Ultraschall-Objekterkennung mit TI PGA460 – Teil 3

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16.10.2019 von plaintron

Im letzten Teil habe ich den grundsätzlichen Aufbau der Befehle für das PGA460 beschrieben. Um eine Messung mit einem sinnvollen Ergebnis zu erzielen, ist zunächst die Software EVM-GUI hilfreich. Hier ist es möglich, auf Basis vorgegebener Einstellungen erste Erfahrungen mit der gegebenen Mess-Situation zu sammeln und Werte nach und nach zu verändern, um das Messergebnis zu verbessern. Später können wir diese Werte in eigene Controller-Anwendungen übernehmen.

Als Einstieg bietet sich die Seite „Block Diagram“ im EVM-Programm an. Hier lassen sich zwei Default-Settings für einen offenen 40kHz-Sensor sowie einen geschlossenen 58kHz-Sensor übernehmen. Um nun eine Messung durchzuführen, wird die Seite „Data Monitor“ verwendet. Nach einem Klick auf „Start“ wird mit den aktuellen Einstellungen ein „Burst and Listen“ durchgeführt und der Data-Dump in einem Graphen angezeigt. Um auch die Berechnungen des PGA460 abzurufen, wird unter dem Start-Button im Tab „Measurement“ ein Haken bei „List Measurement Results“ gesetzt. Um mehrere Objekte zu detektieren, wird rechts daneben „# of Objects to detect“ entsprechend eingestellt.

Die oben angezeigte Messung wurde mit einem 58kHz-Sensor in einem geschlossenen Raum durchgeführt. Die gelbe Linie visualisiert das Echo. Ganz am Anfang ist deutlich das Nachschwingen des Piezos zu erkennen. In diesem Bereich ist keine Objekterkennung möglich. Der erste Maximum-Peak zeigt bei ca. 1,70m die Entfernung bis zur Zimmerdecke an. Die weiteren Peaks sind Reflektionen von Wänden und Möbeln.

Mit den Standard-Einstellungen ist also bei diesen klaren Bedingungen eine sinnvolle Messung möglich. Versuche ich nun, im Freien z.B. ein Fahrzeug zu erkennen, wird es schon schwieriger. Hier ist mehr Sendepegel notwendig, die Verstärkungskurve muss sorgfältig angepasst werden und eventuell ist eine höhere Eingangsverstärkung erforderlich, die wiederum nicht so hoch sein soll, dass sie bereits bei sehr kleinen Hindernissen wie einem Bordstein ein Objekt erkennt.

Mit diesen Einstellungen muss man eine Weile spielen und lernen, die Auswirkungen einer Veränderung abzuschätzen. Das ist am Anfang durchaus frustrierend und mir passierte es auch, dass irgendwann alles so verstellt war, dass überhaupt kein Echo mehr ausgewertet wurde. Dann hilft nur, die Standard-Einstellungen wieder zu laden und sich erneut vorsichtig an die optimalen Settings heranzutasten. Dazu sollten möglichst viele Messungen unter möglichst realistischen Bedingungen vorgenommen werden, also bei unterschiedlichen Wetterverhältnissen und Objektgrößen usw.

Zunächst werden die Einstellungen für den Sender angepasst. Dazu gehört die Resonanzfrequenz des Piezos, die Anzahl der gesendeten Bursts und die Strombegrenzung am IC-Ausgang, die Einfluss auf den Sendepegel hat.

Die Grundeinstellungen für den Empfangsweg sind wesentlich umfangreicher. Zunächst wird festgelegt, welche maximale Entfernung überwacht werden soll. Das PGA460 erlaubt einen Bereich von 70cm bis über 11 Meter.

Die Eingangsverstärkung arbeitet innerhalb eines einstellbaren Bereiches, welcher zunächst festgelegt wird und der bestimmt, in welchen Grenzen sich die variable, zeitabhängige Verstärkung (TVG) bewegen darf. Die Eingangsverstärkung kann über zwei Multiplikatoren je Preset (P1, P2) erhöht werden, womit insgesamt vier verschiedene Messbereiche für unterschiedliche Entfernungen verwendet werden können. Die Kombination der Verstärkungseinstellungen hat massive Auswirkungen auf das Messergebnis. Hier empfiehlt es sich, z.B. mit einer geringen Verstärkung anzufangen und diese dann langsam zu erhöhen (oder umgekehrt). Alle Verstärkungs-Grundeinstellungen wirken sich auf die variable Verstärkung aus, die in Form einer Verstärkungskurve über den Zeitverlauf im Bereich „Time Varying Gain“ eingestellt wird.

Im Beispiel oben habe ich die TVG-Punkte für eine Entfernung von maximal 6 Metern so eingestellt, dass am Anfang, im Resonanzbereich des Sensors, die minimale Verstärkung wirkt und dann gegen Ende der Messzeit stetig erhöht wird. Nachdem die Verstärkungskurve so eingestellt ist, dass sie zu guten Ergebnissen im Data-Dump führt, können noch Schwellwertkurven für die Objekterkennung festgelegt werden.

Eine brauchbare Verstärkungseinstellung erkennt man daran, dass massive Objekte zu einem maximalen Pegelauschlag (Sättigung) führen und unwichtige Objekte zu einem möglichst geringen Echosignal. Wie bereits oben erwähnt, ist diese Optimierung zeitaufwändig und hängt von sehr vielen Faktoren wie Schaltungsdesign, Piezo-Eigenschaften und Messumgebung ab.

Damit die automatische Objekterkennung des PGA460 zuverlässig funktioniert und brauchbare Ergebnisse liefert, lassen sich zwei Schwellwertkurven definieren. Diese können im GUI unter „Threshold“ einestellt werden.

Im gezeigten Beispiel habe ich nur die Kurve für Preset 1 editiert. Im Bereich der Sensor-Resonanz habe ich die Schwellwerte auf Maximum gesetzt, damit dort kein Objekt erkannt werden kann. Im weiteren Verlauf fällt die Kurve leicht ab, damit weiter entfernte Objekte mit geringerem Echopegel noch erkannt werden können. Auch bei der Konfiguration dieser Kurven ist eine Menge Geduld und Feinarbeit notwendig, da es sonst zu unerwünschten Ergebnissen kommt, Objekte „übersehen“ werden oder Störungen zu falsch positiven Objekterkennungen führen.

Im nächsten Teil dieses Artikel möchte ich zeigen, wie die mit dem GUI ermittelten Werte in eigenen Programmen verwendet werden können.

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