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Diplomarbeit - Institut

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1. TU HAMAMATSU PHOTONICS DEUTSCHLAND GMBH 14 09 2006 HTTP SALES HAMAMATSU COM ASSETS PDF PARTS_S S5990 01_S5991 01 PDF 55990 01 _55991 01 pdf 18 HECHT E Optik Oldenbourg Verlag 2001 19 HERMANN U Knaurs etymologisches Lexikon Herkunft und Geschichte unserer Neu und Fremdw rter Droemersche Verlags anstalt 1983 20 LEHNER B KDE und Qt Programmierung GUI Entwicklung f r Linux Addison WESLEY 2001 74 Literaturverzeichnis DU MANFRED SEIFART P D Sc TECH Analoge Schaltungen VEB Verlag Technik Berlin 1989 22 MICHAEL EICHLER P D I G C Lokalisierungssysteme f r Pervasive Computing Universit t T bingen 2003 2004 23 NICKEL T Simulation verschiedener Steuerstrategien f r einen autonomen Industrieroboter f r das Umw lzen von eingelagertem Getreide 2006 24 SAUERBURGER H H Ubiquitous Computing dpunkt verlag Heidelberg 2003 25 SCHENK D I U T D C Halbleiterschaltungstechnik Sprin ger 1999 26 SCHNEIDER P D I R S D I D W D I M Sachbericht zum Verwendungsnachweis im Kooperationsprojekt Variable Positionsbestimmung Navigation und Maschinensteuerung in Geb uden Teilprojekt Indoor Positionierung mittlerer Reichweite f r den industriellen Einsatz 2005 2006 27 WOLFGANG ZINTH U Z Optik Lichtstrahlen Wellen Photonen Oldenbourg Verlag M nchen Wien 2005 75 D Anhang S
2. 20 Deg 0 5 10 15 20 25 10 Bag 20 Errechneter Winkel des Lichtes in Grad Eingestellter Winkel des Lichtes in Grad Mittelwerte des Lasers Baustrahler Abstand 1 5m Baustrahler Abstand 2 5m Baustrahler Abstand 3 5m Abbildung 3 23 Entfernungsmessung der Lichtquelle bei Dunkelheit Errechneter Winkel des Lichtes in Grad Eingestellter Winkel des Lichtes in Grad Mittelwerte des Lasers Baustrahler Abstand 1 5m Tageslicht Baustrahler Abstand 3 0m Tageslicht Baustrahler 3 0m Tageslicht Abbildung 3 24 Entfernungsmessung der Lichtquelle bei Tageslicht 66 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode nommen Dabei wurden bis zu einer Entfernung von 1 5m hnliche Ergebnisse erzielt wie in Abb 3 23 Durch das zus tzliche Tageslicht verschlechtert sich die Erfassbarkeit bereits bei 2 5m Entfernung Ab 3 0m war keine Zuordnung der Winkel mehr m glich Errechneter Winkel der Lichtquell Eingestellter Winkel der Lichtquelle Laserqueie Abstand 2 5m Abstand 3 0m Abstand 3 5m Abbildung 3 25 Entfernungsmessung der Lichtquelle mit lichtst rkerer Optik F r die Messergebnisse in Abb 3 25 wurde die Optik gegen eine licht st rkeres Objektiv getauscht Da dieses nur einen ffnungswinkel von 20 Grad besitzt ist hier der Bereich z
3. Kornknecht im Getreidestapel ist es schwer ihn zu verfolgen Es ist erforderlich ihn st ndig zu korrigieren damit er stets die Optik der Kamera trifft Abhilfe k nnte ein rotierender Laser ein so genannter Fl chenlaser schaffen Durch die permanente Rotation des Laserpunktes zielt diese mehrmals pro Sekunde in jede Ecke des Silos Eine Synchronisation w re notwendig damit die Messungen genau in dem Moment erfolgt wenn der Laser zu einer Kamera ausgerichtet ist Auch diese L sung ist nur bedingt einsatzf hig Die Getreideoberfl che im Silo ist un eben Dadurch f hrt der Kornknecht eine Auf und Abw rtsbewe gung durch Er kann sich auch in Schr glage befinden Diese Bewegungen werden 1 1 auf den Laser bertragen Damit ist es sehr unwahrscheinlich dass 13 2 Stand der Technik die Kameras in der Lage sein werden ihn zu verfolgen Abhilfe w rde eine kardanische Aufh ngung wie in Abb 2 2 dargestellt bieten Abbildung 2 2 kardanische Aufh ngung nach Geronimo Cardano 8 Die kardanische Aufh ngung wurde nach Geronimo Cardano 1501 1576 benannt einem italienischen Arzt und Mathematiker Die Kardanische Aufh ngung ist eine Vorrichtung um Messinstrumente z B einen Schiffskompass oder andere Gegenst nde frei drehbar und unabh ngig von Lage oder Bewegung z B eines Schiffes aufzuh n gen Technisch realisieren l sst sich die kardanische Aufh ngung durch einen Metallring in den zwei weitere Meta
4. dass die Lichtquelle das Sichtfeld verlassen hatte oder sich auf gleicher H he mit der Optik befand obwohl der H henunterschied weiterhin bestand Bei Einsatz eines 90 Grad Weitwinkelobjektives w rde permanent der gesamte Silo berwacht werden Damit lie e sich der Fehler ausschlie Ben das der Roboter samt Lichtquelle aus dem Sichtfeld der Erfas sungseinheit verschwindet Deuten die Messwerte dann das Verlassen des Sichtfeldes an kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden das der Widerstand der Strom Spannungs Wandlung erh ht werden 58 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode muss Unter diesen Voraussetzung w re eine dynamische Widerstands anpassung w nschenswert Zus tzlich zeigen die in beiden Versuchen aufgenommenen Messwerte dass die Abst nde zwischen den Messungen zu gro gew hlt waren als dass sie aussagekr ftige Ergebnisse h tten liefern k nnen Auswertung der Messungen im Geb ude bei Dunkelheit Um St rungen bei Tageslicht zu vermeiden wurden Messungen bei Dunkelheit durchgef hrt In 5 Grad Abst nden und ber den gesamten ffnungswinkel des Objektives verteilt sollte das Licht des Bauschein werfers auf den Sensor treffen Die Lichtquelle wurde unter gleich bleibendem Winkel r ckwertig von der Messeinrichtung entfernt Zu jedem Messpunkt wurden die digitalisierten X und Y Werte aufge nommen F r die Darstellung wurden die X und Y Koordinaten aus den F
5. ndig zu verfolgen m sste ein Weitwinkelobjektiv mit einem ffnungswinkel von 90 Grad eingesetzt werden Auswertung der Messungen mit IR Filter F r Messungen im IR Bereich stand ein 850nm IR Filter zur Verf gung Diente der Laser als Lichtquelle konnte keine Stromabgabe an den Sensorausg ngen festgestellt werden 59 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Die Ursache liegt in der eng beschr nkten Bandbreite des Filters La ser und Filter liegen in der Wellenl nge 200nm auseinander Wurde hingegen der 300W starke Bauscheinwerfer als Lichtquelle verwendet konnte er bis zu einer Entfernung von 109cm geortet werden Ohne IR Filter konnte der Scheinwerfer bis ca 1m 50 als Lichtquelle identifiziert werden Die relativ kurzen Distanzen lie en sich auf die unver nder lich eingestellte R ckkopplung bei der Strom Spannungs Wandlung zur ckf hren Abhilfe schaffte der Ersatz der 10kQ Koppelwiderst n de durch Drehpotentiometer mit einem maximalen Widerstand von 4 TMQ Als Fazit l sst sich sagen dass der Einsatz eines IR Filters durchaus sinnvoll sein kann um k nstliche Lichtquellen vom Umgebungslicht zu unterscheiden Es muss jedoch darauf geachtet werden die Wellen l ngen der Lichtquelle und des Filters aufeinander abzustimmen Auswertung der Messungen im Geb ude In einem ca 40m langen Zwischengang im Haus 1 in der Richard Wag ner Str 31 in Rostock Warnem nde wurden Dista
6. 10 600 603 230 0 0 15 600 603 231 0 0 20 600 603 231 0 0 25 600 603 230 0 0 30 600 603 231 0 0 35 600 603 231 0 0 40 600 603 231 0 0 Tabelle 3 5 Verschiebung der Lichtquelle unter einem Winkel von 0 Grad ohne H hendifferenz zwischen Lichtquelle und Kamera Die Erwartungen f r die X und Y Komponente wurden erf llt Beide blieben ber den gesamten Versuch konstant Bei einem eingestellten Koppelwiderstand der Strom Spannungs Wandlung von 280kQ und dem Lichteinfall unter einem Winkel von 0 Grad betr gt der X Wert 600 digits Unter gleichen Voraussetzungen betr gt der Y Wert 603 digits was ebenfalls einem Winkel von 0 Grad entspricht Die Summe als Wert f r die Lichtintensit t verringerte sich lediglich um den Wert von einem digit Dies geschah bei 10 und 25m Entfer nung Damit traf die Erwartung f r die Summenwerte nicht ein Der Versuch wurde erneut durchgef hrt Dieses Mal bestand eine H hendifferenz zwischen Lichtquelle und Kamera von 72 5cm Die Licht quelle wurde unter gleichbleibendem Winkel von 0 Grad von der Ka mera entfernt Hierbei sollte sich best tigen dass die X Komponente konstant und sowohl Y Komponente als auch Summe mit zunehmen der Entfernung kleiner werden Die Ergebnisse aus Tabelle 3 6 spiegeln jedoch etwas anderes wider Bis zu einer Entfernung von 5m fielen Y Werte und die Summe ab Dann stiegen X und Y Wert leicht an und pegelten sich auf die zuvor bestimmten digitalen W
7. 3 16 X Y Koordinaten der Platine 2 2 u Mr a 3 17 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die X Koordinate bei Dunkelheit 2 2 2 2 2 namen 3 18 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate bei Dunkelheit e 3 19 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die X Koordinate unter Einfluss von Tageslicht 2 2 2 2 2 2 3 20 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate unter Einfluss von Tageslicht 3 21 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate mit dem Laser als Lichtquelle 2 2 22 2 22 20 3 22 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate mit dem Docter Wetzlar Jena Objektiv 3 23 Entfernungsmessung der Lichtquelle bei Dunkelheit 3 24 Entfernungsmessung der Lichtquelle bei Tageslicht 3 25 Entfernungsmessung der Lichtquelle mit lichtst rkerer Optik 5 1 Grafische Oberfl che der Darstellungstellungssoftware 6 1 Eagle Schematic des neuen Prototyp a a vi 43 Tabellenverzeichnis 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 Strommessungen an den Ausg ngen des PSD Messwerte nach Justierung des PSD mit der optischen Achse Ergebnisse des Ausmessens verschiedener LM324 Bausteine Bestimmung des Blinkwinkels der Optik Verschiebung der Lichtque
8. Achse verlaufende Lichtstrahlen sich nur im Brenn punkt auf der optischen Achse schneiden Genau in diesem Punkt wer den die auftreffenden Lichtstrahlen zu einem minimal kleinem Punkt geb ndelt Vor und hinter dem Brennpunkt weitet sich der Lichtpunkt wieder auf Was aber passiert wenn Lichtstrahlen nicht parallel zur Fi J N o Brenn ebene Abbildung 2 4 Darstellung der Brennebene einer Linse 18 optischen Achse einfallen sondern von schr g auf die Linse treffen In diesem Fall werden die Lichtstrahlen nicht im Brennpunkt auf der optischen Achse gesammelt Der Fokus liegt dann ober oder unterhalb der optischen Achse jedoch weiterhin im Brennpunkt Die Gesamtheit aller entstehender Brenn punkte wird als Brennebene bezeichnet Die Brennebene oder auch Fokalebene ist eine gedachte Ebene in der sich Strahlen schiefpar allel auftreffenden Lichtes schneiden vgl Abb 2 4 Um eine genaue Position mit dem optischen Sensor zu ermitteln ist es notwendig die 2 Stand der Technik Sensorfl che in die Brennebene zu verlagern Wie dies geschieht ist in Unterkapitel 3 1 1 aufgef hrt Weitere Anpassungen der Optik Objektive mit 40 bis 50 Grad Bildwinkel entsprechen dem nat rli chen menschlichen Blickfeld Hierbei handelt es sich um so genannte Normalobjektive Im Kleinbildbereich besitzen diese Objektive eine Brennweite zwischen 45 und 60mm Objektive mit k rzeren Brenn weiten werden als Weitwinkelobjektive bezei
9. F rderprinzip lockert das Getreide auf Zudem wird es flie f hig gehalten Der Kornknecht beseitigt W rmenester und sorgt f r eine bessere Bel ftung Dies intensiviert die Lagerbel ftungs trocknung und erm glicht h here Trocknungstemperaturen Die mobile Misch Schnecke wird wie in Abb 1 2 zu sehen ist ber einen Getriebemotor mit Motorschutzschalter angetrieben Der Mo tor befindet auf dem ca 85cm gro en Spezialgeh use und besitzt eine Leistungsaufnahme von 2 2kW Weiterhin befindet sich die Steuerung direkt am Geh use Drei unterschiedlich lange F rderschnecken zwi schen 1 5m und 4m stehen zur Verf gung Die Schnecke wird auf der Unterseite eingesetzt Der Durchmesser der Schnecken variiert eben falls in Abh ngigkeit der Schneckenl nge zwischen 60mm und 80mm Mit einer 2m langen Schnecke wiegt der Kornknecht ca 38kg F r eine erleichterte Handhabung und eine doppelte Arbeitsgeschwindig keit werden zwei Kornknechte ber eine Kupplung zu einem Tandem miteinander verbunden vgl Abb 1 3 Die derzeitigen Kosten f r das Tandemger t liegen bei ca 7 000 Nachdem die ausgew hlte Schnecke am Ger t montiert wurde wird es auf den Stapel gebracht Dabei ist darauf zu achten dass der Korn knecht nicht in explosionsgef hrdeten Bereichen eingesetzt wird und die gew hlte Schnecke keine Bodenber hrung erlangen darf Nachdem die Stromversorgung mit dem Kornknecht hergestellt wurde senkt si
10. Kamera 3 Kamera 4 Abbildung 5 1 Grafische Oberfl che der Darstellungstellungssoftware Basisstation per Funkverbindung von mehreren Transpondern Daten empfangen Im empfangenen Datenstrom befindet sich die ID des Transponders Die Software wertet den Datenstrom aus und ordnet die mitgesendeten X Y Werte den Textlabeln der entsprechenden Erfassungseinrichtung zu Aus allen X bzw Y Werten wird je ein Mittelwert gebildet Diese werden f r die Darstellung des Lichtpunkten auf der PSD Fl che in der linken Ebene ben tigt Weil zur Zeit nur Werte eines Transponders empfangen werden wird nur eine Erfassungseinheit in die Darstellung eingebunden In einer weiterf hrenden Arbeit ist es denkbar die Software dahingehend zu erweitern sodass die observierte Fl che samt errechneter Position der Lichtquelle dargestellt wird 72 Literaturverzeichnis 1 01 01 2007 HTTP DOC TROLLTECH COM 3 0 TUTORIAL HT ML QT Einf hrung und Beispiele 2 01 09 2006 HTTP LLH HESSEN DE LANDWIRTSCHAFT BW__VTEC VTEC GETREIDE HTM Getreide und Olsaaten fachgerecht lagern und gesund erhalten 3 03 09 2006 HTTP NEWS ABACHO DE VERMISCHTES ARTIK EL_ ANZEIGEN INDEX HTML NEWS_1D 17292 Schwache Ernte l sst Mehlpreise steigen 2006 4 06 01 2007 HTTP WWW AREAMOBILE DE SPECIALS SPECI AL_AGPS_DREI PHP AGPS Sebastian Scherl 2004 15 12 08 2006 HTTP WWW KORNKNECHT DE Getreidetechnik Wellenbro
11. Situation wie folgt beschreiben Eine Silohalle gef llt mit Getreide soll von den Feuchte und W rme nestern befreit werden Der Kornknecht mit aufgesetzter Lichtquelle befindet sich an einer beliebigen Position auf dem Getreidestapel vgl Abb 1 5 In den Ecken des Silos ist die Messoptik fixiert ber be kannte mathematische Beziehungen l sst sich die Position der mobilen Misch Schnecke errechnen Abbildung 1 5 Schematische Darstellung des Getreidesilos mit Messoptik und Kornknecht Es existieren Parameter wie die Gr e des Silos und einfallendes Licht z B durch Seitenfenster die sich nicht beeinflussen lassen An der Messeinrichtung befinden sich hingegen verschiedene Parameter die optimiert werden k nnen Die Erfassungseinrichtung ist wie in Abbil dung 1 6 dargestellt gegeben Einfallendes Optischer Optik Lichtempfindlicher Licht Filter Sensor 4 Str me Schaltung mit A D Ausgabe Wandlung Abbildung 1 6 Schematischer Aufbau der Messeinrichtung 1 Einleitung Eine Lichtquelle z B ein Laserpointer oder eine sehr starke Gl hlam pe sendet in Richtung der Optik einen Lichtstrahl aus Gegebenen falls wird das in die Optik einfallende Licht zuvor mit einem Filter begrenzt Der Fokus der Optik liegt auf der Oberfl che des Sensors Beim Auftreffen des Lichtes emittiert dieser 4 Str me Eine entspre chende analoge Schaltung wandelt die Str me in Spannungen u
12. dem Baustrahler als Lichtquelle wurden sowohl mir als auch ohne IR Filter durchgef hrt 47 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode 3 5 Auswertung der Ergebnisse Im vorangegangenen Teil dieser Arbeit wurde der bereitgestellte Pro totyp bewertet Daraufhin wurde ein neuer Prototyp entworfen und gebaut Mit ihm wurden Messungen durchgef hrt Im folgenden Ab schnitt der Arbeit werden die Ergebnisse der Messungen ausgewertet 3 5 1 Auswertung des prototypischen Aufbaus Bewertung des Prototyps Der erste Schritt bei der berpr fung des prototypischen Versuchsauf baus bestand in einer visuellen Begutachtung der gegebenen Bauteile Dabei konnte festgestellt werden dass die f r den Prototyp entwickel te Schaltung massiv physisch belastet wurde Unter anderem wurden einige Pins der OPV Bausteine von der Platine gel st bzw zus tz lich miteinander verl tet Ein tiefer Kratzer quer ber die Platine lie vermuten dass die Platine durch die Besch digungen nicht mehr f r die urspr nglich entwickelte Aufgabe eingesetzt werden konnte Die Vermutung konnte durch den bisherigen Bearbeiter des Themas sowie durch eigene Messversuche best tigt werden Die ersten Messversuche erfolgten nachdem die Platine in das Bopla Elektronikgeh use eingebaut wurde Die Platine diente lediglich als Tr ger f r den otischen Sensor Laserlicht wurde durch eine Optik weiter geb ndelt und auf den optischen Sensor
13. den systematischen Fehler zu mini mieren Bauteilbedingte Toleranzen im Bereich von 10 k nnen die Werte vom PSD stark verf lschen Aus diesem Grund wurden die Wi derst nde und die OPVs ausgemessen und aufeinander abgeglichen W hrend das Ausmessen der Widerst nde problemlos mit einem Mul timeter realisiert werden konnte gestaltete sich der Abgleich der OPVs aufwendiger Eine Strom Spannungs Wandlung diente als Grundlage um die OPVs auszumessen Ein LM324 Baustein wurde auf eine Experimentierpla tine gesteckt und an Spannung und Masse angeschlossen F r den Koppelwiderstand wurde immer der selbe 9 9k Widerstand verwen det Die vier Ausg nge des PSD wurden nacheinander an den ersten 40 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode OPV angeschlossen und die Spannugen gemessen Dann wurde die Messung mit den drei verbleibenden OPVs des LM324 wiederholt Auch hier wurden die Spannungen gemessen Insgesamt wurden drei LM324 Bausteine erfolgreich vermessen F r die gesamte Dauer des Versuchs wurde die Kamera und der Laser fixiert und nicht ver ndert Tabelle 3 3 enth lt die aufgenommenen Werte des Versuches Neben der Messstrecke auf der Experimentierplatine wurde die Komponente f r die Berechnung des Z hlers der Y Koordinate auf eine Lochplatine gel tet Dabei wurde darauf geachtet dass Baugruppen wie z B die Strom Spannungs Wandlung oder die Tiefpassfilterung den selben LM324 Baus
14. die x y z Position eines Leuchtk rpers berechnet Zur grafischen Anzeige Animation der Po sitionsangaben sowie weiterer Systemparameter und Einstellgr en soll eine grafi sche Oberfl che entwickelt werden die auf der frei verf gbaren Grafikbibliothek Qt basiert In den experimentellen Arbeiten soll untersucht werden wie die Genauigkeit der berechneten Position von den Umgebungsbedingungen wie z B der Umgebungshel ligkeit und Streulicht abh ngt Dazu geh ren auch die experimentelle Bestimmung der maximalen Raumgr e bei gegebener Helligkeit der Umgebung sowie des Leicht k rpers In weiteren experimentellen Arbeiten ist der Einsatz verschiedener Kompen sationsm glichkeiten zu untersuchen Dazu geh ren die Fehlerkompensation mittels zus tzlicher Sensoren z B Helligkeitssensoren sowie der Ber cksichtigung der ab gesch tzten Position Diese M glichkeiten zur Fehlerkompensation sollen ebenfalls durch geeignete Elemente der grafischen Bedienoberfl che unterst tzt werden Zusammenfassung Zur Positionsbestimmung innerhalb geschlossener Geb ude existieren bis heute we nige zuverl ssige und genaue Verfahren Im Freien verwendete Verfahren wie GPS oder Radar erweisen sich als Indoor System als ungeeignet Zum einen sind die An forderungen bez glich der Genauigkeit der Positionsbestimmung in geschlossenen R umen h ufig h her zum anderen darf der Kostenfaktor nicht au er Acht gelassen werden Ziel dieser Arbeit ist die Unt
15. fokussiert Das Licht fiel ber einen horizonatalen und vertikalen Blickwinkel von 90 Grad ein Als Messergebnis konnte weder eine Strom noch Spannungs nderung an den Ausg ngen des PSD festgestellt werden Obwohl der tats chli che Blickwinkel der Optik nicht bekannt war konnte davon ausgegan gen werden dass bei Lichteinfall nahe der optischen Achse Unterschie de im Stromfluss bzw in der abfallenden Spannung messbar gewesen sein m ssten Erst als die Optik entfernt wurde konnte das Experi ment erfolgreich wiederholt werden Dies legte die Vermutung nahe dass der Sensor sich nicht in der Brennebene befand In diesem Fall 48 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode w rde das eintreffende Licht in der Brennebene fokussiert werden sich jedoch bis zum PSD wieder soweit aufweiten dass der Sensor perma nent gleichm ig beleuchtet werden w rde Die Folge w re dass unab h ngig vom Winkel des auftreffenden Lichtes eine konstante Spannung und damit auch ein konstanter Stromfluss an den Ausg ngen messbar w re Auswertung der experimentell ermittelten Brennweite Das Ermitteln der unbekannten Brennweite erfolgte mit Hilfe eines selbst gebauten Gestells vgl Abb 3 4 Zum Ausmessen der Appara tur wurde der PMS 150 Messschieber verwendet Dieses Messinstru ment ist in der Lage auf hundertstel Millimeter genau zu messen Im derzeitigen Zustand der Versuchsanordnung betrug der Abstand
16. hat einen Stromfluss zur Folge Alle anderen bilden einen Widerstand Wie l sst sich jetzt von den aufgenommenen Werten auf den Strom fluss zur ckschlie en Zur n heren Erl uterung dient die Diodenkenn linie in Abb 3 15 E 1500Ix 1250 1x 1000 Ix 7501x 5001x 200 100 2501x 5 10 15 20 235 Uk V Abbildung 3 15 Diodenkennlinie liefert R ckschluss auf flie enden Strom 21 Hier wurden in Abh ngigkeit der Fotoempfindlichkeit Ey mehrere U I Kennlinien eingetragen Obwohl die Diodenkennlinien nicht linear verlaufen ist im Bereich niedriger Spannungen eine deutliche Strom nderung ablesbar Ein beliebiger Stromwert l sst sich auf genau einen Spannungswert zur ckf hren und umgekehrt Aus diesem Grund ist es vollkommen ol 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode legitim die Spannung zu messen statt des Stromes Tabelle 3 2 zeigt dass wenn das Laserlicht entlang der optischen Achse auf den PSD einfiel die Spannungen an allen Ausg ngen gleich gro waren Die Voraussetzung f r korrektes Messen war gegeben Ausrichtung X1 V X2 V Y1 V Y2 V 0 0 5 6 5 6 5 6 5 6 Tabelle 3 2 Messwerte nach Justierung des PSD mit der optischen Achse Nach gleicher Herangehensweise wie beim ersten Strommessvorgang erfolgte ein zweiter Die positiven Ergebnisse sind in Abb 3 16 zu sehen Neben einem geringen Kisseneffekt in den Randbereich
17. hrt 54 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode 3 5 2 Auswertung der Experimente Auswertung der Bestimmung des ffnungswinkels der Optik Der ffnungswinkel der Optik musste vermessen werden Dies war erforderlich um den m glichen Aktionsbereich des Roboters zu be stimmen Der Versuchsaufbau ist in Unterkapitel 3 2 beschrieben Ta belle 3 4 zeigt f r jede Koordinate den ermittelten Winkel Die errechneten Ergebnisse variieren zwischen 24 81 Grad und 25 29 Grad Dabei war festzustellen dass der gesamte horizontale ffnungs winkel 50 47 Grad und damit minimal gr er als 50 Grad ist und der gesamte vertikale ffnungswinkel 49 76 Grad und damit unwesentlich kleiner als 50 Grad ist Abgesehen von Fehlern in der Linse wie chro matische oder sph rische Aberration kamen Fehler beim Erfassen des Standortes des Laser hinzu sodass davon ausgegangen werden kann dass der ffnungswinkel in beide Richtungen 50 Grad betr gt Position bei Winkel a X1 25 29 X2 25 18 Y1 24 81 Ke 24 95 Tabelle 3 4 Bestimmung des Blinkwinkels der Optik Als Schlussfolgerung l sst sich sagen dass das verwendete Normal objektiv f r das Kornknecht Projekt ungeeignet ist Die Raumver h ltnisse im Silo lassen es nicht zu die Messeinrichtung r ckw rtig zu verschieben bis der 50 Grad ffnungswinkel ausreicht um das ge samte Silo zu berwachen Um den Kornknecht st
18. hrt werden Die Auswertung zeigte dass bei Dunkelheit bessere Messergebnisse erzielt werden konnten als am Tag Die Laserlichtquelle bot bei an n hernd konstanter Lichtintensit t bessere Ergebnisse als der 500W starke Baustrahler Es erwies sich jedoch als sehr schwierig den La serstrahl exakt auf die Optik zu richten In den wenigsten F llen war es m glich eine Positionsunterscheidung auf 5 Grad Genauigkeit zu erzielen Durch eine lichtst rkere Optik konnte der Erfassungsbereich auf 3 5m erh ht werden Auf Grund des geringen Erfassungsbereiches der Lichtquelle von maximal 3 5m muss von der Verwendung eines PSDs zur Indoor Lokalisierung f r das Kornknecht Projekt abgese hen werden Im Laufe der Arbeit wurde der existierende nicht einsatzf hige Pro totyp systematisch in Segmente unterteilt Die Zerlegung half bei der Fehlersuche Die Probleme konnten behoben und ein neuer funktions f higer Prototyp entworfen werden Mit ihm konnte erfolgreich nachge wiesen werden dass es m glich ist mit dem optischen Sensor plausible Messreihen aufzunehmen Die analoge Schaltung des aktuellen Prototyps ist stark an die des exis tierenden Prototyps angelehnt So ist die Strom Spannugs Wandlung vierfach ausgelegt Durch bauteilbedingte Toleranzen und durch den unzureichenden Abgleich der Koppelwiderst nde der Strom Spannungs 69 4 Diskussion Wandlung werden bei gleichen Ausgangsstr men des optischen Sensors unterschiedliche Sp
19. von Tageslicht Auch hier ist die Tendenz ber den gesamten ffnungswinkel der Op tik wiederzufinden Im Vergleich zu den Messungen bei Dunkelheit f llt auf das auch hier der Fehler bei Winkel von 10 bzw 10 Grad am gr ten ausf llt Ebenfalls muss der Wert bei 0 Grad als unzuver l ssig eingestuft werden Alle weiteren Messwerte liegen nahe ihrem Erwartungswert erreichen diesen jedoch nicht Wie das Einstrahlen fremder Lichtquellen die Ergebnisse negativ be einflusst ist in Abb 3 20 zu sehen Wenn aus den bisherigen Diagram men noch abzusch tzen war aus welcher Richtung der Lichtstrahl ein traf so ist dies bei der Vermessung der Y Koordinate unter Einfluss von Tageslicht nicht mehr der Fall Die gemessenen Werte variieren ex trem Beim Zur ckschlie en der aufgenommenen Werten auf den vom PSD gemessenen Winkel l sst sich nicht unterscheiden ob das Licht aus einem Winkel von 15 Grad oder 25 Grad durch die Optik fiel 62 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Lichtes in Grad n E Ki KI E E Ben d d KA n a Eingestellter Winkel des Lichtes in Grad E Gemessener Winkel Eingestellter Winkel Abbildung 3 20 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate unter Einfluss von Tageslicht Dieses Beispiel zeigt sehr gut dass die Kompensation von Fremdein strahlungen von gr ter Wichtigkeit ist Die Mess
20. 5 Ecke X2 Y2 230 233 269 215 66 50 Ecke X2 Y1 214 272 213 230 57 51 Ecke X1 Y1 237 228 215 272 66 48 Ecke X1 Y2 272 216 228 238 66 46 Tabelle 3 1 Strommessungen an den Ausg ngen des PSD g Ss E Ki e e x gt X Koordinate Abbildung 3 14 X Y Koordinaten des PSD bei unterschiedlicher Beleuchtung vor Justierung der Platine dass der Koordinatenursprung des PSD sich nicht auf der optischen Achse des Linsensystems befand Deutlich ist ein Versatz des Sensors in Richtung X1 und Y2 zu sehen Der Fehlstand konnte korrigiert werden und der Laserstrahl wurde entlang der optischen Achse auf den PSD geleitet Dieses Mal wurden die Spannungen am Ausgang gemessen Warum wurde die Spannung gemessen und nicht der Stromfluss an den Ausg ngen Die Gr nde finden sich in der Messweise von Strom und Spannung begr ndet F r die Strommessung h tte der Multimeter in Reihe an die Ausg nge des PSDs angeschlossen werden m ssen Es 50 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode erwies sich jedoch als recht schwierig den Kontakt permanent herzu stellen Genauer lie sich die Spannung mit dem Oszilloskop messen Zudem hatten beide Messinstrumente bez glich der Messgenauigkeit den gleichen Toleranzbereich Wie bereits beschrieben handelt es sich bei dem verwendeten PSD um eine Matrix aus Photodioden Jede Photodiode die beleuchtet wird
21. Abb 2 1 Zu den Outdoor Systemen z hlen z B GPS und Radar Der Begriff Ubiquitous Computing engl ubiquitous allgegenw rtig bezeichnet die Allgegen w rtigkeit der Informationsverarbeitung im Alltag von Unternehmen und Kunden 24 11 2 Stand der Technik Activ Bat 1 Activ Badge Spot On Visual Tags Cricket WIPS RFID Abbildung 2 1 Grundlegende Lokalisierungssysteme Beide kommen aufgrund ihres Einsatzbereiches au erhalb geschlosse ner R ume sowie ihres Aufl sungsverm gens Genauigkeit von 5 10m und aus Kostengr nden f r das Kornknecht Projekt nicht in Frage Auch Verfahren wie Assisted GPS AGPS reichen trotz einer Ge nauigkeit von ca 1m f r die Ortung der mobilen Misch Schnecke nicht aus 4 Da der Kornknecht in einer geschlossenen Halle arbeitet ist der Ein satz von Indoor Systemen notwendig Diese lassen sich wie in Abb 2 1 gezeigt erneut unterteilen Die aufgef hrten Indoor Systeme wurden in den Arbeiten 26 und 14 n her untersucht und ver ffentlicht Diese Arbeit besch ftigt sich mit der Problematik der visuellen Po sitionsbestimmung in geschlossenen R umen Im Speziellen wird mit Hilfe von optischen Sensoren eine Positionserkennung durchgef hrt AGPS setzt auf eine grobe Ortung innerhalb des Mobilfunknetzes Um den Standort zu bestim men ist im ersten Schritt der Empfang von mindestens zwei Basisstationen notwe
22. Ampere PDE EE Portable Document Format pin Diode positive intrinsic negative diode EE p channel metal oxide semiconductor ER ernennen Position Sensitive Detector he eeh Quasar Toolkit Softwarebibliothek der Firma Trolltech ili Abk rzungsverzeichnis ee Radius E EE Radio Frequency AER Volt VDM ni 2 82 23 8822 Verband Deutscher M hlen Ol e rer ns vergleiche Wa a er ee Watt WLAN Sea bie gre Geere e Wireless Local Area Network Abbildungsverzeichnis 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 10 2 11 2 12 2 13 2 14 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 Getreidesch dlinge links Getreideplattk fer Mitte Kornk fer rechts Rotbrauner Reismehlk fer 11 Die mobile Misch Schnecke Kornknecht 5 Kornknecht als Tandemger t 5 2 ge rt E ad Vom Kornknecht durchmischtes Getreide 5 Schematische Darstellung des Getreidesilos mit Messoptik und Korn knecht To ar an aE ae s EEN Schematischer Aufbau der Messeinrichtung Grundlegende Lokalisierungssysteme ooo aa a a kardanische Aufh ngung nach Geronimo Cardano 8 Strahlenverlauf bei Sammellinsen 7 o ooa Darstellung der Brennebene einer Linsel18 2 2 2 Zur Verf gung gestellte CCTV Optik 2 22 2 2 22 berwachte Getreidefl che bei 50 Grad Bildwinkel 100 der Getreidefl che horizontal berwacht Posit
23. Die Optik 32 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Papier Kupferblech Distanzring Optik Einfallendes Licht Abbildung 3 4 Experimentelles ermitteln der Brennweite wird auf einen bereits existierenden Distanzring mit Innengewinde ge schraubt Der Distanzring seinerseits befindet sich auf einem selbst entworfenen Gestell Dieses Gestell besteht aus einer Tr gerplatte f r den Distanzring mit Optik und einer Plexiglasscheibe die ber Ge windestangen stufenlos verstellbar ist Auf der Plexiglasscheibe wird ein wei es Papier befestigt das als Leinwand f r den Lichtpunkt dient Die Lichtstrahlen werden durch die Optik geb ndelt und auf die Pa pierfl che projiziert Vor oder hinter dem Brennpunkt weitet sich der Lichtpunkt auf Befindet sich das Papier auf der Plexiglasscheibe im Brennpunkt der Optik ist der Lichtpunkt minimal Jetzt kann die Optik entfernt und der Abstand zwischen Papier und Widerlager der Optik Oberseite des Distanzringes gemessen werden 33 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode 3 1 2 Nachjustierung der Platine Ein Blick in die Kamera bei entfernter Optik zeigte dass der Koordi natenursprung des PSD augenscheinlich nicht auf der optischen Achse des Linsensystems lag Strommessungen an den Ausg ngen des PSDs sollten Aufschluss ber die Fehlstellung geben Der Laserpunkt wurde durch die Optik fokus siert Di
24. Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode falls erfolgreich Strom Spannungs gewandelt werden Dabei wurde zu n chst ein fester 10KQ Widerstand in die R ckkopplung des OPV ein gebaut Eine Strom Spannungs Schaltung besitzt einen niedrigen differenti ellen Eingangswiderstand und wird h ufig zur Verst rkung von Si gnalen aus Stromquellen verwendet 21 Mit den Widerst nden R1 bis R4 als Proportionalit tsfaktoren l sst sich das Verh ltnis von Ein gangsstrom zu Ausgangspannung einstellen vgl Abb 3 5 Die Tiefpass Stufe wurde ebenfalls aufgebaut und im Zusammenhang mit den bereits bestehenden Komponenten getestet Dazu wurden die Ausgangsspannungen der 4 Tiefp sse mittels Messspitzen aufgenom men und gemeinsam am Oszilloskop TDS 2024 dargestellt Das Umpo sitionieren des Lasers spiegelte sich durch Spannungs nderungen am Oszilloskop wieder Um die zweite Referentzspannung erzeugen zu k nnen wurden zwei Labornetzteile in Reihe geschaltet Auch der Z hler der X Koordinate und die Summe in Abb 3 5 blau und orange unterlegt konnten aufge baut und erfolgreich getestet werden Weil die Testmessungen erfolg reich verliefen konnte daran gedacht werden die auf dem Steckbrett aufgebaute Schaltung auf eine Lochplatine zu l ten Da aber einige Teile der Strom Spannungs Wandlung und die Tief passfilterung in dieser Schaltungsvariante vierfach ausgelegt waren musste darauf geachtet werden
25. OPV Urefl und OPV Uref2 benutzt gr ulich hinterlegt W hrend OPV__Urefl f r die Ver st rkung der Strom Spannungs Wandlung eingesetzt wird wird OPV _ Uref2 bei der Berechnung des Nenners und des Z hlers der Koordi naten verwendet W hrend dieser Diplomarbeit wurde vom Institut f r Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik ein Referenzboard vom Sensorher steller erworben Das Board vom Typ C9069 sollte f r vergleichende Messungen zur Verf gung stehen Im Benutzerhandbuch des C9069 findet sich ein Blockschaltbild mit dem Aufbau des Boards vgl Abb 3 6 Es wird mit einer Gleichspan nung von 12V betrieben In der linken oberen Ecke des Blockschaltbildes finden sich die PSD Ausgangsleitungen Gleich der analogen Schaltung des Prototyps er folgt zun chst eine Strom Spannungs Wandlung mit gleichzeitiger 36 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Light Level Monitor LED PSD gar Digital AO Current to Output x2 Voltage A D so Conversion i Converter Deg es 2 A Circuit ine Driver CO RD D A Amplitude Conversion Adjustment Output Circuit OX VREFrH ON Amplitude OF Adjustment PSD Bias Circuit Voltage Vreri Power Output Input WR O AS DC 12V GND Power Supply Circuit GND Abbildung 3 6 Blockschaltbild des Referenzboards C9069 von Hamamatsu 16 Verst rkung Ein Mikrokontroller mit Analog Digital Wandler A D wandelt zun chst die Spannungen in digi
26. UNIVERSITAT ROSTOCK FAKULT T F R INFORMATIK UND ELEKTROTECHNIK Institut f r Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik de E Diplomarbeit Positionsbestimmung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodioden Bearbeiter Studiengang Matrikelnummer Tag der Ausgabe Tag der Abgabe Gutachter Gutachter cand ing Jens Schulz Informationstechnik Technische Informatik 001201933 01 08 2006 01 02 2007 Prof Dr Ing Ralf Salomon Dr Ing Thomas Mundt Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ii Abk rzungsverzeichnis iv Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis vii Aufgabenstellung 1 Zusammenfassung 2 1 Einleitung 3 2 Stand der Technik 11 2 1 Technische Verfahren zur Positionsbestimmung aoaaa aa 11 2 2 Visuelle Positionsbestimmung 13 2 2 1 Wahl einer geeigneten Lichtquelle 2 222 220 13 2 2 2 Filterung des vorhandenen Lichtes 2 2 2 2 15 2 3 Positionsbestimmung mittels existierenden Prototyps 16 BL E EE EE ee N i 16 2 3 2 Optische Sensoren zur Positionsbestimmung 22 2 3 3 Aufgaben der analogen Schaltung 28 2 3 4 Bewertung des Prototyps 2 2 2 2a a 42 Zar EL e E 28 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Pho todiode 30 3 1 Uberpr fung des Versuchaufbaus e 30 3 1 1 Experimentelle Ermittlung der Brennweite der Optik 32 3 1 2 Nachjustierung der Platine 2 2 222220 34 3 1 3 Untersuchung
27. altung In diesem Kapitel wird der prototypische Versuchaufbau auf seine Schwachstellen hin experimentell berpr ft Zu Beginn dieser Arbeit war bekannt dass der vorhandene Versuchsaufbau unzureichend ar beitete Die genauen Fehler konnten nicht benannt werden Aus diesem Grund erfolgte zun chst eine Untersuchung der zur Verf gung gestell ten Optik und Schaltung samt lichtempfindlichen Sensor 30 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Wie in Abb 3 1 zu sehen ist diente ein Elektronikgeh use der Firma Bopla als Konstrukt f r die Optik und die innen liegende Schaltung Das Geh use sch tzt vor Feuchtigkeit genauso wie vor Staub und bie tet zudem den Vorteil dass der PSD weitgehend vor Einstrahlung unerw nschter Lichtquellen gesch tzt ist Weiterhin wurde ein f nfa driges Flachbandkabel nachtr glich mit dem PSD Sensor verbunden vgl Abb 3 2 Abbildung 3 2 Schaltung mit PSD und nachtr glich angel tetem Flachbandkabel F r erste Testmessungen wurde ein Laserpointer mit einer Wellenl n ge von 650nm verwendet Er wurde 2 5m von der Optik entfernt in gleicher H he platziert Der Laserpointer wurde auf die Optik ausge richtet und der Sensor mit einer Spannung von 5 26V versorgt Die vier Ausg nge des PSDs wurden mit dem digitalen 4 Kanal Oszil loskop TDS 2024 des Herstellers Textronix verbunden Hier sollten die Spannungen der verschiedenen Koordinaten visualisiert werden Na
28. annungen erzeugt Dies f hrt zu einer unzureichend genauen Bestimmung der Position des Lichtpunktes auf dem Sensor Erschwerend kommt hinzu dass der neue Prototyp keine Filterung des Umgebungslichtes durchf hrt Auch dies verschlechtert die Positions bestimmung F r eine weiterf hrende Bearbeitung des Themas ist zu empfehlen nur eine Messtrecke aus Strom Spannungs Wandlung und Tiefpass filterung aufzubauen Eine Messstrecke in der alle vier PSD Ausg nge die selben Bauteile benutzen w rde die Positionsbestimmung verbes sern Analogmultiplexer k nnten die Ausg nge des optischen Sensors nacheinander an diese Messstrecke schalten Weiterhin sollte eine dynamische R ckkopplung der Strom Spannungs Wandlung mit Hilfe eines PMOS Transistors die Erfassungsreichweite erh hen Eine zus tzliche Filterung des Umgebunsgslichtes k nnte mit Hilfe eines Sigma Delta Wandlers aufgebaut werden F r den Anwendungsfall Kornknecht kann optional eine Daten ber tragung per Funk auf Bluetooth oder WLAN Ebene entwickelt wer den Mit den genannten nderungen k nnten in Zukunft vier neue Proto typen entworfen werden Sie sollten lichtst rkere Objektive besitzen Mit ihnen k nnte dann ein gr er angelegter Feldversuch durchgef hrt werden 70 5 Softwareentwicklung mit QT Die Darstellung der Messwerte erfolgt ber eine grafische Benutzero berfl che GUI Das GUI wurde unter Suse Linux 10 1 mit Hilfe der QT Softwarebibliothek
29. bdeckung und des Steuerungsauf wandes wurde eine Studienarbeit 23 ausgeschrieben In ihr wurden verschiedene Steuerungsstrategien untersucht Zu diesen Strategien z hlten e das Ping Pong Verfahren e das Ping Pong Verfahren mit zuf lligen Richtungswechsel e die Spiralbewegung e die regul re Bewegung Die Auswertung wurde unter den Gesichtspunkten der Fl chenab deckung Parameterabh ngigkeit Positionsbestimmungsrate und Re chenaufwand durchgef hrt Dabei stellte sich heraus dass nur mit Hilfe der regul ren Bewegung eine vollst ndige Fl chenabdeckung in einer vorhersagbaren Zeit er reicht werden kann Die regul re Bewegung l sst sich auf zwei verschie dene Arten umsetzen Eine gleichm ige Hin und Herbewegung stellt das erste Muster dar Die zweite Variante hnelt der Spiralbewegung Hierbei bewegt sich der Roboter entlang der Au enkante und vergr Bert dabei seinen Abstand zur Wand mit jeder vollen Umrundung des Silos Weiterhin brachte die oben erw hnte Studienarbeit als Ergebnis dass die Steuerung bei diesem Verfahren nur von wenigen Parametern ab h ngt die Positionsbestimmungsrate und der Rechenaufwand jedoch als relativ hoch eingestuft werden m ssen 1 Einleitung Damit der Kornknecht mit technischen Hilfsmitteln gesteuert wer den kann muss er zun chst geortet werden In dieser Arbeit erfolgt die Ortung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodioden PSD Damit l sst sich die
30. ch dem Start des Versuchs wurde die Optik zun chst in horizontaler Rich tung um 90 Grad sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegengesetzt langsam gedreht Nach der gleichen Herangehensweise wurde die Op 31 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode tik in vertikaler Richtung verschoben In beiden F llen konnten keine Unterschiede weder f r die X noch f r die Y Koordinaten oder die Summe festgestellt werden Erst als die Optik entfernt und der Versuch wiederholt wurde konnten minimale Spannungs nderungen an den Ausg ngen gemessen werden Die Vermutung lag nahe dass die Brennweite der Optik unzureichend auf die Entfernung des Sensors abgestimmt war Dies galt es zu be weisen und zu korrigieren 3 1 1 Experimentelle Ermittlung der Brennweite der Optik 25 19 16 96 E 22 52 33 00 Abbildung 3 3 Schematische Darstellung der verwendeten Optik Die verwendete Optik ist in Abb 3 3 schematisch dargestellt Laut Herstellerangaben besitzt die Optik eine Brennweite von 8mm Wie bereits beschrieben muss der Sensor so positioniert werden dass sich die Sensorfl che in der Brennebene befindet Die Frage die sich je doch stellt ist Von welchem Punkt der Optik wird mit dem Messen der Brennweite begonnen damit der Sensor sich in der Brennebene befindet Eine M glichkeit dies experimentell zu ermitteln ist in Abb 3 4 sche matisch dargestellt Der Versuch ist wie folgt aufgebaut
31. ch die horizontal befindliche Schnecke selbstst ndig ab Sobald die Schnecke senkrecht im Mischgut steckt beginnt der Roboter sich fort zubewegen und arbeitet den Getreidestapel durch Mit dem Einbringen des Getreides in den Silo ist dieses zun chst un 1 Einleitung Abbildung 1 3 Kornknecht als Tandemger t 5 gleichm ig verteilt Nach einem vollst ndigen Durchlauf des Korn knechts entsteht eine gleichm ige wellenf rmige Oberfl che wie in Abb 1 4 zu sehen ist Abbildung 1 4 Vom Kornknecht durchmischtes Getreide 5 Der Kornknecht vereint die beschriebenen Vorteile besitzt jedoch einen wesentlichen Nachteil Er ist nicht in der Lage den optimalen Weg f r den Silo zu erkennen und abzufahren Somit ist eine Bedi enperson f r die Steuerung verantwortlich Diese Person verursacht 1 Einleitung weitere Kosten was die Attraktivit t des Kornknechts schm lert Aus diesem Grund wird eine geeignete Lokalisierung und Steuerung ben tigt die es dem Kornknecht erm glicht den Getreidestapel au tonom und systematisch zu durchmischen Die Aufgabe der Lokalisierung und Steuerung wurde in zwei Projekte geteilt Das Unternehmen Maaser gemis KG 6 bernahm die Steue rung Die Probleme einer Strategie des Durchmischens und der Lo kalisierung sollte vom Institut f r Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik der Universit t Rostock gel st werden Vor dem Hintergrund der Fl chena
32. chaltplan des neuen Prototyp TITLE PSD_Schaltung_1 Abbildung 6 1 Eagle Schematic des neuen Prototyp 76 Eidesstattliche Versicherung Ich erkl re an Eides Statt dass ich die vorliegende Arbeit selbst ndig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefer tigt habe Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt bernommenen Gedan ken habe ich als solche kenntlich gemacht Rostock 31 Januar 2007 Jens Schulz Danksagung Hiermit m chte ich allen danken die zum Gelingen dieser Arbeit bei getragen haben An erster Stelle danke ich meine Freundin Diana und meiner Familie Sie haben mich w hrend des gesamten Studiums un terst tzt und immer an mich geglaubt Weiterhin bedanke ich mich bei allen Mitarbeitern des Institut f r Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik besonders Prof Ralf Salomon f r die unerm dliche Hilfe und L sung fachlicher Probleme sowie f r die gute Zusammenarbeit
33. chnet Sie besitzen dann einen Bildwinkel gr er als 50 Grad bis weit ber 100 Grad Neben den beiden genannten Objektiven m ssen Fern oder Teleobjektive erw hnt werden Teleobjektive besitzen kleinere Bildwinkel als Nor malobjektive 18 Bei der zur Verf gung gestellten CCOTV Optik handelt es sich um ein Normalobjektiv im Digitalbereich vgl Abb 2 5 Die sehr kur Abbildung 2 5 Zur Verf gung gestellte CCTV Optik ze Brennweite von nur 8mm ist f r Digitalkameras blich und kommt durch die kleinere Chipfl che gegen ber der Bildgr e eines typischen 19 2 Stand der Technik Kleinformatfilms zustande Weiterhin befindet sich am Geh use der Optik je ein Stellring f r die Blende und die Entfernung Soll der Kornknecht auf der rechteckigen Fl che eines Getreidesilos geortet werden und befindet sich in jeder Ecke eine Kamera so ist es sinnvoll Weitwinkelobjektive mit einem Bildwinkel von 90 Grad zu verwenden Jede Kamera ist dann in der Lage die gesamte Fl che zu berwachen und eine Position zu ermitteln Aus den vier errechne ten Ergebnissen k nnte ein Schwerpunkt gebildet und so die Position genauer bestimmt werden Die Verwendung von Normalobjektiven er Abbildung 2 6 berwachte Getreidefl che bei 50 Grad Bildwinkel weist sich durch den kleineren Bildwinkel als problematisch Steht die Kamera in der Ecke des Silos wie in Abb 2 6 dargestellt reicht der Bildwinkel nicht aus um die gesamte Getreidefl c
34. ck 6 14 11 2006 HTTP wWW GEMIS INFO Maaser gemis KG 7 16 10 2006 HTTP DE WIKIPEDIA ORG WIKI BILD SAMMEL LINSE PNG Sammellinse Wikipedia 8 16 11 2006 HTTP WWW UNI PROTOKOLLE DE LEXIKON KARDANISCHE _AUFH EANGUNG HTML Kardanische Aufh ngung 9 16 11 2006 HTTP WWW VON GRAMBUSCH DE Alexander von Grambusch Elektrotechniker bei der Firma Elektro Duschl GmbH in Kolbermoor Heubergweg 12 D 83539 Pfaffing 11 2006 73 Literaturverzeichnis 10 23 10 06 HTTP WWW ELEKTRONIK KOMPENDIUM DE SITES BAU 0209092 HTM 11 BARTELS B S B V G G Farbatlas Krankheiten und Sch dlinge an landwirtschaftlichen Kulturpflanzen Kartoffel Zuckerr be Raps Getreide Mais Sonnenblume Hanf Stutt gart Hohenheim Ulmer 1999 12 BEUTH K Bauelemente Elemente 2 Vogel Fachbuch 2001 13 Bt DoHeErTy M W PIN Diode Fundamentals MicroNote Series 701 14 DOCTOR KALEVI HyyPpPA P E I POSITION SENSITIVE DEVICES AND SENSOR SYSTEMS FOR OPTICAL TRACKING AND DISPLACEMENT SENSING APPLICATIONS Oulu University ISBN 951 42 5780 4 PDF Faculty of Technology University of Oulu 2000 15 D PDF 06 12 2006 HTTP WWW ONSEMI COM PUB COLL ATERAL LM324 Datenblatt OPV LM324 16 HAMAMATSU 2D PSD Signal Processing Circuit For Pin cushion type PSD Type No C9069 OPERATION MNAUAL DWG No K32 B60025 Fifth Issued MAY 09 2005
35. d sehr hochwertige Gleichspannungsverst rker mit besonde ren Eigenschaften Sie werden auch als Rechenverst rker oder Dif ferenzverst rker bezeichnet und wurden f r die Analogrechentechnik und f r besondere Anwendungen in der Regelungstechnik konstruiert Das urspr ngliche Aufgabengebiet der Operationsverst rker war die Durchf hrung mathematischer und regelungstechnischer Operationen Heute werden sie berwiegend als monolitische integrierte Schaltungen gefertigt Durch gro e St ckzahlen verringerte sich der Herstellungs preis und neue Anwendungsgebiete konnten erschlossen werden 10 Ein Operationsverst rker ist weitgehend symmetrisch aufgebaut und besteht praktisch aus zwei Verst rkern die auf einen gemeinsamen Ausgang arbeiten vgl Abb 3 7 Jeder dieser Verst rker hat einen eigenen Eingang Die Spannungsdifferenz zwischen beiden Eing ngen kann verst rkt werden Ucc Uo Ute Abbildung 3 7 Schaltzeichen f r Operationsverst rker Alle Spannungen sind auf einen gemeinsamen Pol z B die Masse be zogen der im Schaltzeichen nicht dargestellt ist Der Eingang U_ wird invertierender oder auch N Eingang genannt Die an diesen Eingang 38 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode angelegt Spannung erscheint am Ausgang um 180 Grad verschoben wenn es sich um eine sinusf rmige Spannung handelt Der zweite Eingang U_ wird nichtinvertierender Normaleingang oder auch P Ein
36. dargestellt Sowohl die Ankathete als auch der rechte Winkel zur Gegenkathete k nnen als unver nderliche Gr en angesehen werden Auf der Ge genkathete wurde der Laser solange verschoben bis die Optik den Lichtpunkt erfassen konnte Die L nge der Gegenkathete wurde f r beide X als auch f r beide Y Koordinaten aufgenommen Mit Hilfe des Sinussatzes lies sich dann der Winkel o berechnen Wie bereits erw hnt bietet der Laser keine zufriedenstellende L sung bei der Ortung des Kornknechts im Getreidelager Es muss eher an eine ebenfalls starke Lichtquelle gedacht werden die jedoch weniger gerichtet die Photonen abstrahlt Aus diesem Grund wurden die Messung mit einem Baustrahler als Lichtquelle durchgef hrt Der Baustrahler besa eine Leistungsauf 42 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Kamera N Halber Blickwinkel a Ankathete Gegenkathete a 90 Winkel SECH Abbildung 3 10 Bestimmung des halben Blickwinkels der Optik nahme von 300W und wurde im Blickfeld der Kamera im Abstand von 2m positioniert Die Lampe konnte jedoch nicht von der Kamera erfasst werden Auch das seitliche Verschieben der Lichtquelle vor der Kamera erbrachte kei ne unterschiedlichen Messergebnisse Erst als der Scheinwerfer bis auf 109cm an die Erfassungseinheit herangebracht wurde konnten Unter schiede in der Stromabgabe des PSD festgestellt werden Aus diesem Grund wurden die 10k K
37. der in analoge Werte umgerechnet Nur die beiden Prototypen besitzen einen Tiefpassfilter mit einer obe ren Grenzfrequenz von 2 13Hz W hrend der existierende Prototyp lediglich die X Komponente und die Summe analog berechnen konnte und keine M glichkeit der Digitalisierung bot kann der neue Proto typ zus tzlich die Y Komponente analog berechnen und die analogen Ergebnisse mittels des CC1010DK 868 Development Kit digitalisieren Beim existierenden Prototyp betrug die zweite Referenzspannung 26V und lies sich mit den vorhandenen A D Wandlern nicht digitalisieren Aus diesem Grund wurde beim neuen Prototyp diese Referenzspan nung auf 1 65V gesenkt und entsprach damit die halben m glichen zu wandelnden Spannung des verwendeten A D Konverters Der neu entwickelte Prototyp verzichtet gegen ber dem existierenden Prototyp auf die Kondensatoren an den Ausg ngen der aktiven Tiefpassfilter und der X Y und Summen Werten Bei fallender Ausgangsspannung des OPVs w rden sich diese Kondensatoren gegen den Ausgang des OPVs entladen Die Folge k nnte eine Besch digung des Bauteils sein 68 4 Diskussion Ziel dieser Arbeit war es mit Hilfe einer zweidimensionalen Photodi ode eine Positionsbestimmung innerhalb geschlossener R ume durch zuf hren Eine Segmentierung des existierenden Prototyps zeigte seine Schwachstellen auf Nach Anpassungen der Optik und der Lage des Sensors konnten mit Hilfe einer neuen analogen Schaltung Messungen durchgef
38. der wie Indien und China nutzen auch den kleinsten Landstrich um Nahrungsmittel anzubauen Trotzdem ist es ihnen kaum m glich die gesamte Bev l kerung ausreichend zu versorgen In Europa hingegen f rdert die Eu rop ische Union die Stilllegung von Ackerfl chen und weiterhin bleibt eine Versorgung der Bev lkerung mit allen erforderlichen Nahrungs mitteln gesichert Im Jahr 2006 werden die Ernteertr ge geringer ausfallen als in den Jahren zuvor Der Verband Deutscher M hlen VDM teilte am 28 August 2006 in Bonn mit dass sich das Mehl aus deutschen M hlen nach Angaben des Branchenverbandes in diesem Jahr deutlich verteu ern wird Als Begr ndung gibt der VDM an 3 1 Einleitung Die lang anhaltende trockene Witterung in diesem Sommer sowie der danach einsetzende Regen habe bei Getreide zu er heblichen Ertragseinbu en gef hrt Deswegen l gen die Prei se rund 50 Prozent ber dem Vorjahresniveau Nicht nur ung nstige Witterung und die damit verbundenen Erntever luste lassen die Preise f r Getreide und Folgeprodukte steigen Wenn Getreide durch Sch dlinge befallen oder mit Restfeuchtigkeit in Silos eingelagert wird beginnt es zu verderben Durch diese Umst nde sind ebenfalls finanzielle Sch den zu bef rchten Durch Witterungseinfl sse entstandene Sch den lassen sich nicht ver meiden Dem Befall von Sch dlingen kann in begrenztem Ma e mit biologischen und chemischen Mitteln vorgebeugt werden Die Getreide Lagers
39. e verschiedenen Messungen lagen entlang der Abszisse und Ordinate sowie in den Ecken des PSDs Die PSD Ausgangsstr me wurden gemessen und die errechneten X und Y Koordinaten in die Tabelle 3 1 aufgenommen Anhand dieser Werte ist eine deutliche Fehlstellung der Platine sowohl in X als auch in Y Richtung zu sehen Mit einem Multidremel wurden die vorgefertigten Bohrungen der Platine soweit ausgefr st bis sich der Koordinatenursprung des PSD auf der optischen Achse befand Ab schlie end wurden die eben beschriebenen Messungen wiederholt Die Auswertung der aufgenommenen Messwerte ist in Abb 3 16 darge stellt 3 1 3 Untersuchung und Vergleich der vorhandenen Schaltung mit der Schaltung des C9069 Hamamatsu Referenzboards Die entwickelte Schaltung lag neben der defekten Platine noch als PDF Schematic vor Dieses Schematic ist in Abb 3 5 zu sehen Zur besseren Veranschaulichung wurden die verschiedenen Baugruppen farblich hinterlegt Kernst ck der Schaltung ist der PSD Die vier von ihm erzeugten Ein gangsstr me Ie werden mit Hilfe eines Strom Spannungs Wandlers in proportionale Spannung U gewandelt gr nlich unterlegt Als n chs tes werden die Spannungen tiefpassgefiltert hier rotbraun unterlegt Ein Tiefpassfilter schw cht die hohen Frequenzen bis zu einer Grenz frequenz und l sst alle tieferen Frequenzen praktisch ohne Abschw chung passieren In diesem Fall sollten vorwiegend die 50Hz Netzfre quenz und weitere hochfr
40. eb ude Die Kamera wurde direkt ber dem Laserentfernungsmesser fixiert und blickte in die entsprechende Richtung Gemessen wurden die Z h ler der X und Y Koordinaten sowie die Spannung der Summe Die digitalisierten Werte konnten in einer Hypertermverbindung auf ei nem Notebook dargestellt werden Als Lichtquelle diente der bereits erw hnte Baustrahler Seine Leistungsaufnahme wurde auf 500W er Das Leica DISTOTM A5 Laserentfernungsmessger t ist in der Lage Entfernungen bis 100m auf Imm genau zu bestimmen Weiterhin k nnen Teilstrecken berechnet Fl chen in m oder ft sowie Volumen in m oder ft ermittelt werden 45 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode h ht Abb 3 12 zeigt den gesamten Versuchsaufbau f r diese Messrei he Die erste Messreihe wurde bei Dunkelheit unter folgenden Bedingun gen aufgenommen Lampe und Kamera befanden sich in gleicher H he Die Lampe wurde direkt vor die Kamera gestellt und anschlie end auf der 0 Grad Achse in 5m Abst nden r ckw rts bewegt Der Koppel widerstand der Strom Spannungs Wandlung sollte 280kN betragen Dies gelang jedoch durch die Potentiometereigenschaften nur bedingt Die Werte schankten zwischen 277 und 295kQ Die Messreihe wurde in hnlicher Form ein zweites Mal wiederholt Unter gleichen Bedingungen und bei gleichen Einstellungen wie beim ersten Mal wurde jetzt nur die Lampenh he ver ndert sodass ein H henunterschied zw
41. elcher sich mit der Ausbreitung des Lichtes und deren Wechselwirkung mit 16 2 Stand der Technik der Materie besch ftigt Ein optisch wirksames Bauelement mit zwei lichtbrechenden Fl chen von denen mindestens eine Fl che konvex oder konkav gew lbt ist wird als Linse bezeichnet 18 Es existieren konkave plane und konvexe Linsen sowie Kombinationen aus diesen Abb 2 3 zeigt eine Konvexlinse Sammellinse optische Achse Sammellinse Abbildung 2 3 Strahlenverlauf bei Sammellinsen 7 Die horizontal gestrichelte Gerade auf welcher der Kr mmungsmit telpunkt der Linse liegt wird als optische Achse bezeichnet Die roten Strahlen die parallel zur optischen Achse verlaufen entstammen einer in unendlicher Entfernung befindlichen Lichtquelle Sie werden beim Eintritt und beim Austritt aus der Linse zur optischen Achse gebro chen und b ndeln sich im Brennpunkt Fokus F Die Linsendicke wird durch den Abstand d definiert Als Kreissegmente umfassen die Radien R1 und R2 die konvexen Oberfl chen der Linse Werden die Radien verl ngert so schneiden sie sich in zwei Punkten Die entstan denen Schnittpunkte befinden sich auf der Linsenebene Die Brenn weite f ist der Abstand der Linsenebene bis zum Brennpunkt H Unter der Annahme dass es sich bei dem verwendeten Linsensystem um ideale Linsen handelt kann davon ausgegangen werden dass par 17 2 Stand der Technik allel zur optischen
42. en Begriff allm hlich durch Bestrahlungsst rke zu ersetzen 27 28 2 Stand der Technik Die Situation zu Beginn dieser Diplomarbeit sah wie folgt aus Im Vor feld dieser Diplomarbeit wurden verschiedener Komponenten f r den Prototyp als geeignet eingestuft Dazu geh rten z B Optik IF Filter und PSD Eine entwickelte analoge Schaltung wurde gefertigt und in ein Industriegeh use eingebaut Erste Messungen wurden durchge f hrt lieferten jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse W hrend der Lokalisierung der Fehler wurde die Schaltung stark mechanisch beeinflusst Mehrere Kontakte waren durchtrennt oder nachtr glich mit L tbr cken versehen worden Des Weiteren waren tiefe Kratzspu ren auf der Platine zu sehen So lag die Vermutung nahe dass die Schaltung ihre urspr ngliche Aufgabe nicht erf llen konnte Trotz erbrachter Vorleistungen war es zu Beginn dieser Arbeit nicht m glich Strom nderungen an den Ausg ngen des PSD bei unter schiedlichem Lichteinfall zu messen Eine Zerlegung des gesamten Prototyps in Segmente wird Aufschluss ber die Ursachen des oder der Fehler liefern Im Verlauf der Arbeit wird ein neuer Prototyp ent stehen Mit ihm wird es m glich sein die Position einer Lichtquelle zu bestimmen 29 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode 3 1 berpr fung des Versuchaufbaus Abbildung 3 1 Industriegeh use mit Distanzring Optik und integrierter Sch
43. en entwickelt Qt ist eine Klassenbibliothek f r die plattform bergreifende Programmierung grafischer Benutzerober fl chen unter C Die folgende Pakete m ssen installiert werden e Qt3 die Qt Klassenbibliothek e Qt devel Include Dateien e Qt3develdoc Beispiele und Tutorials e Qt develtools Qt Hilfsprogramme wie Qt Designer Im Mittelpunkt dieses Kapitels steht die Darstellungssoftware F r weitere Informationen zu QT sei auf die QT Hilfe 1 sowie auf das Fachbuch von Burkhard Lehner 20 verwiesen Der Kern dieser Arbeit lag im Nachweis der Messbarkeit von Str men die vom PSD abgegeben werden sowie in der Berechnung der X und Y Koordinaten des Lichtpunktes auf dem PSD und nicht in der Entwicklung der graphischen Oberfl che Aus diesem Grund ist in der aktuellen Softwareversion interaktives Agieren nicht vorgesehen Die Darstellungssoftware ist in zwei Bereiche unterteilt In der linken Ebene befindet sich eine schematische Darstellung des optischen Sen sors Auf der rechten Seite werden die eintreffenden digitalen Werte dargestellt vgl Abb 5 1 Die Arbeitsweise der Software ist wie folgt Nach Programmstart wird eine Verbindung zur ersten seriellen Schnittstelle des Rechners her gestellt An dieser befindet sich eine Basisstation welche die Mess werte des Transponders empf ngt In einer sp teren Version kann die 71 5 Softwareentwicklung mit QT t Kornknecht X Wert Y Wert Kamera 1 761 436 Kamera 2
44. en ist zu erkennen dass der Sensor jetzt korrekt ausgerichtet war 2g Ss Ki Li e e x gt an BH 80 X Koordinate Abbildung 3 16 X Y Koordinaten der Platine Auswertung des Vergleichs der Schaltung des Prototyps mit der des Hamamatsu Referenzboards Es stellte sich heraus dass beide Schaltungen zu Beginn eine Strom Spannungs Wandlung durchf hren W hrend bei der Schaltung des Prototyps eine Tiefpassfilterung erfolgte wurde bei der Hamamatsu Schaltung darauf verzichtet Beim dem Frequenzfilter des Prototypen handelt es sich um einen Tiefpass zweiter Ordnung mit einer oberen Grenzfrequenz von 2 13Hz Des Weiteren fehlt bei der Schaltung des 52 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Prototyps die Berechnung der Y Komponente Die analoge Rechnung der X Koordinate sowie die Summenberechnung werden durchgef hrt Auf dem Hamamatsu Board werden ebenfalls die analoge Rechnung f r beide Koordinaten und die Summe durchgef hrt Dieses Board ist in der Lage die Ergebnisse analog und digital zu pr sentieren Der Prototyp hingegen kann dies nur analog Beide Schaltungen sind nicht in der Lage das Umgebungslicht durch Filterung zu eliminieren Aufbau eines neuen Prototyps Eine funktionelle berpr fung der Schaltung des Prototyps zeigte sei ne Schw chen auf Der Aufbau eines neuen Prototyps war erforderlich Dieser wurde um die Berechnung der Y Koordinate erweitert Z
45. ensionaler Photodiode durchgef hrt Bei einer H hendifferenz von 72 5cm zwischen optischer Achse und Lichtquelle wurde ber den gesamten ffnungswinkel der Optik gemessen Als Lichtquelle diente der 500W Baustrahler Es wur den sowohl die X als auch Y Koordinate vermessen Als Referenzlichtquelle zum Baustrahler wurden Messungen mit dem 650nm Laser durchgef hrt Die Aufnahme der Messreihe erfolgte bei Dunkelheit Die Y Koordinate wurde ber den gesamten ffnungswin kel vermessen Lichtquelle und Optik befanden sich in gleicher H he Ebenfalls zu Vergleichszwecken wurde die oben beschriebene Optik ge gen eine lichtst rkere Optik getauscht Bei ge ffneter Blende sind deut liche Unterschiede in der Linsengr en zu erkennen vgl Abb 3 13 Die Y Koordinate wurde ber einen 20 Grad ffnungswinkel in 2 5 Grad Abst nden vermessen Der H henunterschied zwischen Licht quelle und Optik betrug 45 5cm wobei die R ckkopplung der Strom Spannungs Wandlung unver ndert bei 280kQ eingestellt blieb Abbildung 3 13 Linsenvergleich der verwendeten Objektive Bei maximaler Verst rkung von 540kN w hrend der Strom Spannungs Wandlung wurden Distanzmessungen durchgef hrt Dabei sollte die gr tm gliche Entfernung zwischen Lichtquelle und Optik ermittelt werden Die Messungen wurden bei Dunkelheit mit dem lichtschw che rin Objektiv durchgef hrt Als Lichtquellen dienten der 650nm Laser und der 500W Baustrahler Die Messungen mit
46. equente St rungen ged mpft werden 34 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Out K1 X2 YIeY2 Abbildung 3 5 Schaltplanentwurf des Prototyps 35 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Bei dem hier vorgestellten Tiefpass handelt es sich um einen akti ven Tiefpass 2 Ordnung mit einer oberen Grenzfrequenz von FR x 2 13Hz Im Anschluss erfolgt die Berechnung der Summe und des Z hlers der X Koordinate auf analoge Weise Nach Herstellerangaben berechnet sich die X Koordinate wie in For mel 2 1 dargestellt Der orange unterlegte Bereich kennzeichnet die Summe und damit den Nenner von Formel 2 1 Hier werden alle vier Spannungen addiert Der Nenner kann in Abh ngigkeit der einfallen den Lichtmenge als Normierungswert betrachtet werden Der blau unterlegte Bereich stellt den Z hler f r die X Koordinate dar In der ersten Stufe werden hier zun chst die PSD Ausg nge X2 Y1 und dann die PSD Ausg nge X1 Y2 addiert Im Anschluss wird der zweite Summand vom ersten subtrahiert Eine analoge Vorgehensweise w re f r die Y Koordinate denkbar ge wesen wurde hier jedoch nicht dargestellt Weiterhin fehlt f r die voll st ndige L sung die Analogdivision Sie kann auf die Multiplikation zur ckgef hrt werden und ist im Buch Halbleiterschaltungstechnik von Tietze und Schenk 25 dargestellt Des Weiteren werden zwei Referenzspannugen
47. ergebnisse sind ohne die Kompensation nicht verwendbar Auswertung der Messungen im Geb ude mit der Laserlichtquelle Lichtes in Grad Gemessener Winkel des Eingestellter Winkel desLichtes in Grad EZ Gemessener Winkel Eingestellter Winkel Abbildung 3 21 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate mit dem Laser als Lichtquelle Die Messungen mit dem Laser als Lichtquelle lieferten relativ gute Ergebnisse vgl Abb 3 21 Alle Messwerte eines Winkels lagen sehr 63 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode nahe zusammen Der gr te Fehler liegt hier bei 5 bzw 5 Grad Der Erfassungswert bei 25 Grad ist ebenfalls sehr gro Gleichfalls wie in Abb 3 18 handelt es sich hier um den Randbereich der Optik Dadurch bedingt f hrt eine Fehlpositionierung der Lichtquelle zu gravierenden Fehlern W hrend der Baustrahler leicht in Richtung Optik eingestellt werden konnte erwies es sich als sehr schwierig den Laserstrahl exakt auf das Objektiv auszurichten Auswertung der Messungen im Geb ude mit der lichtst rkeren Optik Das Objektiv des existierenden Prototyps besa sehr kleine Linsen Mit zunehmendem Durchmesser der Linse vergr ert sich die Menge des eintretenden Lichtes F r diesen Versuch wurde ein lichtst rke res Objektiv verwendet vgl Abb 3 13 Bei Dunkelheit wurden mit diesem Objektiv Messungen ber den gesamten ffnu
48. ersuchung der Positionsbestimmung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodioden in Getreidesilos Als Grundlage dieser Diplomarbeit dient ein bereits existierender prototypischer Versuchsaufbau Er besteht aus Lichtquelle Optik zweidimensionaler Photodiode und analoger Eingangsstufe Eine Untersuchung jeder Komponente zeigt ob sie op timiert oder ersetzt werden muss oder ohne Einschr nkung verwendbar ist Im Wesentlichen besteht die gegebene Schaltung aus Operationsverst rkern Eine Vergleich dieser mit der Referenzschaltung des Herstellers zeigt sowohl Gemeinsam keiten als auch Unterschiede auf Es folgt eine Optimierung und Erweiterung des prototypischen Versuchaufbaus Da zu wird die Brennweite und der ffnungswinkel der Optik experimentell bestimmt Die Wahl der Lichtquellen sowie der Einsatz von Filtern wird untersucht F r die sp tere Ausgabe werden die errechneten X Y Werte und die Lichtintensit t mit Hil fe eines Mikrokontrollers digitalisiert ber eine grafische Oberfl che ist es m glich die Position des Lichtpunktes auf der Messeinheit auszugeben Messungen unter unterschiedlichen Bedingungen im Labor und in einem Verbin dungsflur geben Aufschluss ber die Genauigkeit der gemessenen Werte Die Ergebnisse der Messungen im Zwischengang zeigen unter anderem folgendes auf Die verwendete Schaltung ist bei maximaler Gegenkopplung der Strom Spannungs Wandlung und unter optimalen Bedingungenbis bis zu einer En
49. erte f r 0 Grad ein Von 10m bis zu einer 57 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Entfernung m X digits Y digits X digits X Y P 2 598 695 232 0 0 3 598 656 232 0 0 4 598 595 232 0 0 5 598 598 231 0 0 10 598 604 231 0 0 15 600 603 231 0 0 20 600 604 231 0 0 25 600 603 231 0 0 30 600 603 231 0 0 35 601 604 231 0 0 40 600 604 231 0 0 Tabelle 3 6 Verschiebung der Lichtquelle unter einem Winkel von 0 Grad mit H hendifferenz zwischen Lichtquelle und Kamera Entfernung von 40m blieben alle Werte relativ stabil und differierten lediglich um ein digit Die Messwerte spiegelten eines wider Auff llige Unterschiede bestan den nur w hrend der ersten 5m Dies deutet darauf hin dass durch die eingestellte Verst rkung die Lichtquelle nur in diesem Bereich er kannt werden konnte Weiterhin l sst sich aus den Ergebnissen des zweiten Versuches ableiten dass ab einem bestimmten Abstand hier ca 5m die Verst rkung der Strom Spannungs Wandlung nicht aus reicht Dies hat zur Folge dass kein Unterschied festzustellen war ob sich die Lichtquelle bei gleicher H he zur Kamera direkt vor ihr befand bereits deren Sichtfeld verlassen hatte oder auf der PSD Oberfl che zu wenig Photonen auftrafen um signifikate nderungen an den vier PSD Abgriffpunkten zu erzeugen Die Messwerte aus Tabelle 3 6 deuten ab einer Entfernung von 10m ebenfalls darauf hin
50. gang genannt Eine hier angelegte Spannung erscheint am Ausgang mit gleicher Polung bzw mit gleicher Phasenlage Ein OPV ben tigt zwei gegen ber dem Bezugspol symmetrische Speisespannun gen z B 10V gegen Masse und 10V gegen Masse Ein idealer Operationsverst rker h tte eine Verst rkung V x Ein gangswiderst nde Re ol einen Ausgangswiderstand Ra OQ eine Gleichtaktverst rkung Vo 0 und einen Frequenzbereich von O bis SSC Ideale OPVs k nnen jedoch nicht gebaut werden Stattdessen haben reale OPVs Verst rkung ca V 1000000 Eingangswiderst nde Re zwischen 1MQ und 1GQ einen Ausgangswiderstand Ra ca 100 eine Gleichtaktverst rkung Va 0 2 und einen Frequenzbereich von 0 bis 100MRz 12 Der in der Schaltung verwendete Operationsverst rker geh rt in die Serie LM324 Dabei handelt es sich wie in Abb 3 8 zu sehen um ein Package bestehend aus vier OPVs Sie besitzen je zwei echte differen tielle Eing nge Der Ausgang ist bei jedem OPV gegen Kurzschluss gesch tzt Weiterhin besitzen alle eine gemeinsame Masse und eine gemeinsame Versorgungsspannung Diese liegt zwischen 3V und 32V Out 1 11 Out 4 13 Inputs 1 f Log l Inputs 4 f12 Vcc 11 Vege GND 10 Inputs d GE Inputs 3 9 Out 2 8 Out3 Abbildung 3 8 Aufbau des OPV Package LM324 15 Die Referenzspannung OPV_Refl wurde nachgebaut und getestet Die anliegenden Signale an den vier Ausg ngen des PSD konnten eben 39 3
51. geben zu k nnen werden alle Zeilen und Spalten die ein Element heller des Schwellwertes enthalten untersucht Technische Daten des verwendeten PSD Der in dieser Arbeit verwendete PSD des Unternehmens Hamamatsu mit der Kennung S5991 01 ist ein analoger Sensor Bei ihm handelt sich um einen zweidimensionalen PSD in einem Keramik Package vgl Abb 2 11 Der S5991 01 geh rt in die Gruppe der Pin Cushion Posi tionsdetektoren Die Pin Cushion Variante bietet berragende lineare Positionsbestimmung bei gro er Ortsaufl sung Abbildung 2 11 PSD S5991 01 des Unternehmens Hamamatsu 17 Er besitzt eine aktive Fl che von 9 x 9mm bei einer Bauh he von 1 26mm Der Bereich der Umgebungstemperatur darf zwischen 20 und 60 Grad Celsius schwanken Uber eine Kathode wird er mit 24 2 Stand der Technik einer Spannung bis zu 20V mit Energie versorgt Bei angelegter Span nung und auftreffendem Licht werden vier Str me emittiert die eine Ortsbestimmung des auftreffenden Lichtpunktes erm glichen Der ent stehende S ttigungsphotostrom betr gt 5004A Die von dem Sensor erfassten Wellenl ngen liegen im Bereich zwischen 320 und 1100nm und schlie en somit ultraviolettes sichtbares und infrarotes Licht ein Typ Ta 25 C 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 Lichtempfindlichkeit A W 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Wellenl nge nm Abbildung 2 12 Lichtempfindlichkei
52. gebnisse sind in Abb 3 18 zu sehen Auch hier l sst sich eine Tendenz ber den gesamten ffnungswinkel erkennen Jedoch wurde bei eingestellten Winkeln um 15 bzw 15 Grad deut lich andere Winkel vom PSD gemessen Damit m ssen diese Werte als nicht zuverl ssig eingestuft werden Bei dieser Messung treten bei 10 bzw 10 Grad die gr ten Fehler auf Des Weiteren f llt auf dass bei einem eingestellten Winkel von 25 Grad der mittlere normierte Y Wert stark abf llt Hierbei handelt es sich um den Randbereich der Optik Ausgesendeten Lichtstrahlen treffen gerade noch auf das Objektiv Eine fehlerhafte Ausrichtung der Lichtquelle ber den maximalen ffnungswinkel f hrt somit zu falschen Messergebnissen 61 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Auswertung der Messungen im Geb ude bei Tageslicht Als Vergleich zu den Ergebnissen der Messung bei Dunkelheit wur den Messungen unter Einfluss von Tageslicht durchgef hrt Auch hier wurden beide Koordinaten vermessen F r eine quivalente Darstel lung wurden die Messwerte erneut auf Grad umgerechnet Abb 3 19 zeigt die Ergebnisse f r die X Koordinate Lichtes in Grad n Ki Ei E E Ben d c d KA n E a Eingestellter Winkel des Lichtes in Grad EZ Gemessener Winkel Eingestellter Winkel Abbildung 3 19 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die X Koordinate unter Einfluss
53. gen die ein Laser bietet wird er durch die schwere Erfassbarkeit nicht einsetzbar sein Eine bessere Wahl bietet eine sehr starke Lichtquelle die einen Gro teil der abgege benen Energie im IR Bereich besitzt Pulsiert diese Lichtquelle kann sie sehr gut von der Umgebung unterschieden werden Eine weitere Voraussetzung f r m glichst gut Messergebnisse liefert der Einsatz ei nes IR Filters Die IR Bereiche von Lampe Filter und Sensor m ssen aufeinander abgeglichen sein In einem Fall versagen jedoch alle genannten Varianten Die Uneben heiten durch das Sch tten des Getreides beim Einlagern k nnen derart gro werden dass die gesamte Misch Schnecke von den Kameras nicht mehr detektiert werden kann Unter diesen Umst nden versagen aber auch alle anderen optischen Verfahren 2 3 Positionsbestimmung mittels existierenden Prototyps In Abb 1 6 wurden der Aufbau der Messeinrichtung um die Position des Kornknechts zu bestimmen beschrieben Zwei dieser Segmente die Lichtquelle und der optische Filter wurden bereits n her unter sucht Der existierende Prototyp besteht weiterhin aus Optik einem optischen Sensor und einer analogen Schaltung Diese Komponenten werden im Folgenden untersucht 2 3 1 Die Optik Grundlagen in der Optik Der Begriff Optik stammt urspr nglich aus dem griechischen und tr gt die Bedeutung Lehre vom Sichtbaren oder auch zum Se hen geh rig 19 Die Optik ist ein Teilbereich der Physik w
54. he zu berwachen Abhilfe schafft ein r ckwertiges Verschieben der Kamera entlang der Diagonalen des Getreidesilos bis der Bildwinkel ausreicht um die ge samte Fl che zu berwachen vgl Abb 2 7 Der zur Verf gung ge stellte Sensor ist in der Lage zwei Dimensionen X Horizontale Y Vertikale zu erfassen Durch das Zur cksetzen der Kamera kann die Lichtquelle auf dem Kornknecht in der Horizontalen verfolgt werden Um die genaue Position des Kornknechts zu bestimmen fehlt eine entscheidende Information die Tiefe Die zweite Dimension des Sen sors wird zur Bestimmung der Tiefe verwendet Verbleibt die Kamera in zur ckgesetzter Position ist die Tiefeninformation in jedem Fall gleich Dies gilt sowohl f r Normal als auch f r Weitwinkel und Te leobjektive Erst durch das vertikale Verschieben der Kamera wird es erm glicht die Entfernung des Kornknechts von der Kamera zu bestimmen Dazu 20 2 Stand der Technik Abbildung 2 7 100 der Getreidefl che horizontal berwacht muss die Kamera auf einen bestimmten Punkt angehoben und geneigt werden Die Neigung der Kamera sollte so erfolgen dass die optische Achse des Linsensystems die Diagonalen der Getreidefl che schneidet Jetzt muss die Kamera soweit vertikal nach oben verschoben werden dass ihr Blickfeld sowohl die Ecke erfasst in der sie sich befindet als auch die gegen berliegende Ecke vgl Abb 2 8 Erst jetzt ist es m glich die Position eines Lichtpunkte
55. hen Er wird einen gro en Anteil des auftreffenden Lich tes eliminieren Dies gilt sowohl f r das Licht welches von der Misch Schnecke eingestrahlt wird als auch f r das Licht der vorhandene De ckenbeleuchtung und die durch die Fenster einstrahlende Sonne Unter g nstigen Umst nden lassen sich somit Fehlerquellen wir z B Leuchtstoffr hren gleichf rmig allseitig strahlend beinahe ausschal ten Durch ihren hohen Wirkungsgrad von etwa 90 9 wird nur ein sehr geringer Anteil der Energie in W rme umgesetzt Ein IR Filter mit z B 850nm Wellenl nge vor der Optik w rde die von einer Leuchtstoffr hre emittierten Wellenl ngen nahezu eliminieren Nur ein geringes eletromagnetisches Spektrum tritt durch den Filter hindurch Diese Frequenzanteile m ssen ausreichen damit der Sen sor hinter der Optik signifikante Str me erzeugen kann Bei der Wahl des Filters muss nat rlich auch auf den eingesetzten Sensor geachtet werden Ein Filter in einem Frequenzbereich in dem der Sensor be sonders sensitiv ist verbessert die Messergebnisse ebenfalls G nstig ist also der Einsatz von PSDs die besonders empfindlich bei gr eren Wellenl ngen oberhalb des menschlichen Sehverm gens arbeiten und Filtern welche auf die entsprechende Wellenl nge abgestimmt sind 15 2 Stand der Technik Der f r diese Arbeit zur Verf gung gestellte IR Filter l sst Licht mit einer Wellenl nge von 850nm passieren Fazit Trotz der guten Voraussetzun
56. ionsbestimmung in zwei Dimensionen 2 222 2 2 Prinzipieller Aufbau eines PSD auf Basis einer pin Diode Diskreter PSD mit paralleler Auswertung e PSD S5991 01 des Unternehmens Hamamatsu 17 Lichtempfindlichkeit des PSD 5991 01 in Abh ngigkeit von der Wel le l nge IT 22 ee ee ea Auftretender Dunkelstrom im Bereich der m glichen Sperrspannung und gegebener Umgebungstemperatur II Schematische Darstellung des S5991 01 17 Industriegeh use mit Distanzring Optik und integrierter Schaltung Schaltung mit PSD und nachtr glich angel tetem Flachbandkabel Schematische Darstellung der verwendeten Optik Experimentelles ermitteln der Brennweite 2 22 2220 Schaltplanentwurf des Prototyps Blockschaltbild des Referenzboards C9069 von Hamamatsu l6 Schaltzeichen f r Operationsverst rker 2 2 22222 Aufbau des OPV Package LM324 Ia Abbildungsverzeichnis 3 9 Aufbau der analogen Schaltung nach Referenzschaltung des Prototyps 42 3 10 Bestimmung des halben Blickwinkels der Optik 2 3 11 IR Filter f r Beschr nkung der Wellenl ngen 2 2 2 3 12 Versuchsaufbau f r die Messung im Geb ude 3 13 Linsenvergleich der verwendeten Objektive 2 2 2222 3 14 X Y Koordinaten des PSD bei unterschiedlicher Beleuchtung vor Justierung der Platine a ante es 2 02 2 Aa Rare an 3 15 Diodenkennlinie liefert R ckschluss auf flie enden Strom 21
57. is zu 5004A an Die erste Aufgabe die die Schaltung bernehmen muss ist die Um wandlung von Str men in Spannungen Je nach erzeugter Spannung muss diese verst rkt werden Die zweite Aufgabe ist eine Tiefpassfilterung Durch diese Filterung wird es m glich die 50Hz Netzfrequenz sowie weitere St rfrequenzen zu entfernen Mit Hilfe von Operationsverst rkern ist es jetzt m glich die Formeln 2 1 und 2 2 nachzubauen Als letzten Schritt werden die Spannungen f r die X und Y Koordinaten sowie deren Summe digitalisiert Die be stimmten Ergebnisse k nnen dann permanent an die Software wei tergereicht werden die eine Positionberechnung und Visualisierung durchf hrt 2 3 4 Bewertung des Prototyps Wie bereits erw hnt baut diese Diplomarbeit auf erste Erkenntnis se des beschriebene prototypische Versuchsaufbaus auf 26 welcher am Institut f r Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik der Universit t Rostock entwickelt wurde Da dieser Prototyp keine zufriedenstellenden Resultate lieferte hat diese Diplomarbeit die Untersuchung Weiterentwicklung und Opti mierung jeder einzelnen Komponente zum Gegenstand 4Strahlungsflussdichte oder auch Lichtintensit t ist die durchschnittliche Energie pro Fl chen und Zeiteinheit Fr her bezeichnete man den Energiefluss pro Fl chen und Zeiteinheit in der Physik als Intensit t In der Optik einigte man sich zumindest international wenn auch noch nicht generell darauf dies
58. ischen Lampe und Kamera von 107 5cm entstand Tabelle 3 5 zeigt die dabei aufgenommenen Messwerte f r X Y sowie die Summe Die Messungen wurden erneut bis zu einer Entfernung von 40m durchgef hrt Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 6 dargestellt Messungen bei denen das Licht aus unterschiedlichen Richtungen auf die Optik trifft komplettierten die erste Messreihe im Geb ude Die Kamera blieb w hrend des gesamten Versuches unver ndert und blick te entlang des 0 Grad Winkels W hrend sich die optische Achse in einer H he von 84 5cm befand hatte die Lichtquelle eine H he von 157cm Die entstehende H hendifferenz von 72 5cm sollte zus tzliche Informationen ber die Entfernung der Lichtquelle zur Kamera liefern Die Koppelwiderst nde der Strom Spannungs Wandlung blieben un ver ndert bei Werten um 280KQ eingestellt Die Messungen erfolg ten in 5 Grad Abst nden Zu jedem Winkel wurden mehrere Werte aufgenommen Dabei wurde die Lichtquelle entlang des Strahls des Laserentfernungsmessers verschoben Bedingt durch die Breite des Zwischenganges konnten nicht gleich vie le Messungen f r jeden Winkel durchgef hrt werden W hrend f r die gr ten Winkel von 25 Grad nur vier Messungen aufgenommen wer den konnten wurden bei kleineren Winkeln bis acht Messungen bei einer Entfernung von 7m durchgef hrt Zu Vergleichszwecken wurden Messungen unter Einfluss von Tageslicht 46 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidim
59. lle unter einem Winkel von 0 Grad ohne H hendifferenz zwischen Lichtquelle und Kamera Verschiebung der Lichtquelle unter einem Winkel von 0 Grad mit H hendifferenz zwischen Lichtquelle und Kamera Normierte Mittelwerte und berechnete Winkel der X Koordinate bei Dunkelheit ans ss Ha re an re De ne EC vii Aufgabenstellung Positionsbestimmung mittels positionssensibler zweidimen sionaler Photodioden Die Positionsbestimmung innerhalb geschlossener R ume mittels einfacher und kos teng nstiger Methoden ist nach wie vor eine Aufgabe mit vielen Herausforderungen Im Gegensatz zu typischen Anwendungen im Freien k nnen zum einen Verfahren wie GPS u nicht eingesetzt werden und zum anderen sind die Anforderungen bez glich Genauigkeit und Energieverbrauch h ufig h her Ausgehend von einem existierenden prototypischen Versuchsaufbau soll im Rah men dieser Diplomarbeit ein vollst ndiges System entworfen und aufgebaut werden Dazu soll in einem ersten Schritt die analoge Eingangsstufe bestehend aus Opera tionsverst rkern bez glich der Referenzschaltung des Herstellers untersucht beur teilt und ggf optimiert werden In einem weiteren Schritt soll unter Ausnutzung der existierenden Schaltungsentw rfe die notwendige analog digital Umsetzung realisiert werden Vier dieser Sensoreinheiten werden mittels eines weiteren Steuerrechners zu einem vollst ndigen System aufgebaut In diesem wird aus den Sensordaten
60. llringe die Achsen jeweils um 90 Grad gegeneinander versetzt ineinander drehbar gelagert wer den Das Instrument wird dann am innersten Ring befestigt 8 Als dritte m gliche L sung kann eine sehr leistungsstarke z B 300W Gl hlampe eingesetzt werden Die Gl hlampe kann als punktf rmi ge Lichtquelle angesehen werden Bedingte Bewegungen des Korn knechts durch das aufgesch ttete Getreide k nnen vernachl ssigt wer den da selbst dann noch ausreichend Licht auf die Optik f llt wenn sich der Kornknecht in Schr glage befindet Probleme treten bei der optischen Positionserkennung auf wenn neben 14 2 Stand der Technik der prim ren Lichtquelle weitere z B die Sonne oder Deckenbeleuch tung vorhanden sind Dies ist der Fall wenn der Silo Fenster besitzt Zwei oder mehr detektierte Lichtquellen f hren zwangsl ufig zu Fehl interpretaionen bei der Berechnung des Lichtschwerpunktes und damit der Position der Misch Schnecke Zum einen k nnen pulsierende Lichtquellen eingesetzt werden Um die genaue Position zu bestimmen wird eine Messung bei eingeschalteter Lichtquelle und eine Messung bei ausgeschalteter Lichtquelle gemacht Durch Subtraktion der Werte werden alle Lichtquellen neben der der Misch Schnecke eliminiert 2 2 2 Filterung des vorhandenen Lichtes Zum anderen verbessert der Einsatz eines optischen Filters die Mess ergebnisse wesentlich Der eingesetzte Filter muss einigen Spezifikatio nen entsprec
61. m und digitalisiert diese Als letztes werden die digitalisierten Werte per Soft ware weiterverarbeitet und schlie lich ausgegeben 10 2 Stand der Technik 2 1 Technische Verfahren zur Positionsbestimmung In diesem Teil der Arbeit liegt der Fokus auf dem aktuellen techni schen Stand Bevor auf verschiedene Lokalisierungstechniken einge gangen werden kann muss der Begriff der Lokalisierung erkl rt sein Lokalisierung ist wie folgt definiert 22 Bei der Lokalisierung bestimmt eine Entit t wo sie sich be findet Ein Lokalisierungssystem bernimmt dabei die Zu ordnung von symbolischen Systeminformationen zu einem Objekt in der realen Welt Aus den Ergebnissen kann die Position errechnet oder kombiniert wer den Durch Lokalisierung werden intelligente Anwendungen erm g licht Dies spielt z B beim ubiquitous computing eine wichtige Rolle Um eine Position bestimmen zu k nnen sind verschiedene Lokalisie rungstechniken denkbar Die Triangulation ist ein Verfahren zur Be stimmung von Entfernungen und Fl chen durch geometrische Eigen schaften von Dreiecken Die zweite Methode die Lateration bedient sich zum Messen des Abstandes zu einem Referenzpunkt Die Angu lation hnelt der Lateration jedoch werden hier Winkel gemessen Weil weder ein universelles noch ideales Lokalisierungssystem exis tiert muss zun chst eine grobe Unterteilung vorgenommen werden Es lassen sich Outdoor und Indoor Systeme unterscheiden vgl
62. ndig Diese Informationen werden verwendet um den Suchbereich f r die Satellitensignale einzuschr nken und somit die Messung zu beschleunigen Exakt vermessene Referenzempf nger lesen die Sa tellitendaten Der mobile Empf nger muss dann nur die Ankunftszeiten der Satellitensignale messen um seine eigene Position zu bestimmen 12 2 Stand der Technik 2 2 Visuelle Positionsbestimmung Eine visuelle Positionsbestimmung kann dann durchgef hrt werden wenn sich das zu detektiere Objekt im Sichtfeld des oder der Sensoren befindet Beim Einsatz der mobilen Misch Schnecke ist dies der Fall vgl Abb 1 5 2 2 1 Wahl einer geeigneten Lichtquelle Eine Lichtquelle wird in alle Richtungen gut sichtbar am Kornknecht montiert Welche Lichtquellen k nnen als geeignet angesehen werden Silohallen besitzen oft Seitenl ngen von 50m oder mehr Aus diesem Grund muss die Lichtquelle ausreichend leistungsf hig sein damit die Kameras in den Ecken des Silos ihren Lichtpunkt als Lichtquelle gut wahrnehmen k nnen Der Energieverbrauch kann als nebens chlich angesehen werden da jeder Motor der den Kornknecht antreibt eine elektrische Leistung von 2 2kW verbraucht Der Einsatz einer Laserlichtquelle erscheint zun chst als geeignet La serlicht ist aufgrund der starken B ndelung ber gro e Distanzen gut zu erfassen Problematisch ist die genaue Ausrichtung des Lasers Er muss als Punkt auf die Kameras zielen Durch die Bewegung des
63. ngswinkel durch gef hrt Die Ergebnisse sind in Abb 3 22 zu sehen Lichtes in Gard un E Ki E E E Ben d c d KA n d Eingestellter Winkel des Lichtesin Grad DJ Gemessener Winkel Eingestellter Winkel Abbildung 3 22 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate mit dem Docter Wetzlar Jena Objektiv Weil dieses Objektiv nur einen ffnungswinkel von 20 Grad besa wurden die Messungen in Abst nden von 2 5 Grad durchgef hrt Trotz der kleineren Abst nde ist es m glich eine Zuordnung der gemessenen Winkel zu den eingestellten Winkel vorzunehmen Der gr te Fehler trat bei einem eingestellten Winkel von 2 5 Grad auf Im Vergleich zum 64 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode bisher eingesetzten Objektiv kann in jedem Fall eine Unterscheidung auf 5 Grad Genauigkeit erfolgen Damit zeigt sich das dieses Objektiv besser geeignet ist als das bis da hin verwendete Objektiv des existierenden Prototyps Eine Optik mit noch gr eren Linsen d rfte die Messergebnisse weiter verbessern Da diese Messungen bei Dunkelheit durchgef hrt wurden kam es nur zu geringen Einstrahlungen fremder Lichtquelle bzw Reflexionen an den Fensterscheiben Ohne Kompensation des Umgebungslichtes d rfte die Verwendung des Docter Wetzlar Jena Objektiv die Messergebnisse bei Tageslicht negativ beeintr chtigen 3 5 3 Auswertung der Erfas
64. nsic Schicht Die i Schicht ist schwach dotiert und damit hochohmig Durch diese Eigenschaft erh ht sich die Lebensdauer der Ladungstr ger in der i Schicht wodurch sie auch bei kurzen Spannungsimpulsen lange leitend bleibt 13 22 2 Stand der Technik Er wird punktf rmig belichtet Der lokale Widerstand und somit auch die Str me die ber die vier an den R ndern liegenden Elektroden flie en ndern sich durch den Ort des Lichtpunktes vgl Abb 2 9 Ge gen ber diskreten Detektoroberfl chen bieten analoge PSDs ein hohes Ortsaufl sungsverm gen eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit und eine einfache Ansteuerung Weiterhin sind die Positionsdaten unab h ngig von der Gr e des Lichtpunktes auf der Detektoroberfl che Nachteilig ist das nichtlineare Verhalten der erzeugten Str me an den R ndern des PSDs Abbildung 2 10 Diskreter PSD mit paralleler Auswertung Die zweite Gruppe der PSDs sind die diskreten Sensoren Ihr licht sensitiver Bereich ist in Pixel unterteilt Sie werden in zwei Ausf h rungen produziert W hrend f r Messraten unter 1 kHz eine serielle Auswertung der Pixelwerte erfolgt wurden f r schnelle Anwendungen Matrixsensoren mit paralleler Auswertung entwickelt vgl Abb 2 10 23 2 Stand der Technik Bei ihnen wird jeder Beleuchtungswert mit einem Schwellwert vergli chen und das Vergleichsergebnis mit einem logischen ODER verkn pft Um den Mittelwert der Koordinaten berechnen und ausge
65. nzmessungen mit dem beschriebenen Laser und einem Bauscheinwerfer durchgef hrt Der Scheinwerfer wurde f r diese Messungen mit einer 500W Lampe ausger stet Bauscheinwerfer und Kamera wurden auf gleiche H he eingestellt Da die Lichtquelle sich unter gleichbleibendem Winkel von 0 Grad von der Kamera entfernte wurde erwartet dass sowohl die X als auch Y Koordinaten stets den selben Wert behalten Der X Wert diente wie in sp teren Versuchen als Indikator f r die horizontale Auslenkung und der Y Wert sollte im Falle einer H hendifferenz zwischen Kamera und Lichtquelle die r umliche Tiefeninformation liefern Weiterhin sollte die Summe die die Lichtintensit t widerspiegelt mit gr er werdender Entfernung kleiner werden Wie kommt dieser Ef fekt zustande Idealisiert k nnte die Lichtquelle als Punkt gesehen das Licht kugelf rmig ausstrahlen Die Lichtquelle befindet sich im Abstand r von der Oberfl che des optischen Sensors Die abgestrahlte Lichtmenge verteilt sich auf der Kugeloberfl che und trifft im Abstand 56 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode r auf den Sensor Weil die Formel f r die Kugeloberfl che Ao 4lIr ist und die Lichtintensit t sich auf der Oberfl che verteilt nimmt sie quadratisch mit dem Abstand r ab Die Ergebnisse der Messungen wurden in Tabelle 3 5 dargestellt Entfernung m X digits Y digits X digits X Y P 5 600 603 231 0 0
66. oppelwiderst nde der Strom Spannungs Wandlung durch Potentiometer mit Widerst nden bis 4 7 MQ ersetzt Damit wurde eine wesentlich gr ere Verst rkung der Strom Spanunngs Wandlung erreicht 3 3 Messungen mit einem IR Filter Wie bereits erw hnt kann das auftreffende Licht mittels Filter in einen bestimmten Wellenbereich selektiert werden Eine Minderung von St reinfl ssen w re die Folge Weil der verwendete PSD bei 960nm besonders sensitiv ist w re es sinnvoll einen solchen Filter zu verwenden F r Testzwecke wurde ein Filter welcher eine Wellenl nge von 850nm hindurchl sst zur Verf gung gestellt vgl Abb 3 11 Versuche mit der Laserquelle ergaben dass keine Unterschiede in der Stromabgabe des PSD zu verzeichnen waren Erst als das Laserlicht 43 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode durch den 300W starken Bauscheinwerfer ersetzt wurde konnten un terschiedliche Spannungen an den PSD Ausg ngen erkannt werden Abbildung 3 11 IR Filter f r Beschr nkung der Wellenl ngen 3 4 Messungen im Geb ude Die Ergebenisse der Messungen im Geb ude sollten nicht in Form von Ausgangsspannungen aufgenommen werden Ziel sollte es sein die Spannungen zu digitalisieren Ein A D Wandler erledigt diese Auf gabe Da keine A D Wandler als separater Baustein zur Verf gung stand wurde auf ein Mikrokontrollerboard von ChipCon zur ckgegrif fen Die wichtigsten Eigenschaf
67. or meln 2 1 und 2 2 berechnen Jeder Messwert wurde auf die dazugeh ri ge Lichtintensit t normiert Im Anschluss wurde aus allen Messwerten eines Winkels der Mittelwert gebildet Um die normierten Mittelwerte in Grad ausgeben zu k nnen wurde Bereich zwischen 25 Grad und 25 Grad nochmals auf 50 Einheiten normiert Im Anschluss folgte eine Verschiebung um 25 Einheiten in Richtung negativen Zahlenbe reich Zur besseren Veranschaulichung zeigt Tabelle 3 7 die ber den ge samten ffnungswinkel normierte Mittelwerte der eingestellten Win kel sowie die berechneten Winkel auf dem Sensor Die Ergebnisse aus Tabelle 3 7 wurde in Abb 3 17 dargestellt W hrend die blaue Linie die eingestellten Winkel zeigt symbolisieren die S ulen die gemessenen Winkel auf dem PSD 59 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Eingestellter Auf die Lichtintensit t Vom Sensor gemessener Winkel Grad normierter Mittelwert Winkel Grad 25 2 011815095 25 20 2 046830898 23 45565768 15 2 22183736 15 73714611 10 2 584773025 0 269823617 5 2 582233295 0 157810985 0 2 580375802 0 075887849 5 2 593549288 0 656893268 10 2 801788203 9 84109399 15 2 91468916 14 82049498 20 3 036525234 20 19397169 25 3 145495208 25 Tabelle 3 7 Normierte Mittelwerte und berechnete Winkel der X Koordinate bei Dunkelheit 30 s 3 TE 3 5 53 20 w 25 30 Eingestellter Winkel des Lichte
68. r me in X sowie in Y Richtung Das Zentrum des Sensors dient dabei als Koordinatenurspung 26 2 Stand der Technik 14 5 0 2 4 x RO 3 rn ACTIVE AREA 16 5 0 2 Abbildung 2 14 Schematische Darstellung des S5991 01 17 Koordinaten des Lichtpunktes Da es sich beim S5991 01 um einen zweidimensionalen PSD handelt m ssen sowohl die X als auch die Y Koordinaten bestimmt werden Die Formeln zur Berechnung der Koordinaten des Lichtpunktes auf dem Sensor wurden vom Unternehmen Hamamatsu geliefert ber die Formeln 2 1 und 2 2 lassen sich die Koordinaten des Lichtpunktes ermitteln Dabei ist der Wert f r L als konstant 10 beim PSD S5991 01 vorgegeben Es LEE IER y Coe m e N 2 1 L hb v_ BER 2 2 trbth gt Die Str me sind dabei den Pins am Sensor wie folgt zugeordnet N N e Ju entspricht Anode X1 e entspricht Anode X2 e entspricht Anode Y1 e entspricht Anode Y2 27 2 Stand der Technik 2 3 3 Aufgaben der analogen Schaltung Wie in Abb 1 6 zu sehen ist werden die vier vom PSD erzeugten Str me durch die Schaltung manipuliert bevor die Positionsdaten durch die Software dargestellt werden k nnen Welche Schritte m ssen ge macht werden damit aus den Str men Positionsdaten werden In Abh ngigkeit der Bestrahlungsst rke I welche auf den PSD trifft wird unterschiedlich viel Strom vom Sensor erzeugt Die Strom nimmt dabei Werte von 50nA b
69. s im Getreidesilo in zwei Dimensionen zu bestimmen Abbildung 2 8 Positionsbestimmung in zwei Dimensionen 21 2 Stand der Technik 2 3 2 Optische Sensoren zur Positionsbestimmung Arten und Aufbau von PSDs In dieser Arbeit werden optische Positionssensoren OPS so genannte Position Sensitive Detectors PSD f r die Triangulation eingesetzt Ein PSD ist in der Lage die ein oder zweidimensionale Position eines Lichtpunktes zu messen W hrend eindimensionale PSDs meist zur Ortsbestimmung eines Lichtpunktes verwendet werden k nnen zwei dimensionale PSDs f r die Positionsbestimmung eines Laser Strahls oder eines Objektes wie z B bei der Verfolgung von Augenbewegun gen eingesetzt werden PSDs arbeiten nach zwei verschiedenen Prinzipien Zum einen gibt es analoge Sensoren mit einer isotropen Sensoroberfl che Sie liefern kon tinuierliche Positionsinformationen Zum anderen existieren diskrete Sensoren deren Oberfl che rasterartig strukturiert ist Dadurch sind sie in der Lage diskrete Ortsinformationen zu liefern Ein analoger PSD besteht aus einer monolithischen PIN Diode 7 engl positive in trinsic negative diode mit einem konstanten Oberfl chenwiderstand in einer oder in zwei Dimensionsrichtungen Beleuchtung le Abbildung 2 9 Prinzipieller Aufbau eines PSD auf Basis einer pin Diode 3Eine pin Diode hnelt im Aufbau einer pn Dioden jedoch befindet sich zwischen p und n Schicht eine i intri
70. s in Grad Abbildung 3 17 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die X Koordinate bei Dunkelheit Bei einer r ckwertigen Verschiebung der Lichtquelle unter konstantem Winkel wurde erwartet dass der digitalisiert Wert konstant blieb Die ser Wert sollte kleiner werden wenn Winkel kleiner 0 Grad eingestellt waren Im Gegensatz dazu sollten die Messwerte bei Winkeln gr er 0 Grad ansteigen Bedingt durch die 5 Grad Abstufung wurde er wartet diese Stufen im Ergebnis wiederzufinden ber den gesamten ffnungswinkel verteilt trat die Erwartung nur bedingt ein F r die X Koordinate ist eine Unterscheidung von kleinen Winkeln um die op tische Achse problematisch Die Tendenz zwischen 25 Grad und 25 60 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Grad ist jedoch deutlich zu erkennen W hrend der normierte Wert von 2 01 dem Winkel 25 Grad zugeordnet werden konnten wurde f r den 25 Grad Winkel der normierte Wert 3 15 ermittelt In diesem Bereich verteilen sich dann alle Winkel der X Komponente D Q Ki kb e ESO E d om 5g lt z no vi O Dinge stellte Winkel des Lichtes in Grad E Gemessener Winkel Eingestellter Winkel Abbildung 3 18 Eingestellter und gemessener Winkel des einfallenden Lichtes f r die Y Koordinate bei Dunkelheit Diese Messreihe wurde unter gleichen Bedingungen f r die Y Kompo nente wiederholt Die Er
71. sungsgenauigkeit einer Lichtquelle in Abh ngigkeit von der Entfernung Mit zunehmender Entfernung der Lichtquelle vom PSD nimmt die Genauigkeit der Erfassbarkeit ab Begr ndet durch die Formeln 2 1 und 2 2 stellt sich bei zu gro er Entfernung wieder der Wert des 0 Grad Winkels ein Die Entfernung ist von verschiedenen Gegebenhei ten wie den Lichtverh ltnissen und der verwendeten Optik abh ngig Diese Zusatzinformationen stehen der Software nicht zur Verf gung Ihr Darstellungsbereich ist auf den Dynamikbereich des Lasers ange passt Wird z B eine andere Lichtquelle verwendet ndert sich der Dynamikumfang der digitalisierten Werte Als Folge wird die Positi on des Lichtpunktes verf lscht dargestellt Die Fehldarstellungen der Position des Lichtpunktes in Abh ngigkeit der Entfernung der Licht quelle ist in den Diagrammen 3 23 bis 3 25 dargestellt Abbildung 3 23 zeigt die aufgenommenen Messergebnisse bei Dunkel heit Bis zu einer Entfernung von 2 5m kann eine Zuordnung zwischen eingestelltem und errechnetem Winkel des eintreffenden Lichtes erfol gen Diese Zuordnung ist ungenau Mit zunehmender Entfernung ist keine Zuordnung mehr m glich So ist bei einer Entfernung von 3 5m keine Unterscheidung mehr zu treffen aus welcher Richtung das Licht durch die Optik fiel Unter Einfluss von Tageslicht wurden die Werte in Abb 3 24 aufge 65 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode 40 25
72. t des PSD 5991 01 in Abh ngigkeit von der Wel lenl nge 17 In Abb 2 12 ist die Lichtempfindlichkeit ber der Wellenl nge aufge zeigt Der Spitzenwert der Lichtempfindlichkeit liegt f r den S5991 01 bei 960 nm In einem Bereich von 80 von der Mitte des Sensors in seine Ecken ist bei 1u A Ausgangsstrom und einer Abtastfrequenz von 1kHz eine Positionaufl sung von 1 5um m glich Hier arbeitet der Sensor line ar Dar berhinaus ist ann hernd lineares Verhalten zu erwarten Der Hersteller empfielt dass der auftreffende Lichtpunkt eine Gr e von 25 2 Stand der Technik 0 2mm nicht unterschreitet Auch wenn keine Strahlung auf eine Photodiode auftrifft kommt es durch W rmeeinwirkung zur spontanen Bildung von freien Ladungs tr gern Damit flie t ein Dunkelstrom engl dark current Typ Ta 25 C 10 nA m HH HH TTT zn 85991 01 EED gr 1 nA ee use je E S E DR Rah Hi HD Li ec 22100 pA O ay Gi A De EE e Abbildung 2 13 Auftretender Dunkelstrom im Bereich der m glichen Sperrspan nung und gegebener Umgebungstemperatur 17 In Abb 2 13 ist das Verh ltnis von Dunkelstrom zu angelegter Sperr spannung engl reverse voltage aufgetragen Es ist zu erkennen dass bei Abdunklung des Sensors ein Strom von einigen 100pA bis zu 5nA in Abh ngigkeit der angelegten Sperrspannung und der herrschenden Umgebungstemperatur flie t Wie in Abb 2 14 dargestellt liefert der Sensor je zwei St
73. tabilisierung hat die Aufgabe Lagersch den zu minimieren oder zu verhindern Durch fehlende oder falsche Bel ftung sowie durch unzureichende Trock nung von Getreide lsaaten und K rnerleguminosen entstehen jedes Jahr immense finanzielle Sch den Diese Sch den k nnen gemindert werden wenn das existierende Grundlagenwissen gezielt umgesetzt wird Bei Lagerbegin muss eine Tatsache bereits bekannt sein Die Eingangsqualit t von frisch geerntetem Getreide kann nur gehalten nicht aber verbessert werden 2 Qualit tsminderung oder gar das Verderben von Getreide kann auf verschiedene Ursachen zur ckgef hrt werden Zum einen k nnen sch d liche Mikroorganismen wie Hefen Pilze und Bakterien aber auch Ge treidesch dlinge wie z B der Kornk fer der Getreideplattk fer und der Reismehlk fer vgl Abb 1 1 genannt werden Ausreichend feuch tes warmes sauerstoffhaltiges und pH neutrales Milieu im Getreide stapel erm glicht Mikroorganismen allen voran Pilzen ihre Exis tenz Die Lagerstabilisierung will diesen Konstitutionen entgegenwir ken Aus diesem Grund erfolgt eine Trocknung Reinigung und Bel f tung des Getreides Der Name Leguminosae wurde von Michel Adanson im Jahr 1763 geschaffen Leguminosen auch H lsenfr chtler genannt sind eine der artenreichsten Pflanzenfamilien Zu ihnen geh ren Erbsen Ackerbohnen Lupinen Wicken Erdn sse wie auch Luzerne Rotklee und Esparsette 1 Einleitung Abbild
74. tale Werte und berechnet im Anschluss die Koordinaten f r den X bzw Y Wert Die auftreffen de Lichtmenge wird ber verschieden leuchtende LEDs signalisiert Die berechneten digitalen Koordinaten werden ber die serielle RS232 Schnittstelle an die Software weitergeleitet Sie stellt die Position des Lichtpunktes auf dem PSD und die Spannungen f r den X und Y Wert bzw die Lichtintensit t dar Im Benutzerhandbuch zum C9069 wird deutlich daraufhingewiesen dass keine Filterung des Umgebungslichtes stattfindet Bei der exis tierenden Schaltung erfolgte ebenfalls keine Filterung des Umgebungs lichtes Vielmehr verf gt die bereitgestellte Schaltung ber einen Tief passfilter der wiederum auf dem C9069 Hamamatsu Board fehlt Nachdem beide Schaltungen in Bezug auf ihre Komponenten vergli chen wurden kann schrittweise die analoge Schaltung des Prototyps nachgebaut und auf ihre Funktionsweise getestet werden 37 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Ein praktischer Weg analoge oder digitale Schaltung oder auch nur Schaltungssegmente aufzubauen bietet die Nutzung von Steckplati nen auch Experimentierplatinen oder Steckbretter genannt Sie er m glichen einen schnellen und flexiblen Aufbau einer Schaltung ohne zu l ten Die Verdrahtung erfolgt dabei mit flexiblen Testkabeln Neben dem PSD sind Operationsverst rker OPV f r die gegebene Schaltung von wesentlicher Bedeutung OPVs sin
75. tein benutzen Damit wurde der auftretende systematische Fehler weitgehend minimiert Im Hinblick auf eine sp tere Digitalisierung der Spannungen wurde die zweite Referenzspannung auf einen Wert von 1 65V gesetzt und entsprach damit der halben Spannung die der im Anschluss geschaltete A D Konverter wandeln konnte Die fertig aufgel tete Schaltung ist in Abb 3 9 zu sehen Nachdem die gesamte Schaltung aufgebaut war wurde das Laserlicht aus verschie denen Richtungen auf die Optik gelenkt Je eine Messspitze befand sich am Ausgang eines Tiefpassfilters Die am Oszilloskop angezeigten Spannungen zeigten eine deutliche nderung beim Lichteinfall aus un terschiedlichen Richtungen Die ermittelten Werte lagen zwischen 1 35 und 3 24V 3 2 Experimentelle Ermittlung des ffnungswinkels der Optik Die fertige analogen Schaltung sollte benutzt werden um den ffnungs winkel der Optik zu ermitteln Dazu wurde im Labor ein Versuch durchgef hrt der es erm glichte den ffnungswinkel der Optik zu bestimmen 41 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Abbildung 3 9 Aufbau der analogen Schaltung nach Referenzschaltung des Proto typs Um St reinfl sse durch Einstrahlung nat rlicher oder k nstlicher Licht quellen zu minimieren wurde der Versuch bei Dunkelheit durchge f hrt Als Lichtquelle f r die Winkelmessung wurde erneut der Laser genutzt Der Versuchsaufbau ist schematisch in Abb 3 10
76. tellt Diese Tabelle ist wie folgt aufgebaut Ein PSD Ausgang wird nachein ander an vier OPVs eines Bausteins angeschlossen Die verschiedenen OPVs in einem Baustein sind in der zweiten Spalte durch die Ziffern 1 bis 4 gekennzeichnet Es wurden drei Bausteine vermessen Die da zugeh rigen Ergebnisse befinden sich in der jeweiligen Spalte Ausgang OPV im 1 LM324 2 LM324 3 LM324 des PSD LM324 U mV U mV U mV XI 1 632 640 632 XI 2 631 639 634 Xi 3 631 639 634 X1 4 631 639 633 X2 1 633 639 632 X2 2 632 639 634 Ke 3 632 639 633 Ge 4 632 638 633 YI 1 632 639 633 Y1 2 632 639 634 Y1 3 631 639 634 Y1 4 631 639 634 Y2 1 632 639 634 Y2 2 632 639 634 Y2 3 631 639 633 Y2 4 631 638 633 Tabelle 3 3 Ergebnisse des Ausmessens verschiedener LM324 Bausteine Aus Tabelle 3 3 l sst sich ablesen dass die OP Vs eines Bausteins ann hernd die gleiche Ausgangsspannung liefern Unter gleichen Eingangs bedingung k nnen verschiedene LM324 Bausteine jedoch recht unter schiedliche Messergebnisse liefern Aus diesem Grund ist darauf zu achten dass beim Aufbau der Schaltung f r eine bestimmte Gruppe z B Strom Spannungs Wandlung der selbe LM324 Baustein ver wendet wird Beim Ausmessen der OPV Bausteine fiel auf dass mehrere LM324 defekte Komponenten besa en Dies h tte zwangsl ufig zu fehlerhaften Ergebnissen gef hrt Die weiteren Experimente wurden mit der neuen Schaltung durchgef
77. ten dieses Boards sind dass es einen 8051 kompatiblen Mikrokontroller einen 3 Kanal A D Wandler und einen Low Power RF Transceiver enth lt Zun chst ist haupts chlich der re lativ leicht zu programmierende 8051 Mikrokontroller und der 10 Bit breite 3 Kanal A D Wandler von Bedeutung Die RF Einheit bietet f r sp tere Anwendungen die M glichkeit der Funk bertragung der digitalisierten Daten F r die Messungen im Labor und auch f r folgende Positionsmes sungen im Geb ude wurde das ChipCon Board ber eine RS232 Schnittstelle mit einem Notebook verbunden Die Messungen wurde in einem ca 40m langen und 2 75m breiten Verbindungsgang in der Richard Wagner Str 31 in Rostock Warnem nde durchgef hrt 44 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Das gesamte Blickfeld der Kamera sollte w hrend des Versuchs ver messen werden Deshalb wurde vor Versuchsbeginn eine Al gro e Zeichnung erstellt Die Zeichnung war wie ein Winkelmesser aufge baut und enthielt Strahleng nge von 25 Grad ber 0 Grad bis 25 Grad Die Strahlen wurden in Abst nden von 5 Grad angeordnet Diese Zeichnung wurde auf einem Ger tewagen fixiert und diente in Verbindung mit dem Laserentfernungsmesser Leica DISTOT A5 da f r dass immer unter einem konstanten Winkel und exakten Abst n den zwischen Lichtquelle und Kamera gemessen werden konnte vgl Abb 3 12 Abbildung 3 12 Versuchsaufbau f r die Messung im G
78. tfernung von 15 73m einsetzbar W hrend der Messungen muss die Gegenkopplung der Strom Spannungs Wandlung permanent nachgeregelt werden Der Einsatz einer sehr starken Lichtquel le ist unumg nglich St rungen wie 50Hz Netzfrequenz oder zus tzlich einfallendes Licht wirken sich extrem negativ auf die Messergebnisse aus 1 Einleitung Diejenigen Nahrungsmittel die mengenm ig den Hauptbestandteil der menschlichen Ern hrung ausmachen werden als Grundnahrungs mittel bezeichnet Die Grundversorgung an Kohlenhydraten Eiwei und Fett wird durch Grundnahrungsmittel sicher gestellt Eine aus reichende Versorgung mit Vitaminen und Spurenelementen k nnen sie nicht in jedem Fall gew hrleisten Zu den weltweit wichtigsten Grund nahrungsmitteln geh ren Getreide wie Weizen Roggen Gerste oder Reis Speicherwurzeln wie Kartoffeln M hren und R ben oder Yams und H lsenfr chte wie Linsen und Bohnen bzw daraus hergestellte Produkte wie Brei und Brot Eiwei quellen wie Fisch Fleisch Milch und Eier werden ebenfalls zu den Grundnahrungsmitteln gez hlt Regionale Unterschiede beim Konsumieren von Nahrungsmitteln h n gen stark von kulturellen klimatischen und wirtschaftlichen Faktoren ab Heutzutage dienen kaum mehr als zehn Nahrungsmittel als echte Grundnahrungsmittel f r den berwiegenden Teil der Weltbev lke rung Bis heute ist es nicht gelungen die stetig steigende Weltbev l kerung permanent mit Lebensmitteln zu versorgen L n
79. udem wurde aus Gr nden der sp teren A D Wandlung die zweite Referenz spannung auf 1 65V abgesenkt Die Strom Spannungs Wandlung sowie der Tiefpass zweiter Ordnung wurde f r beide X und beide Y Komponenten separat aufgebaut Die korrekte Funktionsweise dieser Gruppen konnte nachgewiesen werden indem sich das Umpositionieren des Lasers durch Spannungs nderun gen am Oszilloskop wiederspiegelte Dar ber hinaus konnten die sinus f rmigen St rungen durch k nstliche Lichtquellen verursacht durch den Einsatz der Tiefp sse beseitigt werden Die erfolgreich getesteten Bereiche wurden auf eine Lochplatine gel tet Bauteilbedingte Toleranzen w rden bei gleichen Ausgangsstr men des Sensors zu unterschiedlichen Ergebnissen f hren Aus diesem Grund wurden alle Widerst nde und Kondensatoren ausgemessen und auf einander abgestimmt Das Ausmessen der OPV Bausteine erfolgte in einem Experiment Dabei wurde die Laserlichtquelle in Richtung Optik fixiert Der X1 Sensorausgang wurde mit dem invertierenden Eingang des ersten OPV s verbunden und die Ausgangsspannungen gemessen Die gleiche Mes sung wurde mit den verbleibenden drei OPVs im Baustein durchge f hrt Dem Vermessen des X1 Ausgangs folgten die verbleibenden Aus g nge X2 Y1 und Y2 des PSD W hrend des Versuchs wurden drei 53 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode LM234 Bausteinen vermessen Die Messwerte sind in Tabelle 3 3 dar ges
80. und Vergleich der vorhandenen Schaltung mit der Schaltung des C9069 Hamamatsu Referenzboards 34 3 2 Experimentelle Ermittlung des Offnungswinkels der Optik 41 3 3 Messungen mit einem IR Filter oaaao 43 3 4 Messungen im Geb ude 2 2 2 a a 44 Inhaltsverzeichnis 3 5 Auswertung der Ergebnisse 2 zur SP 2 8 r I ehe 3 5 1 Auswertung des prototypischen Aufbaus 2 2 2 2 3 5 2 Auswertung der Experimente 2 22 222er 3 5 3 Auswertung der Erfassungsgenauigkeit einer Lichtquelle in Ab h ngigkeit von der Entfernung 2 2 2 22 4 Diskussion 5 Softwareentwicklung mit QT Literaturverzeichnis 6 Anhang il Abk rzungsverzeichnis UN ie Mikro Ampere RE EROBERN SEN TE Mikro Meter ee Ohm RR Es Pi DEN a en rer zweidimensional ee ER Kugeloberfl che A D Wandler Analog Digital Wandler Abbe Abbildung AGPS EE Assisted Global Positioning System GGIOTDDR Ar 2 2 Development Kit des Unternehmens ChipCon DEIN EE Closed Circuit Television EN ARE TERN AIR digitale Einheit EE Fotoempfindlichkeit Do a nee Fokus E e eech Giga Ohm GPSen o PIERRE Global Positioning System EEN BE Graphical User Interface Egeter Hertz ID ee ande Identifikationsnummer Ku Nee Kilo Hertz EEN res kette Kilo Watt ee Milli Meter M Abee den Ee H Mega Ohm WITZ nee Mega Hertz DA ee Nano Ampere DIN Liggen Nano Meter Warst Optischer Positionssensor DPA rs e Operationsverst rker DAR pr Piko
81. ung 1 1 Getreidesch dlinge links Getreideplattk fer Mitte Kornk fer rechts Rotbrauner Reismehlk fer 11 Das Unternehmen Wellenbrock besch ftigt sich mit den genannten Problemen sowie mit der F rderung Bef llung Lagerung und dem Beizen von Getreide F r die unterschiedlichen Bereiche entwickelte das Unternehmen verschiedene Ger te So wird neben Umlauf und Durchlauf Trocknern eine Misch Schnecke f r die Lagerbel ftungstrock nung vertrieben Oft verf gen diese Anlagen ber sehr gro e Abma e und m ssen wenn es sich nicht um mobile Anlage handelt in den Silos installiert wer den Die dabei anfallenden Anschaffungs sowie die Wartungskosten sind f r kleinere Unternehmen und private Bauern unrentabel Sie be n tigen Trocknungs und Bel ftungsanlagen die sich auf absehbare Zeit amortisieren Abbildung 1 2 Die mobile Misch Schnecke Kornknecht 5 1 Einleitung Um diesen Kundenstamm zu erreichen entwickelte das Unterneh men Wellenbrock eine mobile Misch Schnecke mit dem Vertriebsna men Kornknecht vgl Abb 1 2 Eine Aufgaben des Kornknechts besteht im Homogenisieren des Getreidestapels Dazu bewegt er sich ber den Getreidestapel und durchmischt dabei mit einer F rder schnecke das Getreide Das tiefer liegende Getreide wird vertikal nach oben bef rdert und an der Oberfl che ausgesto en Durch den Aus sto des Getreides bewegt sich der Roboter nach dem R cksto prinzip vorw rts Dieses
82. wischen 10 und 10 Grad darge stellt Diese Messreihe wurde bei Dunkelheit aufgenommen Deutlich ist eine genauere Erfassbarkeit als in den Abbildungen 3 23 und 3 24 erkennbar Der relative Fehler zwischen den Kennlinien des Bauschein werfers und der der Laserquelle ist bis zu einem Abstand von 3 0m gering Er wird bei 3 5m gr er ist jedoch deutlich geringer als in Abb 3 23 bei gleichem Abstand Damit zeigt sich dass ein lichtst r keres Objektiv sich positiv auf die Messergebnisse auswirkt Abschlie ender Vergleich zwischen Hamamatsu Referenzboard Schaltung des existierenden Prototyps und der Schaltung des neu entwickelten Prototyps Die Schaltung des C9069 Hamamatsu Board sowie der Schaltplan des existierenden Prototyps und die entwickelte Schaltung f r den neuen Prototyp besitzen mehr Unterschiede als Gemeinsamkeiten 67 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Gemeinsam haben sie nur das Wandeln der Ausgangsstr me des PSD in proportionale Spannungen Dabei ist keine der drei betrachteten Schaltungen in der Lage die Strom Spannungs Wandlung dynamisch von der auftreffenden Lichtmenge durchzuf hren Ebenfalls f hrt keine Schaltungen eine Filterung des Umgebunsgslichtes durch Das Hamamatsu Board verzichtet auf jegliche Kompensation von fre quenten Anteilen und wandelt die Spannungen in digitale Werte Diese werden an die mitgelieferte Software bertragen und f r die Darstel lung wie
83. zwischen Oberkante Distanzring und optischem Sensor 56 16mm und war damit zu gro gew hlt Experimentell konnte so nachgewiesen werden dass der Abstand auf 20 89mm verk rzt werden musste Durch angepasste Abstandshalter wurde der Fehler korrigiert Damit stimmte jetzt die Lage des PSD mit der Brennebene berein Nachweis der Funktionsf higkeit des optischen Sensors Entlang der Ordinate und Abszisse sowie in die Ecken des Sensors traf Laserlicht punktf rmig auf den PSD Tabelle 3 1 zeigt die dabei aufgenommenen Messwerte Durch die aufgenommenen Werte kann zun chst kein R ckschluss auf eine genaue Position des Lichtpunktes vorgenommen werden Dennoch sind deutliche Strom nderungen bei unterschiedlichem Lichteinfall zu erkennen Erst als die aufgenommenen Werte in die Formeln 2 1 und 2 2 ein gesetzt wurden konnte die Position des Lichtpunktes auf dem PSD visualisiert werden vgl Abb 3 14 Die Positionen des Lichtes wurden hier durch blaue Punkte markiert Die Abbildung aller f r die Messung eingestellter Lichtpunkte zeigt 49 3 Indoor Lokalisierung mittels positionssensibler zweidimensionaler Photodiode Position des x1 X2 Y1 Y2 X Y Lasers uA aA WA aA xA uA Koordinatenursprung 224 222 222 225 5 1 Links Mitte X1 252 219 219 252 66 0 Rechts Mitte X2 221 246 246 222 49 1 Unten Mitte Y1 242 222 244 222 2 42 Oben Mitte Y2 221 246 223 243 5 4

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