Distanzmessung per Laser -> Idee zur Diskussion...

[Manf]

Die IR Empfänger werden schon auch mit sichtbarem Laser gehen. Ich würde für alle Versuche wenn möglich sichtbares Licht einsetzen, aus Sicherheitsgründen. Und zur Justierung.

"Was schätzt du wie hoch das detektierte Signal ausfallen wird? 2-3mV?"
(Dann kannst Du für die Linse einen Gabelstapler kommen lassen.) Ich habe mal so überlegt, daß die Fläche einer 5cm Linse auf 5m Abstand 10^-4 "sr" sind. Das wäre dann mal für den Abstand.
Direkt am reflektierten Leuchtfleck tippe ich eher auf 20-50mV. Das ist aber mehr Hoffnung.

Überprüfe den letzen Punkt noch mal in Ruhe, die Frequenz wird sich bei einem stehenden Objekt nicht ändern.

(Ich gebe das Kompliment auch gerne zurück, so schnell war ich selten beim Thema)

Manfred

[Zumpfel]

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 ????

[Gottfreak]

Zu der Diskussion allgemein: Ist echt'n heftiges Projekt, das ihr euch da vorgenommen habt (find' ich cool).
Zur Stärke des empfangenen Signals:
Unter der Annahme, dass das zu detektierende Objekt kein Licht absorbiert und in alle Richtungen (180°) gleichmäßig streut (also in dieser Hinsich optimal ist), kommen von den 5mW auf dem Leuchtfleck auf einer 5m entfernten 5cm im Durchmesser messenden (runden) Linse nur ca.
((tan^-1 (5/500)/180)^2 * 5mW = ca. 55nW
an. Gibt es so empfindliche Detektoren oder wäre selbst unter Idealbedingungen eine um Größenordnungen höhere Sendeleistung nötig?

[sonic]

Überprüfe den letzen Punkt noch mal in Ruhe, die Frequenz wird sich bei einem stehenden Objekt nicht ändern.
Manfred

Aaaaalsooo, noch mal ganz ruhig werd
Stimmt, mein Fehler. Man hat dann einfach nur weniger Perioden im Sichtfeld.

Nochmal zum Punkt der reflektierten Leistung. Deinen Ansatz habe ich auch versucht.

Hab ich das richtig?
Ein Laser mit 5mW projeziert bei kleinen Entfernungen einen Lichtfleck von ca. 2-3cm Durchmesser. Also 5mW/PI*(Fleckdurchmesser*0,5)^2.
Das Objekt strahlt diffus ab also in alle Richtungen, also nahezu kugelförmig.

Die empfangene Leistung wäre ungefähr L/(4*pi*r^2), wobei L die Leuchtkraft des Flecks in Watt und r der Abstand Fleck<->Detektor ist.

in Zahlen:

bei 5mW Lichtleistung des Lasers, verteilt auf einen Fleck von 3cm
auf eine 5cm Linse im Abstand d wären das

d = 20 -> 1.4726e-7 mW
d = 15 -> 0.26180e-6 mW
d = 10 -> 0.58905e-6 mW
d = 5 -> 0.23562e-5 mW
d = 1 -> 0.58905e-4 mW

Haut das hin?
Man, das ist wenig

Gruß, Sonic

Nachtrag:

Hab ich grad gefunden, ist mir aber für "5 Minuten" ein bisschen zu hoch ;-(
http://www.bauv.unibw-muenchen.de/in...s/08LASE-2.PDF

[Manf]

Soweit so gut,
die Berechnungen (Schätzungen) für die empfangene Leistung liegen nicht so weit auseinander 2 nW - 55nW auf 5m. Betrachtet wurde dabei der Verlust durch die Ausbreitung in Richtungen, die nicht auf die Linsenfläche treffen.

(Unterschiede gab es vielleicht in der Richtcharakteristik eines Leuchtflecks, homogen über die Halbkugel oder cos-förmig in Richtung der Flächennormalen, aber das ist ein Faktor von etwa 2, also gering).
Die Reflektionsfaktoren für unterschiedliche Materialien liegen zumeist auch im Bereich von 50%-100% (siehe >5min link von Sonic) also auch gering.

Welche anderen Verluste gibt es? Relative Einschaltdauer des Lasers. 50%-100% (mehr Leistung geht nicht raus) Senderlinse, Kollimator, wird in die Angabe 5mW eingerechnet sein.
Die Dämfung durch Luft lassen wir ganz weg und messen erst mal nur bei schönem Wetter, die Dämpfung ist mehr im km Bereich interessant.
Strahldivergenz führt dann zum Thema räumliche Auflösung. Wird der gesamte Leuchtfleck auf dem Detektor abgebildet? Im wesentlichen ja, denn dies ist eine Forderung an die Ausgewogenheit der Systempräzision. (Erkärung muß folgen).
Damit können wir die Eingangsleistung des Systems abschätzen und können im Test bestimmen, welcher Detektor die nötige Empfindlichkeit haben wird. Daraus wird sich ergeben, wie groß die Dauer des Leuchtfleckempfangs sein muß, um einen geforderten Störabstand zu erreichen. Als Reserve haben wir dann noch die Verbesserung des Störabstandes durch Mehrfachmessung.



*Ausgewogene Systempräzision:
Es wurde von einem Leuchtfleck der Größe 3cm gesprochen.
Dazu grundsätzlich: Ich denke es ist eine Hilfe, sich in den Größenordnungen an Beispielen orientieren zu können. Also nehmen wir ihn erst einmal mit 3cm Größe an. Wenn eine begründete andere Meinung aufkommt, oder ein Verfahren diesen Wert verbessern kann, dann können wir ihn jederzeit korrigiern.

Dieser Leuchtfleck wird abgebildet mit einer Linse mit ca.10cm Brennweite und hat damit auf dem Schirm eine Größe von 3cm* 10cm/500cm = 0,6mm.
Dies ist damit auch die Breite des Sensors. Ein breiterer Sensor empfängt den Leuchtfleck für längere Zeit und verbreitert damit das Empfangssignal. Ein schmalerer Sensor verringert die Zeitdauer des Leuchtfleckdurchgangs kaum. Er empfängt aber nur geringere Leistung und liefert damit einen geringen Störabstend.

Der zeitliche Durchgang der räumlich verteilten Intensitätsfunktion des Leuchtflecks über den räumlich ausgedehnten Sensor entspricht der Faltung der beiden Raumfunktionen. Die resultiernde Funktion soll eine optimale Funktion sein, mit hoher Amplitude und mit kurzer zeitlicher Ausdehnung. Diese Bedingung wird am besten bei der Faltung von zwei Funktionen erreicht, die die gleiche räumliche Verteilung haben.

Kurz gesagt: mit 10cm Brennweite und 5m Abstand bei 3cm Leuchtfleckbreite soll der Sensor eine Breite von 0,6mm haben. Ein breiterer Sensor, der mehr Licht empfängt, sollte über eine Linse mit größerer Brennweite versorgt werden, um keine zeitliche Auflösung einzubüßen.

Manfred

[sonic]

Soweit so gut,
[..]
Kurz gesagt: mit 10cm Brennweite und 5m Abstand bei 3cm Leuchtfleckbreite soll der Sensor eine Breite von 0,6mm haben. Ein breiterer Sensor, der mehr Licht empfängt, sollte über eine Linse mit größerer Brennweite versorgt werden, um keine zeitliche Auflösung einzubüßen.
Manfred

Und genau darüber hab ich mir gestern Abend noch Gedanken gemacht.
Du hattest mal gemeint, meine Ir-Empfänger sollten für einen Test mit meinem roten Laser ausreichen.

Mein Laser (Pollin):

"Laser-Modul LP-705
Leistungsstarkes Lasermodul mit 3...4,5 V Betriebsspannung und einer Leistung < 5 mW. Wellenlänge 630-680 nm. Class IIIA Laser."

Meine Dioden sind SFH205, laut Datenblatt haben die bei 670nm längstens 0% spektrale Empfindlichkeit. Glaube nicht das da noch etwas ankommt.

Reichelt hat nur wenig Auswahl, Conrad hatte (ich glaube PIN-Fotodioden) für u.a. medizinische Anwendungen bzw. Belichtungsmesser und industrielle Geräte von Infenion. Aber für knapp unter 10€.
Dafür waren die im Nennspektrum bei ca. 800nm sehr empfindlich.

Vielleicht wäre es ratsam eine Schaltung mit mehreren F.Dioden/F.Transistoren aufzubauen um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Z.B. parabolförmig auf einer Linie, bzw. "Halbkugel".

Das Signal darf natürlich nicht verändert werden.

Alles hängt vom Detektor ab, ich glaube das steht fest.

Zur Linse hatte ich eine Idee:

Ich komm über eine Druckerei an sogenannte Fadenzähler. Ist eine große Lupe für Drucker. Ich hab eine da mit ca. 20cm, gibt es aber auch mit 10 und weniger. Aber eine Lupe mit 20cm Durchmesser sieht auf einem Robbie (dafür machen wir das ja) mit ca. 40cm Länge irgendwie doof aus

Vielleicht kann ich mir auch so ein Zielfernrohr für G_w_hre/Pis_o_en irgendwoher besorgen. Aber bevor jetzt der Schilly dieses Forum zumacht - für Scharfschützenpräzission reicht meine Kohle eh nicht. Ich hab da eher an sowas für die Paintballfreaks gedacht. Sollte einigermassen günstig zu bekommen sein. Ein halbes Fernglas wäre vielleicht auch ok.

Vielleicht sollten wir auch unsere Erwartungen bezüglich der Reichweite ein bisschen minimieren. 20m ist bei den winzigen Leistungen schon eine große Leistung. 5m würden mir am Anfang locker reichen.
Wie gesagt, mir geht es darum, genauer und mit besserer räumlicher Auflösung als US-Sensoren zu sein.

Gruß, Sonic

[Manf]

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

[sonic]

Tageslichtfilter ist natürlich nicht so gut, ich meinte auch einen anderen Photodiodentyp).

Genau

(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.

Fadenzähler kennt man schon, wenn man in einer Druckerei gearbeitet hat. Die in deinem geposteten Bild sind für Landkarten/Pläne oder?

Ich mein so eine, keine Angst die gibts auch in kleiner
http://cgi.ebay.at/ws/eBayISAPI.dll?...ayphotohosting


Nur eine Linse. Das mit dem Zielfernrohr war eher ein Tooltime Argument

Für die weitere Festlegung der Konfiguration brauchen wir noch eine Basisbreite, die die Entfernungsauflösung entscheidend bestimmen wird, und eine Drehgeschwindigkeit.

Basibreite <=> Genauigkeit der Abstandsmessung?

Gruß, Chris

[Manf]

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

[sonic]

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.

Damit werden die Passmarken überprüft. Im unteren Teile des Fusses ist eine feine Skala, damit kann man den Versatz bestimmen und die Gummitücher im Druckwerk nachstellen, jedenfalls im Rollenoffsetbereich. Außerdem sieht man wenn eine Druckplatte einen Fehler hat. Ursprünglich kommen die wirklich aus den Webereien, hat man mir auch erzählt.

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.)

Meine Rede
Kennst du diese Klammer-Systeme aus dem Chemielabor? Mit denen die Chemiker ihre Versuche aufbauen?
Damit werd ich's mal probieren, sind so ähnlich wie die Ständer aus dem Physikunterricht, aber standsicherer - schwererer Fuss.

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.

Achso, jetzt hab ich's kapiert Die Breite der Basis, was denn sonst, lol

[quote="Manf"]
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?
[/qoute]

Kann man die Systeme vergleichen?
Der Sharp arbeitet ja mit einem PSD, also hauptsächlich analog.
Wir arbeiten mit Mechanik auf Zeitbasis. Mit meinem AVR-Board mit 4MHz sollten sich auch sehr kleine Zeiten relativ genau messen lassen.
Wenn's zu langsam ist kann ich's ja immer noch mit 8MHz takten bzw nen anderen Prozessor nehmen der mit 16MHz läuft.

Da der Sensor auf einen Roboter kommt, tendiere ich eher zu einer mittleren Basisbreite, 50cm halte ich für bezahlbare Roboter für zuviel. Das ganze sollte auf dem Roboter drehbar sein, dann hätte man z.B. mit 2 Servos schon ein schönes LADAR.

25cm halte ich für das Maximum, ich hab mit 10-20cm geplant.
Wenn das Ganze zu Groß wird braucht man auch stärkere, teurere Motoren.

Der Testaufbau sollte in der Basisbreite variabel sein, so im Bereich zwischen 10cm und 50cm.

Noch ne Frage, hast du ne Typenbezeichnung bzw. Hersteller/Datenblatt von einem PSD? Mich würde mal interessieren wie empfindlich die im Vergleich zu Photo-Transistor/Diode sind.

Gruß, Sonic