Esquema de ruleta láser. Telémetro láser de una cámara web. Telémetro láser de bricolaje

Para implementar SLAM, se requiere hardware. En colaboración entre el Departamento de Mecatrónica y Robótica y la empresa Voskhod KRLZ OJSC se desarrolló un telémetro láser de escaneo. modelo 3D El escáner se muestra en la figura (Figura 3).

Presupuesto:

Tipo de láser: Pulso;

Potencia del láser: 75 W por pulso;

Ángulo de escaneo: 90 0;

Altura del plano de escaneo con respecto a la base: 140 mm;

Número de puntos en un escaneo: 5000 puntos;

Distancia máxima medible: 31 m;

Error de medición: hasta ±2% de la distancia medida;

Tensión de alimentación: 12 V;

Consumo actual: 0,9 A;

Figura 3 – Modelo tridimensional del escáner

1. Diagrama de bloques de un telémetro láser de escaneo

Los términos de referencia fueron preparados por la empresa Voskhod KRLZ OJSC.

Disposiciones básicas de los TdR:

El telémetro debe funcionar según el método de medición por pulsos;

Negativa a utilizar costosos circuitos FPGA;

Como diodo láser utilice SPL_PL90_3 del fabricante OSRAM;

Si es posible, utilice la base de componentes producida por el cliente.

Durante el trabajo, se desarrolló un diagrama de bloques de un telémetro láser de escaneo (Figura 4).

Figura 4 – diagrama de bloques telémetro

Para evitar la transferencia de interferencias electromagnéticas desde el circuito de lanzamiento del láser al dispositivo fotorreceptor y aumentar la precisión de las mediciones, se decidió separar la fuente de alimentación del emisor láser de la fuente de alimentación del resto del circuito.

El desarrollo de un telémetro láser de escaneo se dividió en etapas:

Desarrollo de circuitos electrónicos.

Desarrollo de un fotodetector;

Desarrollo de un emisor láser;

Desarrollo de un generador de impulsos de arranque;

Desarrollo de una unidad informática;

Desarrollo del suministro de energía;

Desarrollo de la mecánica de un telémetro de escaneo láser.

1. Desarrollo de circuitos electrónicos.

   1. Desarrollo de un fotodetector

Para recibir la señal reflejada por el objeto, se requiere un dispositivo fotorreceptor (PDU). Incluye una lente, un filtro óptico, una carcasa, un fotodiodo, un circuito de amplificación de señal (Figura 5) y un comparador. El alcance máximo de escaneo depende en primer lugar de la unidad digital y luego de la potencia del láser.

Figura 5 – Primera etapa amplificadora

El circuito utiliza un fotodiodo KOF137V producido por KRLZ Voskhod y tiene las siguientes características:

Sensibilidad: 0,75 A/W;

Corriente oscura: 10 nA;

La sensibilidad refleja el cambio en el estado eléctrico en la salida del fotodiodo cuando se aplica una única señal óptica a la entrada. Cuantitativamente, la sensibilidad se mide por la relación entre el cambio en la característica eléctrica registrada en la salida del fotodetector y el flujo luminoso o de radiación que lo provocó.

En física y electrónica, la corriente oscura es una pequeña corriente eléctrica que fluye a través de un fotodiodo en ausencia de fotones incidentes. La razón física de la existencia de la corriente oscura es la generación aleatoria de electrones y huecos en el dispositivo de la capa p-n, que luego comienzan a moverse de manera ordenada debido a un fuerte campo eléctrico. La corriente oscura es una de las principales fuentes de ruido.

El amplificador consta de 3 etapas fabricadas con el amplificador operacional ADA4817-1, cuyas características técnicas se detallan en. La primera etapa es un convertidor de corriente-voltaje con una ganancia de 2400. La segunda y tercera etapas son amplificadores idénticos con una ganancia de 10 (Figura 6).

Figura 6 – Segunda y tercera etapas de amplificación

Uno de los cálculos más importantes de un fotodetector es el cálculo de energía.

Cualquier fotodetector, además de la corriente oscura del fotodiodo, tiene una corriente de ruido que depende del ancho de banda, que se calcula mediante la fórmula:

Según la fórmula (6), la corriente de ruido es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la banda de paso del fotodetector.

Para encontrar la corriente de ruido, calculemos el ancho de banda del fotodetector. La resistencia y el capacitor en la retroalimentación forman un filtro de paso alto y, cuando se combinan con un capacitor de bucle, esta resistencia forma un filtro de paso alto. Para calcular la frecuencia de corte de los filtros RC, utilice la fórmula:

Usando la fórmula (7) encontramos los límites superior e inferior del ancho de banda del fotodetector:

Conociendo los valores de los límites superior e inferior, se puede calcular el ancho de banda:

Sustituyendo el valor obtenido en (10) en la fórmula (6), calculamos el valor de la corriente de ruido:

Para determinar la señal útil en un contexto de ruido, debe ser entre 5 y 10 veces mayor que la suma de la corriente de oscuridad del fotodiodo y la corriente de ruido del receptor. Establezcamos el valor de la señal útil, 3 μA. Con base en la sensibilidad del fotodiodo, determinamos la potencia de la radiación óptica que debe caer sobre él para generar una corriente de 3 μA:

(12)

El dispositivo fotodetector, además del fotodiodo y el circuito de amplificación, contiene sistema óptico, que incluye una lente con un diámetro de 30 mm y una distancia focal de 51 mm, y un filtro óptico que transmite únicamente radiación con una longitud de onda de 905 nm. Es necesario un filtro óptico para reducir la influencia de la luz sobre el fotodiodo. Se ubica entre la lente y el fotodiodo; al instalarlo es necesario tener en cuenta que la distancia focal aumentará en una cantidad igual al espesor del filtro. Esto sucede porque la luz viaja en rayos paralelos a través del filtro.

Para determinar la distancia máxima posible a la que la señal útil será distinguible del ruido de fondo, realizaremos un cálculo de energía. Un rayo láser que incide sobre un objeto se refleja en él en forma de hemisferio y, como resultado, no toda la radiación llega al fotodetector (Figura 7).

Figura 7 – Reflejo del rayo láser del objeto escaneado. 1 – FPU; 2 – emisor láser; 3 – objeto de escaneo.

El cono formado por el área de la lente del fotodetector y la distancia al objeto escaneado se llama ángulo visual. Determina la potencia que llegará directamente a la FPU. Este es el objetivo del cálculo de energía del fotodetector.

– potencia de radiación láser (para SPLPL90_3); D – diámetro de la lente FPU (D=30 mm); r – distancia al objeto.

Transformando la fórmula (13), derivamos r:

Sustituyendo los valores en la fórmula (14) obtenemos la distancia máxima que se puede medir:

(15)

El valor obtenido en la expresión (15) es ideal, pero en realidad la mayoría de los objetos absorben parte de la radiación. Para objetos con una reflectividad del 18%, la distancia máxima será igual a:

La FPU incluye un comparador necesario para obtener una señal lógica. El circuito utiliza un comparador ADCMP600, cuyas características técnicas se dan en la (Figura 8).

Figura 8 – Comparador

En venta si gran número Sensores baratos: telémetros, incluidos ultrasónicos e infrarrojos. Todos estos dispositivos funcionan bien, pero debido a su importante peso, no son adecuados para robots voladores. Un helicóptero robótico en miniatura, por ejemplo, puede transportar unos 100 gramos de carga útil. Esto hace posible utilizar la visión artificial para encontrar obstáculos y evitar colisiones con ellos utilizando cámaras web (u otras miniaturas, cámaras inalámbricas con conexión a un ordenador vía USB). Mejor aún, instale dos cámaras, que proporcionarán al robot visión estéreo y, gracias a la información sobre la profundidad de la imagen, mejorará la capacidad de evitar obstáculos. La desventaja de esta idea es el peso relativamente grande de la cámara.

1. Telémetro láser desde una cámara web

1.1. Principio de funcionamiento

El punto láser está diseñado en posible obstáculo Si se encuentra en el campo de visión de la cámara, la distancia hasta este obstáculo se puede calcular fácilmente. Las matemáticas aquí son muy simples; el procesamiento de datos se realiza mejor en aplicaciones informáticas. (ver figura 1.1)

Figura 1.1 – Principio de funcionamiento del telémetro

Así es como funciona. Se proyecta un rayo láser sobre un objeto dentro del campo de visión de la cámara. Este haz debe ser perfectamente paralelo al eje óptico de la cámara. El punto láser se captura junto con el resto de la escena. Un algoritmo simple busca píxeles brillantes en una imagen. Suponiendo que el punto láser es brillante en un ambiente más oscuro (usé un puntero láser normal de una tienda de un dólar), inicialmente se desconoce la posición del punto en el marco. Luego necesitamos calcular la distancia al objeto en función de dónde se encuentra el punto láser a lo largo del eje Y; cuanto más cerca esté del centro de la imagen, más lejos estará el objeto.

Como podemos ver en la figura anterior, la distancia (D) se puede calcular mediante la fórmula:

Por supuesto, para resolver esta ecuación, debes saber que h es la distancia fija entre el puntero láser y la cámara. El denominador se calcula de la siguiente manera:

Para calibrar el sistema recogeremos una serie de medidas donde conocemos la distancia al objetivo, así como el número de píxeles del centro de la imagen al punto láser.

Usando la siguiente ecuación, podemos calcular el ángulo de inclinación en función del valor de h, así como la distancia real a cada punto.

ahora tenemos valores calculados Podemos generar relaciones que nos permitan calcular el rango, conociendo el número de píxeles desde el centro de la imagen. Puedes usar una relación lineal.

1.2. Componentes

Para montar el telémetro no se necesitan muchas piezas: una cámara web y un puntero láser. Para conectar el puntero láser y la cámara, debe cortar un marco de hojalata o madera contrachapada:

El telémetro ensamblado debería verse así:

1.3. Software

El programa controlador está escrito en dos lenguajes: Visual C ++ y Visual Básico. Se podría pensar que un programa de Visual Basic es más simple que un programa de VC++ en términos de código, pero todo tiene sus ventajas y desventajas. El código VC ++ se puede compilar de forma gratuita (siempre que tenga estudio visual), mientras que el código VB requiere compra paquetes de software fabricantes de terceros(además de Visual Studio).

Los códigos de programas escritos en Visual Basic y Visual C++ se pueden encontrar en el enlace: www.cxem.net

1.4. Trabajo adicional

Una mejora específica que se podría realizar en este telémetro es la proyección de una línea láser horizontal en lugar de un punto. De esta forma podemos calcular la distancia al objetivo para cada fila de píxeles de la imagen.

2. Telémetro láser de fase

Esta sección describe las pruebas naturales de un prototipo de telémetro láser de fase producido internamente.

2.1. Seleccionar un método de medición

El principio de funcionamiento de un telémetro de tipo físico es medir el tiempo que tarda una señal enviada por el telémetro en recorrer la distancia hasta un objeto y regresar. Capacidad radiación electromagnética propagar con velocidad constante permite determinar la distancia a un objeto.

Existen varios métodos para medir el rango:

1. Método de triangulación.

2. Frecuencia.

3. Método de pulso.

4. Método de fases.

Se propone que el telémetro láser que se está desarrollando se base en el método de fase. El método de fase para medir distancias se basa en determinar la diferencia de fase entre las señales moduladas enviadas y recibidas.

El modo de funcionamiento del dispositivo depende de su temperatura, con cambios en los que la fase de la señal cambia ligeramente. Por lo tanto, no se puede determinar el comienzo exacto de la fase. Para ello, las mediciones de fase se repiten en un segmento de referencia (línea de calibración) dentro del dispositivo. La principal ventaja del método de medición de fase es más alta precisión, que puede alcanzar unos pocos milímetros.

2.2. Creando un prototipo

Para probar los principios teóricos en la práctica, verifique la estabilidad de las etapas de amplificación y evaluación preliminar sensibilidad y nivel de ruido canal de medición de la radiación láser reflejada, se desarrolló y estudió un prototipo de la misma.

Al desarrollar un prototipo, se utilizó como emisor un módulo LED láser rojo estándar (ver Fig. 2.1) con una potencia de 5 mW y una longitud de onda de 650 nm.

Figura 2.1 – Módulo LED láser

Para registrar la radiación láser reflejada, se utilizó un fotodiodo de clavija bpw24r como fotodetector (ver Fig. 2.2). Las ventajas de este fotodiodo incluyen una alta sensibilidad en la región roja del espectro visible, un patrón de directividad estrecho y una baja capacitancia de la unión pn (5pF). Máximo frecuencia de funcionamiento 35 MHz.

Figura 2.2 – Fotodiodo PIN bpw24r

Para generar las señales operativas y de referencia se utilizó un módulo generador de señales DDS basado en el chip AD9850 (ver Fig. 2.3). El rango operativo de las oscilaciones sinusoidales generadas se encuentra en el rango de 1 Hz a 40 MHz, el paso de sintonización es de 1 Hz y la inestabilidad de frecuencia relativa es de 10 -5.

Figura 2.3 – Módulo generador de señal AD9850 DDS

Se utiliza un módulo de control de microprocesador estándar. placa arduino Uno (ver Fig. 2.4) basado en el moderno microcontrolador ATmega328 c frecuencia de reloj 16MHz.

Figura 2.4 – Microprocesador módulo arduino uno

La Figura 2.5 muestra un diagrama de un modulador de radiación láser. Se suministra una señal armónica con una frecuencia de 10 MHz y una amplitud de 0,5 V desde la salida del generador DDS a amplificador electronico con ganancia de voltaje K U  = 3, construido sobre la base del amplificador operacional DA1 AD8042. Al usar resistencia de ajuste R1 garantiza la selección de la posición óptima punto de operación por corriente continua.

Figura 2.5 – Diagrama funcional modulador de radiación láser

La Figura 2.6 muestra un diagrama de la señal láser reflejada, que consta de un fotoamplificador en DA1, un mezclador y un amplificador selectivo de dos etapas en DA2 y DA3. Photopidsiluvch convierte la señal óptica de medición en eléctrica. En la salida del mezclador, se genera una señal diferencial de baja frecuencia con una frecuencia de 1 kHz que, después de filtrar mediante un filtro de paso bajo de dos etapas (R3, R4, C4, C5), se alimenta a un selectivo Amplificador con una ganancia de aproximadamente 10.000.

El modulador de radiación láser y el canal de medición de la señal reflejada se ensamblan en placas de circuito sin soldadura separadas (ver Fig. 2.7 y 2.8). Software módulo desarrollado en entorno arduino 1.0.5. Para controlar el generador DDS, se utiliza la biblioteca estándar AH_AD9850.h.

Figura 2.6 – Diagrama funcional del canal de medición de radiación láser reflejada

Como resultado de probar el prototipo, obtuvimos:

– El nivel de ruido a la salida del amplificador selectivo es de 5 mV;

– El nivel de la señal útil a la salida del amplificador selectivo a una distancia del objeto de 2 m es de 200 mV;

– No hay autoexcitación del amplificador;

– La iluminación externa del fotodiodo no afecta los resultados de la medición.

Figura 2.7 – tablero de desarrollo modulador

Figura 2.8 – Placa de pruebas del canal de medición de la señal reflejada

3. Conclusión

En general, los resultados de la creación de prototipos confirman la capacidad del método de medición propuesto basado en la técnica. conversión directa frecuencias. La sensibilidad del canal de medición es suficiente para registrar la señal láser reflejada. El nivel de la señal de salida permite mayor por medios simples determine su fase y calcule la distancia al objeto.

Lista de fuentes

1. Telémetro láser de camaras web. – [recurso electrónico] – Modo de acceso: www.cxem.net – Fecha de acceso: Abril de 2014. - Gorra. desde la pantalla.
2. Denisyuk R.E., Kuznetsov D.N. Telémetro láser para sistemas. visión artificial robots/Colección de resúmenes del Segundo Seminario Científico y Práctico Regional Teórico y aspectos prácticos ingeniería de instrumentos, 18 de abril de 2013, Lugansk, Departamento de Instrumentos, VNU que lleva el nombre. V.Dal. –c. 20–21.

Hasta la fecha, no existen muchos métodos para la navegación en interiores en robótica. Una de ellas es determinar la posición del robot en el espacio mediante un escáner láser. Una ventaja importante de este método es que no requiere la instalación de balizas en el interior. A diferencia de los sistemas que utilizan el reconocimiento de imágenes de las cámaras, el procesamiento de datos desde un telémetro no requiere tantos recursos. Pero también hay un inconveniente: la complejidad y, en consecuencia, el precio del telémetro.
Utilizado tradicionalmente en robótica. escáneres láser, utilizando el principio de fase o tiempo de vuelo para medir la distancia a los objetos. La implementación de estos principios requiere circuitos bastante complejos y piezas costosas, aunque el rendimiento es decente: con estos principios se puede lograr una alta velocidad de escaneo y un rango de medición de larga distancia.
Pero estos escáneres no son adecuados para experimentos caseros de robótica: sus precios comienzan en 1.000 dólares.
Los telémetros que utilizan el principio de triangulación para medir distancias acuden al rescate. Este tipo de telémetro apareció por primera vez en las aspiradoras robóticas Neato:

Muy rápidamente, los aficionados descifraron el protocolo de este telémetro y comenzaron a utilizarlo en sus proyectos. Los propios telémetros aparecieron en eBay como repuestos en pequeñas cantidades a un precio de unos 100 dólares. Unos años después empresa china Pudo lanzar el telémetro de escaneo RPLIDAR, que se suministró como un dispositivo completo y no como una pieza de repuesto. Sólo el precio de estos telémetros resultó ser bastante alto: 400 dólares.

Telémetro casero

Tan pronto como supe de los telémetros Neato, quise construir uno yo mismo. Al final lo logré y describí el proceso de montaje en Roboforum.
Primera versión del telémetro:

Más tarde hice otra versión del telémetro, más adecuada para usar en un robot real, pero no quedé completamente satisfecho con la calidad de su trabajo. Ha llegado el momento de la tercera versión del telémetro, y esto es lo que se describirá a continuación.

Dispositivo telémetro láser de triangulación de escaneo

El principio de medir la distancia a un objeto se basa en medir el ángulo entre rayo láser golpear el objeto y la lente del telémetro. Conociendo la distancia de la lente láser (h) y el ángulo medido, se puede calcular la distancia al objeto: cuanto menor sea el ángulo, mayor será la distancia.
El principio está bien ilustrado con una imagen del artículo:

Por tanto, los componentes ópticos clave de dicho telémetro son un láser, una lente y un conjunto de fotodetectores.
Dado que el telémetro escanea, todas estas piezas, así como la electrónica de control, están instaladas en un cabezal giratorio.
Aquí puede surgir la pregunta: ¿por qué es necesario girar la óptica y la electrónica, si se puede instalar un espejo giratorio? El problema es que la precisión del telémetro depende de la distancia entre la lente y el láser (distancia base), por lo que debe ser bastante grande. En consecuencia, para el escaneo circular necesitará un espejo con un diámetro mayor que la distancia de la base. Un telémetro con un espejo de este tipo resulta bastante voluminoso.
El cabezal de escaneo del telémetro está montado sobre una base fija mediante un cojinete. A él se adjunta el motor que hace girar el cabezal. El telémetro también debe incluir un codificador diseñado para obtener información sobre la posición de la cabeza.
Como puede ver, Neato, RPLIDAR y mis telémetros caseros están fabricados exactamente de acuerdo con este esquema.

Lo más difícil de un telémetro casero es fabricar la parte mecánica. Fue su trabajo el que me causó más críticas en versiones anteriores telémetro. La dificultad radica en la fabricación del cabezal de escaneo, que debe estar firmemente fijado al cojinete, girar sin golpear y al mismo tiempo debe transmitir señales eléctricas de alguna manera.
En la segunda versión del telémetro, resolví los dos primeros problemas utilizando partes de un disco duro antiguo: el disco en sí se usaba como base del cabezal de escaneo y el motor en el que estaba montado ya contenía cojinetes de alta calidad. Al mismo tiempo surgió un tercer problema: lineas electricas Sólo se podía pasar a través de un pequeño agujero en el eje del motor. Logré hacer un conjunto de cepillo casero en la línea 3, fijado en este orificio, pero el diseño resultante era ruidoso y poco confiable. Al mismo tiempo, surgió otro problema: no había línea para reenviar la señal del codificador, y el sensor del codificador en este diseño debe instalarse en el cabezal y el disco del codificador con marcas debe instalarse en una base fija. El disco codificador no era rígido, lo que a menudo causaba problemas.
Foto de la segunda versión del telémetro:

Otro inconveniente del telémetro resultante es baja velocidad escaneo y una fuerte caída en la precisión a distancias superiores a 3 m.
Son estas deficiencias las que decidí eliminar en la tercera versión del telémetro.

Electrónica

En principio, parte electronica El telémetro de triangulación es bastante simple y contiene solo dos componentes clave: una regla fotosensible y un microcontrolador. Si no hay problemas para elegir un controlador, entonces con la regla todo es mucho más complicado. La regla sensible a la luz utilizada en un telémetro de este tipo debe tener al mismo tiempo una sensibilidad a la luz suficientemente alta y permitir leer la señal desde alta velocidad y tener pequeñas dimensiones. Las distintas reglas CCD utilizadas en los escáneres domésticos suelen ser bastante largas. Las reglas utilizadas en los lectores de códigos de barras tampoco son las más cortas ni las más rápidas.
En la primera y segunda versión del telémetro utilicé la línea TSL1401 y su analógico iC-LF1401. Estas reglas encajan bien, son baratas, pero sólo contienen 128 píxeles. Para medición precisa una distancia de hasta 3 metros no es suficiente y sólo se salva gracias a la posibilidad de análisis de imágenes de subpíxeles.
En la tercera versión del telémetro, decidí utilizar la línea ELIS-1024:

Sin embargo, comprarlo resultó complicado. Los principales proveedores de productos electrónicos simplemente no tienen estas líneas.
La primera línea que pude comprar en Taobao resultó no funcionar. Compré el segundo en Aliexpress (por 18 dólares) y resultó funcionar. Ambas reglas parecían soldadas: ambas tenían contactos estañados y, a juzgar por las marcas, fueron fabricadas en 2007. Además, incluso en las fotografías, la mayoría de los vendedores chinos tienen exactamente las mismas líneas. Parece que realmente lo es nueva linea ELIS-1024 sólo se puede comprar directamente del fabricante.
La línea fotosensible ELIS-1024, como su nombre indica, contiene 1024 píxeles. Tiene salida analógica y es bastante fácil de controlar.
Aún más buenas caracteristicas Tiene la línea DLIS-2K. Con dimensiones similares, contiene 2048 píxeles y tiene salida digital. Hasta donde yo sé, esto es lo que se usa en el telémetro Neato y posiblemente en el RPLIDAR. Sin embargo, es muy difícil encontrarlo en el mercado abierto, incluso en tiendas chinas no aparece con frecuencia y es caro: más de 50 dólares.

Como decidí usar una regla con salida de señal analógica, el microcontrolador del telémetro debe contener un ADC bastante rápido. Por lo tanto, decidí utilizar una serie de controladores: STM32F303, que, con relativamente bajo costo, tienen varios ADC rápidos que pueden funcionar simultáneamente.
Como resultado, obtuve el siguiente diagrama:


La señal de la línea (pin 10) tiene suficiente alto nivel componente constante y debe filtrarse mediante un condensador separador.
A continuación, es necesario amplificar la señal; para ello utilizamos amplificador operacional AD8061. Los objetos lejanos proporcionan suficiente señal débil, así que tuve que establecer la ganancia en 100.
Como resultado de los experimentos, resultó que incluso en ausencia de una señal, por alguna razón, en la salida del amplificador operacional seleccionado, por alguna razón, hay constantemente un voltaje de aproximadamente 1,5 V, lo que interfiere con el procesamiento de los resultados y degrada el precisión de la medición de la amplitud de la señal. Para deshacerme de este prejuicio, tuve que presentar voltaje adicional a la entrada inversora del amplificador operacional.

El tablero fue diseñado para ser de doble cara; es bastante difícil hacer un tablero de este tipo en casa con alta calidad, así que pedí que los tableros se hicieran en China (tuve que pedir 10 piezas a la vez):

Para este telémetro utilicé un objetivo barato con rosca M12 que tiene una distancia focal de 16 mm. La lente se monta en la placa de circuito impreso mediante un soporte de lente ya preparado (se utilizan en varias cámaras).
El láser de este telémetro es un módulo láser infrarrojo (780 nm) con una potencia de 3,5 mW.
Al principio supuse que sería necesario modular la radiación láser, pero luego resultó que con la regla utilizada no tenía sentido y, por lo tanto, ahora el láser está constantemente encendido.
Para probar la funcionalidad de la electrónica, se montó el siguiente diseño, simulando el cabezal de escaneo de un telémetro:

Ya de esta forma se pudo comprobar la precisión de medición de distancias que puede proporcionar el telémetro.
Para analizar la señal generada por la regla, escribimos programas de prueba Para microcontrolador y PC.
Un ejemplo del tipo de señal de una regla (un objeto a una distancia de 3 m).

Inicialmente, el esquema no era exactamente el mismo que se muestra arriba. Durante los experimentos tuve que rehacer parcialmente el circuito original, por lo que, como se puede ver en las fotografías, algunas piezas tuvieron que montarse mediante soportes articulados.

parte mecanica

Una vez depurada la electrónica, llegó el momento de fabricar la parte mecánica.
Esta vez no me molesté con la mecánica del disco duro y decidí hacer piezas mecánicas con plástico líquido vertido en un molde de silicona. Esta tecnología se describe detalladamente en Internet, incluido Giktimes.
Después de hacer las piezas, quedó claro que sería más fácil hacerlas en una impresora 3D, podrían resultar más difíciles y tal vez sería posible hacer una pieza en lugar de dos. No tengo acceso a una impresora 3D, por lo que tendría que encargar la producción de la pieza a alguna empresa.
Foto de una de las partes del cabezal de escaneo del telémetro:

Esta parte es la base de la cabeza. Consta de un manguito, sobre el que posteriormente se coloca un rodamiento, y un disco. El disco está destinado a sujetar la segunda parte de la torre; además, el disco codificador está pegado desde abajo.
El manguito y el disco contienen un orificio pasante en el que se inserta un conjunto de cepillo de 6 líneas comprado; se puede ver en la foto. Son esos cables que son visibles en la fotografía los que pueden girar con respecto al cuerpo de esta unidad. Para mejorar la estabilidad operativa, se utilizan 2 pares de líneas de escobillas para transmitir señales GND y UART TX. Las 2 líneas restantes se utilizan para transmitir el voltaje de la fuente de alimentación y la señal del codificador.

Molde de silicona para fundir esta pieza:

La segunda parte del cabezal de escaneo se hizo de la misma manera. Está diseñado para unir la placa de circuito impreso y el láser al disco. Lamentablemente no tengo fotografías de la fabricación de esta pieza, por lo que sólo se puede ver como parte del telémetro.

Se utiliza un rodamiento de bolas para fijar el cabezal de escaneo a la base del telémetro. Utilicé un rodamiento chino 6806ZZ barato. Para ser honesto, no me gustó la calidad del rodamiento: el eje de su casquillo interior podría desviarse en un pequeño ángulo con respecto al eje exterior, por lo que el cabezal del telémetro también se inclina un poco. La fijación del rodamiento a la pieza con el disco y la base se mostrará a continuación.

La base la hice con plexiglás transparente de 5 mm de espesor. Un rodamiento, un sensor codificador, un motor telémetro y un pequeño tarjeta de circuito impreso. La base en sí se instala en cualquier superficie adecuada mediante rejillas.
Así es como se ve la base del telémetro desde abajo:

La placa de circuito impreso contiene un regulador de voltaje lineal ajustable para alimentar el motor y almohadillas para conectar los cables del conjunto de escobillas. Aquí también se suministra la fuente de alimentación para el telémetro.
Como en otros telémetros, el motor hace girar el cabezal de escaneo mediante una correa. Para evitar que se caiga del casquillo, tiene un hueco especial.
Como se puede ver en la foto, el rodamiento se fija a la base con tres tornillos. En el cabezal de escaneo, el cojinete se sujeta mediante un saliente del casquillo y se presiona contra él mediante otros tornillos, que sujetan simultáneamente el conjunto del cepillo.

El codificador consta de un disco de papel con marcas impresas y un optoacoplador con un fototransistor que funciona por reflexión. El optoacoplador se fija mediante un soporte en la base de modo que el plano del disco quede al lado:

La señal del optoacoplador se transmite a través de las escobillas a la entrada del comparador del microcontrolador. como fuente tensión de referencia para el comparador se utiliza el DAC del microcontrolador.
Para que el telémetro determine la posición del ángulo cero, se aplica una marca larga al disco del codificador, que marca la posición cero del cabezal (se ve a la derecha en la foto de arriba).

Así es como se ve el telémetro ensamblado:


Vista superior:


El conector en la parte posterior del telémetro se utiliza para flashear el microcontrolador.
Para equilibrar el cabezal de escaneo, se instala una tuerca grande en su parte frontal que elimina casi por completo la vibración cuando el cabezal gira.

Es necesario ajustar el telémetro ensamblado: coloque el láser en una posición tal que la luz reflejada por los objetos llegue a la línea de fotodetección. Ambas piezas de plástico contienen orificios coaxiales ubicados debajo de la ranura del láser. Atornillado en agujeros tornillos de ajuste, apoyado contra el cuerpo del láser. Al girar estos tornillos, puede cambiar la inclinación del láser.
Al observar la forma y amplitud de la señal recibida en un programa de computadora y cambiar la inclinación del láser, es necesario lograr la amplitud máxima de la señal.
Además, los telémetros de triangulación requieren calibración, como escribí anteriormente:

Para poder medir la distancia con un sensor, éste debe estar calibrado, es decir, determinar la ley que relaciona el resultado devuelto por el sensor y la distancia real. El proceso de calibración en sí es una serie de mediciones, como resultado de las cuales se forma un conjunto de distancias desde el sensor a algún objeto y los resultados correspondientes.

EN en este caso La calibración consistió en una serie de mediciones de distancias a varios objetos con un telémetro casero y una cinta métrica láser, después de lo cual, utilizando los pares de mediciones resultantes, análisis de regresión y se compila una expresión matemática.

El telémetro resultante tiene inconveniente significativo- debido a la falta de modulación de la radiación láser, no funciona correctamente bajo una iluminación intensa. La iluminación normal de la habitación (incluso cuando se utiliza una lámpara de araña potente) no afecta el funcionamiento del telémetro, pero el telémetro no mide la distancia a las superficies iluminadas directamente por el sol. Para resolver este problema, el telémetro debe incluir un filtro de interferencia que transmita radiación luminosa solo de una determinada longitud de onda, en este caso 780 nm.

La evolución de los telémetros caseros:

Dimensiones generales del telémetro resultante:
Tamaño base: 88x110 mm.
Altura total del telémetro: 65 mm (se puede reducir a 55 reduciendo la altura de los soportes).
Diámetro del cabezal de escaneo: 80 mm (igual que un disco mini-CD).

Como cualquier otro telémetro de triangulación, la precisión de la distancia de este telémetro disminuye drásticamente a medida que aumenta la distancia.
Al medir la distancia a un objeto con un coeficiente de reflexión de aproximadamente 0,7, obtuve aproximadamente las siguientes características de precisión:

Distancia	Dispersión
1 metro	<1 см
2 metros	2 centímetros
5 metros	7 centímetros

Costo de fabricación del telémetro:

	bricolaje, $	Mayorista, $
Base
Placa base	1,00	0,50
Motor	0,00	1,00
Cojinete	1,50	1,00
Unidad de cepillo	7,50	5,00
sujetadores	0,00	2,00
Cabezal de escaneo
Controlador STM32F303CBT6	5,00	4,00
Regla fotodetección	18,00	12,00
Otra electrónica	4,00	3,00
Pagar	1,50	0,50
Lente	2,00	1,50
Porta lentes	1,00	0,50
Láser	1,00	0,80
Piezas de plastico	3,00	2,00
sujetadores	0,00	1,00
Asamblea	0,00	20,00
Total:	45,50	54,80

En la primera columna, cuánto me costó el telémetro, en la segunda, cuánto podría costar en la producción industrial (estimación Muy aproximado).

Software de telémetro

Antes de escribir un programa, es necesario calcular la frecuencia de reloj a la que funcionará la línea del fotodetector.
En versiones anteriores del telémetro, la frecuencia de escaneo estaba limitada a 3 Hz, en el nuevo telémetro decidí aumentarla: 6 Hz (esto se tuvo en cuenta al elegir la regla). El telémetro toma 360 mediciones por revolución, por lo que a esta velocidad debería poder realizar 2160 mediciones por segundo, lo que significa que una medición debería tomar menos de 460 µs. Cada medición consta de dos etapas: exposición (acumulación de luz mediante una regla) y lectura de datos de la regla. Cuanto más rápido se lea la señal, mayor será el tiempo de exposición y, por tanto, mayor será la amplitud de la señal. A una frecuencia de reloj de línea de 8 MHz, el tiempo de lectura de 1024 píxeles será de 128 μs, a 6 MHz, de 170 μs.

Con una frecuencia de reloj del microcontrolador de la serie STM32F303 de 72 MHz, la frecuencia máxima de muestreo del ADC es 6 MSPS (con un ancho de conversión de 10 bits). Como quería probar el funcionamiento del telémetro a una frecuencia de reloj lineal de 8 MHz, decidí utilizar el modo de funcionamiento ADC, en el que dos ADC funcionan simultáneamente (modo ADC dual - modo intercalado). En este modo, una señal de una fuente de inicio externa activa el ADC1 y luego, después de un tiempo configurable, el ADC2:

Como puede verse en el diagrama, la frecuencia de muestreo total del ADC es el doble de la frecuencia de disparo (en este caso, la señal del temporizador TIM1).
En este caso, TIM1 también debe generar una señal de reloj para la línea del fotodetector, sincrónica con las muestras del ADC.
Para recibir dos señales de un temporizador con frecuencias que difieren en un factor de dos, puede cambiar uno de los canales del temporizador al modo TIM_OCMode_Toggle, y el segundo canal debería generar una señal PWM normal.

Diagrama de bloques del programa telémetro:

La parte clave del programa es precisamente capturar datos de la regla y gestionarlos. Como se puede ver en el diagrama, este proceso ocurre a nivel de hardware, debido al trabajo conjunto de TIM1, ADC1/2 y DMA. Para garantizar que el tiempo de exposición de la regla sea constante, se utiliza un temporizador TIM17 que funciona en modo de pulso único.

El temporizador TIM3 genera interrupciones cuando se activa el comparador conectado al codificador. Debido a esto, se calcula el período de rotación del cabezal de escaneo del telémetro y su posición. Con base en el período de rotación obtenido, se calcula el período del temporizador TIM16 para que genere interrupciones cuando el cabezal gira 1 grado. Son estas interrupciones las que sirven para desencadenar la exposición del gobernante.

Después de que el DMA transfiere los 1024 valores capturados por el ADC a la memoria del controlador, el programa comienza a analizar estos datos: primero, se busca la posición de la señal máxima con precisión de píxeles, luego, utilizando el algoritmo de búsqueda del centro de gravedad, con una mayor precisión (0,1 píxeles). El valor resultante se almacena en la matriz de resultados. Después de que el cabezal de escaneo realiza una revolución completa, en el momento de pasar por cero, esta matriz se transfiere al módulo UART utilizando otro canal DMA.

Usando el telémetro

La calidad del rendimiento de este telémetro, al igual que los anteriores, se comprobó mediante un programa escrito por él mismo. A continuación se muestra un ejemplo de una imagen generada por este programa como resultado de la operación del telémetro:

Sin embargo, el telémetro no fue hecho para simplemente estar sobre la mesa, sino que se instaló en una vieja aspiradora Roomba 400 en lugar del telémetro de la segunda versión:


El robot también está equipado con una computadora PC Orange Pi, diseñada para controlar el robot y comunicarse con él.
Al final resultó que, debido a la gran caída de voltaje en la fuente de alimentación lineal del motor del telémetro, el telémetro requiere un voltaje de suministro de 6 V para funcionar a una velocidad de 6 rps. Por lo tanto, Orange Pi y el telémetro funcionan mediante convertidores DC-DC separados.

Utilizo ROS para controlar el robot y analizar datos del telémetro.
Los datos del telémetro son procesados ​​por un controlador ROS especial (basado en el controlador del telémetro Neato), que recibe datos del telémetro a través de UART, los convierte en distancias a objetos (usando datos de calibración) y los publica en el formato ROS estándar.
Así es como se ve la información recibida en rviz (un programa para visualizar datos ROS), el robot está instalado en el piso:


La longitud lateral de la jaula es de 1 metro.

Una vez que los datos han ingresado a ROS, se pueden procesar utilizando paquetes de software ya preparados. Para construir el mapa del apartamento, utilicé hector_slam. Como referencia: SLAM es un método para construir simultáneamente un mapa del área y determinar la posición del robot en él.
Un ejemplo del mapa del apartamento resultante (la forma es algo inusual, porque el telémetro "ve" muebles, no paredes, y no se muestran todas las habitaciones):


ROS le permite combinar múltiples programas ("nodos" en la terminología de ROS) que se ejecutan en diferentes computadoras en un solo sistema. Gracias a esto, en el Orange Pi sólo se pueden ejecutar los controladores Roomba y telémetro ROS, mientras que el análisis de datos y el control del robot se pueden realizar desde otro ordenador. Al mismo tiempo, los experimentos han demostrado que hector_slam también funciona normalmente en Orange Pi, cargando el procesador de manera aceptable, por lo que es muy posible organizar el funcionamiento totalmente autónomo del robot.

El sistema SLAM, gracias a los datos del telémetro, permite al robot determinar su posición en el espacio. Utilizando datos sobre la posición del robot y el mapa construido, es posible organizar un sistema de navegación que le permita "dirigir" el robot a un punto específico en el mapa. ROS contiene un paquete de software para resolver este problema, pero, desafortunadamente, nunca pude hacerlo funcionar bien.

Vídeo del telémetro en acción:

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Este dispositivo, que todavía se considera único, ha podido encontrar aplicación en casi todos los ámbitos de la vida humana. Hoy en día, los telémetros láser se pueden ver en manos de geólogos y topógrafos. Es decir, en aquellos ámbitos de la actividad humana donde es necesario medir distancias con extrema precisión. Por lo tanto, las cintas métricas láser han ganado gran popularidad y se caracterizan por su alta precisión, mayor confiabilidad y un precio muy asequible. Es bastante natural preguntarse si es posible fabricar un telémetro láser con sus propias manos.

El grupo de dispositivos que miden distancias mediante electrónica incluye: telémetro láser, telémetro ultrasónico.

Las mediciones con un telémetro láser se realizan sobre la base de los flujos de luz; el portador de la señal es la radiación electromagnética, coloreada en el tono correspondiente. En la mayoría de los casos, se utiliza la luz roja como base.

Según las leyes de la física, la velocidad de la luz es mucho mayor que la velocidad del sonido, por lo que el tiempo necesario para medir la misma distancia será diferente.

Las principales razones para instalar un telémetro láser.

Usar una cinta métrica mecánica no siempre es conveniente. A veces no tiene un efecto positivo. En los últimos 10 años, los telémetros electrónicos se han vuelto cada vez más preferidos. Este grupo de dispositivos que miden distancias mediante electrónica incluye:

• telémetro láser;
• Telémetro ultrasónico.

Todos estos dispositivos funcionan según el principio sin contacto. Hoy en día, los artesanos nacionales crean un telémetro de este tipo con sus propias manos. Los dispositivos no funcionan peor que los que se produjeron en la fábrica.

Un telémetro láser de bricolaje consta de varias partes:

• pagar;
• microcontrolador;
• amplificador de señal láser;
• láser;
• fotodetector;
• filtrar.

Básicamente, la radiación láser se produce mediante una señal sinusoidal.

Es bastante difícil obtener una señal de este tipo con una frecuencia de 10 MHz. Un simple controlador no es adecuado aquí. Para ello, es mejor utilizar un meandro que tenga la frecuencia requerida. Cuando se amplifica la señal proveniente del fotodetector, los armónicos innecesarios se eliminan mediante un filtro de paso de banda especial que opera a una frecuencia de 10 MHz. Aparece una señal en la salida que se parece mucho a una sinusoidal.

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Para hacer un telémetro con sus propias manos, puede utilizar un circuito de comunicación láser como base. En este caso, la transferencia de datos se produce muy rápidamente, la velocidad es de 10 Mbit. Este valor corresponde a la frecuencia de modulación existente.

Para un dispositivo láser de este tipo, se utiliza el amplificador de potencia más simple. Consta de un chip 74HC04, que se ensambla a partir de seis inversores. El suministro de corriente está limitado por resistencias especiales. Sin embargo, los artesanos pueden sustituir las resistencias por piezas más fiables.

La placa de puesta en servicio se convierte en una fuente de voltaje de 5 voltios. Así es como el amplificador recibe energía. Para eliminar la interferencia de la señal a otra parte del circuito eléctrico, la carcasa del amplificador está hecha de acero y cada cable está blindado.

El láser es la unidad instalada en los decodificadores de DVD. Un dispositivo de este tipo tiene potencia suficiente para funcionar a frecuencias que alcanzan los 10 MHz.

El receptor incluye:

• fotodiodo;
• amplificador.

El amplificador incluye un transistor de efecto de campo, un microcircuito especial. A medida que aumenta la distancia, la iluminancia del fotodiodo disminuye. Por tanto, es necesario contar con una amplificación potente. El circuito montado permite llegar a 4000 unidades.

A medida que aumenta la frecuencia, las señales de los fotodiodos comienzan a disminuir. Un amplificador de este diseño es la parte principal y altamente vulnerable. Su ajuste requiere una precisión muy alta. Es aconsejable ajustar la ganancia de forma que se obtengan valores máximos. La forma más sencilla es suministrar 3 V al transistor. Puede instalar una batería normal.

Para que el receptor comience a funcionar es necesario suministrarle 12 V. Para ello, se instala una fuente de alimentación especial.

Un amplificador de este tipo tiene una alta sensibilidad a cualquier interferencia, por lo que debe estar blindado. Para ello puede utilizar la carcasa del sensor óptico. El blindaje de fotodiodos se puede fabricar con láminas ordinarias.

El sistema descrito anteriormente le permitirá crear un telémetro láser casero en casa.

oleg n. 16-04-2007 15:18

En general, formas económicas de medir distancias. Compartimos, discutimos, proponemos.

cita: Telémetro mecánico.
Cómo hacer su propio dispositivo telémetro, que le permite determinar con relativa precisión distancias a objetos ubicados a casi 100 m de distancia del observador. La distancia mínima que el dispositivo puede determinar es de 70 cm.
La base de 1 telémetro es una placa de metal con un espesor de 1,5 mm y unas dimensiones de 80 x 130 mm. En un borde largo de la placa está fijada una tira metálica móvil de 18 mm de ancho, cuyos bordes están doblados a una altura de 13 mm. En uno de esos bordes se perfora un agujero con un diámetro de 2 mm y en el otro se corta una ranura del mismo ancho. Se unen dos esquinas al otro borde largo de la placa. En la primera esquina (3) se perfora un orificio con un diámetro de 2 mm y en la segunda esquina (5) se corta una ranura de 2 mm de ancho. La distancia entre los orificios de la esquina y la barra móvil debe ser de 65 mm; corresponde a la distancia aproximada entre los centros de las pupilas de la mayoría de los escolares.
El tornillo de fijación de la barra móvil se aprieta para que la barra pueda girar libremente alrededor de él. En este caso, el ángulo entre las líneas rectas trazadas a través de los centros de los agujeros y ranuras de la placa móvil y las esquinas cambiará y, por tanto, también cambiará el ángulo de visión. Cuanto mayor sea este ángulo, más lejos estará el objeto del observador. Todo lo que queda es medir el ángulo y usarlo para determinar la distancia al objeto. Pero no haremos ningún cálculo, sino que fabricaremos un dispositivo de referencia que nos permitirá determinar inmediatamente la distancia.
El dispositivo de referencia es un mango 4, tallado en aluminio, duraluminio u otro metal con un espesor de 1,5 mm. El borde del mango tiene una superficie con un radio de curvatura variable con respecto al axial, lo que permite mover suavemente la barra móvil al girar el mango. El mango se refuerza a una distancia tal de la barra que en la posición de máxima desviación de la barra, las líneas trazadas a través de los centros de los agujeros y ranuras de la barra y las esquinas serán paralelas a la otra posición extrema del mango. corresponden a la distancia mínima medida posible
La barra móvil se presiona contra el mango de conteo mediante un dispositivo que consta de una placa restrictiva 6 y un resorte 7. El extremo del resorte se sujeta debajo de uno de los tornillos de fijación de la placa, cuyo otro extremo se inserta en el orificio de la curvatura de la barra.
Si ahora tomas el telémetro en tus manos, podrás observar varios objetos a través de los agujeros y rendijas. Al girar la perilla de conteo, asegúrese de que el objeto sea visible con ambos ojos al mismo tiempo (para controlarlo, debe cerrar los ojos alternativamente). Esta posición corresponderá a un determinado ángulo de visión y, por tanto, a una determinada distancia al objeto. La distancia se mide en una escala opuesta al plano del borde lateral del mango. Naturalmente, tendrás que calibrar la báscula tú mismo, colocando el objeto a distancias medidas previamente desde el punto de observación. Esto no es difícil de hacer y esperamos que pueda realizar esta tarea.

En otros lugares se propuso utilizar un láser junto con la óptica.

Bueno ya está, ahora me tirarán hamsters.

Hobott 16-04-2007 16:50

La distancia entre los orificios de la esquina y la barra móvil debe ser de 65 mm; corresponde a la distancia aproximada entre los centros de las pupilas de la mayoría de los escolares.

Todo esto está bien, pero ¿tienes que llevar tu mochila a todas partes? Se pierde una ventaja tan importante del dispositivo como la compacidad... En general, es una broma. Ahorre para Nikon. Lo hice y se lo recomiendo a todos.

Hobott 16-04-2007 19:46

Vaya, hermano, estos son estafadores... (c) Los telémetros son, en principio, telémetros... La gente aquí usa... escupe, de verdad... Pero cualquier cosa es mejor que tu versión con un colegial. Tómalo. ¡Pero recuerda! (c) - desde los estados de Nikon por $220 con envío

oleg n. 16-04-2007 20:06

Entonces, ¿JJ es un "telémetro" entre comillas, al igual que una "mira" de Tasco? Ahorraré para Nikon.

ober 16-04-2007 20:57

Tengo un telémetro. Dispositivo normal. La corriente debe seleccionarse al comprar. medir una distancia conocida. Funciona de forma fiable incluso a través del cristal del coche. No hay necesidad de regañarlo: no vale más de lo que pagas por él.

Nitrador 17-04-2007 12:52

1, y está bien que dentro haya un sistema antichoque con cinta adhesiva, pero siempre se puede reparar en el campo

PMM 17-04-2007 22:32

También me dieron un telémetro JJ, todavía estoy arando, verifiqué la distancia con un rollo de 55 m Error + - 1 m, medí el máximo al sol. clima 734m

Alejandro Sh. 777 04-05-2007 03:54

El proyecto es interesante y barato, conseguiré algo de metal y luego lo haré, si funciona ahorraré en el telémetro.

eskoff 30-05-2007 16:43

Con una base de este tipo, el rango de medición real es de hasta 10 (quizás 15 m). Anteriormente, las cámaras tenían telémetros similares, que a veces se vendían por separado. Sólo hay dos espejos, uno traslúcido. Bueno, se midió la inclinación de los ejes ópticos. Con este esquema, puede fabricar un telémetro con una precisión decente para un alcance de 100 metros, pero la base debe aumentarse a 500-600 mm.

svadim 31-05-2007 12:35

cita: Entonces, ¿JJ es un "telémetro" entre comillas, al igual que una "mira" de Tasco? Ahorraré para Nikon.

No lo sé, todavía lo estoy usando, todo está bien. ¿Quizás de vez en cuando no sea necesario?1