Sharp am Wind

Sharp am Wind
Das dynamische Verhalten des Sharp Sensors GP2D12

"Hart am Wind" müsste es eigentlich heißen aber es war eben ein Sharp (GP2D12) und ganz schön windig war es bei der Messung auch.

Es geht darum wie sich der Sensor verhält, wenn sich während der Messung der Abstand merklich ändert. Eine Beschreibung des dynamischen Verhaltens findet sich nicht im Datenblatt und soll deshalb hier diskutiert werden.

Bild hier  
Bild 1: Sharp Ausgansspannung für 10s

Ziel

Die Analyse wird sich im wesentlichen mit Bild 1 beschäftigen, in dem die Ausgangsspannung des Sensors für den Zeitraum von 10 Sekunden aufgenommen wurde. Es soll gezeigt werden, wie man mit Kenntnis der Wandlerparameter das Bild in einer ganzen Reihe von zunächst einfachen und dann auch komplexeren Parametern konstruieren oder besser nachvollziehen kann.

Aus der Berechenbarkeit des Bildes lässt sich dann hoffentlich zeigen, dass das Verhalten des Wandlers auch in einer dynamischen Umgebung planbar ist.


Messanordnung

Als Einstieg zur Messanordnung: Es wurde eines der unten aufgeführten Objekte zur Aufnahme von Bild 1 verwendet.

Bild hier   Bild hier   Bild hier   Bild hier   Bild hier   Bild hier   Bild hier  

Kommentare sind natürlich willkommen. Das Ergebnis ist noch nicht ausformuliert und kann auch durch Kommentare noch ergänzt und verbessert werden.
Manfred

Ist das eine Kopfnuß ?
Die Sägezähne schauen ventilatormäßig aus, aber etwas langsam und mit Richtungsumkehr ?

Zitat:

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Ist das eine Kopfnuß ?

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Unter Kopfnuss muss das Thema ja mehr oder weniger in 2 Tagen geklärt sein, davon kann ich bei der Aufgabe nicht ausgehen. Deshalb hier unter Sensoren.

Zitat:

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Die Sägezähne schauen ventilatormäßig aus, aber etwas langsam und mit Richtungsumkehr ?

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Zur Messanordnung: Es ist ein Ventilator, das ist richtig.
Die große Abstandsänderung (von 10cm bis 16 cm) kombiniert mit einer sehr raschen Bewegung ist durch eine Vibration kaum so schnell zu bewerkstelligen. Bei einem Basslautsprecher ist es wegen des Schalldrucks kaum vorstellbar. Die Hin- und Herbewegung eines Reflektor-Schirms wird auch sehr schwierig.

Beim Ventilator ist die Funktion sogar noch eine fast lineare sägezahnförmige Kippschwingung die mit ihrer steilen Flanke sehr hohe Frequenzanteile in die Messung einbringt. Es ist also ein Ventilator.

Als nächstes werden die Messzeiten des Sensors genauer betrachtet.
Manfred

Nominell tickert der GP2 mit 25 Hz, also ca 40 mS.
Er erfaßt davon etwa 32mS lang die Reflexion(en).
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=11903
Es könnte interessieren, wie er genau auf distanzänderungen in dieser Zeit reagiert.
Vielleicht könnte man bei genau kontrollierten (und mit den Meßfenstern synchronisierten) Objektbewegungen und dem dann folgenden Ergebnis ableiten, ob ein Mittelwert rauskommt oder ob in den 32 mS ein (für das Ergebnis maßgeblicher) Hot-Spot liegt.

Gut, dann machen wir es in der Reihenfolge und fangen mit der Betrachtung der periodischen Messungen an.

Die Aufnahme der Sendediodenspannung Bild 2 zeigt 32 Impulse mit der Dauer 64µs mit einer Folgefrequenz von 1kHz. Dann folgen 8ms Pause und ein neuer Messzyklus beginnt.
Die Aktualisierung des Ausgabewertes erfolgt übrigens 3ms nach dem Burst mit 32 Impulsen, also in der Sendelücke.

Bild hier  
Bild 2 Sendediodenspannung

Wenn man annimmt, dass es sich um 32 Einzelmessungen handelt deren Ergebnis gemittelt wird, dann hätte man schon mal ein Verhalten, aus dem sich einiges ableiten lässt.

Manfred

Durch die Lücke müßte der Mittelwert verschoben sein. d.h. ein näherndes Objekt schiene zu weit, ein sich entfernendes zu nahe. Muß man (ich) mal durchdenken.

Statische Analyse

Durch Auswertung der Abstands-Spannungsfunktion aus dem Datenblatt wurden folgende Werte ermittelt:
10 cm: 2,45 V
16 cm :1,65 V.

Dynamische Analyse

Zum Verhalten des Sensors soll betrachtet werden wie er sich bei Anregung mit verschiedenen Testfunktionen verhält:

Beispiel 1 Sägezahn 25Hz
Bei einer Funktion, die eine Periodendauer von 40ms hat, wird jedes Mal ein Teil der Periode erfasst, allerdings jedes Mal mit der gleichen Phase. Es tritt also ein Signal auf, das die Frequenz null hat, und einen Amplitudenwert aus einem Wertebereich. In der Umgebung der Frequenz 25 Hz tritt ein Signal mit dieser Amplitude auf.
Wie groß ist der Wertebereich für die Amplitude bei 25Hz?

Beispiel 2 Sägezahn 31,25Hz
Von einer Funktion, die eine Periodendauer von 32ms hat, wird immer eine ganze Periode, wenn auch jedes Mal in einer anderen Phasenlage, erfasst und es wird über die Werte gemittelt. Es muss also der Mittelwert des Wertebereiches herauskommen.

Bei kleinen Abweichungen von dieser Frequenz tritt ein Signal auf, das umso größer ist, je größer die Abweichung von dieser Frequenz ist.
Wie groß ist die Frequenz am Sensorausgang in der Umgebung von der Anregungsfrequenz 31,25Hz?
Manfred

*hirn* Wahrscheinlich zu kompliziert gedacht :
Sägezahn mittel: 0 ---> amplitude a1
was davon kann der GP mitteln ?
minimal kommt er auf ( a * 4/5 ) / 2
maximal ( a / 5 + a ) / 2
wär eine differenz von 2a/5
(da ist sicher wo ein Hund drinnen)

Bei 2 scheint mir das eine Schwebung zu werden, was die Frequenz betrifft.

Ich seh grad, das geht anonym weg, na, is wahrscheinlich eh besser

mfg robert

Amplitude im statischen Fall
Zur Grundlage für die dynamischen Fälle, in denen die einzelnen 32 Einzelmessungen pro Zyklus auch unterschiedliche Werte annehmen können, soll zunächst der statische Fall betrachtet werden in dem alle Einzelmessungen den gleichen Wert liefern.
Dieser Wert kann je nach Winkel des Rotorblattes 1,65 V betragen, wenn der Rotor mit 16cm am weitesten entfernt ist, oder 2,45 V wenn der Rotor mir 10cm am nächsten dran ist.
Jede Einzelmessung liefert dann den gleichen Wert und der Mittelwert, die Summe über 32 Werte geteilt durch 32 entspricht dann auch dem Messergebnis.
Der Spannungshub ist dabei 2,45V – 1,65 = 0,8V.
Da 1,65V der kleinste Wert ist der vorkommt, wird zur Vereinfachung der Beschreibung von allen Spannungswerten 1,65V abgezogen.


Amplitude bei Anregung mit 25Hz
Im Beispiel 1 bei der Sägezahnfunktion mit 25Hz hat man eine Rampe von 0 bis 0,8V die mit konstanter Phase abgetastet wird. Die Einzelwerte sind wie in Bild 3a gezeigt im einen Extremfall
tiefe Werte zwischen 0V und 0,8V * 32/40 und im andern Extremfall
hohe Werte zwischen 0,8V * 8/40 und 0,8V.

Bild hier  
Bild 3a Anregung mit 25Hz

Der Mittelwert der Rampenfunktion ist auch gleich der Mittelwert der Endwerte also für
tiefe Werte Umt = 0,8V * 0,4 und für
hohe Werte Umh = 0,8V * 0,6.
Die Differenz zwischen beiden Werten ist 0,16V.
Diesen Wert, 0,8V * 0,2 kann man auch schon am Vergleich der beiden übereinander aufgetragenen grauen Flächen in Bild 3a erkennen. Die untere Fläche ist ein Dreieck und die obere Fläche das gleiche Dreieck mit einem recheckigen Sockel über die ganze Breite und mit der Höhe 0,2 * 0,8V.
0,16V, das ist also die Amplitude der Spannung am Sensor in der Umgebung von 25Hz.
Manfred

Für allgemeine Funktionen würd ich die 32mS (Lücke) auf winkelwerte dieser Funktion umrechen ( x1 --> x2 )
x1 wäre soz. die Phasenlage und x2 dann der endpunkt der 32ms
jetzt könnt man eine Funktion bilden mit der phasenlage als variable x und den (Integral von x1 ->x2 )/ (x2 - x1 ) als funktionswert.
Damit könnt man den Output für jede Frequenz / Funktion darstellen.

Faltet man die Sägezahnfunktion mit der Amplitude A und der Frequenz f mit einer Spaltfunktion der Breite D,
dann ergibt sich die Amplitude U.
U = A - A * D * f ...............................für .. 0 < f < 1/D
U = A - A * D * f + 2A * (D-1/f) / D... für 1/D < f < 2/D
Mit dieser Kurve kann man die Amplitudenwerte für weitere Anregungsfrequenzen bestimmen.
Die Funktion können wir später mit gemessenen Werten vergelichen.
Manfred

Wir werden neben dem Sägezahn aber wohl oft bei beschleunigten Bewegungen mit quadratischen Funktionen konfrontiert sein.
Oder nehmen wir den Sägezahn als Näherung davon und lassen es gut sein ?

Ich bin eigentlich froh wenn ich eine solche Geschwindigkeit wie in 30ms die 6cm und ein bisschen mehr einigermaßen kontinuierlich zusammenbekomme. Das sind ca. 2m/s Annäherung an ein Hindernis (oder auch sonst Abstandsänderung bei der Drehung).

Zum Test der noch schnelleren Sprünge haben wir dann ja auch noch den Wechsel von einem Rotorblatt auf das nächste. Der sollte dann auch noch
analysiert werden.
Manfred

Nicht lachen !
Wenn du (sehr viel) Phantasie hast, verstehst du vielleicht, was mit der Zeichnung gemeint ist. Das soll eine Draufsicht sein. Links der GP2. die sensationelle Kurve rechts davon erzeugt bei Drehung für den GP2 einen Sägezahn. Diese Drehung ließe sich besser kontrollieren als ein Ventilator mit doch ungünstig geformten Blättern.

Ich lache ja gar nicht, ich habe ja einige Zeit nach etwas geeignetem gesucht.
Sag bescheid, wenn Du mit dem Auswuchten fertig bist.
Manfred

Anregung mit weiteren Testfrequenzen

Es war noch offen, welche Frequenz am Sensorausgang erscheint, wenn die anregende Sägezahnfunktion eine Frequenz von 31,25Hz hat. Die Signalamplitude ist dann zwar null, da jedes mal über eine ganze Periode des Signals gemittelt wird, aber in der Umgebung wird das Signal mit der Frequenz erscheinen.

Bei einer Abtastung die jeweils nach 8ms Pause erfolgt wird ein um 8ms verschobenes Stück des Signals abgetastet. Das ist ein Viertel der Periodendauer also 90°. Ändert sich die Phase des Signals mit der Abtastfrequenz von 25Hz um jeweils 90° dann ergibt sich eine Frequenz die ¼ so groß ist wie die Frequenz bei der sich die Phase mit 25Hz um jeweils 360° ändert.

Es ergibt sich somit unmittelbar 6,25Hz. Siehe Bild 3 b

Bild hier  
Bild 3b Anregung mit 31,25 Hz

Es werden sich bei der Abtastung, (Multiplikation oder Faltung) eines Signals durch eine anderes immer die Frequenzdifferenzen und -Summen ergeben, was bei komplexen Signalen mit vielen Frequenzanteilen sehr vielfältig werden kann. Speziell die tiefen Frequenzen kann man dabei oft noch leicht erkennen. Hier sind es 31,25 Hz – 25 Hz = 6,25 Hz.

Betrachtet man mit der Erkenntnis noch einmal Bild 1 dann erkennt man, dass die Fälle auftreten. So muss die Phasenumkehr rechts bei 8s bei der Anregung mit 25Hz sein, denn in ihrer Umgebung ist auch die Amplitude 0,16V und in der Mitte des Bildes bei 4,3s gibt es eine phasenunabhängige Nullstelle. Die Ausgangsfrequenz ist dort nicht gut erkennbar. Allerdings sind rechts davon, bei 5s bis 7,6s einige Perioden eines Rampenförmigen Signals zu erkennen.
Bei genauerer Betrachtung erkennt man, dass die erste Periode etwa 0,25s dauert die folgenden haben Dauern von 0,3s; 0,4s; 0,5s; 0,8s das sind 4Hz bis 1,25Hz Ausgangsfrequenz und damit 29Hz bis 26,25Hz Anregungsfrequenz.

Der Ventilator wird also über das Oszillogramm in Bild 1 von links nach rechts kontinuierlich verlangsamt.

Bild hier  
Bild 1

Phasenverlauf:
Da der Sensor vor dem Ventilator steht, ist bei langsamer Drehung die Rampenfunktion nach rechts ansteigend. Sie wäre auch nach rechts ansteigend für Anregungsfrequenzen, die schneller laufen als bei Synchronisation mit der Abtastung, also links von der Phasenumkehr bei 8s (oder 25Hz). Die Gegenläufigkeit der Phase (nach rechts abfallend) in diesem Bereich ergibt sich aus einer weiteren Phasenumkehr die durch eine Mittelung über mehr als 50% der Abtastperiode bedingt ist.

Damit ist die Funktion in Bild 1 schon weitgehend beschrieben und verifiziert. Es fehlt dann noch die regelmäßige Struktur auf der linken Seite bei 1,7s.
Manfred

Solche "parallel" Kurven kannst du kriegen, wenn das f-verhältnis in etwa ungeradzahlig ist

Edit: Ich überleg' gerade, ob man irgendwie lissajus-figuren zusammenbringen könnte.

Etwas OT: Ich hab noch keinen Sharp geschlachtet. Was für ein Sensor ist das genau, mit dem der Kerl den Einfallswikel mißt ?

PSD Position sensitive device.
Wir haben Fotos von geöffneten Sharps*) und ich hoffe ich finde auch noch die Beschreibung zum PSD**), (die ganz nett war).

Manfred

*) https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...?p=56459#56459
Bild hier  

Ah, danke. Ich hab ein PDF gefunden.
http://herkules.oulu.fi/isbn95142578...9514257804.pdf
Wenn's so ist, geht's um die LEP (lateral effect photodiode) und damit ist das Prinzip verständlich.
Warum fragt man sowas blödes: Wir sind im Thread davon ausgegangen, daß der GP einen Mittelwert über 32 Messungen bildet. Jetzt wollt ich das mal hinterfragen.

Klopf. Klopf. Ist noch wer zu Hause ?

Überlegung: Wenn ich als Objekt sowas hätte, das zusammen mit dem GP12 eine bestimmte Schwebung erzeugt, könnt ich es theoretisch daran identifizieren. Bei drei solchen könnte man dann eine Positionsbestimmung machen.
Ventilatoren wären da halt nicht so gut. Ich wüßt im Moment nix geeignetes, aber ich würde die Möglichkeit im Hinterkopf behalten.

Zitat:

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Überlegung: Wenn ich als Objekt sowas hätte, das zusammen mit dem GP12 eine bestimmte Schwebung erzeugt, könnt ich es theoretisch daran identifizieren. Bei drei solchen könnte man dann eine Positionsbestimmung machen.
Ventilatoren wären da halt nicht so gut. Ich wüßt im Moment nix geeignetes, aber ich würde die Möglichkeit im Hinterkopf behalten.

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Das ist eine Frage der Zielsetzung.
Hier geht es einfach darum, wie sich der Abstandssensor verhält wenn sich der Abstand während der Messung ändert.
Muss beispielsweise ein rotierender ScanSensor zum Messen angehalten werden?

Zitat:

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Es geht darum wie sich der Sensor verhält, wenn sich während der Messung der Abstand merklich ändert. Eine Beschreibung des dynamischen Verhaltens findet sich nicht im Datenblatt und soll deshalb hier diskutiert werden.

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Es ist ja bekannt, dass der interaktive Teil der Messung 32ms dauert, solange sendet die Diode Impulse.

Es war nirgends(?) beschrieben, dass über alle Impulse gleichgewichtet gemittelt wird. Nach der Annahme, dass dies so ist und der weitgehenden Verifikation spricht vieles dafür. (Es wäre auch möglich gewesen, dass kleine oder große Werte anders geweichtet werden, dass kein nachvollziehbares Ergebnis ausgegeben wird.)

Man kann sich auch weitere Tests für kritische Fälle überlegen, und sehen wo Grenzen sind

- kommt noch.

Manfred

Beim Scannen wird das Problem hauptsächlich das sein, daß schmalere Hindernisse, für die beim Drüberschwenken dann keine 32mS mehr zur Verfügung stehen, zwar als existent, aber als viel zu weit weg interpretiert werden. Diese Mißweisung ließe sich Breite, Distanz und Winkelgeschwindigkeit berechnen.

Zitat:

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Diese Mißweisung ließe sich Breite, Distanz und Winkelgeschwindigkeit berechnen.

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Diesen Fehler kann man dann beschreiben und abschätzen wenn man die Parameter des Sensors kennt.
Manfred