Глаза роботов: часть 2. Инфракрасные сенсоры

В предыдущей статье об ультразвуковых датчиках мы узнали, что ультразвук хорошо поглощается шерстяными поверхностями. Если на пути вашего железного робота-коня будет лениво лежать недоумевающий кот, то вполне вероятно коту придётся спасаться бегством. Рассказывают, что кто-то даже обклеивает своего боевого робота ватой, чтобы на соревнованиях соперники с ультразвуковыми сенсорами не могли найти хитрого врага.

У инфракрасных (ИК) датчиков нет зависимости от материала отражающей луч поверхности. Однако черная поверхность может поглотить большую часть излучения. Поэтому робот с таким датчиком будет определять наличие препятствий или контрастных линий визуально, почти как наши с вами глаза. Причем, в силу своей природы, ИК свет может распространяться в вакууме. Ультразвук, напротив, зависит от наличия среды (газ, жидкость или твердое тело). Теперь если задумаете создать луноход, вы знаете что нужно использовать.

Как работает?

Принцип действия ИК-датчика основан на испускании луча в инфракрасном диапазоне и его отражении от объектов. Также как и в ультразвуковом сенсоре, у ИК-датчика есть излучатель и приёмник, однако немного компактнее своего собрата. Причём существуют модели размером с 5 рублевую монету. Инфракрасный свет невидим человеческому глазу, поэтому робот сможет «видеть» даже в темноте.

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским учёным В. Гершелем, который обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается. В 19 в. было доказано, что ИК излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет.

В 1923 советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с l ~ 80 мкм, т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к ИК и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Для измерения дистанции используется алгоритм триангуляции. Я не буду погружаться в теорию глубоко.

Основная идея триангуляции заключается в измерении угла отражения. Импульсы ИК излучения испускаются излучателем. Это излучение распространяется и отражается от объектов находящихся в поле зрения сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник. Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник, где вершины, это точки «излучатель — объект отражения — приемник».

Угол отражения напрямую зависит от расстояния до объекта. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на CCD-матрицу. По засветке определенного участка CCD-матрицы определяется угол отражения и высчитывается расстояние до объекта.

Вручную рассчитывать расстояние не придётся, эти алгоритмы вшиты в датчики.

Аналоговые ИК-датчики выдают пропорциональное расстоянию напряжение, измеряя которое, робот может рассчитать скорость сближения с препятствием. Цифровые ИК-датчики, могут только сообщить, что в пределах видимости находится препятствие. Чтобы ваш робот поворачивал направо каждый раз, когда находится в 10 сантиметрах от препятствия (стены или кота), то достаточно модели GP2Y0D810. Характеристики и сравнение разных моделей смотрите ниже.

На просторах интернета была найдена такая полезная сравнительная таблица датчиков Sharp:

Тип вывода Название Дистанция
срабатывания
Частота
дискретизации
Рабочее
напряжение
Средняя
сила тока
Размеры
Аналоговый
(измерение дистанции)
GP2Y0A60, 5V 10 см – 150 см 60 Гц 2.7 В – 5.5 В 33 мА 3,3см × 1,04см × 1,02см*
GP2Y0A60, 3V 10 см – 150 см 60 Гц 2.7 В – 3.6 В 33 мА 3,3см × 1,04см × 1,02см*
GP2Y0A02 20 см – 150 см 26 Гц 4.5 В – 5.5 В 33 мА 4,45см × 1,9см × 2,16см
GP2Y0A21 10 см – 80 см 26 Гц 4.5 В – 5.5 В 33 мА 4,45см × 1,9см × 1,35см
GP2Y0A41 4 см – 30 см 60 Гц 4.5 В – 5.5 В 12 мА 4,45см × 1,9см × 1,35см
GP2Y0A51 2 см – 15 см 60 Гц 4.5 В – 5.5 В 12 мА 2,69см × 1,32см × 1,42см
Цифровой
(без измерения дистанции)
GP2Y0D815 0.5 см – 15 см 390 Гц 2.7 В – 6.2 В 5 мА 2,16см × 0,89см × 1см*
GP2Y0D810 2 см – 10 см 390 Гц 2.7 В – 6.2 В 5 мА 2,16см × 0,89см × 1см*
GP2Y0D805 0.5 см – 5 см 390 Гц 2.7 В – 6.2 В 5 мА 2,16см × 0,89см × 1см*
Таблица взята с сайта http://www.pololu.com/category/79/sharp-distance-sensors

 

Так как ИК-датчики чувствительны к цвету отражаемой поверхности (от чёрного отражается слабее, чем от белого), их используют в разработке движущихся по линии роботов. Нашёл в интернете датчик KY-033 — готовая платка для установки. Перемещаясь, робот корректирует свои движения поворотами, чтобы не сойти с линии. Тут главное не переборщить со скоростью, чтобы робот не выехал за пределы. Существует вид соревнований (Roborace), где ваш робот должен проехать по линии на скорость. На хабре есть интересная статья о сборке подобного робота.

Существует еще одна китайская модель цифрового датчика E18-D80NK в виде «фонарика». У этой модели можно подкрутить расстояние, до которого датчик срабатывает. При обнаружении препятствия на «фокусном» расстоянии у датчика включается красный светодиод на обратной стороне.

 

Примеры использования

Цифровой датчик:

  • альтернатива щелевому датчику или оптопаре
  • бесконтактный бампер или определитель препятствий
  • счётчик или таймер проходящих мимо объектов

Аналоговый датчик:

  • тоже, что и цифровой
  • измерение расстояния между датчиком и отражающим объектом
  • обнаружение теплых объектов

 

Известные ограничения

Температура от -30 до +50 по Цельсию.

Относительная влажность, без образования конденсата (проценты) — 95

 

Стоимость

На aliexpress датчики Sharp можно найти в пределах 300 рублей за штуку. На сайте магазина Амперка цены начинаются от 600 рублей.

 

Интересные проекты

 

Автономная платформа
http://ru.aliexpress.com/item/4WD-Robot-Smart-Car-Chassis-Kits-car-with-Speed-Encoder-DC-for-Robot-car/2039732491.html
Платформа с одним датчиком на сервоприводе
http://www.trossenrobotics.com/robotgeek-panning-sensor-kit
Проект Flight Deck от Edward Perks на его личном сайте http://edwardperks.com/projects/flightdeck.html

Это бесконтактный миди-контроллер с подсветкой. Используется музыкантом для аудио перформансов на вечеринках.

Flight Deck

Подписывайтесь на нашу рассылку, добавляйте ссылки на ваши проекты с использованием ИК-датчиков в комментариях к статье.

А также присоединяйтесь к сообществу в телеграм-чате @robotics_chat.

 

Статья не претендует на 100% достоверность. Если вы обнаружили какую-то ошибку в тексте или в фактах, пожалуйста, напишите об этом в комментариях.

 

Источники:

 

Загрузка ...
The Robot
Adblock
detector