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Die Erfindung betrifft ein Positionsbestimmungssystem mit einer 3D-TOF-Kamera und ihr zugeordneten aktiven Beleuchtung sowie ein Verfahren zur Positionsbestimmung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der
DE 297 24 884 U1 ist ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug bekannt, dass zur Ausrichtung eines am Fahrzeug verstellbar angeordneten Bearbeitungsgeräts Daten einer Satellitennavigations-Empfangseinheit verwendet. Zur Bestimmung der Position und Lage des Bearbeitungsgeräts sind an Referenzpunkten des Bearbeitungsgeräts Empfangsantennen der Satelliten-Empfangseinheit angeordnet. Um die Genauigkeit der Ortsbestimmung zu verbessern, ist es vorgesehen, zusätzlich zum Satelliten-GPS-Signal ein zweites terrestrisches GPS-Signal mit Hilfe einer Basisstation zu erzeugen. Die Position der ortsfesten Basisstation ist bekannt, so dass aus der Differenz beider GPS-Signale die Satellitennavigations-Empfangseinheit die Position des Bearbeitungsgerätes im terrestrischen Bezugssystem sehr genau bestimmen kann.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of-flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
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Mit Licht-Laufzeitmesssystem sollen insbesondere auch alle 3D-TOF-Kamerasystem mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-TOF-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in den Anmeldungen
DE 196 35 932 ,
EP 1 777 747 ,
US 6 587 186 und auch
DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D101/M01594 zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein 3D-TOF-Kamerasystem für eine Positionsbestimmung weiter zu entwickeln.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Positionsbestimmungssystem mit einer an einem Fahrzeug angeordneten 3D-TOF-Kamera und einer zugehörigen aktiven Beleuchtung vorgesehen, bei dem eine der 3D-TOF-Kamera zugeordneten Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer erfassten Detektionsmarke mit bekannter Position und einer zweiten erfassten bekannten Position, insbesondere der Startposition des Fahrzeugs und/oder einer zweiten Detektionsmarke, eine Position und eine Ausrichtung des Fahrzeugs in einem Bezugssystem ermittelt wird. Dieses Vorgehen hat den besonderen Vorteil, dass eine gegebenenfalls bereits am Fahrzeug für die Raumüberwachung angeordnete 3D-TOF-Kamera auch für die Bestimmung der Position und Ausrichtung des Fahrzeugs bzw. einer Erntemaschine herangezogen werden kann.
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Die Detektionsmarken sind vorteilhaft mit einem Reflektor versehen oder als Ganzes als Reflektor ausgebildet. Die Ausgestaltung der Detektionsmarke mit einem Reflektor hat insbesondere den Vorteil, dass das Licht der aktiven Beleuchtung intensiv in Richtung der 3D-TOF-Kamera zurückreflektiert wird und dadurch mit hoher Sicherheit die Detektionsmarke von der übrigen Szenerie unterschieden werden kann.
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Zweckmäßiger Weise sind verschiedenen Detektionsmarken definierte optische Eigenschaften zugeordnet, sodass jede einzelne Detektionsmarke eindeutig von anderen Detektionsmarken unterscheidbar ist.
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Vorteilhaft ist für jede optische Eigenschaft im System eine Kodierung hinterlegt, sodass eine entsprechend ausgestaltete Auswerteeinheit anhand der erfassten optischen Eigenschaften der Detektionsmarke die zugrunde liegende Kodierung bestimmen kann. Die Kodierung kann beispielsweise die genaue Position der Detektionsmarke umfassen.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit für die Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Fahrzeugs zusätzlich eine aktuelle Raumlage bzw. Bewegung des Fahrzeugs berücksichtigt. Die Raumlage bzw. die Bewegungen des Fahrzeugs können gegebenenfalls mit Hilfe weiterer Sensoren am Fahrzeug ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die 3D-TOF-Kamera beweglich am Fahrzeug angeordnet, so dass auch bei einem Einsatz bzw. Bewegen des Fahrzeuges in vorteilhafter Weise wenigstens eine Detektionsmarke im Erfassungsbereich der 3D-TOF-Kamera liegt. Durch ein derartiges Vorgehen ist sichergestellt, dass auch nach einer erstmaligen Positions- und/oder Lagebestimmung des Fahrzeugs Position, Lage und Bewegung des Fahrzeugs ermittelt werden kann.
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Weiterhin ist vorteilhaft ein Verfahren zur Positionsbestimmung für ein Positionsbestimmungssystem nach der vorgenannten Art vorgesehen, bei dem anhand einer erfassten Detektionsmarke mit bekannter Position und einer zweiten erfassten Position insbesondere der Startposition des Fahrzeugs und/oder einer zweiten Detektionsmarke eine Position und eine Ausrichtung des Fahrzeugs in einem Bezugssystem ermittelt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
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2 schematisch eine Arbeitsmaschine in einem Feldbereich mit Detektionsmarken,
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3 schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung,
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4 eine Positionsbestimmung innerhalb geschlossener Räume,
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5 verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von Detektionsmarken.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem 3D-TOF-Kamerasystem, wie es beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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Das 3D-TOF-Kamerasystem umfasst hier eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 100 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 50 sowie eine Empfangseinheit bzw. 3D-TOF-Kamera 200 mit einer Empfangsoptik 150 und einem Fotosensor 15. Der Fotosensor 15 ist vorzugsweise als Pixel-Array, insbesondere als PMD-Sensor, ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 50 der Sendeeinheit 100 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasendifferenz des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle und der Fotosensor 15 über einen Modulator 18 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 20 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Fotosensor 15. Im Photosensor 15 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 18 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
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2 zeigt schematisch eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine 500 in einer Startposition 490 in einem Feldbereich 450. Die Ecken des rechteckigen Feldbereichs 450 sind mit Detektionsmarken 400 gekennzeichnet. Die Arbeitsmaschine 500 ist im dargestellten Fall so ausgerichtet, dass der Erfassungsbereich E der 3D-TOF-Kamera 200 zwei Detektionsmarken 400 erfasst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Positionsmarken außerhalb des zu bearbeitenden Feldes an geografisch genau bestimmten Positionen anzuordnen. Vorzugsweise weisen die Detektionsmarken unterschiedliche optische Eigenschaften auf, anhand derer eine bestimmte Detektionsmarke eindeutig erkannt werden kann. Eine derartige Kodierung ist beispielsweise über die Größe, Geometrie, Reflektivität, Rückstreufunktion, Polarisation, etc. möglich. Vorteilhaft ist zumindest ein Teilbereich der Detektionsmarke als Reflektor ausgebildet.
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3 zeigt das grundlegende Prinzip der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung. Wie bereits in 2 gezeigt befindet sich die Arbeitsmaschine an einem Startpunkt 490. Die an dem Fahrzeug angeordnete 3D-TOF-Kamera 200 erfasst eine erste und zweite Detektionsmarke 401, 402 mit bekannter geografischer Position. Die 3D-TOF-Kamera 200 ist an dem Fahrzeug 500 definiert montiert, sodass die von der 3D-TOF-Kamera erfassten Winkelbeziehungen eindeutig mit dem Bezugssystems des Fahrzeugs in Verbindung gebracht werden können. Die 3D-TOF-Kamera erlaubt es nun, Abstand und Winkel der Detektionsmarken in Relation zum Bezugssystem des Fahrzeugs zu ermitteln und auf das Bezugssystem der Detektionsmarken übertragen, so dass die Position und auch Ausrichtung des Fahrzeugs 500 im Bezugssystem der Detektionsmarken bestimmbar ist.
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Die erste Detektionsmarke 401 wird ausgehend vom Bezugssystem des Fahrzeugs bzw. der 3D-TOF-Kamera 200 unter einem Winkel W01 und einem Abstand D01 erfasst und die zweite Detektionsmarken 402 in einem Winkel W02 und in einem Abstand D02. Bereits aus dem bekannten Detektionsmarkenabstand D12 und den beiden Abständen zu den Detektionsmarken kann die Position des Fahrzeugs eindeutig bestimmt werden, wobei bereits durch Hinzunahme eines einzigen Winkels auch die Lage in Relation zum Bezugssystem der Detektionsmarken bestimmbar ist. Die Kenntnis eines zweiten Winkels erlaubt es, in vorteilhafter Weise die Position und auch die Lage der Arbeitsmaschine genauer zu bestimmen. Die Genauigkeit kann weiter verbessert werden, wenn das Fahrzeug zu Beginn eines Arbeitseinsatzes an eine Startposition gebracht wird, deren geografische bzw. terestrische Position eindeutig bekannt ist. Eine solche Startposition könnte beispielsweise durch eine Ecke des zu bearbeitenden Feldes gekennzeichnet sein, in die die Arbeitsmaschine zu Beginn des Arbeitseinsatzes in Position gebracht wird. Ist diese Startposition eingenommen, könnte beispielsweise der Fahrer über eine Taste dem Positionsbestimmungssystems das Einnehmen dieser Startposition mitteilen und eine entsprechende Kalibrierung des Systems veranlassen.
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Ausgehend von diesen anfänglich genau kalibrierten Positionen können im weiteren Arbeitseinsatz die übrigen Positionen im Feld exakt angefahren werden. Weiterhin ist es von Vorteil, im weiteren Arbeitsbetrieb zur Erhöhung der Genauigkeit und Sicherheit der Positionsbestimmung weitere durchaus redundante Daten zu erfassen, wie beispielsweise die zurückgelegte Wegstrecke oder auch die Ausrichtung des Fahrzeugs in Längs-, Quer-, und/oder Vertikalachse des Bezugssystems.
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In 4 ist eine vergleichbare Situation für ein Flurfahrzeug 460 dargestellt, bei dem die Detektionsmarken innerhalb eines geschlossenen Raumes beispielsweise an den Wänden des Raumbereiches angeordnet sind. Die Detektionsmarken sind vorzugsweise wie im vorgenannten Beispiel kodiert, so dass die Detektionsmarken eindeutig in ihrem Bezugssystem zugeordnet werden können. Im dargestellten Beispiel ist der Erfassungsbereich der 3D-TOF-Kamera 200 auf zwei nebeneinander angeordneten Detektionsmarken 400 gerichtet, sodass gemäß der bereits in 3 dargestellten geometrischen Überlegungen die Position und Ausrichtung des Flurfahrzeugs 460 eindeutig bestimmbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es denkbar, eine größere Anzahl von Detektionsmarken beispielsweise in einem Lagerbereich anzuordnen, sodass sichergestellt ist, dass in dem Erfassungsbereich der 3D-TOF-Kamera immer eine definierte Detektionsmarke auffindbar ist. Ein derart ausgestalteter Arbeitsbereich erlaubt es, zu jedem Zeitpunkt Ort und Raumlage des Arbeitsgerätes eindeutig zu bestimmen. Aufgrund dieser vollständigen Raum- und Lageinformationen ist es ohne weiters möglich, ein solches Fahrzeug für einen autonomen bzw. führerlosen Betriebs in seinem Arbeitsbereich auszustatten.
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In der 5 sind beispielhaft verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von Detektionsmarken dargestellt. Im linken Beispiel ist eine erste Detektionsmarke 401 mit einem einzigen Reflektionsfeld 410 dargestellt. In der zweiten Ausführung 402 befinden sich am oberen Ende ein großes Reflektionsfeld 410 und beabstandet darunter ein kleineres Reflektionsfeld 411. Die Anordnung ist vorzugsweise so gewählt, dass die vom 3D-TOF-Kamerasystem emittierte Strahlung an den Reflektionsflächen zurückgestrahlt wird und durch die 3D-TOF-Kamera eindeutig und auch beabstandet erfasst werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, den unterschiedlichen Reflektionsmarken unterschiedliche optische Eigenschaften zu geben. Im rechts dargestellten Beispiel ist vorgeschlagen, die Detektionsmarken auch ohne Träger zu verwenden. Die Kodierung kann hier beispielsweise so erfolgen, dass eine erste Detektionsmarke 403 vollflächig reflektiert während eine zweite Detektionsmarke 402 Bereiche mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist.
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Des Weiteren ist es selbstverständlich möglich, mit dem am Fahrzeug angeordneten 3D-TOF-Kamerasystem auch die räumliche Szenerie zu beobachten und beispielsweise anhand der erfassten Daten weitere Steuerungsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise ist es mit Hilfe dieses Systems ohne weiteres möglich, Hindernisse im Fahrbereich des Fahrzeugs zu erkennen und gegebenenfalls sicherheitsrelevant darauf zu reagieren.
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Des Weiteren ist es auch möglich anhand der dreidimensionalen Erfassung der Umgebung auch die Konturen eines Erntegutschwades zu erfassen und eine entsprechende Unterstützung des Fahrers bereitzustellen oder gar das Fahrzeug autonom zu steuern.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, die 3D-TOF-Kamera beweglich am Fahrzeug anzuordnen. So ist eine Position und Bestimmung der Ausrichtung des Fahrzeugs auch dann möglich, wenn zunächst nur eine Detektionsmarke im Erfassungsbereich der 3D-TOF-Kamera erfasst wird. Durch Bewegen der Kamera besteht die Möglichkeit die Umgebung nach weiteren Detektionsmarken abzutasten und gegebenenfalls weitere erfasste Detektionsmarke mit bekannter Position dem System zur Verfügung zu stellen.
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Bei der Verwendung von mehr als zwei Detektionsmarken erlaubt die, vorzugsweise um 360° um die senkrechte Achse bewegliche, 3D-TOF-Kamera alle im Umfeld befindlichen Detektionsmarken zu erfassen und bei der Bestimmung der Position und Lage des Fahrzeugs zu berücksichtigen.
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Beim Bewegen des Fahrzeugs erlaubt eine derartige Anordnung, dass der Erfassungsbereich der 3D-TOF-Kamera immer so nachgeführt wird, dass wenigstens eine Detektionsmarke im Sichtbereich der 3D-Kamera befindet.
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Selbstverständlich ist es auch vorteilhaft möglich, mehrere 3D-TOF-Kameras vorzusehen, beispielsweise um mit der einen Kamera vorzugsweise das Umfeld in Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu beobachten, während die zweite 3D-TOF-Kamera vorzugsweise für die Positionsbestimmung eingesetzt wird. Prinzipiell können jedoch auch beide oder mehrer 3D-TOF-Kameras redundant eingesetzt werden.
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Des Weiteren ist es auch denkbar, durch geeignete optische Systeme oder der Verwendung mehrerer 3D-TOF-Kameras eine dreidimensionale Rundumsicht bereit zu stellen, ohne dass eine mechanische Bewegung erfolgen muss.
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In Ergänzung zu der in 2 und 3 dargestellten Situation ist es auch denkbar, die Lage und Position des Fahrzeugs nur anhand einer Detektionsmarke und einer wohlbekannten Startposition 490 zu ermitteln. Hierzu muss sichergestellt werden, dass die Startposition exakt eingenommen werden kann. Nach Übermittlung der Startposition an das Positionsbestimmungssystems und Erfassen einer Detektionsmarke mit bekannter Position lassen sich Ausrichtung und Position des Fahrzeugs eindeutig bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29724884 U1 [0002]
- DE 19635932 [0004]
- EP 1777747 [0004]
- US 6587186 [0004]
- DE 19704496 [0004, 0021]
