LiDAR-Präzisionsmetermaß misst bis zu zwölf Meter

LiDAR-Module sind großartig zum Erkennen von Hindernissen und zum Messen von Entfernungen. Hier verwenden wir ein LiDAR-Modul, um präzise Entfernungsmessungen bis zu 12 m mit einer Auflösung von 1 cm vorzunehmen. Ursprünglich habe ich ein Benewake-LiDAR mit der Bezeichnung TFMini-S gekauft, um damit eine Art Radar zu bauen. Aber wie so oft wurde aus den Plänen nichts, bis ich bei meiner Arbeit eine aufschlussreiche Erfahrung machte und ich das Modul anderweitig nutzen konnte.

Elektrisch widerstandsgeschweißte Rohre (ERW) sind lange Rohre mit einem Durchmesser von 300 mm oder mehr und einer Länge von bis zu zwölf Metern. Sie werden in unserem Kraftwerk für den Transport von Ascheschlamm verwendet. Eines Tages, als ich mit diesen langen Rohren für die Montage der Ascheabzugsleitungen hantierte, stellte ich fest, dass mein Team jedes einzelne Rohr genau vermessen musste, bevor es durch das Ausgangstor herausgeschafft wurde. Jeden Tag musste sich jemand mindestens 30...50 Mal die Zeit nehmen, diese Messungen vorzunehmen. Unter freiem Himmel und bei 47 °C in der sengenden Sonne das Maßband an einem Ende zu halten und am anderen Ende eine Aufsichtsperson, die dann die Länge aufzeichnet, das ist eine sehr mühsame Arbeit. Hier entstand die Idee, ein Präzisionsmessgerät zu entwickeln.

LiDAR-Module

Das Single-Point-Ranging-LiDAR TFMini-S (Bild 1) kann Entfernungen bis zu 12 m sehr schnell (100 Hz) und sehr genau (1 cm Auflösung, 1 % Fehler) messen, was für diese Aufgabe genau richtig ist. Es gibt auch eine Plus-Version, die schneller ist (1 kHz) und in einem IP65-geschützten Gehäuse steckt. Beide Module sind mit einer seriellen Schnittstelle ausgestattet.

Wenn man das LiDAR an einem Ende des Rohrs anbringt und es dann auf eine gewinkelte Platte am anderen Ende richtet, erhält man die genaue Länge des Rohrs. Beide Versionen des LiDAR-Moduls haben ein Sichtfeld (FOV) von 3,4 Grad, so dass die korrekte Ausrichtung sehr wichtig ist, um ebenso korrekte Messwerte zu erhalten. Um dies zu erleichtern, haben wir unser System mit einem Laserpointer ausgestattet, der mit einem Drucktaster aktiviert wird.

Ich habe ein ESP32-Modul zur Steuerung des LiDARs und zur Durchführung der Berechnungen verwendet. Ein kleines OLED-Display wurde hinzugefügt, um die Entfernungswerte anzuzeigen. Die Einbeziehung eines gleitenden Mittelwerts einiger Messungen erhöht die Genauigkeit. Das Ergebnis könnte dann sogar als Fließkommawert ausgegeben werden, aber der Schnelligkeit und Einfachheit der Messungen wegen habe ich es bei reinen Ganzzahlwerten belassen.

Die TFMini-LiDARs nutzen die Reflexion von unsichtbarem Infrarot-Laserlicht an der Oberfläche des Objekts, auf das sie gerichtet sind. Wenn das Objekt das einfallende Laserlicht nicht reflektiert oder vollständig absorbiert, ist die Messung fehlerhaft. Vermeiden Sie zum Beispiel Wasser und schräge, stark reflektierende Glasfenster. Die meisten anderen Objekte reflektieren genügend Licht, so dass die Messungen problemlos durchgeführt werden können, auch wenn sich das Objekt bewegt.

Bau des Entfernungsmessers

Beim Bau des Geräts musste ich bedenken, dass es portabel sein muss, damit mein Team es im Feld einsetzen kann, also batteriebetrieben sein. Die Schaltung, die ich schließlich entwickelt habe, ist in Bild 2 zu sehen. Sowohl das LiDAR als auch die Laserdiode, die ich zum Ausrichten verwendet habe, benötigen eine Versorgungsspannung von 5 V, das ESP32-WROOM-Modul aber nur 3,3 V. Daher habe ich einen Mini-Aufwärtswandler hinzugefügt, der aus einer Eingangsspannung von nur 2 V eine 5-V-Versorgung erzeugen kann. An den 5-V-Ausgang habe ich dann einen Low-Dropout-Spannungsregler HT7333-A angeschlossen, der die 3,3 V für den ESP32 erzeugt. Wenn Sie ein ESP32-Modul mit integriertem Spannungsregler verwenden, dann brauchen Sie den HT7333-A natürlich nicht. Der komplette Aufbau läuft mit zwei 1,5-Volt-Batterien oder mit einem 3,7-Volt-LiPo-Akku. Beachten Sie, dass das HT7333-A ein SMD ist; seien Sie daher vorsichtig bei der Bestückung!

ESP of LiDAR — Bild 2. Der Prototyp verwendet ein ESP32-WROOM-Modul ohne integrierten 5-V-Regler. Bei einem DevMod-C- oder Pico-Kit-Modul kann IC1 weggelassen werden. In diesem Fall schließen Sie die 5-V-Versorgung an den 5-V-Eingang des Moduls an, nicht an dessen 3,3-V-Pin!

Ein Wort zur LiDAR Software

Die Software, die ich für den LiDAR-Zollstock geschrieben habe, ist ein Arduino-Sketch und kann von Elektor Labs heruntergeladen werden. Sie benötigt die TFMini-Bibliothek und die GFX SSD1306-Bibliotheken von Adafruit, die über den Bibliotheksmanager der Arduino-IDE verfügbar sind.

Das LiDAR und der ESP32 kommunizieren über eine serielle Schnittstelle (Serial1) miteinander. Alle 25 ms wird ein neuer Datenpunkt angefordert. Die ganze harte Arbeit wird von der TFMini-Bibliothek erledigt, während der Sketch lediglich eine Benutzeroberfläche bietet. Entfernungs- und Signalstärkewerte werden auf dem OLED-Bildschirm angezeigt und auch über die serielle Schnittstelle des Arduino (Serial0) übertragen.

Verwendung des Messgeräts

Nachdem Sie alle Teile auf einer Lochrasterplatine aufgebaut haben (Bild 3), positionieren Sie den LiDAR so am Rand der Platine, dass er einen freien Blick auf das Objekt hat. Der Laserpointer ist eine einfache rote Laserdiode, die durch einen Drucktaster aktiviert wird. Wenn möglich, befestigen Sie sie mit Heißkleber (oder ähnlichem) so auf dem LiDAR, dass beide Lichtquellen in die gleiche Richtung zeigen.

LiDAR on board — Bild 3. Der Prototyp des LiDAR-basierten Präzisionsmessgeräts wurde auf einer gewöhnlichen Lochraster-Platine aufgebaut. Beachten Sie, wie der Laserpointer auf das LiDAR-Modul aufgeklebt ist.

Die Mindestentfernung, die das LiDAR-Modul TFMini-S bewältigen kann, ist 30 cm, so dass der Messbereich 30 cm bis 12 m beträgt. Messen Sie die Entfernung und überprüfen Sie sie mit einem guten Maßband. Mit der Zeit werden Sie feststellen, dass die Messungen bis auf den Zentimeter stimmen!

Die zweite Zeile auf dem Display zeigt die Stärke des empfangenen Signals an. Wenn sich das Objekt entfernt, nimmt die Stärke ab.

Nutzen Sie den Automator!

Der Elektor-Automator ist die perfekte Plattform, um mit dem TFMini-S-LiDAR zu spielen. Er basiert auf einem ESP32-Modul, hat einen Grove-Anschluss, der mit dem LiDAR-Modul kompatibel ist, und verfügt über ein OLED-Display und die notwendigen Stromversorgungseinrichtungen. Im Elektor-Labor haben daher einen Arduino-Sketch für dieses Projekt erstellt, das auf dem Automator läuft. Es verwendet die Bibliotheken TFLidar und U8g2, die über den Bibliotheksmanager der Arduino-IDE verfügbar sind. Die Software kann leicht erweitert werden, um WLAN- oder Bluetooth-Konnektivität hinzuzufügen und um das Relais und die LEDs des Automators zu steuern. Sie kann unter hier heruntergeladen werden.