Prinzipien und Komponenten eingebetteter Systeme

Transkript

1 1 Prinzipen und Komponenten Eingebetteter Systeme (PKES) (5) Sensoren Sebastian Zug Arbeitsgruppe: Embedded Smart Systems

2 2 Veranstaltungslandkarte Fehlertoleranz, Softwareentwicklung Mikrocontroller Architekturen Sensoren Scheduling Arithmetik Anwendungen Aktoren Kommunikation Energieversorgung

3 3 Literaturhinweise M. Mitescu I. Susnea Microcontrollers in Practice Springer, 2012 Roland Siegwart, Illah Reza Nourbakhsh, Davide Scaramuzza Introduction to Autonomous Mobile Robots The MIT Press, 2. Auflage, 2011 Hans-Rolf Tränkler, Sensortechnik: Handbuch für Praxis und Wissenschaft Springer, 1998

4 4 Fragen an die Veranstaltung 1. Wie können Sensoren hinsichtlich ihrer Kopplung mit der Umgebung unterteilt werden? 2. Welche Wandlungsprozesse treten beim Messen eines Motordrehmoments auf? 3. Was sind charakteristische Größen für einen Sensor? 4. Welche Vorteile haben Bumper gegenüber optischen oder akustischen Sensoren? 5. Wie funktionieren Beschleunigungssensoren grundsätzlich? 6. Welche Sensoren fasst eine IMU zumeist zusammen? Wieviele Freiheitsgrade werden damit abgedeckt? 7. Welche Varianten von Odometrie-Messystemen sind Ihnen bekannt? 8. Nennen sie 3 Wirkprinzipien optischer Distanzsensoren. 9. Sie wollen ein Unterwasserroboter bauen, welche Distanzsensorik ist dafür geeignet? 10.Welche Aspekte berücksichtigt das A-GPS gegenüber dem GPS?

5 5 Wahrnehmung des Menschen Aufgabe: Gewinnung von Information über internen ( Propriozeption ) bzw. externen Zustand ( Exterozeption ) = Wahrnehmung von Eigenzustand und Umwelt; Zielstellung: Möglichkeit zur Reaktion auf innere und äußere Einflüsse Sensorik des Menschen: Modalitäten: - Sehen, Hören, Riechen, Schmecken, Fühlen - Temperatur, Gleichgewicht - Hunger, Durst Qualitäten: - rot, grün, blau - süß, sauer, salzig, bitter - ungefähr 7 Grundgerüche Intensität: - Amplitude

6 6 Wahrnehmung des Menschen Rezeptoren: sind spezialisierte Zellen, die von bestimmten inneren oder äußeren Reizen angeregt werden und sie dann in Form von elektrischen Impulsen oder chemischen Reaktionen weiterleiten. Ein ausreichend starker Reiz bewirkt eine Veränderung des Membranpotentials (Generatorpotential) Worauf Rezeptoren reagieren: Mechanorezeptoren: Thermorezeptoren: Photorezeptoren: Chemorezeptoren: mechanische Deformierung Temperaturveränderungen Licht Geschmacks-, Geruchsstoffe Ab einer gewissen Intensität können alle Reize Schmerzempfindungen auslösen.

7 7 Welche technischen Messysteme gibt es? Drehzahl Source: Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich,

8 8 Begrifflichkeiten Sensor Wikipedia Ein Sensor (lateinisch fühlen ), (Messgrößen-)aufnehmer oder (Mess-)Fühler ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt. DIN vermeidet den Begriff und spricht stattdessen in Abschnitt 2 vom Messsaufnehmer als dem Beginn der Messkette. Sensoren transformieren physikalische, chemische oder biologische Messgrößen in elektrische Signale und stellen damit das unmittelbare Interface eines Messystems zur Umgebung dar.

9 9 Strukturbild Sensor Überwachtes System Interface digital Messgröße Sensor Wandler Signalaufbereitung Verstärker, Impulsformer AD-Wandler Physikalische Eingangsgröße Spannung Druck Winkel Zeit Gaskonzentration Rohe Meßgröße Spannung Widerstand Frequenz Phasenlage Taktverhältnis Ausgabegröße Spannung Digitale Repräsentation

10 10 Wo endet der Sensor?

11 11 Parameter eines Sensors I Statische Übertragungseigenschaften - Messbereich - Ausgangsspanne - Empfindlichkeit - Querempfindlichkeit / Einfluss von Störgrößen - Genauigkeit (accuracy) / statische Messfehler Ausgangsspanne

12 12 Parameter eines Sensors II Dynamische Übertragungseigenschaften - Antwortverhalten räumlich zeitlich im Frequenzbereich - Präzision (precision) - dynamische Messfehler Zuverlässigkeit - Ausfallrate - Alterungverhalten Systemeigenschaften - Format der Ausgangssignale - Schnittstellen - Konfigurierbarkeit

13 13 Kategorien I Messgegenstand ( ich / Umwelt ) intern: extern: Auswertung interner Sensordaten z.b. Radencoder, Muskelkater Wahrnehmung der Umwelt z.b. Bumper, Haptik mit/ohne Beeinflussung der Umwelt passiv: Aufnehmen vorhandener Signale z.b. Kamera, Auge, Ohr aktiv: Stimulieren der Umwelt und Aufnehmen der Antwort z.b. Ultraschall, Laserscanner, Radar Ergebnisdimension 1 dimensional 2 dimensional (Laser-Scanner, Kamera) 3 dimensional (Kinect, Stereo-Kamera- System) nach physikalischer Messgröße (Modalität) visuell, infrarotes Licht, Ultraschall, taktil

14 14 Kategorien II Source: Ihme, Vorlesung Robotik, Hochschule Mannheim

15 15 Sensorauswahlprozess Phase I Aufgabendefinition Informationsbedarf Umgebungssituation Qualitätsanforderungen Phase II Sensorauswahl Verarbeitungsstrategie, Systemstruktur,. Sensoreinsatzplan Evaluation

16 16 Inertialsensorik Ein Trägheitsnavigationssystem ermöglicht die Messung der Bewegungen über insgesamt sechs kinematische Freiheitsgrade. Über die physikalischen Beziehungen (Trägheits- und Impulsgesetze) der Größen Kraft, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit (Drehrate), Geschwindigkeit werden Positionsaussagen bestimmt. Hauptvorteil ist die Unabhängig von jeglichen Ortungssignalen aus der Umgebung ist. Problematisch ist die mangelnde Langzeitstabilität, daher koppelt man ein INS beispielsweise liefert eine Kombination mit einem Global Positioning System (GPS).

17 17 Beschleunigungssensor Ein Beschleunigungssensor misst (indirekt) die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft. Ist die Masse bekannt, kann die zugehörige Beschleunigung berechnet werden. Messprinzipien: - Dehnungsmessstreifen - Piezoelemente - mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) Weitere Bezeichnungen sind Accelerometer, B-Messer und G- Sensor. Source:

18 18 MPU-6050

19 19 Kompasssensoren 3D Messung des Magnetfeldes Vorteil: Langzeitstabilität Nachteil: Störanfälligkeit durch das System Störanfälligkeit durch externe Einflüsse

20 Exkurs Prinzipien und Komponenten eingebetteter Systeme 20 Mitarbeiter im ottocar Projekt gesucht Ziel: Teilnahme am Carolo-Cup in Braunschweig ( ) Offene Herausforderung: Paralleles Einparken

21 21 Inertialnavigation - Herausforderungen Integration von Wert und (!) Fehler Langzeitstabilität begrenzt und abhängig von der Güte des Sensors Kombination aus Gyroskop und Kompass Source:

22 22 Odometrie Der Radencoder wertet die über einem kodierten Rad gewonnenen Informationen aus. weitere Methoden: - Schleifdrähte (unterschiedliche Leitfähigkeit) - magnetische Sensoren (Nord-Südpol-Wechsel) Die Zahl der Zustands-/Flankenwechsel pro Zeiteinheit ist direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

23 23 Unterscheidung Inkrementelle Kodierung: zur Bestimmung der relativen Lage/Drehgeschwindigkeit anhand einer Impulsfolge Abwägung der Impulszahl pro Drehung von der - Leistungsfähigkeit der Auswertehardware - Drehzahlen - Störgrößen moderne Drehimpulsgeber kleiner Bauform haben bis zu 6000 Segmente Aufbau üblicherweise vor dem Getriebe Absolute Kodierung Lageermittlung gegenüber einem Fixpunkt aufwendige Drehimpulsgeber bis zu Impulse pro Umdrehung Vorteil: kein nachgeschalteter Zähler ist notwendig häufigste Codierung: Gray-Code (nur auf einem Ausgangssignal findet eine Signaländerung)

24 24 Varianten Einkanal-Drehimpulsgeber: Impulszahl hängt von der Teilung ab nur 1 Bit (Hell - Dunkel Übergang) keine Drehrichtungserkennung Anwendung z.b. für elektronische Digitaltachometer Zweikanal-Drehimpulsgeber: zwei getrennte optische Schrankensysteme es werden zwei Impulsfolgen generiert (elektrisch um 90 phasenverschoben) Erkennung der Drehrichtung möglich Verdopplung der Impulsausgabe Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

25 25 Varianten Dreikanal-Drehimpulsgeber: drei komplette optische Abtastsysteme zwei wie bei Zweikanal-Drehimpulsgeber (90 versetzte Impulsfolge) Dritter Kanal als einzelner Impuls auf dem Umkreis (Nullimpuls) Nullstellungserkennung der Welle möglich Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

26 26 Odometrie Beispiel für die konkrete Umsetzung in einem Mehrkanal Odometer Source: Where am I?, J. Borenstein, H.R. Everett, L. Feng

27 27 Mechanische Taster (Bumper) Vorteile: Schaltung von Gleichstrom oder Wechselstrom beliebiger Spannung vollständige galvanische Trennung weitreichende Umgebungsunabhängigkeit preisgünstig Nachteile Kontaktprellen beschränkte Lebensdauer Eigenschaften: Schaltfrequenz/Schaltverzögerung Schaltkraft Differenzweg Vorlaufweg Schaltpunktgenauigkeit maximale Lebensdauer

28 28 Kapazitive Näherungsschalter Wirkprinzip Source: _PT_Kapazitive_Sensoren_DE_V38.pdf

29 29 Kapazitive Näherungsschalter Vorteile Erfasst praktische alle Materialien Hohe Zuverlässigkeit bei mittlerer Schaltfrequenz Berührungslos Verschmutzungsunabhängig Nachteile Teuer als induktiv arbeitende Sensoren Geringe Objektdistanzen Großer Ba uraum als induktive Sensoren (Reduktion der Streukapazitäten) elektrische Wechselfelder (z.b. Leuchtstofflampen, Magnetventile, Rundfunksender) Temperatureinflüsse

30 30 Distanzsensoren Vorteile des Infrarotspektrums Fremdlichtunabhängigkeit Diodenspezifika Nicht sichtbar

31 31 Anwendungen IR-Systeme Aktiv / Passiv PIR Infrarot Distanzsensoren Sender-Empfänger-Anordnung Lichtschranke Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle Source: RoboCup Junior Reflextaster Beispiele

32 Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle Prinzipien und Komponenten eingebetteter Systeme 32 Lichtbasierte Distanzsensoren - Amplitudenmessung Nachteile: Starke Abhängigkeit des Ausgabewertes vom Objekt und der Umgebungsausleuchtung Totbereich

33 33 Lichtbasierte Distanzsensoren - Laufzeitverfahren Laufzeit des Laser-Impuls-Echos wird gemessen Lichtgeschwindigkeit: c = km/s für 6 m Entfernung werden ca. 40 ns benötigt bis Echo eintrifft Amplitude abhängig von den Remissions-Eigenschaft des Materials Impulsform gibt Aufschluss über Material des Hindernisses Problem: Objekte mit schlechter Reflexionseigenschaft Vorteil: Laser lässt sich präzise bündeln, hohe Intensität über kurze Impulse Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

34 34 Lichtbasierte Distanzsensoren - Phasenverfahren Messung der Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal Zeitdifferenz: Beispiel: c = f λ f = 5MMM, λ = 60m Verbesserung: 2-Phasenmessung: Modulation des Lichts mit 2 verschiedenen Frequenzen (z.b. 2 MHz und 20 MHz) 2 Phasenverschiebungen -> 2 Entfernungswerte genaueres Resultat Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

35 35 Lichtbasierte Distanzsensoren - Triangulation Winkel a zwischen Laser und Linse / Detektor ist bekannt aus dem Feldindex des Detektors kann der Objektabstand bestimmt werden Source: Source:

36 36 Optische Distanzsensoren Messfehler Source: Vorlesung Robotik, Universität Stuttgart, Zweigle

37 37 Lichtbasierte Distanzsensoren - Zusammenfassung Vorteile wesentlich genauer als Ultraschall berührungslose, optische Messung zuverlässige Abstandsdaten über großen Bereich (hohe Reichweite) geringe Wechselwirkungen zwischen Sensoren kurze Tastzeit, dadurch hohe Geschwindigkeit des Messobjekts möglich keine besonderen Remissions-Eigenschaften des Messobjekts nötig aktives System, keine Objektausleuchtung notwendig Nachteile kann keine durchsichtigen oder spiegelnden Objekte erkennen Augensicherheit

38 38 Bis zur nächsten Woche