Perimeter-Schleife: Unterschied zwischen den Versionen
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Das Prinzip: im Garten wird ein Schleifendraht verlegt, durch den ein Signal gesendet und vom Ardumower ausgewertet wird. Gebraucht werden ein Sender zur Erzeugung und Übergabe des Signals an die Schleife und ein Empfänger zur Signalauswertung im ArduMower. | Das Prinzip: im Garten wird ein Schleifendraht verlegt, durch den ein Signal gesendet und vom Ardumower ausgewertet wird. Gebraucht werden ein Sender zur Erzeugung und Übergabe des Signals an die Schleife und ein Empfänger zur Signalauswertung im ArduMower. | ||
Version vom 11. Juli 2015, 12:05 Uhr
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Eine Begrenzungsschleife (oder Perimeterdraht) ist eine Art 'elektronischer Zaun': er veranlaßt den ArduMower zum Stoppen / Umkehren sobald die Grenze erreicht ist. Nicht in jeder Umgebung ist eine Begrenzungsschleife notwendig - Rasensensoren könnten eine Alternative sein.
Das Prinzip: im Garten wird ein Schleifendraht verlegt, durch den ein Signal gesendet und vom Ardumower ausgewertet wird. Gebraucht werden ein Sender zur Erzeugung und Übergabe des Signals an die Schleife und ein Empfänger zur Signalauswertung im ArduMower.
Und so wird das Signal empfangen: eine (oder zwei) Empfangsspulen liefern ein Signal, dessen Stärke je nach Abstand zwischen Schleifendraht und Empfangsspule(n) variiert. Interessanterweise wechselt das Signal in dem Moment seine Polarität, wo der ArduMower (genauer: die Empfänger-Spule) den Schleifendraht überfährt. Es gibt zwei prinzipielle Möglichkeiten, den Begrenzungsdraht zu orten. Wir haben beide Methoden implementiert (Perimeter V1 und V2) wie nachfolgend beschrieben.
Perimeterdraht
Komponenten
Signalstärke
Verlauf der Signalstärke
Perimeter-Magnetfeld
Objekte ausschließen
Flächen aufteilen
Videos: Magnetfeld Demovideo
Perimeter-Schleife V2 (erforderlich für aktuellen ArduMower Code)
Dies ist die neue Version von Sender und Empfänger für die Perimeter-Schleife (erhältlich über den shop 
).
Beim Überfahren des Perimeter-Schleifendrahtes passiert nun etwas Interessantes: die Polarität der Signalspannung wechselt von negativ auf positiv bzw. umgekehrt - je nachdem, ob man von innen oder außen kommt. Dadurch werden sowohl das Überfahren selbst als auch der Status (Aufenthalt innerhalb oder außerhalb der Schleife) eindeutig erkennbar. Wie bei der V1 nutzen wir zur Signalverstärkung wieder den Motortreiber für das Ausgangssignal und einen Operationsverstärker für das Eingangssignal von der Empfangsspule. Der Sender übergibt eine digitale Signalfolge (auch als 'pseudo-noise' bezeichnet) an die Schleife, die vom Empfänger über einen software-basierten digitalen Matched-Filter ausgewertet wird. Der Filter liefert als Ergebnis einen Peak: positiv - ArduMower innerhalb oder negativ - ArduMower außerhalb der Begrenzungsschleife.
Prinzipablauf:
Senderseite
- Erzeugen des Ausgangssignals durch den Arduino Nano
- Verstärkung des Ausgangssignals durch den Motortreiber (MC33926), Schleifendrahtenden anstatt eines Motors an den Ausgang anschließen
ArduMower
- Eingangssignal per Empfangsspule aufnehmen
- Eingangssignal per Operationsverstärker (z.B. LM386) verstärken
- ADC sampling durch Arduino Mega
- Signalfilterung and Analyse durch ein digitales Filter (software-basierter Matched-Filter-Algorithmus)
- Auswertung des matched filter Ergebnisses (zur Feststellung des Aufenthaltbereiches inner- / außerhalb der Schleife, Schleifenabfahren usw.)
Folgende Bilder erklären den Wechsel der Signalpolarität innerhalb und außerhalb der Schleife. Sie zeigen auch die Richtung der magnetischen Flusslinien, die vom Begrenzungsdraht ausgehen und wie sie die Spule innerhalb und außerhalb der Begrenzungsschleife treffen.
Innen/außen-Erkennung über den Polaritätswechsel
Flussrichtungen
Signal
Der Schlüssel zu einem guten Empfang des Perimetersignals überall auf dem Rasen ist die Optimierung des Signal-Rausch-Abstandes (SNR=signal/noise ratio). Um das SNR zu maximieren, gibt es zwei Ansätze:
- Signalstärke hochfahren (elektr. Leistung) oder
- Erhöhung der Signallänge
Wir nutzen eine Kombination beider Ansätze: der Sender wiederholt ständig einen digitalen Code ('pseudonoise4_pw') mit 9615 Hz :
1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,-1
'1' bedeutet einen positiven Signalimpuls, '-1' einen negativen. Der kürzeste erzeugte Signalwechsel ist '-1,1', das entspräche dem höchsten Ton (wenn man es hörbar darstellen würde) von 4808 Hz. Das andere Extrem wäre der längste erzeugte Signalwechsel mit '1,1,-1,-1', bei einer Frequenz von 2404 Hz.
Die Spule erkennt nur diese Signalwechsel des Sendersignals. So - also ohne den Kondensator in Serienschaltung zur Spule - zeigt sich das Empfangssignal wie folgt:
1,0,-1, 0,1,-1,1,-1, 0,1,-1,1,0,-1, 0,1,-1, 0,1,-1, 0,1,0,-1
Verwendet man jedoch den Kondensator in Reihe zur Spule, sind gesendetes und empfangenes Signal vom Prinzipverlauf wieder identisch.
Perimetersignal an Sender und Empfangsspule
Der Arduino ADC wertet das Empfangssignal mit einer Abtastrate von 9615 Hz aus.
Filter
Die gewählte Signalform hat eine spezielle Charakteristik:
Weil es wie ein Zufallssignal aussieht, stimmt es nicht in Teilen mit sich selbst überein, sondern erst als komplette Sequenz (Übereinstimmung). Aufgrund dieser Charakteristik können die Startpunkte der Signalsequenz durch ein matched filter ('Korrelation' mit dem gesuchten Signalmuster) ermittelt werden: sie erscheinen als Nadelimpuls im Filterergebnis - und zwar auch bei einem stark verrauschten Signal (z.B. durch Störimpulse von Motoren etc.). Die Polarität der Spitze (positiv oder negativ) gibt an, ob sich die Spule inner- oder außerhalb der Begrenzungsschleife befindet.
Du kannst sehen, wie das funktioniert: für ein tiefergehendes Verständnis des Perimetersignals und des Filters schau Dir folgende Simulation (in englisch) an: Matched filter simulation
- Wähle eine Perimetersignalform: setze den Schieberegler (rechts oben 'example signals') auf pseudonoise4_pw (Wert 23).
- Hebe den Wert des Störsignal ein wenig an: setze den Schieberegler ('noise') auf den Wert 2.
- Der Plot 'Matched filter' (links unten) zeigt, dass das wiederholte Signal 3 mal entdeckt wurde.
- Nun simuliere die Bewegung der Spule aus der Perimeterschleife nach außen: Klicke auf 'Invert' und setze damit die Verstärkung auf '-1'. Der Filter liefert 3 negative Spitzen.
Mehr dazu unter: Video über matched filter
Matched Filter
Beispiele für gutes / schlechtes Signal
Sender
Sender Schaltplan
Ardumower Sender PCB
Sendersignal (6.5V, ohne Perimeterschleife)
Sendersignal (6.5V, 120m Perimeterschleife 7 Ohm)
Sendersignal (6.5V, 4 Ohm Widerstand + 2m Perimeterschleife)
Varianten der Motortreiberschaltung
Wir benutzen einen Arduino Nano zur Erzeugung und einen Mototreiber als Ausgangsverstärker des Signals. Der Motortreiber wird mit 3,2 kHz betrieben (2 Impulsbreiten 4808 und 2404 Hz). Bei ausreichend langen Schleifendrähten benötigt der Generator typischerweise 10W (6.5V, 1.7A). Unser Motortreiber verfügt über eine integrierte Strombegrenzung und eine Übertemperaturabschaltung (z.B. MC33926). Die Schleifenlänge kann im Bereich 20 - 450m betragen und muss mindestens 5 Ohm Widerstand aufweisen.
Sender Pin-Belegung:
motor driver M1OUT1 o---------- perimeter loop (20-450 meters, > 5 Ohm) --+
|
motor driver M1OUT2 o---------- perimeter loop ---------------------------+
motor driver Vin o-- 6.5V
motor driver M1IN1 o-- Arduino Nano pinIN1
motor driver M1IN2 o-- Arduino Nano pinIN2
motor driver M1PWM_nD2 o-- Arduino Nano pinPWM
motor driver M1nSF o-- Arduino Nano pinFault
motor driver M1FB o-- Arduino Nano pinFeedback
motor driver EN o-- Arduino Nano pinEnable
motor driver VDD o-- Arduino +5V
motor driver M1D1 o-- GND (via Jumper)
motor driver SLEW o-- VDD (via Jumper)
|---------o-- GND
Potentiometer 100k -----o-- Arduino Nano pinPot
|---------o-- Arduino +5V
ACS712-05 OUT ------o-- Arduino Nano pinChargeCurrent
ACS712-05 A ------o-- charging pin (+)
ACS712-05 B ------o-- battery charger +24V
battery charger GND-o-- charging pin (-)
Beispiel für den Senderaufbau mit einer Lochrasterplatine: [1] [2] [3]
Sender Perimeterschleife und Rasengröße
Bei einer Betriebsspannung von 6.5V sollte die Perimeterschleife nicht über 450 m lang sein. (Für den 'Wohnzimmertest' tut es auch ein 100 Ohm Widerstand in Reihe mit 5m Schaltdraht.)
Setzen wir mal eine kreisrunde Rasenfläche voraus erhalten wir für 450m Schleifenlänge (= Kreisumfang) einen Radius von 70m:
radius = Schleifenlänge / (2*PI) = 450m / (2*PI) = 70 meter
Wäre die Signalqualität nicht durch den Radius begrenzt, entspräche der eingegrenzte Rasen einer Fläche von 15000m2:
Fläche = PI * (radius*radius) = PI * (70m * 70m) = 15000 m2
Da jedoch der maximale Radius für ausreichende Signalqualität bei ca. 18m liegt, ergibt sich die maximale Rasenfläche (Annahme immer noch: Kreisfläche!) zu 1000m2: Fläche = PI * (radius*radius) = PI * (18m * 18m) = 1000 m2
Einstellung der Senderstromstärke
Zur Einstellung der Sendeleistung (Spannung*Strom) gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- Spannung am DC/DC-Wandler: die Versorgungsspannung des Motortreibers kann über das Poti des Wandlers zwischen 6.5 bis 12V eingestellt werden. Das ist der empfohlene Weg. Beachte: der MC33926 Motortreibermotor benötigt eine Mindestspannung (Vin) von 5V. Bei zu geringer Spannung regelt der Motortreiber sporadisch ab und die Arduino-LED zur Anzeige von Unterspannung fängt an zu blinken.
- Normale Amplitude: statt die Perimeterschleife zwischen +Vin und -Vin (doppelte Amplitude ist Standardwert) umzuschalten, kann der Motortreiber auch nur zwischen +Vin und GND (einfache Amplitude). So zieht die Schleife weniger Strom. Zur Einstellung der einfachen Amplitude muß die entsprechende Codezeile in 'sender.ino' auskommentiert werden:
// #define USE_DOUBLE_AMPLTIUDE 1
- Hochlastwiderstand: Bei einem Schleifenwiderstand kleiner 5 Ohm kann der Strom nicht weiter reduziert werden, indem man die Spannung runterdreht: unterhalb von ca. 6V arbeitet der Arduino nicht mehr richtig. Dann hilft nur noch ein zur Schleife in Reihe geschalteter Hochlastwiderstand (R: z.B. 5 Ohm, 10W).
@6V (Vin): 5 ohm Hochlastwiderstand => I=U/R=6V/5Ohm=1.2A (P=U*I=6V*1.2A=7.2W)
Daher also die mindestens 10W Belastbarkeit des Widerstandes! In diesem Falle auch die 'einfache Amplitude' im Sendercode aktivieren (doppelte Amplitude nicht benutzen!).
Senderstromüberwachung (in Entwicklung)
Idee: das Poti VR1 wird durch ein digitales Poti (z.B. MCP4151-5K) ersetzt. So kann die Vin des Motortreibers (und damit auch der Strom) über den Arduino eingestellt werden:
LM2596 Modulschaltplan
MCP4151-5K version:
Vout = 1.23V*(1+VR1/R1)
Using VR1=5K... Vstart (on reset): Vout=1.23V*(1+2.5K/0.33K)=10v Vmax: Vout=1.23V*(1+5K/0.33K)=19v
Automatische Schleifensignalabschaltung
Während sich der ArduMower in der Ladestation aufhält, wird das Schleifensignal nicht benötigt und wir können Energie sparen. Zum Erkennen des Ladestatus wird ein Stromsensor (ACS712) zwischen Ladegerät und Ladeanschlüsse geschaltet.
Sendersoftware
NOTE: Wenn Du Dich nie zuvor mit Arduino beschäftigt hast, lies zuerst unsere Einführung 'erste Schritte mit dem Arduino'.
Wichtig: Vergewissere Dich, dass die Pin-Konfiguration des Arduino im benutzten Code (sender.ino) mit Deinem Senderaufbau übereinstimmt!
Im Code (sender.ino) die passende Option für die automatische Schleifenabschaltung (bei Verwendung des oben beschriebenen Stromsensors Option 1) wählen:
- Define if you have connected a charging current sensor for automatic sender standby: #define USE_CHG_CURRENT 1 (or 0)
Sender Zustandsanzeige
Die LED auf dem Arduino Nano signalisiert den Senderstatus:
- An: Perimeterschleife ist angeschlossen und arbeitet
- Aus: Perimeterschleife ist geöffnet (oder durch Defekt unterbrochen) und arbeitet nicht
- Blinkt: der ArduMower wird geladen und die Perimeterschleife ist zur Energieeinsparung durch die Software deaktiviert
Ausgabe 'sender.ino' über serielle Konsole
Sendertest per PC-Soundkarte
Du kannst den Sender mit Deine Soundkarte und einer Spule testen:
- Verbinde eine Spule (100 mH) mit dem Mikrofon-/Line-Eingang (max 1V) Deiner Soundkarte
- Starte das Web-Oszilloskop, und wähle Filter 'Matched', Frequenz '9615' Hz, Visualization Math 'MinMax'
- Das Ausgangssignal sollte den Abstand zur Perimeterschleife wiederspiegeln - die Polarität (negativ/positiv) zeigt den Aufenthaltsbereich (innerhalb/außerhalb) der Schleife.
Versuche in beiden Fällen (innen/außen), die Spule so dicht wie möglich an der Schleife zu positionieren, um ein auswertbares Signal zu empfangen (zur Erinnerung: wir arbeiten hier ohne die Signalverstärkung durch den Operationsverstärker, da der Soundkarteneingang nur mit max 1V beaufschlagt werden darf).
Effektivwert des empfangenen Zeit-Signals (Filter Off, Time scale: x5)
Ideales Zeitsignal erzeugt vom Sender (Filter Off, Time scale: x5)
Matched Filter Signal (Frequency: 9615 Hz, Math: MinMax)
Beispiel für gutes / schlechtes Signal
Video zur Erklärung aller Schritte
Empfänger
Zum Signalempfang verwenden wir eine Spule (100 mH or 150 mH, nur für die älteren Softwareversionen wird ein Kondensator 4.7nF mit der Spule in Reihe geschaltet) in aufrechter Position, in der Mitte am vorderen Rand des ArduMower. Sie ist zur Verstärkung des empfangenen Signals mit dem Eigang eines LM386 Operationsverstärkers verbunden. Auf dem LM386 Modul wird der Kondensator C3 überbrückt, damit der Verstärker ein Signal zwischen 0..5V statt im Standardbereich -5V..+5V) liefert. Der Ausgang des LM386 sollte mit dem Arduino Analog-Pin ('pinPerimeterLeft') verbunden werden.
Empfängerschaltkreis und überbrückter Kondensator C3
Position der Perimeterspule
Eine zentrierte, aufrecht montierte Spule
LM386 Modul Schaltplan
Abstand Spule-Rad: Einfluß auf den Wendekreis (Kurvenwinkel)
Zwei Spulen (experimentell), Abstand Spule-Spule Hinterradantrieb 12.5cm, Frontantrieb 19cm
Empfängerschaltplan:
LM386 IN o------- capacitor 4.7nF ----------- coil 100 mH (or 150 mH)
Arduino pinPerimeterLeft o------o LM386 OUT
LM386 GND o----------------------------------- coil
Achtung: Die Spule muss direkt an den Verstärkermodul angeschlossen werden. So wird die Störfestigkeit des schwachen Spulensignals gegenüber Einflüssen anderer Komponenten (Motore, DC-DC-Wandler) verbessert.
Differentielles Signal: Die aktuelle Software erfordert das Weglassen des Kondensators 4.7nF in Reihe mit der Spule.
Nicht-differentielles Signal: Mithilfe des Kondensator 4.7nF wird das Sendersignal wieder rekonstruiert (s. Abschnitt Signal), der Empfängeschaltkreis ist ein Schwingkreis (C und L und Perimeterschleife fungiert als Antenne) und alle Parameter (C, L, Schleifendrahtlänge) müssen übereinstimmen. Weil dies die Abstimmung verkompliziert, wird das nicht-differentielle Signal nicht empfohlen!
Abstand Spule/Verstärker zu Motoren
Achte auf die Einhaltung aller Mindestabstände zwischen den folgenden Komponenten:
* Spule zu Radmotor: > 15cm * Spule zu Mähmotor: > 10cm * Spule zu DC-DC Wandler: > 10cm
Achtung: Halte Spule/Vorverstärker von den DC-DC-Wandlern und Motoren fern!!!
Signalmessungen
Sender / Spule / LM386 Verstärker Ausgangssignale sollten etwa so aussehen: (witere Details über das Signal s. Abschnitt Signal)
Perimetersignal an Sender, Empfangsspule und LM386 (Theorie)
differentielles Signal / Spulensignal ohne Kondensator (5V sender, 5 Ohm Schleife - blau: Perimeter, gelb: Spule, grau: LM386 Verstärkerausgang)
LM386 Ausgang mit DC Störungen (differentielles Signal / Spule ohne Kondensator)
LM386 Ausgang (nicht-differentielles Signal / Spule mit Kondensator, 12V Sender, 120m Schleife)
nicht-differentielles Signal / Spulensignalmit Kondensator (5V Sender, 5 Ohm Schleife - grau: Perimeter, gelb: Spule, blau: LM386 Verstärkerausgang)
LM386 Ausgang mit Störungen durch Motoren (differentielles Signal / Spule ohne Kondensator)
Signal und Rauschmessungen
Einige Spulenmessungen ohne Verstärker aber mit Störungen (Motoren, DC/DC-Wandler etc.):
Spule und 60 kOhm Parallelwiderstand ohne Störungen (Spulenhintergrundrauschen Vpp=7 mV)
Spule und 60 kOhm Parallelwiderstand mit Störungen durch DC/DC-Wandler (DC/DC-Rauschen Vpp=18 mV)
Spule und 60 kOhm Parallelwiderstand mit Störungen durch Motoren
Spulensignal mit seriellem 4.7nF Kondensator, PWM-Perimetersignal (nicht empfohlen) ohne Störungen
FFT Signal
FFT Motor-Störungen
FFT DC/DC-Störungen
ADC-Kalibrierung am Empfänger
Die ADC-Kalibrierung (bei ausgeschaltetem Sender!) sorgt für eine korrekte Erkennung der Nulllinie (Stille), sodass das empfangene Signal später symmetrisch zur Nulllinie angezeigt wird.
- Der Perimetersender und die Motoren des ArduMower müssen während der Kalibrierung ausgeschaltet sein!
- Wenn eine Störung durch einen anderen Sender nicht zu vermeiden ist, muß während der Kalibrierung die Spule entfernt und der Eingang es LM386 mit GND verbunden werden.
- Führe die ADC-Kalibrierung einmal aus ("pfodApp->ADC Calibration")
Nach der korrekt durchgeführten Kalibrierung sollte das Signal per pfodApp Plot ('sig') bei ausgeschaltetem Perimetersender ungefähr als Null angezeigt werden. Nach Einschalten des Perimetersenders sollte das Signal etwa diesselbe positive wie negative Maximalamplitude ('Symmetie zur Nulllinie') aufweisen.
symmetrisches Signal bei eingeschaltetem Sender (nach ADC-Kalibrierung)
Nullsignal bei ausgeschaltetem Sender (nach ADC-Kalibrierung)
Problemanalyse und Fehlerbehebung am Empfänger
Empfangenes Signal, Filterergebnis und Signalqualität können per Android Handy über die pfodApp->Plot->Perimeter angezeigt werden:
Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Signal, Filterergebnis, LP Filterergebnis, innen/außen, Ereigniszähler, Signal ein/aus, Signalqualität
Fahren von innen nach außen
Beschreibung der im Plot angezeigten Signalverläufe:
sig: Spulensignal (Sequenz der Rohimpulse nach ADC) als kurzer Snapshot (32 samples), Update alle 20 Sekunden
(also 20 Sekundenwarten bis zum nächsten Snapshot)
mag: Filterergebnis: innen (negativ) oder außen (positiv), magnitude: Abstand zur Perimeterschleife / magnetische Signalstärke (RSSI)
- wird benutzt zum Perimeter verfolgen
smag: Filterergebnis, low-pass-gefiltert, ohne Vorzeichen (geglätteter mag-Verlauf) - verwendet zur Erkennung des 'Sender-aus' Zustandes
Der Grenzwert kann über die pfodApp gesetzt werden (Settings->Perimeter->Timed-out if below smag)
in: binäres Ergebnis des low-pass Filters: innerhalb (1) oder außerhalb (0) der Perimeterschleife - wird benutzt zur Erkennung des Perimetergrenzverlaufs
Ist der ArduMower eine bestimmte Zeit außerhalb der Schleife, geht er in den Fehlerstatus. Diese Zeit kann per pfodApp
(Settings->Perimeter->Timeout (s) if not inside) eingestellt werden
cnt: Anzahl der Wechsel von innen nach außen (counter, Zähler)
on: Perimetersender ist aktiv (1) oder inaktiv (0), basiert auf der Auswertung des smag Ergebnisses
qty: Signalqualität (Aussage über die Verläßlichkeit der Erkennung 'innerhalb / außerhalb' aus dem Filterergebnis)
Verhältnis aus Vergleich mit Mustersignal zu Vergleich mit inversem Mustersignal
1.0 bedeutet schlechte Qualität, Du solltest Werte von 1.5 oder höher)
Im Plot soll der 'mag'-Verlauf frei von Spitzen sein: innerhalb der Schleife sollte das Signal eine negative Kurve, außerhalb eine positive Kurve beschreiben. Weist die Kurve Spitzen auf, versuche folgende Maßnahmen zur Fehlerbeseitigung bzw. Optimierung:
- Benutze immer einen ausreichend langen und korrekt abgerollten Schleifendraht (20m oder länger). Benutze niemals einen zu kurzen (Mindestwiderstand 5 Ohm!) oder gar aufgerollten Draht.
- Für den 'Wohnzimmertest' sollte ein 100 Ohm Widerstand in Reihe mit 5m Draht bei 6V seine Aufgabe erfüllen.
- Verbinde die Empfangsspule mit 'pinPerimeterLeft' auf dem PCB (am falschen Pin könnte das Signal 'etwas schwach' reinkommen)
- Die Spulenpolung kann per pfodApp eingestellt werden (wird 'außen' angezeigt, wenn der Ardumower sich innrhalb der Schleife befindet?). Denselben Effekt hat das Umklemmen der Schleifenenden am Senderausgang.
- Sollte das Signal schwach erscheinen, überprüfen, ob am Spulenverstärker das Poti "voll aufgedreht" ist! Hilfreich ist die gleichzeitige Anzeige des Signal per pfodApp (Plot --> Perimeter).
- Die Kabelverbindung zwischen Spule und LM386-Vorverstärker muss möglichst kurz sein - am Besten die Spule direkt am Verstärker anschließen!
- Halte den Abstand zwische Spule und Motoren sowie DC/DC-Wandlern möglichst groß (30cm oder mehr!)
- Nutze die magnetische Abschirmwirkung (z.B. Deines Akkus) zwischen Spule und Störquellen.
- Einstellen der Senderspannung: bei längeren Perimeterschleifen (>80m) die Spannung höher wählen (Potentiometer DC/DC-Wandler), bei kürzeren Schleifen (>25m) eher niedriger (anstreben einer Sendeleistung = Spannung * Strom von ca 10W)
- Versuche bei laufenden Motoren die Spule leicht zu einer Seite zu neigen um die Signalqualität 'qty' zu erhöhen.
Messungen
Zum Vergleich Beispielwerte, gemessen an verschiedenen, im Gelände getesteten Kombinationen von Sender-/Empfänger-/Schleifenparametern:
1) 120m (0.7mm^2), R=4 Ohm, 6.5V, Spule Vpp 20mV
Störsignalpegel (max): smag=192 Signal (min): smag=254 SNR=Signal/Störsignal=254/192=1.3
2) 30m (0.7mm^2), R=1.0 Ohm (+4 Ohm series R), 6.5V, Spule Vpp 120 mV
Störsignalpegel (max): smag=192 Signal (min): smag=896 SNR=Signal/Störsignal=896/192=4.6
Videos
- Perimeter2 Demo
- Test 120m Perimeterschleife
- Theorie zu Perimeterschleife und Matched Filter (in deutsch)
- Sender-PCB
Verfolgung der Begrenzungsschleife
Das Abfahren der Schleife wird über einen softwareseitig realisierten digitalen PID-Regler gesteuert. Die Regler-Parameter (P,I,D) können über ein Android-Handy per pfodApp eingestellt werden.
Mehr Informationen über PID-Regler sind hier zu finden: Forum.
Sensor Signalfusion
Das Magnetfeld der Perimeterschleife könnte man als Input für eine zur Positionsbestimmung des ArduMower nutzen.
Weiterführende Links
- Ein anderer Navigationsansatz sind Infrarot-Baken
- Mehr Details zum 'matched filter'
- Soundkarten-Oszilloskop inklusive 'matched filter'
Perimeter V1 (für alten Code V0.9.3, nicht mehr empfohlen)
Dies war die erste Version unseres Perimetersenders und Empfängers. Sie wies einige Nachteile auf (Orientierungsfehler, Keine 'Sender-aus'-Erkennung, keine Möglichkeit zur Feststellung des Aufenthaltsbereiches inner-/außerhalb der Schleife), so dass der Einsatz nicht weiter empfohlen wird. Benutze die Nachfolgeversion V2, wie oben beschrieben.
Sender
Du kannst den Sender eines kommerziellen Rasenmäroboters nutzen (der hier gezeigte Sender ist kompatibel mit Tianchen oder Rotenbach Mährobotern), oder Du baust Dir selber einen:
Ein Arduino (z.B. Nano) generiert ein Rechtecksignal, welches die Polarität eines Motortreibers (L298N) mit 7.8 Khz schaltet. Dadurch wechselt das Ausgangssignal zwischen Vcc und GND. Ein Schwingkreis verstärkt die Signalspitzen (Resonanzfrequenz ist dieselbe wie die Schaltfrequenz - 7.8 Khz). So reicht es aus, den Motortreiber mit 5V (statt 12V) zu betreiben. Die Spannungsquelle muß etwa 2W (400mA bei 5V) leisten. Ein Teil des Signals wird durch den Arduino (ADC) durch eine Diode und einen Spannungsteiler erfaßt. So kann festgestellt werden, ob die Perimeterschleife angeschlossen ist. Durch den Schleifendraht fließt ein Strom von ca. 150mA (Drahtquerschnitt 2-3 mm^2, Länge max 500 m)
Weil man vielleicht nicht immer die genau passende Empfängespule zur Hand hat, hier ein paar mögliche Kombinationen (Spule / Kondensator), die die Resonanzfrequenz von 7.8 Khz aufweisen:
- Kombination 1: Spule: 160µH, Kondensator: 3,3µF/50V (getestet)
- Kombination 2: Spule 33mH, Kondensator: 12nF (nicht getestet)
Stromversorgung
Zur Erzeugung der 5V Spannung wird ein step-down-Wandler (z.B. Module mit LM2596) eingesetzt. Vor dem Einsatz in der Schaltung muß der Wandler auf 5V einjustiert werden.
Warnung : Lege niemals mehr als 5V auf die Arduino 5V Pins oder Du zerstörst ihn. Deswegen: vorher die Spannung einstellen und kontrollieren!
Funktionstest
1. After uploading the code and connecting the perimeter wire, the Arduino LED should be ON. Now remove the perimeter wire - the Arduino LED should go OFF. 2. If that doesn't work: Using a voltmeter, measure once at Arduino pin D9 and once at motor driver output pin (OUT_1) against ground - both should have a DC voltage of 2.5 Volt. 3. If you have an oscilloscope, replace the perimeter wire by the oscilloscope. The measured signal look like below:
The output signal shows a higher amplitude (high spikes) as the input signal:
signal on the sender output
resonator circuit basic principle
For a simple receiver test, you can simply connect the receiver coil to an oscilloscope. The measured oscilloscope signal should look like below:
This signal can be detected easily with a coil:
coil signal at receiver coil
signal in frequency spectrum, superposed by motor noise
frequency spectrum via pfodApp
Empfänger
The receiver uses 2 coils mounted left and right in the robot. The signal strenght of left and right coils is evaluated to be able to compare them.
Principle:
- Amplification of alternating signal using OPAMP
- Optional: Bandpass-filtering to filter-out noise caused by motors etc.
- Evaluation of signal strength of left and right coil
Advantage of this version: analog controlling works great. Disadvantage: You cannot detect, where you are (inside/outside) if your missed the perimter crossing. Also, you cannot detect if you drive clockwise or anti-clockwise on the perimeter wire.
A coil receives the sender's signal. A resonator circuit (LC) amplifies the received signal at resonation frequency (7.8 kHz). Then the signal is amplified using an LM386 (here: Arduino sound sensor using coil instead of microphone). A bandpass-filter (digital filter, FFT) on the Arduino filters the desired frequency (7.8 Khz) and outputs a PWM signal (pulse width is proportional to signal strength). A lowpass-filter converts it to a DC voltage. Note: Wiring between Nano and Mega has been simplified - see schematics for exact wiring.
We have tested the following combinations of amplifier und coils:
'Arduino sound sensor'
Amplifying signal using LM386 - Arduino Sound Sensor using coil instead microphone
Arduino Sound Sensor using LM386
Arduino Sound Sensor module schematics
85 mH coils
LM386 amplifier
LM386 amplifier (200x amplification)
LM386 amplifier modified
LM386 module schematics
104 mH coil
Important: When using this amplifier, capacitor C3 should be bypassed (will give a VCC/2 offset required for Arduino) and the coil will be connected to "IN" and "GND".
NOTE: It's recommended to directly mount the coil on the amplifier module. This ensures the 'small signal' of the coil is not distorted by other components (motors etc.)
Funktionstest
- Make sure that the sender works correctly (see further above).
- Increase the Arduino Sound Sensor potentiometer to maximum (rotate counter-clock-wise).
- After uploading the code, move one coil towards the perimeter wire. The Arduino LED should start to blink. Now, hold both coils at same distance over the perimeter wire. The Arduino LED should be always ON now.
- If that doesn't work, open the serial console (19200 baud), and verify the signal values.
Spulenauswahl
Induction math, only approximation:
L = 1nH x n² x ((D² / mm² ) / (l / mm)) l = coil length D = coil diameter
Example: An inductance of 85 mH, and diamter of 10 mm, and length of 40 mm require about 5830 windings.
This inductance of 85 mH and a capacity of 4.7 nF results in a resonation frequency of 7963 Hz.
f0 = 1 / (2 * PI * sqrt(L * C)) = 1 / (2 * PI * sqrt(0.085 H * 0.0000000047 F)) = 7963 Hz
Weil man vielleicht nicht immer die genau passende Empfängespule zur Hand hat, hier ein paar mögliche Kombinationen (Spule / Kondensator), die die Resonanzfrequenz von 7.8 Khz aufweisen:
Kombination 1: Spule: 85mH, Kondensator: 4.7nF (getestet) Kombination 2: Spule: 104mH, Kondensator: 4nF (getestet)
Anordnung der Spulen
die Spulen sind am Boden des ArduMower so angeordnet, dass sie einen Winkel von 90 Grad einschließen, d.h. jede ist um 45 Grad aus der Längsachse gedreht.
Anordnung der Spulen
Beispiel (Ambrogio L50)
Testparcours
Messung der Signalstärke
Zum Vergleich von Messungen wurde die Signalstärke bei verschiedenen Schleifenabständen bestimmt. Die Signalsärke (soll heißen: der berechnete ADC-Wert) kann in der Android pfodApp angezeigt werden. Der Abstand (cm) ist der berechnete Wert zwischen Perimeterschleife und Spule (eingebaut im ArduMower).
Schleifenverlegung
Wichtig bei der Schleifenverlegung sit die Vermeidung von scharfen Ecken: Rundungen sind angesagt! Fährt der Ardumower exakt über eine scharfe Ecke, kann er unter Umständen die Schleife nicht mehr orten, da Spule und Schleife fluchten / parallel stehen.
Nicht empfohlen: ArduMower kann keine scharfen Ecken orten!
Wie ändert sich das Sinal, wenn die Spule gedreht wird??
![[2]](http://www.braunschweiger.org/content/images/SenderR212_Front.jpg){kind=link}
![[3]](http://www.braunschweiger.org/content/images/SenderR212_Back.jpg){kind=link}