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Filter (Elektronik)

2006-08-19T00:51:57Z

Dennis.strehl: 2. Ordnung -> Güte

= Wozu benutzt man Filter? =

Für Filter gibt es eine ganze Menge Anwendungen.

Als erstes Beispiel nehmen wir uns mal einen Verstärker her, einen einfachen. Einen Transistor in Emitterschaltung zum Beispiel. Am Eingang dieser Schaltung liegt die Basis des Transistors, beschaltet mit einem Vorwiderstand von Vcc aus. Dieser dient dazu, den Arbeitspunkt des Transistors festzulegen und "zieht" die Basis des Transistors zum Beispiel auf 0,70 Volt.
Was passiert wenn man nun ein Signal anlegt, beispielsweise ein Audiosignal, welches zwischen 0,1 Volt und -0,1 Volt schwingt? Die Basis wird auf eben diese (im Mittel) 0 Volt heruntergezogen, und der Strom, der eigentlich für die Basis vorgesehen war, fließt nun einfach in die Signalquelle ab. 
Hier schafft ein Entkopplungskondensator, den man zwischen Signalquelle und Basis des Transistors schaltet, Abhilfe: Die Spannung zwischen dessen Anschlüssen steigt durch den abfließenden Strom langsam an. Die Spannung an der zum Transistor gewandten Seite steigt also an, und irgendwann ist die Spannung soweit gestiegen, dass durch die Basis des Transistors wieder der entsprechende Strom fließen kann. Durch den Kondensator fließt dann kein Gleichstrom mehr.
Die Wechselspannung, in diesem Fall das Audiosignal, wird dagegen durchgelassen. Dabei fließt nämlich während der positiven Halbwelle Strom in die Schaltung herein, bei der negativen Halbwelle des Signals dagegen fließt der Strom wieder heraus. Diese Strompulse sind so kurz, dass der Kondensator seine Spannung dabei kaum ändert, sie werden also fast ungehindert durchgelassen.

Als zweites Beispiel nehmen wir uns nochmal Audio-Kram her: Wir haben nen Tieftöner, den wir an unsere Stereoanlage anschließen wollen. Die tiefen Frequenzen soll er ruhig wiedergeben - die hohen Frequenzen jedoch nicht, denn für die sind die Hochtöner zuständig. 
Eine Spule, die hier in Reihe zum Lautsprecher geschaltet wird, erfüllt diese Bedingungen. Wenn ein Signal an die Kombination aus Lautsprecher und Spule angelegt wird, steigt der Strom, bedingt durch die Induktivität der Spule, nur langsam an. Bei tiefen Frequenzen fällt das kaum auf, denn eine Halbwelle ist lang genug, um den Strom durch den Lautsprecher und die Spule zu erhöhen. Bei hohen Frequenzen dagegen sind die Halbwellen so kurz, dass sich kein nennenswerter Stromfluss einstellen kann - die Signale werden von der Spule blockiert.

Zur Glättung von Spannungen und / oder Strömen werden auch Filter eingesetzt. Eine Kombination aus Spule und Kondensator (LC-Filter) setzt man beispielsweise häufig vor der ADC-Versorgung von Mikrocontrollern ein. Diese Filter filtern doppelt: Wenn die Versorgungsspannung plötzlich leicht abfällt, ändert sich zunächst der Strom in der Spule, aber wie gesagt wurde, durch die Induktivität verlangsamt. Wenn der Strom etwas abgefallen ist, wird das zweite Filterelement - der Kondensator - aktiv, denn durch ihn muss zuerst ein Strom fließen, damit sich die Spannung am Ausgang der Schaltung ändern kann.

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*Phantomspeisung (gecancelt: Gebräuchliche Systeme wie PoE brauchen dafür afaik keine echten Filter.)

= Arten von Filtern =

Nun gibt es aber zig verschiedene Möglichkeiten, Filter aufzubauen, noch dazu ist jede nur für spezielle Anwendungen geeignet. 
Man unterteilt Filter zunächst in aktive Filter und passive Filter: Passive Filter sind solche, die nur aus passiven Bauteilen bestehen. Dazu gehören die oben angesprochenen Kondensatoren, Spulen und Widerstände, aber auch Quarze.
Aktive Filter enthalten als aktive Komponente meist einen Operationsverstärker. Der Vorteil liegt auf der Hand: Der Ausgang des OpAmps ist auch der Ausgang des Filters, der damit auch ruhig bis einige Milliampere belastet werden kann - bei passiven Filtern ist dies meistens nicht ohne weiteres möglich, die Ausgangsspannung würde sich dabei ändern. Der Nachteil sollte auch klar sein: Ein OpAmp, und jede andere aktive Komponente auch, braucht ne Versorgungsspannung. Für eine Frequenzweiche in einer passiven Standbox (d.h. der Verstärker ist nicht integriert) sind aktive Filter dadurch ungeeignet.

[[Bild:Filterordnungen.gif|thumb|Beispiele für verschiedene Filterordnungen]]
Weiterhin unterscheidet man Filter nach verschiedenen Ordnungen. Die Ordnung spiegelt dabei die Anzahl der frequenzabhängigen Bauteile wieder. Ein Filter höherer Ordnung, beispielsweise die oben beschriebene Kombination aus Spule und Kondensator, hat eine bessere Trennschärfe. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen Frequenzen, die durchgelassen werden, und Frequenzen, die gesperrt werden, kleiner ist. 
Nun gut, im Bild rechts sieht man schon dass das so nicht ganz stimmt: Jede Frequenz wird noch irgendwie durchgelassen, aber die Dämpfung, die in dB gemessen wird, wird immer stärker. Man müsste also eigentlich sagen, dass der Abstand der Frequenzen, die als durchgelassen '''bezeichnet''' werden können und der Frequenzen, die als gesperrt '''bezeichnet''' werden können, kleiner ist. Ab welcher Dämpfung eine Frequenz als gesperrt oder durchgelassen bezeichnet werden kann, das hängt wiederrum von der Anwendung ab. In Audioanwendungen reicht ein Filter 1. Ordnung meist völlig aus, aber um beispielsweise ein PWM-Signal in eine Gleichspannung zu wandelt, muss eine bestimmte Frequenz unbedingt möglichst schwach gedämpft durchgelassen werden, während die PWM-Frequenz möglichst stark gedämpft werden soll. Deshalb nutzt man hierfür vorwiegend Filter höherer Ordnungen.

[[Bild:Filtervergleich.gif|thumb|Beispiele für verschiedene Filtercharakteristiken]]
Zuletzt unterteilt man Filter noch in verschiedene Charakteristiken, namentlich Tiefpässe, Hochpässe, Bandpässe und Bandsperren.
*Tiefpässe lassen tiefe Frequenzen durch und sperren hohe Frequenzen. (siehe blaue Kurve im Bild.) Eine typische Anwendung wäre die Glättung eines Signals mithilfe einer Kombination aus Spule und Kondensator.
*Hochpässe machen das Gegenteil: Sie sperren tiefe Frequenzen und lassen hohe Frequenzen durch. (siehe grüne Kurve im Bild.) Beispiele wären eine Gleichspannungsentkopplung oder eine Frequenzweiche für einen Hochtonlautsprecher.
*Bandpässe sperren hohe und tiefe Frequenzen - Ein bestimmter Frequenzbereich wird jedoch durchgelassen. (siehe rote Kurve im Bild.) Eine Anwendung hierfür wäre eine Frequenzweiche vor einem Mitteltöner '''''(Sorry für die ganzen Beispiele aus dem Audiobereich, fällt vielleicht wem was besseres ein? Passiv-PFC würde mir einfallen, würde aber ne längere Erläuterung notwendig machen.)'''''
*Bandsperren sind das Gegenstück zu den Bandpässen: Hohe und tiefe Frequenzen werden durchgelassen, ein bestimmter Frequenzbereich wird gesperrt. (siehe türkise Kurve im Bild.) Eine solche Schaltung kann beispielsweise verwendet werden, um die möglicherweise bei Datenübertragungen über Modem störenden Gebührenimpulse aus der Telefonleitung herauszufiltern.

Wie man sieht, sind die Bezeichnungen so gut wie selbsterklärend.

= Realisierung =

Wenn man einen Filter für eine bestimmte Anwendung berechnen will, braucht man folgende Informationen:
* Die Grenzfrequenz. Das ist die Frequenz, ab der die Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung um 3dB abgeschwächt wird - das entspricht in etwa einer Abschwächum um den Faktor 1,414, genauer um <math>\sqrt{2}</math>
* Die Ordnung des Filters. Diese ergibt sich aus den Anforderungen in der Anwendung.
* Ob der Filter aktiv oder passiv ausgeführt werden soll

Alle Arten von Filtern, also solche 1. Ordnung, 2. Ordnung, Tiefpässe, Hochpässe etc. lassen sich sowohl Passiv als auch Aktiv aufbauen. Beginnen wir zunächst mit den passiven Filtern:

== Passiv ==

=== 1. Ordnung, Tiefpass und Hochpass ===

Für Tief- und Hochpässe 1. Ordnung gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man schaltet das frequenzabhängige Bauteil vor einen Lastwiderstand (beispielsweise einen Lautsprecher), oder man schaltet den Widerstand vor das frequenzabhängige Bauteil. Wie das dann aussieht, zeigt die folgende Abbildung:

[[Bild:Filter 1.Ordnung.gif]]

Ue ist die Eingangsspannung, vor dem Filter, und Ua ist die Spannung, die am Ausgang der Schaltung anliegt um weiterverarbeitet zu werden. Die obigen Aufbauten, mit dem frequenzabhängigen Bauteil vor dem Lastwiderstand, bieten sich an, wenn man bereits einen Lastwiderstand - beispielsweise einen Lautsprecher - gegeben hat. Den Widerstand R ersetzt man dann durch diese Last - und hat ein Bauteil weniger zu verbasteln.
Das RC-Glied (links unten) bietet sich an, wenn man einen Tiefpassfilter mit hoher Eingangsimpedanz benötigt. Das ist beispielsweise der Fall, wenn man eine Referenzspannung glätten möchte.
Das RL-Glied bietet sich meines Wissens überhaupt nicht an :D, da für die im Hobbybereich gängigen Frequenzen entweder ein sehr kleiner Widerstand R oder eine sehr große Spule nötig würde. Lösung 1 hat dann einen extrem kleinen Eingangswiderstand, Lösung 2 verbraucht massig Platz und ist teuer. 
Die Berechnungen sind, egal ob Hochpass oder Tiefpass, jeweils identisch. Bei einer Spule als frequenzabhängiges Bauteil gilt:

<math>L = \frac{R}{2\pi*f_g}</math>

Wird dagegen ein Kondensator benutzt, gilt:

<math>C = \frac{1}{2\pi*f_g*R}</math>

=== 1. Ordnung, Bandpass und Bandsperre ===

==== Bandpass ====

[[Bild:Bandpass-Schaltung.gif|thumb|Die Schaltung für einen Bandpassfilter]]
Bei diesen Arten von Filtern ist die Berechnung einen Tacken komplizierter. Im Grunde haben diese Filter eine obere und eine untere Grenzfrequenz, so dass verschieden große Frequenzbereiche beeinflusst werden können.
Am einfachsten ist es dann, zwei einzelne Filter zu dimensionieren, nämlich einen Hochpass und einen Tiefpass und diese dann zu einem Filter zusammenzufassen. Aufgrund von Resonanz ü.ä. entspricht der entstehende Frequenzgang nicht dem, der entstehen würde, wenn man einfach die Dämpfungen der beiden Filter zusammenrechnet. Solange der Filter ein ganzes Frequenzband durchlassen soll, macht dies aber in den seltensten Fällen einen Unterschied. Wenn aber nur eine Frequenz durchgelassen werden soll, unterscheidet dich der Frequenzgang stark von dem der Einzelnen Filter. Es gibt dann eine Resonanzfrequenz, bei der die Dämpfung extrem gering wird. Wenn man sich von der Resonanzfrequenz wegbewegt, steigt die Dämpfung erst sehr schnell an, und geht schließlich in einen Abfall um 20dB / Dekade (das ist eine Verzehnfachung der Frequenz) über. 
Ein Problem gibt es aber dabei: Wenn die Abweichungen der Bauteile zu groß sind (und Kondensatoren sowie Spulen haben nunmal meistens sehr große Toleranzen), wird die Frequenz möglicherweise nicht getroffen, und der Filter macht nicht das was er soll. Abhilfe schafft entweder die Verwendeung von Bauteilen mit geringen Toleranzen (teuer!) oder eine Vergrößerung des Frequenzbandes, das durchgelassen werden soll. Letzteres ist in den meisten Fällen die bessere Lösung. 
Das gleiche gilt übrigens bei Bandsperren!

[[Bild:bandpass-Ergebnis.gif|thumb|Das Ergebnis der Berechnung: Die Grenzfrequenzen stimmen mit den erwarteten mit ausreichender Genauigkeit überein.]]
Ein Beispiel zur Berechnung: Nehmen wir an, wir brauchen einen Bandpass, der das hörbare Frequenzband von 20 Hertz bis 20 Kilohertz durchlässt. Diese Frequenzen sollten dann zugleich die Grenzfrequenzen des Filters sein. Wir berechnen dann einen Hochpassfilter, um Frequenzen unter 20 Hertz zu sperren, und einen Tiefpass, der Frequenzen über 20 Kilohertz sperren würde. Da ein Lastwiderstand, ein Breitbandlautsprecher mit einer Impedanz von 8 Ohm, gegeben ist, benutzen wir die oberen Aufbauten aus der obigen Grafik. Wir erhalten für die Induktivität <math>L \approx 63\mu H</math> und für den Kondensator <math>C \approx 1000\mu F</math>.

Die Schaltung wird in dem Bild oben rechts gezeigt, die beiden Filter werden sozusagen hintereinandergeschaltet. 
Das Ergebnis ist in dem Bild darunter dargestellt: Die Grenzfrequenzen liegen mit ausreichender Genauigkeit bei den erwarteten Frequenzen von 20 Hertz und 20 Kilohertz.

==== Bandsperre ====

[[Bild:Bandsperre-Schaltung.gif|thumb|Die Schaltung für eine Bandsperre]]
Bei einer Bandsperre verfährt man fast genauso. Man berechnet einen Tiefpassfilter für die untere Grenzfrequenz und einen Hochpassfilter für die obere Grenzfrequenz. Die Frequenzanteile, die dann zwischen den Grenzfrequezen liegen, werden mehr oder weniger stark gesperrt, je nachdem, wie weit sie von den Grenzfrequezen entfernt sind. In der geometrischen Mitte der beiden Frequenzen tritt eine Resonanz auf, die Sperrwirkung des Filters ist dann fast unendlich groß.

Bei einer Bandsperre werden die beiden frequenzabhängigen Bauteile parallel geschaltet. Die Schaltung sieht dann so aus wie in der nebenstehenden Abbildung.

*Passiv 1.Ordnung: Bandpass und Bandsperre <- letztere sind genaugenommen Filter 2.Ordnung, ich würde die trotzdem als Filter 1. Ordnung einstufen
*Passiv 2.Ordnung: Güte, Bessel, Butterworth, Chebyshev

=== Passiv, 2. Ordnung ===

Bei passiven Filtern zweiter Ordnung sind ein paar Schritte mehr notwendig. Zuerst einmal muss man wissen, welche Güte der Filter haben soll. Diese beschreibt die Schwingfähigkeit des Filters. Im Audiobereich nutzt man Filter mit möglichst geringen Güten und dadurch schwacher Schwingneigung. Wenn aber eine hohe Trennschärfe gefordert ist, kann man diese durch Erhöhung der Güte verbessern.
Bei Filtern mit hoher Güte sinkt die Dämpfung beim Übergang zum Sperrbereich des Filters erst ab, in einem bestimmten Bereich wird sie sogar kleiner als 1. Das heißt das Signal wird sogar noch verstärkt. Danach steigt die Dämpfung relativ schnell an.
Bei einer Güte, die kleiner ist als die Wurzel aus 1/2 (ca. 0,707) tritt dieses sogenannte Überschwingen des Frequenzgangs nicht auf. Diese Güte ist auch die gebräuchlichste, sie ist meistens ein guter Kompromiss. Filter mit dieser Güte haben eine Butterworth-Charakteristik.
Daneben gibt es noch andere: Ein Filter mit Tschebyshev-Charakteristik ist jeder Filter mit einer Güte, die größer ist als die Wurzel aus 1/2. Bei diesen Filtern tritt besagtes Überschwingen auf, je höher die Güte, desto stärker ist das Überschwingen.
Ein Filter mit Bessel-Charakteristik hat eine Güte von Wurzel aus 1/3. Die Trennschärfe bei diesen Filtern ist schlechter als bei Filtern mit Butterworth-Charakteristik, aber Signale, deren Frequenzanteile im Durchlassbereich liegen, werden nicht so stark verzerrt. Das ist auch der Grund, warum dieser Filter in Audioanwendungen die beste Qualität liefert.

== Aktiv ==

*Aktiv 1.Ordnung: Integrator, Differentiator

[[Category:Elektronik]]

Filter (Elektronik)

2006-07-14T21:49:44Z

Dennis.strehl: /* 1. Ordnung */

Datei:Filter 1.Ordnung.gif

2006-07-14T21:49:05Z

Dennis.strehl: Verschiedene passive Filter 1. Ordnung

Verschiedene passive Filter 1. Ordnung

Filter (Elektronik)

2006-07-14T21:48:15Z

Dennis.strehl: /* Realisierung Passiv 1..Ordnung */

Navigation

2006-07-14T15:21:13Z

Dennis.strehl: /* Trägheitsnavigation */ Nachtrag

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

===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.

====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
[[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 ganz konkret die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich.

====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.
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.

====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. 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
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.

[http://www.robotmaker.de/fernbed.html Eine beliebte Schaltung für ein solche IR-Bake]

* 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.

Ausgehend von Position
Richtung, Geschwindigkeit und Dauer festlegen.

Gezielte Vorgaben
Kontrolle

===Odometrie===
Erfassung der Richtung und Weg/Geschwindigkeit 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

==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 nämich 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===
Ultimativ, aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden

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

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

Navigation

2006-07-14T15:18:04Z

Dennis.strehl: /* Trägheitsnavigation */

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

===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.

====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
[[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 ganz konkret die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich.

====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.
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.

====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. 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
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.

[http://www.robotmaker.de/fernbed.html Eine beliebte Schaltung für ein solche IR-Bake]

* 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.

Ausgehend von Position
Richtung, Geschwindigkeit und Dauer festlegen.

Gezielte Vorgaben
Kontrolle

===Odometrie===
Erfassung der Richtung und Weg/Geschwindigkeit 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

==Trägheitsnavigation==
Beschleunigung
Winkelbeschleunigung

Die Trägheitsnavigation ist eine Art der Koppelnavigation.
Die Geschwindigkeit wird hierbei durch Messung von Beschleunigungen und Drehungen gemessen. 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 nämich 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===
Ultimativ, aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden

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

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

2006-07-13T00:53:44Z

Dennis.strehl:

Filter (Elektronik)

2006-07-06T23:37:00Z

Dennis.strehl: Formulierung geändert

Filter (Elektronik)

2006-07-06T23:33:09Z

Dennis.strehl: Beispiel: Tieftöner

2006-04-04T17:53:55Z

Dennis.strehl: /* Funktionsprinzip */

Diskussion:Transistor

2006-04-02T19:25:24Z

Dennis.strehl:

Transistor

2006-03-27T16:54:51Z

Dennis.strehl: /* Funktionsprinzip */

Transistor

2006-03-27T11:01:08Z

Dennis.strehl:

Datei:Ic-Kennlinie, BC547.gif

2006-03-27T10:25:07Z

Dennis.strehl: Kennlinie der Collector-Emitter-Strecke eines BC547. Basis-Emitter-Stromstärken: 0mA, 5mA, 10mA, 15mA, 20mA

Kennlinie der Collector-Emitter-Strecke eines BC547.
Basis-Emitter-Stromstärken: 0mA, 5mA, 10mA, 15mA, 20mA

Datei:Ib-Kennlinie, BC547.gif

2006-03-27T10:22:01Z

Dennis.strehl: Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke eines unbelasteten BC547

Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke eines unbelasteten BC547

Feldeffekttransistor

2006-03-27T09:46:54Z

Dennis.strehl: /* Schaltsymbole */

Der Feldeffekttransistor, meist als FET (Field Effect Transistor) bezeichnet, ist ein unipolarer [[Transistor]]. Unipolar daher, weil im Gegensatz des bipolaren Transistors, je nach Typ, entweder nur Löcher oder Elektronen am Energietransport beteiligt sind.

Der FET hat 3 Anschlüsse, Source (Zufluss, Quelle), Gate und Drain (Abfluss). Ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) ist bei Einzeltransistoren i.d.R. mit Source verbunden und nicht extra herausgeführt.

Durch ein elektrisches Feld, das durch hervorgerufen durch eine Steuerspannung zwischen Gate und Source, wird die Leitfähigkeit des Source-Drain-Kanals des Feldeffekt-Transistors beeinflusst. Je nach benutztem Effekt wird unterschieden zwischen MOSFET und JFET (Junction- oder Sperrschicht-FET). JFETs nutzen einen in Sperrrichtung betriebenen p-n-Übergang, um das elektrische Feld zu bilden. Theoretisch kann der auch in Flussrichtung betrieben werden, was allerdings den Vorteil der leistungslosen Ansteuerung zunichte macht.

Es gibt folgende Formen von FETs:
* Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET)
* Schottky-Feldeffekt-Transistor (MESFET)
* Metalloxidhalbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET)
* High Electron Mobility Transistor (HEMT)
* Ionen-Sensitiver Feldeffekt-Transistor (ISFET)
* Organischer Feldeffekttransistor (OFET)

==Schaltsymbole==
;N-MOSFET: [[Bild:Schaltsymbol NFET.png]]

;P-MOSFET: [[Bild:Schaltsymbol PFET.png]]

;N-Kanal JFET: [[Bild:Schaltsymbol JFETN.png]] [[Bild:Schaltsymbol JFETN2.png]]

;P-Kanal JFET: [[Bild:Schaltsymbol JFETP.png]] [[Bild:Schaltsymbol JFETP2.png]]

== Schaltbeispiel==
Eine typische FET-Schaltstufe:

http://www.roboternetz.de/phpBB2/files/diode.jpg

[[Kategorie:Elektronik]]

Diskussion:Transistor

2006-02-24T22:27:48Z

Dennis.strehl:

Diskussion:Transistor

2006-02-24T19:34:27Z

Dennis.strehl:

Diskussion:Sensorarten

2006-02-24T17:06:13Z

Dennis.strehl:

'''Vorschlag zur Diskussion:'''

Wäre es nicht besser auf die einzelnen Sensorarten in eigenen Unterseiten einzugehen?
Die Übersichtsseite verweist dann auf diese Unterseiten.

Die Unterseiten enthalten die Bilder, Ansteuerschaltung zum Controller, Beispiel Quellcode in C und Bascom, Links etc.
Ähnlich wie es SprinterSB in seinem [[RC5-Decoder_f%C3%BCr_ATMega|RC5 Beispiel]] gemacht hat.

--[[Benutzer:M a r v i n|M a r v i n]] 11:15, 8. Dez 2005 (CET)

Ich denke solange die Artikel zu den einzelnen Sensorarten noch nicht einen besonders großen Umfang erreicht haben, ist das aufsplitten weniger sinnvoll. Sowas kann man ja später noch machen, wobei man es nicht zu stark zersplittern sollte. Es hat auch Vorteile wenn alles auf einer Seite ist, zum Beispiel wenn User sich Informationen ausdrucken wollen.

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 11:37, 8. Dez 2005 (CET)

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IS471F - Fehler

Sagt mal, bin ich jetzt völlig bekloppt und steh auf der Leitung oder kann es sein, dass der Schaltplan für die stärkere IR-LED beim IS471F einen Fehler hat?

Die mit dem Transistor verstärkte IR-LED ist meiner Meinung nach falschherum eingezeichnet. Der Strich zeigt doch immer die Kathode an und dann sollte er ja wohl kaum in Sperrrichtung zu den 5 Volt hin betrieben werden, oder?

[[Benutzer:Andun|Andun]] - 26.1.06

P.S.: Wie mach ich dass, das mein Eintrag hier so aussieht wie eurer???

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Du hast natürlich Recht, danke für Hinweis. Werds gleich mal korrigieren.
Du musst für Unterschrift den Unterschriftsbutton über Dialog nutzen. Ist der nicht da, dann musst du ihn über "EInstellungen" aktivieren (Rechts oben).

--[[Benutzer:Frank|Frank]] 11:29, 27. Jan 2006 (CET)

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'''Kompass-Modul - Horizontale Neigung messen?'''

Beim durchlesen ist mir gerade ein kleiner Fehler aufgefallen: Im Artikel über das Kompass-Modul ist angegeben, dass man mit diesem die Neigung gegenüber der horizontalen messen könnte, wenn man es senkrecht montiert.

Das ist (leider) nur teilweise korrekt: Man kann zwar die Neigung in Nord-Süd Richtung (also um die Achse von Ost nach West) messen, solange die Inklination bekannt ist.

Was nicht funktioniert, ist, die Neigung in Ost-West Richtung, also um die Achse von Nord nach Süd mit diesem Verfahren zu messen, da eine Drehung um die Feldlinien sich überhaupt nicht auf den Sensor auswirkt.

Wenn das gehen würde dann bräuchte man endlich keine Kreisel für teures Geld mehr.

Sollte man IMHO ein wenig abändern.

--[[Benutzer:Dennis.strehl|Dennis.strehl]] 00:11, 24. Feb 2006 (CET)

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Bessere es ruhig aus wenn Du Fehler entdeckst
--[[Benutzer:Frank|Frank]] 17:27, 24. Feb 2006 (CET)

----

Ist geändert.
--[[Benutzer:Dennis.strehl|Dennis.strehl]] 18:06, 24. Feb 2006 (CET)

Sensorarten

2006-02-24T17:04:02Z

Dennis.strehl: /* Kompaß-Modul CMPS03 */