DE102008013947A1

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

Info

Publication number: DE102008013947A1
Application number: DE200810013947
Authority: DE
Inventors: Ubbo Prof. Dr. Ricklefs; Stefan Charisse
Original assignee: Fachhochschule Giessen Friedberg
Current assignee: Technische Hochschule Mittelhessen 35390 Gies De; Technische Hochschule Mittelhessen De
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: WO2009112260A1; DE102008013947B4

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 m_i mit jeweils m Fotosensoren unterteilt sind, die eine Strecke s_i definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m_i, m_i+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 m_i mit jeweils m Fotosensoren bilden, die eine Strecke s_i definieren. Zwei aufeinander folgenden Gruppen m_i, m_i+1, gehören dabei jeweils m – 1 Fotosensoren gemeinsam an.
In den einzelnen Gruppen m_i sind dabei mindestens m = 3, vorzugsweise m = 4 oder m = 6 Fotosensoren vorgesehen.
Sofern wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren pro Gruppe m_i vorgesehen sind, können diese in Summationsgruppen m_is 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 m_i, 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 m_i erzeugten elektrischen Signale wird dann eine Modulationsfunktion mit einer Frequenz f ausgewählt und verwendet, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke s_i 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 m_i ein Parameterpaar l_i, φ_i, das man als den Betrag und die Richtung eines Vektors beschreibend auffassen kann. Für die Zeile werden somit maximal n – m + 1 Vektoren (l_i, φ_i){(l₁, φ₁), (l₂, φ₂), (l₃, φ₃) ...} bestimmt, die ein Vektorfeld V_j 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 V_j+1 mit maximal n – m + 1 Parameterpaaren (l_i, φ_i) bestimmt, das die zweite Position der Zeile definiert.
Aus der Korrelation der beiden Vektorfelder V_j, V_j+1 wird dann die Relativbewegung des Objektes zu der Bezugsfläche bestimmt. Als zu korrelierende Merkmale kommen dabei die Vektoren (l_i, φ_i) bzw. deren Beträge l_i, und/oder deren Richtungen φ_i 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 V_j, V_j+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 m_i mindestens m = 3 Fotosensoren verwendet werden, ergibt sich aus der Betrachtung der zuvor genannten Sinusfunktion, mit der die Helligkeitswerte der einzelnen Gruppen m_i entlang der Strecke s_i beschrieben werden.
Die Verteilung der Helligkeitswerte entlang der Strecke s_i lässt sich gemäß der Sinusfunktion als eine Schwingung der Helligkeitswerte mit der Amplitude l_i 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 φ_i gegenüber einem Nullpunkt auf, die nach dem Phasenverfahren ausgewertet werden kann.
Würden etwa nur m = 2 Fotosensoren die Strecke s_i definieren, dann ließen sich nach dem Differenzenverfahren infolge der Differenzenbildung zwar Helligkeitswerte l_i, aber keine Richtungswerte φ_i bilden. Bei m = 3 Fotosensoren pro Gruppe m_i ergibt sich theoretisch eine Änderung der Phase φ_i im Mittel beim Übergang von einer Gruppe m_i zu einer darauf folgenden Gruppe m_i+1 von 360°/m = 3, also 120°. Entsprechend ergibt sich bei m = 4 Fotosensoren pro Gruppe m_i theoretisch eine Änderung der Phase φ_i 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 m_i mit jeweils m = 6 Fotosensoren 18 bilden. Zwei aufeinander folgenden Gruppen m_i, m_i+1 gehören dabei jeweils m – 1, also 5 Fotodioden 18 gemeinsam an. Dies entspricht einer Verschiebung von Gruppe m_i zu Gruppe m_i+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 m_i nehmen die Helligkeitswerte entlang einer Strecke s_i auf. Ihnen zugeordnet ist eine Ortsfrequenz f = 1/s_i. Die höchste darstellbare Ortsfrequenz erhält man für m = 3. Werden größere m-Werte gewählt, um die Strecken s_i zu bilden, dann können die f-Werte größer als 1/s_i gewählt werden. Dies entspricht einer Mittelung über mehrere Perioden entlang der Strecke s_i. In diesem Fall sind die Fotodioden der Zeilen in Summationsgruppen m_is unterteilt, wobei für die gewählten Ortsfrequenzen f optimale Parameter l_i und φ_i gesucht werden, die die Helligkeitsverteilung entlang der Strecke s_i 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 m_i(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 m_i erzeugten elektrischen Signale, die die Helligkeitswerte der Bezugsfläche repräsentieren, durch Optimieren der Parameter l_i und φ_i eine Modulation mit der periodischen Funktion l(mi) = l0 + li·sin(2π·f·x + φi)bestimmt, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke s_i beschreibt. Das Parameterpaar l_i und φ_i kann man dabei als Amplitude und Richtung bzw. Phase eines Vektors auffassen. Für jede Gruppe m_i resultiert somit für die gewählte Modulationsfrequenz f ein Vektor (l_i, φ_i,), so dass entlang der Zeile 20 maximal n – m + 1 Vektoren (l_i, φ_i){(l₁, φ₁), (l₂, φ₂), (l₃, φ₃), (l_n-m+1, φ_n-m+1)} bestimmt werden können, die ein Vektorfeld V_i = V₁ für die erste Position der Zeile 20 definieren.
Anschließend wird in einer zweiten Position der Zeile 20 in analoger Weise ein Vektorfeld V_j+1 = V₂ mit wiederum maximal n – m + 1 Vektoren (l_i, φ_i){(l₁, φ₁), (l₂, φ₂), (l₃, φ₃), ... (l_n-m+1,n-m+1)} für die zweite Position bestimmt. Schließlich wird aus der Korrelation der beiden Vektorfelder V_j, V_j+1 die Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 nach dem Differenzenverfahren wie folgt bestimmt.
Um die Zugehörigkeit des Vektors (l_i, φ_i) zum Vektorfeld V_j zu kennzeichnen wird im Folgenden die Schreibweise (l_j,i, φ_j,i) verwendet. Die Beträge l_j,i des ersten Vektorfeldes V_j werden von den Beträgen l_j+1,i des zweiten Vektorfeldes V_j+1 subtrahiert. Anschließend werden die Beträge D_ji 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 V_j+1 wählen, wobei man aber auch ein zeitlich wesentlich weiter entfernt liegendes Vektorfeld V_j+k wählen könnte.
Alternativ können die D_ji auch dadurch gebildet werden, dass die Vektoren (l_j,i, φ_j,i) vektoriell von den Vektoren (l_j+1,i, φ_j+1,i) subtrahiert werden und anschließend D_ji 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 V_j und dem zweiten Vektorfeld V_j+1 durchgeführt. Während bei der ersten Differenzbildung die Vektorpaare (l_ji, φ_ji) und (l_j+1,i, φ_j+1,i) miteinander verglichen werden, werden die Differenzen D_ji nach den beschriebenen Verfahren jetzt zwischen den Vektorpaaren (l_j,i, φ_j,i) und (l_j+1,i+A, φ_j+1,i+A) gebildet, um analog zum Gesamtfehler D₀ einen Gesamtfehler D_A zu bestimmen. Dies entspricht einem Vergleich der Gruppe m_i des Vektorfeldes V_j mit der Gruppe m_i+A des Vektorfeldes V_j+1, die gegen die Gruppe m_i um A Fotodioden verschoben ist.
Parallel dazu wird diese Berechnung für mindestens eine weitere Verschiebung A2 wiederholt, um einen zusätzlichen Gesamtfehler D_A2 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 m_i des ersten Vektorfeldes V_j gegenüber dem Vektorfeld V_j+1 um A Fotosensoren 18.
Aus den Gesamtfehlern D₀, D_A, D_A2 und evtl. weiteren Gesamtfehlerwerten D(A_k) wird schließlich eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 bestimmt. Trägt man die Gesamtfehler D₀(A = 0), D_A(A = A), D_A2(A = A₂) und evtl. weitere Gesamtfehler D(A_k) 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 φ_j,i ausgewertet, die sich durch eine Verschiebung ergibt. Beim Übergang von einer Gruppe m_i auf die Gruppe m_i+1 ändert sich der Betrag des Vektors l_j,i nur geringfügig, zumal beiden Gruppen m – 1 Fotodioden gemeinsam angehören. Dessen Richtung φ_j,i hingegen verändert sich beim Übergang von der Gruppe m_i auf die Gruppe m_i+1 im Mittel um den Winkel 2π/m. Aufgrund der 2π-Periodizität der Sinusfunktion können bei der Bestimmung der Richtung φ_j,i zudem Phasensprünge auftreten, was zu Mehrdeutigkeiten führen kann. Die Phase φ_j,i ist bis auf k·2·π(k = ... –1, 0, 1, 2, ...) bestimmt. Indem man über alle Gruppen m_i eine Mittelung über alle Phasen φ_j,i derart durchführt, das die mittlere Phasenänderung zwischen zwei aufeinander folgende Gruppen m_i und m_i+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 V_j und V_j+1 derart kurz, dass die Verschiebung gegenüber der Referenzfläche gering ist, dann unterscheiden sich auch die Phasen φ_j,i und φ_j+1,i nur geringfügig. Die Verschiebung entspricht dann der Phasendifferenz φ_j+1,i – φ_j,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 V_j und V_j+1 liegende Zeit derart bemessen sein, dass sich die Richtungen φ_j,i und φ_j+1,i beim Übergang vom Vektorfelder V_j auf das Vektorfeld V_j+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 φ_i der einzelnen Gruppen m_i 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 m_i mit jeweils m Fotosensoren 18 unterteilt, die eine Strecke s_i definieren. Dabei gehören jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen m_i, m_i+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
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1067388 A1 [0004]

Claims

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 m_i mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt sind, die eine Strecke s_i definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m_i, m_i+1)m – 1 Fotosensoren (18) angehören.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind und dass die Fotosensoren (18) der jeweiligen Gruppen m_i in Summationsgruppen m_is unterteilt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) in einem Abstand aufeinander folgend angeordnet sind.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) auf einem anwenderspezifischen IC (ASIC) integriert sind.
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 m_i mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt werden, die eine Strecke s_i definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m_i, m_i+1)m – 1 Fotosensoren (18) angehören, dass in einer ersten Position der Zeile (20) mittels der einzelnen Gruppen m_i die Helligkeitswerte der Bezugsfläche (7) detektiert werden und dass nach der Detektion in den einzelnen Gruppen m_i eine Modulationsfunktion der Frequenz f bestimmt wird, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke s_i beschreibt, wobei mit der Anpassung der Modulationsfunktion an die Helligkeitswerte ein Parameterpaar l_i, φ_i bestimmt wird, so dass für die Zeile (20) insgesamt n – m + 1 Parameterpaare l_i, φ_i bestimmt werden, die ein Vektorfeld V_j für die erste Position der Zeile (20) definieren, dass in einer zweiten Position der Zeile (20) in analoger Weise ein Vektorfeld V_j+1 mit insgesamt n – m + 1 Parameterpaaren l_i, φ_i für die zweite Position bestimmt wird und dass aus dem Vergleich des Vektorfeldes V_j der ersten Position mit dem Vektorfeld V_j+1 der zweiten Position die Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mit der Funktion l(m_i) = l₀ + l_i·sin(2π·f·x + φ_i) beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren l_j,i, φ_j,i des ersten Vektorfeldes V_j vektoriell von den Vektoren l_j+1,i, φ_j+1,i des darauf folgend erzeugten, zweiten Vektorfeldes V_j+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge D_ji 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 V_j und dem zweiten Vektorfeld V_j+1 durchgeführt werden, wobei die Differenzen D_ji in analoger Weise zwischen den Vektorpaaren (l_ji, φ_ji) und (l_j+1,i+A, φ_j+1,i+A) und zum anderen zwischen den Vektorpaaren (l_ji, φ_ji) und (l_j+1,i+A2, φ_j+1,i+A2) gebildet werden, um analog zum Gesamtfehler D₀ weitere Gesamtfehler D_A und D_A2 zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Beträge l_j,i des ersten Vektorfeldes V_j von den Beträgen l_j+1,i(+A/A2) des zweiten Vektorfeldes V_j+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge D_ji der Differenzen zu einem Gesamtfehler D_0/A/A2 addiert werden.
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 m_i der Vektorfelder V_j und V_j+1 um A und A2 Fotosensoren (18) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens drei Gesamtfehlern D₀, D_A, D_A2 eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, beginnend mit der Gruppe m_i, aus den Teilrichtungen φ_i der einzelnen Gruppen m_i die Gesamtrichtung φ bestimmt wird, die zur Relativbewegung gehört und zu dieser proportional ist.
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 V_j zu dem Vektorfeld V_j+1 im Mittel um weniger als +/–π ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m_i wesentlich mehr als drei Fotosensoren (18) vorgesehen werden und dass die Fotosensoren (18) in Summationsgruppen m_is unterteilt werden.
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.