Teoretyzowanie przed praktyką #1 - podczerwień w robotyce amatorskiej

[OldSkull]

Ile zrobiłeś serii pomiarowych? Bo wydaje mi się, że gdybyś zrobił kilka to średni pomiar by się nie różnił, ale być może byłyby różnice w odchyleniu standardowym.

A czujnik by się dobrze nadawał dla myszy na boczne czujniki - bez problemu się zauważy, że ściana zniknęła.

[marek1707]

Serię zrobiłem jedną, żeby tylko pokazać przebieg krzywej ale wyglądało to tak, że dla jednego położenia przeszkody mierzyłem z lampą zapaloną i zgaszoną. Zapodanie bardzo jasnego światła naprawdę zwiększa napięcie na wyjściu i ten trend widać przy każdej odlegości. Powodem tego jest moim zdaniem niedoskonały filtr. Gdyby zatrzymywał dokładnie wszystko to czego nie chcemy, to zmiany napięcia wyjściowego można by wtedy tłumaczyć zmianą punktu pracy fototranzystora. Jego charakterystyka światło-prąd mogłaby np. zakrzywiać się delikatnie w górę i przy większym świetle mielibyśmy większą czułość ale tak raczej nie jest, więc - jednak filtr.

Tłumienie dla 100Hz w stosunku do naszych 2kHz wynosi teraz ponad 50dB czyli ponad 300 razy. Ponieważ jednak "przydźwięk" od żarówki nie jest czystą sinusoidą a raczej wygląda jak sygnał z prostownika dwupołówkowego (bo żarówka zapala się w każdym półokresie sieci), to takie coś zawiera dużo więcej składowych wyższej częstotliwości niż "czysty sinus" z gniazdka i łatwiej przechodzi przez zaporę. Kilka procent to mniej więcej tyle ile można by się spodziewać, rząd wielkości się zgadza.

EDIT: Dodam jeszcze , że dzięki odcinaniu składowej stałej układ ten jest kompletnie odporny na oświetlenie naprawdę stałe - takie jak od Słońca. Tak więc wyjeżdżanie z cienia lub nagrzewanie się podłoża mamy pokonane z definicji 🙂

[OldSkull]

Jak tak to ok. Teraz jeszcze pytanie co z świetlówkami, które z definicji mrugają z wysoką częstotliwością. Bądź co bądź żarówka ma bardzo małe tętnienia, bo światło jest związane z temperaturą - a ta się praktycznie nie zmienia przez tą chwilę niższego napięcia w każdych 10ms. Stałą czasowa żarówki działa jak filtr. Przy świetlówkach luminofor będzie działał jak filtr, ale o znacznie krótszej stałej czasowej. Kolejną kwestią jest oświetlenie LEDowe, ale na razie jest zbyt mało popularne aby to był problem.

[marek1707]

Mrugają z taka samą częstotliwością podstawową 100Hz, ale ich światło zawiera dużo więcej składowych wyższych częstotliwości. Masz rację, żarówka nie gaśnie całkowicie między szczytami napięcia sieci więc wygładza swoją jasność i to dobrze. M.in dlatego tak je lubimy 🙂 Świetlówka ma jednak szeregowo dużą indukcyjność która działa jak stabilizator prądu i też nie gaśnie do zera co 10ms. Zobaczymy.

Żeby zbadać doświadczalnie wpływ świetlówek muszę wyjść na korytarz firmy. Dziś spróbuje to sprawdzić. Jak się domyślasz wszystko siedzi w jakości filtru i w przyjętej częstotliwości pracy układu czujnika. Być może jest jakieś optimum. Z jakiegoś powodu do zdalnego sterowania przyjęto 36-40kHz.

Oświetlenie LED? Hm, moja latarka LED do roweru to masakra. Mam taką, przy której mogę jechać 30km/h ścieżką w ciemnym lesie ale przy ustawionej jasności < 100% mam tam PWM ze zmianami prądu diody 0-100% i to nie jest fajne (dla czujnika). Natomiast zasilacze sieciowe do łańcuchów i punktów LED to źródła prądowe, najczęściej impulsowe i tam nie spodziewam się "tętnień" większych jak 10% wartości średniej oraz częstotliwości rzędu dziesiątek lub setek kHz.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Sabre]

Oj niestety miganie świetlówki jest bardzo widoczne. Na zawodach w Warszawie bodajże kilka lat temu nagrywałem filmiki 240fps z przejazdów mojego Tsubame i niestety na filmie jest bardzo widoczne przygasanie światła. Co do LEDów to migania być nie powinno, dlatego, że ledy są, a przynajmniej powinny, być zasilane ze źródła stałoprądowego. Jedynie bajery w stylu podświetlania RGB, gdzie diody są sterowane PWMem z mikrokontrolera migają, ale znowu na częstotliwościach rzędu co najmniej kilku kHz.

[marek1707]

Na pewno jest bardzo widoczne, bo zmiany oświetlenia sięgają 50% wartości średniej. Przed chwilą to zmierzyłem i wiem, że mój układ jest na to odporny. Nie zauważyłem żadnych widocznych zmian w jego działaniu w pomieszczeniu oświetlonym wyłącznie 2 metrową świetlówką. Niestety była przymocowana do sufitu więc nie mogłem zrobić dokładnie takiego samego testu jak ze zbliżoną na 50cm żarówką 100W. Natężenie światła zakłócającego było mniejsze ale żeby stworzyć porównywalne warunki jasności, musiałbym chyba cały sufit wytapetować świetlówkami.

Oznacza to, że metoda z sygnałem zmiennym jest OK. Układ trochę się komplikuje ale jeśli ktoś lubi eksperymenty, tutaj się wyżyje.

Acha, w międzyczasie kupiłem fototranzystory w czarnej obudowie. HPTB3B-14D z TME ma wiązkę o szerokości 20 stopni i plastik nieprzezroczysty dla światła widzialnego. Jego podłączenie spowodowało od razu kilkukrotny spadek sygnału zakłócającego od świetlówki za to czujnik zaczął działać z około dwa razy większej odległości od przeszkody. Jutro wrzucę wyniki pomiarów.

I jeszcze jedno (a raczej drugie). Wciąż zastanawiał mnie dziwny (jednak) kształt krzywej czułości czujnika AC. Na początku jest OK: patrząc od prawej mamy kwadratowy (lub x^4 - zależy od tego czy przeszkoda mieści się w wiązce czy nie) wzrost sygnału a potem następowało takie dziwne załamanie i dopiero przy bardzo małych odległościach czujnik się nasycał i to też wcale nie poziomo. Odkryłem co jest przyczyną dziwnego zagięcia i teraz już tak nie jest. Wystarczyła zmiana jednego opornika wyznaczającego punkt pracy wzmacniacza (źle oszacowałem dopuszczalne zakresy zmian napięcia wyjściowego, była lekka niesymetria przy silnych sygnałach) i mam ładną parabolę a potem płaski "sufit" nasycenia. O tym dokładniej - też jutro 🙂

[Bobby]

Czy przy okazji testów z nowym fototranzystorem, mógłbyś sprawdzić jak wygląda charakterystyka dla czarnej, matowej przeszkody (np. brystol)? Sam chętnie wezmę się za testy takiego czujnika, tym bardziej, że robot, o którym na początku wspominałem, mechanicznie jest wyposażony w całkiem dobre miejsce testowe do pracy nad nimi, ale muszę zaprojektować właśnie nową elektronikę do niego. Wygląda to tak:

Czujniki składają się z 2-3 diod podczerwonych (z początku SFH4511, później TSAL6400) i jednego fototranzystora TEFT4300. Gdy "strzelałem" diodami pokaźnym prądem (1-2A, już teraz dokładnie nie pamiętam) z najprostszym odbiornikiem (pullup przy fototranzystorze) dało się uzyskać niestabilne (zależne od otoczenia) 50cm do robota minisumo. Myślę, że po wprowadzeniu jakiegoś dobrego filtra, mogłaby to być alternatywa na pewno dla sharpów GP2Y0D340K.

[marek1707]

Tym razem zaopatrzyłem się w tekturowe pudełka. Każde z nich miało podobne wymiary ścianki oglądanej przez czujnik (ok. 15x15cm) ale było inaczej wykończone. "Czarne" było opakowaniem po komórce, miało aksamitnie-matową fakturę i oczywiście było głęboko, designersko czarne. "Szare" było wykonane ze zwykłej tektury falistej i miało kolor, no.. szaro-brązowo-nieciekawy, jak to zwykła tektura. "Białe" też było z tektury ale miało lekki połysk, chyba było powleczone jakimś białym, błyszczącym papierem lub zostało polakierowane.

Wszystkie trzy pudełka stawiły się na test o 20:30 i oto wyniki:

Fototranzystor (ten sam czarny co ostatnio) patrzył w dal równolegle do 20 stopniowej, 3mm, podczerwonej diody LED napędzanej impulsami 100mA o wypełnieniu 50%. Nie mierzyłem każdego obiektu w całym zakresie odległości, bo nie miałoby to sensu. Za daleko było za małe napięcie, a za blisko czujnik się nasycał. Widać, że do pracy w dużych rozpiętościach odległości a co za tym idzie przy dużych różnicach sygnału brakuje mu dynamiki. Muszę nad tym popracować gdyby podobny układ miał być użyty w jakimś dalmierzu np. z triangulacją bo przecież nie w takim co to mierzy światło odbite - to nie działa, jak widać powyżej.

W materiałach firmy RIEGL produkującej laserowe systemy pomiarowe znalazłem tabelkę zawierającą współczynniki odbicia różnych materiałów dla fali 900nm a więc bliskiej podczerwieni jaką najczęściej świecą nasze diody IR:

To daje pojęcie o rozpiętości tych współczynników i pozwala oszacować zmiany zasięgu działania prostego czujnika odbiciowego przy pokazywaniu mu różnych materiałów.

[Bobby]

Hmm, w sumie konkretna wartość z czujnika niekoniecznie jest mi potrzebna - ważne, żeby zmiana była wyraźna i analogowa. Pozycję przeciwnika mam zamiar obliczać tak:

pozycja = (ft[0]*w[0]+ft[1]*w[1]+...+ft[6]*w[6])/(ft[0]+ft[1]+...+ft[6]) 

Gdzie ft[n] to elementy tablicy w której przechowywane są pomiary z czujników, a w[n] to tablica z ich wagami (np -128, -64, -32, 0, 32, 64, 128, ale jest to kwestia jeszcze dobrania), wtedy pozycję przeciwnika mógłbym bardzo łatwo zadać do regulatora PID (a byłaby z zakresu +-128 powiedzmy, chociaż należałoby to przeanalizować) i byłaby to wartość stosunkowo dokładna, zawierająca stany pośrednie. To już jest pewna przewaga nad robotami z cyfrowymi czujnikami, które tylu stanów nie przyjmą i samo z definicji nie wymaga zbyt wielkiej kalibracji (dobranie wag i zakresu zmian danych wejściowych), resztą zajmuje się matematyka 🙂

[marek1707]

Acha, czyli potrzebujesz takiego "jeża" albo dookólny skaner pokazujący kierunek do przeciwnika? To trzeba wymyślić coś lepszego, bo takie rozwiązanie będzie upierdliwe. Wiele filtrów strojonych, wiele takich samych torów analogowych - ee tam. Taki system nadaje się do powiedzmy max. dwóch czujników patrzących w jedną stronę (mysz?) ale do analizy pola walki zrobię to jakoś inaczej.

Moim zdaniem odległość też jest ważna (choć dużo trudniej wyznaczana - jak się okazuje), bo na jej podstawie można by robić algorytmy jakiejś taktyki inteligentnych ucieczek, uników i planowania ataków a nie tylko hurra, czołem na wroga. Pomyślę o tym.

[Bobby]

Jeśli udałoby się uzyskać pomiar odległości (z dokładnością rzędu 5cm na odległości powiedzmy 50cm) to byłoby świetnie. Przyznam też, że zależy mi bardzo na miniaturyzacji toru analogowego, ze względu na bardzo ograniczone miejsce na pcb - im więcej udałoby się zrobić w jednym scalaku, tym lepiej. Diody też niestety potrzebują solidnych kluczy - muszą wytrzymać przez te powiedzmy 100-200uS (w zależności od czasu reakcji odbiornika, wzmacniacza, filtrów itp) do 2A - raczej chciałbym uniknąć pojedynczych tranzystorów, myślałem nad zasilaniem ich z driverów mosfetów - TC4427, ale to już zupełnie inna historia. Ogólnie im mniej elementów biernych, tym dla mnie lepiej, z dwóch względów - większa miniaturyzacja i prostszy serwis. Jak coś się zepsuje/spali - hotair i wymieniam jednego scalaka, a nie 5 R, C i jakieś tranzystorki jeszcze. Oczywiście zdaję sobie sprawę, że do zera tego wyeliminować nie można, tym bardziej, jeśli chcemy, by było to zrobione z łatwodostępnych części. Ech, tak dużo założeń, tak mało możliwości 🙂

[BlackJack]

Boby musiałbyś się zainteresować procesorami PSOC, one mają w sobie programowalne takie Analogowe FPGA, w skład którego wchodzą wzmacniacze operacyjne, programowane filtry anal0gowe, przetworniki C/A, A/C itd+ programowane bloki cyfrowe (typowe PLD)

Rdzenie CPU są różne, w zależności od upodobań M&C (4MIPS), MSC51' (udoskonalony 1 taktowy 33MIPS), oraz ARM Cortex-M3 do 100DMIPS.

Tu masz artykuł o tych układach:

http://ep.com.pl/files/1458.pdf

Programuje (w zasadzie konfiguruje bloki analogowe) się to graficznie, w taki sposób.

Wszystko dostępne na pinach CPU, więc, dołączasz najwyżej elementy zewnętrzne do wzmacniaczy operacyjnych i tyle. Jeżeli chcesz miniaturyzować do oporu, dużą ilość czujników, to, może to być jedyna droga do osiągnięcia celu.

[Bobby]

BlackJack, dzięki za info, ale chyba jednak zostanę przy "starym podejściu" - tor analogowy na zewnątrz uC, bo przy okazji chętnie ogarnąłbym coś w temacie wzmacniaczy operacyjnych, bo jak widać można na nich zrobić cuda, a ja jak dotąd używałem ich praktycznie tylko i wyłącznie w roli komparatora analogowego 😋

[OldSkull]

W materiałach firmy RIEGL produkującej laserowe systemy pomiarowe znalazłem tabelkę zawierającą współczynniki odbicia różnych materiałów dla fali 900nm a więc bliskiej podczerwieni jaką najczęściej świecą nasze diody IR:

Bardzo fajnie, ale co u niech oznacza 100%? Bo jakimś cudem udało się tam osiągnąć ponad 100%. Czyli jakby np. biała folia jeszcze generowała dodatkowe światło.

Jeszcze jest kwestia taka, ile daje pochylenie ściany. Czy np. jeżdżąca piramidka (czarna) byłaby niewidzialna?

[marek1707]

Na dole tabeli jest mała uwaga mówiąca o tym, że pomiarów powierzchni nierozpraszających (typu lustrzanego) dokonywali w najlepszym położeniu tj. takim, gdy wracało najwięcej światła. Przy normalnym lustrze (np powierzchnia metalu) będzie to 90 stopni ale to nie zawsze tak jest. Niektóre specjalnie wykonane materiały (np. zwykłe lusterka odblaskowe) mają wiele takich płaszczyzn/kątów dobrego odbijania.

Te 100% ja rozumiem tak: jest to zdefiniowane dla materiału idealnie odbijającego ale też jednocześnie idealnie rozpraszającego. Dobrym przykładem tego jest - jak widać z tabeli - kartka białego papieru.

Czyli: leci od nas wiązka światła, dociera do materiału i robi tam świecący punkt a raczej placek. To nowe źródło światła świeci albo w każdą stronę tak samo - jak biała kartka lub dioda LED 180°, albo w sposób skorelowany - jak lusterko. Wtedy albo wraca do czujnika raczej niewiele, albo prawie wszystko - oczywiście też rozproszone z powodu niejednorodności samego materiału jak i nieidealnej kolimacji wiązki padającej. Czy to się trzyma kupy?

EDIT: Znajdź hasło: odbicie rozproszone, prawo Lamberta - to mówi właśnie o świeceniu białej kartki 🙂