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TOF-Sensoren für Transportroboter

Unabhängig vom Umgebungslicht

24. November 2020, 8:00 Uhr | Von Sebastian Bauer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anhang 1: Optische Methoden der Entfernungsmessung

Optische Abstandssensoren im Industrieeinsatz arbeiten mit zwei verschiedenen Messmethoden, wobei sich die zweite Methode noch einmal in zwei Verfahren unterteilt:

1. Triangulation: Eine Lichtquelle (meist ein Laser) fokussiert auf das Objekt. Ein neben der Lichtquelle schräg ausgerichteter Detektor (Kamera oder Detektorzeile) registriert das vom Objekt reflektierte Licht. Geometrisch bilden Lichtquelle, Objekt und Detektor ein Dreieck. Ändert sich der Abstand des Objekts zur Lichtquelle, ändert sich auch der Winkel unter dem das reflektierte Licht auf den Detektor trifft. Je nach Entfernung wird am Detektor eine andere Position beleuchtet. Aus dem Ort des Lichtsignals am Detektor berechnet sich der Abstand zum Objekt.

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2. Time-of-Flight (ToF)/Laufzeitmessung: ToF-Sensoren senden Lichtsignale aus und registrieren die Zeit, die vergeht, bis das von der Umgebung reflektierte Licht wieder auf den Sensor trifft. Aus dieser Zeit berechnet sich die vom Licht zurückgelegte Strecke und damit die Entfernung des Objekts, an dem das Licht reflektiert wurde. Man unterscheidet zwischen zwei Messmethoden: Die Abstandsbestimmung über die Pulslaufzeit (direct ToF) und die Abstandsbestimmung über die Phasenverschiebung (Korrelationslaufzeitmessung).

2.1 Direct ToF: Bei der direct ToF wird die Laufzeit eines sehr kurzen Laserpulses von einigen Nanosekunden erfasst. Sie kann große Abstände von bis zu einigen 100 m sehr genau messen, kommt aber bei kurzen Entfernungen an ihre Grenzen. Licht legt in einer Nanosekunde rund 30 cm zurück.

2.2. Korrelationslaufzeitmessung: Sie wird für kürzere Abstände genutzt. Hier erfasst man statt der Laufzeit eines Lichtpulses die Phasenverschiebung eines modulierten Dauersignals. Vom emittierten Signal wird ein Referenzstrahl abgespalten und auf den Detektor geleitet. Die längere Wegstrecke, die das vom Objekt reflektierte Licht zurücklegt, resultiert in einer Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal. Dieser Wert wird erfasst und daraus die Entfernung berechnet (Bild 3). Weil diese Messmethode ein Dauersignal benötigt, darf die optische Leistung des Lasers die Grenzen für Augensicherheit nicht überschreiten. Das limitiert die Reichweite des Sensors. Typisch sind Entfernungen bis 30 m.

Im Vergleich zu direct ToF arbeitet die Korrelationsmethode mit geringeren Laserpulsleistungen. Die Signalverarbeitung ist weniger aufwendig. Dadurch sind die Systemkosten und der Strombedarf insgesamt geringer als für direct ToF. Zu beachten ist bei dieser Messmethode die Eindeutigkeit des Ergebnisses. Bei großen Entfernungen läuft das Licht länger als eine ganze Phase. Am Detektor lässt sich aus der Signalverschiebung nicht erkennen, ob das Licht beispielsweise 1/4 oder 5/4 verschoben ist. Physikalisch ergibt sich die theoretische Grenze für die Eindeutigkeit der Messung aus der Modulationsfrequenz. Bei 25 MHz können zum Beispiel Entfernungen größer 6 m nicht mehr eindeutig bestimmt werden: 25 MHz = 40 ns Periodenlänge = 12 m Strecke hin und zurück = 6 m Abstand.