Objekterkennung mit rotierenden Ultraschall mit Matlab/Simulink und EV3

Autorin: Cosima Eckert-Ludwig
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider

Für das Fach „Signalverarbeitende Systeme“ im Sommersemester 2017 wurden den Studierenden des Masters „Business and Systems Engineering“ jeweils ein Projekte aufgegeben. Dieses Projekt beschäftigt sich mit einem fahrbaren Roboter mit Lego Mindstorms EV3. Dieser soll mit Matlab/Simulink gesteuert werden und mit einem Sensor ergänzt werden. Fährt das Fahrzeug auf ein Hindernis zu, soll es 5 cm davor eine automatische Notbremsung durchführen. Zudem soll der Sensor rotieren. Die Signalverarbeitungskette soll ebenfalls beschrieben und untersucht werden. Weitere Informationen gibt es im Hauptartikel: Signalverarbeitende Systeme SoSe2017

Der Primärsensor und seine Funktion

Abbildung 1: Der Ultraschallsensor

Der Sensor

Der Sensor für dieses Projekt ist der LEGO Mindstorms EV3 Ultrasonic Sensor (95652). In Abbildung 1 wird der Sensor dargestellt. Er misst Entfernungen zwischen 3 und 250 cm. Die Messgenauigkeit liegt bei +/- 1 cm. Der Sensor leuchtet dauerhaft beim Senden und blinkt beim Empfangen. Die EV3-Software erkennt den angeschlossenen Sensor automatisch und durch das passende Matlab/Simulink Supportpackage kann so auf den Sensor zugegriffen werden. Kurzgefasst erzeugt der digitale EV3 Ultraschallsensor Schallwellen und „liest“ deren Echos, um Objekte zu erkennen und deren Entfernung in cm zu messen. Darüber hinaus kann er auch Schallwellen aussenden oder auf den Empfang einer Schallwelle warten, die dann ein Programm auslöst.

Abbildung 2: Funktionsweise des Sensors

Die Funktion

Im allgemeinem sind Ultraschallsensoren sehr zuverlässige und präzise Sensoren zum Messen der Entfernung von Hindernissen. Das Prinzip ist dem Sonar der Fledermäuse nachempfunden. Zunächst wird mit einem Ultraschallsender (Piezo Schallwandler) einige Ultraschallbursts (begrenzte Anzahl von Schwingungen fester Frequenz) erzeugt. Diese liegen im Bereich von 40kHz. Anschließend werden die von einem Hindernis reflektierten Schallwellen mit dem Ultraschallempfänger empfangen. Dazu misst ein Prozessor die Zeit, bis das Echo eintrifft. Diese Zeit ist proportional zur Entfernung des Hindernisses, da sich der Schall, in einem Medium wie Luft z.B. sich mit einer linearen Geschwindigkeit von ca. 300m/s bewegt. Das Echo legt dabei die doppelte Strecke zurück. So komm man auf eine Zeit von ca. 60us pro cm. Damit lässt sich die Entfernung des Hindernisses durch teilen der gemessenen Zeit ermitteln. Abbildung 2 zeigt das Prinzip des Ultraschallsensors.

Als Ultraschall wird ein Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen bezeichnet. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz. Wie bereits erwähnt, besteht der Ultraschallsensor aus einem Sender und einem Empfänger. Im Sender befinden sich kleine Metallplatten, sogenannte piezoelektrische Elemente mit positiven und negativen Ladungen. Ändert sich die Spannung zwischen den Metallplatten, ziehen sich diese an und bewegen sich aufeinander zu bzw. werden voneinander weggedrückt. Somit sind im Sender sozusagen kleine Membrane die schwingen können. Dadurch können die Schallwellen erzeugt werde, die über die Luft übertragen werden. Treffen die Schallwellen nun auf ein undurchlässiges Gewebe, wird der Schall reflektiert. Der Rückschall der entsteht, trifft anschließend auf die Metallplatten. Dadurch wird die Platte bewegt und es ändert sich die Spannung. Diese Spannungsänderung wird im System aufgenommen und nun kann die Zeit zwischen des Zeitpunktes wann das Signal losgeschickt wurde und des Zeitpunktes wann es wieder zurück reflektiert wurde gemessen werden. Durch die Zeitdifferenz kann anschließend der Weg berechnet werden.