etwas zu klapprig, aber vorerst die einfachste Variante um eine Rundum-US-Messung zu machen. Um die Verluste durch den Kegel auszugleichen, habe ich den Verstärkungsfaktor in dem 4fach-OPV gegenüber Uffi´s Version durch Austausch eines Widerstands etwa um den Faktor 10 erhöht. Jetzt ist wieder eine Reichweite von mindestens 10 m möglich.


http://www.rasenrobo.de/Bake/IMGP2312.JPG
http://www.rasenrobo.de/Bake/IMGP2313.JPG
http://www.rasenrobo.de/Bake/IMGP2316.AVI
http://www.rasenrobo.de/Bake/IMGP2317.AVI

Der IR-Teil funktioniert mit der SF4550 auch bei wolkenlosen Himmel, sogar ohne besondere Abdeckung der TSOP.

Ich hoffe, dass man auf den Videos ausreichend erkennt wie sich die Winkelangabe (oben rechts im Display) und die Entfernung (unten rechts) ändert. Die Bake steht auf dem Tisch den man zu Beginn sieht. Sollte mir wohl doch mal eine Videocamera zulegen. Mit der Digicam gehen leider nur 30sec Aufnahmen.

Manko ist die niedrige Wiederholrate. Bei Windstille ist die US-Messung genauer als die IR-Winkelmessung. Die Genauigkeit beträgt etwa 2 cm. Allerdings ist die Abhängigkeit der Absolutwerte von der Temperatur etc. noch nicht berücksichtigt.

Aufgrund der sehr genauen US-Entfernungsmessung überlege ich mir alles evtl. auf 2 US-Baken umzustellen. Dieses System ist ja bereits bekannt.
http://www.informatik.uni-kiel.de/~railway/Downloads/hoehrmann1.pdf. Schnellere Wiederholrate wäre damit möglich. Für die Synchronisation der US_Baken und der Empfänger wäre Funk, evtl ein Zeitsignal durch GPS-Empfänger notwendig.

Noch für alle die mit der SFH4550 experimentieren wollen ein Sicherheitshinweis von Osram:

Da SFH4550 ein "Schmalstrahler" ist, kann die Schwelle von 4W/sr überschritten werden (bei höheren Strömen und kurzen Pulsen könnten Sie bis 9W/sr bekommen).
Wir würden nicht empfehlen in die LED aus einer Entfernung kleiner als 0,5m reinzuschauen.
Leonid Moiseev
Customer Service Support


Viele Grüße

Christian

[Robotniks]

Das funktioniert ja schon recht gut!
Wie wäre es wenn du als Kegel einen kleinen Modellbautrichter verwenden würdest? (Dampfmaschinen hatten immer so kleine).

http://www.modell-dampfmaschinen.de/wilesco/bilder/trichter.gif


Grüße Ulli

[Robotniks]

das mit den Trichter ist nicht das richtige, die sind im Winkel zu steil :-(
Ich hab mir die eben mal genauer angeschaut....

[ähM_Key]

Jupp, man braucht optimaler Weise 120°.

http://www.abload.de/img/img_8037qfhd.jpg

[Christian H]

hi,

@ähM_Key. 120 Grad sind´s auch bei meinem Kegel, allerdings nur aus mehreren Lagen Papier zusammengeklebt und nicht high-Tec wie bei Eurem Turag. Welche Genauigkeit und Entfernung erreicht Ihr mit Euerem System ? Die Baken habt Ihr wahrscheinlich auch aus US und Kegel aufgebaut. Wie macht Ihr die Synchronisation zwischen Empfänger und Sender ? Mit Funk oder IR ?

Also, wenn Ihr noch einige von den Edel-Kegel übrig habt und nicht wißt wohin damit, dann meldet Euch bei mir!

Gruß
Christian

[ähM_Key]

(Ganz kurz zur Erklärung, der Roboter heißt Elefant - siehe hier: https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=49253 , die Arbeitsgruppe TURAG)

Die Genauigkeit ist prinzipbedingt nicht wesentlich unter +-8mm zu bekommen, weil das die Wellenlänge ist.

Es ist ein auf den Eurobot-Wettbewerb zugeschnittenes Baken-System im Einsatz. Da die Platte 3x2m groß ist sind Reichweiten von 3m möglich.
5m ev. mit Einschränkungen, aber 15m sind illusorisch (mit diesen Kapseln und der Anordnung mit dem Kegel). Wir betreiben die Kapseln schon mit +-50V. Als Genauigkeit auf dem Spielfeld (3 Baken) kommen wir auf etwa +-10mm. Die Schallgeschwindigkeit wird dabei automatisch berechnet, wodurch sie sehr genau und das System temperaturunabhängig ist.

Kegel haben wir leider keine mehr, aber die lassen sich ja auf jeder Drehbank herstellen..

[Christian H]

Hi Gemeinde,


die US-Entfernungsmessung hat sich als ziemlich genau erwiesen. Deshalb bin ich jetzt auf die Positionsbestimmung mit zwei US-Baken umgestiegen.

Features:

Um auf eine Reichweiten von 10 - 15 m zu kommen arbeiten beide US-Baken mit 4 US-Kapseln.
Für die US-Kapseln wird mit einem Max632 aus 5V eine Spannung von etwa 13 V erzeugt.
Jede US-Kapsel liegt parallel zu einem Schwingkreis (Spule 1000 uH und Kondensator 1 nF) und in Serie mit einer Diode wie hier von Uffi http://freenet-homepage.de/uffmann/Ultrasonic1.html beschrieben. Diese 4 Einheiten aus jeweils US-Kapsel, Spule,Kondensator und Diode sind wieder parallel geschaltet und werden über ein Darlington-Array angesteuert.
http://www.rasenrobo.de/bake/Imgp2324.ipg
Bake 1 sendet die US-Pulse (40Khz, 250us Dauer) in exakten Zeitabständen (500ms) (quarzgesteuert mit Atmega32)).
Bake 1 gibt zudem per IR-Puls (28 us Dauer) mit 4 LED´s den Startzeitpunkt der US-Pulse an. Die US-Impulse von Bake 2 werden per IR durch Bake 1 getriggert. Bake2 sendet genau 250 ms nach Bake1.
Baken 2 und der Empfänger auf dem Robo haben ebenfalls einen quarzgesteuerten Atmega32.
Durch das exakte Timing kann im Empfänger die Laufzeit der US-Pulse auch dann bestimmt werden, wenn mal die IR- Verbindung unterbrochen wird. Der Empfänger und die Baken bleiben zumindest einige Minuten im Takt.
Sobald wieder eine IR-Verbindung zwischen Bake 1, Empfänger und Bake 2 besteht werden diese wieder exakt abgestimmt, bzw. synchronisiert.
Eichung des Systems: Zur Berechnung der x und y Koordinaten in Bezug auf die Baken ist der Abstand zwischen den Baken erforderlich. Hierzu wird zu Beginn der Empfänger kurzzeitig zwischen Bake 1 und 2 positioniert. Der Empfänger addiert die Entfernungen zu Bake 1 und Bake 2 und hat damit den Abstand der Baken.

Noch ein Foto von den 2 Baken und dem Empfänger:
http://www.rasenrobo.de/bake/Imgp2328.ipg
Die endgültige Probefahrt des Empfängers auf dem Rasenrobo steht allerdings noch aus. Problematisch ist die erforderliche gute Schall- und Stoßisolierung zwischen Empfänger und Robo. Ich hoffe, dass eine Luftpolsterfolie ausreicht.
Bis demnächst.


Grüße


Christian

[ähM_Key]

Sieht doch schon gut aus! Ich bin auf Messwerte/Genauigkeiten gespannt. Bedenke, dass die Lufttemperatur einen recht großen Einfluss hat.

Kleine Korrektur: Eichen kannst du sicher nicht, aber Kalibrieren :)

[Christian H]

Hallo,

heute habe ich den Empfänger, in Luftpolsterfolie eingewickelt, auf den Rasenrobo gepackt.
Erinnert etwas an eine Dampflok. \:D/
http://www.rasenrobo.de/bake/IMgP2332.ipg

Per Funk wurden die Koordinaten laufend auf den Laptop übertragen. Nach etwa 1 Stunde (von insgesamt etwa 2 1/2 Stunden Fahrzeit) sieht die Auswertung so aus:

http://www.rasenrobo.de/bake/screenshot.ipg

Unsinnige Werte wurden verworfen. In größerer Entfernung sind die Daten etwas schütter. D.h. mehr unsinnige Daten. Die Ausreißer unterscheiden sich von den richtigen Werten gleich um etliche m und können also leicht aussortiert werden. Die Balken unten sind 1m Abstände. Die äußeren Konturen entsprechen dem Garten. Nur rechts außen oben ist die 2. Bake durch eine Mauer abgechatten. Entsprechend schlechter sind die Meßwerte.

Mit Odometrie könnte man leicht noch die Lücken auffüllen.

Grüße

Christian

[Christian H]

Hallo,

habe jetzt die Lücken in den US-Messungen (schwarz) durch die Odometriedaten (rot) überbrückt. Abstand der Balken: 1 m. Die US -Baken sind durch die roten Punkte markiert.

http://www.rasenrobo.de/bake/screenshot2.jpg

In größerer Entfernung muss leider überwiegen auf Odometrie zurückgegriffen werden. Nach spätestens 3 m gehts aber ohne großen Versatz mit den US-Messungen weiter. Aus den zackigen Kurven kann man wohl ableiten, dass die Messfehler so etwa 10 bis 20 cm betragen, je nach Entfernung von den Baken. Zumindest kann man erkennen wo der Rasenrobo nur selten war und er nochmal mähen sollte.

Eigentlich hatte ich mir genauere Messungen erhofft, die auch noch größere Entfernungen zulassen. Mit einer 3. Bake könnte man natürlich die Messungen verbessern, aber hat jemand Verbesserungsvorschläge, ohne den technischen Aufwand wesentlich nach oben zu treiben ? Gibt´s z.B. bessere US-Lautsprecher ?

@ähM_Key: Danke für den Hinweis auf die Temperaturabhängigkeit. Solange die Temperatur nicht schwankt, müßte ich dieses Problem aber mit der Kalibrierung (Klaro, hast natürlich Recht) erledigt haben. Ein großes Problem im Freien ist noch der Wind. Habe hierzu aber noch keine Messungen gemacht.

So, jetzt gibt´s erst mal nen Latte. Dann ist´s vorerst vorbei mit spielen. Muß wieder etwas Vernünftiges arbeiten. Irgendwoher müssen ja auch die Brötchen kommen.


Grüße

Christian

[Christian H]

Hallo,

nach längerer Pause bin ich dabei den IR Teil auf Funk umzustellen. Ich habe mir deshalb das Module Set 868 MHz von Conrad 19 09 39 besorgt und erst mal die Funkverbindung getestet. Ich möchte vorerst nur mitteilen, dass ich mit dem Modul sehr zufrieden bin. Die Verbindung geht störungsfrei bei mir im Haus über 2 Stockwerke. Damit wird´s im Freien sicher auch problemlos funktionieren. Es gibt keine sonderliche Verzögerung zwischen Senden und Empfangen. Die US-Laufzeit sollte damit weiterhin genau meßbar sein. Der Empfänger sprich natürlich auch an wenn das ER900TRS - Modul sendet, das ich eh im rasenrobo installiert habe. Für meine Zwecke brauche ich also von dem Conrad-Teil nur den Empfänger.

Viele Grüße

Christian

[Robotniks]

Hallo,

und gibts schon wieder was neues von der Bake?

Grüße