Ultraschall-Module bestehen aus einem Sender und Emfänger für Ultraschall. Das ist Schall im unhörbaren Frequenzbereich oberhalb von 20 000 Hz. Mit Ultraschall-Modulen lassen sich je nach Typ und äußeren Bedingungen Entfernungen bis zu etwa 10 Metern messen. Sie werden in der Robotik hauptsächlich zur Hindernisvermeidung und Navigation eingesetzt. Hierbei wird das Prinzip der Laufzeitmesung angewendet und regelmäßig ein kurzes Ultraschallsignal ausgesendet. Trifft es auf einen Gegenstand, wird es zurückgeworfen und kann von einem Ultraschallempfänger registriert werden. Da sich Schall mit einer bestimmten Geschwindigkeit c fortpflanzt, kann aus der Laufzeit t des Signals zwischen Senden und Empfang die Entfernung d bestimmt werden: d = ct/2. Es wird durch 2 geteilt, da die gemessene Zeit t den Hin- und Rückweg beinhaltet, also die doppelte Distanz.
Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig von der Lufttemperatur, bei 20°C beträgt sie etwa c = 340 m/s. Für eine Strecke von einem Meter benötigt der Schall daher rund 3/1000 Sekunden, also 3 ms (Millisekunden). Wollen Sie in der Robotik per Ultraschall Entfernungen messen, haben Sie es daher mit der zeitlichen Größenordung von Millisekunden zu tun.
Ultraschall-Signalverlauf
Auf der Zeitachse sind die Sendesignale (S) und die empfangenen Echos (E) aufgezeichnet. Aus der gemessenen Schalllaufzeit zwischen den Zeitpunkten des Sendens tS und Empfangens tE wird die Distanz d zwischen Ultraschall-Modul und Objekt ermittelt: d = 340(tE-tS)/2 Meter (Schallgeschwindigkeit=340 m/s). Um empfangstechnisch zwischen Sende- und Empfangssignal unterscheiden zu können, muss ein Zeitfenster (blau) gesetzt werden. Es definiert eine minimale und maximale Messzeit. Nur in diesem Fenster können sinnvollen Messwerte erhalten werden.
Schallwandler
Häufig werden piezoelektrische Schallwandler verwendet. Sie bestehen aus einer piezoelektrischen Keramik, die sich bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung im Takt dieser Spannung verformt und die Luft dabei in Schwingung versetzt. Umgekehrt kann sie Luftschwingungen in Spannungsschwingungen verwandeln. Die Keramik ist in einem Gehäse untergebracht, das für einen möglichst eng gerichteten akustischen Strahl sorgt. Wird derselbe Schallwandler zum Senden und Empfangen verwendet, muss berücksichtigt werden, dass die Sendeschwingung erst vollständig abgeklungen sein muss, bevor das Echo erkannt werden kann. Dient dagegen ein Schallwandler als Sender und ein anderer als Empfänger, gilt ähnliches, da der Empfänger unter Umständen das Schallsignal auch direkt vom Sender empfängt. Dadurch wird eine Wartezeit festgelegt, in der das Empfangssignal ungültig ist. Die Maximalzeit, nach der ein Empfangssignal noch gültig ist, wird dadurch bestimmt, wann das folgende Schallsignal gesendet wird.
Der Schallstrahl ist nicht so stark gebündelt wie ein Laserstrahl. Je nach Ausführung des Schallwandler kann der Öffnungswinkel des Strahls 30° betragen. Das Auflösungsvermögen eines Ultraschall-Scanners ist entsprechend begrenzt.
Sonarfehler
Die meisten Objekte reflektieren Schall mehr oder weniger in alle möglichen Richtungen, so dass ein ausreichender Schallanteil zum Empfänger zurückreflektiert wird. Glasflächen können jedoch problematisch sein, da sie für Schall wie ein Spiegel wirken: In flachem Winkel auftreffender Schall wird kaum zurückreflektiert. Schallsignale, die mehrfach reflektiert werden, bevor sie den Empfänger erreichen, führen zu verlängerten Laufzeiten und falschen Entfernungsmessungen - der Roboter halluziniert.
Typische Sonarfehler. A: Das Ultraschallsignal wird nicht zum Ultraschall-Modul (USM) zurückrefektiert. B: Der Öffnungswinkel (graues Dreieck) des Ultraschallstrahls bewirkt, dass verschiedene Signalanteile unterschiedliche Laufzeiten haben. Der Empfänger registriert das schnellste Echo (roter Pfeil). Die Auswerteelektronik nimmt jedoch an, dass das Signal zur zentralen Richtung des Strahls gehöhrt (blauer Pfeil). Das ist die Richtung, in die das USM zeigt. Daher wird die Entfernung in dieser Richtung unterschätzt. C: Das USM empfängt das mehrfach refektierte Echo. Die Entfernung wird aufgrung der längeren Laufzeit überschätzt. D: Ein Roboter mit mehreren USM. Eines der USM empfängt nach Mehrfachreflexion das Signal eines anderen.
