DE202018100458U1 - Opto-electronic sensor for detecting objects - Google Patents
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Abstract
Optoelektronischer Sensor (10), insbesondere Laserscanner, zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (20), der eine um eine Drehachse (18) bewegliche Abtasteinheit (12, 58), mehrere Abtastmodule (22) zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs (20) und zum Erzeugen von entsprechenden Empfangssignalen sowie eine Auswertungseinheit (48) zur Gewinnung von Informationen über die Objekte aus den Empfangssignalen aufweist, wobei die Abtastmodule (22) mindestens einen Lichtsender (24) zum Aussenden mehrerer voneinander separierter Lichtstrahlen (28) und mindestens einen Lichtempfänger (36) zum Erzeugen der Empfangssignale aus den von Objekten remittierten Lichtstrahlen (32) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abtastmodul (22) bezüglich seiner Hauptblickrichtung um einen Kippwinkel (β) verkippt und/oder um einem Drehwinkel (γ) verdreht angeordnet ist, wobei der Kippwinkel (β) gegen eine zentrale Abtastebene senkrecht zu der Drehachse (18) und der Drehwinkel (γ) um eine Achse entsprechend der Hauptblickrichtung gemessen ist. An optoelectronic sensor (10), in particular laser scanner, for detecting objects in a surveillance area (20) comprising a scanning unit (12, 58) movable about a rotation axis (18), a plurality of scanning modules (22) for periodically scanning the surveillance area (20) and for generating corresponding received signals and an evaluation unit (48) for obtaining information about the objects from the received signals, wherein the scanning modules (22) at least one light transmitter (24) for emitting a plurality of separated light beams (28) and at least one light receiver (36 ) for generating the received signals from the light beams (32) remitted by objects, characterized in that at least one scanning module (22) is tilted with respect to its main viewing direction by a tilt angle (β) and / or rotated by a rotation angle (γ) the tilt angle (β) against a central scanning plane perpendicular to the axis of rotation (18) and the Rotation angle (γ) is measured about an axis corresponding to the main viewing direction.
Description
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an optoelectronic sensor for detecting objects in a surveillance area according to the preamble of claim 1.
Viele optoelektronische Sensoren arbeiten nach dem Tastprinzip, bei dem ein Lichtstrahl in den Überwachungsbereich ausgesandt und der von Objekten zurückgeworfene Lichtstrahl wieder empfangen wird, um dann das Empfangssignal elektronisch auszuwerten. Dabei wird oft die Lichtlaufzeit mit einem bekannten Phasen- oder Pulsverfahren gemessen, um den Abstand eines angetasteten Objekts zu bestimmen.Many optoelectronic sensors work according to the scanning principle in which a light beam is emitted into the surveillance area and the light beam reflected by objects is received again, in order then to electronically evaluate the received signal. In this case, the light transit time is often measured by a known phase or pulse method in order to determine the distance of a touched object.
Um den Messbereich eines einstrahligen Lichttasters zu erweitern, kann einerseits der Abtaststrahl bewegt werden, wie dies in einem Laserscanner geschieht. Dort überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Zusätzlich zu der gemessenen Abstandinformation wird aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes geschlossen, und damit ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst.In order to extend the measuring range of a single-beam light sensor, on the one hand the scanning beam can be moved, as happens in a laser scanner. There, a light beam generated by a laser periodically sweeps over the monitoring area with the aid of a deflection unit. In addition to the measured distance information, it is concluded from the angular position of the deflection unit on the angular position of the object, and thus the location of an object in the monitoring area in two-dimensional polar coordinates is detected.
Eine andere Möglichkeit zur Messbereichserweiterung und zur Gewinnung zusätzlicher Abstandsdaten besteht darin, zugleich mehrere Messpunkte mit mehreren Abtaststrahlen zu erfassen. Das lässt sich auch mit einem Laserscanner kombinieren, der dann nicht nur eine Überwachungsebene erfasst, sondern über eine Vielzahl von Überwachungsebenen einen dreidimensionalen Raumbereich. In den meisten Laserscannern wird die Abtastbewegung durch einen Drehspiegel erreicht. Gerade bei Verwendung mehrerer Abtaststrahlen ist aber im Stand der Technik auch bekannt, stattdessen den gesamten Messkopf mit Lichtsendern und Lichtempfängern rotieren zu lassen, wie dies beispielsweise in
Aus der Anordnung der mehreren Abtaststrahlen oder Abtastebenen ergibt sich, welche Informationen aus dem dreidimensionalen Raumbereich gewonnen werden. Beispielhafte Parameter sind die Anzahl und Dichte der Abtaststrahlen. Je nach Anwendung kann hier ein ganz unterschiedlicher Bedarf bestehen. Wünschenswert wäre hier eine einfache Anpassung der Strahlkonfiguration, um unterschiedliche Anforderungen bedienen zu können.The arrangement of the multiple scanning beams or scanning planes results in which information is obtained from the three-dimensional spatial area. Exemplary parameters are the number and density of the scanning beams. Depending on the application, there may be a very different need here. It would be desirable to have a simple adjustment of the beam configuration in order to be able to serve different requirements.
Manche herkömmliche Mehrstrahl-Laserscanner verwenden eine monolithische Zeile von Lichtsendern beziehungsweise Lichtempfängern. Dann sind aber die Abtastebenen auf einen bestimmten, äquidistanten Abstand festgelegt und liegen dicht an dicht, weil der Platz auf dem Halbleitermaterial der Sende- und Empfangselemente optimal genutzt werden soll. Somit besteht allenfalls noch die Möglichkeit, Daten aus in einer bestimmten Anwendung nicht gebrauchten Abtastebenen zu verwerfen, aber das ist keine Anpassung des Geräts, sondern nutzt im Gegenteil dessen Leistungsfähigkeit nur teilweise aus.Some conventional multi-beam laser scanners use a monolithic line of light emitters or receivers. But then the scanning planes are set to a specific, equidistant distance and are close to each other, because the space on the semiconductor material of the transmitting and receiving elements should be used optimally. Thus, at most, there is still the possibility of discarding data from scanning planes not used in a particular application, but this is not an adaptation of the device, but on the contrary only partially exploits its performance.
Die
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein flexibleres gattungsgemäßes Mehrstrahlsystem anzugeben.It is therefore an object of the invention to provide a more flexible generic multi-beam system.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 gelöst. Mehrere Abtastmodule erzeugen und empfangen jeweils mehrere Lichtstrahlen und weisen dafür mindestens einen Lichtsender und mindestens einen Lichtempfänger auf. Die Lichtstrahlen sind nicht als Strahlen im Sinne der Strahlenoptik innerhalb eines größeren Lichtbündels zu verstehen, sondern als voneinander separierte Lichtbündel und somit vereinzelte Abtaststrahlen, die im Überwachungsbereich beim Auftreffen auf ein Objekt entsprechend vereinzelte, voneinander beabstandete Lichtflecken erzeugen. Eine um eine Drehachse rotierende oder zumindest schwenkbare Abtasteinheit sorgt dafür, dass die Abtaststrahlen den Überwachungsbereich periodisch abtasten. Eine Auswertungseinheit gewinnt aus den Empfangssignalen Informationen über die Objekte an den jeweils angetasteten Punkten.This task is accomplished by an optoelectronic sensor for the detection of objects in a surveillance area according to claim 1 solved. Several scanning modules each generate and receive a plurality of light beams and have for this purpose at least one light transmitter and at least one light receiver. The light rays are not to be understood as rays in the sense of the ray optics within a larger light beam, but as mutually separated light beams and thus scattered scanning rays that produce in the monitoring area when hitting an object according to individual, spaced-apart light spots. A scanning unit rotating about an axis of rotation or at least pivoting ensures that the scanning beams periodically scan the monitoring area. An evaluation unit obtains information about the objects at the respectively touched points from the received signals.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, durch Verkippen und/oder Verdrehen von Abtastmodulen angepasste Konfigurationen von Abtaststrahlen zu ermöglichen, beziehungsweise aufgrund der Bewegung um die Drehachse angepasste Konfigurationen von Abtastebenen. Dazu wird mindestens ein Abtastmodul um einen Kippwinkel verkippt und/oder um einen Drehwinkel verdreht. Diese Winkel sind bezüglich der Hauptblickrichtung des Abtastmoduls gemessen beziehungsweise definiert. Ein Abtastmodul hat zwar mehrere Abtaststrahlen, die vorzugsweise nicht alle parallel und damit in dieselbe Blickrichtung ausgerichtet sind. Das Abtastmodul als Ganzes besitzt dennoch eine einzige Hauptblickrichtung, die beispielsweise durch dessen Mittelachse, einen zentralen Abtaststrahl oder eine mittlere Richtung aller Abtaststrahlen des Abtastmoduls gegeben ist. Nun wäre die herkömmliche, weder verkippte noch verdrehte Ausrichtung eines Abtastmoduls diejenige mit Hauptblickrichtung in die zentrale Abtastebene senkrecht zur Drehachse hinein und bei aufrechter Anordnung des Abtastmoduls. Erfindungsgemäß wird die Hauptblickrichtung aus diesem Kippwinkel Null verkippt und entspricht damit nicht mehr der zentralen Abtastebene und/oder das Abtastmodul wird aus diesem Drehwinkel Null verdreht und hat damit eine nicht aufrechte Orientierung bis hin zu auf der Seite liegend. Zur Vervollständigung der Begrifflichkeiten sei noch erwähnt, dass in dieser Beschreibung der Winkel, um den sich die Abtasteinheit um die Drehachse bewegt, als Scanwinkel bezeichnet wird. Ein Winkelabstand zwischen den Abtaststrahlen dagegen wird Elevationswinkel genannt, wobei es sich genaugenommen nur um einen effektiven Elevationswinkel nach Projektion mit dem Drehwinkel handelt, wie später genauer erläutert.The invention is based on the basic idea of allowing configurations of scanning beams which are adapted by tilting and / or rotating scanning modules, or configurations of scanning planes adapted to the movement about the axis of rotation. For this purpose, at least one scanning module is tilted by a tilt angle and / or rotated by a rotation angle. These angles are measured or defined with respect to the main viewing direction of the scanning module. Although a scanning module has multiple scanning beams, which are preferably not all parallel and thus aligned in the same direction. The scanning module as a whole nevertheless has a single main viewing direction, given for example by its center axis, a central scanning beam or a middle direction of all the scanning beams of the scanning module. Now, the conventional, neither tilted nor twisted orientation of a scanning module would be the one with the main viewing direction in the central scanning plane perpendicular to the axis of rotation and in an upright position of the scanning module. According to the invention, the main viewing direction is tilted out of this tilt angle zero and thus no longer corresponds to the central scanning plane and / or the scanning module is rotated from this angle of rotation zero and thus has a non-upright orientation up to lying on the page. To complete the terminology, it should be mentioned that in this description the angle through which the scanning unit moves about the axis of rotation is referred to as scan angle. An angular distance between the scanning beams, on the other hand, is called elevation angle, which, strictly speaking, is only an effective elevation angle after projection with the angle of rotation, as explained in more detail later.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass es sehr einfach möglich wird, die Strahl- oder Ebenenkonfiguration zu verändern. Es sind zahlreiche unterschiedliche Anordnungen von Messebenen möglich, und dies weitgehend ohne Neuentwicklung und ohne den hohen Justageaufwand im Falle einzeln einstellbarer Strahlen lediglich durch Verkippen beziehungsweise Verdrehen von Abtastmodulen. Damit kann im Verlauf eines Produktlebens schnell und flexibel auf veränderte Anforderungen reagiert werden, und es können mühelos neue Endgerätevarianten erzeugt werden, bis hin zur individuellen Fertigung in Einzelstücken für spezielle Kundenwünsche.The invention has the advantage that it is very easy to change the beam or plane configuration. There are many different arrangements of measurement levels possible, and this largely without new development and without the high adjustment effort in the case of individually adjustable beams only by tilting or rotation of Abtastmodulen. Thus, in the course of a product life can be reacted quickly and flexibly to changing requirements, and it can be easily created new terminal variants, to individual production in individual pieces for special customer requirements.
Die Abtastmodule sind vorzugsweise in der Abtasteinheit untergebracht. Der Sensor weist damit einen um die Drehachse beweglichen Messkopf auf. Das ist eine Bauweise, die sich besonders gut mit verschiedenen Konfigurationen von verkippten und verdrehten Abtastmodulen kombinieren lässt. Alternativ ist auch möglich, dass die Abtastmodule nicht beweglich angeordnet sind und die Abtaststrahlen durch einen um die Drehachse beweglichen Spiegel periodisch abgelenkt werden, insbesondere einen Drehspiegel oder ein Polygonspiegelrad.The scanning modules are preferably housed in the scanning unit. The sensor thus has a movable about the axis of rotation measuring head. This is a design that combines well with different configurations of tilted and twisted scan modules. Alternatively, it is also possible that the scanning modules are not arranged to be movable and the scanning beams are deflected periodically by a mirror which is movable about the axis of rotation, in particular a rotating mirror or a polygon mirror wheel.
Der Kippwinkel und/oder der Drehwinkel ist bevorzugt statisch. Es gibt demnach keinen Verstellmechanismus, um diese Winkel auch noch im Betrieb zu verändern. Für ein bestimmtes Gerät werden vielmehr die Abtastmodule bei bestimmten Winkeln montiert. Das schließt nicht aus, dass in den Geräten Montageplätze für Abtastmodule vorgesehen sind, die eine Montage bei unterschiedlichen Winkeln zulassen, wobei man sich dann während der Montage für bestimmte Winkel entscheidet.The tilt angle and / or the angle of rotation is preferably static. There is therefore no adjustment mechanism to change these angles even during operation. For a given device, rather, the scanning modules are mounted at certain angles. This does not exclude that the devices are provided with mounting stations for scanning modules, which allow mounting at different angles, which then decides during installation for certain angles.
Der Kippwinkel liegt bevorzugt in einer Umgebung von Null, insbesondere im Bereich von ±60° oder weniger, etwa ±50°, ±40° oder ±30°. Damit ist die Hauptblickrichtung in etwa radial nach außen und weicht jedenfalls deutlich von der Richtung der Drehachse ab. Die Abtastebenen liegen dementsprechend in einer Umgebung der zentralen Abtastebene senkrecht zur Drehachse. Vorzugsweise ist für zumindest ein Abtastmodul, wenn nicht mehrere oder alle, der Kippwinkel ungleich Null. Die zentrale Abtastebene kann trotzdem erfasst werden, falls in der Konfiguration der Abtaststrahlen gewünscht, weil wiederum die Lichtstrahlen in einem verkippten Abtastmodul gegen dessen Hauptblickrichtung verkippt sind.The tilt angle is preferably in an environment of zero, in particular in the range of ± 60 ° or less, about ± 50 °, ± 40 ° or ± 30 °. Thus, the main direction of vision is approximately radially outward and differs in any case significantly from the direction of the axis of rotation. The scanning planes are accordingly in an environment of the central scanning plane perpendicular to the axis of rotation. Preferably, for at least one scan module, if not several or all, the tilt angle is nonzero. The central scanning plane can still be detected, if desired in the configuration of the scanning beams, because again the light beams in a tilted scanning module are tilted against its main viewing direction.
Der Sensor weist bevorzugt zwei bis zehn Abtastmodule auf. Typischerweise sind es zwei bis vier Abtastmodule. Bei mehr als zehn Abtastmodulen wird der Gesamtaufbau recht komplex, prinzipiell ausgeschlossen ist dieser Fall aber nicht, falls entsprechend zahlreiche Abtaststrahlen benötigt werden.The sensor preferably has two to ten scanning modules. Typically, there are two to four scanning modules. If more than ten scanning modules, the overall structure is quite complex, but this case is excluded in principle, if correspondingly numerous scanning beams are needed.
Ein Abtastmodul erzeugt bevorzugt zwei bis zehn Lichtstrahlen. Einige bevorzugte Anzahlen sind drei bis sechs und acht. Erneut sind auch größere Zahlen prinzipiell denkbar, etwa sechzehn. Mehr Flexibilität erhält man aber mit einem Abtastmodul mit nur einigen Lichtstrahlen, und eine Vielzahl von Abtaststrahlen wird dann durch Vervielfachung der Abtastmodule erreicht.A scanning module preferably generates two to ten light beams. Some preferred numbers are three to six and eight. Again, even larger numbers are conceivable in principle, about sixteen. However, more flexibility is achieved with a scanning module with only a few light beams, and a plurality of scanning beams are then achieved by multiplying the scanning modules.
Zumindest einige, vorzugsweise alle Lichtstrahlen eines Abtastmoduls weisen vorteilhafterweise einen gegenseitigen Winkelversatz auf. Somit sind zumindest nicht alle Lichtstrahlen eines Abtastmoduls zueinander parallel. Nochmals bevorzugt bilden die Lichtstrahlen eines Abtastmoduls ein gleichmäßiges Winkelraster. Das Winkelraster ist möglicherweise gleichmäßig nur im dreidimensionalen Raum, etwa ein Quadrant, die die auf eine verkippte oder verdrehte Achse der Abtastmodule projizierten planaren Winkel selbst sind gar nicht gleichmäßig. In beiden Fällen sind die Bausteine einer Abtaststrahlenkonfiguration erst einmal regelmäßig und dadurch gut handhabbar. Durch Kombination von Abtastmodulen lassen sich dennoch vielfältige, auch unregelmäßige Abtaststrahlenkonfigurationen aufbauen. Die Abtastmodule weisen bevorzugt Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger auf, mit denen Lichtstrahlen auch mit größeren und unregelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnet werden können. Die Lichtstrahlen eines Abtastmoduls sind also vorzugsweise so angeordnet, dass zwischen den davon erzeugten Abtastebenen jeweils nicht abgetastete Bereiche des Sichtfeldes liegen. Das gelingt insbesondere durch einzelne und damit einzeln ausrichtbare Lichtquellen beziehungsweise Lichtempfangselemente, also keinen Sender- oder Empfängerzeilen, die stets dicht aneinander liegende Abtastebenen erzeugen. Die Abtastmodule sind bevorzugt derart verkippt und/oder verdreht, dass Abtastebenen mit gleichmäßigem Winkelabstand entstehen. Das bezieht sich nun auf die Gesamtkonfiguration, nicht mehr einzelne Abtastmodule. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, insgesamt einen gleichmäßigen Winkelabstand zu erzielen. Die Abtastmodule können sich den gesamten Winkelbereich aufteilen und einander direkt benachbart ergänzen. Ebenso ist denkbar, dass Abtastmodule das Winkelraster von anderen Abtastmodulen verfeinern und/oder vergleichmäßigen. Präzise müsste in der Diskussion von Winkeln zwischen Abtastebenen der Begriff Elevationswinkel verwendet werden, aber dies wird hier und im Folgenden aus dem Kontext klar und vielfach sprachlich vereinfacht.At least some, preferably all light beams of a scanning module advantageously have a mutual angular offset. Thus, at least not all light rays of a scanning module are parallel to each other. Again preferably, the light beams of a scanning module form a uniform angular grid. The angle grid may be evenly spaced only in three-dimensional space, such as a quadrant, and the planar angles projected onto a tilted or rotated axis of the scan modules themselves are not even. In both cases, the components of a scanning beam configuration are firstly regular and therefore easy to handle. By combining scanning modules, it is still possible to set up a variety of even irregular scanning beam configurations. The scanning modules preferably have light transmitters or light receivers with which light beams can also be arranged with larger and irregular mutual distances. The light beams of a scanning module are therefore preferably arranged such that areas of the field of view which are not scanned are in each case located between the scanning planes produced therefrom. This is achieved in particular by individual and therefore individually alignable light sources or light-receiving elements, that is to say no transmitter or receiver lines which always generate closely spaced scanning planes. The scanning modules are preferably tilted and / or rotated in such a way that scanning planes with uniform angular spacing are formed. This now refers to the overall configuration, not individual scan modules. There are several ways to achieve a uniform angular distance. The scanning modules can divide the entire angular range and complement each other directly adjacent. It is likewise conceivable that scanning modules refine and / or equalize the angle grid of other scanning modules. The term elevation angle would have to be used precisely in the discussion of angles between scanning planes, but here and in the following this is made clear from the context and often linguistically simplified.
Die Abtastmodule sind bevorzugt derart verkippt und/oder verdreht, dass in zumindest einem Winkelbereich Abtastebenen mit dichterem Winkelabstand entstehen. In solchen Ausführungsformen wird gezielt von einem gleichmäßigen Winkelabstand abgewichen, weil bestimmte Winkelbereiche interessanter sind als andere und daraus mehr Daten gewonnen werden sollen. Eines von zahlreichen Beispielen ist ein Sensor für ein Fahrzeug, der vor allem Daten in Höhe von Verkehrsströmen und relevanten Hindernissen gewinnen soll und nur wenige Daten vom Boden beziehungsweise aus der Höhe. Der dichter abgetastete Bereich muss aber nicht zentral um einen Elevationswinkel 0° liegen, sondern kann ebenso nach oben oder unten verschoben sein, oder es sind mehrere Winkelbereiche dichter überwacht als andere. Auch muss der Winkelabstand in den dichter und weniger dicht überwachten Winkelbereichen für sich nicht konstant sein.The scanning modules are preferably tilted and / or rotated in such a way that scanning planes with a closer angular spacing arise in at least one angular range. In such embodiments, it is deliberately deviated from a uniform angular distance, because certain angular ranges are more interesting than others and from this more data is to be obtained. One of many examples is a sensor for a vehicle, which is primarily intended to gain data in the amount of traffic flows and relevant obstacles and only a few data from the ground or from the height. However, the denser scanned area does not have to be central about an elevation angle of 0 °, but may also be shifted up or down, or more angular ranges are more closely monitored than others. Also, the angular spacing in the denser and less closely monitored angular ranges need not be constant per se.
Die Abtastmodule sind bevorzugt derart verkippt und/oder verdreht, dass zumindest einige mehrfach abgetastete Abtastebenen entstehen. Dadurch werden redundante Messdaten gewonnen, um beispielsweise durch Bildung eines Mittelwertes Messwerte mit höherer Genauigkeit zu erzeugen. In der Sicherheitstechnik werden redundante Messerfassungen genutzt, um das Gerät gegen Ausfälle abzusichern.The scanning modules are preferably tilted and / or rotated in such a way that at least some scanning planes scanned in multiple form. As a result, redundant measurement data are obtained, for example, to generate measured values with higher accuracy by forming an average value. In safety engineering, redundant measuring frames are used to protect the device against failures.
Die Abtastmodule sind bevorzugt derart verkippt und/oder verdreht, dass zumindest ein Winkelbereich ohne Abtastebenen entsteht. In solchen Ausführungsformen gibt es Lücken im Elevationswinkelbereich, in denen gar nicht überwacht wird. Die Abtastmodule ergänzen einander also nicht unmittelbar benachbart, sondern lassen einen Freiraum dazwischen, in dem keine Daten erzeugt werden. An dieser Stelle sind natürlich Lücken oder Freiräume gemeint, die größer sind als der unter Berücksichtigung des Drehwinkels gegebene kleinste Abstand zwischen den diskreten Abtaststrahlen innerhalb eines Abtastmoduls.The scanning modules are preferably tilted and / or rotated in such a way that at least one angular range arises without scanning planes. In such embodiments, there are gaps in the elevation angle range where no monitoring is done. Thus, the scanning modules do not complement each other immediately adjacent to each other, but leave a free space therebetween in which no data is generated. At this point, of course, gaps or clearances are meant which are greater than the smallest distance between the discrete scanning beams within a scanning module, taking into account the angle of rotation.
Die Abtastmodule sind bevorzugt derart verkippt und/oder verdreht, dass Abtastebenen eines Abtastmoduls zwischen Abtastebenen eines anderen Abtastmoduls liegen. Somit überlappen die Winkelbereiche, die von den beteiligten Abtastmodulen erfasst werden, um dort die Dichte der erfassten Daten in Elevation zu erhöhen oder redundante Daten zu erfassen. Entsprechend dieser Ausführungsform und derjenigen des vorigen Absatzes kann es vorteilhaft sein, wenn Abtastmodule einander nicht direkt benachbart ergänzen, indem Lücken und/oder Überlappungen vorgesehen werden.The scan modules are preferably tilted and / or rotated such that scan planes of a scan module lie between scan planes of another scan module. Thus, the angular ranges detected by the scanning modules involved overlap there to increase the density of the detected data in elevation or to detect redundant data. According to this embodiment and that of the previous paragraph, it may be advantageous if scanning modules do not complement each other directly adjacent to each other by providing gaps and / or overlaps.
Die Abtasteinheit weist bevorzugt eine Vielzahl von Montageplätzen für Abtastmodule auf, die insbesondere nicht alle mit einem Abtastmodul besetzt sind. Somit ist die Abtasteinheit bereits auf die Aufnahme von Abtastmodulen vorbereitet. Dabei kann an den jeweiligen Montageplätzen bereits eine Verkippung und/oder Verdrehung für das dort montierte Abtastmodul vorgegeben sein, oder es erlaubt zumindest in gewissen Winkelbereichen noch eine Anpassung. Es besteht eine sehr einfache Möglichkeit, zusätzliche Varianten zu bilden, indem Montageplätze ungenutzt bleiben. Die Abtasteinheit bietet dann sozusagen eine Maximalkonfiguration an, wobei auch kleinere Teilkonfigurationen mit weniger Abtastebenen wählbar sind.The scanning unit preferably has a multiplicity of mounting locations for scanning modules, which in particular are not all occupied by a scanning module. Thus, the scanning unit is already prepared for receiving scanning modules. In this case, a tilting and / or rotation for the scanning module mounted there may already be predetermined at the respective assembly sites, or at least in certain angular ranges it still allows adaptation. There is a very easy way to create additional variants by unused assembly places. The scanning unit then offers, as it were, a maximum configuration, although smaller sub-configurations with fewer scanning levels are selectable.
Die Abtastmodule sind bevorzugt untereinander identisch aufgebaut. Dadurch wird eine wesentlich beschleunigte Produktentwicklung und Variantenbildung ermöglicht. In neuen Endgerätevarianten kann eine Hauptkomponente in Form des Abtastmoduls unverändert bleiben. Die Spezifikation und die Validierung dieses Abtastmoduls muss nur ein einziges Mal erfolgen. Das verringert auch über hohe Stückzahlen der immer gleichen Abtastmodule trotz unterschiedlicher Endgeräte deutlich die Herstellkosten, zumal die Abtastmodule sogar für die diversen Endgeräte an einem gemeinsamen Produktionsplatz herstellbar sind. Es wäre alternativ auch denkbar, einige wenige Typen unterschiedlicher Abtastmodule für noch mehr Varianten zu nutzen. Zwar lassen sich praktisch alle relevanten Abtastebenenkonfigurationen auch mit untereinander identischen Abtastmodulen durch Variation von Kipp- und Drehwinnkel aufbauen. Dennoch kann es vorteilhaft sein, beispielsweise je ein zwei-, vier- und achtstrahliges Abtastmodul und/oder Abtastmodule mit zwei oder drei unterschiedlichen Winkelrastern vorzusehen. Das eröffnet keine neuen Abtastebenenkonfigurationen, denn beispielsweise ein achstrahliges Abtastmodul ist durch vier zweistrahlige Abtastmodule und ein Abtastmodul mit feinerem Winkelraster durch ein entsprechend verdrehtes Abtastmodul mit groberem Winkelraster ersetzbar. Möglicherweise gibt es aber einen Vorteil, weil man insgesamt mit weniger Komponenten und/oder, gerade im Falle extremer Drehwinkel, mit weniger Bauraum auskommt.The scanning modules are preferably constructed identical to one another. This allows a much accelerated product development and variant formation. In new terminal variants, a main component in the form of the scanning module can remain unchanged. The specification and validation of this scanning module must be done only once. This significantly reduces the production costs even over a large number of always the same scanning modules despite different terminals, especially as the scanning modules can be produced even for the various terminals at a common production site. It would alternatively also be conceivable to use a few types of different scanning modules for even more variants. Although virtually all relevant scanning plane configurations can also be constructed with mutually identical scanning modules by varying the tilting and rotating angles. Nevertheless, it may be advantageous, for example, to provide one two-, four- and eight-beam scanning module and / or scanning modules with two or three different angle grids. This does not open up new scanning plane configurations because, for example, an achromatic scanning module can be replaced by four twin-beam scanning modules and a scanning module with a finer angular grid by a correspondingly rotated scanning module with a coarser angle grid. But there may be an advantage because you can use fewer components and / or, especially in the case of extreme angles of rotation, less space.
Zumindest einige Abtastmodule sind bevorzugt übereinander und/oder in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet. Es gibt im Grundsatz diese zwei Freiheitsgrade, um mehrere Abtastmodule physisch in der Abtasteinheit unterzubringen. Dabei spielt ein Versatz in Drehrichtung, also im Scanwinkel, für bei üblichen Drehzahlen und der dagegen quasi-statischen Szenerie keine Rolle. Ein Höhenversatz von Abtastmodulen kann sich je nach Baugröße geringfügig auf die Abtastebenen auswirken.At least some scanning modules are preferably arranged one above the other and / or offset from one another in the direction of rotation. There are basically these two degrees of freedom to physically accommodate multiple scan modules in the scan unit. In this case, an offset in the direction of rotation, ie in the scan angle, plays no role in the case of normal speeds and the quasi-static scene. A height offset of scanning modules may slightly affect the scanning planes, depending on the size.
Vorzugsweise sind in einem Abtastmodul mehrere Lichtstrahlen im Querschnitt in einem zweidimensionalen Muster angeordnet. Bei dem Muster geht es um die Anordnung der Abtaststrahlen und nicht der Lichtsender und Lichtempfänger, obwohl das übereinstimmen kann, wenn jeweils ein Lichtsender und ein Lichtempfänger einem Abtaststrahl entsprechen. Das ist möglich, muss jedoch wegen Strahlaufspaltung, Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung, mehreren Lichtemissionsflächen oder Lichtempfangselementen je Lichtsender oder Lichtempfänger beziehungsweise der Zuständigkeit eines Lichtsenders beziehungsweise Lichtempfängers für mehrere Abtaststrahlen nicht dasselbe sein, aber auf diesen Unterschied wird nicht im Einzelnen eingegangen. Zweidimensionale Muster haben gegebenenfalls optische oder bauliche Vorteile innerhalb des Abtastmoduls. Wegen der Bewegung der Abtasteinheit um die Drehachse wirkt sich nur der Anteil des zweidimensionalen Musters in Höhenrichtung senkrecht zu der Bewegung aus, das zweidimensionale Muster wirkt deshalb effektiv wie eine auf die Höhenrichtung projizierte Linienanordnung, die alternativ auch denkbar ist.Preferably, in a scanning module a plurality of light beams are arranged in cross-section in a two-dimensional pattern. The pattern is about the arrangement of the scanning beams and not the light emitter and the light receiver, although this may be the same if each of a light emitter and a light emitter correspond to a scanning beam. This is possible but need not be the same for beam splitting, beam combining and / or beam deflection, multiple light emitting surfaces or light receiving elements per light emitter or light receiver or the responsibility of a light emitter or light receiver for multiple scanning beams, but this difference will not be discussed in detail. Two-dimensional patterns may have optical or structural advantages within the scan module. Because of the movement of the scanning unit about the axis of rotation, only the proportion of the two-dimensional pattern in the height direction perpendicular to the movement affects, the two-dimensional pattern effectively acts as a projected on the height direction line arrangement, which is alternatively conceivable.
Mindestens zwei Abtastmodule weisen bevorzugt eine gemeinsame Leiterplatte auf. Darauf sind insbesondere die Lichtsender und/oder Lichtempfänger untergebracht. Eine solche gemeinsame Leiterplatte verringert die Komplexität weiter und ist vorzugsweise bei einer Anordnung der beteiligten Abtastmodule übereinander oder um Scanwinkel um 180° versetzt geeignet, wobei im letzteren Fall Vorder- und Rückseite genutzt werden. Durch Flexplatinen oder dergleichen sind auch andere Scanwinkel möglich.At least two scanning modules preferably have a common printed circuit board. In particular, the light emitter and / or light receiver are housed on it. Such a common printed circuit board further reduces the complexity and is preferably suitable for an arrangement of the scanning modules involved one above the other or at scan angles of 180 °, in which case the front and rear sides are used. By Flexplatinen or the like, other scan angles are possible.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden der Lichtstrahlen und Empfangen der remittierten Lichtstrahlen einen Abstand des Objekts zu bestimmen. Der Sensor wird dadurch entfernungsmessend. Alternativ wird lediglich die Anwesenheit eines Objekts festgestellt und beispielsweise als Schaltsignal ausgegeben.The evaluation unit is preferably designed to determine a distance of the object from a light transit time between emission of the light beams and reception of the reflected light beams. The sensor is thereby distance-measuring. Alternatively, only the presence of an object is detected and output, for example, as a switching signal.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar manner and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example but not exhaustively in the subclaims following the independent claims.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
-
1 eine Schnittdarstellung eines als Laserscanner ausgebildeten optischen Sensors; -
2 eine schematische Darstellung eines einzelnen Abtastmoduls mit dessen Abtaststrahlen oder -ebenen; -
3a eine Schnittdarstellung eines Abtastmoduls zur Erläuterung des Kippwinkels; -
3b eine Draufsicht auf den Ein- und Austrittsbereich der Lichtstrahlen eines Abtastmoduls zur Erläuterung des Drehwinkels; -
3c eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration von vier Abtastmodulen mit verschiedenen Kipp- und Drehwinkeln; -
4a eine Beispielkonfiguration mit drei Abtastmodulen, die gleichmäßig beabstandete Abtastebenen erzeugen; -
4b eine Beispielkonfiguration mit drei Abtastmodule, die durch Überlappung ebenfalls gleichmäßig, jedoch dichter beabstandete Abtastebenen erzeugen; -
5a eine Beispielkonfiguration mit drei Abtastmodulen, die redundante Abtastebenen erzeugen; -
5b eine Beispielkonfiguration mit zwei Abtastmodulen, die teilweise redundante Abtastebenen erzeugen; -
6 eine Beispielkonfiguration mit drei Abtastmodulen, die in unterschiedlichen Höhenlagen unterschiedlich dicht beabstandete Abtastebenen erzeugen; -
7 eine Draufsicht auf ein Abtastmodul zur Erläuterung der Verdichtung von Abtastebenen durch Variation des Drehwinkels; -
8a eine Beispielkonfiguration mit drei Abtastmodulen, von denen zwei einen variierten Drehwinkel aufweisen, um so einen Bereich mit äquidistant beabstandeten sowie zusätzlichen, weiter ab liegenden Abtastebenen zu erzeugen; -
8b eine Beispielkonfiguration ähnlich8b , jedoch mit größerem Teilbereich, dafür weiter beabstandet äquidistant liegenden Abtastebenen; -
9a-c Beispielkonfigurationen mit einem Abtastmodul, das vier zu einem Quadrat angeordnete Abtaststrahlen aufweist, und Darstellungen der Auswirkung einer Variation von dessen Drehwinkel; -
9d-f Beispielkonfigurationen mit einem Abtastmodul, das neun zu einem Quadrat angeordnete Abtaststrahlen aufweist, und Darstellungen der Auswirkung einer Variation von dessen Drehwinkel; -
10a-c Darstellungen von Konfigurationen mit mehreren Abtastmodulen in unterschiedlichen Höhenlagen und/oder Scanwinkeln, die eine gemeinsame Leiterplatte nutzen; -
11a eine Draufsicht längs der Drehachse auf eine Beispielkonfiguration mit vier im Scanwinkel gegeneinander versetzten Abtastmodulen; -
11b eine Draufsicht ähnlich11a , hier jedoch mit sechs vorgesehenen Montageplätzen für Abtastmodule, von denen nur fünf tatsächlich besetzt sind; und -
12 eine Beispielkonfigurationen mit zwei Abtastmodulen und einer periodischen Ablenkung durch ein bewegliches Spiegelelement anstelle eines beweglichen Abtastkopfes.
-
1 a sectional view of a designed as a laser scanner optical sensor; -
2 a schematic representation of a single scanning module with its scanning beams or planes; -
3a a sectional view of a scanning module for explaining the tilt angle; -
3b a plan view of the entrance and exit area of the light beams of a scanning module for explaining the rotation angle; -
3c a perspective view of an exemplary configuration of four scanning modules with different tilt and rotation angles; -
4a an example configuration with three scanning modules that generate evenly spaced scan planes; -
4b an example configuration with three scanning modules which, by overlapping, also produce equally spaced but more closely spaced scan planes; -
5a an example configuration with three scan modules that generate redundant scan planes; -
5b an example configuration with two scan modules that generate partially redundant scan planes; -
6 an example configuration with three scanning modules that produce different densely spaced scan planes at different elevations; -
7 a plan view of a scanning module for explaining the compression of scanning planes by varying the angle of rotation; -
8a an example configuration with three scanning modules, two of which have a varied angle of rotation, so as to produce a range with equidistant spaced as well as additional, more distant scanning planes; -
8b an example configuration similar8b but with a larger portion, but spaced apart equidistant scanning planes; -
9a-c Example configurations with a scanning module having four scanning rays arranged in a square, and illustrations of the effect of a variation of its rotation angle; -
9d-f Example configurations with a scanning module having nine scanning rays arranged in a square, and illustrations of the effect of a variation of its rotation angle; -
10a-c Representations of configurations with multiple scan modules at different elevations and / or scan angles using a common circuit board; -
11a a plan view along the axis of rotation on an example configuration with four scanning modules offset from each other in scan angle; -
11b a top view similar11a here, however, with six intended mounting locations for scanning modules, of which only five are actually occupied; and -
12 an example configurations with two scanning modules and a periodic deflection by a movable mirror element instead of a movable scanning head.
In der Abtasteinheit
Die Abtastmodule
Zur Vermeidung von Streulicht innerhalb des Sensors
Der Lichtempfänger
Der in
Auch die grundsätzliche Anordnung mit Abtastmodulen
Eine berührungslose Versorgungs- und Datenschnittstelle
Zur Auswertung wird vorzugsweise mit einem an sich bekannten Lichtlaufzeitverfahren die Distanz zu einem angetasteten Objekt gemessen. Zusammen mit der Information über die Winkelstellung von der Winkelmesseinheit stehen nach jeder Scanperiode mit Winkel und Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in einer Abtastebene zur Verfügung. Die jeweilige Abtastebene ist über die Identität des jeweiligen remittierten Lichtstrahls
Damit sind die Objektpositionen beziehungsweise Objektkonturen bekannt und können über eine Sensorschnittstelle
Der dargestellte Sensor
Während der Rotation des Sensors
Das Abtastmodul
Das Abtastmodul
In den anschließend beschriebenen Mehrfachanordnungen von Abtastmodulen
Anhand der
Erfindungsgemäß werden Abtastmodule
Dazu folgen nun zahlreiche, nicht abschließende Beispiele. Ein einzelnes Abtastmodul
In
In den bisher erläuterten Beispielkonfigurationen wurde nur der Kippwinkel β variiert.
Die
Derartige Anordnungen sind beispielsweise vorteilhaft für autonome oder teilautonome Fahrzeuge, die mit den dichter liegenden Abtaststrahlen die vorausliegende Umgebung zur Navigation und Kollisionsvermeidung detailliert überwacht und mit den etwas weiter entfernten Strahlen Luft und Boden überwachen, etwa um sich der Ausrichtung in Elevation zu versichern und Löcher oder Treppenabgänge zu erfassen.Such arrangements are advantageous, for example, for autonomous or semi-autonomous vehicles, which use the more dense scanning beams to monitor in detail the environment ahead for navigation and collision avoidance and monitor the air and ground with the farther distant beams, such as to assure alignment in elevation, and holes or Capture staircases.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass die Abtaststrahlen innerhalb der Abtastmodule
In den
In den
Es ist für die Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die Abtastmodule
Wie an zahlreichen Beispielen erläutert, erlauben die Abtastmodule
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19757849 B4 [0004]DE 19757849 B4 [0004]
- US 8767190 B2 [0007, 0008]US 8767190 B2 [0007, 0008]
- EP 2863176 A2 [0008]EP 2863176 A2 [0008]
- DE 102004014041 A1 [0009]DE 102004014041 A1 [0009]
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DE202018100458.1U DE202018100458U1 (en) | 2018-01-26 | 2018-01-26 | Opto-electronic sensor for detecting objects |
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2018
- 2018-01-26 DE DE202018100458.1U patent/DE202018100458U1/en active Active
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