Kozept

Motivation

Die Verwendung des IR-Abstandssensors SHARP 2Y0A02 zeigt schnell auch die Grenzen dieses Bauteils auf: Mit einer Reichweite von maximal 200 Zentimetern ist das Modul für den großen Zeppelin mit einer Länge von über fünf Metern nicht sinnvoll einsetzbar. Hinzu kommt, dass der Sensor zu unzuverlässig und zu langsam arbeitet, als dass man damit den Zeppelin sicher vor Hindernissen warnen könnte. Auch wenn man mit geeigneten Algorithmen, beispielsweise die verwendete Mittelung mit Weglassen des größten und kleinsten gemessenen Wertes, die Zuverlässigkeit des SHARP-Sensors deutlich steigern kann, so wird die Dauer pro Messung aus einer Richtung noch erheblich größer.

Ziel ist es also ein System zu finden, das folgende Anforderungen erfüllt:

  1. Hohe Reichweite in Relation zur Länge des großen Zeppelins
  2. Schnelle Ausgabe von verlässlichen Daten
  3. Günstig in der Anschaffung
  4. Integrierbarkeit im Zeppelin

 

Konzeptionierung

Mit diesen Anforderungen als Ziel habe ich mir folgendes Konzept für einen Eigenbau-Infrarot-Abstandssensor überlegt (siehe Bild 1):

Bild 1: Signalflussplan des Eigenbau-Abstandssensors

Erläuterungen zu Bild 1:

  • Schwarze Pfeile: Informationstragende und für die Steuerung relevante Signale
  • Sämtliche rote Linien und Pfeile: Spannungsversorgung.

Ebenen:

5V für sämtliche Logik-Gatter und den Timer

7V und -7V für die Versorgung der Operationsverstärker

ca. 2,3V (aus einem einstellbaren Spannungsregler) für den IR-Emitter

  • gelbe Pfeile: gesendete und reflektierte Lichtimpulse
  • „read“ und „write“: Befehle für den Microcontroller in der Funktion als Steuerung und Auswertung der Schaltung

 

Der gezeigte Signalflussplan ist die Grundlage für eine analoge, jedoch von einem Microcontroller gesteuerte Schaltung.

Die genaue Funktionsweise des gezeigten Signalflussplans wird in nachfolgender Übersicht (siehe Bild 2) erläutert, wobei die angegebenen Graphen die (idealen) Signale nach der jeweiligen Box in Bild 1 darstellen. Mit in die Signalskizzen aufgenommen wurden die jeweiligen Verzögerungszeiten tXY, die durch die Verwendung von realen Bauteilen verursacht werden.

Bild 2: Informationsverlauf im Eigenbau-Abstandssensors

Den Kern des Systems bildet der Integrierer mit vorgeschaltetem AND-Gatter, da hier die Entfernungsinformation aus der Zeitverzögerung ∆t zuerst in die Impulsweite und anschließend in die Impulshöhe verlagert wird. Dieser Spannungswert kann dann durch einen Microcontroller mit AD-Wandler abgefragt werden.

Bei der Wahl des Microcontrollers muss also nicht auf eine möglichst hohe Taktung (in der Regel teuer) geachtet werden, da der Controller nicht als Vergleichsuhr, sondern nur als Steuerung und Signalauswertung fungiert.

Aufgabe des Hochpassfilters und des Komparators ist die Bereinigung des Empfangssignals von Störeinflüssen: Während der Hochpass vor allem Störgrößen in einem Innenraum wegfiltern soll (100Hz Flimmern von Leuchtstoffröhren), zieht der Komparator einen konstanten, jedoch einstellbaren Wert vom Empfangssignal ab, wodurch im Freien die Einflüsse des hochfrequenten Streulichts der Sonne reduziert werden sollen.

Das Duty-Cycle-Verhältnis von 0,004 resultiert aus der Überlegung, dass die durch die Entfernung verursachte Zeitverzögerung möglichst gut in der Weite des Rechteck-Signals nach dem AND-Gatter erkennbar sein soll; mit 400ns Pulsdauer sind maximal 50m detektierbar, bei einer größeren Entfernung ist das Ausgangssignal des AND-Gatters stets auf null. Die 100μs Verzögerung bis zum nächsten Impuls werden für die Abtastung durch einen Microcontroller mit AD-Wandler benötigt.

Die Reichweite dieses Konzepts ist theoretisch nur von der eingestellten Weite des Rechtecks im Referenzsignal (400ns) und von der Leistung des IR-Emitters abhängig. Da dieser jedoch nicht direkt am Schaltsignal anliegt, sondern durch eine externe Stromversorgung mittels Spannungsregler gespeist wird, kann ein beliebig starker, nach oben nur durch die maximalverträgliche Stromstärke des Spannungsreglers begrenzter Emitter (oder auch ein ganzes Array aus einzelnen IR-LEDs) an dieser Stelle angeschlossen werden. Bedingung ist lediglich, dass die Schaltzeiten des verwendeten Emitters so klein wie möglich sind (gut geeignet: kleiner als 10ns).

 

Fazit des LIDAR-Projekts:

Das LIDAR-Projekt wurde in einer weiteren Ingenieurspraxis fortgesetzt und wegen schaltungstechnischem Aufwand, der mit den normalen zu Verfügung stehenden Bauteilen nicht zu bewerkstelligen war, beendet. Der Grund liegt zum einen in der extrem kurzen Signallaufzeit von Sende- zu Empfangsdiode. Um einen Abstand von 2 m zu messen, muss das IR-Signal 4 m zurücklegen, was bei Lichtgeschwindigkeit 13,333 ns Laufzeit bedeutet. Zum anderen wird das Empfangssignal bei größeren Entfernungen deutlich schlechter und die Flanken des Empfangen Signals werden sehr flach, was eine Rekonstruktion deutlich erschwert. Auch das Impulsverhalten von den verwendeten Sende und Empfangsdioden sind nicht für diese Art von Einsatz ausgelegt. Beide Bauteile reagieren deutlich zu träge. Ein weiteres Problem stellt die kapazitive Beinflussung der Sende- und Empfangseinheit dar. Schon geringste Leiterbahnstrecken die von beiden Einheiten parallel verlaufen machen das empfangene Signal unbrauchbar. Die Signalaufbereitung mittels Vorverstärkertransistoren und Operationsverstärkern stellt hierbei das geringere Problem dar, wie überhaupt ein brauchbares Signal zu empfangen.

 

Ansätze:

Ein Ansatz wäre die Verwendung eines IR-Lasers, damit mehr und vorallem punktuell Licht von einem Gegenstand reflektiert werden kann, um ein abtasten von z.B. einem Raum zu ermöglichen. Vorallem Sende und Empfangseinheit müssen absolut für Laufzeiten von wenigen Nanosekunden tauglich sein.

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