Sharp GP2Y0A41SK0F

Abb. 1: HC-SR501 PIR Bewegungsmelder

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Schneider, Patricio Emiliano Hernandez Murga

Einleitung

Eine Serie von Entfernungsmessungssensoren von Sharp, die mit IR-Sendern und Fotodetektoren mit integriertem Signalverarbeitungsschaltkreis arbeiten. Die Einheiten sind mit analogen oder geschalteten (digitalen) Ausgängen lieferbar und umfassen sowohl feste als auch variable Entfernungssensoren. Die Befestigungsarten umfassen die Zweiloch-Oberflächenbefestigung und durchkontaktierte Leiterplattenausführungen. Die abgedeckten Erfassungsreichweiten sind 4 cm bis 550 cm. Typische Anwendungen umfassen die Objekterfassung in der Automatisierung, Robotik und Kfz-Anwendungen, kontaktloses Schalten und Sicherheitssysteme.

Ausführungen mit Analogausgang erzeugen eine Ausgangsspannung bezogen auf die Entfernung. Es sind keine zusätzlichen externen Steuerschaltkreise erforderlich

Technische Daten

Abb. 4: Schaltzustände des Neigungssensors

Messbereich	3 cm.. 30 cm
Messmethode	reflektiv
Versorgungsspannung	4.5 V .. 5.5 V
Ausgangsspannung	0 V .. 3.2 V
Arbeitstemperatur	-10 °C .. +60 °C
Abmessungen	44,5 mm x 13 mm x 13,5 mm

Pinbelegung

Pin	Belegung	Farbe
1	Ausgang	Gelb
2	Masse (GND)	Schwarz
3	Versorgungsspannung VCC	Rot

Funktionsprinzip

Der Abstandsensor IR der Sharp GP2-Familie funktioniert nach dem Triangulationsprinzip. Er besitzt einen integrierten positionsempfindlichen Detektor (PSD), und einem IRED Infrarotlich emitierende Diode (IRED). Die IRED strahlt ein infrarotes Licht aus, welches von dem zu detektierenden Objekt reflektiert wird. Das reflektierte Licht geht durch das Detektionslens und wird von dem PSD-Element empfangen. Der Abstand zum Objekt wird dann abhängig vom Schwerpunkt des Lichtflecks berechnet. Durch das geometrischen Triangulationsverfahren kann der Abstand zu dem zu detektierenden Objekt berechnet werden.

Grundlagen

Funktionsprinzip des positionsempfindlichen Detektors

Ein positionsempfindlicher Detektor funktioniert ähnlich wie eine normale Photodiode. Das Licht auf dem aktiven Gebiet des PSD generiert einen Photostrom. Dieser Photostrom fließt in Richtung des p- und n-Gebietes ab. Der PSD kann drei bis fünf Kontakte je nach Dimensionen haben. Beim IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F befindet sich ein eindimensionaler PSD. Daher besitzt er drei Kontaktierungen. Durch die erste Kontaktierung fließt ein gesamter Strom I. Durch die anderen zwei Leitungen kommt es zu einer Aufteilung des Photostromes unter den Kontakten. Diese Aufteilung ist proportional zu der Position des Schwerpunkts des Lichtflecks.

Vorteile der PSD

Im Gegensatz zu Pixelelementen (CCD) ist bei positionsempfindlichen Detektoren die Auflösung nicht durch die Pixelgroße begrenzt und es ist keine aufwendige Analyse durch einen Computer nötig. Darüber hinaus sind bei positionsempfindlichen Detektoren Parameter wie Form, Große und Intensivitätsverteilung des Lichtflecks unbedeutend. Denn der Schwerpunkts des Lichtflecks gibt seine Position an.

Ermittlung der Position

Die Position wird durch die Bildung der Stromdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Kontakten ermittelt (siehe Abbildung 2). Um die Differenz der Verteilung des gesamten Photostromes unabhängig der Intensität von der einfallenden Lichtintensität zu bilden, wird ein Verhältnis daraus gebildet: Durch die folgende Gleichung lässt sich dann die Lage des Schwerpunkts des Lichtes auf der aktiven Fläche des PSD ermitteln:

$\begin{align} \frac{I_1 - I_2}{I_1 + I_2} &= \frac{L - 2x}{L} \end{align}$

Optik

Optische Abstandsensoren strahlen sichtbares bzw. unsichtbares Licht (z.B. infrarotes Licht) aus. Das Licht wird vom Objekt reflektiert und dann vom Sensor erfasst. Aus der vom Sensor erfassten Information kann dann ein Abstand d bestimmt werden. Störungen können bei dem auszuwertenden Signal entstehen. Denn es kann passieren, dass der Sensor nicht nur das reflektierte Licht empfängt, sondern auch ein externes Licht mit dazu. Um dieses Phänomen zu reduzieren, besitzt der IR Sensor einen besonderen Lens, welches das infrarote Licht filtert.

Für den Strahlenverlauf besitzt der IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F eine biaxiale Optik (siehe Abbildung 3). Bei einer biaxialen Optik sind die optischen Achsen des Sende- und Empfangsstrahls voneinander getrennt. In der Regel liegen diese nebeneinander, um die abstandsabhängige Energie zu optimieren. Dabei besitzt die biaxiale Optik einen typsichen Verlauf (siehe Abbildung 4).

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  Abbildung 2: Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines PSD-Elements. [2]

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  Abbildung 3: Prinzipielles Schema beim Triangulations-, Puls-, Phasen- und Frequenzmessverfahren mit biaxialer Optik [2]

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  Abbildung 4: Typischer Verlauf einer biaxialer Optik [2]

Messprinzip der Triangulation

Triangulation ist ein rein geometrisches Messverfahren. Das Sender ( infrarotes LED oder IRED) erzeugt Licht und dieses wird auf dem zu detektierenden Objekt reflektiert. Das reflektierte Licht geht durch das für die Detektion verantwortliche Lens mit einem bestimmten Winkel je nach Abstand d. Die Stelle x auf dem PSD-Element ist dann abhängig von dem Eingangswinkel des Lichtes . Durch das Messen der Stelle x ergibt sich dann der Abstand d.

Abbildung 5: Prinzipielles Schema bei Triangulation [2]

$B$ – Basisabstand zwischen der optischen Achse der Sende- und der Empfangsoptik.

$F$ – Abstand zwischen Detektionsebene und Optik

$x$ – Schwerpunkt des Lichtflecks

$d$ – Objektabstand

Equipment

Verwendete Software

Für die Ausarbeitung der Aufgabenstellungen wird folgende Software benutzt:

• MATLAB/ Simulink 2020b
• Tortoise SVN
• Fritzing

Verwendete Hardware

Für die Ausarbeitung der Aufgabenstellungen wird folgende Hardware benutzt:

• SHARP IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F
• Funduino Uno R3

Primärsensor

Für den IR-Abstandsensor GP2Y0A21YK0F wird ein PSD benutzt, um die Messgröße, das reflektierte infrarote Licht, in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die innere integrierte Schaltung vom Sensor ( distance measuring IC) übernimmt sowohl die Lichterzeugung mittels des IREDs als auch die Umwandlung des vom PSD empfangenen infraroten Lichtes in ein analoges Signal. Das analoge Signal kann einen Wert von 0 V bis 5 V besitzen. Daher wird kein Verstärker benötigt, um das Signal zu verarbeiten. Es wird alles von der integrierten Schaltung des IR-Abstandssensors unternommen.

Die integrierte Schaltung liefert in Zeitspannen von 28,7 ms bis 47,9 ms einen analogen Wert. Dabei ist zu beachten, dass die allererste Messung als instabil gilt und daher die zweite Messung als die erste zu sehen ist. Darüber hinaus ist auch zu beachten, dass die integrierte Schaltung des IR-Abstandssensors eine Zeitverzögerung von 5 ms (maximal) zwischen den Messungen hat.

Analog-Digital-Umsetzer

Abbildung 6: Ein N-bit Analog-Digital-Umsetzer

Um das analoge Signal digital zu verarbeiten, kommt ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU, auch bekannt als AD-Wandler) zum Einsatz. Durch den ADU wird die Amplitude des rohen analogen Signals in bestimmten Abständen geteilt. Dabei wird das am Eingang des ADU anliegende analoge Signal in eine ganze Zahl umgerechnet und in binäre Darstellung an den N digitalen Ausleitungen ausgegeben. Die Auflösung des AD-Wandlers wird durch die Anzahl N an Bits ermittelt (siehe Abbildung 6) . Als erstes findet das sogenannte Sampling statt. Dies bezeichnet das Verfahren zur Entnahme von Verstärkungswerten des analogen Signals in diskreten Zeitintervallen. Danach werden numerische Werte zu den getesteten Verstärkungswerten zugewiesen. Nach ihrer Quantisierung werden die Verstärkungswerte anhand eines Encoders kodiert. Im Fall vom Arduino Uno ist ein 10-Bit AD-Wandler vorhanden. Das bedeutet, dass eine Menge von 1024 Werten mit dem an Arduino verbauten AD-Wandler diskretisiert werden können. Bei dem Fall von Arduino Uno besitzen die Quantisierungsstufen eine Höhe von ungefähr 4,89 mV.

Bussystem

Es wird kein Bussystem benötigt.

Signalvorverarbeitung

Dadurch dass der IR-Abstandssensor ein analoges Signals liefert, muss zu jedem Spannungswert ein Abstand zugewiesen werden. Dies erfolgt anhand einer Kennlinie. Die Kennlinie des IR-Abstandssensors GP2Y0A21YK0F kann im Datenblatt [4] gefunden werden (siehe Abbildung 7). Seine Kennlinie entspricht der allgemeinen Kennlinie eines Triangulationssensors mit einer biaxialen Optik. Dabei gibt es kein monoton wachsendes oder fallendes Verhalten über den gesamten Messbereich. Daraus folgt, dass einer Spannung mehrere Abstände zugeordnet werden. Dadurch kann eine Verfälschung von Daten vorkommen.

Um dieses Verhalten zu bekämpfen, kann die umgekehrte Zahl jedes Elements des Messbereichs gebildet werden. Danach werden diese neuen Werte zu den Ausgangswerten des Sensors zugeordnet (siehe Abbildung 8). Diese neue Kennlinie kann in Simulink bei einer Look-Up-Tabelle benutzt werden. Dabei ist der Eingabewert der Rohwert aus dem analogen Pin und die Ausgabe ist der Abstand. Das lässt sich nur dann anwenden, wenn die ursprüngliche Kennlinie aus der Kalibration über den gesamten Bereich monoton wachsend ist. (Siehe Umkehrfunktion).

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  Abbildung 7: Kennlinie aus Datenblatt [4]

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  Abbildung 8: Kennlinie aus Datenblatt (umgekehrte Elemente der Abstände)[4]

Für die Neukalibrierung der Kennlinie muss beachtet werden, dass der Sensor mit reflektiertem Licht arbeitet. Am besten sollte in der gleichen Umgebung neukalibriert werden, in dem der Sensor im Betrieb gesetzt wird. Das für diese Hausarbeit benutzte Exemplar des IR Abstandssensors GP2Y0A21YK0F wurde mit zwei unterschiedlichen Oberflächenfarben und mit zwei unterschiedlichen Umgebungsbeleuchtungen kalibriert.

Kalibrierung

Kalibrierung mit heller Umgebungsbeleuchtung

Abbildung 9: Messung mit heller Umgebungsbeleuchtung

Abstand in cm	Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz	Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss
6	625	625
10	527	499
15	364	349
20	274	270
25	224	220
30	189	185
40	142	142
50	116	118

Abbildung 10: Messung mit heller Umgebungsbeleuchtung und umgekehrten Abständen

Umgekehrter Abstand in 1/cm	Abstand in cm	Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz	Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss
0.02	50	116	118
0.025	40	142	142
0.0333	30	189	185
0.04	25	224	220
0.05	20	274	270
0.0667	15	364	349
0.1	10	527	499
0.1667	6	625	625

Kalibrierung mit dunkler Umgebungsbeleuchtung

Abbildung 11: Messung mit dunkler Umgebungsbeleuchtung

Abstand in cm	Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz	Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss
6	624	624
10	530	526
15	363	352
20	274	265
25	219	220
30	185	185
40	138	142
50	110	118

Abbildung 12: Messung mit dunkler Umgebungsbeleuchtung und umgekehrten Abständen

Umgekehrte Abstand in 1/cm	Abstand in cm	Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz	Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss
0.02	50	110	118
0.025	40	138	142
0.0333	30	185	185
0.04	25	219	220
0.05	20	274	265
0.0667	15	263	352
0.1	10	530	526
0.1667	6	624	624

Hardwareaufbau

Schaltung des IR-Abstandssensors GP2Y0A21YK0F

Abbildung 13: Schaltung GP2Y0A21YK0F

Schaltplan und Steckplatine

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  Abbildung 14: Steckplatine

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  Abbildung 15:Schaltplan

Softwarearchitektur

Abbildung 16: Ablauf der Abstandsmessung

Digitale Signalverarbeitung

Abbildung 17: Simulink Modell für die Abstandsmessung

Die Messung ist anhand Simulink und des Abstandsensors GP2Y0A21YK0F relativ einfach. In Abbildung 17 ist auch deutlich, dass die Rohwerte des Sensors durch einen Median-Filter gefiltert werden müssen. Danach ist eine Look-Up-Table anzuwenden. Bei der "1-D Look-Up-Table" sind die folgenden Einstellungen zu wählen:

• Table data: Dialog-Variable aus dem Workspace, die die umgekehrten Abstände enthält.Die Werte dieser Variable müssen aufsteigend sortiert sein!
• Breakpoints 1: Dialog- Variable aus dem Workspace, die die Abstände enthält. Die Werte dieser Variable müssen den Werten der Abstände entsprechen!

Bewertung der Sensordaten

Vorteile

• Sehr einfache Bedienung
• Es wird kein Bussystem benötigt
• Reaktions- und Messungszeiten sind schnell
• Messungen bis 80 cm
• Kostengünstig
• Es gibt wenige Störfaktoren bei der Messung

Nachteile

• Keine sehr präzise Messung. Bei kleinen Abständen (10 cm bis 20 cm) ist die Auflösung etwa 1 cm. Bei größeren Abständen etwa 1,5 cm
• Die Kalibrierung kann aufwendig sein

Empfehlungen bei der Kalibrierung

• Die Kennlinie soll nur mit den Werten realisiert werden, die tatsächlich gebraucht werden und die in dem zu verwendenden Messbereich liegen.
• Die Farbe der zu detektierenden Oberfläche spielt eine große Rolle, wenn eine gute Genauigkeit erwartet wird. Es ist empfiehlt sich die gleiche Umgebungsbeleuchtung zu benutzen, die auch bei der Messung eingesetzt wird.

Literatur

[1] Bananarobotics. URL: https://www.bananarobotics.com/shop/Sharp-GP2Y0A21YK0F-IR-Distance-Sensor
[2] Schönfelder, G.; Hering, E.: Sensoren in Wissenschaft und Technik. Wiesbaden: Viewg+Teubner, 2012,S. 166-171 ISBN 978-3-8348-0169-2
[3] Wüst, K.: Mikroprozessortechnik: Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Wiesbaden: Viewg+Teubner-Verlag, 11. Auflage 2011, S. 267-368. ISBN:978-3-8348-0906-3
[4] Global Sharp: Datasheet GP2Y0A21YK0F. URL: https://global.sharp/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a21yk_e.pdf

Datenblatt

• Datenblatt Sharp IR Abstandssensor GP2Y0A21YK0F

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