Glaserkennung zur Kollisionsvermeidung eines mobilen Roboter, 360 Grad us Sonar?

[mabe90]

Man sendet ein Signal aus, startet einen Timer und wartet auf ein Echo.
es kommt nach einer Zeit 1 ein Echo.
wunderbar man sendet ein zweites signal und es kommt sofort ein Echo.
????????????
Ist das Hinderniss plötzlich ganz nah, bewegt es sich etwa auf mich zu?
Also noch mal ein Signal und länger warten.
Nach Zeit 1 kommt ein Echo, nach Zeit 2 Kommt noch ein Echo. dann kommt lange nichts und noch ein drittes Echo.
Wie lange warte ich und wie kann ich Echos mit zu langer Laufzeit aus der Messung eliminieren?
irgendwie muß ich den Signalen eine Signatur mitgeben die es ermöglicht Echos eindeutig einem bestimmten Signal zuzuordnen.
Entweder man sendet Bit codierte Bursts die praktisch eine Art serielle Kommunikation mit einem selbst darstellen oder man nutzt FMCW.
FMCW (Frequenz moduliertes continuos wafe) heist dauersenden (continous wafe) aber mit Frequenz modulation in dem Fall wird die Sendefrequenz mit einem Sägezahn gewobbelt.
Das Ergebniss ist, das wen man z.B. eine Sekunde braucht um das Frequenzband zu durchlaufen. durch die Frequenz jedes Einzelechos "stehende Objekte" genau dem Zeitpunkt der Aussendung des Signals zuzuordnen sind und somit bei passender Echoauswertung mehrere Echos gleichzeitig unterschiedlich weit entfernten Objekten zugeordnet werden können.
Pulssignale als Burst nutzen dem entgegen (digitale) Amplituden Modulation.
Beides hat seine Vor- und Nachteile.
Würde man das Burst verfahren z.B. mit einer Gray Codierung versehen und so Amplituden moduliert CW senden, könnte man wenn man einen breitbandigen Empfänger hat mit einem Sensor sowohl Entfernungsmessung und per Dopplereffekt (Frequenzverschiebuing des Echos) Bewegungen zum Sensor hin und vom Sensor weg erfassen.
Das wird heute bei modernen digitalen Gefechtsradar teilweise so gemacht.

Ok ich glaub das habe ich verstanden.
Bei fertig gekauften US-Sensoren, wie etwa den Devantech SRF08 ist diese Funktionalitiaet doch schon enthalten und wird ueber die Analog-Verstaerkung also Eingangsempfindlichkeit am Empfaenger reguliert oder? Also muss man hier nur noch Anpassungen an seinen Anwendungsfall vornehmen. Siehe S.4: http://www.roboter-teile.de/datasheets/srf08.pdf

Jeder RC-Servo hat ein Getriebe und alleine da schon Beharrungskräfte die einen internen Schleppfehler verursachen. Das Steuersignal zum Servo gibt ja nur die Zielposition vor die aus der aktuellen Position anzufahren ist.
die Drehzahlrampe und alles andere wird ja Servointern abgehandelt.
"Große Masse" ist in Relation zur Stellkraft und und Stellgeschwindigkeit des jeweiligen Servos zu sehen. Bei einem 180° links rechts schwenk, kommt durch das bremsen und die Umkehrung der Bewegungsrichtung auch noch der Impulserhaltungssatz dazu.
Mach mal einen Test mit einem Servo das auf einen Aluwinkel geschraubt ist der 20cm aus einer wirklich stabilen Befestigung ragt.
mach vorne einen Laserpointer fest und dann montier ein Stück Platine auf das Ruderhorn und darauf eine 9V Batterie (als Masse) und einen zweiten Laserpointer.
Dann ziele in 10 Meter Entfernung auf einen weißen Karton.
Beide Pointer zeigen auf eine senkrechte Linie wenn der Servo auf Vollausschlag steht.
Dann lass das ganze mal mit verschiedenen Geschwindigkeiten schwenken und ohne Pause umkehren.
Achte dabei mal darauf wie sich die Lichtpunkte am Umkehrpunkt verhalten.
Der eine sollte ja immer auf der Linie liegen und der andere sollte immer nur von einer Seite zur Linie laufen und wenn er genau drauf ist umkehren.
später reduzier mal die Ausspannlänge des Aluprofils von 20cm auf 0cm und wiederhole das ganze.
Danach kannst Du in etwa abschätzen was mit dem Roboter bei jeder Richtungsumkehr passiert.
Die Probleme liegen wie so oft im Detail.

Ok dann werde ich wohl doch erst noch etwas mit meinem Servo rumspielen und testen

wenn ich heute abend wieder an meinem eigenen Rechner sitze, geben ich mal eine antwort zu deiner Idee mit mehreren Empfängern. Ein Stichwort vorab "Mehrquadranten Antenne" und ja das geht auch (Mit Tubus auf 1-2° genau)

Das waere natuerlich echt super. Ich bin dir sowieso sehr dankbar, dass du dir die Muehe machst und hier so ausfuehrlich antwortest!

[i_make_it]

In dem Bild unten sieht man wie durch zwei Empfänger mit Tuben und Winkelversatz eine verbesserung der Auflösung erreichbar ist. Bie dieser Bauform müssen auch die Innenseiten jedes Tubus absorbierend beschichtet werden oder eine Geometrie aufweisen die die Weiterleitung eines an der Tubuswand reflektierten Echos an das Sensorelement verhindern (z.B. Mikrosägezahn Profil). Da die Sensorfläche selbst nicht verkleinert wird, ist bei rechtwinkeliger Ausrichtung zum Zielobjekt ein maximales Echosignal zu empfangen. Die entsprechende Signalauswertung kann hier eine erhebliche steigerung der Auflösung bringen.
Dargestellt ist eine einfache Detektion mit der bei gleichem geometrischen Aufbau nur eine geringe Steigerung der Auflösung erreicht wird.

Als Testaufbau bietet sich eine feste Montage der Empfangsantenne auf einem Stab etwa 30cm über dem Boden an (zur Vermeidung von Reflektionen) an dem Stab wird drehbar ein 1m Stab angebracht der parallel zum Boden läuft und mit dem Empfangsmast als Mittelpunkt eine Winkelskala.
Am anderen Ende des waagerechten Stabs wird ein weitere 30cm Stan angebracht auf dem ein Sender sitzt. mit diesem Aufbau kann man selbst die Richtkarakteristik ermitteln.
Der nächste Test wäre dann den Sender ober oder unterhalb der Empfangsantenne anzuordnen und am Entfernten Ende eine Reflektorfläche. Dabei kann man dann zum einen die Abschwächung einer nicht Rechtwinkelig zur Antenne stehenden Fläche unter verscheidenen Winkeln ermitteln, das Verhalten verschiedener Oberflächen und Materielien als auch bei gekrümten Flächen deren scheinebare Größe durch Streueung.

Der SRF08 kann das nicht. Der macht Pulsmessungen und hat eine Torzeit für die Echos. Kommt ein Echo nach Ende der Torzeit wird sie der nächsten Messung zugehörig angenommen. Um das Problem zu verringern, kann man die Signalverstärkung reduzieren. Ausgehend von Kugelwellen und der Signalausbreitung im Raum, fällt die Signalflußdichte (Schallpegel bei US) im Quadrat zu Entfernung ab.
Somit werden weiter entfernte Signale einen zu geringen Signal Rauschabstand haben um noch als Echos detektiert zu werden.

Das Verfahren berücksichtigt nicht, die Streuung an nahen Objekten mit gekrümmten Oberflächen und unterschiedliche Objektoberflächen.
Ein nahes Objekt mit ener Schallschluckenden Oberfläche (z.B. Schaumstoff) wird unter Umständen eine gleiche Signalamplitude haben wie ein entferntes Objekt mit einer perfekt reflektierenden Oberfläche (z.B. Schranktür mit glatter Kunststoffoberfläche oder Blech). Der SRF08 bietet halt einen Kompromiss der einen für den Anbieter kostengünstig herstellbaren Sensor möglich macht der die Anforderungen der meisten Anwender erfüllt.

Man muß selbst entscheiden ob einem das reicht oder nicht.
Eine Möglichkeit ist es sich einen solchen Sensor zu beschaffen und die oben Beschriebenen Testreihen durchzuführen und sich dann zwei US- Experimentierstes zu holen und mit diesen selbst einen Sensor aufzubauen und diesen dann soweit zu verbessern, das er mindestens die Lesitung des SRF08 erbringt und dessen Schwächen nicht aufweist.

Für mich persönlich besteht im letzteren Fall der Vorteil das man eine ganze Menge lernt.
Ich selbst habe mir dazu dann noch Literatur zu Radar besorgt, da daß durch die militärische Nutzung das am weitesten entwickelte Reflexions Ortungsverfahren ist.