CN112731424A - 用于检测目标对象的测距光电传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于检测目标对象的测距光电传感器和方法。公开了一种用于检测监控区域(20)中的目标对象(52)的测距光电传感器(10)，该光电传感器包括：光发射器(12)，其用于发出光脉冲(16)；偏转单元(18)，其用于使用光脉冲周期性地扫描监控区域(20)；光接收器(26)，其用于从被监控区域中的对象反射或漫反射的光脉冲(22)产生接收信号；以及控制和评估单元(34)，该控制和评估单元被配置用于从光脉冲的光飞行时间来确定对象的距离，并发出不同强度的光脉冲。在此，为了检测具有特定反射率的目标对象，控制和评估单元还被配置用于发出与反射率和范围适配的光脉冲，并根据不同的范围改变光脉冲，以区分目标对象和其他对象。

Description

用于检测目标对象的测距光电传感器和方法
本发明涉及一种根据权利要求1和15的主题的用于检测目标对象的测距光电传感器(特别是激光扫描仪)以及方法。
测距激光扫描仪用于多种检测对象的应用中。由激光器产生的光束借助偏转单元周期性地扫过监测区域。光束在监测区域中的对象上被漫反射(remittieren)，并在扫描仪中被评估。通常，周期性扫描通过发出的光束入射到旋转的旋转反射镜上来实现。光发射器、光接收器以及相关的电子器件和光学器件被固定地安装在设备中，并且不一起旋转运动。但可替代地，也可以设想用一起运动的扫描单元代替旋转反射镜。例如，在DE 197 57849 B4中，带有光发射器和光接收器的整个测量头旋转。
从偏转单元的角位置推断出对象的角位置，并且还应用光速从光飞行时间推断出对象与激光扫描仪的距离。如果监测区域是扫描平面，则利用这些极坐标二维地记录所有可能的对象位置。仰角的附加扫描运动或应用多个在仰角中彼此偏移的扫描束将监测区域扩展到三维空间区域。对此，已知两种确定光飞行时间的基本原理。在基于相位的方法中，对发射光进行调制并评估接收光相对于发射的光的相移。在基于脉冲的方法中，激光扫描仪测量直到再次接收到发出的光脉冲的飞行时间。
在各种应用中，激光扫描仪的任务在于选择性地检测特定的协作目标(kooperative Ziele)。例如，将激光扫描仪和协作目标附接在工厂的运输系统中的车辆上，它们通过检测协作目标来相互识别，以便互相避让或及时制动。考虑到所需的制动距离，激光扫描仪越早、越可靠地检测到协作目标，车辆就可以行驶得越快，当然，具有行驶得更快的车辆的工厂的生产效率也可以提高。
原则上，通过应用回复反射器(Retroreflektor)作为协作目标来满足这些要求。由回复反射器反射的光脉冲比其他任何对象的光脉冲都要强，即使是由自始至终都具有一定的反向散射特性(即，不反射所有光)的反射的金属表面等反射的光脉冲也是如此。然而，不可能可靠地识别出这种强度差异。这一点尤其如此，因为通常情况下，光接收器被设计为成本相对较低，而且仅具有小的动态范围。从某个点开始就会出现饱和，因此较强的光脉冲只略微增加信号幅度，并且在某个点根本不再增加。使用成本较高的光接收器可以覆盖较大的动态范围，但不适于在短范围内的反射器的极限和最大范围内的暗目标之间的整个信号动态。
一种已知的识别回复反射器的方案是使用偏振光。在发射路径中，偏振器产生线性偏振光，而在接收路径中布置了与其呈90°旋转取向的偏振滤波器。在回复反射器上的反射使偏振方向旋转90°，因此只有接收光可以通过，而在其他对象上被反射或散射的光则被过滤掉。用于检测架空输送机
Figure BDA0002723620930000021
的运输单元上的协作目标的相应的激光扫描仪从WO 2018/150999 A1中已知。然而，在这种情况下会产生偏振滤波器的额外成本和其校准的制造成本。此外，还必须注意，光路中的光学元件不干扰偏振。特别地，前面板(Frontscheibe)必须没有应力引起的双折射，虽然这是可能的且在DE 10 2018 104 787A1中进行了阐述，但这又意味着额外的花费。
激光扫描仪所需的大动态范围是已知的，为此有许多解决方案。然而，并不涉及对协作对象的检测。例如，EP 1 936 400 B1涉及一种激光扫描仪，该激光扫描仪发出预脉冲，以便在实际距离测量之前获得有关接收强度的信息，并使发射强度与之适配。在许多情况下，这样实现的调控仍然不适于将协作目标与其他对象区分开，这也不是EP 1 936 400 B1的目的。此外，仅基于预脉冲的接收强度来进行适配，从中没有测出距离信息。从EP 1 936400 B1的观点来看，这甚至可能是荒谬的，因为其将预脉冲视为能够利用后续测量确定光飞行时间的前提条件。
在EP 2 395 368 B1中，每次测量进行两次，一次是用弱脉冲，一次是用强脉冲。如果弱脉冲导致接收信号中有足够的信噪比，则由此确定光飞行时间，否则根据强脉冲来确定光飞行时间。同样，这是处理动态范围的一种方法，但不能区分协作对象和其他对象。
因此，本发明的任务在于用所述类型的传感器来改进对目标对象的检测。
该任务通过根据权利要求1和15的用于检测监测区域中的目标对象的测距光电传感器，特别是激光扫描仪，以及方法得以实现。对于基于脉冲的光飞行时间法，用光发射器发出光脉冲，并由偏转单元周期性地偏转以扫描监测区域。在此，偏转单元可以被设计成旋转反射镜、可移动的扫描头，或者被设计成没有或只有微机械运动。如同在固态扫描仪中一样。从漫反射或反射后返回的光脉冲，产生接收信号，并对该接收信号进行评估，以便从其光飞行时间来确定距离。对光发射器进行控制，使得发出不同强度的光脉冲，从而利用分别给定强度的光脉冲进行测量。
本发明的基本思想是，只检测具有特定反射率
Figure BDA0002723620930000031
的目标对象，特别是协作目标，为此调控光脉冲的强度，使得可以在接收信号中区分目标对象和其他对象。因此，目标对象是由特定漫反射率
Figure BDA0002723620930000032
定义的一类对象。特定的漫反射率是根据它可以识别目标对象的特性。特别地，应只检测至少具有反射率的目标对象。
根据本发明，这不是一般的调控，如果可能的话，通过该调控可以将所有的检测结果都保持在光接收器的线性区域内。反过来，特别是对于当前在其现有距离上检测到的、具有特定漫反射率的目标对象，发出的光脉冲应该刚好具有合适的强度。改变光脉冲，以找到目标对象传送的与其他对象区分开的接收信号的强度。特别地，发射能量恰好足以在受限的范围内检测到目标对象。接收脉冲对于其他对象来说太弱，因此识别出该其他对象不是目标对象。光脉冲的范围和从中导出的强度只测试特定的距离区间，而不是直达针对目标对象的传感器的最大范围的可测距离的整个范围，因此，传感器在其检测中具有足够的选择性。
本发明的优点在于，在目标对象与其他目标之间，即在协作目标与非协作目标之间，产生足够的信号距离。这可以在较短的响应时间内实现非常可靠地检测到目标对象。与此同时，可以在现有传感器的基础上低成本地实现本发明，而不会显著增加制造成本。特别地，不需要偏振，尽管仍然可以设想通过结合这两种措施来获得更好的结果。
优选地，目标对象是回复反射器。这样，特定的反射率就特别高，比任何亮度的漫反射的对象都高，也比光亮的或反射的表面高。因此，回复反射器良好地适于将目标对象与其他对象区分开。然而，本发明还可以实现将任何反射器(即没有回复反射的反射器)与仅漫反射的对象区分开或将亮对象与暗对象区分开。
优选地，控制和评估单元被配置用于通过光发射器的电流强度来设置光脉冲的强度。由此，得到易于访问的控制变量。由于光发射器中经常使用激光光源，因此激光电流会发生变化。可以连续地设置，也可以在范围等级内逐步地设置。
优选地，光接收器与多个灵敏度不同的接收通道相关联。为此，可以设置多个光接收元件，例如APD，这些光接收元件以不同的偏置电压(Vorspannung)工作，因此灵敏度不同。灵敏度也可以通过下游的放大器组件的不同放大系数来实现。另一种方案在于，对接收信号进行电气分支，并在随后形成接收通道的分支中设置不同的放大率。
优选地，控制和评估单元被配置用于向大范围和极小范围增加光脉冲的强度。根据传感器，大的范围从几米到几百米甚至更多，而小的范围则表示直达约一米或者甚至几米的近距离。所需强度，特别是用于控制光发射器的电流强度，在一定范围内的依赖性可以用所谓的衰减曲线(Fadeout-Kurve)来描述。该衰减曲线在一定距离具有最小值。虽然该距离距传感器相当近，但并不是像初看时所期望的那样是零，而是有一定的距离，发射和接收波瓣(Sende-und Empfangskeulen)在该距离内第一次完全重叠。因此，在此前面的近距离内，由于缺乏重叠，会有信号损失，这些信号损失被较高强度的光脉冲所补偿。在远距离内，进行适配以便补偿与距离有关的接收强度的下降，由此这种下降由于回复反射器的定向反射早就不像在漫反射和在光亮的表面上的反射时那么强了。根据衰减曲线可以读取对期望的范围的适当调节，不管是连续调节还是在范围等级内调节。
优选地，控制和评估单元被配置用于，在最初和/或只要没有识别到对象或目标对象，发出具有与最大范围相对应的强度的光脉冲。利用这种方法，从顶部找到合适的光脉冲强度。为此，首先用最强的、被设置用于传感器及其指定的最大范围的光脉冲来覆盖整个监测区域。但仅用这种强光脉冲进行的检测(该检测也和传统的激光扫描仪的方法一样)绝不可能保证可以区分目标对象和其他对象。这只是为了完全察觉出所有对象的第一步，接着通过改变光脉冲的强度来进行适配。在没有更好的信息可供使用时，特别是当传感器开始测量时且只要没有检测到对象时，始终使用强光脉冲。如果已经检测到目标对象，则无论是在周期性偏转的先前角度步长还是在较早的扫描周期中，都可以在后面描述的几种实施方式中用不同的光脉冲强度来进行测量，因为已经知道作为起点的强度，利用该强度目标对象至少一次被成功识别。
优选地，控制和评估单元被配置用于在检测到对象时，随后发出具有与对象的所测距离的范围相对应的强度的光脉冲。通过检测对象，传感器获得了信息，并且现在可以在下一次测量中使强度与对应于实际距离的范围相匹配。由此，保证了目标对象因其特定的反射率而产生可以与其他对象区分开的接收信号。
优选地，控制和评估单元被配置用于最初发出具有最小强度的光脉冲，其中最小强度特别地与从中最佳地漫反射或反射的光脉冲的范围相对应。可替代地，通过这种方法从底部找到合适的光脉冲强度。应该记住的是，最小强度并不与极端的近距离相对应，而是与在一定距离内具有最大灵敏度的点相对应，这一点在上面已经结合衰减曲线进行了说明。
优选地，控制和评估单元被配置用于提高至少另一个光脉冲的强度，直到检测到对象或强度与最大范围相对应为止。通过逐步提高光脉冲的强度，来刚好第一次检测到对象。当从顶部找到合适的光脉冲强度时，通过初始测量立即检测到足以在第二个步骤中使用正确的强度的信息。从底部开始，需要逐步进行适配，因为只要能量不足，这里就不会进行任何测量。如果即使用与传感器的最大范围相对应的光脉冲强度也没有检测到对象，则测量结果是在该扫描角度中有空的监测区域，然后以最小强度再次开始测量，以便在下一个扫描角度中可能找到对象。
优选地，控制和评估单元被配置用于在为目标对象设置光脉冲强度时，根据接收信号的强度来区分目标对象和其他对象。从顶部或从底部设置适当的光脉冲强度之后，就给定了可靠地区分目标对象和其他对象的前提条件。目标对象产生清晰的接收脉冲，其他对象没有产生接收脉冲或至多只产生微弱的接收脉冲。通过阈值或通过从激光扫描仪已知的用于检测接收脉冲的所有其他方法来实现分离，该分离的不同之处在于现在专门针对特定反射率的目标对象来设置灵敏度，而不是像传统的激光扫描仪那样针对任何对象来设置灵敏度。当从底部逐步接近(herantasten)时，也可将对象的距离用作判据：根据目标对象的范围迭代地提高强度。可以设想，现在的能量第一次足以在较短的距离内检测到漫反射率较弱的对象。因此，目标对象也应在已设置强度的范围附近。
优选地，控制和评估单元被配置用于在同一周期性扫描和/或随后的周期性扫描中，在目标对象的角度范围内保持设置的光脉冲强度，或者使其与对目标对象的距离的预期适配。到目前为止所描述的方法提出，在检测到目标对象之后，或在从底部逐步接近时，即使在没有检测到对象的情况下达到最大强度之后，用初始强度再次进行测量。但实际上期望在检测到目标对象的角度环境中的测量也再次碰到目标对象。因此，一种方案是只要仍然检测到目标对象，就保持曾经设置的强度，然后才返回到初始强度。这是同一周期性扫描中的一种局部方法。然而，也可以设想，通过多次周期性扫描来跟踪目标对象(对象跟踪Objekt-Tracking)。为此，可以使用所有强大且已知的算法，例如，这些算法基于卡尔曼滤波器，通过这些算法可以从历史记录中预测目标对象在下一次周期性扫描中位于哪个角度范围和距离。如果预测到目标对象的距离发生变化，则针对这样的变化调整之前设置的强度。通过这样的优化能够实现使用大量的测量结果来识别目标对象，并且丢失较少的测量结果以设置合适的强度。
优选地，控制和评估单元被配置用于一旦不再检测到目标对象，就返回到初始的光脉冲强度，特别是最小强度或最大强度。对目标对象的强度的设置只允许保留到扫描实际上碰到目标对象为止。因此，如果离开了目标对象的角度范围，或者跟踪算法丢失了目标对象，则会像初始那样再次搜索目标对象。
优选地，控制和评估单元被配置用于即使在检测目标对象期间也能测量出目标对象的距离，并在目标距离发生改变时，适配光脉冲的强度。可以设想，目标对象具有导致距离发生相关变化的轮廓，或者另一个目标对象在新的角度步长中位于先前检测到的目标对象的前面。在经过多次周期性扫描来跟踪对象时，可能已经接近或远离目标对象。在所有这些情况下，不应固定地使用为目标对象首先设置的强度，而应进行后续适配。
在有利的改进方案中，设置了具有多个车辆，特别是有轨车辆的系统，这些车辆分别具有至少一个根据本发明的传感器和至少一个目标对象(特别是回复反射器)，其中根据由传感器检测到目标对象来识别车辆的相互定位以避免发生事故。回复反射器是目标对象。例如，车辆是指AGV(自动引导车辆)或者物流或运输系统的其他运输单元，它们可自由行驶或在轨道上行驶。优选示例是(例如，铸造厂的)架空输送机，其各个小车是车辆。这些车辆根据利用其激光扫描仪来相互检测回复反射器，特别是通过在最短距离时及时制动来避免发生事故。
优选地，目标对象具有由不同反射率的子区域组成的编码。特别地，目标对象是具有非反射的子区域的回复反射器。这在扫描中就产生了检测与未检测之间的特别变换，即产生代码，该代码还可用于识别和区分反射表面上的反射。
根据本发明的方法可以用类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行描述。
附图说明
下面将基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
图1示出了激光扫描仪的示意性剖视图；
图2示出了从高强度开始设置光脉冲强度的示例性流程图；
图3示出了从低强度开始设置光脉冲强度的示例性流程图；
图4示出了信号强度与被扫描的对象的距离的关系的图示，并示出了合适的激光电流的示例分级(Abstufung)；以及
图5示出了具有激光扫描仪和回复反射器的车辆示意图，这些车辆根据回复反射器的相互检测来互相识别。
图1示出了被构造成激光扫描仪10的根据本发明的传感器的示意性剖视图。光发射器12，例如具有红外光谱或其他光谱的激光光源的光发射器12，借助发射光学器件14产生具有光脉冲的发射光16，该发射光16在偏转单元18处被偏转到监测区域20中。优选地，光脉冲非常短，大约在0.5～2.5ns的范围内，或者根据技术上的可能性甚至更短。光脉冲可以是单脉冲，也可以是由几个脉冲、脉冲串(Burst)或双脉冲组成的简单代码。
如果发射光16在监测区域20中落在对象上，则反射的或漫反射的光22又返回到激光扫描仪10，并在那里经由偏转单元18且借助于接收光学器件24由光接收器26(例如，光电二极管或APD(雪崩光电二极管))探测。光接收器26的接收信号根据实施方式直接以模拟或数字形式评估，例如用阈值评估，或者在AD转换器中优选以至少五分之一的脉宽的分辨率被数字化并被缓存以用于评估。
在本实施方式中，偏转单元18被构造成旋转反射镜并通过电机28的驱动连续旋转。可替代地，具有光发射器12和光接收器26的测量头可以旋转。其他可替代的构型使用旋转棱镜或可倾斜的液体透镜。没有宏观运动部件的固态扫描仪也是可以的，它们通过MEMS、光学相控阵、声光调制器等实现扫描，或者通过针对性地激活光发射器12的特定光源和光接收器26的像素来仿真运动，其中光发射器12例如是VCSEL阵列，而光接收器26是SPAD阵列。
因此，由光发射器12产生的发射光16扫过由旋转运动产生的监测区域20。也可以改变发射光学器件14和接收光学器件24的设计，例如通过光束成形反射镜作为偏转单元、透镜的不同布置或附加透镜来改变。特别地，激光扫描仪在自准直布置中也是已知的。在所示的实施方式中，光发射器12和光接收器26被安装在共同的电路板30上。但这也只是一个示例，因为可以设置自身的电路板以及例如具有相互高度偏移的其他布置。
也可以设置多个光接收元件，特别是APD，来替代具有仅一个光接收元件的光接收器26。然后由此产生多个接收信号，这些接收信号例如通过在APD上不同的偏置电压和/或不同的后续增益来一起以近似线性的方式检测更大的动态范围。可替代地，将接收信号进行电气分支。然后，激光扫描仪10就不再只有一个接收通道，而是灵敏度不同的多个接收通道，例如敏感的、中等敏感的和不敏感的接收通道。
电机28或偏转单元18各自的角位置通过角测量单元32来检测，在这里例如以一起旋转的编码盘和叉形光栅的形式的角测量单元来检测。如果现在光接收器26接收到来自监测区域20的漫反射的光22，则可从由角测量单元32测量的偏转单元18的角位置推断出监测区域20中的对象的角位置。此外优选地，测定从发出光脉冲直到在监测区域20中的对象上反射之后接收到光脉冲的光飞行时间，并利用光速推断出对象与激光扫描仪10的距离。
在评估单元34中进行评估，为此，该评估单元与光发射器12、光接收器26、电机28和角测量单元32连接。因此，通过角度和距离可以得到监测区域20内所有对象的二维极坐标。
此外，控制和评估单元34还被配置用于将具有特定反射率的特定目标对象，特别是回复反射器，与其他对象区分开(马上要阐述)，并改变发出的光脉冲的强度。可替代地，通过所需的测量和控制数据经由接口36与更高等级的系统交换这种方式，至少这部分评估可以在外部进行。
首先，基于数值示例对激光扫描仪10的功能(特别是在检测反射面和回复反射器时)进行更深入的了解。偏转单元18以一定的旋转频率frot旋转，这里的frot＝50Hz。光发射器12发出光脉冲的测量重复率决定了扫描的角分辨率，在这里应选择使每0.1°产生一个光脉冲。这样每转一圈就得到
Figure BDA0002723620930000101
个测量结果。借助角测量单元32实施准确的角度分配。因此，测量周期为
Figure BDA0002723620930000102
以回复反射器为例，描述对根据本发明的激光扫描仪10的、具有特定反射率的目标对象的优化区分。混淆的风险主要存在于高光亮的金属对象上。虽然由于金属反射器的作用有较大比例的发射光16从回复反射器返回到激光扫描仪10，但与漫散射对象一样，随着距离的变化通常会有
Figure BDA0002723620930000103
的下降，这种下降根据具体的金属表面更明显或不那么明显。但可以预计的是，相差只有20％-30％。原则上，只要接收信号实际检测到信号差异，则可以区分该信号差异。然而，这是一个相当大的挑战，因为信号动态超过6个数量级，这是由于对象的不同漫反射率和它们的不同距离造成的。传统上，激光扫描仪10被设计成使光脉冲具有最大强度，以便在较远的距离也能检测到漫反射率很低的对象。对于回复反射器在附近的极端情况而言，光接收器26被完全过度控制(ü bersteuern)，使得光脉冲的强度在接收信号中不再以其幅度表示，而是脉冲宽度增加。因此，信号差异实际上无法解决，或者在任何情况下都只是处理得很糟糕。在本描述中，光脉冲的强度由光强来定义，即由接收信号的幅度或电平来定义。可替代地，能量可能是光脉冲下方的面积，但在脉冲形状不变的情况下，只要光接收器不被过度控制，该面积就直接随幅度缩放。
本发明是基于这样的想法，即在测量期间，用相当少的发射能量就能检测到回复反射器。为此，使用衰减的光脉冲进行测量，在仍然允许的旋转情况下根据最小指定的回复反射器配置这些衰减的光脉冲。为了找到适于回复反射器的实际距离的发射能量，如图2所示，该距离例如预先用仍过度控制的测量来确定，或者如图3所示，激光扫描仪10迭代地接近这个距离。
通过这种方式，在线性范围内检测回复反射器，并且即使在最坏的情况下，也能够根据上述至少20％-30％的信号差异实现可靠的区分。在实践中，激光电流在光发射器12的激光阈值以上可以发生变化。例如，对于上述5.6μs的测量周期，可以发出NPulse＝5个不同功率的ILaser，这就为确定合适的发射能量的各种方法留有余地。对于每个脉冲，仍然可以使用
Figure BDA0002723620930000111
的测量时间，这足以覆盖至少20m的距离。一种示例的划分为ILaser1＝50mW，ILaser2＝100mW，ILaser3＝200mW，ILaser4＝400mW，ILaser5＝800mW。通过操纵接收路径中的增益，例如调整光接收器26的APD的偏置电压，也可以有效地改变发射能量。
图2示出了从顶部，即从强光脉冲开始的示例性方法的流程图，以便找到合适的发射能量。利用强光脉冲在测试性的、仍过度控制的测量中来确定对象的正确距离，以便随后执行用于有针对性地检测回复反射器的适当操控的测量。
为此，在步骤S1中，将光脉冲的强度初始设置为最强值。即使在激光扫描仪10的最大范围内，在最不利地旋转回复反射器的情况下(该旋转减小了回复反射器的有效面积)，该强度仍应足以用于检测对象。
然后，在步骤S2中，用最强的光脉冲强度实施测量，即发出光脉冲，并且只要光脉冲碰到对象就再次被接收。该测量将对最大范围内的任何对象做出反应。
在步骤S3中，检查是否接收到漫反射或反射的光脉冲，从而检查是否检测到对象。如果没有，则在步骤S1中为下一次测量确定最强强度。如果检测到对象，则在步骤S4中借助光飞行时间法确定对象的距离。
在步骤S5中，现在将光脉冲的强度设置为一个值，在该值时在测量距离下恰好仍可靠地检测到回复反射器，并且在步骤S6中实施相应的测量。
在步骤S7中，评估在步骤S3中检测到的对象是目标对象还是回复反射器。这里隐含的假设是，在步骤S2和S5中的两次测量扫描的是同一对象，由于角度步长最小，所以这是允许的。在上面的数值示例中，测量之间只有1.1μs或0.02°。光脉冲的强度通过步骤S5被设计成使得恰好仍能识别出回复反射器。在光脉冲的这种强度下，具有较低漫反射率的其他对象会被忽略，或者总是以明显较低的接收信号电平被检测到。此外，适配的光脉冲强度还确保了接收路径保持在至少基本线性的范围内。因此，在接收信号中可以可靠地探测到回复反射器的接收脉冲，因为20％～30％的信号差异通过线性检测实际上被映射在接收信号中，这也是足够用于进行可靠区分的信号距离。
如果根据步骤S7，来自步骤S3的对象不是目标对象，则在步骤S1中以最高强度再次开始下一次测量。否则在步骤S8中，检测到目标对象，并且相关联的角位置和距离都是已知的，使得后续的评估可以相应地做出反应。然后，该方法还将以最强的强度在步骤S1中继续下一次测量。后面还会描述可替代的实施方式，这些实施方式在检测到目标对象后不会简单地返回初始状态。
图3示出了从底部，即从弱光脉冲开始的另一个示例性方法的流程图，以便找到合适的发射能量。在这里，激光扫描仪10可以用开始最弱，然后越来越强的光脉冲在前方扫描越来越大的距离，直到在所有可以设想的对象中首先检测到回复反射器为止。
在第一步骤S1'中，光脉冲的强度被设置为最弱值。能量只够检测到在最佳距离的回复反射器。稍后将参考图4及其所谓的衰减曲线来阐述这个最佳距离不一定是最短距离，而是可以距激光扫描仪10的一定距离。
在步骤S2'中，用最弱强度的光脉冲进行测量，并在步骤S3'中检查是否检测到对象。如果没有，则在步骤S4'中提高光脉冲的强度。更高的强度使下一次测量能够在更远的距离或根据衰减曲线甚至在更接近的近距离检测到回复反射器。
在步骤S5'中，还会检查新的、更高的强度是否已经超过最大值。只要没有超过最大值，就会用越来越强的脉冲在步骤S2'到S4'的迭代循环中寻找回复反射器。一旦超过强度的最大值，就说明在这个扫描方向上没有回复反射器，并且在步骤S1'中用强度最弱的值再次从头开始，以便在新的扫描方向上寻找回复反射器。
如果在步骤S3'中检测到对象，则在步骤S6'中检查关于对象是目标对象还是回复反射器的接收信号。为此，一方面可以使用常规方法，例如用阈值来评估接收电平，其中该阈值是根据回复反射器的漫反射率来设定的。这继而对应于图2中步骤S7的评估，只是发出的光脉冲强度的合适值是通过其他方式找到的。此外，还可以在步骤S6'中确定对象的距离。对回复反射器来说，该距离应该在具有这种强度的发出的光脉冲的范围极限附近。当距离较短时，涉及其他对象，因为在较短距离的回复反射器已经在较早的迭代中以较小的光脉冲强度被检测到了。
在步骤S7'中，检测到目标对象，并且相关联的角位置和距离都是已知的，使得后续的评估可以相应地做出反应。然后，该方法又将以最弱的强度在步骤S1'中继续下一次测量。
如图2中已经指出的那样，可以通过在检测到目标对象后不再用初始最强或最弱的强度进行测量来优化方法。例如，强度在初始值方向上仅增加或减少一定比例。可替代地，只要通过进一步的测量识别到目标对象，光脉冲的强度值就保持在适配的值，只有在没有识别到目标对象后才部分或完全地返回到初始值。在这种情况下，测量的距离仍然必须被监测，以便识别到第二个较近的回复反射器。
暂时保持曾经设置的强度是在偏转单元18的旋转内跟踪对象的简单示例。更复杂的方法也是可以设想的。在随后的旋转中，先前检测到的回复反射器的角度段已经已知，因此在这些扫描区域内可以使用比最小值或最大值更好的光脉冲的强度起始值。在此，可以为回复反射器的中间相对运动设置一定的公差。也可以设想对象跟踪，其从历史记录中预测被回复反射器采用的未来角位置和距离。这种优化措施缩短了响应时间，因为用于强度的校准的扫描损失较少。此外，还可以进行可信度测试(Plausibilisierung)，从而不会将个别干扰无意中识别为目标对象。
图4示出了信号强度与被扫描的对象的距离的关系的图示，因此示出了前面已经多次提到的衰减曲线。在不同的灰度级中，突出显示具有匹配增加的激光电流I1...I5的距离范围，以便为相应的距离范围设置光脉冲的强度。因此，如果要在一定的距离范围内检测到回复反射器，则要设置相关联的激光电流。所示的曲线表示阈值，根据该阈值来区分回复反射器和金属反射的对象。具体的曲线分布和相关联的激光电流取决于激光扫描仪的具体结构，在此仅示例性地示出。
根据图4中的曲线分布，存在激光扫描仪10的发射波瓣和接收波瓣第一次完全重叠的距离范围。在那里可以用最低的能量或最小的激光电流I1工作。对于更大的距离则需要越来越多的发射能量，其中也可以连续地设置，代替在等级I2...I5中离散地设置。但在发射波瓣和接收波瓣之间的重叠变得更小并且在某些时候处于边缘的近距离内，仍需要更高的强度，以便能完全接收到相关信号。
图5示出了应用示例。车辆50各自配备有至少一个激光扫描仪10和至少一个协作目标或回复反射器52。车辆50例如是工厂或物流设施中的AGV(自动引导车辆)或其他移动运输单元，它们可以自由移动或在轨道上移动。在优选的应用中，是特别在微系统技术或半导体制造(铸造)领域的高架输送系统的起重小车。激光扫描仪10分别检测其他车辆50的回复反射器52，并识别它们彼此的相对定位。因此，可以通过车辆50相互避让、调整速度或在必要时触发制动过程来避免碰撞。
检测越准确且响应时间越短，车辆50就能开得越快，因为这些车辆彼此间反应更及时且更有针对性。在这里，不仅静态检测结果有用，而且如上所述的更复杂的评估结果也有用。例如，可以通过对象跟踪来确定前面的车辆50在加速，从而不必制动，甚至也可以加速。优选地，对于每个车辆50自主地进行所需的数据评估，但所需的数据评估也可以由更高级控制器接管或支持。
在另一种实施方式中，通过在反射区域和非反射区域或吸收区域之间设置至少一种变化，对回复反射器52用图案进行编码。由此，实现了改进的干扰抑制能力。甚至可以设想的是，车辆50将根据编码单独识别对方或者接收行驶指令，例如与装有相应编码的回复反射器52的车辆50保持一定的最小距离。

Claims (15)

1.一种用于检测监控区域(20)中的目标对象(52)的测距光电传感器(10)，特别是激光扫描仪，包括：光发射器(12)，其用于发出光脉冲(16)；偏转单元(18)，其用于使用光脉冲(16)周期性地扫描所述监控区域(20)；光接收器(26)，其用于从被所述监控区域(20)中的对象反射或漫反射的光脉冲(22)产生接收信号；以及控制和评估单元(34)，所述控制和评估单元被配置用于从光脉冲(16、22)的光飞行时间来确定对象的距离，并发出不同强度的光脉冲(16)，
其中，
为了检测具有特定反射率的目标对象(52)，所述控制和评估单元(34)还被配置用于发出与所述反射率和范围适配的光脉冲(16)，并根据不同的范围改变光脉冲(16)，以区分所述目标对象(52)和其他对象。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述目标对象(52)是回复反射器。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于通过所述光发射器(12)的电流强度来设置光脉冲(16)的强度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光接收器(26)被分配了灵敏度不同的多个接收通道。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于向大范围和极小范围增加光脉冲(16)的强度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于在最初和/或只要没有识别出对象或目标对象(52)，发出具有与最大范围相对应的强度的光脉冲(16)。
7.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于当检测到对象时，随后发出具有与所述对象的被测量的距离的范围相对应的强度的光脉冲(16)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于最初发出具有最小强度的光脉冲(16)，其中所述最小强度特别地与从中最佳地漫反射或反射光脉冲(16、22)的范围相对应。
9.根据权利要求8所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于提高至少另一个光脉冲(16)的强度，直到检测到对象或强度与最大范围相对应为止。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于当为所述目标对象(52)设置光脉冲(16)的强度时，根据所述接收信号的强度来区分所述目标对象(52)和其他对象。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于在同一周期性扫描和/或随后的周期性扫描中，在所述目标对象(52)的角度范围内保持光脉冲(16)的设置的强度，或者使所述光脉冲(16)的设置的强度与对所述目标对象(52)的距离的预期适配。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于一旦不再检测到所述目标对象(52)，就返回到光脉冲(16)的初始强度，特别是最小强度或最大强度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(34)被配置用于即使在检测所述目标对象(52)期间也能测量出所述目标对象的距离，并在所述距离发生改变时适配光脉冲(16)的强度。
14.一种具有多个车辆的系统(50、10、52)，所述车辆特别是有轨车辆(50)，所述车辆分别具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)和至少一个目标对象(52)，所述目标对象特别是回复反射器，其中根据由所述传感器(10)检测到所述目标对象(52)来识别所述车辆(50)的相互定位以避免发生事故，其中所述目标对象(52)特别地具有由不同反射率的子区域组成的编码。
15.一种用于检测监测区域(20)中的目标对象(52)的方法，其中发出不同强度的光脉冲(16)并周期性地偏转以扫描所述监测区域(20)，其中接收被所述监测区域(20)中的对象反射或漫反射的光脉冲(22)以产生接收信号，评估所述接收信号，以从发出的光脉冲(16)和再次接收到的光脉冲(22)的光飞行时间来确定被扫描的对象的距离，
其中，
为了检测具有特定反射率的目标对象(52)，发出与所述反射率和范围相适配的光脉冲(16)，并根据不同的范围改变所述光脉冲(16)以区分所述目标对象(52)和其他对象。
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