Infrarotsensoren

Autoren: Julin Horstkötter, Levin Baumeister

Die Infrarotsensoren des Autonomen Fahrzeugs stellen die Abstandssensorik dar, die der Ermittlung des Abstands zu Objekten im Nahbereich zwischen 4 und 30 cm dienen. Insgesamt sind vier Sensoren dieser Art, zwei sind an der rechten Seite und zwei am Heck des Fahrzeugs, montiert. Verwendet wird der Sharp GP2D120, dessen Einsatz in diesem Artikel genauer erläutert wird. Haupteinsatzgebiet ist die Verwendung im Einparkalgorithmus.

Kurzinfo

Der Sensor Sharp GP2D120 ist in der Lage den Abstand zu einem Objekt in einem Bereich von 4 bis 30 cm zu ermitteln. Zu beachten sind dabei die Farbe und die Oberfläche des Objektes, da die Genauigkeit der Messung auf Grund der Messmethode von den Reflektionseigenschaften des Objektes abhängt. Die Auswertung der Messung findet in dem Sensor selbst statt, sodass eine analoge Spannung ausgegeben wird, die den aktuellen Abstand zu dem Objekt repräsentiert. Anhand von einer Kennlinie, die für eine weitere Auswertung in der projektspezifischen Software hinterlegt werden muss, erfolgt schließlich die Bestimmung des Abstandes in der SI-Basiseinheit Meter. Die Versorgungsspannung beträgt 4,5 V bis 5,5 V. Das analoge Ausgangssignal bewegt sich in einem Bereich von 0,25 V bis 3,1 V, genauere Informationen sind der Kennlinie zu entnehmen.

Funktionsweise

Der verwendete Infrarotsensor besteht im Generellen aus zwei Dioden. Separiert wird zwischen einer Leuchtdioden (LED) und einer Fotodiode (PSD). Außerdem ist eine integrierte Schaltung (IC = integrated circuit) in den Sensor eingegliedert, die die Auswertung der Distanzmessung übernimmt.

Sobald die LED über eine Treiberschaltung versogt wird, sendet diese Photonen im IR-Bereich aus. In der Regel wird bei IR-Sensoren ein Wellenlängenbereich von 880 oder 950 nm verwendet. Der Sharp GP2D120 nutzt eine Wellenlänge von ca. 850 nm.

Das Messkonzept des Sensors basiert auf einer Laufzeitmessung und Triangulation. Trifft das beschriebene Licht auf ein Objekt, wird es auf die Photodiode reflektiert. Die Zeit vom Aussenden des Lichtimpulses bis zum eintreffen an der Photodiode wird bestimmt.

Interner Aufbau

Der interne Aufbau ist Abbildung „Blockschaltbild des Infrarotsensors“ zu entnehmen. Es handelt sich um einen IC (Integrated Circuit), der eine LED (lichtemittierende Diode) und eine PSD (positionsempfindliche Fotodiode) ansteuert. Der Aufbau des ICs untergliedert sich wiederum in

eine Signalverarbeitende Einheit,
eine Schaltung zur Steuerung der LED,
eine Spannungsregelung,
eine Oszillatorschaltung,
eine Schaltung zur Nachverarbeitung des Ausgangssignals.

Laufzeitmessung

Mithilfe der Laufzeitmessung einer physikalischen Welle ergibt sich die Distanz d aus:

$d=\frac{v_w \cdot \Delta t}{2 \cdot n}$

Dabei entspricht vw der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Bei Verwendung des Mediums Luft, wie dies hier der Fall ist, entspricht die Lichtgeschwindigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit, also:

$v_w = c \approx 2,99\cdot10^8\,m/s$ .

$\Delta\,t$ beschreibt die gemessene Laufzeit der Photonen. $n$ beschreibt die Brechzahl des Mediums. Da die Formel nicht nur bei der Verwendung in Licht gilt, ist der Brechungsindex n ebenfalls mit angegeben. Für das Übertragungsmedium Luft liegt dieser Wert bei 1.

Der zeitliche Ablauf der Auswertung während des Betriebs ist in der Abbildung „Zeitdiagramm des Infrarotsensors“ dargestellt. Der Sensor wird eingeschaltet, indem die Versorgungsspannung $V_{CC}$ angelegt wird. Eine Messung benötigt 38.3 ms ± 9.6 ms. Während der ersten Messung wird am Ausgang $V_0$ ein unsicheres, bzw. ungültiges Ergebnis ausgegeben. Nach der ersten Messung wird der analoge Ausgabewert mit einer maximalen Verzögerung von 5 ms an den Ausgang übergeben. Darauffolgend sind kontinuierlich gültige Messwerte am Ausgang vorhanden.

Tiefergehende Informationen zu der verwendeten Sensortechnik sind in der Literatur „Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation“ (siehe Literatur) und im Datenblatt zu finden.

Triangulation

Das PSD-Element (PSD = position sensitive device) des Sensors ermittelt anhand positionsempfindlicher Fotodioden die Position des Lichtflecks. Dabei fällt ein Lichtpunkt auf die Oberfläche einer ansonsten hochohmigen p-Schicht. Die dabei entstehenden Ströme sind umgekehrt proportional zur Entfernung des zugehörigen Lichtpunktes. Für eine eindimensionale Lateraleffekt-Fotodiode ergibt sich dazu folgender Zusammenhang zwischen dem zu detektierenden Abstand und dem daraus resultierenden Ausgangsstrom:

$I_1=\frac{a_2}{R} \cdot I$ und $I_2=\frac{a_1}{R} \cdot I$ oder $\frac{I_1}{I_2} = \frac{a_2}{a_1}$

Dabei ist:

Gesamtstrom $\,d$

Gesamtwiderstand der Elektrode $\,R$

Abstand $\,a_i$

Der Gesamtwiderstand ist als linear anzunehmen. Für ein tiefergehendes Verständnis wird auf die angegebene Literatur verwiesen.

Einbauposition und Hardwareanbindung

Wie bereits erläutert sind an dem autonomen Fahrzeug vier Infrarotsensoren verbaut, zwei auf der rechten Seite des Fahrzeugs und zwei am Heck. Eine qualitative Position lässt sich der nebenstehenden Abbildung „Skizze der Sensorpositionen der Infrarotsensoren“ entnehmen.

Skizze der Sensorpositionen der Infrarotsensoren

Die genaue Position der Sensoren im Fahrzeugkoordinatensystem lässt sich aus folgender Tabelle entnehmen, es ist jedoch zu beachten, dass die Werte nicht verifiziert sind, da im SS2020 nicht auf das Fahrzeug zurückgegriffen werden kann. Die Position der einzelnen Sensoren im Fahrzeugkoordinatensystem (K):

IR_Sensor	x-Position	y-Position
rechts vorne	-7 cm	-12 cm
rechts hinten	-36 cm	-12 cm
hinten links	-42 cm	10 cm
hinten rechts	-42 cm	-10 cm

Der Anschluss der Sensoren an die dSPACE DS1104 erfolgt über die analogen Eingänge und ist der folgenden Tabellen zu entnehmen. Zu beachten ist, dass diese Werte nicht verifiziert werden können, da im Sommersemester 2020 ein physischer Zugriff auf das Fahrzeug aufgrund von COVID-19 nicht möglich ist. Diese Tabelle repräsentiert die Anschlüsse an den einzelnen Sensoren:

PIN	Farbe des Kabels	Pin am Sensor	DS1104-Pin
1	Gelb	Sensor_IR_V0	ADCH5…8
2	Orange	Sensor_IR_GND	GND
3	Rot	Sensor_IR_VCC	(-0,3) ..+7 V

Die weitere folgende Tabelle enthält die Zuordnung der einzelnen Sensoren zu den analogen Eingängen der dSPACE DS1104 und den in dem Matlab/Simulink-Projekt enthaltenen jeweiligen Variablen, auch hier können die Werte nicht verifiziert werden:

IR-Sensor	DS1104-Eingang	Simulink-Signalname
rechts vorne	ADC Channel 5	SenAbs_xVR_K_f64
rechts hinten	ADC Channel 6	SenAbs_xHR_K_f64
hinten links	ADC Channel 7	SenAbs_yHR_K_f64
hinten rechts	ADC Channel 8	SenAbs_yHL_K_f64

Modi für Simulation und Fahrzeug

Die Programmierung des Fahrzeugs erfolgt über die Software MATLAB/Simulink. Zur einfacheren Handhabung existieren in der Software zwei Modi, die sowohl das Online- wie auch das Offline-Modell bedienen, dieses Vorgehen entspricht dem Rapid Control Prototyping. Im Online Modus greift die Software auf die verbundenen Sensoren und Aktoren direkt über die dSPACE DS1104 zu, das Fahrzeug bewegt sich schließlich in der realen Teststrecke. In der Offline Situation werden ein Großteil der Sensoren und Aktoren simuliert, so bewegt sich das Fahrzeug auf einer virtuellen Teststrecke, die der in der Realität nachempfunden ist. Ein Ziel ist Schnittstellen so zu entwickeln, dass einzelne Programmteile sowohl online als auch offline verwendet werden. So kann zunächst die Software in der Offline-Umgebung getestet und schließlich Online eingesetzt werden.

Offline-Modell

Die Infrarotsensoren gehören zu der Gruppe der Sensoren, für die eine Simulation erfolgt. Die Beschreibung dieser Simulation ist im Artikel Simulation der Einparksensorik. In diesem Artikel wird die Ermittlung der virtuellen Messwerte der vier Sensoren beschrieben, dies erfolgt in Abhängigkeit der in der Simulation vorhandenen Parameter.

Zusätzlich ist eine eigene GUI vorhanden, die die Implementierung der Simulation auf ihre Funktion überprüft, deren Funktion und Umfang bis jetzt noch nicht validiert ist. Bei einer ersten Sichtprüfung zeigt sich allerdings, dass sich die Form der Fahrzeuge willkürlich ändert. Die GUI befindet sich im SVN.

Online-Modell

Die Software in der Online-Umgebung des Matlab/Simulink Projekts kann im Sommersemester 2020 nur augenscheinlich, ohne eine Prüfung der Lauffähigkeit, erfolgen. Im generellen sind wie im Offline-Modell ebenfalls die vier Sensoren eingebunden, die hier als Signal der DS1104 auftreten. Die Übersichtlichkeit ist verbesserungsfähig, ebenfalls sollten die enthaltenden lookup tabels mit den Sensorkennlienen überprüft werden. Die Details der Implementierung sind in der Softwarearchitektur beschrieben.

Datenblätter

Der Hersteller Sharp stellt Datenblätter zu dem Sensor bereit. Diese sind sowohl in SVN^[1] als auch im Web^[2] abrufbar.

Literatur

Stefan Hesse, Gerhard Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21173-8, S. 78–80, 371f.

Einzelnachweis

↑ Datenblatt Sharp GD2D120:SVN
↑ Datenblatt Sharp GD2D120:Web

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[1] Datenblatt Sharp GD2D120:SVN

[2] Datenblatt Sharp GD2D120:Web

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