Robotarena - Fledermausohr

Fledermausohr


Wie die Fledermaus – Ultraschallsensor

von Alexander Wiedekind-Klein

In diesem Artikel wird ein kleines Modul vorgestellt, welches ähnlich einem Fledermausohr funktioniert.
Die Entfernungsmessung basiert auf der Laufzeit des Ultraschallsignals vom Sender bis zum Empfänger. Die hier vorgestellte Schaltung ist für die Reflexionsmessung ausgelegt.
Sie besteht aus einem schaltbaren 40kHz Oszillator und einer Empfängerschaltung. Das Ausgangssignal der Empfängerschaltung stellt dabei nicht direkt die zumessende Entfernung dar, sondern, die Intensität des empfangenen Ultraschallsignals. Die gemessene Entfernung muss mit Hilfe eines Auswertungsalgorithmus ermittelt werden. Dies bietet den großen Vorteil, das verschiedene Störeffekte „herausgerechnet“ werden können. Dazu wird über ca. 50ms die Ausgangsspannung des Empfängers gesampelt und in ein Array geschrieben.

Bild t1

Für den Zeitraum t1 (ca.2,5ms) wird der Ultraschallsender eingeschaltet, die Intensität des empfangenen Signals steigt nach kurzer Zeit an. Dies liegt darin begründet, dass der Empfänger direkt das Schallsignal des Senders detektiert. Dieser "Schmutzeffekt" muss von den Auswertungsalgorithmen beachtet werden.

Die Zeit t2 bestimmt sich von der halben Einschaltzeit bis zum Maximum des Intensitätssignals. Diese Zeit ist identisch mit der Laufzeit des Schalls bis zum angepeilten Objekt und zurück zum Empfänger. Da die Zeiten immer im Bereich von Millisekunden liegen, kann die Entfernung [S] mit folgender Formel völlig ohne Kommazahlen ausgeführt werden. Für die Luft ergibt sich:

S[cm] = 16 [cm/ms] * tx [ms]

Für einfachste Anwendungen ist auch vorstellbar, daß dem Analogausgang ein Komperator nachgeschaltet wird, der z.B. Low-Pegel liefert wenn die Intensität des empfangenen Signals einen gewissen Wert überschreitet. Wird dieses Signal mit dem Steuersignal dann NOR verknüpft, dann liegen am Ausgang des NOR-Gatters dann High-Impulse mit der Länge der Signallaufzeit.


Anmerkungen:

Bei der Auswertung der empfangenen Signale sind aber drei wichtige Störungsfaktoren zu beachten:

  • Wenn ein Objekt sich sehr dicht vor dem Meßsystem befindet (z.b. 35cm bei t1=2,5ms Schallimpulsen), so kann die Auswertung nicht nach obigen Schema  erfolgen (Abb.2). Diese Situation ist für das Meßsystem daran zu erkennen, das das währen den ersten 3-4ms empfangene Signal ungewöhnlich stark ist. In diesem Fall ist es das Beste, die Laufzeit des Schallsignals vom Einschalten des Senders bis zur Hälfte des Maximalpegel zu bestimmen (t2). Hierbei spielt das direkt gekoppelte Signal keine große Rolle mehr und kann vernachlässigt werden.
  • Es ist durchaus möglich, daß mehrere Objekte den Schall reflektieren. Dadurch werden mehrere lokale Maxima empfangen (Abb.3). Die Software muß sich entscheiden, wie sie die Informationen auswertet. Sie kann sich einerseits nach dem stärksten Impuls richten, oder den ersten Impuls verwenden, oder mehrere Entfernungen angeben, um zu zeigen, daß es sich nicht um ein eindeutiges Objekt handelt.
  • Aufgrund der Oberfläche und Position des angepeilten Objektes kann die Intensität des angepeilten Objektes sehr stark schwanken. Weiterhin können Mehrfachreflexionen und Schallspiegelungen auftreten.

Bild t2 & t3

Aufgrund dieser Probleme ist es sehr zu empfehlen, eine intelligente Signalauswertung zu verwenden. Diese kann aus einem Mikrocontroller bestehen,welcher das Analogsignal mit einer festen Abtastrate digitalisiert und anschließend anhand des Signalverlaufs analysiert. Die somit errechnete Signallaufzeit kann dann sofort in die entsprechende Entfernung umgerechnet werden.

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