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pt:examples:sensor:ir_distance [2015/12/16 14:07] – Criação deste novo documento. articapt:examples:sensor:ir_distance [2020/07/20 12:00] (current) – external edit 127.0.0.1
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 +====== Sensor de distância de infra-vermelhos ======
  
 +//Conhecimento necessário: 
 +[HW] [[pt:hardware:homelab:digi]], 
 +[AVR] [[pt:avr:adc]], \\
 +[LIB] [[pt:software:homelab:library:adc]], [LIB] [[pt:software:homelab:library:module:lcd_graphic]], [LIB] [[pt:software:homelab:library:module:sensor]]//
 +
 +===== Teoria =====
 +
 +[{{  :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_gp2y0a21yk_picture.jpg?240|Sharp GP2Y0A21YK}}]
 +
 +Para a medição da distância a um objecto, existem sensores ópticos que usam o método de medição por triangulação. A empresa "Sharp" produz sensores de distância comuns que usam o comprimento de onda dos infra-vermelho (IR) e que têm saída de tensão analógica. Os sensores feitos pela "Sharp" têm um LED IR equipado com lente, que emite um feixe de luz estreito. Depois de refletir a partir do objeto, o feixe é dirigido através de uma segunda lente a um detector de posição foto-sensível (PSD). A condutividade deste PSD depende da posição em que o feixe cai. A condutividade é convertida em tensão e se a tensão for digitalizada usando um conversor analógico-digital, a distância pode ser calculada. O caminho dos feixes reflectidos a várias distâncias diferentes é apresentado no desenho junto ao texto.
 +
 +[{{  :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_principle.png?240|O caminho de feixes de luz até um sensor de distância IR}}]
 +
 +A saída dos sensores de distância da "Sharp" é inversamente proporcional, isto significa que, quando a distância está a crescer a saída é decrescente (o decréscimo é reduzindo gradualmente). O gráfico exato da relação entre a distância e a saída está geralmente no data-sheet do sensor. Todos os sensores têm a sua gama de medição específica onde os resultados medidos se enquadram e esta gama depende do tipo do sensor. A distância máxima medida está limitada por dois aspectos: a quantidade de luz reflectida é decrescente e a incapacidade do PSD registar pequenas mudanças na localização do raio reflectido. Ao medir os objectos que estão muito longe, a saída permanece aproximadamente a mesma como quando está à distância máxima. A distância mínima é restrita devido a uma peculiaridade dos sensores Sharp, em que a saída começa a diminuir (novamente) drasticamente a partir de um determinado ponto (dependendo do modelo de 4-20 cm). Isto significa que a um valor de saída correspondem dois valores de distância. Este problema pode ser evitado notando que o objecto não está muito próximo do sensor.
 +           
 +===== Prática  =====
 +
 +[{{  :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_graph.png?240|Diagrama voltagem-distância de um sensor de distância IR}}]
 +
 +O conjunto de sensores HomeLab inclui o sensor de distância IR SHARP GP2Y0A21YK. A gama de valores do sensor é de 10 cm - 80 cm. A voltagem de saída deste sensor é, de acordo com a distância medida, até 3 V. O sensor de distância pode ser ligado a qualquer ADC (conversor analógico-digital) de canal do módulo HomeLab. Com base nos exercícios de sensores anteriores, é fácil escrever um programa que mede a tensão de saída dos sensores de distância, mas, além disso, este exercício inclui a conversão desta tensão de saída para distância.
 +
 +Na datasheet do GP2Y0A21YK é mostrado o gráfico da relação entre a tensão de saída e distância medida. Este gráfico não é linear, porém o gráfico de valores inversos de tensão de saída e distancia são quase, e a partir dele é bastante fácil encontrar a fórmula para a conversão de tensão em distância. Para encontrar a fórmula, os pontos do mesmo gráfico devem ser inseridos numa folha de cálculo e, em seguida, gerar um novo gráfico. Em programas de folhas e cálculo é possível calcular automaticamente a linha de tendência. De seguida, o gráfico da relação entre os valores inversos da tensão de saída corrigido do GP2Y0A21YK e o valor corrigido inverso da distância medida com linha de tendência linear é apresentado. Para simplificar, a tensão de saída está já convertida para valores de 10 bits +5 V do conversor analógico-digital com tensão de comparação. 
 +
 +[{{  :examples:sensor:ir_distance:sensor_ir_distance_gp2y0a21yk_graph_calculation.png?400|O gráfico da linearização dos valores do ADC e distância}}]
 +
 +Como pode ser visto no gráfico, a linha de tendência (azul) sobrepõe-se com bastante precisão aos pontos do gráfico. Tal sobreposição é conseguida através da ajuda da constante de correcção. Esta constante de correcção é descoberta usando o método de tentativa e erro - muitas variáveis ​​são testadas até ser encontrada a que faz o gráfico de linha de tendência sobrepor-se o mais possível. Esta constante de correcção do presente gráfico é +2; isto significa que, para todas as distâncias reais é adicionado o valor 2. Desta forma, o gráfico é muito semelhante para a linha de tendência linear e uma generalização pode ser feita e dizer-se que a relação entre a distância e a tensão é a seguinte:
 +
 +1 / (d + k) = a * ADC + b
 +
 +onde
 +
 +  * d - distância em centímetros.
 +  * k - constante de correcção (encontrada por tentativa e erro).
 +  * ADC - valor de tensão digitalizado.
 +  * a - membro linear (o valor é determinado pela equação da linha de tendência).
 +  * b - membro livre (o valor é determinado pela equação da linha de tendência).
 +
 +
 +A distância pode ser expressa pela fórmula:
 +
 +d = (1 / (a * ADC + B)) - k
 +
 +Agora é possível, basicamente, calcular a distância, utilizando esta fórmula, mas isto requer cálculos com floating point, uma vez que na divisão vão ocorrer fracções. Porque o microcontrolador opera usando números inteiros, a fórmula deve ser simplificada e convertido para proporções maiores. Dividindo o quociente por um membro linear este vai parecer como se segue:
 +
 +d = (1 / a) / (ADC + B / a) - k
 +
 +Ao introduzir a constante de correcção na fórmula assim como o membro linear e o membro livre calculado a partir da equação de linha de tendência, a fórmula para calcular a distância será:
 +
 +d = 5461 / (ADC - 17) - 2
 +
 +Esta fórmula é calculável com inteiros de 16 bits e completamente adequada ao AVR. Antes de calcular, deve ser assegurado que o valor do ADC é superior a 17, de outra forma estaremo a dividir por 0 e distâncias negativas podem ocorrer.
 +
 +A seguir mostra-se a função para converter os valores do ADC para centímetros, que está implementada na biblioteca do HomeLab. Os membros linear e livre, assim como a constante de correcção não estão rigidamente escritas para a função, eles são alimentados através dos parâmtros da estrutura de objetos do sensor de distância IR. Mantendo os parâmetros em separado, é fácil adicionar novos sensores de distância IR ao programa.
 +
 +
 +<code c>
 +// The structure of the parameters of the IR distance sensors
 +typedef const struct
 +{
 + const signed short a;
 + const signed short b;
 + const signed short k;
 +}
 +ir_distance_sensor;
 +
 +// The object of the parameters of GP2Y0A21YK sensor
 +const ir_distance_sensor GP2Y0A21YK = { 5461, -17, 2 };
 +
 +// Converting the values of the IR distance sensor to centimeters
 +// Returns -1, if the conversion did not succeed
 +signed short ir_distance_calculate_cm(ir_distance_sensor sensor,
 + unsigned short adc_value)
 +{
 + if (adc_value + sensor.b <= 0)
 + {
 + return -1;
 + }
 +
 + return sensor.a / (adc_value + sensor.b) - sensor.k;
 +}
 +</code>
 +
 +Para fazer a conversão, a função //ir_distance_calculate_cm// deve ser chamada. O primeiro parâmetro desta função é o objecto dos parâmetros do sensor de distância IR, o segundo é o valor de ADC. A função retorna a distância calculada em centímetros. Se a operação der erro (valor não natural do ADC) o valor retornado é -1. O programa seguinte demonstra a utilização do sensor de distância IR e a função de conversão. O LCD gráfico é usado, onde os resultados medidos são exibidos. Se a distância não for natural o símbolo "?" é exibido.  
 +
 +<code c>
 +// The example program of the IR distance sensor of the HomeLab
 +// Measured results in centimeters is displayed on the LCD
 +#include <stdio.h>
 +#include <homelab/adc.h>
 +#include <homelab/delay.h>
 +#include <homelab/module/sensors.h>
 +#include <homelab/module/lcd_gfx.h>
 +
 +#define ADC_CHANNEL 0
 +
 +// Main program
 +int main(void)
 +{
 + signed short value, distance;
 + char text[16];
 +
 + // Robotic HomeLab II external sensors pin of Sensor module 
 + //pin ex_sensors = PIN(G, 0);
 + //pin_setup_output(ex_sensors);
 + //pin_set(ex_sensors);
 +
 + // Initialization of LCD
 + lcd_gfx_init();
 + lcd_gfx_clear();
 + lcd_gfx_goto_char_xy(1,2);
 + lcd_gfx_write_string("Distance sensor");
 + 
 + // Setup of the ADC
 + adc_init(ADC_REF_AVCC, ADC_PRESCALE_8);
 + 
 + // Endless loop
 + while (1)
 + {
 + // Reading the 4 times rounded value of output voltage
 + value = adc_get_average_value(ADC_CHANNEL, 4);
 +
 + // Conversing ADC value to distance
 + distance = ir_distance_calculate_cm(GP2Y0A21YK, value);
 +
 +                lcd_gfx_goto_char_xy(1,3);
 +
 + // Was the calculation successful?
 + if (distance >= 0)
 + {
 + // Conversing distance to text
 + sprintf(text, "%3d cm   ", distance);
 + }
 + else
 + {
 + // Creating the text for unknown distance
 + sprintf(text, "Error   ");
 + }
 +
 + lcd_gfx_goto_char_xy(1,3);
 + lcd_gfx_write_string(text);
 + sw_delay_ms(500);
 + }
 +}
 +</code>
 +/*
 +===== Materiais extra =====
 +
 +  * {{:examples:sensor:ir_distance:ir_distance.ods|Gráfico do sensor Sharp GP2Y0A21YK}}
 +  * [[http://www.acroname.com/robotics/info/articles/irlinear/irlinear.html|Linearizing Sharp Ranger Data]]
 +
 +*/
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