Infrarotsensoren
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 3 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:
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 = ungefähr gleich 2,99*10^8…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 Vcc angelegt wird. Eine Messung benötigt 38.3 ms ± 9.6 ms. Während der ersten Messung wird am Ausgang Vo 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:
und oder
Für ein tiefergehendes Verständnis wird auf die angegebene Literatur verwiesen. nachher led psd verlinken! alles Verlinken! a
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Einbauposition und Hardwareanbindung
Offline-Modell
Online-Modell
Datenblätter
Der Hersteller Sharp stellt ein Datenblatt 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
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