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Thema: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Hi,

    ich wollte mal eine Diskussion zu einer meiner Ideen starten.

    Ein Hauptproblem in der Robotik ist die Messung von Distanzen relativ zum Roboter. Dafür gibt es bekanntlich ja die diversesten Sensoren.
    Die Königsklasse sind neben Ultraschallsensoren, die Laserentfernungsmesser.

    Leider sind Laserentfernungsmesser aber reichlich teuer und für "Bastler" fast unbezahlbar. Deswegen hab ich mir mal Gedanken gemacht wie ich dieses Problem umgehen kann.

    Meine Überlegung ist die Folgende:

    Um mit einem Laser eine Entfernung zu messen, gibt es 3 grundlegende Möglichkeiten.

    1. Laufzeitmessung eines Impulses
    2. Messung der Phasenverschiebung der Reflexion eines Modulierten Laserstrahls
    3. Triangulation

    1. -> Mit bezahlbaren Mitteln fast nicht realisierbar, da Hardware zu langsam
    2. -> Siehe 1., modulation mit Frequenzen im Bereich von ca. 3-5Ghz für eine Auflösung im cm-Bereich.
    3. -> Normalerweise wird hierbei der Winkel zwischen reflektiertem und gesendetem Laserstrahl mit einer PLD, CCD-Zeile o. Kamera gemessen.

    Bei 3. möchte ich einhaken:

    Eine CCD-Zeile ist schwer zu bekommen und aufwändig anzusteuern bzw. auszuwerten. Eine Kamera ist relativ teuer und ebenso aufwändig auszuwerten. Eine PLD (Position sensitive Device) hab ich noch nirgends gesehen.

    Aber es gebe vielleicht noch eine Andere Möglichkeit. Und zwar wenn sich der zur Triangulation benötigte Winkel nicht erst durch die Reflektion ergibt, sondern direkt beim Senden bekannt ist.

    Mein Aufbau würde folgendermassen Aussehen:



    Im Prinzip ist es eine Kombination aus Reflexlichtschranke und einem Laserprojektor.

    Der Detektor (Phototransistor, -Diode, o. Ähnliches) sollte so abgeschirmt sein, daß er möglichst nur Reflexionen senkrecht zur Laser/Detektor-Achse wahrnimmt (Rörchen o. Ähnliches).
    Zum Berechnen des Abstands Objekt<->Detektor, benötigt man nur den Winkel Alpha, also den Winkel des Laserstrahls zur Detektorachse.
    Diesen kann man über die Drehzal des Motors und der Zeit zwischen zwei Reflexionen berechnen.
    Die Funktion des Abstands entspricht dann einer Tangensfunktion; d.h. je näher das Objekt, desto geauer der Wert.

    Ich hoffe dieser Roman war nicht zu lange, was haltet ihr davon? Wie schätzt ihr die Machbarkeit, Genauigkeit ein?
    Vielleicht hat jemand schon die passenden Teile verfügbar, und kann ein paar Testmessungen durchführen.

    Wäre doch klasse, wenn das Ganze funktionieren würde. Mit einem zusätzlichen Servo/Antrieb für die Y-Achse des Sensors könnte man so auch ein 3D-Bild der Umgebung aufnehmen.

    Gruß,
    Sonic

  2. #2
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    Re: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Zitat Zitat von sonic
    Eine PLD (Position sensitive Device) hab ich noch nirgends gesehen.
    Es sind die Sharp Sensoren die in den Entfernungsklassen 0,3m 0,8m und 1,5m damit arbeiten und ca. 8-15 Euro kosten
    Zitat Zitat von sonic
    Der Detektor (Phototransistor, -Diode, o. Ähnliches) sollte so abgeschirmt sein, daß er möglichst nur Reflexionen senkrecht zur Laser/Detektor-Achse wahrnimmt (Rörchen o. Ähnliches).
    Zum Berechnen des Abstands Objekt<->Detektor, benötigt man nur den Winkel Alpha, also den Winkel des Laserstrahls zur Detektorachse.
    Diesen kann man über die Drehzal des Motors und der Zeit zwischen zwei Reflexionen berechnen.

    Vielleicht hat jemand schon die passenden Teile verfügbar, und kann ein paar Testmessungen durchführen.
    In Barcode Scanner Kassen sind solche Exemplare mit 4-Spur Drehspiegeln und mit 5 Winkelsegmentspiegeln. Ich würde gerne mal ein solches Element vorstellen, das ich gebraucht für 10Euro gekauft habe. Viellicht ergeben sich mit der Mechanik ein paar interessante Anwendungen.
    Manfred

  3. #3
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    Re: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Zitat Zitat von Manf
    Es sind die Sharp Sensoren die in den Entfernungsklassen 0,3m 0,8m und 1,5m damit arbeiten und ca. 8-15 Euro kosten
    ? Die Scharps sind mit PSD's ausgestattet? hab ich nicht gewusst...
    Aber bei max. 1,5m Entfernung können die aber doch nicht so genau sein wie die PSD's in einem prof. Laserentfernungsmesser, oder?
    Haben die auch nen Laser? Ich hab gedacht die funktionieren mit Ir-Led's.

    Meine angepeilte "Entfernungsklasse" liegt bei 20m (Outdoor), da gibt's soweit ich weiß nix bezahlbares (<100€)

    Zitat Zitat von manf
    In Barcode Scanner Kassen sind solche Exemplare mit 4-Spur Drehspiegeln und mit 5 Winkelsegmentspiegeln. Ich würde gerne mal ein solches Element vorstellen, daß ich gebraucht für 10Euro gekauft habe. Viellicht ergeben sich mit der Mechanik ein paar interessante Anwendungen.
    Manfred
    Ok dann schmeiß mal so ne Kasse rüber
    Nee im Ernst, der Sinn der Anwendung ist nicht ganz der gleiche wie beim Entfernungen Messen. Soll heissen der BC-Scanner ist darauf ausgelegt eine Bitfolge aus relativ geringer Entfernung zu scannen.
    Um mit der Mechanik auf eine max. Entfernung von mehreren Metern bei akzeptabler Genauigkeit zu kommen müsste der Detektor weiter vom Laser entfernt sein.

    Also müsste man die original Mechanik modifizieren, bzw. mit den Einzelteilen was neues aufbauen.

    Aber so leicht kommt man an solche Teile bestimmt nicht ran, ich wüsst jetzt jedenfalls nicht wo...

    Gruß, Sonic

  4. #4
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    Die Sharp Sensoren sind nicht sehr genau, Meßkurven sind im Datenblatt beschrieben, 8bit nichtlinear und bei einer Basisbreite von ca. 3cm mit abnehmender Genauigkeit für größere Abstande.
    Sie funktioniern mit IR LEDs und Linsen. (Erstaunlich wie sie das schaffen.)

    Zur Mechanik des Scanners zunnächst ein Foto. Es ist eine ziemlich komplexe Spiegelei die mit Laserstrahl auf dem Hinweg und mit dem Leuchtfleck auf den Rückweg gemacht wird.
    Interessant ist für mich dabei zunächst der 4eck-(Polygon)Spiegel, der mit 4 verschiedenen Winkeln vier parallele Spuren abfährt. (Er wäre auch für die Entfernungsmessung benutzbar, wie vielleicht auch weitere Teile des Prinzips.) Er schreibt den Strahl auf 5 im Halbkreis fächerförmig aufgestellte Planspiegel von wo aus die 4 Spuren mit jeweils 45° Drehung in den Kassenraum gehen.

    Der Rückweg ist identisch und trifft nach beiden Siegelsystemen auf einen Hohlspielgel, der das Signal auf einen konstanten Empfängerpunkt bringt.
    Soviel im ersten Schritt.
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken scanner__.jpg  

  5. #5
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    Re: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Zitat Zitat von sonic
    Hi,

    ...Eine CCD-Zeile ist schwer zu bekommen und aufwändig anzusteuern bzw. auszuwerten. Eine Kamera ist relativ teuer und ebenso aufwändig auszuwerten....
    Wir basteln da im Moment herum; genaueres folgt. Nur so weit:
    Das Auslesen eines Kamerasignals ist nicht so aufwändig und kompliziert wie es den Anschein hat; wir denken dass sich eine simple Webcam mit so um die 300 Pixeln für eine recht genaue Entfernungsmessung eignet. Sind aber noch in der Planungsphase; werde nach den Tests berichten..

    REB

  6. #6
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    Dieses Bild von der Scannereinheit und dem Abtastfeld wollte ich noch ergänzen.

    Interessant ist Ablenkung mit dem in 4 Stufen gekippten Drehspiegel und vielleicht noch die Bündelung des Strahls beim Empfang durch einen Hohlspiegel (ggf. auch Linse).

    Da hier der Strahl in sich reflektiert wird, um die Intensität zu messen, ist das Verfahren in sofern gegensätzlich zur Abstandsmessung.

    Manfred
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken scanner_.jpg  

  7. #7
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    Zitat Zitat von Manf
    Dieses Bild von der Scannereinheit und dem Abtastfeld wollte ich noch ergänzen.
    ...
    Manfred
    Cool, danke für die Bilder. Krass was für ein Aufwand getrieben wird damit die Kassiererinnen den Barcode nicht immer exakt ausrichten müssen...

    Aber für nen Laserabstandsensor sind leider nur die Einzelteile nutzbar...

    In einem alten/kaputten Laserdrucker sollte sich doch auch ein Ablenkspiegel mit Motor finden lassen...das sollte dafür doch perfekt geeignet sein, oder?

    Sonic

  8. #8
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    Die Drehspiegel im Laserdrucker sind sicher interessant.
    Es sind relativ kleine 4-6Fächen Spiegel die mit hoher Drehzahl arbeiten.
    Die Spiegel selbst sind einfach ebene Spiegel die relativ schmal sind.
    Leider habe ich die Ansteuerung noch nicht herausgefunden. Sie haben wohl 3 Phasen Motoren mit speziellen Steuerchips.
    Manfred
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken a.jpg  

  9. #9
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    Re: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Zitat Zitat von sonic
    Der Detektor (Phototransistor, -Diode, o. Ähnliches) sollte so abgeschirmt sein, daß er möglichst nur Reflexionen senkrecht zur Laser/Detektor-Achse wahrnimmt (Rörchen o. Ähnliches).
    Da sollte man wohl eine Linse einsetzen.
    Zitat Zitat von sonic
    Zum Berechnen des Abstands Objekt<->Detektor, benötigt man nur den Winkel Alpha, also den Winkel des Laserstrahls zur Detektorachse.
    Diesen kann man über die Drehzal des Motors und der Zeit zwischen zwei Reflexionen berechnen.
    Beim Laserdrucker wird der Strahl einmal pro Ablenkung auf einen Photodetketor gelenkt, soaß man einen Referenzimpuls hat, von dem aus man den Winkel per Zeit bestimmen kann. Diese Methode bietet sich für die Ablenkung mit Drehspiegel an. Ich hoffe, ich habe noch ein Komplettsystem im Keller an dem man die Anordnung der Elemente am Beispiel erkennen kann. Aber das wird wohl der leichtere Teil der Übung sein.
    Manfred

  10. #10
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    Re: Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

    Zitat Zitat von Manf
    Zitat Zitat von sonic
    Der Detektor (Phototransistor, -Diode, o. Ähnliches) sollte so abgeschirmt sein, daß er möglichst nur Reflexionen senkrecht zur Laser/Detektor-Achse wahrnimmt (Rörchen o. Ähnliches).
    Da sollte man wohl eine Linse einsetzen.
    Ja, die habe ich auch schon eingeplant. Aber was für eine? Ich hätte es mit einer Kollimatorlinse von Reichelt versucht...aber der hat auch verschiedene Typen...

    Zitat Zitat von Manf
    Zitat Zitat von sonic
    Zum Berechnen des Abstands Objekt<->Detektor, benötigt man nur den Winkel Alpha, also den Winkel des Laserstrahls zur Detektorachse.
    Diesen kann man über die Drehzal des Motors und der Zeit zwischen zwei Reflexionen berechnen.
    Beim Laserdrucker wird der Strahl einmal pro Ablenkung auf einen Photodetketor gelenkt, soaß man einen Referenzimpuls hat, von dem aus man den Winkel per Zeit bestimmen kann. Diese Methode bietet sich für die Ablenkung mit Drehspiegel an.
    Ja, es müssten 2 Detektoren sein. Einer zum erfassen der Reflexion und einer in definierten Winkel zur Messachse.

    Zitat Zitat von Manf
    Ich hoffe, ich habe noch ein Komplettsystem im Keller an dem man die Anordnung der Elemente am Beispiel erkennen kann. Aber das wird wohl der leichtere Teil der Übung sein.
    Manfred
    http://www.seattlerobotics.org/encod...110/vision.htm

    Hier mal ein Beispiel mit CCD-Kamera, übrigens auch sonst eine Super Roboterseite, vor allem das Magazin "Encoder".

    Gruß,
    Christian

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