Messkette Abstandssensorik

Autor: Jonas Hokamp
Betreuer: Prof. Schneider

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Der verbaute Infrarot-Sensor Sharp GP2D120

Einleitung

In diesem Artikel wird die Messkette der Abstandssensorik beziehungsweise des Infrarot-Sensors des Carolo Cup Fahrzeugs beschrieben. Dabei wird mit Hilfe der Messkette der Sensor von seiner Signalaufnahme bis hin zum ausgegebenen Signal beschrieben. An dem kompletten Fahrzeug sind vier Infrarot-Sensoren zur Abstandsbestimmung montiert. Sie dienen der Messung von Entfernungen zu Objekten oder Wänden in einem Abstandsbereich von 4-30cm. Der gewählte Sensor ist der Sharp GP2D120 (siehe Bild).

Interner Aufbau

Blockschaltbild des Infrarot-Sensors

Schaltbild

Grundsätzlich kann man den Sharp GP2D120 als IC sehen, der aus mehreren Schaltungen und Komponenten zusammengesetzt ist. Dabei gibt es zwei Hauptelemente in Form von Dioden, eine LED, welche Infrarot-Signale aussendet und eine Photodiode, welche die ausgesendeten Signale wieder aufnimmt. Betrieben und verarbeitet werden diese Elemente durch verschiedene Schaltungen, welche hier kurz aufgeführt sind:

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

Anschlüsse

Der Sensor verfügt über die drei Anschlüsse GND, VCC und Vo. GND wird dabei mit der Betriebserde verbunden und VCC mit der Versorgungsspannung in Höhe von 5V, welche dann an den Block zur Spannungsregelung weitergeleitet wird. Der analoge Ausgang Vo wird mit einem analogen Eingang des Controllers verbunden, an dem letztendlich der Messwert hängt.

Funktionsweise

Verhältnis der Spannung am analogen Ausgang zur tatsächlichen Entfernung

Wie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben, verfügt der Sensor-IC über zwei Dioden. Die LED sendet dabei ein Infrarot-Signal aus, welches daraufhin von dem beleuchteten Objekt reflektiert wird. Das reflektierte Licht trifft anschließend auf die Photodiode, wo je nach Winkel beziehungsweise Position des eintreffenden Lichtes eine Spannung erzeugt wird. Diese Spannung ist ungefähr antiproportional zur Entfernung des Objektes und außerdem abhängig von der Reflexionseigenschaft der beleuchteten Oberfläche.

Darstellung der Messkette

Messkette des Infrarot-Sensors

Beschreibung der Messkette

1.
Zu Beginn des Messvorganges sendet der Sensor ein Infrarot-Signal aus seiner LED aus. Dieses Signal wird dann vom Objekt, auf das es trifft, reflektiert und auf die Photodiode im Sensor geworfen. Dabei können Reflexionseigenschaften oder eine Bewegung die Position und die Intensität des reflektierten Lichtes beeinflussen.
2.
Das reflektierte Licht wird im Sensor in eine Spannung zwischen ~0.3V und ~3V umgewandelt. Dabei wird der Sensor von einer externen Spannungsquelle mit VCC = 5V versorgt. Die an Vo anliegende Spannung wird für die Auswertung weitergeleitet. Rauschen und Spannungsspitzen können an dieser Stelle die Messwerte verzerren.
3.
An dem analogen Eingang des Controllers liegen dann Zahlenwerte an, die einer bestimmten Spannung entsprechen (abhängig von der Bit-Zahl des AD-Wandlers). Diese Werte werden an dem AD-Wandler nun in eine Spannung umgerechnet. Fehlerpotential bietet hier die Ungenauigkeit, welche durch den AD-Wandler gegeben ist.
4.
Die Spannungswerte werden als nächstes durch einen PT1-Filter geführt, welcher eben genanntes Rauschen und die Spannungsspitzen entfernen kann.
5.
Die gefilterten Spannungswerte werden nun anhand einer Lookup-Tabelle in eine Entfernung [cm] umgewandelt. Dabei orientiert sich die Lookup-Tabelle an wenige Vergleichswerte und berechnet aus den Vergleichswerten eine Kurve. Hier birgt die Ungenauigkeit der Lookup-Tabelle eine weitere Fehlerquelle.
6.
Letztendlich wird aus der Lookup-Tabelle heraus der gemessene Entfernungswert in cm an einen Ausgang weitergegeben.

Umsetzung im Simulink Modell

Sensorblock der Abstandssensorik

Online

Hier ist der Simulink-Block für die Abstandssensorik dargestellt. Die Schnittstelle der dSpace-Karte stellt hier die aufgenommenen Messwerte bereit und führt sie weiter zur Aufbereitung. Wie in der Messkette beschrieben, werden also, hier für jeden der vier Sensoren, die analogen Werte in Spannungswerte umgerechnet, dann durch einen PT1-Filter geführt und anschließend mit Hilfe der Lookup-Tabelle in eine Entfernung umgerechnet. Ergebnis ist ein Abstandswert für jeden der vier Infrarot-Sensoren. Diese Werte werden dann in dem Funktionsblock AEP(=Autonomes Einparken) weiterverwendet.

Offline

In der Offline-Simulation werden lediglich die x-und y-Koordinaten des Fahrzeugs aus dem Einspurmodell durch Koordinatentransformation in die Abstandswerte der einzelnen Infrarot-Sensoren umgewandelt. Hier erfolgt keine "echte" Messung.

Literatur

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