Sensoren: Wozu Warum Weshalb- in Theorie

Dies ist mein 1. Artikel und er handelt von Sensoren. (das fängt ja gut an). Jeder, der sich einen Roboter baut wird schnell zu dem Punkt kommen, wo er möchte dass sein Roboter „sieht“.
Ich habe noch keinen Roboter, nein noch nicht mal ein eigenes „Labor“. Deswegen habe ich mich mal damit theoretisch beschäftigt. In diesen Artikel geht es nicht darum, wie ein Sensor funktioniert. Das würde den Rahmen sprengen. Ich will hier nur einen Weg aufzeigen den jeder von euch gehen kann. Dabei sollte man aber nicht in die erst beste Sackgasse kommen. Das war mein Anliegen, einen Überblick zu geben.

Die Sensoren müssen grundsätzlich drei Aufgaben erledigen. Die ersten beiden sind Kollisionschutz und Navigation. Diese unterscheiden sich in der Funktionsweise vor allem in der Interpretation im Programm und im Aufbau am Roboter. Die dritte Art sind Sensoren, die ihn mit der Umwelt in Kontakt treten lassen.

Grundsätzlich müssen alle Sensoren diese Merkmale aufweisen:

1. Passiv oder Aktiv?
2. Einfachheit
3. Auswertbarkeit in Echtzeit
4. Robustheit


Zu 1.
Manche Sensoren (z.B. IR) brauchen eine aktive Quelle (hier die IR LED) die dann aber einen Mehrverbrauch an Strom bedeutet. Passive Sensoren wie Taster bekommen ihre Signale aus der Umwelt (hier Stoß). Zu ihnen zählen die meisten Umweltgrössen wie Temperatur und Feuchtigkeit, Licht und Vibration oder Kraft (Stoß).

Zu 2.
Ein Sensor muss einfach sein. Denn was nützt es uns wenn wir den Sensor nicht kalibrieren können oder der Aufbau zu schwer ist? Doch Sensoren, die nicht in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, sind äußerst selten. Dann besteht nur noch der Wunsch, dass die meist zwei drahtigen Sensoren auch einfach anzuschließen sind. Deswegen ist es manchmal von Vorteil, sich vorgefertigte Anschlüsse zu kaufen, anstatt diese in mühsamer Kleinarbeit selber zu erstellen.

Zu 3.
Alle Sensoren, die zunächst in Frage kommen, basieren auf dem Prinzip des Spannungsteilers. Das heißt, es wird eine Urspannung eingegeben und eine Teilspannung kommt heraus. Diese Differenz können wir erfassen und mittels Wertetabelle im Programm auswerten. Aber durch Störeinflüsse in der Umwelt kann es vorkommen, das die berechneten Werte abweichen. Jeder Messtechniker weiß, dass jede Messung in einem System dieses verändert. Besser schreiben

Zu 4.
Wir werden am Anfang sicher nicht unseren Roboter in einer Morastlandschaft einsetzten aber auch schon ein Stoss gegen die Wand hat schon manchen Roboter ausgenockt. Schon normaler Hausstaub kann und wird Linsen trüben und Messwerte verschlechtern. Das heisst wenn ein Sensor gekauft wird muss er der Situation angemessen sein.


Natürlich muss man bevor der Roboter steht schon im klaren sein was seine Aufgaben sind. Auch wenn diese so weitgefasst sind wie „Karte erstellen und Raumüberwachung dabei einer Linie folgen“. Jeder Sensor braucht Platz und verringert die Einsatzdauer. Nicht jeder Sensor ist für jede Arbeit gedacht und zum Schluss spielt das Geld eine Rolle denn mancher Sensor kostet schon 30 Euro.


Sensoren für den Kollisionsschutz
Die wichtigsten Sensoren auf einen Roboter sind die Kollisionssensoren. Diese schützen den Roboter vor Zusammenstößen und Abstürzen in einen Schacht. Dabei kann man diese Gruppe auf direkte und indirekte Sensoren unterteilen.

1. Direkte Sensoren
Sie sollen den Zusammenstoß nicht verhindern sondern dabei das Signal ausgeben. In letzter Zeit werden diese Sensoren noch gepolstert, damit beim Zusammenstoß keine zu großen Kräfte auftreten.
Am einfachsten geht dies mit einem Taster, der am Chassis befestigt ist. Da dies sehr kurze Reaktionszeiten mit sich bringt, haben einige Roboter Fühler um diese Zeit zu verlängern. Eine weitere Methode ist es, eine Stoßstange zu entwickeln, die dann an den Tastern (direkt oder indirekt) befestigt sind. Dabei kann diese Stoßstange auch gepolstert sein. Eine nun neuere Methode ist es, Luftschläuche zu verwenden. Die dämpfen den Stoß ab und sind dabei an einem Drucksensor angeschlossen, der das Zusammenquetschen erkennt und ein Signal ausgibt.

2. Indirekte Sensoren
Sie sollen helfen, den Zusammenstoß zu vermeiden um am besten noch Zeit zu geben, einen optimalen Weg am Hindernis herum zu finden. Diese haben ein größeres Problem, da sie meist keine 360 Grad „Rundumsicht“ garantieren können. Das bedeutet, dass die meisten Roboter diesen Typ der Sensoren in Fahrtrichtung eingebaut haben, um diese Aufgabe zu erfüllen. Was auch effizient ist, denn solche Sensoren sind sehr teuer und müssen ständig vom Programm überwacht werden.
-Aus dem Alltag:-
Diese Sensoren werden bei neueren Autos auch als Parkhilfe angeboten.

Das Problem der Sensoren ist ihre räumliche Begrenztheit. Denn schon 5 Meter sind sehr lang. Aber auf der anderen Seite wollen die meisten eh keine 5 Meter „vorausschauen“.
Es gibt mehrere Typen. Am bekanntesten sind die IR Sensoren. Diese sind gut für lange Distanzen aber haben das Problem, dass sie gebündelt sind und somit Zwischenräume schwer abdecken können. Besser sind dort Ultraschallsensoren, die aber teurer sind. Etwas in der Nische ist das Radar – System; es ist ein sehr aufwendiges und teueres System ist und die Auswertung der Daten ist komplex. Es bietet aber den besten Schutz gegen Zusammenstöße, da dieses System nicht auf einen Punkt gerichtet ist sondern die ganze Fläche abspannt.

Probleme beider Systeme:
Ist die Höhe. Leider ist unser Roboter dreidimensional und bewegt sich zweidimensional. Das heißt, es spannen sich mehrere Ebenen auf die überwacht werden wollen. Denn wenn dies nicht geschieht, stößt der Roboter gegen eine Tischplatte, weil er diese nicht erkannt hat oder gegen ein Hindernis das unter den Sensoren hindurch rutscht.
Deswegen bemüht man sich, den Roboter so flach wie möglich zu halten und das Fahrgestell so zu bauen, dass man flache Hindernisse überfahren kann. Es hilft also, darüber sich vorher Gedanken zu machen.
Je nachdem wo der Roboter zum Einsatz kommt tun sich manchmal Abgründe auf (z.B. Tischplatte). Diese müssen erkannt werden. Deswegen ist es erforderlich, Abstandssensoren noch unten zu richten um einen Absturz zu vermeiden. Dabei sollte man indirekte Sensoren einsetzten, denn was nützt es wenn der Taster erkannt hat das nun ein Loch da ist aber der Roboter bis er reagiert schon auf dem Boden aufschlägt?


Zur Navigation:
Nun gibt es hier viele Arten wie die Navigation erfolgen kann. Ich tue 2 Felder auf. Wenn unser Freund neue Welten erkunden soll oder in einen Spiel gegen eine Mannschaft antritt dann braucht er andere Sensoren, als wenn er routiniert Wege abfahren soll obwohl sich die Felder überschneiden.

Alle Navigationssysteme bauen auf 2 Quellen der Navigation auf: inkrementale Weggeber und Absolutwertgeber.

Dies ist das größte Problem wenn ihr einen Bot bauen wollt. Denn ihr habt das Problem nicht was euer Bot hat, euch ist das zu abstrakt aber wenn ihr das nicht begreift wird er nie dort hinkommen wo er soll. Ihr habe Augen die euch ohne zu denken den Absolutwert geben, wie weit der Abstand des Cursors eurer Maus zum Startbouton jetzt ist. Die Maus hat einen Weggeber intern, doch ihr Kontrolliert ständig ob die Werte korrekt sind und korrigiert diese falls nötig! Das kann euer Roboter nicht. Das heisst wenn eine Achse sich schwere dreht als die andere wird er ständig in einen Kreis fahren. Ohne das ihr das in den Messwerten sehen könnt.

Weggeber
Die Weggeber existieren meistens in Form der Odemetrie. Das heisst es wird erfasst die Drehung der Antriebsachse direkt. Das kann erfolgen mit einem Schrittmotor ( wobei dies indirekt ist da ihr hier die Werte vorgibt) oder mit einer Lochscheibe die dann die Schritte zählt mittels Lichtschranke. Oder mit Tastern und einem Zahnrad.
Nicht zur Odemetrie aber auch Weggeber sind „mitlaufende“ Räder die Zählen (z.B eine Kugelmaus) oder aber eine optische Maus. Oder ein Seil das ihr von einen Lotpunkt mitzieht.

Diese Weggeber sind ungenau sind verfälschen immer das Ergebnis. Wenn ihr den Roboter über längere Strecken fahren lässt braucht ihr den 2 Typ um ihn neu einzukalibrieren.

Absolutwertgeber:999
Diese Methode sagt euch, wo auf einer Ebene ihr euch exakt befindet in X und Y Achse aufgesplittet.

Es gibt mehre Methoden die ich ohne besondere Reihenfolge aufliste:


Abstandsmessungsprinzip funktioniert so das sich ein Turm auf dem Roboter befindet. Diese scannen den Raum ab. mittels weiterer Sensoren (Kompasssensoren). Nun kann man berechnen wo im Raum man sich befindet. Nur bedingt einsetzbar, da ja Objekte die Wand verdecken.
Das Barkensystem funktioniert nach dem Einpeilungsprinzip ( so wurden unsere U-Boote im 2. Weltkrieg aufgedeckt). Das heißt, in einen Raum kennen wir mindestens 2 Punkte (Barken) die dann mit dem Roboter ein Dreick/Ebene aufspannen. Mittels Berechnungen kann dann der unbekannte Roboter -Punkt exakt bestimmen. Es gibt verschiede Methoden doch hier die Wichtigsten:


Aktive Barke, heisst die Barken senden ein Signal aus das dann vom Roboter empfangen wird ( z.B. IR). Das ist die einfachste Methode wenn auch nicht die eleganteste. Denn dadurch muss sich die Technik über den Roboter hinaus in den Raum ausbreiten und das wiederum kollidiert mit dem Prinzip von Automer Roboter. Die meisten Absolutwertgeber mit Barken gehen diesen Weg.

Passive Barke, heisst das diese nur ein Signal zu dem Roboter zurücksendet das dieser ausstrahlt. Das Problem ist, dass bei diesem System der Aufwand auf dem Roboter höher ist und das der Baterieverbauch grösser wird. Aber wir haben dann auch einen wirklichen autonomen Roboter.

-Aus dem Alltag-
Es gibt Veranstaltungen /Wettkäpfe die nur eine Barke zulassen. Diese soll dabei nicht helfen um herauszufinden wo sich der Roboter um Raum befindet sonder nur wo er hin soll bzw. wo sein „Feind“ ist.

Das Bodenmarkierungsprinzip wird meistens eingesetzt, wenn der Roboter sich nur in einem bestimmten Feld oder auf einer bestimmten Bahn aufhalten soll. Dabei werden passive oder aktive Elemente in dem Boden eingelassen, die dann von Onboard Sensoren wahrgenommen werden. Beispiel hierfür sind Rasenmäherbots oder autonome Fahrzeuge in Werkshallen.

Neben dem Brakensystem existiert noch ein raumunabhängiges System das GPS. Dieses ist aber sehr aufwendig. Denn es bezieht Signale (3 Zeitsignale von Satelliten die dann verglichen werden) und ist meist draussen besser zu empfangen. Auch lässt das US Militär das Signal verschlechtern so das es nur auf 30 cm genau ist. Und wenn man es für die Robotertechnik gebrauchen will braucht man 3 Empfänger und muss diese miteinander vergleichen.

Weitere Methoden sind nicht zu gebrauchen oder sind nur Abarten der hier erwähnten Methoden.


Umweltsensoren
Sie sind meist erst in der letzten Ausbaustufe beim Roboter interessant und sollen helfen unseren Freund sich in der Umwelt zurechtzufinden.

Dabei gibt es Interaktionsensoren, wie Drucksensoren oder Mikrofone. Mikrofone lassen dem Roboter erkennen ob Geräusche vorhanden sind. Richtig: ob nicht wo. Dazu muss das Mikrofon entweder gerichtet sein und sich in dem im Raum drehen können oder aber in vier Ecken starr auf dem Roboter befinden.

Wenn der Roboter eine Solarzelle hat dann braucht er Lichtsensoren die ihn zur grössten Lichtquelle bringt.

Rauchsensoren lassen den Roboter zwar erkennen das sich Rauch im Raum befindet. Doch was nützt es wenn dieser Rauch erst in einer Höhe von 40 cm erkannt wird? Um z.B. Räume auf Giftgas zu testen braucht es einen Gasmesser. Beide Sensoren arbeiten unterschiedlich. Während Rauchmelder alle Partikel ohne Ausnahme erkennt haben Gasmesser nur eine begrenzte Sammlung an zu erkennenden Gasen.

Temperatur Sensoren helfen dem Bot die nun ja Temperatur zu fühlen um z.B. aus der Sonne zu gehen.


Es gibt dutzende Sensoren und Sensorenanlangen die unseren Bot helfen sich in der Umwelt zurechtzufinden. Je mehr man hat umso mehr kann man mit diesen spielen, um zb. Gewohnheiten zu programmieren. Aber wenn man seinen Bot auf eine Aufgabe ausrichtet sind diese die das i-Tüpfelchen bringen.




Ich beende nun meinen Artikel. Ich wollte eine Zusammenstellung aller Sensorenverwendungen geben um damit dem Bau eines Roboters zu vereinfachen.
Denn Sensorenn sind es die den Roboter besonders machen.

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In diesen Thread gibt es weitere Infos und gebt dort auch euren Kommentar ab: http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=10331

Weitere Infos zu Sensoren in userem neuen ARTIKEL-Bereich hier

Danke für euer Interesse

euer Student