| Both sides previous revisionPrevious revisionNext revision | Previous revision |
| ru:examples:sensor:ir_distance [2010/12/16 09:35] – eduardtlmk | ru:examples:sensor:ir_distance [Unknown date] (current) – removed - external edit (Unknown date) 127.0.0.1 |
|---|
| ====== Инфракрасный датчик расстояния ====== | |
| |
| //Необходимые знания: [HW] [[et:hardware:homelab:sensor]], [HW] [[et:hardware:homelab:lcd]], [AVR] [[et:avr:adc]], [LIB] [[et:software:homelab:library:adc]], [LIB] [[et:software:homelab:library:module:lcd_alphanumeric]], [LIB] [[et:software:homelab:library:module:sensor]]// | |
| |
| ===== Теория ===== | |
| |
| [{{ :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_gp2y0a21yk_picture.jpg?240|Sharp GP2Y0A21YK}}] | |
| |
| Для измерения расстояния до объекта существуют оптические датчики, работающие на методе триангуляции. Самые распространенные из них - это работающие на длине волны, инфракрасные (на английском языке //infra-red//, сокращенно IR) датчики расстояния с выходным аналоговым напряжением, производимые фирмой Sharp. У датчиков Sharp имеется IR LED с линзой, который излучает узкий световой луч. Отраженный от объекта луч направляется через другую линзу на позиционно-чувствительный фотоэлемент (на английском языке //position-sensitive detector//, сокращенно PSD). От местоположения падающего на PSD луча, зависит его проводимость. Проводимость преобразуется в напряжение и, к примеру, дигитализируя его аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера, можно вычислить расстояние. Ниже приведенный рисунок | |
| |
| показывает путь отраженного луча на различных расстояниях. | |
| |
| [{{ :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_principle.png?240|Путь светового луча IR измерителя расстояния}}] | |
| |
| Выход датчика расстояния Sharp обратно пропорциональный - с увеличением расстояния это уменьшается и растет медленно. Точный график между расстоянием и выходом приведен в спецификации датчика. У датчиков, в соответствии с типом, имеется граница измерения, в пределах которой выход датчика является надежным. Измерение максимально реального расстояния ограничивают два аспекта: уменьшение интенсивности отражающегося света и невозможность PSD регистрировать изменение местоположения отображенного маленького луча. При измерении сильно отдаленных объектов, выход датчика остается приблизительно таким же, как и при измерении максимально отдаленных расстояний. Минимально измеряемое расстояние ограничено особенностями датчика Sharp, а именно - выходное напряжение на определённом расстоянии (в зависимости от датчика: 4-20 см) начинает резко падать при уменьшении расстояния. По существу это означает, что одному значению выходного напряжения соответствует два расстояния. Для предотвращения проблемы нужно избегать слишком близкого приближения объектов к датчику. | |
| ===== Практика ===== | |
| |
| [{{ :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_graph.png?240|График напряжения-расстояния типичного IR измерителя расстояния Sharp}}] | |
| |
| В комплекте датчиков Домашней Лаборатории есть инфракрасный измеритель расстояния Sharp GP2Y0A21YK с границей измерения 10-80 cм. Выходное напряжение датчика до 3 V в зависимости от измеряемого расстояния. Датчик подключается на модуль «Датчики» и его выходное напряжение направляется на канал 0 аналого-цифрового преобразователя AVR. На базе предыдущего задания датчиков, можно просто сделать программу, которая измеряет выходное напряжение измерителя расстояния, но вдобавок к этому целью данного задания является так же ознакомление с процессом перевода напряжения в расстояние. | |
| |
| В спецификации датчика GP2Y0A21YK приведен график зависимости между выходным напряжением и измеренным расстоянием. Этот график не является линейным, однако график обратной величины выходного напряжения и расстояния почти линейный, и с помощью него довольно просто найти формулу для преобразования напряжения в расстояние. Для нахождения формулы необходимо точки этого графика ввести в какую-либо программу обработки табличных данных и из них создать новый график. В программе обработки табличных данных на основе точек графика возможно автоматически вычислить линию тренда. Далее приведен график связи исправленной обратной величины между выходным напряжением GP2Y0A21YK и расстоянием вместе с линейной линией тренда. Выходное напряжение для упрощения формулы уже переведено в 10-битное значение аналогово-дигитального преобразователя с опорным напряжением +5 V. | |
| |
| [{{ :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_gp2y0a21yk_graph_calculation.png?580 |График линеаризации расстояния и значения ADC}}] | |
| |
| Как видно на графике, линия тренда (синяя) совпадает довольно точно с точками графика (красная линия). Такое совпадение достигнуто с помощью корректирующей константы расстояния. Корректирующая константа найдена методом проб и ошибок - испробованы разные числа, пока не были найдены те, при которых график покрыт линией тренда больше всего. Корректирующая константа для данного графика это +2, т.е. ко всем реальным расстояниям в графике прибавлено 2. Так как график очень похож на линейную линию тренда, можно сделать обобщение и сказать, что взаимосвязь между расстоянием и напряжением следующая: | |
| |
| 1 / (d + k) = a ⋅ ADC + b | |
| |
| где | |
| |
| * d - расстояние в сантиметрах | |
| * k - корректирующая константа (найдена методом проб и ошибок) | |
| * ADC - это значение дигитализированного напряжения | |
| * a - линейный член (значение выходит из уравнения линии тренда) | |
| * b - свободный член (значение выходит из уравнения линии тренда) | |
| |
| Из формулы можно выразить расстояние d: | |
| |
| d = (1 / (a ⋅ ADC + B)) - k | |
| |
| В принципе, этим уравнением можно вычислить расстояние, но это предполагает вычисления плавающей запятой, потому что в частном образуются дробные числа. Для микроконтроллера, оперирующего целыми числами, придется упростить формулу и перевести в большие множители. Разделив частное формулы на линейный член, получим следующий вид: | |
| |
| d = (1 / a) / (ADC + B / a) - k | |
| |
| Введя в формулу значение корректирующей константы и полученный из уравнения линии тренда линейный и свободный член (полученный из рисунка), получим формулу для вычисления расстояния: | |
| |
| d = 5461 / (ADC - 17) - 2 | |
| |
| Эта формула вычислена 16-битными целыми числами и полностью подходит для AVR. Перед вычислением придется убедиться, чтобы значение ADC было выше 17, иначе получится деление на ноль или отрицательное расстояние, что не логично. | |
| |
| Далее приведена записанная в библиотеке Домашней Лаборатории функция перевода значения ADC в сантиметры. Линейный и свободный член, а также корректирующая константа не вписаны жестко в функцию, но они задаются объектами параметра структуры IR датчика расстояния. Сохраняя параметры отдельно в константе, есть возможность позже просто добавить в программу новые модели IR датчиков расстояния. | |
| ~~PB~~ | |
| <code c> | |
| // | |
| // Структура параметров IR датчика расстояния | |
| // | |
| typedef const struct | |
| { | |
| const signed short a; | |
| const signed short b; | |
| const signed short k; | |
| } | |
| ir_distance_sensor; | |
| |
| // | |
| // Объект параметров датчика GP2Y0A21YK | |
| // | |
| const ir_distance_sensor GP2Y0A21YK = { 5461, -17, 2 }; | |
| |
| // | |
| // Перевод значения ADC датчика расстояния IR в сантиметры | |
| // Возвращает -1, если преобразование не удалось | |
| // | |
| signed short ir_distance_calculate_cm(ir_distance_sensor sensor, | |
| unsigned short adc_value) | |
| { | |
| if (adc_value + sensor.b <= 0) | |
| { | |
| return -1; | |
| } | |
| | |
| return sensor.a / (adc_value + sensor.b) - sensor.k; | |
| } | |
| </code> | |
| Для создания перевода нужно вызвать функцию //ir_distance_calculate_cm// первый параметр которого - это параметр объекта IR датчика расстояния, а второй - значение ADC. Функция возвращает вычисленное расстояние в сантиметрах. При неправильном расчете (т.е. при неестественном значении ADC) возвращает функция -1. Использование IR датчика расстояния и функции преобразования демонстрирует следующая программа. Используется буквенно-цифровой LCD экран, где отображаются результаты измерения. При неестественном расстоянии отображается вопросительный знак. | |
| |
| ~~PB~~ | |
| |
| <code c> | |
| // | |
| // Пример программы IR датчика расстояния Домашней Лаборатории. | |
| // На LCD экране отображается измеренное расстояние в сантиметрах. | |
| // | |
| #include <stdio.h> | |
| #include <homelab/adc.h> | |
| #include <homelab/delay.h> | |
| #include <homelab/module/sensors.h> | |
| #include <homelab/module/lcd_alpha.h> | |
| |
| // | |
| // Основная программа | |
| // | |
| int main(void) | |
| { | |
| signed short value, distance; | |
| char text[16]; | |
| | |
| // Настройка LCD экрана | |
| lcd_alpha_init(LCD_ALPHA_DISP_ON); | |
| | |
| // Очистка LCD экрана | |
| lcd_alpha_clear(); | |
| | |
| // Название программы | |
| lcd_alpha_write_string("Датчик расстояния"); | |
| | |
| // Настройка ADC преобразователя | |
| adc_init(ADC_REF_AVCC, ADC_PRESCALE_8); | |
| | |
| // Бесконечный цикл | |
| while (true) | |
| { | |
| // Считывание значения выходного напряжения датчика, округленного в 4 раза | |
| value = adc_get_average_value(0, 4); | |
| |
| // Пересчет значения ADC в расстояние | |
| distance = ir_distance_calculate_cm(GP2Y0A21YK, value); | |
| |
| // Возможно ли отобразить расстояние или сообщение об ошибке? | |
| if (distance >= 0) | |
| { | |
| sprintf(text, "%d cm ", distance); | |
| } | |
| else | |
| { | |
| sprintf(text, "Ошибка "); | |
| } | |
| |
| // Отображение текста в начале второй строки LCD | |
| lcd_alpha_goto_xy(0, 1); | |
| lcd_alpha_write_string(text); | |
| |
| // Пауза | |
| sw_delay_ms(500); | |
| } | |
| } | |
| </code> | |
| |
| ===== Дополнительные материалы ===== | |
| |
| * {{:examples:sensor:ir_distance:ir_distance.ods|Sharp GP2Y0A21YK anduri graafik}} | |
| * [[http://www.acroname.com/robotics/info/articles/irlinear/irlinear.html|Linearizing Sharp Ranger Data]] | |
| |
