Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

[Manf]

Die Seite sieht sehr interessant aus, viele Details, sehr schöne Anregungen und beeindruckende Fotos. So ganz ist mir der Level noch nicht klar. Aber vielleicht soll es auch nur eine Stoffsammmlung sein: (Summary siehe unten)

Es wird ein Markierungslaser geschwenkt (horizontal abgelenkt), und der Winkel unter dem die angestrahlten Objekte zu sehen sind wird mit einer Flächenkamera aufgenommen. Per Bildverarbeitung wird dann über dem Winkel der Abstand bestimmt.
Wenn man eine Kamera mit Liniensensor hätte oder einen PSD, könnte man sie mit dem Laser mitschwenken und dann gleich das Abstandssignal über dem Winkel seriell einlesen.
Mit Kamera ist es universeller und moderner, aber wenn nur der Abstand gemessen werden soll, sollte man an die andere Möglichkeit auch denken, sie hat wohl auch ihre Reize in der Einfachheit.
(Gut, das war nicht gefragt.) Eine schöne Darstellung, die Umgebung sollte ich mir noch ansehen.

Wie kommen wir weiter? Die Linse,
sie sollte über den ganzen Meßbereich den Leuchtfleck auf den Detektor abbilden. Der Leuchtfleck sollte, wenn er außerhalb der Empfangsrichtung ist, nicht auf dem Detektor sein.
Die Meßbereich beträgt von 1m? bis 20m.
Es soll möglichst viel Lichtenergie aufgenommen werden und der Leuchtfleck soll nicht zu groß werden.
Das spricht mehr für eine Handlupe (so eine wie ich sie auf dem Bild links halte) als für eine Kollimatorlinse. Eine kleine Lupe oder ein paar hintereinander um auf eine Brennweite zu kommen, die das Gehäuse nicht zu groß werden läßt. Welcher Durchmesser wäre denn erträglich 3-5cm? und die Brennweite 10cm? oder soll es kürzer sein? Wir werden später die Abbildung des Leuchtflecks berechnen oder messen und die Sensorfläche anpassen.
Manfred

Summary: Zitat aus dem Link zur optischen Entfernugsmessung ----------------------------------
The aim of this article was to demonstrate that vision based sensors are within grasp of the amateur robotics practitioner. Certainly through sharing the base information and specifics of my implementation, I hope that I've accomplished this task. Although this level of technology is not for the absolute beginner it is not completely out of reach of the seasoned amateur and certainly not limited only too high end research labs.

[sonic]

Ja ist schon alles richtig und hatte ich eigentlich auch mit eingeplant, aber es gäbe da noch ein paar andere Hürden.

Z.B. in der Elektronik:

Im "Endsensor" sollte der Laser gepulst werden - damit sollte sich das Signal besser filtern lassen. Vielleicht kann man so auf einen entsprechenden optisches Filter verzichten.
Außerdem will ich das reflektierte Signal nicht unverarbeitet in den uC speisen - Also nicht z.B. in den Comparator von einem AVR. Den hätte ich gern für höhere Aufgaben bereit (Ich hab in meinem Robbie nur einen vogesehen)

Mal überlegen, das Signal muss empfangen, gefiltert, und ausgewertet werden - außerdem muss noch die Drehzahl geregelt werden.

Also entweder man baut direkt eine Schaltung in den Sensor, welche das Signal aufbereitet und auswertet und vielleicht sogar gleich auszählt, oder man setzt nen eigenen kleinen uC dafür ein.

Fragt sich was günstiger, bzw. weniger aufwendg ist.

In den Sensor kommt auf alle Fälle eine Modulation für den Laser, eine Filterschalung und eine Trigerschaltung um das Signal auf TTL-Pegel mit steilen Flanken zu bekommen...der Rest wird sich ergeben.

Naja, jetzt muss ich erst mal drüber schlafen

Gruß, Sonic

[Manf]

Die ganze Aufgabe besteht schon aus noch ein paar Teilen und alles hängt ein bischen zusammen, da ist zum Beipiel der Lichtfleck auf dem Hindernis.
Der Laserstrahl läuft draußen beim Objekt den Horizont entlang und trifft kurz auf das angepeilte Hindernis. Im Gerät, hinter der Empfangs-Linse trifft er auf einen Schirm, der an einer Stelle einen Spalt oder Sensor trägt. Der Zeitpunkt des Treffens auf den Sensor enthält die Entfernungsinformation. Das Objekt strahlt eine Grundhelligkeit ab und der Laserpunkt kommt kurz dazu.

Ein "Matched Filter" könnte beipielsweise die vom durchlaufenden Lichtfleck erzeugte Kurvenform von der Grundhelligkeit trennen. Eine Modulation hilft dabei zunächst wenig. (Sie müßte immerhin schnell genug sein, damit die Kurvenform des durchlaufenden Lichtpunktes weiterhin zu erkennen ist.) Besser wird es sein, die Scan-geschwindigkeit für die Kurvenform eines realisierbaren "Matche Filter" zu optimieren.

Einen ganz entscheidenden Gewinn bei der Signalfilterung wird man mit mit einer Mehrfachaufnahme erreichen. Der rotierende Spielgel liefert die Enfernungs-Information sehr häufig und es wird einen entscheidenden Beitrag zur Störunterdrückung bringen, über mehrere Empfangsvorgänge zu filtern (z.B. im einfachsten Fall die Empfansgsignalzüge aufaddieren und dann die Summe filtern, ggf raffinierter). In dem Bereich der Filterung mehrerer Empfangssignale verarbeitet man dann eine Information die auf einer größeren Energie basiert und der Rauschabstand steigt mit der Wurzel der Anzahl der aufgenommen Signale.
Manfred

[sonic]

Einen ganz entscheidenden Gewinn bei der Signalfilterung wird man mit mit einer Mehrfachaufnahme erreichen. Der rotierende Spielgel liefert die Enfernungs-Information sehr häufig und es wird einen entscheidenden Beitrag zur Störunterdrückung bringen, über mehrere Empfangsvorgänge zu filtern (z.B. im einfachsten Fall die Empfansgsignalzüge aufaddieren und dann die Summe filtern, ggf raffinierter). In dem Bereich der Filterung mehrerer Empfangssignale verarbeitet man dann eine Information die auf einer größeren Energie basiert und der Rauschabstand steigt mit der Wurzel der Anzahl der aufgenommen Signale.
Manfred

Das habe ich jetzt nicht ganz verstanden.
Meinst du damit mehrere Einzelmessungen aufaddieren und dann Mittelwert bilden (so hatte ich mir das vorgestellt), oder mehrere Laserstrahlen auf dem selben Punkt?

Wenn du von höherer Ennergie sprichst, meinst du dann das bessere SNR nach dem Filter?

Mit Modulation hab ich übrigens nicht eine 2.Information auf dem Laserstrahl gemeint, sondern nur das der Laser nicht einfach so losgeschickt werden kann. Ob Sinus, Rechteck, oder Dreieck - keine Ahnung, was lässt sich denn am besten filtern? Ich würde zu Rechteck, bzw. Sinus tendieren...

Gruß, Sonic

[Manf]

Auf alle Fälle meine ich: nacheinander, da der Spiegel den Strahl sowieso nicht nur einmal ablenkt, sollte man die mehreren Messungen wenn möglich addieren.

Die mehreren Messungen haben dann mehr Energie als eine Messung und führen zu einer Rauschunterdrückung. Vor allem auch dadurch, daß zufällige Rauschereignisse ausgemittelt werden.

Die dritte Bemerkung habe ich jetzt nicht ganz verstanden. Klar ist schon mal eines: wenn der Laser ein und ausgeschaltet wird und gerade aus ist, wenn er am Ziel vorbeikommt ist nicht zu messen. Der Laserfleck geht durch das Empfangsfeld und gibt dem Empfänger dabei einen Impuls. Sollte er dabei amplitudenmoduliert sein? Nicht unbedingt, aber die typische Form mit der der Impuls beim Überqueren des Empfängers ansteigt und abfällt, und vor allem auch seine Dauer sollte in die Erkennung einbezogen werden. Über eine Modulation sollten wir noch reden: Wie lange dauert der Impuls, wieviele Perioden der Modulationsfrequenz sollten das sein?
Manfred

[sonic]

Auf alle Fälle meine ich: nacheinander, da der Spiegel den Strahl sowieso nicht nur einmal ablenkt, sollte man die mehreren Messungen wenn möglich addieren.

Die mehreren Messungen haben dann mehr Energie als eine Messung und führen zu einer Rauschunterdrückung. Vor allem auch dadurch, daß zufällige Rauschereignisse ausgemittelt werden.

Das ist mir immer noch nicht ganz klar:

Meine Strategie wäre z.B. 5mal messen, Werte addieren und durch 5 Teilen.
Das Wort Ennergie irritiert mich irgendwie - um auf höhere Energien im Detektor zu kommen müsste man doch irgendwie die Signale zwischenspeichern und addieren...

Aber ich glaube wir meinen das Gleiche...

Die dritte Bemerkung habe ich jetzt nicht ganz verstanden. Klar ist schon mal eines: wenn der Laser ein und ausgeschaltet wird und gerade aus ist, wenn er am Ziel vorbeikommt ist nicht zu messen. Der Laserfleck geht durch das Empfangsfeld und gibt dem Empfänger dabei einen Impuls. Sollte er dabei amplitudenmoduliert sein?

Nein, das hab ich gemeint. Also Träger ja, Modulation keine...
Einfach nur an und ausschalten.

Mein Gedanke war den FET der Laserdiodenregelung periodisch kurzzuschließen (bzw. mit kleinem Widerstand).
Ich hab im Netz schon ein paar Seiten gefunden die über dieses Thema Artikel hatten. Angeblich soll man so einen Laserpointer locker im Ghz bereich modulieren können. Für uns würden einige hundert KHz bis einige Mhz reichen.

Der "Träger" muss schon so hoch gepulst werden damit man auf der Bogenlänge die während einer Messung überstrichen wird genug Pulse hat die gefiltert werden können.

Nicht unbedingt, aber die typische Form mit der der Impuls beim Überqueren des Empfängers ansteigt und abfällt, und vor allem auch seine Dauer sollte in die Erkennung einbezogen werden.

Hm, ich würde sagen das versuch ich nachdem ich den ersten Prototyp gebaut habe.

Meine Strategie war:
Detektor -> Bandpass -> Verstärker -> (Differenzierer) -> Schmidttrigger (ST) -> uC

Ohne Differenzierer würde der ST bei steigender Flanke ab Schwellwert x schalten. Das wäre aber eigentlich zu früh.
Idealerweise sollte der ST beim Maximum des empfangenen Signals schalten.

Beides sollte aber mit einem Oszi (hab ich ) hinreichend genau einzustellen sein

Der Gag ist ja, daß wenn man ein Rechtecksignal via Laser abschickt, das detektierte Signal einem AM-Signal entspricht.

Also Rechteck + Sinus...

Über eine Modulation sollten wir noch reden: Wie lange dauert der Impuls, wieviele Perioden der Modulationsfrequenz sollten das sein?
Manfred

Muss ich mal durchrechnen...hängt aber natürlich alles davon ab wieviele Mesungen man pro Sekunde durchführen will...

Gruß, Sonic

[Manf]

1. Es sind schon die Meßwerte mit denen weitere Operationen durchgeführt werden. Was ist der Unterschied zwischen a) Meßwert des Siganls speichern und b) Signal speichern? Das kommt darauf an in welcher Form das Signal gespeichert wird, z.B. als Abtastwerte 8bit (ggf sogar 1bit mit "sigma-delta Kompensation") mit welcher Abtastrate? Muß man noch sehen.

2. Die Modulation können wir einmal als Rechteckmodulation mit einer noch zu bestimmenden Grundfrequenz annehmen. Die Abschwächung der Oberwellen wird dann schon etwas Dreick- bis Sinusförmiges daraus machen. Mir ging es um den Punkt: einen Leuchtfleck in 20m Entfernung erkennen (nicht den Strahl über 20m) ist eine tolle Leistung, für die Erkennung einer MHz Modulation auf diesem Leuchtfleck sehe ich erst einmal schwarz. Wenn Du mir die Empfängerschaltung zeigst, könnte ich ggf wieder Hoffnung schöpfen.

3. Das mit dem "Bandpass -> Verstärker -> (Differenzierer)" geht in Richtung der Pluslformfilterung. Die Modulation stelle ich noch in Frage.

4. Welche Größen bestimmen die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels? Höchstwahrscheinlich hätte man es aus Sicht der Signalverarbeitung so langsam wie möglich. Was ist realistisch? Wieviele Durchläufe pro Sekunde? 1? 10? (100?)
Manfred

[sonic]

1. Es sind schon die Meßwerte mit denen weitere Operationen durchgeführt werden. Was ist der Unterschied zwischen a) Meßwert des Siganls speichern und b) Signal speichern? Das kommt darauf an in welcher Form das Signal gespeichert wird, z.B. als Abtastwerte 8bit (ggf sogar 1bit mit "sigma-delta Kompensation") mit welcher Abtastrate? Muß man noch sehen.

Eben, also haben wir doch das selbe gemeint.
Nur fällt das meiner Meinung nach schon in die Auswertung des uC.
Jetzt kommt es eben darauf an in welcher Form man dem uC nun das Signal liefert.

Meine Ideen zielten darauf ab dem uC ein möglichst einfaches Auswertsignal zu geben. Ähnlich wie bei einem US-Sensor nur Start und Stop.

Also 2 Detektoren im Strahlengang. Einer z.B. parallel zur Messachse, einer auf der Messachse. Der erste triggert das Startsignal, der zweite das Stopsignal.

Leider hab ich keine Ahnung wie stark das empfangene Signal sein wird, und wie sehr es im Rauschen untergeht.

Das sollten wir klären, vielleicht gibt es im Netzt entsprechende Versuchsberichte.

2. Die Modulation können wir einmal als Rechteckmodulation mit einer noch zu bestimmenden Grundfrequenz annehmen. Die Abschwächung der Oberwellen wird dann schon etwas Dreick- bis Sinusförmiges daraus machen. Mir ging es um den Punkt: einen Leuchtfleck in 20m Entfernung erkennen (nicht den Strahl über 20m) ist eine tolle Leistung, für die Erkennung einer MHz Modulation auf diesem Leuchtfleck sehe ich erst einmal schwarz. Wenn Du mir die Empfängerschaltung zeigst, könnte ich ggf wieder Hoffnung schöpfen.

Ja is klar, aber vergleich das mal mit den anderen Empfängern.
Diese Laserpistolen mit denen die Polizei auf Autofahrer zielt arbeiten mit höheren Modulationen (GHz) auf größeren Entfernungen.
Ok, die kosten VIEL mehr, haben optische und elektronische Filter und arbeiten mit Ir-Lasern.
Und Ok, Ok, die zielen auf das reflektierende Nummernschild.
Allerdings müssen diese Geräte nicht nur Lichtfleck da oder nicht erkennen, sondern auch noch ziemlich genau die Phasenverschiebung messen.

Das ist das was möglich ist, das ist aber nicht mein Ziel.
Die Frage ist natürlich, welche Genauigkeit man mit wieviel Aufwand erreichen will. Ein einfacher Bandpass aus RC-Gliedern reicht sicher nicht aus. Übetreiben mus man es ja auch nicht

Zugegeben, 20m ist schon sehr weit. Für den Anfang werden mir sicher 5m auch reichen. Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann man ja dann immer noch an Detektor/Empfänger weiterentwickeln...

Außerdem bleibt mein Robbie ja nicht stehen und dreht sich nur um eine Achse, sondern er fährt ja auch in der Gegend rum. Da bleibt es nicht aus das er verschiedene Stellen im Raum mehrfach misst.
Ist die Entfernung kleiner als eine vorher gemessene, so ist sie auch genauer und wird ersetzt. Ab einer bestimmten Entfernung, welche von der Genauigkeit des Sensors abhängt, wird der Messwert von vorneherein ausgeschlossen.

3. Das mit dem "Bandpass -> Verstärker -> (Differenzierer)" geht in Richtung der Pluslformfilterung. Die Modulation stelle ich noch in Frage.

Ok

4. Welche Größen bestimmen die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels? Höchstwahrscheinlich hätte man es aus Sicht der Signalverarbeitung so langsam wie möglich. Was ist realistisch? Wieviele Durchläufe pro Sekunde? 1? 10? (100?)
Manfred

Das hängt aber nicht nur davon ab wieviel Messungen man pro Sekunde haben will, sondern auch davon wie Grad ein Messpunkt umfassen soll. Sprich ob man bei 5m Entfernung 5cm Bogenlänge haben wil oder 20cm.

Da muss man ein Mittelmass finden, aber soweit wie möglich würde ich an die Grenzen der Mechanik/Elektronik gehen.

Ich überleg mir in der zwischenzeit schonmal die Detektor und Auswertschaltung ,-)

Gruß, Sonic

[Manf]

Ja is klar, aber vergleich das mal mit den anderen Empfängern.
Diese Laserpistolen mit denen die Polizei auf Autofahrer zielt arbeiten mit höheren Modulationen (GHz) auf größeren Entfernungen.
Ok, die kosten VIEL mehr, haben optische und elektronische Filter und arbeiten mit Ir-Lasern.
Und Ok, Ok, die zielen auf das reflektierende Nummernschild.
Allerdings müssen diese Geräte nicht nur Lichtfleck da oder nicht erkennen, sondern auch noch ziemlich genau die Phasenverschiebung messen.

Das ist also das Referenzprinzip: Laser Dopplerradar. Einen Gewissen Vorteil hat man dabei, man weiß nämlich, daß wenn man das Empfangssignal mit dem Sendesignal mischt, dann kommt eine relativ niedrige Ferquenz heraus, die proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist, also beispielsweise 200-600 Hz. Dieses Signal läßt sich in der HF Umgebung sehr gut Verstärken, weil ein Signal mit der Empangsfrequenz am Ort des Senders sonst nicht existiert.
Das Signal kann dann bis in die Sättigung verstärkt werden (schon auch mit AGC), da die Frequenz die Information trägt (FM ist ja irgendwie auch eine Art Phasenverschiebung).

Ganz so gut geht es im vorliegenden Fall nicht. Allenfalls mit einem durchstimmbaren Laser, bei dem ohne Trigonometrie die Laufzeit über den Frequenzversatz direkt gemessen wird. (Ein alter Traum von mir aus Jugendtagen, von dem ich sicher bin, daß ich die Realisierung auf dem Basteltisch noch erleben werde, aber erst in einigen Jahren).

Wir sollten froh sein, wenn wir uns die Auswertung der HF Modulation ersparen können. Die Modulation selbst geht noch, aber der Empfänger ist ein Greuel.
Man wird dabei versuchen dabei ein extrem schwaches Signal zu detektieren, das gleich nebenan im Sender mit (10^9 ?) facher Leistung produziert wird.
Diese HF-Modulation sollte wirklich zuerst überprüft werden und ich glaube, sie sollte weggelassen werden. Ich kann mich noch an Versuche erinnern, die Datenrate von Optokopplern in die Höhe zu treiben. (Aber das bringt mich dann wieder auf ein ganz anderes Thema)
Manfred

[sonic]

Wir sollten froh sein, wenn wir uns die Auswertung der HF Modulation ersparen können. Die Modulation selbst geht noch, aber der Empfänger ist ein Greuel.
Man wird dabei versuchen dabei ein extrem schwaches Signal zu detektieren, das gleich nebenan im Sender mit (10^9 ?) facher Leistung produziert wird.

Da sind wir einer Meinung.
Im Moment hab ich einen 5mW Laser in Rot als Modul hier rumliegen.
Leider hab ich nur Ir-Empfänger, deswegen kann ich "noch" nichts ausprobieren.
Ein passender Spiegel/Ablenkeinheit fehlt mir noch...äh Moment, eventuell liegt hier noch irgendwo eine ausgeschlachtete Lasercrab rum, muss ich mal suchen.

Du scheinst viel Erfahrung zu haben, macht richtig Spaß diese Diskussion Was schätzt du wie hoch das detektierte Signal ausfallen wird? 2-3mV?

Diese HF-Modulation sollte wirklich zuerst überprüft werden und ich glaube, sie sollte weggelassen werden. Ich kann mich noch an Versuche erinnern, die Datenrate von Optokopplern in die Höhe zu treiben. (Aber das bringt mich dann wieder auf ein ganz anderes Thema)
Manfred

Ja, die Modulation wäre der schwerste Teil, auch ohne die Phasenverschiebung...

By the Way, mir ist heute in der Uni noch ein weiteres Problem in den Sinn gekommen das uns auch in die Suppe spucken könnte.

Wird der Laser gepulst, bleibt die detektierte Frequenz nicht immer gleich.
Je weiter weg das zu messende Objekt ist, desto tiefer wird die Frequenz des zurückgeworfenen Laserstrahls, da der Strahl immer schneller über das Objekt streift (eben auch Dopplereffekt, aber ungewollt).

Das !könnte! das Filtern erschweren wenn die empfangene Frequenz irgendwann zuweit vom Bandpass abweicht.
Man muss dann dafür sorgen, das diese Frequenzverschiebung im Rahmen bleibt...
Muss man eben durchrechnen...

Gruß, Sonic