Titelaufnahme

Titel
Improved ultrasonic distance measurement in air / Hannes Elmer
VerfasserElmer, Hannes
Begutachter / BegutachterinBrasseur, Georg ; Magerl, Gottfried
Erschienen2005
UmfangXII, 116 Bl. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Entfernungsmessung / Ultraschall / Luft
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-15912 Persistent Identifier (URN)
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Improved ultrasonic distance measurement in air [5.58 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Verfahren der Ultraschall-Entfernungsmessung ist seit vielen Jahren bekannt. In den meisten Fällen wird das Laufzeitverfahren (Time of Flight - TOF) angewendet, welches die Zeit auswertet die ein Ultraschallsignal für das Durchlaufen einer zu messenden Strecke benötigt.

In der Literatur finden sich verschiedene Topologien von Ultraschall-Entfernungsmesssystemen, die sich vor allem in Bezug auf die Positionen der Sender und Empfänger zueinander unterscheiden. In den meisten Fällen befinden sich Sender und Empfänger nahe beieinander oder sind sogar kombiniert (in sogenannten Transducern). Die Messung erfordert dann eine passive Reflexion an dem Objekt, zu dem die Entfernung gemessen werden soll. Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Entfernung, die zwischen Sender und Empfänger liegt (A-B-Messung).

Beide Methoden bieten interessante Eigenschaften, die sich im Verfahren der "Aktiven Reflexion" kombinieren lassen.

Eine genaue Erfassung der Laufzeit ist aufgrund der relativ geringen Schallgeschwindigkeit in Luft mit moderner Elektronik problemlos möglich. Im Fall von hochgenauer Entfernungsmessung spielt vielmehr die Schallgeschwindigkeit selbst die entscheidende Rolle, da sie von verschiedenen Paramentern, wie der Temperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit, der CO2 - Konzentration und dem Luftdruck abhängt.

Ebenso müssen Luftbewegungen, die die Relativgeschwindigkeiten der Schallsignale in Bezug zur Umgebung beeinflussen, berücksichtigt werden.

Im Fall von passiver Reflexion an Objekten hängen die erreichbaren Resultate stark von den Reflexionseigenschaften der Objekte ab. Den größten Einfluss spielt dabei die Form des Objektes, welche entweder zu spiegelnder Reflexion (liefert große Amplituden in eine bestimmte Richtung) oder zu diffuser Reflexion (kleine Amplitude in viele Richtungen) führt. Konventionelle Ultraschallentfernungsmesssysteme verwenden meist monofrequente Burstsignale, die mit Hilfe piezoelektrischer Wandler erzeugt werden können. Die Signalerkennung erfolgt durch Amplitdendetektion, welche mit Hilfe von zeitgesteuerten Verstärkern beziehungsweise adaptiven Schwellwerten eine Kompensation der Luftdämpfung und Signalstreuung erlaubt. Trotz dieser Verbesserung ist dieses Verfahren auf genau definierte Objekte beschränkt, deren Positionen im Bereich der Sensorachse liegen müssen. Eine Unterscheidung zwischen schwach reflektierenden Objekten im Bereich der Sensorachse und gut reflektierenden weit außerhalb der Hauptkeule ist bei diesem Verfahren nicht möglich, wodurch es zu stark objektabhängigen Detektionsbereichen kommt.

Das wesentlich Neue der hier beschriebenen Methode ist der gut definierbare Detektionsbereich, der überdies noch unabhängig von den Reflexionseigenschaften der Objekte ist. Es gibt mehrere Arbeiten die mit Hilfe der Trilateration (basiert auf Auswertung der Laufzeitunterschiede eines Signals von meist einem Sender zu mehreren Empfängern) den Winkel eines eintreffenden Signals bestimmen und so auf die Position des reflektierenden Objektes schließen. Besonders im Fall mehrerer reflektierender Objekte kommt es bei diesem Verfahren zu Mehrdeutigkeiten, die manchmal nur schwer beherrschbar sind. Das hier gezeigte Messverfahren schließt somit eine Lücke zwischen Systemen mit großteils undefiniertem Messbereich (insbesondere im Fall verschiedener Objekte) und aufwendigen Systemen die den genauen Winkel zu Objekten bestimmen können: mit nur einem Sender und Empfänger wird ein gut definierter und objektunabhänger Detektionsbereich erreicht. Das Verfahren basiert auf der Auswertung der frequenzabhängigen Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsenders, welcher, im Fall von breitbandigen Signalen, zu unterschiedlich - in Abhängigkeit der Abstrahlrichtung - kodierten Signalen führt. Die empfangenen Signale werden mit Hilfe des Ein-Bit-Korrelationsverfahrens analysiert, welches amplitudenunabhängige Ergebnisse liefert. Das Korrelationsverfahren liefert außerdem hochgenaue Signalerkennung, Störsicherheit und erlaubt Signalkodierung. Ein leicht modifiziertes Verfahren ermöglicht die Winkelbestimmung im Bereich der Detektionsgrenzen.

Dieses neue Messverfahren eignet sich für Anwendungen, die einen definierten Detektionsbereich - auch bei verschiedenen Objekten - verlangen. Dies sind, zum Beispiel Kollisionsvermeidungssysteme bei mobilen oder Industrierobotern. Ebenso verlangen Überwachungsaufgaben einen genau definierten und objektunabhängigen Detektionsbereich. Im Fall von scannenden Verfahren, wie sie zum Beispiel für die Umgebungserkennung mobiler Roboter verwendet werden, ist die Winkelbestimmung am Rand des Detektionsbereiches von besonderer Bedeutung, da sie die Geschwindigkeit von hochauflösenden Scandurchläufen deutlich erhöht.

Zusammenfassung (Englisch)

Distance measurement by means of acoustic ultrasonic waves has been well known for many years. In most cases, ultrasonic distance measurement systems are based on the time of flight (TOF) principle, which evaluates the time while an ultrasonic signal needs to run through the distance to be measured.

There are several possible topologies found in literature, especially regarding the positions of transmitter and receiver: while in many cases they are located near together or are even combined (in a so called transducer) and evaluate the signals occurring due to passive reflection at the object to which the distance is measured, others try to measure the distance between transmitter and receiver (A-B-measurement). Both methods provide different interesting aspects that can be combined in special cases (e.g. in "Active Reflection").

Due to the relatively low speed of sound in air, accurate TOF-measurement can be easily accomplished by means of state of the art electronics. However, in case of high accuracy distance measurements, the actual value of the speed of sound in air plays a critical role and must be taken into account: it depends on various parameters, especially on the temperature, the relative humidity, the CO2-concentration and the ambient pressure. The air movement is of interest, too, as it has a strong impact on the speed of sound relative to ground.

In cases where passive reflections on objects are necessary, the reflection properties significantly influence the achievable results.

The main characteristic provides the shape of the object which defines whether specular reflection (high amplitudes but distinctive direction) or diffuse reflection (low amplitudes in many directions) takes place.

Conventional ultrasonic distance measurement systems mainly use monofrequent burst signals that can be easily generated by, for example, piezoelectric transmitters. Signal receiving is accomplished by amplitude detection. Although time varying amplification or threshold adaptation basically allows compensation of air damping and spreading effects, it only works well in case of previously defined objects that are located near the sensor axis. Basically, these systems cannot distinguish between objects providing low reflections located near the sensor axis and objects with strong reflections lying far outside the main lobe. Therefore, the range of detection strongly depends on the reflecting objects, too.

The particularly new of the ultrasonic distance measurement method presented in this thesis is the well definable range of detection that is, moreover, independent of the reflection properties of the objects.

There are several works found doing trilateration using mostly one transmitter and several receivers, which evaluate the different TOFs occurring at each receiver. These systems can determine the receiving angle of ultrasonic waves and, therefore, give an estimation of the object's position. However, especially in case of multiple reflecting objects, there often occur ambiguities that can be solved only hardly in some cases. The presented measurement principle provides the missing link between systems with mostly undefined measurement range (in case of arbitrary objects) and rather complicated systems that deliver the angle towards an object: using only one transmitter and one receiver, it provides a well defined and object independent range of detection.

The main principle is the evaluation of the frequency dependent radiation pattern of ultrasonic transmitters which leads, in case of wide band signals, to differently coded signals depending on the angle of transmission. After receiving of a reflected signal, it is evaluated by means of the One Bit Correlation method that provides results that are independent of the signal amplitudes. This correlation based method provides high accuracy signal detection, robustness, and coding possibilities. An adaptation of the algorithm also allows determination of the angle towards the object within the range of the borders.

This new measurement method is well suited for applications that must deal with arbitrary objects, but require a well defined range of detection, too. This occurs, for example, in case of collision detection applications in mobile or industrial roboters. Also many control applications require a well defined and object independent detection area. In case of scan based algorithms, e.g. for scene recognition, the angle determination in the range of the detection borders is of main interest, as it significantly improves the speed of high accuracy scanning tasks.