Távolságmérés
A távolságmérők valamilyen kibocsátott rezgés (hang vagy fény) adott objektumról való visszaverődés távolságát az eltelt idővel mérik. A hangalalpú (sonáros) távolságmérő eszközöknél a fényalapúak pontosabbak, és itt is a lézeres mérés precízebb, mint az infravörös visszaverődés-mérés (elvileg, ha a hardver megbízható). Típusai:
hangalapú (szonár) szenzorok
Az angolul Ultra-Sonic Ranger nevű technikai megoldás két elemből áll, egy hangszóróból, ami hanginpulzusokat bocsát ki, és egy mikrofonból, ami érzékeli ezeknek a visszaverődését. A kiadás és az érzékelés között eltelt időből – a hang terjedési sebességét iserve – a távolság kiszámolható. Ide tartoznak:
infravörös távolságérzékelő szenzorok
A szenzor az ún. háromszögeléses módszerrel működik. A szenzor egy keskeny infravörös fénnyalábot bocsát ki (az IR fény hullámhossza 850nm ± 70nm). A kibocsátott IR fény a tárgyakról visszaverődik. Az érzékelő egy optikával leképezi a visszavert fényt egy CCD-re. Attól függően hogy milyen messze van a céltárgy, más-más szögben érkezik vissza a visszavert fény, és ennek megfelelően más-más CCD pixelre fókuszálódik. Ebből már meghatározható a távolság.
lézeres távolságérzékelő szenzorok
A lézeres érzékelők is – csakúgy, mint az IR-esek – az ún. háromszögeléses módszerrel működnek. A szenzor által kibocsátott lézernyaláb, a mért felületről visszaverődve, egy lencsén át az érzékelő CCD illetve CMOS fényszenzorának felületére vetül. A reflektáló felület közelítésével illetve távolodásával a fényszenzorra vetített pont helyzete is változik, aminek kiértékelésével az elektronika meghatározza a távolságot.
TOF10120 lézeres távolságérzékelő modul
A TOF10120 távolságérzékelését a gyártó Sharp SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) eljárással valósítja meg, melyet CMOS-alkalmazásával használ. Pontosabb eredményt biztosít, a környezeti fénnyel szemben ellenállóbb és optikai kialakításának köszönhetően a térgyérzékelése is megbízhatóbb. A modul class 1 940nm-es lézert alkalmaz a méréshez, érzékelési távolsága 10 .. 180 cm. Kimenete UART, kommunikációja lehet RS232, I²C vagy IIC.
Technikai jellemzők
- Érzékelés távolsága: 100 .. 1800 mm
- Tápfeszültség: 3 .. 5V DC
- Áramfelvétel: 35mA
- Üzemi hőmérséklet: -20 .. +70 °C
- UART: 9600 baud, 8N1, Flow Control : None
Vezeték-kiosztás
- ①GND Black
- ②VCC Red
- ③RXD Yellow
- ④TXD white
- ⑤SDA blue
- ⑥SCL purple
Vezetékezés az Arduinoval
A vezetékezés attól függ, hogy I²C-t vagy Serial-t alkalmazunk. Mind a 6 vezetéket felesleges egyszerre bekötni, 4-nek elégnek kell lennie.
TOF10120 | Arduino pin | Megjegyzés |
---|---|---|
1.fekete | Arduino GND | GND |
2.piros | Arduino 5v DC | 5v DC táp |
3.sárga | Pin 1 Tx | RxD : A serialhoz kell bekötni |
4.fehér | Pin 0 Rx | TxD : A serialhoz kell bekötni |
5.kék | Pin A4 | SDA : Az I²C-hez kell bekötni |
6.zöld | Pin A5 | SCL : Az I²C-hez kell bekötni |
A serial Rx és Tx használata blokkolja a soros letöltést és a serial monitor használatát.
Szoftver
A lenti szoftver az I²C-t használja a kommunikációhoz, azaz a fenti táblázatnak megfelelően az Arduino pin0-t és pin1-et nem kell bekötni.
Sharp IR távolságérzékelők
Az Sharp távérzékelők népszerűek olyan projektekhez, melyek pontos távolságmérést igényelnek. Ez az infravörös érzékelő sorozat megbízhatóságával kiemelkedik a többi IR érzékelő sorából. Illesztése a mikrokontrollerekhez egyszerű: az egy analóg kimenet analóg-digitális átalakítóhoz csatlakoztatható távolságmérések elvégzéséhez, vagy a kimenet kompenzátorhoz csatlakoztatható a küszöbérzékeléshez.
A különböző verziónak az érzékelési tartománya nagyjából 10 cm-től 150 cm-ig terjed; a távolságot minden esetben a kimeneti feszültséggel képezik le a mérőegységek.
A legtöbb Sharp típus 3 pólusú JST csatlakozót használ, amely a 3 pólusú JST kábelhez csatlakozik az Sharp távérzékelőkhöz. A hátulról nézve a balról jobbra lévő három csatlakozás a táp (piros), a föld (fekete) és a kimeneti jel (sárga).
A Sharp IR távérzékelők méréshez PSD szenzort használnak:
Fontos tudni, hogy a szenzorok távolság-feszültségkonverziója még véletlenül sem lineáris. A lenti ábrán például a GP2Y0A21YK feszültség -távolsággörbéje látható:
Néhány Sharp IR távérzékelő típus
típus | Üzemi feszültség | Áramfelvetel | Távolságmérési tartomány | megjegyzés |
---|---|---|---|---|
GP2Y0A60SZ(LF) | 2 működési mód 3V: 2,7..3,6V 5V: 2,7V..5,5V | 33 mA | 10..150 cm-ig | Modul: 3V Pololu Válaszidő: kb. 16.5 ± 4 ms Engedélyező jel is van rajta |
GP2Y0A02(YK0F) | 4,5..5,5 V | 33 mA | 20..150 cm-ig | Kimeneti feszültségkülönbség a távolságtartományon belül: 2,05 V Válaszidő: kb. 38.3ms ± 9.6ms |
GP2Y0A21(YK0F) | 4,5..5,5 V | 30 mA | 10..80 cm-ig (4„..32”) | Talán a leggyakoribb alkalmazott típus Kimeneti feszültségkülönbség a távolságtartományon belül: 1,9 V Válaszidő: kb. 38.3ms ± 9.6ms |
GP2Y0A41(SK0F) | 0,4..2,5 V | 12 mA | 4..30 cm-ig | Kimeneti feszültségkülönbség a távolságtartományon belül: 2,3 V Válaszidő: kb. 16.5 ± 4 ms |
GP2Y0A51(SK0F) | 0,4..2,5 V | 12 mA | 2..15 cm-ig | Kimeneti feszültségkülönbség a távolságtartományon belül: 1,65 V Válaszidő: kb. 16.5 ± 4 ms |
Néhány Sharp IR távérzékelő adatlap
distance_ir_analog_sharp_gp2y0a21yk.pdf
distance_ir_analog_sharp_gp2y0a21yk_new.pdf
distance_ir_analog_sharp_gp2y0a41sk0f.pdf
Vezetékezés
piros vezeték (táp): Arduino +5V DC
fekete vezeték (föld): Arduino GND
sárga vezeték (jel): Arduino analóg input
Az IR-LED belső időzítése miatt előfordulhat, hogy a tápvezetéken zavarójelek kerülhetnek ki a mérőegységből. Ezek kiküszöbölésére többen javasolják, hogy érdemes a táp- és földvezeték közé egy 1..10μF-os szűrőkondenzátort beiktatni.
Szoftver
GP2Y0A21(YK0F), GP2Y0A41(SK0F):
A szoftverpéldákat ezúttal is a Githubon érdemes keresgélni, például itt: https://github.com/jeroendoggen/Arduino-distance-sensor-library
HC‑SR04 szonárszenzor
A modul a hangvisszaverődés idejét mérve következtet a távolságra, azaz szonár-elven működik (mint a tengeralattjárók szonárja). Természetesen ez a modul is több néven ismert, például: SRF04 - Ultra-Sonic Ranger.
A mérés egy 10 μs-os TTL impulzussal indítható. Ezt követően a modul 8 cikluson keresztül 40 kHz-es hangimpulzusokat ad ki, majd a mikrofonnal érzékeli ezeknek a visszaverődését. A távolság a
válaszidő (μs) / 58 = távolság (cm)
vagy
válaszidő (μs) / 148 = távolság (inch)
képletekkel számolható ki, ennek a számításnak a háttere:
A távolságmérés a hanghullámok visszaverődésének a figyelése alapján történik. A hanghullámok kibocsátási és visszaérkezési idejét ismerve kiszámolható a mérés ideje.
Ezt kell a hangsebességgel beszorozni. Az ehhez szükséges számolásban a csavar, hogy a hangsebesség a légköri nyomás és hőmérséklet függvényében is változik. Jelen esetben csak a hőmérséklet-korrekciót építjük be a számításba, az ehhez szükséges formula:
331.5 + 0.6 * t
Ha a hőmérséklet például 20° C, akkor a hang terjedési sebessége: 331.5 + 0.6 * 20 = 331.5 + 12 = 343.5 m/s, azaz 0.03435 cm/µs. Ebből az is átszámolható, hogy a hangnak 29,112 mikroszekundumra van szüksége egy centiméter megtételéhez (1/0.03435 cm/µs = 29.112 µs/cm). Nyilván a hang esetén az oda-vissza utat is számolni kell, így jön ki a fenti (kerekített)
válaszidő (μs) / 58 = távolság (cm)
A méréseket nem érdemes 60 ms-on belül ismételni, mert zavarhatják egymást:
A modult a tapasztalatok alapján érdemes úgy a tápfeszülségre csatlakoztatni, hogy először a grund (GND) kerüljön a modulra.
A mérés bizonytalanná válik, ha a visszaverődési felület kisebb, mint 0,5 m².
A legtöbb szoftver, ha kifut a felügyeleti időből, válasz nélkül (azaz túl nagy a távolság), „0” értékkel tér vissza, amit a szoftverben külön vizsgálni kell.
Technikai adatok
jellemző | adat |
---|---|
Üzemi feszültség | DC 5V |
Áramfelvétel | 15 mA |
Üzemi frekvencia | 40 kHz |
Maximális távolság | 4m |
Minimális távolság | 2cm |
Mérés pontossága | > 3mm |
Mérési tartomány (szög) | 15° |
Trigger jel | 10 μs TTL impulzus |
Pinek
jelölés | leírás |
---|---|
Vcc | táp, 5V DC |
Trig | „ping” kiküldése |
Echo | válasz (viszhang) a „ping”-re |
GND | grund |
HC‑SR04 adatlap
Vezetékezés
Arduino 5V ↔ HC-SR04 Vcc
Arduino GND ↔ HC-SR04 Gnd
Arduino pin 11 ↔ HC-SR04 „Echo”
Arduino pin 12 ↔ HC-SR04 „Trig”
Github
A modulhoz könyvtár és példaprogramok a Github-ról letölthetők:
Források
Ultrasonic távolságmérő szenzor
Az autóknál tolatóradarként funkcionáló szenzort a fenti HC-SR04 szenzorhoz hasonlóan kell vezetékezni és programozni. Azzal szemben ennek az előnye, hogy nagyobb távolságra érzékel és vízálló. Adatlapja:
Üzemi feszültség: DC 5V
Készenléti áramfelvétel: 5mA
Üzemi áramfelvétel: 30mA
Átviteli frekvencia: 40KHz
Maximális távolság: 5M
Holttér: 25cm
Pontosság: 0.5cm
Látószög: <50°
Üzemi hőmérséklet: -10 to 70 °C
Tárolási hőmérséklet: -20 to 80°C
Méret: 41×28.5mm
Vezetékhossz: 2.5m