Untersuchungen zur Anwendung eines FMCW-Radars zur...

Untersuchungen zur Anwendung einesFMCW-Radars zur Schätzung kleiner

Abstände

Bachelorarbeit

Lisa Jäger

FMCW-Radar zur Schätzung

kleiner Abstände

Lisa Jägerp.1

Chair of

Communication Systems

Gliederung

Thema der Arbeit

Funktionsprinzip eines FMCW-Radars

Entwickelte Software zur Abstandsbestimmung in Matlab

Ergebnisse der durchgeführten Abstandsmessungen

Untersuchungen zu einer Anwendung im Backofen

Fazit und Ausblick


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.2

Chair of


Thema der Arbeit

Anwendung von Radar in einem Backofen

Vermessen der Backblechposition

→ Optimierung von

Automatikprogrammen

Untersuchung von ’low-cost’

FMCW-Radar Sensoren

→ Kostengünstig für

Serienproduktion

Bildquelle: http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.3

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http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg

Grundlagen

FMCW-Prinzip

FMCW-Radar: Frequency Modulated Continuous Wave Radar

Tm

fH

fd

Empfangssignal

Sendesignal

Fre

qu

enz

Zeit

R : Abstand zum Objekt

Tm : Sägezahnperiodendauer

fd : Differenzfrequenz

fH : Frequenzhub

c : Lichtgeschwindigkeit

R =Tm·fd·c

2·fH


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.4

Chair of


Grundlagen

Entwicklungskit iSYS-4004 der Firma InnoSenT

Sendefrequenz: 24 GHz

Bandbreite: 247,5 MHz


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.5

Chair of


Auswertungssoftware

Rohdaten des Sensors1,24 m

Q

I

Am

pli

tude

(ohne

Ein

hei

t)

Abtastwerte

0 100 200 3000

1000

2000

3000

4000

Verzerrung der Signale durch Störreflektoren

Parameter Tm und fH durch Hardware festgelegt

Ziel: Differenzfrequenz fd bestimmen

R =Tm·fd·c

2·fH


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.6

Chair of


Auswertungssoftware

Algorithmen zur Abstandsbestimmung

1,24 m

QI

Am

pli

tude

(ohne

Ein

hei

t)

Abtastwerte

0 100 200 3000

1000

2000

3000

4000

Methoden:

1. Abstandsschätzung durch Vergleich

der I- und Q-Signale

2. Abstandsschätzung über

Auswertung der Periodendauer

→ Beide Methoden nicht geeignet, da

I- und Q- Signal stark verzerrt sind

3. Abstandsschätzung über

Spektralanalyse

→ Genaue Auswertung möglich


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.7

Chair of


Auswertungssoftware

Spektralanalyse

3-stufige Interpolation um Frequenzauflösung zu erhöhen

(theoretische Auflösung vorher: 390 Hz→ 60 cm , nachher: 1,5 Hz→ 0,3 mm)

Störreflektoren im Frequenzspektrum erkennbar

Am

pli

tud

e(o

hn

eE

inh

eit)

Frequenz in Hz0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

←Wand

← Gitter

Q-SpektrumI-Spektrum

Am

pli

tud

e(o

hn

eE

inh

eit)

Frequenz in Hz0 500 1000 1500 2000 2500 3000

×10−4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


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Auswertung

Vergleich zwischen GUI und entwickelter Software


kleiner Abstände

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Auswertung

Vergleich zwischen GUI und entwickelter Software

Untere Erfassungsgrenze der entwickelten Software: 0,6 m

Untere Erfassungsgrenze der GUI: 0,9 m

Genauigkeit bei Messungen von 1 m bis 1,5 m:

Reflektor GUI Spektralanalyse

Metallplatte ± 3,7 cm ± 2,2 cm

Gitter (vertikal) ± 9,95 cm ± 11,88 cm

Gitter (horizontal) ± 11,1 cm ± 5,04 cm

Das Gitter zeigt keine polarisationsabhängigen Effekte, da der Abstand der

Gitterstreben im Bereich der verwendeten Wellenlänge liegt.


kleiner Abstände

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Anwendung des Sensors im Backofen

Bildquelle: http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg


kleiner Abstände

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http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg


Verzögerungsglied

Ziel: kleine Abstände (< 0,6 m) messen (Maße des Backofens)

Möglichkeit: Signallaufzeit erhöhen durch Verzögerungsleitung


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Mehrfachreflexion, Resonanz

gemessene Frequenz

Sollfrequenz

Q-Spektrum

I-Spektrum

Am

pli

tud

e(o

hn

eE

inh

eit)

Frequenz in Hz

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

×10−4

0

1

2

3

4

5

6


kleiner Abstände

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Frequenzbereiche

Frequenzbereiche von Störreflektoren ausblenden

Möglichen Frequenzbereich in unterschiedliche Stufen (diskrete

Backblechpositionen) unterteilen


kleiner Abstände

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Frequenzbereiche





kleiner Abstände

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Frequenzbereiche





kleiner Abstände

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Fazit

Entwicklung einer Software zur Auswertung der Rohdaten

Entwickelte Spektralanalyse genauer als GUI der Firma InnoSenT

Unter nahezu idealen Bedingungen: ab 0,6 m, mit Genauigkeit ± 2,2 cm

Untersuchungen im Hinblick einer Anwendung des Radarsensors im Backofen


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.17

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Ausblick

Einbau einer Verzögerungsleitung

→Möglichst lang

Optimierung der Software durch Unterteilung der Frequenzspektrums

→Diskrete Abstände der Backbleche bekannt


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.18

Chair of


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.19

Chair of


Anhang


kleiner Abstände

Lisa Jägerp.20

Chair of


Anhang

Messaufbau, ISEL


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Anhang

Reflektor Backblech


kleiner Abstände

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Anhang

Erweiterter Backofen


kleiner Abstände

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Anhang

Spektralanalyse

3-stufige Interpolation um Frequenzauflösung zu erhöhen

(theoretische Auflösung vorher: 390 Hz→ 60 cm , nachher: 1,5 Hz→ 0,3 mm)


kleiner Abstände

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Anhang

Ausgangssignale bei kleinen Abständen

gemessene Frequenz

Sollfrequenz

Q-Spektrum

I-Spektrum

Am

pli

tud

e(o

hn

eE

inh

eit)

Frequenz in Hz

Q

I

Am

pli

tud

e(o

hn

eE

inh

eit)

Abtastwerte

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 50 100 150 200 250 300

×10−3

0

1

2

3

0

2000

4000


kleiner Abstände

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Anhang

Abweichungen bei kleinen Abständen

Messung 2

Messung 1A

bw

eich

un

gzu

mta

tsäc

hli

chen

Ab

stan

din

m

Entfernung zum Objekt in m

∆ = ±14.2 cm

0.25 0.34 0.43 0.52 0.61 0.7 0.79 0.88 0.97−0.15

−0.1

−0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45


kleiner Abstände

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Anhang

Gitter horizontal

Leermessung

Gitter horizontal

Metallplatte (an Position des Gitters)

Ab

wei

chu

ng

zum

tats

äch

lich

enA

bst

and

inm


0.7 0.82 0.94 1.06 1.18 1.3 1.42 1.54 1.66 1.78 1.9−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5


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Anhang

Gitter vertikal

Leermessung

Gitter vertikal

Metallplatte (an Position des Gitters)

Ab

wei

chu

ng

zum

tats

äch

lich

enA

bst

and

inm


0.7 0.82 0.94 1.06 1.18 1.3 1.42 1.54 1.66 1.78 1.9−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5


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