DE102004014041B4

DE102004014041B4 - Sensor zur Hinderniserkennung

Info

Publication number: DE102004014041B4
Application number: DE102004014041A
Authority: DE
Inventors: Martin Spies; Johann Spies
Original assignee: Individual
Current assignee: Hesai Photonics Technology Co Ltd
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-03-20
Also published as: DE102004014041A1

Abstract

Sensor zur Hinderniserkennung für Boden und Luftfahrzeuge mit mindestens einer nach dem Laufzeitverfahren arbeitenden Mehrkanalentfernungsmesseinrichtung, die in einem rotierenden Sensorkopf (1a) untergebracht ist und mehrere Komponenten (101, 103, 104, 107) umfasst, wobei die Komponenten in axialer Richtung derart verschiebbar sind, dass unterschiedliche Elevationswinkelbereiche abgetastet werden.

Description

Zur Hinderniserkennung für Boden- und Luftfahrzeuge sind folgende Sensoren bekannt:
Radarsensoren mit Einzel- oder umlaufender Antenne.

Optische Sensoren nach dem Laufzeitverfahren mit Spiegelabtastung z. B.

In der DE 197 57 849 A1 ist eine Anordnung beschrieben, bei der ein rotierender Teil Lasersender und einen Laserempfänger in koaxialer Anordnung enthält. Ein Sensor nach dieser Beschreibung ist im Regen oder Dunst nicht einsetzbar, da Rückstreuungen aus dem Nahbereich die Signale verfälschen. Die DE 38 25 081 A1 beschreibt einen Scanner mittels einer zur Vibration gebrachten Glasfaser.

Überdies gibt es Sensoren die auf Transponderbasis arbeiten.

Alle diese Sensoren haben den Nachteil, dass sie kleine Hindernisse wie Drähte oder Segelflugzeuge mit sehr kleiner Frontfläche nicht erkennen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu erstellen, der kleine Hindernisse über eine Entfernungsmessung nach z. B. dem Pulslaufzeitverfahren elektromagnetischer Strahlung erkennt und zuordnet, darüber hinaus eine hohe Winkelauflösung in allen Abtastbereichen, z. B. 30°–60° in der Elevation und 360° im Azimut, aufweist und eine hohe Energiedichte am Ort des Hindernisses erzeugt und zugleich mit wenig Volumen und Gewicht darstellbar ist. Diese Aufgabe wird mit einem Sensor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 gelöst.

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 6 beschrieben.
Entsprechend 1 besteht der Sensor aus einem Sensorkopf 1a der um seine Achse 1b rotiert. Im Sensorkopf befindet sich z. B. eine Laserzeile mit mehreren Einzellasern 101 zur Erzeugung von Lichtimpulsen die von der Treiberelektronik 102 angesteuert wird. Die Laserzeile wird über die Optik 103 auf die Umgebung abgebildet. Die von Hindernissen rückgestreute Energie wird über die Optik 107 empfangen und auf die Empfängerzeile 104 z. B. bestehend aus einer Reihe von Fotodioden abgebildet. Die weitere Signalkonditionierung erfolgt in der Elektronik 105. Durch einen Strahlteiler 106 der für die Wellenlänge des Lasers 101 durchlässig ist und zugleich als Filter für den Empfänger 104 dient, wird derjenige Wellenlängenbereich des Lichtes, der nicht der Laserwellenlänge zugeordnet ist, auf den Bild- oder Zeilensensor 108 geleitet und über die Elektronik 109 ausgewertet. Zur gesamten Signalauswertung und Spannungsversorgung für alle Komponenten im Sensorkopf 1a dienen die Elektronikplatinen 112a und 112b.
Die Entfernungsmessung zum Hindernis hin erfolgt durch die Bestimmung der Laufzeit z. B. nach einem der durch die Schriften

Die Versorgung des rotierenden Teiles erfolgt mit aus der DE 101 14 362 C2 bekannten Energieübertragung durch induktive Koppelung. Die Datenübertragung in und aus dem Sensorkopf 1a erfolgt über die optischen Sende- und Empfangsgruppen 113 und 114. Der Antrieb erfolgt z. B. über den Zahnkranz 118 und dem Motor 120 über sein Ritzel 119. Der Motor gibt z. B. durch Schrittsteuerung direkt die Winkelinkremente vor und diese sind damit durch die Motorsteuerung bestimmt und bekannt. Die Signalverarbeitung, Steuerung des Motors, Stromversorgung und Schnittstelle zum Fahrzeug oder Fluggerät erfolgt in der Elektronik 117. Gegen Umwelteinflüsse ist das System mit dem transparenten Gehäuse 121 geschützt. Die übrigen Komponenten sind durch das Gehäuse 122 geschützt. Das System wird am Gerät mit dem Flansch 123 befestigt. Die Linsensysteme 107 und 103 sind in einem gesonderten Rahmen 110 und 111 befestigt und können mit diesem über einen Hubmotor 124 in axiale Richtung verschoben werden. Damit können mehrere Winkelbereiche abgescannt werden oder der Elevationswinkel kann statisch oder dynamisch dem geplanten Flug- oder Fahrmanöver angepasst werden.
Die Abtastung der Umgebung erfolgt gemäß 2. Im Sensorsystem 121 sind drei Abtastsysteme gemäß 1 untergebracht, die den Azimut jeweils z. B. um 120° versetzt abtasten, so dass mit einem Umlauf nacheinander die Bereiche 205, 206 und 207 abgetastet werden. Jeder Bereich wird über die Einzellaser 202, die in der Laserzeile 201 zusammengefasst ist beleuchtet. Die Zuordnung der Information zu den einzelnen Winkelbereichen erfolgt durch sequentielles Ansteuern der einzelnen Laserdioden oder zumindest durch sequentielles Ansteuern einzelner Laserdiodengruppen. Die drei aufgezeichneten um 120° verdrehten Abtastbereiche 205, 206 und 207 sowie 208, 209 und 210 können parallel abgetastet werden. Nach einem Umlauf wird der Hubmotor 124 gemäß 1 betätigt und die Linsengruppen verschoben, so dass dann die Elevationsbereiche 208, 209 und 210 abgetastet werden. Dies ist nur als Beispiel dargestellt. Es können durch den Hubmotor 124 mehrere Positionen angefahren werden.
Der jeweilige Elevationsbereich 205 bis 210 ist Sendeseitig z. B. entsprechend 201 in 16 Sendestrahlbereiche 202, erzeugt durch die einzelnen Laserdioden, aufgeteilt. Die Empfangsbereiche 203 enthalten Empfangsflächen 204 in denen die Sendestrahlbereiche 202 etwas kleiner abgebildet werden. Damit werden Justagetoleranzen und Laufzeitunterschiede während der Abtastung und Drehbewegung ausgeglichen. Die einzelnen Entfernungsbereiche 202 werden während des Umlaufs sequentiell oder teilweise parallel dargestellt.
Der passive Empfangsteil 108/109 besteht z. B. aus einem CMOS-Sensor mit einer hohen Zahl an Bildpunkten für den sichtbaren Bereich des Lichtes. Dieser ist entweder analog dem Empfänger 104 als Zeile 204 mit 10 bis 3000 Bildpunkten ausgebildet oder als Fläche 211 mit 100 bis 10 Millionen Bildpunkten der in der Lage so justiert ist, dass die Senderabbildungen 202 etwa in der Mitte angeordnet sind. Anstatt des sichtbaren Bereiches des Lichtes kann auch der Infrarotbereich z. B. 8–12 μm benutzt werden um die Wärmestrahlung der Hindernisse auszuwerten.
Um das Gesamtsystem möglichst klein und leicht zu gestalten sind die drei Abtastsysteme entsprechend 3 ineinandergeschachtelt. Die Sendeeinheit besteht damit aus den Optiken 103a, 103b und 103c die jeweils um 120° verdreht sind und jeweils die Lasergruppen 101a/102a, 101b/102b und 101c/102c auf die Umgebung abbilden. Analog dazu ist die Abbildung der Umgebung auf die Empfänger entsprechend 4 gestaltet. Hier bilden die Optiken 107a, 107b und 107c die Umgebung und die von den Laser beleuchteten Bereichen jeweils auf die Empfangsgruppen 104a/105a, 104b/105b, und 104c/105c ab. Die Strahlengänge sind gemäß 4 ineinandergeschachtelt. Um gerade die für die Laufzeitmessung nötige schnelle Signalverarbeitung nicht durch Übertragungswege zu beeinträchtigen, wird die gesamte Entfernungsauswertung im rotierenden Sensorkopf vorgenommen.
Das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems ist in 5 dargestellt. Im rotierenden Teil 501 befinden sich neben den in der 1 bis 4 beschriebenen Komponenten die Videoaufbereitung 502, die das Timing in Abhängigkeit von der Laserabtastung steuert und aus den Schwarz-Weiß- bzw. Farbkontrasten relevante Objektumrisse oder Lichtquellen der Objekte auswertet. Ebenso ist die Signalakquisition und Signalaufbereitung für die Abstandsmessung und das Pre-Tracking, das bereits die Signale sortiert und den Winkelbereichen zuordnet und den Vergleich mit dem Videosignal durchführt im rotierenden Teil 501 enthalten. Außerdem befindet sich im rotierenden Teil 501 auch die Hubmotorsteuerung. Im stehenden Teil 510 befinden sich neben der in 1 beschriebenen Komponenten die Gesamtsteuerung mit dem Gesamt-Tracking und der Datenaufbereitung 511 sowie die Stromversorgung und die Schnittstelle zum Gesamtsystem 512.
Im einfachsten Fall erfolgt die Auswertung der Lage von Hindernissen durch die Auswertung der gewonnenen Entfernungsinformationen, die durch die Lage der Abtastflächen, die Zuordnung zum jeweiligen System und durch den Drehwinkel sowie den Elevationswinkel des Hubmotors definiert sind. Durch die mehrfache Abtastung von Hindernissen mit, durch die Erfindung ermöglichten, kleinen Flächen ist die Detektionswahrscheinlichkeit von Hindernissen wie Drähten und Hindernissen sehr hoch. Mit Hilfe des jeweiligen Kamerasystems, das zugleich die Umgebung abtastet, können sowohl Schwarz-Weiß als auch Farbkontraste der Hindernisse ermittelt und ausgewertet werden. Auch aktive Lichtquellen wie Positionsleuchten von Luftfahrzeugen und deren Blitzlichter, sowie Warnleuchten z. B. von Antennen können ausgewertet werden. Durch die Korrelation dieser Daten mit der Entfernungsmessung ergibt sich eine sehr sichere Erkennung von Hindernissen.
Eine Weiterbildung des Sensorsystems ist in 6 dargestellt.
Da unterschiedliche Hindernisse eine gute Rückstreuung bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen und die Umgebung für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Dämpfungswerte aufweist, werden in der Weiterbildung der Erfindung zwei Sender 602 und 604 mit ihren Optiken 601 und 603 auf die Umgebung entsprechend 2 abgebildet. Die Sender haben z. B. 905 nm Wellenlänge für den Sender 602 und z. B. 10 μm für den Sender 604. Die Empfangseinheit verwendet die Optik 107, die für beide Wellenlängen geeignet ist. Der Strahlteiler 605 ist z. B. für 905 nm Wellenlänge durchlässig und auch für diese Wellenlänge ein selektiver Filter. Damit wird die rückgestreute Energie aus dem Sender mit 905 nm Wellenlänge auf den Detektor 606 geleitet. Der Strahlteiler kann dabei so ausgeführt werden, dass nur Energie mit z. B. 10 μm Wellenlänge auf den Detektor 607 gelangt.
Die Sender 602 und 604 und die Empfänger 606 und 607 und die Strahlteiler 605 können natürlich auch auf andere elektromagnetische Wellenlängen ausgelegt werden.
Mit der Anordnung nach 6 ist es aber auch möglich die Dichte der Abtastpunkte in unterschiedlichen Wellenlängen anders zu gestalten, die in etwa sonst gleiche Eigenschaften aufweisen um damit die Erkennungswahrscheinlichkeit zu erhöhen oder im Bereich der längeren Wellenlängen die optische Auflösung oder die Kosten zu berücksichtigen.

Claims

Sensor zur Hinderniserkennung für Boden und Luftfahrzeuge mit mindestens einer nach dem Laufzeitverfahren arbeitenden Mehrkanalentfernungsmesseinrichtung, die in einem rotierenden Sensorkopf (1a) untergebracht ist und mehrere Komponenten (101, 103, 104, 107) umfasst, wobei die Komponenten in axialer Richtung derart verschiebbar sind, dass unterschiedliche Elevationswinkelbereiche abgetastet werden.
Sensor zur Hinderniserkennung für Boden und Luftfahrzeuge mit mindestens zwei nach dem Laufzeitverfahren arbeitenden Mehrkanalentfernungsmesseinrichtungen, die in einem rotierenden Sensorkopf (1a) untergebracht sind und den Azimut jeweils versetzt abtasten, derart dass mit einem Umlauf nacheinander unterschiedliche Elevationswinkelbereiche (205, 206, 207 bzw. 208, 209, 210) abgetastet werden.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Strahlengänge der Mehrkanalentfernungsmesseinrichtungen zur Gewichts- und Platzersparnis ineinander verschachtelt ausgeführt sind.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem alle Auswertungen, die eine schnelle Signalverarbeitung erfordern, im rotierenden Sensorkopf (1a) untergebracht sind und nur die vorverarbeitete Information vom rotierenden Sensorkopf (1a) zum stehenden Teil übertragen wird.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Entfernungsmessung in mindestens zwei Wellenlängenbereichen parallel erfolgt.
Sensor nach Anspruch 5, bei dem die abbildenden Optiken zugleich für die mindestens zwei Wellenlängenbereiche benutzt werden.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche mit einem Bildsensor (108), der im rotierenden Sensorkopf (1a) angeordnet ist und zum Aufnehmen von passiven, flächenhaften Bildern dient, aus denen Farbkontraste und aktive Lichtquellen ermittelt und ausgewertet werden.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche mit einem transparenten Gehäuse (121), das als Zylinderlinse im Strahlengang der Einzeloptiken (103, 107) dient.
Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Sendestrahlbereiche (202) der Mehrkanalentfernungsmesseinrichtungen etwas kleiner abgebildet werden als deren Empfangsbereiche (203), so dass Laufzeitunterschiede und Justagetoleranzen ausgeglichen werden.