5 Vreme Leta

Vreme Leta (TOF) – sistemi za daljinu mere povratno vreme koje je potrebno za puls emitovane energije da stigne do reflektujućeg predmeta, a onda da se vrati do prijemnika. Tipično se koriste ultrasonični, RF, ili optički izvori energije, zbog toga su bitni parametri koji se koriste za proračun razdaljine, brzina zvuka u vazduhu (grubo 1 stopa po milisekundi) i brzina svetlosti (1 stopa po nanosekundi). Primenom elementarne fizike, razaljina se utvrđuje množenjem brzine energetskog talasa i vremena potrebnog da se pređe povratan put:

d = vtgde su:d – povratna razdaljinav – brzina propagacijet – proteklo vreme

Izmereno vreme predstavlja vreme potrebno da se dvaput pređe rastojanje i zato mora da se podeli sa dva da bi se dobilo prvao rastojanje.Prednosti TOF sistema su u tome što detektuju pravolinijski. Povratni signal uglavnom prati istu stazu do prijemnika, koji je smešten paralelno ili blizu predajnika. Nekada je moguće da prijemnik i predajnik budu isti uređaj. Apsolutni domet do posmatrane tačke je dostupan direktno kao izlaz bez potrebnih komplikovanih analiza, i tehnika nije zasnovana ni na kakvim predpostavkama koje se tiču osobina ravni ili orientacije površine mete.

Problem nedostajućih delova, koji postoje kod triangulacije, se ne javlja jer nije potrebno nimalo ofseta udaljenosti između prijemnika i predajnika. Dalje TOF senzori održavaju preciznost razdaljine na linearan način dok god se održava pouzdana detekcija eha, dok se kod triangulacije smanjuje preciznost sa povećanjem razdaljine.

Potencijalni izvori grešaka kod TOF sistema uključuju sledeće:

• Varijacije brzine propagacije, posebno u slučaju akustičnih sistema.• Nesigurnost u utvrđivanju tačnog trenutka dolaska reflektoanog pulsa.• Nepreciznosti u vremenskom kolu koje se koristi za merenje povratnog vremena

leta.• Interakcija slučajnog talasa sa površinom mete.

Svaka od ovih oblasti će ukratko biti prikazania ispod i obrađena kasnije detaljnije zajedno sa faktorima koji utiču na performanse u Poglavljima 8 i 9.

Brzina propagacije – Za mobilne robotske aplikacije, promene u brzini propagacije elektromagnetne energije, su većim delom nekonsekventne, tako da se mogu ignorisati, sa izuzetkom kod satelitski baziranih pozicija – lokacija sistema kao što je prikazano u Poglavlju 14. Ovo nije slučaj za sisteme bazirane na akustici, gde na brzinu zvuka zančajno utiču temperaturne promene i manjim delom vlažnost. (Brzina zvuka je zapravo proporcionalna korenu temperature u Rankinima; promena temperature od samo 30 stepeni može da uzrokuje grešku od jedne stope, pri merenju razdaljine od 35 stopa.)

Nesigurnost detekcije – tzv time-walk greške su prouzrokovane širokim dinamičkim obsegom snage povratnih signala, kao rezultat:1. promenljive refleksije površine mete i 2. prigušenja signala na četvrtinu udaljenosti zbog sferne divergencije. Ove razlike u jačini povratnog signala utiču na uzlaznu ivicu detektovanog pulsa, a u slučaju detekcije sa fiksiranim trashold-om će uzrokovati da mete sa manjom refleksijom izgledaju udaljenije. Iz ovih razloga se tipično koriste diskriminatori sa konstantnim odsecima vremena, da utvrde trashold detektora u specifičnom trenutku vršne vrednosti primljenog pulsa.

Razmatranje vremena – relativno niska brzina zvuka u vazduhu čini TOF merenje razdaljine, superiornijim u odnosu na jeftine sisteme bazirane na akustici. Nasuprot tome, brzina propagacije elektromagnetne energije može da ima ozbiljne potrebe za kontrolim i mernom sogurnošću u optičkim ili RF implamentacijama. Kao posledica, TOF senzori bazirani na brzini svetlosti zahtevaju elektroniku za merenje vremena manjeg od nanosekunde, da bi merili udaljenost sa rezolucijom od oko jedne stope. Preciznije, željene rezolucije od 1 milimetra zehteva vremensku preciznost od 3 pikosekunde. Ova mogućnost je nešto skuplja za ostvarenje i možda nije ekonomski isplativa za određene aplikacije, posebno za bliske razdaljine, gde je potrebna velika preciznost.

Interakcija povšine – kada svetlost, zvuk, ili radio talasi dođu u dodir sa objektom, svaki detektovani eho predstavlja samo mali deo originalnog signala. Preostala energija se reflektuje u raznim pravcima i meta je može apsorbovati ili propustiti, zavisno od osbina površine i ugla dodira zraka. Slučajevi gde uopšte nema primljenih povratnih signala mogu se desiti zbog refleksije na površini objekta, posebno u ultrasoničnom delu energetskog sistema. Ako upadni ugao predajnika dostigne ili pređe određenu kritičnu vrednost, reflektovana energija će biti diflektovana van opsega prijemnika. Rasuti signali se takođe mogu reflektovati od sekundarnih predmeta i tako vraćati do detektora u različitim trenucima da bi generisali lažne signale, koji mogu dopustiti sumnjive podatke. Radi kompenzacije, repetitivna merenja se obično usrednjavaju da bi svele signal-u-buku opseg na prihvatljive nivoe, ali uz trošak dodatnog vremena potrebnog za određivanje vrednosti jednostrukog dometa.

5.1 Ultrasonični TOF sitemi

Ultrasonično TOF merenje razdaljine je danas najčešća tehnika koja se koristi za zatvorene mobilne robotske sisteme, primarna zbog dostupnosti jeftinih sistema i njihovih jednostavnih interfejsa. Tokom prošle decenije sprovedena su mnoga istraživanja za primenu u oblastima kao što su svetsko modelovanje i izbegavanje sudara,

procena pozicije i detekcija pokreta. Nekoliko istraživanja je skoro počelo da pristupa efikasnošću ultrasoničnih senzora u spoljnim uslovima u automobilskoj industriji, BMW danas ugrađuje četiri piezokeramička pretvarača (zatvorena u membrani radi zaštite okoline) i na prednjim i na zadnjim branicima u svojim sistemima za parkiranje. Četiri najpopularnija sistema za ultrasonično merenja rezdaljine koji su dostupni u prodaji biće razmatrana u narednom delu.

5.1.1 National Semiconductor-ov LM1812 Ultrasonični primopredajnik

LM1812, koji je prekinut s proizvodnjom 1990, je bio ultrasonični primopredajnik opšte namene, originalno je konstruisano za proizvode koji mere dubinu i traže ribe u rekreativnoj elektronskoj industriji. Čip sa 18 pinova je imao primporedajnik sa pulsnom modulacijom klase C, prijemnik viskokog naona, detektor pulsne modulacije i kolo za odbijanje buke kao sto je prikazano na slici 5-1. maksimalni domet je bio sto stopa u vodi i dvadeset stopa u vazduhu, na tipičnim radnim frekvencijama od 20 KHz do 350 KHz.

Speceifikacija čipa je imala sledeće osobine:• Monostatička (pojedinačan pretvarač) ili bistatička (dualni pretvarač) operacija.• Promena pretvarača bez poravnanja.• Bez potrebe za eksternim tranzistorima.• Odbijanje šuma impulsa.• Bez potrebe za hladnjakom• 12 vatni prenos snage.• Utrošak stuje od 50 milampera na 18 volti DC.

Slika 5-1. Blok dijagram LM1812 monolitičkog sonarnog primopredajnika

Dva različita tipa ultrasoničnih pretvarača, elektrostatičkih i piezokeramičkih (piezoelektričnih), su se često koritila sa LM1812. Elektrostatički provodnici prenose izlazni signal i ponašaju se kao elektrostatički mikrofon da bi mogli da prime i reflektuju talasni oblik. Piezokeramički otpornici su slični po električnim osobinama sa kvarcnim kristalima i rezonantni su samo na dve frekvencije: rezonantnoj i antirezonantrnoj. Prenos je najefikasniji na rezonantnoj frekvenciji dok je optimalna osetljivost za prijem na antirezonantnoj frekvenciji. U bisatičkim sistemima, rezonantna frekvencija predajnog pretvarača se poklapa sa antirezonantnom frekvencijom prijemnog, za optimalne preformanse.

Veliki deo praktičnih aplikacija, međutim, koristi monostatičku konfiguraciju kod koje se maksimalna osetljivost na eho javlja na fekvenciji koja je bliska rezonantnoj. Ultrasonični sistem za razdaljinu na ROBART-u I, npr. bio je zasnovan na LM1812 u sprezi sa jednim 40Khz piezoelektričnim pretvaračem(videti poglavlje 10). Pletta je odabrao da koristi tri Massa piezokeramička pretvarača koja rade na 26 KHz u sonaru za izbegavanje sudara koji je baziran na LM1812, za Sandia’s Telemanaged Mobile Security System. Efektivni domet kod željenih meta (grube površine ili normalnih na zrak) je bio približno 12 metara.

Napon prijemnika je mogao da se menja u vremenu prigušivanjem signala između trećeg pina (first stage amplifier output) i drugog pina (second stage amplifire input) koristeći spoljnu elektroniku kao što je prikazana na slici 5-2. Okidački puls od 12 volti koji je pokretao tranzistor simultano je punio C1 do unapred zadatog napona određenog sa R8, time isključujći FET da blokira ringdown signal pretvarača. C1 se zatim polako praznio kroz R1, smanjujuči napon na gejtu i time dozvoljavao da fet provodi. Rezultirajuće prigušenje primljenog signala koji je samnjen kako je napon na C1 opadao, efektivno je povećavalo ukupan napon prijemnika u vidu funkcije proteklog vremena. Ova osobina je služila da blokira nepoželjni ringdown efekat, kako i da održi napon ppretvarača proporcionalnim padu povratnog eha koji je rezultat invrezne kvadratne funkcije.

SLIKA 5-2. opcijonalni vremenski promenljiv FET oslabljivač može se konektovati između 2 i 3 pina LM1812 da bi se dobio odziv u vidu četvrtastog signala.

5.1.2 Massa Products: Ultrasonični subsistemski modul za merenje razdaljine

Massa Poducts Corporation, Hingham, MA, nudi punu paletu ultrasoničnih podsistema za merenje razdaljine sa maksimalnim opsegom detekcije od 2 stope do 30 stopa. E-201B serija sonara radi u bistatičkom režimu sa odvojenim provodnicima za emitovanje i prijem, ili jedan u drugi za merenje eha ili kao suprotsavljeni par za merenje nedvosmislene razdaljine između dve nejednako definisane tačke. Ova druga konfiguracija se ponekad koristi u sistemima sa ultrasoničnim pozicioniranjem (videti poglavlje 15) i omogućuje duplo efektivniji radni opseg u odnosu na konvencionalnu konfiguraciju. E-220B serija (slika 5-3) je konsturisana za monostatičke operacije, ali

može biti i funkcionalno identična sa E-201B. Obe verzije mogu biti okinute spoljnom komandom, ili unutrašnjom pomoću samooscilujućeg oscilatora sa taktom koji je određen spoljnim otpornikom.

Slika 5-3. Massa E-220B serija sa jednim pretvarečem može da bude okinuta unutašnje ili spoljno ili nudi i analogni i digitalni izlaz.

Slika 5-4. Vremenski dijagram za E-220B seriju koji pokazuje analogni i digitalni izlazni signal u zavisnosti od okidačkog ulaza..

Izabarane specifikacije za 4 radne frekvencije za E-220B seriju sa dati u tabeli 5-1 ispod. Otklonjiv rog za izošravanje je dostupna za 26 i 40KHz modele koja umanjuje efektivnu širinu zraka sa 35 na 15 stepeni. Rog mora da bude podešen tako da se postignu maksimali navedeni dometi.

Tabela 5-1. Izabrane specifikacije za monostatički E-220B podsisemski modul za merenje razdaljine. E-201 serija je bistatička konfiguracija sa veoma sličnim specifikacijama.

5.1.3 Polaroid: Ultrasonični moduli za merenje razdaljine

Polaroid-ov modul za merenje razdaljine je aktivni TOF uređaj razvijen za kamere sa automatskim fokusom i utvrđuje razdaljijnu do mete merenjem proteklog vremena između emitovanja ultrasoničnog talasa i detektovanog eha. Verovatno najznačajniji razvoj senzora sa tečke gledišta njegovog katalitičkog uticaja na istraživačku zajednicu robotičara, ovaj sistem je najrasprostranjeniji u literaturi. Predstavnik generalnih osobina brojnih sličnih uređaja za merenje razdaljine, Polroid je stekao popularnost kao direktnu posledicu svoje neverovatno niske cene, što je omogućeno širokom upotrebom u svojoj prvobitnoj primeni kao senzor za kamere sa autofokusom.

Najelementarnija konfiguracija se sastoji iz dva fundamentalna dela: 1. ultrasonični pretvarač 2. elektronika za merenje razdaljine. Danas je moguć izbor raznih vrsta pretvarača. U originalnoj elektrostatičkoj verziji (slika 5-5), veoma tanka metalna dijafragma postavljena na zadnjoj pločici formira kapacitivni pretvarač. Elektrostatički pretvarač sa manjim prečnikom (serije 7000) je takođe bio dostupan, razvijen za Polaroid Spektra kamere. Hrapav piezoelektrični ekološki pretvarač (serije 9000) uveden za aplikacije koje mogu biti izložene kiši, toploti, hladnoći, slanom spreju i vibracijama je sposoban da zadovolji ili prevaziđe preporuke iz SAEJ1455 Januara 1988 specifikacije za snažne teretne kamijone.

Slika 5-5. S leva na desno: 1. original elektrostatički pretvarač 2. serije 9000 ekološki pretvarač 3. serije 7000 elektrostatički pretvarač

Originalni Polaridov modul (607089) radio je tako što je emitovao ton od četiri diskretne frekvencije u okolini od 50Khz (videti glavu 8). SN28827 modul je razvijen kasnije sa manje delova, manjom potrošnjom energije i jednostavnijim kompjuterskim interfejsom. Ova ploča druge generacije emituje samo jednu frekvenciju od 49,1Khz. Ploča teće generacije (serije 6500) nastala 1990 pružala je još veće samnjenje elektronike za interfejs, sa mogućnošću detekcije i izveštaja o većem broju ehoa. Ultrasonični pribor za merenje razdaljine zasnovan na Intelovom 80C196 mikroprocesoru je sada dostupan (slika 5-6) sa softverskom kontrolom frekvencije emitovanja, širine signala, vremenskih prekida, napona pretvarača i postigao je merni opseg od 1 inča do 50 stopa.

Slika 5-6. Ploaridov ultrasonični komplet nudi programabilni puls, fekvanciju i naponske parametre, uz mogućnost detekcije višestrukog eha.

Domet Polaridovog sistema je od 1 do 35 stopa, sa polusnagom (-3dB) ugla disperzije zraka od otprilike 12 stepeni za originalni elektrostatički pretvarač. Sledi tipičan operacioni ciklus.

• Kontrolna elektronika startuje pretvarač i čeka na indikaciju da je prenos počeo.• Prijemnik je nakratko blokiran da bi sprečio lažnu detekciju zbog preostalog

prenostnog signala koji odzvanja u pretvaraču.• Primljeni signali se pojačavaju većim naponom tokomvremena da bi

kompenzovali za smanjenu jačinu zvuka zbog daljine.• Povratni ehoi koji pređu fiksiranu treshold vrednost se snimaju i te razdaljine se

računaju iz proteklog vremena.

U singl-eho režimu rada serie 6500, blank (BLNK) i blank-inhibit (BINH) kanali se drže nisko jer inicijalni kanal ide više da bi okinuo izlazni niz pulseva. Unutrarašnji blanking signal automatski poraste za 2.38 milisekundi da spreči da odzvanjanje u pretvaraču bude pogrešno protumačen kao vraćeni eho. Kada se validni prijem, eho izlaz će ostati visok dok se ne resetuje sa high-to-low prenosom na INIT. Za obrađivanje višestrukog eha, blank ulaz mora da se drži visoko najmanje 0.44 milisekunde nakon detekcije prvog povratnog signala, da bi resetoao eho izlaz za sledeći povratni (slioka 5-7).

Slika 5-7. vremenski dijagrami za seriju 6500 Sonarni Modul koji izvršava višestruki eho ciklus sa blanking ulazom.

Ultrasonična sposobnost za merenje razdaljine ROBART-a II je potpuno bazirana na Polaroidovom sistemu (tri SN28827 moduli svaki multipleksiran do 12 elektrostatičkih pretvarača). Radi izbegavanja prepreka, fiksirani niz od 11 pretvrača se instalira na prednji deo kućišta, da bi dostavio informacije o daljini objektima na putu robota (slika 5-8). Prsten od 24 dodatna senzora za daljinu (15 stepeni razmaknutih) je postavljen odmah ispod robotove glave i koristi se da skuplja informacije o razdaljini radi procene pozicije. Poslednja jedinica za merenje je meštena na rotirajućem delu glave, što omogućava da se

razdaljina meri u reznim pravcima. Pouzdanost Polaroidovih komponenti je izuzetna, bez kvarova i slabljenja performansi bilo koje vrste u preko osam godina neprekidnog rada.

Tabela 5-2. odabrane specifikacije za različiti Polaroidove ultrasonične module za razdaljinu

Slika 5-8. ROBART II, autonomni robot za bezbednost, koristi ukupno 132 spoljna senzora za navigaciju idetekciju uljza, ukjučujući i 36 Polaroidovih elektrostatičkih pretvarača.

5.1.4 Cybermotion CA-2 sistem za izbegavanje sudatra

CA-2 sistem za izbegavanje sudatra je dvokanalni ultrasonični modul za razdaljinu proizveden u Czbermotion-u, Salem, VA, za upotrebu za kućna vozila koja imaju brzinu 10 milja na sat. CA-2 postiže maksimalnu detekciju razdaljine od 8 stopa na 10 Hz osvežavanja, sa programabilnom rezolucijom (0.084 inča standardno) za razne potrebe. Dva širokozračna (sedamdeset stepeni) kermička pretvarača se koriste za maksimalnu zaštitu u pravcu kretanja volzila. Nude se četiri radna režima:

• OFF – Sistem se uključuje ali ne startuju se pretvarači.• LEFT – Pokrenuti je samo levi pretvarač.• RIGHT - Pokrenuti je samo desni pretvarač.• BOTH – Pokrenuta su oba pretvarač, naizmenično.

Hammond izveštava da većina izvora buke koje je napravio čovek ima pikove ispod 50KHz, i većna ovog spektra indistrijske buke se izbegava biranjem radne frekvencije od 75KHz. Pored toga, CA-2 koristi nekoliko specijalozovanih tehnika za pobojšanje inače lošeg signal-u-buku odnosa koji nastaje kod širokozračnih pretvarača, da bi se postigla veća otpornost na izvore ultrasonične interferncije (rotirajuće mašine, curenje vazduha pod pritiskom, fluorescentno osvetljenje). Gledajući sliku 5-9, primljeni eho signal, koji je proizveo ultrasonični pretvarač, se prenosi kroz naponski pretvarač uskog opsega, pre nego što se uvede u zatvoreni detektor i stigne do jaš dva dodatna nivoa u filtriranju u osnovnom opsegu (baseband). Izlazni signal je onda digitalizoban i smešten u memoriju, gde se još pet različitih algoritama za filtriranje poziva da eliminiše ringdown, bela buka, impulsna buka, preostale ehoe iz predhodnih merenja dometa i interferencije od ostalih robota.

Slika 5-9. Blok dijagram Cybermotion CA-2 za izbegavanje sudara

Rezultirajući didgitalni potpis se zatim upoređuje sa kompleksnim teshold-om generisanim iz programabilne baseline i nekoliko dinamički proračunatih komponenti, sa izračunatom razdaljinom prve tačke kada amplituda signala prekorači vrednost treshold-a. Ovaj domet-u-prvi-eho se poredi sa tri zadate vrednosti download-ovane iz sistemskog EEPROM-a pri inicijalizaciji (ili sledećeg reseta putem spoljne komande):

• SLOW – ograničenje dometa da bi vozilo samnjilo brzinu.• STOP – ograničenje dometa ispod kojeg bi vozilo trebalo da se zaustavi.• HORN – ograničenje dometa da bi se omogućilo oglašavanje upozorenja.

Ako je izmerena razdaljina manja od svake granične vrednosti navedene gore za bilo koja dva od pet uzastopna očitavanja, generiše se određeni izlazni signal. Izmereno rastojanje tada mora da prekorači zadato ograničenje tokom 5 uzastopnih pingova da bi otkazalo naznačeno stanje. Crvena LED status lampice se povezuju i sa SLOW i sa STOP izlazima zbog ećih pogodnosti.CA-2 (slika 5-10) je u ponudi Cyemotion-a kao samostalni uređaj koji meri 7.25 u širinu u 5.75 inča u dubinu i 1 inč u visinu, zajedno sa paralelnim i serijskim inerfejsom. Osetljivost sistema je programabilna do preciznosti od 1 kvadratni inč na razdaljini od 5 stopa. Potrošnja snage od 150 miliampera na 12 volti DC.

Slika 5-10. CA-2 sistem za izebegavanje sudara se nudi kao samostalan bezkontaktni podsistem za razdaljinu.

5.2 Laserski TOF sistemi

Laserski TOF sistemi za razdaljinu, takođe poznati ako laserski radar (lidar), prvi put su se pojavili u radu Jet Proplsion Laboratory, Pasadena, CA, sedamdesetih godina. Laserska energija se emituje u brzom nizu karatkih naleta koji se ciljaju na objekat čiju razdaljinu merimo. Vreme potrebno da se puls odbije odobjekta i vrati meri se i koristi za računanje razdaljine do mete, zasnovano na brzini svetlosti. Preciznost prvih senzora ovog tipa je moglo da ude nekoliko centimetara na rastojanju od 1 do 5 metara.

5.2.1 Schwartz Elektro-Optics laserski merači daljine

Schwartz Elektro-Optics, Inc, Orlando, FL, proizvodi brojne laserske TOF sisteme za merenje razdaljine i koristi inovativnu vreme-u-amplitudu konverziju da bi prevazišlo vremenski zahtev ispod nanosekunde koji je potreban za brzinu svetlosti. Kako se laser uključi, kondenzator za preciznost počinje da se prazni konstantom brzinom iz poznate početne tačke, sa pražnjenjem koje je proporcionalno povratnom vremenu svetlosti. Vrši se analogno-digitalna konverzija na izmerenom naponu kondenzatora u tačnom trenutku kada se detektuje povratni signal, gde se digitalni rezultat konvertuje u razdaljinu i koriguje se vremenski korišćenjem tabela (look up table).

SEO LRF-X serija merača rezdaljina

LRF-X merač razdaljine prikazan na slici 5-11, prikazuje kompaktnu veličinu, brzu obradu i sposobnost da prihvata podatke o rastojanju kod većine površina (minimum 10% Lambertove refleksivnosti) do maksimalno 100 metara. Osnovni sistem koristi pulsne InGaAs laserske diode u sprezi sa lavinskom fotodiodnim detektorom i dostupan je i sa analognim i sa digitalnim izlazima. Sledi generalna specifikacija performansi senzora.

Slika 5-11. LRF-200 serija merača daljine

Tabela 5-3. Odabarne specifikacije za LRF-200 merač daljine

Visoko precizni sistem za merenje visine (HAAMS) je napredna varijacija osnovnogLRF koncepta namenjena za letelice kao lidar altimertar. HAAMS sistem radi sa osvežavanjem od 3KHz sa maksimalnim dometom od 200 metara i dostupan je u istom cilindričnom paktu od 8.9 centimetara prečnika, kao i LRF-200. Inclinometer je dodat da automatski kompenzuje ugao letelice. Pored toga, fidbek sa detekcijom beka je ugrađen da bi smanjio usputne greške sa povećanom preciznošću od 3 do 4 inča.

SEO sistem senzora za blizinu lebdećih prepreka

SEO sistem senzora za blizinu lebdećih prepreka (HOPSS) je razvijen za američku vojsku kao uzbuna pilotu u slučaju prisustva okolnih prepreka. Smešten na donjem delu kabine, odmah ispod rotorske osovine (slika 5-12), HOPSS sistem nudi kontinualno merenje razdaljine i azimuta u horizontalnoj ravni helikoptera.

Slika 5-12. Postavka HOPSS-a na američkom vojnom helikopteru.

Laserski GaAs diodni emiter sa visokim taktom ima istu strukturu kao osetljivi lavinski fotodiodni detektor. Emitovani povratni zraci se odbijaju od prizme koju pogoni motor bri brzini od 300 obrtaja u minuti kao što je opisano na slici 5-13. merenje rastojanja se vrši svaki 1.5 miliarditih delova intervala i povezano je sa azimutalnim uglom uz korišćenje otičkog enkodera. Detekcija dometa za 3/8 inčni kabl je veće od 75 stopa, dek veće mete mogu da se detektuju pouzdano čak na 250 stopa i više. Detektovane prepreke su priazane u sličnom formatu kao za radarski indikator pozicije, i vizuelna i zvučna upozorenja se emituju u slučaju da merena razdaljina u okviru predefinisanih zona padane ispod utvrđenog ograničenja. Da bi se postiglo šire trodimenzionalno pokrivanje senzora, istražuje se koncept dve suprotno-rotirajuće klinaste prizme.

Slika 5-13. Merenje razdaljine je povezano sa azimutalnim uglom rotirajuće prizme do dozvoljenog rastojanja i nosi informaciju o detektovanim preprekama.

Tabela 5-4. Odabrane specifikacije za HOAPSS

SEO TreeSense

TreeSense je razvila SEO za automatizaciju selektivne primene pesticida na drveće narandži, gde je cilj bio omogućiti pojedinačnim prskalicama da prskaju samo kada bi drvo bilo detektovano u njihovom dometu. Podsistem se sastoji iz horizontalno orientisane HAAMS jedinice postavljene na poleđinu poljoprivrednog vozila pogodno opremljnog sa rotirajućim ogledalom koje skenira zrak u vertikalnoj ravni normalnoj na pravac prostiranja. Brzina skeniranja se može kontrolisati i može dostići i 40 obrtaja u sekundi (tipično 35). Podsistem za razdaljinu se dvaput uključuje i isključuje tokom jednog obrta da bi osvetlio dva sektora u obliku ventilatora po 90 stepeni do maksimalnog dometa od 25 stopa sa obe strane vozila kao što je pokazano na slici 5-14. (Postojeći hardver teoretski može da ima domet 100 stopa uz upotrebu PIN fotodiode i može se još dalje unaprediti uz primenu lavinskog fotodiodnog detektora).

Slika 5-14. TreeSens sistem osvetljava dva sektora u obliku ventilatora (± 45 stepeni u odnosu na horizontalu) sa obe strane staze za lociraje drveća radi precizne upotrebe pesticida.

TreeSens sistem je čvrsto povezan sa ventilom cevi kako bi omogućio/onemogućio vertikalni niz otovora za prskanje insekticida, ali se lako mogu napraviti analogni kao i digitalni izlazi (RS-232) za drugu primenu. Sistem je smešten u čvrsto kućište od fibelglasa (slika 5-15), sa ukupnom masom od samo 2,5 kilograma. Potoršnja snage je 12 vati na 12 volti DC.

Tabela 5-5. Odabrane specifikacije za SEO TreeSens sistem

Slika 5-15. TreeSens sistem je zatvoren u kućištu od fiberglasa sa dva pravougaona pretvarača na svakoj strani za levi i desni zrak oblikovan kao ventilator.

SEO AutoSense

AutoSense I sistem je razvijen u SEO na Departmanu za Transport Inovativnih Istraživanja u Malom Biznisu (SBIR) kao zamena za prastare induktivne namotaje za semafore. (Induktivni namotaji ne mogu uvek da registruju motocikliste i neke manje automobile sa plastičnom karoserijom ili od fiberglasa, a zamena ili održavanje mogu da budu i skupi i škodljivi za tok saobraćaja.) Sistem je podešen da gleda nadole po uglom od 30 stepeni na vozila koja se kreću u saobraćajnoj traci (slika 5-16). Mogućnost da se precizno meri visina vozila kao i brzina otvara nove mogućnosti za klasifikaciju vozila kao deo inteligentnog koncepta za vozila na autoputu (IVHS).

Slika 5-16. Dva kupasta svetlasta snopa padaju na vozilo u pokretu radi poboljšane detekcije.

AutoSense i koristi PIN fotodiodni detektor i pulsni (8 nanosekundi) InGaAs blizi-infracrveni-lasersko-diodni izvor sa pikom od 50 vati. Izlaz lasera se usmerava razdelnikom snopa u par cilndričnih sočiva kako bi stvorio dva kupasta snopa sa razmakom od 10 stepeni radi bolje dekcije. (Originalni prototip je bacao jednu svetlosnu tačku ali je naišao na probleme zbog apsorpcije na meti i refleksije.) Kao dodatna pogodnost upotreba dva odvojena zraka omogućuje da se brzina vozila u pokretu izračuna sa preciznošću 1 milja na sat. Kao dodatak, dvodimenzionalna slika (dužina i širina) se stvara za svako vozilo, kako ono prođe kroz vidno polje senzora i time pruža precizne podatke za razne tipove vozila.

Poboljšan uređaj druge generacije (AutoSense II) koristi lavinski fotodiodni detektor umesto PIN fotodiode zog bolje osetljivosti i koristi rotirajuće ogledalo da napravi dva zraka. Svaki zrak se skenira po širini saobraćajne trake 720 puta u sekundi, sa 15 merenja rastojanja u sekundi. Ovo azimutalno sekiranje dozvoljava novoj generaciji preciznih trodimenzonalnih uređaja da bolje vrše klasifikaciju vozila na automatizovan način. Skaraćeni sistemski blok dijagram je opisan na slici 5-17.

Slika 5-17. Pojednostavljeni blok dijagram AutoSens II sistema

Informacija o jačini izreflektovanog ignala se koristi da ispravi usputne greške u detekiji ograničenja koja rezultuje zbog promenljive refleksije mete, za unapređenu preciznost razdaljine od ± 3 inča na 5 do 40 stopa. Rezolucija skeniranja je 1 stepen, a brzina vozila može proračuna sa preciznošću od 2 milje na sat pri brzinama do 60 milja na sat. Brzi RS-232 i RS-422 izlazi su omogućeni. Sada se razvija AutoSense III za primenu u Kanadi koji zahteva trodimenzionalni profil vozila pri brzinama do 100 milja na sat.

Tabela 5-6. Odabrane specifikacije za SEO AutoSense II sistem

5.2.2 RIEGL Laserski merni sistem

RIEGL Laserski merni sistem, Horn, Austria, nudi veliki broj komercionalnih proizvoda (laserski dvogled, sisteme za nadzor, „brze pištolje“, senzore nivoa, sisteme za merenje profila i laserske skenere) koji koriste kratkopulsne TOF lasere za merenje razdaljine. Tipične aplikacije su lider altimetri, merenje brzine u sabraćaju, izbegevanje sudara za dizalice i vozila i mrenje nivoa u silosima.

LD90-3 Laserski merač razdaljine

Laserski merač razdaljine iz serije LD90-3, koristi blisko-infracrvene laserske diode i fotodiodni detektor za TOF merenje razdaljine, čak do 500 metara kod površina sa rasipnim svojstvom, a čak preko 1000 metara u slučaju meta sa dobrim osobinama. Povratno vreme propagacije se precizno meri kvarcnim klokom i konvertuje se u merenu razdaljinu putem internog mikroprocesora uz korišćenje jednog od dva moguća algoritma. Algoritam za smanjenje gužve koristi kombinaciju usrednjavanja merenja razdaljine i tehnika za odbijanje buke da bi filtrirao talog od čestica iz vazduha i zbog toga je koristan kada se radi u uslovima slabe vidljivosti. Algoritam sa standardnim merenjem, s druge strane, nudi brza merenja razdaljine bez obaziranja na uticaj buke i zbog toga može dati rezultate sa boljim osvežavanjem u povoljinijim uslovima okoline. Najgora preciznost pri merenju razdaljine je ±5 centimetara, sa tipičnim vrednostima od oko ±2 centimetra. Pulsni blisko-infracrveni laser je Klase-1 sigurnosti za oči u svim radnim uslovima.

Slika 5-18. TOF laser za merenje razdaljine Klase-1 serije LD90-3 je samoodrživ uređaj dostupan u nekoliko verzija sa meksimalnim dometima od 150 do 500 metara u prosečnim atmosferskim uslovima.

Nominalna divergencija zraka od 2 miliardita dela za LD90-3100 uređaj (videti tabelu 7-7 ispod) stvara trag svetlosti od 20 centimetara na 100 metara. Kompletan sistem je smešten u malo kućište od lakog metala i teže samo 1,5 kilogram, a troši 10 vati na 11 do 18 volti DC. Standardni izlazni format je serijski RS-232 sa programabilnom brzinom

protoka podataka do 19.2 Kbita u sekundi, ali RS-422 kao i analogne opcije (od 0 do 10 volti DC i 4 do 20 miliampera strujnog kola) su dostupne po zahtevu.

Tabela 5-7. Tipične specifikacije za dva modela merača razdaljine iz serije LD90-3.

Laserski merači razdaljine sa skeniranjem

LRS90-3 laserski radarski skener je adaptacija osnovnog LD90-3, povezanog optičkim vlaknima sa udaljenim skenerom (slika 5-19). Paket sa skenerom nema unutrašnje elektronike i zbog toga je veoma robustan u zahtevnim uslovima rada tipičnim u industriji pri robotskim operacijama. Motorizovana glava za skeniranje usmerava zrak napred-nazad u horizontalnoj ravni na 10Hz, što omogućuje skupljanje podataka 20 puta u sekundi. Divergencija zraka je 5 miliarditih delova, sa opcijom proširenja u vertikali do 2 stepena, ako se to traži.

Slika 5-19. LRS90-3 Laserski radarski skener sastoji se iz elektronskog dela (nije prikazan) povezanog pomoću dupleks fiber-optičkog kabla na udaljeni skener opisan gore.

Slika 5-20 pokazje skicu pravih izlaznih podataka o razdaljini, koji su uzrokovani duž zakrivljenog dela puta sa skenerom na fiksnoj poziciji.

Slika 5-20. Skica izmerenih razdaljina sa fiksnom pozicijom senzora u tački X, pokazuje putanju nadolazećeg vozila i bicikla koji zaostaje duž zakrivljenog dela puta.

LSS390 Laserski sistem za skeniranje je veoma sličan sa LRS90-3, ali skenira uže vidno polje (±10 stepeni) sa bržim osvežavanjem (2000 Hz) i sa preciznijim zrakom. Preciznost dometa je tipični ±10 centimetara, u najgorem slučaju ±20 centimtara. LSS390 je dostupan sa RS-422 digitalnim izlazom (standardno 19.2 Kbita, opciono 150 Kbita) ili sa dvadesetobitnim paralelnim TTL interfejsom. Odabrene specifikacije za LRS90-3 i LSS390 skenere su prikazane u Tabeli 5-8.

Tabela 5-8. Odabrene specifikacije za LRS90-3 i LSS390.

5.2.3 Odetics 3D laserski sistem sa salikama sa brzim frejmovima

Odeticks, Anaheim, CA, je dizajnirala i delimično proizvela brzi frejm rejt, pulsni TOF laserski imager za upotrebu kod brzine autonomne navigacije kopnenih vozila i drugih vizuelnih mašinskih aplikacija. Trodimenzionalne slike sa razdaljinom do 300 stopa beleže se pomoću pulsnog laserskog merača razdaljine, sposobnog da prikupi milion daljinskih piksela po sekundi. GaAlAs diodni laser proizvodi izlaz sa pikom od približno 50 vati, ali ekstremno uzak puls (12 nanosekundi) dozvoljava operacije bezbedne za oko, unutar dozvoljenih granica izlaganja, koje se podudaraju sa ANSI standardom za bezbedno korišćenje lasera. Azimutalni ugao od 60 stepeni i izdignuto vidno polje od 30 stepeni su proizvod veoma brzog poligonalnog skenerskog mehanizma, kao što je opisano na blok dijagramu na slici 5-21. Linijsko skeniranje je promgramabilno za nasumičan pristup i brže funkcije skeniranja, saminimalnom sposobnošću od 12 frejmova po sekundi sas 256 piksela puta 128 linija.

Slika 5-21. 3D laserski sistem sa salikama sa brzim frejmovima, nudi 3D podatke o razdaljini do 300 stopa za 256 piksela u 128 linija format, na 12 Hz frejmovanja.

Simultane slike razdaljine i refleksije se obražuju i smeštaju u VME Bus Frame Buffer za direktni pristup pikselima putem procesora za obradu slika. Podaci o razdaljini se obrađuju u pipelined pikosekundnom emiterski spregnutom logičkom (ECL) vremenskom interpolatoru. Rezolucija razdaljine je 0.5 inča (78 pikosekundi) sa ekvivalentom u vidu jednog pulsa manjeg od 1 stope pri minimalnom razlikovanju signala na 306 stopa. Multi-pulsno usrednjavanje može da smanji ovo rastojanje po potrebi. Samoodrživi sistem za slike biće spakovan u kompaktno kućište (manje od jedne kubne stope) pogodno za montiranje na vozila, sa full-dupleksnim brzim korisničkim interfejsom, koji nudi 125 megabita u sekundi fiber-optički data link. Odabrane specifikacje su u Tabeli 5-9.Napomena: Odetics takože nudi prethodno razvijen laserski sistem za razdaljine sa merenjem putem faznog šiftovanj, koji je obražen u sledežem poglavlju.

Tabela 5-9. Odabrane specifikacije za 3D laserski sistem sa salikama sa brzim frejmovima.

5.2.4 RVSI sistem sa optičkom detekcijom i merenjem razdaljine

Robotic Vision Szstems, Haupauge, NY, je napravila koncept dizajna za laserski TOF sistem sposoban da prikupi trodimenzionalne podatke u vidu slike za čitavu okolinu bez skenirajna. LORDS (Long Optical Ranging and Detection System) je patentovani koncept koji uključuje optičku tehniku enkodovanja sa običnim vidicon ili čvrstim kamerama, što daje precizno merenje distance do različitih meta u prostoru koji je osvetljen samo jednim laserskim pulsom. Ova konfiguracija je veoma jednostavna prikazana na slici 5-22, i može se uporediti po veličini i masi sa tradicionalnim TOF i merenjem putem faznog šiftovanja tipom laserskog merača razdaljine.

Slika 5-22. Pojednostavljeni blok dijagram konfiguracije LORDS 3-D sa tri kamere.

U glavne komponente spadaju i jedan izvor laserske energije, jedna ili više kamera, svaka sa elektronski implementiranim mehanizmom za slikanje i elektronikom za kontrolu i obradu. U tipičnoj konfiguraciji laser eituje 25 milidžulni puls koji traje jednu nanosekundu radi efektivne transmisije 25 megavata. Očekivana radna talasna dužina je

između 532 i 830 nanometara, zbog mogućnoti očitavanja u ovom opsegu potrebnih laserskih izvora i nizova slika.

Kamere su dvodimenzionalni CCD nizovi blisko položeni jedan u drugog, sa paralelnom optičkom osom što daje skoro identični višestruki pogled na osvetljenu površinu. Sočiva za ove kamere su kao u standardnoj fotografiji između 12 i 135 milimetara. Zatvaračka funkcija se izvršava pomoću mikrokanalne pločice sa pojačanjem slike (MCP), veličina 18 ili 25 milimetara, koji će biti napajan binarnom enkodik sekvencom, a time se uključivanje i isključivanje CCD-a vrši efektivno tokom faze detekcije. Kontrola sisitema se vrši pomoću procesa na jednoj ploči zasnovanom na Motorola MC-68040.LORDS prikuplja trodimenzionalne slike u realnom vremenu upotrebom Novel vreme-leta tehnikom, koja zahteva samo jedan laserski puls da prikupi sve informacije o čitavoj okolini. Emitovani puls putuje kroz vreme do konačne razdaljine, stoga svetlost koja putuje 2 milisekunde će osvetliti na veću daljinu nego svetlost koja putuje samo jednu milisekundu.

Čitav senzorski opeg je podeljen u diskretne daljinske inkremente, od koih svaki predstavlja posebnu ravan razdaljine. Ovo se postiže simultanim gejtovanjem MCP-a posmatračkih kamera po njihovom jedinstvenom on-off enkoding algoritmu tokom trajanja faze detakcije. Ovo binano gejtovanje naizmenično blokira i propušta svaku povratnu refleksiju lasera od objekata u vidnom polju. Kada se gejting ciklusi obe kamere poravnaju i uporede, postoji jedinstvena kodirana podudarnost, koja se može upotrebiti da se izračuna razdaljina do ma kog piksela u okolini.Npr, u sistemu konfigurisanom sa samo jednom kamerom gejtovani MCP će ići kroz ciklus samo do polovine trajanja detekcije a onda će biti isključen preostalo vreme. Slika 5-23 pokazuje da svaki objekat koji detektuje ova kamera mora da bude smešten u prvoj polovini ukupnog dosega senzora (ova razdaljina je koju bi laser postigao za odreženo vreme detekcije). Međutim, značajna dvosmislenost u distanci jer se isto vreme detekcije reflektovane energije moglo desiti u bilo kom trenutku ovog relativno dugog intervala.

Slika 5-23. Dvosmislenost razdaljine se smanjuje povećanjem broja binarnih gejtova za razdaljinu.

Ova dvosmislenost može se smanjiti dvostruko upotrebom još jedne kamere sa svojim gejtovanjem koje ima duplo brži klok od prve. Ova konfiguracija bi stvorila dve kompletne on-off sekvence, jedna koja se dešava dok je prva kamera uključena a druga dok je prva kamera isključena. Može se upotrebiti jednostavna binarna logika za kombinovanje izlaza kamera i dalje poboljšanje dometa (Slika 5-24). ako prva kamera nije detektovala predmet a druga jeste, onda uporeživanjem vremena kada je prva kamera isključena a druga uključena udaljenost predmeta može se povezati sa odreženi vremenom frejma priključenjem treće kamere isto sa dvostrukom gejting frekvencijom (npr, dva ciklusa za svaku od kamera 2 i četiri svaku od kamera 1) nudi još bolju rezoluciju. Za svaki dodatni CCD niz dodat u sistem, broj segmenata distance se udvostručava.

Slika 5-24. Binarno kodirane slike iz gejtova 1-3 se kombinuju da bi stvorile složenu mapu razdaljina prikazanu skroz desno.

Kao alternativa isti efekat kodovanja može se postiči upotrebom jedne kamere, kada postoji malo ili nimalo pomeranje između senzora i mete. U ovom slučaju laser se odašilje više puta i frekvencija gejtovanja za svaku kameru se sekvencijalno menja pri svakoj novoj transmisiji. Ovo stvara iste intervale detekcije kao i ranije, ali sa povećanjem vremena potrebnog za prikupljanje podataka.LORDS je dizajniran da radi sa razdaljinama izmenju 1 metra i nekoliko kilometara. Bitna osobina je sposobnost da se meri razdaljina po željenim segmentima posmatrane okoline kako bi se poboljšala rezolucija, pri čemu dubina prostora u kome se prostire dati broj inkremenata može da varira. Nad čitavim opsegom koji nas zanima se vrši inicijalno posmatranje, što rezultuje maksimalnom udaljenošću između posmatranih inkremenata. Objekat koji se detektuje u ovoj fazi se smešta u specificirani skraćeni region ukupne razdaljine.Senzor se zatim elektronski pre podesi da skenira samo taj region što značajno skraćuje razdaljinu između inkremenata i time povećava rezoluciju. Poznato kašnjenje se uvodi između vremena transmisije i inicijacije procesa detekcije/gejtovanja. Ovako laser putuje do regiona od interesa bez brige o objektima smeštenih u prvom planu. Ova osobina može biti posebno od pomoći pri uklanjanju pozadinskih šumova zbog magle ili dima u primeni na otvorenom prostoru.