Sharp GP2Y0A41SK0F

Abb. 1: HC-SR501 PIR Bewegungsmelder

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

Einleitung

Der GP2Y0A41SK0F gehört zu eine Serie von Entfernungsmessungssensoren von Sharp, die mit IR-Sendern und Fotodetektoren mit integriertem Signalverarbeitungsschaltkreis arbeiten. Die Sensorensind 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 3 cm bis 50 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

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

Abb. 2: Anschlussplan für den Betrieb am Arduino

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

Messverfahren

Der Primärsensor strahlt infrarotes Licht aus. Das Licht wird vom Objekt reflektiert und vom Sensor (Positionssensitiver Detektor, PSD) erfasst. Aus der vom Sensor erfassten Information kann dann ein Abstand d bestimmt werden. Für den Strahlenverlauf besitzt der IR Abstandsensor eine biaxiale Optik (siehe Abb. 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. Mit größerem Abstand wird weniger Licht reflektiert. Es kommt zu der in Abb. 4 dargestellten nichtlineren Kennlinie.

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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]

Die Berechnung der Entfernung erfolgt über das geometriesche Verfahren der Triangulation. Das Sender (eine Infrarot-LED) 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

Interne Signalverarbeitung

Abb. 6: Schaltung des GP2Y0A41SK0F

Das Sensorsystem (vgl. Abb. 6) verarbeitet die Entfernung gemäß der Kennlinie in Abb. 8 zu einer analogen Spannung. Laut Datenblatt entstehen zyklische Verarbeitungsfehler, so dass es zu instabilen Ausgangsspannungen kommt, die gefiltert werden müssen. Abb. 7 zeigt einen Ausschnitt des Datenblatts, der diese Störungen erklären kann. Nach jeder Messung ($16,5\,ms\pm3,7\,ms$) folgt für max. $5\,ms$ ein instabiler Ausgang. Bei einer Abtastung mit 1 ms würden 5 Fehlmessungen erfasst werden. Eine mögliche Lösung für die Behandlung dieses Fehlers wird in Abschnitt Median-Filter vorgeschlagen.

Abb. 7: Das Datenblatt beschreibt einen systematischen Messfehler alle 20 ms

Abb. 8: Das Datenblatt beschreibt die nichtlineare U/d-Kennlinie

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.

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. Für den IR-Abstandsensor 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. 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.

Ermittlung der Position

Abb. 9: Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines PSD-Elements. [2]

Die Position wird durch die Bildung der Stromdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Kontakten ermittelt (siehe Abb. 9). 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:
$\begin{align} \frac{I_1 - I_2}{I_1 + I_2} &= \frac{L - 2x}{L} \end{align}$

Analog-Digital-Umsetzer des Arduino

Abbildung 10: 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 analogen Signals quantisiert. 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 Abb. 10).

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 $U_{LSB}=\frac{5\,V}{1023}\approx 4,888\,mV$.

Signalvorverarbeitung auf einem Mikrocontroller

Kennlinie

Dadurch dass der IR-Abstandssensor ein analoges Signals liefert, muss jedem Spannungswert ein Abstand zugewiesen werden. Dies erfolgt anhand einer Kennlinie. Die Kennlinie des IR-Abstandssensors kann im Datenblatt [3] gefunden werden (siehe Abb. 8). 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. Dieser Sensor ist erst ab einem Abstand von 3 cm nutzbar.

Für eine einfache Datenverarbeitung kann die Kennlinie in einer Tabelle (engl. lookup-table) abgelegt werden. Werte zwischen den abgelegten Stützstellen werden linear interpoliert.

Spannung U1 in V	Distanz d in cm	Digitalwert D1
3	3,6	614
2.02	6	413
0.82	16	168
..	..	..

Beispiel:

1. Angenommen die unbekannte Entfernung beträgt $d=16\,cm$ - die Ausgangsspannung des Sensors würde somit laut Kennlinie $U_1=0,82\,V$ betragen. Der ADU des Arduino UNO würde den Wert 168 quantisieren. Dieser Wert muss nun in der Lookup-Table nachgeschlagen werden, um die Distanz $d=16\,cm$ zuzuordnen.
2. Der Entfernungswert $d=40\,cm$ wird vom ADU mit 61 quantisiert. Dieser Wert muss nun in der Lookup-Table nachgeschlagen werden, um die Distanz $d=40\,cm$ zuzuordnen.

Median-Filter für die Störungen

Ausreißer lassen sich mit einem Median-Filter passender Filterbreite eleminieren.

Median - einfach erklärt - Lehrerschmidt

Beispiel: Bei einer Übertragungsrate von 115200 Baud und einer Distanz von 24 cm ergeben sich folgende Messwerte

Zeitstempel in ms	Digitalwert D1
25681	120
25683	118
25684	115
25686	115
25687	115
25688	116
25689	116
25690	116
25691	116
25692	116
25693	116
25694	116
25695	108
25697	127
25698	117
25699	116
25700	116

Die Ausreißer sind alle 13-15 ms zu verzeichnen. Ein Median über 5 Werte würde diese Werte "wegsortieren": 108 116 116 117 127
Der Digitalwert 116 entspricht der Spannung 0,57 V und dieser Wert entspricht laut Abb. 8 ca. 24 cm Abstand.

Literatur

[1] Schönfelder, G.; Hering, E.: Sensoren in Wissenschaft und Technik. Wiesbaden: Viewg+Teubner, 2012,S. 166-171 ISBN 978-3-8348-0169-2
[2] 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
[3] 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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