DE10146692B4

DE10146692B4 - Entfernungsbildsensor

Info

Publication number: DE10146692B4
Application number: DE10146692A
Authority: DE
Inventors: Martin Spies; Johann Spies
Original assignee: Spies Martin Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Spies Martin Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2021-09-22
Also published as: DE10146692A1

Abstract

Entfernungsbildsensor, der die Entfernungen über das Aussenden elektromagnetischer Impulse im Wellenlängenbereich einiger mm bis zu wenigen 100 nm und das Empfangen der rückgestreuten Energie dieser Impulse durch die Ermittlung der Laufzeit der Impulse registriert, der als Sender und Empfänger je eine Anordnung aus mindestens zwei Sendeelementen und/oder zwei Empfangselementen aufweist und bei dem eine Ablenkung sowohl des Bildes der Sendeflächen als auch des Bildes der Empfangsflächen gleichzeitig über für die angewendete Wellenlänge durchlässige Ablenkstäbe mit polygonförmigem Querschnitt erfolgt, die sich bei der angewendeten Wellenlänge in ihrem Brechungsindex von dem der Luft oder dem umgebenden Medium unterscheiden und synchron um ihre Achse gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstäbe mikroprozessorgesteuert gegeneinander verdreht werden können, um das Senderabbild mit dem Empfängerabbild zur Deckung zu bringen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Entfernungsbildsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der DE 41 15 747 C2 bekannt ist.

Zur Erstellung von Entfernungsbildern sind Mehrkanalsensoren z.B. nach DE 197 17 399 C2 bekannt, z.B. scannende Sensoren bei denen verschiedene Komponenten auf einer Kreisbahn geführt werden. z.B. Sensoren, bei denen eine Empfängerfläche auf die Szene abgebildet wird und ein Laser über ein Winkelprisma die Szene abtastet.

Außerdem ist ein Entfernungsbildsensor nach DE3543648A1 bekannt, bei dem vorwiegend planparallele Platten vor dem Sensorelement bewegt werden. Bei der aus der DE197 57 849 bekannten Anordnung wird der ganze Sender in einer Art Spiegelkasten mit unterschiedlichen Winkelstellungen gedreht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem aus der DE 41 15 747 C2 bekannten Entfernungsbildsensor auf kostengünstige Weise das Signal-Rauschverhältnis und die Signaldynamik zu optimieren. Diese Aufgabe wird mit dem Entfernungsbildsensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 beschrieben.
1 zeigt das verwendete Ablenkprinzip. Durch den Sender 101 wird ein elektromagnetischer Impuls im Wellenlängenbereich einiger mm bis zu einigen 100 nm mit der optischen Achse des Strahlengangs 102 abgestrahlt, ein rotierender für die benutzte Wellenlänge transparenter Stab 108 mit z. B. quadratischem Querschnitt mit einem Brechungsindex ungleich Luft wird in der Winkellage 104 (senkrecht) vor dem Sender angebracht und lenkt damit den Strahl nicht ab. In der Lage 103 und 105 wird der Winkel und der Strahl durch einen ungleichen Brechungsindex zwischen Material und Luft oder des umgebenden Mediums in die Position 106 und 107 abgelenkt. Technisch werden die Sender durch Mikrowellen-Generatoren mit einigen mm Wellenlänge oder durch Laser für kurze Wellenlängen dargestellt.
Bringt man entsprechend 2 zwischen Impulssender 101 der aus mehreren abstrahlenden Einzelelementen 207 besteht und Sendeoptik 203 den Ablenkungsstab 108 an, so wird entsprechend der Winkellage des Stabes und der Gestaltung seiner Grenzflächen die Abbildung des elektromagnetischen Impulses auf andere Flächenelemente der Szene abgebildet. Damit auch nun die jeweils beleuchtete Fläche auf den Empfänger 201 der seinerseits aus mehreren Empfangselementen 208 besteht abgebildet wird, wird die identisch aufgebaute Strahlablenkung (Stab) 202 zwischen Empfängerzeile 201 und Empfangsoptik 204 angebracht. Damit werden sowohl Senderzeile 101 als auch Empfängerzeile 201 auf die zu vermessende Szene abgebildet.
Wie im oberen Teil der 2 gezeigt, ist die erfindungsgemäße Anordnung der optischen Achse des Sendeteils durch die Lage der Drehachse 109 der Strahlablenkung 108 und die optische Achse des Empfangsteils durch die Drehachse 205 der Strahlablenkung 202 in einem Abstand angeordnet. Dieser Abstand ist gleich dem Abstand der Sendeoptik 203 und der Empfangsoptik 204. Durch diesen Abstand wird eine Eigenblendung (zu hohe Energie in den Empfangsteil) bei sehr nahen Abständen und bei Sichtweiteneinschränkungen wie Nebel, Regen Schnee und Gischt vermieden. Entsprechend dem unteren Teil der 2 kann zum gleichen Zweck die Strahlablenkung für den Empfänger 202 und für den Sender 108 auf die gleiche Achse 206 gesetzt werden.
Die Ablenkung bei einem Stab mit quadratischem Querschnitt erfolgt gemäß 1 bei horizontaler Lage der Achse 109 des Stabes in vertikaler Richtung. Gestaltet man den Stab entsprechend 3, so dass er zwei Flächen aufweist die parallel zur Achse 109 liegen und zwei Flächen, die in einem bestimmten Winkel 305 zur Achse liegen, so wird der Strahl auch in dieser Ebene senkrecht zur Achse 109 ausgelenkt. Liegt die Achse 109 horizontal so wird in der Lage 0° der Drehung entsprechend 301 der Strahl in die Lage 303 gelenkt und bei der Lage 180° entsprechend 302 in die Lage 304.
Da der Winkel 305 nur sehr klein sein kann damit die Strahlablenkung auch bei kurzen Brennweiten der Sende- und Empfangsoptiken zwischen Sender und Empfänger und der jeweiligen Optik angebracht werden kann, ist für die Abtastung eine größere Fläche sowohl für den Sender 101 als auch für den Empfänger 201 jeweils eine Zeile mit mehreren Elementen vorgesehen z. B. je 5 Elemente wie beispielhaft 2 (207 und 208), 3 und 4 zeigen.
Durch mehrere Elemente je in einer Zeile angeordnet ist auch eine schnelle Bildabtastung bei gleichzeitig niedriger Drehzahl der Strahlablenkungen möglich. Dies ist insbesondere bei Verwendung des Entfernungsbildsensors in Fahrzeugen und Hubschraubern für die Hinderniserkennung und Unfallvermeidung notwendig.
Werden die beiden Strahlablenkeinheiten synchron in Bezug auf den Drehwinkel betrieben, so wird entsprechend 4 in der interessierenden Szene ein Bild abgetastet. Bei Ruhestellung oder 0° entsprechend 1 104 werden nur die Fläche 401, 402, 403, 404 und 405 von der Senderzeile 101 auf die Szene und von der Szene auf die Empfängerzeile 201 abgebildet. Das Gesamtbild entsprechend 4 wird während eines 360° Umlaufs der Strahlablenkungen 108 und 202 zweimal in der Position A 407 und jeweils einmal in der Position B 408 und in der Position C 409 in einzelne Flächenelementen 406 abgetastet. Die jeweiligen Flächenelemente entsprechen den Originalabbildungen 406.
Zielsetzung dieser Maßnahme ist es, dass ein derartiger Sensor nicht nur für eine Abstandsmessung für z. B. Folgefahren von Kraftfahrzeugen verwendet werden kann, sondern auch im Nahbereich zur Kollisionsvermeidung oder als Sensor zum Vorschärfen von Sicherheitsmaßnahmen. So wird bei der gezeigten Anordnung entsprechend 3 und 4 die Datenerneuerungsrate bei der Pos A 407 entsprechend 4 halbiert. Durch Ausgestaltung der Strahlablenkung anstelle eines quadratischen Querschnitts mit einem Querschnitt eines Sechseckes oder ganzzahligen Vielecks kann die Datenerneuerungsrate für die Scanlinie 401 bis 405 entsprechend 4 vervielfacht werden. Die Abdeckung von Sicherheitsfunktionen im Nahbereich wird durch die Zeilenanordnung der Sendeeinheiten und Empfangseinheiten selbst bei Stillstand des Scanmechanismus gewährleistet. Die Sende- und Empfangsbaugruppen sind erfindungsgemäß zur Abstrahlung und Empfang von kurzen elektromagnetischen Impulsen im Bereich des nahen Infrarot und der mm-Wellen ausgelegt. Die Entfernungsmessung erfolgt nach bekannten Verfahren z. B. entsprechend DE 197 17 399 C2 oder DE 41 27 168 C2 .
Das Blockschaltbild der Gesamtanordnung, hier als Beispiel die Bildentfernungsmessung mit optischen Impulsen im Bereich von 1 μm Wellenlänge ist in 5 gezeigt. Ein Impulslichtsender mit z. B. 5 Kanälen 101 beleuchtet mit den Lichtimpulsen über die Strahlablenkung 108 und die Sendeoptik 203 die interessierende Szene z. B. vor einem Fahrzeug. Die Rückstreuung dieser Lichtimpulse wird über die Empfangsoptik 204, die Strahlablenkung 202 auf den zugehörigen 5 Kanal Empfänger 201 abgebildet. Die Abstandsmessung erfolgt mit bekannten Maßnahmen im Mikroprozessor 502. Hier erfolgt die Signalakquisition, Zeitmessung, Selbstjustage, Zieldetektion und die Zielzuordnung und Verfolgung. Dieser Mikroprozessor 502 steuert auch die Antriebssteuerung 501 an, die ihrerseits die Antriebe 507 und 508 ansteuert.
Das Gesamtsystem hat nach außen z. B. die 12 V Stromversorgung 505, die Schnittstelle 506. Die Verbindung zum Mikroprozessor 502 und zum Gesamtsystem stellt das Interface und die Stromversorgung 503 dar. Diese Stromversorgung stellt auch alle intern nötigen Spannungen 504 zur Verfügung.
Eine Selbstjustage über die zwei Antriebe 507 und 508 erfolgt insofern autark dass die Signalamplitude jeweils ausgewertet wird und über die Amplitude die Winkellage der beiden Antriebe optimiert wird. Diese Selbstjustage ist auch bei der Endeinstellung und Endprüfung am Ende der Produktionslinie des Sensors vorgesehen, ermöglicht einen automatischen Ablauf und gibt Raum für kostengünstige Toleranzen der optischen Komponenten. Dadurch, dass die Strahlablenkung durch die Winkeländerung am Ablenkstab 102 erfolgt, ist es mit dem erfindungsgemäßen System möglich, eine autark funktionierende Selbstjustage in Drehrichtung der Ablenkeinheiten durchzuführen. Da im praktischen Betrieb durch Verschmutzung der Abdeckscheiben vor dem Entfernungsbildsensor oder durch extrem hohe Rückstreuung z. B. durch Nebel eine zu hohe Energiedichte an den Empfängern auftreten kann, ist in so einem Fall eine Abschwächung des Signals durch absichtliches gegenseitiges Verdrehen der Ablenkeinheiten am Empfänger und Sender mit den gleichen Komponenten machbar. Entsprechend 6 ist der Sender 101 durch die Strahlablenkeinheit 108 und die Sendeoptik 203 auf die Szene abgebildet. Dies ist entsprechend auch für den Empfänger anwendbar. Wird die Achse 109 der Strahlablenkung 108 in einer drehbaren Lageranordnung 601 gelagert, die ihrerseits mit einem Motor 602 in einem Winkelbereich von einigen Grad gedreht werden kann, so ist eine automatische optische Justage in beiden Achsen möglich. Entsprechend 7 wird der weitere Antrieb 602 mit der Antriebssteuerung 501 verbunden, damit ist das Gesamtsystem in der Lage, auch in horizontaler Richtung die Fertigungstoleranzen in einer autarken Justage auszugleichen.
Der Selbstjustagemodus am Ende der Fertigungslinie eines erfindungsgemäßen Systems stellt die Toleranzen sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung automatisch über die Signalamplitude gegenüber einem bekannten Zielobjekt ein und legt die Daten im System ab. Während der Betriebsdauer bleiben diese Daten normalerweise erhalten.
Durch die ständige Messung der Abstände und Amplituden im praktischen Einsatz wird die Gesamtfunktion immer überprüft. Schaltet sich selbst oder durch äußere Einflüsse z. B. durch sehr niedrige Signalamplituden der Selbstjustagemodus ein, können während des Betriebes des Sensors die Justagedaten erneuert und verbessert werden. Diese Daten werden dann im System für den weiteren Betrieb gespeichert.

Claims

Entfernungsbildsensor, der die Entfernungen über das Aussenden elektromagnetischer Impulse im Wellenlängenbereich einiger mm bis zu wenigen 100 nm und das Empfangen der rückgestreuten Energie dieser Impulse durch die Ermittlung der Laufzeit der Impulse registriert, der als Sender und Empfänger je eine Anordnung aus mindestens zwei Sendeelementen und/oder zwei Empfangselementen aufweist und bei dem eine Ablenkung sowohl des Bildes der Sendeflächen als auch des Bildes der Empfangsflächen gleichzeitig über für die angewendete Wellenlänge durchlässige Ablenkstäbe mit polygonförmigem Querschnitt erfolgt, die sich bei der angewendeten Wellenlänge in ihrem Brechungsindex von dem der Luft oder dem umgebenden Medium unterscheiden und synchron um ihre Achse gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstäbe mikroprozessorgesteuert gegeneinander verdreht werden können, um das Senderabbild mit dem Empfängerabbild zur Deckung zu bringen.
Entfernungsbildsensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstäbe an verschiedenen Flächen einen Winkel zu ihrer Drehachse aufweisen und damit an diesen Flächen eine Auslenkung in Achsenrichtung erzeugen.
Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine feste Verstellung der Winkellage beider Ablenkstäbe oder ein Verstellen während des Scandurchlaufes das Signal abgeschwächt wird, um im Nahbereich Sichtweite, Scheibenverschmutzung oder Ziele hoher Reflektanz eindeutig zu erfassen.
Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Achse eines Ablenkstabes oder beider über einen Motor durch den Mikroprozessor so gesteuert werden können, dass Toleranzen ausgeglichen werden und das Senderabbild mit dem Empfängerabbild zur Deckung gebracht wird.
Entfernungsbildsensor nach einem vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkstäbe zwischen Sender und Empfänger und der jeweiligen Optik angeordnet sind.
Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Empfänger als Empfängerzeile und Sender als Senderzeile ausgebildet sind, womit eine Entfernungsmessung im Nahbereich selbst bei Ausfall der Scanmotore noch möglich ist.
Entfernungsbildsensor nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Datenerneuerungszeit pro Gesamtbild die Originalabbildungen der Sender- und Empfangelemente während eines Umlaufs der Ablenkstäbe mehrfach abgetastet werden.