Lidar

Vajalikud teadmised: [HW] Kommunikatsiooni moodul, [HW] Kasutajaliidese moodul, [LIB] Jadaliides, [LIB] Graafiline LCD, [LIB] Andurid

Tootja SICK lasermõõdik (LIDAR)

LIDAR (LIght Detection And Ranging) on optiline kaugseire süsteem, mis kaardistab ümbrust. Lidareid kasutatakse autonoomsete autode ja robotite peal, kuid ka erinevates koobaste ja keskkonna kaardistamise süsteemides ning tööstusrobootikas. Lidar võimaldab saada küllaltki täpse kujutise ruumist ja takistustest.

Lidar koosneb laserist, mis saadab kiire objektini ja vastuvõtjast. Vastuvõtja on võimeline mõõtma valguse tagasipeegeldunud komponenti objektilt, mis on samasihiline saadetud laserkiirega. Selle järgi arvutatakse kaugus. Mõõtmisi tehakse paljudes punktides. Laserkiire juhtimine toimub mehhaaniliselt liigutatava peegli abil. Tasapinnalist skaneerimist võimaldavad lidarid on odavamad. Nende puhul katab kiir tasapinna, näiteks 180 kraadi ulatuses. Võimalik on skaneerida veel ruumiliselt, kus laserkiire katvus on osa sfäärist. Kiire liigutamine toimub sellisel juhul kahe telje ümber. Skanneritud ala mõõtmisandmete järgi saab luua kas tasapinnalise kaardi või kolmemõõtmelise mudeli keskkonnast.

Tööpõhimõte

Valguse tagasipeegeldunud komponendi mõõtmiseks on kaks erinevat viisi. Esimesel juhul saadetakse välja infrapuna laseri impulss ja oodatakse, kuni see tagasi peegeldub. Tagasipeegeldumise aja järgi saab arvutada antud suunas oleva objekti kauguse. Kuna mõõtmine toimub pikosekundites, siis selliste seadmete hind on väga kõrge.

Faasinihke mõõtmine

Teine odavam võimalus on kasutada moduleeritud infrapuna laserkiirt ja mõõta saadetava ja objektilt tagasipeegelduva valguse faasinihet. Faasinihke suurus on sõltuv objekti kaugusest. Moduleeritud signaali lainepikkus on leitav valemist:

c = f ∙ τ

kus c on valguse kiirus, f modulatsioonisagedus ja τ tuntud moduleerimiseks kasutatud lainepikkus.

Summaarne kaugus D', mille kiiratud valgus läbib on:

D' = B + 2A = B + (θ * τ) / 2π

kus A on mõõdetav kaugus ja B on faasinihkesensori vahemaa kiirtelahutajast. Soovitud kaugus D kiirtelahutaja ja takistuse vahel on avaldatav järgmiselt:

D = τ * θ / 4π

kus θ on elektrooniliselt mõõdetav faasi erinevus kiiratud ja tagasipeegeldunud valguskiire vahel.

Lidariga mõõdetud kaart

Robootikas ja tööstuses on SICK laserkaugusmõõdikud laialdaselt kasutustusel. SICK LMS 200 on lihtsalt ühendatav RS-232 või RS-422 liidese abil, võimaldades skaneerida 180 kraadist ala 80 meetri kauguselt. Lidari tööpõhimõte seisneb saadetud valgusimpulsi tagasipeegeldumiseks kulunud aja mõõtmises. Paremal oleval pildil on ühe skaneerimise tulemused kujutatud kaardina.

Ühendusskeem

SICK lidari töökorda seadmiseks tuleb ühendada toite ja andmeside kaablid. Lidari tagaosas ülemise nurga lähedal on kaks pistikut, mis sarnanevad arvuti jadaliidese pordi omaga. Emane pistik on mõeldud toite ja isane andmeside jaoks. Toite ja jadaliidese kaabel tuleb ühendada vastavalt pildile. Lidari saab ühendada kodulabori kommunikatsioonimooduliga RS-232 pistiku abil. Toide 24 V dc tuleb võtta eraldi toiteallikast, mida ei ole lisatud kodulabori komplekti.

SICK võtab vastu käsklusi bittide striimina jadaliidese vahendusel. Andmete edastamisel saadab andur tagasi bittide jada sõltuvalt mõõtetulemusest antud nurgas.

Andmete saamiseks andurilt tuleb kõigepealt saata stardistring, et öelda lidarile, et see alustaks saatmist. See string on järgmine:

Kuueteistkümmnendkujul: 02 00 02 00 20 24 34 08

Kümnendkujul: 2 0 2 0 32 36 52 8

Kui stardistring on edukalt saadetud, alustab lidar andmete striimimist üle jadaliidese. Andmed skaneerimise tulemusest saadetakse järjestikku iga kraadi kohta. Näiteks kui lidar on seadistatud skaneerima 180° kraadi ulatuses eraldusvõimega 0.5°, siis esimene lugem on nurga 0° kohta, teine lugem nurga 0.5° kohta ja nii edasi. See tähendab, et kokkuvõttes saadetakse 361 lugemit. Iga kauguse lugem saadetakse kahe baidina. Kõige madalam bait saadetakse esimesena. Sellele järgneb kõrgem bait. Töötades “metric” režiimil on mõõdetav kaugus antud millimeetrites.

Andmete saatmise lõpetamiseks tuleb saata stopp käsk. See käsk on järgnev:

Kuueteistkümmnendkujul: 02 00 02 00 20 25 35 08

Kümnendkujul: 2 0 2 0 32 37 53 8

Järgmine näide tutvustab, kuidas seadistada lidar ja lugeda saabunud pakettide arvu, kasutades kodulaborit.

#include <stdio.h>
#include <homelab/delay.h>
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/module/lcd_gfx.h>
#include <homelab/usart.h>
 
// USART liidese seadistamine
usart port = USART(0);
 
// Nuppude viikude määramine
pin button1 = PIN(C, 0);
pin button2 = PIN(C, 1);
 
// Riistvara seadistamine
static inline void init()
{
	// Nupu viikude sisendiks määramine
	pin_setup_input_with_pullup(button1);
	pin_setup_input_with_pullup(button2);
 
	// LCD ekraani seadistamine
	lcd_gfx_init();
 	// LCD ekraani puhastamine
	lcd_gfx_clear();
 	// LCD ekraani taustavalgustuse tööle lülitamine
	lcd_gfx_backlight(true);	
 	// Programmi nime kuvamine
	lcd_gfx_goto_char_xy(3, 1);
	lcd_gfx_write_string("Lidar");
 
	// USART liidese seadistamine
	usart_init_async
	(
		port,
		USART_DATABITS_8,
		USART_STOPBITS_ONE,
		USART_PARITY_NONE,
		USART_BAUDRATE_ASYNC(9600)
	);		
}
 
// Põhiprogramm
int main(void)
{	
	unsigned char new_value1, new_value2, old_value1 = 0, old_value2 = 0;
 
	char c;
	int i = 0;
	int count = 0;
	char text[16];
 
	// Seadista riistvara
	init();	
 
	// Lõputu tsükkel
	while (1)
	{	 
		// Nupu oleku lugemine
		new_value1 = pin_get_debounced_value(button1);
		new_value2 = pin_get_debounced_value(button2);
 
		// Nupp S1 on alla vajutatud
		if((!new_value1) && (old_value1))
		{	
			//Saada lidarile "02 00 02 00 20 24 34 08", et alustada skanneerimist					
			usart_send_char(port, 0x02);
			usart_send_char(port, 0x00);
			usart_send_char(port, 0x02);
			usart_send_char(port, 0x00);
			usart_send_char(port, 0x20);
			usart_send_char(port, 0x24);
			usart_send_char(port, 0x34);
			usart_send_char(port, 0x08);
		}
 
		// Nupp S2 on alla vajutatud
		if((!new_value2) && (old_value2))
		{
			//Saada lidarile "0x 02 00 02 00 20 25 35 08", et lõpetada
                        //skanneerimine
			usart_send_char(port, 0x02);
			usart_send_char(port, 0x00);
			usart_send_char(port, 0x02);
			usart_send_char(port, 0x00);
			usart_send_char(port, 0x20);
			usart_send_char(port, 0x25);
			usart_send_char(port, 0x35);
			usart_send_char(port, 0x08);				
		}
 
		// Mäleta nupu viimast olekut
		old_value1 = new_value1;
		old_value2 = new_value2;
 
		// Jadaliidesest märgi lugemine
		if (usart_try_read_char(port, &c))
		{
			// Paketi päise "0x 02 81 D6 02 B0 69 41" otsimine			
			if(c == 0x02) i++;
			if(c == 0x81) i++;			
			if(c == 0xD6) i++;			
			if(c == 0x02) i++;			
			if(c == 0xB0) i++;			
			if(c == 0x69) i++;			
			if(c == 0x41) i++;
 
			// Päise olemasolu kontroll
			if(i >= 7)
			{
				//Paketi loenduri suurendamine
				count++;
 
				//LCD ekraanil pakettide arvu kuvamine
				lcd_gfx_goto_char_xy(0, 3);
 
				sprintf(text, "Pakette: %i", count);
 
				lcd_gfx_write_string(text);
 
				i=0;
			}
		}					
	}
}