IR-bake

[RolfD]

Fassen wir mal zusammen, was da ist...

Der RP6 hat ein IR System mit Sender und Receiver onboard. Dazu gibt es bereits den IR Morsetreiber, ich glaube von Dirk. http://www.rn-wissen.de/index.php/RP6_-_Morse-Code
Zudem sind Protokolle wie RC5 und ähnliche vorhanden wie sie jede Fernbedienung mit ca. 5-6m Reichweite produziert. Das Datenübertragungsformat für IRDA wie es manche IRDA-Sticks und ältere Handys nutzen ist komplizierter bzw. kommt auch auf Grund begrenzter Reichweite (30cm-1m) kaum in Frage.

Hat jemand 2 RP6, könnte er also zumindest schon mal einen als Bake in die Ecke stellen und den zweiten darauf reagieren lassen. (So hatte ich mal ein wenig rumprobiert)

Welche andere Lichtsorten haben wir noch? Natürliches Tageslicht, künstliches Licht im sichtbare Bereich und monchromes (Laser) Licht. Wärme (intensives IR) und UV lasse ich mal aussen vor obwohl man Wärme mit einem PIR-Sensor incl. prismatischer Linse auch gut anmessen kann... aber nachher facklet sich noch jemand mit Teelichtern die Hütte ab... lassen wir das also. Microwelle/Radar Langwellen kommt auch nicht in Frage, damit ist aber schon ein Großteil der elektrischen Schwingung abgedeckt. Die ersten beiden besitzen als Lichtquellen verwandte Eigenschaften, Laser ist dagegen meist extrem fokusiert, hat aber daher auch den Nachteil, das man es schlecht anvisieren kann. Laser wäre was für auf den Bot zu montieren, wenn zusätzlich eine Kamera den Lichtpunkt vermessen würde. Laser ist zudem als Lichtschrankensystem sehr gut geeignet. Laser macht also dann Sinn, wenn man weis wo der Strahl landen sollte...aber auch nur dann. Ich stelle mal die Arbeitsthese auf, das alle Lichtsorten ausser Laser im Prinzip als Kugelstrahler die gleichen Reflektions- und Brechungseigenschaften haben... und man daher z.B. auch normale LEDs oder Lampen verwenden _könnte_ .. zumindest um sich die Eigenschaften des unsichtbaren IR-Bündels vorstellen zu können. Daran ändert auch der Umstand nur wenig, das man zusätzlich Linsen und Reflektoren verwendet. Es gibt dann noch die Möglichkeiten per Kamera Licht zu detektieren, allerdings ist das zu aufwändig da dies nach Bildauswertung verlangt.

Es gibt ja grundsätzlich 2 Verfahren zur Entfernungsmessung. Triangulation von Feldstärke und Messung der Signallaufzeit. Für Leuchttürme spielt noch die Erdkrümmung bzw. Sichtachse über Horizont eine Rolle (wesshalb die auch so nette Streifen aufgemalt haben bzw. deren bekannte Höhe über n.N. so wichtig ist) aber die können wir in Zimmern und Gärten glaube ich vernachlässigen . Die Signallaufzeit ist bei Licht und Funk mit unseren Mitteln kaum zu messen.

Was gibts noch für Signalquellen für Nahortung? Datenfunk im 433MHz Band und Oberwellenbänder fallen eher flach da diese eine Reichweite von üblicher Weise min 100m haben. Blauzahn ist eher geeignet, allerdings bräuchte man ein Blauzahngerät, welches die Feldstärke anmessen und an den Prozessor durchgeben kann. Im Umkreis von 10m könnte man dann zumindest eine Triangulation versuchen, wie es Handyanbieter im großen mit mehreren Sendemasten und dem Handy auch machen können. Dazu wären aber 3 Blauzahn Sender (Mikroprozessorgesteuert) und ein Reciever auf dem RP6 nötig. Die Messgenauigkeit läge in einem normalen Raum von sagen wir mal 4x4m läge bei geschätzen 0,5 bis 1m in jede Richtung. Andere Funksignale sowie GPS kommen nicht in Frage, GPS schon deswegen nicht weil die Lokalvarianz selbst bei freier Sicht auf die Satelliten über Zeiten von mehreren Minuten um 2-10m wandert. Um das zu kompensieren müsste man ein großen Aufwand treiben, der nur für fix montierte Geräte und Geschwindigkeiten wie in der Gletscherforschung vertretbar ist. Für Flugroboter mit einem Aktionsradius von hunderte Metern bis Kilometer macht GPS Sinn, auf einem Kettenbot der magels Batterieleistung kaum weiter kommt als ein mal ums Grundstück zu fahren und dabei 25 mal vom Boardstein kippt weil der Satellit "mal wieder wandert..." - nicht! In wie weit GPS in Räumen Sinn macht kann jeder mit seinem Handy dann noch selbst austesten.

Dann gibts noch den Bereich Schall bzw. Ultraschall. Hier kommt nur Ultraschall in Frage obwohl man technisch auch normalen Schall verwenden könnte - zumindest um sich vorzustellen wie das geht. Nur Ultraschall ab ca. 30 khz hat eine genügend steile Signalflanke bzw. kurze Wellenlänge um daraus mit technischen Mitteln Laufzeitinformationen zu erfassen, das menschliche Ohr schafft das schon bei deutlich tieferen Frequenzen und in erster Linie über stereo hören und Laufzeitunterschieden durch die Kopfbreite/form bedingt. Stereoschallverarbeitung ist ebenfalls ein spannendes Thema aber hier für die Bake und einfache Mono-Systeme eher nicht relevant, wäre aber auch sehr gut nutzbar wenn man den Aufwand nicht scheut.

Mit einem SRF08 und ähnliche Reflexsensoren kann man recht genau und über Reichweiten von ca. 6-10m ... also Schallaufwege bis 20 m seine Umgebung erfassen. Man müsste sich eine Art Karte seiner Räumlichkeit anlegen und Bewegungen im Raum durch vermessen markanter Punkte festlegen. Ich persönlich halte dies für die effizienteste Möglichkeit zu navigieren, allerdings geht das am Konzept einer Bake vorbei und ist aufwändig in Software. Schall ansich eignet sich allerdings auch anders genutzt für Baken da Schall im Gegensatz zu Licht eine messbare Laufzeit hat. Produziert eine Bake z.B. einen Lichtpuls und gleichzeitig einen Schallimpuls, kann man durch die Laufzeit recht genau sagen, wie weit die Bake vom RP6 weg ist. Jeder kennt das Verfahren um zu ermitteln wie weit ein Gewitter weg ist. Elektrisch gesehen würde man dort aber den Funkimpuls zum starten der Zeitmessung verwenden da nicht vorhersagbar ist, wo der Blitz auftaucht. Mit 2 Baken der Art welche sich nicht behindern, kann man schon sehr genau seine Position im Raum festlegen. Problematisch daran sind Schallreflektionen aber da der schnellste Weg immer der kürzeste ist, darf man eben beim Schall messen nur das erste eintreffende Signal verwenden. Da man die Entfernung aus der Schall Laufzeit errechnet, entfallen auch Maßnahmen zum fokusieren und ausrichten wie bei Licht. Die Messgenauigkeit dürfte bei wenigen Zentimetern liegen und mit größerem Abstand abnehmen. Man muss jedoch mit dem nächsten Klick warten bis wieder "Ruhe" im Raum ist, das liegt aber in Räumen im Millisekundenbereich. Nutz man z.B. ein Impulspaket von 4 bis 16 dicht aufeinander folgenden Impulsen + Ein- und Ausschwingen , ist es auch recht eindeutig von Umgebungsschall zu isolieren.

Sinnvoll wäre also eine Bake, welche einen IR Puls aussendet und gleichzeitig einen Ultraschallklick. Der RP6 müsste diesen IR Blitz (bei dem es dann auch nicht auf Reflektion ankommt) einen Messvorgang starten und über einen Ultraschallsensor die Signallaufzeit ab Startblitz berechnen. Davon 2 Stück im Raum und der RP6 kann aus den Laufzeiten seine Position zu den Baken errechnen. Was er damit erst mal nicht rausbekommt ist seine Rotation zu den Baken. Dafür braucht man wieder ein Kompas oder müsste es als Messung über Zeit und Bewegung wie herkömliche Navis errechnen. Der Vorteil, das Ganze kann von einem Punkt aus (Bake) gesteuert werden denn man braucht keine 2 Baken, sondern nur eine sowie einen weiteren externen Ultraschallgeber, der im simpelsten Fall einfach nur an einem langen Kabel hängt. Die Steuerung muss dann abwechselnd die beiden Schallgeber betätigen und bei jedem Schallklick ein IR-Blitz abgeben.
Das System wäre mit 2-3 Ultraschallgebern und einem IR Geber recht einfach analog aufzubauen.
Baut man da jedoch ein Prozessor ein, kann man sich durchaus Erweiterungen überlegen. Z.B. kommunikation mit dem RP6, wobei es da nur auf eine "piepsen auf Anforderung" hinauslaufen kann da die kleinen (8, 16 und 20 Beine) Prozessoren für viel mehr nicht die Kapazitäten haben. Aber es wäre eine Anwendung, welche mit einem einfachen zusätzlichen Reciever auf der Bake a la RP6 Bauart machbar wäre.
Verbaut man einen leistungsfähigeren Prozessor (ab mega16 oder 32 wie M32/RP6) in der Bake, wäre auch eine umgekehrte Messung mit 1 Schallgeber auf dem RP6 und 3 Schallempfängern (über Kabel mit der Bake verbunden incl. Auswertung der triangulation und Übertragung der vermessenen Raumposition per IR an den rp6) möglich. Es hätte zudem den Vorteil, das der RP6 seine Position nicht selbst bestimmen muss und er daher auch diesen Code nicht braucht. Ohne eine räumliche Orientierung (z.b. per 2-dimensionales Array oder Vektoren) wird man da allerdings auch nicht auskommen.
Das Verfahren funktioniert übrigends auch in 2 oder mehr Räumen ... entweder mit mehreren Baken die sich versuchen zu syncronisieren.. per Blauzahn oder Datenfunk... oder eben mit einer Bake und weitere kabelgestützte IR-Blitzer und Schallwandler.

Man kann nun jetzt noch überlegen ob man sich ein SRF Reflexsensor auf den Bot baut um quasi das Ultraschallsignal passiv in der Bake auszuwerten. Diese haben aber doch recht starke Richtcharakteristika ähnlich der Lichtkegel von LEDs. Sinnvoller können da Hochtonkalotten als Signalgeber aus dem Hifi-Bereich sein da diese bessere Rundstrahleigenschaften haben. Es ist auch nicht ganz einfach, bei einem SRF08 den genauen Zeitpunkt des Signalstartes raus zu bekommen da dieser mit einem eigenen Prozessor autark misst. Das Ding hat zwar ein LDR Sensor onboard aber ein Lichtimpulsgeber wäre für die Anwendung sinnvoller gewesen. Die Formel lautet aber: Um so weniger "Richtung" die Komponenten haben, um so einfacher und zuverlässiger wird die Messung!

Alle Verfahren, die nur rein auf Lichtauswertungen basieren, müssen spätestens dann scheitern wenn keine direkte Sichtverbindung besteht. Optisch-akustische Verfahren, welche sich zudem (Licht)Reflektionen auch noch zu Nutze machen, sind in der Nahbereichsnavigation (30cm bis 15m) immer im Vorteil. Allerdings braucht man ausreichend empfindliche Schallempfänger damit man auch garantiert den Ton/Klick (und natürlich auch den IR Blitz) mit definierten Eigenschaften zweifelsfrei mitbekommt. Für Navigaionen im freien (z.B. im Garten) würde man aber wohl besser Blauzahn/Datenfunk und Feldstärketriangulation nutzen da Schall ab ca. 30 m begrenzt ist, so wie auch IR-Licht dort schwieriger zu übertragen ist. Wo Sichtverhältnisse nicht gut sind kann man aber auch per Funk das Startsignal statt IR-Lichtimpuls verwenden wenn man die Datenübertragungszeiten mitberechnet. Auch hier gibts aber Beispiele wie eine DCF Funkuhr oder NTP Dämonen.
Bisher beschäftigen wir uns in Sachen Ultraschall aber nur mit den Signallaufzeiten, auch eine "Feldstärkemessung" über den Pegel des Signals wäre möglich um Störeinflüsse noch weiter zu begrenzen und das Signal zu validieren. Schall kann also 2 Werte aus Eigenschaften liefern die sich nicht widersprechen sollten. Man könnte das aber auch wieder nutzen um den Schallgeber an die Raumakustik anzupassen indem der RP6 den Pegel per IR an die Bake schickt und diese dann z.B. "leiser" oder "lauter" wird um Echos zu eliminieren.

Ansonsten wäre vielelicht die Vermessung mit Laserlicht noch eine Möglichkeit aber da dürften die Messgeräte und Sensoren den Etat der meisten Leute hier sprengen und das Ergebnis wird nicht zwangsläufig genauer. Reine Lichtgeber müssten im fokusierten Lichtstrom immer zusätliche Informationen wie z.B. den aktuellen Abstrahlwinkel übertragen und man kommt von der Kugelcharakteristik weg zu einer Strahlcharakteristik, was immer schwieriger wird zu finden und messen je mehr ich den Strahl fokusiere (extrem Laser). Wie genau man mit Funk und Signal Laufzeiten seine Position ermitteln kann, sieht man übrigends am GPS System. Hochgenaue empfindliche Empfänger können die Position in Langzeitmessungen millimetergenau feststellen, weniger genaue Empfänger nur mit Varianz und auf wenige Meter genau, was angesichts der Entfernung zu den Sendersatelliten schon enorm gut ist!
Mit Licht geht das theoretisch auch den Licht ist ja genau so schnell... praktisch hab ich da so meine Zweifel! Zumindest wenn man in Betracht zieht, das man für den Startimpuls der Messung bzw. zur Erkennung von Differenzen im Datenstrom des Signals kodiert schon eine Atomuhr im Sender oder zumindest einen hochexakten Startimpuls bräuchte... mit einer Auflösung kleiner der Distanz welches Licht in wenigen Zentimetern !!! zurück legt. Da Strom aber nicht schneller als Licht ist, spielen da neben Dämpfungen aber sogar Kabel und Leiterplatten Längen eine Rolle und wir bewegen uns mal eben im Gigaherz Frequenzbereich. Frequenzen die LEDs und in Sperrschichtsättigung gefahrene Transistoren nun mal nicht leisten! Es scheitert da also schon am Signalgeber.
Aus der Funktechnik kennt man noch die logarithmische Regel, das man zur verdoppelungder Reichweite das Signal vervierfachen muss - oder um den Faktor 4 abschwächen damit man die Reichweite halbiert. Man rechnet dort in Decibel - was man auch in der Schallmessung kennt. Es gibt da also durchaus Verwandschaften... und erklärt gewisse Reichweitenbeschränkungen.
Die einzigen Vorteile, die IR Licht für uns gegenüber anderen Lichtsorten hat, ist das es sich einfach durch optische Filter vom normalen Tageslicht abgrenzen lässt und das es leicht in kleinen Mengen herzustellen ist. Etwas was prinzipbedingt jedoch für alle LEDs gilt. Für klarweis ebenso wie rot,blau und grün oder gelb - wenn man jeweils die gleichen Lichtmenge (Lumen) voraussetzt. Spätestens wenn man Leuchtstoffröhren oder LCD-Bildschirme in der Hütte hat, wird man sich wundern, wie viel IR-Energie da zum Teil abgestrahlt wird. IR liegt immerhin recht nah an der Wärmestrahlung wie es Wärmebildkameras anmessen können.

Generell ist bei allen Schallsensoren jedoch zu bedenken, das Tiere den Schall ggf. hören können und darunter auch leiden... wer also mit Schallimpulsen im Ultraschallbereich experimentiert, sollte auch sein Haustier im Blick behalten...

Das war mal eine kurze Zusammenfassung der Möglichkeiten ... natürlich mit Präferenz auf meine Vorstellungen dazu.
Gruß