Ultraschall im Air Ranging Systemdesign

Ich entwerfe einen Luft-Ultraschall-Entfernungsmesser, der Ultraschallsignale vom Kopf einer Person reflektiert, um die Entfernung des Geräts vom Kopf zu messen. Das Ziel ist eine Genauigkeit von ~ 1 mm, wenn ein Gerät aktiv vom Kopf einer Person wegbewegt wird (der Bereich der Entfernungen beträgt 0 mm bis ~ 250 mm), daher benötige ich eine ziemlich gute Aktualisierungsrate (> 30 Hz). Natürlich gibt es auch einige Probleme mit dem Reflexionsvermögen der Kopfhaut und der Okklusion, die durch das Haar einer Person verursacht wird.

  1. Wie bestimme ich den besten Frequenzwandler? Ich dachte aufgrund der geringen Größe der Komponenten und der Marktverfügbarkeit an 40 kHz.
  2. Soll ich schmalstrahlend oder breitstrahlend wählen? Ich denke, ein schmaler Strahl hätte ein besseres Reflexionsvermögen, aber würden sie nicht nur für bestimmte Bereiche funktionieren?
  3. Wenn ich diese Wandler an diesem Gerät montiere, müssen sie in einem Winkel zueinander stehen, um die Reflexion zu optimieren? Oder kann ihre Sendeachse einfach normal zu derselben Ebene sein?
  4. Welche Art von Signalverarbeitung sollte ich verwenden? Offensichtlich haben Ultraschallwandler mit niedriger Bandbreite eine ziemlich breite Wellenform, daher denke ich, dass die Korrelation nicht allzu gut funktionieren wird. Aber wird eine Schwellenmethode genau genug sein? Vielleicht gibt es andere Methoden, die ich nicht in Betracht gezogen habe?
0 mm Mindestabstand ist nicht realistisch. Die meisten 40-kHz-Ultraschallsender verwenden einen Burst aus mehreren Zyklen, um den Wandler zu "klingeln". Der Empfänger muss diese Zeit und etwas mehr ignorieren, damit sich der Empfänger von den Auswirkungen der Übertragung erholen kann. Ein Impuls mit schneller Anstiegszeit in einen piezoelektrischen Wandler kann eine große Verbesserung gegenüber einem geeigneten Wandler darstellen (wie das Läuten einer Glocke), aber es wird immer noch Zeit für mehrere Zyklen benötigt. Eine höhere Frequenz kann helfen, aber seien Sie sich bewusst, dass eine zu hohe Frequenz in Luft sehr schnell gedämpft werden kann.
"Polaroid Sonar" wird für die Entfernungsmessung von Fotos verwendet und sollte weiterhin auf Second-Hand-Märkten erhältlich sein. Da ein Gesicht nicht flach ist, wo würde der Schall widerhallen, um eine Genauigkeit von sogar einem mm zu erreichen.
Nachdem ich ein bisschen mit 40-kHz-Wandlern gespielt habe, denke ich, dass Sie ein bisschen optimistisch sind, wie andere es getan haben , aber Sie erhalten (oder können) eine anständige Amplitude aus dem ersten Fahrzyklus. Sie müssen natürlich sicherstellen, dass Sie jeden Impuls am selben Punkt im Zyklus starten, dh Takt und Antriebsfrequenz synchronisieren.
Ich verstehe, dass 0 mm nicht realistisch sind, aber ich kann die Wandler von der Stelle entfernt montieren, an der das Gerät den Kopf berührt (in einem festen, bekannten Abstand). Also kann ich hier einen Offset hinzufügen.
Und ich verstehe, dass das Gesicht Textur hat. Ich denke, was ich sagen will, ist, dass ich den Ultraschallsignalaspekt davon mit einer Genauigkeit von 1 mm erkennen möchte, und ich kann die Form des Gesichts / Kopfes auf verschiedene Weise berücksichtigen.
Was meinst du mit "aus dem ersten Fahrzyklus eine anständige Amplitude erhalten"?
Soweit ich weiß, müssen Sie möglicherweise eine höhere Signalfrequenz verwenden, um die gewünschte Auflösung zu erhalten.

Antworten (2)

Das Ziel ist eine Genauigkeit von ~1 mm

Die Wellenlänge wird durch Geschwindigkeit und Frequenz bestimmt. Die Geschwindigkeit beträgt ca. 340 m/s und damit die Wellenlänge 8,5 mm.

Also, was Sie fragen können. Etwaige stehende Wellen treten alle 8,5 mm auf und könnten Ihre erwartete Genauigkeit von 1 mm zunichte machen.

Sie können dann darauf hinweisen, dass Sie einen Impuls verwenden werden, der in den Wandler getrieben wird. Die 40-kHz-Resonatoren, auf die ich gestoßen bin, sind sehr "resonant", und das Erzeugen eines Impulses ist möglicherweise nicht so einfach.

Ich sage diese Dinge, weil ich denke, dass Sie sie berücksichtigen müssen.

Ein schmalerer Strahl erscheint mir logisch, oder es könnten mehrere Reflexionen von verschiedenen Objekten zurückkommen und Ihre gewünschte Entfernungsmessung verdecken. Denken Sie auch daran, dass schmalstrahlige Geräte immer noch Seitenkeulen-Interferenzen erzeugen/anfällig sein können.

Was Ihre anderen Fragen betrifft, müssen Sie meiner Meinung nach bestimmen, was Sie übertragen möchten, bevor Sie über die Signalverarbeitung nachdenken.

Ich habe ein bisschen mit den 40-kHz-Wandlern herumgespielt, und ja, sie sind sehr resonant. Ich habe festgestellt, dass das Ansteuern der Sender mit hohen Spannungen für nur 5 oder 6 Perioden (ich denke, eine Rechteckwelle ist in Ordnung, da der Wandler als BPF fungiert) am besten funktioniert. Sonst klingeln die Empfänger lange und hindern mich am nächsten Update. Gibt es angesichts dieses sehr kurzen und aggressiven Antriebssignals eine ideale Signalverarbeitungsmethode?
Es ist nicht mein Gebiet. Ich weiß nur, was ich in der Vergangenheit bei der Verwendung von Ultraschall zur Übertragung langsamer Daten in einer Anwendung gesehen habe, bei der niemand entscheiden konnte, welche HF-Frequenz verwendet werden soll (zu viele Köche usw.).

Schall braucht etwa 3 µs, um 1 mm zurückzulegen. Das bedeutet, dass Sie für eine Auflösung von 1 mm bei einer Round-Trip-Delay-Messung eine zeitliche Auflösung von etwa 6 µs benötigen. Dies ist viel kürzer als die 25-µs-Periode Ihres Signals, daher müssen Sie in der Lage sein, Phasenwinkelmessungen durchzuführen.

Ultraschall-Entfernungsmesser funktionieren nicht bis auf eine Entfernung von Null. Sie benötigen eine Mindestzeit vom Ende des Sendeimpulses bis zum Beginn des Empfangsimpulses (auch bei getrennten Sende- und Empfangswandlern). Aufgrund der mechanischen Resonanz der Wandler beträgt der gesendete Impuls mehrere Zyklen der Signalfrequenz. Zum Beispiel sind 10 Zyklen von 40 kHz 250 µs. Wenn Sie also etwa 500 µs warten, bevor der Empfänger bereit ist, bedeutet dies, dass Sie einen nutzbaren Mindestabstand in der Größenordnung von 80 - 100 mm haben.

Ich denke, 8 cm sind etwas, mit dem ich umgehen kann, weil ich die Wandler in einem festen Abstand von der Stelle montieren kann, an der das Gerät den Kopf berührt, und diesen Abstand dann in der Software subtrahieren kann.
Was schlagen Sie für die Phasenwinkelmessungen vor? Die Messphase bestimmt nur die Ankunftszeit innerhalb einer Periode, aber sie sagt mir nicht, in welcher Periode das Signal ankommt. Wie kann ich die Ankunftszeit am besten bestimmen?
Ja, die "Ganzzahlmehrdeutigkeit" ist ein Problem, das separat gelöst werden muss. Man muss hoffen, dass die Hüllkurve des empfangenen Signals mindestens so genau ist. Wenn nicht, musst du dir was anderes einfallen lassen. In Bezug auf das Anordnen der Wandler vom Kopf entfernt scheint dies zu implizieren, dass ein Teil des Geräts im Weg des akustischen Signals sein wird, was zusätzliche Probleme in Bezug auf Mehrweg aufwerfen wird, was die Timing-Probleme verschärfen wird.
Sie müssen nur ein Testbed aufbauen und mit verschiedenen Ansätzen experimentieren. Verwenden Sie einen DSP-Chip, um die Signalverarbeitung durchzuführen. Seine Software-Entwicklungsumgebung sollte Ihnen viele Tools bieten, die Ihnen eine gute Vorstellung davon geben, was vor sich geht.
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