Sensor für schnelle Bewegungen gesucht / Alternative zur Lichtschranke

Hallo Forum!

Folgendes habe ich vor
Wir veranstalten Drohnen rennen. Dabei Flitzen so zwischen 4 und 8 Drohnen auf einer rennstrecke herum und wer als erster ankommt hat gewonnen. Eine Drohne ist ohne Propeller etwa 20x20cm groß und ca 100km/h schnell.
Auf der Strecke stehen Tore herum, durch die man durchfliegen muss. So sieht das ganze dann aus: https://www.youtube.com/watch?v=5MgImK8xbPs
Für das nächste Event wollte ich die Tore etwas interaktiver gestalten. DIe Tore oben auf der Tribüne im Video haben etwa 2x2m größe, sollen farblich pulsieren und in einer anderen Farbe aufblinken wenn ein oder mehrere Copter hindurchfliegen.

Im speziellen versuche ich also irgendwas zu bauen, was den Druchflug einer Drohne durchs gate halbwegs zuverlässig erkennt.

Das habe ich bereits gemacht
Mit einem Arduino und ein paar mosfets kann ich die 5050er LED streifen munter pulsieren lassen. Die naheliegende idee war ein mikrofon ins tor zu halten in der annahme die copter sind am lautesten wenn sie gerade durchs tor fliegen. Also hab ich dieses arduino mikrofon besorgt und damit herumexperimentiert: http://www.watterott.com/de/Breakout...nsatormikrofon
Die Ergebnisse waren enttäuschend. Ich habe versucht adaptiv max- und minamplituden über die zeit statistisch auszuwerten und dynamisch die triggerpunkte zu setzen um das "durchflug"-event irgendwie vom normalen streckenlärm zu trennen aber das funktioniert vorne und hinten nicht.

Neuer Plan:
Ich lasse das mit dem Schallpegel sein und versuche zu erkennen wann irgendwas durchs gate fliegt. Und genau hier google ich mir bislang erebnislos die finger wund. Die klassische lichtschranke mit sauber positioniertem laser und spiegeln die ein dichtes netz bilden ist aus praktischen gründen ein nogo. In vielen Fällen fliegt die drohne nämlich nicht durchs gate sondern knallt mit hundert sachen dagegen, dh die spiegel würden zerstört oder verbogen werden und man müsste ständig nachjustieren und/oder teile tauschen.

Hat also jemand eine bessere Idee?
Hier meine Findings, korrigiert mich gerne wenn ich sachen schreibe die so nicht stimmen:
- normaler PIR sensor: Könnte funktionieren ist aber imho viel zu langsam, da die bewegung erst nache einer Sekunde o.ä. zurückgemeldet wird. Ob überhaupt ein Objekt erkannt wird, was bei hundert sachen ca 3cm pro millisekunde zurücklegt steht auhc in den sternen
- ultraschall: Ein HC-SR04 ist billig und könnte funktionieren. Wenn ich mir die specs so anschaue müsste ich 50 messungen pro sekunde machen können, wobei sich ein copter zwischen den messungen etwa 60cm weit bewegt, dh er sollte noch halbwegs im strahl sein. Die frage ist nur, würde ein HC-SR04 ein objekt in coptergröße und erkennen etwa 1,50m entfernung erkennen? die etwa 20° öffnungswinkel sind auch kritisch. optimal wären 90° und der sensor ist in einer Ecke des gates oder 180° und der sensor ist unten in der mitte und sensoriert nach oben. Alternativ könnte man auch zb 2 sensoren in die unteren ecken im 45° winkel packen so dass das gate grob abgedeckt ist. Die hauptfrage ist eigentlich, ob der HC-SR04 überhaupt einen copter detektieren würde der durch sienen sensorbereich flitzt.
Oder auch andersrum: gibt es auch "dümmere" Ultraschallsensoren für den arduino? Ich brauche überhaupt keine entfernungsmessung, ein konstanter analoger datenstrom den ich samplen könnte wäre viel besser. Damit könnte ich die states "alles ruhig" und "irgendwas fliegt durch" wahrscheinlich allein am mittelwert von zb 5ms langen samples unterscheiden.
- Radar und co? gibt es sowas in bezahlbar und arduino? Die copter sind aus CFK und reflektieren elektromagnetische wellen recht gut..
- Oder ein anderen ansatz: Jeder copter überträgt sein Videobild analog auf einer frequenz von 5700-5900mhz und 25mw. Wenn ich irgendwie einfach und günstig die feldstärke in dem frequenzbereich messen könnte, hätte ich uumst einen effektiven näherungssensor. Die üblichen empfängermodule für videobild auf den frequenzen sind leider beim hopping zu langsam, so dass ich mit 8 von ihnen zwar sogar einzelne copter auseinander halten und ihnen eigene ledfarben zuweisen könnte aber so ein setup wäre mit 300€ pro tor definitiv über budget :/

TL;DR: Kennt jemand einen Sensor für den arduino mit dem ich Renndrohnen die mit 100km/h durch ein 2x2m großes Tor fliegen halbwegs zuverlässig detektieren könnte?

Hallo Fiesel,
herzlich willkommen im Forum.
Ich würde einen Raspberry Pi mit Kamera-Modul V2 verwenden.
Die Kamera macht bei einer Auflösung von 640x480 90 Bilder je Sekunde.
Reaktionszeiten von unter 20 mS sind damit möglich.
Leider sind dann aber einige Kenntnisse zum Programmieren nötig.

Gruß ARetobor

Also bevor ich mit einer Kamera Lösung anfange würde ich eine selbst gebaute Lichtschranke einsetzen. Infrarot Leds modulieren, passende Infrarotdetektor Dioden raussuchen, Signal
mittels Korrelation detektieren im Mikrocontroller.

Noch ein paar Gedanken wo man prinzipiell noch ansetzen könnte:
1. Statt Lichtschranke nur Lichtdetektor, der auf das von der Drohne ausgesandte Licht reagiert. Um das von Störlicht zu unterscheiden, müsste es entsprechend moduliert (im einfachsten Fall in einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet) werden. Verwendet man unterschiedliche Modulationen für die einzelnen Drohnen, könnten diese auch individuell erkannt werden.
2. Dopplerradar, wie es häufig als Bewegungsmelder eingesetzt wird. Typische Bewegungsmelder dürften aber zu langsam sein und auch nicht auf die typische Drohnengeschwindigkeit ansprechen. Da müsste man also jemand haben, der da was umbasteln kann. Das Prinzip sollte funktionieren.
3. Vermutlich erzeugt die typische Drohne neben Lärm auch jede Menge breitbandige Strahlung in typischen Radiofrequenzen. Das kann man mit einem historischen Radio (Lang- oder Mittelwellenbereich) prüfen. Ein Draht oder ein metallisches Strukturelement im Tor könnte als Antenne für einen Empfänger dienen, der ab einem bestimmten Pegel schaltet.
4. Jede Drohne mit einem RFID Chip ausstatten. Ob die Empfänger schnell genug sind, weiss ich nicht, es gibt auch unterschiedliche Frequenzen. Auch hier könnten Drohnen individuell unterschieden werden.

Bei den Bewegungsmeldern muss man auf die Positionierung achten. PIR reagieren auf seitliche Bewegung von Wärmestrahlung, Radar registriert Objekte die sich auf den Sensor zu bzw vom Sensor weg bewegen.

PIR und Radar scheidet vermutlich aus da die zu erkennende Fläche zu klein ist. Bei PIR hast du nur die Motoren und etwas Elektronik (Leistungsteil, eventuell Akku) das Wärme erzeugt. Bei Radar benötigst du eine Fläche, je größer diese ist, desto besser kannst du detektieren.

MfG Hannes

Ich würds mal mit einem Dopplerradar probieren. Die Bausteine sind spottbillig und es gibt im Netz einige Erfahrungsberichte. Man könnte damit erkennen, ob und wie schnell sich ein Objekt auf das Tor zu bewegt.

MfG Klebwax

Vielen Dank für die Anregungen.
Erste Tests ergaben dass ein einziges HC-SR04 Tordurchflüge bereits häufig erkennt. Ich werde erstmal versuchen mit einem Array von 3 gleichzeitig angeregten Sonarmodulen die Coptererkennung zu verbessern und wenn das nicht klappt dann geb ich dem Dopplerradar eine chance.
Im grunde gehe ich von Günstig nach Teuer bis die ergebnisse zuverlässig genug sind ;)

Hallo Fiesel,

Eine Methode hast du noch vergessen: einen Metalldetektor

An so einer Drohne ist alleine in den Motoren genug Metall vorhanden.
Du machst eine Spule mit so 10-20 Windungen, welche praktisch das Tor bilden.

Mit der Spule bildet man den Schwingkreis eines Oszillators. Eine PLL rastet dann auf der Oszillatorfrequenz ein.
Dies hat zuerst einmal den Vorteil, dass der Oszillator nicht genau sein muss und zudem langsame Frequenzänderungen, z.B. durch Temperaturdrift, ausgeglichen werden.
Die PLL macht man dann etwas Träge, Reaktionszeiten mindestens im Sekundenbereich.
Wenn die Drohne dann durchfliegt, verstimmt sich der Oszillator und dein Nutzsignal kann am Frequenzdiskriminator der PLL abgegriffen werden.

Die ganze PLL bekommt man als IC wie z.B. den NE565 oder CD4046, kosten beide um 1€.
Da wäre dann der Arduino das teuerste, :-)

MfG Peter(TOO)