DE102008013947A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Relativbewegung eines Objektes (4) zu einer Bezugsfläche (7). Die Relativbewegung wird mittels n an dem Objekt (4) in einer Zeile (20) angeordneten Fotosensoren (18) erfasst, die die Helligkeitswerte der Bezugsfläche (7) detektieren. Die n Fotosensoren (18) der Zeile (20) sind in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt, die eine Strecke si definieren. Dabei gehören jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen mi, mi+1 m-1 Fotosensoren (18) an.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein zugehöriges Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene optische Messverfahren bekannt, mit denen die Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einer Bezugsfläche berührungslos ermittelt werden können, etwa das Korrelationsverfahren oder das Ortsfrequenzfilterverfahren.
  • Nach dem Korrelationsverfahren wird eine Bezugsfläche mit einer zufälligen Struktur auf einen optischen Empfänger, etwa eine Kamera abgebildet. Wird die Kamera relativ zu der Bezugsfläche bewegt, dann ändert sich der Bildinhalt gegenüber dem Inhalt des vorhergehenden Bildes. Über eine so genannte Korrelationsanalyse lassen sich die Bilder bezüglich geeigneter, extrahierter Merkmale der Bezugsflächenstruktur miteinander vergleichen, um die zurückgelegte Wegstrecke eines Objektes relativ zu der Bezugsfläche und gegebenenfalls eine Rotation des Objektes zu ermitteln. Aus der ermittelten Wegstrecke Δx kann dann über die Zeit Δt zwischen den beiden Bildern und den einfachen Zusammenhang v = Δx/Δt auch die entsprechende Geschwindigkeit v ermittelt werden.
  • In EP 1 067 388 A1 ist ein sehr aufwendiges Korrelationsverfahren dieser Art beschrieben, bei dem die Korrelation zwischen den Bildern zweier Kameras unter Berücksichtigung der Triangulation berechnet wird. Ein derartiges Korrelationsverfahren geht bekanntlich mit einem relativ großen Rechenaufwand und daher auch mit einer relativ großen Rechenzeit einher. Da die vollständige Berechnung einer Korrelation zeitaufwendig ist, werden meist Näherungen der Korrelation berechnet.
  • Nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren hingegen, das im Unterschied zum Korrelationsverfahren messtechnisch vergleichsweise einfach zu realisieren ist, wird eine Bezugsfläche mit einer zufälligen Struktur auf einen Fotosensor abgebildet und dabei mit einer gitterförmig periodischen Struktur überlagert, die in Bezug auf ein relativ zu einer Bezugsfläche bewegtes Objekt ortsfest ist und als Ortsfrequenzfilter fungiert, welches der Maskierung des Streulichts im Messvolumen dient. Bei einer Bewegung des Fotosensors relativ zu der Bezugsfläche wird ein schmalbandiges, geschwindigkeitsabhängiges Signal erzeugt, das neben niederfrequenten Änderungen auch eine Modulation aufweist, deren Frequenz f0 (maximale Frequenz des zeitlichen Frequenzspektrums) ein Maß für die Geschwindigkeit des Objekt relativ zu der Bezugsfläche ist und einen eindeutigen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit längs der Ausrichtung der Gitterstruktur, einer Gitterkonstanten der Gitterstruktur und dem Abbildungsmaßstab einer abbildenden Optik aufweist und dabei proportional zur Geschwindigkeit ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es für niedrige Geschwindigkeiten versagt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messverfahren bereit zu stellen, das minimale Anforderungen an die Messtechnik im Hinblick auf den Rechenaufwand und die Rechenzeit stellt und dabei hinreichend genau die Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche erfasst. Ferner soll das optische Messverfahren auch für niedrige Geschwindigkeiten verwendbar sein.
  • Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit zu stellen.
  • Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und Anspruch 8 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 19.
  • Bei einer Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einer Bezugsfläche, mit n in einer Zeile angeordneten Fotosensoren, die, an dem Objekt angeordnet, die Helligkeitswerte der mit einem Licht bestrahlten Bezugsfläche detektieren, sieht die Erfindung vor, dass die n Fotosensoren der Zeile in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren unterteilt sind, die eine Strecke si definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (mi, mi+1)m – 1 Fotosensoren angehören.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mithin n in einer Zeile angeordnete Fotosensoren, die, an einem Objekt angeordnet, über ein Objektiv die Helligkeitswerte einer mit einem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlten Bezugsfläche detektieren. Erfindungsgemäß sind die n Fotosensoren der Zeile derart verschaltet bzw. unterteilt, dass sie Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren bilden, die eine Strecke si definieren. Zwei aufeinander folgenden Gruppen mi, mi+1, gehören dabei jeweils m – 1 Fotosensoren gemeinsam an.
  • In den einzelnen Gruppen mi sind dabei mindestens m = 3, vorzugsweise m = 4 oder m = 6 Fotosensoren vorgesehen.
  • Sofern wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren pro Gruppe mi vorgesehen sind, können diese in Summationsgruppen mis unterteilt sein.
  • Als verwendbare Fotosensoren kommen alle nach dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Empfänger zur optischen Strahlungsmessung in Frage, so zum Beispiel Fotodioden oder so genannte CCDs (Charge Coupled Devices) und dergleichen. Die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Fotosensoren kann dabei beliebig sein.
  • Die Fotosensoren können in einem Abstand aufeinander folgend in der Zeile angeordnet sein. Allerdings ist eine derart aufeinander folgende Anordnung der Fotosensoren aufgrund der zufälligen Struktur der Bezugsfläche nicht zwingend erforderlich. Vielmehr können die Fotosensoren innerhalb der Zeile eine beliebige Anordnung aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Zeilen mit jeweils n Fotosensoren zu mindestens einer Matrix zusammengefasst. Eine derartige Anordnung der Zeilen ermöglicht nicht nur die Erfassung der Relativbewegung des Objektes zur Bezugsfläche in Längsrichtung der Zeilen, sondern vielmehr auch die Erfassung einer Rotationsbewegung des Objektes.
  • Die Fotosensoren sind vorzugsweise in einen anwenderspezifischen IC (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) bzw. digitalen Baustein integriert, der eine nach Kundenwunsch ausgelegte Schaltung enthält.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes relativ zu einer Bezugsfläche, bei dem mittels n an dem Objekt in einer Zeile angeordneten Fotosensoren die Helligkeitswerte der mit einem Licht bestrahlten Bezugsfläche detektiert werden, ist vorgesehen,
    • – dass die Fotosensoren der Zeile in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren unterteilt werden, die eine Strecke si definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (mi, mi + 1)m – 1 Fotosensoren angehören,
    • – dass in einer ersten Position der Zeile mittels der einzelnen Gruppen mi die Helligkeitswerte der Bezugsfläche detektiert werden und
    • – dass nach der Detektion in den einzelnen Gruppen mi eine Modulationsfunktion der Frequenz f bestimmt wird, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke Si beschreibt, wobei mit der Anpassung der Modulationsfunktion an die Helligkeitswerte ein Parameterpaar li, φi bestimmt wird, so dass für die Zeile insgesamt n – m + 1 Parameterpaare li, φi bestimmt werden, die ein Vektorfeld Vj für die erste Position der Zeile definieren,
    • – dass in einer zweiten Position der Zeile in analoger Weise ein Vektorfeld Vj + 1 mit insgesamt n – m + 1 Parameterpaaren li, φi für die zweite Position bestimmt wird und
    • – dass aus dem Vergleich des Vektorfeldes Vj der ersten Position mit dem Vektorfeld Vj + 1 der zweiten Position die Relativbewegung des Objektes zu der Bezugsfläche bestimmt wird.
  • In einer ersten Position der Zeile relativ zu der Bezugsfläche werden mittels der einzelnen Gruppen mi, beginnend mit einer Gruppe, die einen Startpunkt definiert, aufeinander folgend die Helligkeitswerte der Bezugsfläche entlang der Zeile detektiert. Der Bezugsfläche soll eine zufällige Struktur zugrunde liegen. Für die in den einzelnen Gruppen mi erzeugten elektrischen Signale wird dann eine Modulationsfunktion mit einer Frequenz f ausgewählt und verwendet, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke si annähernd beschreibt. Es sei in diesem Zusammenhang an dieser Stelle auf die Fouriertheorie verwiesen, auf die nachfolgend nicht eingegangen wird. Für die gewählte Frequenz f erhält man für jede Gruppe mi ein Parameterpaar li, φi, das man als den Betrag und die Richtung eines Vektors beschreibend auffassen kann. Für die Zeile werden somit maximal n – m + 1 Vektoren (li, φi){(l1, φ1), (l2, φ2), (l3, φ3) ...} bestimmt, die ein Vektorfeld Vj für die erste Position j = 1 der Zeile definieren.
  • Die Modulation erfolgt dabei vorzugsweise mit der periodischen Funktion l(mi) = l0 + l1·sin(2π·f·x + φi).
  • Dann wird in einer zweiten Position der Zeile relativ zu der Bezugsfläche in analoger Weise ein Vektorfeld Vj+1 mit maximal n – m + 1 Parameterpaaren (li, φi) bestimmt, das die zweite Position der Zeile definiert.
  • Aus der Korrelation der beiden Vektorfelder Vj, Vj+1 wird dann die Relativbewegung des Objektes zu der Bezugsfläche bestimmt. Als zu korrelierende Merkmale kommen dabei die Vektoren (li, φi) bzw. deren Beträge li, und/oder deren Richtungen φi in Frage.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Kombination der beiden eingangs erwähnten Messverfahren (Korrelations- und Ortsfrequenzfilterverfahren) dar. Aber im Unterschied zu diesen beiden Verfahren geht das erfindungsgemäße Verfahren mit einem wesentlich geringeren Rechenaufwand und somit einer wesentlich geringeren Rechenzeit einher. Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zum Ortsfrequenzfilterverfahren auch zur Erfassung geringer Relativgeschwindigkeiten des Objektes zur Bezugsfläche.
  • Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zu den beiden bekannten Verfahren messtechnisch einfach realisierbar. Dieser Umstand prädestiniert das erfindungsgemäße Verfahren für diverse technische Anwendungen, zumal dessen messtechnische Umsetzung kostengünstig realisierbar ist.
  • Aus der Korrelation der beiden Vektorfelder Vj, Vj+1 lassen sich zwei grundsätzliche Vorgehensweisen zur Bestimmung der Relativbewegung ableiten, die Vorgehensweise nach dem Differenzenverfahren sowie die Vorgehensweise nach dem Phasenverfahren. Diese beiden Vorgehensweisen lassen sich aber auch miteinander kombinieren.
  • Dass erfindungsgemäß in den einzelnen Gruppen mi mindestens m = 3 Fotosensoren verwendet werden, ergibt sich aus der Betrachtung der zuvor genannten Sinusfunktion, mit der die Helligkeitswerte der einzelnen Gruppen mi entlang der Strecke si beschrieben werden.
  • Die Verteilung der Helligkeitswerte entlang der Strecke si lässt sich gemäß der Sinusfunktion als eine Schwingung der Helligkeitswerte mit der Amplitude li um den Mittelwert l0 auffassen, der jedoch als solcher für das erfindungsgemäße Verfahren wegen der dem Differenzenverfahren, das im Folgenden noch beschrieben wird, zugrunde liegenden Differenzenbildung unberücksichtigt bleibt bzw. ohne Bedeutung ist. Diese Sinusschwingung weist zudem eine Phasenverschiebung φi gegenüber einem Nullpunkt auf, die nach dem Phasenverfahren ausgewertet werden kann.
  • Würden etwa nur m = 2 Fotosensoren die Strecke si definieren, dann ließen sich nach dem Differenzenverfahren infolge der Differenzenbildung zwar Helligkeitswerte li, aber keine Richtungswerte φi bilden. Bei m = 3 Fotosensoren pro Gruppe mi ergibt sich theoretisch eine Änderung der Phase φi im Mittel beim Übergang von einer Gruppe mi zu einer darauf folgenden Gruppe mi+1 von 360°/m = 3, also 120°. Entsprechend ergibt sich bei m = 4 Fotosensoren pro Gruppe mi theoretisch eine Änderung der Phase φi im Mittel um 90° und bei m = 6 Fotosensoren eine mittlere Änderung um 60°. Zur Vermeidung von Phasensprüngen kann es vorteilhaft sein, über mehrere Perioden zu mitteln.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Zeilen mit jeweils n Fotosensoren zu mindestens einer Matrix zusammengefasst, um, wie bereits erwähnt, neben der Erfassung der Relativbewegung des Objektes zur Bezugsfläche in Längsrichtung der Zeilen auch die Erfassung einer Rotationsbewegung des Objektes zu ermöglichen.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung, die an einem schematisch dargestellten Fahrzeug angebracht ist,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Fotosensoren, die dem in der 1 schematisch dargestellten Sensor entsprechen, und
  • 3 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Fotosensoren, wobei die einzelnen Zeilen der Matrix der in der 2 dargestellten Zeile entsprechen.
  • Die 1 veranschaulicht die Implementierung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 16 in ein Fahrzeug 4, das sich relativ zu einer Fahrbahn 6 in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit v(t) bewegt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 16 umfasst eine der Einfachheit halber hier nicht dargestellte Lichtquelle, die einen Bereich 9 der Fahrbahnoberfläche 7 in einem Winkel bestrahlt. Eine Sammellinse 12 bildet die von dem Bereich 9 reflektierte Strahlung über einen Spiegel 10 auf einen Fotosensor 14 ab.
  • Nach der in der 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14n in einer Zeile angeordnete optische Empfänger, die als Fotodioden 18 ausgebildet und in einem definierten Abstand aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die einzelnen Fotodioden 18 sind dabei derart verschaltet, dass sie Gruppen mi mit jeweils m = 6 Fotosensoren 18 bilden. Zwei aufeinander folgenden Gruppen mi, mi+1 gehören dabei jeweils m – 1, also 5 Fotodioden 18 gemeinsam an. Dies entspricht einer Verschiebung von Gruppe mi zu Gruppe mi+1 entlang der Zeile 20 um eine Fotodiode 18.
  • Nach der in der 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14n zu einer Matrix 22 zusammengefasste Zeilen 20.
  • Den beiden Ausführungsformen ist gemein, dass die Fotodioden 18 auf einem anwenderspezifischen IC bzw. digitalen Baustein, einem so genannten ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integriert sind, der eine nach Kundenwunsch ausgelegte Schaltung enthält.
  • Nach einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14 eine Vielzahl von zu einer Matrix zusammengefassten Zeilen.
  • Die m Fotodioden der Gruppen mi nehmen die Helligkeitswerte entlang einer Strecke si auf. Ihnen zugeordnet ist eine Ortsfrequenz f = 1/si. Die höchste darstellbare Ortsfrequenz erhält man für m = 3. Werden größere m-Werte gewählt, um die Strecken si zu bilden, dann können die f-Werte größer als 1/si gewählt werden. Dies entspricht einer Mittelung über mehrere Perioden entlang der Strecke si. In diesem Fall sind die Fotodioden der Zeilen in Summationsgruppen mis unterteilt, wobei für die gewählten Ortsfrequenzen f optimale Parameter li und φi gesucht werden, die die Helligkeitsverteilung entlang der Strecke si insgesamt optimal beschreiben.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der Relativbewegung des Fahrzeugs 4 zu der Fahrbahnoberfläche 7 beschrieben.
  • Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der das Differenzenverfahren zugrunde liegt, werden in einer ersten Position der Zeile 20 relativ zu der Fahrbahnoberfläche 7 mittels der einzelnen Gruppen mi(m1, m2, m3, ...) beginnend mit der Gruppe m1 am äußersten linken Ende der Zeile 20, die als solche einen Startpunkt definiert, aufeinander folgend die Helligkeitswerte der Bezugsfläche 7 entlang der Zeile 20 detektiert. Anschließend wird für die in den einzelnen Gruppen mi erzeugten elektrischen Signale, die die Helligkeitswerte der Bezugsfläche repräsentieren, durch Optimieren der Parameter li und φi eine Modulation mit der periodischen Funktion l(mi) = l0 + li·sin(2π·f·x + φi)bestimmt, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke si beschreibt. Das Parameterpaar li und φi kann man dabei als Amplitude und Richtung bzw. Phase eines Vektors auffassen. Für jede Gruppe mi resultiert somit für die gewählte Modulationsfrequenz f ein Vektor (li, φi,), so dass entlang der Zeile 20 maximal n – m + 1 Vektoren (li, φi){(l1, φ1), (l2, φ2), (l3, φ3), (ln-m+1, φn-m+1)} bestimmt werden können, die ein Vektorfeld Vi = V1 für die erste Position der Zeile 20 definieren.
  • Anschließend wird in einer zweiten Position der Zeile 20 in analoger Weise ein Vektorfeld Vj+1 = V2 mit wiederum maximal n – m + 1 Vektoren (li, φi){(l1, φ1), (l2, φ2), (l3, φ3), ... (ln-m+1,n-m+1)} für die zweite Position bestimmt. Schließlich wird aus der Korrelation der beiden Vektorfelder Vj, Vj+1 die Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 nach dem Differenzenverfahren wie folgt bestimmt.
  • Um die Zugehörigkeit des Vektors (li, φi) zum Vektorfeld Vj zu kennzeichnen wird im Folgenden die Schreibweise (lj,i, φj,i) verwendet. Die Beträge lj,i des ersten Vektorfeldes Vj werden von den Beträgen lj+1,i des zweiten Vektorfeldes Vj+1 subtrahiert. Anschließend werden die Beträge Dji der Differenzen zu einem Gesamtfehler D0 addiert und durch die Anzahl der Differenzbeträge bzw. Differenzterme normiert. In der Regel wird man für die Differenzbildung das zeitlich nächste Vektorfeld Vj+1 wählen, wobei man aber auch ein zeitlich wesentlich weiter entfernt liegendes Vektorfeld Vj+k wählen könnte.
  • Alternativ können die Dji auch dadurch gebildet werden, dass die Vektoren (lj,i, φj,i) vektoriell von den Vektoren (lj+1,i, φj+1,i) subtrahiert werden und anschließend Dji als der Betrag dieser Differenzvektoren gewählt wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der höhere Rechenaufwand.
  • Zeitgleich zu dieser Differenzenbildung werden weitere Differenzenbildungen zwischen dem ersten Vektorfeld Vj und dem zweiten Vektorfeld Vj+1 durchgeführt. Während bei der ersten Differenzbildung die Vektorpaare (lji, φji) und (lj+1,i, φj+1,i) miteinander verglichen werden, werden die Differenzen Dji nach den beschriebenen Verfahren jetzt zwischen den Vektorpaaren (lj,i, φj,i) und (lj+1,i+A, φj+1,i+A) gebildet, um analog zum Gesamtfehler D0 einen Gesamtfehler DA zu bestimmen. Dies entspricht einem Vergleich der Gruppe mi des Vektorfeldes Vj mit der Gruppe mi+A des Vektorfeldes Vj+1, die gegen die Gruppe mi um A Fotodioden verschoben ist.
  • Parallel dazu wird diese Berechnung für mindestens eine weitere Verschiebung A2 wiederholt, um einen zusätzlichen Gesamtfehler DA2 zu bestimmen. Sofern es unbekannt ist, welches Vorzeichen die Verschiebung hat, dann wird man in der Regel A2 = –A wählen.
  • Der Abstand A wird dabei abhängig von der Größe der zwischen den beiden Detektionszeitpunkten vollführten Relativbewegung festgelegt und entspricht einer Verschiebung der Gruppen mi des ersten Vektorfeldes Vj gegenüber dem Vektorfeld Vj+1 um A Fotosensoren 18.
  • Aus den Gesamtfehlern D0, DA, DA2 und evtl. weiteren Gesamtfehlerwerten D(Ak) wird schließlich eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 bestimmt. Trägt man die Gesamtfehler D0(A = 0), DA(A = A), DA2(A = A2) und evtl. weitere Gesamtfehler D(Ak) als Funktion von A auf, dann erhält man eine Funktion, die in der Umgebung des Punktes A = 0, der der gesuchten Verschiebung entspricht, einen parabelförmigen Verlauf zeigt. Der Scheitelpunkt der Parabel, die als solche mittels mindestens dreier Punkte bestimmt werden kann, entspricht der besagten durchschnittlichen Relativbewegung in Einheiten der Diodenbreite. Mittels der Geometrie der verwendeten Fotodioden und deren optischer Abbildung ist die Strecke bekannt, die einer Diodenbreite entspricht. Damit lässt sich die Verschiebung Δx berechnen.
  • Die auf diese Weise bestimmte Relativbewegung entspricht dabei der Bewegung des Sensors 14 in Längsrichtung der Zeile 20. Werden mehrere Zeilen verwendet, dann lassen sich aus dieser Bewegung nach der Vektorrechnung auch Bewegungen in einem Winkel zur Zeilenlängsrichtung ermitteln.
  • Mittels der zwischen den beiden Positionen V1, V2 liegenden Zeit Δt kann dann über den einfachen Zusammenhang v = Δx/Δt auch die durchschnittliche Geschwindigkeit v in Längsrichtung der Zeile 20 bestimmt werden.
  • Nach der in der 3 dargestellten Ausbildung des Sensors 14 in Form einer Matrix lassen sich nicht nur Relativbewegung des Objektes 4 zur Bezugsfläche 7 in Längsrichtung der Zeilen, sondern vielmehr auch Rotationsbewegung des Objektes 4 erfassen.
  • Nach dem Phasenverfahren wird die Änderung der Phasen φj,i ausgewertet, die sich durch eine Verschiebung ergibt. Beim Übergang von einer Gruppe mi auf die Gruppe mi+1 ändert sich der Betrag des Vektors lj,i nur geringfügig, zumal beiden Gruppen m – 1 Fotodioden gemeinsam angehören. Dessen Richtung φj,i hingegen verändert sich beim Übergang von der Gruppe mi auf die Gruppe mi+1 im Mittel um den Winkel 2π/m. Aufgrund der 2π-Periodizität der Sinusfunktion können bei der Bestimmung der Richtung φj,i zudem Phasensprünge auftreten, was zu Mehrdeutigkeiten führen kann. Die Phase φj,i ist bis auf k·2·π(k = ... –1, 0, 1, 2, ...) bestimmt. Indem man über alle Gruppen mi eine Mittelung über alle Phasen φj,i derart durchführt, das die mittlere Phasenänderung zwischen zwei aufeinander folgende Gruppen mi und mi+1 ebenso berücksichtigt wird wie evtl. vorliegende Phasensprünge, kann man dem Vektorfeld und damit der Position eine Gesamtphase φ zuordnen, die ein Maß für die Position ist.
  • Bemisst man die Zeitspanne zwischen den beiden aufeinander folgenden Vektorfeldern Vj und Vj+1 derart kurz, dass die Verschiebung gegenüber der Referenzfläche gering ist, dann unterscheiden sich auch die Phasen φj,i und φj+1,i nur geringfügig. Die Verschiebung entspricht dann der Phasendifferenz φj+1,i – φj,i. Zur Reduzierung der Messfehler wird man zweckmäßigerweise wieder über alle Phasendifferenzen mitteln. Auch hier können wieder Mehrdeutigkeiten auftreten. Deshalb sollte die zwischen zwei Detektionen zweier aufeinander folgender Vektorfelder Vj und Vj+1 liegende Zeit derart bemessen sein, dass sich die Richtungen φj,i und φj+1,i beim Übergang vom Vektorfelder Vj auf das Vektorfeld Vj+1 im Mittel um deutlich weniger wie +/–π ändern.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der das Phasenverfahren zugrunde liegt, werden, beginnend mit der Gruppe m1 am äußersten linken Ende der Zeile 20, die als solche einen Startpunkt definiert, entlang der Zeile 20 die Teilrichtungen φi der einzelnen Gruppen mi zur Gesamtrichtung φ aufsummiert. Da die Gesamtrichtung bzw. Gesamtphase φ zur Relativbewegung proportional ist, kann aus der Gesamtphase φ die Relativbewegung bestimmt werden, sofern die zu einer Relativbewegung gehörende Phasenänderung bekannt ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden das Differenzenverfahren und das Phasenverfahren miteinander kombiniert.
  • Sowohl das Differenzenverfahren als auch das Phasenverfahren sind technisch einfach realisierbar.
  • Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Man erkennt jedoch, dass die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Relativbewegung eines Objektes 4 gegenüber einer Bezugsfläche 7 betrifft. Die Relativbewegung wird mittels n an dem Objekt 4 in einer Zeile 20 angeordneten Fotosensoren 18 erfasst, welche die Helligkeitswerte der Bezugsfläche 7 detektieren. Die n Fotosensoren 18 der Zeile 20 sind in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren 18 unterteilt, die eine Strecke si definieren. Dabei gehören jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen mi, mi+1 m – 1 Fotosensoren 18 an.
  • Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
  • 2
    Anordnung von Fahrzeug und Messvorrichtung
    4
    Fahrzeug
    6
    Fahrbahn
    7
    Fahrbahnoberfläche
    8
    reflektierter Lichtstrahl
    9
    Abbildungsbereich
    10
    Spiegel
    12
    Sammellinse
    14
    Fotosensor
    16
    Messvorrichtung
    18
    Fotodiode
    20
    Fotodiodenzeile
    22
    Fotodiodenmatrix
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1067388 A1 [0004]

Claims (19)

  1. Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes (4) zu einer Bezugsfläche (7), mit n in einer Zeile (20) angeordneten Fotosensoren (18), die, an dem Objekt (4) angeordnet, die Helligkeitswerte der mit einem Licht bestrahlten Bezugsfläche (7) detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die n Fotosensoren (18) der Zeile (20) in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt sind, die eine Strecke si definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (mi, mi+1)m – 1 Fotosensoren (18) angehören.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind und dass die Fotosensoren (18) der jeweiligen Gruppen mi in Summationsgruppen mis unterteilt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) in einem Abstand aufeinander folgend angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zeilen (20) mit jeweils n Fotosensoren (18) zu mindestens einer Matrix (22) zusammengefasst sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) auf einem anwenderspezifischen IC (ASIC) integriert sind.
  8. Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes (4) zu einer Bezugsfläche (7), bei dem mittels n an dem Objekt (4) in einer Zeile (20) angeordneten Fotosensoren (18) die Helligkeitswerte der mit einem Licht (8) bestrahlten Bezugsfläche (7) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) der Zeile (20) in Gruppen mi mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt werden, die eine Strecke si definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (mi, mi+1)m – 1 Fotosensoren (18) angehören, dass in einer ersten Position der Zeile (20) mittels der einzelnen Gruppen mi die Helligkeitswerte der Bezugsfläche (7) detektiert werden und dass nach der Detektion in den einzelnen Gruppen mi eine Modulationsfunktion der Frequenz f bestimmt wird, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke si beschreibt, wobei mit der Anpassung der Modulationsfunktion an die Helligkeitswerte ein Parameterpaar li, φi bestimmt wird, so dass für die Zeile (20) insgesamt n – m + 1 Parameterpaare li, φi bestimmt werden, die ein Vektorfeld Vj für die erste Position der Zeile (20) definieren, dass in einer zweiten Position der Zeile (20) in analoger Weise ein Vektorfeld Vj+1 mit insgesamt n – m + 1 Parameterpaaren li, φi für die zweite Position bestimmt wird und dass aus dem Vergleich des Vektorfeldes Vj der ersten Position mit dem Vektorfeld Vj+1 der zweiten Position die Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mit der Funktion l(mi) = l0 + li·sin(2π·f·x + φi) beschrieben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren lj,i, φj,i des ersten Vektorfeldes Vj vektoriell von den Vektoren lj+1,i, φj+1,i des darauf folgend erzeugten, zweiten Vektorfeldes Vj+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge Dji der Differenzvektoren zu einem Gesamtfehler D0 addiert werden und der Gesamtfehler D0 durch die Anzahl der Differenzterme normiert wird, und dass zeitgleich zur Differenzenbildung mindestens zwei weitere Differenzenbildungen zwischen dem ersten Vektorfeld Vj und dem zweiten Vektorfeld Vj+1 durchgeführt werden, wobei die Differenzen Dji in analoger Weise zwischen den Vektorpaaren (lji, φji) und (lj+1,i+A, φj+1,i+A) und zum anderen zwischen den Vektorpaaren (lji, φji) und (lj+1,i+A2, φj+1,i+A2) gebildet werden, um analog zum Gesamtfehler D0 weitere Gesamtfehler DA und DA2 zu bestimmen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Beträge lj,i des ersten Vektorfeldes Vj von den Beträgen lj+1,i(+A/A2) des zweiten Vektorfeldes Vj+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge Dji der Differenzen zu einem Gesamtfehler D0/A/A2 addiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände A, A2 abhängig von der zwischen den beiden Detektionen liegenden Zeit festgelegt werden und einer Verschiebung zwischen den zu vergleichenden Gruppen mi der Vektorfelder Vj und Vj+1 um A und A2 Fotosensoren (18) entsprechen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens drei Gesamtfehlern D0, DA, DA2 eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, beginnend mit der Gruppe mi, aus den Teilrichtungen φi der einzelnen Gruppen mi die Gesamtrichtung φ bestimmt wird, die zur Relativbewegung gehört und zu dieser proportional ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei Detektionen zweier aufeinander folgender Gruppen liegende Zeit derart bemessen wird, dass sich die Gesamtrichtung φ beim Übergang von dem Vektorfeld Vj zu dem Vektorfeld Vj+1 im Mittel um weniger als +/–π ändert.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen mi wesentlich mehr als drei Fotosensoren (18) vorgesehen werden und dass die Fotosensoren (18) in Summationsgruppen mis unterteilt werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zeilen (20) mit jeweils n Fotosensoren (18) zu mindestens einer Matrix (22) zusammengefasst werden.
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