Lidar Objekterkennung mit Matlab/Simulink und EV3

Autor: Nora Werner

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider

→ zurück zum Hauptartikel: Signalverarbeitende Systeme SoSe2017

Lidar

Ein Lidar (Abkürzung für engl. light detection and ranging) ist ein Verfahren bzw. ein Gerät zur Ortung von Objekten. Basis hierfür bildet die Messung der Reflexion eines gepulsten Laserstrahls in Abhängigkeit von der Zeit nach dessen Aussendung oder die Messung der Phasenverschiebung der Reflexion und der daraus berechenbaren Entfernung.

Puls-Laufzeitverfahren

Bei der Laufzeitmessung wird ein Lichtpuls ausgesandt. Als Pulslaufzeit wird die Zeit bezeichnet, die ein Lichtstrahl benötigt, um zur Quelle zurückreflektiert zu werden. Durch Messen dieser Laufzeit $\Delta t$ kann über die Lichtgeschwindigkeit $c$ die Distanz $r$ zwischen Lichtquelle und Objekt ermittelt werden. Zusätzlich muss ein Faktor von 0,5 in die Rechnung mit einfließen, da der Lichtstrahl die Entfernung zweimal (hin und zurück) überwinden muss. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Reaktionszeit. Ein großer Nachteil hingegen ist, dass die Messung selbst in sehr kurzen Zeitabständen (Nano- bis Picosekunden) erfolgen muss. Daher ist eine Messung im Nahbereich (wenige Zentimeter) problematisch und der Fehler ist verhältnismäßig groß.

$r = 0{,}5 \cdot c \cdot \Delta t$

Phasenverschiebungsverfahren

Phase einer harmonischen Schwingung

Phasenverschiebung ohne Dämpfung

Aus der Reflexion eines ausgesandten Lichtstrahls kann die Phasenverschiebung ermittelt werden, denn diese ist entfernungsabhängig. Im Rückschluss kann auch über die Phasenverschiebung die zurückgelegte Distanz eines Lichtstrahls ermittelt werden. Der Brechungsindex $n$ sorgt insgesamt für eine Dämpfung des Signals.

Die Phasendifferenz wird folgendermaßen berechnet:

$\phi = \frac{\Delta t}{T} \cdot 2\pi$

Die Distanz berechnet sich dementsprechend durch:

$r = \frac{c \cdot T}{4 \pi} \cdot (\phi + 2\pi \cdot n) = \frac{c}{2} \cdot (n \cdot T + \Delta t)$

Ein Vorteil dieser Methode im Vergleich zum Laufzeitverfahren liegt in der höheren Auflösung, die mit vergleichsweise kleinem messtechnischen Aufwand realisiert werden kann. Ein Problem stell allerdings die Messentfernung dar, da der Laser kontinuierlich bei kleiner Leistung arbeitet und somit die maximale Messentfernung kleiner ist. Ein weiteres Problem stellt die Eindeutigkeit des Signals dar. Das Signal kann dabei ein Vielfaches der halben Laserwellenlänge annehmen, wodurch die Phasenverschiebung ebenfalls ein Vielfaches ist, diese aber nicht eindeutig differenziert werden kann.

Hokuyo URG-04LX-UG01

Scan-Radius des Lidars

Der URG-04LX ist ein Laserscanner für Flächen. Die Lichtquelle des Sensors ist ein Infrarotlaser mit 785 nm (Laserklasse 1). Der Scanbereich ist ein Halbkreis von 240° mit einem maximalen Radius von 4.000 mm. Der Abtastwinkel zwischen zwei Werten beträgt 0,36°. Insgesamt beträgt die Auflösung auf den Scanbereich 683 Schritte. Der Durchmesser des Lasers ist bei einer Entfernung von 2.000 mm höchstens 20 mm, die maximale Abweichung beträgt 40 mm bei 4.000 mm. Grundlage für die Distanzmessung bildet die Messung der Phasenverschiebung.

Bezeichnung	Spezifikation
Lichtquelle	Laser (max. 0,8 mW) der Klasse 1 mit λ = 785 nm
Detektierungsbereich	messbarer Bereich: 20 - 5.600 mm, idealer Bereich: 60 - 4.095 mm
Auflösung	1 mm
Winkelgeschwindigkeit	360°/s
Winkelbeschleunigung	$\pi/2 \;{rad/\mathrm{s}^{2}}$

Implementierung in Matlab

Matlab-Treiber für das URG-04LX Lidar

Quelle des Treibers: MATLAB Driver for Hokuyo URG family

Mithilfe von Funktionen des Treibers kann eine serielle Verbindung über USB mit dem Lidar aufgebaut werden. Hierfür muss der richtige COM-Port in das Skript run.m eingetragen und anschließend ausgeführt werden. Am Ende der Initialisierung wird die Funktion main_EV3.m aufgerufen, die den kontinuierlich auszuführende Programmcode enthält. In jedem Zyklus der main wird die Funktion LidarScan() aufgerufen, die für das Empfangen der Daten des Sensors verantwortlich ist. Die Funktion selbst nutzt die Funktion decodeSCIP(), um die empfangenen Daten zu dekodieren. Diese Informationen werden dann in einem Array gespeichert, aus dem anschließend die Abstandswerte in 0,36°-Intervallschritten gelesen werden können.

Programmierung der Funktion main_EV3 in Matlab

Programmablaufplan über das gesamte Projekt

%........................................................................%
%   Code zur Kollisionserkennung eines Lego EV3 mit einem URG-Lidar      %
%                                                                        %
% Das Lidar hat eine Winkelauflösung von 1024 Abstufungen auf 360°. Der  %
% Abstand wird von Schritt 44 bis 725 gemessen (-120° bis 120°). Da für  %
% dieses Projekt lediglich der Abstand zu einem Hindernis direkt vor     %
% dem Lidar entscheidend ist, wird der Abstand nur für 0° bzw. Schritt   %
% 384 benötigt.                                                          %
%                                                                        %
%   Autor von 'Scan_EV3.m': Nora Werner                                  %
%........................................................................%


function main_EV3

global A  lidar
%........................................................................%
%Lego Mindstorm konfigurieren

mylego = legoev3('usb')         % Verbindung auf USB festlegen
beep(mylego)                    % kurzes akustisches Signal
mymotor = motor(mylego,'A')     % Motor an Port A des EV3
mymotor.Speed = -50             % Motorgeschwindigkeit auf 50% des Maximums


%........................................................................%    
% Code für die Kollisionserkennung des Lego EV3 mit einem URG-Lidar
   while (1)
    [A] = LidarScan(lidar); % Abstandswerte in Array/1D-Matrix schreiben

    abstand = A(384)    	% Abfrage der Distanz zum Hindernis bei 0°
 
    if abstand > 250    	% Vergleich Abstandsgrenze zum Objekt (in mm)
        start(mymotor)  	% Motor starten    
    else 
        stop(mymotor)   	% Motor stoppen 
    end
 

  
%........................................................................%
% Code zur Erkennung des Tastendrucks in der Mitte des EV3 zum Beenden des
% Programms
   button = readButton(mylego,'center');

   if button == 1  
     % Motoren stoppen und Verbindung zum EV3 beenden
     beep(mylego)
     stop(mymotor)
     clear mylego
     % serielle Verbindung zum Lidar trennen und Lidar ausschalten
     fprintf(lidar,'QT');
     fclose(lidar);
     close all;
    end   
  end 
end

Ergebnis

Lego EV3 mit Lidar

Der minimale messbare Abstand des Lidars liegt bei 20 cm. Wurden 20 cm als Grenze zur Vollbremsung gewählt, ist das Auto effektiv zwischen 5 und 25 cm zum Stehen gekommen. Auf der einen Seite hängt das mit dem eben beschriebenen minimalen Messabstand zusammen, zum anderen rollt das Auto auch noch einige Zentimeter nach, da der Motor lediglich ausgestellt wird und kein direktes Abbremsen erfolgt.

Aus diesem Grund ist die Grenze auf 25 cm hochgesetzt worden, wodurch das Auto effektiv zwischen 15 und 25 cm anhält.

Zur anschaulichen Demonstration ist ein Video verfügbar. https://youtu.be/xO1Zi-K_a-g

Verwendete Support Packages für Matlab

• MATLAB Driver for Hokuyu URG family
• Simulink (and Matlab) Support Package for LEGO MINDSTORMS EV3 Hardware