Laserentfernungsmessung

Entwicklung einer Laserentfernungsmessung

Aufgabenstellung
Grund und Anlass für die Entwicklung einer Laserentfernungsmessung ist das weiterführenden Ziel die Sensorik der in der WE 4 entwickelten
Roboter redundant zu gestalten.
Bisher orientierten sich die Roboter hauptsächlich durch Ultraschallsensoren. Diese Ultraschallsensoren allein stellen jedoch keine zuverlässige Sensorik
zur selbständigen Orientierung und Navigation der Fahrzeuge dar.
Nachteile der Ultraschallsensoren sind, dass die ermittelten Entfernungen nicht richtungsgebunden sind, das heißt der Roboter kann ohne weiteres nicht die Richtung des ermittelten
Hindernis bestimmen. Weiterhin können Reflektionen, beispielsweise durch Unebenheiten im Boden zu Fehlmessungen der Ultraschallsensoren führen.
Aus diesen Gründen galt es, eine geeignetes Messeinrichtung zu einwickeln die die Schwächen der Ultraschallsensoren aufwiegt um im kombinierten Einsatz beider
Sensoren ein Zuverlässiges System zur Orientierung der autonomen Fahrzeuge darstellt.
Ziel war es, eine Laserentfernungsmessung zu realisieren. Grundstein hierfür bietet eine digitales Kameramodul (C3088) der Firma Omnivision und ein Linienlasermodul (OLP-503) welche in geigneter
Kombination miteinander das Lichtschnittverfahren ermöglichen.


Durchführung
Das Lichtschnittverfahren basiert auf den Prinzipien der Triangulation. Die Prinzipien der Triangulation beschreiben, dass wenn man ein Objekt von einer Basislinie aus gesehen aus
zwei Winkeln betrachtet, kann ein Tiefeneindruck gewonnnen werden aus dem sich Entfernungen ableiten lassen. Wird ein Blickwinkel durch eine Lichtquelle (Laser) ersetzt
spricht man von aktiver Triangulation.
Lasermodul und Kameramodul müssen sich also auf einer Basislinie zum Objekt befinden und dieses Objekt aus unterschiedlichen Winkeln betrachten bzw. beleuchten.
In der Realisierung ist diese Basislinie ein definierter vertikaler Abstand zwischen den Modulen. Der Laser ist über dem Kameramodul befestigt und strahlt in einem
definierten Winkel in das Sichtfeld der Kamera.
Die Kamera macht zunächst ein Bild der Umgebung ohne Laser, anschließend wird der Laser eingeschaltet und ein zweites Bild aufgenommen. Werden beide Bilder subtrahiert,
die sich theoretisch bis auf die Laserlinie nicht unterscheiden, entsteht ein schwarzes Differenzbild welches nur die Laserlinie zeigt.
Die abgezeichnete Laserlinie ist, aufgrund des Einfallwinkels des Lasers in das Kamerabild, unterschiedlich im Differenzbild zu erkennen. Objekte im Nahbereich reflektieren
das Licht weiter oben im Bild, Objekte Im Fernbereich weiter unten im Bild.
Aus diesen Informationen lassen sich mehrere Entfernungen in nur einem Bild bestimmen, denen zusätzlich eine Richtung zugewiesen werden kann.
Bei der Durchführung der Arbeit wurde zunächst das Kameramodul in Betrieb genommen, ein geeigneter Messaufbau entworfen und die entsprechende Berechnungsgeometrie
hergeleitet. Weiterhin wurden verschiedene Funktionen zur Verarbeitung der Bilddaten und Entfernungsermittlung erstellt.
Das Ergebnis der Arbeit ist eine vollautomatische Entfernungsmessung von der Bildaufnahme über die Steuerung des Lasermoduls bis hin zur Ermittlung und
Versendung der Entfernungsdaten an den Benutzer.
Die Steuerung der Laserentfernungsmessung erfolgt über ein Controllerboard welches mit dem Infineon XC 167 CI Mikrocontroller ausgestattet ist.     


Ausblick
Die Weiterentwicklung der Laserentfernungsmessung bietet vielerlei Möglichkeiten. Das Projekt Laserentfernungsmessung stellt in der WE4 einen völlig
neuen Aufgabenbereich dar und bietet großes Entwicklungspotenzial. So sind zum Beispiel die Möglichkeiten des verwendeten Kameramoduls C3088 bisher
nicht vollständig ausgeschöpft worden, vornehmlich können hier Verbesserungen in der Bildauflösung und der Aufnahmegeschwindigkeit vorgenommen werden.
Weiterhin ist eine Veränderung des Lasermoduls denkbar, andere oder bewegliche Lasermodule die unterschiedliche Neigungswinkel erlauben.
Darüber hinaus kann die Laserentfernungsmessung vervielfältigt werden um mit einem Mikrocontroller in einen Blickwinkel von 360 Grad Entfernungen zu ermitteln.
Außerdem wäre eine Messung im dreidimensionalen Bereich denkbar und möglich.


Robert Schwandt
Februar 2009

Prinzip Lichtschnitt

Lichtschnittverfahren

Berechnung

Entfernungsberechnung

KameraLaser

Kamera und Lasermodul

Screenshot

Schreenshot der Entfernungsmessung

Gehäuse

Fertiges Gehäuse