DE102010015941A1 - Verfahren zur Abstandsmessung auf Lichtbasis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung auf Lichtbasis mittels eines über einen vorgegebenen Winkelbereich oder umlaufend rotierenden, Lichtimpulse (L) aussendenden Lichtsenders (S), wobei in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich (α, α') eine Mehrzahl von Lichtimpulsen (L) ausgesandt werden und wobei weiter ein Empfangssensor (E) vorgesehen ist, der zur Erfassung eines von einem Lichtimpuls (L) hervorgerufenen Reflexsignals (R) ausgebildet ist. Um ein Verfahren der in Rede stehenden Art unter Berücksichtigung der vorbeschriebenen Problematik weiter zu verbessern, wird ein Toleranzbereich (b) für die Stärke des Reflexsignals (R) vorgegeben, so das bei Empfang eines Reflexsignals (R) außerhalb des Toleranzbereichs (b) eine Impulsänderung vorgenommen wird, um ein Reflexsignal (R) innerhalb des Toleranzbereichs (b) zu erreichen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung auf Lichtbasis mittels eines über einen vorgegebenen Winkelbereich oder umlaufend rotierenden, Lichtimpulse aussendenden Lichtsenders, wobei in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich eine Mehrzahl von Lichtimpulsen ausgesandt werden und wobei weiter ein Empfangssensor vorgesehen ist, der zur Erfassung eines von einem Lichtimpuls hervorgerufenen Reflexsignals ausgebildet ist.
• Verfahren der in Rede stehenden Art sind bekannt und finden beispielsweise Anwendung bei selbsttätig verfahrbaren Geräten, weiter beispielsweise bei selbsttätig verfahrbaren Bodenreinigungsgeräten, insbesondere für den Haushaltsbereich. Das Verfahren wird hierbei vorzugsweise dazu genutzt, im Verfahrweg des Gerätes liegende Hindernisse zu erkennen, welche Hindernisse gegebenenfalls eine Änderung des Verfahrweges bedingen. Auch ist bekannt, mittels eines solchen Verfahrens zufolge Abscannen der Umgebung eine kartenähnliche Darstellung beispielsweise des Raumes anzulegen. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die DE 10 2008 014 912 A1 verwiesen. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit vollinhaltlich in die Offenbarung vorliegender Erfindung mit einbezogen, auch zu dem Zwecke, Merkmale dieser Patentanmeldung in Ansprüche vorliegender Erfindung mit einzubeziehen.
• In dieser Patentanmeldung ist ein selbsttätig verfahrbares Bodenstaub-Aufsammelgerät beschrieben, welches mit einem rotierenden, optischen Triangulationssensor versehen ist, mittels welchem ein 360°-Rundum-Scan der Umgebung ermöglicht ist. Mittels dieses Sensors ist das Gerät in der Lage in seiner Umgebung sinnvoll zu navigieren. Derartige optische Messverfahren zur Abstandsmessung basieren in der Regel auf einem scharf gebündelten (kollimierten) Lichtstrahl. Als Lichtquelle dienen typischerweise Laserdioden. Auch sind Lösungen mit LEDs bekannt. Bevorzugt wird weiter monochromatisches Licht, typischerweise mit Wellenlängen im sichtbaren roten Bereich (bevorzugt in 635 bis 658 nm) oder im Infrarotbereich mit Wellenlängen größer als 700 nm, weiter bevorzugt mit Wellenlängen von 725 nm, 850 nm oder 980 nm. Der Sendestrahl wird von einer Sendeeinrichtung (Lichtquelle plus Kollimatoroptik) ausgestrahlt und durch ein Objekt in der Umgebung des Sensors reflektiert. Ein Teil des Reflexsignals wird durch den Empfängerteil des Sensors (Empfängeroptik plus Sensorelement) aufgefangen und von der Auswerteeinheit des Sensors in die Entfernungsinformation umgewandelt. Bezüglich der Empfangseinheit ist es weiter bekannt diese durch eine Fotodiode zu bilden oder durch ein sogenanntes PSD-Element. Auch sind Lösungen mit diskreten Bildwandlern bekannt, so beispielsweise CMOS- oder CCD-Kamerachips. Letztere können auch in Form von Linienkameras ausgebildet sein.
• Die Empfangseinheit des Sensors empfängt jedoch nicht nur das rückreflektierte Licht des Senders, sondern darüber hinaus auch Umgebungslicht. Ohne besondere Maßnahmen würde das Umgebungslicht die Messung verfälschen. Daher werden optische Distanzsensoren bevorzugt gepulst betrieben. Die Sensorelektronik verarbeitet dabei das Differenzsignal zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Sender, wodurch der Einfluss des Umgebungslichtes unterdrückt werden kann. Eine solche Pulsfrequenz bewegt sich typischerweise im kHz-Bereich (bevorzugt 20 kHz oder 55 kHz), einzelne Anwendungen takten den Sendestrahl bis hin im GHz-Bereich.
• Im Falle von um eine Drehachse, bevorzugt vertikale Drehachse rotierenden Abstandssensoren werden zweckmäßigerweise Abstandsinformationen diskreten Winkelsegmenten zugeordnet. So ist es weiter bekannt, beispielsweise in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich von 1 bis 5°, bevorzugt 2° eine Abstandsmessung durchzuführen, wobei in der Summe der einzelnen Drehwinkelbereiche ein Rundum-Scan erreicht wird, der bei einem beispielhaften Drehwinkelbereich von 2° aus 180 Einzelmessungen besteht. Durch eine Verrechnung der Winkelposition und den dazugehörigen Abstandmesswerten kann eine zweidimensionale Karte der Umgebung erzeugt werden, was sich insbesondere im Zusammenhang mit autonom verfahrbaren Reinigungsgeräten im Haushaltsbereich von Vorteil erweist. Weiter ist diesbezüglich bekannt, dass der Abstandssensor bei einer weiter bevorzugten Drehgeschwindigkeit von 2 bis 5 U/sec, bevorzugt etwa 3 U/sec pro Winkelsegment mehrere Sendeimpulse ausschickt.
• Als problematisch erweist sich in diesem Zusammenhang, dass die durch den Empfänger aufgenommene Lichtenergie mit steigender Entfernung zum Objekt quadratisch abfällt. Dies führt dazu, dass im Nahbereich des Sensors eine sehr hohe Energiemenge vom Sensor und der nachgeschalteten Elektronik verarbeitet werden muss, im Fernbereich jedoch nur eine sehr kleine Energiemenge zur Verfügung steht. Sollen gleichzeitig unterschiedlich stark reflektierende Objekte, wie sie typischerweise im Haushaltsbereich vorliegen, beispielsweise weiße Tapete und dunkle textilbespannte Möbelstücke, sicher vermessen werden, so muss der Sensor einen sehr großen Dynamikumfang aufweisen. Dies führt zu hohem Schaltungsaufwand und damit zu hohen Kosten. Um eine hohe Messgüte zu erreichen, werden bevorzugt Sender mit einer hohen Lichtleistung installiert. Demgegenüber stehen jedoch sicherheitstechnische Anforderungen. Insbesondere im Haushaltsbereich ist eine Gefährdung von Personen (Augensicherheit) durch starke Strahlquellen auszuschließen.
• Im Hinblick auf den vorbeschriebenen Stand der Technik wird eine technisch Problematik der Erfindung darin gesehen, ein Verfahren der in Rede stehenden Art unter Berücksichtigung der vorbeschriebenen Problematik weiter zu verbessern.
• Dies ist zunächst und im Wesentlichen durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass ein Toleranzbereich für die Stärke des Reflexsignals vorgegeben wird und dass bei Empfang eines Reflexsignals außerhalb des Toleranzbereichs eine Impulsänderung vorgenommen wird, um ein Reflexsignal innerhalb des Toleranzbereichs zu erreichen. Zufolge der vorgeschlagenen Lösung wird eine Abstandsmessung stets in einem vorgegebenen Toleranzbereich vorgenommen, so dass Reflexsignale von Objekten sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich, darüber hinaus auch Reflexsignale von sehr hellen oder sehr dunklen Objekten nicht zu einer Über- bzw. Unterbelichtung am Empfangssensor führen. Entsprechend steht dem Empfangssensor unabhängig von der Entfernung und/oder der Reflexfläche des auf Abstand zu messenden Objekts eine ausreichend hohe Energiemenge zur Verfügung, die weiter einen vorgegebenen Maximalbetrag nicht übersteigt. So ist die Abstandsmessung mit einer möglichst geringen, jedoch ausreichenden Sendeleistung durchgeführt, wobei eine optimale Ausnutzung des Dynamikumfangs des Empfangssensors vorgenommen wird. So wird bevorzugt der impulsbetriebene Lichtsender nicht durchgehend mit der in einer Grundeinstellung vorgegebenen Modulationsfrequenz betrieben, sondern vielmehr je nach Messbedingung so geschaltet, dass beispielsweise einzelne Pulse oder Pulsgruppen ausgeschickt werden. So wird bevorzugt zunächst mit Bezug auf einen Drehwinkelbereich von beispielsweise 3 bis 5°, bevorzugt 2° ein Messimpuls mit ausreichender, jedoch hinsichtlich einer möglichen Gefährdung von Personen (Augensicherheit) angepasster Intensität ausgeschickt, dessen Reflexsignal von dem Empfangssensor zunächst bezüglich der empfangenen Signalstärke registriert und ausgewertet wird. In Abhängigkeit von dieser Signalstärke wird der Impuls variiert (beispielsweise verstärkt bzw. vermindert), gegebenenfalls so lange, bis ein ausreichend starkes Signal mit einem guten Signal-Rausch-Abstand empfangen wird, welches Signal dann zur Abstandsmessung genutzt wird. In bevorzugter Ausgestaltung werden pro Winkelsegment bzw. vorgegebenen Drehwinkelbereich 32 bis 256 Messpulse, weiter bevorzugt 64 oder 128 Messimpulse ausgesendet.
• Weitere Merkmale der Erfindung sind nachstehend, auch in der Figurenbeschreibung, oftmals in ihrer bevorzugten Zuordnung zum Gegenstand des Anspruches 1 oder zu Merkmalen weiterer Ansprüche erläutert. Sie können aber auch in einer Zuordnung zu nur einzelnen Merkmalen des Anspruches 1 oder des jeweiligen weiteren Anspruches oder jeweils unabhängig von Bedeutung sein.
• So ist weiter bevorzugt, dass die Impulsänderung durch eine Änderung der Lichtintensität und/oder der Impulsdauer und/oder der Impulsanzahl pro Zeiteinheit erreicht wird. So wird beispielsweise in dem Fall, dass der Sensor den Abstand zu einem sehr gut reflektierenden Objekt bestimmen soll, welches sich weiter beispielsweise sehr nah am Sensor bzw. an dem Gerät befindet, zunächst sehr viel Licht auf den Empfangssensor rückreflektiert. Hierbei besteht die Gefahr, dass der Empfangssensor übersteuert wird und keine aussagekräftige Messung möglich ist. Eine solche Fehlmessung wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass pro aufeinanderfolgenden Impuls die Sendeleistung zurückgefahren wird, bis schließlich ein Niveau ohne Übersteuerung erreicht ist. Alternativ wird in einem solchen Fall vorgeschlagen, dass pro aufeinanderfolgenden Impuls die Impulsbreite und somit die Impulsdauer zurückgefahren wird, da demzufolge pro Impuls eine geringere Strahlungsenergie transportiert wird, dies weiter bis schließlich ein Niveau ohne Übersteuerung erreicht wird. Bei schwach reflektierenden Objekten und/oder weiter entfernten Objekten hingegen wird ein relativ schwaches Signal rückreflektiert, welches keine aussagekräftige Messung im Bereich des Empfangssensors ermöglicht. In diesem Fall wird pro aufeinanderfolgendem Impuls die Sendeleistung oder die Impulsbreite angehoben, so lange bis schließlich ein, eine aussagekräftige Messung erlaubendes Niveau erreicht wird. Auch ist eine entsprechende Anpassung an dem vorgegebenen Reflexsignal-Toleranzbereich zufolge Änderung der Impulsanzahl pro Zeiteinheit möglich. Weiter bevorzugt ist auch eine Kombination der vorbeschriebenen Impuls-Änderungsmaßnahmen möglich. Als besonders vorteilhaft erweist sich hierbei eine gleichzeitige Regelung der Impulsenergie und der Anzahl der Impulse. Im Falle eines gut reflektierenden Objekts in Nahdistanz sendet hierbei der Lichtsender bevorzugt wenige Impulse mit geringer Intensität aus, im Falle von schlecht reflektierenden Objekten viele Pulse mit erhöhter Energie, welche jedoch stets die sicherheitstechnischen Anforderungen hinsichtlich der Augensicherheit von in dem Raum befindlichen Personen berücksichtigt.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass bei Empfang eines Reflexsignals innerhalb des Toleranzbereichs weitere Lichtimpulse in dem Winkelbereich unterdrückt werden oder nicht ausgewertet werden oder in ihrer Intensität reduziert werden. Entsprechend ist beispielsweise im Falle eines sehr gut reflektierenden Objekts bei einer geringen Distanz ein verhältnismäßig großes Reflexsignal durch den Empfangssensor erfassbar, welches weiter eine aussagekräftige Messung zulässt. In diesem Fall genügt bevorzugt ein einzelner Messimpuls, um eine genaue Messung zu erreichen. Weitere Messimpulse bzw. Lichtimpulse werden innerhalb desselben Drehwinkelbereiches bevorzugt unterdrückt. Erst mit Erreichen des nächsten Drehwinkelbereiches wird ein neuer Lichtimpuls zur Abstandsmessung ausgesendet. Um das Messergebnis weiter zu verbessern, ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass eine Mittelwertbildung über mehrere Messimpulse vorgenommen wird, so dass beispielsweise nach einer Impulsänderung zur Verschiebung des Reflexsignals in dem vorgegebenen Toleranzbereich mehrere, beispielsweise 2, 4, 6 oder 8 Messungen auf dem gefundenen Impulsniveau durchgeführt werden, deren Werte weiter zur Mittelwertbildung herangezogen werden. In üblicher Weise weiter innerhalb des Drehwinkelbereiches auszusendende Lichtimpulse werden bevorzugt unterdrückt oder bei weiterem pulsartigen Aussenden von Lichtsignalen nicht zur weiteren Messung innerhalb des Drehwinkelbereiches herangezogen. Alternativ ist diesbezüglich vorgesehen, dass die nicht zur weiteren Messung heranzuziehenden Lichtimpulse durch Lichtimpulse mit verringerter Energie ersetzt werden. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass für die, ein mit einer derartigen Abstandsmessung versehenes Gerät beobachtende Person nicht der Eindruck entsteht, dass das Sendelicht des Sensors flackert, was als unangenehm empfunden werden kann. Durch Sendeimpulse mit sehr niedriger Energie wird dieser subjektive Eindruck des Flackern vermieden.
• Weiter erweist sich von Vorteil, pro Drehwinkelbereich eine Anzahl von 2ⁿ Sendeimpulsen vorzusehen (so entsprechend 2, 4, 8, 16, 32 usw.), um so bei der weiteren Verarbeitung durch einen Mikroprozessor etwaige Divisionen durch die Anzahl der Messungen, beispielsweise bei einer Mittelwertbildung, durch viel schneller ablaufende Schiebe-Operationen ersetzen zu können. Statt durch die Anzahl der Messungen zu dividieren, kann auch durch die ihrerseits bereits durch 2^m geteilte Anzahl dividiert werden, um die Auflösung des Ergebnisses um m Bit zu erhöhen. Bevorzugt werden diesbezüglich 64 oder 128 Messimpulse pro Winkelsegment ausgesendet.
• Bevorzugt werden Rechteckimpulse, jedoch auch alternative Pulsformen, wie beispielsweise trapezförmige Impulse, Dreieckimpulse, Sinushalbwellen oder beliebig gestaltete Pulse. Pulsgruppen (mehrere gleiche Impulse) können im Sinne der Erfindung als ein Impuls betrachtet und simultan variiert werden. Darüber hinaus sind auch nadelförmige Impulse möglich, bei welchen die Impulsdauer sehr klein ist, wobei weiter in diesem Fall die Impulsdauer bevorzugt nicht variierbar ist.
• Zufolge der vorgeschlagenen Lösung ist ein Abstandssensor mit einem geringen Dynamikbereich verwendbar, da die Sendeleistung adaptiv bei Über- oder Untersteuerung variiert wird. Auch bei ungünstigen Bedingungen ist eine ausreichende Messung gegeben, da adaptiv das Sendesignal angepasst wird. Danach kommt es zu keiner Übersteuerung, da die Sendeleistung bei günstigeren Bedingungen zurückgefahren werden kann. Auch die Augensicherheit für in der Nähe befindliche Personen ist auf diesem Wege erreicht, da bei einer adaptiven Regelung der Sendeleistung der Sensor so ausgelegt werden kann, dass eine gerade ausreichend benötigte Energie ausgesendet wird und dabei als Obergrenze die im Sinne der Augensicherheit zulässige Energie eingehalten wird. Darüber hinaus ist eine energiesparende Lösung möglich, da nicht benötigte Impulse unterdrückt bzw. vom Energiegehalt reduziert werden. Dies erweise sich insbesondere vor dem Hintergrund von Vorteil, dass je nach Sensortyp die Energie insbesondere in einem rotierenden Sensor eines selbsttätig verfahrbaren Geräts von einem in dem Gerät vorzusehenden Akkumulator in entsprechend begrenzten Umfang angeboten wird.
• Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert. Es zeigt:
• 1 in perspektivischer Darstellung ein selbsttätig verfahrbares Bodenreinigungsgerät mit einem um eine Vertikalachse rotierbaren Abstandssensor;
• 2 eine schematische Grundrissdarstellung des in einem Raum befindlichen Reinigungsgerätes;
• 3 ein Energie-Zeit-Diagramm von rechteckmodulierten Lichtimpulsen, gemäß einer Ausführung ohne adaptive Steuerung der Impulssignale;
• 4 eine der 3 entsprechende Darstellung, jedoch bei einer adaptiven Steuerung der Impulssignale;
• 5 ein Diagramm gemäß 4, bei Regelung der Intensität der Sendeimpulse;
• 6 eine der 5 entsprechende Diagrammdarstellung, eine alternative Regelung der Sendeimpulsintensität betreffend;
• 7 eine weitere der 4 entsprechende Diagrammdarstellung, jedoch bei Reglung des Sendeimpuls-Toleranzbereichs;
• 8 eine der 7 entsprechende Darstellung, eine alternative Regelung des Sendeimpuls-Toleranzbereichs betreffend;
• 9 eine weitere der 4 entsprechende Diagramm-Darstellung, bei einer Regelung der Impulsanzahl bei sehr gut reflektierenden Objekten;
• 10 eine der 9 entsprechende Darstellung, jedoch die Regelung der Impulsanzahl bei schlecht reflektierenden Objekten betreffend;
• 11 ein Diagramm zur Darstellung der Lichtintensität des Reflexsignals.
• Dargestellt und beschrieben ist ein Bodenstaub-Aufsammelgerät 1 in Form eines Reinigungsroboters mit einem Chassis, welches unterseitig, dem zu pflegenden Boden zugewandt, elektromotorisch angetriebene Verfahrräder sowie eine, über die Unterseite des Chassisbodens hinausragende, gleichfalls elektromotorisch angetriebene Bürste trägt. Das Chassis ist überfangen von einer Gerätehaube 2, wobei das Bodenstaub-Aufsammelgerät 1 der dargestellten Ausführungsform einen kreisförmigen Grundriss aufweist. Bezüglich der Ausgestaltung des Gerätes 1 wird beispielsweise auf die DE 102 42 257 A1 verwiesen. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit vollinhaltlich in die Offenbarung vorliegender Erfindung mit einbezogen, auch zu dem Zwecke, Merkmale dieser Patentanmeldung in Ansprüche vorliegender Erfindung mit einzubeziehen.
• Weiter ist das Bodenstaub-Aufsammelgerät 1 bevorzugt zusätzlich oder auch alternativ zu der Bürste mit einer Saugmundöffnung versehen. In diesem Fall ist in dem Gerät 1 weiter ein Sauggebläsemotor angeordnet, der elektrisch betrieben ist.
• Die Elektroversorgung der einzelnen Elektrokomponenten des Gerätes 1 wie der Elektromotor für die Verfahrräder, der Elektroantrieb für die Bürste, gegebenenfalls der Sauggebläsemotor und darüber hinaus für die weiter vorgesehene Elektronik in dem Gerät 1 zur Steuerung desselben erfolgt über einen nicht dargestellten, wieder aufladbaren Akkumulator.
• Es besteht das Bedürfnis, bei derartigen autonom arbeitenden Geräten 1 Hindernisse zu erkennen, um ein Festfahren des Gerätes 1 zu verhindern. Hierzu ist eine Sensoranordnung 3 vorgesehen. Diese besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem Triangulationssystem, welches deckenseitig der Gerätehaube 2 und um eine Vertikalachse x des Gerätes 1 drehbar angeordnet ist.
• Das Triangulationssystem der Sensoranordnung 3 besitzt einen Lichtsender S sowie einen Empfangssensor E, wobei es sich weiter bei dem Triangulationssystem um ein optisches System handelt, weiter bevorzugt mit einer Lichtquelle in Form einer LED als Sender S und einem PSD-Element oder auch CCD- bzw. CMOS-Element als Empfänger E.
• Darüber hinaus ist zum Auffangen und Bündeln der von dem Lichtsender S ausgesandten und von einem Objekt 4 reflektierten Lichtstrahlen mindestens eine Linse in der Sensoranordnung 3 vorgesehen.
• Eine wie vorbeschriebene Sensoranordnung 3 ist aus der eingangs zitierten DE 10 2008 014 912 A1 bekannt.
• Zufolge der Sensoranordnung 3 ist über die Reflektion des ausgesandten Lichts und der Position des auf den Empfänger E auftretenden Reflexsignals R eine Entfernungsmessung zum abgetasteten Objekt 4 erreichbar.
• Die Abstandsinformationen werden bevorzugt diskreten Winkelsegmenten bzw. Drehwinkelbereichen α, α' zugeordnet, wobei bevorzugt ein Drehwinkelbereich α bzw. α' von 2° vorgesehen ist, woraus sich weiter bei einem 360°-Rundum-Scan der Sensoranordnung 3 180 Einzelmessungen ergeben. Weiter wird die Sensoranordnung 3, insbesondere der Lichtsender S gepulst betrieben, dies weiter mit einer bevorzugten Pulsfrequenz von 20 oder 55 kHz. Entsprechend ergeben sich bei einer weiter bevorzugten Drehgeschwindigkeit der Sensoranordnung 3 um die Achse x von etwa drei U/min mehrere Sendeimpulse pro Drehwinkelbereich α bzw. α', weiter bevorzugt 64 oder 128 Messimpulse pro Winkelsegment.
• Im aus dem Stand der Technik ungeregelten Pulsbetrieb ergibt sich die Problematik aufgrund der mit steigender Entfernung quadratisch abfallenden, vom Empfänger aufgenommenen Lichtenergie, dass bei Objekten 4 im Nahbereich (in 2 eine örtlich nahe Raumbegrenzung) eine sehr hohe Energiemenge von dem Empfangssensor E und der nachgeschalteten Elektronik verarbeitet werden muss, bei Objekten 4 im Fernbereich (in 2 eine örtlich weiter entfernte Raumbegrenzung) jedoch nur eine sehr kleine Energiemenge zur Verfügung steht.
• Erfindungsgemäß wird mit einer relativ geringen Sendeleistung eine genaue Messung durchgeführt, wozu eine optimale Ausnutzung des Dynamikumfangs der Sensoranordnung 3 notwendig ist.
• Dies ist im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der gepulst betriebene Lichtsender S der Sensoranordnung 3 nicht durchgehend mit seiner Modulationsfrequenz betrieben wird, sondern je nach Messbedingung einzelne Pulse oder Pulsgruppen ausgeschickt werden.
• 3 zeigt anhand eines Diagramms eine aus dem Stand der Technik bekannte konventionelle Ausführung. Der Sendestrahl wird über die gesamte Einsatzdauer bzw. über den gesamten Drehwinkelbereich α bzw. α' betrieben. Dargestellt ist hierbei eine Rechteckmodulation mit einem Duty Cycle (Tastgrad; entsprechend Ein-Aus-Verhältnis) von etwa 50%. Überstreicht die Sensoranordnung 3 einen Drehwinkelbereich α bzw. α', wird in der entsprechenden Zeit t eine vorgegebenen Anzahl von Lichtimpulsen L ausgesendet. Durch die Lichtimpulse L wird der Abstand zwischen der Sensoranordnung 3 und dem Objekt 4 ermittelt. Dargestellt werden in 3 pro Drehwinkelbereich α, α' drei ausgeschickte Lichtimpulse L, wenngleich weiter bevorzugt deren 64 oder 128 ausgeschickt werden.
• 4 zeigt dagegen ein Diagramm zur Erläuterung der vorgeschlagenen Lösung. Hierbei wird angenommen, dass die Entfernung gegenüber einem Objekt 4 mit relativ guten Reflektionseigenschaften gemessen werden soll. Dies bedeutet, dass der Empfängersensor E der Sensoranordnung 3 ein relativ starkes Signal mit einem guten Signal-Rausch-Abstand innerhalb des Drehwinkelbereiches α empfängt. Damit kann der zu dem Drehwinkelbereich α gehörende Entfernungswert nach – wie beispielsweise dargestellt – nur zwei ausgesandten Lichtimpulsen L, weiter bevorzugt zufolge Mittelwertbildung, genau bestimmt werden. Der dritte und jeder weitere Lichtimpuls L ist daher nicht notwendig und wird bevorzugt ausgelassen. Im darauffolgenden Drehwinkelbereich α' ergibt sich zufolge einer angenommenen weiteren Verbesserung der Reflektionseigenschaften des Objektes 4, ein noch stärkeres Signal, dementsprechend die Regelung der Sensoranordnung 3 unmittelbar nach dem ersten Lichtimpuls L keine weitere Sendepulse mehr schaltet.
• Die Empfangseinheit der Sensoranordnung 3 registriert entsprechend die Empfangssignalstärke der ausgesendeten Lichtimpulse L, wonach in Abhängigkeit der Signalstärke die Impulsfolge variiert wird, wobei weiter zur Variation verschiedene Kenngrößen der Impulsfolge, zum Beispiel für die Intensität, die Dauer oder die Anzahl von Impulsen herangezogen werden können.
• So kann von der Sensoranordnung 3 als mögliche Stellgröße die Intensität der Lichtimpulse L geregelt werden. Dies ist beispielhaft in den 5 und 6 dargestellt, wobei hier zur besseren Darstellung pro Drehwinkelbereich α von maximal 6 Sendeimpulse ausgegangen wird.
• Hierbei zeigt 5 eine Situation, bei welcher die Sensoranordnung 3 den Abstand zu einem sehr gut reflektierenden Objekt 4 bestimmen soll, welches sich weiter bevorzugt sehr nah an der Sensoranordnung 3 befindet. In diesem Fall wird sehr viel Licht auf den Empfangssensor E rückreflektiert. Es besteht entsprechend die Gefahr, dass der Empfangssensor E übersteuert wird und keine aussagekräftige Messung mehr möglich ist. Eine solche Fehlmessung wird erfindungsgemäß bevorzugt dadurch vermieden, dass pro aufeinanderfolgendem Lichtimpuls L die Sendeleistung P zurückgefahren wird, bis schließlich die Lichtimpulse L ein Niveau ohne Übersteuerung erreichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel in 5 wird die Sendeleistung jeweils um einen festen Betrag ΔP reduziert. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Sensorelektronik das Maß der Übersteuerung abschätzt und prädiktiv die erforderlichen Änderungen ΔP pro Lichtimpuls L bestimmt. Auch ist eine sukzessive Approximation einer mit n-Bit Auflösung wählbare Impulsamplitude in maximal n-Schritten beginnend mit der höchsten Amplitude möglich, um die optimale Amplitude zu bestimmen, bei der keine Übersteuerung des Empfangselementes E auftritt. Anschließend können weitere Impulse mit der ermittelten optimalen Amplitude ausgesendet werden, um über eine Mittelwertbildung die Genauigkeit des Messergebnisses zu erhöhen.
• In dem in 6 dargestellten zweiten Fallbeispiel beginnt der erste Lichtimpuls L mit einer verringerten Leistung als im Falle des Beispiels in 5 angenommen. Reicht die Leistung der Reflektionsstrahlung für eine genauere Messung – wie weiter angenommen – nicht aus, wird im nächsten Lichtimpuls L die Strahlungsleistung deutlich erhöht, dies weiter jedoch auf einen Maximalwert, der unterhalb eines sicherheitstechnischen Maximalwertes (Augensicherheit) liegt.
• Es wird weiter angenommen, dass diese Strahlungsleistung des in der Darstellung zweiten Lichtimpulses L zu hoch ist, entsprechend zu einer Sättigung des Empfangssensors E führt, so dass der darauffolgende Lichtimpuls L erneut reduziert wird und zwar auf ein Niveau zwischen den beiden vorhergehenden Werten. Die Strahlungsleistung der Sensoranordnung 3 wird entsprechend im Sinne einer Regelung auf einen für die jeweilige Messung optimalen Wert eingestellt.
• Die Sensoranordnung 3 kann, sobald die optimale Einstellung des Sendeimpulses erfolgt ist, die Entfernungsmessung mit einem einzelnen Sendeimpuls durchführen. Er kann aber auch die restlichen in diesem Drehwinkelbereich α liegenden und noch ausstehenden Lichtimpulse L aussenden oder zumindest eine vorgegebene, bevorzugt geradzahlige Anzahl von weiteren Lichtimpulsen L gleicher Intensität, um so beispielsweise zufolge Mittelwertbildung eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen.
• Als weiter möglicher Parameter kann auch die Dauer eines Einzelimpulses variiert werden. Dies ist beispielhaft in den 7 und 8 dargestellt, wobei auch hier zur vereinfachten Darstellung lediglich sechs Lichtimpulse L je Drehwinkelbereich α ausgesendet werden. Auch hier wird erfindungsgemäß davon ausgegangen, dass wesentlich mehr Lichtimpulse verwendet werden, so weiter bevorzugt 64 oder 128 Lichtimpulse L.
• In 7 ist ein Fall dargestellt, bei welchem die Sensoranordnung 3 den Abstand zu einem sehr gut reflektierenden Objekt 4 bestimmen soll, welches sich weiter bevorzugt sehr nah an der Sensoranordnung 3 befindet. In diesem Fall wird sehr viel Licht auf den Empfangssensor E rückreflektiert, mit der vorbeschriebenen Gefahr einer Übersteuerung des Empfangssensors E. Um eine Fehlmessung zu vermeiden, wird pro aufeinanderfolgenden Lichtimpuls L die Impulsbreite bzw. Impulsdauer zurückgefahren, da in diesem Fall pro Lichtimpuls L eine geringere Strahlungsenergie transportiert wird. In 7 ist mit dem fünften Lichtimpuls L ein Niveau ohne Übersteuerung erreicht. In diesem Beispiel ist die Impulsbreite jeweils um einen festen Zeitbetrag Δt reduziert. Alternativ schätzt die Sensorelektronik das Maß der Übersteuerung ab und bestimmt prädiktiv die erforderlichen Änderungen Δt pro Lichtimpuls L. Auch hier ist eine sukzessive Approximation vorstellbar, bei welcher eine mit n-Bit Auflösung wählbare Impulsbreite in maximal n-Schritten beginnend mit der größten Breite durchgeführt wird, um die optimale Impulsbreite zu bestimmen, bei der keine Übersteuerung des Empfangssensors auftritt. Anschließend können weitere Lichtimpulse L mit der ermittelten optimalen Breite ausgesendet werden, um über eine Mittelwertbildung die Genauigkeit des Messergebnisses zu erhöhen.
• In dem in 8 dargestellten Beispiel beginnt der erste Lichtimpuls L mit einer gegenüber dem Beispiel 7 niedrigeren Pulsdauer. Es wird angenommen, dass diese Strahlungsenergie für eine genaue Messung nicht ausreicht. Daher wird im nächsten Lichtimpuls L die Pulslänge deutlich erhöht. Es wird weiter angenommen, dass diese Strahlungsenergie zu hoch ist, was zu einer Sättigung des Empfangssensors E führt, so dass die Pulslänge wieder reduziert wird und zwar auf ein Niveau zwischen den beiden vorhergehenden Werten. Die Impulsdauer des Lichtsenders S wird entsprechend im Sinne einer Regelung auf einen für die jeweilige Messung optimalen Wert eingestellt.
• Der Lichtsender S kann, so bald die optimale Einstellung des Sendeimpulses erfolgt ist, die Entfernungsmessung mit nur einem einzelnen Lichtimpuls L durchführen. Weiter ist auch ein Aussenden der restlichen, dem Drehwinkelbereich α zugeordneten Lichtimpulsen L möglich, um so beispielsweise durch Mittelwertbildung eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen.
• Darüber hinaus ist auch eine Impulsänderung durch Variation der Pulsanzahl möglich. In diesem Fall sendet der Lichtsender S Lichtimpulse L mit einer konstanten Pulsdauer t und Leistung P, die so bemessen sind, dass selbst bei einer ungünstigen Kombination aus Oberflächeneigenschaften des Objekts 4 und Messdistanz keine Übersteuerung auftritt. Dies ist beispielsweise in 9 dargestellt. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass pro Winkelbereich α maximal sechs Lichtimpulse L ausgesendet werden, wenngleich bevorzugt mehr Lichtimpulse L je Drehwinkelbereich α ausgesendet werden können, so insbesondere 64 oder 128 Lichtimpulse L.
• So ist in 9 ein Fall dargestellt, bei dem gegen ein sehr gut reflektierendes Objekt 4 bei einer geringen Distanz gemessen wird, so dass auf den Empfangssensor E eine verhältnismäßig hohe Strahlungsleistung zurückreflektiert wird. In diesem Fall wird ein einzelner Lichtimpuls L benötigt, um eine genaue Messung zu erreichen. Die restlichen in dem Drehwinkelbereich α noch ausstehenden Lichtimpulse L werden in diesem Beispiel nicht ausgesandt, werden entsprechend unterdrückt.
• 10 zeigt ein Fallbeispiel, bei welchem gegen ein schlecht reflektierendes Objekt 4 bevorzugt in größerer Distanz gemessen wird. Die Abstandsinformation, die aus einem einzelnen Lichtimpuls L gewonnen werden kann, ist aufgrund der ungünstigen Randbedingungen gegebenenfalls mit großer Unsicherheit behaftet, führt jedoch bevorzugt durch Mittelwertbildung über mehrere (hier sechs) Lichtimpulse L auch ohne Erhöhung der Strahlungsleistung P zu einer Messung mit großer Genauigkeit.
• Die vorbeschriebenen Parameter zur Impulsänderung sind weiter bevorzugt auch miteinander kombinierbar. Als besonderes vorteilhaft erweist sich hierbei die gleichzeitige Regelung der Sendeleistung P und der Anzahl der Lichtimpulse L. Im Falle eines gut reflektierenden Objekts 4 im Nahbereich sendet der Lichtsender S in diesem Fall bevorzugt wenige Lichtimpulse L mit geringer Sendeleistung P, im Falle von schlecht reflektierenden Objekten 4 Lichtimpulse L mit erhöhter Sendeleitung P.
• In dem Fall, dass die Anzahl der Lichtimpulse L pro Drehwinkelbereich α variiert wird, werden weitere, nicht benötigte Lichtimpulse L bevorzugt unterdrückt oder alternativ durch Lichtimpulse L mit sehr niedriger Sendeleistung P ersetzt. Diese Lichtimpulse L mit sehr niedriger Sendeleistung P liefern keine Messwerte. Sie führen aber dazu, dass für eine sich in der Umgebung des Gerätes 1 befindliche Person nicht der Eindruck entsteht, dass das Sendelicht der Sensoranordnung 3 flackert, was als unangenehm empfunden werden kann. Durch Lichtimpulse L mit sehr niedriger Sendeleistung P wird dieser sukzessive Eindruck des Flackern vermieden.
• 11 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Lichtintensität I des in Abhängigkeit vom ausgesendeten, gegebenenfalls geänderten Lichtimpulses L resultierenden Reflexsignals R auf dem Empfangssensor E, welche Lichtintensität I zufolge Regelung des Lichtimpulses L und des hieraus resultierenden Reflexsignals R innerhalb eines vorgegebenen, zulässigen Toleranzbereichs b verschoben wird, innerhalb welches Toleranzbereichs b zufolge ausreichender Belichtung des Empfangssensors E eine zuverlässige Abstandsmessung erreicht wird.
• Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
• Bezugszeichenliste

1

Bodenstaub-Aufsammelgerät

2

Gerätehaube

3

Sensoranordnung

4

Objekt

b

Toleranzbereich

t

Zeit

x

Achse

I

Lichtintensität

L

Lichtimpuls

P

Sendeleistung

R

Reflexsignal

S

Lichtsender

E

Empfangssensor

α

Drehwinkelbereich

α'

Drehwinkelbereich

• 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
• DE 102008014912 A1 [0002, 0033]
• DE 10242257 A1 [0027]

Claims (3)

1. Verfahren zur Abstandsmessung auf Lichtbasis mittels eines über einen vorgegebenen Winkelbereich oder umlaufend rotierenden, Lichtimpulse (L) aussendenden Lichtsenders (S), wobei in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich (α, α') eine Mehrzahl von Lichtimpulsen (L) ausgesandt werden und wobei weiter ein Empfangssensor (E) vorgesehen ist, der zur Erfassung eines von einem Lichtimpuls (L) hervorgerufenen Reflexsignals (R) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Toleranzbereich (b) für die Stärke des Reflexsignals (R) vorgegeben wird und dass bei Empfang eines Reflexsignals (R) außerhalb des Toleranzbereichs (b) eine Impulsänderung vorgenommen wird, um ein Reflexsignal (R) innerhalb des Toleranzbereichs (b) zu erreichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsänderung durch eine Änderung der Lichtintensität und/oder Impulsdauer (t) und/oder Impulsanzahl pro Zeiteinheit erreicht wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bei Empfang eines Reflexsignals (R) innerhalb des Toleranzbereichs (b) weitere Lichtimpulse (L) in dem Drehwinkelbereich (α, α') unterdrückt werden oder nicht ausgewertet werden oder in ihrer Intensität reduziert werden.

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