Sharp am Wind

[Manf]

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

[PicNick]

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

[Manf]

Ist das eine Kopfnuß ?

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.

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

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

[PicNick]

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.

[Manf]

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

[PicNick]

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.

[Manf]

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

[Manf]

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

[PicNick]

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.