Konstruktion einer Messvorrichtung zur Charakterisierung von TOF-Kameras

In dieser Semesterarbeit war die Aufgabe eine Messvorrichtung für TOF-Kameras zu konstruieren. Dabei ist folgendes zu beachten. Die Messvorrichtung soll von null bis zu einer Entfernung von sieben Metern messen können. Die Entfernung auf die das Target positioniert wird soll möglichst genau (± 1 mm) sein. Außerdem soll der Abstandswert der TOF-Kamera durch ein Referenzmesssystem kontrollierbar sein. Dieses Messsystem muss ausgelegt werden. Da die Messvorrichtung nicht ständig sondern nur manchmal benutzt wird sollten die Kosten dafür relativ gering gehalten werden. Außerdem muss beachtet werden, dass die Unterbringung der Messvorrichtung keine Probleme darstellt.

Pflichtenheft:

• Konstruktion einer Messvorrichtung für TOF-Kameras
• Messbereich: 0 – 7,5 m
• Positioniergenauigkeit: ± 1 mm
• horizontaler Winkelbereich: ± 30 °
• Recherche über mögliche Sensoren / Messprinzipien als Referenz zur TOF-Kamera
• Aufbau der Messvorrichtung incl. Referenzsystem im Labor für Technische Optik
• Verifikation: Aufnahme einer Kennlinie (TOF – Referenzsystem)

Die Sensoren arbeiten berührungsfrei nach dem Prinzip der Phasenvergleichsmessung (Amplitudenmodulation) und ermöglichen die punktgenaue Messung von Distanzen. Dazu werden modulierte, sichtbare Laserstrahlen in verschiedenen Frequenzen ausgesendet. Das vom Messobjekt diffus reflektierte Licht wird mit dem Referenzsignal verglichen und ein Mikroprozessor errechnet aus der Phasenverschiebung mm-genau die Distanz. Der Abstandssensor wird dabei direkt an das Target positioniert und misst somit der TOF-Kamera entgegen. Im Idealfall liefern beide Messgeräte den gleichen Messwert.

Bild 1: Skizze der Messvorrichtung, mittels Abstandssensor

Bei der Lasertriangulation wird ein Laserstrahl (bei geringen Anforderungen auch die Strahlung einer Leuchtdiode) auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben befindlichen Kamera beobachtet. In diesem Fall wird auf das Messobjekt (Target-Schlitten) eine LED angebracht, welche von der Kamera beobachtet wird, und somit auf den Laser verzichtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes von der TOF-Kamera berechnet.

Bild 2: Skizze der Messvorrichtung, mittels Triangulation

Der Target-Schlitten ist der Schlitten, welcher das Target in z-Richtung um 7 m verschieben kann. Um die Kompatibilität des Schlittens für beide Messverfahren (Konzepte) zu gewährleisten, wird der vordere Teil des Schlittens für eine LED-Platine reserviert. Auf den hinteren Teil des Schlittens wird eine optische Bank montiert, dies hat den Vorteil, dass jegliche Targets aus dem Optik-Labor verwendet werden können. Fixiert wird der Schlitten wie beim TOF-Schlitten über eine Klemmschraube. Um zu verhindern, dass der Schlitten sich auf der Aluminiumführung festbeißt, wird auch hier als Auflagefläche eine Kunststoff Gleitplatte verwendet. Wird der Verschleiß dieser Platte zu hoch so ist diese leicht austauschbar.

Der TOF-Schlitten ist der Schlitten welcher die Kamera auf der x-Achse verfährt. Der Schlitten ist über einer Fixierschraube arretierbar. Um zu gewährleisten, dass der Schlitten gut auf der Schiene läuft, wird als Gleitfläche eine Kunststoffplatte verwendet. Der Schlitten soll außerdem einen horizontalen Winkelbereich von ± 30° gewährleisten. Um zu verhindern, dass die obere Platte nicht heruntergenommen werden kann, wird in die Drehachse der oberen Platte ein Passstift eingeschraubt. Um nun noch gewährleisten zu können, dass die Kamera auf der Nullachse ausgerichtet werden kann, wird bei der Null-Grad-Stellung eine Bohrung gesetzt, in welcher eine Schraube durch die obere Platte fixiert werden kann. Alle anderen Winkelstellungen sind von Hand einstellbar und mit der Klemmschraube arretierbar. Als letzter Punkt wird noch eine Adapterplatte für die Kamera (CamCube) angefertigt. Diese hat den Vorteil, dass durch Tausch der Adapterplatte auch andere Geräte vermessen werden können.

Bild 7: CAD-Modell der gesamten Messvorrichtung ohne Referenzsystem

Bild 8: CAD-Modell der gesamten Messvorrichtung mit Referenzsystem

Alle Aufgaben aus dem Pflichtenheft konnten erfüllt werden. Die montierte Messvorrichtung ist in den folgenden Abbildungen dargestellt. Um die Messwerte der TOF-Kamera zu verifizieren wurde mit Matlab eine Software erstellt, welche die Messwerte der TOF-Kamera und die des Abstandsensors auswertet. Die Software für die Verifikation der Triangulationsmethode muss noch erstellt werden. Das Target kann auf der Messvorrichtung auf ca. 1 mm positioniert werden.

Bild 9: Montierte Messvorrichtung ohne Schlitten

Bild 10: Foto der vollständigen Messvorrichtung