Begrenzungsschleife - Induktionsschleife: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 1. Oktober 2007, 22:00 Uhr

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

Funktionsprinzip:

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

Senderschaltung:

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 ist nicht unbedingt erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.

Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

Empfangsschaltung:

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:

1. Variante: Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer und den Wert von R3 kann die Empfindlichkeit und Hysterese eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

2. Variante: Diese ist am einfachsten, da keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen sind. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30). Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal 
S0 Alias Getadc(0) 
S1 Alias Getadc(1) 

Do 
 Dein Programm 
. 
 Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 	      'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls) 
Max0 = A0 + 30	              'oberer Grenzwert Sensor1  (Einstellung
Max1 = A1 + 30 	      'oberer Grenzwert Sensor2   der Empfind-
Min0 = A0 - 30               'unterer Grenzwert Sensor1  lichkeit der 
Min1 = A1 - 30		      'unterer Grenzwert Sensor2  Sensoren) 
For I = 1 To 2000 
 Svr = S0 			     '1. Sensor wird gemessen 
 If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then   'Impuls ausserhalb Grenzwerte
   Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For   'Sensorwerte bei Impuls 
 End If 
 Svl = S1			     'gleiches für 2. Sensor 
 If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then 
   Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 
 End If 
Next 

For Impulsbreite = 1 To 15                 'optional, misst
  If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For  'Impulsbreite, also
  If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For  'bis entgegengesetzter
Next                                       'Spike auftritt 

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1	 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte 
				 'z.B. positiv innen, negativ aussen 

if i >= 2000 then Notaus 	'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt) 
End sub

3. Variante: Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Komparator geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

Tips zum Ausprobieren der Schaltung:

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Funkmodule stören ebenfalls (auch wenn in einem Programm der print-Befehl bereits abgearbeitet wurde, da die zu sendende Daten in der Regel zwischengespeichert werden). Unmittelbar benachbarte Sharp-Sensoren können stören.

FAQ: Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab: H = I / 2 / R. H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab: H = I / 2pi / a. Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen. Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter [1] diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.