Objekterkennung mit TeraRanger mit Matlab/Simulink auf einem EV3
Verfasser: Oleg Patrusev
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider
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Aufgabe
Im Rahmen des Projektes für das Modul "Signalverarbeitende Systeme" musste ein EV3 Lego Roboter so programmiert werden, dass er vor einem Objekt mit einem Abstand von 5 cm zum Stillstand kommt. Für den zugeteilten Sensor IR Seeker V2 ist ein zusätzliches Ziel hinzugefügt worden. Dieser muss zunächst einen IR Ball identifizieren und dann in einem Abstand von 5 cm zu diesem zum Stillstand kommen.
Für eine systematische Recherche und Lösung dieser Aufgabe sind entlang der Signalverarbeitungskette folgende Fargestellungen definiert und gestellt worden:
Schritte zur Signalbearbeitung
- Auswahl eines Primärsensors
- Wie funktioniert der Sensor?
- Welche Rohsignale liefert der Sensor?
- Signalvorverarbeitung
- Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
- Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
- Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?
- Analog-Digital-Umsetzer
- Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
- Welcher ADU kommt zum Einsatz?
- Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?
- Bussystem
- Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
- Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?
- Digitale Signalverarbeitung
- Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
- Welche Filter werden angewendet?
- Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.
- Darstellung der Ergebnisse
- Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
- Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.
Restriktion der Pragrammierumgebung
Die Programmierung des EV3 Roboters muss mit dem Programm MATLAB durchgeführt werden.
Technische Spezifikationen des Sensors
Der Sensor NXT IRSeeker V2 wird von der Firma HiTechnic hergestellt. Es ist ein Infrarot Sensor mit mehreren Betriebsmodi und Funktionsweisen. Er identifiziert Infrarot-Signale aus verschiedenen Quellen wie Fernbedienungen, Sonnenlicht oder aus dem IR Ball (siehe Kapitel), der ebenfalls von der Firma HiTechnic hergestellt wird. Die verschiedenen Betriebsmodi sind in den nachfolgenden Kapiteln näher erläutert
Modulated Mode (AC)
In diesem Modus detektiert der Sensor modulierte bzw. regulierte Infrarot-Signale. Dazu zählen z. B. Fernbedienungen oder der IR Ball. In dem AC Mode filtert der Sensor ungewollte IR Signale heraus. Dazu gehören z.B. Interferenzen, die von Licht oder Sonne verursacht werden. In diesem Modus ist er auf Rechtecksignale mit einer Frequenz von 1200 Hz eingestellt.
Un-modulated Mode (DC)
In diesem Modus ist der Sensor in der Lage unmodellierte und unbestimmte IR-Signale zu identifizieren und zu messen.
Aufbau und Funktionsweise
Der Sensor besteht aus mehreren Teilen. Das Gehäuse ist aus Plastik. Weitere konstruktive und elektrische Komponenten sind:
- 5 IR Sensoren, die jeweils in verschiedene Richtungen zeigen
- eine abgerundete Objektivabdeckung, die dafür sorgt, dass eine unverzerrtes IR-Signal empfangen werden kann
- ein leistungsfähiger DSP (digital signal processor) Prozessor, der die Signalverarbeitung für alle 5 Ein- und Ausgänge der Photodioden übernimmt (Verarbeitung von DC Signalen wie auch modulierten Signalen in einem Frequenzbereich zwischen 600 Hz und 1200 Hz)
- ein Oszillator, der bei 10 Mhz läuft
- und ein IC für die Signalvorverarbeitung
Für die jeweiligen fünf Infrarot Detektoren ist einem spezifischen Sektor zugewiesen. Die 5 Detektorsektoren sind in 9 Bereiche aufgeteilt. Jeder Detektor gibt Werte zwischen 0 bis 255 aus. Ein gemessener 0 Wert auf ein nicht gefundenes IR-Signal zurückzuführen ist und 255 der höchst gemessene Wert ist. Jeder Ir Detektor ist als in der Lage ein IR-Signal zu identifizieren und seine Stärke zumessen
Einleitung
Spezifikationen IR Seeker V2
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