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PSD素子測距センサー
自律ロボットではかなり必須アイテムのひとつ

〜使い方あれこれテクニック
 

Report by 荒井貞博



 シャープのPSD距離センサーはロボット関連では標準的なセンサーとして認知されている。かなり高い精度ながら価格的にも供給体勢も良く手に入れ易い事も理由のひとつ。自律ロボットでは特にこのセンサーが幅広く採用されているのである。
PSDセンサー

【原理】 PSDとは、Position Sensitive Detector の略で、つまり距離測定素子であり本来は受光素子単体を指す。距離を測定するには位置検出素子<PSD>・発光(投光)素子<LED>・信号処理回路で構成される。シャープのPSD素子測距センサーは、これらが一体になったユニットになっている。測定は三角測量が使われている。
 三角測量は、三角形の一辺の長さと2つの角の角度、又は二辺の長さとその挟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ある。

 今回紹介するPSDセンサーは、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ている。また、この方法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。
 データシートはPDFファイルでインターネット経由でダウンロード出来る。しかしながら記載されていない仕様もある。
 1ビームの拡散角度は約±5度となっているらしいが通常は記載されておらず、別の表記から読み取る事は可能だ。GP2Y0A02YKのデータシートには80cmの位置における検出精度が±10cmと記載されている。これを逆算すると、約±7度ぐらいなのでセンサーの個体差を考えると大きく間違ってはいないと思う。
 対象物の大きさは公式に記載されていないが、シャープのPSDセンサーをベースに作られているセンサー(
IR-600)は、10〜80cmの距離にある5cm以上の大きさの物体の距離を測定出来ると記載されている。先程のビーム拡散角度の中に物体が入っていないと検出されない訳だ。また、ビームの端での検出だと実際の距離よりも遠いデータとして検出してしまう事があるので、この点も気を付けておこう。
 更に、物体が平面ではなく曲面であった場合の資料は公開されておらず、シャープ(電子デバイス事業部)では資料を持っているという情報がある。表面の反射角度がシビアになると想定しているが、実際に実験を行って数値を計測してみるのが確実だろう。ロボコン大会等で空き缶を探すようなルールの場合には特に事前に試しておこう!

 ラインアップの中で一 番使われているのが、シャープの「GP2Y0A21」、測距範囲は10〜80cmである。長距離タイプで測距範囲が20〜150cmの「GP2Y0A02YK」というのもある。更にこれ以外にも、マルチビーム方式を採用し、広視野角での検出が可能な光学式測距センサー「ワイドアングルセンサ」(GP2Y3A002K0F)。広い範囲(5ビームを使って25度)で障害物を検出する必要があるパーソナルロボットなどへの搭載を想定。視野角は25度と、従来の1ビーム方式の機種の5倍に向上。その上で、従来機種を5つ合わせたものよりも容積を約4割削減した。消費電力も5分の1で済む。目的に合わせて、選択しよう。
 今回紹介しているPSDセンサーは、アナログ出力のデバイスであるがデジタル出力のラインアップも用意されている。通常はアナログ出力タイプのデバイスをマイコン等のA/D入力端子に接続する。距離に比例してアナログ電圧が変化し、それをプログラムで数値化して距離に変換して使うのである。
 消費電流についてはデータシートに記載されているが、あくまでも平均消費電流だけで、瞬間的に3倍近い電流が流れる場合があり、使用時にはそれを想定した電力を確保するか、接続端子のVcc-GND間に100〜1000μF程度の電解コンデンサを取り付けて電力を補う事も必要である。


□シャープ 電子デバイス 光半導体ラインアップ
http://www.sharp.co.jp/products/device/lineup/selection/opto/index.html
□PSD素子測距センサー GP2Y0A21 購入ページ
http://www.technologia.co.jp/45_3824.html
□PSDセンサー用ケーブル RBSCGP 購入ページ
http://www.technologia.co.jp/45_3825.html
□赤外線距離センサー IR-600 購入ページ
http://www.technologia.co.jp/45_3571.html
□長距離センサー DIST-NxL-v2(RPMS01011) <レゴNXT用>購入ページ
http://www.technologia.co.jp/70_3608.html
□自律ロボットスターターセット2 購入ページ
http://www.technologia.co.jp/13_4011.html 
(2010/04/20)