СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УЧЕБНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №7/2022

Научная статья Original article УДК 378.162.32

СРАВНИТЕЛЬНЫМ АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УЧЕБНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ

COMPARATIVE ANALYSIS OF DISTANCE SENSORS USED IN

EDUCATIONAL ROBOTICS

Кулебакин Алексей Евгеньевич, студент, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1.), e-mail: kulebakin2001 @mail.ru

Таразанов Андрей Вадимович, студент, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1.), e-mail: tarazanov_andrew@mail .ru

Шепелев Станислав Олегович, старший преподаватель, руководитель СКБ «Робототехника», подразделение - институт нано- и микросистемной техники, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1.), e-mail: sshepelev@ya.ru

Kulebakin Alexey Evgenievich, student, National Research University of Electronic Technology (MIET) (124498, Moscow, Zelenograd, Shokin Square, house 1.), e-mail: kulebakin2001@mail.ru

7606

Tarazanov Andrew Vadimovich, student, National Research University of Electronic Technology (MIET) (124498, Moscow, Zelenograd, Shokin Square, house 1.), e-mail: tarazanov_andrew@mail.ru

Shepelev Stanislav Olegovich, Senior Lecturer, Head of SKB "Robotics", division - Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (MIET) (124498, Moscow, Zelenograd, Shokin Square, house 1.), e-mail: sshepelev@ya.ru

Аннотация. Робототехника, как показывает практика, - привлекательная прикладная наука для школьников и студентов, которые желают собрать и корректно запустить своего первого робота. Но по ходу конструирования и программирования возникают первые трудности, в результате чего приходится обращаться к простейшим принципиальным знаниям, например: принципу работы транзистора и основным командам в ассемблере. Наша статья о достаточно простом - датчиках расстояния. Мы рассмотрим, какие датчики используются в учебной робототехнике, на основе каких принципов они работают, какие датчики можно найти на текущем рынке, сравним их между собой и сделаем вывод, какой же тип датчиков подходит под цели учебной робототехники больше всего.

Summary. Robotics, as practice shows, is an attractive applied science for schoolchildren and students who want to assemble and launch their first robot quickly and without any problems, but in reality everything turns out to be much more complicated, and you need to start with something simpler, for example: with studying the principle of operation of a transistor and basic commands in assembler. Our article is about a fairly simple one - distance sensors. We will look at which sensors are used in educational robotics, on the basis of what principles they work, which sensors can be found in the current market, compare them with each other and conclude which type of sensors is most suitable for the purposes of educational robotics.

7607

Ключевые слова: Лазерный датчик расстояния, инфракрасный датчик расстояния, ультразвуковой датчик расстояния.

Keywords: Laser distance sensor, IR distance sensor, ultrasonic distance sensor.

Лазерные и инфракрасные датчики различаются типом используемого луча, но при этом у них всего один общий принцип работы -триангуляционный. Принцип триангуляции основан на измерении угла между лазерным лучом, попадающим на объект, и объективом дальномера. Зная расстояние лазер-объектив ф) и измеренный угол, можно вычислить расстояние до объекта — чем меньше угол, тем больше расстояние.

Рис. 1 - Принцип триангуляции Теперь рассмотрим два принципа, характерные только для лазерных датчиков:

- Принцип Time-of-Flight (ToF) или измерения времени пролёта луча: лазерный диод датчика излучает импульсы, которые отражаются от цели и затем улавливаются фотоприемником того же датчика. Измерив время между моментом излучения импульса и моментом его «возврата», происходит вычисление расстояние до объекта. Данный метод наиболее часто применяется на датчиках дальнего действия, так при больших дистанциях измерения расстояния влияние погрешности измерения таймера уменьшается.

7608

Рис. 2 - Принцип измерения времени пролета Принцип разности фаз. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500 МГц). Длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм). Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.

Рис. 3 - Принцип разности фаз Из принципов работы датчиков формируются особенности их работы: что лазерный, что инфракрасный лучи являются световой волной, а это значит, что датчики, построенные на их основе, плохо взаимодействуют с объектами, которые либо пропускают свет сквозь себя, либо поглощают его.

7609

Следовательно, для них будет невидимо стекло, а объекты темных цветов будут обнаруживаться с меньшей дистанции (чем темнее цвет, тем выше поглощение света). Однако из-за разной природы света между инфракрасными и лазерными датчиками будет существовать и значительная разница. Инфракрасное излучения широко распространено в природе, из-за чего датчик такого типа будет "ловить" помехи особенно при попадании на него прямого солнечного света. Лазер, в свою очередь, может создавать поток когерентного монохроматического узконаправленного излучения, что сильно уменьшает вероятность помех, т.к. в природе лазерное излучение не встречается, и источником помех может выступать только другой лазер. За такое преимущество мы в буквальном смысле вынуждены расплачиваться -лазерный источник излучения дороже, чем инфракрасный.

Переходя непосредственно к рассмотрению конкретных моделей лазерных датчиков, следует сделать оговорку, что мы будем рассматривать только ToF датчики, т.к. применение именно этого типа наиболее рационально в учебной робототехнике из-за приемлемой стоимости, небольших габаритов и получения качественных результатов.

Наиболее удачными лазерными датчиками расстояния на мировом рынке по соотношению цена-качество может похвастаться швейцарская компания STMicroelectronics. Исходя из условий, что датчики расстояния мы будем использовать на учебном роботе в небольшом закрытом помещении, делаем вывод, что нам интересны варианты с небольшой ценой, габаритами и рабочей дистанцией. Рассмотрим актуальные на данный момент модели датчиков, которые может предложить компания:

Таблица 1 - Сравнительная таблица лазерных датчиков компании ST

Наименование VL53L0X VL6180V1 VL53L1X VL53L3CX

Расстояние до объекта, м До 2 До 0,62 До 4 До 3,1

7610

Обнаружение нескольких объектов - До 4 объектов

Угол обзора (РоУ), ° 25 61 15...27, линзы на SPAD

Компенсации помех Компенсация перекрестных оптических помех Компенсация перекрестных оптических помех и фильтрация смазывания стекла

Цены, руб 600 1300 3300 2600

Исходя из данных таблицы, делаем заключение, что наиболее удачным вариантом в нашем случае будет датчик VL53L0X, поскольку при цене примерно в 600 рублей он обеспечивает обнаружение препятствий на расстоянии до двух метров и компенсацию перекрестных оптических помех. Он проигрывает по таким параметрам, как угол обзора и обнаружение нескольких объектов, не столь критичным для нас, но имеет невысокую стоимость, что несомненно является плюсом.

Теперь рассмотрим наиболее популярные ИК дальномеры. Подходящие под наши задачи датчики производит компания Sharp, но большого разнообразия мы здесь не имеем - на рынке всего два решения компании, которые отличаются между собой по сути лишь дистанцией, на которой они работают:

1. Инфракрасный дальномер GP2Y0A02YK0F (20-150 см). Цена 470р.

2. Инфракрасный дальномер GP2Y0A21YK0F (10-80 см). Цена 430р.

Исходя из того, что более бюджетный датчик обладает вдвое меньшей слепой зоной, большую часть которой можно скомпенсировать размещением датчика в центре робота, мы выберем GP2Y0A21YK0F, к тому же в наших

7611

условия нецелесообразно переплачивать за увеличение дальности обнаружения объектов.

Рис. 4 - Лазерный датчик VL53L0X Рис. 5 - ИК датчик

ОР2У0Л21УК0Б

Ультразвуковые датчики расстояния. Принцип работы датчика заключен в излучении высокочастотных звуковых импульсов с заданной периодичностью, которые распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом звуковая волна отражается от него и возвращается обратно к датчику в виде эха. Датчик воспринимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между моментом излучения сигнала и получением отраженного эха сигнала.

1. Излучение звукового импульса 2. Отражение

Рис. 6 - Принцип работы ультразвукового датчика Особенностью датчиков, работающих на звуковой волне, является то, что в отличии от света, чья скорость постоянна при любых условиях, на скорость звука влияет множество параметров внешней среды (температура, давление, наличие ветра), что в конечном счете сказывается как на точности, так и на максимальной дальности измерения.

7612

Стоит отметить, что сила рассеяния звука в пространстве значительно выше, чем у световой волны, а этот факт накладывает ограничение на максимальную дальность измерений (у решений представленных на рынке максимальная дальность 10 метров, но в среднем 0,4 - 5 м).

Наилучшим ультразвуковым датчиком на рынке на текущий момент является HC-SR04 или его улучшенная и чуть более дорогая версия НУ-SRF05, так как они дают приемлемую дальность работы (4 метра) при низкой цене в 200-300 рублей.

Рис. 7 - НУ-8КР05

Для наглядности сведём преимущества и недостатки всех рассмотренные видов датчиков в таблицу 2. Таблица 2 - Преимущества и недостатки датчиков расстояния

Тип датчика Преимущества Недостатки

Лазерный + лучшая точность по - по сравнению с ИК и УЗ

сравнению с датчиками наиболее

ультразвуковыми дорогой вид датчиков;

датчиками; - ошибочные вычисления

+ устойчивость к при попадании лазера

помехам на отражающую или

+ большая дальность прозрачную

измерения (до поверхность

7613

нескольких

километров);

+ выше быстродействие

по сравнению с УЗ

датчиками

Инфракрасны + лучше точность по - ошибочные вычисления

й сравнению с при попадании луча на

ультразвуковыми прозрачную

датчиками; поверхность;

+ высокое - подверженность

быстродействие по помехам;

сравнению с УЗ

датчиками;

Инфракрасны + самое маленькое - небольшая дальность

й энергопотребление; измерения по

+ дешевле по сравнению сравнению с другими

с лазерными видами датчиков;

датчиками; - максимальная

+ зеркальные дальность измерения

поверхности могут зависит от способности

усиливать сигнал. поглощать свет

объекта, до которого

измеряется дистанция.

- дороже по сравнению с

ультразвуковыми

датчиками

7614

Ультразвуков + хорошо работают с - небольшая дальность

ой прозрачными или измерений (в среднем

зеркальными до 5 метров);

объектами, а также - зависимость от

жидкостями; погодных условий;

+ по сравнению с - некорректное

лазерными и ИК распознавание

датчиками звукопоглощающих

представляют собой покрытий;

наиболее дешевый вид

датчиков;

+ результаты измерений

никак не зависят от

световых условий;

Выводы. Какой-то один выбранный нами датчик будет применяться на учебном трехколесном роботе, который должен выполнять задачи в условиях небольшого закрытого помещения. Следовательно, акцент при выборе датчика необходимо сделать на низкую стоимость, небольшую рабочую дистанцию и наименьшую подверженность помехам. Исходя из вышепредставленного анализа каждого типа датчиков, наилучшим из них по данным критериям можно считать ультразвуковой, поскольку данные, получаемые от окружающей среды, в помещении изменяются незначительно: нет перепадов температур и высот, и уж тем более нет ветра; что избавляет нас от проблем ультразвукового датчика, и кроме того в комнате имеется много хорошо отражающих и прозрачных поверхностей, а также разноцветных предметов, включая матово-черные, с которыми инфракрасные и лазерные датчики работают плохо. Помимо прочего, невысокая стоимость делает ультразвуковой HY-SRF05 явным фаворитом в нашем сравнении, т.к. при

7615

финансовом преимуществе он не проигрывает в технических характеристиках

лазерным и инфракрасным датчикам.

Литература

1. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник - Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.

2. «КИП - сервис»: [Электронный ресурс]. URL: https://kipservis.ru/microsonic/obshie_svedenia.htm

3. Лазерные приборы и методы измерения дальности : учеб. пособие по курсам «Проектирование лазерных оптико-электронных преобразователей» и «Оптико-электронные приборы» / Бокшанский В. Б., Бондаренко Д. А., Вязовых М. В. [и др.] ; ред. Карасик В. Е. ; МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - 92 с.

4. T. Danko. «Webcam Based DIY Laser Rangefinder», 2009 [Электронный ресурс]. URL: https://sites.google.com/site/todddanko/home/webcam_laser_ranger

5. «Лазерные датчики ST: измерение расстояния до объекта стало более надежным и быстрым»: [Электронный ресурс]. URL: https: //www.compel .ru/lib/142189

References

1. J. Frieden. Modern sensors. Directory - Moscow: Technosphere, 2005. - 592 p.

2. «KIP - service»: [Electronic resource]. URL: https://kipservis.ru/microsonic/obshie_svedenia.htm

3. Laser devices and methods of measuring range : studies. manual on the courses «Design of laser optoelectronic converters» and «Optoelectronic devices» / Bokshansky V. B., Bondarenko D. A., Vyazov M. V. [et al.] ; ed . Karasik V. E. ; Bauman Moscow State Technical University. - M. : Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2012. - 92 p.

7616

4. T. Danko. «Webcam Based DIY Laser Rangefinder», 2009 [Electronic resource]. URL: https://sites.google.com/site/todddanko/home/webcam_laser_ranger

5. «ST laser sensors: measuring the distance to an object has become more reliable and faster": [Electronic resource]. URL: https://www.compel.ru/lib/142189

© Кулебакин А.Е., Таразанов А.В., Шепелев С.О. 2022 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №7/2022.

Для цитирования: Кулебакин А.Е., Таразанов А.В, Шепелев С.О. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ РАССТОЯНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УЧЕБНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ// Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №7/2022.

7617