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Optokoppler

2006-07-14T10:58:17Z

As31415rin: /* Wozu braucht man Optokoppler? */

[[Bild:optokoppler.jpg|thumb|Beispiel eines Optokopplers]]
Sein Name lässt es schon erahnen: Wie die [[Leuchtdiode]] gehört auch der Optokoppler zu den optoelektronischen Bauelementen. Genauer betrachtet sind bei einem Optokoppler zwei "optisch ge-koppelte" Halbleiterbauelemente in einem Gehäuse untergebracht.
Der Optokoppler ist, salopp formuliert, Optoelektronik im Doppelpack - die Wechselwirkung zwischen Photonen ("Licht") und elektrischen Ladungsträgern bei Halbleitern wird gleich zweifach genutzt, um die gewünschte Funktion zu erreichen.

==Lichtsender und -empfänger==
Im Optokoppler finden wir eine Leuchtdiode als Lichtsender und eine Fotodiode (oder Fototransistor/-thyristor/-triac) als Lichtempfänger. Dabei sind Sender und Empfänger gegenüber und vor äußerer Lichtstrahlung geschützt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, oft kleiner als ein herkömmliches 8 Pin Dil IC. Versorgt man die Leuchtdiode mit Strom, leuchtet sie auf und das Licht gelangt über einen lichtdurchlässigen Isolator, z. B. Glas, zur Fotodiode, die unter dieser Lichteinwirkung leitend wird. Durch ihre Lichtstrahlung steuert die [[Leuchtdiode]] die Fotodiode (Leuchtdiode ein = Fotodiode leitet, Leuchtdiode aus = Fotodiode sperrt). Und das, obwohl beide nicht elektrisch verbunden, sondern nur über einen Lichtpfad gekoppelt sind.

==Wozu braucht man Optokoppler?==
In der Elektronik gibt es viele Anwendungen, bei denen Signale übertragen und die zugehörigen Ein- und Ausgangsschaltungen galvanisch getrennt (elektrisch isoliert) werden müssen. Die galvanische Trennung von Schaltungsteilen kann technische Gründe haben und/oder als Sicherheitsmaßnahme dienen. Zum Beispiel, wenn nachfolgende Schaltungen kei nen elektrischen Einfluss auf vorhergehende Schaltungen haben dürfen. Im Fachjargon heißt das dann "rückwirkungsfreie Signalübertragung".

Mit seiner Fähigkeit, über kleine Eingangssignale einen galvanisch getrennten Ausgangskreis zu steuern, ist der Optokoppler einem [[Relais]] sehr ähnlich. Im Unterschied zu [[Relais]] weisen Optokoppler jedoch keine verschleißanfälligen mechanischen Teile auf und zeichnen sich darüber hinaus durch kürzere Schaltzeiten und kleinere Abmessungen aus. Die Isolationsspannung (Durchschlagsfestigkeit) von Optokopplern beträgt mehrere Kilovolt, je nach Abstand und Anordnung von Lichtsender und -empfänger und Isolationsmaterial. Für medizinische Anwendungen sind bspw. mindestens 5.3kV vorgeschrieben. Mit Optokopplern, die übrigens schon seit 1972 angeboten werden, können sowohl binäre als auch analoge Signale übertragen werden.

==Autoren/Quellen==
* Live News Spoerle
* Übernommen Frank

==Siehe auch==
* [[Leuchtdiode]]
* [[Relais]]
* [[Fotodiode]]
* [[Fototransistor]]

[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Elektronik]]

ADC

2006-04-23T14:10:02Z

As31415rin: /* Weblinks */

Abkürzung des englischen Begriffs '''Analog to Digital Converter''', im deutschen Sprachgebrauch '''A/D-Wandler''' (Analog nach Digital Wandler) oder '''A/D-Umsetzer''' genannt.
__NOTOC__
== Allgemeines ==

Da es in der digitalen Welt nur zwei Zustände gibt um Informationen darzustellen, benötigt man einen A/D-Wandler um analoge Größen in digitale Werte umzuwandeln.

;Merkmale eines A/D-Wandlers
:Auflösung in Bit
:Geschwindigkeit der Umwandlung
:Spannungsbereich in dem Gemessen werden kann
:Größe der Referenzspannung
:Wiederholgenauigkeit

In der Regel werden verschieden hohe Spannungen analysiert und je nach Genauigkeit des Wandlers (Auflösung) ein entsprechender Wert als Zahl zurückgegeben.

;Beispiel der Auflösung eines Wandlers
:liegt der Messbereich zwischen 0V und 5V, bei einer Genauigkeit von 8 Bit, und einer Referenzspannung von ebenfalls 5V, so ergibt der analoge Wert von 0V am Eingang den digitalen Wert 0. Entsprechend 5V am Eingang den Wert 255. Der kleinste messbare Spannungsunterschied liegt so bei ca. 0,02 Volt. Bei einer Auflösung von 10 Bit verringert sich dieser Wert schon auf etwa 0,005 Volt, also 4mal genauer weil 2 Bit mehr Auflösung.

;Beispielgeräte mit integriertem A/D-Wandler
:Soundkarten
:ISDN-Telefone
:DVD-Brenner
:Scanner
:Fax-Geräte
:TV- und Videokarten

In vielen [[Microcontroller|Microcontrollern]] sind A/D-Wandler enthalten, meistens mit mehreren Eingängen und einer Genauigkeit von 8 bis 10 Bit. Es gibt aber auch eigenständige Bausteine (ICs) die es mit einer Vielzahl von verschiedenen Schnittstellen gibt um an das digitale Ergebnis zu kommen, wie u.a. [[I2C]].

== ADC des AVR ==

In den [[Atmel]] [[AVR]]s wird das Funktionisprinzip der ''Sukzessiven Approximation''
[http://de.wikipedia.org/wiki/Analog-digital-Umsetzer#Sukzessive_Approximation]
angewandt. Bei einer Auflösung von 10 Bit und einer Frequenz von max. 200kHz. Daraus ergibt sich eine Samplingrate von etwa 15kHz. Eine höhere Frequenz (bis zu 1MHz) ist zwar möglich, resultiert aber in einer Verringerung der Genauigkeit.

== Weblinks ==
[http://de.wikipedia.org/wiki/Analog-digital-Umsetzer Analog-digital-Umsetzer] - hier wird genauer erklärt wie ein AD-Wandler funktioniert, und welche Funktionsprinzipen es gibt.
[http://www.sprut.de/electronic/referenz/index.htm] - Informationen über Referenzspannungsquellen

[[Kategorie:Abkürzung]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Sensoren]]

Bezugsquellen

2006-04-16T12:21:02Z

As31415rin: /* Elektronikbauteile */

{| {{Blaueschmaltabelle}}
|Hier können Bezugsquellen eingetragen werden! Bitte aber pro Eintrag nicht mehr als '''2 bis 3 Zeilen''', ansonsten muss es ein Moderator kürzen! Dieser Artikel soll nicht als Werbeplattform mißbraucht werden, für Werbung gibts andere [[RN-Wissen:Site_support|Möglichkeiten]]. Er soll eine Hilfe für Bastler sein!
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==Elektronikbauteile==

;Conrad - http://www.conrad.de: Fast alle Standardelektronikbauteile, aber teuer

;CSD-Electronic - http://www.csd-electronics.de/: Elektronik

;Kessler-Electronic - http://www.kessler-electronic.de/: ( ehemals Simons ) Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Messgeräte, Hifi, usw. Preisstaffelung für größere Mengen, Mindestbestellwert: 10 Euro

;Distrelec Gruppe - http://www.distrelec.com: Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, usw.

;Farnell In One - http://de.farnell.com/: elektronische Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Sensoren, Literatur, Entwicklungskits, Kabel, Steckverbinder, Werkstattbedarf. Auch für privat. Sehr schnell.

;Reichelt - http://www.reichelt.de: Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Lichttechnik, Messtechnik, Software, Kabel, Steckverbinder, Werkstattbedarf, Werkzeug, Mindestbestellwert: 10 Euro

;RS-Components - http://www.rsonline.de: Bauelemente: (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Lichttechnik, Messtechnik, Software, Kabel, Steckverbinder, Werkzeug

;Ribu Elektronik - http://www.ribu.at: Diverse Bauelemente, ICs, österreichische Seite

==Sensoren==

;Robotikhardware - http://www.robotikhardware.de: Drehgeber, Sharp-Entfernungssensoren, Neigungssensoren, Temperatursendoren usw. speziell für Robotik-Bastler

;Micromaus - http://www.micromaus.de: Sharp-Entfernungssensoren, Farbsensoren, Feuchtesensoren, Flexsensoren, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren usw.

;Roboter-Teile - http://www.roboter-teile.de/ : Lynxmotion Hexapot, Sensoren, CMU-Cam, AVR, PIC u.v.a.

==Motoren==

;mir-elektronik - http://www.mir-elektronik.de: Schrittmotoren, Endstufen, Bauteile, Literatur und Sonderposten
;Lemo-Solar - http://lemo-solar.de/: Motoren, Getriebe, Elektronik-Bausätze, Sonderposten u.v.a.

==Platinen==

;Multipcb - http://www.multipcb.de: Platinenservice für gewerbliche Kunden

;PCB-Pool - http://pcb-pool.com: Platinenservice für private und gewerbliche Kunden

==Materialien==

;Metall Store - http://www.metallstore.de/: Schrittmotoren, (Kugel-)Lager, diverse Bauelemente aus Alu, VA, Messing, Bronze, Kupfer, Werkzeuge, Spezialschrauben

;Modulor - http://www.modulor.de/: Diverse Materialien Kunststoff, Gummi, Papier, Pappe, Holz, Metall, Textilien, Plexiglas ...

;Igus - http://www.igus.de/: Gleitlager, Lineargleitlager, Kabelschleppen, Gelenklager, Polymergleitlager, Wellen ...

==Roboterboards==
;Robotikhardware - http://www.robotikhardware.de: Spezielle Roboterboards, universelle Microcontrollerboards, Sprachboards, Bausätze, Platinen, Schrittmotoren etc. Berückichtigt [[RN-Definitionen]]

[[Kategorie:Praxis|!]]

Wunschthemen

2006-04-05T16:29:32Z

As31415rin: /* Meine Wunschthemen */

Auf dieser Seite kann '''jeder''' Themen nennen, die er sich in diesem Wiki wünschen würde. Die Seite dient Usern die gerne was schreiben möchten als Anregung. Hat jemand ein entsprechendes Thema erstellt, kann er es auch aus dieser Liste wieder streichen.

==Meine Wunschthemen==

* Filter (Hardware/Software)
* LCD Programmierung in C
* C-Control 2 Tutorial
* Serielles AVR-ISP Programmierkabel
* PIC18F... Einführung
* RoboShark der faszinierende Roboter-Hai aus der BBC-Reportage
* GCC Einführung mit Beispielen
* [[Schaltung Avr-Digitizer]] um Videobild mit Avr zu digitalisieren und auszuwerten oder per Funk zu übertragen
* Anleitung für ds Tonertransververfahren (LaserToner auf Platine Büglen)
* Bau einer Ätzküvette
* PIC16F... Programmierung mit dem Go Embedded Pascal-Compiler
* Ansprechen der RS232 Schnittstelle mit gängigen Programmiersprachen
* Vergleich der erzeugten Codes von AVR-Compilern ([[avr-gcc]], [[Bascom]], evtl. FastAVR, IAR-COmpiler, etc)
* Pda und PPC steuerung über CF und MMC slot
* Spracherkennung
* Mehr C Tutorials wie bei Bascom für LCDs,....

==Ich würde mir den weiteren Ausbau folgender Artikel wünschen==
* [[C-Tutorial]]
* [[Sourcevergleich|Bascom / C / Assembler Sourcevergleich]]
* [[Navigation]]
* [[Transistor]] (noch ein paar Bilder und vielleicht Grundschaltungen mit Beschreibung wären toll
* [[Roboterwettbewerbe]]
* [[Avr-gcc|Dokumentation zu avr-gcc]]
* [[Arm]] Microcontroller
* [[GPS]] - Aufbau und Anwendung
* [[SPI]] - Vielleicht noch Beispiele
* [[Manchester- Codierung]] - noch ein Programmbeispiel wäre toll
* [[JTAG]]
* [[Megaload]]
* [[ADC]] - Programmbeispiele, Programmierung erläutern

==Folgende erscheinen noch recht unvollständig und sollten von einem User der in dem Bereich kundig ist, ergänzt werden==
* [[CAN]]
:: Ich würde mir CAN Beispiel mit 2 AVR´s wünschen

* [[Solarzellen]]
:: Ein Schaltplan eines Ladereglers fehlt im Artikel noch

* [[GNU Assembler|AVR Assembler (GNU) Einführung]]

Wunschthemen

2006-04-05T16:26:58Z

As31415rin: /* Meine Wunschthemen */

Auf dieser Seite kann '''jeder''' Themen nennen, die er sich in diesem Wiki wünschen würde. Die Seite dient Usern die gerne was schreiben möchten als Anregung. Hat jemand ein entsprechendes Thema erstellt, kann er es auch aus dieser Liste wieder streichen.

==Meine Wunschthemen==

* Operationsverstärker
* Filter (Hardware/Software)
* LCD Programmierung in C
* C-Control 2 Tutorial
* Serielles AVR-ISP Programmierkabel
* PIC18F... Einführung
* RoboShark der faszinierende Roboter-Hai aus der BBC-Reportage
* GCC Einführung mit Beispielen
* [[Schaltung Avr-Digitizer]] um Videobild mit Avr zu digitalisieren und auszuwerten oder per Funk zu übertragen
* Anleitung für ds Tonertransververfahren (LaserToner auf Platine Büglen)
* Bau einer Ätzküvette
* PIC16F... Programmierung mit dem Go Embedded Pascal-Compiler
* Ansprechen der RS232 Schnittstelle mit gängigen Programmiersprachen
* Vergleich der erzeugten Codes von AVR-Compilern ([[avr-gcc]], [[Bascom]], evtl. FastAVR, IAR-COmpiler, etc)
* Pda und PPC steuerung über CF und MMC slot
* Spracherkennung
* Mehr C Tutorials wie bei Bascom für LCDs,....

==Ich würde mir den weiteren Ausbau folgender Artikel wünschen==
* [[C-Tutorial]]
* [[Sourcevergleich|Bascom / C / Assembler Sourcevergleich]]
* [[Navigation]]
* [[Transistor]] (noch ein paar Bilder und vielleicht Grundschaltungen mit Beschreibung wären toll
* [[Roboterwettbewerbe]]
* [[Avr-gcc|Dokumentation zu avr-gcc]]
* [[Arm]] Microcontroller
* [[GPS]] - Aufbau und Anwendung
* [[SPI]] - Vielleicht noch Beispiele
* [[Manchester- Codierung]] - noch ein Programmbeispiel wäre toll
* [[JTAG]]
* [[Megaload]]
* [[ADC]] - Programmbeispiele, Programmierung erläutern

==Folgende erscheinen noch recht unvollständig und sollten von einem User der in dem Bereich kundig ist, ergänzt werden==
* [[CAN]]
:: Ich würde mir CAN Beispiel mit 2 AVR´s wünschen

* [[Solarzellen]]
:: Ein Schaltplan eines Ladereglers fehlt im Artikel noch

* [[GNU Assembler|AVR Assembler (GNU) Einführung]]

Transistor

2006-04-05T16:24:11Z

As31415rin: /* Grundschaltungen */

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement. Man verwendet Transistoren zum Schalten und Verstärken. Die Bezeichnung Transistor ist eine Kurzform vom englischen ''Transfer Varistor'' und soll den Transistor als einen durch Strom steuerbaren Widerstand beschreiben.
Es wird in 2 Hauptgruppen unterschieden:

Bipolare Transitoren und [[FET]]'s (Feldeffekttransistor)

Bipolare Transistoren werden durch Stromfluss angesteuert. Die Anschlüsse des Bipolaren Transistors sind ''Kollektor'' , ''Basis'' und ''Emitter''. Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Kollektor-Emitter-Strecke steuern. Es wird unter anderem auch zwischen NPN und PNP Transitoren unterschieden.

Bei FET's werden die Anschlüsse als Gate (engl. Tor, Gatter), Drain (engl. Abfluss), Source (engl. Quelle) bezeichnet. Der Strom auf der Drain-Source-Strecke wird hier durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert. Die Steuerung erfolgt (nahezu) stromlos.<br>

[[Bild:Transistor.gif|center]]
<br>
== Funktionsprinzip ==

[[Bild:Ib-Kennlinie, BC547.gif|thumb|Spannungs-Strom-Kennlinine der Basis-Emitter-Strecke]]
Gehen wir zunächst von einem NPN-Transistor aus, dessen Emitter auf Masse liegt. Durch ihn können zwei Ströme fließen: Der Basis-Emitter-Strom (Kurz: I<sub>b</sub>) und der Collector-Emitter-Strom (Kurz: I<sub>c</sub>). Der Basisstrom I<sub>b</sub> ist der Steuerstrom. Die Spannungs-Strom-Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke ähnelt einer Diodenkennlinie: Bis ca. 0,6V fließt kaum Strom, danach steigt die Stromstärke schnell an. )siehe Grafik) Diese Kennlinie ist auch noch temperaturabhängig, bei höheren Temperaturen kann ein höherer Strom fließen. Wenn man nun eine Spannung von z.B. 0,7V an die Basis anlegen würde, würde zuerst nur ein kleiner Strom fließen. Mit der Zeit würde sich der Transistor erwärmen, wodurch ein höherer Strom fließen kann. Dadurch wird jedoch auch wieder die Wärmeabgabe größer, ein Teufelskreis entsteht und irgendwann brennt der Transistor durch. Um das zu verhindern, benutzt man, je nachdem wie groß die Last ist, die am Transistor angeschlossen ist, Basis-Vorwiederstände in der Größenordnung von 220 Ohm bis 100 kOhm. Diese werden zwischen die Ansteuerung und die Basis des Transistors geschaltet und begrenzen den Strom, der durch die Basis fließen kann.
[[Bild:Ic-Kennlinie, BC547.gif|thumb|Spannungs-Strom-Kennlinine der Collector-Emitter-Strecke]]
Die Collector-Emitter-Strecke des Transistors hat eine Kennlinie, die zuerst in etwa linear ansteigt und dann bei einer bestimmten Stromstärke in eine fast waagrechte Gerade übergeht. (siehe Grafik)
Bei welcher Stromstärke die Gerade abknickt, hängt von dem Strom ab, der durch die Basis-Emitter-Strecke fließt. Je höher dieser ist, desto später knickt die Gerade ab, und desto größere Lasten kann man schalten. In einem begrenzten Bereich ändert sich der Basisstrom linear zum Collectorstrom. Die Basis-Emitter-Stromstärken betragen in der Grafik von unten nach oben 0mA, 5mA, 10mA, 15mA und 20mA.
Das Verhältnis aus dem Strom, der auf der Collector-Emitter-Strecke fließen kann, und dem Strom, der dazu als Steuerstrom benötigt wird, nennt man Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor, der bei einem Transistor angegeben ist, ist jedoch eine rein theoretische Größe. Die Werte, die im Datenblatt angegeben sind, beziehen sich auf eine Collector-Emitter-Spannung von 5V, bei höheren Lastströmen sinkt der Verstärkungsfaktor weiter. In der praktischen Anwendung wäre ein so hoher Spannungsabfall katastrophal, da, wenn man mit niedrigen Spannungen arbeitet, keine bzw. kaum noch Spannung für den Verbraucher übrig bleibt.<br>
Wie groß man I<sub>b</sub> wählen muss, probiert man am besten in einer Schaltungssimulation aus, die Berechnung dauert in den meisten Fällen länger.<br><br>
Bei einem PNP-Transistor sind im Grunde alle Spannungen umgedreht. Der Emitter liegt nicht auf Masse, sondern auf Vcc (meist 5V). Die Basis muss auf einer niedrigeren Spannung liegen, beispielsweise 4,3V, damit der Transistor durchschaltet. Der Strom fließt aber weiterhin von + nach - (technische Stromrichtung angenommen)

== Grundschaltungen ==
=== Emitterschaltung ===
=== Kollektorschaltung ===
=== Basisschaltung ===

=== Prinzipien ===
==== Verstärkungsregelung ====
bspw. stromgegenkopplung

=== Logische Interpretation der Schaltungen ===
====Die NOT Verknüpfung====

[[Bild:NOT Gatter.JPG]]

Diese einfache Schaltung, bestehend aus einem NPN Transistor und zwei Widerständen, invertiert das Eingangssignal, sodass aus beispielsweise +5V (oder logisch 1) 0V (oder logisch 0) erzeugt werden.
Die daraus resultierende Wertetabelle sieht folgendermaßen aus:

<div align = "center">
{| {{Blauetabelle}}
| '''Eingang'''
| '''Ausgang'''
|-
| 0V
| +5V
|-
| +5V
| 0V
|}
</div>
Wenn also an der Transistorbasis +5V angelegt werden (+0,7V reichen meistens auch schon), dann schaltet der Transistor durch und am Ausgang liegen 0V an. Der Strom, der nun durch den Transistor fließt wird durch den Widerstand R<sub>2</sub> begrenzt. Wird dieser Widerstand weggelassen, dann wird durch den entstehenden Kurzschluss der Transistor unweigerlich zerstört.
Legt man nun am Eingang 0V an, so sperrt der Transistor und am Ausgang liegen +5V an.

Der Basisstrom wird durch den Widerstand R<sub>1</sub> bestimmt. Ein kleiner Widerstand beschleunigt die Schaltgeschwindigkeit des Transistors, ein großer ermöglicht die Ansteuerung auch mit kleinen Strömen.

====Die NAND Verknüpfung====

[[Bild:NAND_Gatter.jpg]]

Die NAND ('''N'''ot'''AND''', d.h. die invertierte Form einer AND Verknüpfung) Verknüpfung besteht aus zwei Transistoren und damit auch zwei Eingängen. Es gibt auch NAND Verknüpfungen, mit mehr Transistoren und folglich auch mehr Eingängen, diese sind im Aufbau aber sehr ähnlich zu der vorgestellten Grund-NAND Verknüpfung.
Schauen wir uns zunächst die Wertetabelle an:
<div align = "center">
{| {{Blauetabelle}}
| '''Eingang 1 (E1)'''
| '''Eingang 2 (E2)'''
| '''Ausgang (A1)'''
|-
| 0V
| 0V
| +5V
|-
| +5V
| 0V
| +5V
|-
| 0V
| +5V
| +5V
|-
| +5V
| +5V
| 0V
|}
</div>

Wie kommt es nun zu dieser Werte- oder auch Wahrheitstabelle?

Wenn an den beiden Eingängen 0V anliegen, dann schaltet keiner der beiden Transistoren durch und der Ausgang ist über den Widerstand R<sub>3</sub> mit +5V verbunden.
Wechselt nun einer der beiden Eingänge auf 1, dann schaltet auch nur einer der beiden Transistoren durch und am Ausgang liegen immer noch +5V an. Werden nun aber beide Eingänge mit +5V verbunden, dann schalten beide Transistoren durch und der Ausgang ist leitend mit Masse verbunden.

Die Widerstände (R<sub>1</sub>, R<sub>2</sub>, R<sub>3</sub>) haben die gleiche Funktion wie auch in der NOT Verknüpfung.

== Transistor - Kennwerte ==
Die Transistorkennwerte sind grundsätztlich in Grenzdaten und Kenndaten unterteilt. Grenzwerte dürfen auf keinen Fall überschritten werden, da eine Zerstörung des Transistors unvermeidlich ist. Eigenschaften eines Transistors werden als Kenndaten angegeben, die das Verhalten in bestimmten Arbeitspunkten kennzeichnen.

==Grenzwerte für Sperrschichttemperatur==
Durch die Verlustleistung bei Dauerbetrieb entsteht in der Sperrschicht Wärme, durch die sich die Sperrschichttemperatur erhöht, diese Sperrschichttemperatur '''T<sub>J</sub> ''' , darf bestimmte Werte nicht überschreiten, da die Halbleitereigenschaften des Transistors stark verändert würden, was die Zerstörung zur Folge hat. Diese Temperatur hängt vom Halbleitermaterial ab.

'''T<sub>J</sub> ''' : 90°C Germaniumtransistoren

'''T<sub>J</sub> ''' : 150 - 200°C Siliziumtransistoren

==Grenzwerte für Umgebungstemperatur==
Einige Hersteller geben statt der maximalen Sperrschichttemperatur die höchstzulässige Umgebungstemperatur '''T<sub>U</sub> ''' als Grenzwert an. '''T<sub>U</sub> ''' ist stets kleiner als '''T<sub>J</sub> '''. Zu diesen beiden Angaben ist in den Datenblättern meistens ein Diagramm zu finden in dem die Temperaturabhängigkeit der höchstzulässigen Gesamtverlustleistung aufgezeigt wird. Aus diesem Diagramm kann die Verlustleistung bei bestimmten Umgebungstemperaturen entnommen werden. Als Parameter ist der Wärmewiederstand '''R<sub>Th</sub> ''' des Halbleiters aufgetragen. Denn wird durch einen Kühlkörper oder durch die Montage des Transistors an einem Gehäuse die Wärme besser abgeführt, so ist die Gesamtverlustleistung auch bei höheren Umgebungstemperaturen zulässig.

==Zulässiger Arbeitsbereich==
In Transistorschaltungen dürfen bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden. Der zulässige Arbeitsbereich einer Transistorschaltung wird somit durch den Kollektorstrom '''I<sub>c</sub> ''', durch die Kollektor - Emitterspannung '''U<sub>CE</sub> ''' und durch die Verlustleistung '''P<sub>tot</sub> ''' begrenzt. Wird der Transistor außerhalb des erlaubten Arbeitsbereiches betrieben wird der Transistor zerstört.

''Autor: ZwieBack - Wiki Konvertierung Frank''

==Siehe auch==
* [[Feldeffekttransistor|FET]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Grundlagen]]

Benutzer:As31415rin

2006-04-03T21:06:30Z

As31415rin:

beteiligt an folgenden Projekten/Seiten:

http://johannes.lampel.net
http://www.bots-united.com
http://joebot.bots-united.com
http://vvis.sf.net

Sensoren

2006-04-03T16:34:20Z

As31415rin: /* Temperatur Sensoren */

==Sensoren==
Jeder, der sich einen Roboter baut wird schnell zu dem Punkt kommen, wo er möchte dass sein Roboter „sieht“.
Sensoren müssen hauptsächlich 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:

===Passiv oder Aktiv?===
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).

===Einfachheit===
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.

===Auswertbarkeit in Echtzeit===
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

===Robustheit===
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.

==Aufgaben für Roboter==
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.

====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.
====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.

Diese Sensoren werden bei neueren Autos auch als Parkhilfe angeboten.

==Probleme==
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“.
[[Sensorarten|Es gibt mehrere Typen]]. Am bekanntesten sind die [[Sensorarten#optische_Sensoren|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 [[Sensorarten#Ultraschall_Sensoren|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?

==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: [[Sensorarten#Drehgeber_Sharp_GP1A30|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 Startbutton 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 [[Sensorarten#Drehgeber_Sharp_GP1A30|Weggeber]] existieren meistens in Form der Odometrie. 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:===
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:

====Peilung====
Das [[Sensorarten#Sharp_GP2D12|IR-Abstandsmessungsprinzip]] funktioniert so das sich ein Turm auf dem Roboter befindet. Diese scannen den Raum ab. mittels weiterer Sensoren ([[Sensorarten#Kompa.C3.9F|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. Das heißt, in einen Raum kennen wir mindestens 2 Punkte (Baken) 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 Bake, heisst die Baken 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 Autonomer 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 Bake 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.

====[[GPS]]====
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 ließ das US Militär das Signal verschlechtern so das es nur sehr ungenau war. Heutzutage ohne Störsignal schafft man auch nur Genauigkeiten von einigen Metern. Wenn man genauere Werte braucht menötigt man mindestens 2 Empfänger und muss diese miteinander vergleichen. Einer der Empfänger steht dann normalerweise an einem festen Punkt. Das nennt sich Differential GPS (DGPS). Näheres unter dem Artikel [[GPS]].

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==== ermöglichen dem Bot die Temperatur zu messen um z.B. aus der Sonne zu gehen, oder um einzelne Bauelemente vor Überhitzung zu schützen.

==Nachsatz==
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.

''Autor: honkitonk / Wiki Übernahme Picnick''

==Siehe auch==
* [[Sensorarten]]

[[Kategorie:Sensoren]]

Sensorarten

2006-04-03T16:32:54Z

As31415rin: /* Temperatur */

==Welche Sensorarten gibt es==
Damit sich ein Roboter in seiner Umgebung bewegen kann, ohne an Hindernisse anzustoßen, und damit er ein Ziel finden und ansteuern kann, muß er irgendwie seine Umwelt "wahrnehmen".
Hauptanwendung für diese Informationen aus der Umwelt ist die [[Navigation]]

==Bumpers==
Als Bumpers bezeichnet man eine Art Stoßstange, die einen Mikro-Switch auslöst.

[[Bild:microschalter.jpg|center]]

Die Auswertung erfolgt am besten digital an einem Pin mit Pull-up Widerstand. Man kann den Eingang pollen (abfragen), aber auch einen Interrupt auslösen lassen. -->

==Whiskers (Fühler)==
Das sind flexible Kunststoff-Streifen von ca. 10 cm Länge, eigentlich für Datenhandschuhe vorgesehen. Aber man kann sie auch als Fühler einsetzen, und daher auch für die Kollisions-Sensorik verwenden. Beim Verbiegen steigt der Widerstand an.

[[Bild:flexs_200.jpg|center]]

Um zu messen, wird mit einem zweiten Widerstand ein Spannungsteiler aufgebaut, der dann mit einem Analog-Eingang einen Grad der Verbiegung erkennen läßt. -->

==Incremental-Geber==
Dienen zur Erfassung von Drehzahl bzw. der Messung von Wegstrecken
===Drehgeber Sharp GP1A30===

<center> http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp1a30.jpg </center>

Beim Sharp GP1A30 handelt es sich um eine Gabellichtschranke mit inkrementaler Drehgeberfunktion. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gabellichtschranken können mit dieser sowohl Drehzahl als auch Drehrichtung ermittelt werden. Notwendig sind dafür nur 2 digitale Ports. Verzichtet man auf die Auswertung der Drehrichtung, reicht nur ein Port.
Der Sensor hat den Vorteil das die Signale bereits TTL kompatibel sind und direkt an ein Controllerboard angeschlossen werden können. Ein Beispielprogramm zu [[RN-Control]] findet man hier

* [[Beispiel Drehzahlmessung mit RN-Control]]

[[Bild:GP1A30.gif|center]]

Die Auswertung inkrementaler Drehgeber ist recht einfach. Ein Ausgang liefert einen Impuls pro Markierung (Scheibe auf der Welle). Prüft man bei jedem Impuls (Flanke) noch gleichzeitig den aktuellen Pegel des zweiten Ausganges, so kann daraus die Drehrichtung abgeleitet werden.

Der Signalverlauf an den Sensorausgängen ist phasenversetzt:

[[Bild:inkremental1.gif|center]]

==Optische Sensoren==
===Helligkeit===
Die Hauptanwendung solcher Sensoren ist, den hellsten Fleck im Raum zu finden.
Dies ist auch Teil vieler Roboterwettbewerbe. (Robo Callenge (2002 sic!), 'Ein Platz an der Sonne')

Solche Sensoren können einfache [[LDR]]s oder [[Photodioden]] bzw. [[Phototransistoren]] sein.
LDRs haben den Vorteil, dass sie relativ hoch aussteuern, der große Nachteil ist aber, dass diese Sensoren ziemlich Wärmeempfindlich und etwas träge.
Photodioden und Phototransistoren aheb den Vorteil, dass sie sehr genau sind, aber nicht besonders hoch aussteuern. Diese sollte man evtl. über einen OpAmp verstärken.

[[Bild:fotowiderstand.jpg|center|framed|Ein typischer Fotowiderstand]]

[[Bild:SFH300.jpg|center|framed|SFH300, ein typischer Phototransistor]]

Die Suche nach dem Hellsten Fleck im Rraum ist wie ich finde ein gutes Einsteigerthema!

===Distanzsensor IS471F===

IS471F - Hindernisserkennung mit Infrarot Distanzsensor

Das hier vorgestellte IC IS471F erlaubt eine einfach und sogar recht preisgünstige Hinternisserkennung per Infarot. Dazu muß im wesentlichen nur noch eine Infrarot-Diode an das IC angeschlossen werden. Das modulierte Licht wird von einem Gegenstand direkt auf das IC zurückgeworfen und somit das Hinterniss erkannt. Tageslicht/Fremdlicht stört den IS471 überhaupt nicht, da das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird.

[[Bild:is471.png|center]]

Der normale Schaltungsaufbau sieht also wie oben abgebildet aus! In der Praxis kann das dann in etwa so aussehen:

[[Bild:is471beispiel.jpg|center]]

Das englische Datenblatt findet man im Roboternetz-Download-Bereich

Die normale Reichweite ist in gewissen Grenzen abhängig von der Farbe des Hinternisses. In der Regel reicht es jedoch durchaus einige cm so das langsame Roboter durchaus sehr gut damit zurecht kommen. Durch besonders helle Infrarot LED´s und durch zusätzlich LED-Fassungen kann man die Reichweite erhöhen. Wem das noch nicht reicht, der kann über einen zusätzlichen Transistor die Strahlungsleistung der LED noch weiter erhöhen.

[[Bild:is471verstaerkung.png|center]]

<center>
http://www.roboternetz.de/bilder/mehrereis471.gif
</center>

===Sharp Infrarotsensoren===

Sharp hat eine ganz interessante Serie von Bausteinen herausgebracht mit denen ein Roboter sogar recht genau Entfernungen messen kann. Das Messergebnis ist nahezu unabhängig von der Farbe und Helligkeit des gemessenen Objektes. Die Ansteuerung ist sehr einfach, der Sensorausgang kann zum Beispiel direkt an einen analogen Eingang eines Mikrocontrollers angeschlossen werden. Die Sensoren sind unter den Roboter-Bastlern weit verbreitet.
Bei vielen Händlern erhältlich kosten die Sensoren derzeit je nach Typ und Händlerspanne zwischen 13 bis 25 Euro.<br><br>

[[Bild:Sharpentfernungssensor.jpg|center]]

Oft werden selbst in kleinen Roboter-Projekten mehrere dieser Sensoren genutzt da sie nur einen äußerst engen Erfassungsbereich haben. Sie eignen sich daher sehr gut zur Vermessung einer Umgebung, insbesondere dann wenn Sie drehbar auf einem Servo montiert werden. Als Kollisionsschutz sind sie wegen dem engen Winkel nur bedingt geeignet, zu diesem Zweck eignen sich zum Beispiel Ultraschallsensoren besser.
Das Funktionsprinzip der Sensoren ist einfach. Der Sensor besteht aus Sender und Empfänger. Der Sender sendet einen Infrarot-Strahl aus, der vom Hindernis reflektiert wird. Je nach Entfernung trifft der reflektierte Strahl an einer unterschiedlichen Stelle auf den Empfänger (ein sog. Position Sensitive Device, PSD). Der Empfänger setzt den Auftreffpunkt in einen analogen Spannungswert um. Eine schöne Skizze dazu:

[[Bild:sharpfunktion.jpg|center]]

'''Einige der beliebtesten Bausteine sind:'''

====Sharp GP2D12====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt
Dies ist der am häufigsten eingesetzte Sharp Typ bei mobilen Robotern.

[[Bild:GP2D12anschluss.gif|center]]

====Sharp GP2YA21YK====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2D120====
Distanz 4 - 30 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2Y0A02YK====
Distanz 20 - 150 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

<center>
http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/images/artikelbilder/sensoren/gp2y0a02yk_diagramm.gif
</center>

====Sharp GP2D02====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch 8 Bit Digitalausgang übermittelt

====Sharp GP2D150====
Distanz 3-30 cm - 1 Bit Schaltausgang

Datenblätter zu den oberen Sensoren findet man im Download-Bereich des Roboternetz, siehe unter [[#Weblinks]].

Um die analogen Spannung der Sensoren in eine Entfernung umzurechnen, kann man sich mit Hilfe des Datenblattes oder einfacher Probemessungen Tabellen erstellen, welche dann vom Controller zur Umsetzung genutzt werden.
Bequemer ist allerdings eine Näherungsformel:

====Formel zur Entfernungsberechnung====
D = A/(X-B)

D ist die Entfernung
X ist der Ausgabewert des Sensors
A ist die Steigung der Kurve A/X
B ist der Offset der Kurve

Die Konstanten A und B ermittelt man am besten über zwei Probemessungen:

D und X sind die Entfernung und der Ausgabewert der ersten Messung (z.B. bei 20 cm)
D' und X' sind die Entfernung und der Ausgabewert der zweiten Messung (z.B. bei 60 cm)

A = ((X' - X) * D' * D) /(D - D' )
B = (D' * X' - D * X) /(D' - D)

====GP2D12 Messkurve====

[[Bild:gpd12kurve.gif|center]]

====GPD120 Messkurve====

[[Bild:gpd120kurve.gif|center]]

==Ultraschall Sensoren==
===Ultraschallsensoren SRF04 und SRF08===
Die Firma '''Devantech''' hat eine Serie von sehr günstigen und kleinen Ultraschallsensoren entwickelt, die sich im Bereich "autonome Robotersysteme" durchgesetzt haben. Sie sind sehr verbreitet, da sie auch für "Hobby-Robotiker" erschwinglich sind und es sich nicht lohnen würde vergleichbare Module selber zu bauen, da diese meistens ungenauer und teurer wären.

Bekannt wurde die Serie durch den '''SRF04'''. Mit seinen kleinen Abmessungen, der niedrigen Stromaufnahme und der hohen Genauigkeit ist er für kleine Messaufgaben im Entfernungsbereich von 3cm bis 3m gut geeignet. Der SRF04 kann einen 3cm dicken Besenstiel in 2m Entfernung erkennen und wird durch ein [[PWM]]-Signal ausgewertet.

[[Bild:srf_04a.jpg]] [[Bild:srf_04.jpg]]

Der Nachfolger des SRF04 ist der noch erfolgreichere '''SRF08''', der nun über den [[I2C]]-Bus ausgewertet werden kann und über eine Reichweite von 3cm bis 6m verfügt. Er hat eine noch kleinere Stromaufnahme und zusätzlich befindet sich auf der Platinenfront ein Fotowiderstand(LDR) dessen Lichtmesswerte sich ebenfalls über den [[I2C]]-Bus auswerten lassen. Durch den SRF08 wird es möglich auch bis zu 16 Mehrfachechos, von weiter hinten gelegenen Gegenständen, auszuwerten, die bei dem SRF04 ignoriert wurden. Über den [[I2C]]-Bus kann man die Messwerte in cm, zoll und in der Laufzeit µs auslesen und spart sich somit die externe Auswertung der Laufzeit, wie bei dem SRF04. Weiterhin können insgesamt 16 SRF08-Module an einen [[I2C]]-Bus angeschlossen werden.

[[Bild:srf08_a.jpg]] [[Bild:srf08_b.jpg]]

===SRF08 Programmbeispiel===
SFR08 Programm Beispiel mit [[Bascom]]
Über die grundsätzliche Behandlung des [[I2C]]-Bus mit [[Bascom]] kann man [[I2C|hier]] nachlesen.

Const Sf08_adr_0 = &HE0 ' I2C Adresse
Const Sf08_c_range = 100 ' Reichweite
Const Sf08_c_gain = 1 ' Empfindlichkeit

Die Adresse ist der Default-Wert für den Sensor, und kann eingestellt werden.
Range und Gain sind anzupassen, die angegeben Werte sind aber mal grundsätzlich verwendbar.

'''Setup'''
Nach dem Reset sind einmal Range und Gain zu setzen.

'''Setzen Range'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' register "range"
I2cwbyte Sf08_c_range
I2cstop

'''Setzen Gain'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 1 ' register "gain"
I2cwbyte Sf08_c_gain
I2cstop

'''Abfrage Trigger'''

Die Abfrage soll laut Beschreibung in zwei Schritten erfolgen, zwischen denen ca 70 mS gewartet werden soll. Diese Zeit braucht das Gerät zum Messen.

'''Trigger'''
I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 0 ' register "Trigger"
I2cwbyte 81 ' Meßwert in Zentimetern

Waitms 70

'''Ergebnis abholen'''
<pre>
DIM Lsb as Byte
DIM Msb as Byte
DIM IVal as word

I2cstart ' Repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' Meßwert US

I2cstart ' repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 + 1 ' Device I2C Adresse READ!
I2crbyte Msb , Ack ' Bit 8-15
I2crbyte Lsb , Nack ' Bit 0-7
I2cstop

Ival = Makeint(lsb , Msb) ' umwandeln in Word (16 Bit)
</pre>

=== SRF10 Ultraschallsensor ===
SRF10 ist quasi der Nachfolger von SRF08. Er bietet die gleiche Leistung und ist sogar gegenüber Spannungschankungen noch etwas unempfindlicher als der Vorgänger. Der größte Vorteil besteht jedoch darin das er ca. 1/3 kleiner als sein Vorgänger ist.

[[Bild:srf10foto1.jpg]] [[Bild:srf10foto2.gif]]

Die technischen Daten sind ähnlich:
* Betriebsspannung: 5V
* Stromaufnahme: ca. 3mA Standby, ca. 15mA während des Messens Frequenz: 40KHz
* Maximale Reichweite: 6 m
* Minimale Reichweite: 4 cm
* Messwerterfassung: intern, kein externer Controller zur Zeitmessung notwendig
* Interface: Standard – I2C (passend zu zahlreichen Controllerboards, z.B. RN-Control)
* Ausgabeformat: µs, cm oder Zoll
* Feature: Analogverstärkung 40 - 700 (einstellbar, 16 Stufen)
* Abmessungen: 32mm x 15mm x 10mm
* Hersteller: Devantech Ltd

*[[Ultraschall_SRF10_an_RN-Control|Programmbeispiel in Bascom]]

[[Bild:srf10ausbreitung.gif|center]]

==Kompaß==
===Kompaß-Modul CMPS03===
Laut der Doku ist diese Modul speziell für die Bedürnisse von Robotern gestaltet worden. Es mißt seine Lage relativ zum Erdmagnetfeld und liefert diesen Wert
* Als PWM-Signal
* Über I2C entweder 0-255 als Byte oder
* 0-3599 als 16-Bit Wert (MSB first)

In der vorliegenden Doku ist eine fixe I2C-Adresse von 0xC0 angegeben. Was leider noch fehlt, sind Angaben, ob und wie diese Adresse geändert werden kann.

Bei waagrechter Montage ist das also ein Kompaß, bei senkrechter Montage dieser Module kann man auch die Neigung in Nord-Süd-Richtung messen. Hierzu sind 2 Module nötig, die zueinander um 90° gedreht angeordnet sein müssen. Die Neigung in Ost-West-Richtung zu messen, ist dagegen leider nicht möglich.

Das Ganze ist eine Anwendung des Philips-KMZ51 Magnet-Feld-Sensors mittels eines PIC16F872

Gelegentlich sollte das Modul kalibriert werden. Das kann über den I2C-Bus, aber auch mittels einen Pins am Modul initiiert werden. Dann muß das Module langsam um 360 Grad gedreht werden. Dabei nimmt das Modul 4 Meßpunkte auf und speichert sie im EEPROM.

[[Bild:cmps3pin.jpg|center]]

==Beschleunigung==
...

==Temperatur==
===NTCs===
===PTCs===
===Temperatur-Sensor LM75===

[[Bild:lm75.gif|center]]

Dieser Chip von National Semiconductors kann die Umgebungstemperatur mit einer Genauigkeit von 0.5<sup>o</sup> Grad Celsius messen. Das angegebene Bereich ist -25<sup>o</sup> bis 100<sup>o</sup> C. Es wird zweierlei geboten:
* Ein Schaltausgang - Wenn man also z.B. einen Ventilator einschalten möchte
* I2C - Der obere Teil der Adresse ist fix 0x9n, die Bits 1-3 kann man mit Jumper einstellbar machen oder fest verdrahten.

Durch einen einfachen I2C-Lesebefehl kann man die Temperatur einlesen (16-Bit), das Format ist allerdings etwas tricky. Das erste Byte (8-Bit) ist die Temperatur in ganzen Grad, als normales signed char, vom zweiten Byte gibt das MSB an, ob noch 0.5<sup>o</sup> '''dazuzuzählen''' sind (also auch, wenn vorne eine negative Zahl steht)

Der Grund ist der: die vorzeichenbehaftete 9-Bit Zahl, die da linksbündig in zwei Datenbytes übertragen wird, gibt eigentlich an, wieviel 0.5 Grad - Einheiten gemessen wurden. Rein rechnerisch wäre also Temperatur = Wert * 0.5, das müßte man aber als float durchführen oder erweitern

===Programm-Beispiel für LM75===
Der LM75 wird über den [[I2C]]-Bus angesprochen
In BasCom, wo es ja keine signed char gibt, wird das Interpretieren auf sehr unterschiedliche Art empfohlen.

Ich empfehle:

dim Ival as integer
dim Msb as byte
dim Lsb as byte
I2cstart
I2cwbyte &H91 ' Lese-adresse !
If Err = 1 Then
I2cstop ' kein ACK vom LM75 --> irgendein Fehler
Ival = 9999 ' Zeichen, daß der Wert ungültig ist !
Else
I2crbyte Msb , Ack
I2crbyte Lsb , Nack
I2cstop
If Msb.7 = 1 Then
Ival = Makeint(msb , &HFF) ' auffüllen mit den Vorzeichen bits
Else
Ival = Makeint(msb , &H00) ' positiv, also bleibt es so
End If
Ival = Ival * 10 ' erweitern
If Lsb.7 = 1 Then
Ival = Ival + 5 ' fünf Zehntel Grad dazu
End If
End if

das ergibt die Temperatur in Zehntel-Grad (Natürlich nur, wenn's keine Fehler gab).

==Resistive Sensoren==
...
==Kapazitive Sensoren==

Ein Beispiel für kapazitive Sensoren sind Luftfeuchtigkeitsmesser, die ihre Kapazität entsprechend der Luftfeuchtigkeit ändern. Das Auslesen der Kapazität kann prinzipiell über das Ausmessen von Ladekurven geschehen. Dies ist jedoch bei kleinen Kapazitäten nicht praktisch durchführbar, weshalb man in diesem Falle meist einen Schwingkreis baut, dessen Frequenz man dann misst und so dann zusammen mit der bekannten Induktivität der Spule die Kapazität des Kondensators ausrechnen kann.

==Induktive Sensoren==
Induktiver Näherungsschalter

Sensoren die ihre Induktivität entsprechend der Messgröße ändern können auch mit Hilfe eines Schwingkreises mit bekannter Kapazität ausgemessen werden.

...

==Piezoelektrische Sensoren==
Hier ist ein Experiment dargestellt das die Funktion von Piezowandlern demonstriert.

Drückt man auf eine längliche Glasplatte (Mikroskopträger Länge 76mm), die an den Enden auf je einem Piezo Wandler gelagert ist, dann ergeben sich Signale, die von den Kräften auf die Wandler abhängig sind.

Die Summe der beiden Kräfte entspricht der Gesamtkraft. Das Verhältnis der beiden Kräfte entspricht dem Verhältnis der Abstände des Druckpunktes zum Wandler.
<center>
http://www.roboternetz.de/wissen/images/6/66/Piezowandler.jpg
</center>
Im Versuch wurde mit der Frequenz von ca. 4Hz (0,5s/div) von einem Ende bis zum anderen auf die Platte gedrückt. (Tonleiter). Die Signale der beiden Wandler sind im Oszillogramm aufgetragen und die Folge der Druck-Positionen ist auf den ersten Blick schon mal nachvollziehbar.

==PIR Passiv Infrarot Sensoren==
Hier handelt es sich um Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder. Bewegungsmelder regieren beim Eintritt einer Person (Tier) in das Erfassungsfeld des Sensors. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt, man kennt die Technik ja von viele Terrassenlampen welche sich beim vorbeigehen automatisch einschalten.
Reagiert wird also auf Die Körperwärme einer sich im Erfassungsfeld bewegenden Person.
[[Bild:pir.jpg|right]]
Zum Prinzip:
Wärmestrahlen, die einen Erfassungsvorgang auslösen, liegen im Infrarot-Bereich des Wellenspektrums. In diesem Bereich gibt der menschliche Körper seine Wärmestrahlung ab. Leuchtmittel wie Glüh- , Halogen- und Entladungslampen, die für eine Strahlung im sichtbaren Bereich um 0,555 μm entwickelt wurden, geben jedoch auch einen erheblichen Teil an Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich ab.
Im Spektrum oberhalb des sichtbaren Licht, ab 0,780 μm, beginnt der Infrarot-Bereich. Die Wellenlänge
dieser IR-Strahlung ist abhängig von der Temperatur eines Körpers. Die Wärmestrahlung
des Menschen hat ihr Maximum zwischen 9 und 10 μm im Infrarot-Bereich.
Diese Tatsache nutzt der PIR Sensor mittels sogenannter pyroelektrischer IRDetektoren, welche eine hohe Empfindlichkeit im langwelligen Infrarot-Bereich aufweisen. Die Infrarot-
Strahlung verhält sich ähnlich wie sichtbares Licht. Sie kann reflektiert und durch Linsen
gebündelt werden.
Basis eines solchen IR-Detektors (Sensors) sind Lithium-Tantalatkristalle. Diese Kristalle erzeugen,
bei Wärmeänderung (positive oder negative Temperaturänderung), eine elektrische Spannung.
Die von den Kristallen abgegebene Spannung liegt im Bereich von einigen μV (μV = millionstel Volt) und ist von folgenden Bedingungen abhängig:
* Der Intensität der Wärmequelle (Temperatur und Größe)
* Dem Umgebungsmedium (Temperatur, unterschiedliche Luftfeuchtigkeit)
* Der Entfernung zwischen Wärmequelle und IR-Sensor
* Der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Wärmequelle
* Der Empfindlichkeit des PIR-Elementes (frequenzabhängiges Bandpaßverhalten mit Maximum bei ca. 0,1 Hz)

Zur Unterdrückung von Einflüssen aus der Umgebung (übliche wetterbedingte Temperaturänderungen), sind in jedem Sensor 2 Kristalle antiparallel geschaltet.
Einer der Kristalle gibt, bei Auftreffen von Wärmestrahlung einen positiven, der andere einen negativen Spannungsimpuls ab. Wärmeänderungen die gleichzeitig und mit gleicher Intensität auf beide Kristalle einwirken lösen so keinen Erfassungsvorgang aus, denn die beiden Impulse heben sich gegenseitig auf. Dadurch ist ein Auslösen bei Wärmeänderungen der Umgebung weitgehend ausgeschlossen.
Anders verhält es sich bei schnellen Bewegungen. Die Lithiumtantalat-Kristalle geben, entsprechend
der Bewegung und der dadurch hervorgerufenen Wärmeänderung im Erfassungsfeld, ihre
Impulse zeitversetzt ab. Die beiden Impulse addieren sich zu einer Wechselgröße mit höherer
Signalamplitude. Dieses elektrische Ausgangssignalist proportional der Wärmeänderung und führt zur Meldung einer Bewegung.

==Autoren==
* [[Benutzer:PicNick|PicNick]]
* [[Benutzer:Frank|Frank]]
* [[Benutzer:Dennis.strehl|Dennis.strehl]]
* [[Benutzer:Florian|Florian]]
* Topic
* [[Benutzer:Manf|Manf]]

==Siehe auch==
* [[Navigation]]
* [[Sensoren]]
* [[Graycode]]
* [[Ultraschall SRF10 an RN-Control]]

==Weblinks==
*[http://www.ikm.uni-karlsruhe.de/forschung/pzt_webseiten/de/grundlagen/pyro.html Piezoelektrische Sensoren]
*[http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 Datenblätter im Download-Bereich des Roboternetz]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Elektronik]]
[[Category:Sensoren]]

Sensorarten

2006-04-03T16:31:19Z

As31415rin: /* Induktive Sensoren */

==Welche Sensorarten gibt es==
Damit sich ein Roboter in seiner Umgebung bewegen kann, ohne an Hindernisse anzustoßen, und damit er ein Ziel finden und ansteuern kann, muß er irgendwie seine Umwelt "wahrnehmen".
Hauptanwendung für diese Informationen aus der Umwelt ist die [[Navigation]]

==Bumpers==
Als Bumpers bezeichnet man eine Art Stoßstange, die einen Mikro-Switch auslöst.

[[Bild:microschalter.jpg|center]]

Die Auswertung erfolgt am besten digital an einem Pin mit Pull-up Widerstand. Man kann den Eingang pollen (abfragen), aber auch einen Interrupt auslösen lassen. -->

==Whiskers (Fühler)==
Das sind flexible Kunststoff-Streifen von ca. 10 cm Länge, eigentlich für Datenhandschuhe vorgesehen. Aber man kann sie auch als Fühler einsetzen, und daher auch für die Kollisions-Sensorik verwenden. Beim Verbiegen steigt der Widerstand an.

[[Bild:flexs_200.jpg|center]]

Um zu messen, wird mit einem zweiten Widerstand ein Spannungsteiler aufgebaut, der dann mit einem Analog-Eingang einen Grad der Verbiegung erkennen läßt. -->

==Incremental-Geber==
Dienen zur Erfassung von Drehzahl bzw. der Messung von Wegstrecken
===Drehgeber Sharp GP1A30===

<center> http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp1a30.jpg </center>

Beim Sharp GP1A30 handelt es sich um eine Gabellichtschranke mit inkrementaler Drehgeberfunktion. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gabellichtschranken können mit dieser sowohl Drehzahl als auch Drehrichtung ermittelt werden. Notwendig sind dafür nur 2 digitale Ports. Verzichtet man auf die Auswertung der Drehrichtung, reicht nur ein Port.
Der Sensor hat den Vorteil das die Signale bereits TTL kompatibel sind und direkt an ein Controllerboard angeschlossen werden können. Ein Beispielprogramm zu [[RN-Control]] findet man hier

* [[Beispiel Drehzahlmessung mit RN-Control]]

[[Bild:GP1A30.gif|center]]

Die Auswertung inkrementaler Drehgeber ist recht einfach. Ein Ausgang liefert einen Impuls pro Markierung (Scheibe auf der Welle). Prüft man bei jedem Impuls (Flanke) noch gleichzeitig den aktuellen Pegel des zweiten Ausganges, so kann daraus die Drehrichtung abgeleitet werden.

Der Signalverlauf an den Sensorausgängen ist phasenversetzt:

[[Bild:inkremental1.gif|center]]

==Optische Sensoren==
===Helligkeit===
Die Hauptanwendung solcher Sensoren ist, den hellsten Fleck im Raum zu finden.
Dies ist auch Teil vieler Roboterwettbewerbe. (Robo Callenge (2002 sic!), 'Ein Platz an der Sonne')

Solche Sensoren können einfache [[LDR]]s oder [[Photodioden]] bzw. [[Phototransistoren]] sein.
LDRs haben den Vorteil, dass sie relativ hoch aussteuern, der große Nachteil ist aber, dass diese Sensoren ziemlich Wärmeempfindlich und etwas träge.
Photodioden und Phototransistoren aheb den Vorteil, dass sie sehr genau sind, aber nicht besonders hoch aussteuern. Diese sollte man evtl. über einen OpAmp verstärken.

[[Bild:fotowiderstand.jpg|center|framed|Ein typischer Fotowiderstand]]

[[Bild:SFH300.jpg|center|framed|SFH300, ein typischer Phototransistor]]

Die Suche nach dem Hellsten Fleck im Rraum ist wie ich finde ein gutes Einsteigerthema!

===Distanzsensor IS471F===

IS471F - Hindernisserkennung mit Infrarot Distanzsensor

Das hier vorgestellte IC IS471F erlaubt eine einfach und sogar recht preisgünstige Hinternisserkennung per Infarot. Dazu muß im wesentlichen nur noch eine Infrarot-Diode an das IC angeschlossen werden. Das modulierte Licht wird von einem Gegenstand direkt auf das IC zurückgeworfen und somit das Hinterniss erkannt. Tageslicht/Fremdlicht stört den IS471 überhaupt nicht, da das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird.

[[Bild:is471.png|center]]

Der normale Schaltungsaufbau sieht also wie oben abgebildet aus! In der Praxis kann das dann in etwa so aussehen:

[[Bild:is471beispiel.jpg|center]]

Das englische Datenblatt findet man im Roboternetz-Download-Bereich

Die normale Reichweite ist in gewissen Grenzen abhängig von der Farbe des Hinternisses. In der Regel reicht es jedoch durchaus einige cm so das langsame Roboter durchaus sehr gut damit zurecht kommen. Durch besonders helle Infrarot LED´s und durch zusätzlich LED-Fassungen kann man die Reichweite erhöhen. Wem das noch nicht reicht, der kann über einen zusätzlichen Transistor die Strahlungsleistung der LED noch weiter erhöhen.

[[Bild:is471verstaerkung.png|center]]

<center>
http://www.roboternetz.de/bilder/mehrereis471.gif
</center>

===Sharp Infrarotsensoren===

Sharp hat eine ganz interessante Serie von Bausteinen herausgebracht mit denen ein Roboter sogar recht genau Entfernungen messen kann. Das Messergebnis ist nahezu unabhängig von der Farbe und Helligkeit des gemessenen Objektes. Die Ansteuerung ist sehr einfach, der Sensorausgang kann zum Beispiel direkt an einen analogen Eingang eines Mikrocontrollers angeschlossen werden. Die Sensoren sind unter den Roboter-Bastlern weit verbreitet.
Bei vielen Händlern erhältlich kosten die Sensoren derzeit je nach Typ und Händlerspanne zwischen 13 bis 25 Euro.<br><br>

[[Bild:Sharpentfernungssensor.jpg|center]]

Oft werden selbst in kleinen Roboter-Projekten mehrere dieser Sensoren genutzt da sie nur einen äußerst engen Erfassungsbereich haben. Sie eignen sich daher sehr gut zur Vermessung einer Umgebung, insbesondere dann wenn Sie drehbar auf einem Servo montiert werden. Als Kollisionsschutz sind sie wegen dem engen Winkel nur bedingt geeignet, zu diesem Zweck eignen sich zum Beispiel Ultraschallsensoren besser.
Das Funktionsprinzip der Sensoren ist einfach. Der Sensor besteht aus Sender und Empfänger. Der Sender sendet einen Infrarot-Strahl aus, der vom Hindernis reflektiert wird. Je nach Entfernung trifft der reflektierte Strahl an einer unterschiedlichen Stelle auf den Empfänger (ein sog. Position Sensitive Device, PSD). Der Empfänger setzt den Auftreffpunkt in einen analogen Spannungswert um. Eine schöne Skizze dazu:

[[Bild:sharpfunktion.jpg|center]]

'''Einige der beliebtesten Bausteine sind:'''

====Sharp GP2D12====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt
Dies ist der am häufigsten eingesetzte Sharp Typ bei mobilen Robotern.

[[Bild:GP2D12anschluss.gif|center]]

====Sharp GP2YA21YK====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2D120====
Distanz 4 - 30 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2Y0A02YK====
Distanz 20 - 150 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

<center>
http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/images/artikelbilder/sensoren/gp2y0a02yk_diagramm.gif
</center>

====Sharp GP2D02====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch 8 Bit Digitalausgang übermittelt

====Sharp GP2D150====
Distanz 3-30 cm - 1 Bit Schaltausgang

Datenblätter zu den oberen Sensoren findet man im Download-Bereich des Roboternetz, siehe unter [[#Weblinks]].

Um die analogen Spannung der Sensoren in eine Entfernung umzurechnen, kann man sich mit Hilfe des Datenblattes oder einfacher Probemessungen Tabellen erstellen, welche dann vom Controller zur Umsetzung genutzt werden.
Bequemer ist allerdings eine Näherungsformel:

====Formel zur Entfernungsberechnung====
D = A/(X-B)

D ist die Entfernung
X ist der Ausgabewert des Sensors
A ist die Steigung der Kurve A/X
B ist der Offset der Kurve

Die Konstanten A und B ermittelt man am besten über zwei Probemessungen:

D und X sind die Entfernung und der Ausgabewert der ersten Messung (z.B. bei 20 cm)
D' und X' sind die Entfernung und der Ausgabewert der zweiten Messung (z.B. bei 60 cm)

A = ((X' - X) * D' * D) /(D - D' )
B = (D' * X' - D * X) /(D' - D)

====GP2D12 Messkurve====

[[Bild:gpd12kurve.gif|center]]

====GPD120 Messkurve====

[[Bild:gpd120kurve.gif|center]]

==Ultraschall Sensoren==
===Ultraschallsensoren SRF04 und SRF08===
Die Firma '''Devantech''' hat eine Serie von sehr günstigen und kleinen Ultraschallsensoren entwickelt, die sich im Bereich "autonome Robotersysteme" durchgesetzt haben. Sie sind sehr verbreitet, da sie auch für "Hobby-Robotiker" erschwinglich sind und es sich nicht lohnen würde vergleichbare Module selber zu bauen, da diese meistens ungenauer und teurer wären.

Bekannt wurde die Serie durch den '''SRF04'''. Mit seinen kleinen Abmessungen, der niedrigen Stromaufnahme und der hohen Genauigkeit ist er für kleine Messaufgaben im Entfernungsbereich von 3cm bis 3m gut geeignet. Der SRF04 kann einen 3cm dicken Besenstiel in 2m Entfernung erkennen und wird durch ein [[PWM]]-Signal ausgewertet.

[[Bild:srf_04a.jpg]] [[Bild:srf_04.jpg]]

Der Nachfolger des SRF04 ist der noch erfolgreichere '''SRF08''', der nun über den [[I2C]]-Bus ausgewertet werden kann und über eine Reichweite von 3cm bis 6m verfügt. Er hat eine noch kleinere Stromaufnahme und zusätzlich befindet sich auf der Platinenfront ein Fotowiderstand(LDR) dessen Lichtmesswerte sich ebenfalls über den [[I2C]]-Bus auswerten lassen. Durch den SRF08 wird es möglich auch bis zu 16 Mehrfachechos, von weiter hinten gelegenen Gegenständen, auszuwerten, die bei dem SRF04 ignoriert wurden. Über den [[I2C]]-Bus kann man die Messwerte in cm, zoll und in der Laufzeit µs auslesen und spart sich somit die externe Auswertung der Laufzeit, wie bei dem SRF04. Weiterhin können insgesamt 16 SRF08-Module an einen [[I2C]]-Bus angeschlossen werden.

[[Bild:srf08_a.jpg]] [[Bild:srf08_b.jpg]]

===SRF08 Programmbeispiel===
SFR08 Programm Beispiel mit [[Bascom]]
Über die grundsätzliche Behandlung des [[I2C]]-Bus mit [[Bascom]] kann man [[I2C|hier]] nachlesen.

Const Sf08_adr_0 = &HE0 ' I2C Adresse
Const Sf08_c_range = 100 ' Reichweite
Const Sf08_c_gain = 1 ' Empfindlichkeit

Die Adresse ist der Default-Wert für den Sensor, und kann eingestellt werden.
Range und Gain sind anzupassen, die angegeben Werte sind aber mal grundsätzlich verwendbar.

'''Setup'''
Nach dem Reset sind einmal Range und Gain zu setzen.

'''Setzen Range'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' register "range"
I2cwbyte Sf08_c_range
I2cstop

'''Setzen Gain'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 1 ' register "gain"
I2cwbyte Sf08_c_gain
I2cstop

'''Abfrage Trigger'''

Die Abfrage soll laut Beschreibung in zwei Schritten erfolgen, zwischen denen ca 70 mS gewartet werden soll. Diese Zeit braucht das Gerät zum Messen.

'''Trigger'''
I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 0 ' register "Trigger"
I2cwbyte 81 ' Meßwert in Zentimetern

Waitms 70

'''Ergebnis abholen'''
<pre>
DIM Lsb as Byte
DIM Msb as Byte
DIM IVal as word

I2cstart ' Repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' Meßwert US

I2cstart ' repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 + 1 ' Device I2C Adresse READ!
I2crbyte Msb , Ack ' Bit 8-15
I2crbyte Lsb , Nack ' Bit 0-7
I2cstop

Ival = Makeint(lsb , Msb) ' umwandeln in Word (16 Bit)
</pre>

=== SRF10 Ultraschallsensor ===
SRF10 ist quasi der Nachfolger von SRF08. Er bietet die gleiche Leistung und ist sogar gegenüber Spannungschankungen noch etwas unempfindlicher als der Vorgänger. Der größte Vorteil besteht jedoch darin das er ca. 1/3 kleiner als sein Vorgänger ist.

[[Bild:srf10foto1.jpg]] [[Bild:srf10foto2.gif]]

Die technischen Daten sind ähnlich:
* Betriebsspannung: 5V
* Stromaufnahme: ca. 3mA Standby, ca. 15mA während des Messens Frequenz: 40KHz
* Maximale Reichweite: 6 m
* Minimale Reichweite: 4 cm
* Messwerterfassung: intern, kein externer Controller zur Zeitmessung notwendig
* Interface: Standard – I2C (passend zu zahlreichen Controllerboards, z.B. RN-Control)
* Ausgabeformat: µs, cm oder Zoll
* Feature: Analogverstärkung 40 - 700 (einstellbar, 16 Stufen)
* Abmessungen: 32mm x 15mm x 10mm
* Hersteller: Devantech Ltd

*[[Ultraschall_SRF10_an_RN-Control|Programmbeispiel in Bascom]]

[[Bild:srf10ausbreitung.gif|center]]

==Kompaß==
===Kompaß-Modul CMPS03===
Laut der Doku ist diese Modul speziell für die Bedürnisse von Robotern gestaltet worden. Es mißt seine Lage relativ zum Erdmagnetfeld und liefert diesen Wert
* Als PWM-Signal
* Über I2C entweder 0-255 als Byte oder
* 0-3599 als 16-Bit Wert (MSB first)

In der vorliegenden Doku ist eine fixe I2C-Adresse von 0xC0 angegeben. Was leider noch fehlt, sind Angaben, ob und wie diese Adresse geändert werden kann.

Bei waagrechter Montage ist das also ein Kompaß, bei senkrechter Montage dieser Module kann man auch die Neigung in Nord-Süd-Richtung messen. Hierzu sind 2 Module nötig, die zueinander um 90° gedreht angeordnet sein müssen. Die Neigung in Ost-West-Richtung zu messen, ist dagegen leider nicht möglich.

Das Ganze ist eine Anwendung des Philips-KMZ51 Magnet-Feld-Sensors mittels eines PIC16F872

Gelegentlich sollte das Modul kalibriert werden. Das kann über den I2C-Bus, aber auch mittels einen Pins am Modul initiiert werden. Dann muß das Module langsam um 360 Grad gedreht werden. Dabei nimmt das Modul 4 Meßpunkte auf und speichert sie im EEPROM.

[[Bild:cmps3pin.jpg|center]]

==Beschleunigung==
...

==Temperatur==
===Temperatur-Sensor LM75===

[[Bild:lm75.gif|center]]

Dieser Chip von National Semiconductors kann die Umgebungstemperatur mit einer Genauigkeit von 0.5<sup>o</sup> Grad Celsius messen. Das angegebene Bereich ist -25<sup>o</sup> bis 100<sup>o</sup> C. Es wird zweierlei geboten:
* Ein Schaltausgang - Wenn man also z.B. einen Ventilator einschalten möchte
* I2C - Der obere Teil der Adresse ist fix 0x9n, die Bits 1-3 kann man mit Jumper einstellbar machen oder fest verdrahten.

Durch einen einfachen I2C-Lesebefehl kann man die Temperatur einlesen (16-Bit), das Format ist allerdings etwas tricky. Das erste Byte (8-Bit) ist die Temperatur in ganzen Grad, als normales signed char, vom zweiten Byte gibt das MSB an, ob noch 0.5<sup>o</sup> '''dazuzuzählen''' sind (also auch, wenn vorne eine negative Zahl steht)

Der Grund ist der: die vorzeichenbehaftete 9-Bit Zahl, die da linksbündig in zwei Datenbytes übertragen wird, gibt eigentlich an, wieviel 0.5 Grad - Einheiten gemessen wurden. Rein rechnerisch wäre also Temperatur = Wert * 0.5, das müßte man aber als float durchführen oder erweitern

===Programm-Beispiel für LM75===
Der LM75 wird über den [[I2C]]-Bus angesprochen
In BasCom, wo es ja keine signed char gibt, wird das Interpretieren auf sehr unterschiedliche Art empfohlen.

Ich empfehle:

dim Ival as integer
dim Msb as byte
dim Lsb as byte
I2cstart
I2cwbyte &H91 ' Lese-adresse !
If Err = 1 Then
I2cstop ' kein ACK vom LM75 --> irgendein Fehler
Ival = 9999 ' Zeichen, daß der Wert ungültig ist !
Else
I2crbyte Msb , Ack
I2crbyte Lsb , Nack
I2cstop
If Msb.7 = 1 Then
Ival = Makeint(msb , &HFF) ' auffüllen mit den Vorzeichen bits
Else
Ival = Makeint(msb , &H00) ' positiv, also bleibt es so
End If
Ival = Ival * 10 ' erweitern
If Lsb.7 = 1 Then
Ival = Ival + 5 ' fünf Zehntel Grad dazu
End If
End if

das ergibt die Temperatur in Zehntel-Grad (Natürlich nur, wenn's keine Fehler gab).

==Resistive Sensoren==
...
==Kapazitive Sensoren==

Ein Beispiel für kapazitive Sensoren sind Luftfeuchtigkeitsmesser, die ihre Kapazität entsprechend der Luftfeuchtigkeit ändern. Das Auslesen der Kapazität kann prinzipiell über das Ausmessen von Ladekurven geschehen. Dies ist jedoch bei kleinen Kapazitäten nicht praktisch durchführbar, weshalb man in diesem Falle meist einen Schwingkreis baut, dessen Frequenz man dann misst und so dann zusammen mit der bekannten Induktivität der Spule die Kapazität des Kondensators ausrechnen kann.

==Induktive Sensoren==
Induktiver Näherungsschalter

Sensoren die ihre Induktivität entsprechend der Messgröße ändern können auch mit Hilfe eines Schwingkreises mit bekannter Kapazität ausgemessen werden.

...

==Piezoelektrische Sensoren==
Hier ist ein Experiment dargestellt das die Funktion von Piezowandlern demonstriert.

Drückt man auf eine längliche Glasplatte (Mikroskopträger Länge 76mm), die an den Enden auf je einem Piezo Wandler gelagert ist, dann ergeben sich Signale, die von den Kräften auf die Wandler abhängig sind.

Die Summe der beiden Kräfte entspricht der Gesamtkraft. Das Verhältnis der beiden Kräfte entspricht dem Verhältnis der Abstände des Druckpunktes zum Wandler.
<center>
http://www.roboternetz.de/wissen/images/6/66/Piezowandler.jpg
</center>
Im Versuch wurde mit der Frequenz von ca. 4Hz (0,5s/div) von einem Ende bis zum anderen auf die Platte gedrückt. (Tonleiter). Die Signale der beiden Wandler sind im Oszillogramm aufgetragen und die Folge der Druck-Positionen ist auf den ersten Blick schon mal nachvollziehbar.

==PIR Passiv Infrarot Sensoren==
Hier handelt es sich um Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder. Bewegungsmelder regieren beim Eintritt einer Person (Tier) in das Erfassungsfeld des Sensors. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt, man kennt die Technik ja von viele Terrassenlampen welche sich beim vorbeigehen automatisch einschalten.
Reagiert wird also auf Die Körperwärme einer sich im Erfassungsfeld bewegenden Person.
[[Bild:pir.jpg|right]]
Zum Prinzip:
Wärmestrahlen, die einen Erfassungsvorgang auslösen, liegen im Infrarot-Bereich des Wellenspektrums. In diesem Bereich gibt der menschliche Körper seine Wärmestrahlung ab. Leuchtmittel wie Glüh- , Halogen- und Entladungslampen, die für eine Strahlung im sichtbaren Bereich um 0,555 μm entwickelt wurden, geben jedoch auch einen erheblichen Teil an Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich ab.
Im Spektrum oberhalb des sichtbaren Licht, ab 0,780 μm, beginnt der Infrarot-Bereich. Die Wellenlänge
dieser IR-Strahlung ist abhängig von der Temperatur eines Körpers. Die Wärmestrahlung
des Menschen hat ihr Maximum zwischen 9 und 10 μm im Infrarot-Bereich.
Diese Tatsache nutzt der PIR Sensor mittels sogenannter pyroelektrischer IRDetektoren, welche eine hohe Empfindlichkeit im langwelligen Infrarot-Bereich aufweisen. Die Infrarot-
Strahlung verhält sich ähnlich wie sichtbares Licht. Sie kann reflektiert und durch Linsen
gebündelt werden.
Basis eines solchen IR-Detektors (Sensors) sind Lithium-Tantalatkristalle. Diese Kristalle erzeugen,
bei Wärmeänderung (positive oder negative Temperaturänderung), eine elektrische Spannung.
Die von den Kristallen abgegebene Spannung liegt im Bereich von einigen μV (μV = millionstel Volt) und ist von folgenden Bedingungen abhängig:
* Der Intensität der Wärmequelle (Temperatur und Größe)
* Dem Umgebungsmedium (Temperatur, unterschiedliche Luftfeuchtigkeit)
* Der Entfernung zwischen Wärmequelle und IR-Sensor
* Der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Wärmequelle
* Der Empfindlichkeit des PIR-Elementes (frequenzabhängiges Bandpaßverhalten mit Maximum bei ca. 0,1 Hz)

Zur Unterdrückung von Einflüssen aus der Umgebung (übliche wetterbedingte Temperaturänderungen), sind in jedem Sensor 2 Kristalle antiparallel geschaltet.
Einer der Kristalle gibt, bei Auftreffen von Wärmestrahlung einen positiven, der andere einen negativen Spannungsimpuls ab. Wärmeänderungen die gleichzeitig und mit gleicher Intensität auf beide Kristalle einwirken lösen so keinen Erfassungsvorgang aus, denn die beiden Impulse heben sich gegenseitig auf. Dadurch ist ein Auslösen bei Wärmeänderungen der Umgebung weitgehend ausgeschlossen.
Anders verhält es sich bei schnellen Bewegungen. Die Lithiumtantalat-Kristalle geben, entsprechend
der Bewegung und der dadurch hervorgerufenen Wärmeänderung im Erfassungsfeld, ihre
Impulse zeitversetzt ab. Die beiden Impulse addieren sich zu einer Wechselgröße mit höherer
Signalamplitude. Dieses elektrische Ausgangssignalist proportional der Wärmeänderung und führt zur Meldung einer Bewegung.

==Autoren==
* [[Benutzer:PicNick|PicNick]]
* [[Benutzer:Frank|Frank]]
* [[Benutzer:Dennis.strehl|Dennis.strehl]]
* [[Benutzer:Florian|Florian]]
* Topic
* [[Benutzer:Manf|Manf]]

==Siehe auch==
* [[Navigation]]
* [[Sensoren]]
* [[Graycode]]
* [[Ultraschall SRF10 an RN-Control]]

==Weblinks==
*[http://www.ikm.uni-karlsruhe.de/forschung/pzt_webseiten/de/grundlagen/pyro.html Piezoelektrische Sensoren]
*[http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 Datenblätter im Download-Bereich des Roboternetz]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Elektronik]]
[[Category:Sensoren]]

Sensorarten

2006-04-03T16:30:12Z

As31415rin: /* Kapazitive Sensoren */

==Welche Sensorarten gibt es==
Damit sich ein Roboter in seiner Umgebung bewegen kann, ohne an Hindernisse anzustoßen, und damit er ein Ziel finden und ansteuern kann, muß er irgendwie seine Umwelt "wahrnehmen".
Hauptanwendung für diese Informationen aus der Umwelt ist die [[Navigation]]

==Bumpers==
Als Bumpers bezeichnet man eine Art Stoßstange, die einen Mikro-Switch auslöst.

[[Bild:microschalter.jpg|center]]

Die Auswertung erfolgt am besten digital an einem Pin mit Pull-up Widerstand. Man kann den Eingang pollen (abfragen), aber auch einen Interrupt auslösen lassen. -->

==Whiskers (Fühler)==
Das sind flexible Kunststoff-Streifen von ca. 10 cm Länge, eigentlich für Datenhandschuhe vorgesehen. Aber man kann sie auch als Fühler einsetzen, und daher auch für die Kollisions-Sensorik verwenden. Beim Verbiegen steigt der Widerstand an.

[[Bild:flexs_200.jpg|center]]

Um zu messen, wird mit einem zweiten Widerstand ein Spannungsteiler aufgebaut, der dann mit einem Analog-Eingang einen Grad der Verbiegung erkennen läßt. -->

==Incremental-Geber==
Dienen zur Erfassung von Drehzahl bzw. der Messung von Wegstrecken
===Drehgeber Sharp GP1A30===

<center> http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp1a30.jpg </center>

Beim Sharp GP1A30 handelt es sich um eine Gabellichtschranke mit inkrementaler Drehgeberfunktion. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gabellichtschranken können mit dieser sowohl Drehzahl als auch Drehrichtung ermittelt werden. Notwendig sind dafür nur 2 digitale Ports. Verzichtet man auf die Auswertung der Drehrichtung, reicht nur ein Port.
Der Sensor hat den Vorteil das die Signale bereits TTL kompatibel sind und direkt an ein Controllerboard angeschlossen werden können. Ein Beispielprogramm zu [[RN-Control]] findet man hier

* [[Beispiel Drehzahlmessung mit RN-Control]]

[[Bild:GP1A30.gif|center]]

Die Auswertung inkrementaler Drehgeber ist recht einfach. Ein Ausgang liefert einen Impuls pro Markierung (Scheibe auf der Welle). Prüft man bei jedem Impuls (Flanke) noch gleichzeitig den aktuellen Pegel des zweiten Ausganges, so kann daraus die Drehrichtung abgeleitet werden.

Der Signalverlauf an den Sensorausgängen ist phasenversetzt:

[[Bild:inkremental1.gif|center]]

==Optische Sensoren==
===Helligkeit===
Die Hauptanwendung solcher Sensoren ist, den hellsten Fleck im Raum zu finden.
Dies ist auch Teil vieler Roboterwettbewerbe. (Robo Callenge (2002 sic!), 'Ein Platz an der Sonne')

Solche Sensoren können einfache [[LDR]]s oder [[Photodioden]] bzw. [[Phototransistoren]] sein.
LDRs haben den Vorteil, dass sie relativ hoch aussteuern, der große Nachteil ist aber, dass diese Sensoren ziemlich Wärmeempfindlich und etwas träge.
Photodioden und Phototransistoren aheb den Vorteil, dass sie sehr genau sind, aber nicht besonders hoch aussteuern. Diese sollte man evtl. über einen OpAmp verstärken.

[[Bild:fotowiderstand.jpg|center|framed|Ein typischer Fotowiderstand]]

[[Bild:SFH300.jpg|center|framed|SFH300, ein typischer Phototransistor]]

Die Suche nach dem Hellsten Fleck im Rraum ist wie ich finde ein gutes Einsteigerthema!

===Distanzsensor IS471F===

IS471F - Hindernisserkennung mit Infrarot Distanzsensor

Das hier vorgestellte IC IS471F erlaubt eine einfach und sogar recht preisgünstige Hinternisserkennung per Infarot. Dazu muß im wesentlichen nur noch eine Infrarot-Diode an das IC angeschlossen werden. Das modulierte Licht wird von einem Gegenstand direkt auf das IC zurückgeworfen und somit das Hinterniss erkannt. Tageslicht/Fremdlicht stört den IS471 überhaupt nicht, da das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird.

[[Bild:is471.png|center]]

Der normale Schaltungsaufbau sieht also wie oben abgebildet aus! In der Praxis kann das dann in etwa so aussehen:

[[Bild:is471beispiel.jpg|center]]

Das englische Datenblatt findet man im Roboternetz-Download-Bereich

Die normale Reichweite ist in gewissen Grenzen abhängig von der Farbe des Hinternisses. In der Regel reicht es jedoch durchaus einige cm so das langsame Roboter durchaus sehr gut damit zurecht kommen. Durch besonders helle Infrarot LED´s und durch zusätzlich LED-Fassungen kann man die Reichweite erhöhen. Wem das noch nicht reicht, der kann über einen zusätzlichen Transistor die Strahlungsleistung der LED noch weiter erhöhen.

[[Bild:is471verstaerkung.png|center]]

<center>
http://www.roboternetz.de/bilder/mehrereis471.gif
</center>

===Sharp Infrarotsensoren===

Sharp hat eine ganz interessante Serie von Bausteinen herausgebracht mit denen ein Roboter sogar recht genau Entfernungen messen kann. Das Messergebnis ist nahezu unabhängig von der Farbe und Helligkeit des gemessenen Objektes. Die Ansteuerung ist sehr einfach, der Sensorausgang kann zum Beispiel direkt an einen analogen Eingang eines Mikrocontrollers angeschlossen werden. Die Sensoren sind unter den Roboter-Bastlern weit verbreitet.
Bei vielen Händlern erhältlich kosten die Sensoren derzeit je nach Typ und Händlerspanne zwischen 13 bis 25 Euro.<br><br>

[[Bild:Sharpentfernungssensor.jpg|center]]

Oft werden selbst in kleinen Roboter-Projekten mehrere dieser Sensoren genutzt da sie nur einen äußerst engen Erfassungsbereich haben. Sie eignen sich daher sehr gut zur Vermessung einer Umgebung, insbesondere dann wenn Sie drehbar auf einem Servo montiert werden. Als Kollisionsschutz sind sie wegen dem engen Winkel nur bedingt geeignet, zu diesem Zweck eignen sich zum Beispiel Ultraschallsensoren besser.
Das Funktionsprinzip der Sensoren ist einfach. Der Sensor besteht aus Sender und Empfänger. Der Sender sendet einen Infrarot-Strahl aus, der vom Hindernis reflektiert wird. Je nach Entfernung trifft der reflektierte Strahl an einer unterschiedlichen Stelle auf den Empfänger (ein sog. Position Sensitive Device, PSD). Der Empfänger setzt den Auftreffpunkt in einen analogen Spannungswert um. Eine schöne Skizze dazu:

[[Bild:sharpfunktion.jpg|center]]

'''Einige der beliebtesten Bausteine sind:'''

====Sharp GP2D12====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt
Dies ist der am häufigsten eingesetzte Sharp Typ bei mobilen Robotern.

[[Bild:GP2D12anschluss.gif|center]]

====Sharp GP2YA21YK====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2D120====
Distanz 4 - 30 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

====Sharp GP2Y0A02YK====
Distanz 20 - 150 cm - Entfernung wird durch analoge Spannung am Ausgang übermittelt

<center>
http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/images/artikelbilder/sensoren/gp2y0a02yk_diagramm.gif
</center>

====Sharp GP2D02====
Distanz 10 - 80 cm - Entfernung wird durch 8 Bit Digitalausgang übermittelt

====Sharp GP2D150====
Distanz 3-30 cm - 1 Bit Schaltausgang

Datenblätter zu den oberen Sensoren findet man im Download-Bereich des Roboternetz, siehe unter [[#Weblinks]].

Um die analogen Spannung der Sensoren in eine Entfernung umzurechnen, kann man sich mit Hilfe des Datenblattes oder einfacher Probemessungen Tabellen erstellen, welche dann vom Controller zur Umsetzung genutzt werden.
Bequemer ist allerdings eine Näherungsformel:

====Formel zur Entfernungsberechnung====
D = A/(X-B)

D ist die Entfernung
X ist der Ausgabewert des Sensors
A ist die Steigung der Kurve A/X
B ist der Offset der Kurve

Die Konstanten A und B ermittelt man am besten über zwei Probemessungen:

D und X sind die Entfernung und der Ausgabewert der ersten Messung (z.B. bei 20 cm)
D' und X' sind die Entfernung und der Ausgabewert der zweiten Messung (z.B. bei 60 cm)

A = ((X' - X) * D' * D) /(D - D' )
B = (D' * X' - D * X) /(D' - D)

====GP2D12 Messkurve====

[[Bild:gpd12kurve.gif|center]]

====GPD120 Messkurve====

[[Bild:gpd120kurve.gif|center]]

==Ultraschall Sensoren==
===Ultraschallsensoren SRF04 und SRF08===
Die Firma '''Devantech''' hat eine Serie von sehr günstigen und kleinen Ultraschallsensoren entwickelt, die sich im Bereich "autonome Robotersysteme" durchgesetzt haben. Sie sind sehr verbreitet, da sie auch für "Hobby-Robotiker" erschwinglich sind und es sich nicht lohnen würde vergleichbare Module selber zu bauen, da diese meistens ungenauer und teurer wären.

Bekannt wurde die Serie durch den '''SRF04'''. Mit seinen kleinen Abmessungen, der niedrigen Stromaufnahme und der hohen Genauigkeit ist er für kleine Messaufgaben im Entfernungsbereich von 3cm bis 3m gut geeignet. Der SRF04 kann einen 3cm dicken Besenstiel in 2m Entfernung erkennen und wird durch ein [[PWM]]-Signal ausgewertet.

[[Bild:srf_04a.jpg]] [[Bild:srf_04.jpg]]

Der Nachfolger des SRF04 ist der noch erfolgreichere '''SRF08''', der nun über den [[I2C]]-Bus ausgewertet werden kann und über eine Reichweite von 3cm bis 6m verfügt. Er hat eine noch kleinere Stromaufnahme und zusätzlich befindet sich auf der Platinenfront ein Fotowiderstand(LDR) dessen Lichtmesswerte sich ebenfalls über den [[I2C]]-Bus auswerten lassen. Durch den SRF08 wird es möglich auch bis zu 16 Mehrfachechos, von weiter hinten gelegenen Gegenständen, auszuwerten, die bei dem SRF04 ignoriert wurden. Über den [[I2C]]-Bus kann man die Messwerte in cm, zoll und in der Laufzeit µs auslesen und spart sich somit die externe Auswertung der Laufzeit, wie bei dem SRF04. Weiterhin können insgesamt 16 SRF08-Module an einen [[I2C]]-Bus angeschlossen werden.

[[Bild:srf08_a.jpg]] [[Bild:srf08_b.jpg]]

===SRF08 Programmbeispiel===
SFR08 Programm Beispiel mit [[Bascom]]
Über die grundsätzliche Behandlung des [[I2C]]-Bus mit [[Bascom]] kann man [[I2C|hier]] nachlesen.

Const Sf08_adr_0 = &HE0 ' I2C Adresse
Const Sf08_c_range = 100 ' Reichweite
Const Sf08_c_gain = 1 ' Empfindlichkeit

Die Adresse ist der Default-Wert für den Sensor, und kann eingestellt werden.
Range und Gain sind anzupassen, die angegeben Werte sind aber mal grundsätzlich verwendbar.

'''Setup'''
Nach dem Reset sind einmal Range und Gain zu setzen.

'''Setzen Range'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' register "range"
I2cwbyte Sf08_c_range
I2cstop

'''Setzen Gain'''

I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 1 ' register "gain"
I2cwbyte Sf08_c_gain
I2cstop

'''Abfrage Trigger'''

Die Abfrage soll laut Beschreibung in zwei Schritten erfolgen, zwischen denen ca 70 mS gewartet werden soll. Diese Zeit braucht das Gerät zum Messen.

'''Trigger'''
I2cstart
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 0 ' register "Trigger"
I2cwbyte 81 ' Meßwert in Zentimetern

Waitms 70

'''Ergebnis abholen'''
<pre>
DIM Lsb as Byte
DIM Msb as Byte
DIM IVal as word

I2cstart ' Repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 ' Device I2C Adresse
I2cwbyte 2 ' Meßwert US

I2cstart ' repeated Start
I2cwbyte Sf08_adr_0 + 1 ' Device I2C Adresse READ!
I2crbyte Msb , Ack ' Bit 8-15
I2crbyte Lsb , Nack ' Bit 0-7
I2cstop

Ival = Makeint(lsb , Msb) ' umwandeln in Word (16 Bit)
</pre>

=== SRF10 Ultraschallsensor ===
SRF10 ist quasi der Nachfolger von SRF08. Er bietet die gleiche Leistung und ist sogar gegenüber Spannungschankungen noch etwas unempfindlicher als der Vorgänger. Der größte Vorteil besteht jedoch darin das er ca. 1/3 kleiner als sein Vorgänger ist.

[[Bild:srf10foto1.jpg]] [[Bild:srf10foto2.gif]]

Die technischen Daten sind ähnlich:
* Betriebsspannung: 5V
* Stromaufnahme: ca. 3mA Standby, ca. 15mA während des Messens Frequenz: 40KHz
* Maximale Reichweite: 6 m
* Minimale Reichweite: 4 cm
* Messwerterfassung: intern, kein externer Controller zur Zeitmessung notwendig
* Interface: Standard – I2C (passend zu zahlreichen Controllerboards, z.B. RN-Control)
* Ausgabeformat: µs, cm oder Zoll
* Feature: Analogverstärkung 40 - 700 (einstellbar, 16 Stufen)
* Abmessungen: 32mm x 15mm x 10mm
* Hersteller: Devantech Ltd

*[[Ultraschall_SRF10_an_RN-Control|Programmbeispiel in Bascom]]

[[Bild:srf10ausbreitung.gif|center]]

==Kompaß==
===Kompaß-Modul CMPS03===
Laut der Doku ist diese Modul speziell für die Bedürnisse von Robotern gestaltet worden. Es mißt seine Lage relativ zum Erdmagnetfeld und liefert diesen Wert
* Als PWM-Signal
* Über I2C entweder 0-255 als Byte oder
* 0-3599 als 16-Bit Wert (MSB first)

In der vorliegenden Doku ist eine fixe I2C-Adresse von 0xC0 angegeben. Was leider noch fehlt, sind Angaben, ob und wie diese Adresse geändert werden kann.

Bei waagrechter Montage ist das also ein Kompaß, bei senkrechter Montage dieser Module kann man auch die Neigung in Nord-Süd-Richtung messen. Hierzu sind 2 Module nötig, die zueinander um 90° gedreht angeordnet sein müssen. Die Neigung in Ost-West-Richtung zu messen, ist dagegen leider nicht möglich.

Das Ganze ist eine Anwendung des Philips-KMZ51 Magnet-Feld-Sensors mittels eines PIC16F872

Gelegentlich sollte das Modul kalibriert werden. Das kann über den I2C-Bus, aber auch mittels einen Pins am Modul initiiert werden. Dann muß das Module langsam um 360 Grad gedreht werden. Dabei nimmt das Modul 4 Meßpunkte auf und speichert sie im EEPROM.

[[Bild:cmps3pin.jpg|center]]

==Beschleunigung==
...

==Temperatur==
===Temperatur-Sensor LM75===

[[Bild:lm75.gif|center]]

Dieser Chip von National Semiconductors kann die Umgebungstemperatur mit einer Genauigkeit von 0.5<sup>o</sup> Grad Celsius messen. Das angegebene Bereich ist -25<sup>o</sup> bis 100<sup>o</sup> C. Es wird zweierlei geboten:
* Ein Schaltausgang - Wenn man also z.B. einen Ventilator einschalten möchte
* I2C - Der obere Teil der Adresse ist fix 0x9n, die Bits 1-3 kann man mit Jumper einstellbar machen oder fest verdrahten.

Durch einen einfachen I2C-Lesebefehl kann man die Temperatur einlesen (16-Bit), das Format ist allerdings etwas tricky. Das erste Byte (8-Bit) ist die Temperatur in ganzen Grad, als normales signed char, vom zweiten Byte gibt das MSB an, ob noch 0.5<sup>o</sup> '''dazuzuzählen''' sind (also auch, wenn vorne eine negative Zahl steht)

Der Grund ist der: die vorzeichenbehaftete 9-Bit Zahl, die da linksbündig in zwei Datenbytes übertragen wird, gibt eigentlich an, wieviel 0.5 Grad - Einheiten gemessen wurden. Rein rechnerisch wäre also Temperatur = Wert * 0.5, das müßte man aber als float durchführen oder erweitern

===Programm-Beispiel für LM75===
Der LM75 wird über den [[I2C]]-Bus angesprochen
In BasCom, wo es ja keine signed char gibt, wird das Interpretieren auf sehr unterschiedliche Art empfohlen.

Ich empfehle:

dim Ival as integer
dim Msb as byte
dim Lsb as byte
I2cstart
I2cwbyte &H91 ' Lese-adresse !
If Err = 1 Then
I2cstop ' kein ACK vom LM75 --> irgendein Fehler
Ival = 9999 ' Zeichen, daß der Wert ungültig ist !
Else
I2crbyte Msb , Ack
I2crbyte Lsb , Nack
I2cstop
If Msb.7 = 1 Then
Ival = Makeint(msb , &HFF) ' auffüllen mit den Vorzeichen bits
Else
Ival = Makeint(msb , &H00) ' positiv, also bleibt es so
End If
Ival = Ival * 10 ' erweitern
If Lsb.7 = 1 Then
Ival = Ival + 5 ' fünf Zehntel Grad dazu
End If
End if

das ergibt die Temperatur in Zehntel-Grad (Natürlich nur, wenn's keine Fehler gab).

==Resistive Sensoren==
...
==Kapazitive Sensoren==

Ein Beispiel für kapazitive Sensoren sind Luftfeuchtigkeitsmesser, die ihre Kapazität entsprechend der Luftfeuchtigkeit ändern. Das Auslesen der Kapazität kann prinzipiell über das Ausmessen von Ladekurven geschehen. Dies ist jedoch bei kleinen Kapazitäten nicht praktisch durchführbar, weshalb man in diesem Falle meist einen Schwingkreis baut, dessen Frequenz man dann misst und so dann zusammen mit der bekannten Induktivität der Spule die Kapazität des Kondensators ausrechnen kann.

==Induktive Sensoren==
Induktiver Näherungsschalter

...
==Piezoelektrische Sensoren==
Hier ist ein Experiment dargestellt das die Funktion von Piezowandlern demonstriert.

Drückt man auf eine längliche Glasplatte (Mikroskopträger Länge 76mm), die an den Enden auf je einem Piezo Wandler gelagert ist, dann ergeben sich Signale, die von den Kräften auf die Wandler abhängig sind.

Die Summe der beiden Kräfte entspricht der Gesamtkraft. Das Verhältnis der beiden Kräfte entspricht dem Verhältnis der Abstände des Druckpunktes zum Wandler.
<center>
http://www.roboternetz.de/wissen/images/6/66/Piezowandler.jpg
</center>
Im Versuch wurde mit der Frequenz von ca. 4Hz (0,5s/div) von einem Ende bis zum anderen auf die Platte gedrückt. (Tonleiter). Die Signale der beiden Wandler sind im Oszillogramm aufgetragen und die Folge der Druck-Positionen ist auf den ersten Blick schon mal nachvollziehbar.

==PIR Passiv Infrarot Sensoren==
Hier handelt es sich um Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder. Bewegungsmelder regieren beim Eintritt einer Person (Tier) in das Erfassungsfeld des Sensors. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt, man kennt die Technik ja von viele Terrassenlampen welche sich beim vorbeigehen automatisch einschalten.
Reagiert wird also auf Die Körperwärme einer sich im Erfassungsfeld bewegenden Person.
[[Bild:pir.jpg|right]]
Zum Prinzip:
Wärmestrahlen, die einen Erfassungsvorgang auslösen, liegen im Infrarot-Bereich des Wellenspektrums. In diesem Bereich gibt der menschliche Körper seine Wärmestrahlung ab. Leuchtmittel wie Glüh- , Halogen- und Entladungslampen, die für eine Strahlung im sichtbaren Bereich um 0,555 μm entwickelt wurden, geben jedoch auch einen erheblichen Teil an Wärmestrahlung im Infrarot-Bereich ab.
Im Spektrum oberhalb des sichtbaren Licht, ab 0,780 μm, beginnt der Infrarot-Bereich. Die Wellenlänge
dieser IR-Strahlung ist abhängig von der Temperatur eines Körpers. Die Wärmestrahlung
des Menschen hat ihr Maximum zwischen 9 und 10 μm im Infrarot-Bereich.
Diese Tatsache nutzt der PIR Sensor mittels sogenannter pyroelektrischer IRDetektoren, welche eine hohe Empfindlichkeit im langwelligen Infrarot-Bereich aufweisen. Die Infrarot-
Strahlung verhält sich ähnlich wie sichtbares Licht. Sie kann reflektiert und durch Linsen
gebündelt werden.
Basis eines solchen IR-Detektors (Sensors) sind Lithium-Tantalatkristalle. Diese Kristalle erzeugen,
bei Wärmeänderung (positive oder negative Temperaturänderung), eine elektrische Spannung.
Die von den Kristallen abgegebene Spannung liegt im Bereich von einigen μV (μV = millionstel Volt) und ist von folgenden Bedingungen abhängig:
* Der Intensität der Wärmequelle (Temperatur und Größe)
* Dem Umgebungsmedium (Temperatur, unterschiedliche Luftfeuchtigkeit)
* Der Entfernung zwischen Wärmequelle und IR-Sensor
* Der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Wärmequelle
* Der Empfindlichkeit des PIR-Elementes (frequenzabhängiges Bandpaßverhalten mit Maximum bei ca. 0,1 Hz)

Zur Unterdrückung von Einflüssen aus der Umgebung (übliche wetterbedingte Temperaturänderungen), sind in jedem Sensor 2 Kristalle antiparallel geschaltet.
Einer der Kristalle gibt, bei Auftreffen von Wärmestrahlung einen positiven, der andere einen negativen Spannungsimpuls ab. Wärmeänderungen die gleichzeitig und mit gleicher Intensität auf beide Kristalle einwirken lösen so keinen Erfassungsvorgang aus, denn die beiden Impulse heben sich gegenseitig auf. Dadurch ist ein Auslösen bei Wärmeänderungen der Umgebung weitgehend ausgeschlossen.
Anders verhält es sich bei schnellen Bewegungen. Die Lithiumtantalat-Kristalle geben, entsprechend
der Bewegung und der dadurch hervorgerufenen Wärmeänderung im Erfassungsfeld, ihre
Impulse zeitversetzt ab. Die beiden Impulse addieren sich zu einer Wechselgröße mit höherer
Signalamplitude. Dieses elektrische Ausgangssignalist proportional der Wärmeänderung und führt zur Meldung einer Bewegung.

==Autoren==
* [[Benutzer:PicNick|PicNick]]
* [[Benutzer:Frank|Frank]]
* [[Benutzer:Dennis.strehl|Dennis.strehl]]
* [[Benutzer:Florian|Florian]]
* Topic
* [[Benutzer:Manf|Manf]]

==Siehe auch==
* [[Navigation]]
* [[Sensoren]]
* [[Graycode]]
* [[Ultraschall SRF10 an RN-Control]]

==Weblinks==
*[http://www.ikm.uni-karlsruhe.de/forschung/pzt_webseiten/de/grundlagen/pyro.html Piezoelektrische Sensoren]
*[http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=category&cat_id=2 Datenblätter im Download-Bereich des Roboternetz]

[[Category:Robotikeinstieg]]
[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Elektronik]]
[[Category:Sensoren]]

Luftdruck messen

2006-04-03T16:15:44Z

As31415rin: /* Luftdrucksensor: */

== Luftdruck messen mit RN-Control´er 1.4 ==

===Erforderliche Ausstattung===

'''Board:''' [[RN-Control]] 1.4

'''Luftdrucksensor:''' Eingang 5V Ausgang (Messspannung) 2,5V

'''LCD Display:''' an Port B (auf dem Board)

'''LDE's:''' 3 [[Leuchtdioden]] (auf dem Board)

'''Terminalprogramm''' zum Auslesen der Werte

----
'''Ich habe eine Software geschrieben, die wie folgt funktioniert:'''

Der Aktuelle Luftdruck wird über den Sensor gemessen und der gemessene Wert wird im EEProm ab
gelegt. Dann wird der vorhergehende Wert mit dem Aktuellen verglichen und das Ergebnis von 3 LED's
ausgegeben:

# LED -> Luftdruck steigt
# LED -> Luftdruck gleichbleibend
# LED -> Luftdruck sinkt

Dazu werden die Werte Ak. - Aktueller Luftdruck, Vor.- Vorhergehender Wert auf dem LCD ausgegben.

===Der Programmablauf nach dem EInschalten:===
Auf dem LCD erscheinen 2 Mögliche Eingaben die über die Taster 1 und 2 gewählt werden können:

1 -START startet das Programm und die Aufzeichnung des Luftdrucks beginnt

2 -EEPROM liest die Ergebnisse einer Aufzeichnung aus dem EEprom aus (hier sollte ein [[Terminalprogramm]] über die [[RS232]] Schnittstelle angeschlossen sein, denn sonst sieht man nix !!
Die ausgelesenen Werte können dann in z.B.- Exel kopiert werden und schon kann man eine Grafik
anlegen !

'''HINWEIS:''' Man kann auch während des Programmablaufes die Werte durch drücken des Tasters 1 auslesen !

===Luftdrucksensor:===
Ich habe hier einen Sensoren verwendet den ich noch aus alten Projekten liegen hatte.Den genauen Typ kann ich leider nicht mehr angeben, da findet man sicherlich was zu den oben beschriebenen Werten im Netz oder beim Elektronik-Höker! Viel Spaß beim forschen und auf das der Luftdruck steigt !!

===Das Programm===
<pre>
$regfile = "m32def.dat"
$hwstack = 32
$framesize = 32
$swstack = 32
$crystal = 16000000
$baud = 9600<
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Config Pinc.2 = Output
Config Pinc.1 = Output
Config Pinc.0 = Output
Start Adc
Portc.3 = 0
Dim W As Word
Dim C As Byte
Dim D As Byte
Dim A As Byte
Dim R As Word
Dim L As Byte
Dim K As Word
Dim H As Word
Dim T As Byte
Dim U As Integer
Config Pina.7 = Input 'Für Tastenabfrage
Porta.7 = 1
'-----------------------------------------------Display
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portb.4 , Db7 = Portb.7 , E = Portb.3 , Rs = Portb.2
'-----------------------------------------------Display
Cc:
Cls
Cb:
Lcd "1-START"
Locate 2 , 1
Lcd "2-EEPROM"
T = Getadc(7)
Select Case T
Case 150 To 155 'Range für Tasteneingabe
Sound Portd.7 , 400 , 500
Waitms 500
Goto Ax
Case 80 To 90
Sound Portd.7 , 400 , 700
Goto Aa
End Select
Goto Cb

Ax:
For D = 0 To 200 Step 2 'Menge der Zyklen
W = Getadc(0)
U = W + 670
Print "Channel -> " ; U
Writeeeprom U , D
'Sound Portd.7 , 400 , 500
Readeeprom U , D 'EEProm auslesen
Print " Aus EEPROM: " ; W ; "- - - - - - Wert aus FOR: " ; D
H = D - 2
Readeeprom K , H
Print "vorheriger Wert: " ; K 'K ist der vorhergehende Wert !
Print " "
Cls
Cursor Off
Lcd "Ak." ; U
Locate 2 , 1
Lcd "Vor." ; K
Select Case W
Portc.2 = 1
Portc.1 = 1
Portc.0 = 1

Case Is > K : Portc.2 = 0
Case Is = K : Portc.1 = 0
Case Is < K : Portc.0 = 0

End Select
For R = 0 To 1800 'Zeiteistellung ob jede Stunde oder
'halbe Stunde gelesen wird 3600= 1Std 1800= 1/2Std
L = Getadc(7)
Select Case L
Case 170 To 185
Sound Portd.7 , 400 , 500<
Goto Aa
End Select
If L = 152 Then Goto Aa
Wait 1
Next R
Next D
Aa:
Cls
Lcd "EEPROM-"
Locate 2 , 1
Lcd "auslesen"
Portc.3 = 1
For D = 0 To 100 Step 2
Readeeprom U , D
Print U
Waitms 20
Next D
Goto Cc
</pre>

==Autor==
* [[GIESBERT]]

==Siehe auch==
* [[RN-Control]]
* [[Bascom]]

[[Kategorie:Quellcode_Bascom]]
[[Kategorie:Software]]
[[Kategorie:Praxis]]

Regelungstechnik

2006-04-03T13:05:40Z

As31415rin: /* Weblinks */

==Einleitung==
Regelungen sind ein Bestandteil unseres Lebens und das nicht nur seit Erfindung der Dampfmaschine. Allein schon der aufrechte Gang funktioniert nur mit Regelung. Dabei wirken die Sinne als Sensoren, das Gehirn als Regler und die Muskeln als Aktuatoren. Weitere Regelungen in unserem Körper sind z.B. die Konstanthaltung der Körpertemperatur, der Blutdruck, die Anpassung der Pupille auf Helligkeitsänderungen usw. Im technischen Zeitalter ist der erste geschichtlich bedeutende Regler der Fliehkraftregler von James Watt, der für die Drehzahlregelung seiner Dampfmaschine eingesetzt wurde. Seitdem ist die Regelungstechnik aus keinem Technikbereich mehr wegzudenken. Die Regelungstechnik begegnet uns im täglichen Leben auf Schritt und Tritt: Der Temperaturregler der Zentralheizung, der Temperaturregler des Kühlschranks, der Regler für die Belichtungsautomatik im Fotoapparat, das ABS-System im Auto und die Netzspannungs- und Frequenzregelung des europäischen Versorgungsnetzes sind nur einige wenige Beispiele aus diesem Bereich.

Der Begriff Regelung ist zu unterscheiden von dem im allgemeinen Sprachgebrauch oft synonym gebrauchten Begriff der Steuerung. Das Steuern ist ein rein vorwärts gerichteter Prozess ohne Rückkopplung. Die Ausgangsgröße wird dabei nicht überwacht und kann sich durch Störungen von außen verändern. Ein Beispiel ist die Steuerung eines Motors mit einer einstellbaren Spannung. Durch Laständerungen wird sich die Drehzahl des Motors ändern. Soll nun die Drehzahl konstant gehalten werden, bedarf es einer Rückkopplung um über die Spannung die Drehzahl anzupassen. Diese Rückkopplung ist das Kennzeichen einer Regelung. Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem die Ausgangsgröße, im Beispiel die Drehzahl, fortlaufend überwacht wird und bei Abweichung über die Stellgröße, im Beispiel die Spannung, korrigiert wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt.
''Autor Waste''

==Der Regelkreis==
Das Prinzip einer Regelung ist das fortlaufende: '''Messen - Vergleichen - Stellen'''

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/Regelkreis1.gif

{| border=0
|'''Messen:'''
|Die Regelgröße wird direkt oder mittels Sensoren gemessen.

|-
|'''Vergleichen:'''
|Der Wert der Regelgröße wird mit dem Sollwert verglichen. Die Differenz ist die Regelabweichung.
|-
|'''Stellen:'''
|Aus der Regelabweichung wird unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke die Stellgröße bestimmt.
|}

Ein Regelkreis dient dazu, eine vorgegebene physikalische Größe (Regelgröße) auf einen gewünschten Wert (Sollwert) zu bringen und dort zu halten, unabhängig von eventuell auftretenden Störungen.
Um die Regelungsaufgabe zu erfüllen, muss der Augenblickswert der Regelgröße - der Istwert - gemessen und mit dem Sollwert verglichen werden. Bei auftretenden Abweichungen muss in geeigneter Art und Weise nachgestellt werden.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/Regelkreis2.gif

Ein typisches Beispiel für einen Regelkreis - eine Geschwindigkeitsregelung - wird im nächsten Bild gezeigt. Die Sollgeschwindigkeit ist 80 km/h. Durch eine äußere Störung, in dem Fall eine Steigung, verlangsamt sich das Fahrzeug auf 70 km/h. Die Abweichung wird durch das Tachometer erfasst und als Korrekturmaßnahme wird mehr Gas gegeben, um wieder auf die Sollgeschwindigkeit von 80 km/h zu kommen.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/Regelkreis3.gif

Um nun diese Aufgabe technisch zu lösen, gibt es die Regelungstechnik. Sie baut im wesentlichen auf die mathematische Beschreibung und Modellbildung des Systems Regelkreis. Zur Modellierung, Beschreibung und Simulation werden Blockschaltbilder mit diskreten Signalgliedern verwendet.

Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Regelkreises, wie es oft in der Regelungstechnik verwendet wird, ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Ein Regelkreis besteht entsprechend der Abb. aus den Hauptteilen Regler und Regelstrecke.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/Regelkreis4.gif

'''Regler:''' Ist der Teil des Regelkreises, der unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke aus der Regelabweichung die Korrekturmaßnahmen zum Ausregeln ergreift.

'''Regelstrecke:''' Ist der Teil des Regelkreises, der vom Regler ausgeregelt werden soll.

'''Führungsgröße (Sollwert) w:''' Vorgegebener Wert, auf dem die Regelgröße durch die Regelung gehalten werden soll. Sie ist eine von der Regelung nicht beeinflusste Größe und wird von außen zugeführt.

'''Regelgröße (Istwert) x:''' Ist die Ausgangsgröße der Regelstrecke, die zum Zweck des Regelns erfasst und zum Vergleich rückgeführt wird. In vielen Fällen ist in der Rückführung noch eine Messeinrichtung (Sensor) gezeichnet, die den Istwert erfasst, hier der Einfachheit halber weggelassen.

'''Regelabweichung e:''' Differenz zwischen Führungsgröße und Regelgröße '''e = w - x''', bildet die eigentliche Eingangsgröße des Reglers.

'''Stellgröße y:''' Ausgangsgröße der Regeleinrichtung und zugleich Eingangsgröße der Strecke. Sie überträgt die steuernde Wirkung des Reglers auf die Strecke.

'''Störgröße z:''' Eine von außen wirkende Größe, die eine Änderung des Istwertes der Regelgröße bewirkt und einen Regelvorgang auslöst.

==Die Regelstrecke==
Die Regelstrecke stellt den zu regelnden Teil bzw. den zu regelnden Prozess dar und umfasst normalerweise eine Reihe von einzelnen Gliedern. Die Glieder werden entsprechend ihrem Zeitverhalten charakterisiert. Um das Zeitverhalten herauszufinden, legt man an den Eingang ein Testsignal an und zeichnet die Antwort auf. Im einfachsten Fall wird der Eingang mit einer sprunghaften Änderung beaufschlagt. Die Antwort auf die sprunghafte Änderung der Eingangsgröße wird Sprungantwort genannt und gibt Aufschluss über die Art der Regelstrecke und kann eventuell bereits genutzt werden, um die Parameter der Regelstrecke zu bestimmen.

Für den Aufbau eines gut funktionierenden Regelkreises und die Auslegung von Reglern ist es eine Voraussetzung zu wissen, wie die Regelstrecke reagiert. Ohne ein genaues Wissen um das dynamische Verhalten der Regelstrecke ist es nicht möglich geeignete Regler auszuwählen und diese zu parametrieren.

Die wichtigsten dynamischen Grundelemente zur Charakterisierung der Regelstrecke sind nachfolgend aufgelistet. Jedes Element wird mit einem Block dargestellt und darin durch ein Symbol oder der stilisierten Sprungantwort gekennzeichnet.

----

===Proportionalglied (P-Glied)===
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pglied.gif

Die einfachste Art einer Regelstrecke.
Beispiel: Hebel, Getriebe, Verstärker, Spannungsteiler,
Sensoren bei denen das Zeitverhalten vernachlässigt werden kann

----

===Integrator (I-Glied)===
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/iglied.gif

Strecke ohne Ausgleich, ist häufig in Regelstrecken vorhanden.
Beispiel: Beschleunigung -> Geschwindigkeit -> Weg,
Strom -> Kondensatorspannung

----

===Verzögerungsglied 0.Ordnung (Totzeitglied)===
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/ttglied.gif

Entsteht durch Laufzeiten von Material oder Signalen. Je größer die Totzeit einer Regelstrecke ist, um so schwieriger ist sie zu regeln.
Beispiel: Förderband, Rechenzeit, A/D-Wandler

----

===Verzögerungsglied 1.Ordnung (PT1-Glied)===
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pt1glied.gif

Viele einfache Regelstrecken haben ein solches Verhalten bzw. können näherungsweise damit beschrieben werden. Ist ein P-Glied mit nicht vernachlässigbarem Zeitverhalten.
Beispiel: Gleichstrommotor (Spannung -> Drehzahl), näherungsweise;
Widerstand-Kondensator-Schaltung (RC-Glied)

----

===Verzögerungsglied 2.Ordnung (PT2-Glied)===
Man unterscheidet schwingungsfähige und nicht schwingungsfähige PT2-Glieder. Zur Charakterisierung gibt es die Parameter Dämpfung D und Eckfrequenz w<sub>0</sub> oder die Zeitkonstanten T<sub>1</sub> und T<sub>2</sub>. Für Dämpfung D<1 ist es schwingungsfähig.

'''Schwingfähiges PT2-Glied:'''<br/>
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pt2aglied.gif
Beispiel: Mechanischer Schwinger (Feder-Masse-System),
elektrischer Schwingkreis (RLC-Kreis)

'''Nicht schwingfähiges PT2-Glied:'''<br/>
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pt2bglied.gif
Beispiel: Zwei hintereinander geschaltete PT1-Glieder,
Gleichstrommotor (Spannung -> Drehzahl), Induktivität berücksichtigt

==Der Regler==
Der Regler hat die Aufgabe, die Regelgröße zu messen, sie mit dem Sollwert zu vergleichen und bei Abweichungen die Stellgröße so zu verändern, dass Soll- und Istwert der Regelgröße wieder übereinstimmen bzw. die Differenz minimal wird.

Die Wahl eines bestimmten Reglertyps richtet sich nach dem geforderten Zeitverhalten und der geforderten Regelgenauigkeit der Regelstrecke. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten klassischen Reglertypen:

===P-Regler===
Der proportionalwirkende Regler multipliziert die Regelabweichung mit seinem Verstärkungsfaktor '''Kp''' und gibt das Ergebnis unverzögert weiter. Er unterscheidet sich prinzipiell nicht vom dynamischen Element P-Glied, ist nur eben künstlich hergestellt für den Einsatz als Regler. Der P-geregelte Kreis ist einfach und mittelschnell im Vergleich zu anderen Regelungen. Das Problem ist die bleibende Regelabweichung!

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pregler.gif

'''Software P-Regler:'''
y = Kp * e

----

===I-Regler===
Der integralwirkende Regler summiert die Regelabweichung über der Zeit auf und multipliziert die Summe (d.h. das Integral) mit dem Faktor '''Ki'''. Je länger eine Regelabweichung ansteht, desto größer wird die Stellgröße des I-Reglers. Er unterscheidet sich prinzipiell nicht vom dynamischen Element I-Glied, ist nur eben künstlich hergestellt für den Einsatz als Regler. Der I-geregelte Kreis ist langsam im Vergleich zu anderen Regelungen. Er hat aber den Vorteil, dass die Abweichung vollständig eliminiert wird.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/iregler.gif

'''Software I-Regler:'''
esum = esum + e
y = Ki * Ta * esum

'''esum''' ist die Summe aller bisherigen Abweichungen '''e'''. Der Parameter des Software I-Reglers ist abhängig von der Rechenschrittweite '''Ta''' (Abtastzeit). Je öfter gerechnet wird, desto öfter wird auch hinzugezählt (aufintegriert). Eine kleine Abtastzeit erfordert also einen kleineren Faktor, dies wird durch die Multiplikation mit '''Ta''' verwirklicht.

----

===PI-Regler===
Der PI-Regler ist die Kombination aus P- und I-Regler und kombiniert den Vorteil des P-Reglers, nämlich schnelle Reaktion, mit dem Vorteil des I-Reglers, der exakten Ausregelung. Der PI-geregelte Kreis ist also genau und mittelschnell.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/piregler.gif

'''Software PI-Regler:'''
esum = esum + e
y = Kp * e + Ki * Ta * esum

----

===PD-Regler===
Der proportional-differential wirkende Regler kombiniert den P-Regler mit einem D-Anteil.
Der D-Anteil bewertet die Änderung einer Regelabweichung (er differenziert) und berechnet so deren Änderungsgeschwindigkeit. Diese wird mit dem Faktor '''Kd''' multipliziert und zum P-Anteil hinzuaddiert. Der PD-Regler reagiert damit schon auf Ankündigungen von Veränderungen, das bewirkt sozusagen ein Vorhalten beim Regeln.

Der PD-geregelte Kreis ist sehr schnell im Vergleich zu anderen Regelungen, und manche Regelkreise (solche mit zweifacher Integration) sind ohne D-Anteil überhaupt nicht stabilisierbar. Das Problem der proportionalen Regler, die bleibende Regelabweichung, ist beim PD-Regler allerdings weiterhin vorhanden!

Ein Nachteil aller Regler mit D-Anteil kann die Unruhe im Kreis sein. Ist das Sensorsignal verrauscht, so wird dieses Rauschen durch die Differenziation weiter verstärkt und wieder in den Kreis hineingegeben. Dadurch wird der Aktuator stärker belastet. Macht der Regler insbesondere sehr hohe Ausschläge als Folge von schnellen Änderungen des Sollwertes, dann kann es sein, dass das Stellglied oder der Aktuator diese nicht umsetzen kann - die Wirkung des D-Anteils würde dann durch die Begrenzung verpuffen, und das Einschwingverhalten wäre nicht wie berechnet, sondern meist langsamer. Dies gilt aber nur für große Sprünge. Bei den normalen kleinen Regelvorgängen zum Ausgleich von Störeinflüssen wirkt der D-Anteil wie beabsichtigt.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pdregler.gif

'''Software PD-Regler:'''
y = Kp * e + Kd * (e – ealt)/Ta
ealt = e

Mit der neuesten Regelabweichung '''e''' und der vorhergehenden '''ealt''' wird der D-Anteil berechnet. Die Differenziation erfolgt damit angenähert durch Bildung des Differenzquotienten (e - ealt)/Ta.

----

===PID-Regler===
Der PID Regler ist der universellste der klassischen Regler und vereinigt die guten Eigenschaften der anderen Regler. Zur Beschreibung der Eigenschaften des P-, I- und D-Anteils siehe die anderen Reglertypen. Der PID-geregelte Kreis ist genau und sehr schnell. In den meisten Anwendungen kommt deshalb der PID-Regler zum Einsatz.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/pidregler.gif

'''Software PID-Regler:'''
esum = esum + e
y = Kp * e + Ki * Ta * esum + Kd * (e – ealt)/Ta
ealt = e

'''Alternative PID-Reglerstruktur:'''

Es gibt 2 Darstellungsmöglichkeiten, die inhaltlich identisch sind. In der analogen Regeltechnik ist noch die Darstellung mit der Nachstellzeit '''Tn''' und der Vorhaltezeit '''Tv''' üblich. Die Umrechnung zwischen den beiden Strukturen ist mit den angegebenen Formeln möglich.
[[Bild:PIDstruktur.gif]]

==Vergleich der Reglertypen==
In der folgenden Abbildung ist der Vergleich von P-, I-, PI-, PD- und PID-Regler in einem Regelkreis mit PT2-Glied als Regelstrecke dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Regler ohne I-Anteil (P und PD) eine bleibende Regelabweichung aufweisen. Erst die Regler mit I-Anteil können auf den Endwert von 1 ausregeln. Beim reinen I-Regler geht das so langsam, dass es gar nicht mehr auf dem Diagramm zu sehen ist. Der Hauptzweck eines I-Anteils ist also die Vermeidung bleibender Regelabweichungen. Daher ist ein
I-Anteil normalerweise nicht nötig, wenn die Strecke schon einen I-Anteil besitzt.
Ausnahme: Es wird ein doppelter I-Anteil zur Vermeidung von Schleppfehlern benötigt.

Die schnellsten Regler sind die mit einem D-Anteil (PD und PID). Der D-Anteil kommt deshalb hauptsächlich zum Einsatz, wenn schnelle Dynamik gefragt ist oder die Strecke selbst schon instabil ist. Voraussetzung für die Schnelligkeit ist allerdings, dass keine Begrenzung im Stellglied oder Aktuator auftritt. In der Praxis ist eine Begrenzung meistens nicht zu vermeiden, deshalb gilt die Sprungantwort in der Praxis nur für kleine Sprünge.

Die Regler ohne D-Anteil, aber mit P-Anteil (P und PI) sind mittelschnell. Für einfache Regelaufgaben reicht auch oft schon ein reiner P-Regler aus, wenn die bleibende Regelabweichung vernachlässigt werden kann oder weil die Strecke schon einen I-Anteil besitzt.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/vergleich.gif

Aus diesem Vergleich wird klar, warum der PID-Regler so beliebt ist, er vereinigt die Vorzüge aller anderen Regler.

==Digitaler Regler==
Durch die Einführung leistungsfähiger und preiswerter Mikroprozessoren hat sich der digitale Regler mehr und mehr durchgesetzt. Im Gegensatz zum analogen Regler werden die Signale nicht mehr analog mit Operationsverstärker verarbeitet, sondern mit einem Mikroprozessor errechnet. Bevor das Signal vom Mikroprozessor bearbeitet werden kann, muss zunächst das Eingangssignal (Istwert) mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) digitalisiert werden, d.h. in einen Zahlenwert umgewandelt werden. Das vom digitalen Regler errechnete Ausgangssignal (Stellgröße) wird wiederum zur Ansteuerung des Stellglieds mit einem Digital-Analog-Umsetzer (DAU) in ein analoges Signal gewandelt. Funktionell unterscheiden sich analoger und digitaler Regler jedoch nicht wesentlich, es müssen nur die Schnittstellen angepasst werden.

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/digreg.gif

Da die Wandlungen und das Regelprogramm eine gewisse Zeit beanspruchen, vergeht pro Durchlauf die sogenannte Takt- oder Abtastzeit. Diese Zeit wirkt sich im Regelkreis wie ein Totzeitglied mit der halben Abtastzeit als Totzeit aus. Das verursacht eine zusätzliche Phasenverschiebung, was sich ungünstig auf die Stabilität des Regelkreises auswirken kann. Ist die Abtastzeit sehr viel kleiner als die dominierende Zeitkonstante der Strecke, dann spricht man von quasi-kontinuierlichem Verhalten, da sich der digitale Regler ähnlich wie ein analoger Regler verhält. Der digitale Regler kann dann wie ein analoger dimensioniert werden. Ist die Abtastzeit größer, kann sie nicht mehr vernachlässigt werden, dann muss sie auch beim Reglerentwurf berücksichtigt werden.

'''Vorteile digitaler Regler:'''
* Die Verarbeitung erfolgt driftfrei.
* Es lassen sich nichtlineare Kennlinien, intelligentes Verhalten oder adaptive Regelung leichter realisieren.
* Der Regler kann bei Bedarf per Software neu konfiguriert und parametriert werden

'''Digitale Realisierung am Beispiel des PID-Algorithmus'''

Ausgehend von der Differentialgleichung für kontinuierliche Systeme wird die Differenzengleichung für zeitdiskrete Systeme erstellt. Daraus folgt dann der Stellungsalgorithmus in allgemeiner Form.

Ta = Abtastzeit; k = Nummer der Abtastung

Kp = Proportionalbeiwert; Ki = Integrierbeiwert; Kd = Differenzierbeiwert



'''Differentialgleichung für den kontinuierlichen PID-Regler:'''
:<math>
y(t) \;=\; Kp \!\cdot\! e(t)
+ Ki \int_0^t e(\tau) \, d\tau
+ Kd \, \frac{de(t)}{dt}
</math>

'''Differenzengleichung für den zeitdiskreten PID-Regler:'''
:<math>
y_k \;=\; Kp \!\cdot\! e_k
+ Ki \!\cdot\! Ta \sum_{i=0}^k e_i
+ \frac{Kd}{Ta}\, ( e_k - e_{k-1} )
</math>

'''PID Stellungs-Algorithmus:
:''' <math>
y_k \;=\; y_{k-1}
+ q_0 \!\cdot\! e_k
+ q_1 \!\cdot\! e_{k-1}
+ q_2 \!\cdot\! e_{k-2}
</math>

Mit den Parametern:
:<math>
q_0 \,=\, Kp + Ki \!\cdot\! Ta + \frac{Kd}{Ta}
\, , \quad
q_1 \,=\, -Kp - 2 \, \frac{Kd}{Ta}
\, , \quad
q_2 \,=\, \frac{Kd}{Ta}
</math>

'''Umsetzung in Code nach der Differenzengleichung:'''

Im Code wurden einige Variablen umbenannt, da die Indexschreibweise nicht möglich ist.

y entspricht y<sub>k</sub>, e entspricht e<sub>k</sub>, ealt entspricht e<sub>k-1</sub>, esum ist die Summenbildung

In der Praxis wird man die Ausdrücke Ki*Ta und Kd/Ta vorab berechnen und mit Ersatzvariablen in die Reglergleichung einsetzen. Der Verständlichkeit halber wurde es hier im Code belassen. Des weiteren kann eine Begrenzung von esum notwendig werden, um einen Variablenüberlauf oder Windup-Effekt zu vermeiden.

Der nachfolgende Code wird im Rhythmus der Abtastzeit Ta immer wieder aufgerufen.
e = w - x; //Vergleich
esum = esum + e; //Integration I-Anteil
y = Kp*e + Ki*Ta*esum + Kd/Ta*(e – ealt); //Reglergleichung
ealt = e;
----

'''Alternative Umsetzung in Code nach dem Stellungsalgorithmus:'''<br/>
y entspricht y<sub>k</sub>, yalt entspricht y<sub>k-1</sub>, e entspricht e<sub>k</sub>, ealt entspricht e<sub>k-1</sub>, ealt2 entspricht e<sub>k-2</sub>
e = w - x; //Vergleich
y = yalt + q0*e + q1*ealt + q2*ealt2; //Reglergleichung
ealt2 = ealt;
ealt = e;
yalt = y;

==Dimensionierung des Reglers==
Die Auswahl des Reglertyps ist heutzutage bei den digitalen Reglern nicht mehr so kritisch, da der Mehraufwand in Software für einen PID-Regler gegenüber einfacheren Typen kaum zu Buche schlägt. Im Prinzip ist man deshalb mit einem PID-Regler fast immer auf der richtigen Seite, mit einer Ausnahme, bei einer Strecke mit reiner Totzeit. Die folgende Tabelle gibt eine Hilfestellung zur Auswahl des Reglers.

{| border=1 cellpadding=4
|+ '''Geeignete Reglertypen für die unterschiedlichen Regelstrecken'''
|rowspan=2 |'''Strecke'''
|colspan=4 |<div align="center">'''Regler'''</div>
|-
|<div align="center">'''P'''</div>
|<div align="center">'''PD'''</div>
|<div align="center">'''PI'''</div>
|<div align="center">'''PID'''</div>
|-
|reine Totzeit
| 
| 
|<div align="center">geeignet</div>
| 
|-
|1.Ordnung mit kleiner Totzeit
| 
| 
|gut geeignet
|gut geeignet
|-
|2.Ordnung mit kleiner Totzeit
| 
| 
| 
|gut geeignet
|-
|höhere Ordnung
| 
| 
| 
|gut geeignet
|-
|I-Glied und Verzögerung
|geeignet
|gut geeignet
|<div align="center">geeignet</div>
|gut geeignet
|}

Nachdem man einen geeigneten Reglertyp ausgewählt hat, stellt sich noch die Frage, wie man die Reglerparameter Kp, Ki, und Kd optimiert. Im Laufe der Zeit wurden viele Methoden zur Dimensionierung der Reglerparameter entwickelt, aber es können hier nicht alle aufgelistet werden. Diese Aufzählung beschränkt sich auf die einfacheren und gängigen Methoden der Parametrierung.

===Dimensionierung durch Probieren (Empirisches Einstellen)===
Diese Methode ist geeignet um einfache Systeme zu dimensionieren, insbesondere wenn man bereits Erfahrung mit ähnlichen Regelkreisen hat. Man fängt mit einer unkritischen Einstellung (Kp klein, Ki = 0, Kd = 0) an und erhöht langsam die Verstärkung Kp, bis die Dämpfung schlecht wird. Falls eine Schwingneigung auftritt, muss die Verstärkung wieder etwas zurück genommen werden. Dann nimmt man allmählich den Integralanteil hinzu, erhöht ihn in Schritten und probiert solange herum, bis das Ergebnis einigermaßen passt. Bei Bedarf kann noch ein D-Anteil (PID-Struktur) probiert werden. Wenn dabei die Regelung stabiler wird, kann noch mal Kp und Ki erhöht werden, bis man endgültig zufrieden ist.

Es dürfte klar sein, dass so eine Optimierung im Blindflug nicht immer das Optimum ergibt, aber es ist eine gängige praktische Methode zur Ermittlung der Reglerparameter. Besser sieht es aus, wenn in einer Simulation empirisch optimiert wird. Zusätzliche Informationen über die Stabilität erlauben hierbei eine gezieltere Optimierung. Zudem ist das Probieren im Simulator gefahrlos möglich, was in der Realität nicht immer der Fall ist. Geeignete Programme zur Simulation sind [[Regelungstechnik#Hilfsprogramme_zur_Analyse_und_Optimierung| hier]] vorgestellt. Allerdings muss für eine Simulation die Regelstrecke bekannt sein. Ist das nicht der Fall, so bleibt nur das einfache Probieren oder das Einstellen nach der Schwingungsmethode wie im folgenden beschrieben.

===Dimensionierung nach Einstellregeln===
Die Dimensionierung nach Rezept ist eine praktische Methode ohne viel Rechnerei und Hilfsmittel, eine Methode also für den Praktiker. Die bekanntesten Einstellregeln sind von Ziegler/Nichols und von Chien/Hrones/Reswick. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anderer Einstelltabellen, auf die hier aber verzichtet wird, das würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. An der Vielzahl kann man schon ersehen, dass es kein universell gültiges Rezept gibt und mit diesen Tabellen nicht unbedingt das Optimum erreicht wird, eine Nachoptimierung kann nötig sein.

Bei Ziegler/Nichols unterscheidet man noch zwischen der Schwingungsmethode und der Einstellung nach der Sprungantwort.

'''Einstellung nach der Schwingungsmethode:'''<br/>
Bei der Schwingungsmethode nach Ziegler/Nichols werden die Reglerparameter so verstellt, dass die Stabilitätsgrenze erreicht wird und der Regelkreis zu schwingen beginnt, d.h. die Regelgröße periodische Schwingungen ausführt. Aus der so gefundenen Einstellung können die Reglerparameter ermittelt werden. Dieses Verfahren ist nur auf Regelstrecken anwendbar, bei denen ein Schwingen keinen Schaden anrichtet und die überhaupt instabil gemacht werden können. Die Vorgehensweise ist folgende:
# Einstellung des Reglers als reinen P-Regler: Ki = 0 und Kd = 0
# Die Reglerverstärkung Kp wird solange vergrößert, bis sich der geschlossene Regelkreis an der Stabilitätsgrenze befindet und Dauerschwingungen ausführt.
# Der dabei eingestellte Wert Kp wird als Kp<sub>krit</sub> bezeichnet.
# Die Periodendauer der sich einstellenden Dauerschwingung T<sub>krit</sub> wird gemessen.
# Anhand der folgenden Tabelle werden dann die Reglerparameter bestimmt.

{| cellpadding=10
|
{| border=1 cellpadding=4
|'''Regler'''
|<div align="center">'''Kp'''</div>
|<div align="center">'''Tn'''</div>
|<div align="center">'''Tv'''</div>
|-
|<div align="center">'''P'''</div>
|0.5*Kp<sub>krit</sub>
| 
| 
|-
|<div align="center">'''PI'''</div>
|0.45*Kp<sub>krit</sub>
|<div align="center">0.85*T<sub>krit</sub></div>
| 
|-
|<div align="center">'''PID'''</div>
|0.6*Kp<sub>krit</sub>
|0.5*T<sub>krit</sub>
|0.12*T<sub>krit</sub>
|}
|
{| border=0 cellpadding=4
|'''Ki = Kp/Tn'''
|-
|'''Kd = Kp*Tv'''
|}
|}

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Untersuchung während des Betriebes und ohne Öffnen des Regelkreises durchgeführt werden kann. Der Nachteil an dem Verfahren ist, dass es nur auf Strecken angewendet werden kann, die auch zum Schwingen gebracht werden können.

'''Einstellung nach der Sprungantwort:'''<br/>
Diese Methode der Parameterbestimmung beruht auf der Aufnahme der Sprungantwort der Regelstrecke. Es eignet sich auch für Strecken, die nicht zum Schwingen gebracht werden können. Der Regelkreis muss allerdings geöffnet werden.
Vorgehensweise: Es wird die Sprungantwort aufgenommen und durch Einzeichnen der Wendetangente die Verzugszeit Tu und die Ausgleichszeit Tg ermittelt.

[[Bild:Tu_Tg.gif]]

Mit den so festgestellten Werten werden die Parameter für den einzusetzenden Regler gemäß nachstehenden Tabellen ermittelt.

{| cellpadding=10
|
{| border=1 cellpadding=4
|+ Einstellregeln nach Ziegler/Nichols:
|'''Regler'''
|<div align="center">'''Kp'''</div>
|<div align="center">'''Tn'''</div>
|<div align="center">'''Tv'''</div>
|-
|<div align="center">'''P'''</div>
|1/Ks*Tg/Tu
| 
| 
|-
|<div align="center">'''PI'''</div>
|0.9/Ks*Tg/Tu
|3.3*Tu
| 
|-
|<div align="center">'''PID'''</div>
|1.2/Ks*Tg/Tu
|2*Tu
|0.5*Tu
|}
|
|
{| border=1 cellpadding=4
|+ Einstellregeln nach Chien/Hrones/Reswick
|'''Regler'''
|<div align="center">'''Kp'''</div>
|<div align="center">'''Tn'''</div>
|<div align="center">'''Tv'''</div>
|-
|<div align="center">'''P'''</div>
|0.3/Ks*Tg/Tu
| 
| 
|-
|<div align="center">'''PI'''</div>
|0.35/Ks*Tg/Tu
|1.2*Tu
| 
|-
|<div align="center">'''PID'''</div>
|0.6/Ks*Tg/Tu
|<div align="center">Tg</div>
|0.5*Tu
|}
|}

{| cellpadding=10
|
{| border=1 cellpadding=4
|'''Ki = Kp/Tn'''
|-
|'''Kd = Kp*Tv'''
|}
|
{| cellpadding=4 width=420
|Die Parameter Tn und Tv sind aus der analogen Regelungstechnik und sind dort sehr geläufig. Die Umrechnung in die Parameter Ki und Kd erfolgt mit nebenstehenden Formeln. Siehe auch [[Regelungstechnik#PID-Regler| PID-Regler]]
|}
|}

===Dimensionierung mit dem Bodediagramm===
Ein Bode-Diagramm ist die grafische Darstellung des Frequenzganges. Es werden der Betrag der Übertragungsfunktion (Amplitudengang) und der Verlauf des Phasenwinkels (Phasengang) als Funktion der Frequenz aufgetragen. Die Frequenzachse und die Amplitudenachse werden logarithmisch dargestellt. Die logarithmische Darstellung hat den Vorteil, dass eine Multiplikation auf eine einfache Addition zurückgeführt wird. Somit wird eine Hintereinanderschaltung von Systemen im Blockschaltbild zu einer einfachen Addition im Bodediagramm.

Das Zeitverhalten des rückgekoppelten Regelkreises hängt entscheidend vom Verlauf
des Frequenzganges der offenen Regelschleife in der Umgebung des Durchtretens durch
die 0dB-Achse ab. In der Regelungstechnik wird daher der offene Regelkreis im Bode-Diagramm aufgetragen. Das erlaubt einen schnellen Überblick über Stabilität und möglichen Reserven zur Optimierung. Ein Kriterium für die Stabilität der Schleife ist der Phasenrand und der Amplitudenrand. Der Phasenrand ist der Abstand (Phasenreserve) zur -180°-Linie bei der Durchtrittsfrequenz. Die Durchtrittsfrequenz ist diejenige Frequenz, bei der der Amplitudengang durch die 0dB-Linie geht. Siehe auch folgendes Bode-Diagramm.

[[Bild:Phasenrand.gif]]

{| {{Blauetabelle}}
|'''Regel:''' Eine geschlossene Regelschleife arbeitet genau dann stabil, wenn der Phasenrand positiv ist.
|}
Wird diese Bedingung verletzt, so wird in diesem Frequenzbereich die im Rückführzweig der Regelung eingebrachte Gegenkopplung zu einer Mitkopplung und das System kann schwingen.

'''Beim Reglerentwurf sind folgende Punkte zu beachten:'''
* Der Phasenrand muss positiv sein. Der geschlossene Regelkreis kann sonst instabil sein.
* Je größer der Phasenrand ist, desto größer ist die Stabilitätsreserve des Regelkreises und desto höher ist die Dämpfung des Regelkreises. Üblich sind Werte von 40°...70° für gutes Führungsverhalten und 20°...50° für gutes Störverhalten.
* Die Durchtrittsfrequenz ist ein Maß für die Schnelligkeit des Regelkreises, je höher, desto schneller ist die Reaktion auf Änderungen der Führungsgröße oder Störungen.

Hier ein Beispiel zur Dimensionierung mit dem Bode-Diagramm.

[[Bild:Bode1.gif]]

Die Strecke ist rot dargestellt und besteht in dem Beispiel aus einem nicht schwingfähigem PT2-Glied. Man sucht sich den Punkt, wo die Strecke für sich alleine noch ausreichend Phasenreserve hat, z.B. 70°. In dem Beispiel also die Frequenz, bei der die Strecke -110° Phasendrehung aufweist. Das ist etwa bei 15Hz. Da hat die Strecke ungefähr eine Dämpfung von 25dB. Wenn man nun diese Dämpfung durch eine Verstärkung von 25dB kompensiert, dann wird dieser Punkt zur Durchtrittsfrequenz. D.h. man wählt den P-Anteil des Reglers Kp=18, denn 25dB entspricht ungefähr dem Faktor 18. Um die Regelabweichung zu minimieren, wird noch ein I-Anteil hinzugefügt. Üblicherweise wählt man für die Grenzfrequenz des PI-Reglers die Grenzfrequenz des dominierenden Streckenteils, in dem Beispiel ca. 1.4Hz. Damit ergibt sich ein I-Anteil von 170. Im Bode-Diagramm ist der PI-Regler als schwarze Kurve eingezeichnet. Die Addition der Strecke und des Reglers im Bode-Diagramm führt dann zum Frequenzgang des offenen Regelkreises (blaue Kurve). Die resultierende Durchtrittsfrequenz ist wie gewählt bei etwa 15Hz. Der Phasenrand hat sich durch den I-Anteil im Regler auf ca. 60° reduziert, ist aber noch ausreichend. Das Einschwingen des geschlossenen Regelkreises für diese Dimensionierung sieht dann folgendermaßen aus:

[[Bild:Sprungantwort3.gif]]

Bei Bedarf könnte noch ein D-Anteil (PID-Regler) hinzugenommen werden, das würde die Phase anheben und man könnte dadurch die Durchtrittsfrequenz weiter nach oben schieben. In der Praxis wird dies allerdings wegen der wahrscheinlichen Begrenzung des Stellglieds kein schnelleres Einschwingen mehr bringen.

Begrenzungen oder Nichtlinearitäten werden bei der Dimensionierung mit dem Bode-Diagramm nicht berücksichtigt. Das ist ein Nachteil dieser Methode. Eventuell muss deshalb noch einmal im Zeitbereich nachoptimiert werden.

==Hilfsprogramme zur Analyse und Optimierung==
Die Analyse und Optimierung von Regelkreisen wird wesentlich erleichtert durch die Zuhilfenahme von Programmen. Es erspart einem eine komplizierte Rechnerei von Hand oder umfangreiche Testläufe. Stellvertretend für all die verfügbaren Programme werden hier zwei Freeware-Programme vorgestellt, die dafür gut geeignet sind. Die Beschreibung hier ersetzt aber keine Tutorials, es wird nur die Anwendung für die Regelungstechnik beschrieben.

===Scilab/Scicos===
Scilab ist ein wissenschaftlich-technisches Softwarepaket für numerische Berechnungen. Scicos ist eine Erweiterung dazu, die eine blockorientierte und modellbasierte Simulation und Analyse von dynamischen Systemen bietet. Dieses Softwarepaket kann von der [http://www.scilab.org/ Scilab Homepage] herunter geladen werden.

====Scilab====
Mit Scilab ist es sehr einfach ein Bode-Diagramm zu zeichnen, es bedarf nur 3 Zeilen Code.
s=poly(0,'s');
G=syslin('c',0.72/(0.11*s+1));
bode(G)
Die 1.Zeile '''s=poly(0,'s');''' legt die Variable s als Polynomvariable fest. Dies braucht in einer Sitzung nur einmal gemacht zu werden. Die 2.Zeile '''G=syslin('c',0.72/(0.11*s+1));''' definiert ein lineares System mit der Übertragungsfunktion 0.72/(0.11s+1). Die 3.Zeile '''bode(G)''' zeichnet das Bode-Diagramm des zuvor mit syslin definierten Systems G. Zu beachten ist, dass Scilab auf der x-Achse im Bode-Diagramm die Frequenz in Hertz und nicht wie üblich die Kreisfrequenz darstellt. Anstelle des Bode-Diagramms kann auch die Sprungantwort gezeichnet werden. Dies geschieht mit folgenden Befehlen:
xbasc();
t=[0:0.001:2];
y=csim('step',t,G);
plot2d(t,y)
'''xbasc()''' löscht den letzten Plot mit dem Bode-Diagramm und mit '''t=[0:0.001:2]''' wird ein Vektor t mit den angegebenen Zeiten im Intervall von 1ms definiert. Die Zeile '''y=csim('step',t,G)''' berechnet die Sprungantwort des zuvor mit syslin definierten Systems G und speichert sie in y ab. Das Ergebnis wird dann mit '''plot2d(t,y)''' dargestellt. Bei Bedarf können noch Gitternetzlinien mit dem Befehl '''xgrid()''' hinzugefügt werden.

Ergänzend hier noch ein Scilab-Skript, welches recht hilfreich bei der Dimensionierung mit dem Bode-Diagramm ist. Den nachfolgenden Code einfach in das SciPad-Fenster (Editor von Scilab) kopieren und starten. Es werden 2 Grafikfenster angezeigt, eines mit dem Bode-Diagramm und ein zweites mit der Sprungantwort. Man kann im Skript die Streckencharakteristik anpassen und verschiedene Reglerparameter ausprobieren.

<pre>
Ks=0.72; // Verstärkung der Strecke
T1=0.11; // Zeitkonstante 1
T2=0.005; // Zeitkonstante 2
Kp=18; // Proportionalbeiwert
Ki=170; // Integralbeiwert
Kd=0; // Differenzialbeiwert

s=poly(0,'s'); // definiert s als Polynomvariable
P=(T1*s+1)*(T2*s+1); // Streckencharakteristik
Gs=syslin('c',Ks,P) // Übertragungsfunktion der Strecke

RZ=poly([Ki Kp Kd],'s','coeff') // Zählerpolynom des Reglers
RN=poly([0 1],'s','coeff') // Nennerpolynom des Reglers
Gr=syslin('c',RZ,RN) // Übertragungsfunktion des Reglers

G=Gr*Gs // Übertragungsfunktion gesamt
xset("window",0);
xbasc(0);
bode([Gr;G;Gs],0.1,100,['Regler';'gesamt';'Strecke'])

Gcl=G/(G+1) // geschlossene Regelschleife
t=0:0.001:0.2;
y=csim('step',t,Gcl); // berechnet Sprungantwort
xset("window",1);
xbasc(1);
plot2d(t,y,2);
xgrid();
xtitle("Sprungantwort","sec");
</pre>

====Scicos====
Eine weitere Möglichkeit zur Simulation im Zeitbereich bietet Scicos. Die Modellierung geschieht mit einem grafischen Editor, in dem Blöcke mit vordefinierten oder selbstgemachten Funktionen miteinander verbunden werden. Ein einfaches Modell eines Regelkreises mit PID-Regler sieht folgendermaßen aus:

[[Bild:Scicos_anaReg.gif]]

Der PID-Regler ist mit seinen 3 Zweigen (P, I und D) dargestellt. In den Verstärkerblöcken kann durch Ändern der Reglerparameter (KP, KI und KD) der Regler optimiert werden. Die Strecke ist in diesem Beispiel nur ein einzelner Block, in dem die Übertragungsfunktion eingegeben wird. Man kann die Strecke auch detaillierter mit einzelnen Funktionsblöcken darstellen. Ein Beispiel eines komplexen Blockschaltbilds für einen balancierenden Bot ist unter diesem [http://www.roboternetz.de/phpBB2/download.php?id=5082 Link] zu finden.

Der Vorteil der Simulation mit Scicos ist die Möglichkeit Nichtlinearitäten zu berücksichtigen und die Kombination von kontinuierlichen und diskreten Funktionen. Das heißt, man kann einen digitalen Regler mit seinen diskreten Schritten und eine analoge Strecke, als kontinuierliche Funktion eingegeben, zusammen simulieren. Scicos bietet sogar einen 'Scifunc'-Block, mit dem Rechenschritte des digitalen Reglers nachgebildet werden können. Damit wird sowohl das dynamische Verhalten, verursacht durch die Abtastzeit Ta, als auch die etwas unterschiedliche Dynamik durch die digitale Ausführung eines I- und D-Anteils richtig simuliert. Ein Beispiel für den Einsatz des Scifunc-Blocks ist in folgendem Blockschaltbild zu sehen.

[[Bild:Scicos_digReg.png]]

Beispiel: [[Regelungstechnik#Beispiel:_Drehzahlregelung| Drehzahlregelung]] mit digitalem Regler

Die globalen Variablen für die Reglerparameter und die Abtastzeit werden unter dem Menüpunkt „Edit - Context“ abgelegt.
Kp=18;
Ki=60;
Ta=0.01;
In den Taktgeber für den digitalen Regler wird als Clock-Periode die Abtastzeit Ta eingetragen. In das Dialogfenster zum Scifunc-Block wird folgender Code zur Simulation des digitalen PI-Reglers eingetragen:
<pre>
z=z+Ki*Ta*u1
if z>5 then
z=5;
end
y1=Kp*u1+z
if y1>5 then
y1=5;
end
</pre>
z entspricht der Variable esum vom Beispiel des [[Regelungstechnik#Realisierung_mit_digitalem_Regler| digitalen Drehzahlreglers]]; u1 ist die Eingangsvariable und y1 die Ausgangsvariable des Scifunc-Blocks.
In den Block für die Strecke wird die Übertragungsfunktion eingetragen. Als Zähler die Verstärkung Ks, also 0.72. Im Nenner das Polynom (1+0.11*s) für die Charakteristik der Strecke. Mit ‚Simulate – Run’ wird die Simulation gestartet. Als Ergebnis sollte das Einschwingen der Stellgröße (schwarz) und der Regelgröße (grün), wie in folgender Abbildung erscheinen.

[[Bild:Sprungantwort_DZR.png]]

Man kann nun mit den Reglerparametern und verschiedenen Abtastzeiten spielen, um zu sehen wie sich die Änderungen auswirken. Zum Beispiel wird bei einer Verdopplung der Abtastzeit der Regelkreis bereits instabil.

Diese Beispiele sind nur ein kurzer Auszug von den Möglichkeiten mit Scilab/Scicos für den Einsatz in der Regelungstechnik. Darüber hinaus ist es auch sehr gut geeignet bei anderen Optimierungsverfahren wie z.B. beim WOK-Verfahren (Wurzelortskurven) oder zur Analyse und Optimierung von modernen Reglern wie z.B. Zustandsregler und Kalmanfilter.

===LTspice/SwitcherCad III===
Dieses Programm ist ein SPICE-Derivat von der Firma Linear Technology und ist unter den 2 Namen LTspice und SwitcherCad III bekannt. Der Einfachheit halber wird für die weitere Beschreibung hier nur der Name LTspice verwendet. Das Programm ist Freeware und kann unter diesem Link herunter geladen werden. http://ltspice.linear.com/software/swcadiii.exe

LTspice ist ein Simulationsprogramm zur Analyse von elektronischen Schaltungen. Mit LTspice kann sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich analysiert werden und bietet sich dadurch mit den entsprechenden Modellen auch für den Einsatz in der Regelungstechnik an. Wer sich bereits mit SPICE-Programmen auskennt, für den sollte es auch in der Regelungstechnik die 1.Wahl sein.

Der Vorteil von LTspice ist die Möglichkeit einer sehr detaillierten Analyse, vorausgesetzt die Modelle sind auch so detailliert nachgebildet. Insbesondere für analoge Regler, wo die elektrische Schaltung direkt umgesetzt werden kann, empfiehlt sich der Einsatz von LTspice. Der Nachteil ist, LTspice ist nicht auf regeltechnische Belange ausgelegt worden und spezifische Symbole für die Regelungstechnik müssen selbst erstellt werden. Einige selbst erstellte Symbole für dynamische Grundelemente in LTspice sind hier abgebildet.

[[Bild:LTSpiceSymb.png]]

Die 3 Symbole können [http://www.roboternetz.de/phpBB2/dload.php?action=file&file_id=285 hier] heruntergeladen werden. Weitere Symbole können anhand dieser Beispiele sehr leicht selbst erstellt werden. Ein P-Glied kann durch eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle (E-Source) oder Operationsverstärker mit einstellbarer Verstärkung dargestellt werden.

'''Analyse im Zeitbereich'''

Das Beispiel des [[Regelungstechnik#Beispiel:_Drehzahlregelung| Drehzahlreglers]] mit analogem Regler wird hier mit LTspice simuliert. Das Schaltbild des Regelkreises zeigt nachfolgende Abbildung.

[[Bild:LTspice_TRAN.png]]

Der Vergleicher (U1) und der analoge PI-Regler (U2) sind so dargestellt, wie es auch in Wirklichkeit ausgeführt werden kann. Da der PI-Regler in der Schaltung bereits invertiert, wurden die Eingänge am Vergleicher vertauscht, damit die Polarität wieder stimmt. Der Rest des Regelkreises wurde stark vereinfacht, kann aber nach Bedarf auch ausführlicher dargestellt werden. Das PT1-Glied U3 simuliert die Strecke des Regelkreises und der Verstärker U4 dient nur zur Umrechnung auf die Drehzahl. Zur Simulation im Zeitbereich wird auf den Führungswert w mit der Spannungsquelle V1 ein Sprung gegeben. In der Reglerschaltung wurde bewusst ein Operationsverstärker mit Versorgungsspannung gewählt, damit auch der Einfluss einer Begrenzung mit simuliert wird. Die Zeitbereichsanalyse wird durch den LTspicebefehl .TRAN erreicht. Die Sprungantwort (Tachospannung) bei diesem Regelkreis sieht dann folgendermaßen aus.

[[Bild:Tacho2.png]]

Durch Ändern der Bauelemente R5, R6 und C1 kann man den Regler optimieren. Eine Umrechnung auf die Reglerparameter Kp und Ki ist mit folgenden Formeln möglich, siehe auch [[Regelungstechnik#PI-Regler| PI-Regler]]:

Kp = R6/R5

Ki = 1/(R5*C1)

Mit einem Mausklick auf den entsprechenden Knoten in der Schaltung können noch weitere Signale, wie z.B. die Stellgröße y angezeigt werden. Durch Verändern der Versorgungsspannung V3, V4 kann man sich auch die Auswirkung der Begrenzung ansehen.

'''Analyse im Frequenzbereich'''

Für die Darstellung des Bode-Diagramms der offenen Regelschleife in LTspice muss ein Trick angewendet werden, denn durch das Auftrennen der Regelschleife würde der Arbeitspunkt verloren gehen und dadurch die offene Schleife ohne Gegenkopplung an den Anschlag fahren.

Mit einer zusätzlichen Spannungsquelle in der Schleife kann man dieses Problem umgehen. Die Schleife bleibt für den Erhalt des Arbeitspunktes weiterhin geschlossen und man kann trotzdem die Verstärkung der offenen Schleife durch das Verhältnis der Spannung vor und hinter der Spannungsquelle bestimmen. Das erweiterte Blockschaltbild sieht folgendermaßen aus.

[[Bild:LTspice_AC.png]]

V2 ist die zusätzliche Spannungsquelle für die AC-Analyse. Die Spannungsquelle V1 wird von Pulsform auf Gleichspannung umgestellt. Sie wird so gewählt, dass sich der gewünschte Arbeitspunkt einstellt. Durch den LTspicebefehl .AC wird die Analyse im Frequenzbereich veranlasst. Um das Bode-Diagramm des offenen Regelkreises darzustellen, wird als Kurve nicht ein einzelner Knoten ausgewählt, sondern das Verhältnis der Spannung vom Ende zum Anfang des Regelkreises, in unserem Beispiel also V(tacho)/V(x). Zur Anzeige kommt dann das Bode-Diagramm (grüne Kurve) der offenen Schleife, wie in der folgenden Abbildung zu sehen. Für den Amplitudengang (durchgezogene Linien) gilt die linke Skala in dB, für den Phasengang (gestrichelte Linien) die rechte Skala in Grad.

[[Bild:LTspice_Bode.png]]

Zusätzlich ist noch das Bode-Diagramm der Strecke (rote Kurve) zu sehen. Dies ist durch einfaches Hinzufügen einer weiteren Kurve mit dem Ausdruck V(tacho)/V(y) durchgeführt worden.

Im Gegensatz zur üblichen Darstellung des Bode-Diagramms eines offenen Regelkreises, beinhaltet das mit LTspice erstellte Bode-Diagramm auch die -180 Grad Phasendrehung der Gegenkopplung. Der Phasenrand ist deshalb nicht auf -180 Grad sondern auf 0 Grad zu beziehen. In unserem Beispiel ist der Phasenrand etwa 90 Grad, also ein sehr stabiler Regelkreis. Zu beachten ist, dass die Frequenzachse des Bode-Diagramms wie auch schon bei Scilab in der Einheit Hertz anstatt wie üblich in der Kreisfrequenzeinheit rad/s dargestellt ist.

==Beispiel: Drehzahlregelung==
Es wird ein Gleichstrommotor in der Drehzahl geregelt. Als Sensor ist ein Tachogenerator vorhanden, der direkt auf der Motorwelle sitzt. Das System ist in einem kleinen Modellfahrzeug eingebaut und wird zur Geschwindigkeitsregelung eingesetzt, da die Drehzahl proportional zur Geschwindigkeit ist.

Das Funktionsschaltbild sieht folgendermaßen aus:
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/drehzahl1.gif

Als Störgröße können unterschiedliche Reibwerte oder Steigung und Gefälle rückwirkend über das Getriebe die Drehzahl beeinflussen. Das Getriebe und die Last sind zwar außerhalb der Regelschleife, beeinflussen aber durch die feste Kopplung des Getriebes die Dynamik des Regelkreises. Durch die starre Kopplung kann das Trägheitsmoment des Motors und die Masse des Fahrzeugs zusammengefasst werden. Das Gleiche gilt auch für die Reibwerte. Damit vereinfacht sich die Modellierung und das Blockschaltbild reduziert sich auf folgende Schaltung:

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/drehzahl2.gif

Zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens der Regelstrecke wird die Sprungantwort gemessen. Dazu wird auf den Eingang der Regelstrecke (Stellglied) ein Spannungssprung gegeben und die Antwort am Ausgang des Tachogenerators nachgemessen. Diese Methode erspart die aufwändige Ermittlung der elektrischen und mechanischen Daten der einzelnen Elemente der Regelstrecke (Motor, Getriebe, Fahrzeug). Die Messung ergab folgende Sprungantwort der Regelstrecke:

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/tacho.gif

Wie zu erwarten, ist die Sprungantwort annähernd ein Verzögerungsglied 1.Ordnung. Die abgelesene Zeitkonstante ist 0.11s. Die Verstärkung der Regelstrecke ist Ks = 0.72. Das Übertragungsmaß des Tachogenerators ist 1V pro 2480Upm. Damit kann auf die Drehzahl rückgerechnet werden.

Da die Regelstrecke nur aus einem PT1-Glied besteht, könnte eine analoge Regelung fast beliebig schnell gemacht werden. Wegen der Begrenzung bringt aber das Ausreizen der Optimierung für das Führungsverhalten nicht viel, nur für das Störverhalten wäre eine schnellere Regelung sinnvoll. Um aber einen Vergleich zwischen analogem und digitalem Regler anstellen zu können wird eine Parametrierung gewählt, die auch für den digitalen Regler mit seiner Totzeit noch stabil ist. Es wird deshalb auch auf einen D-Anteil im Regler verzichtet und nur ein PI-Regler realisiert. Das vereinfachte Blockschaltbild mit den dynamischen Elementen sieht damit folgendermaßen aus:

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/drehzahl3.gif

Zur Veranschaulichung wurde ein analoger als auch ein digitaler Regler realisiert. Die Parametrierung des analogen Reglers wurde mit dem Programm [[Regelungstechnik#LTspice.2FSwitcherCad_III| LTspice]] durchgeführt. Es bot sich an, da die analoge Reglerschaltung exakt simuliert werden konnte. Für die Optimierung des digitalen Reglers wurde dann [[Regelungstechnik#Scicos| Scicos]] verwendet.

===Realisierung mit analogem Regler===
Die elektrische Schaltung für einen analogen PI-Regler ist in der nächsten Abbildung zu sehen. Der erste Operationsverstärker vergleicht den Sollwert w mit dem Istwert x. Der zweite Operationsverstärker bildet den PI-Regler. Die Werte R5, R6 und C1 sind für die Charakteristik des PI-Reglers zuständig. Mit R6 kann der P-Anteil und mit C1 der I-Anteil eingestellt werden. Die Optimierung der Werte wurde empirisch in einer Simulation mit LTspice durchgeführt. Da die Schaltung des PI-Reglers invertiert, wurden zum Ausgleich am Vergleicher die Eingänge an U1 vertauscht, so dass sich über die gesamte Schaltung wieder die richtige Polarität ergibt.

[[Bild:Analogregler.png]]

Zum Umrechnen auf Kp und Ki können diese Formeln verwendet werden, siehe auch [[Regelungstechnik#PI-Regler| PI-Regler]]:

Kp = R6/R5 = 18

Ki = 1/(R5*C1) = 147

===Realisierung mit digitalem Regler===
Im digitalen Regelkreis wird der Istwert '''x''' vom Tachogenerator mit einem A/D-Wandler digitalisiert. Der Sollwert '''w''' wird dem µC als digitaler Wert übergeben. Die Stellgröße '''y''' entspricht dem PWM-Wert für den Motortreiber. Um zum analogen Regler vergleichbar zu sein, wurde sowohl für den A/D-Wandler als auch für den PWM-Steller eine 8-Bit-Breite vorgesehen. Damit ist die Verstärkung in beiden Fällen gleich und analoger und digitaler Regler besser vergleichbar.

Eigentlich könnte man bei kleiner Abtastzeit direkt die Parametrierung des analogen Reglers für die digitale Realisierung übernehmen. Aber es gibt doch kleine Unterschiede in der Dynamik zwischen analoger und digitaler Ausführung und um sicher zu gehen, dass die gewählte Abtastzeit einen nicht zu großen Einfluss hat, wird noch einmal mit [[Regelungstechnik#Scicos| Scicos]] nachoptimiert. Mit einer Abtastzeit Ta = 10ms und den Parametern des analogen Reglers ergibt sich ein Überschwingen, das nur sehr langsam auf den Endwert abklingt. Durch Verringern des I-Anteils auf 60 wird ein optimales Einschwingen für den digitalen Regler erreicht. Die Parameter sind:

Kp = 18

Ki = 60

Ta = 0.01

Zur Umsetzung in einen Code wurde die Programmiersprache C gewählt. Da der Code sehr einfach ist, sollte es auch kein Problem sein, den Code als Beispiel für andere Sprachen zu verwenden. Der Algorithmus wird im Takt der Abtastzeit, also alle 10ms aufgerufen. In der Reglergleichung kann zur Vereinfachung das Produkt Ki*Ta durch eine Ersatzvariable, die gleich das Ergebnis aus dem Produkt 60*0.01 = 0.6 hat, ersetzt werden. Zum besseren Verständnis wurde es hier beim Ki*Ta belassen. Um einen Windup-Effekt zu verhindern, wird die Summenbildung esum auf +-400 begrenzt. Der Wert wurde so gewählt, dass noch eine volle Aussteuerung durch den I-Anteil möglich ist. Zum Schluss wird die Stellgröße y auf die mögliche Aussteuerung des Stellglieds (0...255) begrenzt.

'''Programmbeispiel digitaler PI-Regler:'''

<pre>
e = w - x; //Vergleich
esum = esum + e; //Integration I-Anteil
if (esum < -400) {esum = -400;} //Begrenzung I-Anteil
if (esum > 400) {esum = 400;}
y = Kp*e + Ki*Ta*esum; //Reglergleichung
if (y < 0) {y = 0;} //Begrenzung Stellgröße
if (y > 255) {y = 255;}
PWM = y; //Übergabe Stellgröße
</pre>

== Beispiel Lageregelung ==
Zunächst sollte die so genannte Strecke (in diesem Fall unser Motor) untersucht und beschrieben werden. Danach werden die einzelnen Regler dimensioniert und wenn möglich vereinfacht. Anschöliessend sollte das ganze Simuliert werden und am Objekt angewendet.

=== Strecke ===
Die Gleichstrommaschine ist ein elektromechanisches System und lässt sich in ein elektrisches (Ankerstromkreis) und ein mechanisches Teilsystem aufspalten. Die Lage ergibt sich als das Intergral über der Geschwindigkeit, wobei unbedingt das Getriebe zu berücksichtigen ist.
[[Bild:Gleichstrommoter_schema.png|thumb|350px|Schema einer Gleichstrommaschine]]
[[Bild:Gleichstrommoter schema2.png|thumb|350px|Blockschaldbild einer Gleichstrommaschine V ist K und V2 und V3 sind vertauscht]]
;Ankerstrom
:<math>\quad I_a=\frac{K_1}{1+T_aS}(U_a - U_i)</math>
;Drehzahl
:<math> \quad N=\frac{1}{T_{mk}S}(M_a - M_w)</math>
;induzierte Spannung
:<math>U_i=K_2\cdot N</math>
;Antriebsmoment
:<math>M_a=K_3\cdot I_a</math>
;Lage
:<math>X=\frac{1}{T_xS}N</math>

;mit den Konstanten
:Ankerzeitkonstante
:<math>T_a=\frac{L_a}{R_a}</math>
:mechanische Zeitkonstante
:<math>T_{mk}=\frac{J\omega_0}{m_0}</math>
:Normierungskonstanten
:<math>K_1= \frac{u_0}{R_ai_0}\qquad K_2=\frac{c\Phi_e\omega_0}{u_0}\qquad K_3=\frac{c\Phi_ei_0}{m_0}</math>

;Normierungsgrößen
: <math>u_0 = 1V \frac{}{}</math>
: <math>i_0 = 1A \frac{}{}</math>
: <math>n_0 = 100 min^{-1}\Rightarrow \omega_0=2\pi\frac{n_0}{60}</math>
: <math>m_0 = 1Nm \frac{}{}</math>

Nun haben wir für die Drehzahl <math>N</math> eine Übertragungsfunktion gebildet, sowie bei sich ändernder Last <math>M_w</math> eine Störfunktion.

<math>F_s(s)= \frac{N(s)}{U_a(s)}=\frac{K_1K_2}{T_ms(T_as+1)+K_1K_2K_3}</math>
Diese Funktion entspricht der Funktion aus dem Beispiel der Drehzahlregelung und hat auch die gleiche Sprungantwort.

=== Regelung ===
Für die Lageregelung mit elektrischen Maschinen hat sich die Kaskadenregelung als Standardverfahren durchgesetzt.
[[Bild:Kaskadenregelung.png|framed|none|Lage-Kaskadenregelung]]
Dimensioniert und in Betrieb genommen werden die Teilregler "von innen nach außen"

=== Stromregler ===
Als erstes ist der Stromregler zu dimensionieren. Da die Strecke durch die Rückkopplung über <math>U_I</math> ein differenzierendes Verhalten aufweist, wird als Stromregler häufig ein PI-Regler eingesetzt.

<math>F_{Ri}=V_{Ri}\frac{T_{Ni}S+1}{T_{Ni}S}</math>

Nach Dimensionierung und Inbetriebnahme des Reglers kann für den Stromregelkreis eine Ersatzfunktion bestimmt werden.

<math>F_{ei}=\frac{V_{ei}}{T_{ei}S+1}</math>

==Autoren==
* [[Benutzer:Waste|Waste]]
* [[Benutzer:Olaf-petersen|Olaf-petersen]], Beispiel Lageregler ergänzt

==Siehe auch==
* [[SwitcherCAD-Tutorial]]

== Weblinks ==
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=11818 Forumsbeitrag: Linienfolger mit PID-Regler]
*[http://www.scilab.org/ Scilab Homepage]
*[http://ltspice.linear.com/software/swcadiii.exe LTspice/SwitcherCad III Download]
*[http://www.kahlert.com/web/set_download.php Demo-Version von WinFACT 7]
*[http://www.physi.uni-heidelberg.de/~fp/anleitg/E01.pdf Anleitung für Elektronikpraktikum, letzter Teil ist PID Regler bezogen ]

[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Software]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Elektronik]]

Bezugsquellen

2006-04-03T13:01:24Z

As31415rin: /* Elektronikbauteile */

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==Elektronikbauteile==

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;CSD-Electronic - http://www.csd-electronics.de/: Elektronik

;Kessler-Electronic - http://www.kessler-electronic.de/: ( ehemals Simons ) Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Messgeräte, Hifi, usw. Preisstaffelung für größere Mengen, Mindestbestellwert: 10 Euro

;Distrelec Gruppe - http://www.distrelec.com: Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, usw.

;Farnell In One - http://de.farnell.com/: elektronische Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Sensoren, Literatur, Entwicklungskits, Kabel, Steckverbinder, Werkstattbedarf. Auch für privat. Sehr schnell.

;Reichelt - http://www.reichelt.de: Diverse Bauelemente (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Lichttechnik, Messtechnik, Software, Kabel, Steckverbinder, Werkstattbedarf, Werkzeug, Mindestbestellwert: 10 Euro

;RS-Components - http://www.rsonline.de: Bauelemente: (aktiv, passiv, Microcontroller), Literatur, PC-Komponenten, Lichttechnik, Messtechnik, Software, Kabel, Steckverbinder, Werkzeug

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;Modulor - http://www.modulor.de/: Diverse Materialien Kunststoff, Gummi, Papier, Pappe, Holz, Metall, Textilien, Plexiglas ...

;Igus - http://www.igus.de/: Gleitlager, Lineargleitlager, Kabelschleppen, Gelenklager, Polymergleitlager, Wellen ...

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