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:
Bild hier
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
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
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
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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.
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
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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
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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
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
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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Hi Leute,
ssuuppeerr Thema!!
Aber verstrickt ihr euch nicht ein wenig in der Theorie? Habt ihr den Sensor nicht ausser Acht gelassen? Oder hab ich was nicht verstanden:
Wenn der Empfangssensor ein Line-CCD sein soll habt ihr gar nicht so grossen Einfluss auf das gelieferte Signal! Hab mir vor einiger Zeit einige Line- Scanner angeschaut z.B.:
http://www.image-sensor.com/german/ccdsensor/index.html
Die sind nicht trivial anzusteuern! und liefern alle ein analog- Ausgangssignal!
Aber dein Prinzip >Sonic find' ich auch genial, ein Freund hatte die Idee schon vor 10 Jahren!
Hier mal was praktisches, aber für 20m Sichtweite ????
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Den SFH 205 muß ich mir noch einmal ansehen, ich müßte auch irgendwo noch einen haben. Das wäre direkt mal einen ersten Test wert, was der zu einem Laserpointer sagt, und wie man das quantitativ bewerten kann. Vor allem auch, um die erreichbare Bandbreite des Empfängers zu messen damit wir von gleichen erreichbaren Modulationsfrequenzen sprechen. (Ich habe noch mal nachgesehen, mit Tageslichtfilter ist natürlich nicht so gut, ich meinte auch einen anderen Photodiodentyp).
Die Berechnung der Leuchtfleckgröße in der Abbildung hinter der Linse hatte den Zweck, die Größenordungen deutlich zu machen. 0,6mm kam heraus, das ist eher klein. Man kann es mit der Brennweite linear vergrößern 20cm->1,2mm... (Fadenzähler, das jemand sowas noch kennt) sind Mehrfachlinsen zur stärkeren Vergrößerung (Verringerung der Brennweite auf ca. 2cm) damit wird das optische System miniaturisiert, aber mit Sicherheit nicht Lichtstärker. Ich habe ein Bild von einem Typischen Fadenzähler links und einer Mehrfachlupe rechts. Man schiebt die einzelnen Lupen hintereinander und erhöht die Brechkraft (Reduziert die Brennweite. Damit gewinnt man kein Licht, man verringert die Baugröße des Systems und schafft sich das Problem, bei 2cm Brennweite eine Spaltbreite von 0,12mm einsetzen zumüssen, die ja zur Entfernungsauflösung sehr präzise sein soll.
Es gibt dann noch die Fernrohre, die den Leuchtfleck vergößern, das wäre vielleicht prakitsch, (bringt etwas Lichtverlust und ist schwieriger zu justieren). Man braucht für die Leuchtfleckerkennung kein Präzisions-Zielfernrohr. Man kann auf die Korrektur chromatischer und sphärischer Fehler völlig verzichten. Die ganze Präzision steckt in dem Zeitpunkt in dem der Rote Punkt über die Mitte läuft, dafür reicht ein Plastikgerät aus dem Kaugummiautomat (Übertreibung solche Automaten gibt es nicht).
Für die weitere Festlegung der Konfiguration brauchen wir noch eine Basisbreite, die die Entfernungsauflösung entscheidend bestimmen wird, und eine Drehgeschwindigkeit.
Das mit den mehreren Detektoren könnte wohl allenfalls mit einer Zylinderlinse gehen, die dann nicht einen Punkt, sondern eine Linie auf den Schirm abbildet. Das sollten wir auch erst mal weglassen, denn das macht die Optik einigermaßen kompliziert. (Ich spreche vom einem Schirm wenn ich die Abbildungsebene meine. Da muß dann nicht unbedingt ein Schirm sein. Vielleicht eine Schlitzblende um die Sollkonfiguration des Empfängers gut zu realisieren ohne das Fotoelement abzusägen und um das Steulicht gut abzuschirmen. )
Manfred
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Der spezielle Fadenzähler ist noch von meinem Vater der in der Tat im Bereich der Druckerei tätig war. Ich habe ihn öfter gefragt, welche Fäden man da zählt, aber das Gerät ist wohl vom Weben und wurde beim Drucken bevorzugt eingesetzt. Solche wie die im Link, entsprechend kleiner, mit Einzellinsen, kenne ich auch.
Es gibt wirklich auch billige Fernrohre die den Zweck erfüllen, aber wir sollten mit einer Linse (oder zur Not auch Mehrfachlinse) zu einem einfachen Versuchsaufbau kommen, damit wir:
Einmal den Kreis schließen und auf Erfahrungen aufbauen können. Ich habe keine Angst davor, mit einem Entfernungsmesser für 50cm die erste Runde zu drehen. Basteltischaufbau, Aufnahme aller Werte, Herausfinden der kritischen Stellen und mit Systemerfahrung in die nächst Runde. Das ist das Geheimnis des Erfolgs mit technischen Systemen.
(Viellicht liest es jemand der es besser weiß, aber vielleicht kommen wir im drauf, daß er das Maut System plant.)
Die Basisbreite und die Drehzahl des Spiegels brauchen wir noch. Die Basisbreite ist der Abstand Laser - Empfänger. Klar daß die Basisbreite die Genauigkeit bei der trigonometrischen Peilung bestimmt. Beim Sharp Sensor bis 80cm Entfernung habe ich gerade noch mal schnell 2cm nachgemessen. Relative Basisbreite 0,025
Das wären bei 5m: 12,5cm wie wäre es mit 25 cm? oder gleich 50cm?
Und die Drehzahl, wieviele Messungen pro Sekunde? 10?
Manfred
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Das ist sicher richtig und als erste Näherung gut genug.
Es kommt auch auf die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels an und damit auf die Anzahl der spiegelnden Flächen. Nimmt man den Sechseck-Spielgel aus dem Laserdrucker, dann hat jeder Spiegel einen Winkelunterschied zum Nachbarn von 60° er überstreicht bei Relfexion eines unbewegten Einfallsstrahls den doppelten Winkel, also 120° in 100ms. Das ist eine Winkelgeschwindigkeit von 1200°/s oder 20,9/s. Für einen Winkel von 3cm auf 5m, also 0,006 braucht man dafür 287us. Das ist 3 mal so viel. Du hast also mit zwei spiegelnden Fächen gerechnet.
Beim Ausprobieren von einem Fotoelement habe ich mit einem BPW34 angefangen und zunächst einmal den Licht Ausgang eines Sharp Sensors gemessen. Der Strahl ist moduliert und fokussiert, also brauchbar für einen ersten Test (wenn auch wieder im IR Bereich). Das Oszillogramm sieht ganz interessant aus s.unten.
Es werden alle 40 ms 32 Impulse mit einer Rate von 1/ms ausgegeben, die Impulsdauer beträgt so um 0,2ms. Das ist alles im gleichen Zeitbereich. Ich nahme an, daß hier auch über mehrere Messungen gemittelt wird.
Manfred
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Ich wollte noch das Bild von einer relativ kleinen Scannereinheit eines Laserdruckers weitergeben.
Im Bild ist zu sehen, welchen Weg der Laserstrahl vom Sender aus zum Spiegel nimmt. Er wird dort von einem kleinen Vierfachspiegel abgelenkt und trifft zuerst auf den festen Spielgel für den Detektor des Synchoniserinpulses und geht dann über die seltsam gebogene Linse raus auf die Trommel. Der Motor dreht mit einer sehr hohen Drehzahl, ich schätze mal mehr als 10.000Upm (nach Geräusch).
Meistens ist eine kleine Zylinderlinse im Strahlengang vor dem Drehspiegel, da die lange Linse wohl nicht eine ausreichend kurze Brennweite in Querrichtung schafft. Diese lange Linse ist von Version zu Version komplizierter geworden und sieht in dieser Version vielleicht aus wie ein Koffergriff. Im Gegensatz zu einem Griff hat sie aber die Aufgabe, den Strahl auf der Breite eines Din A4 Blattes auf 0,1mm zu fokussieren. Da merkt man erst, wie einfach die Optik in einem Fernglas oder Fotoapparat ist.
Eine solche Linse braucht man für die Entfernungsmessung nicht. Manchmal kommt man aber auf weiterführende Ideen, wenn man sich andere Realisierungen ansieht.
Manfred
