mikrocontroller.net

Forum: FPGA, VHDL & Co. Laser-FPGA-Entfernungsmesser-Bastelarbeit - Blödsinn?


Autor: Friedemann F. (dirac)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Eine Idee die mir kam:

Lichtgeschwindigkeit: 300 *10^6 m/s

t für 30m = 100ns
t für  9m =  30ns

Fpga-Taktfrequenz = ~600 MHz -> T= ~1,67ns


Highspeed-Pmod -> zu langsam

aber Mipi Csi-2 Pcam-Port:

Line Rate (Data Rate per Lane) = 1.485 Gbps/2-lane = 742.5 Mbps
MIPI Bit Clock Frequency = 742.5/2 = 371.25 MHz

-> schnell genug


Das und die angehängte Paint-Zeichnung erkären meinen Gedanken kurz und 
bündig denke ich.

Vorstellen würde ich mir das vielleicht in die Richtung, dass die 
Pcam-Port-Geschichte mit 2 Leitungen betrieben wird, die jeweils mit 
einem der beiden Sensoren so verschaltet sind, dass eine 1 anliegt, 
sobald ein Laserstrahl auftrifft. Aus der zeitlichen Differenz....


Würde es sich lohnen, sich das Projekt als Fernziel zu setzen? Falls ja, 
wo würdet ihr die größten Hürden festmachen? Oder wäre soetwas selbst 
für erfahrene Professionals eine Herausforderung oder eher sogar 
kompletter Blödsinn?

Zweifeln tu ich ein wenig daran, dass sich ein Pcam-Port so einfach als 
Ultra-Highspeed-Pmod-Port missbrauchen lässt. Die Reaktionszeit von 
günstigen Lasersensoren, könnte ich mir vorstellen, ist vielleicht ein 
weiterer Knackpunkt (oder würdens da solche Arduino-Lasersensoren tun?). 
Vielleicht wäre ein FPGA hier auch völlig fehl am Platz weil die 
Zeitdifferenz anders rein analogelektronisch zu messen nur Murks sein 
kann...

...ich weiß es nicht und was ich mit Google finde ist alles 
augenscheinlich eher auf Physikernivaeu Dr.-Stufe.

Was denkt ihr dazu?

Autor: Mathias B. (mbr)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Und welche neue physikalische Erkenntnis soll bei einer solchen 
Geräteentwicklung herauskommen? Nebenbei, solche Geräte existieren schon 
seit wievielen Jahren?
Aber rein aus Elektrotechnischer Sicht durchaus interessant.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Du suchst nach "time to digital" und findest sowas 
https://www.ohwr.org/projects/tdc-core/wiki
Damit wäre das schon fertig... 😉

Das analoge Frontend (Ansteuerung des Lasers bzw. Einlesen des 
reflektierten Licutsimpulses) ist also die eigentliche Herausforderung..

Friedemann F. schrieb:
> was ich mit Google finde ist alles augenscheinlich eher auf
> Physikernivaeu Dr.-Stufe.
Such mal nach  /tdc FPGA board Aachen/

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Friedemann F. (dirac)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Mathias B. schrieb:
> Und welche neue physikalische Erkenntnis soll bei einer solchen
> Geräteentwicklung herauskommen? Nebenbei, solche Geräte existieren schon
> seit wievielen Jahren?
> Aber rein aus Elektrotechnischer Sicht durchaus interessant.

Nein, eine Erfindung soll es nicht sein :)

Autor: Friedemann F. (dirac)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Lothar M. schrieb:
> Du suchst nach "time to digital" und findest sowas
> https://www.ohwr.org/projects/tdc-core/wiki
> Damit wäre das schon fertig... 😉
>
> Das analoge Frontend (Ansteuerung des Lasers bzw. Einlesen des
> reflektierten Licutsimpulses) ist also die eigentliche Herausforderung..
>
> Friedemann F. schrieb:
>> was ich mit Google finde ist alles augenscheinlich eher auf
>> Physikernivaeu Dr.-Stufe.
> Such mal nach  /tdc FPGA board Aachen/

Oha. Danke. Das scheint allerdings ein Stichwort zu sein, TDC. Klasse!

Falls es jemanden interessiert, ich habe hier direkt eine Bachelorarbeit 
dazu gefunden - scheint entsprechend vergleichsweise verständlich zu 
sein.

https://www.institut3b.physik.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaamlexe


/edit
Hab schneller hochgeladen als nachgedacht, sorry. Falls nicht gerade 
unnötig Platz belegt werden soll kann die Pdf auch gerne wieder gelöscht 
werden (Ich selber kanns ja nicht)

: Bearbeitet durch User
Autor: C. A. Rotwang (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Anderes Stich wort wäre Time of Flight  -> TOF . Sowas gibt es auch als 
Kamera und bestimmt in dieser für jeden Pixel den Abstand zwischen 
Objekt und Kamera und wird seit Jahren in Spielzeugs verbaut:

https://www.heise.de/ct/ausgabe/2014-17-aktuell-Kinect-fuer-Windows-2264919.html

http://www.emce.tuwien.ac.at/hipos/HIPOS9.pdf

Autor: C. A. Rotwang (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert

Autor: Tobias B. (Firma: www.elpra.de) (ttobsen)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Lothar M. schrieb:
> Such mal nach  /tdc FPGA board Aachen/

Um den Wettbewerb anzukurbel: Eine Suche nach "Gandalf TDC Freiburg" 
liefert auch super Ergebnisse. ;-)

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
- Wie willst du die Pulse bzw. die Modulation erzeugen? Pulslaser?

- Wie wird das digitalisiert? Threshold? Vergiss nicht, dass die Menge 
an Signal die du bekommst quadratisch mit dem Abstand abnimmt, also 
welchen Threshold auch immer du für 1 Meter wählst wird vermutlich bei 
10 Meter nicht mehr gehen.

 - Analog abtasten hat den Vorteil dass du den Peak subsampeln kannst 
und dadurch bessere Genauigkeit erreichst.

 - Der 2. halbdurchlässige Spiegel ist schlecht, weil er einen Teil des 
Signals verliert, aber das Optikdesign muss man eh nochmal überdenken ;)

: Bearbeitet durch User
Autor: Strubi (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Moin,

einfache Impulsmessung reicht nicht, du musst schon ein 
Lock-In-Verfahren wie bei den gängigen TOF-Sensoren anwenden. Und 
passende Lichtquelle finden plus Ansteuerung hinbekommen, dass du mit um 
die 20MHz modulieren kannst, dein ausgewählter Phototransistor sollte 
die Bandbreite natürlich auch etwa abdecken.

Autor: Friedemann F. (dirac)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Strubi schrieb:
> Moin,
>
> einfache Impulsmessung reicht nicht, du musst schon [...]

Sven B. schrieb:
> - Wie willst du [...]


Es geht mir momentan allein um die Frage der Machbarkeit. Die ist jetzt 
anscheinend mindestens soweit beantwortet, dass die Idee nicht völliger 
Blödsinn ist. Ich studiere ET im 3. Semester und möchte ein Projekt für 
mich privat um dazuzulernen und bei dem Übergewicht an Theorie den Spaß 
an der ganzen ET-Geschichte nicht zu verlieren. Großes Interesse habe 
ich für FPGAs und meine Analogelektronikkenntnisse sind noch ziemlich 
mangelhaft. Was zumindest das beides angeht, kommt mir dieses Projekt 
ziemlich sinnig vor. Aber das wie und was und womit steht erst ernsthaft 
zur Debatte, wenn ich weiß, dass das mein Projekt sein wird.


Jedenfalls bin ich seit dem ich eure Posts gelesen habe um einiges 
begeisterter als vorher. Die TDC/TOF-Geschichte wäre ein richtiges 
FPGA-Kunststück, auf sowas habe ich Lust! Wahnsinnig interessant, was 
ich ganz grob gesehen habe bis jetzt. Hab aktuell nur komplett keine 
Zeit aber in ein paar Wochen sieht das anders aus. Ich hoffe unter 
anderem nur, die nötige Hardware würde sich in einem bezahlbaren Rahmen 
halten. Ein FPGA- bzw. SoC-Board habe ich zwar (Zybo Z7-20), aber Laser, 
Spiegel, Sensoren usw. würden sich bestimmt ganz schön läppern... Ich 
nehme an mit Laserpointer und Arduino-Kit-Lasersensoren würde sich da 
nicht viel erreichen lassen.... *(?)*


FPGA vs. Lichtgeschwindigkeit... voll geil! :)

Autor: TestX (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@TO

dein problem ist das analoge frontende wie weiter oben schon 
erwähnt...alleine einen steilen laserpuls zu erzeugen ist nicht ohne.... 
es hat schon einen guten grund wieso entfernungsmessungen im low cost 
bereich per triangulation angefertigt werden... lies dir mal ein paar 
paper über ToF techniken durch...danach wirst du dir mangels equipment 
ein anderes projekt suchen.

Autor: Dumdi D. (dumdidum)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Friedemann F. schrieb:
> Es geht mir momentan allein um die Frage der Machbarkeit.

Machbarkeit von was genau? Welche Problemstellung willst Du lösen? 
Abstandsmessung 1-50m? Mit welcher Genauigkeit?

Autor: Lasernder (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Moin,

kurz gesagt, lass es  :D
Ich habe sowas mal beruflich gemacht und wenn irgendwas sinnvolles dabei 
rumkommen soll ist der FPGA Krempel dein geringstes Problem.
Wenn es um mehr als ein paar Meter Reichweite geht brauchst du 
einigermaßen gute Optiken und Pulslaser im mindesten 2 stelligen Watt 
bereich. Dazu ein analoges Frontend und viel patentierte Technik um 
daraus auch eine Schaltschwelle zu machen die Sinn macht. Der 
Dynamikumfang ist riesig und die Bandbreite auch.
TDC im FPGA ist kein Problem und wird auch so gemacht, wenns genauer 
sein darf, nimmt man einfach einen externen wie den AMS GPX2 und schon 
liegt man bei 2 stelligen ps.
Der optische Aufbau wie oben gezeigt ist auch nicht wirklich geeignet.

Ich habe solch ein System zu Forschungszwecken schon gebaut und allein 
der optische Teil ist für Entfernungen > 30m eine Kunst, wenn du nicht 
ewig viel Pulsleistung am Laser verwenden willst.

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Das sehe ich irgendwie etwas weniger kritisch. Vor allem kommt es darauf 
an, in welcher Zeit du welche Genauigkeit erreichen willst auf welchen 
Abstand. Wenn du in 10 µs auf 100 Meter 3 mm rms Genauigkeit haben 
willst, wirst du mit der 5 mW-Laserdiode nicht weit kommen, das ist 
sicherlich richtig -- dafür braucht's schon eher ein Watt mittlere 
Leistung oder so.

Genügt dir hingegen ein Proof of Concept, so denke ich dass man das für 
quasi kein Geld aufbauen kann. Ich denke, mit der 5 mW China-Laserdiode 
für 30 ct, einer 1-Euro-Photodiode, einer Plastiklinse für 10 Euro und 
ein paar OpAmps für Treiber / Detektor müsste man sich etwas frickeln 
können, was im Zimmer auf eine weiße Wand 10-20 Meter auf zumindest ein 
paar cm vermisst.

Es gibt ja auch haufenweise Krempel dieser Art, der macht entweder 
ungefähr was du vorschlägst oder die ältere analoge Variante mit der 
Sinusmodulation (die aber wenn man genau hinsieht einige Vorteile hat): 
https://www.robotshop.com/de/de/benewake-tfmini-micro-lidar-modul-12-m.html

: Bearbeitet durch User
Autor: Friedemann F. (dirac)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke euch allen!


Dumdi D. schrieb:
> Friedemann F. schrieb:
>> Es geht mir momentan allein um die Frage der Machbarkeit.
>
> Machbarkeit von was genau? Welche Problemstellung willst Du lösen?
> Abstandsmessung 1-50m? Mit welcher Genauigkeit?

Wenn, dann soll das kein Werkzeug werden. Ich muss 50m nicht gehabt 
haben, auch nicht einen Meter. Ein paar halt eben, was sich machen 
lässt. Das Stichwort Proof-Of-Concept, das scummos gerade gegeben hat 
trifft es wohl auf den Punkt.

Lasernder schrieb:
> Ich habe sowas mal beruflich gemacht und wenn irgendwas sinnvolles dabei
> rumkommen soll ist der FPGA Krempel dein geringstes Problem.
> Wenn es um mehr als ein paar Meter Reichweite geht brauchst du [...]
>
> Ich habe solch ein System zu Forschungszwecken schon gebaut und allein
> der optische Teil ist für Entfernungen > 30m eine Kunst, wenn du nicht
> ewig viel Pulsleistung am Laser verwenden willst.

Du weißt offensichtlich genau wovon du redest, klasse, dass du dich zu 
Wort meldest. Heißt, was du sagst, im Umkehrschluss, dass bis zu 10m als 
Bastelarbeit machbar wären? Würdest du scummos Recht geben? ...

Sven B. schrieb:
> Genügt dir hingegen ein Proof of Concept, so denke ich dass man das für
> quasi kein Geld aufbauen kann. Ich denke, mit der 5 mW China-Laserdiode
> für 30 ct, einer 1-Euro-Photodiode, einer Plastiklinse für 10 Euro und
> ein paar OpAmps für Treiber / Detektor müsste man sich etwas frickeln
> können, was im Zimmer auf eine weiße Wand 10-20 Meter auf zumindest ein
> paar cm vermisst.

Mit einem solchen Equipment ein solches Ergebnis... Das wäre der 
Optimalfall. Ich denke wir werden Bescheid wissen, sobald sich Lasernder 
zurückmeldet.

TestX schrieb:
> dein problem ist das analoge frontende wie weiter oben schon
> erwähnt...alleine einen steilen laserpuls zu erzeugen ist nicht ohne....
> es hat schon einen guten grund wieso entfernungsmessungen im low cost
> bereich per triangulation angefertigt werden... lies dir mal ein paar
> paper über ToF techniken durch...danach wirst du dir mangels equipment
> ein anderes projekt suchen.

Gut möglich, dass du im Endeffekt Recht behalten wirst. Ich bin jetzt 
mal erst noch gespannt, was Lasernder antworten wird -ob kurze Distanzen 
+- mehrere cm machbar sein könnten

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
TestX schrieb:
> @TO
>
> dein problem ist das analoge frontende wie weiter oben schon
> erwähnt...alleine einen steilen laserpuls zu erzeugen ist nicht ohne....
> es hat schon einen guten grund wieso entfernungsmessungen im low cost
> bereich per triangulation angefertigt werden...

So ganz nachvollziehen kann ich diese Sichtweise immer noch nicht. 
Natürlich ist das alles nicht trivial, aber es gibt ja Module in der 
50-Euro-Preisklasse, die nach einem ähnlichen Verfahren arbeiten.

Klar: der betriebene Aufwand kann für so ein System beliebig erhöht 
werden, und dann wird auch das Ergebnis entsprechend besser. Ich habe 
beruflich auch schon an so etwas gearbeitet, und was man da mit 100 mW 
Laserleistung erreicht, ist schon jedenfalls mehrere Größenordnungen 
über dem, was hier gewünscht wird.

Autor: pegel (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Passt vielleicht nicht so ganz zum Thema, aber ich habe gestern bei 
Netto einen Stabförmigen Laser Entfernungsmesser für 19,99€ gesehen.

Die gibt es heute öfter mal irgend wo, meist 30m +-1,5mm.

Bei diesem sind jedoch 10m +-6mm angegeben.
Könnte es sein, dass der ein anderes Messverfahren als die anderen 
verwendet?
So eine grosse Abweichung habe ich noch nie gesehen.

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die verwenden eigentlich immer dasselbe Messverfahren, das Licht wird 
mit einem Sinus moduliert und dann die Phasenverschiebung zwischen 
ausgehend und eingehend bestimmt. Die Genauigkeit wird bestimmt durch 
Messdauer, Laserleistung, Empfindlichkeit des Detektors, Größe der 
Empfangsoptik und Modulationsfrequenz; wenn du irgendwelche dieser 
Parameter änderst, wird es halt anders.

Außerdem muss man immer überlegen was "+- 6 mm" überhaupt bedeutet. Ist 
das jetzt ein 1-Sigma statistischer Fehler auf eine Einzelmessung? Oder 
3 Sigma? Oder ist da ein systematischer Fehler mit drin? Die meisten 
Geräte haben z.B. Probleme mit spiegelnden Oberflächen. Je nach dem kann 
man da für dasselbe Gerät auch sehr unterschiedliche Werte hinschreiben.

Autor: Christoph M. (mchris)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Übrigens, wenn Ihr mal ein Experiment machen  wollt: Mit einem einfachen 
Rigo1052 kann man die Phasenverschiebung aufgrund der Geschwindigkeit in 
zwei unterschiedlich langen Kabeln sehen.

Autor: TOFfi-Fee (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich unterschreibe mal Svens Aussagen mit. Die des Lasernden oben eher 
weniger, denn man braucht für sowas keinen Pulslaser.
Ich habe mit Billigoptik von Ebay, nem Chinamodul <20 mW (ex-Grün-Laser 
mit abgeklopptem Kristall) und einer vernünftigen Laseransteuerung 
(die4drive) ganz gute Ergebnisse rausbekommen. Aber Warnung: mit dem IR 
muss man aufpassen, ohne IR-sensitive Kamera würde ich davon die Finger 
lassen, denn man weiss nie genau, was bei den (abgekloppten) Modulen 
genau an Leistung rauskommt.

Autor: Harald W. (wilhelms)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
pegel schrieb:

> Passt vielleicht nicht so ganz zum Thema, aber ich habe gestern bei
> Netto einen Stabförmigen Laser Entfernungsmesser für 19,99€ gesehen.

Hmm, ich war gestern auch bei Netto. Im Werbeprospekt stand
"Laser", auf der Verpackung stand "Ultraschall".

> Bei diesem sind jedoch 10m +-6mm angegeben.

Das spricht auch für Ultraschall. Das geht prinzipbedingt nicht genauer.

Autor: TestX (Gast)
Datum:

Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Nur zur Klarstellung: die handelsüblichen Laserentfernungsmesser < 1000€ 
arbeiten alle per Lasertrinangulation - das hat NICHTS mit ToF zu tun...

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Da hier gerade die verschiedenen optischen Entfernungsmessverfahren
diskutiert werden, habe ich diese mal bzgl. ihrer Eigenschaften und
Anwendungsfeldern gegenübergestellt.

Wenn ich das richtig sehe, hat sich der TE aber bereits für eines davon,
nämlich die (Puls-)Laufzeitmessung, entschieden. Für die anderen beiden
Verfahren macht der Einsatz eines FPGA auch wenig Sinn, da dort an den
Digitalteil nur geringe Geschwindigkeitsanforderungen gestellt werden,
so dass dafür ein gewöhnlicher Mikrocontroller völlig ausreicht.

Triangulationsmessung:
- schnell
- Messfehler steigt etwa quadratisch mit der Entfernung -> für kleine
  Entfernungen sehr genau (Zehntelmillimeterbereich), für große ungenau
- Verbesserung der Genauigkeit durch Vergrößerung des Abstands zwischen
  Sender und Empfänger möglich -> für genaue Messungen großer
  Entfernungen unhandlich
- Einfache Elektronik, preisgünstig
- Anwendungsbeispiele:
  - preisgünstige Laserscanner für Entfernungen bis ein paar Meter
  - 3D-Kameras auf der Basis von strukturiertem Licht

Phasendifferenzmessung:
- relativ langsam
- ziemlich genau bei langer Messdauer (Millimeterbereich bei 0,5s)
- Messergebnis wegen der Periodizität des modulierten Signals u.U.
  mehrdeutig -> Gefahr grober Fehlmessungen
- Aufwendigere Elektronik, aber dank integrierter Schaltungen in
  größeren Stückzahlen inzwischen dennoch preisgünstig
- Anwendungsbeispiele:
  - (1D-)Entfernungsmesser für den Bau
  - 3D-Kameras (so genannte ToF-Kameras)

(Puls¹-)Laufzeitmessung:
- schnell
- nur mäßig genau (Zentimeterbereich)
- Aufwendige Elektronik, meist teurer als die beiden anderen Verfahren
- Anwendungsbeispiele:
  - teurere Laserscanner für Entfernungen bis ein paar zehn Meter
  - ganz selten 3D-Kameras
  - Friedemanns Projekt ;-)

Und dann gibt es noch Ultraschallentfernungsmesser mit Zielvorrichtung
per Laserpointer, die mitunter ebenfalls als Laserentfernungsmesser
angepriesen werden ;-)

—————————————
¹) Der Zusatz "Puls" wurde zur Abgrenzung zur Phasendifferenzmessung
   eingeführt, die in jüngerer Zeit aus Marketinggründen (nicht ganz
   korrekterweise) vermehrt ebenfalls als Laufzeit-, Time-of-Flight-
   bzw. ToF-Messung bezeichnet wird.

Autor: pegel (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Harald W. schrieb:
> Das spricht auch für Ultraschall.

Ich denke dann würde bei 10m eher 6cm zu erwarten sein.

Hier ist das Teil:

https://www.netto-online.de/p/laser-distanzmesser/2017951000/

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
pegel schrieb:
> Harald W. schrieb:
>> Das spricht auch für Ultraschall.
>
> Ich denke dann würde bei 10m eher 6cm zu erwarten sein.
>
> Hier ist das Teil:
>
> https://www.netto-online.de/p/laser-distanzmesser/2017951000/

Ja, die beiden unterschiedlich großen Öffnungen (die kleine für den
Laser und die große für das Empfängerobjektiv) sprechen für ein
optisches Messverfahren.

Hier ist ein anderes Gerät in derselben Preisklasse, das angeblich sogar
40m mit einem Fehler von nur ±2mm misst:

  https://www.amazon.de/dp/B077T5VDYN

Allerdings meint einer Rezensoren, Messungenauigkeiten von 5 bis 8cm
festgestellt zu haben. Evtl. bekommt man für den sonst üblichen Preis
solcher Geräte von ca. 80€ an aufwärts doch eine etwas höhere Qualität
:)

Autor: pegel (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vor ca. einem Jahr habe ich mir diesen im Action Markt für 14,95€ 
geholt:

https://www.bol.com/nl/p/laser-afstandsmeter/9200000093434242/

Damit habe ich mehrere Latten mit 3,30m Länge zugeschnitten.
Bei den ersten beiden habe ich noch mit Zollstock nachgemessen, ich 
konnte mich aber nicht entscheiden welche Messung genauer war. ;)

Autor: Harald W. (wilhelms)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
pegel schrieb:

> Damit habe ich mehrere Latten mit 3,30m Länge zugeschnitten.
> Bei den ersten beiden habe ich noch mit Zollstock nachgemessen, ich
> konnte mich aber nicht entscheiden welche Messung genauer war. ;)

Da Zollstöcke wohl mindestens 100 Jahre alt sind, würde ich
da nicht viel Genauigkeit erwarten...

Autor: C. A. Rotwang (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Harald W. schrieb:

> Da Zollstöcke wohl mindestens 100 Jahre alt sind, würde ich
> da nicht viel Genauigkeit erwarten...

Och, das Vereinigte Königreich dürfte noch genug produzieren, erst recht 
nach dem Brexit und der e-ruler von PCB-Schnitzer ist genaugenommen auch 
ein Zollstock: https://antonioluppi.wordpress.com/2017/11/01/pcb-rulers/

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Yalu X. schrieb:
> Phasendifferenzmessung:
> - relativ langsam
> - ziemlich genau bei langer Messdauer (Millimeterbereich bei 0,5s)

Dem widerspreche ich. Die Phasendifferenzmessung ist nicht grundsätzlich 
irgendwie langsamer als Pulslaufzeitmessungen. Eher das Gegenteil ist 
der Fall. Aber günstige Geräte verwenden bevorzugt dieses Verfahren, 
daher kommt wohl der Eindruck.

> - Messergebnis wegen der Periodizität des modulierten Signals u.U.
>   mehrdeutig -> Gefahr grober Fehlmessungen

Ok, aber man verwendet (in quasi jedem Gerät) mehrere Phasen. Grobe 
Fehlmessungen sind immer noch denkbar, aber recht unwahrscheinlich.

>   - 3D-Kameras (so genannte ToF-Kameras)

Hm, also das "ToF" steht für "Time of flight". Das ist genau das, was 
nicht das Phasenmessverfahren ist ;)

> (Puls¹-)Laufzeitmessung:
> - schnell
> - nur mäßig genau (Zentimeterbereich)

Je nach dem wie man es macht. Pauschal kann man das nicht sagen. Es 
stimmt aber, dass man für höhere Genauigkeiten durchaus etwas Aufwand 
treiben muss. Sub-Millimeter-Genauigkeit ist aber auf jeden Fall 
problemlös technisch möglich.

> - Anwendungsbeispiele:
>   - teurere Laserscanner für Entfernungen bis ein paar zehn Meter

Nein, insbesondere wird dieses Verfahren angewendet für Laserscanner mit 
eben größerer Entfernung, insb. für Geräte in Flugzeugen, die den Boden 
scannen, dann auch oft mit mehreren km Reichweite.

Ein wichtiger Punkt wurde übrigens noch gar nicht genannt: die 
Mehrdeutigkeit ist nicht nur bezüglich der Distanz, sondern auch 
bezüglich der Objektgeometrie. Mit Objekten wie z.B. einem 
Drahtgitterzaun kommt ein Phasenmessgerät überhaupt nicht zurecht, 
während das Puls-Messverfahren korrekt den Ort des Drahtes und den Ort 
des dahinterliegenden Objekts bestimmen kann.

: Bearbeitet durch User
Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Sven B. schrieb:
> Yalu X. schrieb:
>> Phasendifferenzmessung:
>> - relativ langsam
>> - ziemlich genau bei langer Messdauer (Millimeterbereich bei 0,5s)
>
> Dem widerspreche ich. Die Phasendifferenzmessung ist nicht grundsätzlich
> irgendwie langsamer als Pulslaufzeitmessungen. Eher das Gegenteil ist
> der Fall.

Warum? Eine Messung der Distanz s kann Pulslaufverfahren theoretisch in
der Zeit 2s/c plus etwas Zeit für die anschließende Signalauswertung
stattfinden. Das Phasenverfahren wäre genauso schnell, wenn man nur eine
einzige Signalperiode auswerten würde. Mit der üblichen Mischermethode
benötigt man aber viele Perioden für eine zuverlässige Phasendetektion
und somit auch ein Vielfaches der Zeit.

> Aber günstige Geräte verwenden bevorzugt dieses Verfahren,
> daher kommt wohl der Eindruck.

Bei Laserscannern, wo eine hohe Messrate der Einzelmessungen essentiell
ist, findet man praktisch nur Pulslaufzeit (bei den teuren, bspw. von
Sick) und Triangulation (bei den billigen). Phasenmessung findet man
hauptsächlich in den in den 1D-Mesgeräten für den manuelen Gebrauch, wo
die Messzeit keine große ROlle spielt sowie in den 3D-Kamers die
üblicherweise eine Messrate von maximal 60Hz haben, was immer noch recht
langsam ist.

>> - Messergebnis wegen der Periodizität des modulierten Signals u.U.
>>   mehrdeutig -> Gefahr grober Fehlmessungen
>
> Ok, aber man verwendet (in quasi jedem Gerät) mehrere Phasen.

Meinst du mehrere Phasen oder mehrere Frequenzen?

>>   - 3D-Kameras (so genannte ToF-Kameras)
>
> Hm, also das "ToF" steht für "Time of flight". Das ist genau das, was
> nicht das Phasenmessverfahren ist ;)

Deswegen ja der Zusatz "so genannte" und die Fußnote in meinem obigen
Beitrag :)

>> - Anwendungsbeispiele:
>>   - teurere Laserscanner für Entfernungen bis ein paar zehn Meter
>
> Nein, insbesondere wird dieses Verfahren angewendet für Laserscanner mit
> eben größerer Entfernung, insb. für Geräte in Flugzeugen, die den Boden
> scannen, dann auch oft mit mehreren km Reichweite.

Da habe ich mich schlecht ausgedrückt. Triangulation wird meist für
Laserscanner geringer Reichweite (bis einige Meter), Pulslaufzeit für
größere Entfernungen. Die Limitierung auf einige zehn Meter war
natürlich Quatsch und nicht explizit beabsichtigt. Sie rührt vielmehr
daher, dass ich mit keinen Anwendungen mit größeren Distanzen zu tun
habe ;-)

Autor: Christoph M. (mchris)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Yalu schrieb
>(Puls¹-)Laufzeitmessung:
>- Anwendungsbeispiele:

Hauptanwendungsgebiete:
- Industrieautomatisierung
- Automotive-Lidar Systeme
- sämtliche Autobahnmautbrücken sind mit Laserscannern für die 
3D-Volumenmessung ausgestattet

Autor: Christoph M. (mchris)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Yalu X. schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> Yalu X. schrieb:
>>> Phasendifferenzmessung:
>>> - relativ langsam
>>> - ziemlich genau bei langer Messdauer (Millimeterbereich bei 0,5s)
>>
>> Dem widerspreche ich. Die Phasendifferenzmessung ist nicht grundsätzlich
>> irgendwie langsamer als Pulslaufzeitmessungen. Eher das Gegenteil ist
>> der Fall.
>
> Warum? Eine Messung der Distanz s kann Pulslaufverfahren theoretisch in
> der Zeit 2s/c plus etwas Zeit für die anschließende Signalauswertung
> stattfinden.
> Das Phasenverfahren wäre genauso schnell, wenn man nur eine
> einzige Signalperiode auswerten würde.

Da reden wir jetzt bei den Entfernungen von einigen 10 Metern, von denen 
hier die Rede war, von Punktraten > 5 MPts/s. Das sind selbst im sehr 
teuren Geräte-Preissegment die High-End-Specs, wenn überhaupt.
Dazu spielt das in der Praxis kaum eine Rolle; das ist nur für eine 
Einzelmessung relevant. Wenn du scannst, musst du ja nicht warten, bis 
das Signal vom vorherigen Scanpunkt wieder beim Scanner angekommen ist, 
bevor du das für den nächsten Messpunkt losschickst. Das gilt für beide 
Verfahren. Wann will man schon eine einzelne Messung machen, die dann 
aber in < 100 ns?

> Mit der üblichen Mischermethode
> benötigt man aber viele Perioden für eine zuverlässige Phasendetektion
> und somit auch ein Vielfaches der Zeit.

Dafür aber kannst du einen großen Teil der Energie für die Feinphase 
verwenden. Beim Pulsverfahren ist das Spektrum des Pulses relativ 
festgelegt, und ein großer Teil geht für die Eindeutigkeit drauf (weil 
es spektrale Komponenten mit niedriger Frequenz sind, die nicht sinnvoll 
zur Genauigkeit beitragen). Prizipiell kannst du mit dem Phasenverfahren 
bei gleicher verfügbarer Laserleistung und Bandbreite schneller mit der 
gleichen Genauigkeit messen.

> Bei Laserscannern, wo eine hohe Messrate der Einzelmessungen essentiell
> ist, findet man praktisch nur Pulslaufzeit

Ist das so? Das Institut, an dem ich mal arbeitete, baut seit 
Jahrzehnten Scanner im sechsstelligen Preissgement und Punktraten im 
MHz-Bereich für Reichweiten > 100 Meter, ausschließlich mit 
Phasenmessverfahren.

>> Ok, aber man verwendet (in quasi jedem Gerät) mehrere Phasen.
>
> Meinst du mehrere Phasen oder mehrere Frequenzen?

Ich meinte mehrere Frequenzen.

: Bearbeitet durch User
Autor: глупний форентроль (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Friedemann F. schrieb:
> was ich mit Google finde ist alles augenscheinlich eher auf
> Physikernivaeu Dr.-Stufe.

Ja. Genau so ist es. Die elektrischen Pulse gibt's auch nicht geschenkt.
Daher .. Lass es. Das wird nichts.

Autor: Thomas S. (doschi_)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert

Autor: Marc (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hier gibt's eine Bauanleitung zum TOF-LIDAR selber basteln:

https://hackaday.io/project/163501-open-source-lidar-unruly

Autor: Harald A. (embedded)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hier gibt es ein interessantes Teardown zu einem Laserentfernungsmodul 
der billigeren Bauart. Insbesondere der russische Artikel, der per 
Google-Translate-Link als englische Übersetzung bereitsteht, ist sehr 
lesenswert:

https://hackaday.com/2018/05/22/hacking-a-cheap-laser-rangefinder/

Vielleicht hilft das in irgendeiner Form, wenn nicht bitte ignorieren.

Übrigens kann man Laser Distanz Geräte mal gegen glänzende schwarze 
Pappe (typisch an Produktverpackungen zu finden) testen, da kommt man 
auf "verblüffende" Resultate. Hat man dem billigen Lasermeter vorher 
noch eine gute Genauigkeit zugetraut nimmt man nach diesem Test evtl. 
doch wieder den Zollstock (ja, ich sage Zollstock, bitte keine 
Belehrung). 5..10mm schwankende Messergebnisse sind da durchaus drin.
Gute Lasermeter von Bosch oder Leica können diese Disziplin besser. Den 
genauen Hintergrund kenne ich leider nicht.

: Bearbeitet durch User
Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Harald A. schrieb:
> Den
> genauen Hintergrund kenne ich leider nicht.

Der Hintergrund ist dass ein halbwegs ordentliches Schwarz ca. einen 
Faktor 30-50 weniger Licht reflektiert als Weiß, und damit entsprechend 
weniger Signal zur Verfügung steht; und dass zusätzlich noch 
spiegelnde Objekte ganz besonders schlecht sind für Laserscanner, weil 
sie das Licht (wenn die Oberfläche nicht ganz genau senkrecht zum Strahl 
ausgerichtet ist) gezielt in die falsche Richtung wegreflektieren. 
Dann wird die Messung noch schlechter, weil noch weniger Licht (-> 
schlechteres Signal-zu-Rausch-Verhältnis) da ist.

Kannst ja mal einen Spiegel probieren: dann misst der Scanner nicht den 
Abstand zum Spiegel, sondern den zur Wand, auf den der Punkt gespiegelt 
wird.

Der Spiegel-Effekt kann bei Phasenscannern auch zusätzlich zum 
schlechten SNR dazu führen, dass das Ergebnis schlicht systematisch 
falsch ist, weil ein Teil des Lichts von einem weiter entfernten Objekt 
kommt (Scanner -> tw. spiegelnde Oberfläche -> Wand -> tw. spiegelnde 
Oberfläche -> Detektor) und das Ergebnis ist dann der gewichtete 
Mittelwert der beiden Abstände.

Zu erwarten ist meist, dass für leicht spiegelnde Oberflächen der 
gemessene Abstand zu groß ist, während er für eine spiegelnde Oberfläche 
die senkrecht zum Strahl steht zu klein ist.

: Bearbeitet durch User
Autor: Harald (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Sven B. schrieb:
> Zu erwarten ist meist, dass für leicht spiegelnde Oberflächen der
> gemessene Abstand zu groß ist, während er für eine spiegelnde Oberfläche
> die senkrecht zum Strahl steht zu klein ist.

Hallo Sven,
Danke für die Ausführungen, klingt plausibel. Allerdings ist es so, dass 
eben Bosch oder Leica die Disziplin gut meistern, Billigheimer dagegen 
nicht. Bin mir nach Analyse der Geräte relativ sicher, dass auch die 
besseren Geräte Phasenmessung anwenden.
Offensichtliches Merkmal der besseren Geräte ist ein gelegentliches 
mechanisches Klacken, das bei Temperaturänderungen häufiger wird.

Autor: Sven B. (scummos)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Harald schrieb:
> Danke für die Ausführungen, klingt plausibel. Allerdings ist es so, dass
> eben Bosch oder Leica die Disziplin gut meistern, Billigheimer dagegen
> nicht. Bin mir nach Analyse der Geräte relativ sicher, dass auch die
> besseren Geräte Phasenmessung anwenden.

Klar. Man kann ja den Detektor durchaus so designen, dass er robuster 
gegenüber solcher Probleme ist, sprich, einen höhere Dynamikumfang hat. 
;)

Und ja, die machen sicherlich Phasenmessung, das denke ich auch. Mit 
Pulsmessung Genauigkeiten im Sub-Millimeterbereich zu bekommen ist 
momentan noch ein wahnsinniger Aufwand.

> Offensichtliches Merkmal der besseren Geräte ist ein gelegentliches
> mechanisches Klacken, das bei Temperaturänderungen häufiger wird.

Vielleicht ein Relais, was einen Heizer oder TEC zur 
Temperaturstabilisierung schaltet?

: Bearbeitet durch User
Autor: Weltbester FPGA-Pongo (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Friedemann F. schrieb:
> Fpga-Taktfrequenz = ~600 MHz -> T= ~1,67ns

Die Taktfrequenz sagt nichts über eine TOF oder TOA Messung aus. Wenn 
man zum Taktzeitpunkt triggern kann, ist es nur eine Frage der 
Granularität des Taktes, also der PLL-Frequenz = 1.x MHz in Verbindung 
mit oversampling des Pins. Dann wiederum gelten statistische Verfahren 
und Berachtungen. Mit FPGAs kann man durchaus auf 50ps genau messen und 
periodische Signale auf unter 10ps im Nachhinein.

Machen wir täglich

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [vhdl]VHDL-Code[/vhdl]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.