3D Time-of-Flight Sensor Evaluation Module mit Matlab/Simulink

Sensor: TI Evaluation Module: OPT8241-CDK-EVM

Autor: Asaad Al-Suleihi

Inbetriebnahme des Sensors

Systemanforderungen

• Voxel SDK
• Point Cloud Library PCL
• MATLAB Computer Vision System Toolbox
• Von MATLAB Engine unterstütztes Compiler

Beschreibung des Sensors

Bei dem betrachteten Sensor handelt es sich um ein Kamerasystem, das mit Hilfe des Time-of-Flight-Verfahrens ein 3D-Bild seiner Umgebung erstellen kann, kurz 3D ToF.

Funktionsweise 3D ToF

Ein 3D ToF-Sensor besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten: ein Lichtsensor, z.B. ein CMOS-Lichtsensormatrix, und eine modulierte Lichtquelle, meist eine Laserdiode.(CITE) Die Umgebung wird von der Quelle mit Lichtpulsen angestrahlt. Diese Lichtstrahlen werden von Objekten in der Umgebung zurückreflektiert und vom Sensor erfasst. Durch die Berechnung der Phasenverschiebung zwischen abgestrahlten und aufgenommenen Lichtstrahl kann die Entfernung zum Reflektionspunkt ermittelt werden. Es wird also über die Flugdauer zum Objekt die Distanz ermittelt. Daher stammt der Name Time-of-Flight. (BILD)

Die Lichtquelle wird mit einem Lichtpuls der Breite $\Delta t$ angestrahlt. Am Sensor werden dabei in zwei Zeitfenster $C_1$ und $C_2$, die Phasenverschoben sind, die Lichtenergie jeweils aufaddiert. Die jeweilige Energie ist im Sensor über die Ladungen $Q_1$ und $Q_2$ ermittelt. Mit der Formel

$d = \frac{1}{2} c \Delta t \frac{Q_1}{Q_1 + Q_2}$

kann anschließend die Entfernung $d$ berechnet weden.(CITE)(BILD)

Messkette

Fehlerquellen

Möglich sind:

• Fertigungsfehler bei Laserdioden und Lichtsensor
• Fehlerhaft ausgegebene Laserstrahlen (Intensität, Frequenz)
• Mechanische Fehler in Anbringung Laserdioden und Lichtsensor
• Rauschen in Sensor
• Lichtbrechung und sonstige Effekte
• Drift usw. im Sensor
• Temperatureffekte (Aufgrund von IR-Strahlen)
• Reflektion / Absorbation

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