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Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-06T19:09:21Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherrobotern eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwendet. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C3 mit hoher Kapazität (1 bis 10 mF) zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschaltetem MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode ist nicht erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:sender_109.gif]]
Der Widerstand R5 muss etwas Leistung verkraften können, ein 4W-Typ ist sicher ausreichend. Mit P1 kann man die Impulsbreite einstellen, R3 bestimmt die Wiederholfrequenz. Für C3 sollte man einen LowESR Elko nehmen (oder einen mit höherer Nennspannung) damit er die Stromimpulse liefern kann.

Genauer einstellbar sind Impulsbreite und Wiederholfrequenz wenn statt des NE555 ein Mikrocontroller verwendet wird. Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss T1 über R1 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

1. Variante. Signalauswertung über Schmitt-Trigger

[[Bild:EMP_DC.gif]]

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OP1. D1 und D2 begrenzen Spannungsspitzen, um den OPV zu schützen. P1 legt die Empfindlichkeit fest, R4 und R5 bilden eine virtuelle Masse.

Das Ausgangssignal des OP1 steuert den Schmitt-Trigger OP2. Über R8 und C1 wird das Ausgangssgnal gefiltert. Wenn sich der Roboter innerhalb der Schleife befindet, entsteht zuerst ein positives Signal an der Spule, der Schmitt-Trigger schaltet am Ausgang nach Masse, 150µs später (das ist die am Sender eingestellte Impulsbreite) kommt dann ein negatives Signal, der Trigger schaltet wieder nach +4V. Das Ganze wiederholt sich bei jedem Impuls und läuft außerhalb der Schleife genau entgegengesetzt ab. Der Schmitttriggerausgang liegt immer fest auf 0V oder auf +4V (rein digitales Signal), je nachdem ob sich der Sensor außerhalb oder innerhalb der Schleife befindet. Das Signal kehrt sich nur für 150µs um, bzw. gibt es beim Überfahren der Schleife einen Signalwechsel. Der Schmitt-Trigger speichert quasi immer die letzte Halbwelle aus der Empfangsspule. Würde der Zustand des Sensors vor dem RC-Glied genau während dieser 150µs abfragt werden, würde das Signal falsch, "Innen" als "Außen", bzw. umgekehrt interpretiert werden. Das RC-Glied glättet das Ausgangssignal, da die Zeitkonstante viel größer als die Impulsbreite des Senders ist. Das Signal am Ausgang "Puls" kann man z. B. einem Monoflop zuführen um die Schleifenfunktion zu überwachen.

[[Bild:signal_184.jpg]]

2. Variante. Signalauswertung im Mikrocontroller

Man kann die Bauteile des eigentlichen Sensors reduzieren, wenn die Auswertung des Ausgangssignals des OPV über den ADC des Mikrocontroller erfolgt. Dies erfordert aber, dass das Ausgangssignal des OPV länger andauert, als es zur Ansteuerung des Schmitt-Triggers in Variante 1 erforderlich ist. Die Empfangsschaltung unmittelbar nach der Spule muss hierzu etwas abgeändert werden.

Die Detektorspule liegt wieder zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]
Das Ausgangssignal wird im Mikrocontroller über den ADC ausgewertet. Damit sind keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

Anmerkung: Die Werte für C und R wurden experimentell bestimmt. Die Schaltung ist erprobt. Trotzdem konnte die Schaltung nicht immer mit Erolg nachgebaut werden, da sich L und C möglicherweise als Schwingkreis verhalten, je nachdem welche Induktivität die Spule genau besitzt.

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Unmittelbar benachbarte Funkmodule und Sharp-Sensoren können stören.

Ggf. kann man zur Abschirmung elektrischer Felder das Motorgehäuse und das Mu-Metall mit einer starken Aderleitung mit dem zentralen Massepunkt der Stromversorgung verbinden. Weiterhin sollte man die Motorleitungen (Hin- u. Rückleitung) möglichst parallel führen oder verdrillen. Ein dicker ELKO direkt an der Leistungsstufe vermindert die Störungen vom Akku und den Zuleitungen.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Datei:Signal 184.jpg

2007-10-06T17:50:38Z

Christian H:

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-05T19:00:46Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C3 mit hoher Kapazität (1 oder 10 mF) zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode ist nicht erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:sender_109.gif]]
Der Widerstand R5 muss etwas Leistung verkraften können, ein 4W-Typ ist sicher ausreichend. Mit P1 kann man die Impulsbreite einstellen, R3 bestimmt die Wiederholfrequenz. Für C3 sollte man einen LowESR Elko nehmen (oder einen mit höherer Nennspannung) damit er die Stromimpulse liefern kann.

Genauer einstellbar sind Impulsbreite und Wiederholfrequenz wenn statt des NE555 ein Mikrocontroller verwendet wird. Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss T1 über R1 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

1. Variante. Signalauswertung über Schmitt-Trigger

[[Bild:EMP_DC.gif]]

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OP1. D1 und D2 begrenzen Spannungsspitzen, um den OPV zu schützen.

Das Ausgangssignal des OP1 steuert den Schmitt-Trigger OP2. Über R8 und C1 wird das Ausgangssgnal gefiltert. Wenn sich der Roboter innerhalb der Schleife befindet, entsteht zuerst ein positives Signal an der Spule, der Schmitt-Trigger schaltet am Ausgang nach Masse, 150µs später (das ist die am Sender eingestellte Impulsbreite) kommt dann ein negatives Signal, der Trigger schaltet wieder nach +4V. Das Ganze wiederholt sich bei jedem Impuls und läuft außerhalb der Schleife genau entgegengesetzt ab. Der Schmitttriggerausgang liegt immer fest auf 0V oder auf +4V (rein digitales Signal), je nachdem ob sich der Sensor außerhalb oder innerhalb der Schleife befindet. Das Signal kehrt sich nur für 150µs um, bzw. gibt es beim Überfahren der Schleife einen Signalwechsel. Der Schmitt-Trigger speichert quasi immer die letzte Halbwelle aus der Empfangsspule. Würde der Zustand des Sensors vor dem RC-Glied genau während dieser 150µs abfragt werden, würde das Signal falsch, "Innen" als "Außen", bzw. umgekehrt interpretiert werden. Das RC-Glied glättet das Ausgangssignal, da die Zeitkonstante viel größer als die Impulsbreite des Senders ist.

[[Bild:signal_184.jpg]]

2. Variante. Signalauswertung im Mikrocontroller

Man kann die Bauteile des eigentlichen Sensors reduzieren, wenn die Auswertung des Ausgangssignals des OPV über den ADC des Mikrocontroller erfolgt. Dies erfordert aber, dass das Ausgangssignal des OPV länger andauert, als es zur Ansteuerung des Schmitt-Triggers in Variante 1 erforderlich ist. Die Empfangsschaltung unmittelbar nach der Spule muss hierzu etwas abgeändert werden.

Die Detektorspule liegt wieder zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]
Das Ausgangssignal wird im Mikrocontroller über den ADC ausgewertet. Damit sind keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

Anmerkung: Die Werte für C und R wurden experimentell bestimmt. Die Schaltung ist reprobt. Trotzdem konnte die Schaltung nicht immer mit Erolg nachgebaut werden, da sich L und C möglicherweise als Schwingkreis verhalten, je nachdem welche Induktivität die Spule genau besitzt.

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Unmittelbar benachbarte Funkmodule und Sharp-Sensoren können stören.

Ggf. kann man zur Abschirmung elektrischer Felder das Motorgehäuse und das Mu-Metall mit einer starken Aderleitung mit dem zentralen Massepunkt der Stromversorgung verbinden. Weiterhin sollte man die Motorleitungen (Hin- u. Rückleitung) möglichst parallel führen oder verdrillen. Ein dicker ELKO direkt an der Leistungsstufe vermindert die Störungen vom Akku und den Zuleitungen.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-05T09:15:31Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C3 mit hoher Kapazität (1 oder 10 mF) zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode ist nicht erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:sender_109.gif]]
Der Widerstand R5 muss etwas Leistung verkraften können, ein 4W-Typ ist sicher ausreichend. Mit P1 kann man die Impulsbreite einstellen, R3 bestimmt die Wiederholfrequenz. Für C3 sollte man einen LowESR Elko nehmen (oder einen mit höherer Nennspannung) damit er die Stromimpulse liefern kann.

Genauer einstellbar sind Impulsbreite und Wiederholfrequenz wenn statt des NE555 ein Mikrokontroler verwendet wird. Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss T1 über R1 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

1. Variante. Signalauswertung über Schmitt-Trigger

[[Bild:EMP_DC.gif]]

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OP1. D1 und D2 begrenzen Spannungsspitzen, um den OPV zu schützen.

Das Ausgangssignal des OP1 steuert den Schmitt-Trigger OP2. Über R8 und C1 wird das Ausgangssgnal gefiltert. Wenn sich der Roboter innerhalb der Schleife befindet, entsteht zuerst ein positives Signal an der Spule, der Schmitt-Trigger schaltet am Ausgang nach Masse, 150µs später (das ist die am Sender eingestellte Impulsbreite) kommt dann ein negatives Signal, der Trigger schaltet wieder nach +4V. Das Ganze wiederholt sich bei jedem Impuls und läuft außerhalb der Schleife genau entgegengesetzt ab. Der Schmitttriggerausgang liegt immer fest auf 0V oder auf +4V (rein digitales Signal), je nachdem ob sich der Sensor außerhalb oder innerhalb der Schleife befindet. Das Signal kehrt sich nur für 150µs um, bzw. gibt es beim Überfahren der Schleife einen Signalwechsel. Der Schmitt-Trigger speichert quasi immer die letzte Halbwelle aus der Empfangsspule. Würde der Zustand des Sensors vor dem RC-Glied genau während dieser 150µs abfragt werden, würde das Signal falsch, "Innen" als "Außen", bzw. umgekehrt interpretiert werden. Das RC-Glied glättet das Ausgangssignal, da die Zeitkonstante viel größer als die Impulsbreite des Senders ist.

[[Bild:signal_184.jpg]]

2. Variante. Signalauswertung im Mikrocontroler

Man kann die Bauteile des eigentlichen Sensors reduzieren, wenn die Auswertung des Ausgangssignals des OPV über den ADC des Mikroccontrollers erfolgt. Dies erfordert aber, dass das Ausgangssignal des OPV länger andauert, als es zur Ansteuerung des Schmitt-Triggers in Variante 1 erforderlich ist. Die Empfangsschaltung unmittelbar nach der Spule muss hierzu etwas abgeändert werden.

Die Detektorspule liegt wieder zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]
Das Ausgangssignal wird im Microcontroller über den ADC ausgewertet. Damit sind keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

Anmerkung: Die Werte für C und R wurden experimentell bestimmt. Die Schaltung ist reprobt. Trotzdem konnte die Schaltung nicht immer mit Erolg nachgebaut werden, da sich L und C möglicherweise als Schwingkreis verhalten, je nachdem welche Induktivität die Spule genau besitzt.

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Unmittelbar benachbarte Funkmodule und Sharp-Sensoren können stören.

Ggf. kann man zur Abschirmung elektrischer Felder das Motorgehäuse und das Mu-Metall mit einer starken Aderleitung mit dem zentralen Massepunkt der Stromversorgung verbinden. Weiterhin sollte man die Motorleitungen (Hin- u. Rückleitung) möglichst parallel führen oder verdrillen. Ein dicker ELKO direkt an der Leistungsstufe vermindert die Störungen vom Akku und den Zuleitungen.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-05T09:07:10Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C3 mit hoher Kapazität (1 oder 10 mF) zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode ist nicht erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:sender_109.gif]]
Der Widerstand R5 muss etwas Leistung verkraften können, ein 4W-Typ ist sicher ausreichend. Mit P1 kann man die Impulsbreite einstellen, R3 bestimmt die Wiederholfrequenz. Für C3 sollte man einen LowESR Elko nehmen (oder einen mit höherer Nennspannung) damit er die Stromimpulse liefern kann.

Genauer einstellbar sind Impulsbreite und Wiederholfrequenz wenn statt des NE555 ein Mikrokontroler verwendet wird. Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss T1 über R1 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

1. Variante. Signalauswertung über Schmitt-Trigger

[[Bild:EMP_DC.gif]]

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OP1. D1 und D2 begrenzen Spannungsspitzen, um den OPV zu schützen.

Das Ausgangssignal des OP1 steuert den Schmitt-Trigger OP2. Über R8 und C1 wird das Ausgangssgnal gefiltert. Wenn sich der Roboter innerhalb der Schleife befindet, entsteht zuerst ein positives Signal an der Spule, der Schmitt-Trigger schaltet am Ausgang nach Masse, 150µs später (das ist die am Sender eingestellte Impulsbreite) kommt dann ein negatives Signal, der Trigger schaltet wieder nach +4V. Das Ganze wiederholt sich bei jedem Impuls und läuft außerhalb der Schleife genau entgegengesetzt ab. Der Schmitttriggerausgang liegt immer fest auf 0V oder auf +4V (rein digitales Signal), je nachdem ob sich der Sensor außerhalb oder innerhalb der Schleife befindet. Das Signal kehrt sich nur für 150µs um, bzw. gibt es beim Überfahren der Schleife einen Signalwechsel. Der Schmitt-Trigger speichert quasi immer die letzte Halbwelle aus der Empfangsspule. Würde der Zustand des Sensors vor dem RC-Glied genau während dieser 150µs abfragt werden, würde das Signal falsch, "Innen" als "Außen", bzw. umgekehrt interpretiert werden. Das RC-Glied glättet das Ausgangssignal, da die Zeitkonstante viel größer als die Impulsbreite des Senders ist.

[[Bild:signal_184.gif]]

2. Variante. Signalauswertung im Mikrocontroler

Man kann die Bauteile des eigentlichen Sensors reduzieren, wenn die Auswertung des Ausgangssignals des OPV über den ADC des Mikroccontrollers erfolgt. Dies erfordert aber,dass das Ausgangssignal des OPV länger anduaert, als es zur Ansteuerung des Schmitt-Triggers in Variante 1 erforderlich ist. Die Empfangsschaltung unmittelbar nach der Spule muss deshalb etwas abgeändert werden.

Die Detektorspule liegt wieder zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]
Das Ausgangssignal wird im Microcontroller über den ADC ausgewertet. Damit sind keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

Anmerkung: Die Werte für C und R wurden experimentell bestimmt. Die Schaltung ist reprobt. Trotzdem konnte die Schaltung nicht immer mit Erolg nachgebaut werden, da sich L und C möglicherweise als Schwingkreis verhalten, je nachdem welche Induktivität die Spule genau besitzt.

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Unmittelbar benachbarte Funkmodule und Sharp-Sensoren können stören.

Ggf. kann man zur Abschirmung elektrischer Felder das Motorgehäuse und das Mu-Metall mit einer starken Aderleitung mit dem zentralen Massepunkt der Stromversorgung verbinden. Weiterhin sollte man die Motorleitungen (Hin- u. Rückleitung) möglichst parallel führen oder verdrillen. Ein dicker ELKO direkt an der Leistungsstufe vermindert die Störungen vom Akku und den Zuleitungen.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-05T09:05:03Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C3 mit hoher Kapazität (1 oder 10 mF) zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode ist nicht erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:sender_109.gif]]
Der Widerstand R5 muss etwas Leistung verkraften können, ein 4W-Typ ist sicher ausreichend. Mit P1 kann man die Impulsbreite einstellen, R3 bestimmt die Wiederholfrequenz. Für C3 sollte man einen LowESR Elko nehmen (oder einen mit höherer Nennspannung) damit er die Stromimpulse liefern kann.

Genauer einstellbar sind Impulsbreite und Wiederholfrequenz wenn statt des NE555 ein Mikrokontroler verwendet wird. Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss T1 über R1 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

1. Variante. Signalauswertung über Schmitt-Trigger

[[Bild:EMP_.gif]]

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OP1. D1 und D2 begrenzen Spannungsspitzen, um den OPV zu schützen.

Das Ausgangssignal des OP1 steuert den Schmitt-Trigger OP2. Über R8 und C1 wird das Ausgangssgnal gefiltert. Wenn sich der Roboter innerhalb der Schleife befindet, entsteht zuerst ein positives Signal an der Spule, der Schmitt-Trigger schaltet am Ausgang nach Masse, 150µs später (das ist die am Sender eingestellte Impulsbreite) kommt dann ein negatives Signal, der Trigger schaltet wieder nach +4V. Das Ganze wiederholt sich bei jedem Impuls und läuft außerhalb der Schleife genau entgegengesetzt ab. Der Schmitttriggerausgang liegt immer fest auf 0V oder auf +4V (rein digitales Signal), je nachdem ob sich der Sensor außerhalb oder innerhalb der Schleife befindet. Das Signal kehrt sich nur für 150µs um, bzw. gibt es beim Überfahren der Schleife einen Signalwechsel. Der Schmitt-Trigger speichert quasi immer die letzte Halbwelle aus der Empfangsspule. Würde der Zustand des Sensors vor dem RC-Glied genau während dieser 150µs abfragt werden, würde das Signal falsch, "Innen" als "Außen", bzw. umgekehrt interpretiert werden. Das RC-Glied glättet das Ausgangssignal, da die Zeitkonstante viel größer als die Impulsbreite des Senders ist.

[[Bild:signal_184.gif]]

2. Variante. Signalauswertung im Mikrocontroler

Man kann die Bauteile des eigentlichen Sensors reduzieren, wenn die Auswertung des Ausgangssignals des OPV über den ADC des Mikroccontrollers erfolgt. Dies erfordert aber,dass das Ausgangssignal des OPV länger anduaert, als es zur Ansteuerung des Schmitt-Triggers in Variante 1 erforderlich ist. Die Empfangsschaltung unmittelbar nach der Spule muss deshalb etwas abgeändert werden.

Die Detektorspule liegt wieder zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]
Das Ausgangssignal wird im Microcontroller über den ADC ausgewertet. Damit sind keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

Anmerkung: Die Werte für C und R wurden experimentell bestimmt. Die Schaltung ist reprobt. Trotzdem konnte die Schaltung nicht immer mit Erolg nachgebaut werden, da sich L und C möglicherweise als Schwingkreis verhalten, je nachdem welche Induktivität die Spule genau besitzt.

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Unmittelbar benachbarte Funkmodule und Sharp-Sensoren können stören.

Ggf. kann man zur Abschirmung elektrischer Felder das Motorgehäuse und das Mu-Metall mit einer starken Aderleitung mit dem zentralen Massepunkt der Stromversorgung verbinden. Weiterhin sollte man die Motorleitungen (Hin- u. Rückleitung) möglichst parallel führen oder verdrillen. Ein dicker ELKO direkt an der Leistungsstufe vermindert die Störungen vom Akku und den Zuleitungen.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Datei:Sender 109.gif

2007-10-05T08:00:42Z

Christian H: Sender für Induktionsschleife

Sender für Induktionsschleife

Datei:EMP DC.gif

2007-10-05T07:59:53Z

Christian H: Empfänger für Induktionsschleife

Empfänger für Induktionsschleife

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-01T21:00:26Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 ist nicht unbedingt erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer und den Wert von R3 kann die Empfindlichkeit und Hysterese eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Diese ist am einfachsten, da keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen sind. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Komparator geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Frequenz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden. Störungen hängen nicht nur vom Abstand zwischen Störquelle und Sensor ab, sondern auch von deren Anordung. Die Störung ist am stärksten, wenn die Störquelle sich in Richtung der Längsachse der Empfangsspule befindet und am schwächsten, wenn sie "querab" von der Empfangsspule ist. Bei einem Akkupack spielt auch dessen Ausrichtung eine Rolle, da die Akkus miteinander eine Stromschleife bilden. Funkmodule stören ebenfalls (auch wenn in einem Programm der print-Befehl bereits abgearbeitet wurde, da die zu sendende Daten in der Regel zwischengespeichert werden). Unmittelbar benachbarte Sharp-Sensoren können stören.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-10-01T20:24:02Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 ist nicht unbedingt erforderlich, um nach dem Abschalten der Spannung, die Induktion von Spannungsspitzen am Netzteil und dem MOSFET zu verhindern. Hierfür reicht in der Regel die im MOSFET bereits eingebaute Diode.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer und den Wert von R3 kann die Empfindlichkeit und Hysterese eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Diese ist am einfachsten, da keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen sind. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Komparator geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-12T19:52:13Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer und den Wert von R3 kann die Empfindlichkeit und Hysterese eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Diese ist am einfachsten, da keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen sind. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Komparator geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-12T13:35:17Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer und den Wert von R3 kann die Empfindlichkeit und Hysterese eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Diese ist am einfachsten, da keine Einstellungen der Schaltung über Potentiometer vorzunehmen sind. Die Empfindlichkeit wird softwaremäßig über Grenzwerte eingestellt (in u.g. Beispiel durch den Wert 30).
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-12T13:27:13Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R4 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-12T13:17:58Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung eines Schmitt-Trigger denkbar. Durch die Rückkopplung des Ausgangs über R3 auf + des OPV stellt sich bei einem positiven Spike am Ausgang des OPV low und bei einem negativen high ein. Über das Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden. (Potentiometer etwa in Mittelstellung, ggf. kann man auf das Poti verzichten). Je nachdem ob die Detektorspule sich innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet, leuchtet die LED fast dauernd (im Impulsintervall), oder nur sehr kurz( während des Impulses)

[[Bild:Rasenrobo_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

3. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Komparatoren denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Datei:Rasenrobo Schmitt-Trigger.JPG

2007-08-12T13:03:14Z

Christian H:

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-11T17:33:21Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R.
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-11T17:25:37Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-11T17:22:58Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim Svr as integer, Svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-11T17:21:44Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Dim svr as integer, svl as integer, A0 as integer, A1 as integer
Dim Max0 as integer, Max1 as integer, Min0 as integer, Min1 as integer
Dim I as integer, Impulsbreite as byte

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-11T10:32:49Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

Elektromotore und Stomschwankungen in Zuleitungen und Akkus können die Sensoren stören. Bei Motoren ist eine Abschrimung durch Statorbleche möglich. Sehr starke, wechselnde Magnetfelder, z.B. durch brushless Aussenläufer können mit Mu-Metallfolie (Permeabilität 8000) abgeschirmt werden

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert. Fragen und Kommentare bitte ebenfalls an diesen Thread richten.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-10T14:25:16Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
Dein Programm
.
Begrenzungsschleife
loop

Sub Begrenzungsschleife
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
End sub

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-10T14:20:43Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähende Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch möglich.

[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T21:29:59Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 2 ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 2 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch denkbar.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T21:25:17Z

Christian H:

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T21:22:10Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 5 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch denkbar.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T19:46:47Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt). Auch eine Übertragung einfacher Kommandos an den Robo wäre hierdurch denkbar.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike. Impulsbreite kann ggf. mitgemessen werden.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next

For Impulsbreite = 1 To 15 'optional, misst
If S0 > Max0 And Svr < A0 Then Exit For 'Impulsbreite, also
If S0 < Min0 And Svr > A0 Then Exit For 'bis entgegengesetzter
Next 'Spike auftritt

Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen

if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T11:59:16Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt).
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann man für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T11:55:15Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt).
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : A1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T11:50:10Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung an der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt).
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T10:06:23Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen erscheint möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt sollte der Impulsbreite der Sender entsprechen und eine Zuordnung erlauben (nicht erprobt).
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. Wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Konzepte und Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:51:10Z

Christian H:

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:50:28Z

Christian H: Begrenzungsschleife wurde nach Begrenzungsschleife - Induktionsschleife verschoben

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.
[[Bild:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG]]
Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.
[[Bild:Rasenrobo Induktionssensor.JPG]]

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife

2007-08-08T09:50:28Z

Christian H: Begrenzungsschleife wurde nach Begrenzungsschleife - Induktionsschleife verschoben

#redirect [[Begrenzungsschleife - Induktionsschleife]]

Navigation

2007-08-08T09:49:03Z

Christian H:

Unter Navigation bezeichnet man das Sichzurechtfinden in einem geografischen Raum, um einen bestimmten Ort zu erreichen. Die Tätigkeit des Navigierens besteht aus drei Teilbereichen:

* Bestimmen der geografischen Position durch Ortung nach verschiedensten Methoden
* Berechnen des Weges zum Ziel und
* Führung des Fahrzeugs zu diesem Ziel, also vor allem das Halten des optimalen Kurses

Es ist also eine zentrale Aufgabe beim Bau von Robotern. Es ist sogar das Thema, das einen besonders großen Reiz auf die Bastler ausübt.

==Orientierung und Navigation==
Ein mobiler Roboter, der durch Bewegung mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, braucht Sensoren zur Orientierung und er wird auch eine einfache Navigation durchführen.

==Orientierung in natürlicher Umgebung==
Im einfachsten Fall werden es Berührungssensoren sein, mit denen der Roboter feststellt, ob ein Hindernis direkt vor ihm oder in seiner Reichweite ist.
Auch beim Einsatz von komplexeren Sensoren zum berührungslosen Orten von natürlichen Hindernissen sind einfache Kontaktsensoren zur Unterstützung sinnvoll.
Mit diesen Sensoren kann eine Orientierung aufgebaut werden, wenn Objekte der natürlichen Umgebung erkannt und in der Position registriert werden. Sie können beispielsweise in eine Karte eingetragen werden.
Die sogenannte natürliche Umgebung ist dabei in vielen Fällen speziell im Indoor-Bereich kaum von der Natur geschaffen, es sind hier vor allem Wände, Türen, Möbel. Sie wird nur so genannt, weil sie andererseits nicht zur Orientierung geschaffen wurde.

===Ortung durch Berührung===

Üblicherweise sind das Mikro-Schalter, die über eine Stoßstange (BUMPER) den passiven oder aktiven Kontakt mit einem Hindernis erkennen.
* Aktiver Kontakt - der Robby ist beim Fahren drangestoßen (Tischbein)
* Passiver Kontakt - Irgendwas hat den Robby berührt, z.B. die Hauskatze

Den Unterschied kann der Roboter nur feststellen, wenn er seine momentane Bewegungsrichtung weiss und berücksichtigt.

Bei einfachen Systemen wird meist so vorgegangen:
:Bumper rechts: etwas nach links drehen
:Bumper links: etwas nach rechts drehen
:Beide Bumper: umdrehen

Dass man so ein primitives Verfahren nicht als Orientierung und kaum als Ortung bezeichnen kann, zeigt folgender einfache Vergleich: Stellen Sie sich vor, sie werden mit verbundenen Augen in einen Raum eingesperrt und sollen diesen durch einen Ausgang verlassen oder an einer vorgegebenen Stelle halten. Sie werden recht planlos an den Wänden entlanggehen und wahrscheinlich nicht merken, dass sie an der gleichen Stelle schon sechsmal vorbeikamen. Wenn der Raum um eine dicke Säule gebaut ist und Sie dort entlangehen, werden Sie die Türen an der Aussenwand kaum finden. Trotzdem arbeiten viele Roboter nach diesem Prinzip.

===Berührungslose Ortung===

Zur berührungslosen Orientierung an Objekten in der Umgebung kann der Roboter selbst ein akustisches oder optisches Testsignal aussenden und damit die Umgebung abtasten oder er kann sich am Bild der Umgebung orientieren. Es ist allerdings nicht ganz einfach, aus den empfangenen Signalen eine "innere" Landkarte zusammenzustellen und sich darin zurechtzufinden. Ohne so eine Landkarte ist die berührungslosen Orientierung nicht besser als ein verlängerter Arm der einfachen Kontaktschalter.

====1. Akustische Abtastung====

1.a. Akustischer Reflexkoppler

Bei der akustischen Abtastung des Raumes stellt die "Einparkhilfe" die einfachste Lösung dar. Hier wird eine Sende- und eine Empfangskapsel über einen Verstärker gekoppelt und wenn im Bereich des Sensors ein Hindernis die Kopplung zwischen beiden erhöht, dann kommt es zum Anschwingen und damit zur Anzeige eines Hindernisses. Das Verfahren ist einfach, billig und lässt allenfalls senkrecht vor einer glatten Wand eine Bestimmung des Abstands zu.
Beispiel: Einparkhilfe Bild

1.b. Akustische Laufzeitmessung (Echolot)
[[Bild:srf08.jpeg|right|200px|Beispiel SFR08]]
Etwas aufwendiger und genauer arbeiten die Ultraschallsensoren mit Laufzeitmessung. Hier wird ein Ultraschall-Impuls von 8-16 Perioden Dauer ausgesendet und es wird die Zeit gemessen, bis das Echo eintrifft. Mit diesem Verfahren kann die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich. Es gibt Systeme mit anderen Verfahren: Kurz nach dem ersten Echo wird der Empfänger wieder empfindlich gemacht und dann werden weitere (maximal sieben) Echos registriert. Auf diese Weise kann man erkennen, ob hinter einem kleinen Hindernis (Ball) noch ein anderes (Wand) vorhanden ist. Bei ungünstiger Montage der Sensoren kann es auch vorkommen, dass der Sendepuls am eigenen Roboter reflektiert wird. Ein "normales" Echolot liefert dann keine brauchbaren Ergebnisse mehr - denkbar wäre das man einfach alle Ergebnisse weg läßt, die kleiner als 10 cm sind.

====2. Optische Abtastung====

2.a. Optischer Reflexkoppler

Bei den optischen Verfahren gibt es auch den einfachen Fall des Reflexsensors. Ein integriertes Sensor-IC gibt Stromimpulse für eine IR-LED aus und detektiert die Echos, die diesem Impulsmuster entsprechen. Man erreicht damit eine gute Unterdrückung der Umgebungshelligkeit, aber - wie auch im akustischen Fall - ist das Verfahren sehr von den Reflexionseigenschaften des Objektes abhängig und lässt kaum eine Bestimmung des Abstandes zu.
Beispiel IRF471 Bild

2.b. Optische Triangulation

Sehr viel genauer arbeiten die Sensoren, die den Abstand bis zu einem Hindernis trigonometrisch vermessen. Sie bestehen aus einer IR-Diode und einem Empfänger, die zusammen mit einer Steuerung in einem Modul integriert sind. Die Impulse werden wieder nach einem Schema zur Unterdrückung der Umgebungshelligkeit ausgesendet und detektiert. Hier aber handelt es sich um einen gebündelten Lichtstrahl, der auf das Hindernis trifft und der seitlich versetzte Empfänger - eine Position Sensitive Device (PSD) - misst, aus welchem Winkel das Licht reflektiert wird und setzt den Winkel in einen Spannungswert um. Leider ist der Zusammenhang Entfernung - Spannung recht nichtlinear. Über entsprechende Formeln oder Tabellen ist eine einfache Umrechnung möglich.

Beispiel Sharp [[Sensorarten|GP2D12]]

http://www.roboternetz.de/bilder/gp2d12-nb.jpg

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp2d12diagram_a.jpeg

2.c. Optische Laufzeitmessung

Auch bei den optischen Verfahren gibt es Sensoren, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten. Sie sind allerdings bis heute Messgeräte, die noch so groß sind, dass sie kaum als Sensoren in Robotern eingesetzt werden. Ein vielversprechender Ansatz, einen Sensor als Modul zu realisieren, wurde vor ein paar Monaten von einem Fraunhofer Institut vorgestellt.

Eine sehr hohe Genauigkeit der Abtastung der Umgebung liefern Laserscanner. Diese Sensoren tasten auf einer Ebene in einem Öffnungswinkel von 180 Grad die Entfernung bis zu den Hindernissen ab. Die Genauigkeit geht bis zu 1mm. Laserscanner sind sehr teuer.

====3. Bildverarbeitung====

Das Beispiel der optischen Abtastung mit trigonometrischer Messung funktioniert nicht nur mit einem PSD, sondern auch mit einer Kamera, mit der man den Winkel misst, unter dem der Teststrahl auf dem Objekt erscheint.
Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, das Bild der Umgebung mit zwei Kameras stereoskopisch aufzunehmen und durch Bildverarbeitung die Abstände zu den einzelnen Objekten zu bestimmen.

==Orientierung an künstlichen Markierungen==

===1. Passive Markierungen===
Künstliche Markierungen sind solche, die speziell zur Markierung geschaffen oder zur Orientierung ausgewählt und beschrieben sind. Ein typisches Beispiel für künstliche Markierungen sind Reflexmarken am Ende eines Gangs, durch den ein Roboter fahren soll. Er kann sich zunächst leicht am Verlauf des Gangs orientieren, zur Bestätigung, dass genau an einer bestimmten Stelle abgebogen werden soll, wird man zusätzlich eine Reflexmarke anbringen. Vorteilhaft ist eine passive Marke, die nicht mit Energie versorgt werden muss, denn die geringe Energie, die Marke zu finden, kann der autonom fahrende Roboter leicht selbst aufbringen.

Viel häufiger als einzelne Reflexmarken sind noch dunkle Linien anzutreffen, denen ein Roboter folgen soll. Viele Einsteiger-Modelle, wie die Modelle von Lego und natürlich auch ASURO, sind dafür ausgerüstet. Am vorderen Ende des Fahrzeugs ist dazu eine Beleuchtung angebracht, die auf den Boden vor dem Fahrzeug gerichtet ist. Es reichen dann zwei lichtempfindliche Sensoren rechts und links von der Linie aus, um die Spurverfolgung zu kontrollieren und Abweichungen zu melden. Bei breiten Linien genügt ein einziger Sensor, der an einen ADC angeschlossen ist:
* Mittlere Helligkeit heisst : Geradeaus fahren.
* Zu dunkel: nach rechts fahren.
* Zu hell: nach links fahren.
Der Roboter fährt dann an einer Kante entlang, die andere intessiert nicht. Der Abstand vom Drehpunkt des Fahrzeugs im Zusammenspiel mit der Fahrtregelung ermöglicht dann unterschiedlich schnelle und sichere Aktionen zum Halten der Spur bei rascher Verfolgung der Linie.

===2. Aktive Markierungen===

* Infrarotbake - 1
Ein noch recht einfach umzusetzendes Prinzip für eine aktive Bake. Über IR-LEDs wird ein codiertes Signal ausgestrahlt. Der Roboter besitzt einen Infrarotempfänger mit relativ geringem Öffnungswinkel mit nachgeschaltetem Decoder für das Signal. Hiermit kann der Roboter feststellen, ob der Empfänger gerade in Richtung der Bake zeigt. Da durch die Codierung des Signals (und evtl mehrere Trägerfrequenzen) mehr als einen Bake gleichzeitig aktiv sein darf, kann man mit mehreren Baken, die man nacheinader anpeilt und dabei die Winkel misst, auch die absolute Position feststellen.

* Infrarotbake - 2
Deutlich einfacher geht es mit LEDs an unterschiedlichen Ecken des Spielfeldes, die jeweils von einem NE555 getaktet werden. Jede Bake hat eine eigene, feste Frequenz. Es gibt Projekte wo man unterschiedliche Frequenzfilter einschalten und mit einem IR-Empfänger auf einem Servo suchen kann, aus welcher Richtung welche Bake blinkt. Durch dieses Frequenzfilter ist der Roboter immun gegen andere Lichtquellen. Drei Baken genügen theoretisch.

* Transponder
Als sehr sicher haben sich - wie im Flugverkehr - aktive Transponder erwiesen. Diese werden durch einen Impuls abgefragt und antworten individuell. Dazu erzeugt der Roboter einen kurzen Ultraschallimpuls. Entweder mit Zielrichtung zum vermuteten Transponder oder ungerichtet. Sobald ein Transponder den Abfrageimpuls registriert, antwortet er mit einem oder mehreren Lichtblitzen, die auch unterschiedliche Farbe besitzen können. Aus der zwischenzeitlich vergangenen Zeit und der Empfangsrichtung lässt sich bei mehreren Transpondern der Standort berechnen. Beim [http://www.roboprogy.de ROBOprogy] lässt sich das eingebaute Programm für das Echolot sehr gut für diesen Zweck verwenden.

* induktive Begrenzungsschleifen
Dieses Verfahren wird vor allem bei einigen Rasenmäher-Robotern benutzt. Ein Draht wird am Rand der für den Roboter zulässigen Fläche ausgelegt (oder eingegraben). Über den Draht wird ein Signal gesendet, das von einem Empänger im Roboter empfangen wird, falls sich der Roboter dem Draht nähert.

==Koppelnavigation==
Als Koppelnavigation wird die fortlaufende Ortsbestimmung aus momentanem Kurs und Geschwindigkeit bezeichnet. Die so bestimmte Position wird dann auch als Koppelort bezeichnet.

===Odometrie===
Die Odometrie ist der wohl wichtigste Teilbereich der Koppelnavigation für die Robotik. Bei der Odometrie wird auf Grundlage der Umdrehungen der einzelnen Räder die Position des Roboters berechnet.

Erfassung der Richtung und Weg/Geschwindigkeit erfolgt dabei durch
*die Einschaltdauer des Antriebs
*zählen der getätigten Steps von Schrittmotoren
*sensorisch durch [[Sensorarten#Drehgeber_Sharp_GP1A30_und_GP1A38|spezielle Encoder]], aber auch Kugel-, Rad- und optische Mäuse

Man besitzt nun Entfernungswerte für die zurückgelegte Entfernung der einzelnen Räder. Durch fortlaufende Berechnung der aktuellen Roboterposition kann man seine Position und Drehung bestimmen. Die einzelnen Fehler addieren sich dabei jedoch auf, sodass man von Zeit zu Zeit durch andere Sensordaten nachkalibrieren muss. Mit der Odometrie lassen sich bei ausreichend hoher Auflösung der Encoder recht gute Genauigkeiten erreichen.

==Trägheitsnavigation==
Beschleunigung
Winkelbeschleunigung

Die Trägheitsnavigation ist eine Art der Koppelnavigation.
Die Position wird hierbei durch Messung von Beschleunigungen und Drehungen bestimmt. Um zu wissen, welcher Beschleunigungssensor für welche Richtung im Raum zuständig ist, muss aber erstmal bestimmt werden, in welcher Lage sich der Roboter (vornehmlich Flugroboter, bei anderen Arten macht Trägheitsnavigation wenig Sinn) befindet. Ist nämlich z.B. die Nase, beispielsweise bei einem Luftschiff, angehoben, misst der Beschleunigungssensor, der in Längsrichtung montiert ist, auch einen Teil der vertikalen Beschleunigung.
Die Bestimmung der Lage erfolgt meist über Gyrometer. Diese geben die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse aus. Dieser Wert wird aufsummiert (integriert), der integrierte Wert ist dann die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse.
Der Wert, den die Beschleunigungsensoren ausgeben, wird je nach Lage aufgeteilt und auf verschiedene Achsen aufsummiert, als Ergebnis hat man dann die Geschwindigkeit. Ein weiteres Aufsummieren ergibt den Weg, den das Objekt zurückgelegt hat - fertig.

===Globale Orientierung===
Globale Felder Erdmagnetfeld Luftdruck
GPS

===Kompass Höhenmesser===
natürliche Felder zur globalen Orientierung
Erdmagnetfeld, barometrischer Luftdruck

===GPS===
Globales Positions System. (siehe [http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System Wikipedia]) Ultimatives Navigationssystem mit Genauigkeit im Meterbereich und weltweiter Verwendbarkeit. Es ist aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden, da der Satellitenempfang in Gebäuden schlecht ist und die Module weder klein noch preiswert sind.

===Begrenzungsschleife - Induktionsschleife===
Eine [[Begrenzungsschleife - Induktionsschleife|Begrenzungsschleife]] wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Am gebräuchlichsten ist diese bei Rasenmäherroboter. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden. Die Induktionsschleife funktioniert über kurze Stromimpulse, welche im Bereich der Schleife ein wechselndes Magnetfeld erzeugen. Im Roboter kann mit einer Detektorspule festgestellt werden, ob sich diese innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet.

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

==Weblinks==
* [http://www.robotmaker.de/fernbed.html Eine beliebte Schaltung für eine solche IR-Bake]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Sensoren]]

Navigation

2007-08-08T09:48:11Z

Christian H:

Unter Navigation bezeichnet man das Sichzurechtfinden in einem geografischen Raum, um einen bestimmten Ort zu erreichen. Die Tätigkeit des Navigierens besteht aus drei Teilbereichen:

* Bestimmen der geografischen Position durch Ortung nach verschiedensten Methoden
* Berechnen des Weges zum Ziel und
* Führung des Fahrzeugs zu diesem Ziel, also vor allem das Halten des optimalen Kurses

Es ist also eine zentrale Aufgabe beim Bau von Robotern. Es ist sogar das Thema, das einen besonders großen Reiz auf die Bastler ausübt.

==Orientierung und Navigation==
Ein mobiler Roboter, der durch Bewegung mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, braucht Sensoren zur Orientierung und er wird auch eine einfache Navigation durchführen.

==Orientierung in natürlicher Umgebung==
Im einfachsten Fall werden es Berührungssensoren sein, mit denen der Roboter feststellt, ob ein Hindernis direkt vor ihm oder in seiner Reichweite ist.
Auch beim Einsatz von komplexeren Sensoren zum berührungslosen Orten von natürlichen Hindernissen sind einfache Kontaktsensoren zur Unterstützung sinnvoll.
Mit diesen Sensoren kann eine Orientierung aufgebaut werden, wenn Objekte der natürlichen Umgebung erkannt und in der Position registriert werden. Sie können beispielsweise in eine Karte eingetragen werden.
Die sogenannte natürliche Umgebung ist dabei in vielen Fällen speziell im Indoor-Bereich kaum von der Natur geschaffen, es sind hier vor allem Wände, Türen, Möbel. Sie wird nur so genannt, weil sie andererseits nicht zur Orientierung geschaffen wurde.

===Ortung durch Berührung===

Üblicherweise sind das Mikro-Schalter, die über eine Stoßstange (BUMPER) den passiven oder aktiven Kontakt mit einem Hindernis erkennen.
* Aktiver Kontakt - der Robby ist beim Fahren drangestoßen (Tischbein)
* Passiver Kontakt - Irgendwas hat den Robby berührt, z.B. die Hauskatze

Den Unterschied kann der Roboter nur feststellen, wenn er seine momentane Bewegungsrichtung weiss und berücksichtigt.

Bei einfachen Systemen wird meist so vorgegangen:
:Bumper rechts: etwas nach links drehen
:Bumper links: etwas nach rechts drehen
:Beide Bumper: umdrehen

Dass man so ein primitives Verfahren nicht als Orientierung und kaum als Ortung bezeichnen kann, zeigt folgender einfache Vergleich: Stellen Sie sich vor, sie werden mit verbundenen Augen in einen Raum eingesperrt und sollen diesen durch einen Ausgang verlassen oder an einer vorgegebenen Stelle halten. Sie werden recht planlos an den Wänden entlanggehen und wahrscheinlich nicht merken, dass sie an der gleichen Stelle schon sechsmal vorbeikamen. Wenn der Raum um eine dicke Säule gebaut ist und Sie dort entlangehen, werden Sie die Türen an der Aussenwand kaum finden. Trotzdem arbeiten viele Roboter nach diesem Prinzip.

===Berührungslose Ortung===

Zur berührungslosen Orientierung an Objekten in der Umgebung kann der Roboter selbst ein akustisches oder optisches Testsignal aussenden und damit die Umgebung abtasten oder er kann sich am Bild der Umgebung orientieren. Es ist allerdings nicht ganz einfach, aus den empfangenen Signalen eine "innere" Landkarte zusammenzustellen und sich darin zurechtzufinden. Ohne so eine Landkarte ist die berührungslosen Orientierung nicht besser als ein verlängerter Arm der einfachen Kontaktschalter.

====1. Akustische Abtastung====

1.a. Akustischer Reflexkoppler

Bei der akustischen Abtastung des Raumes stellt die "Einparkhilfe" die einfachste Lösung dar. Hier wird eine Sende- und eine Empfangskapsel über einen Verstärker gekoppelt und wenn im Bereich des Sensors ein Hindernis die Kopplung zwischen beiden erhöht, dann kommt es zum Anschwingen und damit zur Anzeige eines Hindernisses. Das Verfahren ist einfach, billig und lässt allenfalls senkrecht vor einer glatten Wand eine Bestimmung des Abstands zu.
Beispiel: Einparkhilfe Bild

1.b. Akustische Laufzeitmessung (Echolot)
[[Bild:srf08.jpeg|right|200px|Beispiel SFR08]]
Etwas aufwendiger und genauer arbeiten die Ultraschallsensoren mit Laufzeitmessung. Hier wird ein Ultraschall-Impuls von 8-16 Perioden Dauer ausgesendet und es wird die Zeit gemessen, bis das Echo eintrifft. Mit diesem Verfahren kann die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich. Es gibt Systeme mit anderen Verfahren: Kurz nach dem ersten Echo wird der Empfänger wieder empfindlich gemacht und dann werden weitere (maximal sieben) Echos registriert. Auf diese Weise kann man erkennen, ob hinter einem kleinen Hindernis (Ball) noch ein anderes (Wand) vorhanden ist. Bei ungünstiger Montage der Sensoren kann es auch vorkommen, dass der Sendepuls am eigenen Roboter reflektiert wird. Ein "normales" Echolot liefert dann keine brauchbaren Ergebnisse mehr - denkbar wäre das man einfach alle Ergebnisse weg läßt, die kleiner als 10 cm sind.

====2. Optische Abtastung====

2.a. Optischer Reflexkoppler

Bei den optischen Verfahren gibt es auch den einfachen Fall des Reflexsensors. Ein integriertes Sensor-IC gibt Stromimpulse für eine IR-LED aus und detektiert die Echos, die diesem Impulsmuster entsprechen. Man erreicht damit eine gute Unterdrückung der Umgebungshelligkeit, aber - wie auch im akustischen Fall - ist das Verfahren sehr von den Reflexionseigenschaften des Objektes abhängig und lässt kaum eine Bestimmung des Abstandes zu.
Beispiel IRF471 Bild

2.b. Optische Triangulation

Sehr viel genauer arbeiten die Sensoren, die den Abstand bis zu einem Hindernis trigonometrisch vermessen. Sie bestehen aus einer IR-Diode und einem Empfänger, die zusammen mit einer Steuerung in einem Modul integriert sind. Die Impulse werden wieder nach einem Schema zur Unterdrückung der Umgebungshelligkeit ausgesendet und detektiert. Hier aber handelt es sich um einen gebündelten Lichtstrahl, der auf das Hindernis trifft und der seitlich versetzte Empfänger - eine Position Sensitive Device (PSD) - misst, aus welchem Winkel das Licht reflektiert wird und setzt den Winkel in einen Spannungswert um. Leider ist der Zusammenhang Entfernung - Spannung recht nichtlinear. Über entsprechende Formeln oder Tabellen ist eine einfache Umrechnung möglich.

Beispiel Sharp [[Sensorarten|GP2D12]]

http://www.roboternetz.de/bilder/gp2d12-nb.jpg

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp2d12diagram_a.jpeg

2.c. Optische Laufzeitmessung

Auch bei den optischen Verfahren gibt es Sensoren, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten. Sie sind allerdings bis heute Messgeräte, die noch so groß sind, dass sie kaum als Sensoren in Robotern eingesetzt werden. Ein vielversprechender Ansatz, einen Sensor als Modul zu realisieren, wurde vor ein paar Monaten von einem Fraunhofer Institut vorgestellt.

Eine sehr hohe Genauigkeit der Abtastung der Umgebung liefern Laserscanner. Diese Sensoren tasten auf einer Ebene in einem Öffnungswinkel von 180 Grad die Entfernung bis zu den Hindernissen ab. Die Genauigkeit geht bis zu 1mm. Laserscanner sind sehr teuer.

====3. Bildverarbeitung====

Das Beispiel der optischen Abtastung mit trigonometrischer Messung funktioniert nicht nur mit einem PSD, sondern auch mit einer Kamera, mit der man den Winkel misst, unter dem der Teststrahl auf dem Objekt erscheint.
Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, das Bild der Umgebung mit zwei Kameras stereoskopisch aufzunehmen und durch Bildverarbeitung die Abstände zu den einzelnen Objekten zu bestimmen.

==Orientierung an künstlichen Markierungen==

===1. Passive Markierungen===
Künstliche Markierungen sind solche, die speziell zur Markierung geschaffen oder zur Orientierung ausgewählt und beschrieben sind. Ein typisches Beispiel für künstliche Markierungen sind Reflexmarken am Ende eines Gangs, durch den ein Roboter fahren soll. Er kann sich zunächst leicht am Verlauf des Gangs orientieren, zur Bestätigung, dass genau an einer bestimmten Stelle abgebogen werden soll, wird man zusätzlich eine Reflexmarke anbringen. Vorteilhaft ist eine passive Marke, die nicht mit Energie versorgt werden muss, denn die geringe Energie, die Marke zu finden, kann der autonom fahrende Roboter leicht selbst aufbringen.

Viel häufiger als einzelne Reflexmarken sind noch dunkle Linien anzutreffen, denen ein Roboter folgen soll. Viele Einsteiger-Modelle, wie die Modelle von Lego und natürlich auch ASURO, sind dafür ausgerüstet. Am vorderen Ende des Fahrzeugs ist dazu eine Beleuchtung angebracht, die auf den Boden vor dem Fahrzeug gerichtet ist. Es reichen dann zwei lichtempfindliche Sensoren rechts und links von der Linie aus, um die Spurverfolgung zu kontrollieren und Abweichungen zu melden. Bei breiten Linien genügt ein einziger Sensor, der an einen ADC angeschlossen ist:
* Mittlere Helligkeit heisst : Geradeaus fahren.
* Zu dunkel: nach rechts fahren.
* Zu hell: nach links fahren.
Der Roboter fährt dann an einer Kante entlang, die andere intessiert nicht. Der Abstand vom Drehpunkt des Fahrzeugs im Zusammenspiel mit der Fahrtregelung ermöglicht dann unterschiedlich schnelle und sichere Aktionen zum Halten der Spur bei rascher Verfolgung der Linie.

===2. Aktive Markierungen===

* Infrarotbake - 1
Ein noch recht einfach umzusetzendes Prinzip für eine aktive Bake. Über IR-LEDs wird ein codiertes Signal ausgestrahlt. Der Roboter besitzt einen Infrarotempfänger mit relativ geringem Öffnungswinkel mit nachgeschaltetem Decoder für das Signal. Hiermit kann der Roboter feststellen, ob der Empfänger gerade in Richtung der Bake zeigt. Da durch die Codierung des Signals (und evtl mehrere Trägerfrequenzen) mehr als einen Bake gleichzeitig aktiv sein darf, kann man mit mehreren Baken, die man nacheinader anpeilt und dabei die Winkel misst, auch die absolute Position feststellen.

* Infrarotbake - 2
Deutlich einfacher geht es mit LEDs an unterschiedlichen Ecken des Spielfeldes, die jeweils von einem NE555 getaktet werden. Jede Bake hat eine eigene, feste Frequenz. Es gibt Projekte wo man unterschiedliche Frequenzfilter einschalten und mit einem IR-Empfänger auf einem Servo suchen kann, aus welcher Richtung welche Bake blinkt. Durch dieses Frequenzfilter ist der Roboter immun gegen andere Lichtquellen. Drei Baken genügen theoretisch.

* Transponder
Als sehr sicher haben sich - wie im Flugverkehr - aktive Transponder erwiesen. Diese werden durch einen Impuls abgefragt und antworten individuell. Dazu erzeugt der Roboter einen kurzen Ultraschallimpuls. Entweder mit Zielrichtung zum vermuteten Transponder oder ungerichtet. Sobald ein Transponder den Abfrageimpuls registriert, antwortet er mit einem oder mehreren Lichtblitzen, die auch unterschiedliche Farbe besitzen können. Aus der zwischenzeitlich vergangenen Zeit und der Empfangsrichtung lässt sich bei mehreren Transpondern der Standort berechnen. Beim [http://www.roboprogy.de ROBOprogy] lässt sich das eingebaute Programm für das Echolot sehr gut für diesen Zweck verwenden.

* induktive Begrenzungsschleifen
Dieses Verfahren wird vor allem bei einigen Rasenmäher-Robotern benutzt. Ein Draht wird am Rand der für den Roboter zulässigen Fläche ausgelegt (oder eingegraben). Über den Draht wird ein Signal gesendet, das von einem Empänger im Roboter empfangen wird, falls sich der Roboter dem Draht nähert.

==Koppelnavigation==
Als Koppelnavigation wird die fortlaufende Ortsbestimmung aus momentanem Kurs und Geschwindigkeit bezeichnet. Die so bestimmte Position wird dann auch als Koppelort bezeichnet.

===Odometrie===
Die Odometrie ist der wohl wichtigste Teilbereich der Koppelnavigation für die Robotik. Bei der Odometrie wird auf Grundlage der Umdrehungen der einzelnen Räder die Position des Roboters berechnet.

Erfassung der Richtung und Weg/Geschwindigkeit erfolgt dabei durch
*die Einschaltdauer des Antriebs
*zählen der getätigten Steps von Schrittmotoren
*sensorisch durch [[Sensorarten#Drehgeber_Sharp_GP1A30_und_GP1A38|spezielle Encoder]], aber auch Kugel-, Rad- und optische Mäuse

Man besitzt nun Entfernungswerte für die zurückgelegte Entfernung der einzelnen Räder. Durch fortlaufende Berechnung der aktuellen Roboterposition kann man seine Position und Drehung bestimmen. Die einzelnen Fehler addieren sich dabei jedoch auf, sodass man von Zeit zu Zeit durch andere Sensordaten nachkalibrieren muss. Mit der Odometrie lassen sich bei ausreichend hoher Auflösung der Encoder recht gute Genauigkeiten erreichen.

==Trägheitsnavigation==
Beschleunigung
Winkelbeschleunigung

Die Trägheitsnavigation ist eine Art der Koppelnavigation.
Die Position wird hierbei durch Messung von Beschleunigungen und Drehungen bestimmt. Um zu wissen, welcher Beschleunigungssensor für welche Richtung im Raum zuständig ist, muss aber erstmal bestimmt werden, in welcher Lage sich der Roboter (vornehmlich Flugroboter, bei anderen Arten macht Trägheitsnavigation wenig Sinn) befindet. Ist nämlich z.B. die Nase, beispielsweise bei einem Luftschiff, angehoben, misst der Beschleunigungssensor, der in Längsrichtung montiert ist, auch einen Teil der vertikalen Beschleunigung.
Die Bestimmung der Lage erfolgt meist über Gyrometer. Diese geben die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse aus. Dieser Wert wird aufsummiert (integriert), der integrierte Wert ist dann die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse.
Der Wert, den die Beschleunigungsensoren ausgeben, wird je nach Lage aufgeteilt und auf verschiedene Achsen aufsummiert, als Ergebnis hat man dann die Geschwindigkeit. Ein weiteres Aufsummieren ergibt den Weg, den das Objekt zurückgelegt hat - fertig.

===Globale Orientierung===
Globale Felder Erdmagnetfeld Luftdruck
GPS

===Kompass Höhenmesser===
natürliche Felder zur globalen Orientierung
Erdmagnetfeld, barometrischer Luftdruck

===GPS===
Globales Positions System. (siehe [http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System Wikipedia]) Ultimatives Navigationssystem mit Genauigkeit im Meterbereich und weltweiter Verwendbarkeit. Es ist aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden, da der Satellitenempfang in Gebäuden schlecht ist und die Module weder klein noch preiswert sind.

===Begrenzungsschleife - Induktionsschleife===
Eine [[Begrenzungsschleife|Begrenzungsschleife - Induktionsschleife]] wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Am gebräuchlichsten ist diese bei Rasenmäherroboter. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden. Die Induktionsschleife funktioniert über kurze Stromimpulse, welche im Bereich der Schleife ein wechselndes Magnetfeld erzeugen. Im Roboter kann mit einer Detektorspule festgestellt werden, ob sich diese innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet.

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

==Weblinks==
* [http://www.robotmaker.de/fernbed.html Eine beliebte Schaltung für eine solche IR-Bake]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Sensoren]]

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:30:42Z

Christian H:

Datei:Rasenrobo Induktionssensor.JPG

2007-08-08T09:29:05Z

Christian H: Induktionssensor, Empfänger

Induktionssensor, Empfänger

Datei:Rasenrobo Induktionsschleife.JPG

2007-08-08T09:28:16Z

Christian H: Induktionsgenerator, Sender

Induktionsgenerator, Sender

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:26:24Z

Christian H:

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.

Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:23:50Z

Christian H:

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.

Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.
[[Bild:Rasenrobo_Sensor_Schmitt-Trigger.JPG.jpg]]

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Datei:Rasenrobo Sensor Schmitt-Trigger.JPG

2007-08-08T09:19:57Z

Christian H: Schmitt-Trigger

Schmitt-Trigger

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:14:20Z

Christian H:

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.

Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:13:09Z

Christian H:

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.

Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.
.
A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Begrenzungsschleife - Induktionsschleife

2007-08-08T09:09:29Z

Christian H:

'''Begrenzungsschleife - Induktionsschleife'''

Eine Begrenzungsschleife oder Induktionsschleife oder wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Üblicherweise wird diese bei Rasenmäherroboter eingesetzt. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden.

'''Funktionsprinzip:'''

Als Induktionsschleife wird ein Kabel (Schaltlitze, Lautsprecherkabel) verlegt. Die Schleife entspricht damit einer Spule mit einer Windung. An die Induktionsschleife wird mit einer Frequenz von 10 bis 200 Hz für wenige ms (Impulsbreite) eine Spannung von etwa 15 - 25 V angelegt. Damit wird für kurze Zeit innerhalb der Schleife ein Magnetfeld erzeugt. Im Roboter wird als Detektor eine Spule mit hoher Windungszahl verwenden. Der Anstieg des Magnetfeldes induziert in dieser Spule eine Spannung. Die Polarität gibt darüber Auskunft, ob sich die Spule innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet. Befindet sich die Spule genau über der Schleife wird keine Spannung induziert. Der anschließende Abfall des Magnetfeldes induziert nochmals eine Spannung in der Detektorspule, deren Polarität aber dem ersten Impuls entgegengesetzt ist.

Entscheidend für die Funktion ist somit nicht das statische Magnetfeld. Hall-Sensoren als Detektoren sind damit ungeeignet. Entscheidend sind ein steiler Anstieg und steiler Abfall des Magnetfeldes, da nach dem Induktionsgestzt die Änderung der Magentfeldstärke pro Zeiteinheit für die Höhe der induzierten Spannung entscheidend ist. Der Widerstand der Induktionsschleife sollte deshalb wenige Ohm nicht überschreiten.

'''Senderschaltung:'''

Die Ansteuerung des MOSFET T1 ist über beliebige Timer (NE555, Attiny2313) möglich. Wichtig sind ein Kondensator C1 mit hoher Kapazität zur Pufferung der Spannung am Netzgerät, da bei durchgeschalteten MOSFET fast ein Kurzschluss über die Induktionsschleife vorliegt. Eine Freilaufdiode D1 verhindert, nach dem Abschalten der Spannung die Induktion von Spannungsspitzen am MOSFET und dem Netzteil.

Für eine Impulsbreite von z.B. 3ms und eine Frequenz von 5 Hz muss R4 3 ms auf Vcc (high) und 200 ms auf 0V (low) gesetzt werden.

'''Empfangsschaltung:'''

Eine geeignete Detektorspule kann aus einem Relais (z.B. 12 - 24 V, Widerstand etwa 500 Ohm) ausgebaut werden. Der Bügel muss entfernt werden. Die Verstärkung der induzierten Spannung in der Detektorspule erfolgt über einen Operationsverstärker. Die Detektorspule liegt deshalb zwischen den beiden Eingängen des OPV. Ein Eingang liegt über einen Spannungsteiler an 1/2 Vcc. Der OPV kann deshalb mit 0 und 5 V an –Us bzw. +Us betrieben werden. Eine negative Betriebsspannung ist nicht erforderlich. Ohne Kondensator C würde der Spannungsimpuls nur wenige Mikrosekunden andauern. C und L alleine bilden aber einen Schwingkreis, was eine Wechselspannung am Eingang des OPV zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden, wird dieser Schwingkreis durch einen parallel geschalteten Widerstand R gedämpft. Über R2 erfolgt eine negative Rückkopplung auf den - Eingang. Wird keine Spannung in L induziert, stellt sich deshalb am Ausgang ebenfalls etwa 1/2 Vcc ein. R2 / Widerstand der Spule bestimmt in etwa den Verstärkungsfaktor. An- und Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife erzeugen jeweils eine, weniger als 0,1 ms dauernde, Spannungsänderung (positiver oder negativer Spike) am Ausgang des OPV.

'''Auswertung des Ausgangssignals vom OPV:'''

1. Variante:
Um die Spikes zu erfassen, ist die Ansteuerung zweier Schmitt-Trigger denkbar, einer um den positiven, ein anderer um den negativen Spike zu detektieren. Über die beiden Potentiometer kann die Empfindlichkeit eingestellt werden (Potentiometer etwa in Mittelstellung). Jeder Schmitt-Trigger geht an einen Interrupt eines Processors. Beide Interrupt werden demzufolge kurz hintereinander, einer beim An-, der andere beim Abschalten der Spannung an der Induktionsschleife ausgelöst. Die Abfolge der Interrupt ( pos - neg oder neg - pos) zeigt an, ob sich die Detektorspule innerhalb oder ausserhalb der Begrenzungsschleife befindet. Der gleichzeitige Betrieb zweier Begrenzungsschleifen ist möglich, wenn die Begrenzungsschleifen mit unterschiedlicher Impulsbreite betrieben werden. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Interrupt entspricht der Impulsbreite der Sender, was eine Zuordnung ermöglicht.

2. Variante:
Die Spannung am Ausgang des OP wird über den ADC eines Microprocessors gemessen. Die Spikes müssen hierzu in einer Programmschleife abgepasst werden. Zu Erläuterung hierzu ein BASIC-Programm zur Verarbeitung von 2 Sensoren. Die Frequenz des Senders muss etwas langsamer sein, als das gesamte Programm durchlaufen wird. Das Programm wartet hierdurch in der For- Next Schleife auf den nächsten Spike.

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal
S0 Alias Getadc(0)
S1 Alias Getadc(1)

Do
.
Dein Programm
.

A0 = S0 : B1 = S1 'Ausgangswerte der Sensoren (ohne Impuls)
Max0 = A0 + 30 'oberer Grenzwert Sensor1 (Einstellung
Max1 = A1 + 30 'oberer Grenzwert Sensor2 der Empfind-
Min0 = A0 - 30 'unterer Grenzwert Sensor1 lichkeit der
Min1 = A1 - 30 'unterer Grenzwert Sensor2 Sensoren)
For I = 1 To 2000
Svr = S0 '1. Sensor wird gemessen
If Svr > Max0 Or Svr < Min0 Then 'Impuls ausserhalb Grenzwerte
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For 'Sensorwerte bei Impuls
End If
Svl = S1 'gleiches für 2. Sensor
If Svl > Max1 Or Svl < Min1 Then
Svr = S0 : Svl = S1 : Exit For
End If
Next
Svr = Svr - A0: Svl = Svl – A1 'Differenzen Impuls - Ausgangswerte
'z.B. positiv innen, negativ aussen
if i >= 2000 then Notaus 'kein Impuls erfasst, (Schleife kaputt)
.
.
Dein Programm
.
loop

'''Tips zum Ausprobieren der Schaltung:'''

Die Funktion des Senders kann getestet werden, indem die Detektorspule direkt mit einem Kopfhörer verbunden wird. Es knattert mit der Freqeunz des Senders. wird der Kopfhörer mit dem Ausgang des OP verbunden, ist dies entsprechend lauter. Ein analoges Voltmeter am Ausgang des OP zeigt die Impulse durch kurze Ausschläge an. Ein digitales Voltmeter zeigt wegen der geringen Impulsbreite möglicherweise keine Spannungsimpulse an. Zum Ausprobieren kann für die Schleife von einer 25 m Rolle mit Schaltlitze (z.B. 0,14mm^2) etwa 10 m abrollen. Im Freien und für größere Flächen kann man dickere Lautsprecherkabel verwenden.

'''FAQ:'''
Warum spricht der Sensor auch in der Mitte einer großen Schleife an ?

Nach dem Laplace´schen Induktionsgesetzt hängt die Magnetfeldstärke H in der Mitte einer Schleife folgendermassen vom Schleifenradius R und der Stromstärke I ab:
H = I / 2 / R
H nimmt damit nur umgekehrt proportional zu R ab, und nicht zu R^2. I läßt sich bei Vergrößerung der Schleife konstant halten, wenn der Widerstand durch ein dickeres Kabel entsprechend gesenkt wird.

Neben einem geraden Leiter hängt die Magnetfeldstärke wie folgt vom Abstand a ab:
H = I / 2pi / a.
Vergleicht man beide Formeln stellt man fest, dass z.B. die Magnetfeldstärke in der Mitte einer Schleife mit 6 m Durchmesser etwa so groß ist wie in 1 m Abstand von der Schleife. D.h. in den mittleren 2/3 einer Schleife ist das Magentfeld relativ homogen.

Die in diesem Artikel vorgestellten Schaltungen entstammen eigenen Versuchen. Es wird deshalb keinerlei Haftung übernommen.
Andere Schaltungen für eine Begrenzungsschleife werden im Forum unter
[http://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=19825&postdays=0&postorder=asc&start=0&sid=cd9f9c9da075acaef9bb2fb04142a83d]
diskutiert.

Navigation

2007-08-08T08:17:35Z

Christian H:

Unter Navigation bezeichnet man das Sichzurechtfinden in einem geografischen Raum, um einen bestimmten Ort zu erreichen. Die Tätigkeit des Navigierens besteht aus drei Teilbereichen:

* Bestimmen der geografischen Position durch Ortung nach verschiedensten Methoden
* Berechnen des Weges zum Ziel und
* Führung des Fahrzeugs zu diesem Ziel, also vor allem das Halten des optimalen Kurses

Es ist also eine zentrale Aufgabe beim Bau von Robotern. Es ist sogar das Thema, das einen besonders großen Reiz auf die Bastler ausübt.

==Orientierung und Navigation==
Ein mobiler Roboter, der durch Bewegung mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, braucht Sensoren zur Orientierung und er wird auch eine einfache Navigation durchführen.

==Orientierung in natürlicher Umgebung==
Im einfachsten Fall werden es Berührungssensoren sein, mit denen der Roboter feststellt, ob ein Hindernis direkt vor ihm oder in seiner Reichweite ist.
Auch beim Einsatz von komplexeren Sensoren zum berührungslosen Orten von natürlichen Hindernissen sind einfache Kontaktsensoren zur Unterstützung sinnvoll.
Mit diesen Sensoren kann eine Orientierung aufgebaut werden, wenn Objekte der natürlichen Umgebung erkannt und in der Position registriert werden. Sie können beispielsweise in eine Karte eingetragen werden.
Die sogenannte natürliche Umgebung ist dabei in vielen Fällen speziell im Indoor-Bereich kaum von der Natur geschaffen, es sind hier vor allem Wände, Türen, Möbel. Sie wird nur so genannt, weil sie andererseits nicht zur Orientierung geschaffen wurde.

===Ortung durch Berührung===

Üblicherweise sind das Mikro-Schalter, die über eine Stoßstange (BUMPER) den passiven oder aktiven Kontakt mit einem Hindernis erkennen.
* Aktiver Kontakt - der Robby ist beim Fahren drangestoßen (Tischbein)
* Passiver Kontakt - Irgendwas hat den Robby berührt, z.B. die Hauskatze

Den Unterschied kann der Roboter nur feststellen, wenn er seine momentane Bewegungsrichtung weiss und berücksichtigt.

Bei einfachen Systemen wird meist so vorgegangen:
:Bumper rechts: etwas nach links drehen
:Bumper links: etwas nach rechts drehen
:Beide Bumper: umdrehen

Dass man so ein primitives Verfahren nicht als Orientierung und kaum als Ortung bezeichnen kann, zeigt folgender einfache Vergleich: Stellen Sie sich vor, sie werden mit verbundenen Augen in einen Raum eingesperrt und sollen diesen durch einen Ausgang verlassen oder an einer vorgegebenen Stelle halten. Sie werden recht planlos an den Wänden entlanggehen und wahrscheinlich nicht merken, dass sie an der gleichen Stelle schon sechsmal vorbeikamen. Wenn der Raum um eine dicke Säule gebaut ist und Sie dort entlangehen, werden Sie die Türen an der Aussenwand kaum finden. Trotzdem arbeiten viele Roboter nach diesem Prinzip.

===Berührungslose Ortung===

Zur berührungslosen Orientierung an Objekten in der Umgebung kann der Roboter selbst ein akustisches oder optisches Testsignal aussenden und damit die Umgebung abtasten oder er kann sich am Bild der Umgebung orientieren. Es ist allerdings nicht ganz einfach, aus den empfangenen Signalen eine "innere" Landkarte zusammenzustellen und sich darin zurechtzufinden. Ohne so eine Landkarte ist die berührungslosen Orientierung nicht besser als ein verlängerter Arm der einfachen Kontaktschalter.

====1. Akustische Abtastung====

1.a. Akustischer Reflexkoppler

Bei der akustischen Abtastung des Raumes stellt die "Einparkhilfe" die einfachste Lösung dar. Hier wird eine Sende- und eine Empfangskapsel über einen Verstärker gekoppelt und wenn im Bereich des Sensors ein Hindernis die Kopplung zwischen beiden erhöht, dann kommt es zum Anschwingen und damit zur Anzeige eines Hindernisses. Das Verfahren ist einfach, billig und lässt allenfalls senkrecht vor einer glatten Wand eine Bestimmung des Abstands zu.
Beispiel: Einparkhilfe Bild

1.b. Akustische Laufzeitmessung (Echolot)
[[Bild:srf08.jpeg|right|200px|Beispiel SFR08]]
Etwas aufwendiger und genauer arbeiten die Ultraschallsensoren mit Laufzeitmessung. Hier wird ein Ultraschall-Impuls von 8-16 Perioden Dauer ausgesendet und es wird die Zeit gemessen, bis das Echo eintrifft. Mit diesem Verfahren kann die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich. Es gibt Systeme mit anderen Verfahren: Kurz nach dem ersten Echo wird der Empfänger wieder empfindlich gemacht und dann werden weitere (maximal sieben) Echos registriert. Auf diese Weise kann man erkennen, ob hinter einem kleinen Hindernis (Ball) noch ein anderes (Wand) vorhanden ist. Bei ungünstiger Montage der Sensoren kann es auch vorkommen, dass der Sendepuls am eigenen Roboter reflektiert wird. Ein "normales" Echolot liefert dann keine brauchbaren Ergebnisse mehr - denkbar wäre das man einfach alle Ergebnisse weg läßt, die kleiner als 10 cm sind.

====2. Optische Abtastung====

2.a. Optischer Reflexkoppler

Bei den optischen Verfahren gibt es auch den einfachen Fall des Reflexsensors. Ein integriertes Sensor-IC gibt Stromimpulse für eine IR-LED aus und detektiert die Echos, die diesem Impulsmuster entsprechen. Man erreicht damit eine gute Unterdrückung der Umgebungshelligkeit, aber - wie auch im akustischen Fall - ist das Verfahren sehr von den Reflexionseigenschaften des Objektes abhängig und lässt kaum eine Bestimmung des Abstandes zu.
Beispiel IRF471 Bild

2.b. Optische Triangulation

Sehr viel genauer arbeiten die Sensoren, die den Abstand bis zu einem Hindernis trigonometrisch vermessen. Sie bestehen aus einer IR-Diode und einem Empfänger, die zusammen mit einer Steuerung in einem Modul integriert sind. Die Impulse werden wieder nach einem Schema zur Unterdrückung der Umgebungshelligkeit ausgesendet und detektiert. Hier aber handelt es sich um einen gebündelten Lichtstrahl, der auf das Hindernis trifft und der seitlich versetzte Empfänger - eine Position Sensitive Device (PSD) - misst, aus welchem Winkel das Licht reflektiert wird und setzt den Winkel in einen Spannungswert um. Leider ist der Zusammenhang Entfernung - Spannung recht nichtlinear. Über entsprechende Formeln oder Tabellen ist eine einfache Umrechnung möglich.

Beispiel Sharp [[Sensorarten|GP2D12]]

http://www.roboternetz.de/bilder/gp2d12-nb.jpg

http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp2d12diagram_a.jpeg

2.c. Optische Laufzeitmessung

Auch bei den optischen Verfahren gibt es Sensoren, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten. Sie sind allerdings bis heute Messgeräte, die noch so groß sind, dass sie kaum als Sensoren in Robotern eingesetzt werden. Ein vielversprechender Ansatz, einen Sensor als Modul zu realisieren, wurde vor ein paar Monaten von einem Fraunhofer Institut vorgestellt.

Eine sehr hohe Genauigkeit der Abtastung der Umgebung liefern Laserscanner. Diese Sensoren tasten auf einer Ebene in einem Öffnungswinkel von 180 Grad die Entfernung bis zu den Hindernissen ab. Die Genauigkeit geht bis zu 1mm. Laserscanner sind sehr teuer.

====3. Bildverarbeitung====

Das Beispiel der optischen Abtastung mit trigonometrischer Messung funktioniert nicht nur mit einem PSD, sondern auch mit einer Kamera, mit der man den Winkel misst, unter dem der Teststrahl auf dem Objekt erscheint.
Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, das Bild der Umgebung mit zwei Kameras stereoskopisch aufzunehmen und durch Bildverarbeitung die Abstände zu den einzelnen Objekten zu bestimmen.

==Orientierung an künstlichen Markierungen==

===1. Passive Markierungen===
Künstliche Markierungen sind solche, die speziell zur Markierung geschaffen oder zur Orientierung ausgewählt und beschrieben sind. Ein typisches Beispiel für künstliche Markierungen sind Reflexmarken am Ende eines Gangs, durch den ein Roboter fahren soll. Er kann sich zunächst leicht am Verlauf des Gangs orientieren, zur Bestätigung, dass genau an einer bestimmten Stelle abgebogen werden soll, wird man zusätzlich eine Reflexmarke anbringen. Vorteilhaft ist eine passive Marke, die nicht mit Energie versorgt werden muss, denn die geringe Energie, die Marke zu finden, kann der autonom fahrende Roboter leicht selbst aufbringen.

Viel häufiger als einzelne Reflexmarken sind noch dunkle Linien anzutreffen, denen ein Roboter folgen soll. Viele Einsteiger-Modelle, wie die Modelle von Lego und natürlich auch ASURO, sind dafür ausgerüstet. Am vorderen Ende des Fahrzeugs ist dazu eine Beleuchtung angebracht, die auf den Boden vor dem Fahrzeug gerichtet ist. Es reichen dann zwei lichtempfindliche Sensoren rechts und links von der Linie aus, um die Spurverfolgung zu kontrollieren und Abweichungen zu melden. Bei breiten Linien genügt ein einziger Sensor, der an einen ADC angeschlossen ist:
* Mittlere Helligkeit heisst : Geradeaus fahren.
* Zu dunkel: nach rechts fahren.
* Zu hell: nach links fahren.
Der Roboter fährt dann an einer Kante entlang, die andere intessiert nicht. Der Abstand vom Drehpunkt des Fahrzeugs im Zusammenspiel mit der Fahrtregelung ermöglicht dann unterschiedlich schnelle und sichere Aktionen zum Halten der Spur bei rascher Verfolgung der Linie.

===2. Aktive Markierungen===

* Infrarotbake - 1
Ein noch recht einfach umzusetzendes Prinzip für eine aktive Bake. Über IR-LEDs wird ein codiertes Signal ausgestrahlt. Der Roboter besitzt einen Infrarotempfänger mit relativ geringem Öffnungswinkel mit nachgeschaltetem Decoder für das Signal. Hiermit kann der Roboter feststellen, ob der Empfänger gerade in Richtung der Bake zeigt. Da durch die Codierung des Signals (und evtl mehrere Trägerfrequenzen) mehr als einen Bake gleichzeitig aktiv sein darf, kann man mit mehreren Baken, die man nacheinader anpeilt und dabei die Winkel misst, auch die absolute Position feststellen.

* Infrarotbake - 2
Deutlich einfacher geht es mit LEDs an unterschiedlichen Ecken des Spielfeldes, die jeweils von einem NE555 getaktet werden. Jede Bake hat eine eigene, feste Frequenz. Es gibt Projekte wo man unterschiedliche Frequenzfilter einschalten und mit einem IR-Empfänger auf einem Servo suchen kann, aus welcher Richtung welche Bake blinkt. Durch dieses Frequenzfilter ist der Roboter immun gegen andere Lichtquellen. Drei Baken genügen theoretisch.

* Transponder
Als sehr sicher haben sich - wie im Flugverkehr - aktive Transponder erwiesen. Diese werden durch einen Impuls abgefragt und antworten individuell. Dazu erzeugt der Roboter einen kurzen Ultraschallimpuls. Entweder mit Zielrichtung zum vermuteten Transponder oder ungerichtet. Sobald ein Transponder den Abfrageimpuls registriert, antwortet er mit einem oder mehreren Lichtblitzen, die auch unterschiedliche Farbe besitzen können. Aus der zwischenzeitlich vergangenen Zeit und der Empfangsrichtung lässt sich bei mehreren Transpondern der Standort berechnen. Beim [http://www.roboprogy.de ROBOprogy] lässt sich das eingebaute Programm für das Echolot sehr gut für diesen Zweck verwenden.

* induktive Begrenzungsschleifen
Dieses Verfahren wird vor allem bei einigen Rasenmäher-Robotern benutzt. Ein Draht wird am Rand der für den Roboter zulässigen Fläche ausgelegt (oder eingegraben). Über den Draht wird ein Signal gesendet, das von einem Empänger im Roboter empfangen wird, falls sich der Roboter dem Draht nähert.

==Koppelnavigation==
Als Koppelnavigation wird die fortlaufende Ortsbestimmung aus momentanem Kurs und Geschwindigkeit bezeichnet. Die so bestimmte Position wird dann auch als Koppelort bezeichnet.

===Odometrie===
Die Odometrie ist der wohl wichtigste Teilbereich der Koppelnavigation für die Robotik. Bei der Odometrie wird auf Grundlage der Umdrehungen der einzelnen Räder die Position des Roboters berechnet.

Erfassung der Richtung und Weg/Geschwindigkeit erfolgt dabei durch
*die Einschaltdauer des Antriebs
*zählen der getätigten Steps von Schrittmotoren
*sensorisch durch [[Sensorarten#Drehgeber_Sharp_GP1A30_und_GP1A38|spezielle Encoder]], aber auch Kugel-, Rad- und optische Mäuse

Man besitzt nun Entfernungswerte für die zurückgelegte Entfernung der einzelnen Räder. Durch fortlaufende Berechnung der aktuellen Roboterposition kann man seine Position und Drehung bestimmen. Die einzelnen Fehler addieren sich dabei jedoch auf, sodass man von Zeit zu Zeit durch andere Sensordaten nachkalibrieren muss. Mit der Odometrie lassen sich bei ausreichend hoher Auflösung der Encoder recht gute Genauigkeiten erreichen.

==Trägheitsnavigation==
Beschleunigung
Winkelbeschleunigung

Die Trägheitsnavigation ist eine Art der Koppelnavigation.
Die Position wird hierbei durch Messung von Beschleunigungen und Drehungen bestimmt. Um zu wissen, welcher Beschleunigungssensor für welche Richtung im Raum zuständig ist, muss aber erstmal bestimmt werden, in welcher Lage sich der Roboter (vornehmlich Flugroboter, bei anderen Arten macht Trägheitsnavigation wenig Sinn) befindet. Ist nämlich z.B. die Nase, beispielsweise bei einem Luftschiff, angehoben, misst der Beschleunigungssensor, der in Längsrichtung montiert ist, auch einen Teil der vertikalen Beschleunigung.
Die Bestimmung der Lage erfolgt meist über Gyrometer. Diese geben die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse aus. Dieser Wert wird aufsummiert (integriert), der integrierte Wert ist dann die Drehung des Objekts um eine bestimmte Achse.
Der Wert, den die Beschleunigungsensoren ausgeben, wird je nach Lage aufgeteilt und auf verschiedene Achsen aufsummiert, als Ergebnis hat man dann die Geschwindigkeit. Ein weiteres Aufsummieren ergibt den Weg, den das Objekt zurückgelegt hat - fertig.

===Globale Orientierung===
Globale Felder Erdmagnetfeld Luftdruck
GPS

===Kompass Höhenmesser===
natürliche Felder zur globalen Orientierung
Erdmagnetfeld, barometrischer Luftdruck

===GPS===
Globales Positions System. (siehe [http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System Wikipedia]) Ultimatives Navigationssystem mit Genauigkeit im Meterbereich und weltweiter Verwendbarkeit. Es ist aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden, da der Satellitenempfang in Gebäuden schlecht ist und die Module weder klein noch preiswert sind.

===Begrenzungsschleife - Induktionsschleife===
Eine [[Begrenzungsschleife]] wird verwendet um den Arbeitsbereich eines Roboters festzulegen. Am gebräuchlichsten ist diese bei Rasenmäherroboter. Die Induktionsschleife wird dabei um die zu mähenden Fläche verlegt. Ein Roboter kann auch entlang einer Induktionsschleife zur Ladestation geleitet werden. Die Induktionsschleife funktioniert über kurze Stromimpulse, welche im Bereich der Schleife ein wechselndes Magnetfeld erzeugen. Im Roboter kann mit einer Detektorspule festgestellt werden, ob sich diese innerhalb oder ausserhalb der Schleife befindet.

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

==Weblinks==
* [http://www.robotmaker.de/fernbed.html Eine beliebte Schaltung für eine solche IR-Bake]

[[Kategorie:Robotikeinstieg]]
[[Kategorie:Microcontroller]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Praxis]]
[[Kategorie:Sensoren]]