Diplomarbeit - Fachbereich Informatik
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Fachhochschule<br />
Bonn-Rhein-Sieg<br />
University of Applied Sciences<br />
<strong>Fachbereich</strong> <strong>Informatik</strong><br />
Department of Computer Science<br />
<strong>Diplomarbeit</strong><br />
im Diplom Studiengang <strong>Informatik</strong><br />
Konzeption und Realisierung eines eingebetteten<br />
Systems zur Handdetektion mittels optischer<br />
Sensoren in einem sicherheitsbezogenen Umfeld<br />
von<br />
Frank Dücker<br />
Erstbetreuer: Prof. Dr. Ing. Norbert Jung<br />
Zweitbetreuer: Prof. Dr. Dietmar Reinert<br />
Eingereicht am: 21. September 2004
Erklärung<br />
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende <strong>Diplomarbeit</strong> selbstständig verfasst und<br />
nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn<br />
nach aus anderen Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quelle kenntlich<br />
gemacht.<br />
______________________________ __________________________<br />
Ort, Datum Unterschrift<br />
II
Kurzreferat<br />
In der Industrie gibt es vielfältige Anwendungen, bei denen Werkstoffe mittels<br />
Schneid-, Quetsch- und Sägewerkzeugen bearbeitet werden und eine manuelle Führung<br />
des Werkstückes unerlässlich ist. Als Beispiele seien hier Kreis- oder Bandsägen in der<br />
Holzverarbeitung und Bandmesserzuschneidemaschinen in der Textilindustrie genannt.<br />
Alle diese Anwendungen haben gemeinsam, dass die Hand-, Arm- Region einer<br />
erhöhten Verletzungsgefahr ausgesetzt ist.<br />
Es existieren bereits verschiedene Ansätze, um die Arbeiten an diesen Maschinen<br />
sicherer zu gestalten. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten der Handdetektion mit<br />
Hilfe optischer Sensoren und im Besonderen die Optionen der Detektion mittels<br />
Lasertriangulation sowie der zugehörigen Auswertungseinheiten betrachtet.<br />
Im praktischen Versuchsaufbau werden die Eigenschaften der Sensoren,<br />
Mikrocontroller und weiterer elektrischer Schaltungen unter verschiedenen<br />
Umgebungsbedingungen betrachtet und ausgewertet.<br />
Neben den Lasertriangulationssensoren wird auch die Spektrenanalyse mittels<br />
Spektralphotometer betrachtet. Mit diesem Sensor werden verschiedene Stoffe auf ihre<br />
spektralen Eigenschaften und deren Unterscheidbarkeit bezüglich der Handdetektion<br />
untersucht.<br />
Die Ergebnisse der Messungen zu den Lasertriangulationssensoren lassen die<br />
prinzipielle Möglichkeit der Konturendetektion erkennen, erlauben aber nicht die<br />
Realisierung eines zuverlässigen und sicheren Systems zur Unterscheidung von Hand<br />
und Werkstücken.<br />
Die Ergebnisse der Spektralanalyse lassen auf eine prinzipielle Unterscheidungsmöglichkeit<br />
zwischen Holz und Hand schließen.<br />
III
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 EINLEITUNG...................................................................................................................................1<br />
1.1 Aufgabenstellung ......................................................................................................................1<br />
1.2 Betrachtete Einsatzgebiete ........................................................................................................2<br />
1.2.1 Tisch- und Formatkreissägemaschinen.................................................................................2<br />
1.2.2 Bandsägemaschinen..............................................................................................................3<br />
1.2.3 Bandmesserzuschneidemaschinen........................................................................................5<br />
1.3 Abgrenzung und Stand der Technik ..........................................................................................5<br />
1.4 Aufbau der Arbeit......................................................................................................................7<br />
2 ANFORDERUNGSANALYSE........................................................................................................8<br />
2.1 Risikoabschätzung und Gefährdungsanalyse ............................................................................8<br />
2.2 Fehlervermeidung und Fehlerbeherrschung ..............................................................................9<br />
2.3 Integrierbarkeit in bestehende Systeme...................................................................................10<br />
2.4 Robustheit gegenüber externen Störgrößen.............................................................................10<br />
2.5 Echtzeitfähigkeit und Synchronisation....................................................................................11<br />
2.6 Wirtschaftlichkeit ....................................................................................................................12<br />
3 GRUNDLAGEN..............................................................................................................................13<br />
3.1 Möglichkeiten der optischen Handdetektion...........................................................................13<br />
3.1.1 Handdetektion mittels passivem Infrarotsensor..................................................................13<br />
3.1.2 Handdetektion mittels Bildverarbeitung.............................................................................14<br />
3.1.3 Handdetektion mittels Spektrenanalyse..............................................................................15<br />
3.1.4 Handdetektion mittels Lasertriangulation...........................................................................17<br />
3.2 Der Lasertriangulationssensor.................................................................................................17<br />
3.2.1 Prinzip der Triangulationstechnik.......................................................................................17<br />
3.2.2 Technische Realisierung des Detektors ..............................................................................18<br />
3.2.3 Lichtquellen für den Sender................................................................................................20<br />
3.2.4 Einfluss von Objektoberflächen .........................................................................................21<br />
3.2.5 Anmerkungen zum Strahlenschutz .....................................................................................23<br />
3.3 Digitalisierung analoger Sensorsignale ...................................................................................24<br />
3.4 Mikrocontroller .......................................................................................................................25<br />
3.4.1 Anforderungen....................................................................................................................25<br />
3.4.2 Der 8 Bit Mikrocontroller 80C552 von Philips ..................................................................26<br />
3.4.2.1 Interrupt.....................................................................................................................27<br />
3.4.2.2 Timer.........................................................................................................................27<br />
3.4.2.3 Serielle Schnittstelle..................................................................................................28<br />
3.4.2.4 A/D Konverter...........................................................................................................28<br />
3.4.3 Der 16 Bit Mikrocontroller C167CR-LM von Infineon .....................................................28<br />
3.4.3.1 Interrupt und Peripheral Event Controller (PEC)......................................................29<br />
3.4.3.2 Timer.........................................................................................................................30<br />
3.4.3.3 Serielle Schnittstelle..................................................................................................31<br />
3.4.3.4 A/D Konverter...........................................................................................................31<br />
IV
Inhaltsverzeichnis<br />
4 IMPLEMENTIERUNG UND MESSWERTEERFASSUNG .....................................................32<br />
4.1 Handdetektion mittels Lasertriangulationssensor....................................................................32<br />
4.1.1 Marktanalyse ......................................................................................................................32<br />
4.1.2 Entwicklung eines Systems zur Messwerteerfassung.........................................................33<br />
4.1.2.1 Prototyp.....................................................................................................................33<br />
4.1.2.2 LDS 70/200...............................................................................................................35<br />
4.1.2.3 80C552 Entwicklungs- Board...................................................................................36<br />
4.1.2.4 C167CR Evaluationboard mit Mikrocontrollermodul...............................................37<br />
4.1.2.5 Anforderungen zum Design eines Vorverstärkers für den ADC...............................38<br />
4.1.2.6 Schaltungsdesign und Simulation mittels PSpice .....................................................39<br />
4.1.2.7 Aufbau zum Erfassen der Messwerte........................................................................40<br />
4.1.3 Softwareentwicklung zur Messwerteerfassung...................................................................42<br />
4.1.3.1 Entwicklungsumgebungen ........................................................................................42<br />
4.1.3.2 Konfiguration des C167CR.......................................................................................44<br />
4.1.3.3 Konfiguration des 80C552 ........................................................................................49<br />
4.1.4 Erfassung und Auswertung der Daten ................................................................................50<br />
4.2 Spektrenanalyse mittels Spectrocam .......................................................................................52<br />
4.2.1 Hardware ............................................................................................................................52<br />
4.2.2 Software..............................................................................................................................53<br />
4.3 Die verwendeten Messproben .................................................................................................55<br />
5 AUSWERTUNG UND DISKUSSION ..........................................................................................57<br />
5.1 Auswertung zum Lasertriangulationssensor............................................................................57<br />
5.1.1 Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz der Mikrocontroller .........................................57<br />
5.1.2 Rauschverhalten der Schaltung und der Sensoren ..............................................................59<br />
5.1.3 Robustheit des Systems gegenüber externen Störquellen...................................................62<br />
5.1.3.1 Fremdlicht.................................................................................................................62<br />
5.1.3.2 Elektromagnetische Verträglichkeit..........................................................................64<br />
5.1.3.3 Weitere Umgebungseinflüsse....................................................................................64<br />
5.1.4 Anforderungen zur Erkennung von Hautstrukturen ...........................................................65<br />
5.1.5 Erkennung von Feinstrukturen ...........................................................................................67<br />
5.1.6 Erkennung von Grobstrukturen und Konturen ...................................................................70<br />
5.1.7 Implementierungsansätze und Algorithmenentwicklung....................................................74<br />
5.2 Ergebnisse zur Spectrocam......................................................................................................78<br />
5.3 Vergleich der Systeme.............................................................................................................81<br />
5.4 Kombinierbarkeit von Systemen .............................................................................................83<br />
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK.................................................................................84<br />
6.1 Zusammenfassung...................................................................................................................84<br />
6.2 Ausblick ..................................................................................................................................86<br />
ABBILDUNGSVERZEICHNIS..............................................................................................................87<br />
TABELLENVERZEICHNIS ..................................................................................................................89<br />
LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................................................90<br />
ANHANG ..................................................................................................................................................93<br />
V
1 Einleitung<br />
1 Einleitung<br />
In der Industrie gibt es vielfältige Anwendungen, bei denen Werkstoffe mittels<br />
Schneid-, Quetsch- und Sägewerkzeugen bearbeitet werden und eine manuelle Führung<br />
des Werkstückes unerlässlich ist. Als Beispiele seien hier Kreis- oder Bandsägen in der<br />
Holzverarbeitung und Bandmesserzuschneidemaschinen in der Textilindustrie genannt.<br />
Alle diese Anwendungen haben gemeinsam, dass die Hand-, Arm- Region einer<br />
erhöhten Verletzungsgefahr ausgesetzt ist.<br />
Es existieren bereits verschiedene Ansätze, um die Arbeiten an diesen Maschinen<br />
sicherer zu gestalten. Unterschieden werden willensabhängige und willensunabhängige<br />
Systeme zur Gefahrenminderung. [6] Willensabhängig bedeutet in diesem<br />
Zusammenhang, dass der Benutzer der Maschine die Sicherheitseinrichtung aktivieren<br />
muss, das heißt, er kann selbst entscheiden, ob er die Einrichtung nutzt oder nicht.<br />
Willensunabhängige Systeme bedürfen nicht der Bedienung oder Aktion des Benutzers,<br />
um ihre Aufgabe zu erfüllen. Solche Systeme werden durch den kombinierten Einsatz<br />
von Sensoren, Aktoren und entsprechenden Steuerungseinheiten realisiert.<br />
Die Sensoren reagieren auf äußere Einflüsse und geben ihre Messdaten zum Beispiel an<br />
ein rechner- oder mikrocontrollergesteuertes System weiter, welches die Daten<br />
auswertet, die Gefahr erkennt und über angeschlossene Aktoren einen sicheren Zustand<br />
einleiten kann.<br />
In dieser Arbeit werden Möglichkeiten der Handdetektion mit Hilfe optischer Sensoren<br />
und im Besonderen die Optionen der Detektion mittels Lasertriangulation sowie der<br />
zugehörigen Auswertungseinheiten betrachtet.<br />
1.1 Aufgabenstellung<br />
Im theoretischen Teil der <strong>Diplomarbeit</strong> soll ein Überblick über die vorhandenen<br />
Ansätze und Arbeiten zur Handdetektion mittels optischer Sensoren gegeben werden.<br />
Die Verfahren werden in ihren grundlegenden Funktionen erläutert. Um die Vor- und<br />
Nachteile der einzelnen Techniken miteinander vergleichen zu können, soll eine<br />
Anforderungsanalyse aufgestellt werden, in welcher die notwendigen Eigenschaften und<br />
Rahmenbedingungen für den Einsatz in einem sicherheitsbezogenen Umfeld festgelegt<br />
werden. Des Weiteren werden unterschiedliche Einsatzbereiche vorgestellt und auf<br />
besondere Anforderungen hin untersucht. In der abschließenden Diskussion soll<br />
überprüft werden, ob die vorgestellten Maßnahmen in ihrer Kombination Vorteile<br />
bieten und ob sich so die Gesamtsicherheit des Systems erhöhen lässt. Weiterhin sollen<br />
sicherheitsbezogene Aspekte erläutert und deren Relevanz für den Einsatz der<br />
vorgestellten Sensoren und Techniken aufgezeigt werden.<br />
1
1 Einleitung<br />
Im praktischen Teil der Arbeit soll eine Machbarkeitsstudie zur Handdetektion mit Hilfe<br />
der Lasertriangulation erstellt werden. Es soll überprüft werden, ob die Erkennung oder<br />
Unterscheidung einer Hand von Werkstoffen wie Holz oder Stoff mit dieser Art von<br />
Sensor möglich ist. Die Struktur oder Kontur eines Objektes soll als Kriterium für eine<br />
sichere Erkennung überprüft werden. Für diese Analysen stehen zwei unterschiedliche<br />
Sensoren zur Verfügung. Bei einem der beiden Sensoren handelt es sich um einen<br />
Prototyp, so dass dessen technische Daten messtechnisch zu ermitteln sind. Zum<br />
Erfassen der Messwerte stehen zwei Mikrocontroller- Boards zur Verfügung, welche<br />
die zur Erfassung notwendige Analog- zu Digital- Einheit auf dem Mikrocontroller<br />
integriert haben. Die Ausgangssignale der Sensoren müssen für eine erfolgreiche<br />
Analog- zu Digital- Konvertierung aufbereitet werden. Zu diesem Zweck soll eine<br />
Vorverstärkerschaltung entworfen und realisiert werden, welche die Sensoren mit den<br />
Mikrocontrollern verbindet. Das so entstandene System soll auf Robustheit gegen<br />
äußere Störeinflüsse wie Fremdlicht und elektromagnetische Verträglichkeit hin<br />
untersucht werden. Falls eine sichere Unterscheidung oder Erkennung möglich ist, soll<br />
diese beispielhaft aufgezeigt werden.<br />
1.2 Betrachtete Einsatzgebiete<br />
Nachfolgend werden verschiedene Schneid- und Sägemaschinen sowie deren mögliche<br />
Anwendung beschrieben. Die Beispiele zeigen Einsatzgebiete auf, welche für die<br />
Verwendung der Handdetektion zur Risikominimierung geeignet sind.<br />
1.2.1 Tisch- und Formatkreissägemaschinen<br />
Tischkreissägen finden vor allem Anwendung in der Holzverarbeitung. Eingesetzt<br />
werden sie unter anderem in Schreinereien, Baumärkten und auf Baustellen. Bei der<br />
Tischkreissäge befindet sich ein gezahntes, kreisförmiges Sägeblatt in der Mitte des<br />
Arbeitstisches. Das Blatt wird im hinteren und oberen Bereich von einer Schutzhaube<br />
abgedeckt. Abbildung 1.1 zeigt den Aufbau einer Tischkreissäge.<br />
Abbildung 1.1 Tischkreissäge [24]<br />
2<br />
Baugruppen<br />
1. Spaltkeil<br />
2. Schutzhaube mit Absauganschluss<br />
3. Schutzhaubenträger<br />
4. Parallelanschlag<br />
5. kurzer Quer- und Gehrungsanschlag<br />
6. Tischeinlage, auswechselbar<br />
7. Tischverlängerung<br />
8. EIN - AUS, NOT - AUS<br />
9. Drehzahlanzeige<br />
10. Absauganschluss unten<br />
11. Schiebestock mit Halterung<br />
12. Queranschlag<br />
13. Besäumniederhalter (Klemmschuh)
1 Einleitung<br />
In der Ausgabe 08/2003 des Infoblattes „Arbeit und Gesundheit spezial“,<br />
herausgegeben vom Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften HVBG,<br />
werden die jährlichen Arbeitsunfälle an Tischkreissägen auf ca. 13000 beziffert. Laut<br />
Bericht ereignet sich ein Großteil dieser Unfälle an „Baustellen- Kreissägen“. [21] In<br />
der Arbeitsunfallstatistik 2002 werden im Bereich der betrieblichen Tätigkeit in der<br />
Holzverarbeitung 7694 meldepflichtige Unfälle an der Kreissäge aufgeführt, das<br />
entspricht 53% der Gesamtunfälle. Auch in dieser Statistik wird auf den hohen Anteil<br />
an Baustellenkreissägen und die besondere Schwere der Unfälle hingewiesen. [22] Der<br />
deutliche Unterschied der dargestellten Zahlen mag darin begründet sein, dass im<br />
ersteren Fall auch nichtmeldepflichtige oder Unfälle außerhalb von Betrieben betrachtet<br />
wurden. Das Risiko beim Arbeiten an einer Kreissäge wird von der zuständigen<br />
Berufsgenossenschaft folgendermaßen beschrieben: „Es besteht erhebliches<br />
Verletzungsrisiko durch Berühren des Sägeblattes, insbesondere beim Schneiden<br />
schmaler Werkstücke“. [24] In Abbildung 1.2 ist der Gefahrenbereich an einer<br />
Tischkreissäge dargestellt. In diesem Bereich dürfen Werkstücke nicht ohne Hilfsmittel<br />
geführt werden. Des Weiteren dürfen durch das Sägen entstandene Werkstoffreste nicht<br />
mit der Hand entfernt werden.<br />
Abbildung 1.2 Gefahrenbereich an einer Tischkreissäge [25]<br />
1.2.2 Bandsägemaschinen<br />
Bandsägemaschinen finden unter anderem Anwendung in der Metall- und<br />
Holzverarbeitung. Bei der Bandsäge wird ein gezahntes Metallband über zwei vertikal<br />
übereinander angeordnete Laufräder geführt. Durch den zur Arbeitsplatte abwärts<br />
laufenden Teil des Sägebandes wird die Sägewirkung erzielt. Abbildung 1.3 zeigt den<br />
Aufbau einer Bandsäge. Das Risiko beim Arbeiten an einer Bandsäge wird von der<br />
zuständigen Berufsgenossenschaft folgendermaßen beschrieben: „Es besteht erhebliches<br />
Verletzungsrisiko durch Berühren des Sägeblattes“. [24] In der bereits in Kapitel 1.2.1<br />
genannten Arbeitsunfallstatistik 2002 werden im Bereich der betrieblichen Tätigkeit in<br />
der Holzverarbeitung 1562 meldepflichtige Unfälle an Bandsägen aufgeführt, das<br />
entspricht 11% der Gesamtunfälle. [22]<br />
3
Abbildung 1.3 Tischbandsäge [24]<br />
1 Einleitung<br />
Baugruppen<br />
1. Bandsägerollen<br />
2. abwärts laufender Teil des Sägeblattes<br />
3. obere Sägeblattführung<br />
4. untere Sägeblattführung<br />
5. Verstellung der oberen Sägeblattführung<br />
6. Verkleidung der Bandsägerollen<br />
7. verstellbare Verdeckung des Sägeblattes<br />
8. Tischeinlage<br />
9. Parallelanschlag<br />
10. Absaugstutzen<br />
11. Befestigungsschiene für Tischvergrößerung<br />
12. Spannvorrichtung für das Bandsägeblatt<br />
13. Neigungsverstellung der oberen Bandsägerolle<br />
Die maximale Schnitthöhe variiert je nach Säge. Bei großen Modellen lassen sich noch<br />
Werkstoffe von einer Höhe >40 cm schneiden.<br />
Eine besondere Gefährdung der Hand besteht immer dann, wenn diese zu nah an das<br />
Sägeband herangeführt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn bei kleinen<br />
Werkstücken auf Hilfsmittel, wie Zuführlade und Anlagewinkel, verzichtet wird.<br />
Gefährlich ist auch das Hineingreifen in den Gefahrenbereich, etwa um abgesägte<br />
Werkstoffreste zu entfernen. In Abbildung 1.4 und Abbildung 1.5 wird die Position des<br />
Werkstückes und die Haltung der Hände beim Sägevorgang dargestellt.<br />
Abbildung 1.4 Sägevorgang [11]<br />
Abbildung 1.5 Sägevorgang [11]<br />
4
1 Einleitung<br />
1.2.3 Bandmesserzuschneidemaschinen<br />
Bandmesserzuschneidemaschinen finden ihre Anwendung in der Textil-, Lebensmittel-<br />
und Möbelindustrie sowie in papierverarbeitenden Betrieben. Die Maschine ist mit<br />
einem umlaufenden oder oszillierenden Bandmesser ausgestattet. Im Falle des<br />
umlaufenden Bandmessers unterscheidet sich die Zuschneidemaschine technisch kaum<br />
von der Bandsäge. Lediglich die Dimensionen der einzelnen Baugruppen sind dem<br />
entsprechenden Arbeitsumfeld angepasst und anstelle eines Sägebandes besitzt die<br />
Maschine ein Messerband. Abbildung 1.6 zeigt eine Bandmesserzuschneidemaschine,<br />
wie sie in der Textilindustrie eingesetzt wird.<br />
Abbildung 1.6 Bandmesserzuschneidemaschine [2]<br />
Der Gefahrenbereich der Bandmesserzuschneidemaschine liegt, ähnlich dem der<br />
Bandsäge, im dem Bereich des Messers, der mit der Hand berührt werden kann. Der<br />
Anteil der meldepflichtigen Unfälle durch Schneidmaschinen in der Textil-, Leder- und<br />
Pelzindustrie beträgt 10%, das entspricht 217 Unfällen. Die Bandmessermaschinen<br />
haben hieran einen Anteil von 35%. [22]<br />
1.3 Abgrenzung und Stand der Technik<br />
Teilweise existieren bereits Schutzmaßnahmen für die in Kapitel 1.2 vorgestellten<br />
Einsatzumgebungen. Für die Kreissäge sind dies unter anderem zwei Systemen, welche<br />
kapazitive Sensoren zur Unterscheidung der Hand von anderen Werkstoffen benutzen.<br />
Beide Systeme unterliegen aber gewissen Einschränkungen und gewährleisten nicht<br />
unter allen Umständen einen umfassenden Schutz vor Verletzungen. Da es sich bei<br />
diesen Systemen nicht um optische Systeme handelt, sei zur weiterführenden<br />
Information und zur Vertiefung auf folgende Quellen verwiesen. [20] [42]<br />
5
1 Einleitung<br />
Eine weitere Möglichkeit zur Handdetektion an einer Formatkreissäge wurde in der<br />
Arbeit von F. Graziola [20] veröffentlicht. Die Inhalte und Ergebnisse dieser Arbeit<br />
werden in Kapitel 3.1.1 dargestellt.<br />
Bei Bandmessermaschinen haben sich zwei willensunabhängige Schutzeinrichtungen,<br />
eine elektromechanische und eine elektropneumatische, bewährt. Bei den Systemen<br />
handelt es sich um Einrichtungen, welche das Bandmesser oberhalb des Schnittgutes<br />
bedecken und so das Verletzungsrisiko herabsetzen. Eine detaillierte Beschreibung der<br />
beiden Systeme ist in folgender Publikation dargestellt. [6] Neben diesen<br />
willensunabhängigen Systemen werden laut der Zeitschrift Sicherheitsschirm, einer<br />
Veröffentlichung der Textil- und Bekleidungs- Berufsgenossenschaften, auch<br />
Schnitthandschuhe, welche aus Metallmaschen bestehen, zur Risikominimierung<br />
eingesetzt. [46] Zu beachten ist, in Bezug auf die vorliegende Arbeit, dass diese<br />
Handschuhe bei der optischen Handdetektion zu Problemen führen können.<br />
Bei Bandsägen besteht eine Schutzmaßnahme in einer verstellbaren<br />
Sägebandabdeckung, wie sie in Abbildung 1.3 Punkt 7 beschrieben ist. Diese<br />
Vorrichtung muss an die Höhe des Schnittgutes angepasst werden und ist als<br />
willensabhängige Einrichtung zu bewerten.<br />
Die in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Unfallzahlen und die Tatsache,<br />
dass der Anteil der Handverletzungen im Jahr 2002 alleine bei den meldepflichtigen<br />
Unfällen in der Holzindustrie bei 87% liegt [22] zeigt, das weiterhin ein Bedarf an<br />
Sicherheitstechnik besteht, mit deren Hilfe diesen Unfallzahlen entgegengewirkt werden<br />
kann.<br />
Eine Möglichkeit die Hand vor Verletzungen zu schützen besteht darin, die Hand und<br />
deren Position mittels eines Sicherheitssystems zu erkennen und bei einer bestehenden<br />
Gefahr einen sicheren Zustand einzuleiten. Ein solcher Zustand könnte zum Beispiel<br />
durch das Abbremsen oder Abdecken der Gefahrenquelle eingeleitet werden. In dieser<br />
Arbeit werden bestehende Techniken und Arbeiten zur optischen Handdetektion<br />
vorgestellt. Des Weiteren wird überprüft, ob eine zuverlässige und robuste<br />
Handdetektion mittels der Technik der berührungslosen Abstandmessung, welche durch<br />
einen Lasertriangulationssensor realisiert wird, möglich ist. Um die grundlegenden<br />
Aspekte und Probleme bei der Handdetektion mittels solcher Sensoren und deren<br />
Auswertung durch Mikrocontroller untersuchen zu können, stehen zwei Sensoren und<br />
zwei Mikrocontroller zur Verfügung. Weitere Untersuchungen werden mit einem<br />
Spektralphotometer durchgeführt, um die spektralen Eigenschaften von Objekten zu<br />
analysieren und auf charakteristische Eigenschaften hin zu untersuchen.<br />
6
1.4 Aufbau der Arbeit<br />
1 Einleitung<br />
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in 6 Kapitel.<br />
Kapitel 1 beschreibt in einer kurzen Einführung die gegebene Problemstellung. In der<br />
Aufgabenstellung werden die zu bearbeitenden Punkte, gegliedert in einen theoretischen<br />
und einen praktischen Teil, aufgeführt. Des Weiteren werden mögliche Einsatzgebiete<br />
für die optische Handdetektion vorgestellt.<br />
In Kapitel 2 wird eine Anforderungsanalyse durchgeführt. Es werden Punkte aufgeführt<br />
und erläutert, welche für die Entwicklung, Anwendung sowie für die spätere<br />
Vermarktung des Systems relevant sind.<br />
Kapitel 3 befasst sich mit den Grundlagen, die zum allgemeinen Verständnis notwendig<br />
sind. Es werden grundlegende Informationen zu den verschiedenen Sensoren, zu<br />
Techniken, welche eine Handerkennung ermöglichen sowie zu den eingesetzten<br />
Mikrocontrollern gegeben.<br />
Kapitel 4 beschreibt die Entwicklung und den Aufbau des Systems zur<br />
Messwerteerfassung. Das Kapitel ist in zwei Themenbereiche gegliedert. Der erste Teil<br />
beschäftigt sich mit der Handdetektion mittels eines Lasertriangulationssensors, der<br />
zweite Teil mit einem System zur Spektralanalyse von Oberflächen. Teil 1 beginnt mit<br />
einer Marktanalyse und gibt einen Überblick über die am Markt erhältlichen Sensoren.<br />
Gefolgt wird diese Analyse von der Darstellung der verwendeten Hardware. Des<br />
Weiteren werden die Entwicklung und der Aufbau einer Schaltung beschrieben, die den<br />
Anschluss verschiedener Sensoren an die Mikrocontroller erlaubt. Die Beschreibung der<br />
verwendeten Entwicklungsumgebungen und die Entwicklung der Software zur<br />
Messwerteerfassung bilden den Abschluss des ersten Teils. Im zweiten Teil wird die<br />
Hard- und Software zur Spektralanalyse erläutert.<br />
Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Auswertung der verschiedenen Experimente.<br />
Betrachtet werden unter anderem das Rauschverhalten und die Robustheit der Systeme<br />
gegenüber externen Störgrößen. Des Weiteren werden die Möglichkeiten und Grenzen<br />
der Handdetektion mittels der verwendeten Sensoren aufgezeigt. Die Messergebnisse<br />
der Spektralanalyse werden analysiert und dargestellt. Das Kapitel schließt mit einem<br />
Vergleich der verschiedenen Systeme zur Handdetektion und überprüft deren<br />
Kombinierbarkeit.<br />
In Kapitel 6 werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf<br />
weiterführende Aufgaben gegeben.<br />
7
2 Anforderungsanalyse<br />
2 Anforderungsanalyse<br />
Mit den nachfolgend aufgeführten Punkten werden die Anforderungen an ein System<br />
zur Handdetektion in einem sicherheitsbezogenen Umfeld aufgezeigt. Betrachtet<br />
werden hierbei verschiedene Eigenschaften und Maßnahmen, die vor bzw. während der<br />
Entwicklung und des späteren Betriebs beachtet werden müssen. Ausgangspunkt für<br />
diese Analyse ist ein System, welches aus einem Sensor, einer Auswerte- und<br />
Steuereinheit und aus einem oder mehreren Aktoren besteht. Unter Aktoren werden in<br />
dieser Arbeit alle Vorrichtungen verstanden, welche von der Steuereinheit, die zum<br />
Beispiel ein Mikrocontroller darstellen kann, angesteuert werden, um eine bestehende<br />
Gefahr abzuwenden. Beispielhaft sollen hier Bremsen und mechanische Schutzhauben<br />
genannt werden. Die Aktoren werden nur zur Vollständigkeit mit aufgenommen, finden<br />
aber, bezüglich Aufbau und Realisierung, keine nähere Betrachtung in dieser Arbeit.<br />
Das betrachtete System soll an den in Kapitel 1.2 beschriebenen Umgebungen zum<br />
Einsatz kommen.<br />
2.1 Risikoabschätzung und Gefährdungsanalyse<br />
Die Norm EN 1050 spricht bei dem Begriff „Risiko“ von einer Funktion über die<br />
schwere eines Schadens und der Wahrscheinlichkeit, dass dieser Eintritt. [23] Die<br />
Betrachtung findet dabei im Hinblick auf eine mögliche Gefährdung, also auf einen<br />
möglichen potentiellen Schaden statt. Die Anforderungen, welche an ein System zur<br />
Risikominimierung gestellt werden, sind im Rahmen der EN 954-1 in fünf Kategorien<br />
eingeteilt. Mittels eines Risikographen kann ein Risiko einer dieser Kategorien<br />
zugeordnet werden. In Abbildung 2.1 ist dieses Verfahren für das Beispiel einer<br />
Formatkreissäge dargestellt. [41] Als Gefährdung wird hier die Verletzung einer Hand<br />
durch eine Kreissäge angenommen.<br />
Abbildung 2.1 Risikograph nach EN 954-1, Kategorien [41]<br />
8
2 Anforderungsanalyse<br />
Anhand der Kriterien: Schwere der Verletzung (S), Dauer und Häufigkeit der<br />
Exposition (F) und der Möglichkeit die Gefahr abzuwenden (P) wird auf die<br />
resultierende Kategorie geschlossen. So kann als Ergebnis der obigen Betrachtung<br />
festgestellt werden, dass ein System, welches das Risiko einer Handverletzung<br />
abwenden soll, die geforderten Eigenschaften der Kategorie 3 erfüllen muss. Dies<br />
bedeutet unter anderem, dass die Sicherheitsfunktion des Systems bei dem Auftreten<br />
eines einzelnen Fehlers nicht beeinträchtigt werden darf. Des Weiteren sollten einzelne<br />
Fehler erkannt werden. Eine konstruktive Möglichkeit, um die Forderungen der<br />
Kategorie 3 zu erfüllen, besteht darin, zwei Steuereinheiten zu verwenden, welche sich<br />
gegenseitig überwachen. Zur Vertiefung der Thematik und zur Beschreibung der<br />
restlichen Kategorien sei auf folgende Quelle verwiesen [23].<br />
Um mögliche Gefährdungen in einem System zu erkennen, können verschiedene<br />
Methoden angewendet werden. Die Fehlerbauanalyse arbeitet nach dem „Top- Down“<br />
Prinzip. Man startet von einem unerwünschten Ereignis und sucht dann nach Ursachen,<br />
die zu diesem Ereignis führen. Die einzelnen Ursachen können mit ODER, UND, oder<br />
NICHT logisch verknüpft werden. Den entgegengesetzten Weg beschreibt die<br />
Ereignisablaufanalyse. Hier wird bei einer möglichen Ursache für ein unerwünschtes<br />
Ereignis gestartet und nach den daraus resultierenden Gefährdungen gesucht. Bei der<br />
Ausfalleffektanalyse werden die Ausfallarten der Komponenten eines Systems<br />
untersucht, um deren Auswirkungen festzustellen. Zur Vertiefung sei auch hier auf die<br />
oben genannte Quelle verwiesen. [23]<br />
2.2 Fehlervermeidung und Fehlerbeherrschung<br />
Um die sichere und robuste Funktion des betrachteten Systems gewährleisten zu<br />
können, muss dieses des Weiteren unter den Gesichtspunkten der Fehlervermeidung<br />
und Fehlerbeherrschung beleuchtet werden. Unter dem Begriff „Fehlerbeherrschung“<br />
versteht man die Beherrschung zufälliger Fehler. Das System muss dazu in der Lage<br />
sein, bei Aktivierung oder auch während des Betriebes Selbsttests durchzuführen, um<br />
eventuelle Fehler und Störungen zu erkennen, diese zu melden und gegebenenfalls den<br />
Betrieb der abzusichernden Maschine zu unterbinden. Auch angeschlossene Sensoren<br />
und Aktoren müssen in Bezug auf ihre Funktion überprüft werden. Manipulationen, wie<br />
zum Beispiel das Abkleben eines Sensors, sind vom System zu erkennen und zu<br />
melden. Auch die Möglichkeit einer kompletten Demontage sollte unterbunden werden.<br />
Mechanische wie auch elektrische Baugruppen sind Verschleiß- und<br />
Alterungsprozessen ausgesetzt und in ihrer Lebenszeit begrenzt. Bereits bei der<br />
Auswahl der verwendeten Baugruppen sollte dies berücksichtigt werden. [23]<br />
Unter den Begriff der „Fehlervermeidung“, der Beherrschung von systematischen<br />
Fehlern, versteht man die Verhinderung von Unfällen, welche auf einem fehlerhaften<br />
Design beruhen. Um dies zu verhindern, sollte vor und während der Entwicklung auf<br />
eine ausführliche Spezifikation und Dokumentation geachtet werden. Eine modulare<br />
und strukturierte Programmierung erhöht die Übersicht und erleichtert das Auffinden<br />
von möglichen Fehlern. [23]<br />
9
2 Anforderungsanalyse<br />
Während der einzelnen Entwicklungsphasen sind geeignete Testverfahren und<br />
Analysen, wie zum Beispiel White- und Blackbox- Test, Datenfluss- und<br />
Kontrollflussanalysen durchzuführen. Zur Vertiefung der genannten Methoden sei auf<br />
[39] verwiesen.<br />
2.3 Integrierbarkeit in bestehende Systeme<br />
Das Sicherheitssystem muss sich in die bestehende Arbeitsumgebung einbinden lassen.<br />
Wenn man die Maschinen aus Kapitel 1.2 betrachtet, wird ersichtlich, dass der Größe<br />
des Sensors Grenzen gesetzt sind. In dieser Arbeit werden ausschließlich optische<br />
Sensoren betrachtet. Diese haben gemeinsam, dass sie über der Arbeitsplatte angebracht<br />
werden. In dieser Position dürfen sie die Funktion und die Bedienung der Maschine<br />
nicht beeinflussen. Dieser Sachverhalt ist nicht unerheblich für die Akzeptanz der<br />
Sicherheitseinrichtung beim Bediener der Maschine. Gerade bei der Kreissäge dürfte<br />
eine einschränkungsfreie Montage des Sensors schwierig werden. Theoretisch kann ein<br />
Holzbrett beliebig weit rechts und links über den Arbeitstisch hinausragen und auch in<br />
der Tiefe, beziehungsweise der Länge des Schnittes, gibt es nur bedingt<br />
Einschränkungen. Gerade bei den „Baustellen- Kreissägen“ dürfte dies ein relevanter<br />
Punkt sein. Eine seitlich oder rückseitig angebrachte Sensorhalterung würde die<br />
Bearbeitungsmöglichkeiten von Werkstoffen einschränken. Bei den Bandsäge- und<br />
Bandmessermaschinen existiert dieses Problem, bedingt durch deren technischen<br />
Aufbau, nicht. Dort ist der Arbeitsbereich, auf mindestens einer Seite der Maschine,<br />
generell begrenzt. Des Weiteren müssen eine störungsfreie Spannungsversorgung für<br />
das Sicherheitssystem und die Montagemöglichkeit von Aktoren, wie zum Beispiel<br />
Bremsen oder Bandabschirmungen, gewährleistet sein. Falls das System eine<br />
Warmlaufphase benötigt, sollte diese nicht allzu hoch sein, um den Arbeitsbetrieb an<br />
der Maschine nicht zu lange zu unterbrechen.<br />
2.4 Robustheit gegenüber externen Störgrößen<br />
Obwohl sich der Inhalt dieses Kapitels auch unter dem Gesichtspunkt der<br />
Fehlerbeherrschung betrachten lässt, wird er aufgrund der Relevanz für das betrachtete<br />
System gesondert aufgeführt. Das Sicherheitssystem muss eine hinreichend hohe<br />
Resistenz gegenüber externen Störgrößen aufweisen. Im Falle der optischen Sensoren<br />
sind dies zum Beispiel Veränderungen der Beleuchtungsintensität oder Farbe. Aber<br />
auch Temperaturschwankungen können Messwerte verfälschen. Beim Säge- oder<br />
Schneidvorgang entstehen Staub und Späne, die sich auf den Sensoren ablagern und<br />
dessen Eigenschaften beeinflussen können. Auch wenn an den Maschinen<br />
Absaugvorrichtungen angebracht sind, kann dies nicht zu 100% ausgeschlossen werden.<br />
Des Weiteren entstehen durch die mechanischen Antriebe und durch den eigentlichen<br />
Schneidevorgang Schwingungen, die sich negativ auf das Verhalten und die<br />
Zuverlässigkeit des Sensors auswirken können. Das System sollte auch gegen<br />
elektromagnetische Störungen, wie sie zum Beispiel beim Ein- und Ausschalten von<br />
Maschinen entstehen, geschützt und unempfindlich sein.<br />
10
2 Anforderungsanalyse<br />
2.5 Echtzeitfähigkeit und Synchronisation<br />
Das betrachtete Sicherheitssystem besteht, wie einleitend beschrieben, aus einem<br />
Sensor, einer Auswerte- und Steuereinheit und aus einem oder mehreren Aktoren.<br />
Dieser Aufbau erfordert, dass bestimmte Aktionen zu definierten Zeitpunkten innerhalb<br />
einer nach oben begrenzten Zeitdauer stattfinden. Abbildung 2.2 zeigt die<br />
Systemeinheiten und die dazugehörigen Zeiten.<br />
Sensor<br />
Steuereinheit<br />
Aufbereiten Auswerten Ansteuern<br />
t1 t2 t3 t4 t5<br />
Abbildung 2.2 Zeitablauf<br />
11<br />
Aktor<br />
Der Wert t1 gibt an, wann die Steuereinheit einen neuen Wert von dem Sensor<br />
annimmt. Konkret kann dies bedeuten, dass jede Sekunde ein neues Bild oder alle<br />
100µs ein neuer Analogwert in die Aufbereitungseinheit gelangt. Zu beachten ist, dass<br />
der Sensor die Daten in der benötigten Geschwindigkeit abliefern kann, da sonst die<br />
gleiche Information mehrfach eingelesen wird.<br />
Für den Fall, dass der Sensor „Rohdaten“ zur Verfügung stellt, müssen diese durch die<br />
Steuereinheit aufbereitet werden. Dies kann zum Beispiel die Konvertierung von<br />
analogen Spannungen in digitale Informationen bedeuten. Die Zeit für diese<br />
Aufbereitung beschreibt t2.<br />
In der Auswerteeinheit werden ein oder mehrere Algorithmen zur Handdetektion<br />
ausgeführt. Die Gesamtausführungszeit aller Algorithmen wird mit t3 bezeichnet.<br />
Die Zeit, welche zur Ansteuerung der Aktoren benötigt wird, ist durch t4 repräsentiert.<br />
Der Wert von t5 gibt an, wie lang der Aktor aktiv sein muss, um einen sicheren Zustand<br />
herzustellen.<br />
Das System muss folgende Abhängigkeit erfüllen: t1 + t2 ≥ t3. Dies bedeutet, dass die<br />
Zeit, die für die Auswertung eines Wertes benötigt wird, nicht größer sein darf, als die<br />
Zeit, die vergeht, bis ein neuer Wert zur Auswertung bereitsteht. Ist die beschriebene<br />
Abhängigkeit nicht erfüllt, so stauen sich Messwerte an und können nicht mehr<br />
verarbeitet werden. Eine sichere Erkennung und Funktion des Systems ist so nicht mehr<br />
möglich. Eine Synchronisation von Sensor und Aufbereitungseinheit zur<br />
Auswertungseinheit ist also unerlässlich.
Die Formel:<br />
2 Anforderungsanalyse<br />
T<br />
H<br />
= t4<br />
+ t5<br />
+ k *<br />
gibt die Zeit vom Erkennen der Hand bis zum Erreichen eines sicheren Zustandes an.<br />
Zu beachten ist, dass zum Erkennen der Hand eventuell mehrere Messwerte (k) benötigt<br />
werden. Der Faktor (k) ist sensorabhängig und hat starke Auswirkungen auf die Zeit<br />
(TH). Wenn man davon ausgeht, dass die Hand mit einer Geschwindigkeit (S) bewegt<br />
wird, so ist das System nur dann sicher, wenn der zurückgelegte Weg der Hand (WH)<br />
mit WH=S* TH kleiner ist, als der Weg vom Ende des Sensorbereiches (WS) bis zum<br />
Messer oder der Säge. Je kürzer die Zeit TH, desto schneller darf sich die Hand<br />
bewegen. Nur ein echtzeitfähiges System kann die benötigten Zeiten von TH erreichen.<br />
2.6 Wirtschaftlichkeit<br />
Das zu entwickelnde System muss einen angemessenen Kosten/ Nutzen Faktor besitzen.<br />
Ein System, welches die Unfallzahlen an einer Maschine mindert aber in der<br />
Anschaffung teurer ist als selbige, dürfte sich in der Industrie nicht durchsetzen. Ebenso<br />
verursachen Fehlauslösungen eines Systems Ausfallzeiten, welche wiederum einen<br />
Kostenfaktor darstellen. Eine Abschätzung, der herstellenden Industrie für<br />
Formatkreissägen ergab, dass eine Sicherheitseinrichtung circa 500 Euro kosten dürfe.<br />
Diese Angabe basiert auf einer unverbindlichen Mitteilung und soll als Anhaltspunkt<br />
dienen. Der Preis für ein komplettes System, bestehend aus Sensoren, Aktoren und den<br />
notwendigen Steuereinheiten, ist immer abhängig von der aktuellen Marktsituation und<br />
der Auftragshöhe und deshalb nur bedingt zur Unterscheidung von Systemen geeignet.<br />
Des Weiteren müssen auch eventuelle Folgekosten, die durch Wartung und Reparatur<br />
entstehen können, berücksichtigt werden.<br />
12<br />
3<br />
∑<br />
n=<br />
1<br />
tn
3 Grundlagen<br />
3 Grundlagen<br />
3.1 Möglichkeiten der optischen Handdetektion<br />
Um ein eingebettetes System zur optischen Handerkennung entwickeln zu können,<br />
muss zu Anfang geklärt werden, welche Erkennungsmerkmale zur Verfügung stehen.<br />
Das größte Erkennungsmerkmal ist sicherlich die Form der Hand. Sie besteht aus der<br />
Handfläche, vier Fingern und dem Daumen. Je nach Haltung der Hand können einige<br />
oder alle Finger beziehungsweise der Daumen verdeckt werden. Was für das<br />
menschliche Sehen und Erkennen einer Hand kein Problem darstellt, kann für ein<br />
Sensorsystem zu einem schwerwiegenden Problem werden. Bedingt durch den Aufbau<br />
der Hand kann sie nahezu beliebige Formen annehmen. Auch die Farbe der Haut kann<br />
als Erkennungsmerkmal herangezogen werden. Bei den betrachteten Einsatzgebieten<br />
wäre zu klären, ob Haut von Stoff oder Holz in der Farbe sicher zu unterscheiden ist.<br />
Eine Verfeinerung des Farbansatzes stellt die Betrachtung des Farbspektrums von<br />
Objekten dar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Hand als Infrarotstrahler zu<br />
betrachten und die von ihr ausgehende Wärmestrahlung als Erkennungsmerkmal zu<br />
nutzen. Auch die Hautstruktur lässt sich näher betrachten und es ist zu prüfen, ob sie zu<br />
erkennen ist und so eine Unterscheidung von der Umwelt möglich wird.<br />
In den nachfolgenden Abschnitten wird ein Überblick über vorhandene Ansätze,<br />
wissenschaftliche Arbeiten zum Thema und Möglichkeiten zur Handdetektion mittels<br />
optischer Sensoren gegeben.<br />
3.1.1 Handdetektion mittels passivem Infrarotsensor<br />
Bei der Handdetektion mittels eines Infrarotsensors wird die Wärmestrahlung der<br />
menschlichen Hand als Erkennungsmerkmal genutzt. Bei diesem Verfahren geht man<br />
davon aus, dass die Temperatur der Hand stark von der Umgebungstemperatur abweicht<br />
und so eine Erkennung ermöglicht wird. Für die unter 1.2 beschriebenen Szenarien<br />
bedeutet dies, dass die Temperatur der Hand sich deutlich von der Temperatur der<br />
Arbeitsplatte und der Werkstücke unterscheiden muss.<br />
In seiner <strong>Diplomarbeit</strong> [20] hat Herr Graziola unter anderem Tests mit zwei<br />
handelsüblichen passiven Infrarotsensoren durchgeführt. Das dabei betrachtete<br />
Einsatzgebiet entspricht dem in 1.2.1 vorgestellten, ist aber sicherlich nicht auf dieses<br />
beschränkt.<br />
Die beiden getesteten Sensoren arbeiten mit einem pyroelektrischen Kristall als<br />
Detektor. Bei diesem Kristall kommt es zu dem Effekt der Ladungsbildung an den<br />
Kristallflächen, wenn der Kristall einer Temperaturänderung ausgesetzt wird.<br />
Pyroelektrische Sensoren arbeiten als Wechsellichtsensoren, dass bedeutet, sie reagieren<br />
nur auf Temperaturänderungen empfindlich. Wenn die gemessene Temperatur ansteigt,<br />
ist dies, mit einer leichten Verzögerung, am Ausgang des Sensors zu messen. Wenn die<br />
Temperatur dann konstant den neuen Wert beibehält, fällt das Ausgangssignal des<br />
13
3 Grundlagen<br />
Sensors wieder ab. Für die in der Anforderungsanalyse unter 2.5 aufgeführten Kriterien<br />
ist zu beachten, dass der Sensor von elektrischen und thermischen Zeitkonstanten<br />
abhängig ist. Laut Literatur besitzt er ein Bandpassverhalten von 0,1 bis 1Hz. [47] Für<br />
einen der beiden Sensoren wurde die Geschwindigkeit von 1m/s bezüglich der<br />
Detektierbarkeit von bewegten Objekten angegeben. [20]<br />
In der oben genannten Arbeit wurden die Sensoren unter dem Gesichtspunkt der<br />
Unterscheidung von Hand zu Holz getestet. In einem ersten Schritt wurden Messwerte<br />
beider Sensoren bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen mit unterschiedlichen<br />
Hölzern aufgenommen. Die Hölzer wurden trocken und auf Zimmertemperatur gelagert.<br />
Zum Vergleich wurden Messungen mit einer Hand durchgeführt. Eine erste<br />
Untersuchung der Messergebnisse ergab die prinzipielle Unterscheidungsmöglichkeit<br />
zwischen trockenem raumtemperierten Holz und einer menschlichen Hand. Um das<br />
Verhalten des Sensorsystems auf warmes Holz zu testen, wurden Messungen mit auf<br />
36°C erwärmten Holzproben durchgeführt. Als Ergebnis konnte ein ähnlicher, aber von<br />
der Hand unterscheidbarer, Kurvenverlauf festgestellt werden. Des Weiteren wurde<br />
festgestellt, dass von der Arbeitsplatte reflektierte Wärmestrahlung den Sensor<br />
beeinflussen kann.<br />
Basierend auf den gewonnenen Messwerten wurden mehrere Algorithmen entwickelt<br />
und getestet. Durchgesetzt hat sich letztendlich deren Kombination. Ein Problem,<br />
welches zwar minimiert aber nicht gänzlich verhindert werden konnte, ist, dass Holz die<br />
Temperatur der Hand aufnimmt und dieser „Handabdruck“ für eine gewisse Zeit<br />
Wärmestrahlung aussendet, die zu einer fälschlichen Handerkennung führt. Mit einer<br />
Wärmebildkamera wurde nachgewiesen, dass der Handabdruck erst nach circa 3<br />
Minuten völlig verschwunden war. Die Erwärmung des Sägeblattes und der Umgebung<br />
beeinflusste das entwickelte System nicht. Externe Störlichtquellen hatten bei der<br />
Kombination von zwei Algorithmen keinen Einfluss auf das System.<br />
Als problematisch werden erwärmte Hölzer und in ihrer Temperatur unterschiedliche<br />
Hände genannt. Kältere Hände werden spät oder gar nicht erkannt. Weitere Tests sollen<br />
die Robustheit des entwickelten prototypischen Systems überprüfen. Zur Vertiefung der<br />
Thematik sei auf die zugrunde liegende Arbeit [20] und auf [47] verwiesen.<br />
3.1.2 Handdetektion mittels Bildverarbeitung<br />
Bei der Handdetektion mittels Bildverarbeitung können die Farbe der Haut, die Kontur<br />
der Hand oder aber beide Merkmale kombiniert zur Erkennung verwendet werden. Ein<br />
wichtiges Kriterium bei dieser Technik stellt die Echtzeitfähigkeit des verwendeten<br />
Systems dar. Diese findet ihre Grenzen in der Komplexität der verwendeten<br />
Algorithmen und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung. Für den Aufbau eines<br />
solchen Detektionssystems wird neben einer Kamera, die als Sensor dient, ein<br />
Rechnersystem mit möglichst hoher Rechenleistung und eventuell eine<br />
14
3 Grundlagen<br />
Beleuchtungseinrichtung, für eine definierte Ausleuchtung der Beobachtungsfläche,<br />
benötigt.<br />
Dient die Hautfarbe als Erkennungsmerkmal, so wird dies durch Farbsegmentierung<br />
innerhalb eines Farbraumes realisiert. Der Aufbau oder die Struktur des verwendeten<br />
Farbraumes hat einen entscheidenden Einfluss auf die zur Segmentierung verwendeten<br />
Algorithmen. Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang unter anderem der HSV- oder<br />
YUV- Farbraum. Wie Y. Kondratyuk [30] in seiner Arbeit darlegt, ist die Hautfarbe ein<br />
markantes Kriterium und für alle Menschen, bei entsprechender Betrachtungsweise,<br />
ungefähr gleich. Bei den unter 1.2 betrachteten Einsatzgebieten könnte eine Kamera so<br />
angebracht werden, dass sie von oben auf die Arbeitsplatte gerichtet ist und die<br />
Gefahrenquelle, das Messer oder die Säge, im aufgenommenen Bild sichtbar ist. Bei der<br />
Erkennung von Hautfarben kann keine qualitative Aussage über den detektierten<br />
Körperteil getroffen werden. [4] Es kann also nicht direkt auf eine Hand geschlossen<br />
werden. Bei der angenommenen Position der Kamera ist dieser scheinbare Nachteil<br />
sogar als Vorteil zu bewerten, da so auch Verletzungen an anderen unbedeckten<br />
Körperteilen verhindert werden können. Generell sind die vorhandenen<br />
Lichtverhältnisse von großer Bedeutung, da sie die Farbwerte der Haut soweit<br />
verschieben können, dass eine sichere Erkennung nicht mehr möglich ist. Zur<br />
Vertiefung sei auf [4] und [30] verwiesen.<br />
Zur Hand- oder sogar der Gestenerkennung existieren weitere Arbeiten, von denen<br />
einige die Farbinformation der Haut und die Kontur der Hand auswerten, während<br />
andere nur die Handkontur benötigen. In ihrem Paper [9] beschreiben R. Bowden u. a.<br />
ein System zur Hand- und Gestenerkennung. Das verwendete System kommt ohne die<br />
Farbinformation der Hand aus und wird mit einer Erkennungsrate von 99,8%<br />
angegeben. Ob diese auch in den unter 1.2 betrachteten Umgebungen erreicht werden<br />
kann, muss noch überprüft werden. Der Erkennungsalgorithmus ist baumförmig<br />
organisiert. In der Wurzel wird anhand von allgemeinen Merkmalen getestet, ob eine<br />
Hand erkannt wurde oder nicht. Im positiven Fall finden in den Knoten des Baumes<br />
Verfeinerungen statt, die das Erkennen von einzelnen Gesten erlauben. [9]<br />
3.1.3 Handdetektion mittels Spektrenanalyse<br />
Ein Problem bei der auf der Hautfarbe basierenden Handdetektion stellt die Tatsache<br />
dar, dass Stoffe die gleichen RGB- Werte wie Haut aufweisen können, obwohl sie eine<br />
andere spektrale Zusammensetzung haben. Daraus resultierend können falsche<br />
Detektionsergebnisse entstehen. In Ihrer Arbeit [45] überprüfen M. Störring u. a. die<br />
Möglichkeiten der Hauterkennung anhand mehrerer Farbbänder im sichtbaren und im<br />
nahen Infrarotbereich (NIR). Konkret werden die drei RGB- Bänder, im Bereich von<br />
400 bis 700nm, und drei weitere NIR- Bänder, im Bereich von 800 bis 1000nm unter<br />
Berücksichtigung verschiedener Beleuchtungen betrachtet.<br />
15
3 Grundlagen<br />
Mittels spektraler Integration werden, unter Berücksichtigung der<br />
Umgebungsbedingungen und Materialeigenschaften, die Ausgangswerte der drei<br />
Farbkanäle berechnet. Um eine Unabhängigkeit von kameraspezifischen Eigenschaften<br />
zu erreichen, wird eine Transformation in Band- Verhältnisse durchgeführt. Mit den<br />
drei NIR- Bändern wird ähnlich verfahren.<br />
Anhand einer Funktion über die Farbtemperatur werden Werte verschiedener<br />
Materialien bei unterschiedlichen Farbtemperaturen, im Bereich von 3500 bis 15000K,<br />
überprüft. Die Beleuchtung wurde auf der Basis eines schwarzen Strahlers simuliert.<br />
Deutlich wurde bei diesem Versuch, dass die Werte relativ konstant über den<br />
kompletten Farbtemperaturbereich blieben und im Besonderen, dass Haut und<br />
Birkenholz nahezu identische Funktionswerte aufwiesen. Im Anwendungsfall würde<br />
dies eine fehlerhafte Erkennung bedeuten.<br />
Um zu überprüfen, wie sich die Stoffe im NIR- Bereich verhalten, wurden dieselben<br />
Tests im nahen Infrarotbereich durchgeführt. Auch in diesem Versuch blieben die Werte<br />
relativ konstant über dem kompletten Farbtemperaturbereich. Im Gegensatz zu der<br />
Messung im sichtbaren Bereich hatten jetzt nicht Hölzer, sondern Vegetation dieselben<br />
Funktionswerte wie Haut.<br />
Durch eine Kombination des sichtbaren- und des NIR- Bereichs konnte Haut deutlich<br />
als solche erkannt werden. Lediglich bei einem zu geringen Signal zu Rauschabstand<br />
überlappten die Werte für Haut und Zitterpappel.<br />
Der spektrale Verlauf der Haut weist im Bereich von 950nm ein Minimum auf. In<br />
einem weiteren Versuch sollte geprüft werden, ob eine Kamera, deren spektrale<br />
Empfindlichkeit bis 1000nm angegeben ist, dieses Minimum erkennen kann. Für diesen<br />
Versuch wurden von einem Testaufbau, bei welchem neben einer Hand auch Holz, eine<br />
Banane, ein Handy, Früchte und weitere Gebrauchsgegenstände zu sehen waren, zwei<br />
Bilder aufgenommen. Für die Aufnahmen wurden an der Kamera zwei verschiedene<br />
optische Bandfilter mit Bandpassverhalten montiert. Für das erste Bild wurde ein Filter<br />
mit einer Wellenlänge von 830nm und einer Bandbreite von 20nm verwendet. Bei dem<br />
zweiten Bild betrug die Wellenlänge 950nm und die Bandbreite 40nm. Bei einer<br />
Grenzwertbildung zwischen den beiden Bildern konnten deutlich Materialien mit einem<br />
hohen Wassergehalt erkannt werden. Darunter war neben der Banane und anderen<br />
Früchten auch eine Hand zu sehen. Nicht zu erkennen war unter anderem das Holz.<br />
Für weitere Informationen sei auf die zugrunde liegende Arbeit [45] verwiesen. In der<br />
vorliegenden Arbeit werden in den Kapiteln 4.2 und 5.2 weitere Messungen und<br />
Ergebnisse in Bezug auf die vorhandene Problemstellung dargelegt.<br />
16
3 Grundlagen<br />
3.1.4 Handdetektion mittels Lasertriangulation<br />
Die Möglichkeiten der Handdetektion mittels Lasertriangulation werden in dieser Arbeit<br />
am Beispiel von zwei Sensoren geprüft und in den nachfolgenden Kapiteln ausführlich<br />
besprochen und dargestellt. Geprüft werden soll, ob anhand der Triangulation<br />
erkennungsrelevante Aussagen bezüglich Form und Feinstruktur getroffen werden<br />
können und ob diese Aussagen eine sichere Erkennung oder Unterscheidung von Hand<br />
und Umgebung ermöglichen.<br />
3.2 Der Lasertriangulationssensor<br />
Der Lasertriangulationssensor nutzt die Triangulationstechnik, um berührungslos den<br />
Abstand von einem Messobjekt zu einer Referenzebene zu ermitteln. Das Sensorsystem<br />
liefert zu einem diskreten Zeitpunkt eine eindimensionale Messgröße. In diesem<br />
Zusammenhang spricht man auch von einem punktorientierten Verfahren, da sich die<br />
Messgröße nur auf einen Punkt und nicht auf eine Linie oder Fläche bezieht. [12]<br />
3.2.1 Prinzip der Triangulationstechnik<br />
Der Sensor besteht aus einer Lichtquelle als Sender, einem Sendeobjektiv, einem<br />
Empfangsobjektiv und einem Detektor als Empfänger. Abbildung 3.1 verdeutlicht den<br />
Aufbau. Die auf der Abbildung gezeigten Punkte EA und EE bezeichnen den<br />
Messbereichsanfang und das Messbereichsende. Die Strecke zwischen diesen beiden<br />
Punkten stellt den Messbereich dar, über welchen der Sensor Abstandsmessungen<br />
durchführen kann. Zwischen EA und EE befindet sich die Messbereichsmitte EM, in der<br />
Zeichnung nicht dargestellt. Das Sendeobjektiv fokussiert die Lichtquelle so, dass der<br />
Leuchtpunktdurchmesser innerhalb des Messbereiches annähernd gleich groß bleibt.<br />
Abbildung 3.1 Prinzip der Lasertriangulation [1]<br />
Wie in der Abbildung 3.1 gezeigt, trifft die Lichtquelle bei E auf die Oberfläche des<br />
Messobjektes und wird von dieser diffus reflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung<br />
17
3 Grundlagen<br />
wird, durch das Empfangsobjektiv gebündelt, auf dem Detektor als Bild E′ abgebildet.<br />
Eine vertikale Veränderung von E bewirkt eine laterale Verschiebung von E′. [1] Das<br />
Auflösungsverhalten des Sensors beschreibt die kleinste Änderung von E, die der<br />
Sensor erkennen und am Ausgang darstellen kann. Die Auflösung des Sensors wird<br />
unter anderem durch seine geometrischen Eigenschaften, die Lichtquelle, das<br />
verwendete Detektorelement und das Rauschverhalten des kompletten Systems<br />
bestimmt. Zu beachten ist, dass die gemessenen Abstände, über den kompletten<br />
Messbereich, nicht zu 100% linear durch den Sensor dargestellt werden. Das Maß dieser<br />
Nichtlinearität wird in der Regel in den Datenblättern der Sensoren angegeben und kann<br />
durch elektronische Schaltungen kompensiert werden. Zur Vertiefung sei auf folgende<br />
Quelle verwiesen. [1]<br />
Bei der Betrachtung von Abbildung 3.1 fällt auf, dass der Detektor nicht parallel zum<br />
Empfangsobjektiv angeordnet ist. Bei einer parallelen Anordnung von Detektor und<br />
Objektiv würden nur Bilder von der Messbereichsmitte EM scharf auf dem Detektor<br />
abgebildet. Um ein möglichst genaues Messergebnis zu erhalten, sollten aber alle<br />
Punkte scharf auf dem Detektor abgebildet werden. Um dies zu erreichen, muss die so<br />
genannte Scheimpflugbedingung eingehalten werden. Diese besagt, dass sich die<br />
Beleuchtungsachse des Senders, die Ebene des Empfangsobjektivs und die Ebene des<br />
Detektors in einem Punkt schneiden müssen. Dies hat zwangsläufig die Neigung des<br />
Detektors zur Folge. Zur Vertiefung und zur Berechnung der benötigten Winkel sei auf<br />
[47] und [12] verwiesen.<br />
3.2.2 Technische Realisierung des Detektors<br />
Zur Realisierung des Detektors werden zwei unterschiedliche Techniken verwendet, die<br />
nachfolgend beschrieben werden.<br />
Positionsempfindliche Detektoren PSD<br />
Ein PSD Detektor besteht aus einer pin- Photodiode, bei welcher an der p- Schicht zwei<br />
und an der n- Schicht ein Kontakt angebracht ist. Abbildung 3.2 zeigt den Aufbau einer<br />
solchen Lateraldiode.<br />
Abbildung 3.2 Aufbau einer Lateraldiode [34]<br />
Wenn die p- Schicht der Diode bestrahlt wird, fließen abhängig vom Ort der<br />
Bestrahlung die zwei Ströme I1 und I2.<br />
18
Mit der Gleichung:<br />
3 Grundlagen<br />
I<br />
x =<br />
I<br />
1<br />
1<br />
lässt sich der Ort der intensivsten Bestrahlung ermitteln. Es ist zu beachten, dass x, wie<br />
in Abbildung 3.2 gezeigt, jeweils relativ zur Mitte der p- Schicht gesehen werden muss.<br />
[34] Bedingt durch den Aufbau der Diode findet eine Integration über die<br />
Intensitätsverteilung auf der p- Schicht statt. Ein daraus resultierender Vorteil ist die<br />
relative Unempfindlichkeit gegenüber Intensität und Durchmesser des auftreffenden<br />
Lichtstrahls. Ideal ist es, wenn der auftretende Strahl das Intensitätsprofil eines<br />
Gaußschen Strahls aufweist. Ein Nachteil des PSD Detektors ist, dass<br />
Mehrfachstreuungen, wie in Abbildung 3.3 gezeigt, nicht zu erkennen sind und so zu<br />
Messfehlern führen. Ein Vorteil der PSD Detektoren ist ihre hohe Bandbreite. In der<br />
Literatur finden sich Angaben von 10 MHz bis 50 MHz. [12] [47]<br />
− I<br />
+ I<br />
Abbildung 3.3 Fehlerquelle Mehrfachstreuung [12]<br />
CCD Zeilensensoren (charge coupled device)<br />
Die für den Detektor verwendeten CCD Sensoren bestehen aus einer Vielzahl<br />
linienförmig angeordneter Photodioden in MOS (Metall- Oxid Semiconductor) Technik.<br />
Jede Photodiode stellt einen Pixel dar. Bei Belichtung sammeln sich an den Pixeln<br />
Elektronen- Loch- Paare. Diese werden mittels des ladungsgekoppelten<br />
Transportprinzips seriell ausgelesen. Zur Verdeutlichung dieses Prinzips sei auf [12]<br />
verwiesen. Der serielle Datenstrom wird dann von einer Elektronik analysiert,<br />
ausgewertet und digital oder analog als Ausgangssignal zur Verfügung gestellt. Da bei<br />
dieser Technik Informationen über jeden Pixel gewonnen werden, können unter<br />
anderem Fehler, wie in Abbildung 3.3 gezeigt, erkannt und durch geeignete<br />
Algorithmen Messfehler minimiert werden. Bedingt durch die aufwendigere<br />
Auswertung arbeiten Detektoren auf CCD Basis langsamer als PSD Elemente. [12]<br />
19<br />
2<br />
2
3.2.3 Lichtquellen für den Sender<br />
3 Grundlagen<br />
Ideale Lichtquellen für den Sensor sind solche, die einen Strahl mit Gaußcharakteristik<br />
aufweisen, einen möglichst kleinen und regelmäßigen Strahldurchmesser besitzen und<br />
in ihrer Intensität regelbar sind. Generell können Leuchtdioden, Laserdioden und HeNe-<br />
Laser verwendet werden. Der Helium Neon Laser hat im sichtbaren Bereich einen<br />
geringen Wirkungsgrad (für 633nm finden sich in der Literatur Angaben von 0,1% [13])<br />
und ist, bedingt durch die verwendete Technik, wesentlich größer als ein Diodenlaser.<br />
Leuchtdioden (LED’s) sind in ihrer Strahlqualität den Lasern unterlegen und werden<br />
meist in einfacheren Sensoren verwendet. Die Hauptlichtquelle für<br />
Triangulationssensoren bilden die Diodenlaser. Durch die geringen Abmaße der Dioden<br />
können kompaktere Sensoren entwickelt werden. Laserdioden finden unter anderem<br />
Einsatz in CD- Spielern und Brennern der Heim- und Computerindustrie sowie in<br />
Laserdruckern und sind - bedingt durch die große Nachfrage - recht günstig. Im<br />
Vergleich zu den HeNe- Lasern haben sie einen deutlich größeren Wirkungsgrad von<br />
ca. 50%. [13] Typische Lichtquellen für Triangulationssensoren sind im sichtbaren<br />
roten Spektralbereich InGaAsP Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 675nm und im<br />
nahen Infrarotbereich GaAlAs Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 830nm.<br />
Abbildung 3.4 zeigt die spektrale Empfindlichkeit einer Si Diode in Abhängigkeit von<br />
der Wellenlänge. Bei der Verwendung eines PSD’s als Detektor würde mit einem Laser<br />
der Wellenlänge 830nm eine höhere Quantenausbeute als bei 675nm erreicht. Die<br />
Quantenausbeute gibt das Verhältnis der emittierten Primärelektronen pro einfallende<br />
Photonen an und beschreibt somit die Effektivität des Sensors. [47]<br />
Abbildung 3.4 Spektrale Empfindlichkeit einer Si- Diode [47]<br />
Für die Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich sprechen<br />
auch die damit verbundene leichtere Ausrichtung und die Möglichkeit, den Betrieb des<br />
Lasers zu erkennen. [47]<br />
20
3 Grundlagen<br />
3.2.4 Einfluss von Objektoberflächen<br />
Die Beschaffenheit der Objektoberfläche hat einen entscheidenden Einfluss auf das<br />
Ergebnis der Abstandsmessung. Wie in 3.2.1 beschrieben, trifft der Laserstrahl, vom<br />
Sensor gesehen, senkrecht auf die Oberfläche des Messobjektes. Die Reflektion des<br />
Strahls ist unter anderem abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche.<br />
Abbildung 3.5 Reflektionseigenschaften verschiedener Oberflächen [12]<br />
In Abbildung 3.5 (1) findet eine direkte Reflektion an der Oberfläche statt. Der Strahl<br />
wird nicht gestreut, sondern wird, dem Gesetz „Einfallswinkel ist gleich<br />
Ausfallswinkel“ [29] folgend, reflektiert. Eine solche Reflektion ist für die<br />
Lasertriangulation sehr problematisch, da der reflektierte Strahl in der Regel nicht auf<br />
dem Detektor abgebildet wird. Eine Messung an direkt reflektierenden Oberflächen ist<br />
deshalb so gut wie unmöglich.<br />
Den Idealfall einer Reflektion zeigt Abbildung 3.5 (2). Die Oberfläche verhält sich wie<br />
ein Lambertscher Strahler, dies bedeutet, dass die Strahldichte unabhängig vom<br />
Eintrittswinkel des Lasers ist. Der Leuchtpunkt sieht für das Auge aus allen<br />
Betrachtungswinkeln gleich hell aus. Beispiele für Lambertsche Strahler sind zum<br />
Beispiel weißes Papier oder auch der Mond und die Sonne. [34] Für die Anwendung der<br />
Lasertriangulation bedeutet dies, dass es unrelevant ist, in welchem Winkel der<br />
Laserstrahl auf das Objekt trifft, wenn die Messung durch eine<br />
Schwerpunktbestimmung durchgeführt wird.<br />
Abbildung 3.5 (3) zeigt eine Kombination aus (1) und (2). Die Reflektion besteht aus<br />
einem diffusen Anteil, der eine Richtungsabhängigkeit aufweist. Diese legt den<br />
maximalen Winkel fest, den die Oberfläche relativ zum Sensor aufweisen darf. Wird<br />
dieser Winkel überschritten, so kann der Detektor keine Auswertung mehr durchführen.<br />
[12]<br />
Der Effekt in Abbildung 3.5 (4) tritt auf, wenn der Laserstrahl in ein Objekt eindringt<br />
und mehrfach reflektiert wird. Im ungünstigsten Fall treffen mehrere Strahlen an<br />
verschiedenen Punkten auf den Detektor und vergrößern so die Messungenauigkeit.<br />
Zu beachten ist auch die objektspezifische Absorption von bestimmten Wellenlängen.<br />
Eine tiefblaue Oberfläche absorbiert einen Großteil der roten Strahlung des Lasers<br />
während eine weiße Oberfläche diese sehr gut reflektiert. Der Zusammenhang zwischen<br />
Reflektion und Absorption wird auch als Remission bezeichnet.<br />
21
3 Grundlagen<br />
Viele Lasertriangulationssensoren messen die Intensität des reflektierten Strahls am<br />
Detektor und regeln die Intensität des Laserstrahls entsprechend nach, um<br />
Messunsicherheiten zu vermindern.<br />
Abbildung 3.6 Intensitätsverteilung am Detektor [12]<br />
Wie bereits in 3.2.2 beschrieben, wird insbesondere bei PSD’s die Integration über die<br />
Intensitätsverteilung des reflektierten Strahls zur Abstandsbestimmung benutzt. In<br />
Abbildung 3.6 werden verschiedene Intensitätsverteilungen in Abhängigkeit von der<br />
Oberflächenneigung oder unterschiedlichen Reflektions- oder Absorptionseigenschaften<br />
gezeigt. In der Abbildung beschreibt I die Intensität des auftreffenden Strahls und r<br />
dessen Breite. I′ ist die Intensität des Strahls und z′ dessen horizontale Ausbreitung am<br />
Detektor. In den Spalten (1) und (2) ist zu erkennen, dass sich zwar die<br />
Intensitätsverteilung ändert, die Lage des Schwerpunktes jedoch bleibt bei beiden,<br />
bedingt durch die Symmetrie, konstant. In Spalte (3) wird der Strahl zur Hälfte von der<br />
Objektoberfläche absorbiert. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor ist in diesem<br />
Fall unsymmetrisch und bei der Integration über diese Verteilung entsteht eine<br />
Verschiebung des Schwerpunktes, die einen Messfehler zur Folge hat. Eine<br />
unsymmetrische Verteilung der Intensität kann auch an Objektkanten auftreten. [12]<br />
Eine besondere Eigenschaft des Lasers ist die Aussendung eines kohärenten<br />
Lichtstrahls. In der Literatur findet sich folgende Definition für Kohärenz:<br />
„Ein Kohärentes Lichtfeld ist demnach ein Lichtfeld, bei dem die Schwingungen der<br />
elektrischen und der magnetischen Feldstärken an zwei beliebigen Raumzeitpunkten in<br />
einem definierten Zusammenhang stehen.“[12]<br />
Dies beschreibt das Vorhandensein einer definierten Phasenbeziehung. Um ein<br />
Phänomen, welches durch diese Eigenschaft möglich wird, zu erläutern, soll zunächst<br />
der Begriff der optisch rauen Oberfläche geklärt werden. Von einer solchen Oberfläche<br />
spricht man, wenn die Oberflächenrauhigkeit ≥ der Wellenlänge des Lichtstrahls ist.<br />
Abbildung 3.7 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Links ist eine glatte und rechts eine<br />
raue Oberfläche abgebildet.<br />
22
3 Grundlagen<br />
Abbildung 3.7 Optisch glatte bzw. raue Oberfläche [29]<br />
Trifft nun ein kohärenter Lichtstrahl auf eine optisch raue Oberfläche, so entsteht ein<br />
Interferenzphänomen, der so genannte Speckle- Effekt. Durch die Höhenunterschiede<br />
innerhalb des Laserstrahls kommt es zu Phasenverschiebungen, welche<br />
Wellenüberlagerungen zur Folge haben. Bei gleichphasiger Überlagerung entstehen<br />
helle und bei verschobener Überlagerung dunkle Punkte, die so genannten Speckles. In<br />
Abbildung 3.8 ist das so entstehende Speckle Muster dargestellt.<br />
Abbildung 3.8 Speckle- Muster [29]<br />
Wenn das Messobjekt lateral verschoben wird, verändern sich die Speckles und der<br />
Schwerpunkt des reflektierten Lichts auf dem Detektor. So werden Unterschiede in der<br />
Höhe gemessen, obwohl diese gleich geblieben ist. Zur Vertiefung der Begriffe<br />
Kohärenz und Speckle- Effekt sei auf [12], [29] und [13] verwiesen.<br />
3.2.5 Anmerkungen zum Strahlenschutz<br />
Da die meisten Triangulationssensoren, wie auch die in dieser Arbeit unter 4.1.2.1 und<br />
4.1.2.2 beschriebenen, mit einem Laser der Klasse 2 arbeiten, soll kurz auf notwendige<br />
Sicherheitsaspekte eingegangen werden. Das Bundesamt für Strahlenschutz definiert die<br />
Laser der Klasse 2 wie folgt:<br />
„Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm).<br />
Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich auch für das Auge.<br />
Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereiches von 400 – 700 nm<br />
erfüllen die Bedingungen für Klasse 1.<br />
Die Leistung der Laser der Klasse 2 ist auf 1 mW begrenzt. Das Auge ist durch den<br />
Lidschlussreflex, der aufgrund der Blendwirkung der Strahlung innerhalb von 0,25 s<br />
eintritt, vor Schädigungen bei einem zufälligen kurzzeitigen Hineinschauen in die Strahlung<br />
ausreichend geschützt. Dies gilt auch, wenn sich eine Lupe oder ein Fernglas im<br />
Strahlengang befinden. Absichtliches, anhaltendes Schauen in den Strahlengang sollte<br />
vermieden werden.<br />
Wenn der Laser auch Strahlung anderer Wellenlänge aussendet, muss sie für das Auge<br />
völlig ungefährlich sein.“[10]<br />
23
3 Grundlagen<br />
Der verwendete Laser, oder im betrachteten Fall der Sensor, der den Laser beinhaltet,<br />
muss mit der verwendeten Laserklasse gekennzeichnet sein und Personen, die mit dem<br />
Laser in Berührung kommen, müssen über Gefahren und erforderliche<br />
Schutzmaßnahmen informiert werden. [10]<br />
In einer Mitteilung „Strahlung Aktuell“ berichtet das Berufsgenossenschaftliche Institut<br />
für Arbeitsschutz über Studien an der Fachhochschule Köln, die ergeben haben, dass der<br />
Lidschlussreflex nur bei wenigen Personen den Schutz bietet, wie er in der obigen<br />
Definition angegeben und vorausgesetzt wird. [7]<br />
Da die verwendeten Sensoren in unmittelbarer Nähe einer Schneid- oder<br />
Sägeeinrichtung angebracht werden, sollte im konkreten Anwendungsfall das<br />
Hineinblicken in den Laserstrahl nicht möglich sein. Es ist jedoch zu beachten, dass der<br />
Strahl nicht durch Spiegel oder andere optischen Geräte ab- beziehungsweise umgelenkt<br />
wird.<br />
3.3 Digitalisierung analoger Sensorsignale<br />
Um analoge Sensorsignale mittels eines Mikrocontrollers analysieren und bearbeiten zu<br />
können, müssen diese in zeit- und wertdiskrete, digitale Signale konvertiert werden. In<br />
Abbildung 3.9 werden die Komponenten und die Abfolge bei der Digitalisierung<br />
analoger Sensordaten dargestellt.<br />
Abbildung 3.9 Komponenten für die Messwerteerfassung [49]<br />
Das analoge Sensorsignal wird mittels eines Vorverstärkers an die Anforderungen des<br />
A/D Konverters angepasst (vgl. 4.1.2.5). Um die Forderungen des Nyquist- oder<br />
Shanon- Theorem erfüllen zu können, findet eine Tiefpassfilterung (Aliasing Filter) des<br />
Signals statt. Das Shanon Theorem besagt, dass die Frequenz, mit der ein Signal<br />
abgetastet wird, (deutlich) größer sein muss, als die Grenzfrequenz des abzutastenden<br />
Signals. Mithilfe des Tiefpasses wird die obere Grenzfrequenz, entsprechend der<br />
Abtastfrequenz, festgelegt. Wenn das Shannon Theorem verletzt wird, kommt es zum<br />
Aliasing Effekt, der eine nicht korrigierbare Signalverfälschung zur Folge hat. Wenn<br />
das Shannon Theorem eingehalten wird, kann bei dem in den Frequenzbereich<br />
überführten Signal festgestellt werden, dass sich das Nutz- Spektrum periodisch<br />
wiederholt. Bei der Verletzung des Theorems überlappen das Nutzspektrum und das<br />
24
3 Grundlagen<br />
Spiegelspektrum. In dem Bereich der Überlappung treten dann die nicht korrigierbaren<br />
Signalverfälschungen auf. [32] Nach dem Tiefpass wird das Signal über einen<br />
Multiplexer dem Sample und Hold (S&H) Verstärker zugeführt. Der in der Abbildung<br />
gezeigte Datenverstärker muss nicht zwangsläufig vorhanden sein. Mittels des S&H<br />
Verstärkers findet eine Zeitquantisierung des Sensorsignals statt. Dies bedeutet, dass zu<br />
fest definierten Zeiten die Amplitude des Sensorsignals gespeichert wird. Diese Zeiten<br />
werden von der Abtastfrequenz bestimmt. Bei dem A/D Konverter findet die<br />
Amplitudenquantisierung statt. Der durch die S&H Stufe gespeicherte Wert wird nun in<br />
einen digitalen Wert konvertiert. Für diese Konvertierung stehen unterschiedliche<br />
Verfahren zur Verfügung. Das Parallelverfahren ist sehr schnell, benötigt aber einen<br />
hohen Aufwand in der Realisierung. Das Zählverfahren hingegen benötigt einen<br />
geringen Aufwand zur Realisierung, ist aber vergleichsweise langsam. Einen Mittelweg<br />
aus Aufwand und Geschwindigkeit beschreibt das Wägeverfahren, auch sukzessives<br />
Approximationsverfahren genannt, welches von den in dieser Arbeit verwendeten<br />
Mikrocontrollern angewandt wird. Zur Vertiefung der Konvertierungstechniken sei auf<br />
[49] verwiesen. Wenn man sich den Referenzspannungsbereich von 5V und die<br />
Auflösung von 10 Bit betrachtet, kann man den kleinsten darstellbaren<br />
Amplitudenunterschied berechnen, indem man den Referenzbereich durch 1024 teilt. In<br />
diesem Fall würde der Unterschied 4,89mV betragen. Die Abweichung des<br />
konvertierten Signals vom Originalsignal wird als Quantisierungsrauschen bezeichnet<br />
und beträgt maximal 1/2 LSB, in diesem Fall 2,44mV. Für eine erfolgreiche und genaue<br />
A/D Konvertierung müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden. Die verwendeten<br />
Referenzspannungen sollten stabil und möglichst rauschfrei ausgelegt sein. Der Eingang<br />
des A/D Konverters, kann eine relativ hohe kapazitive Belastung darstellen. Aus diesem<br />
Grund ist es von Vorteil, wenn die Signalquelle einen geringen Innenwiderstand<br />
aufweist. [33] Des Weiteren sollte das auszuwertende Signal einen hinreichend großen<br />
Signal- zu Rauschabstand aufweisen.<br />
3.4 Mikrocontroller<br />
3.4.1 Anforderungen<br />
Die Aufgaben der unter 2.5 beschriebenen Steuer- und Auswerteeinheiten sollen, bei<br />
den in dieser Arbeit betrachteten Systemen, von einem Mikrocontroller übernommen<br />
werden. Nachfolgend werden Anforderungen und Eigenschaften beschrieben, welche<br />
ein Controller besitzen muss, um die in dieser Arbeit geforderten Funktionalitäten<br />
erfüllen zu können.<br />
Um analoge Signale, wie sie von den verwendeten Sensoren geliefert werden,<br />
auswerten zu können, benötigt der Controller einen A/D Konverter (vgl. Kapitel 3.3),<br />
welcher die analogen Signale in digitale konvertiert. Um ein möglichst hohes<br />
Auflösungsvermögen zu gewährleisten, soll der Konverter mindestens mit einer<br />
Auflösung von 10Bit arbeiten. Die Wandlungszeiten der Konverter dürfen des Weiteren<br />
maximal im zweistelligen µs Bereich liegen, um hohe Abtastraten zu ermöglichen. Eine<br />
der in Kapitel 2.2 geforderten Eigenschaften ist eine modulare und strukturierte<br />
25
3 Grundlagen<br />
Programmierung. Um dies zu gewährleisten und einen gut lesbaren Code zu erstellen,<br />
sollen die Controller in der Sprache C programmiert werden. Als<br />
Kommunikationsschnittstellen werden zum einen eine serielle Schnittstelle und zum<br />
anderen programmierbare Ports gefordert, um eine Interaktion mit dem Controller zu<br />
ermöglichen. Auch wenn die Ansteuerung von Aktoren in dieser Arbeit nicht direkt<br />
behandelt wird, müssen die Controller diese Funktionalität bereitstellen. Es wird<br />
weiterhin gefordert, dass der Controller neben der Konvertierung auch zur Echtzeit-<br />
Auswertung der Daten in der Lage ist. Die Analyse der aufgenommenen Messwerte<br />
findet zwar mittels externen Tools statt, der Controller muss aber genügend Rechenzeit<br />
für die Ausführung von Filtern und Auswertealgorithmen zur Verfügung stellen. Um<br />
eine Synchronisation von Zeitabläufen und eine Durchsetzung von geforderten<br />
Aktionen zu gewährleisten, sind Mechanismen wie Timer und Interruptsteuerung<br />
notwendig.<br />
Für diese Arbeit stehen zwei Mikrocontroller zu Verfügung. Ausgewählt wurde, auch<br />
im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit (vgl. Kapitel 2.6), ein 8Bit und ein 16Bit System.<br />
In den nachfolgenden Kapiteln werden die einzelnen Funktionalitäten der verwendeten<br />
Controller dargelegt und speziell in Kapitel 5.1.1 werden controllerspezifische<br />
Einschränkungen beschrieben und diskutiert.<br />
3.4.2 Der 8 Bit Mikrocontroller 80C552 von Philips<br />
Der 80C552 gehört zu der Familie der 80C51 Mikrocontroller. Er besitzt alle<br />
Eigenschaften der 80C51 Architektur, wie zum Beispiel eine serielle Schnittstelle, zwei<br />
16Bit Timer/Counter, Parallele I/O, Speicher und einen externen Bus zur<br />
Systemerweiterung. Des Weiteren besitzt er zusätzliche Einheiten, von denen für diese<br />
Arbeit zwei zusätzliche 8Bit Ports und ein 8-Kanal, 10Bit Analog zu Digital Konverter,<br />
relevant sind. Abbildung 3.10 verdeutlicht den Aufbau des Mikrocontrollers. Der blau<br />
hinterlegte Bereich auf der linken Bildhälfte zeigt, ausgenommen von den Speichern,<br />
den Teil des 80C552’s, der dem 80C51 entspricht. Alle in dieser Arbeit verwendeten<br />
Ports und Funktionseinheiten sind farblich markiert, die einzelnen Farben dienen dabei<br />
lediglich der Unterscheidung der einzelnen Baugruppen und stellen keine weiteren<br />
Beziehungen der Baugruppen untereinander dar. Zu dem in der Abbildung gezeigten<br />
Programmspeicher sei angemerkt, dass dieser bei dem 80C552 extern realisiert werden<br />
muss. Der interne Programmspeicher ist nur bei dem ansonsten identischen 83C552<br />
vorhanden. In der verwendeten Konfiguration wird der Controller mit einer<br />
Taktfrequenz von 11,0592 MHz betrieben. Ein Maschinenzyklus (Cycle) besteht aus 12<br />
Takten. Ein Cycle dauert demnach 1,085µs. Für die Abarbeitung der Maschinenbefehle<br />
benötigt der Controller 1, 2 oder 4 solcher Cycle. Besonders aufwendig sind die<br />
Addition und die Multiplikation, beide Operationen benötigen jeweils vier Cycle. [36]<br />
26
3.4.2.1 Interrupt<br />
3 Grundlagen<br />
Abbildung 3.10 Blockdiagramm des 80C552 [37]<br />
Der 80C552 besitzt 15 verschiedene Interrupt Quellen, von denen zwei externe und die<br />
restlichen interne Quellen darstellen. Die beiden externen Quellen INT0 und INT1<br />
entsprechen denen des 80C51 und reagieren, je nach Programmierung, entweder auf<br />
einen Flankenwechsel oder auf einen definierten Pegel. Die internen Quellen werden<br />
durch ein definiertes Ereignis, wie zum Beispiel einem Timerüberlauf, gesetzt und<br />
können über die Software zurückgesetzt werden. Der 80C552 kennt zwei<br />
Prioritätsstufen, die den einzelnen Interrupts zugeordnet werden können. Unterbrochen<br />
werden kann ein aktiver Interrupt nur durch einen Interrupt von höherer Priorität. Wenn<br />
gleichzeitig mehrere Interrupts derselben Prioritätsstufe auftreten, wird der Interrupt<br />
ausgeführt, welcher innerhalb der Stufe am höchsten steht. Die Rangfolge ist folgender<br />
Quelle zu entnehmen [35]. Falls gleichzeitig ein Interrupt mit hoher und einer, oder<br />
mehrere, mit niedriger Priorität auftreten, wird der Interrupt mit der hohen Priorität<br />
ausgeführt. Um einen Interrupt zu aktivieren, muss er individuell eingeschaltet (source<br />
enable) und die globale Interrupt Freigabe (global enable) aktiv sein. [35]<br />
3.4.2.2 Timer<br />
Der 80C552 besitzt vier Timer. Die Timer T0 und T1 entsprechen denen des 80C51, T2<br />
ist ein 16 Bit Timer, der mit vier Capture und drei Comparator Einheiten verbunden ist<br />
und T3 ist der Watchdog Timer. Für die Timer T0 bis T3 lassen sich verschiedene Modi<br />
einstellen. In dieser Arbeit wird der Timer T0 als 16 Bit Timer, der bei Überlauf einen<br />
Interrupt auslöst, verwendet. Diese Funktionalität wird benötigt, um in fest definierten<br />
Abständen eine A/D Konvertierung zu starten (vgl. 2.5). Der Timer T1 wird in der<br />
27
3 Grundlagen<br />
Betriebsart 8 Bit autoreload und Zeitgeber betrieben und dient somit als<br />
Baudratengenerator für die serielle Schnittstelle. [35]<br />
3.4.2.3 Serielle Schnittstelle<br />
Der 80C552 besitzt zwei serielle Schnittstellen, eine I²C und eine Universal<br />
Asychronous Receiver/Transmitter Schnittstelle (UART). Letztere wird in dieser Arbeit<br />
benutzt. Die UART Schnittstelle kann auf vier verschiedene Modi programmiert<br />
werden. In dieser Arbeit wird der Mode 1 (8 Datenbit, 1 Stopbit, kein Paritätsbit,<br />
einstellbare Baudrate) verwendet. Zur Baudratengenerierung wird, wie bereits erwähnt,<br />
der Timer T1 verwendet. [35]<br />
3.4.2.4 A/D Konverter<br />
Zur A/D Konvertierung besitzt der Controller einen 10 Bit A/D Konverter mit 8<br />
gemultiplexten Eingängen. Er arbeitet nach dem unter 3.3 vorgestellten Verfahren der<br />
sukzessiven Approximation. Da der Konverter keine „sample and hold“ Einheit besitzt,<br />
ist er, zur präzisen Konvertierung, auf ein stabiles Eingangssignal angewiesen. Für eine<br />
komplette Konvertierung benötigt die Einheit 50 Cycles, also circa 54,25µs. [38]<br />
3.4.3 Der 16 Bit Mikrocontroller C167CR-LM von Infineon<br />
Der C167CR-LM ist ein 16 Bit Mikrocontroller und gehört zur Familie des 80C166.<br />
Typische Anwendungen für diesen Mikrocontroller sind zum Beispiel Anti Blockier<br />
Systeme (ABS), Motorsteuerung, Laserdrucker und ISDN-Terminals. [28] Der<br />
Controller besitzt eine Vielzahl an integrierten Funktionseinheiten. Unter anderem sind<br />
dies ein Interrupt Controller, ein Peripheral Event Controller (PEC), zwei serielle<br />
Schnittstellen, neun 16 Bit Timer, neun Ports mit insgesamt 111 Bit I/O, vier<br />
Pulsweitenmodulationseinheiten (PWM), ein Watchdog und ein 10 Bit A/D Konverter<br />
mit 16 gemultiplexten Eingängen. Das Blockschaltbild in Abbildung 3.11 verdeutlicht<br />
den Aufbau des Controllers. Funktionseinheiten, die in dieser Arbeit verwendet wurden,<br />
sind farbig markiert. Der C167CR-LM benutzt einen gemeinsamen Adressbereich von<br />
maximal 16 MB für Daten und Programme, er entspricht somit der Von Neumann<br />
Architektur. [28] Der interne ROM- Speicher ist beim C167CR-LM nicht vorhanden<br />
und muss somit extern realisiert werden. Die CPU arbeitet mit einem Takt von 20 MHz.<br />
Bei dieser Taktfrequenz dauert ein Cycle 100ns. Ein weiteres Leistungsmerkmal des<br />
C167CR-LM ist die Execution Unit mit vierstufiger Pipeline. Jeder abzuarbeitende<br />
Befehl muss die vier Phasen (Fetch, Decode, Execute und Writeback) durchlaufen. Jede<br />
dieser Phasen dauert einen Cycle (100ns), das bedeutet, ein Befehl benötigt 400ns. Da<br />
aber gleichzeitig vier Befehle in der Pipeline verarbeitet werden, wird mit jedem Cycle<br />
ein Befehl fertig abgearbeitet. [28] Für eine 16 Bit Multiplikation benötigt der<br />
Controller 500ns, eine Division 32 Bit durch 16 Bit dauert 1µs. [43]<br />
28
3 Grundlagen<br />
Abbildung 3.11 Blockdiagramm C167CR [26]<br />
3.4.3.1 Interrupt und Peripheral Event Controller (PEC)<br />
Der C167CR-LM besitzt eine komplexe und leistungsfähige Interrupteinheit.<br />
Grundsätzlich werden folgende Interruptarten unterschieden:<br />
• Non Maskable Interrupt (NMI externer nicht sperrbarer Interrupt mit höchster<br />
Priorität)<br />
• Hardware Traps (zum Beispiel Stack Overflow)<br />
• Interne Hardware Interrupts (zum Beispiel Timer Überlauf)<br />
• Externe Hardware Interrupts (ausgelöst durch negative oder positive Flanke an<br />
einem Portpin)<br />
• Software Traps (per Software wird ein beliebiger Interrupt ausgelöst)<br />
Der Mikrocontroller besitzt insgesamt 50 interne Hardware Interruptquellen, von denen<br />
35 auch als externe Hardware Interruptquellen verwendet werden können. In dieser<br />
Arbeit werden Timer 1 und der A/D Konverter als Hardwarequellen betrachtet. Um<br />
einen internen/externen Hardware Interrupt zu aktivieren, muss er individuell<br />
eingeschaltet und die globale Interrupt Freigabe aktiv sein. Für die Verwendung der<br />
Interrupts müssen zwei Prioritäten beachtet werden - die Request und die Service<br />
Priority.<br />
Mittels der Request Priority wird beim gleichzeitigen Auftreten mehrerer Interrupts<br />
entschieden, welcher ausgeführt wird. Die Traps haben eine fest eingestellte Priorität.<br />
Hardware Interrupts können einem Interrupt Level (ILVL) von 0 bis 15 zugeordnet<br />
werden. Innerhalb des einzelnen Levels findet eine Unterteilung in Group Level<br />
(GLVL) von 0 bis 3 statt. Wenn mehrere Hardware Interrupts gleichzeitig auftreten,<br />
wird der mit dem höchsten ILVL ausgewählt.<br />
29
3 Grundlagen<br />
Haben die Interrupts denselben ILVL, wird derjenige mit dem höchsten GLVL<br />
ausgeführt. Innerhalb eines Interrupt Level darf jeder Group Level nur einmal vergeben<br />
werden um eine eindeutige Zuordnung zu gewährleisten.<br />
Die Service Priority eines Interrupts legt fest, ob eine Interrupt Routine ein laufendes<br />
Programm, wie zum Beispiel eine bereits aktive Interrupt Routine, unterbrechen darf.<br />
Der NMI und die Traps haben fest eingestellte Prioritäten, bei den Hardware Interrupts<br />
bestimmt der ILVL die Priorität. Abbildung 3.12 verdeutlicht die Zusammenhänge. [28]<br />
Abbildung 3.12 Priorisierung der Interrupts [28]<br />
Eine Besonderheit im Interruptsystem des C167CR-LM bildet der Peripheral Event<br />
Controller (PEC). Dieser ermöglicht einen DMA- ähnlichen Datentransfer beim<br />
Auftreten eines Interrupts. Der Controller stellt acht PEC- Känale zur Verfügung, die<br />
fest den ILVL 14 und 15, samt den dazugehörigen GLVL, zugeordnet sind. Jeder<br />
Hardware Interrupt kann einem solchen Kanal zugeordnet werden. Wird ein<br />
entsprechender Interrupt ausgelöst, so findet ein Datentransfer von einem definierten<br />
Quellregister in ein Zielregister statt, ohne dass der laufende Programmablauf<br />
unterbrochen werden muss. Über einen Counter ist es möglich, das Quell- oder<br />
Zielregister nach jedem Transfer zu verändern. [28]<br />
3.4.3.2 Timer<br />
Der Controller besitzt 9 Timer, die sich wie folgt aufteilen. Die Timer T0 und T1<br />
gehören zur Capture/Compare Unit 1 und die Timer T7 und T8 zur Capture/Compare<br />
Unit 2. Die restlichen fünf Timer verteilen sich auf die General Purpose Timer Units 1<br />
und 2 (GPT1 und GPT2). In dieser Arbeit werden die Timer T2 und T3 verwendet,<br />
welche sich in der GPT1 befinden. Timer T3 ist ein 16 Bit Timer der von einem<br />
vorgegebenen Startwert auf- oder abwärts zählt und bei einem Unter-/Überlauf einen<br />
Interrupt auslöst. Als Taktquellen kommen zum einen der abgeleitete Systemtakt oder<br />
zum anderen ein extern zugeführter Takt in Frage. Hieraus ergibt sich auch die Funktion<br />
als Timer oder Counter. Timer T2 kann grundsätzlich die gleichen Funktionen wie<br />
Timer T3 übernehmen. Des Weiteren hat er noch einen Capture und eine Reload<br />
Funktion.<br />
30
3 Grundlagen<br />
Die Capture Funktion kann benutzt werden, um einen aktuellen Wert von T3 zu erhalten<br />
und diesen in T2 abzuspeichern. Wenn der Timer T3 einen Reload Impuls sendet, wird<br />
dieser mit dem Wert des Timer T2 nachgeladen. Der Reload Impuls kann entweder eine<br />
positive oder eine negative Flanke darstellen. T2 lässt sich so konfigurieren, dass er nur<br />
auf die positive oder die negative oder aber auf beide Flanken reagiert. Durch die<br />
Kombination von T3 und T2 lassen sich in diskreten Zeitabständen bestimmte<br />
Funktionen ausführen, wie dies zum Beispiel unter 2.5 gefordert wurde. [28]<br />
3.4.3.3 Serielle Schnittstelle<br />
Der C167CR-LM besitzt zwei serielle Schnittstellen, eine asynchrone/synchrone<br />
(USART) und eine synchrone High- speed- Schnittstelle (SPI), welche in dieser Arbeit<br />
nicht weiter betrachtet wird. Die USART Schnittstelle kennt sechs verschiedene<br />
Betriebsmodi, darunter auch den asynchronen Betrieb mit 8 Datenbits, einem Stoppbit<br />
und keinem Paritätsbit. Die Schnittstelle besitzt ihren eigenen Baudratengenerator, der<br />
mit 1/2 Systemtakt betrieben wird. Durch Setzen des S0BRS Bits lässt sich der<br />
Betriebstakt auf 1/3 reduzieren. Das Senden und Empfangen über die serielle<br />
Schnittstelle erfolgt interruptgesteuert über die entsprechenden Register. [28]<br />
3.4.3.4 A/D Konverter<br />
Der A/D Konverter des C167CR-LM besitzt 16 gemultiplexte Eingänge, eine Sample<br />
and Hold Stufe (vgl. 3.3) und die eigentliche Konvertierungseinheit, welche eine<br />
Auflösung von 10 Bit besitzt und nach dem System der sukzessiven Approximation<br />
arbeitet. Über zwei externe Eingänge müssen Referenzspannungen angelegt werden,<br />
welche vom Eingangssignal nicht über- oder unterschritten werden dürfen. Die<br />
Geschwindigkeit des Konverters ist neben dem Systemtakt von zwei weiteren<br />
Parametern abhängig und kann über diese auch eingestellt werden. Die Sample Time<br />
gibt die Zeitdauer an, in welcher das Eingangssignal eingelesen und in der Sample and<br />
Hold Einheit abgespeichert wird. Die Conversion Time gibt die Zeitspanne an, die für<br />
die Konvertierung des analogen Signals benötigt wird. Durch die Kombination der<br />
beiden Parameter lassen sich Zeiten von 9,7µs bis 273µs einstellen. Das Ende einer<br />
Konvertierung kann durch einen Interrupt angezeigt werden. [28]<br />
31
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
In diesem Kapitel wird zum einen die Entwicklung eines Systems zur<br />
Messwerteerfassung und Handdetektion mittels Lasertriangulation und zum anderen der<br />
Aufbau eines Messsystems zur Spektrenanalyse dargestellt. Bei letzterem handelt es<br />
sich um ein Serienprodukt, dessen Funktion und Aufbau näher beschrieben wird. Für<br />
die Handdetektion mithilfe der Lasertriangulation musste eine Schaltung entworfen und<br />
implementiert werden, um die Sensordaten an die Mikrocontroller zu übermitteln und<br />
von diesen aufnehmen und auswerten zu lassen. Für die Versuche standen zwei<br />
Sensoren und zwei Mikrocontroller- Boards zur Verfügung. Neben dem<br />
Hardwareaufbau werden die verwendeten Entwicklungsumgebungen und die jeweilige<br />
Konfiguration der Controller beschrieben.<br />
4.1 Handdetektion mittels Lasertriangulationssensor<br />
Die theoretische Vorüberlegung zur Handdetektion mittels eines Triangulationssensors<br />
ist, die Hand aufgrund der Feinstruktur der Haut oder der Kontur der Hand als Ganzes<br />
mit dem Sensor zu erkennen. Ob und unter welchen Bedingungen dies möglich ist, soll<br />
in den folgenden Kapiteln, insbesondere in Kapitel 5, untersucht werden. In diesem Teil<br />
wird der Aufbau eines Systems zur reproduzierbaren Messwerteerfassung, unter<br />
Berücksichtigung der zu Verfügung stehenden Baugruppen, dargelegt. Als<br />
Ausgangslage wird davon ausgegangen, dass der Sensor horizontal über einer<br />
Arbeitsfläche angebracht wird und die Hand und/oder das Werkstück im Messbereich<br />
des Sensors bewegt wird.<br />
4.1.1 Marktanalyse<br />
Lasertriangulationssensoren finden in der Industrie in unterschiedlichsten Bereichen<br />
ihre Verwendung. Die Sensoren werden zum Beispiel für die Profilerkennung von<br />
Werkstücken oder zur Detektion von Unwuchten bei Reifen verwendet. Bedingt durch<br />
die unterschiedlichen Anforderungen in der Industrie, befindet sich eine Vielzahl<br />
unterschiedlicher Sensoren auf dem Markt. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale,<br />
auch in Bezug auf diese Arbeit, sind die Auflösung, der Messbereich und die<br />
Geschwindigkeit, mit welcher der Sensor arbeitet. In unmittelbarem Zusammenhang mit<br />
diesen Parametern steht letztendlich auch der Preis des Sensors, der spätestens in der<br />
Serienproduktion des Sicherheitssystems eine Rolle spielt. (vgl. Kapitel 2.6) Um einen<br />
Überblick über die auf dem Markt erhältlichen Sensoren zu bekommen, wurden<br />
verschiedene Hersteller angeschrieben. Dank der so erhaltenen Informationen konnten<br />
27 Typen mit insgesamt 160 Modellvariationen verglichen werden. Eine nähere<br />
Untersuchung der Modelle verschiedener Hersteller und deren Vergleich ergaben, dass<br />
einige Typen bezüglich ihrer technischen Daten identisch waren. Aufgrund dieser<br />
Tatsache konnte die Auswahl der zur Verfügung stehenden Sensoren verringert werden.<br />
Unter Berücksichtigung der unter 1.2 genannten Einsatzumgebungen wurden nun alle<br />
Sensoren mit einem Messbereich von ca. 200mm betrachtet.<br />
32
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Größere Messbereiche wurden aufgrund der geringen Sensoranzahl, die diese<br />
bereitstellen, nicht betrachtet. Die nachfolgende Aufstellung gibt einen Überblick über<br />
die Bereiche, in denen die technischen Daten der betrachteten Sensoren variieren. Eine<br />
ausführlichere Darstellung der Ergebnisse findet sich im Anhang dieser Arbeit.<br />
Messbereich 200mm<br />
Linearitätsfehler 60µm bis 1800µm<br />
Auflösung 10µm bis 350µm<br />
Messrate 40kHz bis 10kHz<br />
±5V, ±10V,<br />
Ausgangssignal<br />
0V bis 10V,<br />
2mA bis 20mA<br />
Einzelpreis 6000 bis 800 Euro<br />
Tabelle 4.1 Übersicht der betrachteten LTS mit 200mm Messbereich<br />
Wie aus Tabelle 4.1 zu entnehmen ist, existiert ein recht großes Spektrum an Sensoren.<br />
Ein großer Teil arbeitet bei einer Auflösung von 60 bis 200µm und einer<br />
Frequenzgrenze um die 10kHz. Die Preise für diese Sensoren liegen in etwa bei 2000<br />
Euro pro Stück. Zu beachten ist, dass die meisten Hersteller die Angaben bezüglich der<br />
Auflösung auf eine weiße, diffus reflektierende Oberfläche und auf eine<br />
Frequenzgrenze von 200 bis 500Hz beziehen. Zum einen erleichtert dies die<br />
Vergleichbarkeit der Systeme, zum anderen muss aber auch beachtet werden, dass die<br />
Auflösung bei höheren Frequenzgrenzen und anderen Oberflächen, zum Beispiel durch<br />
Rauschen, verringert werden kann.<br />
4.1.2 Entwicklung eines Systems zur Messwerteerfassung<br />
Die nachfolgenden Punkte befassen sich mit dem Hardwareaufbau des Systems zur<br />
Messwerteerfassung. Die verwendeten Sensoren, die Mikrocontroller und die Schaltung<br />
zur Anpassung der Sensorsignale an die verwendeten A/D Konverter werden<br />
vorgestellt. Abgeschlossen wird der Abschnitt mit der Vorstellung des<br />
Hardwareaufbaus, wie er für die Versuche verwendet wurde.<br />
4.1.2.1 Prototyp<br />
Das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitsschutz (BIA) stellte für die Dauer der<br />
Untersuchungen eine Prototypentwicklung eines Lasertriangulationssensors zur<br />
Verfügung. Laut Beschriftung entspricht der Sensor einem Gerät der Laser- Klasse 2.<br />
Der Sensor besteht aus zwei Einheiten, wobei eine den Sender und den Detektor<br />
aufnimmt und die andere die Steuerelektronik. Zu dem Sensor existieren keine weiteren<br />
technischen Daten und Informationen außer eines Anschlussplans. Der Sensor besitzt<br />
einen analogen Ausgang, der, abhängig von der Höhe des Messobjektes, eine Spannung<br />
ausgibt. Als Betriebsspannung werden ± 15Volt angegeben. Alle nachfolgenden Werte<br />
und Eigenschaften wurden messtechnisch ermittelt.<br />
33
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Der Arbeitsbereich beträgt circa 10mm. Die Ausgangsspannung variiert zwischen –10V<br />
und +12V. Der Sensor besitzt einen Intensitätsausgang, der, bezogen auf 0 V zwischen<br />
5V und 0V wechselt, abhängig davon, ob die Intensität des reflektierten Lichts auf dem<br />
Detektor groß genug ist oder nicht. Bei einer hellen, diffus reflektierenden Oberfläche<br />
lässt sich so auch recht genau auf den Arbeitsbereich des Sensors schließen. Wird dieser<br />
über- oder unterschritten, so liegt dieser Ausgang auf 0V. Dieses Verhalten wurde mit<br />
einem Oszilloskop festgestellt und überprüft. Der Sensor liefert nur dann ein relativ<br />
stabiles Ausgangssignal, wenn er in seinem Arbeitsbereich betrieben wird. Des<br />
Weiteren besitzt der Sensor eine automatische Regulierung der Intensität des<br />
Laserstrahls. Dies kann beobachtet werden, wenn der Detektor des Sensors teilweise<br />
verdeckt, oder ein dunkles Messobjekt verwendet wird. Der Sender und der Detektor<br />
sind mit einem optischen Filter bedeckt, um Fremdlicht zu filtern. Um den Sensor<br />
mechanisch zuverlässig mit der unter 4.1.2.6 beschriebenen Schaltung verbinden zu<br />
können, wurde er mit einem 9-poligen Stecker ausgestattet. In Abbildung 4.1 ist der<br />
Sensor dargestellt. Gut zu erkennen sind auch der Detektor (links im Bild) und der<br />
Sender (rechts).<br />
Abbildung 4.1 LTS Prototyp<br />
Die in Tabelle 4.2 beschriebenen Daten wurden, bis auf die Versorgungsspannung und<br />
die Laserschutzklasse, messtechnisch ermittelt. Die maximale Messfrequenz ist als<br />
Resultat der maximal verwendeten Abtastrate, von 20kHz und des daraus resultierenden<br />
Aliasingfilters (vgl. Kapitel 3.3, Shannon Theorem) zu verstehen. Zur Feststellung der<br />
Auflösungen sei auf Kapitel 5.1.2 verwiesen.<br />
Versorgungsspannung 15 Volt Gleichspannung<br />
Messfrequenz getestet bis 7,23kHz<br />
Analogausgang -10Volt bis + 12Volt<br />
Messbereich 10mm<br />
Auflösung bei 7,23kHz ca. 78µm<br />
Auflösung bei 200Hz ca. 34µm<br />
Durchmesser des Lichtpunktes in<br />
der Messbereichsmitte<br />
~0,5mm<br />
Laserschutzklasse 2<br />
Tabelle 4.2 Technische Daten des Prototyps<br />
34
4.1.2.2 LDS 70/200<br />
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Der LDS 70/200 ist ein kompakter Lasertriangulationssensor, der alle optischen,<br />
elektrischen und sensorischen Einheiten in einem Gehäuse integriert hat. Dieser Sensor<br />
wurde von der Firma Eltrotec zur Verfügung gestellt. Als Sender verwendet er einen<br />
Laser mit einer Wellenlänge von 670nm und arbeitet somit im sichtbaren, roten Bereich.<br />
Der Detektor besteht aus einem ortsauflösenden CCD Zeilenelement. Aus Tabelle 4.3<br />
sind die wichtigsten technischen Daten zu entnehmen.<br />
Versorgungsspannung 12 bis 30 Volt Gleichspannung<br />
Messfrequenz 1kHz<br />
Analogausgang 4 bis 20 mA<br />
Messbereich 200mm<br />
Auflösung dynamisch bei 1kHz 200µm<br />
Durchmesser des Lichtpunktes in<br />
der Messbereichsmitte<br />
~2mm<br />
Laserschutzklasse 2<br />
Tabelle 4.3 Auszug technische Daten LDS 70/200 [14]<br />
Auf der Gehäuseoberseite des Sensors befindet sich eine LED, welche die<br />
verschiedenen Betriebszustände des Sensors anzeigt. Grundsätzlich signalisiert das<br />
Leuchten der LED, unabhängig von der Farbe, dass der Sensor in Betrieb ist. Leuchtet<br />
die LED grün, befindet sich ein Objekt im Messbereich des Sensors. Liegt das<br />
Messobjekt in der Mitte des Messbereiches, so wechselt die LED zu gelb. Ein rotes<br />
Leuchten signalisiert, dass sich kein Objekt im Messbereich befindet oder die<br />
Reflektion des Objektes zu gering ist, um eine Messung durchzuführen. Zusätzlich zu<br />
der optischen Anzeige besitzt der Sensor einen kurzschlussfesten Fehlerausgang, der<br />
dann auslöst, wenn der Laser aus ist oder die Bedingungen, die zum Leuchten der roten<br />
LED führen, erfüllt sind.<br />
Abbildung 4.2 LDS 70 / 200<br />
35
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Um Fehlmessungen bei wechselnden Oberflächenfarben zu vermeiden, besitzt der<br />
Sensor eine automatische Intensitätsnachregelung für den Laserstrahl. Der Hersteller<br />
gibt an, dass bei einer Oberflächenrauhigkeit von ≥ 5µm und einer traversierenden<br />
Bewegung des Messobjektes vermeintliche Höhenunterschiede gemessen werden<br />
können, die so aber nicht existieren. (vgl. auch 3.2.4) Das Ein- und Ausschalten des<br />
Sensors erfolgt über eine entsprechende Steuerleitung. Nach dem Einschalten des<br />
Sensors sollte dieser für circa 15 Minuten einlaufen, damit im Sensor eine gleichmäßige<br />
Temperaturverteilung entsteht. Zum Anschluss des Sensors an die unter 4.1.2.6<br />
beschriebene Schaltung wurde das mitgelieferte Anschlusskabel verwendet. In<br />
Abbildung 4.2 ist der Sensor samt LED und Anschlussbuchse zu erkennen. Alle<br />
dargelegten Daten des Sensors sind aus dessen Datenblatt und Bedienungsanleitung<br />
entnommen. [14]<br />
4.1.2.3 80C552 Entwicklungs- Board<br />
Das Entwicklungs- Board der Firma Engelmann und Schrader ist für die Applikations-<br />
Entwicklung auf 80C51 Basis konzipiert. Als Controller findet der unter 3.4.2<br />
beschriebene 80C552 von Philips mit einer Taktfrequenz von 11,0592MHz<br />
Verwendung. Alle für diese Arbeit relevanten Schnittstellen und Ein- / Ausgänge des<br />
Mikrocontrollers werden von diesem Board zur Verfügung gestellt. Die analogen<br />
Eingänge des A/D Konverters sind auf einen 40- poligen Pfostenstecker geführt. Um<br />
den 80C552 betreiben zu können, sind auf dem Board 128KByte FLASH und weitere<br />
64Kbyte SRAM untergebracht.<br />
Abbildung 4.3 80C552 Entwicklungs- Board<br />
Zur Programmierung und zur Kommunikation mit einem Terminal besitzt das Board<br />
einen SUB-D 9- polige Stecker, der mit der seriellen Schnittstelle des Controllers<br />
verbunden ist. Mittels Jumper kann zwischen dem Programmiermodus und dem<br />
Datenübertragungsmodus gewechselt werden.<br />
Als Spannungsversorgung wird ein 9V 200mA Netzteil mittels 3,5mm Klinke mit dem<br />
Board verbunden. Alle weiteren benötigten Spannungen werden auf dem Board selber<br />
realisiert.<br />
36
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Von Bedeutung sind im Besonderen die vom A/D Konverter benötigten<br />
Referenzspannungen. Diese sind fest auf 0V und 2,5V eingestellt und können nicht<br />
verändert werden. Als Kommunikationsschnittstellen stehen dem Entwickler des<br />
Weiteren ein 2x16 Zeichen LCD- Display, 5 freiprogrammierbare Tasten, eine RESET-<br />
Taste, 8 freiprogrammierbare LED’s und je eine Reset- und Power- LED zur<br />
Verfügung. Die Schalter und LED’s sind mit den I/O Ports des Controllers verbunden<br />
und können somit individuell verwendet werden. Der auf dem Controller enthaltene<br />
Watchdog kann mittels Jumper aktiviert werden. Abbildung 4.3 zeigt das verwendete<br />
Entwicklungs- Board. [15]<br />
4.1.2.4 C167CR Evaluationboard mit Mikrocontrollermodul<br />
Das Entwicklungssystem der Firma Frenzel + Berg Elektronik besteht aus einem<br />
Evaluationboard (CM-EVA) und aus einem Mikrocontrollermodul (CM167c2). Das<br />
CM-EVA Board kann mit verschiedenen CM- Mikrocontrollermodulen des Herstellers<br />
bestückt werden. Das Board stellt alle I/O-, Steuer-, Adress- und Datenleitungen des<br />
verwendeten CM- Moduls zur Verfügung. Über ein Lochrasterfeld können eigene<br />
Schaltungen und Erweiterungen realisiert werden. Des Weiteren stellt das Board ein<br />
integriertes Netzteil (5V/400mA), einen Steckplatz für ein entsprechendes CM- Modul,<br />
zwei Steckverbinder RS232, und einen Steckverbinder für RS458 oder CAN- Bus<br />
bereit. Ein Taster ermöglicht es, den Controller zu resetten und über einen DIP Switch<br />
können weitere Einstellungen vorgenommen werden. Als externe Spannungsversorgung<br />
dient ein Steckernetzteil (230V AC / 9V DC 500mA). [17] Das Mikrocontrollermodul<br />
CM167c2 ist mit dem Infineon CR167CR-LM Controller bestückt (vgl. 3.4.3).<br />
Betrieben wird dieser mittels eines externen Oszillators mit 40MHz, was einen internen<br />
Takt von 20MHz zur Folge hat. Neben dem Controller sind auf dem Modul noch<br />
Speicherbausteine (1MB SRAM und 64k Flash PROM), eine Spannungsüberwachung,<br />
und eine Echtzeituhr untergebracht. Über vier doppelreihige Stiftleisten wird das Modul<br />
mit dem CM-EVA Board verbunden. Die Referenzspannungen für den A/D Konverter<br />
können mittels Lötbrücken auf 0V und 5V, oder über externe Pins auf<br />
benutzerdefinierte Werte eingestellt werden. In dieser Arbeit werden für den LTS<br />
Prototyp 0V und 5V und für den LDS 70/200 1V und 5V eingestellt. Die Spannung von<br />
1V wurde schaltungstechnisch auf dem Lochrasterfeld des CM-EVA Board realisiert.<br />
Im Gegensatz zu dem unter 4.1.2.3 vorgestellten Board stellt dieses keine Taster, LED<br />
und kein Display zur Verfügung. Um trotzdem eine Kommunikation mit dem Board zu<br />
ermöglichen, wurden Schalter und LED auf der unter 4.1.2.6 beschriebenen Schaltung<br />
integriert. Zur Programmierung des Controllers muss eine serielle „Nullmodem“<br />
Verbindung über den ersten SUB-D9 Stecker des CM-EVA Board zu einem PC<br />
hergestellt werden. Mittels DIP Switch und nachfolgendem Reset wird der Controller in<br />
den Programmiermodus gebracht. [18] In Abbildung 4.5 ist das CM-EVA Board mit<br />
installiertem CM167c2 Modul zu sehen.<br />
37
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
4.1.2.5 Anforderungen zum Design eines Vorverstärkers für den ADC<br />
In den vorhergegangenen Kapiteln wurden die Ein- und Ausgänge der verwendeten<br />
Baugruppen beschrieben. In Tabelle 4.4 werden diese zur besseren Übersicht nochmals<br />
dargestellt. Aus der Tabelle ist abzulesen, dass die Sensorausgänge nicht direkt an die<br />
Mikrocontroller angeschlossen werden können.<br />
LTS Prototyp LDS 70 / 200 80C552 C167CR-LM<br />
Ausgang -10V bis +12V 4mA bis 20mA<br />
Eingang 0V bis 2,5V 0V bis 5V<br />
(1V bis 5V)<br />
Tabelle 4.4 Übersicht Ein- / Ausgänge der Systeme<br />
Der Spannungsbereich des Prototyps ist viel zu groß und der LDS 70 / 200 hat einen<br />
Stromausgang, die Mikrocontroller aber nur Spannungseingänge. Die nötige Strom- zu<br />
Spannungs- Umwandlung lässt sich auf zwei Wegen realisieren. Zum einen kann ein<br />
Parallelwiderstand zwischen den Sensorausgang und 0 Volt geschaltet werden, um den<br />
Spannungsabfall an diesem als Eingang für die Mikrocontroller zu verwenden, und zum<br />
anderen kann eine aktive, mittels Operationsverstärker realisierte, Strom- Spannungs-<br />
Wandlerschaltung eingesetzt werden. In dieser Arbeit sollen beide Möglichkeiten<br />
realisiert werden. Eine Einschränkung wurde bezüglich des LDS 70 / 200 getroffen. Da<br />
sich das Ausgangssignal schlecht an den 0V bis 2,5V Eingang anpassen lässt, wurde<br />
dieser Sensor nur mit dem C167CR-LM Mikrocontroller verbunden. Aufgrund der unter<br />
5.1.1 aufgeführten Erkenntnisse ist diese Einschränkung aber von geringer Bedeutung.<br />
Der Stromausgang lässt sich, aktiv wie passiv, gut zu einem Ausgang mit einer<br />
Spannung von 1V bis 5V wandeln. Die Referenzspannungen am Mikrocontroller<br />
können ohne großen schaltungstechnischen Aufwand an diese Spannungen angepasst<br />
werden.<br />
Für die Anpassung des Prototyps müssen zwei Probleme gelöst werden. Zum einen<br />
muss der Ausgangsspannungsbereich positiv werden und zum anderen müssen die<br />
Spannungen herabgesetzt werden. Da die Ergebnisse der Marktanalyse (vgl. Kapitel<br />
4.1.1) unter anderem ergeben haben, dass viele Sensoren ähnliche<br />
Ausgangscharakteristika aufweisen, soll die Verstärkerschaltung flexibel auf<br />
verschiedene Spannungsbereiche eingestellt werden können, um den problemlosen<br />
Anschluss anderer Sensoren, mit Spannungsausgang, zu ermöglichen. Die Realisierung<br />
der Schaltung sieht folgendermaßen aus: Die Ausgangsspannung des Sensors wird über<br />
einen passiven, einstellbaren Spannungsteiler heruntergeteilt. Neben dieser Spannung<br />
wird eine weitere, positive Spannung von 15 Volt über einen zweiten passiven,<br />
einstellbaren Spannungsteiler heruntergeteilt. Diese Spannungen werden nun über eine<br />
mittels Operationsverstärker realisierte Addiererschaltung addiert. Aufgrund der<br />
Tatsache, dass beide Spannungen getrennt voneinander eingestellt werden können, ist es<br />
möglich, unsymmetrische Signale, wie sie der Prototyp liefert, an die Eingänge des<br />
Mikrocontrollers anzupassen.<br />
38
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Da die verwendete Addierer- Beschaltung des Operationsverstärkers am Ausgang das<br />
Eingangssignal invertiert ausgibt, wird eine zweite Operationsverstärkerstufe als<br />
Invertierer nachgeschaltet. Um das in Kapitel 3.3 vorgestellte Shannon Theorem nicht<br />
zu verletzen, wurde in die Verstärkerschaltung ein aktiver Tiefpass integriert, der je<br />
nach verwendeter Abtastrate angepasst wurde. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung<br />
von Operationsverstärkern ist dessen Eigenschaft als spannungsgesteuerte<br />
Spannungsquelle. Er besitzt einen hohen Eingangswiderstand und einen geringen<br />
Ausgangswiderstand. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für die Beschaltung an einen A/D<br />
Konverter. (vgl. 3.3)<br />
Ein weiterer Punkt, der beachtet werden muss, sind die Rauscheigenschaften von<br />
elektrischen Schaltungen. Die verwendeten Operationsverstärker werden alle mit einer<br />
Verstärkung von V = 1 betrieben. Dies sorgt grundsätzlich dafür, dass<br />
Eingangsrauschen nicht verstärkt wird. Die Problematik des Rauschens bleibt aber<br />
weiterhin bestehen. Um diese einzugrenzen, wurden praktische und theoretische<br />
Versuche mit verschiedenen Operationsverstärkern und unterschiedlichen<br />
Beschaltungen durchgeführt. Die theoretischen, simulierten Versuche werden in dem<br />
folgenden Kapitel näher betrachtet.<br />
4.1.2.6 Schaltungsdesign und Simulation mittels PSpice<br />
Zur Entwicklung und Simulation der benötigten Vorverstärkerschaltungen wurde die<br />
Software OrCad (oder PSpice) Capture in der Student Version Rel.9.1 verwendet.<br />
Mithilfe dieser Software konnten die Eigenschaften der verwendeten Grundschaltungen,<br />
Addierer, Invertierer, Tiefpass und Strom- / Spannungswandler bei unterschiedlichen<br />
Beschaltungen untersucht werden. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die<br />
Rauscheigenschaften der Schaltungen gelegt. Für Operationsverstärker finden sich in<br />
deren Datenblättern Angaben für eine Rauschspannungsdichte, welche in<br />
V / Hz angegeben wird und auf den Eingang bezogen ist. Neben dieser<br />
Rauschspannungsdichte ist das Gesamtrauschen der Schaltung auch von allen weiteren<br />
verwendeten passiven Bauteilen abhängig. Für viele auf dem Markt erhältliche<br />
Operationsverstärker existieren Modelle, welche in der PSpice Software verwendet<br />
werden können. Basierend auf diesen Modellen erlaubt die Software eine Analyse der<br />
Rauscheffektivspannung der Schaltung. Für diese Simulation wurden vier<br />
Operationsverstärkertypen verwendet und eine Rauschbandbreite von 8kHz<br />
angenommen. Tabelle 4.5 verdeutlicht die Ergebnisse der Simulationen.<br />
LM 324 MC 33079 TL 074 OPA 37<br />
10kΩ 5,50µV 3,46µV 4,68µV 2,70µV<br />
15kΩ 5,94µV 3,49µV 4,72µV 2,73µV<br />
20kΩ 6,03µV 3,52µV 4,76µV 2,75µV<br />
Tabelle 4.5 Rauscheffektivspannung der Verstärkerschaltung<br />
39
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Neben der Rauschsimulation wurden auch die Frequenzeigenschaften der Schaltung,<br />
insbesondere das Verhalten des Tiefpasses, überprüft. In Abbildung 4.4 ist das PSpice<br />
Hauptfenster mit der mit der Addierer- Schaltung und das Ergebnis der<br />
Frequenzsimulation zu sehen.<br />
Abbildung 4.4 Screenshot PSpice Capture<br />
4.1.2.7 Aufbau zum Erfassen der Messwerte<br />
Da das C167CR Entwicklungs- Board weder Taster noch LED’s zur Verfügung stellt,<br />
sind diese Bauteile auf der Platine für die Verstärker integriert worden. Um die I/O-<br />
Ports des Mikrocontrollers zu schützen, wurde ein einfacher Treiberbaustein (vom Typ<br />
SN74HC241N) als Puffer zwischen die Ports und die Bauteile geschaltet. Die<br />
Verbindung der Ports mit der Platine wurde über ein Flachbandkabel realisiert. Neben<br />
den Ports musste auch eine Spannung von 5 Volt, für die LED’s und den<br />
Pufferbaustein, vom Entwicklungs- Board zur Platine geschaltet werden. Um<br />
Masseschleifen und die daraus resultierenden Störungen zu verhindern, wurden die<br />
Platine und das Board so verschaltet, dass sie eine gemeinsame Masse verwenden. Um<br />
die Einflüsse von Störfeldern zu untersuchen, wurden verschiedene Messungen mit<br />
unterschiedlichen Verbindungskabeln gemacht und analysiert. Die Ergebnisse dieser<br />
Messungen werden in Kapitel 5.1.3.2 diskutiert. Da die an den Analogeingängen der<br />
Mikrocontroller angelegten Spannungen bestimmte Werte nicht über- beziehungsweise<br />
unterschreiten dürfen, wurde mittels zweier Schottky Dioden eine Schutzschaltung<br />
erstellt, welche sicherstellt, dass die Spannungen am A/D Konverter Eingang zwischen<br />
0V und 5V bzw. 2,5V bleiben.<br />
40
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Um eine mechanisch zuverlässige Verbindung der Sensoren und der Mikrocontroller zu<br />
ermöglichen, wurde die Verstärkerplatine mit verschiedenen Steckverbindern<br />
ausgestattet. Zum Anschluss des Prototyps wurde eine 9- polige SUB-D Buchse<br />
angebracht. Der LDS 70 / 200 kann über eine Schraubklemmleiste mit der Platine<br />
verbunden werden. Über diese Verbindungen erfolgte auch die Spannungsversorgung<br />
der Sensoren. Zum Anschluss eines Labornetzteiles wurden farblich gekennzeichnete<br />
Buchsen angebracht. In Abbildung 4.5 ist der Messaufbau mit dem CM-EVA Board<br />
dargestellt. Der Klemmblock auf der rechten Hälfte des Bildes wird benutzt, um den<br />
LDS 70 / 200 Sensor direkt, mittels Parallelwiderstand, mit dem A/D Konverter des<br />
Mikrocontrollers zu verbinden.<br />
Abbildung 4.5 Messaufbau mit dem C167CR-LM<br />
Zur Befestigung der Sensoren wurde ein Klemmschraubstock verwendet, der an einem<br />
stabilen Stativ befestigt wurde. Die Verwendung des Schraubstockes erlaubte das<br />
schnelle Wechseln der beiden Sensoren. In Abbildung 4.6 ist die Sensorhalterung mit<br />
montiertem LDS 70 / 200 und einigen Holzproben zu sehen.<br />
Abbildung 4.6 Sensorhalterung und Holzproben<br />
41
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
4.1.3 Softwareentwicklung zur Messwerteerfassung<br />
Die komplette Softwareentwicklung wurde in der Sprache C realisiert. In den<br />
nachfolgenden Kapiteln werden die verwendeten Softwaretools und die jeweils<br />
controllerspezifische Implementierung vorgestellt.<br />
4.1.3.1 Entwicklungsumgebungen<br />
Die Entwicklung der Mikrocontroller- Software erfolgte mittels der Keil µVision2/3<br />
Entwicklungsumgebung der Firma Keil Elektronik GmbH. Die Umgebung stellt einen<br />
Quellcodeeditor, einen Debugger, einen Simulator und einen Performanceanalysator zur<br />
Verfügung. Die Möglichkeit einer modularen und übersichtlichen Projekterstellung ist<br />
durch den Project Workplace gegeben. Von diesem Fenster aus hat man neben einem<br />
strukturierten Zugriff auf alle verwendeten Quelldateien auch die Möglichkeit, Hilfen<br />
und Dokumentationen zum verwendeten Controller aufzurufen. Abbildung 4.7 zeigt die<br />
Entwicklungsumgebung im Debugmodus mit aktiviertem Performance Analysator,<br />
welcher nachfolgend beschrieben wird und A/D Konverter Fenster.<br />
Abbildung 4.7 Screenshot der Keil µVision3 Entwicklungsumgebung<br />
Der integrierte Simulator erlaubt einen zum Teil interaktiven Zugriff auf spezielle<br />
Einheiten des simulierten Mikrocontrollers. Sämtliche I/O Ports können beobachtet und<br />
modifiziert werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, über Scripte wechselnde<br />
Zustände an den Eingängen zu erzeugen. So ist es zum Beispiel möglich, verschiedene<br />
Eingangsspannungen am A/D Konverter zu simulieren.<br />
42
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Parallel zu einer Simulation kann eine Performancemessung durchgeführt werden, um<br />
zu ermitteln, wie lang der Prozessor mit der Bearbeitung einer Funktion beschäftigt ist.<br />
Es finden sich unter anderem Angaben zur minimalen, maximalen, durchschnittlichen<br />
und zur Gesamtzeit der Bearbeitung. Diese Funktion erwies sich als sehr vorteilhaft, um<br />
die unter 2.5 geforderten Kriterien der Echtzeitfähigkeit und Synchronisation zu<br />
überprüfen. Neben dieser Simulation kann im Debug- Modus Schritt für Schritt die<br />
Abarbeitung jedes Befehls nachvollzogen werden. Versuche haben aber auch gezeigt,<br />
dass der Simulator den echten Controller nicht ersetzen kann, so lief zum Beispiel eine<br />
simulierte A/D Konvertierung ohne Probleme ab, auf dem Controller wurde jedoch<br />
immer der Wert 512 als Ergebnis der Wandlung angezeigt. Der Grund für dieses falsche<br />
Ergebnis war ein anfänglicher Fehler im Code. Es wurde nicht gewartet, bis der<br />
Konverter das Ende der Wandlung anzeigt und aufgrund dessen erhielt man immer den<br />
Wert des ersten Approximationsschrittes, der bei 10 Bit Auflösung 512 ist. In der<br />
Simulation lief die Konvertierung jedoch ohne Probleme. Das Programm kann direkt<br />
aus der Umgebung compiliert und verlinkt werden und steht somit als HEX- File zur<br />
Verfügung.<br />
Bei der Entwicklung auf dem C167CR-LM kam zusätzlich die Software „Digital<br />
Application Engineer“ (DAvE) von Infineon zum Einsatz. [27]<br />
Abbildung 4.8 Screenshot von DAvE<br />
DAvE erlaubt es, über eine grafische Oberfläche sämtliche Komponenten des C167CR-<br />
LM zu konfigurieren. Durch dieses Tool konnte die Entwicklungsphase der Software<br />
deutlich beschleunigt werden. Obwohl eine direkte Integrierung in µVision möglich ist,<br />
wurde auf diese Möglichkeit verzichtet, um unabhängig von automatisch erzeugten und<br />
durch den Programmierer nicht modifizierbaren Code zu bleiben. Der erzeugte Code<br />
wurde deshalb nach Bedarf verändert und manuell in das µVision Projekt integriert.<br />
43
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Infineon bietet DAvE und entsprechende Plugins frei über das Internet an. [27]<br />
Abbildung 4.8 zeigt einen Screenshot des Programms.<br />
Um die so erzeugte HEX- Datei auf den Controller zu übertragen, wird ein weiteres<br />
Programm benötigt. Bei dem 80C552 Entwicklungs- Board wird das Programm<br />
Compact 51 IDE, welches dem Board beigelegt war, verwendet. Um die HEX- Datei<br />
übertragen zu können, muss eine serielle Verbindung zwischen dem PC und dem Board<br />
hergestellt werden. Wichtig ist es auch, den Jumper zur Programmierung zu setzen.<br />
(Vergl. auch 4.1.2.3) Teilweise traten bei der Programmierung Probleme auf, die meist<br />
darauf zurückzuführen waren, dass die Schnittstelle zuvor zur Datenübertragung benutzt<br />
worden war.<br />
Zur Übertragung der HEX- Datei auf den C167CR-LM wurde die Software FlashJet,<br />
von der Firma Frenzel und Berg Elektronik verwendet. Die einzigen Probleme mit<br />
diesem Programm waren auf den verwendeten USB zu Seriell Adapter zurückzuführen.<br />
4.1.3.2 Konfiguration des C167CR<br />
Nachfolgend wird die Programmierung der in dieser Arbeit verwendeten Einheiten des<br />
C167CR-LM Mikrocontrollers beschrieben. Zur Verdeutlichung der Konfiguration<br />
werden die jeweils verwendeten Special Funktion Registers (SFR) und deren Belegung<br />
angegeben.<br />
Serielle Schnittstelle<br />
Im Gegensatz zum 80C552 besitzt der C167CR-LM einen eigenen Baudratengenerator<br />
und benötigt demzufolge keinen Timer, um die Baudrate zu erzeugen. Der Generator<br />
wird mit dem Systemtakt (20MHz) betrieben und mittels eines Teilers (S0BRL) auf die<br />
gewünschte Baudrate eingestellt. Der Wert des Teilers wird in das S0BG Register<br />
geladen, welches von diesem Wert an abwärts zählt. Bei einem Unterlauf wird das<br />
Register mit S0BRL nachgeladen.<br />
Der Teiler kann folgendermaßen berechnet werden: [28]<br />
Systemtakt<br />
S 0BRL =<br />
−1<br />
16*<br />
( 2 + S0BRS)<br />
* Baudrate<br />
Durch das Setzen des Baudrate Selection Bits (S0BRS) wird der Systemtakt von 1/2 auf<br />
1/3 reduziert. Für eine Baudrate von 19200 errechnet sich der Teiler wie folgt:<br />
20MHz<br />
S 0 BRL =<br />
−1<br />
=<br />
16*<br />
2*<br />
19200<br />
44<br />
31,<br />
5<br />
Da S0BRL nur einen Integerwert aufnehmen kann, wird der erhaltene Wert aufgerundet<br />
zu 32, dies entspricht 0x20h. Die tatsächlich eingestellte Baudrate beträgt so 18939, was<br />
einen Fehler von -1,357% bedeutet. Dieser Fehler hat aber keinen Einfluss auf die
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Kommunikation über die Schnittstelle. Die eigentliche Konfiguration der Schnittstelle<br />
erfolgt über das Serial Channel Control Register (S0CON). Tabelle 4.6 zeigt den<br />
Aufbau und die Belegung des Registers.<br />
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8<br />
S0R S0LB S0BRS S0ODD ------- S0OE S0FE S0PE<br />
1 0 0 0 0 0 0 0<br />
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0<br />
S0OEN S0FEN S0PEN S0REN S0STP S0M S0M S0M<br />
0 0 0 1 0 0 0 1<br />
Tabelle 4.6 Aufbau und Belegung des S0CON Registers (C167CR)<br />
Über die drei Mode Control Bits (S0M) wird der Betriebsmodus der Schnittstelle<br />
eingestellt. Die Kombination 001 stellt diese auf den Modus Asynchroner Betrieb mit 8<br />
Datenbits ein. Durch das Setzen von S0STP = 0 wir ein Stopp- Bit verwendet und durch<br />
S0PEN = 0 die Paritätsüberprüfung ausgeschaltet. Über S0REN wird der<br />
Empfangsmodus aktiviert und S0R startet den Baudratengenerator. Die übrigen Bits<br />
wurden nicht verwendet. Zum Senden können Daten, wie beim 80C552, direkt in das<br />
Serial Channel Transmit Buffer Register (S0TBUF) geschrieben werden oder aber<br />
mittels der C Funktion printf() übertragen werden. Ein Nachteil der printf() Funktion ist<br />
die relativ hohe Ausführungsdauer. Da die Messwerte aber erst nach dem eigentlichen<br />
Messvorgang an den PC übermittelt wurden, stellte dies kein Problem dar.<br />
Timer<br />
Die nachfolgend beschriebenen Timer werden in der entwickelten Software verwendet,<br />
um zu fest definierten Zeiten, mittels Interrupt, eine A/D Konvertierung zu starten. Die<br />
Konfiguration der verwendeten Timer 2 und 3 erfolgt über die Timer Control Register<br />
T2CON und T3CON. Tabelle 4.7 und Tabelle 4.8 zeigen den Aufbau und die Belegung<br />
des jeweiligen Registers.<br />
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8<br />
------ ------ ------ ------ ------ T3OTL T3OE T3UDE<br />
0 0 0 0 0 0 0 0<br />
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0<br />
T3UD T3R T3M T3M T3M T3I T3I T3I<br />
0 0 0 0 0 1 0 0<br />
Tabelle 4.7 Belegung und Aufbau des T3CON Registers<br />
Über die Bits T3M und T3I werden die Betriebsart und die Taktquelle des Timer T3<br />
festgelegt.<br />
45
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Im konkreten Fall bedeutet dies, dass als Taktquelle der durch 128 geteilte Systemtakt<br />
verwendet wird. Das T3R Bit dient zum Starten des Timers. Die Bits T3UDE und<br />
T3UD konfigurieren die Zählrichtung des Timers. In der vorliegenden Konfiguration<br />
zählt der Timer vom Startwert, der im Register T3 steht, aufwärts. Der Startwert des T3<br />
Registers bestimmt die Dauer bis zum Überlauf des Timers. Aufgrund der Teilung des<br />
Systemtaktes durch 128 erhält man eine Zeitauflösung von 6,4µs. Den erforderlichen<br />
Startwert (Sw) für den Timer kann man wie folgt berechnen:<br />
Überlaufzeitpunkt<br />
Sw = 65535 −<br />
+ 1<br />
6,<br />
4µs<br />
Für einen gewünschten Überlaufzeitpunkt von 51,2µs ergibt sich folgende Rechnung:<br />
51,<br />
2µs<br />
Sw = 65535 − + 1 = 65528<br />
6,<br />
4µs<br />
Dieser Wert entspricht 0xFFF8 und somit muss T3 mit diesem Wert geladen werden.<br />
Das T3OTL Bit wird bei jedem Zählerüberlauf invertiert. Des Weiteren wird bei jedem<br />
Überlauf, mittels Interrupt, eine A/D Konvertierung angestoßen. Der ILV und der GLV<br />
werden im Register T3IC konfiguriert (vgl. 3.4.3.1).<br />
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8<br />
------ ------ ------ ------ ------ ------ ------ T2UDE<br />
0 0 0 0 0 0 0 0<br />
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0<br />
T2UD T2R T2M T2M T2M T2I T2I T2I<br />
0 0 1 0 0 1 1 1<br />
Tabelle 4.8 Belegung und Aufbau des T2CON Registers<br />
Vom Aufbau ist das T2CON Register bis auf die Stellen D9 und D10 identisch mit dem<br />
T3CON Register. Mittels der aus Tabelle 4.8 zu entnehmenden Kombination der<br />
gesetzten Bits T2M und T2I wird der Timer T2 im Reload- Modus betrieben und lädt<br />
Timer3 bei einem negativen und positiven Reload- Taktimpuls mit dem in T2<br />
gespeicherten Wert (Sw) nach. Die Bits T2R, T2UD und T2UED entsprechen in ihrer<br />
Funktion denen von Timer T3.<br />
A/D Konverter<br />
Der A/D Konverter des C167CR wird mittels des A/D Converter Control Register<br />
(ADCON) konfiguriert. Tabelle 4.9 zeigt den Aufbau und die Belegung des Registers.<br />
46
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8<br />
ADCTC ADCTC ADSTC ADSTC ADCRQ ADCIN ADWR ADBSY<br />
1 0 1 1 0 0 0 0<br />
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0<br />
ADST ------ ADM ADM ADCH ADCH ADCH ADCH<br />
0 0 0 0 0 0 0 0<br />
Tabelle 4.9 Aufbau und Belegung des ADCON Registers (C167CR)<br />
Der A/D Konverter besitzt verschiedene Betriebsmodi, von denen in dieser Arbeit aber<br />
nur der Modus Single Channel Conversion benutzt wird. Eingestellt wird der Modus<br />
über die beiden ADM Bits. Über die vier ADCH Bits können jeweils einer der 16<br />
Kanäle ausgewählt werden. Die Bits 9 bis 11 werden von anderen Betriebsmodi<br />
verwendet und finden in dieser Arbeit keine Verwendung. Gestartet wird eine A/D<br />
Konvertierung durch das Setzen des ADST Bits. Das ADBSY Bit signalisiert, dass eine<br />
Konvertierung im Gange ist. Wenn diese abgeschlossen ist, wird ein Interrupt Request<br />
Flag (ADCIR) im Register, A/D Konverter End of Conversion Interrupt Control<br />
Register (ADCIC) gesetzt. In diesem Register werden auch der dazugehörige ILV und<br />
der GLV gesetzt. In der vorhandenen Implementierung wird dieser Interrupt genutzt,<br />
um den konvertierten Wert aus dem A/D Converter Result Register (ADDAT) zu lesen.<br />
In diesem Register wird neben dem Ergebnis der Konvertierung auch die aktuelle<br />
Kanalnummer gespeichert. Diese wird beim Auslesen durch das Programm entfernt.<br />
Über die Bits ADCTC und ADSTC werden die Conversion Time und die Sample Time<br />
eingestellt (vgl. 3.4.3.4). Die Einstellung der beiden Werte erlaubt es, den A/D<br />
Konverter an die unter 4.1.2.6 beschriebene Vorverstärkerschaltung anzupassen.<br />
Programmierung und Programmablauf<br />
Um den C167CR-LM unter µVision programmieren zu können, ist es erforderlich, die<br />
Datei START167.A66 in das Projekt zu integrieren. Dieses Programm wird nach jedem<br />
Prozessorreset geladen und dient der grundlegenden Konfigurierung des Controllers.<br />
Des Weiteren müssen µVision die Adressbereiche der verwendeten Speicher mitgeteilt<br />
werden. Die Programmierung des Controllers erfolgte, gemäß der Forderung welche in<br />
Kapitel 2.2 gestellt wurde, modular getrennt nach Funktionseinheiten, um das erstellte<br />
Programm übersichtlich und flexibel zu gestalten. Es ist so ohne großen Aufwand<br />
möglich, die Software zur Datenaufnahme so zu erweitern, dass sie über entsprechende<br />
Algorithmen zum Erkennen von Objekten verwendet werden kann. Der<br />
Programmablauf gliedert sich in drei Phasen.<br />
In der ersten findet, nach einem Hardware Reset, die Initialisierung der verwendeten<br />
Controllereinheiten statt. Konkret sind dies die I/O- Ports, die serielle Schnittstelle, der<br />
A/D Konverter und die Timer T2 und T3. Über einen LED Test wird zum einen die<br />
korrekte Funktion der Ports und zum anderen ein Countdown zur Messwerterfassung<br />
47
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
signalisiert. Anhand der LED’s werden des Weiteren eine aktive Messung und die<br />
Datenübertragung angezeigt.<br />
Durch das Starten des Interruptsystems wird die zweite Phase des Programms<br />
eingeleitet. In dieser werden 30000 Messwerte erfasst, konvertiert und im Speicher des<br />
Controllers abgelegt. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Samplefrequenz - bei<br />
den meisten Messungen betrug diese 100 oder 50µs - mussten die Daten im Controller<br />
zwischengespeichert werden, da eine Ausgabe über die serielle Schnittstelle zu viel Zeit<br />
in Anspruch nimmt. Um eine bessere Darstellung in der Auswertesoftware zu erhalten,<br />
wird der aufgenommene Wert von 1023, bei einer 10 Bit Konverterauflösung,<br />
abgezogen. Dies ist notwendig, da sonst eine Erhöhung, wie zum Beispiel ein Finger,<br />
als Mulde dargestellt wird. Der Grund hierfür ist, dass die Objektentfernungen von oben<br />
gemessen werden. Bei einem hohen Objekt wird so ein geringerer Abstand gemessen<br />
als bei einem niedrigen. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, den aufgenommenen<br />
Wert über einen digitalen Filter zu bearbeiten. Die einzige Einschränkung ist hierbei die<br />
Geschwindigkeit, mit der dies geschieht. Die Ausführdauer des Filters muss immer<br />
unterhalb der Samplefrequenz liegen. Ein Geschwindigkeitsvorteil konnte durch die<br />
Verwendung des Interruptkonzeptes erreicht werden. Wie bereits beschrieben, wird die<br />
A/D Konvertierung mittels Interrupt bei Überlauf des Timer T3 realisiert. Diese<br />
Interrupt Routine startet den A/D Konverter und kehrt dann zurück zum unterbrochenen<br />
Programm. Die Konvertierung läuft unterdessen im Hintergrund weiter. Das bedeutet,<br />
parallel zur Konvertierung können weitere Aufgaben, wie zum Beispiel die Abfrage des<br />
Intensitätssignals des Sensors oder weitere Berechnungen, ausgeführt werden. Wenn die<br />
Konvertierung beendet ist, wird dies durch einen Interrupt des Konverters signalisiert.<br />
In dieser Routine wird der konvertierte Wert ausgelesen und abgespeichert. Um eine<br />
erneute Konvertierung zu ermöglichen, wird das ADST Bit zurückgesetzt und das<br />
Hauptprogramm danach, an der unterbrochenen Stelle, fortgesetzt.<br />
Phase drei wird eingeleitet, wenn 30000 Werte abgespeichert wurden. Zu Beginn dieser<br />
Phase wird das Interruptsystem deaktiviert, um weitere Konvertierungen zu verhindern.<br />
Da diese Phase völlig zeitunkritisch ist, wird zur Ausgabe der printf() Befehl benutzt,<br />
um die gespeicherten Werte als Dezimalzahlen auszugeben. Diese Möglichkeit wurde<br />
zum einen gewählt, weil das verwendete Analyseprogramm die so entstandene Datei<br />
importieren kann und zum anderen, weil der Inhalt der Datei in einem Editor angezeigt<br />
werden kann, ohne dass er konvertiert werden muss. Wenn alle Daten übertragen sind,<br />
wird dieser Zustand über die LED’s signalisiert und das Programm befindet sich von da<br />
an in einer Endlosschleife, in der es permanent das Intensitätssignal des Sensors abfragt.<br />
Während der Messwerteerfassung wurde mit verschiedenen Abtastraten, welche über<br />
die beiden Timer eingestellt wurden, und mit verschiedenen Konverterauflösungen<br />
experimentiert. Die Ergebnisse der jeweiligen Änderungen werden ab 5.1 diskutiert. In<br />
Abbildung 4.9 wird der Ablauf der Messwerteerfassung graphisch dargestellt. Die<br />
einzelnen Phasen wurden farblich markiert. Der Zustand „Ausgabe des intens. Signals“<br />
hat eine eigene Farbe, da er von Phase zwei und drei genutzt wird.<br />
48
Nur wenn das Interruptsystem<br />
aktiv ist. Eintritt in die<br />
ADC Interrupt routine<br />
Kanalnummer aus<br />
Konvertierungswert<br />
entfernen<br />
Konvertierung<br />
beendet = ja<br />
Rücksetzen von<br />
ADST<br />
Hauptprogramm an der, durch<br />
den Interrupt unterbrochenen<br />
Stelle fortsetzen<br />
Der Interrupt des A/D Konverters hat eine<br />
höhere Priorität als der Interrupt des Timers,<br />
das bedeutet der Timer kann den A/D<br />
Interrupt nicht unterbrechen.<br />
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Programmablaufplan<br />
für den<br />
C167CR-LM Mikrocontroller<br />
Start nach<br />
Hardware- Reset<br />
Serielle Schnittstelle<br />
initialisieren<br />
I/O Ports<br />
initialisieren<br />
LED Test<br />
A/D Konverter<br />
initialisieren<br />
Timer 2 und Timer3<br />
initialisieren<br />
Interruptsystem<br />
starten<br />
Konvertierung<br />
beendet?<br />
nein<br />
Ausgabe des<br />
intens. Signals<br />
49<br />
ja<br />
Nur wenn das Interruptsystem<br />
aktiv ist. Eintritt in die<br />
Timer 3 Interrupt routine<br />
Anz. d. Messungen<br />
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
bezüglich des C167CR Programms dargestellt. Die größte Einschränkung betrifft die<br />
Anzahl der abzuspeichernden Werte. Aufgrund des geringen Speicherausbaus können<br />
nur 4000 Messwerte im Speicher des Controllers abgelegt werden, was die Messungen<br />
dementsprechend einschränkt. Die geringere Arbeitsgeschwindigkeit des Controllers<br />
und die relative hohe Zyklendauer erschwerten zudem die Programmierung von Filtern<br />
für das Eingangssignal. Zum Tragen kommen hierbei besonders die benötigten Zeiten<br />
für die Multiplikation und Division (vgl. 3.4.2). Zu Testzwecken wurde auf die<br />
Möglichkeiten des Displays, zur Statusanzeige und auf die Taster zum Starten und<br />
Stoppen des Programms zurückgegriffen.<br />
4.1.4 Erfassung und Auswertung der Daten<br />
Um eine Messung durchzuführen wurde der Messaufbau, wie er in 4.1.2.7 beschrieben<br />
ist, hergestellt und das System mit Spannung versorgt. Es wurde bei allen Messungen<br />
auf die Einhaltung einer Aufwärmphase von mindestens 15 Minuten geachtet. Bei den<br />
Messungen wurde weitestgehend auf eine künstliche Beleuchtung verzichtet, um<br />
eventuelle Störungen und Beeinflussungen der Sensoren zu verhindern. Nur bei<br />
Messungen, welche die Robustheit der Sensoren gegenüber solchen Einflüssen explizit<br />
feststellen sollten, wurden Kunstlichtquellen eingesetzt. Es wurde darauf geachtet, dass<br />
außer des PC’s zur Auswertung keine weiteren elektrischen Geräte in unmittelbarer<br />
Nähe des Systems in Betrieb waren. Zur Untersuchung der Sensorsignale und der<br />
elektrischen Eigenschaften der Verstärkerschaltung beziehungsweise der<br />
Mikrocontroller- Boards wurde ein digitales 100MHz Speicher- Oszilloskop der Firma<br />
Agilent verwendet.<br />
Die meisten, der verwendeten Proben sind höher, als der Messbereich (10 mm) des LTS<br />
Prototyp. Diese Einschränkung ist tatsächlich eines der größten Probleme bei der Arbeit<br />
mit diesem Sensor. Um trotzdem mit dem Sensor arbeiten zu können, muss dieser für<br />
jede Messung an der Oberkante des Messobjektes ausgerichtet werden. Ein kompletter<br />
Scan eines Objektes, welches einen größeren Höhenunterschied als 10 mm aufweist,<br />
wie zum Beispiel eine Hand oder ein Finger, ist nicht möglich. Bei solchen Objekten<br />
können immer nur Teilbereiche gescannt werden. Zum Sammeln von grundlegenden<br />
Erkenntnissen ist dies jedoch ausreichend. Bei dem LDS 70 / 200 existiert dieses<br />
Problem aufgrund des großen Arbeitsbereiches nicht. Bei der Anbringung dieses<br />
Sensors wurden unterschiedliche Versuche durchgeführt. Zum einen wurde die<br />
Messbereichsmitte auf die Objektoberkante ausgerichtet und zum anderen wurde das<br />
Messbereichs- Ende auf die Tischoberfläche eingestellt. Die letztere Einstellung ist für<br />
den Betrieb des Sensors nicht die beste, da ein Triangulationssensor in der<br />
Messbereichsmitte am genauesten messen kann. (vgl. 3.2.1) Der Vorteil bei dieser<br />
Konstellation ist aber ein tatsächlich nutzbarer Bereich von 200 mm, welcher die<br />
Simulation von Schneidevorgängen erlaubt.<br />
Um ein Messobjekt zu erfassen, wurde dieses quer zur optischen Achse zwischen<br />
Sender und Empfänger des Sensors bewegt, um Abschattungen des Detektors zu<br />
50
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
vermeiden, da diese Fehlmessungen zur Folge haben. Die Messobjekte wurden mit<br />
unterschiedlicher und teilweise variierender Geschwindigkeit unter dem Sensor bewegt.<br />
Eine genaue Angabe zur tatsächlichen Geschwindigkeit kann nicht getroffen werden.<br />
Lediglich bei Objekten mit einer bekannten Breite kann, bei einer gleichmäßigen<br />
Bewegung und bei Erfassung der Objektkanten, rechnerisch vom Messergebnis auf die<br />
Geschwindigkeit geschlossen werden. Diese Problematik ist ein wichtiger Punkt, der in<br />
den Kapiteln 5.1.5ff ausführlicher diskutiert wird.<br />
Die Aufnahme der Daten erfolgt wie in 4.1.3.2f beschrieben. Die Daten, welche der<br />
Controller über die serielle Schnittstelle an den PC sendet, werden mittels<br />
Hyperterminal aufgezeichnet und als *.txt Datei abgespeichert. Für die Aufzeichnung<br />
spielt es keine Rolle, ob die Daten als Dezimalzahlen oder im Binärformat übertragen<br />
werden. Beide Möglichkeiten wurden in dieser Arbeit benutzt. Der Vorteil bei der<br />
Übertragung von Dezimalzahlen ist lediglich die einfache Les- und Editierbarkeit der<br />
gespeicherten Daten.<br />
Die Auswertung der so erfassten Daten erfolgte mit der Software FlexPro, Version 6.0,<br />
der Firma Weisang GmbH und Co. KG. Das Programm besitzt Dateifilter, die unter<br />
anderem das Importieren von Binär- und Textdateien erlauben. Die so importierten<br />
Dateien werden in eine Messdatenbank aufgenommen und können so analysiert oder<br />
manipuliert werden.<br />
Abbildung 4.10 Screenshot FlexPro<br />
51
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Zu beachten ist, dass die importierten Messreihen lediglich Informationen über die<br />
gemessenen Amplituden beziehungsweise Höhen beinhalten. Außer der<br />
Abtastreihenfolge können der Datei keine weiteren zeitlichen Angaben, wie zum<br />
Beispiel die Abstände zwischen den Messungen, entnommen werden. Aus diesem<br />
Grund wurde beim Abspeichern und Archivieren der Dateien darauf geachtet, diese<br />
Information auf eine andere Weise festzuhalten. In der Regel geschah dies durch eine<br />
Kennzeichnung im Datei- und Verzeichnisnamen und durch einen Vermerk im<br />
Messprotokoll. Die Software FlexPro erlaubt es aber, einem importierten Datensatz im<br />
Nachhinein eine Zeitbasis zuzuordnen. [48]<br />
Die Software stellt verschiedene Möglichkeiten zur zwei- oder dreidimensionalen<br />
Visualisierung der Messwerte zur Verfügung. Anhand dieser Darstellung kann eine<br />
erste visuelle Analyse der Messung vorgenommen werden. Neben den<br />
Darstellungsfunktionen stehen weitere Tools zur Analyse, Filterung, Anpassung und<br />
zum Erfassen von Statistiken zur Verfügung. In Abbildung 4.10 ist das Hauptfenster,<br />
das Datenbankfenster und die Visualisierung einer Messreihe dargestellt.<br />
4.2 Spektrenanalyse mittels Spectrocam<br />
Neben den Triangulationssensoren stand für diese Arbeit mit der Spectrocam der Firma<br />
Avantes ein weiteres optisches Messsystem zur Verfügung. Die Spectrocam ist ein<br />
Multifunktionsmessgerät, welches die Eigenschaften von vier Geräten in einem vereint.<br />
So kann die Cam für folgende Aufgaben eingesetzt werden [3]:<br />
• Scannendes Spektralphotometer<br />
• Spectrocoloriemeter und Densitometer<br />
• Monitor Kalibrator<br />
• Spektralkamera<br />
In dieser Arbeit wird die Spectrocam als Spektralphotometer benutzt. Zum einen<br />
werden mittels der Cam die Remissionswerte der verwendeten Proben bei der<br />
Wellenlänge der verwendeten Laser gemessen, um festzustellen wie stark die Intensität<br />
des Lasers nachgeregelt werden muss und wie gut diese Regelung funktioniert. Zum<br />
anderen werden die unter 3.1.3 gewonnenen Erkenntnisse, soweit dies möglich ist, mit<br />
denen der Spectrocam verglichen, um herauszufinden, ob die Spektrenanalyse eine<br />
mögliche Option für die Handdetektion bei den unter 1.2 genannten Einsatzgebieten<br />
darstellt. Nachfolgend werden der Aufbau, die technischen Daten und die verwendete<br />
Software beschrieben.<br />
4.2.1 Hardware<br />
Die Spectrocam hat die Form einer Computer Maus und kann mit einer Hand bedient<br />
werden. Die Cam wird über die serielle Schnittstelle mit einem PC verbunden. Mittels<br />
eines Adapters wird über dasselbe Kabel die Spannungsversorgung für die Spectrocam<br />
52
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
hergestellt. Zum Lieferumfang gehören des Weiteren eine Scanplatte, ein Scanlineal,<br />
eine Einrichtung zum Befestigen der Cam an einem Monitor (um diesen zu kalibrieren)<br />
und eine Schablone, auf der eine „Referenz Weiß“ Fläche angebracht ist. Auf die Farbe<br />
dieser Fläche wird die Spectrocam kalibriert. In Abbildung 4.11 sind die Cam und Teile<br />
des Zubehörs abgebildet. Gemessen wird in einem Spektralbereich von 380nm bis<br />
750nm in 5nm Schritten, die Cam arbeitet demnach mit 75 Bändern. Als Lichtquelle<br />
wird eine gepulste Xenon Gasentladungsröhre verwendet, welche die Messoberfläche<br />
zirkular unter 45° ausleuchtet. Die Reflektion wird unter 0° gemessen. [3] Diese<br />
Geometrie entspricht der DIN 5036 Teil 3. [8]<br />
Abbildung 4.11 Spectrocam mit Zubehör<br />
4.2.2 Software<br />
Bevor mit der Cam Messungen aufgenommen werden können, muss ein Abgleich mit<br />
der „Weiß Referenz“ (vgl. Abbildung 4.11) durchgeführt werden. Dazu wird die<br />
Spectrocam genau über dem weißen Punkt positioniert und anschließend eine Messung<br />
des Referenzpunktes durchgeführt. Die Software zeigt anschließend den Erfolg oder<br />
Misserfolg dieser Messung an. Abbildung 4.12 zeigt das Hauptfenster und das CIE data<br />
Fenster der Software. In der Statuszeile des Hauptfensters finden sich Informationen zur<br />
verwendeten Software, den spektralen Wert der Frequenz auf die der Mauszeiger zeigt<br />
(der Mauszeiger ist in dem dargestellten Screenshot nicht sichtbar), die Integrationszeit,<br />
die für die letzte Messung verwendet wurde, die Temperatur des CCD in °Celsius, den<br />
Dateispeicherstatus und den Beobachter (observer) und die Beleuchtung der letzten<br />
Messung. Als Beobachter kann entweder ein 2° oder ein 10° Beobachter eingestellt<br />
werden. Die Bezeichnung 2° Beobachter beschreibt, dass eine Probe mit einem<br />
Durchmesser von circa 1,4cm aus einem Abstand von 40cm betrachtet wird. Beim 10°<br />
Beobachter hat die Probe einen Durchmesser von 10cm bei einem Betrachtungsabstand<br />
53
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
von 40cm. [19] In den durchgeführten Messungen wurde der voreingestellte Standard<br />
des 2° Beobachters gewählt. Als Beleuchtung kann zwischen den genormten<br />
Lichtquellen, D65 (Tageslicht, 6500K) und D50 (Tageslicht, 5000K) gewählt werden.<br />
Bei den Messungen kam letztere zum Einsatz. Im mittleren Teil des Hauptfensters ist<br />
die spektrale Zusammensetzung der letzten Messung dargestellt. Die vertikale Skala<br />
gibt den prozentualen Wert der Messung von einer Vergleichsmessung mit perfektem<br />
Weiß an. Die horizontale Skala beschreibt den messbaren spektralen Bereich. Im CIE<br />
Fenster sind unter anderen Informationen über die RGB- Werte und die CIE<br />
Koordinaten der Messungen angegeben.<br />
Da die CIE Lab Werte physikalische Bedingungen, wie Licht und Beobachter, bei der<br />
Berechnung berücksichtigen, müssen diese zu den Messwerten mit angegeben werden.<br />
Abbildung 4.12 Screenshot der Spectrocam Software<br />
Sämtliche in dieser Arbeit verwendeten Holz und Stoffproben wurden mit der<br />
Spectrocam aufgenommen. Des Weiteren wurden Aufnahmen von verschiedenen<br />
Händen angefertigt. Für alle Messungen wurden die oben beschriebenen Einstellungen<br />
verwendet. Zu beachten ist, dass weder die Spectrocam noch die Objekte bei den<br />
Messungen bewegt wurden.<br />
54
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
4.3 Die verwendeten Messproben<br />
Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die verwendeten Messproben. In<br />
Abbildung 4.13 ist die Zuordnung der ST(x) zu den jeweiligen Stoffen dargestellt. Die<br />
mit * gekennzeichneten Hölzer wurden auch in der unter 3.1.1 beschriebenen Arbeit<br />
verwendet.<br />
Hölzer Stoffe<br />
Mitteldichte Faserplatte 25 mm* ST1<br />
Mitteldichte Faserplatte 6 mm* ST2<br />
Spanplatte 19 mm* ST3<br />
Spanplatte, mit Buchefurnier 19 ST4<br />
mm*<br />
Spanplatte, mit weißer<br />
ST5<br />
Kunststoffbeschichtung 10,5 mm*<br />
Multiplexplatte 5-fach 8 mm* ST6<br />
Multiplexplatte 11-fach 14,5 mm* ST7<br />
Eiche 20,5 mm* ST8<br />
Buche 20,5 mm*<br />
Rotbuche 10,5 mm*<br />
Bohle mit Wellenprofil<br />
Rot gefärbtes Holz 1 mm<br />
Gelb gefärbtes Holz 2 mm<br />
Grün gefärbtes Holz 4 mm<br />
Versiegeltes Holzplättchen 4 mm<br />
Vierkantholz 27,5 mm<br />
Rundholz 10 mm<br />
Rundholz 40,2mm<br />
Europalette<br />
Tabelle 4.10 Übersicht über die verwendeten Messproben<br />
ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6 ST7 ST8<br />
Abbildung 4.13 Verwendete Stoffproben<br />
55
4 Implementierung und Messwerteerfassung<br />
Neben den in der Tabelle aufgeführten Stoffen wurden verschiedene Stifte sowie Finger<br />
und Hände von unterschiedlichen Personen mit dem System gemessen. Um die<br />
Eigenschaften der Sensoren bei wechselnden Oberflächenfarben testen zu können,<br />
wurden neben Papierbögen mit „weiß / roten“ und „weiß / schwarzen“ Übergängen<br />
Farbfelder von einem „Digital ColorChecker SG“ der Firma GretagMcbeth gemessen.<br />
Insbesondere die Farbfelder D7 bis J7 und D8 bis J8 wurden auch mit der Spectrocam<br />
analysiert, da diese Felder typischen Hautfarben entsprechen.<br />
Abbildung 4.14 Digital ColorChecker von GretagMacBeth<br />
56
5 Auswertung und Diskussion<br />
5 Auswertung und Diskussion<br />
5.1 Auswertung zum Lasertriangulationssensor<br />
In den nachfolgenden Kapiteln werden die Ergebnisse zu den Versuchen mit den<br />
Mikrocontrollern, der Vorverstärkerschaltung und den Sensoren vorgestellt und<br />
ausgewertet. Um eine möglichst genaue Aussage bezüglich der Systeme treffen zu<br />
können, wurden über 600 Messungen mit unterschiedlichen<br />
Systemzusammenstellungen und Umgebungsbedingungen aufgenommen.<br />
5.1.1 Möglichkeiten und Grenzen beim Einsatz der Mikrocontroller<br />
Nachfolgend werden die Möglichkeiten und Grenzen der beiden Mikrocontroller in<br />
Bezug zur Messwerteerfassung und auf die Verwendbarkeit zur Handdetektion hin<br />
untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die unter 2.5 und 3.4.1<br />
beschriebenen Eigenschaften bezüglich der Echtzeitfähigkeit gelegt. In Tabelle 5.1 sind<br />
verschiedene Eigenschaften der Controller gegenübergestellt. Zu beachten ist aber, dass<br />
diese Werte keinen absoluten Vergleich zulassen, dies würde ein aufwendiges<br />
Benchmarking erfordern, sie ermöglichen aber eine Einschätzung der beiden Systeme,<br />
welche für die betrachtete Problemstellung ausreichend ist.<br />
80C552 C167CR-LM<br />
Wortbreite 8 Bit 16 Bit<br />
A/D Konverter Auflösung 10 Bit 10 Bit<br />
Dauer einer A/D<br />
Konvertierung<br />
54,25µs 9,7µs bis 273µs<br />
einstellbar<br />
Systemtakt 11,0592 MHz 20 MHz<br />
Maschinenzyklus 1,085µs 100ns<br />
Abarbeitungsdauer eines<br />
Maschinenbefehls<br />
1,085µs, 2,17µs, 4,34µs<br />
abhängig vom Befehl<br />
57<br />
400µs, bedingt<br />
durch vierstufige<br />
Befehlspipeline<br />
Interrupt Latency k.A. Typisch 300ns<br />
Maximal 500ns<br />
Multiplikation 8 Bit 4,34µs 16 Bit, 500ns<br />
Division 8 Bit 4,34µs 32/16 Bit 1µs<br />
Maximal erreichte<br />
Samplingrate<br />
1,5ms 50µs<br />
Tabelle 5.1 Gegenüberstellung der Mikrocontroller<br />
Da es sich hier um ein zeitkritisches System handelt, müssen vor allem die einzelnen<br />
Zeitfaktoren betrachtet werden. Zunächst soll das Verhalten des 80C552 analysiert<br />
werden. Zu beachten ist dort, dass ein INT Wert immer in zwei Registern gespeichert<br />
werden muss, bedingt durch die 8 Bit Wortbreite.
5 Auswertung und Diskussion<br />
So ist es beim Abspeichern unumgänglich, das Ergebnis der A/D Konvertierung,<br />
welches auch in zwei Registern abgelegt wird, durch Shift- Operationen<br />
zusammenzuführen und in einer INT Variable abzulegen. Gemäß dem in Abbildung 4.9<br />
dargestellten Ablaufplan müssen diese INT Werte dann im Speicher des Controllers<br />
abgelegt werden, da eine direkte Ausgabe der Werte zu lang dauern würde. Im Versuch<br />
wurde festgestellt, dass bei einer direkten Ausgabe maximal Samplingraten von 4,5ms<br />
möglich sind. Durch mehrfache Messungen konnte festgestellt werden, dass mit dem<br />
Controller, in der vorhandenen Konfiguration und Speicherausstattung, Samplingraten<br />
von maximal 1,5ms erreicht werden konnten. Dieser Wert ist deutlich schlechter<br />
ausgefallen, als ursprünglich erwartet. Zu beachten ist auch, dass der Controller bei<br />
dieser Samplingrate keine weitere Rechenzeit, z.B. für die Ausführung von<br />
Detektionsalgorithmen, zur Verfügung stellt. Diese werden aber benötigt, um das<br />
System zur Handdetektion einsetzen zu können. Selbst wenn der Code optimiert werden<br />
könnte, müsste jeder Gewinn an Rechenzeit für solche Algorithmen verwendet werden,<br />
was eine Erhöhung der Samplinrate verhindert.<br />
Bei dem C167CR-LM Mikrocontroller konnten in der Simulation und in praktischen<br />
Versuchen deutlich höhere Werte für die Samplingrate erreicht werden. In den<br />
Versuchen wurden meist 50 oder 100µs verwendet. Bei einer Einstellung von 100µs<br />
bleiben bei diesem Controller, im Gegensatz zum 80C552, noch ausreichend<br />
Ressourcen, um Filterungen oder Auswertungen mit den konvertierten Sensorsignalen<br />
durchzuführen. Dies ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Echtzeitfähigkeit des<br />
Systems von Bedeutung.<br />
Um eine bessere Bewertung dieser Zahlen zu ermöglichen, müssen die erforderlichen<br />
Samplingraten für die entsprechende Problemstellung ermittelt werden. Als<br />
Ausgangslage wird angenommen, dass eine Hand mit einer Geschwindigkeit von<br />
maximal 2m/s auf die Säge oder das Messer zu bewegt wird. Dieser Wert ist in der DIN<br />
EN 999 festgelegt. [5] In Tabelle 5.2 werden die Abtastungen pro cm und die<br />
entsprechenden Auflösungen bei unterschiedlichen Samplingraten und einer<br />
Objektgeschwindigkeit von 2m/s dargestellt.<br />
1,5ms 1ms 500µs 250µs 100µs 50µ<br />
Abtastungen/cm 3,3 5 10 20 50 100<br />
Auflösung 3mm 2mm 1mm 500µm 200µm 100µm<br />
Tabelle 5.2 Samplingrate und Auflösungsverhalten<br />
Für die Erkennung von Feinstrukturen sind horizontale Auflösungen von 1mm bis 3mm<br />
sicherlich zu grob gewählt. Ob diese Werte zur Konturerkennung ausreichen, wird in<br />
Kapitel 5.1.6 diskutiert. Festzuhalten ist, dass mit dem C167CR-LM deutlich höhere<br />
horizontale Auflösungen erzielt werden können, als mit dem 80C552. Des Weiteren<br />
stellt der Mikrocontroller von Infineon bei einer Auflösung ≥ 200µm weitere<br />
Ressourcen, die zum Beispiel für Auswertealgorithmen benötigt werden, zur<br />
58
5 Auswertung und Diskussion<br />
Verfügung. Der 80C552 ist aufgrund der festgestellten Werte für einen Einsatz als<br />
Auswerte- und Steuereinheit innerhalb eines Systems, welches hohe Samplingraten<br />
benötigt, nicht geeignet. Natürlich muss beachtet werden, dass auch der Sensor eine<br />
hinreichend große Abtastfrequenz aufweist. Die Ergebnisse zu den Sensoren werden in<br />
den folgenden Kapiteln vorgestellt.<br />
5.1.2 Rauschverhalten der Schaltung und der Sensoren<br />
In diesem Kapitel werden die einzelnen Komponenten getrennt und in ihrer<br />
Kombination auf ihr Rauschverhalten hin untersucht. Dies ist notwendig, um das<br />
System besser im Hinblick auf sein Auflösungsverhalten, welches zum Teil vom<br />
Rauschen bestimmt wird, beurteilen zu können. Bei allen Versuchen wurden die<br />
Sensoren auf eine weiße, diffus reflektierende Oberfläche ausgerichtet. Zur Bedeutung<br />
der Objektoberfläche für die Messergebnisse sei auf Kapitel 3.2.4 verwiesen.<br />
Zum Rauschverhalten der Vorverstärkerschaltung wurden bereits in Kapitel 4.1.2.6<br />
erste Ergebnisse zu den mittels PSpice simulierten Werten dargestellt. Um diese zu<br />
prüfen und das tatsächliche Rauschverhalten des Systems, bestehend aus<br />
Vorverstärkerschaltung, Übertragungsleitung und Mikrocontroller, bewerten zu können,<br />
wurden verschiedene Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend dargelegt<br />
werden. Als Versuchsaufbau wurde das CM-EVA Board mit dem C167CR-LM und die<br />
Vorverstärkerschaltung für den Prototyp ohne Sensor benutzt. Der Eingang für den<br />
Sensor wurde während der Messungen auf 0V gelegt. Das entspricht in etwa einer<br />
Ausrichtung des Sensors auf seine Messbereichsmitte. Aufgrund mangelnder Pin-<br />
Kompatibilität konnten nur die folgenden Operationsverstärker getestet werden:<br />
LM224, LM324 und der LT074. Um das Rauschen des Systems auswerten zu können,<br />
wurden die erhaltenen Messwerte auf die Parameter Varianz, Minimum, Maximum,<br />
Mittelwert, mittlere absolute Abweichung vom Mittelwert und Verteilung hin<br />
untersucht. Die Ergebnisse werden in Tabelle 5.3 und in Abbildung 5.1 dargestellt.<br />
Abbildung 5.1 Rauschverhalten der Vorverstärkerschaltung des Prototyp<br />
Die Diagramme in der Abbildung zeigen alle den gleichen Ausschnitt. Die X- Achse<br />
repräsentiert den Wertebereich des A/D Konverters, die vollständige Anzeige der Achse<br />
läuft dementsprechend von 0 bis 1023.<br />
59
5 Auswertung und Diskussion<br />
In den jeweiligen Abbildungen ist zu erkennen, dass die Werte der X- Achse in etwa die<br />
Mitte des Wertebereiches darstellen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die<br />
Vorverstärkerschaltung für den Prototype eingestellt ist. Die Y- Achse gibt die<br />
Häufigkeit des Auftretens der jeweiligen Werte an.<br />
Varianz Minimum Maximum Mittelwert<br />
mittlere absolute<br />
Abweichung<br />
vom Mittelwert<br />
LM224 1,28 459 469 463,61 1,30<br />
LM324 0,41 458 463 460,86 0,42<br />
TL074 0,12 461 464 462,87 0,23<br />
Tabelle 5.3 Ergebnisse der Rauschanalyse für die Schaltung<br />
Erwartungsgemäß hat das System beim Einsatz des LT074 bessere Werte, als bei den<br />
beiden anderen Typen und bestätigt somit die Simulationsergebnisse aus Kapitel<br />
4.1.2.6. Festgestellt werden muss, dass die simulierten Rauschwerte deutlich geringer<br />
sind, als die tatsächlich gemessenen. Dies dürfte auf Bauteiltoleranzen, die<br />
Rauscheigenschaften der verwendeten Spannungsversorgungen und vor allem auf die<br />
Tatsache zurückzuführen sein, dass die ermittelten Werte auch die Eigenschaften des<br />
A/D Konverters und des Mikrocontrollers berücksichtigen. Die Tendenzen, welche in<br />
der Simulation bezüglich des Rauschens ermittelt wurden, sind aber zu bestätigen. Beim<br />
LM 224 kann man sehr deutlich die Gauß- förmige Verteilung des Rauschens erkennen.<br />
Etwas überraschender ist das Ergebnis des LM 324. Eigentlich sollte dieses dem des<br />
LM224 entsprechen, da dieser laut Datenblatt [44] die gleichen Eigenschaften besitzt.<br />
Ein Unterschied besteht lediglich in der spezifizierten Umgebungstemperatur. In der<br />
Simulation konnte dieses Verhalten nicht überprüft werden, da für den<br />
Operationsverstärker LM224 kein Modell vorhanden war. Aufgrund dieser Ergebnisse<br />
wurde für alle weiteren Versuche der Operationsverstärker vom Typ LT074 verwendet.<br />
Zu dem LTS Prototyp existieren keinerlei Angaben bezüglich dessen<br />
Auflösungsvermögen und Rauschen. Um diese Werte zu ermitteln, wurde wie folgt<br />
vorgegangen. Zunächst wurde die Annahme getroffen, dass im vorliegenden Fall die<br />
Auflösung des Sensors von der Auflösung des A/D Konverters begrenzt wird. Dies<br />
würde bedeuten, dass das LSB einen Höhenunterschied (h) von 9,77µm beschreibt.<br />
10mm<br />
h = = 9,<br />
77µm<br />
1024<br />
Falls der Sensor über eine höhere Auflösung verfügt, kann dies mit diesem Aufbau<br />
nicht festgestellt werden. Für die Messung wurde der Sensor mit seiner<br />
Messbereichsmitte auf eine weiße Kunststoffoberfläche ausgerichtet. Als Abtastrate<br />
wurden 50µs (dies entspricht einer Abtastfrequenz von 20kHz) eingestellt. Für den<br />
Tiefpass (Aliasing Filter) wurden Grenzfrequenzen von 7,23kHz bis 234,05Hz gewählt.<br />
60
5 Auswertung und Diskussion<br />
Die niedrige Grenzfrequenz von 234,05Hz wurde verwendet, um den gemessenen Wert<br />
mit anderen Sensoren, deren Rausch- und Auflösungswerte sich in den Datenblättern<br />
meist auf eine Grenzfrequenz von 200-500Hz beziehen, vergleichen zu können. Für den<br />
tatsächlichen Einsatz ist diese niedrige Grenzfrequenz nicht zu verwenden, da bei einer<br />
Objektgeschwindigkeit von 2m/s nur alle 10mm ein Wert eingelesen würde. In Versuch<br />
1 wurde nun die Breite (b) des Rauschens analysiert und über diese wurde dann mithilfe<br />
des oben berechneten Wertes (h) auf die Auflösung (A) = (b)*(h) geschlossen. Zu<br />
beachten ist, dass bei dieser Methode das Rauschen des ganzen Systems ermittelt wurde<br />
und nicht nur das des Sensors. Um genauere Aussagen bezüglich des Sensors treffen zu<br />
können, wurden bei einer 2. Versuchsreihe weitere Messungen durchgeführt, bei denen<br />
das Ausgangssignal des Sensors direkt mit einem digitalen, 100MHz,<br />
Speicheroszilloskop abgegriffen wurde. Um die Auflösung zu berechnen, wurden die<br />
abgelesenen Rauschspannungen ins Verhältnis zu dem möglichen<br />
Ausgangsspannungsbereich und dem Messbereich gesetzt. Um diese Werte mit denen<br />
der vorhergegangenen Messung vergleichen zu können, wurde auch hier ein Tiefpass<br />
mit der entsprechenden Grenzfrequenz verwendet.<br />
Grenzfrequenz Kein<br />
Filter<br />
7,23kHz 2,34kHz 1,06kHz 482,28Hz 234,05Hz<br />
Versuch 1 ------ 97,7µm 78,2µm 68,4µm 58,6µm 39,1µm<br />
Versuch 2 100µm 77,5µm 68,2µm 54,5µm 45,5µm 33,9µm<br />
Tabelle 5.4 Auflösung des Prototyps<br />
In Tabelle 5.4 sind die Ergebnisse der beiden Versuchsreihen dargestellt. Die<br />
unterschiedlichen Ergebnisse sind darauf zurückzuführen, dass bei Versuch 1 das<br />
Rauschen des kompletten Systems und bei Versuch 2 nur das Sensor- und das Tiefpass-<br />
Rauschen gemessen wurde. Des Weiteren müssen Ungenauigkeiten beim Ablesen der<br />
Werte berücksichtigt werden. Eine deutliche Tendenz der Werte ist aber dennoch zu<br />
erkennen. Basierend auf den durch die Marktanalyse erhaltenen Informationen kann<br />
festgestellt werden, dass Sensoren mit einem vergleichbaren Arbeitsbereich eine<br />
Auflösung von circa 3µm aufweisen, dies entspricht in etwa dem Faktor 11. Aufgrund<br />
dieser Werte ist davon auszugehen, dass Ergebnisse, welche mit diesem Sensor erzielt<br />
werden, nicht repräsentativ sind. Dies gilt besonders für Versuche, bei welchen das<br />
Rauschen als begrenzende Eigenschaft festgestellt wird.<br />
Mit dem LDS 70/200 Sensor wurden vergleichbare Versuche durchgeführt, die<br />
nachfolgend beschrieben und dargestellt werden. Systembedingt benötigt dieser Sensor<br />
entweder eine Vorverstärkerschaltung, die als Strom-/ Spannungswandler arbeitet oder<br />
einen Parallelwiderstand, welcher in die Anschlussleitung gelötet wird und so den<br />
Abgriff einer Spannung ermöglicht. Im letzteren Fall kann der Sensor direkt mit dem<br />
A/D Konverter verbunden werden. Die Ergebnisse der Messungen mit der<br />
Vorverstärkerschaltung waren nicht sehr zufriedenstellend, was aber auf das Verhalten<br />
der Schaltung und nicht auf den Sensor zurückzuführen war. Eine andere Auswahl der<br />
Bauteile hätte hier Abhilfe schaffen können.<br />
61
5 Auswertung und Diskussion<br />
Diese Möglichkeit wurde aber nicht weiter verfolgt, da der Sensor bei dem direkten<br />
Anschluss an den A/D Konverter deutlich bessere Werte lieferte. Um zu einem<br />
optimalen Ergebnis zu kommen, wurden verschiedene Versuche mit unterschiedlichen<br />
Werten für die Sample- und Conversion- time (vgl. Kapitel 3.4.3.4) durchgeführt, um<br />
den Konverter an den Sensor anzupassen. Das so gewonnene Ergebnis entspricht in<br />
etwa dem, was das Datenblatt des Sensors erwarten lässt. In Abbildung 5.2 sind die<br />
Ergebnisse für die beiden Kombinationen, bei 10Bit Auflösung, graphisch dargestellt.<br />
Abbildung 5.2 Rauschverhalten der Systeme (li. der Prototyp, re. der LDS 20/700)<br />
5.1.3 Robustheit des Systems gegenüber externen Störquellen<br />
Ein wichtiger Gesichtspunkt bezüglich der Anwendung des Systems in einem<br />
sicherheitsbezogenen Umfeld ist die Robustheit gegenüber Störquellen. In diesem<br />
Kapitel werden die Erkenntnisse unter Betrachtung der unter Kapitel 2.4 genannten<br />
Gesichtspunkte dargelegt.<br />
5.1.3.1 Fremdlicht<br />
Um die Eigenschaften der beiden Sensoren bei Fremdlichteinflüssen testen zu können,<br />
stand ein 2000 Watt Gleichlichtstrahler und ein Stroboskop mit einstellbarer<br />
Blitzfrequenz zur Verfügung. Für die Messungen wurde das CM-EVA Board mit dem<br />
C167CM-LM Mikrocontroller ausgewählt. Die Sensoren wurden jeweils auf eine weiße<br />
Kunststoffoberfläche ausgerichtet und mit 10kHz abgetastet. Diese Oberfläche stellt die<br />
Sensoren vor ein großes Problem, da sie das Fremdlicht sehr gut reflektiert. Gewählt<br />
wurde diese Oberfläche aufgrund der Tatsache, dass solche Oberflächen zum Beispiel in<br />
Form von beschichteten Holzteilen in der tatsächlichen Anwendung vorkommen. Die<br />
beiden Lichtquellen wurden in einem Abstand von 120cm und in einem Winkel von 40°<br />
seitlich neben dem Sensor installiert. Es wurde darauf geachtet, dass die Lichtquellen<br />
nicht direkt auf den Detektor des Sensors ausgerichtet wurden.<br />
Der LTS Prototyp reagiert recht unempfindlich auf die Bestrahlung mit dem<br />
Gleichlichtstrahler, die Verteilung wie auch die Intensität des Rauschens bleibt nahezu<br />
unverändert. Etwas empfindlicher reagiert der LDS 70/200.<br />
62
5 Auswertung und Diskussion<br />
Bei diesem Sensor nimmt das Rauschen etwas zu, Abbildung 5.3 verdeutlicht dies. Im<br />
linken Fenster ist das Rauschen, des LDS 70/200 bei Gleichlicht und im rechten ohne<br />
künstliche Beleuchtung gezeigt. Dargestellt wird jeweils ein Ausschnitt von 20ms. Die<br />
Linien, zwischen den diskreten Messpunkten, sind nur zur besseren Ablesbarkeit<br />
eingetragen worden. Der vertikale Skalenbereich lässt erkennen, dass der Sensor in etwa<br />
auf seine Messbereichmitte ausgerichtet ist.<br />
Abbildung 5.3 Einfluss auf das Rauschen bei Gleichlichtbestrahlung (LDS 70/200)<br />
Bei den Versuchen mit dem Stroboskop zeigt sich der LDS 70/200 nicht besonders<br />
empfindlich. Die Mittelwerte der durchgeführten Messungen variieren um etwa 0,5. Der<br />
LTS Prototyp hingegen schneidet bei diesem Test sehr schlecht ab. Bei einer<br />
Blitzfrequenz, welche auf die Netzfrequenz eingestellt ist, erstreckt sich das Rauschen<br />
über den kompletten Wertebereich. Bei anderen Blitzfrequenzen ist ein ähnliches<br />
Verhalten festzustellen. Da bei beiden Messungen der Leitungsschirm angeschlossen<br />
war, nur der jeweilige Sensor getauscht und an den Umgebungsbedingungen nichts<br />
verändert wurde, kann dieses Verhalten eindeutig auf den Sensor zurückgeführt werden.<br />
Dieses Ergebnis disqualifiziert den Prototyp für den Einsatz in einer Umgebung, in<br />
welcher mit Lichtverhältnissen zu rechnen ist, die denen entsprechen, welche mit dem<br />
Stroboskop simuliert wurden. In Abbildung 5.4 sind die Ergebnisse, bei Netzfrequenz,<br />
für beide Sensoren dargestellt.<br />
Abbildung 5.4 Rauschen der Systeme bei Stroboskop- Beleuchtung<br />
63
5 Auswertung und Diskussion<br />
Die roten Punkte, die aufgrund ihrer geringen Streuung als Linie erscheinen,<br />
repräsentieren den LDS 70/200 und die blauen den Prototyp. Zu beachten ist, dass für<br />
beide Sensoren der komplette Wertebereich dargestellt ist. Bei dem Prototyp ist<br />
festzustellen, dass dessen Werte über diesen kompletten Bereich gestreut sind.<br />
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Beeinflussung durch Fremdlicht<br />
bei dem LDS 70/200 als gering einzustufen ist. Sie ist jedoch bei der<br />
Algorithmenentwicklung nicht zu vernachlässigen und erfordert ausführliche Tests des<br />
Systems an dem jeweiligen Einsatzort. Der LTS Prototyp hat zwar bei Gleichlicht keine<br />
signifikanten Schwächen gezeigt, das Verhalten bei Blitzlicht ist aber so schlecht, dass<br />
von einem Einsatz in einem sicherheitsbezogenen Umfeld abgeraten werden muss.<br />
5.1.3.2 Elektromagnetische Verträglichkeit<br />
Die elektromagnetische Verträglichkeit der Vorverstärkerschaltung und der<br />
Mikrocontroller- Boards konnte nur begrenzt betrachtet werden. Versuche mit<br />
verschiedenen Verbindungsleitungen, vom Vorverstärker zum A/D Konverter, haben<br />
gezeigt, dass die Verwendung von einer Koaxialleitung zu einem um 1LSB verringerten<br />
Rauschen führt. Des Weiteren wurde dafür gesorgt, dass die verschiedenen<br />
Erdungspunkte miteinander verbunden wurden, um Erdschleifen zu vermeiden.<br />
Bei Messungen mit dem Speicher- Oszilloskop konnten an den Eingängen des A/D<br />
Konverters verschiedene Frequenzen gemessen werden, die deutlich höher waren, als<br />
die Grenzfrequenz des Tiefpasses. Besonders auffällig war das Vorkommen von<br />
Frequenzen um 40MHz. Diese Frequenz entspricht der des externen Oszillators,<br />
welcher auf dem CM167CR-LM Modul untergebracht ist. Dies deutet darauf hin, dass<br />
eine Elektromagnetische Emission (EME) von diesem Bauteil zu einer<br />
Elektromagnetischen Einstrahlung (EMA) bei dem A/D Konverter führt. Um das<br />
Gesamtverhalten des Systems bezüglich EME und EMA zu verbessern, sollte beim Bau<br />
eines prototypischen Systems die Vorverstärkerschaltung und das Mikrocontroller-<br />
Board in einem geschlossenen, abgeschirmten Gehäuse untergebracht werden.<br />
Die beiden Sensoren tragen das CE – Kennzeichen und erfüllen somit die<br />
Anforderungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit gemäß der EU Richtlinie<br />
89/336/EWG. [40]<br />
5.1.3.3 Weitere Umgebungseinflüsse<br />
Bei dem Einsatz der Sensoren ist darauf zu achten, dass die Schutzscheibe, welche<br />
zugleich den Sender und den Detektor bedeckt, vor Staub und Schmutz geschützt bleibt.<br />
Ist dies nicht gewährleistet, so können die Messergebnisse verfälscht und somit<br />
unbrauchbar werden. Bei dem Prototyp konnte bereits bei einer leichten Verschmutzung<br />
eine Veränderung des Leuchtfleckes festgestellt werden. Gerade in der<br />
Holzverarbeitung ist mit solchen Verschmutzungen, zum Beispiel durch feine Späne<br />
oder Staub, zu rechnen. In Abbildung 5.5 ist die Veränderung des Leuchtfleckes, bei<br />
Verschmutzung der Schutzscheibe, zu erkennen. Der Sensor war für dieses Bild auf<br />
64
5 Auswertung und Diskussion<br />
seine Messbereichsmitte eingestellt. Bei völlig reiner Schutzscheibe ist der Leuchtfleck<br />
annähernd rund.<br />
Abbildung 5.5 Form des Lichtpunktes bei dem Prototyp<br />
Bei einem Einsatz des Systems an einer Baustellenkreissäge ist des Weiteren damit zu<br />
rechnen, dass der Sensor Witterungseinflüssen, wie zum Beispiel Regen, ausgesetzt ist.<br />
Der LDS 70/200 erfüllt die Schutzklasse IP 67. Diese Schutzklasse sagt aus, dass der<br />
Sensor staubdicht und gegen eine zeitweilige Untertauchung in Wasser geschützt ist<br />
[31], damit ist der Sensor für den Einsatz unter allen, in Kapitel 1.2 beschriebenen<br />
Einsatzumgebungen geeignet. Die Schutzklasse gilt, laut Hersteller, nicht für die<br />
optischen Eingänge, da diese, wie oben beschrieben, für die Funktion des Sensors<br />
schmutzfrei gehalten werden müssen. Des Weiteren ist zum Erlangen des<br />
Wasserschutzes das Sensorkabel anzuschließen. [14]. Neben dem Sensor sollten auch<br />
die Kabelverbindungen und die Auswerteeinheit dieser Schutzklasse entsprechen, wobei<br />
als Schutzklasse IP 65 als ausreichend angesehen werden kann.<br />
Diese Klasse fordert auch die staubdichte Eigenschaft des Systems, beschränkt sich<br />
beim Wasser aber auf den Schutz gegen Strahlwasser. [31] Für den Prototyp existieren<br />
keine Angaben bezüglich der Schutzklasse. Um eine korrekte Funktion des Sensors zu<br />
ermöglichen, ist auf eine schwingungsfreie Montage des Sensors zu achten. Stärkere<br />
Schwingungen, am Sensor oder aber auf der Arbeitsfläche, werden von dem Sensor als<br />
Höhen- Änderungen registriert und können zu falschen Auswerteergebnissen führen.<br />
Diese Eigenschaft muss bei der Implementierung eines Detektions- Algorithmus<br />
betrachtet und abgefangen werden, um falsche Detektionsergebnisse zu vermeiden.<br />
5.1.4 Anforderungen zur Erkennung von Hautstrukturen<br />
Eine theoretische Vorüberlegung zur Handdetektion ist, die Feinstruktur der Haut zu<br />
erkennen und diese von der Holz- oder Stoffstruktur zu unterscheiden. Um eine bessere<br />
Bewertung der in dem nachfolgenden Kapitel dargestellten Ergebnisse der<br />
Lasertriangulationssensoren zu ermöglichen, werden in diesem Kapitel die<br />
Eigenschaften der menschlichen Haut näher beschrieben. Die dargestellten Erkenntnisse<br />
und Eigenschaften basieren auf einer Arbeit von Dr. G. Frankowsky, in welcher zur<br />
Ermittlung der Daten die Streifenprojektionstechnik, eine optische Messmethode zur<br />
dreidimensionalen Messwerteerfassung, angewandt wurde. [16] Das<br />
Auflösungsvermögen des verwendeten Messgerätes wird in der Arbeit mit ≥ 1µm<br />
angegeben. In Abbildung 5.6 ist zunächst eine Nahaufnahme der menschlichen Haut<br />
dargestellt.<br />
65
5 Auswertung und Diskussion<br />
Abbildung 5.6 Hautstruktur [16]<br />
Die dreidimensionale Ansicht der Haut ist in Abbildung 5.7 dargestellt. Die einzelnen<br />
Hautfalten sind deutlich in ihrer horizontalen und vertikalen Ausdehnung zu erkennen.<br />
Abbildung 5.7 3D-Modell der Hautoberfläche [16]<br />
In Abbildung 5.8 ist ein Profilschnitt eines solchen Modells dargestellt. Die einzelnen<br />
Hautfalten sind sehr gut zu erkennen.<br />
Abbildung 5.8 Höhenprofil der Hautoberfläche [16]<br />
66
5 Auswertung und Diskussion<br />
Der Grafik ist zu entnehmen, dass eine vertikale Auflösung im einstelligen µm Bereich<br />
notwendig ist, um sicherzustellen, dass auch kleinste Unebenheiten erkannt werden. Die<br />
horizontale Auflösung sollte in etwa bei ≤ 100µm liegen. Zu beachten sind, im Hinblick<br />
auf die Lasertriangulationssensoren, die relativ spitzen Winkel der Vertiefungen, welche<br />
ein Problem darstellen könnten, da der Laserstrahl eine horizontale Ausdehnung hat.<br />
5.1.5 Erkennung von Feinstrukturen<br />
Aufgrund der unter 5.1.1 beschriebenen Einschränkungen bezüglich der Abtastrate<br />
wurde für diese Messungen ausschließlich der C167CR-LM Mikrocontroller verwendet.<br />
Die Abtastrate wurde auf 100µs eingestellt und das Messobjekt mit einer<br />
Geschwindigkeit von deutlich unter 2m/s bewegt. Die Eigenschaften beider Sensoren<br />
wurden an den unter 4.3 vorgestellten Messproben überprüft. Um das starke Rauschen<br />
des Prototyps (vgl. 5.1.2) etwas zu minimieren, wurden zum einen Versuche mit<br />
verschiedenen Filtern zur Glättung des Signals und zum anderen Versuche mit einer<br />
8Bit A/D Konverterauflösung durchgeführt. Letzteres setzt die Auflösung des Sensors<br />
entsprechend herunter, während die Filter Auswirkungen auf die<br />
Reaktionsgeschwindigkeit des Systems haben.<br />
In Abbildung 5.9 sind die Ergebnisse von drei unterschiedlichen Hölzern dargestellt.<br />
Die Fenster zeigen jeweils 2000 Messwerte an. Obwohl die Oberflächen der Hölzer<br />
unterschiedliche Beschaffenheiten aufweisen, sind in den Darstellungen keine<br />
signifikanten Unterschiede zu sehen. Zur Darstellung sind bewusst Hölzer genommen<br />
worden, da diese in ihrer Höhe relativ konstant sind.<br />
Abbildung 5.9 Holzproben, 8Bit, (LTS Prototyp)<br />
In Abbildung 5.10 ist ein Höhenprofil der Stoffprobe ST1 zu sehen, welches mit dem<br />
Prototyp angefertigt wurde. In Abbildung 5.11 ist dieselbe Probe dargestellt, jedoch<br />
wurde diese zum Vergleich mit dem LDS 70/200 aufgenommen. Gut zu erkennen ist,<br />
dass beide Sensoren die Höhe des Stoffes, von etwa 1,2mm erkennen und darstellen<br />
können.<br />
67
5 Auswertung und Diskussion<br />
Abbildung 5.10 Stoffprobe ST1, 10Bit (Prototyp)<br />
Abbildung 5.11 Stoffprobe ST1, 10Bit (LDS 70/200)<br />
Dem Prototyp gelingt es des Weiteren, die Struktur des Stoffes und die feinen<br />
Erhöhungen von ca. 322µm wiederzugeben. Der LDS 70/200 gelangt hier an eine<br />
untere Grenze. Der eingetragene Bereich von 390µm entspricht 2 LSB und die Struktur<br />
des Stoffes lässt sich nur vermuten, ist aber nicht sicher wieder zu erkennen. Ein<br />
Problem stellt bei diesen feinen Strukturen auch der Durchmesser des Leuchtfleckes<br />
von ca.2mm dar. Die Übergänge der feinen Strukturen sind in ihrer horizontalen<br />
Ausdehnung immer kleiner als 2mm, befinden sich so immer innerhalb des<br />
Leuchtfleckes und können so nicht sauber erkannt werden.<br />
Bei dem Leuchtfleck dieses Sensors ist der unter Kapitel 3.2.4 beschriebene und in<br />
Abbildung 3.8 dargestellte Speckle- Effekt, abhängig vom Messobjekt, recht gut zu<br />
erkennen. Ein negativer Einfluss dieses Effektes auf die Messergebnisse kann aber nicht<br />
unmittelbar festgestellt werden. Die vom Hersteller angegebene Auflösung von 40µm<br />
bei statischen Objekten kann aufgrund der verwendeten A/D Konverterauflösung von<br />
10Bit nicht erreicht werden. Diese ermöglicht bei einem Messbereich von 200mm eine<br />
maximale Auflösung von 195µm.<br />
Eine endgültige Abschätzung der Auflösungseigenschaften des LDS 70/200 soll hier<br />
aber noch nicht getroffen werden. In Kapitel 5.1.6 werden weitere Erkenntnisse<br />
bezüglich dieser Problemstellung dargelegt. Für den Prototyp kann aufgrund des starken<br />
Rauschens die untere Grenze mit ca. 100µm bis 150µm angegeben werden. Angemerkt<br />
werden muss, dass ausschließlich die Probe ST1 eindeutig zu erkennen war. Ein Grund<br />
für dieses Problem kann in dem nachfolgen beschriebenen Verhalten des Sensors<br />
begründet liegen.<br />
68
5 Auswertung und Diskussion<br />
Bei den Messungen mit den Stoffen ist folgendes festgestellt worden. Die automatische<br />
Intensitätsnachregelung (vgl. Kapitel 3.2.4) des Lasers scheint in manchen Situationen<br />
nicht ausreichend zu funktionieren. Um dies zu testen, wurden auf ein weißes Blatt<br />
Papier ein roter und ein schwarzer Streifen gedruckt. Für den ersten Versuch wurde das<br />
Papier so unter dem Sensor bewegt, dass erst der weiße Teil und dann der rote den<br />
Laser passierten. Diese Messung wurde mehrmals wiederholt. In Abbildung 5.12 oben<br />
sind die Messergebnisse zu diesem Versuch zu sehen.<br />
Abbildung 5.12 Messwerte bei Übergängen von Weiß / Rot und von Schwarz / Weiß<br />
Die Breite der Farbstreifen ergibt sich aus dem Rauschen des Sensors. Die Linien<br />
verlaufen relativ geradlinig und der Übergang vom Weißen zum Roten ist nicht<br />
eindeutig festzustellen. Dieses Ergebnis war zu erwarten, da der rote Streifen das Licht<br />
des Lasers nicht sonderlich stark absorbiert. Für den zweiten Versuch wurde das Papier<br />
ausgehend von dem schwarzen Streifen zu dem weißen Teil des Papiers bewegt. Der<br />
untere Teil der Abbildung 5.12 zeigt diese Ergebnisse. Bei dieser Abbildung kann man<br />
auf einen Übergang von Schwarz nach Weiß, bei 12000 schließen. Der unterschiedliche<br />
Verlauf der Kurven, nach oben oder unten, lässt auf ein Problem in der Regulierung des<br />
Lasers schließen. Die angezeigten Höhenunterschiede entsprechen etwa 700µm, was<br />
definitiv nicht der tatsächlichen Höhe entspricht.<br />
Der LDS 70/200 zeigt dieses Verhalten nicht. Dieser Sensor signalisiert nur am unteren<br />
Ende des Messbereiches, bei blauen Filz (vgl. Abbildung 4.13, ST3), dass die<br />
Reflektion am Detektor zu gering ist. Mittels der Spectrocam wurde die spektrale<br />
Eigenschaft des Filzstückes bei einer Wellenlänge von 670nm überprüft. Der gemessene<br />
Remissionswert von 3,2% erklärt die Probleme des Sensors bei diesem Stoff, am Ende<br />
des Messbereiches. Dies verdeutlicht aber zugleich auch den Unterschied zu dem<br />
Prototyp. Dieser zeigte bei der verwendeten Probe über den kompletten Arbeitsbereich<br />
eine zu geringe Intensität an.<br />
Als abschließendes Ergebnis der Versuche kann festgestellt werden, dass eine<br />
Handdetektion aufgrund der Hautstruktur mittels der verwendeten Sensoren nicht<br />
möglich ist. Allerdings muss auch hier angemerkt werden, dass der LTS Prototyp als<br />
69
5 Auswertung und Diskussion<br />
nicht repräsentativ angesehen wird, da das Rauschen und die Probleme in der<br />
Intensitätssteuerung des Lasers die Ergebnisse der Messungen negativ beeinflusst<br />
haben. Doch selbst bei Verwendung eines Sensors mit 10µm Auflösung, der teuerste<br />
und leistungsfähigste Sensor der Marktanalyse (vgl. Anhang) stellt diese Auflösung bei<br />
200mm Messbereich und einem Leuchtfleck von 1,3mm dar, ist es unwahrscheinlich<br />
die Struktur der Haut, wie sie in Abbildung 5.8 gezeigt ist, zu erkennen. Maßgebliches<br />
Problem dürfte hier der Leuchtfleckdurchmesser sein. Zu beachten ist aber auch, dass<br />
eine Auflösung von 10µm bei einem Arbeitsbereich von 200mm die Verwendung eines<br />
A/D Konverters mit 14Bit Auflösung erfordert. Alternativ kann ein Sensor mit<br />
digitalem Ausgang verwendet werden, wie ihn der oben beschriebene besitzt. Als<br />
Anforderung an die Abtastrate kann ein Wert von 50µs bis 100µs, basierend auf den<br />
Erkenntnissen aus Kapitel 5.1.4, festgelegt werden.<br />
5.1.6 Erkennung von Grobstrukturen und Konturen<br />
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse zur Konturenerkennung dargestellt. Geprüft<br />
wurde die grundsätzliche Möglichkeit, Konturen zu erfassen und darzustellen. Die<br />
konkrete Implementierung und Überlegungen zur Algorithmenerstellung werden im<br />
nächsten Kapitel ausführlich besprochen. Für die Versuche wurden, wie bei den<br />
Messungen zur Feinstruktur, der C167CR-LM Mikrocontroller, die<br />
Vorverstärkerschaltung und die beiden Sensoren verwendet.<br />
Zunächst sollen die Ergebnisse der Analyse der Holzprobe t1, welche in Abbildung 5.13<br />
dargestellt ist (der Leuchtfleck auf der Abbildung stammt vom LDS 70/200),<br />
besprochen werden. Das Holzbrett hat ein feines Wellenprofil. Die Breite der<br />
Wellenberge beträgt ca. 2mm, die Breite der Wellentäler ca. 1mm und die Höhe der<br />
Wellen ca.1,5mm. Bei dem Prototyp ist der geringe Messbereich von 10mm zu<br />
beachten, welcher die Versuche entsprechend einschränkt. Das Rauschen des Sensors<br />
fällt bei diesen Messungen nicht in dem Maße ins Gewicht, als dass es die Auswertung<br />
der Messungen unmöglich machen würde.<br />
Abbildung 5.13 Holzprobe t1<br />
In Abbildung 5.14 ist das Ergebnis des Prototyp und in Abbildung 5.15 das des LDS<br />
70/200 dargestellt. Der Prototyp löst die Höhe der Wellen auf und lässt das Profil der<br />
Welle recht gut erkennen. Lediglich das Verhältnis der Breiten von Wellen- Berg und<br />
Tal wird nicht richtig wiedergeben. Dies ist auf die jeweils unterschiedlichen<br />
70
5 Auswertung und Diskussion<br />
Reflektionseigenschaften zurückzuführen. Anhand dieses Ergebnisses kann für diesen<br />
Sensor festgestellt werden, dass er prinzipiell zur Erkennung von Konturen geeignet ist.<br />
Das Ergebnis des LDS 70/200 zeigt, dass dieser Sensor mit der Struktur des Holzes<br />
Probleme hat. Die einzelnen Wellen lassen sich bestenfalls erahnen. Auch hier dürfte<br />
der Leuchtfleckdurchmesser, der mit 2mm Durchmesser breiter als ein Wellental ist, der<br />
Grund für die Probleme sein.<br />
Erhärtet wird dieser Verdacht dadurch, dass der Sensor in Kapitel 5.1.5 einen<br />
Höhenunterschied von 1mm problemlos darstellen konnte (vgl. Abbildung 5.11), was<br />
hier nicht immer der Fall ist. Die Auflösungsgrenze dieses Sensors, in Kombination mit<br />
den beschriebenen Einheiten, kann grob auf 1mm beziffert werden. Je nach<br />
Oberflächenbeschaffenheit muss dieser Wert aber nach oben oder unten korrigiert<br />
werden.<br />
Abbildung 5.14 Holzprobe t1, 8Bit, Prototyp<br />
Abbildung 5.15 Holzprobe t1, 10Bit, LDS70/200<br />
Die weiteren Versuche mit dem LDS 70/200, bezüglich der Erkennung von<br />
Grobstrukturen und Konturen, ergaben, dass dies mit dem Sensor möglich ist. In<br />
Abbildung 5.16 ist das Ergebnis einer Messung gezeigt, bei der drei Finger der<br />
Holzprobe, welche in Abbildung 5.13 dargestellt ist, gleichförmig unter dem Sensor<br />
bewegt und aufgenommen wurden. Während der Messungen traten keinerlei technische<br />
Probleme oder Störungen auf.<br />
71
5 Auswertung und Diskussion<br />
Abbildung 5.16 Messergebnis, drei Finger auf einem Holzbrett (LDS 70/200)<br />
Eine wichtige Erkenntnis, welche in Kapitel 5.1.7 ausführlich beleuchtet wird, ist die<br />
Tatsache, dass ein Messobjekt eine Vielzahl an unterschiedlichen Höhenprofilen<br />
erzeugen kann. Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Messproben durchgeführt<br />
und brachten vergleichbare Ergebnisse. Beispielhaft sollen diese Effekte an<br />
unterschiedlichen Höhenprofilen eines Rundholzes, von 10mm Durchmesser gezeigt<br />
werden. In Abbildung 5.17 ist das Höhenprofil des Rundholzes bei einer gleichförmigen<br />
Bewegung dargestellt. In Abbildung 5.18 ist dasselbe Rundholz zweimal, mit jeweils<br />
unterschiedlichen Geschwindigkeiten, dargestellt. Der rechte Teil der Abbildung lässt<br />
eher auf ein Brett, als auf ein Rundholz schließen. Beide Messungen haben aber<br />
gemeinsam, dass die Höhe von 10mm festgestellt wurde.<br />
Abbildung 5.17 Rundholz 10mm (LDS 70/200)<br />
Abbildung 5.18 Rundholz 10mm, variable Geschw. (LDS 70/200)<br />
72
5 Auswertung und Diskussion<br />
Ein weiteres Ergebnis, welches auf eine Fehlfunktion des Prototyps zurückzuführen ist,<br />
muss noch erwähnt werden, da es einen signifikanten Einfluss auf die Zuverlässigkeit<br />
des Sensors hat. Um zu klären, ob eine Unterscheidung eines Fingers von einem runden<br />
Gegenstand möglich ist, wurden Messungen von verschiedenen „Kleinen Fingern“ und<br />
einem roten runden Stift aufgenommen. In Abbildung 5.19 ist das Ergebnis dieser<br />
Messung zu sehen.<br />
Abbildung 5.19 Aufnahme eines Fingers und eines Stiftes (Prototyp)<br />
Der Stift, welcher in Abbildung 5.19 Magenta gezeichnet wurde, zeigt die erwarteten<br />
Eigenschaften. Er ist symmetrisch und hat ansonsten keine Auffälligkeiten. Die<br />
scheinbar „abgeschnittene“ Spitze resultiert aus einer kurzzeitigen Überschreitung des<br />
Messbereiches von 10mm und ist somit kein Fehler des Sensors. Auffällig an der<br />
Darstellung des Fingers sind die beiden Erhöhungen, welche den Schluss zulassen, dass<br />
die Fingerspitze aufgenommen wurde, was aber nicht der Fall war. Die Wiederholung<br />
des Versuchs mit weiteren Fingern brachte zunächst ähnliche, nicht direkt zu erklärende<br />
Ergebnisse. Auffällig bei diesen Versuchen war jedoch, dass die Intensität des Lasers<br />
während der ganzen Messung sehr hell und konstant war. Selbst bei der manuellen<br />
Abdeckung des Detektors veränderte sich die Intensität nicht. Bei einer späteren<br />
Wiederholung der Versuche wurde der Finger ähnlich wie der Stift abgebildet, die<br />
beiden Erhöhungen waren nicht mehr vorhanden. Bei diesen Messungen war die<br />
Intensität des Lasers subjektiv dunkler und beim Abdecken des Detektors wurde sie<br />
deutlich heller. Da weder das eine noch das andere Verhalten des Sensors<br />
reproduzierbar erzwungen werden kann, erhärtet sich mit dieser Erkenntnis der<br />
Verdacht auf einen Fehler in der Regelungselektronik des Sensors.<br />
Festzuhalten bleibt, dass es prinzipiell möglich ist, Grobstrukturen und Konturen zu<br />
erkennen. Es wurden des Weiteren Fälle aufgezeigt, in denen ein Messobjekt<br />
unterschiedliche Höhenprofile zur Folge hatte, welche dem Messobjekt nicht<br />
rückwirkend zugeordnet werden konnten. Die Erkenntnisse mit dem Prototyp haben<br />
gezeigt, dass es notwendig ist, die korrekte Funktion des Sensors mitsamt dessen<br />
integrierten Auswerte- und Regeleinheiten sicherzustellen und zu überprüfen. Eine<br />
unentdeckte Fehlfunktion des Sensors führt zu Unsicherheiten oder zum Totalausfall<br />
der Detektionsalgorithmen. Die maximale Auflösung der Sensoren hängt offensichtlich<br />
auch von der abgetasteten Oberfläche der Messobjekte ab. Basierend auf den<br />
73
5 Auswertung und Diskussion<br />
Messwerten kann als notwendige Abtastrate ein Wert ≤ 500µs empfohlen werden.<br />
Dieser Wert berücksichtigt den Durchmesser des Laserstrahles. Eine Abtastrate von<br />
500µs ergibt, bei einer Objektgeschwindigkeit von 2m/s, eine Auflösung von 1mm (vgl.<br />
Tabelle 5.2), welche bei einem Leuchtfleck von 2mm Durchmesser ausreichend ist. Bei<br />
einem kleineren Leuchtfleck ist die Abtastrate dementsprechend zu erhöhen.<br />
5.1.7 Implementierungsansätze und Algorithmenentwicklung<br />
Um die Anforderungen und die Problematik bei der Algorithmenentwicklung zu<br />
verdeutlichen, wird nachfolgend ein Beispiel aufgeführt, bei welchem die<br />
Umweltbedingungen fest definiert sind. Für das Beispiel gelten folgende<br />
Rahmenbedingungen:<br />
Verwendet wird das CM-EVA Board mit dem C167CR-LM Mikrocontroller und der<br />
LDS 70/200. Die Signale des Sensors werden mit einer Abtastrate von 100µs abgefragt.<br />
Da der Sensor, laut Datenblatt, eine Messfrequenz von 1kHz besitzt, findet<br />
dementsprechend eine deutliche Überabtastung statt. Diese Überabtastung wurde zum<br />
einen gewählt, um den Anforderungen des Shannon Theorems gerecht zu werden und<br />
zum anderen, um festzustellen, ob die Ressourcen des Mikrocontrollers ausreichen, um<br />
Detektionsalgorithmen auszuführen. Der LDS 70/200 wird über der Arbeitsfläche in<br />
einer Höhe von circa 259mm montiert, so dass möglichst der gesamte Messbereich des<br />
Sensors genutzt werden kann. (Bei dieser Höhe stehen 199mm zur Verfügung) Der<br />
Laserstrahl befindet sich vor der Gefahrenquelle. An die Höhe der Werkstücke ist keine<br />
Bedingung geknüpft, außer, dass sie kleiner als der Arbeitsbereich des Sensors minus<br />
die Dicke der Hand ist. Die Hand muss immer auf dem Werkstück oder der<br />
Arbeitsplatte liegen und wird mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit, welche dem<br />
Algorithmus bekannt ist, bewegt.<br />
Ein mit diesem System aufgezeichnetes Höhenprofil könnte wie in Abbildung 5.16<br />
gezeigt aussehen. Zu erkennen sind drei Finger, welche auf einem Holzbrett liegen.<br />
Diese Finger charakterisieren deren Höhe, die relativ stark steigenden oder fallenden<br />
Flanken, die Breite, deren Radius und Krümmung. Ein geeigneter Algorithmus könnte<br />
anhand der Höhe, der Breite, der Radien und der Krümmung einen Finger erkennen und<br />
von Holzbrettern und Stoffbahnen beliebiger Höhe unterscheiden. Das gemessene<br />
Höhenprofil könnte aber auch die Formen annehmen, wie sie in Abbildung 5.20<br />
dargestellt sind. Dort sind zum einen eine Faust und zum anderen eine flache Hand auf<br />
einem Holzbrett zu sehen. Bei diesen Höhenprofilen, besonders auf dem rechten, ist<br />
eine Hand nicht zweifelsfrei zu erkennen. Die Versuche haben auch gezeigt, dass ein<br />
Rundholz durchaus als Finger zu interpretieren ist. Dies ist aber nicht das eigentliche<br />
Problem bei diesem System.<br />
Bei der Beschreibung des Beispiels wurde vorausgesetzt, dass der Algorithmus die<br />
Geschwindigkeit und die Richtung der Objekte kennt. Tatsächlich ist dies dem<br />
Algorithmus aber vollkommen unbekannt, da diese Informationen weder vom Sensor<br />
noch vom Mikrocontroller zur Verfügung gestellt werden. Der Algorithmus bekommt<br />
74
5 Auswertung und Diskussion<br />
zwar in fest definierten Abständen, beschrieben durch die Abtastrate, aktuelle Werte,<br />
diese haben aber keinen Bezug zur Geschwindigkeit der Messobjekte.<br />
Abbildung 5.20 Messergebnisse, Faust, Handrücken (LDS 70/200)<br />
Es ist auch nicht möglich, von der Breite der Messobjekte auf die Geschwindigkeit zu<br />
schließen, da der Algorithmus dafür das Objekt schon vorher kennen müsste. Bedingt<br />
durch dieses Problem verlieren die Kriterien Breite, Radius und Krümmung ihre<br />
Bedeutung, da für alle die Geschwindigkeit des Messobjektes bekannt sein muss. Auch<br />
die Steigung liefert keine eindeutigen Aussagen, da auch diese, bei schrägen Flächen,<br />
abhängig von der Geschwindigkeit ist. Lediglich direkte Sprünge können festgestellt<br />
werden. Im direkten Zusammenhang mit diesem Problem steht auch, dass ein Finger bei<br />
langsamer Bewegung durch 2000 Messwerte, bei einer schnellen Bewegung aber bereits<br />
durch 200 Messwerte beschrieben sein kann. Der Algorithmus kann des Weiteren nicht<br />
feststellen, in welche Richtung das Messobjekt bewegt wird. Prinzipbedingt liefern die<br />
verwendeten Sensoren eine eindimensionale Messgröße (vgl. Kapitel 3.2ff). Das<br />
abgetastete Objekt hat aber 3 Dimensionen und kann sich mehr oder weniger frei in<br />
einem 3- dimensionalen Raum bewegen. Der Sensor kann nicht erkennen, mit welcher<br />
Geschwindigkeit das Messobjekt in welche Richtung (x, y oder z) bewegt wird. Ein<br />
Höhenprofil kann zum Beispiel auch durch Heben und Senken oder durch seitliche<br />
Bewegung des Messobjektes erzeugt werden und bedarf nicht zwangsläufig einer<br />
Bewegung in Richtung des Messers oder der Säge. Wenn man nun schließlich noch die<br />
Forderung des Beispiels aufhebt, dass die Hand plan aufliegt, fallen auch statistische<br />
Höhen für Finger und Hand weg.<br />
Eine zufriedenstellende Lösung für dieses Problem kann nur geschaffen werden, wenn<br />
die Höheninformationen des Sensors mit der der Objektgeschwindigkeit in Verbindung<br />
gebracht werden kann. Eine mögliche Lösung könnte die Integrierung einer Rolle in die<br />
Arbeitsplatte darstellen, welche durch das Werkstück, beim Vorschub, gedreht wird und<br />
so Informationen über die Schubgeschwindigkeit bzw. die Vorschubstrecke erlangt.<br />
Diese Informationen könnten genutzt werden, um eine A/D Konvertierung mittels eines<br />
externen Interrupts anzustoßen. Dies kann mit beiden Mikrocontrollern realisiert<br />
werden. Auf diese Weise würde ein Zusammenhang zwischen gemessener Höhe und<br />
75
5 Auswertung und Diskussion<br />
der Geschwindigkeit des Werkstückes hergestellt. Problematisch bleibt bei diesem<br />
Vorschlag allerdings die Tatsache, dass die Hand nicht zwangsläufig die gleiche<br />
Geschwindigkeit wie das Werkstück hat.<br />
Aufgrund der Tatsache, dass lediglich die Höheninformation, beziehungsweise die<br />
Unterschiede zwischen diesen, gemessen werden können, wurde ein weiterer Ansatz<br />
überprüft und auf dem Mikrocontroller implementiert. Da Steigung, Breite und Radien<br />
keine absoluten Werte sind, wurden nur die Extrempunkte des Höhenprofils, also der<br />
Wechsel von steigender Flanke zur fallenden und umgekehrt, betrachtet. Die so<br />
erhaltenen Werte werden gespeichert, alle Zwischenwerte verworfen. Auf diese Weise<br />
erhält man eine Folge von Extrempunkten. Die Idee für den Algorithmus ist jetzt<br />
folgende: Die Folge von Extrempunkten ist bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten<br />
immer die gleiche und erzeugt ein vom Objekt abhängiges Muster. Beachtet werden<br />
muss auch hier eine Maximalgeschwindigkeit, die nicht überschritten werden darf, da<br />
die Signale des Sensors sonst durch den Aliasing Filter gedämpft werden und das<br />
Ergebnis der Konvertierung beeinflussen. In Abbildung 5.21 ist ein solches Muster<br />
dargestellt. Die blauen Säulen sind Höhenprofile desselben Fingers, bei<br />
unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wie deutlich zu erkennen ist, wurde für diese<br />
Aufnahme der Prototyp verwendet, da der Finger wieder die beiden Erhöhungen an der<br />
Seite aufweist. Die roten Punkte markieren die Extrempunkte und die wagerechten<br />
Linien verdeutlichen, dass diese, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, annähernd<br />
die gleichen Höhen aufweisen. Der Algorithmus zeichnet also die Extrempunkte auf<br />
und sucht dann nach bekannten Mustern.<br />
Abbildung 5.21 Darstellung eines Fingers bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten<br />
Um diese These zu überprüfen, wurde das Programm zur Messwerteerfassung um<br />
diesen Algorithmus erweitert. Aufgrund der modularen Programmierung war dies ohne<br />
große Veränderungen des Ursprungscodes möglich. Der Ablauf des Programms<br />
entspricht in den Interruptroutinen und der Initialisierungsphase, bis zu dem Punkt<br />
„Interruptsystem Starten“, dem Ablauf, welcher in Abbildung 4.9 dargestellt ist.<br />
Der Detektionsalgorithmus arbeitet dann wie folgt: Das Ergebnis der A/D<br />
Konvertierung wird in ein 8Bit Ergebnis umgewandelt und mittels eines<br />
76
5 Auswertung und Diskussion<br />
Mittelwertfilters geglättet. Dies geschieht, um Rauscheinflüsse zu minimieren. Der<br />
Algorithmus erkennt nun Änderungen in der Steigung und speichert beim Erreichen<br />
eines Extrempunktes diesen in einem Ringspeicher ab. In diesem Speicher befinden sich<br />
immer die letzten registrierten Extrempunkte. Die Anzahl der Extrempunkte kann<br />
variabel festgelegt werden. Bei einer Aktualisierung wird immer der älteste Wert<br />
verworfen. Jedes Mal, wenn ein neuer Wert in den Speicher geschrieben wurde, wird<br />
eine Art Schablone über diese Werte gelegt und geprüft, ob ein Muster im Speicher<br />
dieser entspricht. Im konkreten Beispiel existiert eine Schablone für den Finger und eine<br />
für einen Stift.<br />
Die Unterscheidung zwischen Stift und Finger kann aber nur aufgrund des<br />
Fehlverhaltens des Sensors getroffen werden. Anhand mehrerer Versuchsreihen konnte<br />
ermittelt werden, dass dieses System in circa 50% der Fälle einen Finger korrekt<br />
erkannt hat. Der Grund für dieses Ergebnis liegt unter anderem darin, dass der Finger<br />
unterschiedlich stark auf den Tisch gedrückt wurde und damit Änderungen in der<br />
Höheninformation entstehen. Dies verdeutlicht auch, dass dieser Algorithmus Probleme<br />
mit Objekten hat, die sich frei im Raum bewegen. Damit zeigt dieses Beispiel, dass es<br />
prinzipiell möglich ist, ein Objekt anhand der beschriebenen Merkmale zu erkennen. Es<br />
kann aber auf keinen Fall von einer zuverlässigen Detektion gesprochen werden.<br />
Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass eine zuverlässige Konturenerkennung<br />
und Detektion unter den betrachteten Einsatzbedingungen mit dem vorhandenen System<br />
nicht möglich ist. Als Gründe für dieses Ergebnis können folgende Punkte aufgeführt<br />
werden:<br />
• Es existiert keine Information über die Geschwindigkeit der Objekte, welche mit<br />
dem Sensor erfasst werden. Abtastrate und Geschwindigkeit stehen in keinem<br />
Zusammenhang.<br />
• Über die Bewegungsrichtung des Messobjektes kann keine Aussage getroffen<br />
werden.<br />
• Die Höheninformation alleine reicht nicht zur Identifikation eines<br />
dreidimensionalen Objektes, welches sich in einem dreidimensionalen Raum<br />
annähernd frei bewegen kann.<br />
77
5 Auswertung und Diskussion<br />
5.2 Ergebnisse zur Spectrocam<br />
Die Messungen mit der Spectrocam haben gezeigt, dass eine grundsätzliche<br />
Unterscheidung zwischen den Spektren der verwendeten Hölzer und denen der<br />
getesteten Hände möglich ist.<br />
Die verschiedenen Spektren der Hölzer sind in Abbildung 5.22, die der Hände zum<br />
Vergleich in Abbildung 5.23 dargestellt. Um die Messergebnisse verschiedener Proben<br />
miteinander vergleichen zu können, wurden die jeweiligen Ergebnisse per Software in<br />
ein Fenster kopiert. In Abbildung 5.22 sind die Holzproben, mit der (*) Markierung, aus<br />
Tabelle 4.10 zu sehen. Auffällig sind der relativ lineare Verlauf der Linien und die<br />
relativ hohen Werte bei einer Wellenlänge von 750nm. Eine der Kennlinien weicht<br />
deutlich von den anderen ab, dies ist auf die weiße Kunststoffbeschichtung des Holzes<br />
zurückzuführen.<br />
In der Abbildung 5.23 sind sechs Spektren von Händen verschiedener Personen<br />
abgebildet. Zu beachten ist die im Vergleich zur Abbildung 5.22 geänderte vertikale<br />
Auflösung. Die Spektren der Hände haben vergleichbare Eigenschaften untereinander<br />
und sind aber wohl unterschieden von den Spektren der Hölzer. Auffällig sind die<br />
Einbuchtung im Bereich von 540nm bis 580nm und der relativ geradlinige Verlauf im<br />
Bereich von 630nm bis 750nm. Des Weiteren bleiben die Werte der Hände bei 750nm<br />
alle unter 40%, bei den Hölzern sind diese Werte alle größer oder gleich 50%.<br />
In Abbildung 5.24 sind Spektren der verwendeten Stoffproben (vgl. Abbildung 4.13)<br />
dargestellt. Die Unterscheidung der verschiedenen Stoffproben von der Haut ist zwar<br />
prinzipiell möglich, aber nicht in allen Fällen so eindeutig, wie bei den Holzproben. Es<br />
finden sich zum Beispiel Ähnlichkeiten im Bereich von 450nm, 550nm und 750nm.<br />
Wenn man den spektralen Verlauf als Ganzes betrachtet, sind die größten Ähnlichkeiten<br />
bei rosa gefärbten Stoffen (ST4 und ST6) festzustellen. Dies trifft auch für die<br />
Farbfelder H7 und H8 des Digital Color Checkers (vgl. Abbildung 4.14) zu.<br />
In Abbildung 5.25 sind neben den Spektren dieser beiden Farbfelder noch weitere aus<br />
dem Bereich D7 bis E7 und D8 bis E8 abgebildet. Diese Farbfelder wurden bewusst<br />
gewählt, da sie Hautfarben repräsentieren. Um einen Vergleich mit dem weißen Holz<br />
aus Abbildung 5.22 zu ermöglichen, wurde des Weiteren das Farbfeld A1 (weiß)<br />
aufgenommen.<br />
78
5 Auswertung und Diskussion<br />
Abbildung 5.22 Spektren der verwendeten Holzproben<br />
Abbildung 5.23 Spektren verschiedener Hände<br />
79
5 Auswertung und Diskussion<br />
Abbildung 5.24 Spektren der verschiedenen Stoffproben<br />
Abbildung 5.25 Spektren der Farbfelder des ColorCheckers<br />
80
5 Auswertung und Diskussion<br />
Die in diesen Versuchen erworbenen Erkenntnisse entsprechen denen, die in Kapitel<br />
3.1.3 beschrieben wurden. Auch dort war eine Unterscheidung zwischen Haut und Holz<br />
möglich. Es ist jedoch anzumerken, dass hier eine etwas andere Technik angewandt<br />
wurde. In der vorliegenden Arbeit wurde nur eine Farbtemperatur und nicht wie bei [45]<br />
ein Farbtemperaturbereich zum Beleuchten der Messobjekte verwendet. Der betrachtete<br />
spektrale Bereich war bei den in dieser Arbeit durchgeführten Versuchen kleiner und<br />
die gemessenen Ergebnisse wurden nicht weiter verarbeitet. Dies ist im Besonderen bei<br />
der von den Autoren getroffenen Aussage über die Ähnlichkeiten von Birke und Haut<br />
zu beachten, da dort nicht direkte spektrale Verläufe, sonder deren Funktionswerte<br />
verglichen wurden. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Hölzer ließen sich alle<br />
von unterschiedlichen Händen unterscheiden.<br />
Festgehalten werden kann, dass mit diesem System Hölzer prinzipiell von Händen<br />
unterschieden werden können. Bei gefärbten Materialien ist dies eher kritisch zu<br />
betrachten, da größere Ähnlichleiten mit der Haut festgestellt werden konnten. Diese<br />
Ähnlichkeiten erfordern es, mehrere Werte oder den ganzen spektralen Bereich zur<br />
Auswertung heranzuziehen. Durch weiterführende Versuche mit einer größeren Anzahl<br />
von Hölzern, Stoffen, Farben und Hauttypen, die in dieser Arbeit untersuchten Hände<br />
entsprachen alle denen eines Mitteleuropäers, ist die Zuverlässigkeit dieser<br />
Detektionsmethode zu klären. Da die Spectrocam zur Messung direkt auf das zu<br />
messende Objekt gehalten werden muss, ist sie als Sensor in einem Sicherheitssystem<br />
nicht direkt verwendbar. Bei der prinzipiellen Feststellung der Unterscheidbarkeit<br />
spielte dies aber nur eine untergeordnete Rolle. Für den endgültigen Einsatz muss ein<br />
Sensor gewählt werden, welcher unter einer definierten Beleuchtung aus größeren<br />
Entfernungen Messungen durchführen kann. Dieser Sensor muss des Weiteren in der<br />
Lage sein, Messungen an bewegten Objekten durchzuführen.<br />
5.3 Vergleich der Systeme<br />
In diesem Kapitel werden die verschiedenen in dieser Arbeit erwähnten Maßnahmen<br />
und Techniken zur Handdetektion mittels optischer Sensoren zusammenfassend<br />
gegenübergestellt.<br />
Bildverarbeitung Spektrenanalyse<br />
Sensor Kamera Kamera mit Filtern,<br />
Spektralphotometer<br />
Auswertung PC PC<br />
Erkennungsmerkmal Farbe und/oder<br />
Kontur<br />
81<br />
Spektraler Verlauf oder<br />
Eigenschaft bei<br />
ausgewählten Bändern<br />
Tabelle 5.5 Gegenüberstellung: Bildverarbeitung und Spektrenanalyse
5 Auswertung und Diskussion<br />
Infrarot Lasertriangulation<br />
Sensor Passiver Infrarotsensor Lasertriangulations-<br />
sensor<br />
Auswertung Mikrocontroller Mikrocontroller<br />
Erkennungsmerkmal Wärmestrahlung Höhenprofil<br />
Tabelle 5.6 Gegenüberstellung: Infrarot und Lasertriangulation<br />
In Tabelle 5.5 und Tabelle 5.6 sind die verschiedenen Maßnahmen zur Detektion und<br />
die dazugehörigen Sensoren, Auswertungseinheiten und die jeweils verwendeten<br />
Erkennungsmerkmale dargestellt. Auf eine Darstellung der Kosten wurde bewusst<br />
verzichtet, da diese zu stark von der aktuellen Marktsituation und der möglichen<br />
Auftragshöhe abhängen. Als Tendenz kann aber angeben werden, dass die<br />
Infrarotlösung zurzeit das günstigste System bezüglich Sensor und Auswerteeinheit<br />
darstellt. Gemeinsam haben alle Sensoren, dass sie mehr oder weniger empfindlich auf<br />
Einflüsse wie Schmutz und Staub, bezüglich des Detektionsergebnisses, reagieren. Am<br />
unempfindlichsten gegenüber diesen Einflüssen ist das Infrarotsystem. Die verwendeten<br />
Sensoren lassen sich alle, den Anforderungen aus Kapitel 2.3 gemäß, an den<br />
betrachteten Maschinen installieren. Bei der Installation der Detektionseinheiten dürfte<br />
die Integration von PC’s in der Praxis schwerer fallen, als die der Mikrocontroller.<br />
Allerdings ist davon auszugehen, dass auch die Rechnersysteme in Zukunft auf immer<br />
kleinerem Raum unterzubringen sind. Die Zuverlässigkeit der verschiedenen Systeme<br />
hängt immer von den jeweiligen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel Temperatur<br />
oder Lichtverhältnisse, ab und muss deshalb für den konkreten Einsatz überprüft<br />
werden. Die Geschwindigkeit der betrachteten Systeme ergibt sich aus dem<br />
Zusammenspiel zwischen Sensor und Auswerteeinheit. Es muss auch unterschieden<br />
werden, wie viele Daten der Sensor liefern muss, damit die Auswerteeinheit ein<br />
Ergebnis erzielen kann. Bei der Infrarotlösung reicht in der Regel das einmalige<br />
Erkennen einer Temperatur, welche spezifisch für eine Hand ist. Auch in der<br />
Bildverarbeitung kann unter Umständen aus einem Bild eine Information über das<br />
Vorhandensein einer Hand gezogen werden. Bei dem in dieser Arbeit überprüften<br />
System der Lasertriangulation braucht es aber eine Vielzahl von Messwerten, um eine<br />
Hand oder einen Finger zu erkennen, da eine einzelne Höheninformation nicht sehr<br />
aussagekräftig ist. Dementsprechend hoch muss die Geschwindigkeit des Sensors und<br />
der Auswerteeinheit sein. Die Erfahrungen mit dem LTS Prototyp haben auch die<br />
Notwendigkeit einer Überprüfbarkeit der korrekten Sensorfunktion gezeigt. Es reicht<br />
nicht aus, zwischen Betrieb und Totalausfall zu unterscheiden. Bei allen betrachteten<br />
Sensoren besteht die potenzielle Gefahr eines teilweisen Ausfalls oder Defektes, der<br />
fehlerhafte Sensordaten zur Folge hat, welche die Sicherheit und Zuverlässigkeit des<br />
Systems gefährden.<br />
82
5 Auswertung und Diskussion<br />
5.4 Kombinierbarkeit von Systemen<br />
In diesem Kapitel werden Überlegungen und Vorschläge zur Kombination der<br />
vorgestellten Sensoren untereinander und mit anderen, nichtoptischen Sensoren<br />
dargestellt.<br />
Wenn man sich den Aufbau der Bandsäge und der Bandmesserschneidemaschine<br />
anschaut, so fällt auf, dass Messer und Säge teilweise durch eine Abdeckung geschützt<br />
sind. Gut zu sehen ist dies in Abbildung 1.3 Punkt 7. Dies bedeutet für die Praxis, dass<br />
vor dem Messer oder der Säge zwei verschiedene Zonen existieren. Unmittelbar vor<br />
dem Messer besteht Verletzungsgefahr. Befindet sich die Hand an derselben Position,<br />
nur etwas höher, genauer vor der Messerabdeckung, so besteht keine Gefährdung, die<br />
ein Abschalten der Maschine rechtfertigen würde. Nur wenn die Hand sich senkt, sollte<br />
die Maschine gestoppt werden. Mittels des Infrarotsensors ist die vertikale Höhe der<br />
Hand aber nicht festzustellen, dass bedeutet, die Maschine würde zu oft angehalten. Bei<br />
diesem Szenario könnte durch die Kombination des Infrarotsensors mit dem<br />
Lasertriangulationssensors neben der Präsenz auch die aktuelle Höhe der Hand erkannt<br />
werden und die Auswertung dementsprechend verfeinert und ein falsches Auslösen<br />
verhindert werden. Für diese Anwendung würde auch das in dieser Arbeit festgestellte<br />
Problem der Unabhängigkeit der Objektbewegung von der Abtastrate wegfallen, da der<br />
Sensor nur zur berührungslosen Entfernungsmessung verwendet würde. Die technische<br />
Realisierung würde auch nicht zwangsläufig den Einsatz eines weiteren<br />
Mikrocontrollers erfordern, was den Kosten bei einer solchen Kombination zugute<br />
kommen würde. Bei der Bildverarbeitung ist es auch vorstellbar zwei Sensoren des<br />
gleichen Typs miteinander zu kombinieren, um zum Beispiel über zwei Kameras eine<br />
dreidimensionale Information über die betrachteten Objekte zu gewinnen. Für den Fall,<br />
dass ein Sensorsystem bei sehr hohen Objektgeschwindigkeiten Unsicherheiten<br />
ausweist, könnte ein unterstützender Sensor angebracht werden, welcher auf diese<br />
hohen Geschwindigkeiten reagiert und eine Gefahr meldet. Dieser Sensor müsste auch<br />
nicht zwangsläufig eine Hand erkennen können, da ein Gegenstand, der mit einer sehr<br />
hohen Annäherungs- Geschwindigkeit auf die Säge prallt, selbst zu einer Gefahr wird.<br />
Verfahren zur Bild oder Spektrenanalyse sind bedingt von Beleuchtungsverhältnissen<br />
abhängig. Ein Sensor, welcher diese Verhältnisse überprüft, könnte als zur<br />
Sicherheitssteigerung des Systems verwendet werden.<br />
Diese Beispiele zeigen, dass eine Kombination von Systemen sinnvoll sein kann. Zum<br />
einen kann die Zuverlässigkeit der Systeme durch die Auswertung mehrerer Kriterien<br />
gesteigert zum anderen die Informationen über das erkannte Objekt erhöht werden.<br />
83
6 Zusammenfassung und Ausblick<br />
6 Zusammenfassung und Ausblick<br />
6.1 Zusammenfassung<br />
In dieser Arbeit wurden verschiedene sicherheitsbezogene Einsatzgebiete vorgestellt,<br />
bei denen eine Risikominimierung durch die Integration einer willensunabhängigen<br />
Sicherheitseinrichtung erreicht werden können. Basierend auf diesen Einsatzgebieten<br />
wurde eine Anforderungsanalyse durchgeführt, um Eigenschaften und Kriterien, die an<br />
solche Sicherheitssysteme gestellt werden, zu formulieren.<br />
Grundlegende Informationen zu optischen Sensorsystemen, welche zur Handdetektion<br />
herangezogen werden können, wurden zu Beginn der Arbeit beschrieben, um einen<br />
Überblick über die Thematik der Handdetektion darzustellen. Zur besseren<br />
Nachvollziehbarkeit der praktischen Versuche wurden des Weiteren Sensor- und<br />
Controller- spezifische Eigenschaften vorgestellt.<br />
Im praktischen Teil der Arbeit wurde unter anderem die Möglichkeit der Handdetektion<br />
mittels eines Lasertriangulationssensor überprüft. Um dies zu ermöglichen, wurde ein<br />
System erstellt, welches die reproduzierbare Erfassung und Auswertung von<br />
Sensordaten ermöglicht. Um eine Verbindung von den Sensoren zu den<br />
Mikrocontrollern herstellen zu können, wurde eine Vorverstärkerschaltung entworfen,<br />
simuliert und implementiert. Durch zahlreiche Versuche wurden die Eigenschaften des<br />
gesamten Systems sowie einzelner Komponenten erfasst und bewertet. Die Ergebnisse<br />
und Erkenntnisse dieser Versuche lassen sich wie folgt zusammenfassen:<br />
Für die Messungen standen zwei Mikrocontroller zur Verfügung. Aufgrund von<br />
Geschwindigkeitsüberlegungen wurde der 16Bit Mikrocontroller C167CR von Infineon<br />
ausgewählt. Mit dem alternativ zur Verfügung stehenden 8Bit Mikrocontroller 80C552<br />
von Philips konnten die aufgestellten Kriterien, bezüglich der Geschwindigkeit, nicht<br />
erfüllt werden.<br />
Als Sensoren standen ein Prototyp und ein Lasertriangulationssensor aus industrieller<br />
Fertigung zur Verfügung. Der Prototyp zeigte in zahlreichen Versuchen Fehlverhalten<br />
und untypische Werte, welche auf einen Defekt in der Sensorelektronik schließen<br />
ließen. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurden die Ergebnisse dieses Sensors als nicht<br />
repräsentativ eingestuft.<br />
Die Möglichkeit, Feinstrukturen, wie zum Beispiel die Hautstruktur, zu erkennen, ist bei<br />
keinem der beiden Sensoren gegeben. Die Erkennung von Konturen und Grobstrukturen<br />
ist bei beiden Systemen jedoch prinzipiell möglich.<br />
84
6 Zusammenfassung und Ausblick<br />
Externe Einflüsse wie Fremdlicht, Vibrationen oder elektromagnetische Verträglichkeit<br />
müssen bei den überprüften Systemen beachtet und bei der Implementierung von<br />
Algorithmen und im Hinblick auf die Systemsicherheit berücksichtigt werden.<br />
Die Entwicklung eines robusten und sicheren Systems zur Handdetektion mittels der<br />
Lasertriangulationssensoren war nicht möglich. Für dieses Ergebnis können<br />
hauptsächlich drei Gründe aufgeführt werden:<br />
• Es existiert keine Information über die Geschwindigkeit der Objekte, welche mit<br />
dem Sensor erfasst werden. Abtastrate und Geschwindigkeit stehen in keinem<br />
Zusammenhang.<br />
• Über die Bewegungsrichtung des Messobjektes kann keine Aussage getroffen<br />
werden.<br />
• Die Höheninformation allein reicht nicht zur Identifikation eines<br />
dreidimensionalen Objektes, welches sich in einem dreidimensionalen Raum<br />
annähernd frei bewegen kann.<br />
In einem weiteren praktischen Teil der Arbeit wurden die spektralen Eigenschaften<br />
unterschiedlicher Stoffe mittel eines Spektralphotometers überprüft. Als Ergebnis dieser<br />
Versuche kann aufgeführt werden, dass eine grundsätzliche Unterscheidung zwischen<br />
den Spektren der verwendeten Hölzer und denen der getesteten Hände möglich ist.<br />
Abgeschlossen wurde die Arbeit mit einem Vergleich der vorgestellten Systeme und mit<br />
Überlegungen zu deren Kombinierbarkeit untereinander und mit weiteren, nicht<br />
zwangsläufig optischen, Sensoren.<br />
85
6.2 Ausblick<br />
6 Zusammenfassung und Ausblick<br />
Die Ergebnisse der Versuche zu den Lasertriangulationssensoren haben gezeigt, dass<br />
eine prinzipielle Erkennung von Konturen möglich ist. Die Probleme, welche eine<br />
sichere und robuste Handdetektion verhindern, wurden genannt und beschrieben. Im<br />
Hinblick auf weiterführende Arbeiten sollte nach Lösungen für diese Probleme gesucht<br />
werden. Es kann zum Beispiel überlegt werden, mehrere Sensoren einzusetzen, um so<br />
mehr Informationen über das Messobjekt zu erlangen. Auf dem Markt sind des<br />
Weiteren Triangulationssensoren erhältlich, welche ein Linienprofil abtasten. Bei einer<br />
gegenüberliegenden, um einen bestimmten Winkel gekippten Montage dieser Sensoren<br />
könnten detailliertere Aussagen über das Objekt getroffen werden. Falls dies gelingen<br />
sollte, können die vorhandenen Ansätze weiterverfolgt und verbessert werden.<br />
Das Verhalten der Systeme bei verschiedenen Umgebungsbedingungen und Einflüssen<br />
wurde in den jeweiligen Messdateien und Protokollen dokumentiert und kann somit als<br />
Basis für weitere Versuche und Entwicklungen dienen.<br />
Im Falle einer prototypischen Entwicklung sollten die Vorverstärkerschaltung und der<br />
Mikrocontroller in einem abschirmten Gehäuse untergebracht werden, um die<br />
elektromagnetische Verträglichkeit zu erhöhen. Des Weiteren sollten die in der Arbeit<br />
beschriebenen Maßnahmen zur Sicherstellung der Funktion der Systemeinheiten<br />
getroffen werden.<br />
Die Ergebnisse zur Spektrenanalyse rechtfertigen eine weitere Betrachtung der<br />
verwendeten Technik bezüglich der Handdetektion. Dies bestätigen auch weitere, zum<br />
Teil in dieser Arbeit aufgeführte, Publikationen und Forschungsergebnisse. In<br />
weiterführenden Arbeiten sollten verwendbare Sensoren beschrieben und auf ihre<br />
Einsatzmöglichkeit in einem sicherheitsbezogenen Umfeld hin überprüft werden.<br />
Besonderes Augenmerk sollte dabei auf die Aspekte Zuverlässigkeit und<br />
Geschwindigkeit gelegt werden. Des Weiteren muss geprüft werden, ob die in dieser<br />
Arbeit getroffenen Erkenntnisse mit einem System reproduziert werden können, bei<br />
dem sich die Stoffproben bewegen.<br />
Im Hinblick auf die Überlegung, eine Hand aufgrund ihrer Feinstruktur zu erkennen,<br />
könnte die Streifenprojektionstechnik näher betrachtet und auf eine mögliche<br />
Anwendung hin überprüft werden. Zu klären währe unter anderem, ob dieses System<br />
auch bei bewegten Objekten Strukturen erkennen kann.<br />
86
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 1.1 Tischkreissäge [24]................................................................................... 2<br />
Abbildung 1.2 Gefahrenbereich an einer Tischkreissäge [25] ......................................... 3<br />
Abbildung 1.3 Tischbandsäge [24]................................................................................... 4<br />
Abbildung 1.4 Sägevorgang [11] ..................................................................................... 4<br />
Abbildung 1.5 Sägevorgang [11] ..................................................................................... 4<br />
Abbildung 1.6 Bandmesserzuschneidemaschine [2]........................................................ 5<br />
Abbildung 2.1 Risikograph nach EN 954-1, Kategorien [41].......................................... 8<br />
Abbildung 2.2 Zeitablauf................................................................................................ 11<br />
Abbildung 3.1 Prinzip der Lasertriangulation [1] .......................................................... 17<br />
Abbildung 3.2 Aufbau einer Lateraldiode [34] .............................................................. 18<br />
Abbildung 3.3 Fehlerquelle Mehrfachstreuung [12] ...................................................... 19<br />
Abbildung 3.4 Spektrale Empfindlichkeit einer Si- Diode [47]..................................... 20<br />
Abbildung 3.5 Reflektionseigenschaften verschiedener Oberflächen [12].................... 21<br />
Abbildung 3.6 Intensitätsverteilung am Detektor [12]................................................... 22<br />
Abbildung 3.7 Optisch glatte bzw. raue Oberfläche [29]............................................... 23<br />
Abbildung 3.8 Speckle- Muster [29] .............................................................................. 23<br />
Abbildung 3.9 Komponenten für die Messwerteerfassung [49] .................................... 24<br />
Abbildung 3.10 Blockdiagramm des 80C552 [37]......................................................... 27<br />
Abbildung 3.11 Blockdiagramm C167CR [26].............................................................. 29<br />
Abbildung 3.12 Priorisierung der Interrupts [28]........................................................... 30<br />
Abbildung 4.1 LTS Prototyp .......................................................................................... 34<br />
Abbildung 4.2 LDS 70 / 200 .......................................................................................... 35<br />
Abbildung 4.3 80C552 Entwicklungs- Board ................................................................ 36<br />
Abbildung 4.4 Screenshot PSpice Capture..................................................................... 40<br />
Abbildung 4.5 Messaufbau mit dem C167CR-LM ........................................................ 41<br />
Abbildung 4.6 Sensorhalterung und Holzproben ........................................................... 41<br />
Abbildung 4.7 Screenshot der Keil µVision3 Entwicklungsumgebung......................... 42<br />
Abbildung 4.8 Screenshot von DAvE ............................................................................ 43<br />
Abbildung 4.9 Ablaufdiagramm zur Messwerteerfassung............................................. 49<br />
Abbildung 4.10 Screenshot FlexPro............................................................................... 51<br />
Abbildung 4.11 Spectrocam mit Zubehör ...................................................................... 53<br />
Abbildung 4.12 Screenshot der Spectrocam Software ................................................... 54<br />
Abbildung 4.13 Verwendete Stoffproben....................................................................... 55<br />
Abbildung 4.14 Digital ColorChecker von GretagMacBeth.......................................... 56<br />
Abbildung 5.1 Rauschverhalten der Vorverstärkerschaltung des Prototyp.................... 59<br />
Abbildung 5.2 Rauschverhalten der Systeme (li. der Prototyp, re. der LDS 20/700) .... 62<br />
Abbildung 5.3 Einfluss auf das Rauschen bei Gleichlichtbestrahlung (LDS 70/200) ... 63<br />
Abbildung 5.4 Rauschen der Systeme bei Stroboskop- Beleuchtung ............................ 63<br />
Abbildung 5.5 Form des Lichtpunktes bei dem Prototyp............................................... 65<br />
Abbildung 5.6 Hautstruktur [16] .................................................................................... 66<br />
Abbildung 5.7 3D-Modell der Hautoberfläche [16]....................................................... 66<br />
87
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 5.8 Höhenprofil der Hautoberfläche [16] ..................................................... 66<br />
Abbildung 5.9 Holzproben, 8Bit, (LTS Prototyp).......................................................... 67<br />
Abbildung 5.10 Stoffprobe ST1, 10Bit (Prototyp)......................................................... 68<br />
Abbildung 5.11 Stoffprobe ST1, 10Bit (LDS 70/200) ................................................... 68<br />
Abbildung 5.12 Messwerte bei Übergängen von Weiß / Rot und von Schwarz / Weiß 69<br />
Abbildung 5.13 Holzprobe t1 ......................................................................................... 70<br />
Abbildung 5.14 Holzprobe t1, 8Bit, Prototyp ................................................................ 71<br />
Abbildung 5.15 Holzprobe t1, 10Bit, LDS70/200 ......................................................... 71<br />
Abbildung 5.16 Messergebnis, drei Finger auf einem Holzbrett (LDS 70/200) ............ 72<br />
Abbildung 5.17 Rundholz 10mm (LDS 70/200)............................................................ 72<br />
Abbildung 5.18 Rundholz 10mm, variable Geschw. (LDS 70/200) .............................. 72<br />
Abbildung 5.19 Aufnahme eines Fingers und eines Stiftes (Prototyp) .......................... 73<br />
Abbildung 5.20 Messergebnisse, Faust, Handrücken (LDS 70/200) ............................. 75<br />
Abbildung 5.21 Darstellung eines Fingers bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten .. 76<br />
Abbildung 5.22 Spektren der verwendeten Holzproben ................................................ 79<br />
Abbildung 5.23 Spektren verschiedener Hände ............................................................. 79<br />
Abbildung 5.24 Spektren der verschiedenen Stoffproben.............................................. 80<br />
Abbildung 5.25 Spektren der Farbfelder des ColorCheckers......................................... 80<br />
88
Tabellenverzeichnis<br />
Tabellenverzeichnis<br />
Tabelle 4.1 Übersicht der betrachteten LTS mit 200mm Messbereich .......................... 33<br />
Tabelle 4.2 Technische Daten des Prototyps.................................................................. 34<br />
Tabelle 4.3 Auszug technische Daten LDS 70/200 [14] ................................................ 35<br />
Tabelle 4.4 Übersicht Ein- / Ausgänge der Systeme...................................................... 38<br />
Tabelle 4.5 Rauscheffektivspannung der Verstärkerschaltung ...................................... 39<br />
Tabelle 4.6 Aufbau und Belegung des S0CON Registers (C167CR) ............................ 45<br />
Tabelle 4.7 Belegung und Aufbau des T3CON Registers.............................................. 45<br />
Tabelle 4.8 Belegung und Aufbau des T2CON Registers.............................................. 46<br />
Tabelle 4.9 Aufbau und Belegung des ADCON Registers (C167CR)........................... 47<br />
Tabelle 4.10 Übersicht über die verwendeten Messproben............................................ 55<br />
Tabelle 5.1 Gegenüberstellung der Mikrocontroller ...................................................... 57<br />
Tabelle 5.2 Samplingrate und Auflösungsverhalten ...................................................... 58<br />
Tabelle 5.3 Ergebnisse der Rauschanalyse für die Schaltung ........................................ 60<br />
Tabelle 5.4 Auflösung des Prototyps.............................................................................. 61<br />
Tabelle 5.5 Gegenüberstellung: Bildverarbeitung und Spektrenanalyse ....................... 81<br />
Tabelle 5.6 Gegenüberstellung: Infrarot und Lasertriangulation ................................... 82<br />
89
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92
Anhang<br />
Ergebnisse der Marktanalyse I<br />
Ergebnisse der Marktanalyse II<br />
Anhang<br />
93
Ergebnisse der Marktanalyse III<br />
Anhang<br />
94