NXT SumoEyes mit Matlab/Simulink

Autor: Florian Scharfenberg
Betreuer: Prof. Schneider
Sensor: NXTSumoEyes-v2

Einleitung

In dem Modul "Signalverarbeitende Systeme", des Studiengangs Business and Systems Engineering, war es die Aufgabe semesterbegleitend einen Sensor mit MATLAB/Simulink auszulesen, sowie ihn und seine Signalverarbeitungskette zu beschreiben.
Dieser Artikel befasst sich mit dem Sensor NXTSumoEyes-v2.

Aufgabenstellung

1. Auswahl eines Primärsensors
   1. Wie funktioniert der Sensor?
   2. Welche Rohsignale liefert der Sensor?
2. Signalvorverarbeitung
   1. Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
   2. Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
   3. Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?
3. Analog-Digital-Umsetzer
   1. Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
   2. Welcher ADU kommt zum Einsatz?
   3. Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?
4. Bussystem
   1. Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
   2. Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?
5. Digitale Signalverarbeitung
   1. Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
   2. Welche Filter werden angewendet?
   3. Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.
6. Darstellung der Ergebnisse
   1. Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
   2. Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Auswahl eines Primärsensors

Infrarotsensoren

Das Wort "Infra" stammt aus dem lateinischen und bedeutet auf deutsch übersetzt so viel wie "unter" oder "unterhalb". Als Infrarotstrahlung bezeichnet man die Strahlung im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung. Infrarot ist also für das menschliche Auge nicht sichtbar. Viele Infrarotsensoren empfangen meist ausschließlich Infrarotstrahlen und werden als passive Infrarotdetektoren bezeichnet. Neben den passiven Infrarotsensoren gibt es die aktiven Infrarotsensoren, welche selbst Wärmestrahlung aussenden und diese ausgesendete Strahlung wieder empfangen. Sie werden meist zur Objekterkennung eingesetzt. Diese aktiven Sensoren benötigen neben Detektoren auch eine Infrarotquelle. In den meisten aktiven Infrarotquellen werden LED's verwendet. Die Detektoren eines Infrarotsensors bestehen aus zwei Elektroden, einem Vorverstärker und einem empfindlichen Element bzw. einen mit Elektroden behafteten pyroelektrischen Chip. Fällt Infrarotstrahlung auf das empfindliche Element entsteht eine Temperaturänderung in dem Pyroelektrikum. Diese Temperaturänderung führt zu einer Ladungsänderung zwischen den Elektroden, welche durch den Vorverstärker an die Signalspannung weitergegeben wird.

Abb. 1: NXTSumoEyes-v2

Funktionsweise NXTSumoEyes-v2

Bei dem zu untersuchenden Sensor handelt es sich es um den analogen Infrarotsensor NTXSumoEyes-v2 (Abb.1) der Firma mindsensors.
Der Sensor ist für die Erkennung von Objekten eines Mindstorms NXT Projektes gedacht. Er dient beispielsweise einem NXT oder EV3 Roboter um Objekte bzw. Hindernisse zu erkennen und diesen zu folgen bzw. zu entweichen. Dabei sendet der Sensor über zwei LED's Infrarotstrahlen aus und empfängt Infrarotwellen mit zwei Detektoren.

Abb. 2: Aufnahmebereich NXTSumoEyes-v2

Der Sensor soll Hindernisse in einem Kegel von 60° erkennen können. Sein Aufnahmebereich ist in sechs Zonen aufgeteilt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, erkennt der Sensor ob sich ein Hindernis oder Objekt rechts, mittig oder links, sowie ob es sich in kurzer oder langer Distanz befindet. Ein Objekt detektiert er in kurzer Distanz, wenn es nicht weiter als 15cm entfernt ist. Ein Objekt in langer Distanz wird detektiert wenn es zwischen 15 und 30cm entfernt ist. Dabei ist zu sagen, dass der Sensor helle Objekte besser bzw. in weiterer Distanz erkennen als dunkle Objekte.

Aus einem Userguide auf Internetseite der Firma mindsensors ist bekannt, dass der Sensor folgende Werte bei folgenden Ereignissen liefert:

• Objekt befindet sich links: 30-36
• Objekt befindet sich rechts: 63-69
• Objekt befindet sich mittig: 74-80

Rohsignal

Da es sich bei dem NXTSumoEyes-v2 um einen analogen Sensor handelt, gibt er eine analoge Ausgangsspannung abhängig von seiner Spannungsänderung aus.

Versuchsaufbau

Abb. 3: Komponentenverbindung

Abb. 4: NXT Westernstecker Pinbelegung

Benötigt für die Auslesung der Sensordaten über Matlab/Simulink wird:

• NTXSumoEyes-v2 Sensor
• Arduino Uno
• Rechner mit Arduino Software + Matlab/Simulink
• USB-Kabel (Rechner zu Arduino Uno)
• NXT-Kabel (Westernstecker)

Tab. 1: Pinbelegung Westernstecker zu Arduino UNO

Westernstecker	Arduino Uno
Pin1 Weiß	A0
Pin2 Schwarz	GND
Pin3 Rot	GND
Pin4 Grün	5V
Pin5 Gelb	-
Pin6 Blau	-

Signalvorverarbereitung

Die Detektoren eines Infrarotsensors bestehen aus zwei Elektroden, einem Vorverstärker und einem empfindlichen Element bzw. einen mit Elektroden behafteten pyroelektrischen Chip. Fällt Infrarotstrahlung auf das empfindliche Element entsteht eine Temperaturänderung in dem Pyroelektrikum. Diese Temperaturänderung führt zu einer Ladungsänderung zwischen den Elektroden, welche durch den Vorverstärker an die Signalspannung weitergegeben wird. Einen Kennlinie zu diesem Sensor konnte nicht in Erfahrung gebracht werden.

Literatur

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