Ultraschalldistanzmesser

[Manf]

Man sollte schon ein bisschen mehr definieren wie den Erfassungswinkel und die Art der Hindernisse.
Manfred

[H.A.R.R.Y.]

Ältere Bücher dieser Art finden sich meist in Hochschulbibliotheken. Falls das nicht hilft, dann gibt es noch die Fernleihe, der sehr viele Hochschul- oder städtische Bibliotheken angeschlossen sind!

Im Buch steht einiges Knowhow über einen Filteralgorithmus, mit dem man auch aus einem gestörten Ultraschallsignal noch die Echos einigermaßen sauber herausbekommt. Es gibt auch einen Schaltplan, der zeigt, wie man den Empfängerteil dazu an den µC ankoppeln muß. Leider fehlen ein paar Angaben und die Verstärkerstufen sind nicht näher ausgeführt.

Mittlerweile habe ich es geschafft den Filteralgorithmus zum Arbeiten zu bekommen und das Ergebnis auf eine Anzahl LEDs umzurechnen. Die ganze Sache funktioniert seit ein paar Tagen akkurat - obwohl der analoge Teil noch gar nicht richtig eingestellt ist!

Entfernungsmessung mittels Ultraschall nutzt die gleichen Verfahrensweisen wie RADAR, die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist jedoch etwa 850000 mal langsamer. Deswegen sind die Schaltungen deutlich besser auch vom Nicht-HF-Fachmann zu beherrschen. Damit scheidet Laufzeitmessung auf kurzen Distanzen aus.

Die Möglichkeit der Triangulation erfordert Kenntnisse der Optik und hat Probleme mit der scharfen Abbildung auf den Sensor! Objektive die von wenigen cm bis etliche m ohne Fokusänderung schaffen sind nicht gerade billig. Wenn man nicht einen der speziellen Sensoren für Triangulation bekommen kann (ich meine damit das Element selber, nicht die kompletten Einheiten à la Sharp), dann ist ein ziemlich hoher Aufwand mit Video-Capture-Einheiten zu leisten. Das übersteigt meist die Fähigkeiten einfacher µController-Designs und ist somit aufwendigeren Robotern vorbehalten.

@Manfred: Weißt Du zufällig, ob die hier verfügbare Schaltung diejenige ist, die der Doktorarbeit zu Grunde liegt (zeitlich lineare Versträkungsregelung)? Du scheinst das Büchlein auch zu haben

[Manf]

@Manfred: Weißt Du zufällig, ob die hier verfügbare Schaltung diejenige ist, die der Doktorarbeit zu Grunde liegt (zeitlich lineare Versträkungsregelung)?

Die Schaltung ist ähnlich, die im Buch ist mit einem OTA zur Verstärkungsregelung aufgebaut, die hier im Forum mit einem Einzeltransistor zur Verstärkungsregelung.

Du scheinst das Büchlein auch zu haben

Ja, ich bin ja der Autor.
Manfred

[H.A.R.R.Y.]

Dachte ich es mir doch! Mein Buch ist laut Impressum übrigens von 1984. Und es ist eine wohltat mal mit dem Autor persönlich kommunizieren zu können. Die Infos im Buch waren auch für andere Experimente schon sehr hilfreich. Jetzt aber wieder zurück zum Thema.

Welche Schaltung ist bis 10m (einfache Distanz zum Objekt!!) besser geeignet? OTA-Variante (meine Schaltung hat einen LM13700) oder die Variante mit Einzeltransistor?
Oder anders gefragt, kann ich die geregelte Eintransistorschaltung als Vorstufe mit dem Abtaster à la Buch kombinieren? Das wäre dann deutlich einfacher in der Struktur und wesentlich besser in der Leistungsaufnahme.

Was auch nicht im Büchlein steht:
Zur Erkennung der Echos brauche ich eine Schwelle um zu entscheiden, ob das Echo ein Hindernis darstellt oder nicht. Zur Zeit lasse ich mir nach dem letzten Filterdurchgang den Signalmittelwert und das Maximum errechnen. Die Schwelle wird dann zu (Maximum+Mittelwert)/2 festgelegt. Ist einfach, funktioniert jedoch ganz gut. Im Buch findet sich leider gar nichts zu diesem Thema. Hattest Du ganz einfach eine feste Schwelle eingestellt oder sogar was ganz pfiffiges mit lokalen Extrema (Echoamplitude abhängig von Objekteigenschaften...)?

Ach ja, noch eine Frage:
In einem der Forums-Beiträge ist ein Aufbau mit Sendewandler und Empfangswandler zu sehen, die mit Gummis aneinandergefesselt sind. Im zugehörigen Scope-Foto gibt es die Aussage, daß es während des Burst sendens kein Übersprechen gibt! Wo war das Scope angeschlossen: Am Empfangswandler direkt oder erst nach der geregelten Verstärkerstufe? Mein Aufbau hat das Problem das exakt nach den 8 Burstpulsen der Empfangswandler einen ziemlich satten Impulszug abliefert und der dauert etwa 1,5ms. Komischerweise aber nicht während der Burstimpulse des Senders . Ich habe schon alles mögliche probiert, und bin mir sicher das es keine Fehlechos von den Nebenkeulen sind. Höchstens noch von der Rückseite der Wandler. Sehr merkwürdig das Ganze!

[Manf]

Welche Schaltung ist bis 10m (einfache Distanz zum Objekt!!) besser geeignet? OTA-Variante (meine Schaltung hat einen LM13700) oder die Variante mit Einzeltransistor?
Oder anders gefragt, kann ich die geregelte Eintransistorschaltung als Vorstufe mit dem Abtaster à la Buch kombinieren? Das wäre dann deutlich einfacher in der Struktur und wesentlich besser in der Leistungsaufnahme.

Die erreichbare Verstärkung ausrechnen kann man bei beiden. So sehr groß ist der Unterschied nicht, auch nicht in der Leistungsaufnahme. Im Buch ist die Schaltung mit Gleichrichter und sigma delta Wandler beschrieben. Sicher kann man auch einen Abtaster einsetzen, man muss dann eben auf die Phase achten und beispielsweise synchron mit sin/cos abtasten.

Was auch nicht im Büchlein steht:
Zur Erkennung der Echos brauche ich eine Schwelle um zu entscheiden, ob das Echo ein Hindernis darstellt oder nicht. Zur Zeit lasse ich mir nach dem letzten Filterdurchgang den Signalmittelwert und das Maximum errechnen. Die Schwelle wird dann zu (Maximum+Mittelwert)/2 festgelegt. Ist einfach, funktioniert jedoch ganz gut. Im Buch findet sich leider gar nichts zu diesem Thema. Hattest Du ganz einfach eine feste Schwelle eingestellt oder sogar was ganz pfiffiges mit lokalen Extrema (Echoamplitude abhängig von Objekteigenschaften...)?

Der Sinn der Aufnahme des Kurvenverlaufs und der Filterung mit einem Matched Filter war, auch mehrere Hindernisse zu erkennen (wenn sie sich nicht vollständig verdecken). Die Filterung ermöglicht die Erkennung von lokalen Maxima mit ihrem Abstand und ihrer Stärke.
Zusammen mit dem Phased Array des Senders kann dann auch noch die Richtung bestimmt werden.
Die Signalamplitude des Echos hängt von einer Reihe von Einflüssen ab. Dazu gehören Die Fläche der Winkel und die Oberflächenbeschaffenheit des Hindernisses. Eine allgemeingültige Festlegung ob das Echo ein Hindernis darstellt oder nicht wird es damit nicht geben. Die Schwelle vom Maximum unter den Messwerten abhängig zu machen führt ja zum Problem wenn es kein Hindernis gibt und das Echosignal ein Rauschen ist.

Ich glaube es geht in der Frage auch mehr um die Bestimmung der Position des Hindernisses. Nach der Filterung wird jedes lokale Maximum die gleiche Kurvenform haben und seine zeitliche Position soll mit eine Algorithmus bestimmbar sein. Dazu kann man den genannten Wert (Maximum+Mittelwert)/2 nehmen oder das Maximum einfach bestimmen und mit der differenzierten Kurve präzisieren. In jedem Fall ist die Positionsbestimmung zu eichen, da sich durch die Impulsdauer die Wandler und die Filterung Verschiebungen ergeben.

In einem der Forums-Beiträge ist ein Aufbau mit Sendewandler und Empfangswandler zu sehen, die mit Gummis aneinandergefesselt sind. Im zugehörigen Scope-Foto gibt es die Aussage, daß es während des Burst sendens kein Übersprechen gibt! Wo war das Scope angeschlossen: Am Empfangswandler direkt oder erst nach der geregelten Verstärkerstufe? Mein Aufbau hat das Problem das exakt nach den 8 Burstpulsen der Empfangswandler einen ziemlich satten Impulszug abliefert und der dauert etwa 1,5ms. Komischerweise aber nicht während der Burstimpulse des Senders . Ich habe schon alles mögliche probiert, und bin mir sicher das es keine Fehlechos von den Nebenkeulen sind. Höchstens noch von der Rückseite der Wandler. Sehr merkwürdig das Ganze!

Gemessen wurde am Empfangs-Wandler direkt, aber was ist der Unterschied? Wenn das Signal am Wandler (bis auf die Verstärkung) nicht dem am Verstärkerausgang entspricht, dann aufgrund von Einkopplungen die am Wandler vorbei gehen. Elektrische Störungen während des Sendens sind noch erklärbar und können verkleinert werden, nur nach dem Senden ist das Signal im wesentlichen in der Luft und von dort aus wird es nur über den Empfangs-Wandler wieder in den Verstärker gelangen. Man könnte höchstens noch die Störung mit dem Abklingsignal am Sendewandler vergleichen.

Ich wollte nur erst mal eine Antwort geben, das sind schon komplexe Themen die man sich auch noch mal einzeln vornehmen kann.
Manfred

[H.A.R.R.Y.]

[...] mit dem Abtaster à la Buch kombinieren?

Ich meinte Sigma-Delta-Wandler nach Gleichrichtung, aber mir fiel der Begriff im Augenblick nicht ein. Na, dann werde ich im Laufe des Jahres auch mal die Transistorvariante testen. Die läuft immerhin mit 5V und spart den DC/DC-Wandler auf +/-15V für die OTAs und OpAmps ein.

Der Sinn der Aufnahme des Kurvenverlaufs und der Filterung mit einem Matched Filter war, auch mehrere Hindernisse zu erkennen (wenn sie sich nicht vollständig verdecken).

Das ist mir sonnenklar und genau das möchte ich auch erfassen. Die Idee ist so grundsätzlich den Roboter zuerst mal in die Richtung zu fahren wo die wenigsten Hindernisse sind, oder aber auch die Raumtiefenstruktur im Bereich der Wandler zu erfassen. Da ist noch so einiges auszuforschen, jedoch benötige ich erstmal eine zuverlässige Schaltung. Wenn die Objekte zu klein sind um sie per Ultraschall zu erfassen, dann muß halt das Notsystem greifen - Näherungsschalter für einige cm. Falls das auch versagt, dann kracht es eben - Pech halt.

Die Schwelle vom Maximum unter den Messwerten abhängig zu machen führt ja zum Problem wenn es kein Hindernis gibt und das Echosignal ein Rauschen ist.

Nun, das ist richtig, ein gewisser "Sicherheitszuschlag" zur errechneten Schwelle sollte dagegen helfen. Damit müssen die Echos nach der Filterung eine gewisse Mindestamplitude haben. Der Vorschlag aus Deinem Buch mit den 8 Messungen hintereinander ist bei mir auch eingebaut allerdings erledige ich es etwas anders: 1 Messung, Filterung mit den 7 vorhergehenden Messungen. Das benötigt etwas mehr Speicher (Faktor 1,5 derzeit) aber es beschleunigt die Zeit bis zum Ergebnis um den Faktor 8 da nach jedem "Ping" ein Ergebnis rauskommt, nicht erst nach 8 "Pings". Mein ATmega8 schafft mit seinen internen 1kByte RAM so etwa 1,3m. Zum Testen langt es, zumal ich den Start des Samplings verzögern kann - damit erfasst er einen Bereich von 1,3m ab z.B. 2m. Auf den Roboter soll ein ATmega8515 mit 32kByte externem RAM! Vielleicht findet sich ja auch noch was anderes, mal sehen.

Wenn das Signal am Wandler (bis auf die Verstärkung) nicht dem am Verstärkerausgang entspricht, dann aufgrund von Einkopplungen die am Wandler vorbei gehen.

Das ist die Krux: das Signal am Verstärkerausgang entspricht exakt dem Signal am Empfangswandler - der selbst scheint von irgendetwas eine Störung abzubekommen, die exakt mit dem Ende des Sendebursts beginnt. Reflektionen kann ich ausschließen, denn im zugehörigen Abstand sitzt kein Reflektor - auch eine Änderung der Ausrichtung von den US-Kapseln zur Schaltung bringt nichts. Zu Testzwecken habe ich einen weiteren unabhängigen Empfangswandler ans Oszi gehängt und an verschiedenen Positionen probiert. Der hat das Phänomen auch gezeigt wenn ich recht nahe an den Sendewandler herangegangen bin. Am Programm habe ich schon gedreht damit ich den Sendewandler nach dem Burst hochohmig schalte oder auf Masse lege - bringt nichts, der Effekt bleibt egal was ich mache. Auch ein Ändern der Frequenz (in groben Grenzen) bringt nichts gegen den Effekt, lediglich die optimale Freqenz wurde mit etwa 40kHz bestägigt. Ich weiß (noch) nicht woher das kommt, denn ich kann mich dunkel erinnern, als ich vor einigen Jahren das erste mal mit dieser Wandler-Anordnung (aber einer anderen Schaltung) experimentiert habe, war da keine solche Störung drauf. Und damals habe ich den Sendewandler sogar mit einer Gegentaktendstufe mit 9V betrieben (CD4093). Diesmal hängt er nur einseitig am AVR mit seinen 5V. Bei meinen Wandlern ist das Gehäuse mit einem der beiden Pins verbunden und liegt auf Masse - oder habe ich die Adern vertauscht?? Gleich mal nachgucken...

Im Gegensatz zu den hier gezeigten Schaltungen verwende ich einen Widerstand von 1MegOhm um den Empfangswandler nicht zu sehr zu belasten, aber trotzdem einen gewissen Potentialausgleich zu schaffen. Warum nehmt ihr 10kOhm? Das ist bereits der Innenwiderstand der Wandler und verringert die Signalamplitude auf die Hälfte. Reflektionen durch Fehlanpassung sind bei den 40kHz ja wohl absolut indiskutabel, oder?

In jedem Fall ist die Positionsbestimmung zu eichen, da sich durch die Impulsdauer die Wandler und die Filterung Verschiebungen ergeben

Da war doch auch noch was im Buch zu finden ; trotzdem Danke für die Erinnerung.

[stochri]

Der hat das Phänomen auch gezeigt wenn ich recht nahe an den Sendewandler herangegangen bin

Körperschall ?
Auschaltknacken ?
Ist der Empfangspfad galvanisch mit dem Sendpfad gekoppelt ?

Gruss,
stochri

[Manf]

Körperschall ?
Auschaltknacken ?
Ist der Empfangspfad galvanisch mit dem Sendpfad gekoppelt ?

Ja, da sollte man irgendwo anfangen.

Nach der Beschreibung empfängt ein unabhängiger Empfänger die Störung auch. Das müße dann schon eine etwas hartnäckige galvanische Kopplung sein. (wäre aber auch zu prüfen, Empfangswandler direkt am Tastkopf auch mit Masse, Stern-Erdung)

Wie sieht die Spannung am Sende-Wandler nach dem Abschalten aus? Hat sie die selbe Form und Dauer wie das Strörsignal?

Ist die Störung durch das Einschalten der Rampenfunktion für die ansteigende Verstärkung bedingt? Das sollte ja nicht der Fall sein, wenn mit einem anderen Empfänger (ohne Rampe) das Signal auch messbar ist.

Manfred

[H.A.R.R.Y.]

-> Köperschall kann ich ausschliessen, denn der "unabhängige Wandler" war mechanisch nicht mit dem Sendewandler gekoppelt, reagierte aber genauso wie der eingebaute Empfangswandler. Selbst nachdem Abklemmen des Oszi vom Sender sieht die empfangene Signalform identisch aus wie mit verbundener Masse, lediglich der Zeitbezug zum Sender ist verloren.

-> Spannung am Sendewandler klingt nach dem Abschalten mit etwa 12 Impulsen exponentiell von 5V auf 0V ab. Danach kommen dann noch einige Pakete mit etwa 10mVss und etwa 6 Impulsen die an eine Schwebung/gekoppelte Resonatoren erinnern. Die Hüllkurve dieser Pakete ist sinusförmig.

-> Ausschaltknacken? Der Burst wird gesendet und fertig. Die Bursterzeugung erledigt ein ATmega8 am OC1A-pin. Der ist deutlich niederohmiger als ein CD40xx-Ausgang. Der Sende-Wandler liegt einseitig an Gnd - derzeit brauche ich die erhöhte Sendeleistung einer Brückenendstufe nicht.
a) Burst erzeugen, danach Portpin auf Gnd legen -> Störung ist recht heftig und dauert mehrere ms (genaue Werte habe ich nicht greifbar). Beginn der Störung nach dem letzten Burstimpuls.
b) Burst erzeugen, danach Portpin hochohmig schalten -> Störung etwa 100mVss, Dauer etwa 1,5ms mit etwa exponentiellem Amplitudenanstieg für 0,5ms und etwa exponentiellem Abklingen für 1ms. Beginn der Störung nach dem letzten Burstimpuls. Störung weniger stark als bei a)
c) Burst erzeugen, danach Portpin auf '1' schalten -> Test steht noch aus, erwarte aber gleiches Ergebnis wie bei a)
Erstaunlich ist es schon, das die Ansteuerung des Wandlers während und nach dem Burst da einen Unterschied hervorruft. Ich hätte eher erwartet das Variante a) besser funktioniert, da sie den Wandler anständig kurzschließt.

-> Die Verstärkerrampe hat damit nichts zu tun, das Signal sieht bereits am Empfangswandler so aus, auch wenn ich den von allen Verstärkerstufen abklemme.

-> Galvanische Kopplung der Pfade: Ja, die Massen sind verbunden, aber nur an einer einzigen Stelle!

Sobald ich die Wandler abtrenne oder den Empfangswandler kurzschließe ist die Störung weg. Störeinstreuung vom Sendeteil schließe ich aus. Während der Burst gesendet wird tritt zwar eine Störung auf dem Empfangssignal auf, die konstante (!) Amplitude liegt jedoch unter 5mVss. Die Störung die mich ärgert kommt dann erst hinterher!

Just for Fun habe ich mal den Sendewandler und den Empfangswandler untereinander getauscht, so daß der Sendewandler empfing und der Empfangswandler sendete. An den Ergebnissen änderte sich insgesamt nichts, das System arbeitete so herum identisch.

[H.A.R.R.Y.]

So, jetzt ist der Fehler endlich gefunden!!!!! Die Störung wurde eindeutig vom Sendewandler über Luft in den Empfangswandler eingekoppelt. Die Schaltung ist also "sauber".

Keine der bisher diskutierten Vermutungen ist zutreffend. Es liegt an der Ausrichtung der Wandler untereinander. Wenn ich den Empfangswandler axial drehe (also ihn auf seine Rückwand stelle und dann so drehe, daß die Pins einen Kreis beschreiben) kann ich die Störung auf Null reduzieren. Das gleiche gilt für den Sendewandler. Gestern abend habe ich meine noch nicht auf Platine gelöteten Ersatzwandler angeschlossen und entsprechend verdreht und seither geht es. Das trifft nur für die Wandler mit isoliertem Gehäuse und Kunststoffboden (bei Reichelt vor ein paar Monaten eingekauft) zu. Die Teile mit Blechboden und einem Pin am Gehäuse stören in alle Richtungen gleichmäßig - ob es die noch gibt? Meine sind mindestens 15 Jahre alt und von Conrad (Hersteller Murata).

@Manfred: War die von Dir gezeigte Anordnung der Wandler mit dem Gummiband nun zufällig so ausgerichtet, daß kein Übersprechen zu Stande kam oder kanntest Du den Trick schon und hast bewußt darauf geachtet? In Deinem Bild ist zu sehen, daß die Wandler Pins etwa in einer geraden Linie liegen, bei meiner ursprünglichen Anordung liegen die Wandler-Pins auf zwei parallelen Linien.

Also etwa so (ich hoffe man kann es schon erkennen, die Klammern sollen die Gehäuse andeuten):
(* *) (* *) = Wenig bis kein Übersprechen
( : ) ( : ) = Viel Übersprechen

Bilder und bessere Infos kommen noch. Wenn ich mehr Zeit habe, werde ich mal mehrere Wandler bestellen und die horizontalen Richtdiagramme aufnehmen. Die sind ja leider in keinem Datenblatt zu finden. Da stehen nur die vertikalen Diagramme.

Einstweilen herzlichen Dank an alle die mitgedacht und mitgemacht haben, für ihre Ideen Tips und Anregungen.

Noch eine Info: Bei meinen Experimenten habe ich mehrfach absichtlich Empfangswandler und Sendewandler vertauscht - keiner hat dadurch Schaden gelitten und die Signalamplituden haben sich auch nicht wesentlich geändert. Ob die Teile sich ausser durch Aufdruck also wirklich unterscheiden???