Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Dreidimensionale Positionsbestimmung mit Sensoren


von Peter G. (peter_g372)


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Hallo zusammen,

ich habe mich bereits ein wenig im Forum umgesehen, konnte jedoch kein 
passendes Topic finden.

Kurz zu meinem Vorhaben, anschließend meine Frage:

Ich möchte gerne mit 4 Positionssensoren eine Ebene aufspannen (also 
Sensor 1 bspw. an P1(0|0), Sensor 2 an P2 (1|0), usw.). Aus den 
Positionen zweier weiterer Positionssensoren soll eine Gerade gebildet 
werden. Nun möchte ich visualisieren, in welchem Punkt die Gerade die 
Ebene schneidet.

Diese Auswertung soll von einem separaten Controller (Arduino, Rapsberry 
Pi, ...) durchgeführt werden und an einen Bildschirm weitergegeben 
werden.
Die Genauigkeit sollte hierbei bestenfalls <30cm sein, aber auch ca. 10 
m noch beherrschen können.

Das Ganze softwaretechnisch ist wohl weniger mein Problem, aktuell 
scheitert es eher an der Sensorsuche. Gibt es für mein geplantes 
Vorhaben überhaupt entsprechende Sensoren? Welche würden sich anbieten? 
(Kann man sich bei Keyless-Go von Fahrzeugen etwas abschauen? Das 
scheint ja auch recht genau zu funktionieren).
Optimal wäre natürlich, wenn jeder Sensor mit einem kleinen Akku und µC 
auskommen würde und dementsprechend eigenständig wäre.
Heißt: Sensor 1-4 an 4 Ecken platzieren, 5 und 6 sind im Bestfall schon 
kombiniert und je nach Ausrichtung erzeugen diese eine Gerade.

Oder gibt es auch noch ganz andere Möglichkeiten (Laser, Lichtschranke, 
...??). Alternativ wäre auch eine Idee, anhand vier Sensoren zu 
bestimmen, wo ein gewisser Volumenstrom die Ebene durchtritt. Hierzu 
fehlt mir jedoch jeglicher Ansatzpunkt.

Ich danke euch vielmals!
VG

: Bearbeitet durch User
von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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So viele offene Fragen. Eine Zeichnung wirkt Wunder. Oder wenigstens 
eine Erläuterung, was das überhaupt am Ende werden/ messen soll.


Ich probiere es trotzdem mal:
Deine Ebene ist eine Gedachte. Deine Positionssensoren "5 und 6" sind 
Piezoaufnehmer. Rund um Deine gedachte Ebene platzierst Du ausreichend 
viele Piezo-Sender. Mittels Laufzeitkorrelation erfasst Du die 
Positionen der Piezoaufnehmer relativ zur Ebene und errechnest damit die 
Position, an der die errechnete Gerade zwischen den beiden die gedachte 
Ebene kreuzt.

: Bearbeitet durch User
von F. (radarange)


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Die Umgebungsbedingungen sind relativ wichtig, die sollten gerne genauer 
definiert werden. Je nachdem, wie diese gestaltet sind, kommen einfache 
Lösungen (z.B. EINE overhead-Kamera, für kurze Anwendung ggf. auch mit 
einer Drohne) infrage, aber wenn du die Erkennung für schnelle 
Bewegungen in einer lauten dunklen verrauchten Umgebung mit offenen 
Lichtbögen haben willst, wird's eben ein kleines bisschen schwieriger.

Wenn es Dir darum geht, die Ausrichtung und (x,y)-Position eines Stabes 
zu erfassen, wird es ja etwas leichter. Die Ausrichtung des Stabs lässt 
sich z.B. über einen Kompass und ein Accelerometer bestimmen. Jetzt 
brauchen wir nur noch die Position des Stabes auf der Ebene, das geht 
über Laufzeitortung--entweder akustisch, per Licht oder Funk (z.B. 
UWB-Positionierung). Der Trick hierbei ist natürlich, dass du nicht die 
genaue Position zweier Sensoren im Raum bestimmen musst, sondern nur die 
Position eines Punktes deines Stabes, da du die Orientierung des Stabes 
aus den dort eingesetzten Sensoren erhältst, die die Orientierung mehr 
oder weniger direkt messen und diese nicht aus xyz-Koordinaten bestimmen 
musst. Die 4 Sensoren für deine Ebene erlauben dir nämlich auch nicht, 
die z-Koordinate eindeutig zu bestimmen, da die Laufzeiten zweier 
Signale in einer bestimmten Entfernung über und unter der Ebene 
identisch sind.

von Peter G. (peter_g372)


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Danke schon einmal für eure Antworten.

Um das ganze noch in den realen Kontext einzuordnen:

ich möchte versuchen, die Position des Häckselguts (oder überhaupt die 
Ausrichtung des Auswurfrohrs) eines Feldhäckslers in Bezug auf den zu 
befüllenden Anhänger zu bestimmen. Sowohl der Anhänger als auch der 
Häcksler sind natürlich in ihrer Position variabel und dynamisch.

Anbei noch eine Skizze.

von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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Schon mal mit Sensor S7 (Aussenspiegel beifahrerseitig) probiert? :)

Spaß beiseite: das Auswurfrohr erhält einen bzw. mehrere Linienlaser, 
sodass es ein Zielkreuz bildet. (Das Häxxelgut würde einen einzelnen 
Laser immer irgendwo beschatten.) Die Kreuzmitte zeigt auf das 
Zielgebiet beim Befüllen. Auf den Oberkanten der Anhängerwände 
platzierst Du auf die Wellenlänge des Laserlichts  angepasste 
Photodiodenarrays. Jederzeit müsste dann je Seitenwandarray ein Punkt zu 
bestimmen sein, der gerade angestrahlt wird, daraus kannst Du die 
Kreuzmitte bestimmen.

: Bearbeitet durch User
von Peter G. (peter_g372)


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Nein, S7 ist leider defekt.

Spaß beiseite, das Ganze soll eher "nice to have" sein.
Gerade bei unerfahrenen Fahrern wird es doch öfters mal spannend ab 
einer gewissen Anhängergröße :)

Der reale Nutzen wird sich zeigen (oder auch nicht). Das Problem ist 
nur, dass ich mir die Umsetzung jetzt irgendwie in den Kopf gesetzt habe 
aber keinen wirklichen Startpunkt habe (und aktuell auch überhaupt nicht 
einschätzen kann, ob es in dieser Art überhaupt umsetzbar ist) :D

Dein Vorschlag hört sich schon recht interessant und schlüssig an, denke 
das wäre ein gangbarer Weg..

: Bearbeitet durch User
von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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Rückfahrkamera (an Dauerplus)?

von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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Peter G. schrieb:
> denke das wäre ein gangbarer Weg..

Findest Du? Die Frage ist: geht das System schon kaputt bevor es zum 
ersten mal, also so nach spätestens einer Stunde, komplett verdreckt?

von Peter G. (peter_g372)


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Das Thema soll im Zuge einer studentischen Arbeit meines 
berufsbegleitenden Masters bearbeitet werden. Daher sind die 
Rahmenbedingungen recht fix (Häckselgutstrahl in Anhänger lokalisieren 
und visualisieren). Stelle ich mir aber aktuell noch recht anspruchsvoll 
vor für den entsprechenden Umfang. Daher bin ich noch am überlegen, ob 
ich das Thema überhaupt nehme.

Rückfahrkamera wäre vermutlich trotzdem keine 100%ige Lösung, da der 
Abstand zwischen Häckselstrahl und rückseitiger Bordwand wohl immernoch 
schwierig einzuschätzen wäre (und bei Nacht noch schwieriger).


Das Problem bezüglich der Verschmutzung habe ich mir auch schon 
überlegt, daher war ich ursprünglich eher bei Positionssensoren, da ich 
die gedanklich einfach sicher "verpacken" kann.

Wenn ich jetzt nocheinmal so darüber nachdenke, wird es wohl auch 
schwierig aus mehreren Lasern ein Zielkreuz zu machen. Der Abstand 
zwischen dem Rohr und dem Anhänger variiert ja immer, heißt ich müsste 
auch die Ausrichtung der Laser dynamisch anpassen..

: Bearbeitet durch User
von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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Peter G. schrieb:
> Abstand zwischen Häckselstrahl und rückseitiger Bordwand

Ist der Abstand zu den Seitenwänden überhaupt wichtig oder fahrt ihr 
sowieso geradeaus, sodass es vielleicht nur die Position "auf der 
Längsachse" ankommt?

von Peter G. (peter_h602)


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Ich sag's mal so:

Optimal wäre es natürlich, wenn das ganze in Längs- und Querachse 
visualisiert werden würde. Ehrlich gesagt kann man den Abstand zu den 
seitlichen Bordwänden aber recht einfach erkennen..

Hauptaugenmerk wäre daher auf der Längsachse, optional eben inkl. 
Querachse

von Jobst M. (jobstens-de)


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Je Ecke ein Ultraschallentfernungsmesser auf dem Anhänger (S1…S4)
Einmal reihrum die Entfernungen messen und aus den ermittelten 
Entfernungen die Position des einfallenden Heckselguts bestimmen.

Die Sensoren dabei evtl. etwas nach oben ausrichten, so dass die 
gegenüberliegenden Wände und bereits im Anhänger befindliches Gut nicht 
erfasst werden.

Gruß
Jobst

von Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)


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Peter H. schrieb:
> Hauptaugenmerk wäre daher auf der Längsachse

Guck dir die Doku (ich glaube N24) über Rollbomben oder Dambuster der 
RAF im WW2 an. Um die richtige Abwurfhöhe zu ermitteln hat der 
entsprechende Bomber mittels zweier divergierender Lichtstrahlen 
Lichtpunkte auf die Wasseroberfläche projiziert. Die Entfernung der 
Punkte variiert mit der Höhe des Bombers.

Du könntest: vom Auswurfrohr zwei Lichtpunkte nach hinten schräg runter 
auf die hintere Bordwand projizieren. Der Abstand der Punkte ist ein Maß 
für den Abstand des Auswurfrohres zur Bordwand. Ein schlichter optischer 
Sensor an der vorderen Bordwand kann den Abstand der Punkte ermitteln 
und daraus die Lage des Rohres errechnen. Ich glaube, so ein Sensor war 
in der Nintendo Wii verbaut. Habe ich einst mit gespielt, geht ziemlich 
easy. Die Ausgabe der Koordinaten war über TWI.

von Peter G. (peter_g372)


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Jobst M. schrieb:
> Je Ecke ein Ultraschallentfernungsmesser auf dem Anhänge

Das werde ich mir auch notieren. Wenn man die Verschmutzung in den Griff 
bekommt, wäre das bestimmt ein Versuch wert.

Stephan R. schrieb:
> vom Auswurfrohr zwei Lichtpunkte nach hinten schräg runter auf die
> hintere Bordwand projizieren. Der Abstand der Punkte ist ein Maß für den
> Abstand des Auswurfrohres zur Bordwand.

Wobei das ja auch nur funktioniert, wenn das Auswurfrohr immer 
orthogonal (bzw. In einer fixen Winkellage) zur hinteren Bordwand steht. 
Das ist ja leider nicht der Fall. Ggf. könnten meine Punkte dann ja ganz 
aus dem Hänger verschwinden. Eine Befüllung bis oben hin wäre auch nicht 
möglich.

Nochmal zu den Positionssensoren: das muss doch irgendwie funktionieren, 
oder nicht?

Mein Autoschlüssel bekommt es doch auch auf ein paar cm hin, dass er 
weiß ob er an der Tür vorne links ist, hinten rechts, im Auto, außerhalb 
des Autos,....
Wenn ich nun vier Sensoren an jede Ecke des Anhängers mache, müssten 
doch diese relativ zueinander die Position bestimmen können (ggf. mit 
Gyroskop auch noch die Ausrichtung der "Ebene"). Wenn ich nun noch einen 
Sensor auf dem Häcksler habe (inkl. Gyroskop), müssten die anderen 4 
doch in etwa die Höhendifferenz und die Position bestimmen können und 
anhand der räumlichen Ausrichtung die Gerade erzeugen..

: Bearbeitet durch User
von Kay-Uwe R. (dfias)


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Ich würd ´ne Drohne drüberfliegen lassen. Kleine Positionslämpchen an 
den Hänger und den Rüssel, dann geht´s auch im Dunkeln. Wär zumindest 
eine zeitgemäße Lösung …

Edit: Sehe gerade, wurde schon erwähnt.

: Bearbeitet durch User
von F. (radarange)


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GPS. Zwei an den Hänger (an gegenüberliegenden Ecken), einen an den 
Rüssel. Wahrscheinlich reicht RTK.
Kostet Geld, gibt aber die Daten, die du brauchst. Der Rüssel kriegt 
noch einen Neigungssensor und einen Geber für die Ausrichtung.

Ansonsten natürlich die klassische Lösung über Kameras. Sinnvollerweise 
eine Ultra-Weitwinkel-Kamera am Rüssel, die am Hänger angebrachte Marker 
erfasst und so ihre Position erkennt. Nach Bedarf noch Kameras am 
Hänger, die den Rüssel beobachten oder eine Kamera am Rüssel, die einen 
kleineren Bildausschnitt beobachtet, aber sicherstellen kann, dass der 
Materialstrahl innerhalb des Hängers bleibt.

Wahnsinnig komplexe Lösungen mit vielen Baugruppen würde ich aufgrund 
des Einsatzgebiets nicht empfehlen, da ist es geschickt, wenn alles in 
möglichst wenigen robusten Gehäusen stattfindet. Mit GPS und/oder 
Bildverarbeitung ist die Komplexität in der Software, die Hardware kann 
man relativ schnell und einfach direkt so kaufen, auch robust genug für 
die vorhergesehenen Einsatzzwecke.

von Rainer W. (rawi)


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F. schrieb:
> Wahrscheinlich reicht RTK.

Was meinst du mit der Bemerkung?
RTK dürfte auf eine Positionsgenauigkeit von größenordnungsmäßig 1cm 
kommen.
Die Richtung des Häckselgutes aus S5 und S6 zu bestimmen, wird 
allerdings eher ungenau, weil die Sensoren arg dicht beieinander liegen. 
Da wird es wohl günstiger sein, mit einem Beschleunigungssensor und 
evtl. Kompass nachzuhelfen.

Peter G. schrieb:
> Skizze.png

: Bearbeitet durch User
von Knut _. (_knut_)


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Realsense D455 und mit einem PI/Jetson auswerten.
Sollte keine Hexerei sein, sofern der Realsense nicht zu schnell 
verschmutzt.

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Ich würde einen Ansatz mit Bildauswertung bevorzugen.

Ich würde Versuche mit einer Kamera oben am Auswurfrohr beginnen. 
Zumindest in der Versuchsphase könnte man die obere Kante des Hängers 
mit auffällig buntem oder schwarzem Klebeband o.ä. einfärben, irgendwas, 
was sich deutlich von der Umgebung unterscheidet ... oder wenigstens 
Marker auf den Ecken.

Um den Strahl des Häckselgutes vom bereits "ruhenden" Material zu 
unterscheiden, könnte man mal die Bildschärfe bzw. den daraus 
resultierende lokalen Kontrast untersuchen (Bewegungs-Unschärfe). 
Allerdings hat dafür die Kamera am Auswurfrohr einen ungünstigen Winkel. 
Hier evtl. an zwei Kameras an einem waagerechten Ausleger mit z.B. einer 
Länge von 50cm denken ...

So ein komplexes Problem löst man nicht von Vorne herein in einem 
Schritt, sondern abschnittweise. Auch die Erkenntnis, dass etwas nicht 
funktioniert, ist schließlich eine Erkenntnis. Theoretische Vorarbeit 
ist unverzichtbar, den endgültigen Beweis erbringt nur ein Versuch.

Gegen Staub auf Kameralinsen gibts genügend Rezepte, wie Gebläse, 
elektrostatische Verfahren, rotierende Glasscheiben bis hin zum 
Mini-Scheibenwischer ... das würde ich - zumindest nicht am Anfang - zum 
Hauptproblem machen.

: Bearbeitet durch User
von Rahul D. (rahul)


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Frank E. schrieb:
> Ich würde Versuche mit einer Kamera oben am Auswurfrohr beginnen.
> Zumindest in der Versuchsphase könnte man die obere Kante des Hängers
> mit auffällig buntem oder schwarzem Klebeband o.ä. einfärben, irgendwas,
> was sich deutlich von der Umgebung unterscheidet ... oder wenigstens
> Marker auf den Ecken.

Nintendo WIImote lässt grüßen.
(modulierte oder ferngesteuerte) IR-Sender an den Ecken, deren Abstände 
zueinander bekannt sind.
Oder Marker, die z.B. pink oder in einer anderen nicht unbedingt in der 
Natur vorkommenden Farbe angemalt sind.

von Peter G. (peter_g372)


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Danke schon einmal euch allen für die vielen Ideen.

Ich werde jede auf jeden Fall mal als Konzept aufnehmen und theoretisch 
betrachten und bewerten.

Generell bin ich aktuell aber eher bei Konzepten ohne optische Module 
(Laser, Kamera,...). Ich finde gerade die Lösung mit Kamera auch sehr 
charmant (wäre dann ja auch möglich, das Auswurfrohr automatisch beim 
Befüllen zu steuern, gibt es ja teilweise schon so oder so ähnlich).

Das Problem bei der Kameralösung sehe ich aktuell eher in der 
Dunkelheit. Da wird das ganze vermutlich schwierig.

: Bearbeitet durch User
von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Peter G. schrieb:

> Das Problem bei der Kameralösung sehe ich aktuell eher in der
> Dunkelheit. Da wird das ganze vermutlich schwierig.

Dafür genügen wenige IR-LEDs, die machen die Szene für die Kamera 
taghell. Als Markierung dann 3M-Reflektorband ...

Ich würde übrigens streng darauf achten, dass sich alle aktiven 
Komponenten möglichst auf einer Seite der Szene (Hänger oder Häcksler) 
befinden, u.a. wegen der Stromversorgung, notwendiger Kommunikation, 
Kabel usw.

von Ron-Hardy G. (ron-hardy)


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Wenn eine Auflösung von 10cm reichen würde werfe ich mal Bluetooth 
Channel Sounding in den Raum.

von Harald A. (embedded)


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Decawave DWM1000

von Vanye R. (vanye_rijan)


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> Hierzu fehlt mir jedoch jeglicher Ansatzpunkt.

Renesas macht sowas. Die haben gestern dazu auf ihrer Hausmesse
eine beeindruckende Demo gezeigt. Die mache das mit einer Erweiterung
von Bluetooth. Sah sehr einfach und zuverlaessig aus.

Vanye

von Rainer W. (rawi)


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Vanye R. schrieb:
>> Hierzu fehlt mir jedoch jeglicher Ansatzpunkt.

Das schrieb wer?

Sooh kompliziert ist die Zitatfunktion doch nun wirklich nicht zu 
bedienen :-(

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