Просмотр исходного текста страницы ИК-дальномеры SHARP

[[Category:Справочник решений|{{PAGENAME}}]]
Статья посвещена ИК дальномерам Sharp. Рассмотрены принципы их работы, особенности использования, плюсы и минусы.

Является вольным переводом статей:
* [http://www.acroname.com/robotics/info/articles/sharp/sharp.html#e8 Сравнение ИК дальномеров Sharp]
* [http://www.acroname.com/robotics/info/articles/irlinear/irlinear.html#e1 Применение ИК дальномеров Sharp]

== Внешний вид ==
[[Изображение:IR_Family.jpg]]

== Принципы работы ИК дальномеров ==

[[Изображение:IR_triangle.jpg|frame|Иллюстрация, поясняющая метод определения расстояния дальномерами Sharp]]
Представленная линейка GP2DXX дальномеров Sharp, была разработана не только для обнаружения обьектов на дальних расстояниях, но и для предоставления данных о расстоянии, в случае с моделями GP2D12, GP2D120 и GP2DY0A ('0A'). Эти модели работают намного лучше, так как используются новый метод измерения.


Для определения расстояния либо просто наличия объекта в поле зрения сенсора используется метод триангуляции и малая линейная CCD матрица.

Основная идея в следующем.
Импульсы ИК излучения испускаются излучателем. Это излучение распространяется и отражается от обьектов находящихся в поле зрения сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник. Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник "излучатель - обьект отражения - приемник".

Угол отражения напрямую зависит от расстояния до обьекта. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на линейную CCD матрицу. По засветке определенного участка CCD матрицы определяется угол отражения и высчитывается растояние до обьекта.

Этот метод более защищен от эффектов интерференции излучения и разной отражающей способности поверхностей, выполненных из различных материалов и окрашенных в различные цвета. Например, стало возможно определение черной стены при ярком освещении.

== Какой дальномер выбрать? ==

Серия дальномеров GP2XX включает несколько типов. Они различаются минимальными и максимальными значениями дальности измерения,
а также форматом возвращаемого сигнала (есть модели, имеющие аналоговый выход - они возвращают растояние до объекта; также есть модели, имеющие цифровой выход и возвращающие лишь булевое значение - есть объект в поле зрения датчика или нет).

[http://www.roboforum.ru/mediawiki/images/0/02/Sharp_compare.pdf Сравнительные характеристики сведены в файл.]

[[Изображение:Scale.jpg]]

[[Изображение:GP2Y0D340K.jpg]]

[[Изображение:GP2D05.jpg]]

[[Изображение:GP2D15.jpg]]

[[Изображение:GP0D02.jpg]]

[[Изображение:Scale.jpg]]

[[Изображение:GP2D12.jpg]]

[[Изображение:GP2D120.jpg]]

[[Изображение:GP0A02.jpg]]

[[Изображение:GP0A21.jpg]]

[[Изображение:GP0A700.jpg]]

[[Изображение:GP2D02.jpg]]

[[Изображение:Scale.jpg]]


[[Изображение:Legend.jpg]]


Модели с красной меткой на диапазоне - цифровые (определяют только есть ли препятствие в интервале расстояний до метки или нет), остальные модели - аналоговые (определяют расстояние в указанном диапазоне).

Ни одному из датчиков не требуется внешний синхросигнал. Вместо этого они излучают постоянно, потребляя примерно 25mA.


0A700 поставляется в специальном корпусе, который намного больше, чем другие дальномеры. Это видно на картинке ниже. Увеличение размера связано с увеличением линзы, что позволило увеличить максимальный диапазон до 5.5 метров.

[[Изображение:0A700_comparison.jpg|Дальномер GP0A700]]

Выбор дальномера зависит от ваших необходимостей, возможностей "Мозга" робота (наличия АЦП), и т.д. и т.п. Надеемся, что приведенная в этом разделе информация поможет вам сделать правильный выбор.

== Нелинейный выход ==

Выходная характеристика детекторов нелинейно (см. рисунок) зависит от измеренного расстояния.
[[Изображение:non-linear.jpg|frame|center|Выходная характеристика дальномеров Sharp]]

График изображает типичную (например, для GP2Y0A21YK и GP2D12) выходную характеристику дальномеров Sharp. 

Следует обратить внимание на две вещи:
* Выходная характеристика дальномера (дистанция 10см - 80см) нелинейна и близка к логарифмической. Эта кривая незначительно отличается от дальномера к дальномеру, поэтому можно "нормализовать" характеристику с помощью таблицы или функции. В этом случае, вы можете калибровать каждый дальномер, получая в результате линейную характеристику, независящую от дальномера к дальномеру. 

* В случае если дистанция меньше минимально измеряемой (на графике это 10 см) характеристика падает очень быстро и возникает впечатление что измерено далекое растояние. Это может ввести в заблуждение и даже повредить вашего робота, если он двигается с высокой скоростью. Простейший способ этого избежать - устанавливать дальномер на робота с учетом длины робота.

[[Изображение:cross.jpg|frame|center|Пример перекрестной установки дальномера для компенсации минимального ограничения измерения.]]

== Нормализация нелинейности выхода ==

Как говорилось ранее (раздел "[[#Нелинейный_выход|Нелинейный выход]]"), выходная характеристика дальномеров нелинейно зависит от измеренного расстояния. Нужно найти функцию для преобразования напряжения на аналоговом выходе дальномера (Вольты) в расстояние (т.е. сантиметры или дюймы).

[[Изображение:irlinear-fig1.jpg]]

Можно пойти двумя путями: создать таблицу значений или написать функцию преобразования.

Рассмотрим второй путь, так как он дает более приближенные к действительности значения. При решении данной задачи мы сталкиваемся с проблемой, что необходимо проводить операции с плавающей запятой. Поэтому для упрощения расчетов применим линейное преобразование выходной характеристики.

На основании страницы 10 Sharp Device Specification для GP2D120 график характеристики следует преобразовать по формуле 

''V = 1 / ( R + k )''

где V - напряжение, результат АЦП преобразования;
:R - расстояние;
:k = 0,42 константа для GP2D120.

Уравнение как результат дает прямую линию. Операция деления выпрямляет характеристику. Константа в функции зависит от модели дальномера. k = 0,42 - это константа для GP2D120, но это же значение может быть применено и для других моделей. 
Поэтому первым шагом для хорошей функции преобразования необходимо экспериментальным путем определить константу k. На рисунке ниже представлен график для GP2D12 с k = 4.0. 

[[Изображение:irlinear-fig2.jpg]]

Следующим шагом сведем полученную приближенно линейную характеристику с формулой линейного уравнения. 

''y = m * x + b''

В этом случае ''y'' соответствует линейному расстоянию, заменяем в функции ''y'' и ''x''

''1 / (R + k) = m * V + b''

Преобразовываем для получения функции расстояния от напряжения

''R = (1 / (m * V + b)) - k''

Результат содержит операции с плавающей запятой, от которой нам надо избавится:

''R = (m' / (V + b')) - k''

где m' = 1/m и b' = b/m.  После чего мы можем применять формулу в целочисленных расчетах. 


Пример применения для 10 bit АЦП (0..1023) и GP2D12 :

''R = (m' / (V + b')) – k''

''R = (6787 / (V - 3)) - 4''

Где m'=6787, b'=3 и k=4.  Необходимо проверить значение V для предотвращения деления на 0, V должен быть больше b'.  Для данной формулы V должен быть больше 3.

С 10-bit целым, напряжение для  GP2D12 изменяется от 80 при отсутствии препятствий до 0 если объект прямо перед GP2D12. 


Этот подход работает и для других дальномеров.  После подбора константы для GP2D120 формула будет выглядеть так:

''R = (2914 / (V + 5)) - 1''


Так как это целочисленная математика то результат получаем в сантиметрах, что более дружелюбно, чем результат АЦП преобразования.

== Диаграмма направленности ==

Диаграмма направленности для этих всех моделей дальномеров Sharp довольно схожа. В основном, диапазон измерений колеблется от 10см до 80см, а "угол зрения" таков, что его можно представить примерно в виде конуса с диаметром в средней его части около 16 см. В связи с тем, что диаграмма направленности достаточно узкая, рекомендуется установка дальномера на вращающуюся платформу с [[Сервоприводы_вращения|сервомашинками]] для сканирования окрестностей. Это позволяет расширить угол обзора и исследовать пространство более детально. Дальномер будет вращаться на манер радара, сообщая о наличии объектов в определенном секторе на определенном удалении от платфоромы.

При использовании дальномеров в роли бампера необходим наиболее широкий луч излучения для охвата наибольшей зоны перед роботом. Типовое решение - это применение 2х дальномеров, установленных перекрестно (см. рисунок ниже). Наиболее часто применяется для этой цели  GP2D15.

[[Изображение:bumper.jpg]]

В зависимости от типа используемого дальномера, выход с них можно объединять для экономии портов ввода-вывода на микропроцессоре.

== Подключение Дальномеров ==

'''GP2D12, GP2D120, GP2Y0A02, GP2D15, GP2Y0D02, GP2Y0A21''' оснащены одинаковым разъемом для подключения. Он называется Japan Solderless Terminal (JST). Разъем имеет 3 контакта: ground, vcc и output.

Так как дальномер излучает непрерывно, нет необходимости в синхронизации для инициации чтения, что упрощает взаимодействие, но увеличивает энергопотребление (примерно 25 mA). К тому же возникает вероятность интерференции излучения с другими ИК датчиками.

'''GP2Y0A700''' поставляется в специальном корпусе и оснащен 5 контактным JST разъемом. Распиновка следующая: ground, vcc, output, ground, vcc. Это сделано для подачи дополнительного питания 400 mA пикового (30-50 mA постоянного). Как и другие дальномеры GP2Y0A700 излучает постоянно.

'''GP2Y0D340K''' поставляется в специальном корпусе и оснащен 5 контактами (без разьема, впаивается) Vcc, LED_FB, Vo, ground, REG и два боковых контакта Shield. Пиковый ток 35 mA постоянный 28 mA.

'''GP2D02, GP2D05''' (модели снятые с производства) используют JST с 4мя контактами: ground, vcc, clock и output.

== ИК Дальномеры аналоги ==
У фирмы '''HVW Technologies''' существует продукт '''I2C-It''' IR Rangefinder.

[[Изображение:GP2D12_I2C.jpg]]

'''I2C-It''' представляет из себя доработку Sharp GP2D12 для работы по шине [[Протоколы_взаимодействия_модулей|I2C]].
Стандартный дальномер Sharp GP2D12 - это отличное и проверенное устройство. Но если вы используете несколько таких дальномеров в своей конструкции, то возникают следующие проблемы:

* каждому дальномеру необходима своя линия подключения.

* использование загружает процессор.


'''I2C-It''' обладает следующими характеристиками:

* GP2D12 дальномер на диапазон 10~80cm / 4” - 32”

* Подключение до 8 дальномеров на одну шину.

* Выдает данные в сантиметрах, дюймах, или аналоговое значение(0-255).

* Пользователь сам определяет адрес устройства (перемычками по таблице на задней стороне дальномера).

* Используется простой 4-проводной [[Протоколы_взаимодействия_модулей|I2C интерфейс]].

* Подключается как slave-mode (подчиненное) I2C устройство!


[[Изображение:GP2D12_I2C_Rear.jpg]]

I2C-It имеет разьем под распайку:

Pin1 - Ground (signal ground)(квадратная площадка)

Pin2 - SCL (I2C clock line)

Pin3 - SDA (I2C data line)

Pin4 - Vcc (+4.5 to +5.5V)


I2C-It настроен так, что получает расстояние один раз и возвращает его. Он не тратит время на множественные измерения и вычисление среднего. Идея такова: "Ты видишь то, что ты видишь!". Дальномер спроектирован так, что может давать конкретные значения расстояния так быстро, как вам нужно.