\n Ein stetiges Bestreben der Robotik ist es, m\u00f6glichst viele Informationen \u00fcber das Umfeld des Roboters zu sammeln. Eine der wichtigsten Informationen ist die Entfernungsmessung.\n <\/p>\n \n \n
\n Zur Entfernungsmessung werden h\u00e4ufig Ultraschallsensoren eingesetzt, da sie g\u00fcnstig und einfach in der Handhabung sind. Sie kommen auch in der Kollisionsvermeidung, Navigation und Kartenerstellung zum Einsatz.\n <\/p>\n \n \n
\n Der Artikel besch\u00e4ftigt sich mit dieser Technologie, ihren Vor- und Nachteilen, ihrem Einsatz und den verschiedenen angebotenen Sensoren.\n <\/p>\n \n \n
\n Verschiedene Arten der Orientierung mithilfe eines Signals\n <\/h2>\n \n \n
\n Bevor wir n\u00e4her auf den Ultraschall eingehen, hier ein kleiner \u00dcberblick \u00fcber andere verf\u00fcgbare Technologien. Alle Sensoren dienen dazu, das Umfeld des Roboters darzustellen (Kontakt, Odometrie, Lichtempfindlichkeit, Schall, W\u00e4rme usw.). Bestimmte Sensoren k\u00f6nnen 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.\n <\/p>\n \n \n
\n Neben dem Ultraschall werden zwei weitere Technologien zur Entfernungsmessung eingesetzt: :\n <\/p>\n \n \n
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\n Infrarot\n <\/li>\n \n \n
\n Laser\n <\/li>\n \n <\/ul>\n \n \n
\n In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Vor- und Nachteile der verschiedenen L\u00f6sungen von Roboterherstellern aufgef\u00fchrt, die auf dieser Website angeboten werden.\n <\/p>\n \n \n
\n \n \n Empfindlichkeit gegen Interferenzen\n <\/span>\n <\/strong>\n <\/td>\n
\n Reagiert empfindlich auf Temperatur und Druck. Empfindlich auf andere Roboter, die die gleiche Frequenz verwenden, was insbesondere bei Wettk\u00e4mpfen zum Problem werden kann.\n <\/td>\n
\n Reagieren empfindlich auf starke Lichtquellen mit hohem Infrarotanteil. Ebenfalls empfindlich auf Farbe und Art der Hindernisse.\n <\/td>\n
\n Kann keine Gegenst\u00e4nde mit gl\u00e4nzender Oberfl\u00e4che orten, die das Laserlicht zur\u00fcckwerfen (Scheiben, verchromte Objekte)\n <\/td>\n <\/tr>\n <\/tbody>\n <\/table>\n <\/figure>\n \n \n
\n Ultraschall\n <\/h2>\n \n \n
\n Schall oder Ultraschall?\n <\/h3>\n \n \n
\n Schall ist eine mechanische und elastische Welle, die sich in einem physischen Medium in Form von Longitudinalwellen oder Verdichtungen ausbreitet. Dieses Ph\u00e4nomen wird beispielsweise bei Lautsprechern genutzt, die eine Membran in Schwingung versetzen, die wiederum die Luft vibrieren l\u00e4sst. Schall breitet sich umso schneller aus, je dichter das Medium ist. Deshalb ist die Schallgeschwindigkeit in Wasser h\u00f6her als in der Luft. Das erkl\u00e4rt auch, weshalb Ultraschallsensoren nicht im Vakuum funktionieren, denn dort k\u00f6nnen sich Schallwellen nicht fortpflanzen. Daher sind zum Beispiel Raumsonden oder Mondrover niemals mit Ultraschallsensoren ausgestattet.\n <\/p>\n \n \n
\n Mit einer Frequenz von \u00fcber 20 kHz liegen Ultraschallwellen oberhalb der menschlichen H\u00f6rschwelle (daher ihr Name).\n <\/p>\n \n \n
\n Man unterscheidet Ultraschallwellen je nach Frequenzst\u00e4rke:\n <\/p>\n \n \n
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\n Schwache Ultraschallwellen, die f\u00fcr Entfernungsmessung, zerst\u00f6rungsfreie Pr\u00fcfung, Ultraschalluntersuchungen und Unterwasserakustik eingesetzt werden. Mit diesen Ultraschallwellen besch\u00e4ftigen wir uns hier.\n <\/li>\n \n \n
\n Starke Ultraschallwellen, die das Medium, in dem sie sich ausbreiten, ver\u00e4ndern. Ihre Wirkung h\u00e4ngt vom jeweiligen Medium ab. Die Wirkung kann mechanischer, thermischer oder chemischer Natur sein.\n <\/li>\n \n <\/ul>\n \n \n
\n Ultraschall in der Natur\n <\/h3>\n \n \n
\n Viele Tiere, darunter Hunde oder Flederm\u00e4use, k\u00f6nnen Ultraschallwellen h\u00f6ren. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen Flederm\u00e4use selbst Ultraschallwellen aussenden, um sich zu orientieren, was man als Echoortung bezeichnet. Auf diesem Prinzip beruhen auch die Systeme, die f\u00fcr Roboter programmiert werden. Auch andere Tiere verf\u00fcgen \u00fcber diese F\u00e4higkeit (Wale, Fledertiere und bestimmte Nagetiere). Sie bedienen sich des Ultraschalls nicht nur zur Orientierung, sondern auch um ihre Beute zu orten und zu kommunizieren.\n <\/p>\n \n \n
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\n Die Information Society Technology entwickelte den Roboter Bat-Bot, um das Prinzip der Echoortung bei Flederm\u00e4usen genauer zu erforschen. Denn w\u00e4hrend man die Echoortung unter Wasser mit Sonarger\u00e4ten bestens beherrscht, gestaltet sie sich in der Luft wesentlich schwieriger. Ziel des Projekts CIRCE der Universit\u00e4t Antwerpen ist es, das Ph\u00e4nomen besser zu verstehen, um fortschrittlichere und leistungsst\u00e4rkere Ultraschallsensoren zu entwickeln. Denn wie im Folgenden erkl\u00e4rt, sind die heutigen Sensoren zwar einfach und schnell einsatzbereit, erweisen sich jedoch in einem komplexeren Umfeld als problematisch.\n <\/td>\n <\/tr>\n <\/tbody>\n <\/table>\n <\/figure>\n \n \n
\n 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 k\u00f6nnen (wie etwa der F\u00f6tus im Mutterleib oder die B\u00e4nder von Gelenken) Eine weitere sehr bekannte Anwendung sind Sonarger\u00e4te bei Kriegsschiffen und U-Booten.\n <\/p>\n \n \n
\n Der Ultraschallsensor\n <\/h3>\n \n \n
\n Die Entfernungsmessung mit Ultraschallsensoren beruht auf der Messung der Zeit, die eine f\u00fcr den Menschen unh\u00f6rbare Schallwelle braucht, bis sie zur\u00fcckgeworfen wird. Da die Schallgeschwindigkeit relativ konstant ist, kann man daraus auf die Entfernung des Hindernisses schlie\u00dfen.\n <\/p>\n \n \n
\n Physische und technische Merkmale der Sensoren\n <\/h3>\n \n \n
\n Die mitgelieferten Sensoren funkionieren meist wie ein Augenpaar, da sie zwei Hauptbestandteile umfassen:\n <\/p>\n \n \n
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\n Sender\n <\/li>\n \n \n
\n Empf\u00e4nger\n <\/li>\n \n <\/ul>\n \n \n
\n Der Sender sendet eine bestimmte Frequenz (in der Regel etwa 40 kHz) aus und der Empf\u00e4nger f\u00e4ngt den Schall auf, der von den Hindernissen zur\u00fcckgeworfen wird. Die Entfernung wird \u00fcber die Laufzeitmessung bestimmt, also die Zeit, die der Schall braucht, um zum Empf\u00e4nger zur\u00fcckzukehren.\n <\/p>\n \n \n
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\n Die Form des Ultraschallb\u00fcndels unterscheidet sich je nach Sensor. Abbildung 1 zeigt eine typische Ultraschallb\u00fcndelform.\n <\/p>\n \n \n
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\n Es f\u00e4llt auf, dass der effektive Messbereich etwa 30\u00b0 betr\u00e4gt (relativ gro\u00df im Vergleich zu anderen Sensorentypen), mit weniger genauen Randbereichen an beiden Seiten. D. h. die Messung ist im mittleren Bereich von 30\u00b0 pr\u00e4ziser als an den Seiten. Deshalb sind Ultraschallsensoren meist auf drehenden Teilen angebracht, damit die verschiedenen Messungen jeweils mit dem Zentrum des Aufnahmebereichs vorgenommen werden k\u00f6nnen.\n <\/p>\n \n \n
\n Die Breite des Aufnahmebereichs (30\u00b0) stellt zugleich einen Vor- und einen Nachteil dar. Der Nachteil ist, dass das Hindernis innerhalb des Detektionsbereichs nicht pr\u00e4zise geortet werden kann. Die Positionsbestimmung ist daher relativ ungenau. Gleichzeitig hat dies den Vorteil, dass das Umfeld besser abgetastet wird und schmale Gegenst\u00e4nde wie ein Stuhlbein mit Sicherheit erfasst werden.\n <\/p>\n \n \n
\n Die nachstehende Abbildung zeigt drei klassische Messbeispiele.\n <\/p>\n \n \n
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\n Im ersten Fall entsteht eine pr\u00e4zise Messung, da der Sensor sich genau gerade vor dem Hindernis befindet.\n <\/p>\n \n \n
\n Im Fall Nr. 2 entsteht ebenfalls eine pr\u00e4zise Messung, sie \u201ezeigt\u201c jedoch nur das Hindernis, das sich direkt vor dem Sensor befindet.\n <\/p>\n \n \n
\n Im Fall Nr. 3 hingegen entsteht eine ungenaue Messung, da sie vom linken Seitenteil des Sensors vorgenommen wird.\n <\/p>\n \n \n
\n Deshalb ist es wichtig, beim sog. Map Building (Kartenerstellung) die B\u00fcndelstruktur des jeweiligen Sensors zu kennen. Dieser Bedarf entf\u00e4llt weitgehend, wenn es um die Kollisionsvermeidung geht.\n <\/p>\n \n \n
\n Es muss ebenfalls ber\u00fccksichtigt werden, dass mit Ultraschall sehr kurze Entfernungen nicht wahrgenommen werden k\u00f6nnen. Dies liegt an der Verz\u00f6gerung zwischen Aussendung der Schallwelle und Detektionsbeginn der zur\u00fcckgeworfenen Welle. Diese Verz\u00f6gerung ist eine Voraussetzung, um Messst\u00f6rungen zu vermeiden.\n <\/p>\n \n \n
\n Einschr\u00e4nkungen\n <\/h3>\n \n \n
\n Die Form der Hindernisse ist von gro\u00dfer Bedeutung, denn sie kann dazu f\u00fchren, dass der Roboter sein Umfeld nicht korrekt wahrnimmt.\n <\/p>\n \n \n
\n > Form der Hindernisse\n <\/h4>\n \n \n
\n \n <\/center>\n \n \n
\n Wie auf den obenstehenden Abbildungen zu sehen, m\u00fcssen Fehler ber\u00fccksichtigt werden, die von der Form der Hindernisse ausgehen k\u00f6nnen.\n <\/p>\n \n \n
\n > Struktur des Hindernisses\n <\/h4>\n \n \n
\n Auch sie spielt eine wichtige Rolle. So wirft eine mit Teppich bezogene Wand eine Welle wesentlich schw\u00e4cher zur\u00fcck als eine gestrichene Wand.\n <\/p>\n \n \n
\n > Crosstalk\n <\/h4>\n \n \n
\n Zwei Ultraschallsensoren mit der gleichen Frequenz k\u00f6nnen nicht nebeneinander eingesetzt werden, da sonst nicht unterschieden werden kann, von welchem Sensor eine Welle ausgesendet wurde. Dieses Ph\u00e4nomen wird als Crosstalk bezeichnet.\n <\/p>\n \n \n
\n Eine M\u00f6glichkeit bei Robotern mit mehreren Ultraschallsensoren ist, die Sensoren einen nach dem anderen zu aktivieren, was jedoch die allgemeine Auffrischungsrate verringert.\n <\/p>\n \n \n
\n > Perzeptuelle Kongruenz\n <\/h4>\n \n \n
\n Zu den weiteren Einschr\u00e4nkungen z\u00e4hlt in erster Linie das Problem der perzeptuellen Kongruenz (\u201ePerceptual Aliasing\u201c). Dieses Problem tritt auf, wenn im Umfeld des Roboters mehrere zweideutige Situationen existieren, in denen er aufgrund von Informationsm\u00e4ngeln \u00fcber sein Umfeld nicht mit Sicherheit die optimale Aktion ausw\u00e4hlen 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 (au\u00dfer wenn der Roboter am Ende angekommen ist und das Fehlen der Mauer oder die Pr\u00e4senz einer Kante erkennt).\n <\/p>\n \n \n
\n Mit diesem Problem wird also die Unf\u00e4higkeit des Sensors bezeichnet, jeden einzelnen Ort in seinem Umfeld genau zu erkennen.\n <\/p>\n \n \n
\n Um dieses Problem zu beheben, k\u00f6nnen verschiedene Algorithmen verwendet werden, wie z. B. Algorithmen auf Lern- oder Ged\u00e4chtnisbasis.\u2026\n <\/p>\n \n \n
\n Die Programmierung des Roboters sowie die Erh\u00f6hung der Anzahl der Sensoren sind geeignete Mittel, um diesen Randeffekt zu verringern.\n <\/p>\n \n \n
\n Beispiele f\u00fcr den Einsatz von Ultraschallsensoren in der Robotik\n <\/h2>\n \n \n
\n Hier einige Videos, die den Einsatz von Ultraschallsensoren zeigen\n <\/p>\n \n \n
\n Kollisionsvermeidung\n <\/h3>\n \n \n
\n In diesem Video bewegt sich der Roboter auf den Ort mit dem gr\u00f6\u00dften Freiraum zu. Hier wurde das Boe-Bot Set verwendet.\n <\/p>\n \n \n
![\"Sender](\"\/img\/cms\/articles%20et%20tutoriels\/ultrasons\/sender-empfanger-ultraschallsensoren.jpg\")
\n <\/center>\n \n \n ![\"Ultraschallsensoren\"](\"\/img\/cms\/articles%20et%20tutoriels\/ultrasons\/ultraschallsensoren.jpg\")
\n <\/center>\n \n \n ![\"Messbeispiele](\"\/img\/cms\/articles%20et%20tutoriels\/ultrasons\/messbeispiele-ultraschall-sensoren.jpg\")
\n <\/center>\n \n \n ![\"Hindernissevermeidung](\"\/img\/cms\/articles%20et%20tutoriels\/ultrasons\/vermeidung-hindernisse-ultraschallsensoren.jpg\")
\n <\/center>\n \n \n