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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Laser-Distanzmessgerät, später 3D-Scanner


Autor: Frank M. (ukw) (Moderator) Benutzerseite
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Hallo,

da ich in der Analogwelt nicht so bewandert bin und eigentlich nur die 
beiden Zahlen 0 und 1 gut kenne, wende ich mich an Euch, um zu 
herauszufinden, ob ein solches Projekt, wie ich es mir vorstelle, für 
einen Hobbybastler überhaupt Sinn macht.

Es geht um folgendes:

Viele von uns kennen diese Laser-Distanzmesser, die es für rund 100 EUR 
gibt. Leider haben diese einen Nachteil: Sie besitzen keine 
Computerschnittstelle, obwohl sie bestimmt µC-gesteuert sind und 
technisch wohl durchaus die Möglichkeit dazu hätten, ihre Messwerte 
nicht nur auf ein Display zu schieben. Laser-Distandzmesser mit 
Schnittstelle zur Außenwelt (meist Bluetooth) kosten dann schon 
erheblich mehr, nämlich um die 800 bis 1000 EUR.

Aber bei diesem Preis überlege ich, ob man das nicht selber hinbekommt 
... und vielleicht noch ein wenig Spaß an der Entwicklung hat. Außerdem 
möchte ich damit noch um einiges weiter kommen als nur so einen 
Entfernungsmesser mit der Hand auf irgendeinen entfernten Punkt zu 
halten. Das macht nämlich wenig bis keinen Spaß ;-)

Mein (fernes) Ziel ist es, einen Raum (welcher leersteht) von den Maßen 
her automatisch einscannen zu lassen und daraus dann ein 2D-, später 
3D-Modell zu erstellen.

Es gibt solche Geräte mit Preisen zwischen 50.000 und 100.000 EUR, die 
zwischen 4000 und 1,2 Mio Messungen pro Sekunde machen. Dabei können sie 
horizontal 360° erfassen und vertikal so zwischen 270° und 320°. Diese 
werden dafür eingesetzt, um Gebäude von aussen und von innen zu 
vermessen oder auch einen Tatort kriminaltechnisch zu erfassen. Man 
stellt das Ding also irgendwo auf und sagt: mach mal! Dann schießt das 
Ding mal "eben so" 500.000 bis 1,2 Mio Laserblitze in der Gegend herum 
und dann ist das 3D-Modell da. Naja, so einfach ist es bestimmt wieder 
nicht ;-)

Ich habe da wesentlich genügsamere Ansprüche, mir geht es darum, einen 
leerstehenden Raum mit den Maßen von maximal 10m x 10m abzuscannen, bei 
einer Genauigkeit von .... sagen wir mal 5mm.

Ich habe mich da auch bereits mal etwas belesen, es gibt da im 
wesentlichen 2 Möglichkeiten:

1. Triangulationsverfahren

Man nimmt einen Laser und eine Webkamera oder eine CCD-Zeile und stellt 
sie so auf, daß Laser, Messpunkt an der Wand und die Kamera ein Dreieck 
bilden. Dann kommt das Bild des Lichtpunktes auf der Webkamera um einige 
Pixel verschoben - nämlich je nach Abstand des Lichtpunktes an der Wand. 
Der Rest ist dann reine Geometrie, im wesentlich hängt das Verhältnis 
des Messpunkt-Abstandes und des Kamera-Bildpunkt-Abstandes mit dem 
Tangens des Winkels ab. Wie die meisten wissen, explodiert die 
Tangens-Funktion für kleine Winkel (große Abstände) ziemlich und die 
ganze Messung wird daduch ungenau. Dem kann man nur entgegenwirken, 
indem man den Abstand von Laser und Webkamera vergrößert - was dann aus 
dem Messgerät ein ziemliches Monstrum macht. Es gibt da auch von einigen 
Hobbybastlern Berichte über den Aufbau mit einem simplen Pocket-Laser 
und einer 08/15-Webcam. Die Ergebnisse sind relativ bescheiden, siehe 
auch

http://zedomax.com/blog/de/2009/10/26/webcam-diy-h...

oder

http://ashishrd.blogspot.com/2006/11/obstacle-dete...

http://sites.google.com/site/todddanko/home/webcam...


2. Messung über Phasenverschiebung

Man moduliert den Laser mit einer bestimmten Frequenz und addiert das 
reflektierte Signal invertiert auf das ursprüngliche. Das reflektierte 
Signal hat nun wegen der Laufzeit des Lichts eine kleine Verschiebung 
gegenüber dem ursprünglichen Rechtecksignal. Übrig bleiben kurze 
Ripples, deren Breite proportional zum Messabstand ist. Wenn man diese 
schmalen Rechtecke integriert, d.h. mit einem ADC misst, erhält man eine 
Spannung, die proportional zum Abstand ist.

Ich denke mir das mal so: Ich nehme einen 12Bit-ADC und erreiche damit 
bei einer maximalen Distanz von 10 Metern und einer ADC-Auflösung von 
4096 Werten eine Auflösung von 10000 mm / 4096 = ca. 2,5 mm. Das würde 
mir reichen. Wenn diese nicht zu erreichen ist, dann würde ich über eine 
"Spannungslupe" nachdenken.

So, jetzt meine Frage an Euch: Kann ein Hobbybastler so etwas selbst 
bauen, also einen Laser-Distanzmesser mit der oben beschriebenen Methode 
2?

Wenn ja, wären die Umsetzungsmethoden zu diskutieren. Sollte sich 
herausstellen, dass so etwas durchaus machbar wäre, würde ich in einem 
zweiten Step das Messgerät auf einen "Drehteller" stellen und in 0,1° 
Schritten (oder kleiner, wenn machbar) einmal rundum drehen lassen, dann 
die ermittelten Abstännde in ein Polarkoordinatensystem eintragen, um 
letztendlich ein 2D-Bild - also einen Raumplan zu bekommen.

Interessant wäre die Problematik dabei, wie genau das Meßsignal ist, 
wenn der Laser dreht und dabei spitz gegen die Wand misst - zum Beispiel 
in den Ecken. Wenn ich mir aber Laser-gescannte Bilder im Internet 
anschaue, dann ist das offenbar machbar. Da sind jede Menge spitze 
Winkel im erfassten 3D-Bild...

Die zweite Problematik, die ich dabei sehe, ist die analoge Seite der 
Geschichte, nämlich das Subtrahieren der beiden phasenverschobenen 
Signale. Aber da bin ich durchaus lernfähig ;-)

So, jetzt bin ich mal gespannt.... geht mit erträglichem Aufwand oder 
geht nicht?

Gruß,

Frank

Autor: Uwe R. (aisnmann)
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Frank M. schrieb:
> Hallo,
...
> Viele von uns kennen diese Laser-Distanzmesser, die es für rund 100 EUR
> gibt. Leider haben diese einen Nachteil: Sie besitzen keine
> Computerschnittstelle, obwohl sie bestimmt µC-gesteuert sind und
...
> Aber bei diesem Preis überlege ich, ob man das nicht selber hinbekommt
...
> Mein (fernes) Ziel ist es, einen Raum (welcher leersteht) von den Maßen
> her automatisch einscannen zu lassen und daraus dann ein 2D-, später
> 3D-Modell zu erstellen.

Die Idee so ein 3D Modell zu erstellen ist super. Zumindest etliche 
Schnitte eines Raums, und Punktewolken von Details. Sowas schwebte mir 
auch mal vor. Mangels bezahlbarem Laserpipser und der notwendigkeit 
umfangreicher Soft- und Hardware und begrenzten Faehigkeiten zu 
erstellen hab ichs dann gelassen. ;o)

Mit gekauftem Laserpipser denke ich ist es machbar.
Das mit dem selberbauen vom Laserscanner halte ich aber fuer sehr 
gewagt. Immerhin ist es nicht einfach nur HF sondern auchnoch ziemlich 
genau ausgerichtete Optik. Ich glaube ich hab mas in einer 
Bedienungsanleitung was von 9GHz Modulationsfrequenz gelesen. Zumindest 
die groessenordnung sollte hinkommen.

Vielleicht kann man ein Geraet zerlegen und die Daten irgendwo abgreifen 
(wie mancheiner beim Messschieber). Bliebe das Problem mit der 
Messdauer. einige 10 Messungen Pro Sekunde sollten es schon sein. Die 
Billigen werden aber vermutlich viele Messungen ausmitteln, daher lange 
brauchen.

Naja, wollte nur sagen das das ein sehr interessantes Projekt ist.

bye uwe

Autor: dave (Gast)
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>was von 9GHz Modulationsfrequenz gelesen.

Ist doch vermutlich gar nicht nötig. Ausser du willst ein 3d-Modell von 
einem Zahn erstellen oder sowas.

Ich würde einfach mal ein Experiment machen:
1-2€-Laserpointer Diode mit 10..20MHz modulieren.
Dann einen kleinen Empfänger mit Optik, Filter und Fotodiode bauen und 
das Ganze auf dem Scope angucken.
Kostet ~5€ + verregnetes Wochenende, und man bekommt vielleicht ein Idee 
wo probleme liegen können und was mit einfachen Mitteln realisierbar 
ist.

Autor: ohforf (Gast)
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Faszinerende Idee.
Offenbar hat jemand was ähliches schon gebaut,
leider hat der verwendete Sensor einen mickrigen Messbereich.
http://hackedgadgets.com/2009/04/02/3d-arduino-scanner/

Autor: jeff ognop (Firma: none) (pongo)
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hi frank,

ich wollte kurz mal nachfragen wie.es.mit deinem.projekt ausschaut.
es würde mich auch interessieren sowas zu bauen. eigentlich würde.ich 
mich schon damit zufrieden geben per arduino die distanz abgreifen 
zu.können.
cooles projekt!
viel erfolg

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