Alternatives Impuls-Echo-Verfahren mit aktivem Ultraschallreflektoren

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1 Alternatives Impuls-Echo-Verfahren mit aktivem Ultraschallreflektoren Ziel des Entwicklungsvorhabens ist es, die Möglichkeiten der Ultraschallentfernungsmessung zur Ermittlung des Abstandes eines oder mehrerer Objekte von einem zentralen Punkt zu ermitteln. Dazu wird ein Ultraschallsignal (40kHz) vom Sender (Base) gesendet und vom aktiven Reflektor (AR) empfangen. Sobald der aktive Reflektor ein Signal empfängt, sendet er über Funk (868 MHz) ein Signal an die Basis zurück. Aus der Laufzeit der Signalschleife kann die Entfernung zwischen Basis und dem aktiven Reflektor ermittelt werden. Abb. 1: Prinzip Alternatives Impuls-Echo-Verfahren [1] Das Konzept hat gegenüber dem herkömmlichen Reflektionsverfahren folgende Vorteile: - für die Messung ist keine Mindestgröße (Reflexionsquerschnitt) des Objektes erforderlich - die Empfindlichkeit des Messverfahrens ist höher, da das Ultraschall-Signal die Entfernung zwischen Sender und Empfänger nur einmal zurücklegen muss - Hall- und Echoeffekte spielen keine Rolle, so dass Indoor-Messungen kein Problem darstellen - durch Kodierung des Ultraschall-Signals sind mehrere Empfänger adressierbar Für den Nachweis des Funktionsprinzips und als Grundlage für anwenderspezifische Lösungen wurde ein Prototyp im Rahmen zweier Diplomarbeiten [2,3] an der FH-Bielefeld aufgebaut und untersucht. Der Prototyp besteht aus zwei Funktionseinheiten, dem mobilen aktiven Reflektor und einer stationären Sende- und Auswertestation. Die Sende- und Auswertestation wurde auf Grundlage des Microcontrollers ATMEGA 169 realisiert. Um die Hardwarearbeiten in einem überschaubaren Rahmen zu halten, wurde der Prototyp mit Hilfe des MC- Entwicklungsbords (STK500 und 504) aufgebaut Die Basisstation hat folgende Module: - 40 khz Impuls-Sender MHz Empfänger - Kalibriermodul (Software) - Entfernungsberechnung (Software) - Temperaturmessung und Kompensation (Software) - Anzeige- und Bedienteil - RS232 - Schnittstelle Abb. 2: Prototyp des stationären Sende und Empfangsstation [2] Der aktive Reflektorbaustein wurde als mobiles Gerät entworfen. Er wird aus 2 x 1,5 V AAA-Batterien versorgt. Abb. 3: Aktiver Reflektor Block Diagramm [1] Er enthält folgende Bausteine: - Ultraschallempfänger - selektiver Verstärker - Gleichrichter und Komparator MHz-Sender Abb. 4: Prototyp des aktiven Reflektors [3]

2 Parameter des Prototyps Es konnte anhand des Prototypen die Funktionsweise des alternativen Impuls-Echo-Verfahrens nachgewiesen werden. Die Messungen hierzu wurden sowohl Indoor als auch Outdoor durchgeführt. Die maximale Reichweite des Entfernungsmesssystems ist in der gegebenen Systemkonfiguration ca. 20 m. Dabei ist jedoch eine grobe Ausrichtung des Sender- und Empfängermoduls notwendig. Für eine sichere Messung der Entfernung ohne Ausrichtung des Senders zum Empfänger ist 5 m die max. zulässige Entfernung. Die mittlere Messgenauigkeit lag bei 1%. Größere Fehler treten immer dann auf, wenn die Signalstärke am Empfänger nicht ausreichend ist m 20m Aktiver Reflektor Basis m 10m 5m Basis Abb. 5: Richtungscharakteristik der Basisstation Abb. 6: Entfernungsmessung Indoor über 25 m [3] Erhöhung der Reichweite durch Einsatz eines Senderarrays Um die Messentfernung des Impuls-Echo-Verfahrens mit aktivem Ultraschallreflektor zu vergrößern, wurde der Einsatz eines Senderarrays untersucht. Hierzu wurden 20 piezoelektrische Sendermodule in ein Array von 5x4 Modulen angeordnet. Abb. 7: Simulierte Strahlcharakteristik des 5x4-Senders [4] Oberes Bild: ideal Abstand der Sendemodule d= λ/2=4,25mm Unteres Bild: ideal Abstand der Sendemodule d=16 mm Abb. 7 zeigt die simulierte Richtcharakteristik des 5x4-Sendemoduls. Dabei ist die Richtungscharakteristik des real aufgebauten SendeModuls nicht optimal (Verästelungen um das Sendezentrum), da der Abstand der Sendemodule bedingt durch Ihre Größe nicht im Abstand von λ/2= 4,25 mm angeordnet werden konnten, sondern einen Abstand von 16mm aufwiesen. Abb. 8: Anordnung der Sendemodule [4]

3 Abb. 9: Gemessene Richtungscharakteristik [5] Abb. 10: Senderarry mit 5x4 Sendemodule [4] Neben der Erhöhung der Sendeleistung um 18db (theoretisch 26 db) kommt es zu einer starken Fokussierung der Sendecharakteristik. Die erhoffte Erhöhung der Reichweite konnte nicht erreicht werden. Die maximale erreichte Reichweite betrug in diesem Experiment 25 m. Um die Grobausrichtung des Sendemoduls zu umgehen, wurde eine elektronische Schwenkung der Sendestrahlkeule realisiert. Dazu werden die einzelnen Sender phasenverschoben angesteuert. Abb. 11: Abhängigkeit des Abstrahlwinkels von der Phasenverschiebung des Ansteuersignals [6] Nach der obigen Formel ist eine maximaler Abstrahlwinkel bei λ = 8,5 mm und d = 16 mm von θ = 16 grad. Abb 12 zeigt die hierzu gemessene Richtcharakteristik für verschiedene Phasenlagen des Ansteuersignals. Um den Abstrahlwinkel zu vergrößern wurde ein Sendemodul mit gleicher Senderanordnung (4x5) aufgebaut, jedoch mit kleineren Sendemodulen. Dadurch konnte der Abstand d auf 10 mm verringert werden. In Abb. 11 ist zu sehen, dass sich hierdurch der Abstrahlwinkel auf 25 grad erweitert.

4 Abb. 11: Richtungscharakteristik 16mm-Sendermodul [5] Abb. 12: Richtungscharakteristik 9mm-Sendermodul [5]

5 Literatur: [1] Fougere, Bob, "Design and Realisation of a Selective Amplifier for an Active Reflector Approach to Distance Measurement", Studienarbeit, Fachhochschule Bielefeld, 2005 [2] Yilmaz, Talha, "Entwicklung eines MC-basierten Ultraschall-Entfernungsmessers", Diplomarbeit, Fachhochschule Bielefeld, 2006 [3] Arslantas, Tamer " Entwicklung eines aktiven Ultraschall-Reflektors für die Entfernungsmessung", Diplomarbeit, Fachhochschule Bielefeld, 2006 [4] Kloß, Sascha; Neuhaus, Stefan: "Aufbau eines piezoelektrischen Ultraschallsenders ", Studienarbeit, Fachhochschule Bielefeld, 2007 [5] Sebastian Schomburg, Nico Scholz: "Aufbau eines piezoelektrischen Ultraschallsenders ", Studienarbeit, Fachhochschule Bielefeld, 2008 [6] Homepage für Radartechnik, Deutschland Stand: Stand: Weitere Informationen Prof. Dr. Zielke FH Bielefeld FB Ingenieurwissenschaften und mathematik Professur Werkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik Wilhelm-Bertelsmann-Str Bielefeld fon: (0521) fax: (0521) dirk.zielke@fh-bielefeld.de