Sensoren Übersicht

Sensoren sind neben den Aktoren ein wichtiger Bestandteil von Robotern, finden aber auch darüber hinaus vielfältige Anwendungen, zum Beispiel bei der Messung von Umweltparametern wie Temperatur, Luftdruck oder auch Feinstaub.

Der entscheidende Punkt beim Umgang mit ihnen ist unscheinbar und wird gern übersehen: Ein Sensor liefert nie die Größe, die man eigentlich braucht. Er liefert einen physikalischen Effekt, der mit ihr zusammenhängt -- eine Laufzeit, eine Spannung, eine Impulsfolge -- und den muss man erst noch übersetzen. Jeder Schritt dieser Übersetzung kostet Information und fügt Fehler hinzu. Wie diese Kette aussieht und wo sie typischerweise reißt, steht ausführlich in Wahrnehmung -- was Sensoren wirklich liefern.

Die Messprinzipien im Überblick

Prinzip	Misst physikalisch	Typischer Vertreter	Stärke	Schwäche
Ultraschall	Laufzeit eines Schallimpulses	HC-SR04	billig, mehrere Meter Reichweite	breiter Kegel, keine Richtung, blind für schräge und weiche Flächen
Infrarot-Reflexion	zurückgeworfene Lichtmenge	TCRT5000	sehr schnell, sehr billig	hängt von Farbe, Abstand und Fremdlicht zugleich ab
Infrarot-Triangulation	Einfallswinkel eines Lichtpunkts	Sharp GP2Y	weitgehend farbunabhängig	Kennlinie unterhalb des Mindestabstands doppeldeutig
Time-of-Flight	Laufzeit eines Lichtimpulses	VL6180X, VL53L0X	schmaler Strahl, präzise	teurer, empfindlich gegen Sonnenlicht
Hall-Effekt	Lorentzkraft auf Ladungsträger im Magnetfeld	Hall-Sensoren	berührungslos, verschleißfrei	Offsetspannung, braucht saubere Bias-Stromquelle
Encoder	Impulse pro Umdrehung	Schlitzscheibe, Magnetring	einzige Rückmeldung über die eigene Bewegung	misst das Rad, nicht den Boden
Inertialsensorik	Beschleunigung, Drehrate	MPU-6050, BMI088	braucht keine Umgebungsreferenz	Drehratensensor driftet beim Integrieren weg

Zwei Begriffe, die man auseinanderhalten sollte

Genauigkeit ist die systematische Abweichung vom wahren Wert -- ein Sensor, der konstant 6 cm zu viel meldet, ist ungenau, aber berechenbar. Das lässt sich kalibrieren.

Wiederholpräzision ist die Streuung bei unveränderter Situation -- ein Sensor, der zwischen 20 und 30 cm springt, obwohl sich nichts bewegt. Das lässt sich nicht kalibrieren, nur filtern. Und weil jede Filterung den Messwert verzögert, landet diese Verzögerung anschließend in der Regelschleife. Genauigkeit und Präzision sind also zwei verschiedene Probleme mit zwei verschiedenen Werkzeugen.

Wie man einen Sensor auswählt

Vier Fragen führen meist schon zur Entscheidung:

1. Was genau soll gemessen werden? Oft ist die gesuchte Größe gar nicht direkt messbar -- „Wo ist das Hindernis?" wird zu „Wie weit ist der nächste Reflektor im Kegel?".
2. Wie schnell muss es gehen? Ultraschall begrenzt auf etwa 20 Messungen pro Sekunde, Infrarot schafft ein Vielfaches. Die Messrate begrenzt direkt, wie schnell eine Regelung laufen darf.
3. Welches Blickfeld? Ein breiter Kegel sieht viel, aber ungenau; ein schmaler Strahl trifft präzise, übersieht aber alles daneben.
4. Was passiert im Fehlerfall? Der gefährlichste Sensor ist der, der bei Nichterkennung „frei" meldet statt „weiß nicht". Ein simpler Taster als Rückfallebene ist deshalb oft mehr wert als der dritte Abstandssensor.

Fast immer lautet die beste Antwort ohnehin: mehrere Sensoren mit komplementären Schwächen kombinieren. Ultraschall breit und langsam, Infrarot schmal und schnell, ein Taster als letzte Instanz -- zusammen ergeben sie ein Bild, das keiner von ihnen allein liefert.

Verwandte Themen

• Wahrnehmung -- was Sensoren wirklich liefern -- Messkette, Rauschen, Filter und Sensorfusion im Detail
• Aktoren -- die Gegenseite: wie aus Entscheidungen Bewegung wird
• Mikrocontroller -- was die Rohwerte einliest und auswertet
• Elektrodynamik -- die Physik hinter Hall-Effekt und induktiven Sensoren

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