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Ultraschallsensoren für Kollisionvermeidung

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Ein stetiges Bestreben der Robotik ist es, möglichst viele Informationen über das Umfeld des Roboters zu sammeln. Eine der wichtigsten Informationen ist die Entfernungsmessung.

Zur Entfernungsmessung werden häufig Ultraschallsensoren eingesetzt, da sie günstig und einfach in der Handhabung sind. Sie kommen auch in der Kollisionsvermeidung, Navigation und Kartenerstellung zum Einsatz.

Der Artikel beschäftigt sich mit dieser Technologie, ihren Vor- und Nachteilen, ihrem Einsatz und den verschiedenen angebotenen Sensoren.

Verschiedene Arten der Orientierung mithilfe eines Signals

Bevor wir näher auf den Ultraschall eingehen, hier ein kleiner Überblick über andere verfügbare Technologien. Alle Sensoren dienen dazu, das Umfeld des Roboters darzustellen (Kontakt, Odometrie, Lichtempfindlichkeit, Schall, Wärme usw.). Bestimmte Sensoren können die Entfernung zu einem Hindernis messen, damit der Roboter je nach Art der Hindernisse (oder Fehlen eines solchen) eine Entscheidung treffen kann. In diesem Fall spricht man von Entfernungsmessung, d. h. der Messung eines entfernten Punktes.

Neben dem Ultraschall werden zwei weitere Technologien zur Entfernungsmessung eingesetzt: :

  • Infrarot
  • Laser

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Vor- und Nachteile der verschiedenen Lösungen von Roboterherstellern aufgeführt, die auf dieser Website angeboten werden.

Ultraschall Infrarot Laser
Reichweite 1 bis 250 cm 5 bis 80 cm Mehrere Meter bis in den zweistelligen Meterbereich, je nach Modell.
Messbereich Kegel mit einem Kegelwinkel von rund 30° Kegel mit einem Kegelwinkel von rund 5° Stark gerichtet (Präzision ein Grad oder sogar ein halbes Grad)
Genauigkeit Relativ genau, die Genauigkeit hängt jedoch von Entfernung, Messwinkel sowie Temperatur und Druck ab. Relativ genau, die Genauigkeit verringert sich jedoch mit der Entfernung. Genau mit einer Verschiebung von wenigen Zentimetern über mehrere Meter.
Kosten Günstig Günstig Relativ teuer
Empfindlichkeit gegen Interferenzen Reagiert empfindlich auf Temperatur und Druck. Empfindlich auf andere Roboter, die die gleiche Frequenz verwenden, was insbesondere bei Wettkämpfen zum Problem werden kann. Reagieren empfindlich auf starke Lichtquellen mit hohem Infrarotanteil. Ebenfalls empfindlich auf Farbe und Art der Hindernisse. Kann keine Gegenstände mit glänzender Oberfläche orten, die das Laserlicht zurückwerfen (Scheiben, verchromte Objekte)

Ultraschall

Schall oder Ultraschall?

Schall ist eine mechanische und elastische Welle, die sich in einem physischen Medium in Form von Longitudinalwellen oder Verdichtungen ausbreitet. Dieses Phänomen wird beispielsweise bei Lautsprechern genutzt, die eine Membran in Schwingung versetzen, die wiederum die Luft vibrieren lässt. Schall breitet sich umso schneller aus, je dichter das Medium ist. Deshalb ist die Schallgeschwindigkeit in Wasser höher als in der Luft. Das erklärt auch, weshalb Ultraschallsensoren nicht im Vakuum funktionieren, denn dort können sich Schallwellen nicht fortpflanzen. Daher sind zum Beispiel Raumsonden oder Mondrover niemals mit Ultraschallsensoren ausgestattet.

Mit einer Frequenz von über 20 kHz liegen Ultraschallwellen oberhalb der menschlichen Hörschwelle (daher ihr Name).

Man unterscheidet Ultraschallwellen je nach Frequenzstärke:

  • Schwache Ultraschallwellen, die für Entfernungsmessung, zerstörungsfreie Prüfung, Ultraschalluntersuchungen und Unterwasserakustik eingesetzt werden. Mit diesen Ultraschallwellen beschäftigen wir uns hier.
  • Starke Ultraschallwellen, die das Medium, in dem sie sich ausbreiten, verändern. Ihre Wirkung hängt vom jeweiligen Medium ab. Die Wirkung kann mechanischer, thermischer oder chemischer Natur sein.

Ultraschall in der Natur

Viele Tiere, darunter Hunde oder Fledermäuse, können Ultraschallwellen hören. Darüber hinaus können Fledermäuse selbst Ultraschallwellen aussenden, um sich zu orientieren, was man als Echoortung bezeichnet. Auf diesem Prinzip beruhen auch die Systeme, die für Roboter programmiert werden. Auch andere Tiere verfügen über diese Fähigkeit (Wale, Fledertiere und bestimmte Nagetiere). Sie bedienen sich des Ultraschalls nicht nur zur Orientierung, sondern auch um ihre Beute zu orten und zu kommunizieren.

 

Die Information Society Technology entwickelte den Roboter Bat-Bot, um das Prinzip der Echoortung bei Fledermäusen genauer zu erforschen. Denn während man die Echoortung unter Wasser mit Sonargeräten bestens beherrscht, gestaltet sie sich in der Luft wesentlich schwieriger. Ziel des Projekts CIRCE der Universität Antwerpen ist es, das Phänomen besser zu verstehen, um fortschrittlichere und leistungsstärkere Ultraschallsensoren zu entwickeln. Denn wie im Folgenden erklärt, sind die heutigen Sensoren zwar einfach und schnell einsatzbereit, erweisen sich jedoch in einem komplexeren Umfeld als problematisch.

 

Der Mensch nutzt die Echoortung in verschiedenen Bereichen. Einer der bekanntesten von ihnen ist die Ultraschalluntersuchung, mit deren Hilfe bestimmte lebende Gewebe sichtbar gemacht werden können (wie etwa der Fötus im Mutterleib oder die Bänder von Gelenken) Eine weitere sehr bekannte Anwendung sind Sonargeräte bei Kriegsschiffen und U-Booten.

Der Ultraschallsensor

Die Entfernungsmessung mit Ultraschallsensoren beruht auf der Messung der Zeit, die eine für den Menschen unhörbare Schallwelle braucht, bis sie zurückgeworfen wird. Da die Schallgeschwindigkeit relativ konstant ist, kann man daraus auf die Entfernung des Hindernisses schließen.

Physische und technische Merkmale der Sensoren

Die mitgelieferten Sensoren funkionieren meist wie ein Augenpaar, da sie zwei Hauptbestandteile umfassen:

  • Sender
  • Empfänger

Der Sender sendet eine bestimmte Frequenz (in der Regel etwa 40 kHz) aus und der Empfänger fängt den Schall auf, der von den Hindernissen zurückgeworfen wird. Die Entfernung wird über die Laufzeitmessung bestimmt, also die Zeit, die der Schall braucht, um zum Empfänger zurückzukehren.

Sender und Empfänger für Ultraschallsensoren
Die Form des Ultraschallbündels unterscheidet sich je nach Sensor. Abbildung 1 zeigt eine typische Ultraschallbündelform.

Ultraschallsensoren
Es fällt auf, dass der effektive Messbereich etwa 30° beträgt (relativ groß im Vergleich zu anderen Sensorentypen), mit weniger genauen Randbereichen an beiden Seiten. D. h. die Messung ist im mittleren Bereich von 30° präziser als an den Seiten. Deshalb sind Ultraschallsensoren meist auf drehenden Teilen angebracht, damit die verschiedenen Messungen jeweils mit dem Zentrum des Aufnahmebereichs vorgenommen werden können.

Die Breite des Aufnahmebereichs (30°) stellt zugleich einen Vor- und einen Nachteil dar. Der Nachteil ist, dass das Hindernis innerhalb des Detektionsbereichs nicht präzise geortet werden kann. Die Positionsbestimmung ist daher relativ ungenau. Gleichzeitig hat dies den Vorteil, dass das Umfeld besser abgetastet wird und schmale Gegenstände wie ein Stuhlbein mit Sicherheit erfasst werden.

Die nachstehende Abbildung zeigt drei klassische Messbeispiele.

Messbeispiele für Ultraschallsensoren
Im ersten Fall entsteht eine präzise Messung, da der Sensor sich genau gerade vor dem Hindernis befindet.

Im Fall Nr. 2 entsteht ebenfalls eine präzise Messung, sie „zeigt“ jedoch nur das Hindernis, das sich direkt vor dem Sensor befindet.

Im Fall Nr. 3 hingegen entsteht eine ungenaue Messung, da sie vom linken Seitenteil des Sensors vorgenommen wird.

Deshalb ist es wichtig, beim sog. Map Building (Kartenerstellung) die Bündelstruktur des jeweiligen Sensors zu kennen. Dieser Bedarf entfällt weitgehend, wenn es um die Kollisionsvermeidung geht.

Es muss ebenfalls berücksichtigt werden, dass mit Ultraschall sehr kurze Entfernungen nicht wahrgenommen werden können. Dies liegt an der Verzögerung zwischen Aussendung der Schallwelle und Detektionsbeginn der zurückgeworfenen Welle. Diese Verzögerung ist eine Voraussetzung, um Messstörungen zu vermeiden.

Einschränkungen

Die Form der Hindernisse ist von großer Bedeutung, denn sie kann dazu führen, dass der Roboter sein Umfeld nicht korrekt wahrnimmt.

> Form der Hindernisse

Hindernissevermeidung mithilfe von Ultraschallsensoren
Wie auf den obenstehenden Abbildungen zu sehen, müssen Fehler berücksichtigt werden, die von der Form der Hindernisse ausgehen können.

> Struktur des Hindernisses

Auch sie spielt eine wichtige Rolle. So wirft eine mit Teppich bezogene Wand eine Welle wesentlich schwächer zurück als eine gestrichene Wand.

> Crosstalk

Zwei Ultraschallsensoren mit der gleichen Frequenz können nicht nebeneinander eingesetzt werden, da sonst nicht unterschieden werden kann, von welchem Sensor eine Welle ausgesendet wurde. Dieses Phänomen wird als Crosstalk bezeichnet.

Eine Möglichkeit bei Robotern mit mehreren Ultraschallsensoren ist, die Sensoren einen nach dem anderen zu aktivieren, was jedoch die allgemeine Auffrischungsrate verringert.

> Perzeptuelle Kongruenz

Zu den weiteren Einschränkungen zählt in erster Linie das Problem der perzeptuellen Kongruenz („Perceptual Aliasing“). Dieses Problem tritt auf, wenn im Umfeld des Roboters mehrere zweideutige Situationen existieren, in denen er aufgrund von Informationsmängeln über sein Umfeld nicht mit Sicherheit die optimale Aktion auswählen kann. So kann der Roboter mit dem Ultraschallsensor zwar erkennen, dass er vor einer Mauer steht, jedoch meist nicht, wo genau er sich entlang dieser Mauer befindet. Handelt es sich um das Ende, die Mitte oder den Anfang der Mauer? Zwei Messungen an verschiedenen Stellen der Mauer ergeben das gleiche Ergebnis (außer wenn der Roboter am Ende angekommen ist und das Fehlen der Mauer oder die Präsenz einer Kante erkennt).

Mit diesem Problem wird also die Unfähigkeit des Sensors bezeichnet, jeden einzelnen Ort in seinem Umfeld genau zu erkennen.

Um dieses Problem zu beheben, können verschiedene Algorithmen verwendet werden, wie z. B. Algorithmen auf Lern- oder Gedächtnisbasis.…

Die Programmierung des Roboters sowie die Erhöhung der Anzahl der Sensoren sind geeignete Mittel, um diesen Randeffekt zu verringern.

Beispiele für den Einsatz von Ultraschallsensoren in der Robotik

Hier einige Videos, die den Einsatz von Ultraschallsensoren zeigen

Kollisionsvermeidung

In diesem Video bewegt sich der Roboter auf den Ort mit dem größten Freiraum zu. Hier wurde das Boe-Bot Set verwendet.

Radar

In diesem Beispiel wurde der Roboter so programmiert, dass er statisch bleibt und seinen Ultraschallsensor als Radar verwendet. Auf dem Bildschirm des intelligenten NXT-Steins werden die aufgespürten Elemente angezeigt.

Die verschiedenen Ultraschallsensoren

Hier werden ausschließlich Ultraschallsensoren aufgeführt, die zu den von Generation Robots vertriebenen Roboterbaureihen gehören.

Lego Mindstorms NXT

Ultraschallsensoren von Lego Mindstorms Der Sensor ist im kit Lego Mindstorms EV3 enthalten.

Das Produkt weist folgende Merkmale auf:

  • Detektionsbereich: 0 bis 255 cm mit einer Abweichung von +/- 3 cm
  • I2C-Bus-Schnittstelle

Auflösung: ca. 6 cm

  • Abmessungen: 55 mm x 42 mm x 26 mm

Dieser Sensor weist folgende Einschränkungen auf: :

  • Es können keine Messungen unter 3 cm durchgeführt werden. Dies ist auf das Problem der Laufzeit der Schallwelle zurückzuführen.
  • Messungen bis 20 cm in einem Winkel von -8° bis +30° sind relativ genau. Da der Empfänger auf der linken Seite und der Sender auf der rechten Seite angebracht ist, sind die Messungen links weniger genau als rechts.
  • Der Messbereich liegt zwischen 20 und 80 cm. Die Abweichung liegt unter 8 %, ein zufriedenstellender Wert für einen Sensor dieser Art.

Der Sensor lässt sich in den klassischen Programmierumgebungen wie NXT-G oder Microsoft Robotics Studio programmieren.

Vex Robotics

Ultraschallsensoren von Vex Robotics Dieser Sensor ist nicht in den Basis-Bausätzen enthalten, sondern separat auf Generation Robots unter folgendem Link erhältlich.

Der Sensor weist folgende technischen Daten auf:

  • Übertragungsfrequenz: 40 Hz
  • Entfernungsmessung: 3 cm bis 3 m
  • Impulsdauer: 250 µs

Zur Programmierung dieses Sensors ist das Programmierset RobotC erforderlich, das in den bei Generation Robots angebotenen Sets enthalten ist.

Parallax

Parallax Ultraschallsensor Dieser Sensor ist nicht in den Basis-Bausätzen enthalten, sondern separat erhältlich. Er kann sowohl am Boe-Bot als auch am SumoBot montiert werden.

Technische Daten des Sensors:

  • Entfernungsmessung: 2 cm bis 3,3 m.
  • Durchschnittliche Abweichung: unter 0,5 cm
  • Übertragungsfrequenz: 40 Hz

Von vorne gesehen (wie auf der Abbildung) befindet sich der Sender auf der rechten Seite und der Empfänger auf der linken.

Schlussbemerkung

Ultraschallsensoren sind sehr einfach in der Handhabung und sammeln gemeinsam mit anderen Sensoren wertvolle Informationen über das Umfeld des Roboters. Kein Zweifel, auch Ihr Roboter braucht einen oder mehrere solcher Sensoren!


 

Generation Robots (https://www.generationrobots.com/de)

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