Wie erreichen IR-Entfernungsmesser Zentimetergenauigkeit ohne Teile mit hoher Geschwindigkeit und hohen Kosten?


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Ich arbeite derzeit an einem System, das einen HF-Entfernungsmesser mit einer Genauigkeit von ~ 15 cm über eine Reichweite von etwa 50 Metern erfordert. Meine Forschungen auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass ich komplexe und teure Elektronik mit fast 2 GHz benötige, um meine gewünschte Genauigkeit zu erreichen. 1 / (time for light to travel 15 CM). Meine Frage ist also, mit welcher Methode IR-Entfernungsmesser (die einfachen Kleinen für die Hobby-Robotik) die Zentimetergenauigkeit erreichen, die sie in einem so kleinen, kostengünstigen Paket anzeigen. Ist die Methode, dass sie etwas verwenden, das in RF übersetzt werden könnte, um mein Projekt anzutreiben?

Hintergrundinformation:
Ich versuche, ein Flugzeug in einer definierten Box für Autolanding-Zwecke zu lokalisieren (denken Sie an einen ILS-Localizer aus eigenem Anbau). Daher denke ich derzeit an das hier beschriebene System, wo das Flugzeug einen kleinen Repeater hat, um empfangene Signale für eine Flugzeitbereichsberechnung zurückzuwerfen. 3 Bodenbaken in einem Dreieck angeordnet, und Sie haben X-, Y-, Z-Koordinaten. Offensichtlich ist IR als Medium nicht verfügbar, da die Systeme am helllichten Tag über 50 bis 100 Meter betrieben werden müssen. Ich habe überlegt, einen auf der HF-Signalstärke basierenden Entfernungsmesser (Leuchtfeuer im Flugzeug mit einer streng kontrollierten Sendeleistung) zu verwenden, aber zwischen dem HF-Rauschen der Motoren und Steuerungssysteme und den Bäumen und Gebäuden, die meinen Testbereich umgeben, glaube ich nicht werde innerhalb meiner erforderlichen Genauigkeit arbeiten.


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Ich sollte darauf hinweisen, dass ich einen IR-Entfernungsmesser von Bushnell habe, der bei Tageslicht über eine Entfernung von 17 bis 500 Metern arbeitet. Und diese Einheit hat mich vor ungefähr 6 Jahren ungefähr 100 US-Dollar gekostet. Ihre Aussage "Offensichtlich ist IR als Medium aus" ist also verfrüht.

Antworten:


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Mir sind zwei Methoden bekannt, drei, wenn Sie Licht durch HF ersetzen.

1: Eine einfache Schaltung mit einem IR-Emitter, die einen kurzen Säulenimpuls in einem kleinen Winkel zur Mittellinie des Messgeräts sendet. Dies wirkt sich auf das entfernte Objekt aus und kommt leicht versetzt zurück. Erfassen Sie das reflektierte Licht, messen Sie diesen Abstand von der Mittellinie, dann ist der Abstand einfach Geometrie.

2: Verwendet einen lokalen Oszillator, der eine Sägezahnwelle mit einigen zehn MHz erzeugt. Wir senden einen Laserpuls am unteren Rand des Dreiecks und lösen eine Probe aus und halten, um die Spannung zu erfassen, wenn Sie eine Reflexion erhalten, die mit einem Transimpedanzverstärker und einer Fotodiode erfasst wird.

Die Spannung + Impulszahl ist direkt proportional zur Entfernung.

Das Licht benötigt ca. 50 ns (ca. 15 m) und ca. 1000 ns (ca. 300 m). Der Detektor benötigt einen lokalen Oszillator von beispielsweise 2 / 50ns = 40MHz. Wir benötigen eine Genauigkeit von 15cm, also machen wir dieses 1 Bit. Wir müssen alle 15 m in einen Sägezahn codieren und es gibt 100 x 15 cm davon. Wir benötigen einen 7-Bit-ADC, der mit 40 MHz abtasten kann.

Der Zähler muss in der Lage sein, bei 40 MHz bis 300/15 = 20 zu zählen, um die volle Entfernung zu erreichen. Der tatsächliche Abstand wird durch die Empfindlichkeit des Empfänger-Frontends, die Ausgangsleistung (Sicherheitsbedenken) und die Probleme mit Übertragsketten an schnellen (ish) Binärzählern begrenzt.

Jedes 15-cm-Zeitintervall ist sowohl in Zeit als auch in Spannung getrennt, sodass die Erfassung kein Problem darstellen sollte.

Die letzte Komponente ist ein Sample and Hold. Die Schaltung würde eine Kalibrierung erfordern, um den Fehler zu beseitigen, der durch die Triggerverzögerung von Sample and Hold verursacht wird. Ansonsten ist keine der Komponenten teuer.

Es ist genauso gut möglich, einen sehr schnellen Zähler anstelle des Sägezahns zu verwenden ( und diese existieren ), wäre aber viel teurer.

3: Sie können einen HF-Sender für den Laser und eine Richtantenne + HF-Frontend für den Empfänger austauschen, andernfalls ist die Schaltung dieselbe. (Radio und Licht bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit)

4: Durch die Verwendung von RF erhalten Sie eine andere Methode namens CWFM, bei der Sie den Sägezahn verwenden, um das übertragene Signal FM-zu modulieren. Das empfangene Signal wird mit dem gesendeten gemischt, der Ausgang des Mischers ist ein Hetrodyn (frequenzverschobene Darstellung) der Entfernung, ein FM-Demodulator kann dies in ein aussagekräftiges Signal umwandeln.


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Für # 2 benötigen Sie keinen 40-MHz-ADC, es sei denn, Sie möchten Messungen mit einer 40-MHz-Rate durchführen. Sie können eine Sample & Hold-Schaltung verwenden, um die analoge Spannung zu erfassen, wenn der Impuls zurückkehrt, und dann können Sie einen langsamen ADC verwenden, um diese Spannung tatsächlich zu messen. Obwohl Ihre Sägezahnwelle 40 MHz beträgt, können Sie eine Messung nur 1 oder 100 Mal pro Sekunde durchführen. Trotzdem gute Antwort! +1

Das habe ich mir zwar gedacht, bevor ich geantwortet habe, aber Sie müssten es so gestalten, dass es separate Messphasen geben muss. Ich habe versucht, die Komplexität der Antwort gering zu halten. Probieren Sie den ADC jedes Mal aus und es ist weniger kompliziert zu beschreiben. Ein 40-MHz-ADC mit 7-Bit-Spannung ist heutzutage sehr billig.
Jason Morgan

Könnte ich also den schnellen ADC durch ein Mikro ersetzen, das die Oberseite jedes Zahns zählt und dann den ADC liest, sobald der Puls zurückgekehrt ist? Dies könnte das Laden meines Mikros erleichtern. Der Prozessor, den ich verwenden möchte, kann sie möglicherweise direkt zählen, aber wahrscheinlich nicht rechtzeitig über eine Schnittstelle abrufen. Und danke für diese tolle Antwort! Dies scheint eine großartige Methode zu sein, die ich verfolgen werde :-D
Chris

Ich nehme an, Sie meinen "Zähler ersetzen" anstatt "ADC ersetzen". Ich glaube nicht, dass Sie ein Mikro finden werden, das bei 40 MHz zählen kann, wenn Sie ein kleines FPGA verwenden. Actel oder Lattice sind gut, da sie mit einem 3,3-V-Kern arbeiten.
Jason Morgan

In der Tat verwendet das System, das ich mir vorstellen kann, ein FPGA, um alles zu synchronisieren, zu zählen, den ADC zu lesen und das Ergebnis hinzuzufügen. Präsentieren der Ausgangsentfernung zu einer Host-CPU über SPI oder UART.
Jason Morgan

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Die sehr billigen (mit Reichweiten bis zu einigen Zentimetern) verwenden die reflektierte Signalstärke. Sie sind im Grunde eine IR-LED und eine Fotodiode in einem einzigen Gehäuse.

Die teureren verwenden Triangulation und bestehen aus einer IR-LED und einem linearen Fotodiodenarray mit einer Linse vorne.

Ich glaube nicht, dass dies zu RF führt.


Sharp stellt einige Triangulations-basierte IR-Abstandssensoren her, die etwa 10 US-Dollar kosten. Es gibt also offensichtlich billige, die Triangulation verwenden.

Teure basieren auf dem Phasenmessprinzip. Eine Laserdiode sendet Lichtimpulse mit einer definierten Wellenlänge und Impulswiederholungsfrequenz aus. Aufgrund der Zeitdifferenz zwischen dem internen Referenzpfad und dem externen Messpfad haben die auf einem Ziel reflektierten Lichtimpulse eine Phasenverschiebung in Bezug auf die über den internen Referenzpfad empfangenen Lichtimpulse erfahren. Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen ist proportional zum Abstand zwischen Instrument und Ziel. shop.leica-geosystems.com/gb/blog/measuring-techniques-faq
D Duck
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