Übersicht

1. LIDAR – Begriffserklärung

LIDAR ist das Kürzel für „Light Detection and Ranging“. Ein solches System hat im Grunde die gleiche Aufgabe wie ein RADAR-Gerät, also die Erkennung der Richtung und Berechnung der Entfernung zu einem Hindernis. Im Gegensatz zu einem RADAR, welches Hindernisse durch die an einer metallischen Oberfläche reflektierten Funkwellen (Frequenzbereich: 3kHz bis 3GHz) detektiert, funktioniert ein LIDAR-System jedoch mit dem Senden und Empfangen von Lichtstrahlen. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten mit Licht die Entfernung zu einem Objekt zu messen.

 

 

2. Möglichkeiten der Entfernungsmessung mit Licht

2.1.    Triangulation

Je weiter ein betrachtetes Objekt von einer aus Sende- und Empfangsmodul bestehenden Messeinrichtung entfernt ist, desto spitzer wird der Winkel zwischen der Strecke der aus dem Sender emittierten Strahlen und der Strecke der am Hindernis reflektierten Strahlen. Umgekehrt wird dieser Winkel umso größer, je näher die Reflexionsstelle – und damit auch das Hindernis – an der Messeinrichtung ist. (Siehe Bild 1).

 

Bild 1: Veränderung des Winkels zwischen Sende- und Empfangsstrahlen bei variabler Entfernung zwischen Hindernis und Messinstrument

 

 2.2.    Messung der Energie der reflektierten Lichtstrahlen

Je weiter ein betrachtetes Objekt von der Lichtquelle der Messeinrichtung entfernt ist, desto größer wird die Streuung der reflektierten Lichtstrahlen und damit umso kleiner die am Photoelement detektierbare Lichtenergie. Genauso gilt umgekehrt: Befindet sich ein Objekt direkt vor der Messeinrichtung, so wird die Menge der reflektierten und so vom Photosensor detektierbaren Strahlen maximal. (Siehe Bild 2).

 

     

Bild 2: Unterschied der detektierbaren Lichtenergie zwischennaher (Bild links) und ferner Lage des Hindernisses

Problem ist, dass die Reflexion von Licht von der Beschaffenheit und Farbe der betrachteten Oberfläche abhängig ist. So reflektiert eine weiße Fläche deutlich mehr Lichtstrahlen als eine schwarze, eine glatte Oberfläche mehr als eine poröse. Folglich ist eine exakte Entfernungsmessung (wohl aber eine einfach zu realisierende Richtungserkennung) mit dieser Methode nicht möglich.

 

2.3.    Laufzeitmessung

Eine weitere Möglichkeit ist die Messung der Zeit, die ein Lichtimpuls von der Emission über die Reflexion an einem Hindernis bis zur Detektion benötigt. Die Berechnung der Zeit erfolgt mit einer hinreichend genau auflösenden Vergleichsuhr, beispielsweise mit einem schnellen (!) Microcontroller.

Dieses Prinzip wird in der Regel auch bei einem LIDAR-System verwendet: Das Instrument sendet Laserimpulse aus und detektiert das von einem Objekt zurückgestreute Licht. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit wird die Entfernung zum Objekt berechnet.

 

 

3. Ablauf

Zuerst wurde der IR-Abstandssensor 2Y0A02 der Firma SHARP verwendet. Dieser wurde mit einem geeigneten Programm mit einem Arduino-Microcontroller ausgewertet und mit einer Aluminium-Konstruktion mit zwei Servos für eine dreidimensionale Messung vorbereitet. Die ausgegebenen Werte werden anschließend einem MATLAB-Programm übergeben, woraus dann ein 3D-Plot erstellt wird. Anschliessend folgte der Entwurf eines Eigenbau-Abstandssensors: Begonnen mit einem geeigneten Konzept über die Dimensionierung der Bauteile bis zum Aufbau einer analogen Schaltung und der Implementierung eines geeigneten Microcontroller-Programms zur Steuerung der Schaltung.