Low-Cost-Lidar Verarbeitung mit Matlab/Simulink

Sensor/Vorgängerprojekt: Low-Cost_Lidar_Objekterkennung_mit_Matlab/Simulink

Aufgabenstellung

Im Studienfach Signalverarbeitende Systeme Sommersemester 2018 des Studiengangs BSE ist die folgende Arbeit entstanden.

Die Aufgabenstellung ist folgendermaßen definiert worden:

Aufgabenstellung

• Lesen Sie den Sensor mit MATLAB/Simulink aus (MATLAB/Simulink Toolbox).

• Beschreiben, untersuchen und verstehen Sie Ihre Signalverarbeitungskette.

Weitere Informationen zur Aufgabenstellung

Zusätzlich soll ein Youtube Video erstellt werden, in dem der Sensor betrieben und erklärt wird.

Lidar Technologie

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.

$\Delta x = \frac{c}{2} * \Delta t$

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.

Der verwendete Lidarsensor und dessen mechanischer und elektrischer Aufbau

Der verwendete Lidarsensor ist im Internet unter diversen Bezeichnungen zu finden. Die geläufigsten sind Neato LDS, Neato lidar, XV-11 lidar und XV-11 sensor.

Die Patentanmeldung der Firma Neato sowie die Publikation vom IEEE International Conference on Robotics and Automation (Pasadena, CA, USA, May 19-23) gibt einige Hintergrundinformationen über den mechanischen und elektrischen Aufbau des Lidarscanners.

Mechanischer Aufbau: Im inneren des Lidarscanners befindet sich ein Sendemodul und ein Empfangsmodul. Das Sendemodul besteht aus einer Laserdiode, die ein für das menschliche Auge nicht sichtbares Signal emittiert. Vor der Diode befindet sich eine Optik, die das Licht bündelt und damit die Signalstärke in Emitterrichtung erhöht. Dadurch tritt ein sehr fokussierter Strahl aus dem Gerät aus. Das Empfangsmodul besteht aus einer photoelektrischen Empfangselektronik und einer Optik. Sie arbeitet nach dem ähnlichen Prinzip, wie in Digitalkameras eingesetzten Bildsensoren. Es handelt sich dabei um ein Array aus Lichtempfindlichen Dioden, die bei auftreffen von Licht elektrische Spannung erzeugen. Die verwendete Optik bündelt das Empfangssignal und beugt es so, dass bei unterschiedlichen Einfallswinkeln, unterschiedliche Bereiche des Bildsensors getroffen werden. Dadurch kann der Sensor nicht nur die Intensität des Signals messen, sondern auch der Winkel aus dem das Signal den Sensor trifft. um die optische Qualität des Signals zu verbessern, wird zusätzlich ein Filterglas zwischen Optik und Empfangselektronik platziert. Dieser sorgt dafür, das ein Großteil des empfangenen Umgebungslichts nicht auf den Sensor trifft, sondern nur das ausgesendete Signal. Dieser Filter filtert außerhalb des ähnlichen Wellenlängenbereich der Laserdiode, in diesem Fall um 650 nm.

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.

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.

Das ursprüngliche Einsatzgebiet des Lidarsensors

Neato Staubsauger an Ladestation

Der verwendete Lidarsensor ist bei einigen Staubsaugermodellen des Herstellers Neato im Einsatz. Dabei wird der Lidarsensor verwendet um die Umgebung zu scannen und damit Hindernisse zu umfahren. Der Staubsauger erstellt mit Hilfe der vom Lidarscanner aufgenommenen Daten ein genaues Abbild der Wohnung und verwendet diese um effizienter beim Abfahren der Wohnung vorzugehen.

Die elektrischen Schnittstellen des Lidarsensors

Verkabelung mit Hilfe vom Arduino UNO R3

Der Lidarscanner besitzt zwei Stecker. Der erste Stecker besitzt zwei Adern und dient der Stromversorgung des Motors. Um den Motor anzutreiben wird 5V Gleichstrom benötigt. Das rote Kabel ist dabei +5V und das schwarze auf Masse zu legen. Der zweite Stecker besitzt 4 Adern. Schwarz und Rot dienen der Stromversorgung der Auswerte-Hardware und benötigt 3,3V. Rot ist dabei +3,3V und Schwarz die Masse. Zur Datenübertragung werden die zwei weiteren Adern verwendet. Hierbei handelt es sich um eine serielle Schnittstelle bei der braun der TX und orange der RX Pfad bildet.

Bei den beiden Steckern handelt es sich um einen JST PH Stecker mit 2mm Pitsch. Technische Informationen sind unter folgendem Link zu finden:

JST Automotive Steckeverbinder

Falls die Gegenstecker benötigt werden, können Sie zum Beispiel auf folgender Seite bestellt werden:

Mouser Elektronik Versand

Sobald der Lidar-Sensor elektrisch verbunden ist, sendet er die folgenden Informationen über die serielle Schnittstelle:

*Piccolo Laser Distance Scanner
 Copyright (c) 2009-2011 Neato Robotics, Inc.
 All Rights Reserved

Loader	V2.5.15295
 CPU	F2802x/c001
 Serial	KSH14415AA-0358429
 LastCal	[5371726C]
 Runtime	V2.6.15295
 #Spin...3 ESCs or BREAK to abort

Die Programmbefehle des Lidarsensors

Sobald die Serielle Verbindung aufgebaut ist, kann der Lidarsensor mit den folgenden Befehlen angesprochen werden:

GetVersion Der Lidarsensor gibt mit mit diesem Befehl die aktuelle Firmware und weitere Informationen aus. Help Der Befehl Help dient dazu, alle verfügbaren Befehle anzuzeigen. 'Log

• SaveCal

Hiermit können Kalibrierdaten ausgelesen werden.

• SetBaud

Mit diesem Befehl kann die Baudrate geändert werden.*

• SetSerial

Hiermit kann die Seriennummer verändert werden.*

• Upload

Hiermit kösnnen Daten an den wie Softwareupdates gesendet werden.*

• Wanderer

Der Befehl Wanderer gibt ein Eichhörnchen Bild in ASCII Code aus.

• Calibrate b16 b8 SunBlind loop2AA loop155

Hiermit kann der Sensor kalibriert werden.*

• GetCal A B C LPT LFL LFT LFH IMX IB LPI LCH LPD ANG

Hiermit können Kalibrierdaten ausgelesen werden.

• SetCal A B C LPT LFL LFT LFH IMX IB LPI LCH LPD ANG

Hiermit können Kalibrierdaten gezielt geschrieben werden.*

• Spin Fake DotX DotI Text Hash Timing Foto RPS Pac

Hiermit kann eine Drehung durch den Motor zu Testzwecken simuliert werden. TestEncoder Dient Testzwecken.

*Hier ist Vorsicht geboten, da dadurch der Sensor unbrauchbar werden kann.

Die Rohdaten

Die Rohdaten die vom Sensor zur Verfügung gestellt werden sind von folgendem Format:

<start> <index> <speed_L> <speed_H> [Data 0] [Data 1] [Data 2] [Data 3] <checksum_L> <checksum_H>

start ist immer 0xFA

index ist eine Indexzahl, die von 0XA0 bis 0XF9 geht. Somit geht diese Zahl von 0 bis 89 und springt dann wieder auf 0. Damit können verloren gegangene Pakete erkannt werden.

speed_L und speed_H ist die Geschwindigkeit vom Motor in 64-tel Umdrehungen pro Minute. Die Information ist 2 Byte lang, mit 6 Nochkommastellen enthalten.

Data 0-3 überträgt vier mal die Entfernung des gemessenen Objekts und ist vier Byte lang.

Dabei steht im Byte 0 die Distanz in mm, im Byte 1 entweder ein Fehler oder erneut die Distanz aus zweiter Messung, im Byte 2 die Signal Stärke der ersten Messung und im Byte 3 die Signalstärke der zweiten Messung:

byte 0 : <distance 7:0>

byte 1 : <"invalid data" flag> <"strength warning" flag> <distance 13:8>

byte 2 : <signal strength 7:0>

byte 3 : <signal strength 15:8>

<checksum_L> <checksum_H> Überprüft die gesendeten Daten noch mal mit einer Checksumme. Damit kann am Sender erkannt werden ob alle Daten erfolgreich übermittelt wurden und die Daten weiter verwendet werden können.

Auswertung der Rohdaten

Mit Hilfe der Seriellen Schnittstelle wurden die Rohdaten des Lidarsensors im Betrieb aufgenommen. Sobald der Lidarsensor in Drehung versetzt wurde, werden Daten an den PC übertragen. Die Daten wurden mit dem Tool Hyper Terminal aufgenommen und im hexadezimalen Format ausgewertet. Dabei wird das Zeichen 0xFA als Startsignal für ein Datenpaket verwendet. Dabei fällt auf, das die Datenpakete die übertragen wurden, bei den enthaltenen Informationen und der Länge des Datenstrings Fehler aufwies. Der Sensor schickte nur bei kurzen Abschnitten die erwarteten Datenpakete und auch hier waren einige fehlerhaft. Ein Beispiel für Fehler ist im unterem Bild zu erkennen:

Die Rohdaten der Messung sind hier zu finden:

Datei:Rohdaten Neato.zip

Weblinks

• Running the XV-11 Laser Node
• Neato XV Lasereinheit Lidar Sensor zum nachkaufen
• Neato Sicherheitshinweise
• 3D Mapping
• Using the XV11 LIDAR with LEGO EV3
• xv11hacking
• XV Lidar Controller v1.2 zum kaufen
• LiDAR – Funktionsweise und Anwendungsgebiete in der VFX-Industrie - HDM Stuttgart
• Neato XV Laser Scanner

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