沼津高専 電子制御工学科
PSD調査報告書
MIRS0205-TECH-0003
改訂記録
版数 作成日 作成者 承認 改訂内容
A01 2003.2.8 高橋 齋藤 初版

目次

  1. 目的
  2. PSDとは
  3. GP2D12とは
  4. GP2G12の注意点
  5. GP2G12の特性

  1. 目的
  2. 超音波に代わる距離測定の方法として、PSD(製品名:シャープGP2D12)というものを使いたいので、これについて調査する。

  3. PSDとは
  4. PSDは、Position Sensitive Detector の略。いわゆる距離測定素子で、普通PSDと言うと受光素子単体のことを指す。PSDを用いて距離を測定するには、受光素子であるPSDに、発行素子のLED、信号処理回路などが必要である。シャープ製のGP2D12は、これらすべてが一体となった測距センサユニットである。距離測定の原理はいわゆる三角測量である。

    三角測量とは三角形の一辺の長さと2つの角の角度か、2辺の長さとそのはさむ角の角度がわかれば三角形の形状がわかることを利用して距離を測る方法で、主に前者の性質を利用したものが多い。(人間の目や、光切断法とかの測定原理も基本的にこれ。)
    GP2D12もこの原理で、発光部の角度と発光部と受光部の間隔が固定で、入射光の角度で距離を求める。

    つまりPSDユニット内のPSDセンサが得ている情報は光の入射角のみであり、GP2D12ではこれを出力する事により距離情報としている。この方法には反射物の色や反射率、使用環境の明るさによる影響が少ないというメリットがある。

    三角測量の原理


    シャープGP2D12

    上の写真にあるようにGP2D12は、光学系を含めて一体化されているため、3ピンのコネクタにVccとGNDを接続するだけで障害物までの距離をアナログ電圧として得ることができる。コネクタは日本圧着端子のもので、秋葉原のガード下のコネクタ専門店で売っている(はず)。


  5. GP2D12とは
  6. GP2D12の寸法は下図のようになっている。コネクタのVccに5V、GNDにGNDをつなぐと、Voに出力電圧が出るようになっている。



    障害物までの距離と出力電圧の関係は下図のようになっている。約10cm〜80cmの間は、ほぼ反比例の関係があることが分かる。この間は出力電圧をA/D変換してやれば距離が測定できる。



  7. GP2D12の注意点
  8.  一見便利そうなGP2D12も、使用上注意しなければならないことがいくつかある。

    1. 測定可能距離
      10cm以下では距離と出力電圧の関係が反比例の関係から外れてしまうので、測定できない。また、80cm以上も電圧が変化しなくなるので、測定できない。

    2. ラッシュカレント
      GP2D12の仕様書では,平均消費電流(標準33mA)についてしか示されていないが、一般に光学式の距離測定では変調をかけるのが常套手段である。従って、消費電流は一定ではなく、特に発光部の点灯する瞬間に消費電流が大きくなる。GP2D12では瞬間的に100mA前後の電流を消費しているらしく、電源容量が十分に無い場合には測定結果の安定性が失われたり、システムに悪影響を及ぼすことがある。GP2D12のVcc−GND間には100μF程度の電解コンデンサをつけるなどの処置をするとよいらしい。

    3. 距離測定のタイムスライス
      アナログ出力ということで、出力が時間に対して連続的に変化するように考えてしまいがちであるがるが、GP2D12は実は内部処理によって出力信号は38.3ms±9.6ms毎に更新されるようになっている。しかも、測定完了から出力までに最大で5msの遅れがある。


    4. GP2D12の特性
    5. 実際にGP2D12の性能を実験した結果を報告する。まず、指向性について次のような特性があることが分かった。

      赤い線の範囲に物体があれば、その物体までの正しい距離が測定可能である。しかし、ピンクの線の範囲に物体があると、センサに反応はするのだが、本来の電圧よりも弱い電圧が出力され、その結果本当の距離よりも遠くに物体があると認識されてしまうので、この点は注意する必要がある。


      次に、2個同時使用の場合と、赤外線照射による影響について次のような特性があることが分かった。


参考文献
[1] http://www1.accsnet.ne.jp/~et/etul/psd.html : Robotics のページ
[2] http://www.aafarm.com/ogikubo/tech/psd/psd.html : AAF@Ogikubo のページ
[3] シャープGP2D12データシート