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 kiirejagajast. Soovitud kaugus D kiirtejagaja 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 toita ja andmeside kaablid. Lidari taga 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.

The SICK receives commands as streams of bytes through the serial port. When transmitting data, it sends back streams of bytes corresponding to distance measurements at a given angle.

To grab data from the SICK, you must first send a start string to tell the sensor to start sending data. This string is:

Hexadecimal Form: 02 00 02 00 20 24 34 08

Decimal Form: 2 0 2 0 32 36 52 8

If the start string is successfully sent, Lidar will begin streaming data over RS232. Incoming data from a scan is sent sequentially as the sensor scans through 180°. For example if the sensor is set to scan 180° with resolution of 0.5° the first data point which was sent will correspond to 0°, the next will correspond to 0.5°, the following to 1°, and so on. This means there is total of 361 data points. Each distance measurement is sent in the form of two bytes. The least signifficant byte is sent first followed by the most signifficant byte. Operating in metric mode the unit for the measurements is in milimeters.

Finally to stop the sensor from sending data a stop string must be sent. This string is:

Hexadecimal Form: 02 00 02 00 20 25 35 08

Decimal Form: 2 0 2 0 32 37 53 8

Following example shows how to initiate Lidar and get the count of package.

#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;
			}
		}					
	}
}