Lidar DIY - oparty o dalmierz laserowy i Arduino

Autora do realizacji opisanego poniżej projektu skłonił zakup prostego dalmierza laserowego - wykorzystując takie urządzenie, można skonstruować prosty LIDAR. Wykorzystany w projekcie dalmierz ma dokładność ±2 mm i jest w stanie mierzyć odległości do 45 m - to dostatecznie dużo jak na potrzeby autora.

Co jeszcze będzie potrzebne do realizacji zadania oprócz samego dalmierza:

* Moduł Arduino Mega
* 2 x serwomotory
* Pochył sterowany poprzez serwomotor
* Układ LM317 i inne elementy do konstrukcji zasilacza 3 V
* Zasilacz 5 V, 3A dla całego systemu.
* Kabelki, złącza etc.

Krok 1: Dalmierz UT390b i jego możliwości



W sieci można odnaleźć informacje odnośnie wykorzystanego w projekcie dalmierza UT390b oraz sposobu w jaki odczytywać można z niego dane przez port szeregowy. Istnieją też specjalnie biblioteki, np. do Arduino, dedykowane do obsługi tego urządzenia. W poszukiwaniu informacji można odwiedzić poniższe strony:

* https://github.com/erniejunior/UT390B_Arduino_Library
* http://blog.qartis.com/arduino-laser-distance-meter/
* http://blog.qartis.com/laser-distance-meter-update-serial-commands-timing-measurements/

Do połączenia z dalmierzem potrzebne są jedynie trzy przewody - masa, RX i TX - które podłącza się do urządzenia do złącza pod klapką baterii. W instrukcji, dostępnej pod powyższymi linkami, znaleźć można rozpiskę złącza. Trzeba przylutować trzy przewody do gniazdka i już - prawie gotowe. Uwaga! Sygnał TX pochodzący z Arduino jest w standardzie 5 V, a to napięcie jest zbyt wysokie dla dalmierza i może go uszkodzić. Aby tego uniknąć, wystarczy podłączyć go do Arduino poprzez dzielnik napięciowy.

Innym problemem jest to, że UT390b wyłącza się czasami automatycznie lub na skutek wygenerowania jakiegoś błędu. Żeby rozwiązać ten problem, trzeba wymienić baterie na zasilacz i dodać zdalny reset. Do konstrukcji zasilacza autor projektu wybrał układ LM317.

Gdy dalmierz wykryje błąd, trzeba wyłączyć i włączyć ponownie mu zasilanie, a następnie nacisnąć przycisk ON, jeśli po prostu wyłączy się automatycznie to wystarczy samo naciśnięcie przycisku ON.

Krok 2: Pomiary



Aby rozpocząć pomiary, trzeba nacisnąć przycisk. Następnie dwa serwomotory zmieniają pozycję dalmierza, przemiatają zadany obszar. Dla każdej pozycji - określanej z pomocą dwóch kątów: Φ oraz θ - wartość zmierzonej odległości przesyłana jest do komputera i zapisywana na dysku.

Krok 3: Wizualizacja danych.



Gdy wszystkie dane spłyną do komputera - kąty i odległość - chcemy móc zaprezentować graficznie wyniki pomiaru. Niestety nie udało się odnaleźć gotowego oprogramowania tego rodzaju, gdyż siatka pomiarowa programu nie jest jednorodna, ale na szczęście autor stworzył kiedyś (20 lat wcześniej) program do wizualizacji map topograficznych w 3D. Oprogramowanie napisane jest w Turbo Pascalu i pozwala na rysowanie map na podstawie dostarczonych danych.

Korzystając z programu, można wizualizować dane pochodzące z LIDARu. Klawiatura pozwala na płynne obracanie i translację widoku 3D, a także na zmianę punktu obserwacji itp.

Krok 4: wyniki



Skanowanie pokoju było pierwszym testem przeprowadzonym z wykorzystaniem LIDARu. Niektóre linie na obrazie 3D są odrobinę zniekształcone ponieważ podczas obrazowania autor musiał zdjąć dalmierz z podstawy w urządzeniu, aby go ponownie włączyć. System resetowania dalmierza został dodany później, zwiększono też stabilność podstawy, tak więc produkowane teraz obrazki są o wiele lepsze.

Źródło: http://www.instructables.com/id/Simple-LiDAR-using-the-laser-rangefinder-Uni-T-UT3/?ALLSTEPS

Mictronic wrote:

Jak działa taki dalmierz? Co jest bezpośrednio detektorem i jak wykrywa się wiązke z takiej odległości?

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_rangefinder

Elektronicznie nie ma dużego problemu aby zmierzyć czas pomiędzy wysłaniem wiązki lasera a jej odebraniem. Im szybszy licznik tym większa precyzja, prawdopodobnie wiązka jest dodatkowo zmodulowana aby odfiltrować przy odbiorze inne źródła światła, jak w odbiornikach IR.

Mictronic wrote:

Brak konkretów, interesuje mnie strona elektroniczna rozwiązania jak w tych prostych dalmierzach.

TDC - od jakiegoś czasu są dostępne relatywnie tanie scalone TDC.
http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/TDC/English/AN034_en.pdf

deus.ex.machina wrote:

Mictronic wrote:

Brak konkretów, interesuje mnie strona elektroniczna rozwiązania jak w tych prostych dalmierzach.

TDC - od jakiegoś czasu są dostępne relatywnie tanie scalone TDC.
http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/TDC/English/AN034_en.pdf

Dokładnie tak jest to wykonywane. Na Timerach wbudowanych w mikrokontroler trudno byłoby uzyskać odpowiednią rozdzielczość. Przykładem może być też TDC7200 z Texas Instruments. Ma rozdzielczość pomiaru czasu niby 55 ps. Światło wysłane przez laser pokonuje drogę równą dwukrotnej odległości od nadajnika do obiektu. Zatem zakładając c = 3*10^8 m/s uzyskać można rozdzielczość pomiaru odległości 27,5 ps * 3*10^8 m/s = 8,25 mm. Jest to oczywiście bardzo teoretyczne stwierdzenie. Konieczne byłoby uśrednienie jakiejś serii pomiarowej.

teofil111 Inna sprawa, że wysyłany impuls musi być bardzo krótki, by mierzyć małe odległości. Nie wiem jak zatem można to modulować w prosty sposób. W pilotach IR wszystko odbywa się na zupełnie innej zasadzie.

maciej_333 wrote:

Dokładnie tak jest to wykonywane. Na Timerach wbudowanych w mikrokontroler trudno byłoby uzyskać odpowiednią rozdzielczość. Przykładem może być też TDC7200 z Texas Instruments. Ma rozdzielczość pomiaru czasu niby 55 ps. Światło wysłane przez laser pokonuje drogę równą dwukrotnej odległości od nadajnika do obiektu. Zatem zakładając c = 3*10^8 m/s uzyskać można rozdzielczość pomiaru odległości 27,5 ps * 3*10^8 m/s = 8,25 mm. Jest to oczywiście bardzo teoretyczne stwierdzenie. Konieczne byłoby uśrednienie jakiejś serii pomiarowej.

teofil111 Inna sprawa, że wysyłany impuls musi być bardzo krótki, by mierzyć małe odległości. Nie wiem jak zatem można to modulować w prosty sposób. W pilotach IR wszystko odbywa się na zupełnie innej zasadzie.

To akurat jest dość proste ale pytanie jest o to co jest wspierane przez demodulator.
Zawsze można użyć kodu Barkera

Zakładając minimalną odległość mierzoną na 1 m i c = 3*10^8 m/s uzyskać można maksymalny czas trwania impulsu: 2 m / 3*10^8 m/s = 6,67 ns. Zakładając np. 7 bitów dowolnego kodu, wychodzi 6,67 ns / 7 = 0,95 ns. Wychodziłoby zatem, że światło należałoby modulować z przepływnością prawie 1 Gb/s. W telekomunikacji nie jest to dziś aż tak dużo, ale w tanim urządzeniu z pewnością się czegoś takiego nie robi. Moim zdaniem rolę odgrywa tu statystyka i czułość odbiornika na określoną długość fali. Może być też zastosowana przesłona na fotodiodzie odbiornika, dobrana do długości fali lasera.

Moim zdaniem demodulator to tylko fotodioda, ewentualna przesłona, wzmacniacz transimpednacyjny i komparator z pętlą histerezy.

APD to koszt rzędu 100 - 150$ co najmniej - Hamamatsu nie robi tanich komponentów...

Tu przykład jak się to robi http://www.infotech.oulu.fi/Annual/2009/cas.html

Coś mi się wydaje że taki dalmierz nie pracuje na zasadzie pomiaru czasu przelotu. Po pierwsze zastosowana dioda laserowa świeci w zakresie widma czerwonego, nie jest to typowy laser impulsowy pracujący w podczerwieni. Zasada działania będzie opierała się na triangulacji, lub bardziej prawdopodobne: na przesunięciu fazy modulowanego sygnału ciągłego. Dalmierze time to fly nie są dokładne co to mm, raczej stosuje się je na duże odległości i przeważnie działają w bliskiej podczerwieni 905-1550nm

Mictronic wrote:

Czyli zmodulowana wiązka jakąś dowolną częstotliwościa, zostaje wysłana, odbija sie od obiektu, wraca do odbiornika i miesza się z częstotliwością nadawczą. Czyli dla małych odległości częstotliwość będzie bardzo bardzo mała? Czy to stąd wynika tak wolne odświeżanie pomiaru?

Może tak też być. Wystarczyłoby kluczować laser jakąś niską częstotliwością. Nie sądzę by było potrzebne więcej niż kilkadziesiąt kHz. Potem mierzy się przesunięcie fazowe odebranego sygnału względem nadawanego. Wystarczy zatem prosty detektor amplitudy. Potem i tak może to iść do TDC. Żadnych analogowych mieszaczy się raczej nie stosuje. Zresztą tu obie częstotliwości będą takie same. Wolne odświeżanie wynika prawdopodobnie z potrzeby uśredniania serii pomiarów.

Tutaj macie jak to leica robi: Link
Tu też ciekawostka Link

Oczywiście że wolna praca wskazuje na uśrednianie pomiarów, co zwiększa stosunek sygnał / szum.
Typowy dalmierz impulsowy wysyła jeden impuls, jednak istnieją dalmierze podszumowe, wysyłające paczkę impulsów Link

Trochę skąpe te informacje podałeś, nie bardzo rozumiem co gdzie i jak. Jeśli się da spisać, to spisz nazwy scalaków pozostałych na płytce. Na drugiej stronie PCB coś jest albo nie rozbierałeś? Napięcie 100 V to tak jak mówisz napięcie polaryzacji fotodiody. W opisie używaj albo laser oraz fotodioda, tak to ciężko zrozumieć o którym elemencie myślisz pisząc dioda. Na początek wypadało by zaobserwować przebieg na laserze, najlepiej było by mierzyć napięcie na anodzie i katodzie różnicowo. Pamiętaj że często różnica pomiędzy minimalną a maksymalną mocą lasera to około 100 mV napięcia przewodzenia. Dużo lepiej było by mierzyć prąd, jest znaczna różnica w pomiarze prądu pomiędzy mocą maksymalną Pmax a początkiem generowania Ith.
Nie ukrywam też mnie interesuje co tam wykombinowali