ИК-дальномеры SHARP
Статья посвещена ИК дальномерам Sharp. Рассмотрены принципы их работы, особенности использования, плюсы и минусы.
Является вольным переводом статей:
Содержание
Внешний вид
Принципы работы ИК дальномеров
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.
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.
Нормализация нелинейности выхода
Как говорилось ранее(см. выше) выходная характеристика дальномеров нелинейно зависит от измеренного расстояния (см. рисунок ниже). Нужно найти функцию для преобразования напряжения Вольты в расстояние 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. Но при этом 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 характеристику следует преобразовать по формуле
V = 1 / ( R + k )
где V - результат АЦП преобразования напряжение, R расстояние, k = 0,42 константа для GP2D120. Уравнение дает прямую линию как результат. Операция деления выпрямляет характеристику. Константа в функции зависит от модели дальномера, k = 0,42 константа для GP2D120 но может быть применена 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
Все дальномеры, за исключением GP2Y0A700, 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.
Снятые с производства GP2D02 и GP2D05 используют JST с 4мя контактами: ground, vcc, clock и output.
ИК Дальномеры аналоги
У фирмы HVW Technologies существует продукт I2C-It IR Rangefinder.
Он представляет из себя доработку Sharp GP2D12 для работы по шине I2C.
Sharp GP2D12 отличный и проверенный дальномер, но если вы используете их несколько то возникают следующие проблемы:
- каждому дальномеру необходима своя линия подключения.
- использование загружает процессор.
Когда мы используем сенсоры с подключением по I2C, мы получаем большую гибкость.
Количество I2C-It IR Rangefinder сенсоров до 8 штук на одну линию I/O.
I2C-It подключается как slave-mode I2C устройство! Адреса устанавливаются перемычками по таблице на задней стороне дальномера
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.
