Sensoren: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 3. Januar 2009, 14:30 Uhr

Sensoren

Jeder, der sich einen Roboter baut, wird schnell zu dem Punkt kommen, wo er möchte, dass sein Roboter „sieht“. Sensoren müssen hauptsächlich drei Aufgaben erledigen. Die ersten beiden sind Kollisionsschutz und Navigation. Diese unterscheiden sich in der Funktionsweise vor allem in der Interpretation im Programm und im Aufbau am Roboter. Die dritte Art sind Sensoren, die ihn mit der Umwelt in Kontakt treten lassen.

Grundsätzlich müssen alle Sensoren diese Merkmale aufweisen:

Passiv oder aktiv?

Manche Sensoren (z.B. IR) brauchen eine aktive Quelle (hier die IR-LED), die dann aber einen Mehrverbrauch an Strom bedeutet. Passive Sensoren, wie zB Taster, bekommen ihre Signale aus der Umwelt (hier Stoß). Zu ihnen zählen die meisten Umweltgrößen, wie Temperatur und Feuchtigkeit, Licht und Vibration oder Kraft (Stoß).

Einfachheit

Ein Sensor muss einfach sein. Denn was nützt es uns, wenn wir den Sensor nicht kalibrieren können oder der Aufbau zu schwer ist? Doch Sensoren, die nicht in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, sind äußerst selten. Dann besteht nur noch der Wunsch, dass die meist zweidrahtigen Sensoren auch einfach anzuschließen sind. Deswegen ist es manchmal von Vorteil, sich vorgefertigte Anschlüsse zu kaufen, anstatt diese in mühsamer Kleinarbeit selber zu erstellen.

Auswertbarkeit in Echtzeit

Alle Sensoren, die zunächst in Frage kommen, basieren auf dem Prinzip des Spannungsteilers. Das heißt, es wird eine Urspannung eingegeben und eine Teilspannung kommt heraus. Diese Differenz können wir erfassen und mittels Wertetabelle im Programm auswerten. Aber durch Störeinflüsse in der Umwelt kann es vorkommen, dass die berechneten Werte abweichen. Jeder Messtechniker weiß, dass allein die Messung an sich schon das Messergebnis verfälscht.

Robustheit

Wir werden am Anfang sicher nicht unseren Roboter in einer Morastlandschaft einsetzen, aber auch schon ein Stoß gegen die Wand hat schon manchen Roboter ausgeknockt. Schon normaler Hausstaub kann und wird Linsen trüben und Messwerte verschlechtern. Das heisst: Wenn ein Sensor gekauft wird, muss er der Situation angemessen sein.

Aufgaben für Roboter

Natürlich muss man sich, bevor der Roboter steht, schon im Klaren sein, was seine Aufgaben sind. Auch wenn diese so weitgefasst sind wie „Karte erstellen – Raumüberwachung – dabei einer Linie folgen“. Jeder Sensor braucht Platz und verringert die Einsatzdauer. Nicht jeder Sensor ist für jede Arbeit gedacht und zum Schluss spielt das Geld eine Rolle, denn mancher Sensor kostet schon 30 Euro.

Sensoren für den Kollisionsschutz

Die wichtigsten Sensoren auf einem Roboter sind die Kollisionssensoren. Diese schützen den Roboter vor Zusammenstößen und Abstürzen in einen Schacht. Dabei kann man diese Gruppe in direkte und indirekte Sensoren unterteilen.

Direkte Sensoren

Sie sollen den Zusammenstoß nicht verhindern, sondern dabei das Signal ausgeben. In letzter Zeit werden diese Sensoren noch gepolstert, damit beim Zusammenstoß keine zu großen Kräfte auftreten. Am einfachsten geht dies mit einem Taster, der am Chassis befestigt ist. Da dies sehr kurze Reaktionszeiten mit sich bringt, haben einige Roboter Fühler, um diese Zeit zu verlängern. Eine weitere Methode ist es, eine Stoßstange zu entwickeln, die dann an den Tastern (direkt oder indirekt) befestigt sind. Dabei kann diese Stoßstange auch gepolstert sein. Eine nun neuere Methode ist es, Luftschläuche zu verwenden. Die dämpfen den Stoß ab und sind dabei an einem Drucksensor angeschlossen, der das Zusammenquetschen erkennt und ein Signal ausgibt.

Indirekte Sensoren

Sie sollen helfen, den Zusammenstoß zu vermeiden, um am besten noch Zeit zu geben, einen optimalen Weg am Hindernis herum zu finden. Diese haben ein größeres Problem, da sie meist keine 360-Grad-„Rundumsicht“ garantieren können. Das bedeutet, dass die meisten Roboter diesen Typ der Sensoren in Fahrtrichtung eingebaut haben, um diese Aufgabe zu erfüllen. Was auch effizient ist, denn solche Sensoren sind sehr teuer und müssen ständig vom Programm überwacht werden.

Diese Sensoren werden bei neueren Autos auch als Parkhilfe angeboten.

Probleme

Das Problem der Sensoren ist ihre räumliche Begrenztheit. Denn schon 5 Meter sind sehr lang. Aber auf der anderen Seite wollen die meisten eh keine 5 Meter „vorausschauen“. Es gibt mehrere Typen. Am bekanntesten sind die IR Sensoren. Diese sind gut für lange Distanzen aber haben das Problem, dass sie gebündelt sind und somit Zwischenräume schwer abdecken können. Besser sind dort Ultraschallsensoren, die aber teurer sind. Etwas in der Nische ist das Radar – System; es ist ein sehr aufwendiges und teueres System ist und die Auswertung der Daten ist komplex. Es bietet aber den besten Schutz gegen Zusammenstöße, da dieses System nicht auf einen Punkt gerichtet ist sondern die ganze Fläche abspannt.

Probleme beider Systeme: Ist die Höhe. Leider ist unser Roboter dreidimensional und bewegt sich zweidimensional. Das heißt, es spannen sich mehrere Ebenen auf die überwacht werden wollen. Denn wenn dies nicht geschieht, stößt der Roboter gegen eine Tischplatte, weil er diese nicht erkannt hat oder gegen ein Hindernis das unter den Sensoren hindurch rutscht. Deswegen bemüht man sich, den Roboter so flach wie möglich zu halten und das Fahrgestell so zu bauen, dass man flache Hindernisse überfahren kann. Es hilft also, darüber sich vorher Gedanken zu machen. Je nachdem wo der Roboter zum Einsatz kommt tun sich manchmal Abgründe auf (z.B. Tischplatte). Diese müssen erkannt werden. Deswegen ist es erforderlich, Abstandssensoren noch unten zu richten um einen Absturz zu vermeiden. Dabei sollte man indirekte Sensoren einsetzten, denn was nützt es wenn der Taster erkannt hat das nun ein Loch da ist aber der Roboter bis er reagiert schon auf dem Boden aufschlägt?

Navigation

Nun gibt es hier viele Arten wie die Navigation erfolgen kann. Ich tue 2 Felder auf. Wenn unser Freund neue Welten erkunden soll oder in einen Spiel gegen eine Mannschaft antritt, dann braucht er andere Sensoren, als wenn er routiniert Wege abfahren soll. Obwohl sich die Felder überschneiden.

Alle Navigationssysteme bauen auf 2 Quellen der Navigation auf: inkrementale Weggeber und Absolutwertgeber.

Dies ist das größte Problem, wenn ihr einen Bot bauen wollt. Denn ihr habt das Problem nicht, was euer Bot hat. Euch ist das zu abstrakt, aber wenn ihr das nicht begreift, wird er nie dort hinkommen, wo er hin soll. Ihr habt Augen, die euch ohne zu denken den Absolutwert geben, wie weit der Abstand des Cursors eurer Maus zum Startbutton jetzt ist. Die Maus hat einen Weggeber intern doch ihr Kontrolliert ständig, ob die Werte korrekt sind und korrigiert diese falls nötig! Das kann euer Roboter nicht. Das heisst, wenn eine Achse sich schwerer dreht als die andere wird er ständig in einem Kreis fahren. Ohne das ihr das in den Messwerten sehen könnt.

Weggeber

Die Weggeber existieren meistens in Form der Odometrie. Das heisst, die Drehung der Antriebsachse wird direkt erfasst. Das kann erfolgen mit einem Schrittmotor (wobei dies indirekt ist, da ihr hier die Werte vorgebt) oder mit einer Lochscheibe, die dann die Schritte zählt mittels Lichtschranke. Oder mit Tastern und einem Zahnrad. Nicht zur Odometrie gehörend aber auch Weggeber sind „mitlaufende“ Räder, die zählen (z.B eine Kugelmaus) oder aber eine optische Maus. Oder ein Seil, das ihr von einem Lotpunkt mitzieht.

Diese Weggeber sind ungenau und verfälschen immer das Ergebnis. Wenn ihr den Roboter über längere Strecken fahren lasst, braucht ihr den 2. Typ um ihn neu einzukalibrieren.

Absolutwertgeber:

Diese Methode sagt euch, wo auf einer Ebene ihr euch exakt befindet in X und Y Achse aufgesplittet.

Es gibt mehre Methoden die ich ohne besondere Reihenfolge aufliste:

Peilung

Das IR-Abstandsmessungsprinzip funktioniert so, dass sich ein Turm auf dem Roboter befindet. Diese scannen den Raum ab. Mittels weiterer Sensoren (Kompasssensoren). Nun kann man berechnen, wo im Raum man sich befindet. Nur bedingt einsetzbar, da ja Objekte die Wand verdecken. Das Barkensystem funktioniert nach dem Einpeilungsprinzip. Das heißt, in einen Raum kennen wir mindestens 2 Punkte (Baken) die dann mit dem Roboter ein Dreick/Ebene aufspannen. Mittels Berechnungen kann dann der unbekannte Roboter -Punkt exakt bestimmen. Es gibt verschiede Methoden doch hier die Wichtigsten:

• Aktive Bake, heisst die Baken senden ein Signal aus das dann vom Roboter empfangen wird ( z.B. IR). Das ist die einfachste Methode wenn auch nicht die eleganteste. Denn dadurch muss sich die Technik über den Roboter hinaus in den Raum ausbreiten und das wiederum kollidiert mit dem Prinzip von Autonomer Roboter. Die meisten Absolutwertgeber mit Barken gehen diesen Weg.

• Passive Barke, heisst das diese nur ein Signal zu dem Roboter zurücksendet das dieser ausstrahlt. Das Problem ist, dass bei diesem System der Aufwand auf dem Roboter höher ist und das der Baterieverbauch grösser wird. Aber wir haben dann auch einen wirklichen autonomen Roboter.

-Aus dem Alltag- Es gibt Veranstaltungen /Wettkäpfe die nur eine Bake zulassen. Diese soll dabei nicht helfen um herauszufinden wo sich der Roboter um Raum befindet sonder nur, wo er hin soll bzw. wo sein „Feind“ ist.

Das Bodenmarkierungsprinzip

wird meistens eingesetzt, wenn der Roboter sich nur in einem bestimmten Feld oder auf einer bestimmten Bahn aufhalten soll. Dabei werden passive oder aktive Elemente in dem Boden eingelassen, die dann von Onboard Sensoren wahrgenommen werden. Beispiel hierfür sind Rasenmäherbots oder autonome Fahrzeuge in Werkshallen.

GPS

Neben dem Brakensystem existiert noch ein raumunabhängiges System das GPS. Dieses ist aber sehr aufwendig. Denn es bezieht Signale (3 Zeitsignale von Satelliten die dann verglichen werden) und ist meist draussen besser zu empfangen. Auch ließ das US Militär das Signal verschlechtern so das es nur sehr ungenau war. Heutzutage ohne Störsignal schafft man auch nur Genauigkeiten von einigen Metern. Wenn man genauere Werte braucht menötigt man mindestens 2 Empfänger und muss diese miteinander vergleichen. Einer der Empfänger steht dann normalerweise an einem festen Punkt. Das nennt sich Differential GPS (DGPS). Näheres unter dem Artikel GPS.

Weitere Methoden sind nicht zu gebrauchen oder sind nur Abarten der hier erwähnten Methoden.

Umweltsensoren

Sie sind meist erst in der letzten Ausbaustufe beim Roboter interessant und sollen unserem Freund helfen, sich in der Umwelt zurechtzufinden.

Dabei gibt es Interaktionsensoren, wie Drucksensoren oder Mikrofone. Mikrofone lassen dem Roboter erkennen, ob Geräusche vorhanden sind. Richtig: ob, nicht wo. Dazu muss das Mikrofon entweder gerichtet sein und sich in dem im Raum drehen können oder aber in vier Ecken starr auf dem Roboter befinden.

Wenn der Roboter eine Solarzelle hat dann braucht er Lichtsensoren, die ihn zur grössten Lichtquelle bringt.

====Rauchsensoren==== lassen den Roboter zwar erkennen das sich Rauch im Raum befindet. Doch was nützt es wenn dieser Rauch erst in einer Höhe von 40 cm erkannt wird? Um z.B. Räume auf Giftgas zu testen braucht es einen Gasmesser. Beide Sensoren arbeiten unterschiedlich. Während Rauchmelder alle Partikel ohne Ausnahme erkennt haben Gasmesser nur eine begrenzte Sammlung an zu erkennenden Gasen.

====Temperatursensoren==== ermöglichen dem Bot die Temperatur zu messen, um z.B. aus der Sonne zu gehen, oder um einzelne Bauelemente vor Überhitzung zu schützen.

Nachsatz

Es gibt dutzende Sensoren und Sensorenanlangen die unseren Bot helfen sich in der Umwelt zurechtzufinden. Je mehr man hat umso mehr kann man mit diesen spielen, um zb. Gewohnheiten zu programmieren. Aber wenn man seinen Bot auf eine Aufgabe ausrichtet sind diese die das i-Tüpfelchen bringen.

Autor: honkitonk / Wiki Übernahme Picnick

Siehe auch

• Sensorarten