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Sharp IR Sensor Ausgabe verbessern

admin — Wed, 15 Dec 2010 22:03:27 +0000

Die Sensoren der Sharp GP2Dxxx IR Familie werden sehr oft als Distanz Sensoren in der Robotik eingesetzt. sie sind preiswert und weltweit verfügbar. Normalerweise werden diese Sensoren für automatische Wasserhähne, Händetrockner und Urinale eingesetzt, weniger für Robotik.

Es gibt folgende Sensoren mit analogem Ausgang:

Der Sharp GP2Y0A02YK hat einen Bereich von 20..150cm
Der Sharp GP2D12 (ersetzt durch GP2YA21YK) hat einen Bereich von 10..80cm
Der Sharp GP2D120 hat einen Bereich von 4..30cm

Wenn man diese Sensoren, bzw. Sensoren mit analogem Ausgang allgemein, in einer Umgebung wie der Robotik einsetzt, muß man mit gestörten Ausgangs Signalen rechnen. Bei den Sharp Sensoren ist es sogar so, das selbst unter optimalen Labor Bedingungen das Asugangssignal gestört ist. Betrachtet man sich da Signal mit einem Ozillokop, sieht man ein verrauschtes Signal mit einer Menge an üblen Spikes.

Lösung

Die Lösung für dieses Problem ist recht simpel. Man muß nur die Versorgungsspannung stabilisieren, dann ist auch das Ausgangssignal in Ordnung. Gegen die Spikes hilft ein 100nF Kondensator zwischen VCC und GND. Ein zweiter Kondensator mit 10..100µF hilft gegen die Sprünge des Ausgangssignal. Allerdings müssen beide Kondensatoren so nah wie möglich am Sensor sitzen, damit der Effekt spürbar wird.
Das folgende Bild zeigt die Modifikation mit Hilfe zweier SMD Kondensatoren.

Der Schaltplan für die Modifikation:

Video

Das folgende Video zeigt das Ausgangssignal eines Sharp GP2D120 Sensor auf dem Oscilloskop. Zunächst das Signal des unmodifizierten Sensors, danach derselbe Sensor mit Modifikation.

Mehr Tips

Das Gehäuse der Sharp Sensoren ist elektrisch leitend. Wenn man den Sensor an ein Metall Chassis schraubt, sollte man das Gehäuse isoliert am Chassis befestigen, sonst liefert der Sensor überhaupt kein Signal.
Das Ausgangs Signal des Sensors ist nicht linear. Besonders bei Objekten, die sich näher am Sensor befinden als der minimale Abstand ist das Sensor Signal nahezu unbrauchbar.

HD-Bot Linienfolger 1. Versuch

admin — Sat, 01 Dec 2007 17:55:30 +0000

Der HD-Bot mit seinen bis jetzt verfügbaren Baugruppen wurde zusammengebaut und in Betrieb genommen. Die ersten Versuche mit dem Liniensensor verliefen auch soweit erfolgreich. Wenn man die Referenzspannung der beiden Komparatoren mit Hilfe der beiden Potentiometer abgeglichen hat, wird eine schwarze Linie auch problemlos erkannt.

Zum Abgleich positioniert man den Roboter auf einer weißen Fläche und dreht solange am Poti bis die zugehörige LED ausgeht. Dann kontrolliert man, ob die LED auf der schwarzen Fläche angeht. Dasselbe macht man mit dem anderen Sensor.

Durch das Logik Board lassen sich 2 verschiedene Arten von Linienfolgern realisieren.

Der Standard Linienfolger. Dazu muß der Ausgangs Umschalter auf gekreuzt stehen. Hier müssen sich beide Sensoren auf der Linie befinden , damit der Roboter gerade aus fährt. Liegt der rechte Sensor daneben, wird der linke Motor gestoppt und umgekehrt. Liegen beide Sensoren daneben, werden beide Motoren gestoppt.

Der Kantenfolger. Dazu wird einer der beiden Umschalter auf invertiernd gesetzt, der andere auf nicht invertierend. Der Ausgangsschalter steht auf nicht gekreuzt. Hier muß ein Sensor immer auf der Linie sein und der andere daneben, damit der Roboter geradeaus fährt. Sind beide Sensoren auf der Linie oder beide Sensoren neben der Linie wird eine Kurve gefahren. Der Roboter bleibt stehen, wenn sich der Sensor, der auf der Linie sein soll, daneben liegt, und der andere Sensor, der sich neben der Linie befinden soll, auf der Linie befindet.

Youtube-Video des Kantenfolgers

Probleme

Leider versagt die Steuerung schon bei den ersten engeren Kurven. Das Problem, die Antriebsräder und der Liniensensor liegen zu dicht beisammen. Der Roboter schafft keine engen Kurven. Verliert er die Linie, bleibt er einfach stehen. Der Kantenfolger erwies sich als die bessere Methode, weil er hier auch mal die Linie verlieren kann und sie auch wiederfindet.
Folgende Änderungen könnten hier Besserung verschaffen:

den Roboter umbauen, sodaß der Liniensensor am anderen Ende, vor dem Stützrad angebracht wird. Beim Roboter werden also vorne und hinten vertauscht.

Zwei zusätzliche Liniensensoren anbringen. Damit der Roboter nicht so leicht die Linie verliert. Genug Platz wäre auf der Platine noch vorhanden. Allerdings müßte man dann jeweils 2 Sensoren zusammenschalten (verodern?).

Das zweite Problem: Die Schaltung reagiert noch sehr stark auf Änderungen der Beleuchtung. Im Prinzip muß man immer vor jedem Start die Liniensensoren neu abgleichen. Dann dürfen sich aber die Belichtungsverhältnisse nicht mehr groß ändern. Auch hier könnte einige Änderungen Verbesserungen bringen:

Die Linienensoren gegen Fremdlicht abschirmen.

Statt jeden Komparator einzeln abzugleichen, die Eingangssignale auf beide Komparatoren legen (am einem Komparator Signal links auf dem positiven Eingang und Signal rechts auf den negativen Eingang und umgekehrt beim anderen Komparato)r. Diese Lösung könnte Probleme bereiten, weil dann bereits geringen Differenzen zwischen den beiden Liniensensoren den Komparator schalten lassen. Eine Hysterese wäre notwendig. Die läßt sich aber nicht ohne weiteres einstellen

HD-Bot Elektronik

admin — Fri, 30 Nov 2007 22:12:24 +0000

Die ersten Eletronik Boards für den HD-Bot sind fertig. Neben dem Motor Treiber gibt es den Liniensensor und ein Logik Board. Damit lassen sich schon die ersten Experimente anstellen.

Motor Treiber

Der Motor Treiber besteht aus zwei Treibern für die beiden Motoren. Jeder Treiber besteht aus einem Logik Level FET (IRL2203), einer Freilaufdiode und dem Gate Widerstand. Es gibt wie gesagt keinen Rückwärtsgang und keine Geschwindigkeitsregelung.

Liniensensor

Der Liniensensor ist ebenfalls recht einfach aufgebaut. 2 Opto Reflex Koppler (CNY70) mit je einem Vorwiderstand für die IR LED und einem Pullup Widerstand für den Fototransistor.

Logik Board

Wenn man es so nennen will, das Gehirn des HD-Bots. Das Logik Board besteht aus einem Doppel Komparator (LM393N), einem 6fach invertierendem Schmitt Trigger (74HC14), sowie einer Reihe von Miniatur Schaltern zum “Programmieren”. So kann man über einen Wechselschalter die beiden Eingangssignale der Sensoren entweder über die Komparatoren schleifen oder über die Schmitt Trigger Gatter.
Über zwei einzelne Umschalter kann das Signal nochmals über Schmitt-Trigger Gatter ein weiteres mal invertiert werden. Zu guter letzt können dann noch die beiden Ausgangssignale gekreuzt oder direkt ausgegeben werden.