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Infrarot-Entfernungsmesser

Notwendiges Wissen: [HW] Sensors Module, [HW] lcd, [AVR] Analog-to-digital Converter, [LIB] Analog to Digital Converter, [LIB] Alphanumeric LCD, [LIB] Sensors

Theorie

Sharp GP2Y0A21YK

Um die Distanz zu einem Objekt zu messen, gibt es optische Sensoren, welche die Triangulation als Messmethode nutzen. Die am häufigsten verwendeten Infrarot-Entfernungsmesser werden von der Firma “Sharp” produziert und verfügen über einen analogen Spannungs-Output. Diese Sensoren besitzen eine Infrarot-LED mit einer Linse, welchen einen schmalen Lichtstrahl aussendet. Dieser wird von dem Objekt, zu welchem die Distanz gemessen werden soll, reflektiert und dann durch die zweite Linse zu einem optischen Positionssensor (OPS) gelenkt. Die Leitfähigkeit dieses OPS ist abhängig davon, an welcher Stelle der Lichtstrahl einfällt. Sie wird in Spannung umgewandelt, die Spannung wird mittels eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert und daraufhin kann die Entfernung berechnet werden. Die Zeichnung auf der rechten Seite zeigt die Wege von Strahlen, die aus unterschiedlichen Entfernungen reflektiert werden.

Wege der Lichtstrahlen eines Infrarot-Entfernungsmessers
Das Verhältnis von Spannung und Entfernung eines Infrarot-Entfernungsmessers

Der Output der Infrarot-Entfernungsmesser von “Sharp” ist anti-proportional. Das meint, mit größer werdender Entfernung verringert sich der Output (die Abnahme des Outputs, also der Spannung, wird jedoch nach und nach schwächer). Der Graph mit dem exakten Verhältnis zwischen Entfernung und Spannung ist gewöhnlich im Datenblatt des Sensors abgebildet. Jeder Sensor-Typ hat seinen spezifischen Messbereich, innerhalb welchem die gemessenen Ergebnisse verlässlich sind. Die maximale Messdistanz wird von zwei Aspekten beschränkt: Zum Einen von der Abnahme der Menge des reflektierten Lichts, zum Anderen vom Unvermögen des OPS, kleine Positonsänderungen des reflektierten Strahls zu registrieren. Misst man die Entfernung zu Objekten, welche zu weit entfernt sind, entspricht der Output nahezu dem, bei der Messung zur maximalen Distanz. Die minimale Entfernung wird durch die Besonderheit der Sharp Sensoren eingeschränkt. So fällt der Output steil ab, sobald die Entfernung einen bestimmten Punkt unterschreitet (je nach Baureihe liegt dieser bei 4 bis 20 cm) Das hat zur Folge, dass zu einem Outputwert zwei korrespondierende Entfernungswerte existieren. Dieses Problem kann vermieden werden, indem beachtet wird, dass die Distanz zwischen Objekt und Sensor nicht zu gering ist.

Übung

Das HomeLab Sensor-Kit enthält den Infrarot-Entfernungsmesser SHARP GP2Y0A21YK. Der Messbereich dieses Sensors liegt zwischen 10 cm und 80 cm. Seine Output-Spannung hängt von der Entfernung ab und erreicht bis zu 3 V. Der Entfernungssensor ist am Sensormodul angeschlossen. Die Output-Spannung wird über Kanal 0 zum ADC des AVR gesendet. Aufbauend auf den vorangehenden Übungen zu Sensoren, ist es einfach ein Programm zu schreiben, welches die Output-Spannung des Entfernungsmessers misst. Zusätzlich dazu behandelt diese Aufgabe die Umwandlung der Spannung in eine Entfernung.

Das Datenblatt des GP2Y0A21YK beinhaltet einen Graphen welcher die Relation von Output-Spannung und gemessener Entfernung darstellt. Dieser Graph verläuft nicht linear. Der Graph der inversen Werte ist jedoch annähernd linear, wodurch relativ einfach die Formel zur Umwandlung von Spannung in Entfernung gefunden werden kann. Hierzu werden Punkte des Graphens in ein Tabellenkalkulationsprogramm eingefügt und so ein neuer Graph generiert. Die meisten Programme berechnen automatisch eine Trendlinie. Nachfolgend ist der Graph des GP2Y0A21YK mit der Relation der korrigierten inversen Werte der Outputspannung zu den korrigierten inversen Werten der gemessenen Distanz, inklusive einer Trendlinie abgebildet. Zur Vereinfachung wurde die Output-Spannung schon in 10-Bit +5 V Werte des ADC mit Vergleichspannung konvertiert.

Graph zur linearen Darstellung von ADC Wert und Entfernung

Wie der Graph zeigt, überschneiden sich die blaue Trendlinie und die Punkte des Graphen fast genau. Dieses wird durch die Nutzung einer Korrektur-Konstante erreicht. Diese Konstante wird mit der “trail-and-error”-Methode gefunden - es werden dabei viele Variablen getestet, bis diejenige gefunden ist, die den Graph mit der Trendlinie überlappen lässt. Im abgebildeten Graph ist die Korrektur-Konstantet +2; das bedeutet, zu allen realen Entfernungen muss +2 hinzuaddiert werden. Daruch verläuft der Graph nahezu gleich der Trendline und es kann für die Relation zwischen Entfernung und Spannung verallgemeinert folgende Formel angenommen werden:

1 / (d + k) = a * ADC + b

wobei

Die Entfernung d kann durch folgende Formel dargestellt werden:

d = (1 / (a * ADC + B)) - k

Nun ist es generell möglich die Entfernung mit der Formel zu berechnen. Da jedoch Brüche dividiert werden, sind zudem Gleitkomma-Berechnungen nötig. Weiterhin muss die Formel vereinfacht und auf größere Quotienten ausgeweitet werden, da Microcontroller mit Ganzzahlen arbeiten. Durch die Division des Quotienten mit einem linearen Element erhält man folgende Formel:

d = (1 / a) / (ADC + B / a) - k

Durch Aufnahme der Korrekturkonstante sowie des linearen und freien Elements der Trendlinien-Gleichung, ergibt sich folgende Formel zur Berechnung der Entfernung:

d = 5461 / (ADC - 17) - 2

Diese Formel kann mit 16-Bit Zahlen berechnet werden und ist daher vollständig für den AVR geeignet. Vor der Berechnung muss sicher gestellt sein, dass der Wert des ADC größer als 17 ist, ansonsten kann der Fall eintreten, dass durch 0 geteilt werden muss oder eine negative Distanz ausgegeben wird.

Nachfolgend ist die Funktion dargestellt, die dazu dient, ADC-Werte in Centimeter zu konvertieren. Sie ist in der HomeLab Library enthalten. Lineare und freie Elemente sowie die Korrektur-Konstante, sind nicht fest in die Funktion integriert, sondern werden mittels der Objektparameter des Infrarot-Entfernungsmessers eingespeist. Dadurch, dass diese Parameter als separate Konstanten verwendet werden, ist es sehr einfach, neue Infrarot-Entfernungsmesser in das Programm zu integrieren. 

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// Die Struktur der Parameter des Infrarot-Entfernungsmessers
//
typedef const struct
{
	const signed short a;
	const signed short b;
	const signed short k;
}
ir_distance_sensor;
 
//
// Die Parametereigenschaften des GP2Y0A21YK Sensors
// 
const ir_distance_sensor GP2Y0A21YK = { 5461, -17, 2 };
 
//
// Konvertieren der Werte des Infrarot-Entfernungsmessers in Centimeter 
// Gibt -1 aus, wenn die Konvertierung nicht erfolgreich war
//
signed short ir_distance_calculate_cm(ir_distance_sensor sensor,
	unsigned short adc_value)
{
	if (adc_value + sensor.b <= 0)
	{
		return -1;
	}
 
	return sensor.a / (adc_value + sensor.b) - sensor.k;
}

Zur Durchführung der Konvertierung muss die Funktion ir_distance_calculate_cm genutzt werden. Der erste Funktionsparameter gibt die Eigenschaften der Parameter des Infrarot-Entfernungsmessers an, der zweite den ADC-Wert. Die Funktion gibt dann die berechnete Entfernung in Centimetern aus. Schlägt die Konvertierung fehl (unzulässige ADC-Werte), wird der Wert -1 ausgegeben. Das folgende Programm veranschaulicht die Verwendung des Infrarot-Entfernungsmessers und der Konvertierungsfunktion. Es wird das alphanumerische LCD genutzt, auf welchem die gemessenen Werte dargestellt werden. Falls die Distanz unzulässig ist, wird ein “?” angezeigt. 

//
// Beispielprogramm des Infrarot-Entfernungsmessers des HomeLab
// Die in Centimetern gemessenen Ergebnisse werden auf dem LCD abgebildet
//
#include <stdio.h>
#include <homelab/adc.h>
#include <homelab/delay.h>
#include <homelab/module/sensors.h>
#include <homelab/module/lcd_alpha.h>
 
//
// Hauptprogramm
//
int main(void)
{	
	unsigned short value;
	signed short distance;	
	char text[16];
 
	// External sensor selection
	pin ex_sensors = PIN(G, 0);
	pin_setup_output(ex_sensors);
	pin_set(ex_sensors);
 
	// Initialisierung des LCD
	lcd_alpha_init(LCD_ALPHA_DISP_ON);
 
	// Löschen des LCD
	lcd_alpha_clear();
 
	// Name des Programms
	lcd_alpha_write_string("Distance sensor");
 
	// Installation des ADC
	adc_init(ADC_REF_AVCC, ADC_PRESCALE_8);
 
	// Endlosschleife
	while (true)
	{
		// Auslesen des viermal gerundeten Wertes der Outputspannung des Sensors
		value = adc_get_average_value(0, 4);		
 
		// Konvertieren des ADC-Wertes in Entfernung
		distance = ir_distance_calculate_cm(GP2Y0A21YK, value);
 
		// War die Berechnung erfolgreich?
		if (distance >= 0)
		{			
			// Konvertieren von Entfernung in Text
			sprintf(text, "%d cm   ", distance);
		}
		else
		{		
			// Text für eine unbekannte Entfernung erzeugen
			sprintf(text, "? cm   ");
		}
 
		// Anzeige des Textes am Anfang der zweiten Zeile auf dem LCD
		lcd_alpha_goto_xy(0, 1);
		lcd_alpha_write_string(text);
 
		// Break
		sw_delay_ms(500);
	}
}

Zusätzliches Material