Jugend forscht Kapitel 3.5

Fahrerlos zum Ziel
Mikrocontrollergesteuertes Fahrzeug mit Ultraschall-Sensorik
1993 von Holger Buß
2.Platz Bundesausscheidung Technik

3.
Hauptteil

3.5
Der Rotor mit dem Parabol

Auf dem Fahrzeug befindet sich ein Rotor mit einem parabelförmig gebogenen Schall-Reflektor, der auf der
Achse eines Schrittmotors befestigt ist. Dadurch ist es dem Mikrocomputer möglich, auch die Abstände zu
Gegenständen, die sich seitlich vom Fahrzeug befinden, durch Schwenken des Parabols genau zu messen (s.
Abb. 6).

Da der Controller nach dem Einschalten nicht weiß, in welcher Stellung sich der Rotor befindet, muß dieser erst
in Nullstellung gebracht werden. Dazu dient eine Infrarot-Leuchtdiode, die am Motor befestigt ist, und eine
Infrarot-Fotodiode auf der Unterseite des Rotors.
Beim Suchen des Rotornullpunktes dreht sich der Rotor soweit, bis Foto- und Leuchtdiode übereinander stehen.
Wenn das Infrarotlicht auf die Fotodiode trifft, wird diese niederohmig und meldet dem Controller durch
Wechseln von Low auf High an einem Eingabebaustein den Rotor-nullpunkt.
Die Form des Parabols gewährleistet die Abtastung eine Streifens von ca. 15 cm. Das ist notwendig, weil das
Fahrzeug sonst nicht dicht an Hindernissen vorbeifahren könnte (s. Abb. 7)

Das Fahrzeug mit Parabol ,,sieht" praktisch an den Hindernissen vorbei, wenn sie ihm nicht direkt im Weg
stehen. Das andere weicht aus, obwohl es passieren könnte, weil das Hindernis im gestreuten Bereich des
Ultraschalls liegt. Das macht deutlich, warum eine Abtastung eines Streifens von der Breite des Fahrzeugs
erforderlich ist.

3.5.1
Der Parabolspiegel

Ich habe einige Zeit nach der Möglichkeit gesucht, die Abtastung mittels Ultraschall auf einen Streifen von ca.
15 cm zu begrenzen. Anfangs hatte ich Sender und Empfänger in Röhrchen untergebracht, weil ich annahm, so
das schräge Aus- und Eintreten des Ultraschalls verhindern zu können. Durch die Schallbrechung im Röhrchen
scheiterte dieser Versuch aber (s. Abb. 8). Selbst das Verwenden von gewellten Installationsrohren führte nicht
zum gewünschten Ziel. Die Schallwellen streuten trotzdem noch zu stark.

Dann versuchte ich, durch Hintereinandersetzen von Kunststoffscheiben mit Bohrungen in der Mitte, nur die
gerade eintreffenden Schallwellen durchzulassen. Theoretisch hätte sich der seitlich eintreffende Schall an den
Seiten wieder herausbrechen müssen (s. Abb. 9).

Anstelle eines Abtaststreifen gab es jedoch mehrere, da der Schall solange zwischen den Scheiben hin- und
herpendelte, bis er zum Empfänger gelang.
Die einzige Lösung war die Verwendung eines Parabols.
Ein Parabolspiegel ist, wie der Name schon sagt, nach der Parabelfunktion y=x².
In einer Parabel befindet sich ein sog. Brennpunkt. Wenn Licht- oder Schallwellen aus diesem Punkt an der
Parabel reflektiert werden, so treten sie rechtwinklig zur x-Achse aus, weil der Einfallswinkel der Strahlen
gleich dem Ausfallswinkel ist (s. Abb. 10).

Dasselbe Prinzip wird auch bei Richtfunk, Radar, Satellitenschüsseln und Scheinwerfern angewandt. Hier
versucht man auch, nur einen möglichst kleinen Bereich zu betrachten.
Ein solcher Parabolspiegel ermöglichte es mir schließlich, die Ultraschallwellen genau in einem Streifen
abzusenden, und dadurch einen möglichst kleinen Abschnitt abzutasten.