Messkette LiDAR

Autoren: Noah Greis, Alexander Schirrmeister

Hokuyo URG-04LX-UG01 Laser Scanner

Einleitung

Dieser Artikel befasst sich mit dem Hokuyo URG-04LX-UG01 Laser Scanner, welcher im Carolo Cup Auto verbaut ist. Dabei wird auf die Messung und Verarbeitung der Daten eingegangen.

LiDAR - PC

LiDAR ist ein optischer Sensor und steht für "Light Detection and Ranging" und ist dem Messerverfahren des Radar ("Radiowave Detection and Ranging") eng verwandt. Es dient der Abstandsmessung und Objekterkennung in verschiedensten Anwendungen.

Physikalisches Messprinzip

LiDAR Systeme senden eindimensionaler Laserpulse in die Umgebung aus. Sobald ein Laserstrahl auf ein Objekt trifft, wird das Licht gestreut. Der Sensor kann dann das rückgestreute Licht wahrnehmen und mithilfe der vergangenen Zeit zwischen Laserstrahlemittierung und -detektion auf die Entfernung des erfassten Objektes schließen.

Das physikalische Messprinzip - auch "Time-of-Flight" genannt - lässt sich wie folgt beschreiben:

$D = \frac{c_0 * \Delta t}{2}$

Um aus dem eindimensionalen Lasersignal eine zweidimensionale Abtastung zu extrahieren, wird der Messkopf des LiDARS mithilfe eines Elektromotors rotiert. Aus der Drehung des Sensors ergeben sich also mehr Bildpunkte. Diese benötigen dann zur eindeutigen Beschreibung nicht nur eine Entfernung, sondern auch einen Richtungswinkel in dem gemessen wurde.

Sensor Aufbau

Klassische LiDAR Sensoren besitzen einen Transmitter und einen Empfänger. Da der Transmitter im Falle der LiDAR Sensorik ein Laser ist, ist eine Lasermodulation notwendig die der Lichtquelle vorgeschaltet ist. Zur Richtungssteuerung des Laserstrahls können bei einem unbeweglichen Sensor motorisierte Spiegel eingesetzt werden. Im Falle des Hokuyo Laserscanners geschieht dies, wie oben bereits erwähnt, über eine Rotation des gesamten Sensorkopfes.

Nachdem das Licht auf ein Objekt trifft, detektiert eine Photodiode die eingehenden Lichtwellen der Rückstreuung. Nachstehend erfolgt eine Ermittlung der Distanz "D" über die oben erwähnte "Time-of-Flight" Methode. Delta t ist dabei die vergangene Zeit zwischen den zwei steigenden Flanken. (s. Abb. 2)

Abb.1: Messkette eines LiDAR Sensors

Aufgrund des Aufbaus dieses spezifischen LiDAR-Sensors ist eine Abtastung in einem Sichtbereich von 240° zu erreichen. (s. Abb. 3)

Abb.2: Emission und Detektion eines LiDAR Signals

Abb.3: Sichtbereich des LiDARs

Schnittstelle RS232

Aus dem Protokoll-Dokument des Hokuyo Laserscanners geht hervor, dass eine Änderung des Protokolls auf die Schnittstelle RS232 möglich ist. [1] Die Protokolldetails der RS232 Kommunikation des LiDARS sind wie folgt:

|Bit Rate: 19.2, 57.6, 115.2, 250, 500, 750 Kbps |Paritätsbit: nein |Datenbits:8 |Stop Bit: 1 |Datenflusssteuerung: nein

Da der LiDAR die Option bietet gleichzeitig über USB und RS232 Schnittstelle zu kommunizieren, wird die USB Schnittstelle bei einem Konflikt bevorzugt.

Damit die Datenübertragung schneller ablaufen kann, wird die Signalkommunikation vor Sendung via RS232 kodiert. PC seitig muss dies dekodiert werden, bevor eine Rohdatenverarbeitung erfolgen kann. Es kann zwischen einer Zwei-, Drei- oder Vier-Zeichen-Kodierung gewählt werden.

Das Protokollformat ist in dem unten angeführten Schaubild zu sehen, welches dem Protokoll-Dokument entnommen wurde. [2]

Protokollformat Hokuyo LiDAR

LiDAR - Objektliste

Signalflussplan

Abb 3: Signalflussplan LiDAR nach SR232

Datenverarbeitung

Am PC

Die vom LiDAR übergebenen Rohdaten, müssen zu Beginn durch eine Koordinatensystemtransformation vom polaren ins kartesische Koordinatensystem (KOS) übertragen werden.

Danach wird die Region of interest (ROI) definiert, indem das Spurpolynom zu Hilfe genommen wird. Dabei wird lediglich der Raum abgegrenzt, welcher für die aktuelle Messung der Fahrbahn nötig ist, um so Störungen neben der Fahrbahn rausfiltern zu können.

Im ROI, werden nun Objekte durch Cluster erkannt und mithilfe von Bounding Boxes markiert. Dabei werden Boxen erstellt, welche an den Eckpunkten der erkannten Objekte grenzen. So können die Größen der Boxen auf unterschiedliche Objekte hindeuten.

Den Vergleich der aktuellen Objekte mit denen aus dem vorherigen Durchlauf erkannten Objekte, lässt auf die Bewegungsrichtung schließen, sofern eine vorhanden ist.

Die Ergebnisse werden in der sogenannten Objektliste festgehalten, welche dann der weiteren Verarbeitungskette zur Verfügung steht.

Im Offline Simulink-Modell

In Simulink wird der LiDAR durch eine von Prof. Schneider erstellte Matlab-Funktion simuliert.

Der Funktion werden unterschiedliche Parameter übergeben, um daraus eine Objektliste zu simulieren. Darunter sind Beispielsweise erkannte Objekte, welche sich durch die vorgegeben Fahrbahn ergeben und Parameter aus dem Einspurmodell, um die aktuelle Position zu deklarieren.

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