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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Messung der Querdynamik eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Auswerteeinheit.
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Unter dem Begriff „Objekt“ im Sinne dieser Erfindung soll, in erster Linie, jedoch nicht ausschließlich, ein im Verkehrsfluss vor einem nachfolgenden Egofahrzeug fahrendes Fahrzeug verstanden werden. Bei einem bekannten Fahrerassistenzsystem wird ein Auffahrunfall auf ein vorausfahrendes Fahrzeug dadurch verhindert, dass nach Erkennen einer kollisionsrelevanten Verkehrssituation eine Notbremsung des Folgefahrzeugs durchgeführt wird, um den Aufprall auf das voraus fahrende Fahrzeug zu verhindern. Zum Erfassen der kollisionsrelevanten Verkehrssituation dient dabei ein Sensor (Sendeempfänger nach dem Lidarprinzip) in dem Egofahrzeug, der das Fahrzeugumfeld des Egofahrzeugs erfasst. Als Sensor wird ein Lidar Fixed Beam verwendet, dessen Strahlcharakteristik derart ausgelegt ist, dass der Bereich vor dem Egofahrzeug optimal sensiert wird, um eine Kollision mit vorausfahrenden Fahrzeugen zu verhindern, die keinen oder nur einen geringen Querversatz zu dem Egofahrzeug haben. Zur Auslösung eines Notbremsvorgangs wird ein Pulsechoverfahren eingesetzt. Befindet sich ein Fremdfahrzeug in dem Erfassungsbereich (Field of View) des Sensors des Egofahrzeugs, dann kann von dem Empfänger des Sensors ein Rückstreusignal detektiert werden, das zuvor von dem Sender des Sensors abgestrahlt und von dem Fremdfahrzeug reflektiert wird. Über die gemessene Laufzeit des ausgesandten und rückgestreuten Signals kann auf den Abstand zwischen dem Egofahrzeug und dem Fremdfahrzeug geschlossen werden. Über die Sendecharakteristik des Senders des Sensors, das heißt seine Strahlbegrenzung bzw. Strahlform, kann grob darauf geschlossen werden, unter welchem Winkel das erfasste Fremdfahrzeug in Bezug auf das Egofahrzeug vorliegt. Mit diesem Ansatz kann allerdings noch nicht auf die Orientierung der Längsachse des Fremdfahrzeugs in Bezug auf das Egofahrzeug bzw. auf deren zeitliche Änderung geschlossen werden.
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Aus
US 6335789 B1 ist ein an einem Fahrzeug angebrachtes optisches Radarsystem zum Erfassen eines Objekts vor dem Fahrzeug bekannt, umfassend:
Ein Sendemittel für eine elektromagnetische Welle zum Senden einer elektromagnetischen Welle, ein erstes Abtastmittel zum vertikalen und lateralen Abtasten der von dem Sendemittel für eine elektromagnetische Welle gesendeten elektromagnetischen Welle als ein gesendeter Strahl, der ein Strahlmuster mit einer lateralen Musterbreite, die relativ gering ist gegenüber der lateralen Abtastbreite, und einer vertikalen Musterbreite, die relativ gering ist gegenüber der vertikalen Abtastbreite, aufweist, ein Empfangsmittel für eine reflektierte Welle zum Empfangen der von einem Objekt in einem Empfangsbereich des Empfangsmittels für eine reflektierte Welle vor dem Fahrzeug reflektierten Welle, wobei ein zweites Abtastmittel zum vertikalen Abtasten eines Strahlempfangsbereichs, der ein lateral längliches Muster mit einer vertikalen Musterbreite, die relativ klein ist gegenüber der vertikalen Abtastbreite, aufweist, wobei eine Abtastperiode durch das zweite Abtastmittel gleich einer Periode für das vertikale Abtasten durch das erste Abtastmittel ist.
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Aus
WO 2010/051615 A1 ist ein an einem Hubschrauber angeordnetes Lidarfernerfassungssystem für die Erfassung einer Entfernungsinformation eines in einer bestimmten Richtung befindlichen Objekts bekannt. Das System umfasst eine gepulste Signalquelle für die Aussendung mindestens eines gepulsten Signals, einen Sendeempfänger für das Senden des mindestens einen gepulsten Signals in eine vorbestimmte Richtung und den Empfang mindestens eines rückgestreuten Signals, das dem ausgesandten Signal zugeordnet ist, mindestens einen Detektor für die Erfassung des mindestens einen rückgestreuten Signals des Sendeempfängers, eine Signalverarbeitungseinrichtung, um mindestens eine abfallende Flanke des mindestens einen von mindestens einem Sensor rückgestreuten Signals mit der abfallenden Flanke des mindestens einen gepulsten Signals in Beziehung zu setzen um daraus die Entfernung des Systems zu einem reflektierenden Objekt in der bestimmten Richtung abzuleiten und um weiterhin ein Merkmal der mindestens einen abfallenden Flanke des mindestens einen rückgestreuten Signals mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen, um daraus auf ein reflektierendes Objekt oder eine Aerosolwolke zu schließen und um schließlich den mit der mindestens einen abfallenden Flanke verbundenen Entfernungsmesswert zu unterdrücken, wenn das reflektierende Objekt als Aerosolwolke klassifiziert worden ist. Demzufolge soll das bekannte System eine Unterscheidung zwischen festen Objekten und Aerosolwolken bei Einsatz des Hubschraubers ermöglichen. Eine Anwendung für die Erfassung der Querdynamik eines Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs, ist nicht offenbart.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine Bestimmung der Querlage eines sensierten Objekts, vorzugsweise eines Fahrzeugs und deren Änderung. Weiterhin wird die Erfassung der Quergeschwindigkeit und deren Änderung ermöglicht. Kern der Erfindung ist somit die Messung der Querdynamik eines Objekts mit wenigstens einem Lidar Fixed Beam Sensor. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es, die Orientierung eines Objekts im Erfassungsbereich (Field of View) eines Lidar Fixed Beam Sensors zu bestimmen, geometrische Informationen des Objekts abzuleiten und die Quergeschwindigkeit des Objekts und deren Änderung zu erfassen, wobei das „Tailing“ (abfallende Flanke) der rückgestreuten Signale pro Messung ausgewertet als auch dessen zeitliche Änderung über mehrere Messungen hinweg interpretiert werden kann. Unter dem, Begriff „Tailing“ soll in diesem Zusammenhang eine Asymmetrie verstanden werden, bei der eine ansteigende Flanke eines Impulsmaximums steiler ist als eine abfallende Flanke des Impulses. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können mehrere Lidar Beams eingesetzt und die über diese ermittelten Informationen kombiniert werden. Dadurch lässt sich eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der gemessenen und von den gemessenen abgeleiteten Größen erreichen. Abgesehen von der Anwendung in einem Fahrerassistenzsystem kann die Erfindung vorteilhaft auch in anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz bei automatisierten Produktionsprozessen, bei denen Position, Orientierung und Form eines auf einer Transferstraße zugeführten Werkstücks möglichst genau erfasst werden müssen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Auswerteeinheit mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bevorzugt umfassen die Mittel einen Prozessor, sowie vorzugsweise einen Speicher. Insbesondere umfassen die Mittel eine Schnittstelle zu dem Sensor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Illustration des Impulsechoverfahrens;
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2 eine Illustration des Rückstreuverhaltens eines Objekts mit einer im Wesentlichen planparallelen Rückstreufläche;
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3 eine Illustration des Rückstreuverhaltens des in 2 dargestellten Objekts nach einer Änderung der relativen Orientierung in Bezug auf einen Sensor;
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4 eine Illustration des Rückstreuverhaltens bei einem Objekt mit einer größeren Längsausdehnung;
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5 eine Illustration des Rückstreuverhaltens bei einem Objekt mit unterschiedlicher Querlage;
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6 eine Illustration des Rückstreuverhaltens bei einem abbiegenden Fahrzeug;
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7 die Anwendung des Verfahrens bei einem Werkstück.
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Unter Bezug auf 1 wird zunächst das Impulsechoverfahren illustriert, auf dem die Erfindung beruht. Das Impulsechoverfahren arbeitet nach dem so genannten LIDAR-Prinzip (LIDAR = Light Detection and Ranging), bei dem von einem Sendeempfänger zunächst ein optisches Signal ausgesandt wird. An einem in dem Erfassungsbereich des Sendeempfängers befindlichen Objekt kann die ausgesandte Strahlung reflektiert werden und dadurch wieder zu dem Sendeempfänger gelangen. Durch Auswertung des ausgesandten und reflektierten optischen Signals können Entfernung (Laufzeitprinzip) und Position des Objekts bestimmt werden. 1 zeigt einen bordgebundenen Sendeempfänger 1.1, der in einem in Aufsicht dargestellten Fahrzeug 1 angeordnet ist. In dem mit Bezugsziffer 3 bezeichneten Erfassungsbereich des Sendeempfängers 1.1 befindet sich ein Objekt 2, beispielsweise ein in einiger Entfernung vor dem Fahrzeug 1 (Egofahrzeug) fahrendes Fremdfahrzeug. Ein von dem Sendeempfänger 1.1 ausgesandtes optisches Signal in Form eines Lichtimpulses 1.1a breitet sich in dem Erfassungsbereich 3 des Sendeempfängers 1.1 aus bis es auf das Objekt 2 trifft. Von dort wird es reflektiert und kehrt als reflektierter Lichtimpuls 1.1b zu dem Sendeempfänger 1.1 zurück, der das reflektierte Lichtsignal auswertet. In dem darunter dargestellten Diagramm ist die Intensität I der Lichtimpulse als Funktion der Zeit t aufgetragen. Der von dem Sendeempfänger 1.1 ausgesandte Lichtimpuls 1.1a erreicht zum Zeitpunkt t0 sein Maximum. Der an dem Objekt 2 reflektierte Lichtimpuls, 1.1b erreicht zum Zeitpunkt t1 sein Maximum. Basierend auf dem Laufzeitprinzip, kann, in Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, aus dem zeitlichen Abstand t1, t0 der Lichtimpulse 1.1a, 1.1b der Abstand des Objekts 2 von dem Sendeempfänger 1.1 bestimmt werden. 2 zeigt nochmals eine idealisierte Darstellung, bei der das Objekt 2 über eine im Wesentlichen planparallele Rückstreufläche verfügt. Hierbei ergibt sich ein im Wesentlichen symmetrischer, scharf gebündelter Echoimpuls 1.1b. Hierbei wird unterstellt, dass die Längsachsen des Fahrzeugs 1 bzw. des in dem Fahrzeug 1 angeordneten Sendeempfängers 1.1 und des Objekts 2 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind bzw. sogar im Wesentlichen übereinstimmen. Ein solcher „idealer“ Echoimpuls kann als Referenzimpuls herangezogen und als Schwellwert für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. In der Praxis könnte er aus einer tatsächlichen Messung abgeleitet und dann in einer Speichereinrichtung des Sendeempfängers 1.1 gespeichert werden, um für einen Vergleich mit zukünftigen Messwerten bereitzustehen.
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Nach einer Querbewegung des Objekts 2 weichen die Längsachsen des Objekts 2 und des Sendeempfängers 1.1, wie in 3 und 4 dargestellt, voneinander ab. Wie aus 3 ersichtlich, bietet das Objekt 2 dem von dem Sendeempfänger 1.1 ausgesandten Lichtimpuls 1.1a nun eine wesentlich veränderte Rückstreufläche, deren Teile sich unterschiedlich weit von dem Sendeempfänger 1.1 befinden. Durch diese Änderung der Orientierung des Objekts liegen nun auch seitliche Begrenzungsflächen des Objekts in dem Erfassungsbereich des Sendeempfängers 1.1 und tragen zu einem Rückstreusignal bei. Durch die nun unschärferen Laufzeiten des Lichtimpulses ergibt sich eine Aufweitung des Echoimpulses 1.1b. Durch die unterschiedlichen Längen der von dem Lichtimpuls bestrahlten Flächen ergibt sich eine Veränderung der Echosymmetrie und durch ein unsymmetrisches Echo auch eine Veränderung der Mittelpunktlage. Bei einer im Wesentlichen unveränderten Form des von dem Sendeempfänger 1.1 ausgesandten Lichtimpulses 1.1a zeigt der von dem Objekt 2 zurückgestreute Lichtimpuls 1.1b nun eine stark veränderte Form. Auffallend ist die starke Asymmetrie des Lichtimpulses 1.1b, die an der verlängerten abfallenden Flanke Fa zu erkennen ist.
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4 zeigt eine ähnliche Situation, wobei jedoch das Objekt 2 eine größere Längsausdehnung aufweist, was durch ein deutlicheres „Tailing“ angezeigt wird. Bei dem in 3 dargestellten Objekt 2 kann es sich beispielsweise um einen PKW handeln. Bei dem in 4 dargestellten Objekt 2 könnte es sich um einen LKW handeln. Mittels dieses Effekts kann aus einer Messung auf die Geometrie des Objekts geschlossen werden. Die laterale Ausdehnung eines Objekts ist aber eine für den Fahrer des Fahrzeugs 1 bzw. für ein ihn unterstützendes Fahrerassistenzsystem eine wichtige Information. Hieraus kann nämlich abgeleitet werden, ob für das Folgefahrzeug 1 bei der Annäherung an das Objekt 2 ein Risiko besteht oder nicht. Ein Risiko bestünde beispielsweise dann, wenn das Objekt 2 den Fahrweg des Fahrzeugs 1 versperrte.
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5 verdeutlicht den zuvor beschriebenen Effekt bei unterschiedlichen Ausrichtungen der Längsachsen der Fahrzeuge 1, 2. In dem linken Bereich von 5 sind drei unterschiedliche Ansichten eines Verkehrsraums aus der Vogelperspektive dargestellt. In dem betrachteten Verkehrsraum befinden sich jeweils ein mit dem beschriebenen Sendeempfänger 1.1 ausgestattes Fahrzeug 1 (Egofahrzeug) und ein vor diesem fahrendes Fahrzeug 2. In dem ersten oberen Bild weichen die Längsachsen der beiden Fahrzeuge um etwa 5° ab. In dem mittleren Bild weichen die Längsachsen um etwa 10° ab. In dem dritten unteren Bild weichen die Längsachsen um etwa 15° ab. Jeweils rechts von den zuvor erwähnten Verkehrsräumen sind Kurven dargestellt, die lediglich den reflektierten Lichtimpuls 1.1b zeigen. Auffallend ist ein von Bild zu Bild zunehmender Tailingeffekt, also eine Asymmetrie, die sich dadurch auszeichnet, dass jeweils die abfallende Flanke des Impulses weniger steil verläuft als die ansteigende Flanke. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß genutzt, um die Querlage bzw. die Querdynamik eines Objekts zu detektieren. Um das zu bewerkstelligen, wird zunächst ein Schwellwert definiert, dem die abfallende Flanke Fa, bzw. eine Eigenschaft der abfallenden Flanke Fa des reflektierten Impulses 1.1b zugeordnet ist. Bevorzugt wird dabei ein Schwellwert gewählt der einer bekannten Betriebskenngröße des gemessenen Objekts 2 entspricht. Beispielsweise kann hierzu eine Impulsform des reflektierten Impulses 1.1b gemäß 2 in Betracht gezogen werden, die sich üblicherweise dann ergibt, wenn eine Reflexion an einem Fahrzeug 2 mit einem Standardquerschnitt erfolgt, das ohne Winkelversatz vor einem mit dem Sendeempfänger 1.1 ausgestatteten Fahrzeug 1 fährt. Als Schwellwert kann dann beispielsweise die Steigung der abfallenden Flanke Fa des reflektierten Impulses 1.1b, die Länge der abfallenden Flanke Fa oder auch die Fläche unterhalb der abfallenden Flanke Fa des Impulses gewählt werden. Zweckmäßig wird dieser Schwellwert dann auch in dem Sendeempfänger 1.1 gespeichert, um einen Vergleich mit einem Messwert zu ermöglichen. Weicht ein später gewonnener Messwert von dem gespeicherten Schwellwert ab, dann kann daraus der Schluss gezogen werden, dass das gemessene Fahrzeug eine Querdynamik aufweist und seine Längsachse einen Winkelversatz zu der Längsachse des Egofahrzeugs 1 aufweist. Aus der Größe der Abweichung von dem Schwellwert kann dann auch auf die Größe des Winkelversatzes geschlossen werden, wie in 5 dargestellt ist. Beispielsweise werde die Steigung der abfallenden Flanke des Impulses 1.1b in 2 als Schwellwert vorgegeben. Die in 5 anhand von Messungen abgeleiteten Steigungen der abfallenden Flanken der reflektierten Impulse 1.1b weichen ersichtlich von dem vorgegebenen Schwellwert ab. Daraus kann geschlossen werden dass das von dem Egofahrzeug 1 erfasste und gemessene Fahrzeug 1 einen Querversatz zeigt, der von Messung zu Messung größer ist. Da die Messintervalle bekannt sind, kann vorteilhaft auch die zeitliche Entwicklung des Querversatzes festgestellt werden. Über die zeitliche Verfolgung des „Tailings“, was zum Beispiel über den Quotienten der einhüllenden Halbachsen des reflektierten Impulssignals erfolgen kann, ist somit auch die Ermittlung der Quergeschwindigkeitsänderung möglich.
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Allein durch die unter Bezug auf 2 und 5 beschriebenen Messungen kann noch nicht festgestellt werden, was die Ursache für die erfasste Querbewegung des Fahrzeugs 1 ist. Denkbar ist, dass der Fahrer des Fahrzeugs 1 beabsichtigt, die Fahrtrichtung zu wechseln, um in eine andere Straße abzubiegen. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Fahrer des Fahrzeugs 2 gerade ausschert, um, einen Überholvorgang einzuleiten. Weiterhin ist nicht auszuschließen, dass das beobachtete Fahrzeug in einen unkontrollierten Fahrzustand geraten sein könnte. Bei einem mit einem Navigationssystem ausgerüsteten Fahrzeug 1 kann nun durch Abgleich mit der digitalen Straßenkarte des Navigationssystems verifiziert werden, ob überhaupt eine Abbiegemöglichkeit besteht. Falls diese gegeben ist, besteht eine große Wahrscheinlichkeit dafür, dass das beobachtete Fahrzeug gerade dabei ist, seine Fahrtrichtung zu ändern, um abzubiegen. Auf diese Weise kann ein bestehender Abbiegewunsch des Fahrzeugs 1 plausibilisiert werden. Dies wird im Folgenden unter Bezug auf 6 erläutert. 6 zeigt in dem mittleren Teil der Darstellung eine Aufsicht auf einen Verkehrsraum, in dem sich ein von einem Sendeempfänger 1.1 eines nicht dargestellten Egofahrzeugs überwachtes Fremdfahrzeug 2 bewegt. In den oberen Teil der 6 ist die digitale Karte eines in dem Fahrzeug 1 angeordneten Navigationssystems eingeblendet. Der Verkehrsraum 6 umfasst eine Straße 6.1, die von den Fahrzeugen 1 und 2 befahren wird. Der Sendeempfänger 1.1 des Fahrzeugs 1 führt eine Messung durch. Dabei wird zum Zeitpunkt t0 ein Impuls 1.1a abgestrahlt, der auf das Fahrzeug 2 trifft und von dort auf den Sendeempfänger 1.1 reflektiert wird. Die dort vorgenommene Auswertung des reflektierten Impulses 1.1b lässt durch die flacher verlaufende abfallende Flanke des Impulses 1.1b eine Asymmetrie erkennen, was als Hinweis auf eine Querlage des gemessenen Fahrzeugs 2 gedeutet werden kann. Da die digitale Karte zusätzlich eine von der Straße 6.1 abbiegende Straße 6.2 zeigt, kann als plausibel unterstellt werden, dass der Fahrer des Fahrzeugs 2 in die Straße 6.2 abbiegen will und sich das Fahrzeug 2 demzufolge weiter in Richtung des Pfeils 2.1 fortbewegen wird. Der Fahrer des Fahrzeugs 1 bzw. ein ihn unterstützendes Fahrerassistenzsystem kann sich so rechtzeitig auf das beobachtete und erkannte Manöver des Fahrzeugs 2 einstellen und insbesondere von einem eventuell geplanten Überholvorgang vorübergehend Abstand nehmen. Sollte auf der digitalen Karte keine Abbiegung verzeichnet sein, wäre ein bevorstehender Abbiegevorgang des Fahrzeugs 2 wenig plausibel. Immerhin muss dann aber immer noch davon ausgegangen werden, dass der Fahrer des Fahrzeugs 2 gerade einen Überholvorgang einleitet oder dass das Fahrzeug sich in einem unkontrollierten Fahrzustand befindet. Auch in diesen vorgenannten Fällen kann sich der Fahrer des folgenden Fahrzeugs 1 bzw. das ihn unterstützende Fahrerassistenzsystem noch frühzeitig auf eine eventuelle Gefährdung einstellen, wodurch die Fahrsicherheit erhöht wird.
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Vorstehend wurde die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Erfassung der Querdynamik eines Objekts, insbesondere eines am Straßenverkehr teilnehmenden Fahrzeugs, erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Gemäß der Darstellung in 7 könnte das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auch in einem Produktionsprozess eingesetzt werden, um den Abstand eines Werkstücks oder dergleichen, seine Form und/oder seine Orientierung zu erfassen. Diese Anwendung wird im Folgenden unter Bezug auf 7 erläutert. 7 zeigt eine schematisch dargestellte Transferstraße, hier beispielhaft in Form eines Förderbands, auf der ein Werkstück 7.1 in Richtung des Pfeils P transportiert wird. Benachbart zu der Transferstraße 7 ist ein nach dem Lidarprinzip arbeitender Sendeempfänger 8 angeordnet, dessen Erfassungsbereich die Transferstraße abdeckt. Der Sendeempfänger 8 bestrahlt das Werkstück 7.1 mit Lichtimpulsen, die von dem Werkstück 7.1 auf den Sendeempfänger 8 reflektiert werden. Über eine Laufzeitmessung kann der Abstand des Werkstücks 7.1 zu dem Sendeempfänger 8 erfasst werden. Weiterhin können über eine Auswertung der Gestalt des reflektierten Impulses, wie oben schon beschrieben, Informationen über die Form bzw. Orientierung des Werkstücks 7.1 gewonnen werden. Vorteilhaft gelingt dies wiederum durch Vergleich der gewonnenen aktuellen Messwerte mit gespeicherten Schwell- bzw. Referenzwerten, die beispielsweise als Datenbank in einer mit dem Sendeempfänger 8 funktional verknüpften Speichereinrichtung 9 abgelegt sind. Aufgrund des Vergleichs kann die wahrscheinlichste Größe ermittelt werden.
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Bei einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein Sendeempfänger eingesetzt werden, der mehrere Strahlungsimpulse aussendet. Dadurch kann eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der gemessenen und der von den gemessenen abgeleiteten Größen erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6335789 B1 [0003]
- WO 2010/051615 A1 [0004]
