Ultraschallsensor am Modellflugzeug

[ComSubVie]

Also das mit dem Fön hat mich grad ein bisschen stuzig gemacht. Sollten nicht die dadurch entstehenden Temperaturunterschiede der Luft zu Teil-Reflektionen führen? Die Sprungschichten im Wasser verhalten sich zumindest zum Teil schallreflektierend...

[voidpointer]

Hm, Manf hat mich überzeugt, dass es nichts mit Reflexionen zu tun hat. Sowas genauer zu untersuchen, dürfte wahrscheinlich ziemlich knifflig werden. Für mich genügt erstmal die Feststellung, dass es Störungen gibt.

Habe heute wieder einen Testflug gemacht. Diesmal hatte ich ein bischen Schaumstoff um den Sensor drapiert. Aber die Messergebnisse sind nicht besser geworden. In Bodennähe bis 3 Meter sind die Messungen gut. Die Frage ist nur, ob das reicht, um den Flieger im Sinkflug rechtzeitig abzufangen.

Wer will kann sich die Daten mal anschauen. Ich habe einen Prototyp der Visualisierungs-Software ins Netz gestellt. Mit diesem Programm können meine Logfiles runtergeladen werden: http://www.voidpointer.de/easybot/flightviz.jnlp . Die Software setzt voraus, dass Java Version >= 1.5 auf dem Rechner installiert ist. Falls etwas nicht funktioniert, bitte PN an mich. Die Anzeige der Sonarmessungen ist ganz oben rechts...

Gruß, Achim.

[mare_crisium]

voidpointer,

Deine Flugdatenerfassung und Dein Darstellungsprogramm sind sehr beeindruckend. Die Flugbahnsteuerung und die Fluglageregelung scheinen auch schon ganz gut zu funktionieren. Tolle Leistung!

Jetzt verstehe ich auch, warum Du unbedingt das Problem der Höhenmessung beim Landeanflug lösen musst.

Folgende, für Amateure wie uns, zugängliche Messmethoden sind mir dazu eingefallen:

Barometrische Höhenmessung: Scheidet nach meiner Meinung aus, weil zu ungenau. 1 m Höhendifferenz entsprechen (auf Normalnull) ca. 10Pa, also 0,1mbar. Änderungen dieser Grössenordnung verschwinden nach meiner Erfahrung mit Drucksensoren im Rauschen. Wenn Dein Flieger mit 10km/h zur Landung ansetzt, dann täuscht der dynamische Druck (5Pa) eine um einen halben Meter zu geringe Höhe vor. Die Abweichung wird mit dem Quadrat der Geschwindigkeit grösser. Von lokalen Druckschwankungen (Thermik, Wetteränderungen usw.) mal ganz zu schweigen.

Optische Parallaxe (das ist das Prinzip nach dem der Sharp-Sensor arbeitet): Dein Untergrund (Gras, Acker) absorbiert nach meiner Einschätzung das Licht zu stark. Der Sensor wird seinen Leuchtpunkt kaum sehen können. Ausserdem sind die Roll- und Nickachse des Flugzeugs selten genau parallel bzw. senkrecht zum Untergrund ausgerichtet. Du müsstest also die Signale von 4 solcher Messaufnehmer auswerten.

Radar (so es denn einen für Amateure erschwinglichen Sensor gäbe): 1m Höhendifferenz entspricht einer Signallaufzeit von 3ns. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Signallaufzeit in einem einfachen TTL-Gatter (z.B. einem NAND vom Typ 7400) beträgt typisch 20ns. Diese winzigen Zeitdifferenzen auszuwerten erfordert mehr Aufwand, als Dein Flugzeug tragen kann.

Optical flow (das ist der Algorithmus, der dem Messprinzip der optischen Mäuse zugrundeliegt): Das könnte gehen. Eine eigene Beleuchtung (LED oder Laser, wie bei der Maus) brauchst Du nicht, solange Dein Untergrund vom Tageslicht genügend hell ausgeleuchtet wird. Die Optik müsstest Du so ändern, dass sie ab Entfernungen von >0,5m ein halbwegs scharfes Bild auf das CCD des Maussensors projiziert. Das sollte mit einer ausreichend kleinen Blende auch funktionieren. Nur brauchst Du etwas mehr Abstand zwischen der Linse und dem Sensor. Die grössere Bauhöhe würde Dich wahrscheinlich dazu zwingen, das Teil im Rumpf einbauen.

Am Besten wär's aber, Du könntest die U-Schallmessung doch noch irgendwie zum Laufen bringen. Lass' uns mal weiter diskutieren!

mare_crisium

[voidpointer]

Hallo mare_crisium,

es freut mich, wenn Du das Programm zum Laufen gebracht hast und es auch ohne Benutzerhandbuch einigermaßen verständlich ist. Habe mittlerweile auch schon eine menge Zeit hineingesteckt. Es sind auch noch ein paar Macken drin, die irgendwann noch behoben werden müssen.

Derzeit verbringe ich noch damit, die Reglerparameter für den Geradeausflug und danach den Kurvenflug abzustimmen. Deshalb sind es bis jetzt nur kurze Strecken im autonomen Flug (die blauen Abschnitte im Höhenprofil). Am besten geht es noch, wenn die Steuerung teilautonom ist, also Motor und Höhenruder per Fernsteuerung und nur das Seitenruder autonom.

Von daher ist die Sonar-Messung zur Zeit noch nicht mein Hauptproblem. Ich erfasse zunächst mal die Daten, um später daraus die Steuerung zu entwickeln. Dabei Suche ich natürlich jetzt schon Möglichkeiten zur Verbesserung der Messungen. Als nächstes werde ich einen SRF08 ausprobieren und dann die Messrate verdoppeln und wie oben vorgeschlagen die aufeinanderfolgenden Messungen vergleichen. Dazu muss ich allerdings etwas tiefer in die Software eingreifen, was man bei einem einigermaßen funktionierenden Programm nur ungern tut. Zusätzliche "Entstörmaßnahmen" würde ich auch gern vornehmen, aber mir fällt erstmal nichts mehr ein.

Das Problem bei meiner Schaltung ist - wie bei vielen anderen Robots sicher auch - dass ich nicht von heute auf morgen einen neuen Sensortyp hinzufügen kann. Ein Barometer würde ich schon gern mal testen, aber dazu müsste er einen I2C-Bus haben. Ausserdem kann ich nicht unendlich Gewicht und Stromverbraucher in das kleine Flugzeug einbauen - derzeit wird alles (Motor, Servos, Linux-Rechner und Sensoren) von einem 1000mAh Akku versorgt.

Danke auch für die informative Aufzählung der Messmethoden. Das hilft mir und anderen beim "Aussortieren" der Möglichkeiten. Vielleicht findet sich ja in Zukunft mehr Info bzw. Erfahrungsberichte über das Optische-Maus-Hacking. Das könnte tatsächlich eine kostengünstige Methode sein.

Bei Deiner Aufzählung hast Du den Punkt "Laser" vergessen oder ausgelassen. Mittlerweile gibt es ja recht handliche Geräte für Handwerker, die allerdings noch zu teuer und zu schwer sind und zu viel Strom verbrauchen. Aber vielleicht entwickelt die Industrie ja bald einen OEM-Laser mit I2C-Bus

Naja, ich hoffe, dass ich in den nächsten Tagen / Wochen über verbesserte Messergebnisse berichten kann. Alternativ kann man auch auf die Höhenmessung verzichten und "blind" landen. Braucht man bloß eine längere Piste...

Gruß, Achim.

[mare_crisium]

Achim,

der Vorteil des Lasers als Lichtquelle ist, dass er bei genügend Intensität auch auf einem stark absorbierenden Untergrund noch einen sichtbaren Lichtfleck hinterlässt. Dadurch kann man die Parallaxenmethode auch da noch anwenden, wo die Lichtintensität einer LED nicht mehr ausreicht. - Aber egal, lass' uns mal versuchen, den Ultraschall zum Laufen zu kriegen.

Gibt's eine Möglichkeit mit Deinem jetztigen Aufbau mit dem Ultraschallempfänger den Hintergrund-Schallpegel zu messen? Ich meine ohne dass der Sender aktiv wird?

Vielleicht kannst Du so die Stör-Schallquelle (Struktur oder Luftstrom) feststellen und eliminieren.

Ciao,

Harald.

[Vitis]

die Handwerkerlaser, zumindest die preisgünsigen Geräte verwenden den
Laser nur zum Zielen, gemessen wird meist auch mit Ultraschall.
Da Du ja ein sich bewegendes Objekt hast, sprich Flugzeug,
könnts evtl. auch mit den Dopplerradarsensoren funktionieren.
Man müsste nur die Verstärkerschaltung etwas kastrieren, dass
Du da ne Amplitudenmessung vornehmen kannst.

SMX-1 glaub ich hies das Ding,
das Andere KMY-24

[Suggarman]

Eine Möglichkeit fällt mir gerade noch ein. Von Hella gibt es eine automatische Leuchtweitenregulierung für Nachrüstxenonscheinwerfer. Das System basiert meines Wissens auf zwei Abstandsmessungen vom Auto zur Straße und muß bei hohem Tempo noch funktionieren. Vielleicht könnte man bei Hella genaueres in Erfahrung bringen.

mfg

Stefan

[voidpointer]

Gibt's eine Möglichkeit mit Deinem jetztigen Aufbau mit dem Ultraschallempfänger den Hintergrund-Schallpegel zu messen? Ich meine ohne dass der Sender aktiv wird?

Naja, bei den fertigen Sensoren ist man ziemlich eingeschränkt. Man könnte es im "Fake ranging" Modus versuchen, bei dem der Sensor nur empfängt und nicht selbst sendet. Einen Versuch ist es wert.
Der mechanische Schutz des Sensors wie etwa eine gedämpfte Lagerung usw. könnte auch noch was bringen, allerdings muss es auch praxistauglich sein.

Eine Idee ist noch die Modulation des Signals mit einem Muster, das später wieder erkannt werden muss, um als Echo zu gelten. Aber das geht nur durch Überschreiben der Firmware. Ich glaube nicht, dass Devantech sowas schon macht.

Von Hella gibt es eine automatische Leuchtweitenregulierung für Nachrüstxenonscheinwerfer. Das System basiert meines Wissens auf zwei Abstandsmessungen vom Auto zur Straße

Hm, dachte eigentlich, das geht mit Neigungssensoren. Werde aber mal recherchieren.

Ich seh schon, das Hobby wird so schnell nicht langweilig

Gruß, Achim.

[mare_crisium]

Achim,

die Hauptverdächtigen für die störenden Geräusche sind:
1. der Motor
2. der Propeller
3. die Schlitze der Steuerflächen (Seitenruder und Wölbklappen)

Ich werde mir nochmal die Flugdaten angucken, vielleicht fällt mir ja eine Korrelation (z.B. mit den Antriebsphasen) auf.

Die Idee mit der Modulation ist gut. Im Grunde kannst Du dann das Differenzsignal zwischen Störgeräusch (bei ausgeschaltetem Sender) und dem Nutzsignal auswerten.

Früher habe ich einmal über eine Art "chirping sonar" nachgedacht. Dabei wird die Schallfrequenz während des Sendens mit der Zeit hoch gefahren. Im Empfänger überlagert sich der auf direktem Weg empfangene Schall mit dem reflektierten. Folglich beobachtet man am Empfängerausgang eine Schwebung mit der Differenzfrequenz zwischen den beiden Schallsignalen (das "ältere" reflektierte Signal hat ja eine niedrigere Frequenz als das "neuere", direkt empfangene). Wenn die Frequenzrampe zeitlich linear ist, dann ist die gemessene Schwebungsfrequenz direkt proportional zur Entfernung. Ich hab's nie ausprobiert, weil ich annahm, dass die Bandbreite der Ultraschallwandler zu gering ist.

Ciao,

Harald.

[mare_crisium]

Achim,

ich habe mir Deine Flugdaten vom 25.03. und 08.04. genauer angesehen. Gesucht habe ich nach Einflüssen von
1. Motor (Vergleich Messwertstreuung mit laufendem/abgeschaltetem Motor)
2. Geschwindigkeit (die Geräuschentwicklung sollte mit zunehmender Geschwindigkeit stärker werden und auch stärker stören)
3. Untergrund (Reflexionseigenschaften)

Leider kann ich keine Korrelation zu entdecken. Jedenfalls nicht, wenn ich die Daten im Einzschritt-Modus durchfahre (dabei bleibt Dein Programm übrigens nach ca. 40-50 Schritten stecken – keine Kritik, nur als Hinweis). Es scheint, als gäbe es weniger Ausreisser, wenn Du über den heller grün gefärbten Teil der Wiese (kurz gemäht?) und über Wege fliegst. Ansonsten fällt auf, dass die „berühmten” 1,8m-Messwerte sich häufen. In einem früheren Post schreibst Du, Du hättest diesen Effekt mit Schaumstoff unterdrücken können: Das solltest Du dann auch bei einem Testflug mal ausprobieren. - Tut mir leid, nichts gefunden zu haben, womit ich Dir hätte helfen können. -

Zur Frage der Regler: Bei dem Flug vom 08.04. fällt auf, dass das Flugzeug jedesmal, wenn Du den „straight”-Befehl gibst, zunächst versucht, geradeaus zu fliegen. Bei der ersten Störung fängt es an mit dem Steitenruder aufschwingende Korrekturbewegungen zu machen, bis Du es schliesslich manuell in einer Wende abfangen musst. Wenn Du den Seitenruder-Regler als PID ausgelegt hast, dann deutet dieses Verhalten nach meiner Erfahrung auf viel zu kurze I-Zeit hin. Dieser Regler sollte eigentlich als reiner P-Regler am besten funktionieren. Die Flugbahn selbst wirkt ja schon als Integrator der Seitenruderausschläge. Und wenn durch Deinen Regler noch ein weiterer Integrator (in Reihe geschaltet) dazu kommt, dann bilden sie zusammen ein schwingungsfähiges System. Hast Du Erfahrung im Einstellen von Reglerparametern? Kennst Du die alten Faustregeln zur Regleroptimierung?

Ciao,

Harald.