Was ist ein Abstandssensor?
Abstandssensoren sind Sensoren zur Messung von Abständen.
In jüngster Zeit werden sie für das automatische Fahren von Fahrzeugen und Industriemaschinen sowie zur Vermeidung von Kollisionen mit erkannten Objekten in modernen Sicherheitssystemen eingesetzt. Es gibt drei Haupttypen von Abstandssensoren: LiDAR (optisch), Millimeterwellen und Ultraschall.
Die meisten Sensoren verwenden einen Sensormechanismus, der als TOF (Time of Flight) bekannt ist, wobei für jede Methode ein Signal ausgesendet und die Entfernung ab dem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem das Signal vom zu messenden Objekt zurückerhalten wird.
Anwendungen von Abstandssensoren
Die Anwendung von Abstandssensoren unterscheidet sich je nach Methode:
1. LiDAR-Methode
Die LiDAR-Methode ist eine Methode mit hoher Auflösung und daher hoher Positions- und Formerkennungsgenauigkeit. Sie wird bei automatischen Einsätzen verwendet, bei denen sie an einem Flugzeug oder einer Drohne angebracht wird, um die 3D-Form des Geländes zu messen und die Form von Objekten vor ihr zu erkennen.
Sie wird auch in Sicherheitsvorrichtungen verwendet, die es automatisch gesteuerten Fahrzeugen ermöglichen, den Abstand zu Hindernissen zu erkennen und in Geräten, die die Form und die Abmessungen von Produkten für die automatische Sortierung erkennen.
2. Millimeterwellensysteme
Millimeterwellensysteme haben einen relativ großen Messabstand und sind unempfindlich gegenüber Umweltveränderungen. Sie werden in Bewegungssensoren eingesetzt, die bewegte Objekte wie Menschen innerhalb eines bestimmten begrenzten Bereichs erkennen sowie in Sicherheitsanwendungen.
Sie werden auch bei der adaptiven Geschwindigkeitsregelung und der Kollisionsschadenminderung zur Unterstützung des Fahrzeugbetriebs eingesetzt. Auch Tote-Winkel-Überwacher, die sich von hinten nähernde Objekte erkennen und den Spurwechsel auf Autobahnen unterstützen, basieren auf diesem System.
3. Ultraschallsysteme
Das Ultraschallsystem ist ein preisgünstiges System. Allerdings ist der Erfassungsbereich mit etwa 10 m kürzer als bei anderen Methoden.
Da es kostengünstig eingeführt werden kann, eignet es sich für den Einsatz in Bewegungsmeldern, die bei Annäherung einer Person das Licht einschalten und für die Erkennung von Waren auf Förderbändern. Sie werden auch verwendet, um Hindernisse beim Einparken von Fahrzeugen zu erkennen.
4. Stereokameras
Stereokameras können auch als Abstandssensoren eingestuft werden, da sie Entfernungen aus Bildern berechnen können. In Kombination mit Millimeterwellen-Abstandssensoren, die sich bei der Entfernungsmessung auszeichnen, werden sie manchmal in Fahrerassistenzsystemen in Autos eingesetzt, die Bilder zusammen mit der Entfernung zur Entscheidungsfindung nutzen.
Funktionsweise der Abstandssensoren
Viele Sensoren verwenden einen Sensormechanismus namens TOF (Time of Flight). Bei jeder Methode wird ein Signal ausgesendet und die Entfernung wird ab dem Zeitpunkt gemessen, an dem das reflektierte Signal von dem zu messenden Objekt empfangen wird.
1. LiDAR-Methode
LiDAR-Systeme verwenden Laserlicht, das aus sichtbarem Licht, ultraviolettem und nahinfrarotem Licht bestehen kann. Die Entfernung wird berechnet, indem ein Laserstrahl mit gepulsten Signalen ausgesendet und die Zeit gemessen wird, die benötigt wird, um das von dem zu messenden Objekt reflektierte Licht zu empfangen.
Es hat eine hohe Auflösung, kann selbst kleine Objekte erkennen und zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit von ± einigen Millimetern aus. Andererseits ist es nicht geeignet für die Messung von Objekten, durch die Licht hindurchdringt oder in staubiger Umgebung. Auch für Messungen an Orten, an denen sich die Lichtverhältnisse auf komplexe Weise ändern, ist es nicht geeignet.
2. Millimeterwellensysteme
Millimeterwellensysteme verwenden elektromagnetische Wellen, die den Millimeterwellen entsprechen. Zu den Millimeterwellensystemen gehören Impuls- und FMCW-Systeme. Das Impulsverfahren sendet gepulste Funkwellen aus und berechnet die Entfernung, indem es die Zeit ermittelt, die benötigt wird, um das vom gemessenen Objekt reflektierte Signal zu empfangen.
Bei der FMCW-Methode werden Radiowellen mit zeitlich variierender Frequenz ausgesendet und die Entfernung anhand der Schwebungsfrequenz (Frequenzdifferenz) berechnet, die durch die Interferenz zwischen den gesendeten und reflektierten Signalen entsteht. Millimeterwellensysteme können große Entfernungen messen, haben eine Genauigkeit von ±0,1 mm und sind resistent gegenüber hellen und staubigen Umgebungen.
Es ist jedoch nicht für Materialien geeignet, die Funkwellen leicht absorbieren, insbesondere Kunststoffe, Kleidung und nichtmetallische Materialien.
3. Ultraschallsysteme
Bei der Ultraschallmethode werden gepulste Ultraschallwellen ausgesendet, und die Entfernung wird durch Ermittlung der Zeit berechnet, die für den Empfang der vom Messobjekt reflektierten Ultraschallwellen benötigt wird. Die Vorteile dieser Methode liegen darin, dass sie kostengünstig ist und sowohl in Flüssigkeiten und Festkörpern als auch im Weltraum eingesetzt werden kann.
Nachteilig ist jedoch, dass die messbare Entfernung mit etwa 10 m gering ist und nur Objekte einer bestimmten Größe gemessen werden können. Außerdem sind die Schallwellen nicht für schallabsorbierende Materialien und nicht für die Messung von Schwämmen und Schaumstoffen geeignet.
4. Stereokameras
Stereokameras verwenden zwei Kameras, um das zu vermessende Objekt zu fotografieren und Positionsdaten zu erfassen. Das System verwendet eine Drei-Punkt-Vermessung, die auf den Positionsinformationen der beiden Kameras und dem Abstand zwischen den Kameras basiert, um den Abstand zum Messobjekt zu ermitteln.
Stereokameras haben auch den Nachteil, dass es schwierig ist, Bilddaten auf dunklen Straßen zu erfassen und dass die Erkennungsgenauigkeit bei grellem Gegenlicht verringert ist.
Weitere Informationen zu Abstandssensoren
Bekannte Beispiele für die Anwendung von Abstandssensoren
ToF-Sensoren werden als Abstandssensoren in Smartphones eingesetzt. Die gemessenen Entfernungsinformationen werden verwendet, um die Genauigkeit der Autofokusfunktion von Smartphone-Kameras zu verbessern.
So kann die Entfernung zwischen dem Motiv und der Kamera auch in bisher schwer fokussierbaren Umgebungen hochpräzise berechnet werden, was die Leistung der Autofokusfunktion deutlich verbessert hat. Es ist möglich, den Abstand zwischen der Kamera und einem beliebigen Teil des Bildes zu messen und es wird erwartet, dass Kamerabilder, die bisher nur in 2D aufgenommen wurden, als 3D-Daten verarbeitet werden können.
Die Anwendung dieser Technologie wird die Genauigkeit der Objekterkennung in Bildern erheblich verbessern und es bestehen große Hoffnungen auf ihre Anwendung in den Bereichen der virtuellen Realität (VR-Technologie) und der erweiterten Realität (AR-Technologie).