Laserscanner und Abstandssensoren für Serviceroboter müssen unter rauen und wechselnden Umgebungsbedingungen arbeiten. Starke Schwankungen des Umgebungslichts und des Reflexionsvermögens der Oberflächen machen es schwierig, das reflektierte Licht vom Umgebungslicht zu trennen.
Direkte Time-of-Flight-Systeme mit kurzen Lichtpulsen ermöglichen die Verwendung von Hochleistungslasern, ohne die Sicherheit der Augen zu gefährden. Scannende Systeme erlauben eine noch höhere Laserleistung pro Pixel als Blitzsysteme, und daher sind einstrahlende LiDAR-Systeme weiterhin ein attraktiver Ansatz. Die Technologie ist in der Tat gut bekannt und die Komplexität der Elektronik ist überschaubar.
Ein kurzer Laserpuls im Bereich von < 1ns wird an bewegliche Spiegel gesendet, die den interessierenden Bereich abtasten. Eine Avalanche-Photodiode empfängt den optischen Puls und eine TIA-Komparator-Kombination erzeugt ein Triggersignal für einen Zeit-Digital-Wandler (TDC), der die Zeit misst.
Normalerweise wird ein kleiner Teil des gesendeten Lichts intern umgangen, um als Referenz verwendet zu werden. Auf diese Weise können Verzögerungsschwankungen über die Temperatur der Treiber und Empfänger eliminiert werden. Die Geschwindigkeit des Lichts ist sehr hoch: 𝑐 = 299.792.458 m/s. LiDAR-Systeme messen in Reflexion, was bedeutet, dass die Entfernung wie folgt berechnet wird: Entfernung d = ToF / 2 * c Eine Entfernung von 1 mm entspricht 6,6 ps in Flugzeit. Das bedeutet, dass die Auflösung eines TDC für LiDAR-Systeme < 30 ps betragen sollte, um mindestens 1 cm mit einer Sicherheitsmarge von 50% aufzulösen.
ScioSense bietet TDC an, die mit einer Auflösung von 10 ps messen können, aber es ist auch ehrlich zu erwähnen, dass hauptsächlich andere Faktoren wie das analoge Frontend, die reflektierenden Oberflächen und sogar Luftturbulenzen die begrenzenden Faktoren für die Entfernungsauflösung sein werden.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Impulspaarauflösung, also die Mindestzeit zwischen zwei Impulsen, die der TDC messen kann, ohne den zweiten Impuls zu ignorieren. Dies ist in Situationen wichtig, in denen der Laserstrahl von mehreren Objekten hintereinander reflektiert wird, z.B. von einer Gruppe von Personen, die vor einer Wand stehen. Ein intelligentes System kann sie alle interpretieren, insbesondere den ersten und den letzten Treffer. Eine vernünftige Zielvorgabe ist eine Pulspaarauflösung im Bereich von 6,6 ns für die Auflösung von 1 m Entfernung.
Abbildung 1: ToF-Zeitsteuerung
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Impulspaarauflösung, also die Mindestzeit zwischen zwei Impulsen, die der TDC messen kann, ohne den zweiten Impuls zu ignorieren. Dies ist in Situationen wichtig, in denen der Laserstrahl von mehreren Objekten hintereinander reflektiert wird, z.B. von einer Gruppe von Personen, die vor einer Wand stehen. Ein intelligentes System kann sie alle interpretieren, insbesondere den ersten und den letzten Treffer. Eine vernünftige Zielvorgabe ist eine Pulspaarauflösung im Bereich von 6,6 ns für die Auflösung von 1 m Entfernung.
Abbildung 2: Lidar Zeitmessung
Die Sciosense TDCs bieten Lösungen für all diese Funktionen:
Als Spezialist für Umwelt- und Durchflusssensorik ermöglicht ScioSense Unternehmen eine nachhaltigere Nutzung der Ressourcen unseres Planeten und trägt so zu einer gesünderen Zukunft für alle bei.
