Low-Cost-Lidar Verarbeitung mit Matlab/Simulink - Versionsgeschichte

Christian Sievers am 4. Juli 2018 um 19:53 Uhr

2018-07-04T19:53:39Z

← Nächstältere Version		Version vom 4. Juli 2018, 19:53 Uhr
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	[[Datei:Ishiakwa_Lidar_Sensor.PNG]]		[[Datei:Ishiakwa_Lidar_Sensor.PNG]]

	== ~~Ausblick~~ ==		== Youtube Video ==

			[https://youtu.be/UBjGWiPM0Nc Youtube Video zur Sensorinbetriebnahme]

Christian Sievers: /* Der verwendete Lidarsensor und dessen mechanischer und elektrischer Aufbau */

2018-07-01T20:18:37Z

Der verwendete Lidarsensor und dessen mechanischer und elektrischer Aufbau

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:18 Uhr
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	[[Datei:Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]]		[[Datei:Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]]

	Um nicht nur in eine Richtung, sondern 360° messen zu können, ist die ganze Signaleinheit über einem Riemenantrieb mit der Basis des Sensors verbunden. Der Motor kann den Sensor frei mit 50 Umdrehungen pro Minute drehen.		Um nicht nur in eine Richtung, sondern 360° messen zu können, ist die ganze Signaleinheit über einem Riemenantrieb mit der Basis des Sensors verbunden. Der Motor kann den Sensor frei mit circa. 50 Umdrehungen pro Minute drehen.

	'''Elektrischer Aufbau:'''Im Inneren des Lidarscanners ist ein Blackfin Processor verantwortlich für die Datenverarbeitung, Taktung, Koordination und Kommunikation nach draußen verantwortlich. Der Signalablauf startet mit dem Befehl an der Laserdiode, einen Lichtimpuls auszusenden. Dieser Lichtimpuls wird von der Empfangselektronik empfangen und an den Prozessor übergeben. Dieser interpretiert aus den gemessenen Signalstärken den Winkel und damit die Entfernung des reflektierenden Objekts. Mit der Information, welcher Winkel zum Zeitpunkt des Messvorgangs der Messkopf hatte, kann zusätzlich zur Entfernung auch die Winkelposition des Objekts ermittelt werden. Die empfangenen Daten werden im seriellen Flash-Speicher zwischen gepuffert und über die serielle RS232 Schnittstelle ausgegeben.		'''Elektrischer Aufbau:'''Im Inneren des Lidarscanners ist ein Blackfin Processor verantwortlich für die Datenverarbeitung, Taktung, Koordination und Kommunikation nach draußen verantwortlich. Der Signalablauf startet mit dem Befehl an der Laserdiode, einen Lichtimpuls auszusenden. Dieser Lichtimpuls wird von der Empfangselektronik empfangen und an den Prozessor übergeben. Dieser interpretiert aus den gemessenen Signalstärken den Winkel und damit die Entfernung des reflektierenden Objekts. Mit der Information, welcher Winkel zum Zeitpunkt des Messvorgangs der Messkopf hatte, kann zusätzlich zur Entfernung auch die Winkelposition des Objekts ermittelt werden. Die empfangenen Daten werden im seriellen Flash-Speicher zwischen gepuffert und über die serielle RS232 Schnittstelle ausgegeben.

Christian Sievers: /* Lidar Technologie */

2018-07-01T20:17:55Z

Lidar Technologie

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:17 Uhr
Zeile 21:		Zeile 21:

	Die Aufgabe von Lidar Sensoren ist es die Entfernung und den Winkel, ausgehend von der Sensornormalen, von Gegenständen und Hindernissen zu bestimmen.		Die Aufgabe von Lidar Sensoren ist es die Entfernung und den Winkel, ausgehend von der Sensornormalen, von Gegenständen und Hindernissen zu bestimmen.
	Im ~~Allgemeinen~~ gibt es zwei ~~mögliche~~ Messverfahren um dies zu bestimmen. Das verbreitetste Verfahren ist das sogenannte "time of flight" (Deutsch: Zeit des Flugs) verfahren. Dabei wird ein Lichtstrahl von einer Sendeeinheit ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und anschließend von einem Empfängermodul detektiert. Die Entfernung des zu messenden Objekts wird ermittelt, indem man die Zeit misst, die der Lichtimpuls benötigt, um die gesamte Strecke zu überwinden. Da die Geschwindigkeit des Lichtes eine bekannte konstante ist, kann man die Entfernung somit sehr genau bestimmen. Wichtig ist dabei, die halbe Strecke zu verwenden, da immer Hin- und Rückweg gemessen werden.		Im Stand der Technik gibt es zwei übliche Messverfahren um dies zu bestimmen. Das verbreitetste Verfahren ist das sogenannte "time of flight" (Deutsch: Zeit des Flugs) verfahren. Dabei wird ein Lichtstrahl von einer Sendeeinheit ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und anschließend von einem Empfängermodul detektiert. Die Entfernung des zu messenden Objekts wird ermittelt, indem man die Zeit misst, die der Lichtimpuls benötigt, um die gesamte Strecke zu überwinden. Da die Geschwindigkeit des Lichtes eine bekannte konstante ist, kann man die Entfernung somit sehr genau bestimmen. Wichtig ist dabei, die halbe Strecke zu verwenden, da immer Hin- und Rückweg gemessen werden.

	<math>\Delta x = \frac{c}{2} * \Delta t</math>		<math>\Delta x = \frac{c}{2} * \Delta t</math>
Zeile 27:		Zeile 27:
	Um die Genauigkeit der Messung noch weiter zu erhöhen, wurde das Phase Shift (Deutsch: Phasendifferenzverfahren) entwickelt. Zusätzlich zur Laufzeitmessung wird die Wellenlänge des ausgegebenen Sendersignals variiert. Durch die Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger kann auf die Entfernung zurück geschlossen werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass nur während eines kompletten Phasenablaufs gemessen werden kann. Nach einem Phasendurchlauf wiederholt sich der Wert und es kann sein, das statt dem erwarteten Befehls ein vielfaches detektiert wird. Die Wellenlänge muss also immer dem zu messenden Bereich angepasst werden.		Um die Genauigkeit der Messung noch weiter zu erhöhen, wurde das Phase Shift (Deutsch: Phasendifferenzverfahren) entwickelt. Zusätzlich zur Laufzeitmessung wird die Wellenlänge des ausgegebenen Sendersignals variiert. Durch die Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger kann auf die Entfernung zurück geschlossen werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass nur während eines kompletten Phasenablaufs gemessen werden kann. Nach einem Phasendurchlauf wiederholt sich der Wert und es kann sein, das statt dem erwarteten Befehls ein vielfaches detektiert wird. Die Wellenlänge muss also immer dem zu messenden Bereich angepasst werden.

	Ein drittes Verfahren nutzt Triangulation um auf die Entfernung zu ermitteln. Bei einem vertikal horizontal orientiertem Aufbau ist immer eine gewisse Distanz zwischen Sender um Empfänger vorhanden. Dadurch ergibt sich immer ein gleichschenkliges Dreieck zwischen Sender, Objekt und Empfänger. Da es sich bei der Distanz zwischen Sender und Empfänger um eine mechanisch festgelegte Größe handelt, kann man mit der Information, in welchem Winkel das Signal auf dem Empfänger trifft, die Entfernung bestimmen. Die Hypotenuse des Dreiecks ist dabei die ermittelte Strecke. Dieses Verfahren ist von allen vorgestellten das ungenauste, hat aber eine sehr einfache Elektronik und Optik. Dadurch kann der Sensor sehr kostengünstig hergestellt werden. Dies war laut Patentschrift auch der Grund, warum der Hersteller Neato dieses Verfahren entwickelt hat und bis heute in Ihren Staubsauger-Robotern einsetzt.		Ein drittes und neues Verfahren nutzt Triangulation um auf die Entfernung zu ermitteln und wurde für das spezielle Einsatzgebiet des Staubsaugerroboters von der Firma Neato entwickelt. Bei einem vertikal horizontal orientiertem Aufbau ist immer eine gewisse Distanz zwischen Sender um Empfänger vorhanden. Dadurch ergibt sich immer ein gleichschenkliges Dreieck zwischen Sender, Objekt und Empfänger. Da es sich bei der Distanz zwischen Sender und Empfänger um eine mechanisch festgelegte Größe handelt, kann man mit der Information, in welchem Winkel das Signal auf dem Empfänger trifft, die Entfernung bestimmen. Die Hypotenuse des Dreiecks ist dabei die ermittelte Strecke. Dieses Verfahren ist von allen vorgestellten das ungenauste, hat aber eine sehr einfache Elektronik und Optik. Dadurch kann der Sensor sehr kostengünstig hergestellt werden. Dies war laut Patentschrift auch der Grund, warum der Hersteller Neato dieses Verfahren entwickelt hat und bis heute in Ihren Staubsauger-Robotern einsetzt.

	== Der verwendete Lidarsensor und dessen mechanischer und elektrischer Aufbau==		== Der verwendete Lidarsensor und dessen mechanischer und elektrischer Aufbau==

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T20:15:03Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:15 Uhr
Zeile 207:		Zeile 207:


			Eine Messung in einem quadratischen Raum mit einigen Störobjekten wie Mülleimer, Tischen etc. ergab die unten gezeigten Werte. Dabei wurde zweimal gemessen und beide Messungen (blau und rot) übereinander gelegt. Man sieht das die Messwerte keine signifikanten Abweichungen gegenüber der ersten Messung aufweisen, selbst im Bereich >3m.


	[[Datei:Laserscan_Neato_Laserscanner.PNG\|x500px\|Messung Firma Neato]]		[[Datei:Laserscan_Neato_Laserscanner.PNG\|x500px\|Messung Firma Neato]]

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T20:10:49Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:10 Uhr
Zeile 197:		Zeile 197:

	'''Systematische Fehler:'''		'''Systematische Fehler:'''
	*Allgemeine ~~Mechanische~~ Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter		*Allgemeine mechanische Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter
	*Messentfernung/Messbereich: Der relative Zusammenhang zwischen Messdistanz und Messfehler wurde mit drei Experimenten unter unterschiedlichen Lichtbedingungen getestet. Dabei wurde die Entfernung von einem genormten Ziel in 20cm Schritten von 0 bis 3,5m gemessen und der Messfehler aufgetragen. Dabei ist zu erkennen das die relative Abweichung bei 0,5m nahezu 0, bei 2m bereits ±0,1m und bei 3,5m schon ±0,3m beträgt. (Grafik: Abstandsfehler von 0-3,5m)		*Messentfernung/Messbereich: Der relative Zusammenhang zwischen Messdistanz und Messfehler wurde mit drei Experimenten unter unterschiedlichen Lichtbedingungen getestet. Dabei wurde die Entfernung von einem genormten Ziel in 20cm Schritten von 0 bis 3,5m gemessen und der Messfehler aufgetragen. Dabei ist zu erkennen das die relative Abweichung bei 0,5m nahezu 0, bei 2m bereits ±0,1m und bei 3,5m schon ±0,3m beträgt. (Grafik: Abstandsfehler von 0-3,5m)

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T20:10:33Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:10 Uhr
Zeile 198:		Zeile 198:
	'''Systematische Fehler:'''		'''Systematische Fehler:'''
	*Allgemeine Mechanische Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter		*Allgemeine Mechanische Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter
	*Messentfernung/Messbereich		*Messentfernung/Messbereich: Der relative Zusammenhang zwischen Messdistanz und Messfehler wurde mit drei Experimenten unter unterschiedlichen Lichtbedingungen getestet. Dabei wurde die Entfernung von einem genormten Ziel in 20cm Schritten von 0 bis 3,5m gemessen und der Messfehler aufgetragen. Dabei ist zu erkennen das die relative Abweichung bei 0,5m nahezu 0, bei 2m bereits ±0,1m und bei 3,5m schon ±0,3m beträgt. (Grafik: Abstandsfehler von 0-3,5m)

	*Reflexionsverhalten des zu detektierenden Objekts (Oberfläche/Farbe): Messungen ergaben, dass bei einem Ziel mit 10% Reflexion im Vergleich mit einem Ziel mit 90% Reflexion vor allem bei Entfernungen >3m der Fehler signifikant höher ist. Dies ist mit dem deutlich niedrigerem Empfangspegel zu erklären. Dem Algorithmus, der die Pixelauflösung mit Lichtverteilungsinformationen verbessert, fehlen diese und die Messung wird dadurch ungenauer. Im Messbereich um 5m führt dies zu einer signifikanten Verschlechterung des Fehlers von 5m±0,038m auf 5m±0,240m.		*Reflexionsverhalten des zu detektierenden Objekts (Oberfläche/Farbe): Messungen ergaben, dass bei einem Ziel mit 10% Reflexion im Vergleich mit einem Ziel mit 90% Reflexion vor allem bei Entfernungen >3m der Fehler signifikant höher ist. Dies ist mit dem deutlich niedrigerem Empfangspegel zu erklären. Dem Algorithmus, der die Pixelauflösung mit Lichtverteilungsinformationen verbessert, fehlen diese und die Messung wird dadurch ungenauer. Im Messbereich um 5m führt dies zu einer signifikanten Verschlechterung des Fehlers von 5m±0,038m auf 5m±0,240m.

Zeile 205:		Zeile 206:
	*Rotations-Motor-Vibration		*Rotations-Motor-Vibration

	Der relative Zusammenhang zwischen Messdistanz und Messfehler wurde mit drei Experimenten unter unterschiedlichen Lichtbedingungen getestet. Dabei wurde die Entfernung von einem genormten Ziel in 20cm Schritten von 0 bis 3,5m gemessen und der Messfehler aufgetragen. Dabei ist zu erkennen das die relative Abweichung bei 0,5m nahezu 0, bei 2m bereits ±0,1m und bei 3,5m schon ±0,3m beträgt. (Grafik: Abstandsfehler von 0-3,5m)

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T20:09:56Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 20:09 Uhr
Zeile 199:		Zeile 199:
	*Allgemeine Mechanische Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter		*Allgemeine Mechanische Toleranzen wie Abstand zwischen Detektor und Emitter
	*Messentfernung/Messbereich		*Messentfernung/Messbereich
	*Reflexionsverhalten des zu detektierenden Objekts (Oberfläche/Farbe)		*Reflexionsverhalten des zu detektierenden Objekts (Oberfläche/Farbe): Messungen ergaben, dass bei einem Ziel mit 10% Reflexion im Vergleich mit einem Ziel mit 90% Reflexion vor allem bei Entfernungen >3m der Fehler signifikant höher ist. Dies ist mit dem deutlich niedrigerem Empfangspegel zu erklären. Dem Algorithmus, der die Pixelauflösung mit Lichtverteilungsinformationen verbessert, fehlen diese und die Messung wird dadurch ungenauer. Im Messbereich um 5m führt dies zu einer signifikanten Verschlechterung des Fehlers von 5m±0,038m auf 5m±0,240m.

	'''Zufällige Fehler:'''		'''Zufällige Fehler:'''
Zeile 209:		Zeile 209:


	[[Datei:Laserscan_Neato_Laserscanner.PNG]]		[[Datei:Laserscan_Neato_Laserscanner.PNG\|x500px\|Messung Firma Neato]]

	== Fehleranalyse ==		== Fehleranalyse ==

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T19:56:08Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 19:56 Uhr
Zeile 164:		Zeile 164:

	== Messfähigkeit ==		== Messfähigkeit ==
	[[Datei:Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]\|mini\|Winkelparameter]]		[[Datei:Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG\|mini\|Winkelparameter]]
	Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.		Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.
	Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.		Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T19:55:41Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 19:55 Uhr
Zeile 164:		Zeile 164:

	== Messfähigkeit ==		== Messfähigkeit ==
	[[Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]\|mini\|Winkelparameter]]		[[Datei:Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]\|mini\|Winkelparameter]]
	Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.		Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.
	Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.		Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.

Christian Sievers: /* Messfähigkeit */

2018-07-01T19:55:28Z

Messfähigkeit

← Nächstältere Version		Version vom 1. Juli 2018, 19:55 Uhr
Zeile 164:		Zeile 164:

	== Messfähigkeit ==		== Messfähigkeit ==
			[[Optischer_Aufbau_Neato_Laserscanner.PNG]\|mini\|Winkelparameter]]
	Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.		Der untersuchte Lidarscanner verwendet eine indirekte Messmethode, indem er den Abstand eine Gegenstandes über die Winkelprojektion und damit den Auftrittswinkel eines Lichtimpuls ermittelt.
	Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.		Der untersuchte Lidarscanner der Firma Neato besitzt eine typische Abtastrate von 5.5Hz und kann bis 10Hz konfiguriert werden. Bei einer Abtastrate von 5.5Hz und einer Abtastauflösung von 1 Messpunkt pro ° kommt man auf einer Messfrequenz von 1980 Messwerten pro Sekunde.