W poniższym artykule zawarto propozycję prostego, chociaż możliwie ścisłego porównania dwóch popularnych modułów do pomiaru odległości. Co najciekawsze w tym porównaniu, użyte w nim moduły wykorzystują zupełnie odmienne fizyczne podstawy działania.
Porównywany będzie ultradźwiękowy dalmierz HC-SR04 oraz podczerwony moduł VL53L0X. Porównanie ma na celu określenie, jakie są zasadnicze, implementacyjne różnice w pomiarach z pomocą obu modułów, a także pozwolić ma na dobranie modułu, który lepiej odpowiadać będzie naszym potrzebom w konkretnym zastosowaniu.
Przeprowadzone będą następujące eksperymenty:
* Porównanie dokładności pomiaru odległości;
* Porównanie czułości obu modułów;
* Badanie wpływu kąta ustawienia obiektu, do którego odległość jest mierzona.
We wszystkich eksperymentach wykorzystany zostanie ten sam obiekt, ta sama odległość etc., ale nic nie stoi na przeszkodzie, by samodzielnie zrealizować podobny eksperyment i zbadać wpływ zmiany materiału obiektu lub odległości na jakość pomiarów tymi sensorami.
Krok 1: Potrzebne materiały i wyposażenie
Oto, co będzie nam potrzebne do przeprowadzenia takich pomiarów, jak zrealizował to autor artykułu:
* Drewniana listwa o długości 30 cm oraz grubości i szerokości po 2 cm. Będzie to podstawa naszego obiektu, od którego mierzymy odległość.
* Długi na 60 cm kołek o średnicy 3 mm. Przecinamy go na dwie równe połowy i przyklejamy do podstawy w odległości 27 cm od siebie. Odległość ta nie jest ważna, ale jest związana z innymi wymiarami układu, więc najlepiej jest ją zachować.
* Cztery różne przeszkody. Każda o wymiarach 15 cm x 10 cm. Przeszkody wykonane są ze:
- sztywnego białego papieru
- sztywnego czerwonego papieru
- sztywnego papieru obklejonego folią aluminiową
- pleksi
* Uchwyty na przeszkody wykonane tak, aby przeszkody mogły obracać się na kołkach dookoła ich osi.
Jeśli chodzi o elektronikę, to potrzebujemy:
* Arduino UNO
* Płytkę uniwersalną
* Kable-zworki
* Jeden sensor HC-SR04
* Jeden sensor VL53L0X
Krok 2: Podstawowe informacje o sensorach.
Czujnik ultradźwiękowy
Sensor ten jest klasycznym rozwiązaniem do pomiaru odległości od przeszkód, stosowanym w wielu robotach itp. systemach. Są one bardzo czułe, co jest ich zaletą, jak i wadą, jeżeli nie do końca wie się, jak je stosować.
Jeśli chodzi o wydajność energetyczną, to stanowczo nie są to najbardziej energooszczędne sensory tego typu.
Czujniki podczerwone
Te sensory nowszej generacji zamiast fal akustycznych wykorzystują do działania fale elektromagnetyczne z zakresu światła podczerwonego.
Karty katalogowe obu układów znaleźć można m.in. na stronie z artykułem źródłowym (link na końcu).
Krok 3: Analiza wpływu układu pomiarowego
Zanim rozpoczniemy same pomiary, musimy koniecznie zanalizować, na ile sam nasz układ pomiarowy będzie wpływał na jakość dostarczanych przez sensory danych.
Aby sprawdzić, czy nasze uchwyty na cele, wpływają w jakikolwiek sposób na pomiar, staramy się zmierzyć odległość do nich, bez zamontowanych żadnych arkuszy. Przy pomiarach w odległości tak 18 cm jak i 30 cm, nie udało się „zobaczyć” tych obiektów, a sensory dawały niezwiązane z nimi dane. Możemy zatem bezpiecznie założyć, że nasz układ nie wpływa na sam pomiar w znaczący sposób.
Krok 4: Porównanie dokładności pomiaru
Pomiary wskazały, że dla odległości poniżej 400 mm precyzja sensora podczerwonego jest wyższa. Dla większych odległości od celu, to sensor ultradźwiękowy podaje wartości bliższe rzeczywistej zmierzonej odległości.
Krok 5: Wpływ materiału, z jakiego wykonany jest cel
W eksperymencie wykorzystano szeroką gamę celów, do których odległość mierzono. Kolor celu, zgodnie z przewidywaniami, nie miał żadnego wpływu w przypadku obu sensorów.
Większą różnicę zanotowano przy zastosowaniu pleksiglasu. Z uwagi na fakt, że materiał ten jest przezroczysty, sensor podczerwony nie jest w stanie zmierzyć odległości, jaka dzieli go od tego elementu. Dla ultradźwięków ten cel nie był żadnym problemem.
Z kolei dla mocno lśniących celów, takich jak papier obklejony folią aluminiową, sensor podczerwony wykazuje wyjątkowo wysoką dokładność w porównaniu z sensorem ultradźwiękowym, dla którego nie stanowi to różnicy, czy karton jest obklejony folią aluminiową, pomalowany czy też klasycznie szary.
Krok 6: Wpływ kąta ustawienia celu na pomiar
Innym istotnym aspektem, wpływającym na dokładność pomiaru z wykorzystaniem opisywanych sensorów jest kąt ustawienia celu. W pomiarze zakłada się, że powierzchnia, od której mierzymy odległość, jest idealnie prostopadła. Każda odchyłka od tego przyjętego kąta sprawia, że pomiar staje się mniej dokładny.
Przeprowadzone pomiary pokazują, że dużo bardziej na tego rodzaju odchyłkę podatny jest sensor ultradźwiękowy. W przypadku sensora optycznego efekt ten także jest obserwowany, ale nie jest ta dramatyczny jak w przypadku pomiaru akustycznego.
Krok 7: Oprogramowane dla Arduino
Program do ewaluacji sensorów jest możliwie prosty. Celem jest równoległe mierzenie i wyświetlanie na komputerze danych z obu sensorów, aby łatwo można było je ze sobą porównać. Cały szkic do tego programu zawarto poniżej:
Źródło: https://www.instructables.com/id/HC-SR04-Vs-VL53L0X-Tutorial-1-Usage-for-Robot-Car-/
Porównywany będzie ultradźwiękowy dalmierz HC-SR04 oraz podczerwony moduł VL53L0X. Porównanie ma na celu określenie, jakie są zasadnicze, implementacyjne różnice w pomiarach z pomocą obu modułów, a także pozwolić ma na dobranie modułu, który lepiej odpowiadać będzie naszym potrzebom w konkretnym zastosowaniu.
Przeprowadzone będą następujące eksperymenty:
* Porównanie dokładności pomiaru odległości;
* Porównanie czułości obu modułów;
* Badanie wpływu kąta ustawienia obiektu, do którego odległość jest mierzona.
We wszystkich eksperymentach wykorzystany zostanie ten sam obiekt, ta sama odległość etc., ale nic nie stoi na przeszkodzie, by samodzielnie zrealizować podobny eksperyment i zbadać wpływ zmiany materiału obiektu lub odległości na jakość pomiarów tymi sensorami.
Krok 1: Potrzebne materiały i wyposażenie
Oto, co będzie nam potrzebne do przeprowadzenia takich pomiarów, jak zrealizował to autor artykułu:
* Drewniana listwa o długości 30 cm oraz grubości i szerokości po 2 cm. Będzie to podstawa naszego obiektu, od którego mierzymy odległość.
* Długi na 60 cm kołek o średnicy 3 mm. Przecinamy go na dwie równe połowy i przyklejamy do podstawy w odległości 27 cm od siebie. Odległość ta nie jest ważna, ale jest związana z innymi wymiarami układu, więc najlepiej jest ją zachować.
* Cztery różne przeszkody. Każda o wymiarach 15 cm x 10 cm. Przeszkody wykonane są ze:
- sztywnego białego papieru
- sztywnego czerwonego papieru
- sztywnego papieru obklejonego folią aluminiową
- pleksi
* Uchwyty na przeszkody wykonane tak, aby przeszkody mogły obracać się na kołkach dookoła ich osi.
Jeśli chodzi o elektronikę, to potrzebujemy:
* Arduino UNO
* Płytkę uniwersalną
* Kable-zworki
* Jeden sensor HC-SR04
* Jeden sensor VL53L0X
Krok 2: Podstawowe informacje o sensorach.
Czujnik ultradźwiękowy
Sensor ten jest klasycznym rozwiązaniem do pomiaru odległości od przeszkód, stosowanym w wielu robotach itp. systemach. Są one bardzo czułe, co jest ich zaletą, jak i wadą, jeżeli nie do końca wie się, jak je stosować.
Jeśli chodzi o wydajność energetyczną, to stanowczo nie są to najbardziej energooszczędne sensory tego typu.
Czujniki podczerwone
Te sensory nowszej generacji zamiast fal akustycznych wykorzystują do działania fale elektromagnetyczne z zakresu światła podczerwonego.
Karty katalogowe obu układów znaleźć można m.in. na stronie z artykułem źródłowym (link na końcu).
Krok 3: Analiza wpływu układu pomiarowego
Zanim rozpoczniemy same pomiary, musimy koniecznie zanalizować, na ile sam nasz układ pomiarowy będzie wpływał na jakość dostarczanych przez sensory danych.
Aby sprawdzić, czy nasze uchwyty na cele, wpływają w jakikolwiek sposób na pomiar, staramy się zmierzyć odległość do nich, bez zamontowanych żadnych arkuszy. Przy pomiarach w odległości tak 18 cm jak i 30 cm, nie udało się „zobaczyć” tych obiektów, a sensory dawały niezwiązane z nimi dane. Możemy zatem bezpiecznie założyć, że nasz układ nie wpływa na sam pomiar w znaczący sposób.
Krok 4: Porównanie dokładności pomiaru
Pomiary wskazały, że dla odległości poniżej 400 mm precyzja sensora podczerwonego jest wyższa. Dla większych odległości od celu, to sensor ultradźwiękowy podaje wartości bliższe rzeczywistej zmierzonej odległości.
Krok 5: Wpływ materiału, z jakiego wykonany jest cel
W eksperymencie wykorzystano szeroką gamę celów, do których odległość mierzono. Kolor celu, zgodnie z przewidywaniami, nie miał żadnego wpływu w przypadku obu sensorów.
Większą różnicę zanotowano przy zastosowaniu pleksiglasu. Z uwagi na fakt, że materiał ten jest przezroczysty, sensor podczerwony nie jest w stanie zmierzyć odległości, jaka dzieli go od tego elementu. Dla ultradźwięków ten cel nie był żadnym problemem.
Z kolei dla mocno lśniących celów, takich jak papier obklejony folią aluminiową, sensor podczerwony wykazuje wyjątkowo wysoką dokładność w porównaniu z sensorem ultradźwiękowym, dla którego nie stanowi to różnicy, czy karton jest obklejony folią aluminiową, pomalowany czy też klasycznie szary.
Krok 6: Wpływ kąta ustawienia celu na pomiar
Innym istotnym aspektem, wpływającym na dokładność pomiaru z wykorzystaniem opisywanych sensorów jest kąt ustawienia celu. W pomiarze zakłada się, że powierzchnia, od której mierzymy odległość, jest idealnie prostopadła. Każda odchyłka od tego przyjętego kąta sprawia, że pomiar staje się mniej dokładny.
Przeprowadzone pomiary pokazują, że dużo bardziej na tego rodzaju odchyłkę podatny jest sensor ultradźwiękowy. W przypadku sensora optycznego efekt ten także jest obserwowany, ale nie jest ta dramatyczny jak w przypadku pomiaru akustycznego.
Krok 7: Oprogramowane dla Arduino
Program do ewaluacji sensorów jest możliwie prosty. Celem jest równoległe mierzenie i wyświetlanie na komputerze danych z obu sensorów, aby łatwo można było je ze sobą porównać. Cały szkic do tego programu zawarto poniżej:
Kod: C / C++
Źródło: https://www.instructables.com/id/HC-SR04-Vs-VL53L0X-Tutorial-1-Usage-for-Robot-Car-/
Fajne? Ranking DIY
