Sensor de infrarrojos

Características principales

El sensor de infrarrojos es un sensor de medición de distancia, que se basa en un sistema de emisión/recepción de radiación lumínica en el espectro de los infrarrojos (menor que las ondas de radio y mayor que la luz).

Una de las técnicas más habituales para la medición de la distancia es mediante la triangulación del haz de luz colimada, si bien también se puede "estimar" la distancia de un objeto a partir de la cantidad de energía recibida tras rebotar la luz sobre un objeto.

En robótica móvil se suelen utilizar sensores baratos de corto alcance, en un rango máximo de unos 50/80 cm. y el tipo de detección que realizan es direccional, es decir, sólo son capaces de detectar objetos que están enfrente del sensor.

Este tipo de sensor presenta el inconveniente de ser sensible a la luz ambiente como consecuencia de que los rayos de sol también emiten en el espectro de luz infrarroja. Por este motivo, son sensores que se utilizan habitualmente en entornos con iluminación artificial de forma predominante (interiores).

Sensor de infrarrojos de SHARP

Son, sin duda, uno de los sensores infrarrojos más utilizados en robótica, a destacar el GP2D12:

GP2D12

El GP2D12 tiene una interfaz analógica de la señal de salida, mientras que su análogo digital es el sensor GP2D02. No obstante, es interesante resaltar que el sensor GP2D12 tiene una frecuencia de refresco de unos 40ms, mientras que la versión digital tiene una frecuencia de refresco de unos 75ms. Ambos disponen de un emisor de luz infrarroja colimada y de un PSD (Position Sensing Device) que constituye el receptor. En su utilización, es recomendable utilizar un condensador de desacoplo de unos 22uF, con el propósito de reducir los ruidos en la señal de alimentación como consecuencia de la emisión infrarroja.

Principio medición mediante triangulación

El sensor infrarrojo funciona mediante el principio de triangulación de la luz que rebota sobre el objeto (de forma no especular). Tal y como se aprecia en la siguiente figura, el haz de luz incide con un ángulo diferente en función de la distancia del sensor. Este ángulo de incidencia es captado por una película lineal fotosensible que proporciona un valor analógico a la salida en función de la posición en la que el rayo de luz impacta.

triangulacion_G2PD12

Se puede fácilmente apreciar que uno de las principales inconvenientes de esta técnica de medición es que el ángulo de incidencia apenas varía para grandes distancias, con lo que el sensor es poco sensible para grandes distancias como se verá a continuación.

Sensibilidad y caracterización de la incertidumbre de medición

A continuación se muestra la curva de sensibilidad del sensor GP2D12:

GP2D12OutputPattern

A continuación se muestra un análisis estadístico de la salida del sensor de un objeto a unos 25cm de distancia sobre el que se han tomado 10.000 mediciones:

GP2D12Graph2

Fuente: http://www.robotshop.com

Se observa, en primer lugar que el sensor presenta una distribución de probabilidad que se puede asemejar a una Gaussiana (los valores del eje de las abscisas están en unidades del conversor A/D).

Calibración del sensor

Es bastante frecuente calibrar el sensor de infrarrojos de forma que mediante una LUT (look-up table) se transforme directamente la medición realizada por el conversor A/D a la distancia detectada o mediante una curva de calibración (p.e.: con una función polinomial). A continuación se muestra un ejemplo de mediciones realizadas con cuatro sensores diferentes:

curva_mediciones_GP2D12En la siguiente tabla se recogen los valores medios obtenidos:

tabla_mediciones_GP2D12y la curva de calibración obtenida con un polinomio de orden 3:

calibracion_GP2D12_results

calibracion_GP2D12

Sensor de infrarrojos CNY70

Es un sensor con una fuente de luz (diodo emisor) y detector (fototransistor) integrados en un mismo encapsulado. La detección del objeto se consigue por la reflexión (o no) del haz infrarrojo sobre la superficie del objeto. Este sensor no se utiliza habitualmente para medir distancias, pero sí funciona bien para detectar el "color" de un objeto (distinguir blanco/negro en aplicaciones para el seguimiento de línea).
cny70
  • Características:
    • Longitud de onda del haz infrarrojo de 950nm.
    • Intensidad del diodo emisor Iak=50mA.
    • Intensidad de colector Ic=50mA.
    • Tensión colector emisor Vce=32V.
    • Tensión emisor colector Vec=7V.
    • Consumo aproximado de 200mW.
    • Distancia de detección de 0.3 a 5mm.
    • Detector provisto de filtro óptico.
  • Esquema de conexión: Requiere de dos resistencias, una para el emisor y otra para el colector o emisor (según configuración) del fototransistor.

conexion_cny70_1

El circuito (a) entrega a la salida un nivel bajo cuando no refleja el haz infrarrojo (objeto de color negro) y un nivel alto cuando encuentra un material sobre el que refleja el haz (objeto de color blanco). El circuito (b) entrega un nivel alto cuando el haz no refleja y un nivel bajo cuando se detecta un material reflectante. Si la señal se quiere introducir a un microcontrolador es conveniente hacer pasar las salidas a través de un circuito trigger Schmitt que conforme las señales.

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