DE10022215A1

DE10022215A1 - Statische Flächenüberwachung mit optischen Entfernungsmessern

Info

Publication number: DE10022215A1
Application number: DE10022215A
Authority: DE
Inventors: Kael Nutz; Uwe Krueger
Original assignee: ZAPF KERSTIN
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2001-11-08

Abstract

Die Erfindung dient zur Überwachung von Kreuzungen im Straßenverkehr und enthält einen oder mehrere Sensoren, die die Kreuzung überwachen, d. h. sie sollen erkennen, ob der Kreuzungsbereich frei ist. Diese Sensoren sind Flächensensoren und arbeiten nach dem Signal-Phasenvergleichsverfahren. Von diesen Flächensensoren wird die Laufzeit des Lichtes ausgewertet, wobei zur Erhöhung der Empfindlichkeit und der Auflösung mindestens zwei (oder mehrere) Sender verwendet werden, die im Multiplexbetrieb arbeiten.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Sensor, der große Flächen, z. B. von Verkehrs- Ampelanlagen im Kreuzungsbereich, überwacht, wobei nur die Anwesenheit von Objekten ab einer bestimmten Höhe und Größe auf dieser Fläche erkannt werden soll.

An Verkehrs-Ampelanlagen im Kreuzungsbereich ist die Steuerung im Regelfall so pro grammiert, daß beim Umschalten von einer Fahrtrichtung in die andere Richtung für meh rere Sekunden beide Fahrtrichtungen gesperrt (rot) sind, damit der Kreuzungsbereich mit Sicherheit frei ist. Diese unflexible Sperrphase ist sehr unbefriedigend und verringert die Durchlaßfähigkeit der Kreuzung.

Zur Verbesserung der Überwachung von Verkehrsflächen werden gegenwärtig Radarge räte (Dopplerprinzip), Passiv-Infrarot-Sensoren oder Kamerasysteme verwendet. Diese oben benannten Systeme haben unterschiedliche Einschränkungen für eine Über wachung der Verkehrsflächen vorzugsweise von Kreuzungen.

- Radargeräte (Dopplerprinzip) erkennen nur bewegte und nicht stehende Objekte. Das Detektionsfeld läßt sich nur sehr grob einstellen. Geräte gleicher Bauart be einflussen sich. Radargeräte nach dem Signal-Laufzeitverfahren sind für kurze Entfernungen nicht geeignet und würden auch aus Kostengründen für die be schriebene Anwendung nicht verwendet werden können.
- Passiv-Infrarot-Sensoren erkennen sehr gut bewegte Objekte, die sich in ihrer Temperatur deutlich von der Umgebung unterscheiden. Probleme treten auf bei hohen Umgebungstemperaturen, Objekten ohne eigene Wärmequelle (z. B. LKW- Anhänger ist noch auf der Kreuzung) und bei Objekten, die sich längere Zeit nicht bewegen.
- Kamerasysteme (Stereo-Aufnahmeverfahren) sind relativ teuer und benötigen im mer eine ausreichende Beleuchtung. Durch die notwendige Basisbreite wären die se Sensoren relativ groß (lang). Ein großes Problem ist auch die Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee und Nebel und Verschmutzung der optischen Flächen.

Eine optimierte Steuerung der Ampelanlagen könnte den Verkehrsfluß um ca. 5% bis 10% erhöhen. Bei zeitgesteuerten Ampelanlagen können ältere oder behinderte Men schen oft die Straße nicht in der vorgesehenen Zeit überqueren; eine situationsgesteuerte Ampelanlage erhöht hier objektiv und subjektiv die Sicherheit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, um die Nachteile der gegen wärtig standardmäßig im Einsatz befindlichen zeitprogrammierten Verkehrsampelsteue rungen sowie die mit den vorher beschriebenen situationsgesteuerten Verkehrs raumüberwachungsanlagen verbundenen Nachteile zu überwinden.

Dis erfindungsgemäße Lösung enthält einen oder mehrere Sensoren, die die Kreuzung überwachen, d. h. sie sollen erkennen, ob der Kreuzungsbereich frei ist. Diese Sensoren sind Flächensensoren und arbeiten nach dem Signal-Phasenvergleichsverfahren. Von diesen Flächensensoren wird die Laufzeit des Lichtes ausgewertet, wobei zur Erhöhung der Empfindlichkeit und der Auflösung mindestens zwei (oder mehrere) Sender verwendet werden, die im Multiplexbetrieb arbeiten.

Diese Flächensensoren werden aus Kostengründen direkt an den Ampelmasten befestigt. Bei diesen Montagebedingungen müssen sinnvollerweise mehrere Sensoren pro Kreu zung montiert werden, damit keine Abschattungseffekte durch Fahrzeuge, Personen oder bauliche Gegebenheiten auftreten können. Da die bauliche Situation bei jeder Kreuzung anders aussieht, muß das Detektionsfeld des Sensors möglichst genau festgelegt werden können; gleichzeitig dürfen sich mehrere Sensoren gegenseitig nicht stören.

Im nachfolgenden Beispiel soll die erfindungsgemäße Lösung beschrieben werden. In Abb. 1 ist ein Flächensensor beschrieben, der nach dem Signal-Phasen- Vergleichsverfahren arbeitet, d. h. die Laufzeit des Lichtes wird ausgewertet, wobei zur Erhöhung der Empfindlichkeit und der Auflösung mindestens zwei (oder mehrere) Sender verwendet werden, die im Multiplexbetrieb arbeiten.

Das Modul 12 ist die zentrale Steuerung des Gerätes, welche man bevorzugt mit einem Mikrocomputer (MPU) mit eingebautem, im Betrieb veränderbaren Permanentspeicher (z. B. EEPROM) realisiert; wobei dieser Permanentspeicher sich auch außerhalb der MPU befinden kann. Der Sendegenerator 13 moduliert über den Multiplexer 11 nacheinander die Sender 7 und 8 mit einer hohen Frequenz. Es werden mindestens zwei Sender ver wendet; bei großen Flächen ist die Senderanzahl nach oben hin offen. Die Senderhellig keit wird über die Lichtregler 9 und 10 gesteuert. Diese Lichtregler werden von der MPU 12 gesteuert. Bei einem entsprechend ausgelegten Multiplexer 11 können die beiden Lichtregler 9 und 10 auch zu einem Modul zusammengefaßt werden, welches dann direkt zwischen dem Generator 13 und dem Multiplexer 11 liegt. Die Sender (7, 8) bilden ihre leuchtende Fläche über ein oder mehrere optische Systeme (1, 2) auf der zu überwachen den Fläche ab. Durch veränderbare Blenden (4, 5) vor jedem Sender kann die jeweilige Beleuchtungsfeldform verändert werden. Das von den Sendern ausgestrahlte Licht wird von der Empfangsoptik 3 aufgesammelt und von dem optischen Empfangselement 15 in elektrische Signale umgewandelt.

Diese Signale werden in dem Verstärker 16 verstärkt und von einem Schmalbandfilter 17, welches auf die Frequenz des Generators 13 abgestimmt ist, gefiltert. Es sind zwischen dem Empfangselement 15 und den beiden Modulen 14 und 20 weitere Kombinationen aus Verstärkerstufen und weiteren Schmalbandfiltern möglich; die Reihenfolge und An zahl der Filter- und Verstärkerstufen hat keine besondere Bedeutung und kann erhöht werden. Das verstärkte und gefilterte Empfangssignal wird in dem Amplituden- Bewertungsmodul 14 analysiert; diese Amplitudeninformation wird der MPU 12 mitgeteilt; bei zu großen Amplituden regelt die MPU über die Lichtregler (9, 10) die Senderhelligkeit zurück. Das verstärkte und gefilterte Empfangssignal wird in dem Phasenvergleicher 20 mit dem Generatorsignal 13 hinsichtlich der relativen Phasenunterschiede analysiert. Die ses Vergleichsergebnis wird über einen AD-Wandler 19 der MPU 12 mitgeteilt. Es gibt auch MPU-Bausteine, die schon einen AD-Wandler integriert haben. Die MPU 12 ver gleicht nun die Phasenverschiebungen der jeweiligen Senderbaugruppen, die bei einer freien Detektionsfläche abgespeichert wurden, mit dem aktuellen Momentanwert. Wenn sich ein Objekt auf der Detektionsfläche befindet, so hat das entsprechende Empfangs signal einen kürzeren Weg bis zum Empfangselement 15 zurückgelegt, was zu einer klei neren absoluten Phasenverschiebung zwischen Generatorsignal 13 und dem Empfangs signal führt. Ein erkanntes Objekt wird von dem Sensor über das Ausgangsmodul 18 aus gegeben. Eine Blende (6) vor dem Empfangselement (variabel oder fest), weiche den Sichtbereich des Empfängers auf den gewünschten Bereich begrenzt, verbessert das Signal/Rauschverhältnis. Damit sich mehrere Geräte gegenseitig nicht stören, können die Generatorfrequenzen 13 und die dazugehörenden Mittenfrequenzen der Schmalbandfilter 17 verschieden ausgelegt werden.

Wenn für die Sender LASER-Dioden als optische Bauelemente verwendet werden, müs sen die Sicherheitsvorschriften hinsichtlich der maximalen Energiedichten auf der Augen netzhaut des Menschen eingehalten werden. Um diese Vorschriften bei hoher Gesamt lichtleistung einzuhalten, wird zwischen der leuchtenden Chipfläche der Laser-Diode und dem optisch abbildenden System 1, 2 ein optisches, passives Bauelement eingefügt, wel ches die Lichtstrahlen der LASER-Diode auf die gewünschte Fläche diffus auffächert.

Bezugszeichen

1

optisches Projektionssystem (z. B. Linsen- oder Spiegelsysteme)

2

optisches Projektionssystem (z. B. Linsen- oder Spiegelsysteme)

3

optisches Empfangssystem (z. B. Linsen- oder Spiegelsysteme)

4

optische Blende

5

optische Blende

6

optische Blende

7

Sender 1

8

Sender 2

9

Lichtregler für Sender 1

10

Lichtregler für Sender 2

11

Multiplexer

12

Zentrale Steuerung MPU

13

Generator

14

Amplituden-Bewertungsmodul

15

Optisches Empfangselement

16

Verstärker

17

Schmalbandfilter

18

Ausgangsmodul

19

AD-Wandler

20

Phasenvergleicher

Claims

1. Optische Flächensensoren zur Detektion großer Flächen, dadurch gekennzeich net, daß die Veränderungen auf einer großen Detektionsfläche mit einem auf dem Phasenvergleichsverfahren basierenden Sensor (Abb. 1) erkannt werden, der zur Erhöhung der Detektions-Empfindlichkeit das Detektionsfeld in mehrere Teilflä chen aufteilt und diese mit je einem eigenen, gemultiplexten Sender beleuchtet, wobei die Form der beleuchteten Teilflächen mit einer frei veränderbaren Blende vor dem jeweiligen Sender genau definiert werden kann, gleichzeitig wird im Ge gensatz zu handelsüblichen Geräten mit optisch stark aufgeweiteten Meßstrahlen gearbeitet.

2. Optische Flächensensoren zur Detektion großer Flächen nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Signal/Rauschverhältnisse jeder Sendergruppe eine eigene Empfängerbaugruppe zugeordnet wird, beide synchro nisiert gemultiplext werden und eine solche Empfängerbaugruppe mindestens aus Empfangsoptik, Blende, Empfangselement und einer Pufferstufe (Verstärker) be steht.

3. Optische Flächensensoren zur Detektion großer Flächen nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Signal/Rauschverhältnis verbessert wird, wenn das optische Empfangssignal vor dem Empfangselement 15 mit einem schmal bandigen optischen Filter vom störenden Umgebungslicht getrennt wird. Dieses optische Filter ist in seiner Mittenfrequenz auf die abgestrahlte Wellenlänge der Sender 7, 8 usw. abgestimmt.

4. Optische Flächensensoren zur Detektion großer Flächen nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung möglicher gegenseitiger Störung bei mehreren Sensoren, der Generator 13 und das (oder die) darauf abgestimmten Schmalbandfilter 17 unterschiedlich oder veränderbar ausgelegt wird.

5. Optische Flächensensoren zur Detektion großer Flächen bei Verwendung von LA- SER-Dioden als optische Sender Bauelemente dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung der Sicherheitsvorschriften bezüglich der maximal zulässigen Energie dichten zur Vermeidung von Augen-Netzhautschäden bei Menschen und bei Ver fügbarkeit einer hohen Gesamtlichtleistung zur Detektion, zwischen der leuchten den Chipfläche der Laser-Diode und dem optisch abbildenden System 1, 2 ein op tisches, passives Bauelement eingefügt wird, weiches die Lichtstrahlen der LA SER-Diode auf die gewünschte Fläche diffus auffächert.