Lidar

[SiWi]

Das Prinzip ist eigentlich einfach:
Man nehme einen IR-Laser, lasse ihn pulsieren und messe mit einer Photodiode wie lange ein jeder Puls braucht um zurückzukommen.
Den Abstand kann man dann ja mit der Lichgeschwindigkeit ausrechnen.
Das Problem ist eigentlich "nur", dass man wohl keine Uhr hat die so schnell messen kann.
Wobei: Mit den 16MHz könnte man ja theoretisch auf 1/16000000 Sekunden genau zählen.
Mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wäre das ja eine Genauigkeit von ~2cm.
Glaubt ihr das könnte funktionieren?

[ikarus_177]

Hi,

vom Prinzip her müsste es schon funktionieren (ein US - Sensor macht ja eigentlich auch nichts anderes), ABER die Photodiode wird wahrscheinlich auch sowas wie eine Reaktionszeit haben, und bei den großen Geschwindigkeiten wirkt sich eine kleine Verfälschung der Messung schon drastisch aus :-k

Viele Grüße

[SiWi]

Das mit der Reaktionszeit müsste man halt vorher ausmessen und hoffen, dass die Reaktionszeit der Photodiode immer annähernd die gleiche ist. Das Hautproblem, dass ich sehe ist, ob man überhaupt eine Chance hat mit dem AVR eine solch genaue Zählung hinzubekommen.

[vohopri]

Nein, du hast einen Rechenfehler drin, es sind 19 METER, die das Licht zwischen zwei Impulen einer 16Mhz Abfragerate zurücklegt.

grüsse,
HANNES

[SiWi]

Ooops, ja richtig.

[Besserwessi]

Die Messung direkt mit dem AVR wird also nicht gehen. Dafür gibt es aber Spezielle Zeit-Digitalwandler ICs. Eine andere Möglichkeit ist es aus der Pulsdauer eine analoge Spannung zu machen und dann analog zu messen. Einfach ist das ganze aber nicht, das ist eher ein sehr fortgeschrittenes Projekt. Als Empfänger wird man mit einer normalen Fotodiode auch nicht auskommen, es sei denn man will die Entfernung zu einem extra Reflektor messen.

[the_Ghost666]

Moin,
Handelsübliche Lidar-Systeme benutzen einen Laser, der mit mehreren Ampere gepulst wird, dadurch bekommt man eine gute Lichtausbeute auf dem Ziel. Davon werden je nach Material vielleicht 40-60% in den Raum gestrahlt, der Rest absorbiert. Nur von diesen 40-60% lebt das Lidar System (ohne Reflektor). Dann hat man auf der gleichen Achse eine Empfangslinse liegen, die mit ihrer Fläche Licht sammelt und auf eine Photodiode fokussiert. D.h. je größer die Linse, umso mehr Licht hat man auf der Photodiode. Das braucht man auch, denn was an der Photodiode ankommt, ist nurnoch im µW-Bereich. Um kleine Reaktionszeiten zu erhalten, bietet sich eine kleine Diode an, man muss dann aber auch genau genug fokussieren. Der Transimpedanzverstärker, um den Photostrom in ne Spannung zu verwandeln, muss sehr schnell sein und dennoch ausreichend Verstärkung liefern.
In der Praxis nimmt man dann noch eine Modulation dazu: Die Laufzeitmessung mit digitalen Schaltungen ergibt einige cm Genauigkeit, für das zusätzliche Tüpfelchen nimmt man oft Technik aus dem Mobilfunkbereich. Handytechnik mit 0,9Ghz. Das Lichtpaket wird damit noch moduliert. Im Empfänger kann mit ner PLL oder so der Phasenversatz des gesendeten und Empfangenpakets bestimmt werden, das erlaubt dann bis in den Bereich von 3mm auf 80m zu kommen.

[dennisstrehl]

> "Nur von diesen 40-60% lebt das Lidar System"
Viel weniger, weil der größte Teil nicht in der Linse landen wird.

> "3mm"
Bei welcher Wellenlänge bitte?
Ich denke man befindet sich da im niedrigen µm-Bereich wenn man mit Phasenmessungen arbeitet. Wenn die Laufzeitmessung dann nicht auf 0,5 Lambda oder so genau ist, bringt dir die Phasenmessung auch keinen Vorteil mehr.
Vgl. GPS... Das arbeitet auch mit der Lichtgeschwindigkeit.

[Besserwessi]

Die Wellenlänge der laser wird wohl zwischen 980 nm und 635 nm liegen, denn das gibts gut Halbleiterlaser und detektoren. Die Detektoren sind zum Teil Lawinendioden, also schon mit Verstärkung drin.

Die Phasenmessung bezieht sich wohl auf die Modulation, nicht die Wellenlänge des Lasers. Wenn man so weit geht auch die Phase des Lasers mit zu messen, wäre man im nm Bereich.

[dennisstrehl]

Sorry, hab ich vercheckt. Mit Modulation geht's natürlich...

[Netzman]

ich habe hier 2 Laserabstandssensoren von IFM liegen, mit einem Messbereich von 10mm - 10m, Auflösung 1mm, Wiederholrate 50Hz. Die arbeiten aber mit einem "normalen" Laser, wie aus Laserpointern, mit sichtbarem roten Licht und kleiner Leistung. Das reflektierte Licht wird mit einem flachem Halb- (?) und einem Parabolspiegel mit etwa 3.5 cm Durchmesser gesammelt.
Also möglich ist es auch mit kleinen, ungefährlichen Lasern.

mfg

[SiWi]

Dann ist also nur die Frage, wo man einen ausreichend schnellen Zeit-Digitalwandler IC herbekommt.

[the_Ghost666]

@dennisstrehl
Die 40-60% bezogen sich nur auf die Absorption im Ziel.
Die Empfangsleistung kann man abschätzen mit: Peingang=Plaser*60%*Empfängerfläche/(Pi*Entfernung)
Also Eingangsleistung Peingang, Plaser ist die Leistung des Lasers beim Senden, dann der Faktor der diffusen Reflektion und die Fläche der Empfangslinse (wenn keine Linse, dann halt die Fläche der Photodiode). Der Anteil 1/(Pi*Entfernung) gilt für nen Punktstrahler.

Was ist mit einem einfachen Digital-Zähler, den du mit hohem Takt betreibst, z.B. 50MHz, und das ClockEnable oder so als Trigger für die Messung nimmst. Dann musst du nur Laser und Zähler starten, dann den beim Eintreffen der Reflektion abschalten und den Zählerstand über IOs einlesen.

[Netzman]

ein bisschen schwieriger ist es schon... Diese Geräte modulieren das Laserlicht, Schaltungen für diese Frequenzen sind mal von sich aus nicht ohne (Solche Schaltungen werden in SMD-Technik gefertigt, Bausteine für die Frequenzen sind auch nur in SMD-Gehäusen verfügbar. Aber nicht TQFP o.ä., sondern noch ein Spürchen kleiner :) ).
Die erforderliche Optik wirst du mit Hobbymitteln auch schwer herstellen können. Zur Verarbeitung wirst du mindestens einen DSP brauchen, der dir das empfangene Signal Kreuz- oder Auto-korreliert und und und...

Hat leider schon einen Grund das solche Dinger schweineteuer sind :) (diese gelben 3-Bein Messgeräte zur Geländeabmessung kosten zb an die 200.000€)

mfg

[Felix G]

Warum keine Triangulation?

Das lässt sich mit Hobbymitteln recht problemlos realisieren, da man keine Zeiten auf Nanosekunden genau messen muss.

[Vitis]

und wie weit auseinander willst Du die Sender-Empfänger auseinander stellen?

[Felix G]

Ich spreche selbstverständlich von optischer Triangulation...

ein Laser, eine (Zeilen-)Kamera, ein µC oder DSP ... fertig.

[the_Ghost666]

Für Triangulationsversuche gibts bei Pollin sogar ein PSD für 1,50EUR oder so. Das sind Photodioden mit zwei Anoden, deren Photostrom proportional zur Position eines Lichtflecks auf dem Sensor ist. Kann mit passender Verstärkung AD-gewandelt werden und schon hat man alles Digital. Ein AtMega reicht dafür (wenn du kein Echtzeit, also über 1kHz Samplingfrequenz willst).
Ich weiß nur nicht, wie präzise der PSD von Pollin ist, wenn das zweite Wahl ist, könnte er etwas nichtlinear sein (was aber die Triangulationsmessung eh ist, das muss man rausrechnen). Problem ist hauptsächlich die kleine Sensorfläche, etwa 1x5mm. Am besten eine Empfangsoptik aus ner einfachen Linse benutzen, mit der Wahl der Abbildungsweite kannst du dann den Messbereich verstellen, ebenso, wie über den Abstand des Sensors zur Messachse die Entfernung der Messbereichsmitte variiert werden kann. Das gleiche Prinzip nutzen die bekannten Sharp-Sensoren für Entfernungsmessung.

wow, hab mal nach der Bestellnummer von Pollin gesucht.
Bei deren PSD scheint es sich doch um ein Markenprodukt von Sitek zu handeln, über Lasercomponents vertrieben. Hier meine Quelle http://www.lasercomponents.com/de/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/kataloge/sitek.pdf auf Seite 7

[i_make_it]

Um per Laser Entfernungen per Triangulation zu messen, geht der folgende aufbau:

2018-02-18 Bild gelöscht, da Limit für Bildanhänge erreicht. Platz wird benötigt um neue Bilder in Posts zu ermöglichen

Von meinem Job als Lasertechniker habe ich noch zwei 10W Helium Neon Laser übrig ( werden als Ziellaser für IR CO² Laser verwendet, Strahljustage )
Die Zeilenlupen gibt es immer wieder mal günstig in Kaufhäusern.
Den gebogenen Spiegel habe ich aus VA gebogen ( rein thermich ohne mechanische Bearbeitung um Knicke zu vermeiden )
Für das Polieren habe ich eine Vorrichtung gebaut und mit 0,1µm Diamantine auf Polierfilz poliert.
Vor der der 256 Graustufen Scannerzeile mit 2048 Sensoren aus meinem alten DIN A4 Flachbettscanner, habe ich noch einen Streifen Filterfolie von Laser 2000 gespannt.

Nachts und bei Bewölkung funktionierte das Teil super. Bei prallem Sonnenschein waren die Störlicht Einflüsse zu groß.

Tests mit Polarisationsfolie aus Brillen für 3D Filme haben das Problem weitestgehend behoben da nur das diagonal polarisierte Laserlicht zu 100% duchkam, das Fremdlicht aber zu ca. 98% gesperrt.
Aber die Folien sind zu klein und die Mindestabnahmemengen für entsprechend großformatige Stücke sind jenseits von gut und böse

[SiWi]

Da ich eh was bei Pollin bestellen muss, überleg ich mir auch gleich den psd mitzubestellen. Hierzu zwei Fragen:
Glaubt ihr der Lichtfleck einer Ir-Led ist fein genug oder braucht man nen Laser?
Wie siehts mit der Empfangsoptik aus? Das einzige optikmäßige, was ich hier rumliegen habe sind alte Brillengläser.

[SiWi]

Ein Brillenglas für kurzsichtige ist ja normal eine Streulinse.
Funktioniert das Teil auch als Sammellinse, wenn man es umdreht?

[Felix G]

Glaubt ihr der Lichtfleck einer Ir-Led ist fein genug oder braucht man nen Laser?Eine LED würde auch gehen, aber du brauchst eine zusätzliche Linse damit die LED einen gebündelten Lichtstrahl abgibt.


Ein Brillenglas für kurzsichtige ist ja normal eine Streulinse.
Funktioniert das Teil auch als Sammellinse, wenn man es umdreht?
Nein.


@i_make_it
warum so kompliziert?
Den Spiegel kann man sich normalerweise auch sparen. Einen solchen Aufbau würde ich nur verwenden wenn der Sensor aus irgendwelchen Gründen besonders schmal sein muss.

[i_make_it]

Der Spiegel ist gut dafür einen Sensor mit gröberer Auflösung verwenden zu können.
Zuerst hatte ich die Scannerzeile direkt hinter die Zeilenlupe. Die Auflösung war aber alles andere als prickelnd. ( 1 Digit > 1 Meter )
Mit Spiegel verkleinerte sich der Messbereich aber die Auflösung war besser 2cm. Natürlich ist das nicht ganz Linear.

[the_Ghost666]

Moin,

ich würde dir einen billigen Laserpointer empfehlen, weil du dir dann die Anpassung der Optik vereinfachen kannst, du brachst keinen Kondensor usw.

Als Sammellinse reicht eine Lupe aus. Wenn du einen recht großen Lichtfleck hast, kannst du den über das Abbildungsverhältnis, also die Entfernung des Sensors von der Linse noch verkleinern, sodass er ein kleiner Punkt auf dem Sensor ist.

[i_make_it]

@the_Ghost666
Eine Lupe hat eine denkbar ungünstige Form um licht einer variabel entfernten Quelle immer auf einen Punkt zu fokusieren.
Da eine Lupe bikonvex ist hat sie auf beiden seiten einen Brennpunkt.
Die Folge ist das für jeden Abstand der Lichtquelle ein Abstand des Focus existiert. Also kan der Focus von vor der Bildebene des Sensors bis dahinter wandern je nach Abstand des Ziels.
Da wir bei Lasern für die Materialbearbeitung den Strahl nach dem Resonator mit einem Teleskop aufweiten und eine Divergenz von nahezu null erreichen. (Brennweite unendlich) haben wir einen quasi parallelen Strahl. Als Linsen werden da Plankonvex und Koncavkonvex linsen mit zusätlichem Fresnel Schliff eingesetzt. Um über den gesammten Arbeitsraum keine Verschiebung der Focuslage zu erreichen.

Dies Bedingung dürfte auch hier greifen.
Weshalb ich auch einen Zeilenlupe verwendet habe die plankonvex ist.

[the_Ghost666]

Moin,
Für kleine Messbereiche funktioniert ne einfache Linse mit zwei Brennpunkten sehr gut, solange man die Ausrichtung nach der Scheimpflug-Bedingung einhält, d.h. das Sensorelement in die Abbildungsebene verkippt.

Hab zu dem Thema gerade mein Kolloquium bestanden *G* 1,15, ihr dürft mich jetzt inoffiziell Ingenieur nennen, oder wie man n Bachelor of Engineering anspricht! Offiziell und mit Gesamtnote bekomme ich das wohl nächste Woche raus. Hurra!

[Besserwessi]

Auch die plankonvese Linse hat 2 Brennpunkte (bzw. als 1 D Linse Linien). Da ist nur ein minimaler Unterschied (bei den Linsenfehlern) zu einer normalen Linse. Der Hauptvorteil vom PDS gegnüber ein CCD Zeile ist, das es recht schnell (zig kHz) geht, dafür ist die Auflösung eher niedriger.