DE102004062417A1

DE102004062417A1 - Vorrichtung und Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung der Lage eines Objekts

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Publication number: DE102004062417A1
Application number: DE200410062417
Authority: DE
Inventors: Gerd Reime
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-29
Also published as: WO2006066840A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung weist mehrere optische Sender (11, 12, 13, 14) auf, die durch eine Taktschaltung getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden. Wenigstens ein Empfänger (15) empfängt die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen, wobei Sender und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden. Eine Auswerteeinheit verstärkt die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers und bildet aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11, 12, 13, 14) zugeordneten Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10). Dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei optische Sensoren (20), die durch wenigstens drei optische Sender (11, 12, 13, 14) und den Empfänger (15) gebildet werden, unter verschiedenem Blickwinkel auf das Objekt (10) angeordnet werden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert werden, wird auf günstige Weise der Abstand des Objekts in einem weiten Bereich ...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mittels optischer Sender und Empfänger nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 10.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten den Abstand bzw. die Position eines Objektes zu messen. Besonders interessant sind Sensoren, die dies berührungslos von nahezu einer Messposition aus bewerkstelligen können. Wird ein solcher Sensor optisch ausgeführt, so stehen zwei Funktionsprinzipien zur Auswahl. Zum einen eine direkte Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit und zum anderen eine stereoskopische Betrachtung. Diese ist direkt der Natur nachgeahmt. Bekanntlich kann man mit zwei Augen dreidimensional sehen. Üblicherweise erfolgt die Realisierung durch zwei Kamerasysteme, deren Einzelbilder aufwendig verrechnet werden. Im Endeffekt genügt es aber ein Objekt von zwei unterschiedlichen Positionen aus zu betrachten.

Z.B. sind die folgenden optischen Messprinzipien bekannt:

– Lichtlaufzeitmessung
– LIDAR
– Stereoskopische Kamerasysteme
– Gitterlichtschranken
– Triangulationsverfahren

Dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche liegt eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Grunde, wie es aus der WO 01/90770 A1 bekannt ist. Mit zwei phasenweise getaktet betriebenen Lichtquellen und einem Empfänger wird ein optischer Sensor geschaffen, wobei durch taktweises Zuordnen der am Empfänger durch Rückstrahlung oder Rückstreuung eingehenden Signale zu den Sendern eine Position des Objekts winkelabhängig bestimmt werden kann. Sender und Empfänger ergeben zusammen einen Sensor, der einen Blickwinkel auf das Objekt hat, was damit zu nicht eindeutig zuordenbaren Punkten im sensoraktiven Bereich führen kann.

Ein Einsatzbereich für eine derartige Positionsbestimmung ist aus der DE 102 51 133 B3 bekannt, bei der eine Beleuchtungseinrichtung der Bewegung eines Objekts nachgeführt wird. Dabei können sich je nach den Reflexionseigenschaften des hinsichtlich seiner Entfernung zu bestimmenden Objekts unterschiedliche Ergebnisse ergeben, wenn das Objekt z.B. einmal ein schwarzer Handschuh und einmal ein weißer Handschuh ist.

Aus der EP 0 809 120 A2 ist es bekannt, über zwei sich überlappenden Messbereiche optischer Sensoren auf optischem Wege die Winkelbeziehung eines sich nähernden Gegenstandes gegenüber den optischen Sensoren zu bestimmen. Hierzu werden die in den Empfänger gelangenden relativen Signalstärken der beiden optischen Sensoren zueinander ins Verhältnis gesetzt. Ist die Winkelposition bekannt, lässt sich daraus auch die Entfernung des Gegenstands bestimmen. Da der erfasste Wert der Rückstrahlung unmittelbar zur Winkelbestimmung verwendet wird, ergibt sich eine Abhängigkeit der Messwerte vom jeweiligen reflektierenden Gegenstand.

Aus der DE 43 32 022 C2 ist ein Verfahren zum optoelektronischen Erfassen der Winkellage eines Messobjekts bekannt. Der Winkel bezieht sich auf die Drehung um eine Achse, die senkrecht auf der Ebene steht, in der die optische Achse des Empfängers und die wenigstens zwei Lichtquellen liegen. Bei dieser Anordnung kann also nur eine bestimmte Winkellage gemessen werden, wobei ferner Voraussetzung ist, dass das Objekt eine bestimmte Anordnung zur optischen Achse des Empfängers einnimmt.

In dem Verfahren nach der EP 0 895 604 B1 strahlt ein optischer Sender unter sich veränderndem Winkel Licht ab. Aus der Winkelauflösung an Sender und Empfänger wird auf die Lage des Objekts in einem abgespeicherten Feld aus Auflösungszellen geschlossen.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, die auf günstige Weise den Abstand in einem weiten Bereich unabhängig vom Reflexionsgrad des jeweiligen Objekt bestimmen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst.

Der durch die Vorrichtung gebildete Abstandssensor basiert auf der Messung von Reflexionsverhältnissen von verschiedenen Betrachtungspositionen aus, wobei diese über einen weiten Bereich messbar sind. Über eine Verstärkung des für die Positionsbestimmung ausgewerteten Loopsignals einer Regelschleife, die selbst im Rauschsignal versucht, die Regelschleife zu schließen, ist damit selbst bei kurzer Basislinie der Messeinrichtung von z.B. nur 5 cm eine eindeutige Richtungsbestimmung eines Objekts bis in einen Bereich von z.B. 20 m mittels z.B. zweier Sensoren möglich, selbst wenn das Objekt sich während der Positionsbestimmung ändernde Reflexionsverhältnisse aufweist. Der erste optische Sensor bestimmt eine auf weite Sicht eindeutige erste Linie, der zweite Sensor eine zweite Linie, wobei sich das Objekt in bekannter Weise an deren Schnittpunkt befindet. Damit lässt sich im sensoraktiven Bereich ein schwarzer Handschuh genauso erkennen wie ein weißer Handschuh oder ein schlecht reflektierender Wildlederhandschuh. Dies ist zudem im einfachsten Fall mittels nur drei Sendern und einem Empfänger möglich, die die zwei Sensoren bilden.

Durch eine hohe geregelte Loopverstärkung des Regelkreises für die Sendeleistung der optischen Sender kann die Messung auch bei ungünstigen Kontrastverhältnissen von Gegenstand zu Hintergrund durchgeführt werden. Insbesondere arbeitet wenigstens eine der drei Lichtquellen, vorzugsweise aber zwei, nämlich die zwei äußeren Lichtquellen stets mit hoher Leistung und der Empfänger weist eine stets gleich bleibend hohe Verstärkung auf.

Zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt ist der Empfänger vorzugsweise so zwischen den Sendern angeordnet ist, dass diejenigen getakteten Sender, die gemeinsam mit dem Empfänger jeweils einen der wenigstens zwei optischen Sensoren bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die den wenigstens zwei optischen Sensoren zugeordneten Sender jeweils beidseits des vorzugsweise einen Empfängers angeordnet. Die Vorrichtung „sieht" damit das Objekt stereoskopisch.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine erfindungsgemäße Anordnung der Sender und Empfänger einer Messvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung des Regelkreis,
3 eine Darstellung der Positionen gleicher Reflexionen von je zwei Sendern,
4 typische Signalverläufe für die Bewegung eines Objekts parallel zu den Sendern in zwei verschiedenen Abständen,
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Figuren zeigen eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts 10 in Bezug auf eine Messeinrichtung M mit mehreren optischen Sendern 11, 12, 13, 14, die durch eine Taktschaltung 16 getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt 10 aussenden. Die ausgesandte Strahlung wird an dem zu erkennenden Objekt 10 reflektiert und/oder rückgestreut und dann von wenigstens einem Empfänger 15 emp fangen. In 1 bilden die Sender 11 und 13 mit dem Empfänger 15 einen ersten optischen Sensor 20. Ein zweiter optischer Sensor, der nicht mit einem Bezugszeichen versehen ist wird durch die Sender 12 und 14 wiederum mit dem Empfänger 15 gebildet.
Grundsätzlich genügen wenigstens drei optische Sender, um gemeinsam mit dem Empfänger 15 wenigstens zwei optische Sensoren 20 zu bilden. Die im Ausführungsbeispiel vier optischen Sender 11, 12, 13, 14 können auf drei verringert werden, in dem z.B. die optischen Sender 12 und 13 zu einem Sender zusammengelegt werden. Zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt 10 ist der im Ausführungsbeispiel einzige Empfänger 15 so zwischen den Sendern 11, 12, 13, 14 angeordnet, dass diejenigen getakteten Sender 11, 13 bzw. 12, 14, die gemeinsam mit dem Empfänger 15 jeweils einen der optischen Sensoren 20 bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers 15 angeordnet sind.
Eine Auswerteeinheit 30 (2) verstärkt die am Empfänger 15 infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers 22. Aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern 11, 12, 13, 14 zugeordneten Empfangssignalen bildet sie dann abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts 10. Um auch dynamische Änderungen der Position des Objekts 10 im sensoraktiven Bereich wahrnehmen zu können, wird die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt, dass sich am Empfänger ein Differenzsignal aus den wenigstens zwei Messstrecken (z.B. einmal Sender 11 zu Empfänger 15 und einmal Sender 13 zu Empfänger 15) eines optischen Sensors 20 zu Null ergibt.
Über eine Verstärkung des für die Positionsbestimmung ausgewerteten Loopsignals der Regelschleife, die selbst im Rauschsignalbereich noch versucht, die Regelschleife zu schließen, ist damit selbst bei kurzer Basislinie der Messeinrichtung von z.B. nur 5cm eine eindeutige Richtungsbestimmung eines Objekts bis in einen Bereich von z.B. 5 m mittels z.B. zwei Sensoren möglich, selbst wenn das Objekt sich während der Positionsbestimmung ändernde Reflexionsverhältnisse aufweist. Der erste optische Sensor bestimmt eine auf weite Sicht eindeutige erste Linie, der zweite Sensor eine zweite Linie, wobei sich das Objekt in bekannter Weise an deren Schnittpunkt befindet. Dies ist durch eine Verstärkung des Loopsignals bis zu 100 oder 150dB möglich, was eine sehr präzise Richtungsbestimmung möglich macht. Dies ist im einfachsten Fall mittels der nur drei Sender und einem Empfänger möglich, die die zwei Sensoren bilden.
Mit hoher Loopverstärkung der Regelschleife lassen sich selbst sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegender Objekte 10 eliminieren.
Vorzugsweise sind diejenigen Sender 11 oder 13 bzw. 12 oder 14 des jeweiligen Sensors 20, die im gleichen Takt betrieben sind und vorzugsweise paarweise zusammenarbeiten, entweder links oder rechts vom Empfänger 15 angeordnet. Die optischen Sender sind damit asymmetrisch, vorzugsweise spiegelbildlich zum Empfänger 15 angeordnet. Dies erleichtert den Aufbau einer stereoskopischen Betrachtung des Objekts 10. Es ergeben sich damit richtungssensitive optische Sensoren 20 mit einer stereoskopischen Objekterkennung.
In 1 sind die optischen Sender 11, 12, 13, 14 vier modulierte Lichtquellen in Form von LEDs, die zur Bildung der optischen Sensoren 20 mit nur einem Empfänger 15 zusammenwirken. Der Abstandssensor besteht typischerweise aus diesen vier kolinear angeordneten LEDs die als optische Sender betrieben werden. Andere Elemente, die Lichtstrahlen aussenden, können ebenfalls als Sender betrieben werden. In der Mitte der Diodenreihe liegt eine als Empfänger 15 vorgesehene Photodiode. Auch hierfür können andere Empfangselemente verwendet werden. Ein Objekt 10 befindet sich im Ausleuchtungsbereich der vier LEDs. Nimmt man an, dass der Gegenstand aus Sicht der vier LEDs gleichförmige (diffuse) Reflexionseigenschaften aufweist, so gelangt zur Photodiode von jeder LED ein Lichtstrom zurück, der vom Abstand des Gegenstandes oder Objekts 10, seinem Oberflächenreflexionsgrad und der Leistung der LED abhängt.
Unter diesen Umständen würde der Reflexionsgrad des zu bestimmenden Objekts in die Messung eingehen. Um dies zu verhindern, wird die Verstärkung des Vorverstärkers so hoch gewählt, dass ein Gegenstand mit extrem schwacher Reflexion bzw. mit dem am weitesten vorgegebenen Messabstand noch zu einem in der Auswerteeinheit 30 auswertbarem Signal führt. Verständlicherweise liegt daher die Verstärkung sehr hoch, z.B. bei über 80 dB. Bei nur einem getakteten Sender, z.B. der optische Sender 11, würde eine Annäherung des Objekts sehr schnell zu einer Übersteuerung des Vorverstärkers 22 bzw. der Auswerteeinheit 30 führen. Im Ausführungsbeispiel der 1 takten jedoch die beiden optischen Sender 11 und 13 wechselseitig. Am Vorverstärker liegt daher erst einmal der Differenzwert der Reflexion an. Aber auch dieser Differenzwert kann im ungünstigsten Fall zu einer Übersteuerung des Vorverstärkers bzw. der Auswerteeinheit 30 führen. Daher wird im Demodulator 23 das verstärkte Empfangssignal der Photodiode synchron mit dem Systemtakt demoduliert. Die so gewonnene Differenzinformation wird vom Regler 32 zur Regelung der optischen Sender 11 und 13 herangezogen. Dabei arbeitet diese Regelung so, dass der Differenzwert an der Photodiode zu Null geregelt wird. Die Verstärkung des Regelkreises kann z.B. wiederum über 80 dB liegen, so dass sich für die Gesamtloopschleife eine Regeldynamik von über 160 dB ergibt. Daher ist es verständlich, dass auch schwache Signale am Rand der Rauschschwelle noch zu einem korrekten Loopregelwert führen. Zur Positionsbestimmung wird nun ausschließlich der Regelwert für wenigstens einen der optischen Sender 11, 13 herangezogen.
Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass in einem vorgegebenen Messraum für nahezu jeden beliebigen Gegenstand eine genaue Position bestimmt werden kann, ohne dass Größe oder Oberflächereflexion des zu bestimmenden Gegenstands in die Messung eingehen und ohne dass bei übermäßiger Annäherung des Objekts durch dessen starke Reflexion die Photodiode oder der Vorverstärker in die Begrenzung gefahren werden können.
Bewegt sich nun ein Objekt 10 entlang einer Linie oder Kurvenbahn auf die Messvorrichtung M zu, stellen sich unabhängig vom Reflexionsgrad, der sich während der Bewegung ändern kann, eindeutige und zuverlässige Empfangssignale ein, die eine exakte Winkel- und damit Positionsbestimmung ermöglichen. Weiter führen hinsicht lich ihres Reflexionsgrads verschiedene Objekte, die sich auf derselben Linie oder Bahn im sensoraktiven Bereich der Messvorrichtung bewegen, zu gleichen Ergebnissen, so dass sich reflexionsunabhängig die Position bestimmen lässt.
Durch zeitsequentielles Einschalten der vier LEDs erhält man vier Teilinformationen. Im System liegen die folgenden Unbekannten vor:

1. Leistung der LEDs
2. Reflexionsgrad des Objekts 10
3. Lotabstand des Objekts 10 von der LED-Linie (y-Koordinate)
4. Abstand des Objekts 10 vom Lot auf die Photodiode (x-Koordinate)

Es gibt also die gleiche Anzahl von Unbekannten wie von Messungen, wodurch das System vollständig bestimmt ist. Zusätzlich sind die beiden Unbekannten 1 und 2 nicht von Interesse. Die vier Empfangsleistungen ϕ_PD können wie folgt beschrieben werden, wobei d_i den geradlinigen Abstand der Sende-Diode i vom Objekt 10, d_PD den geradlinigen Abstand des Empfängers 15 vom Objekt 10 beschreibt und feine monotone Funktion ist, die die optische Dämpfung in Abhängigkeit vom Weg wiedergibt. Es gilt mit ρ der Reflexionseigenschaft und ϕ_LED der Abstrahllichtleistung: ϕPD(LED1) = ρ·ϕLED·f(d1)·f(dPD) (Gleichung 1) ϕPD(LED2) = ρ·ϕLED·f(d2)·f(dPD) (Gleichung 2) ϕPD(LED3) = ρ·ϕLED·f(d3)·f(dPD) (Gleichung 3) ϕPD(LED4) = ρ·ϕLED·f(d4)·f(dPD) (Gleichung 4)
Wie aus den Gleichungen 1 bis 4 zu sehen, treten die beiden nicht interessierenden Unbekannten ρ und ϕ_LED multiplikativ auf. Es liegt also nahe, diese durch Division zu entfernen. Um numerische Probleme bei der Division zu verhindern, werden nicht einfach zwei Empfangssignale dividiert, sondern das Verhältnis eines Empfangssignals zur Summe zweier Signale gebildet.
und
Die beiden Messsignale S1 und S2 in den Gleichungen 5 und 6 sind unabhängig von der LED-Leistung und den Eigenschaften des Objekts 10 und dem Abstand von der Photodiode bzw. dem Empfänger 15. Sie hängen nur noch von der Position des Objekts in den Koordinaten x und y ab. Die Position des Objekts wird also in S1/S2-Koordinaten beschrieben. Diese können in die kartesischen x und y Koordinaten umgerechnet werden.
Bis jetzt wurde für die Funktion f nur vorausgesetzt, dass sie monoton ist. Es gelangt umso mehr Licht von einer LED (also von einem Sender 11, 12, 13, 14 zum Empfänger 15 je kleiner d ist. Offensichtlich erhält S1 den Wert½, wenn das Objekt 10 den gleichen Abstand von den beiden LEDs 1 und 3 hat. Günstigerweise werden die benötigten Signale S1 und S2 jeweils direkt aus einer Messung gewonnen. Zur Messung von S1 takten die beiden Sender 11 und 13 gegenphasig mit einem Rechtecksignal zueinander. Am Empfänger 15 kommt das Überlagerungssignal aus beiden Sendesignalen an. Ein Regler 32 steuert die Sendeamplituden so, dass der Empfänger 15 kein Wechselsignal sieht, wobei die Nebenbedingung eingehalten wird, dass die Summe der beiden Amplituden stets gleich sind. Dieses HALIOS^®-Prinzip ist aus der EP 0 706 648 B1 bekannt. Da der Photodiodenempfänger nur noch ermitteln muss, welcher Sender 11, 12, 13, 14 in seiner Leistung überwiegt, kann seine Verstärkung beliebig hoch gewählt werden, wodurch auch schlecht reflektierende Gegenstände erkannt werden.
Unter Benutzung von Gleichung 1 und 3 ergibt sich mit dem Regelziel des gleichen Empfangssignals: ϕPD(LED1) = ϕPD(LED3) Gleichung 7 ρ·ϕLED1·f(d1)·f(dPD) = ρ·ϕLED3·f(d3)f(dPD) Gleichung 8
Daraus folgt: ϕLED1·f(d1) = ϕLED3·f(d3) Gleichung 9
Mit der Nebenbedingung ϕLED1 + ϕLED3 = ϕmax Gleichung 10folgt
Gleichung 11 ist strukturell identisch mit Gleichung 5. Somit ist der eingestellte Betriebsstrom von LED1 bzw. das Verhältnis des Betriebsstroms von LED1 zu LED3 ein Maß für das Signal S1.
2 verdeutlicht den Regelkreis. Der Taktgenerator 16 erzeugt zwei um 180° phasenverschobene Rechtecksignale, die zu den LED-Treibern 18, 19 gelangen. Die Photodiode, der Empfänger 15, empfängt die vom Objekt 10 reflektierte additive Überlagerung der beiden Signale und gibt diese an den Bandpassfilter und Vorverstärker 22 mit hoher Verstärkung ab. Dieses Empfangssignal gelangt zum Demodulator 23, der die Phasenlage des Empfangssignals ermittelt und dieses Ergebnis an den Regler 32 weitergibt. Die beiden zueinander inversen Ausgangssignale des Reglers 32 steuern die LED-Treiber 18, 19 an, wodurch der Regelkreis geschlossen ist.
Dieses Messverfahren weist gegenüber der bekannten Messung der Lichtstärke am Empfänger die folgenden Vorteile auf:

– Die Eigenschaften des Empfängers 15, wie Drift, Alterung, Verschmutzung beeinflussen die Messung nicht.
– Da der Empfänger 15 stets eine hohe Wechselstromverstärkung aufweisen kann, können auch schwach reflektierende Objekte 10 gut gemessen werden.
– Da das Verhältnis der Regelgrößen von verschiedenen Sendesignalen ausgewertet wird, ist dieses unabhängig vom Reflexionsgrad des Objekts 10.

Das Abstandsignal wird wie folgt gewonnen: Die genaue Abhängigkeit der beiden Signale S1 und S2 von der Gegenstandsposition hängt von der Anordnung der LEDs und deren Abstrahlcharakteristik ab. Auch ohne Kenntnis der genauen Gegebenheiten lassen sich im Aufbau aus 1 drei Positionen finden, die gemäß 3 allein auf gleichen Reflexionen beruhen. In 4 sind typische Signalverläufe für die Bewegung eines Objekts 10 parallel zu den Sendern 11, 12, 13, 14 in zwei verschiedenen Abständen dargestellt. Die Position des Objekts 10 ist in der relativen Lage der beiden Signale zueinander enthalten. Die Reflexionskraft des Objekts hat keinen Einfluss auf das Messergebnis. Weiter können zur Kostenersparnis die optischen Sender 12,13 zu einer einzigen Lichtquelle zusammengefasst werden, die dann in der Nähe des Empfängers z.B. außerhalb der ersten Linie angeordnet sein kann.
Vorzugsweise sind die optischen Sender 11, 12, 13, 14 und der Empfänger 15 auf einer Linie 17 mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet. Soll eine dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts 10 erreicht werden, können weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet sein, die vorzugsweise die erste Linie 17 schneidet.
Beim Betrieb des jeweiligen optischen Sensors 20 werden wenigstens je zwei Sender 11, 13 bzw. 12, 14 so geregelt moduliert, dass sich am Empfänger 15 ein Gleichsignal ergibt. Vorzugsweise wird das Regelsignal 31 als Positionssignal verwendet. Die Empfangssignale oder die daraus gewonnenen Regelsignale 31 werden zu einem Abstand verrechnet. Vorzugsweise arbeiten die Sender im nahen Infrarotbereich. Die einem optischen Sensor zugeordneten vorzugsweise jeweils zwei Lichtquellen werden so geregelt moduliert, dass sich am Empfänger ein Gleichsignal ergibt. Zur Berechnung der Gegenstandsposition kann ein neuronales Netz verwendet werden.

10: Objekt
11,12,13,14: Sender
15: Empfänger
16: Taktgenerator
17: Linie
18, 19: LED-Treiber
20: optischer Sensor
22: Vorverstärker/Bandpassfilter
23: Demodulator
30: Auswerteeinheit
31: Regelsignal
32: Regler
M: Messeinrichtung

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung (M) mit mehreren optischen Sendern (11, 12, 13, 14), die durch eine Taktschaltung (16) getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden, und mit wenigstens einem Empfänger (15), der die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen empfängt, wobei Sender und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden, sowie mit einer Auswerteeinheit (30), die die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers (22) verstärkt und aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11, 12, 13, 14) zugeordnete Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei optische Sender (11, 12, 13, 14) mit dem Empfänger (15) wenigstens zwei optische Sensoren (20) zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt (10) bilden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (15) so zwischen den Sendern (11, 12, 13, 14) angeordnet ist, dass diejenigen getakteten Sender (11, 13 bzw. 12, 14), die gemeinsam mit dem Empfänger (15) jeweils einen der optischen Sensoren (20) bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (11, 12, 13, 14) asymmetrisch zum Empfänger (15), vorzugsweise spiegelbildlich zum Empfänger angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Sender (11, 13 bzw. 12, 14) des jeweiligen Sensors (20), die im gleichen Takt betrieben sind, entweder links oder rechts vom Empfänger (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren (20) richtungssensitiv eine stereoskopische Objekterkennung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11, 12, 13, 14) vier modulierte Lichtquellen sind, die zur Bildung der optischen Sensoren (20) mit nur einem Empfänger (15) zusammenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen paarweise zur Bildung je eines optischen Sensors (20) mit dem Empfänger (15) zusammenwirken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11, 12, 13, 14) und der Empfänger (15) auf einer Linie (17) mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts (10) weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung (M) mit mehreren optischen Sendern (11, 12, 13, 14), die durch eine Taktschaltung (16) getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden, und mit wenigstens einem Empfänger (15), der die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen empfängt, wobei Sender (11, 12, 13, 14) und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden, sowie mit einer Auswerteeinheit (30), die die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers (22) verstärkt und aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11, 12, 13, 14) zugeordnete Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei optische Sensoren (20), die durch wenigstens drei optische Sender (11, 12, 13, 14) und den Empfänger (15) gebildet werden, unter verschiedenem Blickwinkel auf das Objekt (10) angeordnet werden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleiteten Signale die Regelsignale zur Regelung der Sendeleistung der optischen Sender sind.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (15) so zwischen den Sendern (11, 12, 13, 14) angeordnet wird, dass diejenigen getakteten Sender (11, 13 bzw. 12, 14), die gemeinsam mit dem Empfänger (15) jeweils einen der optischen Sensoren (20) bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers (15) angeordnet sind
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die richtungssensitiven optischen Sensoren (20) das Objekt (10) stereoskopisch erkennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11, 12, 13, 14) vier modulierte Lichtquellen sind, die zur Bildung der optischen Sensoren (20) mit nur einem Empfänger (15) zusammenwirken.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen paarweise zur Bildung je eines optischen Sensors (20) mit dem Empfänger (15) zusammenwirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11, 12, 13, 14) und der Empfänger (15) auf einer Linie (17) mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts (10) weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des jeweiligen optischen Sensors (20) wenigstens je zwei Sender (11, 13 bzw. 12, 14) so geregelt moduliert werden, dass sich am Empfänger (15) ein Gleichlichtsignal ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsignal (31) als Positionssignal verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsignale (31) zu einem Abstand verrechnet werden.