Kalibrierung sorgt für Präzision auf große Entfernung

Gegenüber Triangulations-Sensoren bauen PRT-Sensoren auch bei größeren Messbereichen noch kompakt.

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Solche Probleme reduziert die Puls-Ranging-Technology (PRT) deutlich: Mittels einer speziellen Auswertung der Start- und Stoppflanken des Sende- und des dazugehörigen Empfangsimpulses wird der Einfluss der Reflektivität des Zielobjekts nahezu vollständig eliminiert. Zudem erzeugen die PRT-Sensoren einen Referenzimpuls, der – über einen internen Lichtleiter zur Empfänger-Diode übertragen – eine permanente Kalibrierung ermöglicht und somit für eine hohe Genauigkeit sorgt. Die Kalibrierung erlaubt den Einsatz relativ preiswerter Laserdioden mit dennoch sehr kurzen energiereichen Sende-Impulsen und einer Wiederholrate von bis zu 250 000 Einzelmessungen pro Sekunde. Aufgrund der hohen Messfrequenz mit ihren vielen Einzelmessungen ist eine optimale statistische Mittelung der Abstands­werte möglich. Durch statistische Mittelung erreichen PRT-Sensoren für Anwendungen im Bereich Regalbediengeräte eine Messwertgenauigkeit von ±2,5 mm absoluter Genauigkeit bei eine Messreichweite bis zu 150 m. Trotzdem bleibt die Reaktionszeit des Sensors mit 3 ms akzeptabel.

Flexible Umsetzung in der Praxis: Auf eine schnell drehende Welle montiert, wird aus dem PRT-Sensor (links) ein 360°-Scanner wie der R2000.

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Beschränkt man die Reichweite auf etwa 50 m bis zum Reflektor und akzeptiert eine höhere Ungenauigkeit, ist es grundsätzlich möglich, auf relativ aufwendige Komponenten wie die Glasfaser für das Referenzsignal zu verzichten. Dann lassen sich PRT-Sensoren konstruieren, welche die komplette Messtechnik in einem Standard-Lichtschrankengehäuse mit etwa 90 mm × 50 mm × 25 mm (H×B×T) integrieren und dennoch bei Reichweiten von 15 m eine absolute Genauigkeit von ±25 mm sowie eine Reproduzierbarkeit von 5 mm erreichen.

Zudem können über die Auswertung der Echopulse Störziele, das sind beispielsweise größere Staubpartikel in der Luft, sehr effektiv ausgeblendet werden, was mit anderen optischen Verfahren fast nicht möglich ist. Damit eignet sich das PRT-Verfahren neben analogen, messenden Opto-Sensoren prinzipiell auch für schaltende Sensoren.

Von der Punktmessung zum 2D-Bild

Anwendungs-Szenarien: Durch die hohe Reichweite und Winkelauflösung – horizontal: 2 mm bei 2 m Arbeitsabstand – eignet sich der Laser-Scanner für die automatische Navigation von autonomen Fahrzeugen.

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Eine weitere Stärke des Messprinzips liegt in den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in dem 360°-Scanner R2000 für die 2D-Ent­fernungsmessung. Dazu wurde der klassische Aufbau einer Lichtschranke – Sender, Empfänger und Linsensystem – auf eine rotierende Achse gesetzt.

Durch die Verwendung eines Hohlspiegels zur Strahlfokussierung anstatt eines klassischen Linsensystems lassen sich Rotlicht-Laser wie auch Infrarot-Laser ohne neue Auslegung der Optik nutzen. Wird eine sehr hohe Reichweite gefordert, wäre Infrarot-Licht sinnvoll; Sensoren mit Rotlicht lassen sich wiederum leichter justieren. Somit gibt es in dieser Hinsicht keinerlei Einsatzbeschränkungen.

Zudem wurde auf der Rückseite des Messmoduls eine Spalte mit 24 LEDs angeordnet, die bei schneller Drehung als LED-Display fungiert. Damit kann der Scanner zusätzlich zu seiner Messfunktion auch Texte und kleine Grafiken anzeigen.

Die sicherheitstechnische Überwachung von Räumen ist als Anwendungsszenario ebenso denkbar.

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Um den Scanner zu realisieren, musste eine berührungslose Daten- und Energie-Übertragung innerhalb des Geräts zwischen dem statischen Rumpf  und dem rotierenden Messkopf entwickelt werden. Die Energie-Übertragung erfolgt induktiv und die Datenübertragung über eine optische 100-MBit-Schnittstelle. Darüber lassen sich die kompletten Rohdaten der einzelnen Messungen an den übergeordneten Rechner des Scanners übertragen.

Die Messwert-Verarbeitung erfolgt über zwei FPGAs und einen DSP. Zudem gibt es einen zweiten DSP, der für die Implementierung von kundenspezifischen Algorithmen gedacht ist. Dieser DSP hat ebenfalls Zugriff auf die Rohdaten der PRT-Messungen. Damit kann das Gerät auf die unterschiedlichsten Applikationen mit Hilfe eigens erstellter Software spezialisiert werden.

Autor: Dr.-Ing. Peter Adolphs ist Geschäftsführer Entwicklung & Marketing bei der Firma Pepperl+Fuchs in Mannheim.