360 Grad Distanzmessung um Tisch, Lidar

[dikus]

Hallo alle zusammen,

ich bin neu hier. Meine Projektgruppe, bestehend aus Studenten aus dem Ingenieursbereich, hat folgende Aufgabe:

Es soll ein Abstandsmesssystem für einen Tisch (später Roboter) entwickelt werden. Das Abstandsmesssystem soll aus mehreren Modulen bestehen. Die Module können frei an einem Tisch montiert werden (außen am Tisch) und überwachen zusammen die gesamte Umgebung dieses Tisches in einer Ebene auf herannahende Objekte. Wird ein bestimmter Abstand, der von dem Bediener für jedes Modul individuell einstellbar ist, überschritten, so soll ein Alarm ausgelöst werden.
So weit zur Aufgabenbeschreibung.

Nachdem wir uns einen Überblick über bestehende Messprinzipien verschafft haben, sind wir zu dem Entschluss gekommen rotierende 2D-Laserscanner (Lidar) zu bauen. So machen es auch Unternehmen der Sicherheitstechnik wie z.B. SICK, um Gefahrenzonen zu Überwachen. Mit zwei solcher Sensoren mit einem 270° Scannbereich könnte der ganze Tisch überwacht werden (angebracht an gegenüberliegenden Ecken des Tisches).
Wir hatten vor ein Laser-Distanzmesser auf einen Drehmotor zu montieren und ihn permanent rotieren zu lassen.

Nun zum Problem: Das Besondere an diesen Lidaren ist, denke ich, die hohe Frequenz mit der gemessen wird. Um sicherheitstechnisch noch akzeptabel zu sein, müssen unsere Module mindestens drei 360°-Scanns pro Sekunde schaffen und dabei bei ca. jedem zweiten Grad eine Messung machen. Damit müsste der Sensor ca. 500 Messungen pro Sekunde machen können.
Der günstigste Sensor, der das kann und den ich gefunden habe, ist der Lidar Lite v2 mit 150€. Das ist ziemlich teuer.
Distanzsensoren von Sharp zum Beispiel haben nur eine Messfrequenz von max 50 Hz.
Ob wir selbst einen geeigneten bauen könnten, bezweifel ich, da wir in der Praxis sehr unerfahren sind.


Nun zu meinen Fragen:

...kennt jemand einen Laser-Distanz-Sensor mit obiger Messfrequenz, der günstiger als 150€ ist?
...hat jemand vielleicht schon so einen Distanz-Sensor selber gebaut? Würdet ihr das Anfängern zutrauen?
...könnte man statt Laser auch Ultraschall, Radar o.ä. benutzen, ohne dass die Messungen viel ungenauer sind? Würde das die Kosten deutlich senken?

Generell bin ich für Tipps oder Vorschläge zu anderen Sensorik-Konzepten offen und dankbar ;). Was jedoch feststeht ist, dass wir einen Sensor rotieren lassen, weil sonst zu viele Module für die 360°-Überwachung benötigt werden. (Infrarotsensoren kommen auch nicht in Frage, weil bei ihnen nicht angegeben werden kann, aus welcher Richtung ein Objekt kommt... stimmt doch, oder?)

Liebe Grüße

[i_make_it]

Der günstigste Sensor, der das kann und den ich gefunden habe, ist der Lidar Lite v2 mit 150€. Das ist ziemlich teuer.




kennt jemand einen Laser-Distanz-Sensor mit obiger Messfrequenz, der günstiger als 150€ ist?


Wenn Du keinen günstigeren LIDAR Sensor kennst, wie kommst Du darauf das der teuer ist?
Wenn man sich mal andere LIDAR Sensoren ansieht ist das ein Hammer Preis.

Willst Du auch für einen Ferrari nur 10.000€ Zahlen?

RADAR wird vemutlich noch teuerer, wobei da ein Selbstbau möglich ist.
http://hforsten.com/homemade-synthetic-aperture-radar.html



Infrarotsensoren kommen auch nicht in Frage, weil bei ihnen nicht angegeben werden kann, aus welcher Richtung ein Objekt kommt

Bewegung im Raum ist ein vierdimensionaler Vorgang.
Ein IR-Sensor kann genausowenig wie ein LIDAR mit einer Messung eine Bewegung detektieren (zumindest nicht mit einer günstigen auswerte Technik)
Unter Ausnutzung des Dopplereffekts kann Richtung und Geschwindigkeit eines detektierten Objektes auch mit einer Messung ermittelt werden. Zumindest der Bewegungsanteil der genau auf den Sensor zu oder von ihm weg führt.
Eine Querbewegung kann ein einzelner Sensor nur in Form von: "ist da und Entfernung ist gleich", "ist nicht da und Entfernug war nicht am Rand des Erfassungsbereichs", also muß einer Querbewegung vorgelegen haben.
Bei einer entsprechend schnellen Abfolge von Einzelmessungen, die verschiedene Raumsektoren erfasst, kann man dann über die Zeit die Messungen als Bewegung mit Richtung und Betrag ermitteln.
Wobei eine einfache "ist zu diesem Zeitpunkt in jenem Raumsektor und zu dem Zeitpunkt in diesem Raumsektor" Messung nur den Bewegungsanteil quer zum Sensor liefert.
Bei kommerziellen Radaranlagen wird deshalb gleichzeitig ein FMCD- und ein Dopplerradar genutzt.
Bei entsprechend geringer zeitlicher Auflösung kann man auch die Laufzeit der einzelnen Pulse(Bursts) messen und so den Bewegungsanteil auf den Sensor zu oder von ihm weg erfassen.

Ultraschall Sensoren sind physikalisch bedingt noch langsamer, da das Messmedium Licht sich mit 300.000km/s und Schall mit ca. 330m/s ausbreitet.
Der Empfänger muß bei US also entsprechend mehr als 909000 mal länger in der selben Ausrichtung verharren um die selbe Erfassungsreichweite wie IR oder LIDAR zu haben. Entsprechend ist auch (rein von den physikalischen Grenzen) die Messung mehr als 909000 mal langsamer.
Bei IR und LIDAR kommt halt die Geschwindigkeit der Auswertetechnik dazu. Will man entsprechend kurze Messzeiten, wird es halt entsprechend teuer.
Da sind auch beim Selbstbau 150€ schnell überschritten, vor allem, da man die Einzelteile ja auch nicht zum Großhandelspreis und mit den Mengenrabatten kaufen kann.

[Klebwax]

Von ST gibt es den VL53L0X (http://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l0x.html). Ob der deine Anforderungen erfüllt, musst du prüfen. Bei Aliexpress gibts den (https://www.aliexpress.com/item/1pcs-GY-530-VL53L0X-World-smallest-Time-o-f-Flight-ToF-laser-ranging-sensor-Infrared-distance/32761933317.html?spm=2114.01010208.3.18.W0vrAY&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_4_10152_10 065_10151_10068_5210016_10194_10304_10136_10137_10 060_10155_10062_437_10154_10056_10055_10054_10059_ 303_100031_10099_10103_5290016_10102_10101_10096_1 0052_5320016_10053_10107_10050_10142_10051_10084_1 0083_5250016_10080_10082_10081_10177_10110_10111_5 19_5240016_10112_10113_10114_5230016_10180_10182_1 0184_10078_10079_5260015_10073_5280016_10186_10123 _10189_5270016_142,searchweb201603_50,ppcSwitch_7&btsid=7b0388bc-67c7-48c8-85f3-fce8896a5b91&algo_expid=b8953a8a-1e7b-46cd-9bdb-1a8dcc402a3e-2&algo_pvid=b8953a8a-1e7b-46cd-9bdb-1a8dcc402a3e) für rund 12$. Dort gibts aber auch andere System z.B. unter dem Stichwort "laser distance sensor". Auch Radarsensoren (https://www.aliexpress.com/item/HB100-microwave-doppler-radar-wireless-module-motion-sensor-and-microwave-motion-detector/604479415.html?spm=2114.01010208.3.89.wcsmGZ&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_4_10152_10 065_10151_10068_5210016_10194_10304_10136_10137_10 060_10155_10062_437_10154_10056_10055_10054_10059_ 303_100031_10099_10103_5290016_10102_10101_10096_1 0052_5320016_10053_10107_10050_10142_10051_10084_1 0083_5250016_10080_10082_10081_10177_10110_10111_5 19_5240016_10112_10113_10114_5230016_10180_10182_1 0184_10078_10079_5260015_10073_5280016_10186_10123 _10189_5270016_142,searchweb201603_50,ppcSwitch_7&btsid=999a811e-6862-4a26-8572-71bf96ffe52d&algo_expid=8e23f38c-b95b-4514-bddf-1aa20628a0c4-11&algo_pvid=8e23f38c-b95b-4514-bddf-1aa20628a0c4) findet man da, wie sie für Automatiktüren verwendet werden. Ob sie für dich passen, weiß ich nicht.

MfG Klebwax

[i_make_it]

Vorsicht, der VL53L0X hat laut Beschreibung "nur" 2m Reichweite und typisch 33ms pro Messung.
Bei der Vorgabe von 500 Messungen/s dürfte das nicht reichen.
Laser Range Finder sind oft um einiges zu langsam für LIDAR Anwendungen. Deshalb sind sie ja auch um so viel günstiger als LIDAR tauglische Komponenten.

[oberallgeier]

Vorsicht, der VL53L0X hat laut Beschreibung "nur" 2m Reichweite und typisch 33ms pro Messung ..Ich war (natürlich) gleich über dieses Ding hergefallen. Soweit ich es beurteilen kann, ist das ein Ding in der Art wie die vielen Sharpsensoren (z.B. dieser), nur eben mit einer Laser(Diode) statt einer IR-Diode und in einer deutlich kleineren, fast winzigen Bauform. Gerade die von einem "Laser"gerät erwartete "blitz"-schnelle Arbeitweise (!Single Photon Avalanche Diodes! und - noch angeberischer ".. World smallest Time-of-Flight ranging ..") wird mit diesem Bauteil aber bei WEITEM nicht erreicht. Ich fürchte darüber hinaus, dass die wellenlängenabhängige Funktion (sprich Farbe und Albedo des angemessenen Objekts) mit Sharpsensoren vergleichbar ist, weil der Sensor im "high infrared ambient light levels" arbeitet.

Hat dieser Marketingfuzzi ne Vorstellung was "Time-of-Flight" bedeutet?

[Markus4004]

Hat dieser Marketingfuzzi ne Vorstellung was "Time-of-Flight" bedeutet?


Ja, ich denk schon. Wenn Du z.B. hier schaust: http://www.st.com/content/ccc/resource/sales_and_marketing/presentation/product_presentation/98/64/10/dd/6f/15/4f/8a/time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf/files/time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf/jcr:content/translations/en.time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf
(http://www.st.com/content/ccc/resource/sales_and_marketing/presentation/product_presentation/98/64/10/dd/6f/15/4f/8a/time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf/files/time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf/jcr:content/translations/en.time_of_flight_from_1Dto3D_VL6180X.pdf)
Von der Beschreibung her würde ich vermuten, dass es wie die ToF-Kameras funktioniert, insb. weil auf Seite 10 in dem Dokument steht "Many repeated pulses required for correlation". Sie korrelieren also die Lichtimpulse (im Pixel).
https://de.wikipedia.org/wiki/TOF-Kamera

[i_make_it]

weil auf Seite 10 in dem Dokument steht "Many repeated pulses required for correlation"
Da "Time of Flight" ja Laufzeitmessung heißt, bedeutet bei 2m Reichweite und 33ms, "Many repeated pulses" also bis zu 2,475 Millionen Einzelmessungen die korreliert werden für eine Messung. Oder die Marketing Leute haben ungefähr genau so viel Ahnung wie die von Microsoft als sie für Windows 2000 schrieben "Basierend auf NT Technologie" oder wie jemand der LCD-Display sagt.

[Markus4004]

Da "Time of Flight" ja Laufzeitmessung heißt, bedeutet bei 2m Reichweite und 33ms, "Many repeated pulses" also bis zu 2,475 Millionen Einzelmessungen die korreliert werden für eine Messung.

Ich vermute mal, das funktioniert so wie zB die Kinect 2 von Microsoft. Die ganzen Andeutungen in dem Dokument passen jedenfalls sehr gut dazu (auch die Messzeiten). Das ganze funktioniert so:
Man sendet ein moduliertes Lichtsignal (also zB. ein Rechtecksignal, dann muss man das Licht nur an- und ausschalten) mit einer Frequenz von z.B. 10MHz. Ein Empfangspixel besteht aus zwei Subpixeln, zwischen denen man elektronisch hin- und herschalten kann. Man kann sich damit aussuchen, ob die von den Photonen verursachten Ladung in Subpixel A oder B soll. Diese Umschaltung macht man nun ebenfalls mit diesen 10MHz, typischerweise aber mit verschobener Phase. Aus dem Verhältnis von A und B kann man dann die Entfernung bestimmen. [Nachtrag: Man liest die Pixel dann hinterher aus. Nach der Messzeit, nicht bei jedem einzelnen Lichtpuls]

Diese "many repeated pulses" beziehen sich dann auf die Modulationsfrequenz und die Korrelation passiert im Pixel. Die Messzeiten sind typischerweise im ms-Bereich, u.a. wegen des Rauschabstandes, denn man fängt sich ja auch das Umgebungslicht mit ein und das ist oft viel stärker als das Nutzsignal.