Vergleich zweier IR-Sharps Entfernungssensoren bis 150 cm

Sharp liefert Infrarot-Abstandssensoren, z.B. die Baureihe GP2Y0A*. Sie sind für Entfernungsmessung mit geringen Ansprüchen an die Genauigkeit gedacht beispielsweise als Näherungssensor, siehe auch Datenblatt „ .. 1. Touch-less switch .. 2. Sensor for energy saving .. 3. Amusement equipment, mit etwa dieser Aufgabenstellung : „.. ist ein Objekt im Messbereich erkennbar und wie weit ..“, siehe Datenblatt. Dieser Sensortyp liefert eine analoge Ausgangsspannung je nach gemessener Entfernung.

Die Messung mittlerer Entfernungen erledige ich nicht ungern mit diesen IR-Sharps. Dazu habe ich beispielsweise ne Art „Operngucker“ – den Sharp GP2Y0A02YK0F (kurz: „2Y“) und mittlerweile auch den neueren GP2Y0A60SZ0F (kurz „0S“), den pololu gleich auf ner Platine aufgebaut liefert ( item 2475 ). Ein ähnliches Teil, nen GP2D120, habe ich z.B. beim Dottie auf den Trinkhalm montiert, die neuere Version soll z.B. bei Archie für eine Antikollisionsausrüstung dienen. Es existieren ausführliche Tests eines Sensors der „alten“ Typenfamilie. Für meine Zwecke musste ein ordentlicher Vergleichstest her. Vielleicht interessiert das auch andere hier.

Anmerkung: Archie sollte ursprünglich mit zwei Echoloten fahren, zwei SRF02 mit leichter V-Anordnung ca. 30° , Abtastrichtung vorn-links und vorn-rechts. Die Daten sollen von einer MiniPlatine-mega328 per UART 1,2 MBd an den Motorcontroller geliefert werden. Übertragungsformat 2 Bytes, erstes Byte : Kennung, zweites Byte Datum { 0 .. 255 } als kodierter Messwert. Diese Technik lief bei mir nie ohne Störung des Motorcontrollers durch die Kommunikation.

Einige technische Daten der Sensoren

Code:

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                GP2Y0A02YK0F              GP2Y0A60SZ0F
Vcc                5 V                      5, (3,3) V
I supply            33 mA                    33 mA
VSIGOUT @5Vin      0,45 .. 2,8 V            0,4 .. 3,6 V
Messzyklus ca.      50 ms                    21 ms
Messbereich        20 .. > 150 cm            10 .. > 150 cm
Messbasis          21 mm                    14 mm

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Vorteile der neuen Technik des 0S, insbes. gegen den GP2Y0A02YK0F (= 2Y) :
+ Die geringe Messzeit des neuen Sensors von ca. 40 % des „alten“ ist natürlich für Navigation im Bereich „touchè“ bis ca. 2 Schritt Entfernung von Vorteil
+ Die deutlich kleinere Bauform des 0S ist unauffälliger unterzubringen als die des 2Y.
+ Die pololu-Platine hat gleich ne Entstörung eingebaut, der Rippel/die Rückstreuung direkt an der Sensorversorgung des 0S (siehe RN-Beitrag) wurde nicht gemessen

± Der 02 hat einen Messzyklus von 21 ms mit acht Messpulsen(zumindest acht Peaks in der Versorgungsspannung). Dies bringt eine schnellere Messung aber möglicherweise auch stärkeres Messrauschen.
± Der2Y hat einen Messzyklus von 50 ms mit 32 Messpulsen (Peaks in Vcc). Daher langsamere Messung und – dem Anschein nach – geringeres Messrauschen.
± Der kleine Leuchtfleck der Sensoren liefert eine nahezu punktförmige Messung. Dies ist vorteilhaft für konkrete Messpeilungen, aber nachteilhaft wenn die Messaufgabe heißt „.. ist irgendetwas im vorderen Bereich ..“. Für letztere Messaufgabe ist in US-Sensor die bessere Wahl.

......Bild hier  
......Lichtflecken der IR-Sensoren bei Dunkelheit (größeres Bild im Vorschaubild verlinkt)

- Leuchtflecke beim Vergleich der beiden Sensoren, links 2Y, rechts 0S.
Das Bild ist stark aufgehellt und zeigt das übliche Bildrauschen digitaler Aufnahmen bei minimalem Licht.
Deutlich ist zu erkennen, dass der Lichtfleck des 0S verwaschener aussieht als der des älteren Typs 2Y. Beide Lichtflecken sind bei diesem Bildabstand etwa gleich groß, ca. Ø 12 mm. Dagegen zeigen Bilder unmittelbar am Sensoraustritt, dass der Leuchtpunkt des OS deutlich größer, Ø 3mm, als der des älteren Typs, Ø 1mm, ist. Daraus ergibt sich theoretisch ein ungefährer Strahlwinkel von 3,4° (neu) gegenüber 4,2° (alt).
Anm.: Die Bilder sind bei fast völliger Dunkelheit aufgenommen. Geringes Restlicht (bei der Aufnahme nicht merkbar) führt dazu, dass Umrissschatten der "Projektions"fläche erkennbar sind.

- Beide Sharp-Sensoren arbeiten mit gepulsten LEDs – deren Stromhunger im Aktivzustand/Puls der LED bis in die Versorgung des Sensors durchschlägt.
- Der kleine Sharp 0S misst pro Messsequenz mit nur
- Die Rückstreuung dieses Stromhungers in die Versorgung führt beim 2Y – ohne Eingangsdämpfung – zu einem erheblichen Rippel (Link RN-Beitrag oben) in der Versorgungsleitung und inderen Folge zu bekannten Störungen bei der Messung.


Messungen und Vergleich

......Bild hier  
......Messkurve „2Sharps“

Die Messkurven wurden aufgenommen im Bereich 100 mm .. 1700 mm, aufgeteilt in Schritten zu 100 mm. Messobjekt war der Boden eines Versandkartons, braun, matte Kartonage, 160 mm x 250 mm. Auftreffwinkel des Lichtstrahls senkrecht. Messumgebung mit geringstmöglichem Fremdlicht um Störeinflusse fremder Lichtquellen zu verhindern. Die Messungen entsprechen daher – streng genommen – nicht dem Zustand unter normalen Tages-/Kunstlichtbeleuchtungen. Der Einfluss von sichtbarem Licht ist sehr gering aber nicht dokumentiert worden.

Beide Messkurven sind qualitativ ähnlich. Bemerkenswert ist beim kleinen, neueren Typ der flache Kurvenverlauf im Fernbereich und der steilere im Nahbereich.

Die Messkurve des alten 2Y zeigt eine geringere Krümmung und – entsprechend dem geringeren Messbereich – eine Grenze im Nahbereich unter 200 mm. Der 2Y zeigt, entsprechend der flacheren Messkurve, im Nahbereich einen flacheren Anstieg. Damit verknüpft ist eine bessere Auflösung im Nahbereich. Im Fernbereich zeigt der alte Typ ebenfalls eine flachere Messkurve und damit ebenfalls eine bessere Auflösung. Beide Typen haben etwa im Bereich um 400 mm eine optimale Auflösung.

Subjektiv fiel bei den Tests ein höheres Messrauschen beim 0S auf. Ich nehme an, dass durch entsprechende Mittelwertbildung ne ordentliche Stabiltität zustande kommt. Ich nutze dazu üblicherweise n^2-Messungen – in der Hoffnung, dass der Compiler die Division durch entsprechende ROR-Befehle ersetzt.

Auswertung.
Für die Auswertung wandle ich den ADC-Wert in ein besser handhabbares Längenmass; wie immer in einfach(st)er Form, als Division und nicht als Polynom-Ersetzung der Messkurve. Die Formel K/ADC – eine Konstante durch den ADC-Wert dividiert – ist schnell und für meine Zwecke ausreichend genau. Siehe dazu Diagramme (höher aufgelöst im Bild verlinkt).

Die Messwertkurve im ersten Quadranten (halbe, symmetrische Hyperbel mit Hauptachse 45°) passt recht gut mit den Messergebnissen zusammen. Bei richtiger Wahl der Konstanten kann der systematische Fehler sozusagen förderlich sein: bei der Ausgleichshyperbel des 2Y im dargestellten Diagramm ist im Nahbereich unter einem Meter das Ergebnis des einfachen Modells eine zu geringe Entfernung, im Fernbereich – darüber – eine zu weite Entfernung. Insgesamt ist der Durchschnitt von ABS(Fehler-%) rund 6 Prozentpunkte.

hallo,
danke für die Vorstellung! Ich nutze die Sharps auch sehr gerne, sowohl GP2D12, GP2D120, GP2D150, und den GP2Y0A21YK0F.

Was mich interessiert, ist tatsächlich auch das Messrauschen. Hier verstehe ich deinen Ansatz allerdings nicht, denn die Größe oder Schärfe des Flecks ist dafür nicht maßgeblich: es soll ja nicht eine Fläche gegebener Größe zu 100% randscharf ausgeleuchtet werden, und wenn innerhalb des ausgewiesenen Messwinkels immer alle Entfernungen korrekt gemessen werden, ist es ja sicher nicht zu beanstanden-
dabei ist es sogar eher vorteilhaft, wenn der mittlere Bereich um den Mittelpunkt der Messwolke öfter "angepingt" und damit schwerpunktmäßig stärker berücksichtigt wird als die randständigen Bezirke der Messwolke!

Ziel ist dagegen die exakte Entfernungsmessung über eine ausgegebene Spannung, und hier müsste man anders vorgehen, nämlich über Reliabilität / Spezifität / Sensitivität, d.h.:
den Mittelwert und die die Standardabweichung,
der Streubereich vom kleinsten zum größten gemessenen Wert,
und bei verschiedenen gemessenen Materialen, die unter verschiedenen Bedingungen angepeilt werden:

mehrere Mess-Distanz-Stationen mit verschiedenen vordefinierten Abständen, bezogen auf den Messberich min...max, also z.B.
min+10%,
1*(min+max)/4
2*(min+max)/4
3*(min+max)/4
max-10%

Außerdem müsste sowohl mit 90° Auftrittswinkel als auch ein Bereich von beispielsweise 45-90° betrachtet werden,
und auch verschiedene Materialien wie Stahl, Stein, Holz, Pappe, Stoff-Kissen, Schaumstoff, Plüsch, Glas.

Da ja bereits der statistische Stichproben-Fehler nach dem Wurzel-n-Gesetz bei kleinen Stichprobengrößen (n) relativ groß ist, muss man eine größere Anzahl von Messungen machen, nicht nur eine einzige
Streuung des Mittelwerts = Standardabweichung/Wurzel(n)

Und jetzt wird an jeder Mess-Distanz-Station die Spannung gemessen, die der Sensor ausgibt,
und dann werden von dieser Messreihe arithmetisches Mittel und die Standardabweichung bestimmt.
Daneben sind absolutes Minimum als auch absolutes Maximum aller Messwerte interessant (Ausreißer).
Zusätzlich wird die absolute und relative Mess-Drift bestimmt, d.h., wie weit der Mittelwert vom Sollwert laut Datenblatt abweicht.
Auch wird sicher ebenfalls interessant sein, wie weit die Achse zum Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Messwert-Wolke von der Soll-Achse zum angepeilten Ziel-Punkt abweicht (als Winkel),
und als letztes wäre die Abhängigkeit unter verschiedenen Umgebungslicht-Situationen zu beurteilen.

Dann hätte man eine Aussage über das Messwert-Rauschen nach Entfernung, Winkel, Material, und auch über Störlichtempfindlichkeit.


PS:
Ganz unabhängig davon:
Nach welcher Formel werden jetzt bei dem neuen Sensor am besten die Volt-Messwerte in cm umgerechnet? Bei GP2D12, GP2D120 und GP2Y0A21YK0F wird ja die Basisformel
Vs = 1 / ( Dcm + k ) <=> Dcm = (1 / Vs) - k
verwendet, mit
GP2D120: k = 0,42
GP2D12 : k = 4,0
GP2Y0A21YK0F: k = 2,0

wie rechnet man am besten mit dem neuen Sharp?