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Die Erfindung betrifft eine Laserscanner-Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur dreidimensionalen berührungslosen Umgebungserfassung mit einer solchen Laserscanner-Einrichtung.
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Das Einsatzgebiet moderner Laserscannersysteme ist heutzutage vielfältig. Sie werden insbesondere dafür verwendet, Entfernungen zu anderen Objekten festzustellen, zur Hinderniserkennung, Objekterkennung und zur Erfassung einer dreidimensionalen Abbildung der räumlichen Umgebung. Dies ist besonders bei sicherheitskritischen Anwendungen besonders relevant, wie z. B. bei der Steuerung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAV – Unmanned Aerial Vehicle), bei denen eine visuell gestützte Umweltwahrnehmung gefordert wird.
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Laserscannersysteme, die sowohl im 2D- als auch im 3D-Bereich arbeiten, basieren meist auf einer von zwei Techniken. Bei der ersten Variante wird eine Laserlichtquelle verwendet, deren Licht über mechanisch bewegte Spiegel und/oder Gelenke in dem umgebenden Raum verstreut werden. So wird z. B. ein zweidimensionaler Scanvorgang über die Verwendung eines Spiegels, der durch einen mechanischen Antrieb bewegt wird, oder einen mechanischen Antrieb, der die Laserquelle bewegt, realisiert. Zur Erzeugung einen dreidimensionalen Scans sind zwei Antriebe notwendig.
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Bei der zweiten Variante werden mehrere Lichtquellen bzw. Laser auf einer Achse montiert, so dass grundsätzlich bei einem zweidimensionalen Scan kein Verschwenken bzw. Verstreuen des Laserlichtes erforderlich wird. Dies hat zum einen den großen Vorteil, dass sich dadurch die Scangeschwindigkeit erhöht, jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die Technik aufwendiger, teuer und groß ist, was sich insbesondere im Bereich der unbemannten Luftfahrzeuge negativ auswirkt. Um ein dreidimensionales Bild zu erhalten, ist es noch möglich, die auf der Achse montierten Laserstrahlen-Emissionsquelle entlang des Lotes dieser Achse zu schwenken, was zu dem so genannten ”Fan-Beam” führt.
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Neben diesen dreidimensionalen Laserscannersystemen, die auf mehr als einer Licht- bzw. Laserquelle beruhen, besteht noch die Möglichkeit, die weit verbreiteten 2D-Zeilenlaserscanner, die nur auf einer einzigen Lichtquelle beruhen, durch zusätzliche Spiegel oder Gelenke so zu erweitern, dass die Erstellung von dreidimensionalen Scanbildern ermöglicht wird. Die Verwendung von 2D-Zeilenlaserscanner zur Erstellung eines 3D-Scanbildes hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass aufgrund des geringen Gewichtes und der akzeptablen Größe sowie den relativ geringen Kosten gegenüber den reinen 3D-Laserscannern die Anwendungsbereiche wesentlich erweitert werden, so dass solche Systeme z. B. auch in einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) zwecks Umweltwahrnehmung Anwendung finden kann. So ist z. B. in ”Whalley, N.; et. al.: Design and flight test results for a hemispherical ladar developed to support unmanned rotorcraft urban operations research, Aeroflightdynamics Directorate (AMRDEC) US Army Research, Development & Engineering Command Ames Research Center, San Jose State Foundation Ames Research Center, Perot Systems Government Services Ames Research Center, Feb. 2008” ein unbemannter Hubschrauber beschrieben, der mittels eines rotierenden 2D-Zeilenlaserscanners einen dreidimensionalen Scan durchführen kann.
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Um aus einem 2D-Zeilenlaserscanner einen dreidimensionalen Scan zu erhalten, gibt es grundsätzlich zwei Varianten, um den zweidimensionalen Emissionsbereich in die dritte Dimension zu erweitern. Bei der ersten Variante, wie sie in ”Wulf, O.; Wagner, B.: Fast 3d scanning methods for laser measurement systems in International Conference an Control Systems and Computer Science, volume 14, July 2003”, beschrieben wird, wird der gesamte Laserkopf bzw. die Laserstrahlen-Emissionsvorrichtung derart bewegt, dass der Laserstrahl in einem dreidimensionalen Scanbereich emittiert wird. So besteht z. B. die Möglichkeit, den Laserkopf auf der x-Achse des Laserstrahls derart aufzuhängen, dass er eine Mitbewegung ausführt und somit den zweidimensionalen Zeilenscan in die dritte Dimension transformiert (Pitching Scan, Variante A). Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Laser bzw. die Laserstrahlen-Emissionsvorrichtung kontinuierlich zu rotieren, so dass sich ein halbkugelförmiger bzw. kugelförmiger 3D-Scanbereich ergibt (Roling Scan, Variante B). Beim so genannten Roling Scan ist der 3D-Scanbereich dabei davon abhängig, in welcher Achse der Laserkopf rotierend aufgehängt wird.
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Die zweite Variante, um aus einem 2D-Zeilenlaserscanner einen 3D-Scan zu erhalten, besteht dabei darin, die emittierten Laserstrahlen an einem mehrseitig rotierenden Polygonspiegel reflektieren zu lassen, so dass der 2D-Zeilenscan in die dritte Dimension transformiert wird. Eine solche Kombination aus 2D-Zeilenlaserscanner und rotierendem Polygonspiegel wird in ”T. C. Ng. Development of a 3D Ladar system for autonomous vehicle guidance, Technical report SIMTech, 2005” entsprechend beschrieben. Der große Vorteil der zweiten Variante besteht dabei darin, dass nur der Polygonspiegel rotiert wird, der einen Bruchteil des Gewichtes des gesamten Laserscanners aufbringt und dadurch viel geringere Drehmomente erzeugt werden, was gerade beim Einsatz von kleinen UAVs entscheidend ist. Dies ist gerade der Hauptnachteil der ersten Variante, bei der komplette Zeilenscanner genickt bzw. rotiert wird, was aufgrund dieser Bewegung des Scanners zu entsprechenden Kraft- und Drehmomenten führt. Gerade bei kleinen UAVs kann dies zu problematischen Flugverhalten führen. Ein weiterer Nachteil bei der ersten Variante und dem so genannten Roling Scan besteht dabei darin, dass zwischen dem eigentlichen Zeilenscanner und der Auswerteeinheit keine Kabelverbindung verwendet wird, so dass die notwendigen Daten über Schleifringe übertragen werden müssen. Dies kann besonders bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten zu Kontaktproblemen bei den Schleifringen und damit zu Datenausfall führen, was im Bereich von sicherheitskritischen Anwendungen ein Ausschlusskriterium ist.
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Ein weiterer Nachteil der zweiten Variante, bei der ein 2D-Zeilenlaserscanner mit einem rotierenden Polygonspiegel kombiniert wird, besteht darin, dass nur ein gewisser Teil der emittierten Laserstrahlen für den 3D-Scan verwendet werden kann, da aufgrund der starren Bauform des Polygonspiegels ein nicht unerheblicher Teil der emittierten Laserstrahlen an dem Polygonspiegel vorbei ausgesendet werden. Diese Laserstrahlen stehen dann dem Scanner nicht mehr zur Verfügung.
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Bei allen Varianten besteht jedoch der erhebliche Nachteil gegenüber einer Stereokamera darin, dass die Gesamtscanzeit pro 3D-Bild bzw. pro 3D-Scan relativ hoch ist. So benötigt eine Stereokamera rund 0,04 Sekunden pro Aufnahme, während ein rotierender 2D-Zeilenscanner rund 2,39 Sekunden pro 3D-Scan benötigt. Bei der so genannten Pitching Scan Konfiguration sind es immerhin noch 1,2 Sekunden, während bei der Variante mit dem Polygonspiegel noch rund 0,8 Sekunden pro 3D-Scan benötigt werden (bei einer gewählten Auflösung mit 1°) Wird die Auflösung auf ein Maximal von 0,25° angepasst, so versechzehnfacht sich dabei der Zeitbedarf pro Scan. Die nachfolgende Tabelle zeigt noch einmal in der Gesamtheit die Gegenüberstellung. Tabelle
| | Auflösung 1° | Auflösung 0,25° | Auflösung 0,16° |
| Laserscanner
– rotierend –
(Scanfeld 180° × 180°) | 2,3 s | 38,33 s | - |
| Laserscanner
– nickend –
(Scanfeld 180° × 90°) | 1,2 s | 19,2 s | - |
| Laserscanner
– Polygonspiegel –
(Scanfeld 90° × 60°) | 0,8 s | 12,8 s | - |
| Stereokamera
(Sichtfeld 50° × 40°) | - | - | 0,04 s |
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Die gemessenen Daten basieren auf dem SICK Laserscanner LMS 201 und einer digitalen Firewire Kamera, die mit einer Framrate von 25 fps und einer Auflösung von 320 × 240 Pixeln arbeitet.
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Gerade in sicherheitskritischen Bereichen, wie z. B. im UAV-Bereich, sind die benötigten Scanzeiten der Laserscanner zu lang, um einen entsprechend Echtzeitbetrieb zu gewährleisten. Dabei ist eine Annäherung der Scanzeiten an die Stereokamera nur auf Kosten der Winkelauflösung bzw. umgekehrt möglich.
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Aus der
EP 1 221 582 A2 geht eine optoelektronische Vorrichtung zur Ermittlung von Distanzprofilen von Objekten hervor.
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Aus der
US 5 557 397 A1 geht ein Flugzeug-basiertes topographisches Datensammlungs- und Verarbeitungssystem hervor.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfacher und leichter aufzubauende Laserscanner-Einrichtung sowie ein verbessertes Verfahren unter Verwendung einer Laserscanner-Einrichtung anzugeben, mit denen eine dreidimensionale Umgebungserfassung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 5 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Laserscanner-Einrichtung mit einer ersten Antriebseinrichtung, einer von der ersten Antriebseinrichtung verstellbaren ersten kinematischen Kette, einer zweiten Antriebseinrichtung und einer von der zweiten Antriebseinrichtung verstellbaren zweiten kinematischen Kette auszubilden. Ein Spiegel zur Ablenkung des Laserstrahls ist dabei mit der ersten und der zweiten kinematischen Kette verbunden und über die erste und die zweite kinematische Kette in voneinander unabhängigen Koordinatenrichtungen verschwenkbar. Durch entsprechende Steuerung der Winkellage des Spiegels kann somit ein bestimmter Erfassungsbereich der dreidimensionalen Umgebung mit dem Laserstrahl abgetastet werden.
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Eine kinematische Kette ist ein System aus starren Körpern (Glieder), die durch Gelenke verbunden sind. Der Begriff stammt aus dem Bereich der Robotik. Im Falle einer seriellen kinematischen Kette ist das erste Glied (Fuß) fest mit dem Boden oder einem Sockel verbunden. An dem letzten Glied ist das zu betätigende Bauteil befestigt. An jedem Glied befindet sich ein aktives, durch eine Antriebseinrichtung angetriebenes Gelenk, an dem das nachfolgende Glied befestigt ist. Eine solche serielle Kinematik ist eine offene kinematische Kette. Im Falle einer parallelen Kinematik (Parallelkinematik) ist mindestens eine geschlossene kinematische Kette vorhanden. Diese kann z. B. dadurch realisiert sein, dass mindestens eine serielle kinematische Kette auf zwei verschiedenen Wegen kinematisch mit dem Boden oder dem Sockel verbunden ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung mit zwei kinematischen Ketten kann vorteilhaft als Parallelkinematik mit zwei Antriebseinrichtungen zum Bewegen des Spiegels realisiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich die aktiven Gelenke in der Verbindung zwischen dem Boden bzw. dem Sockel und erstem Glied. Dies ermöglicht es, die gesamte Struktur leicht und durch die Mehrzahl an Verbindungen zum Boden bzw. dem Sockel besonders stabil zu gestalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den alleinigen Einbau von Antrieben an der Laserscanner-Einrichtung, z. B. in der Grundplatte, keine Antriebe bewegt werden müssen und die verbauten Antriebe hohe Leistungspotenziale besitzen können, da nicht auf ihr Gewicht zu achten ist, um eine schnell und trotzdem genau Bewegungen der Gesamtmechanik zu gewährleisten.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass eine Laserstrahl-Emissionsvorrichtung eingesetzt werden kann, die einen feststehenden Laserstrahl aufweist. Die in zwei Richtungen erfolgende Ablenkung des Laserstrahls kann allein durch den Spiegel erfolgen. Hierdurch können beispielsweise die verschleißanfälligen Schleifkontakte zur Stromversorgung der Laserstrahl-Emissionsvorrichtung bei Ausführung mit beweglichem Laser vermieden werden. Allerdings ist auch ein Einsatz der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung mit einer Laserstrahl-Emissionsvorrichtung mit einem beweglichen, z. B. rotierenden oder verschwenkbaren, Laserstrahl möglich.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung sind:
Die Erfindung erlaubt es, dass die Laserstrahl-Emissionsvorrichtung fest angebracht werden kann und nicht über Antriebe nickbar oder rotierbar angeordnet sein muss. Dies ermöglicht die Realisierung einer sehr kleinen Mechanik, die keine großen Antriebe benötigt, um bewegt zu werden. Das führt auch zu einem geringen elektrischen Leistungsbedarf bei der Ansteuerung.
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Die erfindungsgemäße Laserscanner-Einrichtung kann daher auch z. B. in kleineren Luftfahrzeugen, wie z. B. kleineren UAVs, verwendet werden. Zudem wird die von der Laserstrahl-Emissionsvorrichtung bereitgestellte Laserstrahlung zu einem höheren Anteil ausgenutzt als beispielsweise bei Laserscannern mit rotierenden Spiegelpolyeder, bei denen ein nicht unerheblicher Teil der Laserstrahlung den Spiegel verfehlt.
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Für den Antrieb der erfindungsgemäßen Mechanik mit zwei seriellen kinematischen Ketten in einer Parallelkinematik sind nur zwei Antriebseinrichtungen erforderlich. In einer solchen vorteilhaften Ausgestaltung können beide Antriebseinrichtungen fest an der Laserscanner-Einrichtung angeordnet sein. Insbesondere ist ein Bewegen der einen Antriebseinrichtung durch die andere Antriebseinrichtung, wie etwa bei einem Roboterarm, nicht erforderlich. Dies ermöglicht ebenfalls eine besonders leichte Bauweise der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung und den Einsatz leichter Antriebseinrichtungen.
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Weitere Vorteile sind: Die Verwendung nur eines Spiegels und die Auswahl möglichst leichter Komponenten erlaubt vorteilhaft den Aufbau einer kleinen und leichten Laserscanner-Einrichtung. Im Vergleich zu Systemen mit zwei oder mehr Spiegeln werden bei der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung die auftretenden Reflektionsverluste minimiert.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass
- a) die erste kinematische Kette ein durch die erste Antriebseinrichtung positionsveränderbares erstes Gelenk, ein bezüglich der ersten Antriebseinrichtung nicht positionsveränderbares zweites Gelenk und ein erstes Verbindungsglied zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenk aufweist,
- b) die zweite kinematische Kette ein durch die zweite Antriebseinrichtung positionsveränderbares drittes Gelenk, ein bezüglich der zweiten Antriebseinrichtung nicht positionsveränderbares viertes Gelenk und ein zweites Verbindungsglied zwischen dem dritten und dem vierten Gelenk aufweist,
- c) der Spiegel an dem ersten und dem zweiten Verbindungsglied befestigt ist.
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Für die zugrunde liegende Anforderung, mit einer Laserscanner-Einrichtung eine dreidimensionale Umgebungserfassung durchzuführen, ist lediglich ein Gesamtfreiheitsgrad (Degree of Freedom – DOF) der Mechanik von zwei erforderlich. Der Spiegel muss daher nur um zwei Achsen, z. B. die horizontale und die vertikale Achse, bewegt werden. Hierzu sind vorteilhaft zwei aktive Gelenke vorgesehen, nämlich das erste von der ersten Antriebseinrichtung positionsveränderbare Gelenk und das dritte von der zweiten Antriebseinrichtung positionsveränderbare Gelenk. Die weiteren Gelenke der kinematischen Ketten, nämlich das zweite und das vierte Gelenk, können vorteilhaft als passive Gelenke ausgebildet sein, die nicht angetrieben sind. Dies erlaubt einen leichten und kompakten Aufbau der Laserscanner-Einrichtung. Zudem kann eine sehr präzise einstellbare, spielarme und trotzdem schnelle Mechanik realisiert werden, insbesondere durch die Parallelkinematik.
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Die erste und/oder die zweite Antriebseinrichtung kann im Prinzip frei gewählt werden, z. B. als elektromotorischer Spindel- oder Galvanometerantrieb. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste und/oder die zweite Antriebseinrichtung einen Piezoschrittmotor auf. Vorteilhaft einsetzbar sind beispielsweise Piezomotoren der Fa. Elliptec Resonant Actuator AG, z. B. der Typ X15G. Solche Piezomotoren, die den inversen Piezoeffekt nutzen, erzeugen eine Mikroschrittbewegung. Über diese Mikroschrittbewegung ist eine feinfühlige Einstellung des Spiegels möglich. Die Verwendung solcher Piezoschrittmotoren hat den weiteren Vorteil, dass hiermit relativ kleine und leichte Motoren verwendet werden können, was das Gewicht der gesamten Laserscanner-Einrichtung weiter reduziert, ohne die Baugröße zu erhöhen. Als Piezoschrittmotor kann sowohl eine Variante mit rotatorischem als auch eine Variante mit linearem Antrieb eingesetzt werden.
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Für das erste, das zweite, das dritte und/oder das vierte Gelenk können grundsätzlich die üblichen Lagerelemente, wie Kugel- oder Rollenlager, Kardanlager oder Kugelkopf-/Kugelpfannen-Lagerungen verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist das erste, das zweite, das dritte und/oder das vierte Gelenk als stoffschlüssiges Gelenk ausgeführt. Stoffschlüssige Gelenke sind, im Gegensatz zu den zuvor genannten Lagerelementen, sozusagen aus einem Stück gefertigt. Vorteilhaft können beispielsweise pseudoelastische stoffschlüssige Gelenke eingesetzt werden, z. B. aus Formgedächtnislegierungen. Stoffschlüssige Gelenke haben gegenüber konventionellen Lagerelementen den Vorteil, dass sie weitgehend spielfrei sind und weder Reibung noch Slip-Stick-Effekte aufweisen. Da mangels Reibung bei solchen Gelenken kein Abrieb erfolgt, ist auch keine Schmierung erforderlich, was wiederum vorteilhaft hinsichtlich der Wartung und der Sauberkeit hat. Als stoffschlüssiges Gelenk bezeichnet man eine Stelle in einer Struktur, die eine erhöhte Nachgiebigkeit im Vergleich zu den übrigen umgebenden Stellen aufweist, z. B. infolge einer gezielten Querschnittsverringerung des Materials oder einer thermischen oder chemischen Materialbehandlung an dieser Stelle.
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Die Verwendung stoffschlüssiger Gelenke führt somit zu einer weiteren Verbesserung der Mechanik hinsichtlich Spielarmut und geringer Reibung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind das zweite und das vierte Gelenk an einer gemeinsamen Befestigungsstelle mit dem Spiegel verbunden. Hierdurch weist der Spiegel eine Dreipunktlagerung auf. Dies erlaubt eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung hinsichtlich eines kompakten und leichten Aufbaus. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung aus dem zweiten und dem vierten Gelenk an der Befestigungsstelle mit dem Spiegel derart ausgebildet, dass die Anordnung nur Bewegungen des Spiegels um zwei orthogonal zueinander stehende Drehachsen erlaubt. Hierdurch kann eine unerwünschte Verdrehung des Spiegels um andere Achsrichtungen vermieden werden. Die Anordnung aus dem zweiten und dem vierten Gelenk kann beispielsweise nach Art eines gemeinsamen Kardangelenks oder als Kardangelenk ausgebildet sein. Vorteilhaft ist auch, das zweite und vierte Gelenk als stoffschlüssige Gelenke mit zueinander orthogonalen Gelenkachsen in unmittelbarer Nähe zueinander auszugestalten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erlaubt das erste und das dritte Gelenk zumindest eine begrenzte Rotation bzw. Torsion um die Längsachse einer mit der jeweiligen Antriebseinrichtung verbundenen Stange.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Laserstrahl-Emissionsvorrichtung bezüglich des Spiegels derart justiert, dass der Laserstrahl auf die der gemeinsamen Befestigungsstelle gegenüberliegende, mit der Verspiegelung versehene Seite des Spiegels gerichtet ist. Dies erlaubt vorteilhaft die Verwendung relativ kleinbauender und damit leichter und kostengünstiger Spiegel, da der Verschwenkpunkt des Spiegels zumindest ungefähr mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls übereinstimmt.
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Gemäß der Erfindung weist die Laserscanner-Einrichtung eine Kamera auf. Durch Verwendung der von der Kamera gelieferten Bildinformationen können die von der Abtastung mittels des Laserstrahls gewonnenen Informationen beispielsweise hinsichtlich der Bildwiederholrate und der Auflösung verbessert werden. Die Kamera und der Laserscanner verwenden dazu eine identische optische Achse. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kamera als Stereokamera ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur dreidimensionalen Umgebungserfassung gemäß Anspruch 5. Hierfür wird eine Laserscanner-Einrichtung gemäß Anspruch 1 verwendet.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren sind verschiedene Abtastmuster des Laserstrahls einstellbar. Das jeweils verwendete Abtastmuster wird in Abhängigkeit von der erfassten Umgebungsinformation aus einem vorangegangenen Umgebungserfassungsvorgang, einem Betriebszustand der Laserscanner-Einrichtung und/oder einem Betriebszustand einer Einrichtung, in der die Laserscanner-Einrichtung vorgesehen ist, ausgewählt. Eine Einstellung des Abtastmusters abhängig von der vorangegangenen Umgebungserfassung kann beispielsweise derart erfolgen, dass im abgetasteten Bereich Muster erkannt werden, die eine erhöhte Aufmerksamkeit erfordern. Bei Erkennung solcher Muster wird beispielsweise auf ein Abtastmuster umgeschaltet, das die Bereiche erhöhter Aufmerksamkeit mit höherer Auflösung abtastet als die übrigen Bereiche des Abtastbereichs. Sofern die Einrichtung, in der die Laserscanner-Einrichtung vorgesehen ist, als Fluggerät ausgebildet ist, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Abtastmuster abhängig von der Betriebssituation des Fluggeräts ausgewählt werden. Beispielsweise kann bei geringer Fluggeschwindigkeit ein vorgegebener Abtastbereich mit gleichmäßig verteilter Auflösung abgetastet werden und im Schnellflug auf ein Abtastmuster umgeschaltet werden, das eine erhöhte Auflösung in einem in Flugrichtung liegenden Zentralbereich des Abtastbereichs aufweist. Hierdurch kann der für einen sicheren Flug besonders wichtige Zentralbereich in Flugrichtung besonders präzise erfasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Abtastmuster vorgesehen, dass eine kontinuierliche Bewegung des Laserstrahls erlaubt. Möglich sind beispielsweise Abtastmuster mit kreisförmigen oder achtförmigen Bewegungen, wobei bei jedem Bewegungsdurchlauf ein gewisser Versatz in der Abtastung vorgesehen wird. Durch die kontinuierliche Bewegung des Laserstrahls werden Belastungen der Verstellmechanik des Spiegels, z. B. infolge von Abbremsungen, die bei diskontinuierlichen Bewegungselementen auftreten, vermieden. Dies erlaubt einen energiesparenden und verschleißarmen Betrieb der Mechanik der Laserscanner-Einrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zur Umgebungserfassung zusätzlich von einer Kamera ermittelte Bildinformationen verwendet. Der Abtastbereich des Laserstrahls wird dann auf einen Ausschnitt des von der Kamera ermittelten Bildbereichs begrenzt, wenn in den Bildinformationen der Kamera ein vorgegebenes Bildmuster erkannt wird. Auf diese Weise kann die Erfassung durch den Laserscanner auf einen bestimmten Verdachtsbereich begrenzt werden, der durch den Laserstrahl mit höherer Auflösung in ausreichend kurzer Zeit abgetastet werden kann. So können beispielsweise in den Bildinformationen der Kamera erkannte Objekte gezielt mittels einer Objektverfolgung verfolgt und über den Laserstrahl gezielt und hoch auflösend abgetastet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Abtastbereich des Laserstrahls auf einen Ausschnitt des von dem Laserscanner insgesamt abtastbaren Bereichs begrenzt, wenn in dem Ausschnitt des insgesamt abtastbaren Bereichs ein vorgegebenes Muster erkannt wird. Dies erlaubt eine selektive Abtastung von Verdachtsbereichen in dem von dem Laserscanner insgesamt abgetasteten Bereich auch ohne Verwendung einer Kamera oder bei Umgebungssituationen, in denen die Kamera keine auswertbaren Bildinformationen liefert, etwa bei Dunkelheit.
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Vorteilhaft können auch mehrere Ausschnitte verwendet werden, auf die der Abtastbereich des Laserstrahls begrenzt wird, z. B. wenn mehrere Verdachtsbereiche erkannt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 – eine Laserscanner-Einrichtung und
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2 – einen Teil der Laserscanner-Einrichtung gemäß 1 und
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3 – eine Gelenk-Anordnung und
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4 – Varianten von kinematischen Ketten und
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5 – Varianten von Abtastmustern des Laserstrahls und
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6 – erfasste Umgebungsinformationen.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt eine Laserscanner-Einrichtung in schematischer Darstellung. Die Laserscanner-Einrichtung 1 weist eine Laserstrahl-Emissionsvorrichtung 2 auf, die zugleich eine Empfangsvorrichtung zum Empfang von Reflexionen eines ausgesendeten Laserstrahls 3 beinhaltet. Die Laserscanner-Einrichtung 1 weist außerdem einen Spiegel 4 auf, auf den der Laserstrahl 3 gerichtet ist und der zur Ablenkung des Laserstrahls 3 dient. Der Spiegel 4 ist über eine Mechanik 5 auf einer Plattform 6 befestigt. Die Laserscanner-Einrichtung weist außerdem eine Kamera 7 auf. Des Weiteren ist eine elektronische Steuereinrichtung 8 vorgesehen, an die die kombinierte Laserstrahl-Emissions- und Empfangsvorrichtung 2, die Plattform 6 und die Kamera 7 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 8 steuert die angeschlossenen Elemente vorteilhaft nach einem der hier beschriebenen Verfahren.
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Die 2 zeigt die für die Verstellung des Spiegels 4 relevanten Elemente der Plattform 6 und der Mechanik 5. Erkennbar ist eine erste Antriebseinrichtung 10, die als Piezoschrittmotor mit Linearantrieb ausgebildet ist. Die lineare Verstellung durch den Piezoschrittmotor 10 erfolgt über eine Antriebsstange 11, die über ein passives Zwischengelenk 18, eine Koppelstange 12, ein erstes passives Gelenk 17 an einer Befestigungsstelle 15 mit einer dreieckförmigen Anordnung aus Verbindungsgliedern 13, 23, 29 befestigt ist. Analog dazu ist als zweite Antriebseinrichtung 20 ein weiterer Piezoschrittmotor vorgesehen, der über eine Antriebsstange 21, ein passives Zwischengelenk 28, eine Koppelstange 22 sowie ein drittes passives Gelenk 27 mit der dreieckförmigen Anordnung der Verbindungsglieder 13, 23, 29 an einer Befestigungsstelle 25 verbunden ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist auch der zweite Piezoschrittmotor als Linearantrieb ausgebildet.
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Der Spiegel 4 ist an einer weiteren Befestigungsstelle 24 mit einer kardanartigen gemeinsamen Gelenkanordnung 19 verbunden. Die Gelenkanordnung 19 weist ein zweites Gelenk 16 und ein in unmittelbarer Nähe angeordnetes viertes Gelenk 26 auf. Die Gelenkanordnung 19 erlaubt über das zweite Gelenk 16 eine Verkippung des Spiegels 4 um eine Achse X und über das vierte Gelenk 26 eine Verkippung des Spiegels 4 in einer dazu orthogonalen Achse Y.
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Hierbei wird eine erste kinematische Kette von der Antriebsstange 11, dem Zwischengelenk 18, der Koppelstange 12, dem ersten Gelenk 17, dem Verbindungsglied 13 und dem zweiten Gelenk 16 gebildet. Eine zweite kinematische Kette wird von der Antriebsstange 21, dem Zwischengelenk 28, der Koppelstange 22, dem dritten Gelenk 27, dem Verbindungsglied 23 und dem vierten Gelenk 26 gebildet. Das weitere Verbindungsglied 29 dient zur mechanischen Stabilisierung der dreieckförmigen Anordnung der Verbindungsglieder 13, 23, 29.
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Das erste Gelenk 17 ist in Längsrichtung der Koppelstange 12 zumindest in einem gewissen Bereich rotierbar und/oder tordierbar. Entsprechend ist das dritte Gelenk 27 ist in Längsrichtung der Koppelstange 22 zumindest in einem gewissen Bereich rotierbar und/oder tordierbar.
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Die 3 zeigt die Gelenkanordnung 19 in vergrößerter Darstellung. Erkennbar ist, dass die Gelenke 16, 26 in orthogonaler Gelenkrichtung zueinander angeordnet sind. Hierdurch wird eine unerwünschte Verdrehung des darauf befestigten Spiegels 4 um die Hochachse vermieden. Die Gelenkanordnung 19 ist über ein Verbindungselement 30 mit der Plattform 6 verbunden.
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Die 4 zeigt zwei weitere Ausführungsformen der Antriebseinrichtungen in Verbindung mit der jeweiligen kinematischen Kette. Gemäß 4a ist als Antriebseinrichtung beispielhaft ein rotatorischer Antrieb 40 vorgesehen, der mit der Plattform 6 verbunden ist. Die Antriebseinrichtung 40 wirkt über eine Verbindungsstange 42 auf das Zwischengelenk 18 und hierüber über die Koppelstange 12 auf das erste Gelenk 17 ein und ermöglicht hierdurch eine Verstellung des Spiegels 4. In gestrichelten Linien ist dargestellt, wie eine weitere Verstellposition des Spiegels 4 aussieht. Wie erkennbar ist, ist der Spiegel 4 an dem ersten Verbindungsglied 13 befestigt, das einerseits an dem ersten Gelenk 17 und andererseits an dem zweiten Gelenk 16 befestigt ist. Das zweite Gelenk 16 ist mit der Plattform 6 verbunden.
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Gemäß 4b ist als Antriebseinrichtung beispielhaft ein Linearantrieb 41 vorgesehen. Der Linearantrieb 41 ist ebenfalls an der Plattform 6 befestigt. Der Linearantrieb 41 ist über eine Verbindungsstange 43 mit dem Zwischengelenk 28 und hierüber über die Koppelstange 22 mit dem dritten Gelenk 27 verbunden. Durch entsprechende Betätigung des Linearantriebs 41 kann der Spiegel 4 in seiner Lage verändert werden. In gestrichelten Linien ist dargestellt, wie eine weitere Verstellposition des Spiegels 4 aussieht. Wie erkennbar ist, ist der Spiegel 4 an dem zweiten Verbindungsglied 23 befestigt, das einerseits an dem dritten Gelenk 27 und andererseits an dem vierten Gelenk 26 befestigt ist. Das vierte Gelenk 26 ist mit der Plattform 6 verbunden.
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Die 5 zeigt verschiedene Abtastmuster des Laserstrahls. Gemäß 5a ist ein aus kreisförmigen Abtastbahnen gebildetes Abtastmuster 50 erkennbar, wobei die einzelnen Kreise mit einem gewissen Versatz zueinander verlaufen. Dies erlaubt eine kontinuierliche Bewegung der Mechanik zur Ablenkung des Laserstrahls 3. Hierbei tritt im mittleren Abtastbereich eine Überlappung der kreisförmigen Abtastbahnen auf, was vorteilhaft eine höhere Auflösung der durch die Abtastung gewonnenen Bildinformationen erlaubt. Die 5b zeigt ein Abtastmuster 51 mit achtförmigen Abtastbahnen des Laserstrahls 3, wobei die achtförmigen Abtastbahnen mit einem gewissen Versatz zueinander verlaufen. Auch dies erlaubt eine kontinuierliche Bewegung der Mechanik zur Ablenkung des Laserstrahls 3. Das Abtastmuster 51 erlaubt wegen der mehrfachen Überlappung der achtförmigen Abtastbahnen im zentralen Bereich des Abtastbereichs eine erhöhte Auflösung der der durch die Abtastung gewonnenen Bildinformationen. Die 5c zeigt ein Abtastmuster 52, bei dem die Abtastung entlang parallel verlaufender versetzter Linien erfolgt. Hierbei ist keine kontinuierliche Bewegung des Laserstrahls 3 möglich; es erfolgen diskontinuierliche Richtungswechsel.
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Das jeweils verwendete Abtastmuster wird z. B. von der Steuereinrichtung 8 oder einer damit verbundenen, weiteren Steuereinrichtung automatisch nach Bedarf ausgewählt. Die Steuereinrichtung 8 steuert dann die Antriebseinrichtungen 10, 20, 41, 42 und die Laserstrahl-Emissionsvorrichtung 2 derart, dass das gewünschte Abtastmuster erzeugt wird. Für diese Steuerung ist die Steuereinrichtung 8 beispielsweise mit einem ein entsprechendes Steuerprogramm ausführenden Mikro-prozessor ausgestattet.
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Die 6 zeigt einen Bereich 60, der von der Laserscanner-Einrichtung 1 durch Abtastung mittels des Laserstrahls 3 erfasst werden kann. Vorteilhaft wird ein vergleichbarer Bereich mit der Kamera 7 erfasst. In dem erfassten Bereich 60 wird durch Bildverarbeitung ein vorgegebenes Muster 61, z. B. ein vorbeifliegendes Flugzeug, erkannt. Wie insbesondere in 6b erkennbar ist, wird nach Erkennung des vorgegebenen Musters 61 der Abtastbereich des Laserstrahls 3 auf einen Ausschnitt 62 des von dem Laserscanner 1 insgesamt abtastbaren Bereichs 60 begrenzt.
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Im Unterschied zu einer Kamera benötigt ein Laserscanner eine vergleichsweise lange Zeit für eine Umgebungserfassung mit vergleichbarer Auflösung. Bei der Sensorfusion auf Basis von Bildinformationen einer Kamera und eines Laserscanners für eine ”Sense and avoid”-Anwendung ist ein kontinuierliches Scannen des gesamten Sichtfelds durch den Laser häufig nicht notwendig, wenn eine Überwachung durch den kooperierenden Sensor, d. h. die Kamera, übernommen wird. So können bei der Überwachung durch die Kamera detektierte vermeintliche Objekte von dem Laserscanner gezielt abgetastet werden, dabei genauer vermessen und auf der Grundlage einer solchen dreidimensionalen Datenbasis als möglicher Kollisionspartner identifiziert werden. Wie auch in der 6 erkennbar ist, ist dort ein Abtasten des gesamten Bereichs 60 nicht sinnvoll, da mit großer Wahrscheinlichkeit in vielen Teilen des Bereichs 60 keine wesentlichen Informationen enthalten sind. Von Interesse ist im Wesentlichen der Ausschnitt um das zu vermeidende Objekt 61, so dass im Wesentlichen ein präziseres Abtasten dieses Ausschnitts mit dem Laserstrahl die Informationsbasis verbessert.
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Um solche variablen Abtastmuster gemäß 5 oder eingeschränkte Abtastbereiche gemäß 6 zu ermöglichen, ist eine freie Positionierung des Laserstrahls im gewünschten Abtastbereich bzw. im Sichtfeld der Kamera notwendig, was mit der erfindungsgemäßen Laserscanner-Einrichtung ermöglicht wird.
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Die Kombination von zwei Antriebseinrichtungen 10, 20, 41, 42, die auf einen zentralen Spiegel 4 wirken, und die die Möglichkeit den Spiegel 4 in bestimmten Bewegungsgrenzen, z. B. im Bereich von +/–60° in X-Richtung und um +/–15° in Y-Richtung, unabhängig einzustellen, ermöglicht die Realisierung von frei programmierbaren Abtastmustern, was die Möglichkeiten zur Verbesserung der Umgebungserfassung und Kollisionsvermeidung verbessert.
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Eine mögliche Betriebsart der Laserscanner-Einrichtung ist ein kontinuierlicher Scan des gesamten Sichtfelds (120° × 30°), wie es beispielsweise gemäß 5c erfolgen kann. Dieser Betrieb ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn zur Umgebungserfassung keine zusätzliche Kamera zur Verfügung steht oder die Funktion eines solchen unterstützenden Sensors beeinträchtigt ist. Infolge der freien Positionierfähigkeit des Laserstrahls ist es zusätzlich möglich, den Laserstrahl beispielsweise auf Grundlage von anderen Sensordaten an beliebige Positionen in dem Bereich 60 zu verfahren, um dort eine dreidimensionale Umgebungserfassung durchzuführen. Dabei können kleinere Abtastmuster oder Ausschnitte des Abtastbereichs häufiger und mit höherer Auflösung wiederholt abgetastet werden, um ein Objekt kontinuierlich zu verfolgen, ohne den gesamten Abtastbereich ständig neu abzusuchen. Auf diese Weise können die Scangeschwindigkeit und die Winkelauflösung bei der Abtastung durch den Laserstrahl erhöht werden.
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Die Erfindung kann vorteilhaft im Bereich der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, z. B. im Bereich der Umweltdetektion, Hinderniserkennung oder Kollisionsvermeidung. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Vermessungstechnik und die Modellbildung der Umwelt. Einsatzmöglichkeiten bestehen auch im Bereich der Automobiltechnik und dem Verkehrssektor, z. B. für die Umweltdetektion, Hinderniserkennung oder Kollisionsvermeidung. Schließlich sind vorteilhafte Anwendungen der Erfindung in der Überwachungs- und Sicherheitstechnik möglich.
