Leddar-Tech, eine Ausgründung des Institut National d‘Optique (INO) Forschungsinstituts für Optik und Photonik in Kanada entwickelte eine Sensortechnologie, dessen Konzept auf der Grundlage der Messung der Laufzeit (englisch: Time-of-Flight, TOF) von Lichtimpulsen basiert. Es ermöglicht, Licht von Leuchtdioden (LED) im sichtbaren oder infraroten Spektrum zu verwenden, um die Position von Objekten genau zu bestimmen und Entfernungen zu messen.

Vorteile des Verfahrens

Im Unterschied zu kollimierten (gerichteten) Strahlen, wie beim Laser, erzeugen die LEDs und die Senderoptik des Leddar-Sensors einen diffusen (gestreuten) Lichtstrahl, der einen breiten Bereich abdeckt. Der aus mehreren Elementen bestehende Empfänger erfasst die von den Objekten im Strahl zurückgestreuten Lichtanteile und analysiert deren vollständige Signalform.

Auf einen Blick

Die vorgestellte Sensortechnik verbessert die Integration von Funktionen zur Ortung und Entfernungsmessung in einem breiten Spektrum von Branchen und Anwendungen. Beim Erfassen von Objekten zeigt die Technik eine hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit; sie zeigt sich als wirtschaftliche Gesamtlösung – ob als Baugruppe, als OEM-Modul oder als anwendungsspezifischer Sensor.

Dadurch ist er in der Lage, die in den einzelnen Segmenten des Lichtstrahls vorhandenen Objekte zu erkennen. Auf Grundlage der Dauer, die der Lichtstrahl benötigt, um vom jeweiligen Objekt zum Sensor zurückzukehren (Laufzeit), wird dessen Entfernung ermittelt. Mithilfe der Signalakkumulation und Überabtastung (Oversampling) ist es möglich, die Entfernung, Genauigkeit und Präzision zu maximieren. Für die Sensormodule gibt es optional Optiken, die eine Vielzahl unterschiedlicher Strahlmuster erzeugen können.

Durch die Verwendung eines diffusen Lichtstrahls erhöht sich die Erkennungsrate auch von spiegelnden Objekten. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber anspruchsvollen Witterungsbedingungen, wie Regen und Schneefall. Zudem lässt er sich einfacher ausrichten, was die Installation beschleunigt. Darüber hinaus sichert der aus mehreren Elementen bestehende Empfänger, dass sich die Position von Objekten und deren Entfernung in mehreren Segmenten des Erfassungsbereichs ermitteln lassen, ohne beispielsweise auf rotierende Spiegel angewiesen zu sein. Damit entsteht ein kompakteres, zuverlässigeres und robusteres langlebiges System.

TOF-Laufzeitmessung

Die Leddar-Sensoren verwenden LEDs, um kurze Lichtsignale, typischerweise 100.000 Impulse pro Sekunde, zu erzeugen. Das Time-of-Flight-Prinzip besteht im Wesentlichen darin, die Zeit zu messen, die ein Lichtimpuls benötigt, um vom Sensor zu einem Objekt und von dort wieder zurück zum Sensor zu gelangen (Rundlaufzeit). Die Entfernung (R) des erkannten Objekts lässt sich auf Grundlage der gemessenen Rundlaufzeit (T) des Lichtimpulses anhand der folgenden einfachen Formel berechnen:

R = c T / 2 n

(c = die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n = der Brechungsindex des Mediums, in dem sich der Lichtimpuls ausbreitet)

Bild 1: Funktionsprinzip der Leddar-Sensors (Light emitted = abgestrahltes Licht, Light reflected by object = vom Objekt reflektierte Lichtanteile, Photodetector = Fotodetektor).

Bild 1: Funktionsprinzip der Leddar-Sensors (Light emitted = abgestrahltes Licht, Light reflected by object = vom Objekt reflektierte Lichtanteile, Photodetector = Fotodetektor).Leddar-Tech

In Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften des Objekts kommt es zur Absorption, Totalreflexion oder diffusen Reflexion des Lichtimpulses. Dadurch trifft der Echo-Impuls mit unterschiedlichen Bestrahlungsstärken am Empfänger ein, die der Sensor misst. Die gemessene Bestrahlungsstärke ist von der nach dem TOF-Prinzip gemessenen Entfernung und dem Einfallswinkel abhängig, der sich mithilfe einer bilderfassenden Optik ermitteln lässt, die den reflektierten Lichtstrahl auf die Fotodetektoren des Sensors fokussiert. Für gewöhnlich kommt für die Sensoren von Leddar ein aus 16 Elementen bestehender Fotodetektor zum Einsatz (Bild 1).

Vom Licht zum Strahlmuster

Der aus mehreren Elementen bestehende Fotodetektor besitzt einen rechteckigen Erfassungsbereich. Die Hauptaufgabe der Sender-Optik des Sensor besteht darin, möglichst viel von dem Licht, das eine oder mehrere LEDs abstrahlen, in ein Strahlmuster zu zwingen, das weitestgehend der Geometrie des Fotodetektors entspricht.

Bild 2: Das simulierte Ausstrahlungsmuster eines Leddar-Sensors, bei dem die Empfänger-Optik die von den Objekten reflektierten Lichtanteile genau auf die einzelnen Segmente der Fotodetektor-Elemente ausgerichtet hat.

Bild 2: Das simulierte Ausstrahlungsmuster eines Leddar-Sensors, bei dem die Empfänger-Optik die von den Objekten reflektierten Lichtanteile genau auf die einzelnen Segmente der Fotodetektor-Elemente ausgerichtet hat.Leddar-Tech

Dagegen soll die Empfänger-Optik das von den Objekten zurückgestreute Licht zu einem Strahl bündeln, der auf den Fotodetektor ausgerichtet ist. Die kombinierte Sender- und Empfänger-Optik lässt sich für unterschiedliche Ausstrahlungsbreiten auslegen. Derzeit hat Leddar-Tech Optiken mit einer Strahlbreite von zirka 9, 18, 24, 34, 45 und 95° im Angebot.

Das Funktionsprinzip verstehen

Die LED-Quelle pulst man mit einer Frequenz von etwa 100.000 Impulsen pro Sekunde. Die Lichtimpulse breiten sich im Erfassungsbereich aus und das reflektierte Licht trifft auf die Empfänger-Optik und den Fotodetektor mit seinen 16 Elementen. Das Sensorsignal wird verstärkt und die Signalerfassung mit der Impulsrate synchronisiert. Eine Überabtastung (Oversampling) mit mehreren Lichtimpulsen soll die Auflösung des erfassten Signals verbessern. Häufig kommt eine vier- oder achtfache Überabtastung zum Einsatz, sodass ein digitalisiertes Signal mit einer höheren Anzahl von Werten entsteht, die Genauigkeit und Präzision ermöglichen.

Neben der Überabtastung wird eine Signalakkumulation ausgeführt, um den Signal-Rausch-Abstand (SNR) zu verbessern. Der Überabtastwert und die Anzahl der Signalakkumulationen beeinflussen die Ortung beziehungsweise die Messung, den Entfernungsbereich, die Genauigkeit und die Präzision der ausgeführten Messungen. Das bedeutet, dass sich die Leistung des Sensors hinsichtlich dieser Parameter optimieren lässt, um die Anforderungen der betreffenden Anwendung zu erfüllen.

Ortung und Entfernungsmessung

Die Ortung und Entfernungsmessung führt der Sensorprozessor aus. Er verarbeitet die erfassten Signale (ein Signal pro Fotodetektor-Element), die aus einer Reihe von Werten bestehen, die die Amplitude des Lichts in abgestuften Entfernungen vom Sensor repräsentieren. Die Anzahl der Werte im Signal ist abhängig von der benötigten maximalen Entfernung. Die Amplitude eines jeden Abtastwertes verkörpert die Menge des Lichtes, das ein Objekt bei dieser bestimmten Entfernung reflektiert. Die Amplitude ist von der Entfernung und Größe, vom Reflexionsvermögen und vom Winkel des Objekts im Verhältnis zum Sensor abhängig.

Der Sensor erkennt ein Objekt, wenn er einen Lichtimpuls empfängt, der einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert, ab dem eine Signalspitze (Peak) in der Rückstreukurve als ein Objekt interpretiert wird, ist vom Signal-Rausch-Abstand abhängig. Leddar-Tech ermittelt den Standardschwellwert für jeden Sensor auf Grundlage dieses Signal-Rausch-Abstands. Zur Verarbeitung der Signalkurven dient eine Schwellwerttabelle. Die meisten Sensoren haben außerdem einen Versatzparameter (Offset), mit dem sich die Schwellwerte anpassen lassen. Diesen Offset kann man so einstellen, dass sich die Empfindlichkeit des Sensors verringert oder erhöht. Damit ist es beispielsweise möglich, Objekte, die nur schwache Signale reflektieren, zu ignorieren oder deren Erkennung zu maximieren, sowie Erkennungsfehler in der Anwendungssoftware herauszufiltern.

Bild 3: Signalkurve mit X-Achse als Zeitachse, die auf die Entfernung umgerechnet wurde. Auf der Y-Achse ist die Lichtamplitude abgebildet (Amplitude (count) = Amplitude (Zähler), Distance (m) = Entfernung (m).

Bild 3: Signalkurve mit X-Achse als Zeitachse, die auf die Entfernung umgerechnet wurde. Auf der Y-Achse ist die Lichtamplitude abgebildet (Amplitude (count) = Amplitude (Zähler), Distance (m) = Entfernung (m).Leddar-Tech

Außerdem erlauben die Sensoren, die LED-Intensität manuell oder automatisch anzupassen. Bei manueller Regelung stimmt der Nutzer selbst diesen Wert auf die betreffende Anwendung ab. Bei der automatischen Regelung passt der Sensor die LED-Intensität dynamisch in Abhängigkeit von der Signalamplitude für die im Sensorstrahl erkannten Objekte an. Dieser automatische Modus erlaubt es, das gleiche Sensormodell für viele Anwendungen mit unterschiedlichen Entfernungsbereichen einzusetzen. Dazu gehören auch Anwendungen, bei denen sich die Objekte sehr nah am Sensor oder weit entfernt befinden.

Bei einer typische Signalkurve für ein einzelnes Strahlsegment (Bild 3) erfasst der Sensor Licht, das zwei Objekte reflektieren. Die von den Sensoren ausgeführte Analyse der vollständigen Signalform erlaubt es, mehrere Objekte im gleichen Strahlsegment zu erkennen. Das ist möglich, wenn das sich näher am Sensor befindende Objekt kleiner ist als der vom Strahl ausgeleuchtete Bereich für dieses Segment. In diesem Fall kann der Strahl ein weiteres Objekt ausleuchten, das das näherliegende Objekt nicht vollständig verdeckt.

Gut zu Erkennen

Im Vergleich zu anderen Erfassungstechnologien, wie Laserscanner, Radar, Video, Wärmebilder, Ultraschall und Passiv-Infrarot (PIR), zeigt die Leddar-Technik aufgrund ihrer Robustheit, der voneinander unabhängigen Segmente, der simultanen Erkennung und der schnellen Datenerfassung bei den meisten Leistungsparametern bessere Ergebnisse.

 Bild 4: Der IS16-Sensor eignet sich zum Detektieren, Lokalisieren und Messen in industriellen Anwendungen.

Bild 4: Der IS16-Sensor eignet sich zum Detektieren, Lokalisieren und Messen in industriellen Anwendungen.Leddar-Tech

Die Sensoren eignen sich für die Ortung und Entfernungsmessung im Bereich von null bis 50 Meter. Die Technik gibt es in verschiedenen Ausführungen, als Baugruppe, als OEM-Modul und als anwendungsspezifischer Sensor. Diese optoelektronische Technik lässt sich gut an die jeweiligen Kundenanforderungen anpassen. Bei der Entwicklung lag der Fokus auf einfacher Systemanpassung und schneller Einbindung in verschiedene Anwendungen.

Das Preis-Leistungsverhältnis, die Fähigkeit, in jedem Segment mehrere Objekte zu erkennen, der weite Erfassungsbereich mit energiesparenden LEDs, die Echtzeit-Objektverfolgung, die Unterscheidung von Objekten in seitlicher (segmentweiser) Richtung sowie die Erkennung unter ungünstigen Witterungsbedingungen und ohne Gefährdung der Augen hebt Leddar-Tech als Vorteile für Entwickler und Integratoren hervor.

Einzelnes Modul – gesamtes System

Die Module weisen kompakte Abmessungen auf und besitzen flexible Schnittstellen; daher eignen sie sich für die Integration in Systeme zur Ortung und Entfernungsmessung. Die Modulvariante ermöglicht es Entwicklern und Integratoren, das Verfahren für ihre eigenen Produkten zu nutzen.

Die Modulbefestigung erfolgt auf der Rückseite mit sechs M3-Maschinenschrauben und der elektrische Anschluss über eine achtpolige Klemmleiste (3,81 x 8 mm) mit Kabelsatz oder Anschlussblock (RS-485 und CAN-Bus). Ebenfalls verfügbar ist eine Erweiterungsleiste mit UART-Anschluss. Der RS-485- und der UART-Anschluss implementieren das Modbus-Protokoll zur Konfiguration und Datenerfassung. Findet ein Spezialsoftware-Entwicklungssatz Verwendung so umfasst die Lieferung einen Mini-B-USB-Verbinder. Für kundenspezifische Erweiterungen gehört eine 2 x 20 Anschlussleiste (0,05 Zoll = 1,27 mm) zum Lieferumfang. Die Strahloptionen reichen von 9 bis 95°.