Sensorarten

Welche Sensorarten gibt es

Damit sich ein Roboter in seiner Umgebung bewegen kann, ohne an Hindernisse anzustoßen, und damit er ein Ziel finden und ansteuern kann, muß er irgendwie seine Umwelt "wahrnehmen". Hauptanwendung für diese Informationen aus der Umwelt ist die Navigation

Bumpers

Als Bumpers bezeichnet man eine Art Stoßstange, die einen Mikro-Switch auslöst.

Die Auswertung erfolgt am besten digital an einem Pin mit Pull-up Widerstand. Man kann den Eingang pollen (abfragen), aber auch einen Interrupt auslösen lassen. -->

Whiskers (Fühler)

Das sind flexible Kunststoff-Streifen von ca. 10 cm Länge, eigentlich für Datenhandschuhe vorgesehen. Aber man kann sie auch als Fühler einsetzen, und daher auch für die Kollisions-Sensorik verwenden. Beim Verbiegen steigt der Widerstand an.

Um zu messen, wird mit einem zweiten Widerstand ein Spannungsteiler aufgebaut, der dann mit einem Analog-Eingang einen Grad der Verbiegung erkennen läßt. -->

Incremental-Geber

Dienen zur Erfassung von Drehzahl bzw. der Messung von Wegstrecken

Drehgeber Sharp GP1A30 und GP1A38

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp1a30.jpg

Beim Sharp GP1A30 und GP1A38 handelt es sich um eine Gabellichtschranken mit inkrementaler Drehgeberfunktion. Beide sind im Grunde von den Anschlüssen identisch, lediglich kann GP1A38 noch etwas höhere Drehzahlen messen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gabellichtschranken können mit dieser sowohl Drehzahl als auch Drehrichtung ermittelt werden. Notwendig sind dafür nur 2 digitale Ports. Verzichtet man auf die Auswertung der Drehrichtung, reicht nur ein Port. Der Sensor hat den Vorteil das die Signale bereits TTL kompatibel sind und direkt an ein Controllerboard angeschlossen werden können. Ein Beispielprogramm zu RN-Control findet man hier

• Beispiel Drehzahlmessung mit RN-Control

Die Auswertung inkrementaler Drehgeber ist recht einfach. Ein Ausgang liefert einen Impuls pro Markierung (Scheibe auf der Welle). Prüft man bei jedem Impuls (Flanke) noch gleichzeitig den aktuellen Pegel des zweiten Ausganges, so kann daraus die Drehrichtung abgeleitet werden.

Der Signalverlauf an den Sensorausgängen ist phasenversetzt:

Beispielschaltung wenn man lediglich die Drehzahl ohne Drehrichtung auswerten möchte. Als Widerstand hat sich 330 Ohm als gut erwiesen.

Optische Sensoren

Helligkeit

Die Hauptanwendung solcher Sensoren ist, den hellsten Fleck im Raum zu finden. Dies ist auch Teil vieler Roboterwettbewerbe. (Robo Callenge (2002 sic!), 'Ein Platz an der Sonne')

Solche Sensoren können einfache LDRs oder Photodioden bzw. Phototransistoren sein. LDRs haben den Vorteil, dass sie relativ hoch aussteuern, der große Nachteil ist aber, dass diese Sensoren ziemlich Wärmeempfindlich und etwas träge. Photodioden und Phototransistoren haben den Vorteil, dass sie sehr genau sind, aber nicht besonders hoch aussteuern. Diese sollte man evtl. über einen OpAmp verstärken.

Ein typischer Fotowiderstand

SFH300, ein typischer Phototransistor

Die Suche nach dem Hellsten Fleck im Rraum ist wie ich finde ein gutes Einsteigerthema!

Distanzsensor IS471F

IS471F - Hindernisserkennung mit Infrarot Distanzsensor

Das hier vorgestellte IC IS471F erlaubt eine einfach und sogar recht preisgünstige Hinternisserkennung per Infarot. Dazu muß im wesentlichen nur noch eine Infrarot-Diode an das IC angeschlossen werden. Das modulierte Licht wird von einem Gegenstand direkt auf das IC zurückgeworfen und somit das Hinterniss erkannt. Tageslicht/Fremdlicht stört den IS471 überhaupt nicht, da das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird.

Der normale Schaltungsaufbau sieht also wie oben abgebildet aus! In der Praxis kann das dann in etwa so aussehen:

Das englische Datenblatt findet man im Roboternetz-Download-Bereich

Die normale Reichweite ist in gewissen Grenzen abhängig von der Farbe des Hinternisses. In der Regel reicht es jedoch durchaus einige cm so das langsame Roboter durchaus sehr gut damit zurecht kommen. Durch besonders helle Infrarot LED´s und durch zusätzlich LED-Fassungen kann man die Reichweite erhöhen. Wem das noch nicht reicht, der kann über einen zusätzlichen Transistor die Strahlungsleistung der LED noch weiter erhöhen.

http://www.roboternetz.de/bilder/mehrereis471.gif

Sharp Infrarotsensoren

Sharp hat eine ganz interessante Serie von Bausteinen herausgebracht mit denen ein Roboter sogar recht genau Entfernungen messen kann. Das Messergebnis ist nahezu unabhängig von der Farbe und Helligkeit des gemessenen Objektes. Die Ansteuerung ist sehr einfach, der Sensorausgang kann zum Beispiel direkt an einen analogen Eingang eines Mikrocontrollers angeschlossen werden. Die Sensoren sind unter den Roboter-Bastlern weit verbreitet. Bei vielen Händlern erhältlich kosten die Sensoren derzeit je nach Typ und Händlerspanne zwischen 13 bis 25 Euro.

Oft werden selbst in kleinen Roboter-Projekten mehrere dieser Sensoren genutzt da sie nur einen äußerst engen Erfassungsbereich haben. Sie eignen sich daher sehr gut zur Vermessung einer Umgebung, insbesondere dann wenn Sie drehbar auf einem Servo montiert werden. Als Kollisionsschutz sind sie wegen dem engen Winkel nur bedingt geeignet, zu diesem Zweck eignen sich zum Beispiel Ultraschallsensoren besser. Das Funktionsprinzip der Sensoren ist einfach. Der Sensor besteht aus Sender und Empfänger. Der Sender sendet einen Infrarot-Strahl aus, der vom Hindernis reflektiert wird. Je nach Entfernung trifft der reflektierte Strahl an einer unterschiedlichen Stelle auf den Empfänger (ein sog. Position Sensitive Device, PSD). Der Empfänger setzt den Auftreffpunkt in einen analogen Spannungswert um. Eine schöne Skizze dazu:

Einige der beliebtesten Bausteine sind:

Sharp GP2D12

Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt Dies ist der am häufigsten eingesetzte Sharp Typ bei mobilen Robotern.

Sharp GP2YA21YK

Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

Sharp GP2D120

Distanz 4 - 30 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

Sharp GP2Y0A02YK

Distanz 20 - 150 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/images/artikelbilder/sensoren/gp2y0a02yk_diagramm.gif

Sharp GP2D02

Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch 8 Bit Digitalausgang übermittelt

Sharp GP2D150

Distanz 3-30 cm - 1 Bit Schaltausgang

Datenblätter zu den oberen Sensoren findet man im Download-Bereich des Roboternetz, siehe unter #Weblinks.

Um die analogen Spannung der Sensoren in eine Entfernung umzurechnen, kann man sich mit Hilfe des Datenblattes oder einfacher Probemessungen Tabellen erstellen, welche dann vom Controller zur Umsetzung genutzt werden. Bequemer ist allerdings eine Näherungsformel:

Formel zur Entfernungsberechnung

D = A/(X-B) 

D ist die Entfernung 
X ist der Ausgabewert des Sensors 
A ist die Steigung der Kurve A/X 
B ist der Offset der Kurve 

Die Konstanten A und B ermittelt man am besten über zwei Probemessungen:

D und X sind die Entfernung und der Ausgabewert der ersten Messung (z.B. bei 20 cm) D' und X' sind die Entfernung und der Ausgabewert der zweiten Messung (z.B. bei 60 cm)

A = ((X' - X) * D' * D) /(D - D' ) 
B = (D' * X' - D * X) /(D' - D) 

GP2D12 Messkurve

GPD120 Messkurve

Ultraschall Sensoren

Ultraschallsensoren SRF04

Die Firma Devantech hat eine Serie von sehr günstigen und kleinen Ultraschallsensoren entwickelt, die sich im Bereich "autonome Robotersysteme" durchgesetzt haben. Sie sind sehr verbreitet, da sie auch für "Hobby-Robotiker" erschwinglich sind und es sich nicht lohnen würde vergleichbare Module selber zu bauen, da diese meistens ungenauer und teurer wären.

Bekannt wurde die Serie durch den SRF04. Mit seinen kleinen Abmessungen, der niedrigen Stromaufnahme und der hohen Genauigkeit ist er für kleine Messaufgaben im Entfernungsbereich von 3cm bis 3m gut geeignet. Der SRF04 kann einen 3cm dicken Besenstiel in 2m Entfernung erkennen und wird durch ein PWM-Signal ausgewertet.

Ultraschallsensor SRF05

Der Nachfolger des SRF04 ist der neuer SRF05. Er besitzt noch eine etwas höhere Reichweite bis 4 Meter. Zudem besitzt er neben dem kompatibel Mode zu SRF04 noch eine Betriebsart bei der er über einen einzigen Port (Pin) gesteuert wird. Das heißt sowohl der Start der Messung und das Ergebnis wird über die gleiche Leitung übertragen. Programmbeispiel in Bascom

SRF08

Die Alternative zu SRF04 und SRF05 ist der beliebte SRF08 und dessen Nachfolger SRF10, der nun über den I2C-Bus ausgewertet werden kann und über eine Reichweite von 3cm bis 6m verfügt. Er hat eine noch kleinere Stromaufnahme und zusätzlich befindet sich auf der Platinenfront ein Fotowiderstand(LDR) dessen Lichtmesswerte sich ebenfalls über den I2C-Bus auswerten lassen. Durch den SRF08 wird es möglich auch bis zu 16 Mehrfachechos, von weiter hinten gelegenen Gegenständen, auszuwerten, die bei dem SRF04 ignoriert wurden. Über den I2C-Bus kann man die Messwerte in cm, zoll und in der Laufzeit µs auslesen und spart sich somit die externe Auswertung der Laufzeit, wie bei dem SRF04. Weiterhin können insgesamt 16 SRF08-Module an einen I2C-Bus angeschlossen werden.

SRF08 Programmbeispiel

SFR08 Programm Beispiel mit Bascom Über die grundsätzliche Behandlung des I2C-Bus mit Bascom kann man hier nachlesen.

Const Sf08_adr_0 = &HE0             ' I2C Adresse
Const Sf08_c_range = 100            ' Reichweite
Const Sf08_c_gain = 1               ' Empfindlichkeit

Die Adresse ist der Default-Wert für den Sensor, und kann eingestellt werden. Range und Gain sind anzupassen, die angegeben Werte sind aber mal grundsätzlich verwendbar.

Setup Nach dem Reset sind einmal Range und Gain zu setzen.

Setzen Range

     I2cstart
     I2cwbyte Sf08_adr_0   ' Device I2C Adresse
     I2cwbyte 2            ' register "range"
     I2cwbyte Sf08_c_range  
     I2cstop

Setzen Gain

     I2cstart
     I2cwbyte Sf08_adr_0   ' Device I2C Adresse
     I2cwbyte 1            ' register "gain"
     I2cwbyte Sf08_c_gain    
     I2cstop

Abfrage Trigger

Die Abfrage soll laut Beschreibung in zwei Schritten erfolgen, zwischen denen ca 70 mS gewartet werden soll. Diese Zeit braucht das Gerät zum Messen.

Trigger

     I2cstart
     I2cwbyte Sf08_adr_0   ' Device I2C Adresse
     I2cwbyte 0            ' register "Trigger"
     I2cwbyte 81           ' Meßwert in Zentimetern

     Waitms 70 

Ergebnis abholen

 DIM Lsb as Byte
 DIM Msb as Byte
 DIM IVal as word

      I2cstart              ' Repeated Start
      I2cwbyte Sf08_adr_0   ' Device I2C Adresse
      I2cwbyte 2            ' Meßwert US

      I2cstart                 ' repeated Start
      I2cwbyte Sf08_adr_0 + 1  ' Device I2C Adresse READ!
      I2crbyte Msb , Ack      ' Bit 8-15
      I2crbyte Lsb , Nack     ' Bit 0-7
      I2cstop

      Ival = Makeint(lsb , Msb) ' umwandeln in Word (16 Bit)

SRF10 Ultraschallsensor

SRF10 ist quasi der Nachfolger von SRF08. Er bietet die gleiche Leistung und ist sogar gegenüber Spannungschankungen noch etwas unempfindlicher als der Vorgänger. Der größte Vorteil besteht jedoch darin das er ca. 1/3 kleiner als sein Vorgänger ist.

Die technischen Daten sind ähnlich:

• Betriebsspannung: 5V
• Stromaufnahme: ca. 3mA Standby, ca. 15mA während des Messens Frequenz: 40KHz
• Maximale Reichweite: 6 m
• Minimale Reichweite: 4 cm
• Messwerterfassung: intern, kein externer Controller zur Zeitmessung notwendig
• Interface: Standard – I2C (passend zu zahlreichen Controllerboards, z.B. RN-Control)
• Ausgabeformat: µs, cm oder Zoll
• Feature: Analogverstärkung 40 - 700 (einstellbar, 16 Stufen)
• Abmessungen: 32mm x 15mm x 10mm
• Hersteller: Devantech Ltd

• Programmbeispiel in Bascom

Kompaß

Kompaß-Modul CMPS03

Laut der Doku ist diese Modul speziell für die Bedürnisse von Robotern gestaltet worden. Es mißt seine Lage relativ zum Erdmagnetfeld und liefert diesen Wert

• Als PWM-Signal
• Über I2C entweder 0-255 als Byte oder
• 0-3599 als 16-Bit Wert (MSB first)

In der vorliegenden Doku ist eine fixe I2C-Adresse von 0xC0 angegeben. Was leider noch fehlt, sind Angaben, ob und wie diese Adresse geändert werden kann.

Bei waagrechter Montage ist das also ein Kompaß, bei senkrechter Montage dieser Module kann man auch die Neigung in Nord-Süd-Richtung messen. Hierzu sind 2 Module nötig, die zueinander um 90° gedreht angeordnet sein müssen. Die Neigung in Ost-West-Richtung zu messen, ist dagegen leider nicht möglich.

Das Ganze ist eine Anwendung des Philips-KMZ51 Magnet-Feld-Sensors mittels eines PIC16F872

Gelegentlich sollte das Modul kalibriert werden. Das kann über den I2C-Bus, aber auch mittels einen Pins am Modul initiiert werden. Dann muß das Module langsam um 360 Grad gedreht werden. Dabei nimmt das Modul 4 Meßpunkte auf und speichert sie im EEPROM.

Ein Beispielprogramm findet man hier:

• Bascom und Kompass CMPS03

Beschleunigung

Auch Gyroskop-Sensoren genannt. Es gibt grundsätzlich zwei Arten: Normale Beschleunigungssensoren, die aber wiederum n-dimensional ausgelegt sein können und Drehbeschleugnigungssensoren, die über eine bestimmte Drehrichtung die Winkelbeschleunigung messen. Dabei wird eine Referenzspannung über einen bestimmten Wert verändert, soweit der Sensor eine Veränderung der Lage erkennt. Typische Anwendungen sind im Modellbau Gyro-"Taillocks", die in Hubschraubern die Heckstabilität verbessern, ESP-Systeme in Autos, die über den Lenkeinschlag und die Geschwindigkeit ausrechnen können, ob das Fahrzeug seitlich driftet, oder sogar schleudert. Moderne Piezo-Sensoren sind nur noch Chip-gross und können direkt in Schaltungen integriert werden. Es wird meist dabei über die Corioliskraft die Veränderung gemessen und als Sensoroutput gemeldet. Die Schwerkraft hat dabei nur untergeordnete Rolle, meist sogar eine störende - der Heli soll im Modellbau ja auch auf dem Kopf stabil fliegen.

Temperatur

Temperatur-Sensor LM75

Dieser Chip von National Semiconductors kann die Umgebungstemperatur mit einer Genauigkeit von 0.5^o Grad Celsius messen. Das angegebene Bereich ist -25^o bis 100^o C. Es wird zweierlei geboten:

• Ein Schaltausgang - Wenn man also z.B. einen Ventilator einschalten möchte
• I2C - Der obere Teil der Adresse ist fix 0x9n, die Bits 1-3 kann man mit Jumper einstellbar machen oder fest verdrahten.

Durch einen einfachen I2C-Lesebefehl kann man die Temperatur einlesen (16-Bit), das Format ist allerdings etwas tricky. Das erste Byte (8-Bit) ist die Temperatur in ganzen Grad, als normales signed char, vom zweiten Byte gibt das MSB an, ob noch 0.5^o dazuzuzählen sind (also auch, wenn vorne eine negative Zahl steht)

Der Grund ist der: die vorzeichenbehaftete 9-Bit Zahl, die da linksbündig in zwei Datenbytes übertragen wird, gibt eigentlich an, wieviel 0.5 Grad - Einheiten gemessen wurden. Rein rechnerisch wäre also Temperatur = Wert * 0.5, das müßte man aber als float durchführen oder erweitern

Programm-Beispiel für LM75

Der LM75 wird über den I2C-Bus angesprochen In BasCom, wo es ja keine signed char gibt, wird das Interpretieren auf sehr unterschiedliche Art empfohlen.

Ich empfehle:

dim Ival as integer
dim Msb as byte
dim Lsb as byte
        I2cstart
        I2cwbyte &H91   ' Lese-adresse !  
        If Err = 1 Then
           I2cstop       ' kein ACK vom LM75 --> irgendein Fehler
           Ival = 9999   ' Zeichen, daß der Wert ungültig ist !
        Else
           I2crbyte Msb , Ack
           I2crbyte Lsb , Nack
           I2cstop
           If Msb.7 = 1 Then
              Ival = Makeint(msb , &HFF)   ' auffüllen mit den Vorzeichen bits
           Else
              Ival = Makeint(msb , &H00)   ' positiv, also bleibt es so
           End If
           Ival = Ival * 10                ' erweitern 
           If Lsb.7 = 1 Then
             Ival = Ival + 5               ' fünf Zehntel Grad dazu 
           End If
        End if

das ergibt die Temperatur in Zehntel-Grad (Natürlich nur, wenn's keine Fehler gab).

Resistive Sensoren

...

Kapazitive Sensoren

Ein Beispiel für kapazitive Sensoren sind Luftfeuchtigkeitsmesser, die ihre Kapazität entsprechend der Luftfeuchtigkeit ändern. Das Auslesen der Kapazität kann prinzipiell über das Ausmessen von Ladekurven geschehen. Dies ist jedoch bei kleinen Kapazitäten nicht praktisch durchführbar, weshalb man in diesem Falle meist einen Schwingkreis baut, dessen Frequenz man dann misst und so dann zusammen mit der bekannten Induktivität der Spule die Kapazität des Kondensators ausrechnen kann.

Induktive Sensoren

Induktiver Näherungsschalter

Sensoren die ihre Induktivität entsprechend der Messgröße ändern können auch mit Hilfe eines Schwingkreises mit bekannter Kapazität ausgemessen werden.

...

Piezoelektrische Sensoren

Hier ist ein Experiment dargestellt das die Funktion von Piezowandlern demonstriert.

Drückt man auf eine längliche Glasplatte (Mikroskopträger Länge 76mm), die an den Enden auf je einem Piezo Wandler gelagert ist, dann ergeben sich Signale, die von den Kräften auf die Wandler abhängig sind.

Die Summe der beiden Kräfte entspricht der Gesamtkraft. Das Verhältnis der beiden Kräfte entspricht dem Verhältnis der Abstände des Druckpunktes zum Wandler.

http://www.roboternetz.de/wissen/images/6/66/Piezowandler.jpg

Im Versuch wurde mit der Frequenz von ca. 4Hz (0,5s/div) von einem Ende bis zum anderen auf die Platte gedrückt. (Tonleiter). Die Signale der beiden Wandler sind im Oszillogramm aufgetragen und die Folge der Druck-Positionen ist auf den ersten Blick schon mal nachvollziehbar.

PIR Passiv Infrarot Sensoren

Hier handelt es sich um Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder. Bewegungsmelder regieren beim Eintritt einer Person (Tier) in das Erfassungsfeld des Sensors. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt, man kennt die Technik ja von vielen Terrassenlampen, welche sich beim vorbeigehen automatisch einschalten. Reagiert wird also auf Die Körperwärme einer sich im Erfassungsfeld bewegenden Person.

Zum Prinzip: Wärmestrahlen, die einen Erfassungsvorgang auslösen, liegen im Infrarot-Bereich des Wellenspektrums. In diesem Bereich gibt der menschliche Körper seine Wärmestrahlung ab. Leuchtmittel wie Glüh- , Halogen- und Entladungslampen, die für eine Strahlung im sichtbaren Bereich um 0,555 μm entwickelt wurden, geben jedoch auch einen erheblichen Teil an Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich ab. Im Spektrum oberhalb des sichtbaren Licht, ab 0,780 μm, beginnt der Infrarot-Bereich. Die Wellenlänge dieser IR-Strahlung ist abhängig von der Temperatur eines Körpers. Die Wärmestrahlung des Menschen hat ihr Maximum zwischen 9 und 10 μm im Infrarot-Bereich. Diese Tatsache nutzt der PIR Sensor mittels sogenannter pyroelektrischer IRDetektoren, welche eine hohe Empfindlichkeit im langwelligen Infrarot-Bereich aufweisen. Die Infrarot- Strahlung verhält sich ähnlich wie sichtbares Licht. Sie kann reflektiert und durch Linsen gebündelt werden. Basis eines solchen IR-Detektors (Sensors) sind Lithium-Tantalatkristalle. Diese Kristalle erzeugen, bei Wärmeänderung (positive oder negative Temperaturänderung), eine elektrische Spannung. Die von den Kristallen abgegebene Spannung liegt im Bereich von einigen μV (μV = millionstel Volt) und ist von folgenden Bedingungen abhängig:

• Der Intensität der Wärmequelle (Temperatur und Größe)
• Dem Umgebungsmedium (Temperatur, unterschiedliche Luftfeuchtigkeit)
• Der Entfernung zwischen Wärmequelle und IR-Sensor
• Der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Wärmequelle
• Der Empfindlichkeit des PIR-Elementes (frequenzabhängiges Bandpaßverhalten mit Maximum bei ca. 0,1 Hz)

Zur Unterdrückung von Einflüssen aus der Umgebung (übliche wetterbedingte Temperaturänderungen), sind in jedem Sensor 2 Kristalle antiparallel geschaltet. Einer der Kristalle gibt, bei Auftreffen von Wärmestrahlung einen positiven, der andere einen negativen Spannungsimpuls ab. Wärmeänderungen die gleichzeitig und mit gleicher Intensität auf beide Kristalle einwirken lösen so keinen Erfassungsvorgang aus, denn die beiden Impulse heben sich gegenseitig auf. Dadurch ist ein Auslösen bei Wärmeänderungen der Umgebung weitgehend ausgeschlossen. Anders verhält es sich bei schnellen Bewegungen. Die Lithiumtantalat-Kristalle geben, entsprechend der Bewegung und der dadurch hervorgerufenen Wärmeänderung im Erfassungsfeld, ihre Impulse zeitversetzt ab. Die beiden Impulse addieren sich zu einer Wechselgröße mit höherer Signalamplitude. Dieses elektrische Ausgangssignalist proportional der Wärmeänderung und führt zur Meldung einer Bewegung.

Autoren

• PicNick
• Frank
• Dennis.strehl
• Florian
• Topic
• Manf

Siehe auch

• Navigation
• Sensoren
• Graycode
• Ultraschall SRF10 an RN-Control
• Ultraschall SRF05 an RN-MiniControl
• Bascom und Kompass CMPS03

Weblinks

• Piezoelektrische Sensoren
• Datenblätter im Download-Bereich des Roboternetz