ИК-дальномеры SHARP

Статья посвещена ИК дальномерам Sharp. Рассмотрены принципы их работы, особенности использования, плюсы и минусы.

Является вольным переводом статей:

• Сравнение ИК дальномеров Sharp
• Применение ИК дальномеров Sharp

Внешний вид

Принципы работы ИК дальномеров

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).

Сравнительные характеристики сведены в файл.

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.

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.

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.

Пример перекрестной установки дальномера для компенсации минимального ограничения измерения.

Нормализация нелинейности выхода

Как говорилось ранее (раздел "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).

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.

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 дальномеров довольно схожа между типами. В основном диапазон измерений от 10см до 80см и поток примерно в виде конуса с диаметром на середине конуса около 16см. В связи с узостью шаблона рекомендуется установка дальномера на вращающуюся платформу с Servo для сканирования окрестностей. Таким образом, расширяя угол.

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

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, это упрощает взаимодействие но увеличивает энергопотребление(примерно 25mA) и возникает вероятность интерференции излучения с другими ИК датчиками. Для борьбы с интерференцией применяйте методы описанные ранее.

GP2Y0A700 поставляется в специальном корпусе и оснащен 5 контактным JST разъемом. Разъем имеет 5 контактов: 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.

I2C-It представляет из себя доработку Sharp GP2D12 для работы по шине I2C. GP2D12 отличный и проверенный дальномер, но если вы используете их несколько то возникают следующие проблемы:

• каждому дальномеру необходима своя линия подключения.

• использование загружает процессор.

I2C-It обладает следующими характеристиками:

• GP2D12 дпльномер 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 адресс устройства(перемычками по таблице на задней стороне дальномера).

• Используется простой 4-проводной I2C интерфейс.

• Подключается как slave-mode I2C устройство!

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.

---