夏普GP2系列红外测距传感器

Acroname SHARP INFRARED RANGER COMPARISON

介绍

夏普红外线传感器具有具有体积小、功耗低、输出选项多的特点。为了最大化地发掘每个传感器的用途, 充分了解这些不同型号的红外传感器的工作原理、作用范围、交互方式是很必要的。

工作原理

根据输出的信号类型,夏普红外传感器主要可分为两类:模拟输出或数字输出。模拟信号的那一类可以提供被检测物具传感器距离转化为模拟信号输出;数字输出的一类可以比较被检测物与传感器的距离与预先设置的距离,当被检测物距离传感器的距离达到预先设定的值或者小于预先设定的值,那么传感器就会输出一个高电平。

这些传感器都采用的是三角测距原理,通过一组小型CCD(感光元件)条形阵列去计算前方物体的距离或者是判断在检测范围内是否有物体存在,为了构造一个用于计算的三角形,红外发生器会产生一个红外脉冲信号,这个光信号会遇到障碍物反射或者是没有遇到障碍物一直传播。在没有障碍物存在的情况下,这个光信号永远都不会被反射回来,此时读数表示在检测范围内没有物体存在,如果这束光被一个物体所反射回来,它会回到传感器上从而构造一个以红外发生器、光线在物体上的反射点、感光元件三点为顶点的三角形。

Acroname Sharp IR detector angle of reflection image
夏普红外接收器在近处和远处时光线与传感器水平面的角度

反射光的入射角与传感器到物体的距离有关。传感器的接收器部分具有一个精确的透镜,这使得反射光可以照射到透镜下的CCD阵列上的某一个区域,通过这一区域可以计算出入射角的角度,从而可以计算出物体到传感器的距离。这种测距方法可以免受环境光的干扰以及被检测物表面的颜色的干扰。

该用哪个传感器?

下表列出了每种传感器所能检测的距离范围,不管这种传感器返回的是具体的距离数值还是数字信号。Acroname Comparison Chart for Sharp IR Rangers
各种夏普红外传感器的对比表

夏普红外传感器测距范围比较

MODEL OUTPUT MIN. RANGE MAX RANGE
GP2D120/GP2Y0A41 Analog 1.5″ 11.8″
GP2Y0A02 Analog 8″ 59″
GP2Y0A21 Analog 4″ 30″
GP2Y0A710 Analog 36″ 216″
GP2D15 Digital 9.5″

GP2Y0A710 (‘0A710’), GP2D120GP2Y0A41GP2Y0A21 (‘0A21’), 和 GP2Y0A02 (‘0A02’) 传感器在表中所示的测距范围内可以通过模拟输出输出可靠的距离信息.。相对的,GP2D15通过判断是否有物体在其测距范围内来输出一个数字信号。这些传感器都不需要外部的时钟或者信号 ,但是为了使传感器持续工作,需要大概25mA的持续电流。

机械尺寸

除了0A710,所有的夏普红外传感器几乎都是一样的尺寸,0A710比其他的传感器都要大一点,这是为了容纳更大的透镜从而达到长达5.5米的最远测距范围 。下表列出了这些传感器的具体尺寸,在精确的制图中,确保多看几遍这个表格。

夏普红外传感器尺寸

MODEL WIDTH (MM) HEIGHT (MM) DEPTH (MM)
GP2D120/GP2Y0A41 40.75 18.9 15.5
GP2Y0A02 40.75 18.9 21.6
GP2Y0A21 40.75 18.9 15.5
GP2Y0A710 58.00 17.6 22.5
GP2D15 40.75 18.9 15.5

Acroname Size comparison of GP2Y0A710 (left), GP2Y0A02 (right) and GP2D15/120
 GP2Y0A710 (左侧), GP2Y0A02 (右侧) 和 GP2D15/120 (下方)的大小比较

非线性输出

因为在计算物体距离时是根据入射角的角度应用三角测距原理,这些传感器的输出电压和被检测物的距离的关系并不是线性变化的下图的曲线列举出了一组模拟输出的电压与被检测物距离的关系。

Acroname Example graph of Sharp IR Output Voltage vs Distance
夏普红外传感器被检测物的距离与传感器模拟输出数值的关系的一个例图

这幅图中可以发现几点有趣的事情:第一,传感器的输出在稳定范围内(10cm-80cm)与距离的关系并不是线性的反而有点像对数关系。不同的传感器的曲线可能会有轻微的不同,因此采用查找表或者参数化函数输出是个好办法,这样,每个检测器都可以被校准为基本一致,从而得到几乎线性地变化的距离数据。

第二,注意到这个输出当物体距离传感器的距离小于最小距离(10cm)时会急剧下降, 因此,这个输出数据可能会和一个更远的距离读数相混淆,如果你想让你的机器人靠近一个坚硬的物体时放慢速度,这种读数可能是灾难性的(在距离物体小于最小检测距离时,这个读数会被曲解为机器人距离当前物体仍较远),如果没有正确的处理这个错误的数据,机器人可能会全速撞向障碍物,避免这种情况发生的最简单的办法是将传感器交叉放置在机器人的长边或者是宽边上,如下图:

Acroname Example of cross-firing detectors to avoid range errors
交叉使用传感器来避免测距错误的一个例子

红外光束的模式

这些测距器所发出的光束类型是相当一致的,这束光线大约想一个足球一样,中间最宽的地方有16cm,这是一个相当窄的光束,当与伺服器一同使用测距时可以获得大量的距离数据 。

当使用夏普传感器用于机器人防撞时,尽可能获取最大的光束宽度是很有利的,这样可以获得最大限度的覆盖面积,比如说机器人的整个正面。通过交叉使用两个传感器,使它们的光束交叉(见下图)就可以轻易达到这种效果. 这种用途的传感器使用最多的是GP2D15.

Acroname Configuration of two sensors for effectively wider beam width
应用两个传感器可以获得更宽的光束宽度

获取传感器的数据

除了 GP2Y0A710, 所有的夏普红外传感器都是采用的是日本无焊端子(JST)连接器 。 这些连接器具有三条导线: ground, Vcc,和output. 由于这些传感器持续工作且不需要外部时钟来启动,和它们交互是很容易的, 但是由于它们会持续工作,所以在多个相同传感器应用在同一个机器人上时可能会相互干扰。当把多个传感器应用在机器人上是,只要记住这些传感器的工作原理,就可以避免这些干扰。

GP2Y0A710 更大,所以它采用了五针的接线,其中两根为ground,两根为Vcc。然而, 如果连接的电源能够提供大约350mA的峰值电流(大约33mA-50mA连续电流),这些线可以被焊接在一起。和别的传感器一样, GP2Y0A710也是持续工作的。 为了达到你的预期效果,一定要仔细查看每一个传感器的数据表来确保所采用的传感器是正确且适合的。

总结

夏普红外测距传感器对于机器人学可运用的传感器是一个很好的补充。 这个产品并不贵,同时功耗小,可以在狭小的空间内有着独到的距离检测范围,这种特性使得它成为在人类活动场所所采用的理想传感器,比如说在大堂,房间,或者迷宫。

虽然这些传感器并不能给出精确的距离,但是它们可以在机器人处理嘈杂的信息时第一时间提供一个很好的信息,通常来说,一个机器人知道它距离障碍物是远离还是靠近已经够它去决定下一步干什么了。

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