Teoretyzowanie przed praktyką #1 - podczerwień w robotyce amatorskiej

[Treker (Damian Szymański)]

• Witam wszystkich użytkowników,
• z uporem maniaka postaram się przekonać Was jednak do wspólnych dyskusji na różne tematy. Zarówno praktyczne, jak i teoretyczne. O co chodzi? Już tłumaczę. Moim celem jest wywoływanie cyklicznych tematów, w których omawiać będziemy zagadnienia z robotyki amatorskiej. O jakie tematy chodzi? Przeróżne... Szczegółowe lub ogólnikowe, praktyczne i teoretyczne, dosłownie wszystko. Czasami wypowiedzieć się będzie mógł każdy. W innym przypadku temat będzie na tyle skomplikowany, że odezwać odważy się pewnie tylko garstka osób. Zawsze jednak po przeczytaniu zyskają wszyscy.

Dlaczego nazwa cyklu "Teoretyzowanie przed praktyką"? W każdym temacie, chciałbym dążyć do stworzenia projektu czegoś praktycznego. Jednak poprzedzimy to dyskusją na tematy teoretyczne. Nie ma co ukrywać, że większość z nas jest praktykami, prawda? Dlatego każdemu przyda się odrobina wiedzy teoretycznej. Temat do pierwszej dyskusji podsunął mi, po części, marek1707.

Tematem pierwszej dyskusji będzie:

Podczerwień w robotyce amatorskiej

Cel teoretyczny:

Omówienie zastosowania podczerwieni.

Jej właściwości, możliwości zakłócenia, przenikalności oraz różnych zastosowań - nie tylko jako czujniki odległości.

Cel praktyczny:

Stworzenie czujnika odległości opartego o IR.

Liczę, że uda się zaproponować coś innego niż dioda + TSOP. Konkretne założenia dla takiego projektu omówimy później.

Na początek zacznijmy od teorii. Czyli omówmy takie aspekty jak:

- co to właściwie jest podczerwień

- jakie są możliwe inne zastosowania w robotyce amatorskiej niż dalmierze

- zakłócenia czujników, mit czy prawda?

- wpływ oświetlenie zewnętrznego

- przewaga scalonych odbiorników podczerwieni

- zalety i wady gotowych czujników odległosci dużych i małych - w tym transoptory odbiciowe

- ...co tylko innego wpadnie Wam do głowy

Na początek zachęcam wszystkich do zapoznania się z już dostępnymi na Forbocie materiałami dotyczącymi podczerwieni. Na początek krótki wstęp w formie wpisu w naszym leksykonie robotyki. Do tego potężna dawka wiedzy w formie artykułu [Teoria] Podczerwień w robotyce.

Na cała dyskusje dajmy sobie minimum miesiąc.

Propozycje następnych tematów możecie przysyłać do mnie na PW.

[Treker (Damian Szymański)]

Na początek niezbędne minimum pozwolę zacytować sobie z leksykonu:

IR - Z ang. Infrared, czyli podczerwień. Jest to promieniowanie świetlne w zakresie długości fali od 780nm, aż do 1mm. Jest to światło niewidzialne dla ludzkiego oka, możliwa jest jednak jego obserwacja przy wykorzystaniu specjalnych urządzeń. Cechą charakterystyczną podczerwieni jest fakt, że jest bezpośrednio związana z ilością energii cieplnej wydzielanej przez obiekty. Im więcej energii wydobywa się z danego przedmiotu, tym „jaśniej” on świeci w świetle IR. Zależność tą wykorzystuje się bardzo często w ramach noktowizji (widzenia w ciemnościach), umożliwia także bezdotykowe badanie temperatury oraz wizualne lokalizowanie usterek (nieszczelności, nadmiernie grzejących się elementów) i obszarów zagrożonych pożarem.

W robotyce IR wykorzystuje się w wielu zastosowaniach - głównie w czujnikach optycznych, gdyż praca w tym paśmie ogranicza wpływ światła otoczenia na wyniki pomiarów. Jednym z najpowszechniejszych przykładów takich czujników są transoptory odbiciowe (CNY70, TCRT5000 itd.) oraz dalmierze optyczne (wszystkie tzw. SHARPy). Podczerwień jest również wykorzystywana w zdalnym sterowaniu. Tor transmisji zbudowany jest z nadajnika fal świetlnych (diody IR nadawczej) oraz odbiornika fal świetlnych (diody IR odbiorczej). Niekiedy w roli odbiornika wykorzystuje się zintegrowane układy ze wzmacniaczem i demodulatorem, jak chociażby popularne TSOPy.

Moje doświadczenia z podczerwienią zaczęły się na samym początku zabawy z robotyką, czyli ponad 7 lat temu. Pamiętam, że wymyśliłem sobie czujnik odległości i oczywiście natrafiłem na schemat TSOP + dioda + NE555. Nie wnikając czym jest to śmieszne fioletowe światełko widoczne tylko w aparacie fotograficznym zabrałem się do działania. Niestety nic mi z tego nie wyszło, więc rzuciłem wszystko w kąt. Właśnie takie było moje pierwsze spotkanie z IR

Dopiero później uruchomiłem czujnik, zainteresowałem się Sharpami i nadrobiłem braki teoretyczne. Teraz z racji zainteresowania linefollowerami wykorzystuję głównie transoptory odbiciowe. Jednak, tak naprawdę, podczerwień przydaje się w sumo i micromous. Ich konstruktorzy będą mieli chyba więcej do powiedzenia?

Z mojej strony głównym problemem jaki spotykam to zakłócenia od zewnętrznych źródeł światła. Tak na dobrą sprawę czasami zastanawiam się czy to nie jest jakiś mit. Od zawsze krzyczy się na ludzi, którzy robią zdjęcie przy LF'ach z włączoną lampą błyskową. Jednak nigdy w sumie nie widziałem, aby komuś to zaszkodziło - w widoczny gołym okiem sposób. Jak to jest w Waszym przypadku zauważyliście kiedyś znaczne utrudnienia przez warunki zewnętrzne? Nie mówiąc chwilowo o materiale na który pada wiązka podczerwieni, bo to już osobna historia. Pewnie zawodnicy sumo będą mieli coś więcej do powiedzenia na ten temat

[Bobby]

Ja na początek odniosę się do ostatniego akapitu. W moim robocie flash korzystam z czujników podobnych do tych w Shine'ie. W domu nie miałem z nimi najmniejszych problemów, a jak dotarłem na Robomaticon 2013 dzięki przeszklonemu dachowi mój robot kompletnie oślepł. Nie pomógł pomiar różnicowy (pomiar z zapalonymi i zgaszonymi diodami), gdyż czujnik jest nieliniowy. Inna sprawa, że mogłem dać też zbyt dużego pull-upa, przez co podczas pomiaru napięcia na fototranzystorze trafiałem jeszcze w zbocze. Ogólnie wydaje mi się, że jest to czujnik godny przyjrzenia się, bo przy dopracowaniu części sprzętowej i programowej (odcinanie tej nieszczęsnej składowej stałej, trafianie nie w zbocze z pomiarem, a w już stabilne napięcie) ma spore szanse na powodzenie w minisumo, szczególnie, że jest tańszy, mniejszy i szybszy od popularnych cyfrowych sharpów (z którymi jak dotąd nie miałem nigdy problemów). Na zakończenie dodam, że bardzo chciałbym ten czujnik uruchomić i żeby działał poprawnie, bo mój pierwszy ms miał je wykorzystywać i nie działał i po kilku latach powróciłem do tej koncepcji i chciałbym, żeby tym razem się udało.

Tak to wygląda:

W większych otworach diody SFH4511, w mniejszych fototranzystory TEFT4300.

Wcześniej fototranzystory były podpięte tylko z pullupami i mierzyłem spadek napięcia na nich, teraz chciałbym zastosować coś takiego, co powinno odciąć składową stałą:

[Treker (Damian Szymański)]

Bobby, czyli uważasz, że Twoje problemy to było zwykłe światło słoneczne padające przez dach, tak? W sumie trochę to dziwne, tym bardziej, że z tego co pamiętam dach nie przepuszcza 100% światła - może dla IR jest kompletnie przezroczysty. Jednak to zwykłe światło padające od góry. W domu chyba wtedy też powinieneś mieć takie problemy?

[Sabre]

Treker, szyby przepuszczają podczerwień niestety. Sam znam to z zawodów w Łodzi w Manufakturze. Pamiętam jak dziś jak chłopaki biegali z pudełkami po pizzy albo jakimiś plakatami żeby robić cień dla robotów. Mało tego, tor nagrzany przez słońce ma zupełnie inne właściwości niż część zacieniona. Ktoś powie, że to zupełnie inna długość fali, że to jest dalsza podczerwień, ale ja wiem jedno, że są spore różnice jak czujniki jadą po oświetlonym i zacienionym torze i zacienionym, ale nagrzanym wcześniej przez słońce.

Sam zaczynałem przygodę z podczerwienią od prostych fotokomórek na drzwi, ale ja robiłem już wzmocnienie przez tranzystor, do bazy którego był podłączony fototranzystor w szeregu z rezystorem polaryzującym bazę.

[Harnas]

Światło ma duże znaczenie, mój mm zachowywał się inaczej w labiryncie oświetlonym promieniami słońca, a inaczej gdy testowałem go późnym wieczorem przy zwykłych żarówkach.

Pamiętam jak na zawodach w Warszawie, gdzie źródłem światła były świetlówki, jeden z kolegów pokazywał mi po kolei odczyty ze swoich czujników w Micromouse. Mimo że stosował filtracje od składowej stałej, to i tak mniej więcej w takt 50Hz odczyty rosły i malały.

[Mechano]

Jak myślicie czy zastosowanie np. 3W diody ir znacznie zwiększyłoby zasięg czujnika np. z forum na attiny13? Myślę tu o zastosowaniu w sumo, więc zasięg ponad metr byłby super.

[Sabre]

Mechano, 3W diodą z odpowiednim kolimatorem miałbyś zasięg nie przesadzając co najmniej na kilkadziesiąt metrów. Do sumo wystarczy dobra dioda o wąskim kącie świecenia.

[Bobby]

Treker, w strefie serwisowej, w której testowałem czujniki nie było okien, tylko sztuczne oświetlenie - nie było problemów. Jak tylko wyszedłem na ten główny hol, w którym odbywały się zawody, czujniki szalały. Wszystkie testy w domu wykonywałem przy sztucznym oświetleniu, bo zawsze z robotami działam w nocy - jakoś mi lepiej wtedy

[Treker (Damian Szymański)]

Jak myślicie czy zastosowanie np. 3W diody ir znacznie zwiększyłoby zasięg czujnika np. z forum na attiny13? Myślę tu o zastosowaniu w sumo, więc zasięg ponad metr byłby super.

To jest chyba już przerost formy nad treścią. Szybkie impulsy dużego prądu, wąsko świecąca dioda i efekt będzie również zadowalający. Wydawało mi się, że ktoś kiedyś na forum pisał o testach, gdzie osiągał spore odległości.

A jak jest z błyskiem lampy z aparatu? Miał ktoś z Was jakieś doświadczenia lub wie coś więcej na ten temat?

Pytanie też czy jest to problem dla wszystkich czujników czy tylko dla niektórych? Przykładowo w niektórych transoptorach odbiciowych czasami serie danego produktu różnią się już sporo między sobą.

Druga sprawa to też kwestia podłoża/materiału na jaki padają promienie

[Carpe Diem]

Jak robiłem zdjęcie swojego ms z lampą to w momencie mignięcia robot zawracał bo widział linie-widmo.

[OldSkull]

Mechano, taka mocna dioda nie wiem czy nie będzie niebezpieczna dla zdrowia. Szczególnie z soczewką.

[Naelektryzowany]

Lampy błyskowe mają kilka wad przede wszystkim brak możliwości częstych błysków w celu pomiaru, widoczność - wręcz oślepianie widzów, no i trwałość. Nie jestem pewien co do widma, ale zgaduje, że ma baaaaardzo szeroki zakres.

Odnośnie czujników obiciowych. Jest co najmniej kilka sposobów na wyeliminowanie obcych źródeł odbieranej długości fali:

1. Otrzymanie pomiaru bezwzględnego. Odczyt analogowy na fotoodbiorniku przy zapalonym i zgaszonym źródle promieniowania, teoretycznie różnica tych wartości powinna być tylko i wyłącznie zależna od stopnia odbicia przez nas emitowanej wiązki.

2. Filtr RC, lub jakikolwiek inny, byle górnoprzepustowy, i "zamiatanie" diodą nadawczą wysoką częstotliwością. W sumie to popularne scalone odbiorniki ir typu TSOP działają na tej zasadzie, taki foto odbiornik i filtr w jednej obudowie.

Przyznam, że robiłem testy na zwykłym ledzie ir i fototranzystorze, bez modulacji i użycia jednego z powyższych sposobów eliminacji światła otoczenia wyniki były bardzo niestabilne i zależne od środowiska. Zresztą sam się przekonałem o tym na Robomaticonie. Czujniki mojego lf'a ledwo co widziały linię, mimo dostosowania progu, przy większych prędkościach miał spore problemy z jazdą.

W sumie to Bobby mnie uświadomił co jest nie tak i chwała Ci za to.

Gdyby nie taśma izolacyjna na wierzchu listwy z czujnikami nie ukończyłbym żadnego przejazdu.

Światło o długości fali zaliczanej do podczerwieni jest jak każde inne światło, również może być niebezpieczne. Tym bardziej, że nie jesteśmy w stanie go dostrzec. Nie bez przyczyny w dokumentacjach Ledów ir wysokiej mocy, czy laserów są stosowne ostrzeżenia. No i nie bez przyczyny są ochronne okulary z filtrem podczerwieni.

[Bobby]

1. Otrzymanie pomiaru bezwzględnego. Odczyt analogowy na fotoodbiorniku przy zapalonym i zgaszonym źródle promieniowania, teoretycznie różnica tych wartości powinna być tylko i wyłącznie zależna od stopnia odbicia przez nas emitowanej wiązki.

Żeby takie coś miało sens (przy pomiarze z większą rozdzielczością, nie tylko 1/0) przy najprostszym podłączeniu fototranzystora (pomiar napięcia odkładanego na pullupie) najpierw wyniki trzeba by linearyzować (przybliżenie za pomocą wielomianu lub coś) i dopiero potem odejmować - inaczej wychodzi kicha. Mógłby się ktoś może wypowiedzieć kto bardziej ogarnia elektronikę analogową, jak przy najmniejszej ilości elementów zrobić to sprzętowo? Czy zwykły filtr RC (i zapalanie diod na powiedzmy 100uS z dużym prądem i wtedy pomiar) byłby wystarczający?

[Treker (Damian Szymański)]

Czyli mamy pierwszy temat teoretyczny do omówienia, który dotyczy każdego z nas. Jak najlepiej programowo/sprzętowo dokonać filtracji otoczenia zewnętrznego.