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Positionserkennung

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Contents

  Positionserkennung Hans-Peter Diettrich <DrDiettrich1@aol.com> - 2016-07-17 01:57 +0200
    Re: Positionserkennung usenetmuell@raimund.in-berlin.de (Raimund Nisius) - 2016-07-17 09:02 +0200
    Re: Positionserkennung "horst-d.winzler" <horst.d.winzler@web.de> - 2016-07-17 09:24 +0200
    Re: Positionserkennung Marcel Mueller <news.5.maazl@spamgourmet.org> - 2016-07-17 09:44 +0200
      Re: Positionserkennung Hans-Peter Diettrich <DrDiettrich1@aol.com> - 2016-07-17 14:00 +0200
        Re: Positionserkennung Marcel Mueller <news.5.maazl@spamgourmet.org> - 2016-07-17 18:13 +0200
          Re: Positionserkennung Hans-Peter Diettrich <DrDiettrich1@aol.com> - 2016-07-17 19:30 +0200
    Re: Positionserkennung Volker Bartheld <news2016@bartheld.net> - 2016-07-17 14:30 +0200
      Re: Positionserkennung Hans-Peter Diettrich <DrDiettrich1@aol.com> - 2016-07-17 19:13 +0200

#211124 — Positionserkennung

Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere 
mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden 
Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und 
(jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.

Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen? Hat jemand 
Vorschläge für ein praxistaugliches System?

DoDi

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#211125

Hans-Peter Diettrich <DrDiettrich1@aol.com> wrote:

> Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere
> mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden 
> Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und
> (jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.

Wenn die Laufzeit überhaupt so bestimmt werden soll, dann nur von einer
Quelle, die auch die Ultraschallsender synchronisiert.

> Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen? 

Jeweils der 1. Puls wird registriert und erst wenn die Echos abgeklungen
sind kommt der nächste Ping.

> Hat jemand 
> Vorschläge für ein praxistaugliches System?

1. Kein IR, sondern so wie GPS: 3 bis 4 Sender senden bei kekannter
Uhrzeit und bekanntem Ort ihren Ping. Hier synchron von bekannter fester
Position aus. In der Ebene legen 3 Sender die Position des Empfängers
eindeutig fest.

2. Präzision Hausnummer: Wellenlänge des Ultraschalls. 
In dieser Größenordnung liegt dann auch die Breite eines störenden
Objekts. Weniger wegen dessen Reflexion, als durch die Abschattung.
Das echte GPS hat den Vorteil, von oben zu senden. Außer im Haus hat man
drum herum überall Empfang. Beim Schall von der Seite gibt es 3 Regionen
um das Haus wo einer der Sender fehlt.



-- 
Gruß, Raimund

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#211126

Am 17.07.2016 um 01:57 schrieb Hans-Peter Diettrich:
> Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere
> mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden
> Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und
> (jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.
>
> Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen? Hat jemand
> Vorschläge für ein praxistaugliches System?

Deine Frage erinnert mich an Hyperbelnavigation  auch unter DECCA bekannt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperbelnavigation

-- 
---hdw---

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#211127

On 17.07.16 01.57, Hans-Peter Diettrich wrote:
> Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere
> mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden
> Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und
> (jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.

Geht. Es gab mal Ultraschall 3D bzw. 6D Mäuse, die so gearbeitet haben. 
Ist bestimmt schon 15-20 Jahre her, wo ich die auf der CeBit in der Hand 
hatte.

Das mit dem IR-Sync für die Laufzeiten schenkt man sich allerdings. 
Alles, was man braucht, ist ein Ultraschallsender mehr als für die 
Ortsbestimmung nötig. Also für 2D 3 Sender mit bekannten Koordinaten, 
für 3D drei. Im Prinzip dasselbe wie bei GPS.

> Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen?

Üblicherweise nimmt man Signale deren Form man sehr genau kennt und die 
man per Kreuzkorrelation gut erkennen kann. Die bekommen dann noch die 
notwendigen Zeit- und Ortsdaten aufmoduliert und fertig. In der Annahme, 
dass ein Echo immer erstens schwächer und zweitens später kommt, als der 
Direktschall, kann man es leicht als solches erkennen.
Aber, wenn keine freie Bahn herrscht (viele Roboter) und man von einigen 
Sendern gar keinen Direktschall bekommt, wird die Sache schwierig. Dann 
macht man die Sache überbestimmt, indem man zusätzliche Sender 
hinzufügt. Sobald der Direktschall von 3 bzw. 4 Sendern ankommt, ist 
eine Ortsbestimmung möglich. Wieder dasselbe wie bei GPS.
Auf einer 2D Fläche mit fahrenden Robotern wären z.B. 4 Sender, an jeder 
Ecke des Feldes einer, eine Möglichkeit. Sobald man 3 davon sauber 
empfängt, hat man die Position.
Bei den Sendern gibt es noch die Möglichkeit über ein Waveguide die 
Abstrahlung auf eine Ebene zu begrenzen. Damit ist man die lästigen 
Reflexionen am Boden weitgehend los, die bei größerer Entfernung nur mit 
sehr kurzer Verzögerung hinterherkommen.
Alternativ kann man den Empfänger auch so programmieren, dass er damit 
klar kommt, und das als zusätzliche Information verwendet. Aus dem 
resultierenden Kammfilter kann man kombinierte Entfernungs- und 
Höheninformationen zu einem Sender bekommen. So macht es z.B. unser Ohr 
(bzw. Gehirn) bei der vertikalen Ortung.
Den Empfang auf einer 2D Fläche kann man verbessern, indem man die 
Sender hoch oben anordnet. Dann gibt es weniger Verschattung bei 
gleichgroßen Robotern. Dann hat man das Bodenecho zwar wieder voll drin, 
aber dafür kommt es deutlich später.

Wenn man am Gerät noch mehrere Ultraschallsensoren verwendet bekommt man 
zusätzlich die Information zu den Rotationsachsen (6D). Wenn man den 
Dopplereffekt noch auswertet bekommt man auch noch die Geschwindigkeit. 
Über die korrelierte Auswertung des zeitabhängigen Dopplereffekts 
mehrerer Sensoren bekommt man zusätzlich noch die Winkelgeschwindigkeit 
des Objekts.
Da geht also wirklich eine ganze Menge, wenn man nur will.

> Hat jemand
> Vorschläge für ein praxistaugliches System?

Gibt es schon. Aber wer das herstellt, weiß ich jetzt nicht auswendig.

Als Bastelprojekt wäre es auch interessant. Da kann man sicher einiges 
über digitale Signalverarbeitung und Schallausbreitung lernen.

Kleiner Tipp noch. In allen möglichen dieser Formeln kommt die 
Schallgeschwindigkeit als Konstante vor. Böderweise ist die aber alles 
andere als konstant. Sie ist allen voran Temperaturabhängig. Solange die 
Lufttemperatur einigermaßen homogen ist, ist das kein Problem. Da 
braucht man wieder nur einen Sender mehr, und die Sache ist bestimmt. 
Wenn man also bei einer 2D Ortsbestimmung alle 4 Sender mal gleichzeitig 
empfängt, dann hat man die Schallgeschwindigkeit. Wenn allerdings das 
ganze in größeren Dimensionen statt findet (z.B. Bolzplatz) und die 
Sonne ordentlich darauf brezelt, dann ist die Schallgeschwindigkeit 
höhenabhängig, also unten am Boden wärmer = schneller. Das hat zur 
Folge, dass die zeitlich kürzeste Verbindung von Sender zu Empfänger 
keine Gerade mehr ist, sondern eine nach unten durchgebogene Kurve, und 
das verfälscht entsprechend die Messwerte.


Marcel

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#211138

Marcel Mueller schrieb:
> On 17.07.16 01.57, Hans-Peter Diettrich wrote:
>> Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere
>> mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden
>> Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und
>> (jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.
> 
> Geht. Es gab mal Ultraschall 3D bzw. 6D Mäuse, die so gearbeitet haben. 
> Ist bestimmt schon 15-20 Jahre her, wo ich die auf der CeBit in der Hand 
> hatte.

Das klingt schon mal vielversprechend :-)

> Das mit dem IR-Sync für die Laufzeiten schenkt man sich allerdings.

Mit dem können auch Anweisungen verschickt werden, dann wäre die 
Synchronisation nur kostenloses Beiwerk.

> Alles, was man braucht, ist ein Ultraschallsender mehr als für die 
> Ortsbestimmung nötig. Also für 2D 3 Sender mit bekannten Koordinaten, 
> für 3D drei. Im Prinzip dasselbe wie bei GPS.

Das Prinzip ist klar, mir geht es mehr um die Praxis und Eigenbau.

>> Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen?
> 
> Üblicherweise nimmt man Signale deren Form man sehr genau kennt und die 
> man per Kreuzkorrelation gut erkennen kann. Die bekommen dann noch die 
> notwendigen Zeit- und Ortsdaten aufmoduliert und fertig. In der Annahme, 
> dass ein Echo immer erstens schwächer und zweitens später kommt, als der 
> Direktschall, kann man es leicht als solches erkennen.

Ich denke zunächst an einfache US-Abstandssensoren (Ping), die sich 
einmal aktiv zur Erkennung von Hindernissen einsetzen ließen, und 
zusätzlich passiv für die Position. Dabei könnte das IR-Signal 
gleichzeitig dazu dienen, die Roboter für die Dauer der 
Positionsbestimmung stumm zu schalten.

Was mir dabei noch Kopfzerbrechen macht, ist die Anzahl bzw. Anordnung 
der Sensoren am Roboter. Ideal wäre für die Positionsbestimmung (je) ein 
einziger richtungsunabhängiger Empfänger, dann wäre nur ein Signal 
auszuwerten. Für die (aktive) Abstandsmessung hingegen ist 
Richtungsempfindlichkeit notwendig. Vermutlich ist es doch keine gute 
Idee, die Empfänger für beide Zwecke zu nutzen, dann könnte man auch die 
Abstandssensoren unten anordnen, und die Positionssensoren oben am 
Roboter (freies Sichtfeld).

> Aber, wenn keine freie Bahn herrscht (viele Roboter) und man von einigen 
> Sendern gar keinen Direktschall bekommt, wird die Sache schwierig. Dann 
> macht man die Sache überbestimmt, indem man zusätzliche Sender 
> hinzufügt. Sobald der Direktschall von 3 bzw. 4 Sendern ankommt, ist 
> eine Ortsbestimmung möglich. Wieder dasselbe wie bei GPS.

Hmm, bei GPS (HF) lassen sich mehr Kanäle und Modulation unterbringen 
als bei Ultraschall. Entsprechend abgestimmte Sender und Empfänger 
(Scanner?) stellen mein Modell auf den Kopf, wenn für die 
US-Signalverarbeitung mehr Rechenleistung notwendig wird als für die 
eigentlichen Aufgaben des Roboters.

[...]
> Alternativ kann man den Empfänger auch so programmieren, dass er damit 
> klar kommt, und das als zusätzliche Information verwendet. Aus dem 
> resultierenden Kammfilter kann man kombinierte Entfernungs- und 
> Höheninformationen zu einem Sender bekommen. So macht es z.B. unser Ohr 
> (bzw. Gehirn) bei der vertikalen Ortung.

Ja, mit unserem Gehirn als Arbeitstier wird das alles ein Klacks. Aber 
da unsere Prozessoren noch nicht so weit sind, suche ich mehr nach 
praktikablen digitalen Alternativen. 9DOF Sensoren und GPS Module sind 
inzwischen Pfennig-Artikel, da stellt sich die Frage kaum noch, ob sich 
ihr Einsatz auch lohnt. Aber bei bei Schallsignalen sieht es mit der 
Minitaurisierung noch schlecht aus - oder gibt es bereits sowas wie 
einen Ohr-Sensor, mit (quasi) parallelen Ausgängen für viele schmale 
Frequenzbänder? Die Billig-Module sind IMO mehr für Lichtorgeln geeignet 
als für Mehrkanal-Betrieb.

[...]
> Da geht also wirklich eine ganze Menge, wenn man nur will.

Mich interessiert momentan die Untergrenze, d.h. welchen brauchbaren 
Effekt kann man mit minimalem Aufwand erreichen. Um die höhere 
Mathematik, Physik, KI usw. kümmern sich schon die Experten, da gibt es 
Lorbeeren und Aufträge einzuheimsen. Die andere Seite, etwa die 
Maker-Szene, interessiert mich da mehr - runter von ausgetretenen Pfaden.


> Kleiner Tipp noch. In allen möglichen dieser Formeln kommt die 
> Schallgeschwindigkeit als Konstante vor. Böderweise ist die aber alles 
> andere als konstant.
[...]

Danke, so weit war ich noch garnicht :-)

DoDi

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#211146

On 17.07.16 14.00, Hans-Peter Diettrich wrote:
>> Das mit dem IR-Sync für die Laufzeiten schenkt man sich allerdings.
>
> Mit dem können auch Anweisungen verschickt werden, dann wäre die
> Synchronisation nur kostenloses Beiwerk.

Das geht auch per Ultraschall, wenn die Datenmenge klein ist.

> Ich denke zunächst an einfache US-Abstandssensoren (Ping), die sich
> einmal aktiv zur Erkennung von Hindernissen einsetzen ließen, und
> zusätzlich passiv für die Position.

Du musst halt alles synchronisieren, damit sich die Signale nicht 
gegenseitig stören. Klassische US-Abstandssensoren lassen sich 
vermutlich nicht so leicht erklären, wann genau sie reden sollen.

> Was mir dabei noch Kopfzerbrechen macht, ist die Anzahl bzw. Anordnung
> der Sensoren am Roboter. Ideal wäre für die Positionsbestimmung (je) ein
> einziger richtungsunabhängiger Empfänger, dann wäre nur ein Signal
> auszuwerten.

Das kann genügen. Allerdings sind Ultraschallsensoren mit 
Kugelcharakteristik nicht einfach so zu haben, denn sie sind nicht klein 
im Vergleich zur Wellenlänge.

> Für die (aktive) Abstandsmessung hingegen ist
> Richtungsempfindlichkeit notwendig.

Nicht unbedingt. Aber das fällt wie ein Apfel vom Baum, wenn der Sender 
auch dabei ist.

> Vermutlich ist es doch keine gute
> Idee, die Empfänger für beide Zwecke zu nutzen, dann könnte man auch die
> Abstandssensoren unten anordnen, und die Positionssensoren oben am
> Roboter (freies Sichtfeld).

In der tat.

>> Aber, wenn keine freie Bahn herrscht (viele Roboter) und man von
>> einigen Sendern gar keinen Direktschall bekommt, wird die Sache
>> schwierig. Dann macht man die Sache überbestimmt, indem man
>> zusätzliche Sender hinzufügt. Sobald der Direktschall von 3 bzw. 4
>> Sendern ankommt, ist eine Ortsbestimmung möglich. Wieder dasselbe wie
>> bei GPS.
>
> Hmm, bei GPS (HF) lassen sich mehr Kanäle und Modulation unterbringen
> als bei Ultraschall.

Technisch hat auch Ultraschall einigen Spielraum. Nur werden gerne 
breitbandige Signale für so etwas verwendet.
In der Sache würde ich die Positionssender einfach im Multiplexverfahren 
reihum auf derselben Frequenz senden lassen. Jeweils mit einem Code 
drin, wer gerade schwätzt.

> Entsprechend abgestimmte Sender und Empfänger
> (Scanner?) stellen mein Modell auf den Kopf, wenn für die
> US-Signalverarbeitung mehr Rechenleistung notwendig wird als für die
> eigentlichen Aufgaben des Roboters.

Das schafft ein Raspberry Pi. Schlimmstenfalls muss man die FFTs auf der 
GPU rechnen.


> Aber bei bei Schallsignalen sieht es mit der
> Minitaurisierung noch schlecht aus - oder gibt es bereits sowas wie
> einen Ohr-Sensor, mit (quasi) parallelen Ausgängen für viele schmale
> Frequenzbänder?

Was willst Du denn mit den Ausgängen? Du sampelst einfach das US-Signal 
mit 8 Bit und fertig. Wenn das genutzte Frequenzband schmal ist, kann 
man die Rohdatenrate nochmal kräftig reduzieren, indem man die Frequenz 
vorher runter mischt.


Marcel

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#211149

Marcel Mueller schrieb:

>> Mit dem können auch Anweisungen verschickt werden, dann wäre die
>> Synchronisation nur kostenloses Beiwerk.
> 
> Das geht auch per Ultraschall, wenn die Datenmenge klein ist.

Schon, erfordert aber mehr Aufwand als nur Ping-Empfänger. Empfänger für 
IR-Fernbedienung sind handelsüblich und einfach zu programmieren.


> Du musst halt alles synchronisieren, damit sich die Signale nicht 
> gegenseitig stören. Klassische US-Abstandssensoren lassen sich 
> vermutlich nicht so leicht erklären, wann genau sie reden sollen.

Die Pingen nur auf Kommando.


>> Was mir dabei noch Kopfzerbrechen macht, ist die Anzahl bzw. Anordnung
>> der Sensoren am Roboter. Ideal wäre für die Positionsbestimmung (je) ein
>> einziger richtungsunabhängiger Empfänger, dann wäre nur ein Signal
>> auszuwerten.
> 
> Das kann genügen. Allerdings sind Ultraschallsensoren mit 
> Kugelcharakteristik nicht einfach so zu haben, denn sie sind nicht klein 
> im Vergleich zur Wellenlänge.

Ich dachte da an entsprechende (kegelförmige...) Reflektoren, 
entsprechend Fischaugen-Objektiven.

>> Für die (aktive) Abstandsmessung hingegen ist
>> Richtungsempfindlichkeit notwendig.
> 
> Nicht unbedingt. Aber das fällt wie ein Apfel vom Baum, wenn der Sender 
> auch dabei ist.

Der Punkt ist: ein Sensor reicht nicht aus, man braucht einen pro Richtung.


> In der Sache würde ich die Positionssender einfach im Multiplexverfahren 
> reihum auf derselben Frequenz senden lassen. Jeweils mit einem Code 
> drin, wer gerade schwätzt.

Oder mit einem IR-Code, wer gerade angefangen hat zu senden.

>> Entsprechend abgestimmte Sender und Empfänger
>> (Scanner?) stellen mein Modell auf den Kopf, wenn für die
>> US-Signalverarbeitung mehr Rechenleistung notwendig wird als für die
>> eigentlichen Aufgaben des Roboters.
> 
> Das schafft ein Raspberry Pi. Schlimmstenfalls muss man die FFTs auf der 
> GPU rechnen.

Ich wollte eigentlich auf kleinere Prozessoren hinaus, mit besserem 
Echtzeit-Verhalten.


>> Aber bei bei Schallsignalen sieht es mit der
>> Minitaurisierung noch schlecht aus - oder gibt es bereits sowas wie
>> einen Ohr-Sensor, mit (quasi) parallelen Ausgängen für viele schmale
>> Frequenzbänder?
> 
> Was willst Du denn mit den Ausgängen?

Noch unausgegoren, sowas wie Frequenz-Hopping wenn sich mehrere Roboter 
gegenseitig stören, oder parallele Erfassung wenn die stationären Sender 
auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen senden.

> Du sampelst einfach das US-Signal 
> mit 8 Bit und fertig. Wenn das genutzte Frequenzband schmal ist, kann 
> man die Rohdatenrate nochmal kräftig reduzieren, indem man die Frequenz 
> vorher runter mischt.

Noch eine gute Idee - aber mischen analog oder digital?

DoDi

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#211141

Hi!

On Sun, 17 Jul 2016 01:57:33 +0200, Hans-Peter Diettrich wrote:
> Eben bin ich über einen Vorschlag gestolpert, wie sich ein oder mehrere 
> mobile Roboter auf einer Fläche orientieren könnten. Dazu werden 
> Ultraschallsignale von festen Positionen über die Fläche geschickt, und 
> (jeweils?) ein Infrarotsignal zur Feststellung der Laufzeiten.

Hast Du da eine Referenz?

Warum man ausgerechnet ein Lichtsignal zur Laufzeitbestimmung (über kleine
Distanzen) verwenden sollte, erschließt sich mir nicht. Natürlich geht das
(Interferenz, Laufzeitmessung, Doppler, LIDAR, usw.), scheint mir aber
enorm aufwendig. Oder dient das Infrarotsignal nur zur Identifikation der
Ultraschall"boje", d. h. damit der Roboter weiß, wer wann den Ping
loschgeschickt hat?

> Die Idee ist einleuchtend, aber was ist mit Reflektionen? Hat jemand 
> Vorschläge für ein praxistaugliches System?

Definiere "orientieren" und "Fläche". Das Abtastsystem von optischen Mäusen
ist hinreichend genau (oft 1600DPI) um nach gelegentlicher Kalibrierung (z.
B. physikalischer Kontakt mit einem Ausgangspunkt oder im Boden
eingelassene Merkmale) eine Orientierung zu ermöglichen.

Wenn es autark sein soll/muß, kann man über typische Multicopterausrüstung
nachdenken, z. B. basierend auf dem MPU-6050 [1] oder den MPU-9150, wenn
das Erdmagnetfeld zugänglich ist. Vielleicht kann man sich auch einen auf
dem ATmega 2560 basierenden Flightcontroller greifen [2] und entsprechend
umprogrammieren.

Schließlich ist der Tiefensensor der Kinect in der Lage zu triangulieren
[3]. Und erledigt bei Bedarf noch einiges mehr.

Grüße,
Volker

[1] http://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050
[2] http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_viewitem.asp?idproduct=31138&aff=897077
[3] https://mirror2image.wordpress.com/2010/11/30/how-kinect-works-stereo-triangulation/

-- 
@:  W E B 2 0 1 6 at B A R T H E L D dot N E T
3W: www.bartheld.net

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#211148

Volker Bartheld schrieb:

> Hast Du da eine Referenz?

Nein, nur die Idee die mir erfolgversprechend vorkam.

> Oder dient das Infrarotsignal nur zur Identifikation der
> Ultraschall"boje", d. h. damit der Roboter weiß, wer wann den Ping
> loschgeschickt hat?

Genau das.


> Definiere "orientieren" und "Fläche". Das Abtastsystem von optischen Mäusen
> ist hinreichend genau (oft 1600DPI)

Es reagiert aber nicht auf Drehungen des Robots. Dazu müßte man z.B. 
noch LifeScribe nehmen, das aber patentiert ist.


> Wenn es autark sein soll/muß, kann man über typische Multicopterausrüstung
> nachdenken, z. B. basierend auf dem MPU-6050 [1] oder den MPU-9150, wenn
> das Erdmagnetfeld zugänglich ist. Vielleicht kann man sich auch einen auf
> dem ATmega 2560 basierenden Flightcontroller greifen [2] und entsprechend
> umprogrammieren.

Mir ist noch schleierhaft, wie sich Drohnen orientieren. Oder hängen die 
von der richtigen Steuerung ab?

> Schließlich ist der Tiefensensor der Kinect in der Lage zu triangulieren
> [3]. Und erledigt bei Bedarf noch einiges mehr.

So wie ich das verstehe, wird da mit Laser ein Muster projeziert, und 
das erscheint mir doch recht aufwendig?

DoDi

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