Robotarena - Ultraschallmodul zur Entfernungsmessung (alt)

Ultraschallmodul zur Entfernungsmessung (alt)


Beschreibung

Schaltung und Layout

Ultraschallsender

Ultraschallempfänger

Schaltungsaufbau

Dateien

 


  Beschreibung:

Die Entferungsmessung basiert auf der Laufzeit des Ultraschallsignales vom Sender bis zum Empfänger. Dabei ist die direkte Entfernungsmessung mit zwei räumlich getrennten Wandlern von einer Reflektionsmessung zu unterscheiden. Beide Verfahren bieten ihre Vor- und Nachteile. Die direkte Messung weist eine höhere Reichweite und Zuverlässigkeit auf. Als großer Nachteil ist aber die Notwendigkeit zu sehen, daß am einen Ende der zu messenden Strecke der Sender und am anderen Ende der Empfänger installiert sein muß. Die indirekte Messung ist in ihrer Reichweite und Zuverlässigkeit vor allem vom angepeilten Objekt und dessen Reflektionseigenschaften abhängig.

Die hier vorgestellte Schaltung ist für die Reflektionsmessung ausgelegt,da diese wesentlich mehr Anwendungsmöglichkeiten bietet. Im Layout sindSender und Empfänger auf einer Platine untergebracht. Würde mandiese trennen, so ist die Schaltung natürlich auch für eine direkteMessung verwendbar.

Das Ausgangssignal der Empfängerschaltung stellt nicht direkt die zumessende Entfernung dar, sondern, die Intensität des empfangenenUltraschallsignales. Die gemessene Entfernung muß mit Hilfe vonZeitverzögerungen zwischen Eingangs und Ausgangssignal ermittelt werden.Die Abbildung 1 soll dies anhand eines Beispiels verdeutlichen.


Abb1: typischer Signalverlauf.

Für den Zeitraum t1 (ca.2,5ms) wird der Ultraschallsender eingeschaltet,die Intensität des empfangenen Signals steigt nach kurzer Zeit an. Diesliegt darin begründet, daß der Empfänger direkt das Schallsignaldes Senders detektiert. Dieser "Schmutzeffekt" muß von denAuswertungsalgoritmen beachtet werden.

Die Zeit t2 bestimmt sich von der halben Einschaltzeit bis zum Maximum desIntensitätssignals. Diese Zeit ist identisch mit der Laufzeit des Schallsbis zum angepeilten Objekt und zurück zum Empfänger. Nach demAusschalten des Senders ist das abgestrahlte Schallpaket noch unterwegs.Nach einer gewissen Zeit nimmt die empfangene Intensität dann schlagartigzu. Die Entfernung (S) ergibt sich aus dieser Zeit (t2) und derSchallgeschwindigkeit (vs) im jeweiligen Medium (Luft : 330m/s). Da der Schalldie doppelte Strecke zurücklegen muß (Hin- und Rückweg) mußdas Ergebnis noch halbiert werden.

S [m] = (vs [m/s] * tx [s]) / 2

Da die Zeiten immer im Bereich von Millisekunden liegen, bietet es sich an,die Formel weiter zu vereinfachen. Für die Luft ergibt sich:

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

Damit kann die Berechnung völlig ohne Kommazahlen ausgeführt werden,was für Auswertungen mit einem Mikrocontroller sehr von Vorteil ist.Bei der Auswertung der empfangenen Signale sind aber zwei wichtigeStörungsfaktoren zu beachten:

     
  1.    

        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. 

  2.    

        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. 

  3.    

        Aufgrund der Oberfläche und Position des angepeilten Objektes kann die    Intensität des angepeilten Objektes sehr stark schwanken. Weiterhin    können Mehrfachreflektionen und Schallspiegelungen auftreten.

Abb2: Signalverlauf bei sehr nahen Objekten

Abb3: mehrfache lokale Maxima bei mehreren Objekten

Aufgrund dieser Probleme ist es sehr zu empfehlen, eine intelligenteSignalauswertung zu verwenden. Diese kann aus einem Mikrocontroller bestehen,welcher das Analogsignal mit einer festen Abtastrate digitalisiert undanschließend anhand des Signalverlaufs analysiert. Die somit errechneteSignallaufzeit kann dann sofort in die entsprechende Entfernung umgerechnetwerden.

Für einfachste Anwendungen ist auch vorstellbar, daß dem Analogausgangein Komperator nachgeschaltet wird, der z.B. Low-Pegel liefert wenn dieIntensität des empfangenen Signals einen gewissen Wert überschreitet.Wird dieses Signal mit dem Steuersignal dann NOR verknüpft, dann liegenam Ausgang des NOR-Gatters dann High-Impulse mit der Länge derSignallaufzeit, die wiederum von einem Frequenzzähler in der BetriebsartPeriodendauermessung gemessen werden können. Allerdings ist diese Methodenicht dazu geeignet, die oben genannten Störfaktoren aufzufangen.

  Schaltung und Layout

Die Abbildung zeigt das Layout und die Bestückung desUltraschallmoduls.
Der Schaltplan kann als gif- oder Eagle-Datei heruntergeladen werden (siehe Dateien).
Das Layout ist auf einer einseitigen konventionell bestückten Platinemit nur einer Brücke (rot) untergebracht.

  Beschreibung Ultraschallsender

Der Schaltungsteil des Senders besteht aus einem kallibrierbaren Oszillator(IC1) für Frequenzen von etwa 40kHz. Die Schwingfrequenz des Oszillatorswird durch den Widerstand (R2+P1) sowie C1 bestimmt. Die genaue Schwingfrequenzkann mit dem Trimmer  P1 auf die genaue Resonanzfrequenz desUltraschallwandlers abgeglichen werden. Die Resonanzfrequenz beträgtbei den angegeben Typen ca. 40kHz.

  Beschreibung Ultraschallempfänger

Die Empfängerschaltung stellt an seinem Ausgang ein Gleichspannungssignalzur Verfügung, daß der Intensität des empfangenenUltraschallsignals entspricht.

Die vom Ultraschallmikrofon (W2) empfangenen Signale werden zunächstmit Hilfe des Kondensators C6 von niederfrequenten Störsignalen undGleichspannunngsanteilen befreit.

Mit den OPV’s U1a und U1b wird eine selektive Verstärkung desFrequenzbereiches um etwa 40kHz realisiert.

Danach wird das 40kHz-Signal mit D1 gleichgerichtet und durch C4 geglättet.Das so gewonnene Gleichspannungssignal stellt den Pegel des empfangenen Signalsda. Die Gleichspannung besitzt allerdings einen konstanten Offset von UB/2.Dies muß bei der Weiterverarbeitung beachtet werden. Der nachgestalteteOPV IC2c dient nur als Ausgangstreiber, damit das Signal z.B. durch einennachgeschalteten A/D-Wandler belastet werden kann.

  Schaltungsaufbau

Der Aufbau der Schaltung ist unkritisch. Die größte Sorgfalt mußallerdings bei der Anordnung der Ultraschallwandler zueinander aufgewendetwerden. Dabei sind folgende Regeln zu beachten:

     
  • Die beiden Wandler dürfen sich nicht berühren. 
  • Durch eine Berührung der Wandler würde sich das Sendesignal als
    Körperschall direkt auf den Empfänger übertragen und das
    reflektierte Signal überlagern. 
  • Die beiden Wandler müssen nahezu parallel ausgerichtet sein, sollten
    aber ganz leicht aufeinander zu zeigen. 
  • Um das vom Hindernis reflektierte Signal möglichst gut empfangen zu
    können müssen die beiden Wandler leicht aufeinander zu zeigen.
    Diese Ausrichtung hängt von der angepeilten Entfernung ab und richtet
    sich allgemein nach der Reichweite. Grob läßt sich sagen, daß
    die Ausrichtung nicht stärker als ca.3 Grad von der Parallelen abweichen
    sollte. Sind die Wandler zu stark zu einander geneigt, dann wird der direkt
    empfangene Schall wieder stärker als das reflektierte Signal. Da die
    Ausrichtung auch von den verwendeten Wandlern abhängt, sollten ein paar
    Versuche durchgeführt werden bevor sie endgültig auf die Platine
    gelötet werden. 
  • Die Utraschallwandler sind z.B. bei Conrad-Elektronik oder RS-Components
    zu erhalten.

  Dateien

Der Schaltplan und das Layout wurde mit der Freewareversion des LayoutprogrammesEAGLE Version 3.55 von Cadsoft erstellt (Siehe auch Link-Seite).

Folgende Dateien stehen zum Download bereit:

Schaltplan als EAGLE 3.55-Datei: USMOD.SCH
Schaltplan als gif-Datei:USMOD.GIF
Bestückungsplan als gif-Datei:BESTUEK.GIF

Layout als EAGLE 3.55-Datei: USMOD.BRD
Layout als gif-Datei (spiegelverkehrt; 300dpi):LAYOUT.GIF

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