Czujniki odległości

Czujniki odległości należą do jednych z najważniejszych czujników zarówno w robotyce amatorskiej jak i przemysłowej. Są najłatwiejszym sposobem na poznanie otoczenia robota. Możemy je podzielić na optyczne, ultradźwiękowe i laserowe. Zasada jest prosta, wysyłamy fale i odbieramy ją.

Czujniki optyczne

Tutaj się pewnie większości nasuwa firma Sharp i nic dziwnego, bo ich czujniki są najbardziej popularne w robotyce amatorskiej. Więc też opiszę zasadę działania tych czujników.

sharp

Ponieważ te czujniki wykorzystują światło podczerwone, czyli fale elektromagnetyczną, która rozchodzi się bardzo szybko(299 792 458 m/s), więc zmierzenie czasu powrotu jest mało możliwe. Trzeba zastosować coś innego. Z pomocą przychodzi prosta optyka. Wysyłamy fale w kierunku przeszkody, ona odbija się i wraca do czujnika, a my odczytujemy kąt pod jakim powróciła. Pomiar kąta jest zrealizowany przy użyciu soczewki i małej matrycy światłoczułej. Uzyskujemy trójkąt prostokątny, gdzie znamy jeden bok i jeden kąt. Po prostych obliczeniach trygonometrycznych poznamy odległość od przeszkody od której odbiła się fala elektromagnetyczna. Rysunek poniżej dokładnie to przedstawia.

sharp_zasada_działania

W zależności od konkretnego modelu czujnika zwracają one wartość analogową lub cyfrowo. Do najpopularniejszych czujników odległości firmy Sharm możemy zaliczyć:

  • Analogowe
    • GP2Y0A41SK0F
    • GP2Y0A02YK0F
  • Cyfrowe
    • GP2Y0D805Z0F
    • GP2Y0D810Z0F

Oczywiście wybór jest o wiele większy, zależnie od tego jaki zakres pomiarowy nas interesuje.

Dzięki pomiarowi kąta padania czujniki te są bardzo odporne zmianę koloru otoczenia i ilości światła. Jednaj z własnego doświadczenia wiem, że da się je oszukać przy pomocy gorących obiektów, które emitują duże ilości podczerwieni. Zdarzało się, że gorący kaloryfer lub kominek zakłócał prace czujnika Sharp, więc na to trzeba urażać.

Czujniki ultradźwiękowe

W przypadku czujników ultradźwiękowych jest dużo otwartych rozwiązań, ze względu na mały stopień skomplikowania metody pomiaru. Pomiar odległości polega na wysłaniu fali ultradźwiękowej w stronę przeszkody, a następnie nasłuchiwać jej powrotu. Jako, że ultra dźwięki to fala mechaniczna, czyli rozchodzi się w powietrzu z prędkością 340,3 m/s. Jest to na tyle mała prędkość, że mikrokontroler jest w stanie zarejestrować dokładnie czas w jakim fala przebyła drogę od emitera do przeszkody i od przeszkody do detektora.

czujnik_ultradźwiękowy

Aby obliczyć odległość wystarczy zastosować równanie

czujnik_ultradźwiękowy_wzor

Gdzie:

  • D – mierzona odległość
  • t – czas w jakim pokonała fala drogę

Musimy podzielić przez dwa, ponieważ fala pokonuje dwa razy tą drogę, do przeszkody i od przeszkody. W celu zoptymalizowania programu polecam używać tego równania:

czujnik_ultradźwiękowy_wzor2

A rysunek poniżej przedstawia jak wygląda to wizualnie.

czujnik_ultradzwiekowy_zasada_dzialania

Czujniki ultra dźwiękowe nie są podatne na kolor ilość światła, ani temperaturę otoczenia, ale nie są bez wad. Fale ultradźwiękową da się rozproszyć, na przykład jeżeli przeszkoda będzie wykonana ze pianki, gąbki, grubego materiału, będzie miała bardzo nierówną przestrzeń, to fala zginie, albo się rozproszy. A dla czujnika to będzie tak jak by tam nic nie było, więc trzeba na to uważać, albo wykorzystywać, na przykład w robotach sumo do oszukania przeciwnika.

Czujniki laserowe

Najbardziej złożony typ czujników odległości, mało osiągalny dla amatora, chociaż widywałem domowe projekty takich czujników i jest to osiągalne, ale nie dorównuje parametrami to profesjonalnych urządzeń.

Najprostszą metodą realizacji takiego czujnika jest zastosowanie kamery i zwykłego wskaźnika laserowego. Wskaźnik ustawiamy tak aby świecił w stronę którą obserwuje kamera, ale pad znanym mam kątem. Kiedy programowo wyciągniemy pozycje kropki lasera z obrazu kamery, to zależnie do położenie na obrazie czerwonego punktu to taką mamy odległość do obserwowanego obiektu. Metoda podobna jak w czujnikach Sharp.

Istnieją bardzo złożone czujniki typu LIDAR, których podstawowa zasada działania to rozpraszanie światła wysłanego przez laser na różnego rodzaju cząstkach w atmosferze. Natężenie światła rozproszonego zależy od wielkości cząstek i długości fali. A analiza światła rozproszonego daje informacje o otoczeniu.

LIDARy mają zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, od geologi, przez robotykę, astronomie aż po meteorologie. Opis tych urządzeń zasługuje na cały osobny artykuł, który być może powstanie w przyszłości.

Komentarze do „Czujniki odległości

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.