Sensori laser di distanza

1. Sensori laser di distanza Andrea Usai

2. Introduzione • Verranno trattati due metodologie differenti per effettuare misure di distanza utilizzando un laser: • Misura basata sulla triangolazione • Misura basata sul tempo di volo • Queste sono per certi versi duali e presentano, quindi, campi applicativi molto differenti.

3. Diodo laser In entrambi i casi, l’elemento alla base di questi sensori è il diodo laser. Il diodo converte un segnale elettrico in un segnale luminoso.

4. Riflessione nei diversi materiali Riflessione diffusa in accordo con la legge di Lambert. Riflessione totale Riflessione catottrica

5. Sensori basati sulla triangolazione • Il principio di funzionamento è il seguente: • Un raggio laser colpisce il bersaglio e viene riflesso (in modo diffuso). • Il punto colpito viene messo a fuoco da lenti su un vettore CCD. • In base alla posizione del punto sul vettore si può determinare la distanza del bersaglio. • D1 è la distanza di riferimento (lo zero). • D2 è il range delle misure.

6. Determinazione della distanza Dobbiamo calcolare d conoscendo h: Nel caso si utilizzasse il sensore con un PC sarebbe sufficiente mandare attraverso l’RS232 i valori di h e lasciare che si occupi il calcolatore di ricavare il valore della misura.

7. Dati tecnici • Sensori di questo tipo presentano le seguenti caratteristiche: • Misura senza contatto • Lunghezza d’onda del laser di 670nm (rosso) • Ampie distanze fra sensore e target (50-250mm) (D1) • Range di misura da ±2 a ±100mm (D2) • Precisione: 0,005% f.s. • Data-rate circa di 10KHz • Linearità dello 0.03% f.s. • Piccolo punto di misura (100mm) • Temperatura di funzionamento da 0° a 40°C

8. Cose da ricordare per l’impiego • L'area della trasmissione e riflessione del raggio deve essere pulita • Il sensore ha dimensioni relativamente grandi (120x120x30mm) • Il laser deve essere orientato in modo da evitare che gli spigoli non oscurino il laser (shadowing effect) • La misura è affetta da errori dovuti ad un “disallineamento”

9. Possibili applicazioni • Con questo sensore, nei processi industriali, è possibili misurare: • vibrazioni, gioco,… • distanza, posizione,… • flessione, deformazione,… • dimensioni, rispetto di tolleranze,… • deformazioni,… • controllo di qualità,…

10. Esempio: misura del livello idrostatico Vogliamo utilizzare un sensore basato sul laser per misurare l’altezza di un liquido (acqua) contenuto in un recipiente. Il sensore è tale per cui il riferimento è a distanza b=40mm con un angolo b=28°. Possiamo calcolare la distanza: a = b tg b Se nel recipiente mettiamo un liquido il laser viene rifratto. A seconda del livello del liquido il laser compie una traiettoria più o meno lunga ed in questo modo si riesce a misurare il livello del liquido senza che vari la distanza fra il sensore ed il fondo che è la superficie di riflessione.

11. Per prima cosa dobbiamo tarare il sensore ovvero trovare un livello del liquido di riferimento. Sappiamo che il laser ha una lunghezza d’onda l=670nm per cui n=1,33. Calcoliamo a: sin b = n sin a, a = 20,67° Quindi: È stato scelto d =15mm e T=44.4mm. Il sensore restituisce 1V per mm in aria ed in questo caso 0.3V per mm.

12. Un esempio di misura fatto con questo sensore. Supponiamo di avere due serbatoi a due livelli differenti. Supponiamo di aprire il rubinetto fra questi serbatoi in un certo istante. Queste sono le misure che otterremmo:

13. Sensori basati sul tempo di volo Un diodo laser trasforma un treno d’impulsi in un segnale luminoso. Parte dell’eco del segnale colpisce un foto diodo che lo trasforma in un segnale elettrico. L’intervallo di tempo fra l’impulso trasmesso e quello ricevuto viene “contato” da un clock la cui frequenza stabilisce la precisione minima apprezzabile dallo strumento. In genere questi sensori danno una misura non solo della distanza ma anche dell’intensità con cui è “tornato” il laser.

14. Principio di funzionamento In generale quella che viene misurata è la distanza del sensore dall’ultimo bersaglio incontrato dal laser. Consideriamo i seguenti diagrammi temporali:

15. Specifiche tecniche • Sensori di questo tipo sono caratterizzati da: • Numero massimo di bersagli illimitato • Minima distanza fra due bersagli dipende dell’ampiezza dell’eco (2-5m) • Distanza massima dai 100 m a circa 1Km • Distanza minima di circa 2m • Precisione di ±2,5cm, nel caso dell’ultimo bersaglio di 10cm • In particolare notiamo che dalla distanza massima e dalla precisione possiamo avere un’idea del periodo del segnale che pilota il diodo laser del clock:

16. Esempio di misura Consideriamo un bersaglio posto a circa 35m. Facciamo delle misure in caso neve fra il sensore e il bersaglio. Quello che otteniamo con sensori di questo tipo è: Questi sensori restituiscono anche la distanza dell’ultimo bersaglio dal precedente.

17. Variazioni di distanza massima misurabile La portata del sensore è funzione sia del materiale del bersaglio (del suo coefficiente di riflessione r) che delle condizioni atmosferiche:

18. Possibili applicazioni Misura del livello in un gasometro: Controllo per attracco di una nave:

19. Laser scanner Un’applicazione più interessante di questi sensori sono i laser scanner. Ne esistono di versioni 2D e 3D. Il principio di funzionamento è il seguente: 1. Generico sensore laser basato sul tempo di volo 2. “Area spazzata” dal sensore (q=60°-80°) 3. Specchio “rotante” per indirizzare il laser verso le diverse direzioni

20. Diagrammi temporali Nel caso 3D il poligono riflette il laser oltre che a destra e sinistra anche dall’alto al basso.

21. Specifiche tecniche • Le specifiche del sensore di scansione sono, nel caso 2D: • Intervallo di scansione 60°-80° • Passo angolare di rotazione 0.11°-0.14° • Frequenza di circa 10 scansioni al sec. • Dimensioni di circa 380x140x140 per 6Kg • Per quanto riguarda il caso 3D: • Scansione verticale di circa 40° • Scansione orizzontale di circa di 60° • Immagini di circa 330x200 punti

22. Possibili applicazioni • Il campo di utilizzo per sensori di questo tipo è in tutte quelle applicazioni per cui si debbano effettuare misure sulla lunga distanza. Alcuni esempi sono: • Profilo del terreno da aereomobili • Riconoscimento e aggiramento degli ostacoli per veicoli • Riconoscimento della posizione • …

23. Scansione del terreno Usando uno scanner sotto la fusoliera di un aereo è possibile rilevare il profilo del terreno. La “mappa” si presenta come in figura. Il problema più frequente è quello dello shadowing.

24. Esempi di misure effettuate Scansione 2D da un aereoplano:

25. Scansione 3D di una costruzione: Camera CCD Misura di distanza.Colori verso il rosso indicano distanze minori dal sensore. Misura di intensità.

26. Misura di distanza e di intensità del raggio riflesso. La distanza è misurata da 7 a 79m.

27. Con questi sensori è si ottiene un’immagine che facilita il riconoscimento degli oggetti per rendersene conto basta modificare il colore dei “pixel di confine”:

28. That’s all folks!