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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bei einer Laserentfernungsmessung können mehrere Oberflächen in unterschiedlichen Entfernungen den Laser zurückwerfen. Dann ist eine Auswahl des zu berücksichtigenden Echos erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Laserscanner mit der Vorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Ein Laserstrahl kann aufgeweitet werden, um mehrere Oberflächen in unterschiedlichen Entfernungen anzustrahlen. Die dabei resultierenden mehrfachen Echos können für unterschiedliche Ziele ausgewertet werden. Ein aufgeweiteter Strahl trifft mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auf ein Hindernis, als ein punktförmiger Strahl. Daher können Hindernisse durch den aufgeweiteten Strahl verbessert erkannt werden. Der aufgeweitete Strahl wird dabei auch mit hoher Wahrscheinlichkeit an dem Hindernis vorbei leuchten und an Oberflächen hinter dem Hindernis reflektiert werden. Durch den aufgeweiteten Strahl können also auch Strukturen, die hinter Störkonturen liegen, geortet werden, welche für die Positionserkennung geeignet sind.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Laserscanners vorgestellt, der eine Laserlichtquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Laserstrahls in einer Messebene, eine Aufweitungseinheit zum Aufweiten des Laserstrahls quer zu der Messebene und eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer Intensität einer Reflexion des Laserstrahls in einem Intensitätsverlauf aufweist, wobei in einem Schritt des Filterns der Intensitätsverlauf unter Verwendung einer ersten Funktion zur Hinderniserkennung gefiltert wird und der Intensitätsverlauf unter Verwendung einer zweiten Funktion zur Lokalisierung gefiltert wird.
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Unter einem Laserscanner kann ein zweidimensional erfassender Laserscanner verstanden werden. Der Laserstrahl kann von einem Punkt zu einem Strich aufgeweitet werden. Ein Intensitätsverlauf kann ein zeitlicher Verlauf der Intensität sein. Filterfunktionen können unterschiedliche Bereiche des Intensitätsverlaufs auswerten, um Entfernungen zu unterschiedlich weit entfernten Objekten zu erhalten.
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Die erste Funktion kann eine Minimumfunktion sein. Auf diese Weise kann ein am nächsten liegendes Hindernis sicher erkannt werden. Die zweite Funktion kann eine Medianfunktion sein. Diese Funktion eignet sich um einen robusten Wert zur Lokalisierung zu ermitteln. Alternativ kann die zweite Funktion eine Funktion zum Erkennen eines Lasermarkers sein. Dabei kann es sich um eine Funktion handeln, die geeignet ist, um anhand der Intensität der Reflexion darauf zu schließen, ob ein Strahl von einem Lasermarker reflektiert wurde oder nicht. Auf diese Weise kann das Verfahren auch eingesetzt werden, wenn Lasermarker zur Lokalisierung vorhanden sind.
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In der ersten Funktion kann eine Zeitdauer zwischen dem Emittieren und einem ersten Peak des Intensitätsverlaufs zum Bestimmen einer Distanz zu einem Hindernis ausgewertet werden. Ein Peak kann als lokales Maximum des Intensitätsverlaufs bezeichnet werden.
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In der zweiten Funktion kann eine Zeitdauer zwischen dem Emittieren und einem mittleren Peak des Intensitätsverlaufs zum Bestimmen einer Entfernung zu einer Wand ausgewertet werden. Der mittlere Peak kann eine hohe Wiederholgenauigkeit aufweisen. Insbesondere kann der sogenannte mittlere Peak unter Verwendung der Median-Funktion bestimmt werden, da diese eine sehr hohe Robustheit gegenüber Ausreißern bzw. Störmessungen aufweist.
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Intensitätswerte des Intensitätsverlaufs können verworfen werden, wenn sie kleiner als ein Minimalwert sind. Eine zu niedrige Intensität kann durch mehrfache Reflexion hervorgerufen werden. Durch mehrfache Reflexionen kann eine Laufzeit verfälscht werden.
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Ein Peak des Intensitätsverlaufs kann als Lasermarker erkannt werden, wenn der Peak größer als ein Referenzwert ist. Ein Lasermarker kann ein Reflektor sein. Der Lasermarker kann einen für die Lokalisierung wichtigen Punkt kennzeichnen.
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Im Schritt des Filterns kann als ein Varianzmaß eine Zeitdauer zwischen dem ersten Peak und dem letzten Peak des Intensitätsverlaufs bestimmt werden. Eine hohe Varianz deutet auf eine zerklüftete Struktur hin, die eine geringe Wiederholgenauigkeit aufweist. Eine geringe Varianz kann auf eine glatte Struktur mit einer hohen Wiederholgenauigkeit hindeuten.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern beziehungsweise umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Weiterhin wird ein Laserscanner mit einer Laserlichtquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, einer Ablenkeinheit zum Ablenken des Laserstrahls entlang einer Messebene, einer Aufweitungseinheit zum Aufweiten des Laserstrahls quer zu der Messebene, einer Erfassungseinheit zum Erfassen einer Intensität einer Reflexion des Laserstrahls in einem Intensitätsverlauf und einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Anspruch vorgestellt.
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Die Aufweitungseinheit kann eine Zylinderlinse und/oder eine Kollimatorlinse und/oder einen Kollimatorspiegel aufweisen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Darstellung eines Gabelstaplers mit einem herkömmlichen Laserscanner;
- 2 eine Darstellung eines beladenen herkömmlichen Gabelstaplers;
- 3 eine Darstellung eines Gabelstaplers mit einem Laserscanner gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine Darstellung eines Laserscanners mit einer Kollimationslinse gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine Darstellung eines Laserscanners mit einem Kollimationsspiegel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine Darstellung eines Intensitätsverlaufs einer Reflexion eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 8 eine Darstellung einer durch einen Laserscanner erstellten Umgebungskarte.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Gabelstaplers 100 mit einem herkömmlichen Laserscanner 102. Der Laserscanner 102 ist an einem Heck des Gabelstaplers 100 angeordnet. Der Laserscanner 102 sendet einen punktförmigen Laserstrahl 104 aus, der in einer Messebene 106 seitlich abgelenkt wird, sodass der Laserstrahl 104 einen Winkelbereich hinter dem Gabelstapler 100 überstreicht. Wenn der Laserstrahl 104 auf einen Gegenstand 108 trifft, wird ein Anteil des Lichts des Laserstrahls 104 von einem Auftreffpunkt 110 zu dem Laserscanner 102 zurückgeworfen. Aus einer Laufzeit zwischen dem Emittieren des Laserstrahls 104 und dem Empfangen des zurückgeworfenen Lichts berechnet eine Elektronik des Laserscanners eine Entfernung zwischen dem Laserscanner 102 und dem Auftreffpunkt 110.
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Hier ist hinter dem Gabelstapler 100 ein Palettenstapel 108 gestapelt und ist somit ein Hindernis für den Gabelstapler 100. Der Auftreffpunkt 110 liegt an einer dem Gabelstapler 100 zugewandten Seite des Palettenstapels 108. Der Laserscanner 102 erfasst die Entfernung zwischen dem Heck des Gabelstaplers 100 und dem Palettenstapel 108.
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Mit anderen Worten erfasst hier ein herkömmlicher 2D-Laserscanner 102 mit punktförmigem Laserstrahl 104 aufgrund der Anbauhöhe die Distanz zum Palettenstapel 108.
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2 zeigt eine Darstellung eines beladenen herkömmlichen Gabelstaplers 100. Der Gabelstapler 100 entspricht dem Gabelstapler in 1. Hier trägt der Gabelstapler eine Last 200 auf seinen Gabeln. Dadurch wird sein Heck angehoben. Der Laserscanner 102 ist damit in einer größeren Höhe angeordnet, als in 1. Dadurch durchdringt der Laserstrahl 104 den Palettenstapel 108 und der Auftreffpunkt 110 liegt auf der Wand 202 hinter dem Palettenstapel 108. Der Laserscanner 102 erkennt den Palettenstapel 108 so nicht als Hindernis und errechnet eine zu große Entfernung zum nächsten Objekt hinter dem Gabelstapler 100.
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Durch ein Kippen und/oder Neigen der mobilen Plattform 100, beispielsweise aufgrund der Fahrdynamik oder der Beladung 200 können bei der Anwendung eines 2D-Laserscanners 102 als Lokalisierungslaser unterschiedliche Bereiche 108, 202 der vertikalen Umgebungsstruktur, wie beispielsweise einer Wand 202 abgetastet werden. Dies führt bei vertikal stark variierender Umgebungsstruktur, wie beispielsweise einem Palettenstapel 108 dazu, dass die gemessene Umgebungsstruktur nicht mit der zur Lokalisierung verwendeten Karte übereinstimmt und so eine Lokalisierung nicht oder nur falsch stattfinden kann. Das Kippen ist in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt. In 8 sind die unterschiedlichen Abtastergebnisse anhand von realen SLAM-Karten aus zwei 2D-Laserscannern in unterschiedlichen Einbauhöhen verdeutlicht.
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Bei der Anwendung eines 2D-Laserscanners 102 zur Hinderniserkennung kann die Situation auftreten, dass ein Hindernis 108 nicht erfasst wird, da der wenige Millimeter schmale Lichtkegel 104 des Laserscanners 102 über, unter oder durch das Hindernis 108 geht. Beispielhaft sind hier angehobene oder abgesenkte Gabeln eines Gabelstaplers 100 zu nennen, oder der Gabelstapler 100 selbst, im Bereich zwischen den Rädern.
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Mit anderen Worten erfasst der herkömmliche 2D-Laserscanner 102 mit punktförmigem Laserstrahl 104 aufgrund der Anbauhöhe und der Neigung aufgrund der Beladung 200 des Gabelstaplers 100 nun die Distanz zur Wand 202 hinter dem Palettenstapel 108.
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3 zeigt eine Darstellung eines Gabelstaplers 100 mit einem Laserscanner 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die dargestellte Situation entspricht der Situation in 2. Der Gabelstapler 100 trägt die Last 200 auf seiner Gabel, wodurch sein Heck angehoben ist. Im Gegensatz zu 2 emittiert der Laserscanner 102 hier einen senkrecht zu der Messebene 106 aufgeweiteten Laserstrahl 104. Der aufgeweitete Laserstrahl 104 projiziert einen vertikalen Strich in die Umgebung und überstreicht damit gleichzeitig einen größeren Bereich, als der punktförmige Laserstrahl in den 1 und 2.
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Der Strich wird hier teilweise auf den Palettenstapel 108 und teilweise durch den Palettenstapel 108 hindurch auf die Wand 202 projiziert. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Auftreffpunkte 110 am Palettenstapel 108 und an der Wand 202. Die unterschiedlichen Auftreffpunkte 110 liegen in unterschiedlichen Entfernungen zu dem Laserscanner 102. Aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen resultieren unterschiedliche Laufzeiten zwischen dem Emittieren und dem Empfangen des Lichts. Beim Erfassen der Intensität des Lichts ergibt sich so ein Intensitätsverlauf über die Zeit. Die Entfernungen zu den Auftreffpunkten 110 sind durch lokale Maxima beziehungsweise Peaks des Intensitätsverlaufs in dem Intensitätsverlauf abgebildet.
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In 3 erfasst der hier vorgestellte 2D-Laserscanner 102 mit linienförmigem Laserstrahl 104 aufgrund der Aufspreizung und der Filterfunktion die Distanz zum Palettenstapel 108 unabhängig von der Neigung aufgrund der Beladung 200 des Gabelstaplers 100.
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4 zeigt eine Darstellung eines Intensitätsverlaufs 400 von zurückgeworfenem Licht eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Intensitätsverlauf 400 kann beispielsweise in einer Situation, wie sie in 3 dargestellt ist, erfasst werden. Der Intensitätsverlauf 400 ist in einem Diagramm aufgetragen, das auf seiner Abszisse eine Laufzeit zwischen dem Emittieren des Laserstrahls und dem Empfangen des zurückgeworfenen Lichts angetragen hat. Auf der Ordinate ist eine Intensität des zurückgeworfenen Lichts angetragen. Lokale Maxima 402, 404, 406 des Intensitätsverlaufs beziehungsweise Peaks 402, 404, 406 kennzeichnen Entfernungen zu Auftreffpunkten des Laserstrahls.
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Hier ist die Intensität des ersten Peaks 402 besonders hoch. Diese hohe Intensität resultiert durch einen Laserreflektor, der eine Entfernungsmessung auch über größere Entfernungen ermöglicht. Im in 3 dargestellten Beispiel wäre der Reflektor am Palettenstapel angeordnet. Die Intensität des ersten Peaks 402 ist höher als ein Referenzwert 408. Intensitäten oberhalb des Referenzwerts 408 werden bei dem hier vorgestellten Ansatz als Laserreflektoren erkannt.
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Die nachfolgenden Peaks 404, 406 kennzeichnen Auftreffpunkte in größerer Entfernung zu dem Laserscanner. Im in 3 dargestellten Beispiel kennzeichnen die Peaks 404, 406 einen weiteren Auftreffpunkt innerhalb des Palettenstapels und den Auftreffpunkt an der Wand hinter dem Palettenstapel. Dabei ist die Reflexion an der Wand trotz der größeren Entfernung stärker, als am dunklen Material des Palettenstapels.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der zweite Peak 404 verworfen, also nicht zur Entfernungsberechnung verwendet, da der zweite Peak 404 niedriger ist, als ein Minimalwert 410 ist.
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Der Referenzwert 408 und/oder Minimalwert 410 kann auch proportional zu der Laufzeit sein, da aufgrund der Streuung des Lichts über eine größere Entfernung eine geringere Lichtintensität von dem Auftreffpunkt zurückgeworfen werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel des Laserscanners nutzt die Intensitäts-Information und/oder Amplituden-Information der einzelnen Reflexe 402, 404, 406, um Messbesonderheiten zu klassifizieren und die Filterfunktion dahin gehend anzupassen. Ein Beispiel ist, Reflexe 404 mit niederer Amplitude aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit einer Multi-Path Reflexion zu verwerfen, falls die Zeitdifferenz zum ersten gemessenen Reflex 402 groß ist.
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In einem Ausführungsbeispiel werden Reflexe 402 mit sehr hoher Amplitude als Lasermarker klassifiziert. Die Lasermarker werden unabhängig von der Filterfunktion für die Lokalisierung verwendet.
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Das der zugrunde liegende Verfahren der Aufweitung des Laserstrahls kann auch auf „Single Beam“-Laserdistanzsensoren ausgeweitet werden.
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In 4 ist ein Beispiel für die Nutzung der Amplitudeninformation des reflektierten Pulses 402 dargestellt. Anstatt des für die Lokalisierung verwendeten Median-gefilterten Pulses 404 wird ein Puls 402 verwendet, der aufgrund seiner Reflexionsintensität als Lasermarker charakterisiert wird.
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5 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Laserscanner 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Laserscanner in 3. Der Laserscanner 102 weist Laserlichtquelle 500 zum Emittieren eines Laserstrahls 104, eine Ablenkeinheit 502 zum Ablenken des Laserstrahls 104 entlang einer Messebene, eine Aufweitungseinheit 504 zum Aufweiten des Laserstrahls 104 quer zu der Messebene, einer Erfassungseinheit 506 zum Erfassen einer Intensität einer Reflexion des Laserstrahls in einem Intensitätsverlauf 400 und eine Vorrichtung 508 zum Betreiben des Laserscanners 102 auf.
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Die Ablenkeinheit 502 kann beispielsweise einen schwenkbaren Spiegel aufweisen, der um eine Achse senkrecht zu der Messebene drehbar gelagert ist.
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Die Aufweitungseinheit kann beispielsweise als Zylinderlinse ausgeführt sein.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Laserscanner 102 eine Kollimationslinse 510 auf. Die Kollimationslinse 510 ist nach der Aufweitungseinheit 504 im Strahlengang des Laserscanners 102 angeordnet und kollimiert den aufgefächerten Laserstrahl 104. Zu einem im Wesentlichen parallelen Strahlenbündel 512.
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6 zeigt eine Darstellung eines Laserscanners 102 mit einem Kollimationsspiegel 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Laserscanner 102 entspricht im Wesentlichen dem Laserscanner in 5. Im Gegensatz dazu ist hier als kollimierendes Element nach der Aufweitungseinheit 504 ein geformter Spiegel 600 im Strahlengang angeordnet. Der Kollimationsspiegel knickt den Strahlengang hier im Wesentlichen senkrecht ab.
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Die 5 und 6 zeigen einen optimierten 2D-Laserscanner 102 zur Lokalisierung und Hinderniserkennung.
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2D-Laserscanner 102 können in der Robotik und verwandten Themenfeldern zur Hindernisdetektion sowie zur Selbstlokalisierung von Fahrzeugen und mobilen Plattformen beispielsweise mittels Laser-SLAM-Verfahren (Simultaneous Localization and Mapping, zu deutsch Simultane Lokalisierung und Kartenerstellung) eingesetzt werden.
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Der Vorteil von 2D-Laserscannern 102 gegenüber 3D-Verfahren, wie auf mehreren Ebenen scannenden Laserscannern, oder gegenüber Stereokameras oder Time-of-Flight-Kameras sind günstigere Anschaffungskosten und Wartungskosten, eine einfachere Auswertealgorithmik und eine kleinere Baugröße.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird 2D-Laserscannertechnik verwendet, bei der der Laserstrahl 104 durch Maßnahmen, wie beispielsweise rotierende oder oszillierende Spiegel 502, in einer Ebene, nachfolgend als Messebene bezeichnet, fächerförmig abgelenkt wird. Im Gegensatz zu dem punktförmigen Laserstrahl 104 bei der herkömmlichen 2D-Lasermesstechnik nutzt der hier vorgestellte Ansatz eine orthogonal zur Messebene aufgeweitete Laserlinie.
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Die eindimensionale Aufweitung des Laserstrahls 104 orthogonal zur Messebene wird über eine gegebenenfalls mitlaufende Optik 504 realisiert. Dabei kann eine Zylinderlinse 504 eingesetzt werden. Um eine Laserlinie mit parallelem Strahlverlauf 512 zu erzeugen, kann dem linienförmig aufgeweiteten Strahlenfächer ein Kollimator 510 nachgeschaltet werden. Ebenfalls kann ein gebogener Spiegel 600 verwendet werden. Durch die Aufweitung des Laserstrahls 104 wird ein größerer Ausschnitt der Umgebung abgetastet, ohne dass, wie bei 3D-Laserscannern, die Kontur der Umgebungsobjekte orthogonal zur Messebene in einzelne Messpunkte aufgelöst wird.
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Je nach Anwendungsszenario kann ein Laserscanner 102 mit eigener Pulsseparierung eingesetzt werden. Dieser bringt Totzeiten zwischen den gemessenen Pulsen mit sich, welche die Auflösung von erkennbaren „Objekten“ definiert. Alternativ wird kann ein „Full Waveform“-Laserscanner 102 eingesetzt werden, welcher das Reflexspektrum über die Zeit misst. Die Unterteilung in Einzelpulse kann hier separat erfolgen, beispielsweise über die Modellierung des Reflexspektrums als überlagerte Gaußfunktion.
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In den 5 und 6 ist eine beispielhafte Aufweitung des Laserstrahls 104 und eine Parallelisierung des Strahlverlaufs 512 mit einem Kollimator 510 oder einem Spiegel 600 dargestellt.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Laserscanners gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann auf einer Vorrichtung zum Betreiben, wie sie beispielsweise in den 5 und 6 dargestellt ist, ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 700 des Messens eine Einzelmessung mit aufgeweitetem Laserstrahl ausgeführt und ein Intensitätsverlauf 400 des zurückgeworfenen Lichts erfasst. Der Intensitätsverlauf 400 entspricht dabei beispielsweise dem Intensitätsverlauf in 4. Der Intensitätsverlauf 400 wird in einem Schritt 702 des Filterns unter Verwendung von unterschiedlichen Filterfunktionen 704, 706 gefiltert.
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Um eine Distanzmessung für eine Hinderniserkennung 708 durchzuführen, wird der Intensitätsverlauf 400 unter Verwendung einer Minimumfunktion 704 gefiltert. Dabei wird der erste Peak 402 ausgewertet, um eine Entfernung zu dem nächstgelegenen Objekt zu messen.
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Um eine Distanzmessung für eine Lokalisierung 710 durchzuführen, wird der Intensitätsverlauf 400 unter Verwendung einer Medianfunktion 706 gefiltert. Dabei wird ein mittlerer Peak 404 ausgewertet, um eine Entfernung zu einem weiter entfernten Objekt zu messen und so eine Position des Laserscanners im Raum zu bestimmen.
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Eine Filterfunktion entscheidet, welcher Reflexpunkt, also welcher reflektierte Puls 402, 404, 406 als Distanzmesswert angenommen wird. Herkömmliche Laserscanner verwenden üblicherweise den ersten reflektierten Puls 402 des Echoprofils 400, also den Reflex mit der minimalen Laufzeit, das entspricht der Minimum-Filterfunktion 704.
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Je nach Anwendungsfeld ist eine abweichende Filterfunktion 706 jedoch zielführender. Beispielsweise kann zur Hinderniserkennung oder Umfeldmodellierung die Minimum-Filterfunktion 704 angewendet werden, während zur Lokalisierung eine Median-Filterfunktion 706 angewendet wird.
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Durch die hier vorgestellte Filterung 702 mit der Median-Funktion 706 bleibt die resultierende, vom Sensor auf die 2D-Messebene abgebildete Umgebungskontur auch bei Neigung/Kippung des Laserscanners gegenüber der Messachse annähernd gleich, was zu einer hohen Robustheit des Medianfilters 706 gegenüber Ausreißern führt, wodurch die Präzision beispielsweise der Lokalisierung erhöht wird. Der Medianfilter 706 ist ein Rangordnungsfilter, welcher hier bei einer zeitlichen Ordnung den mittleren Puls 404 des empfangenen Echoprofils 400 zurückliefert. Bei einer geraden Anzahl an gemessenen Pulsen 402, 404, 406, beispielsweise vier Pulsen, wird entweder immer der früher oder immer der später eintreffende Puls 404 zurückgeliefert, der dem eigentlichen mittleren Puls 404 am nächsten kommen würde. Bei vier Pulsen wird dazu als der zweite oder dritte Puls ausgewählt.
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Gleichzeitig können oberhalb beziehungsweise unterhalb der Messebene hervorstehende Objektteile erfasst werden, indem durch eine Minimum-Filterfunktion 704 die relevanten Hindernisse, also die die nächsten Hindernisse, wie beispielsweise angehobene oder abgesenkte Gabelspitzen eines Gabelstaplers, zurückgegeben werden.
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Der Messablauf und Filterungsablauf ist exemplarisch in 7 dargestellt.
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In einem Ausführungsbeispiel des Laserscanners wird ein Varianzmaß, also beispielsweise eine Differenz zwischen dem ersten Puls 402 und dem letzten Puls 406 oder eine mittlere Abweichung vom Mittelwert des Echoprofils 400 beziehungsweise der Reflexe 402, 404, 406 dazu eingesetzt, die Güte und/oder Kritikalität der abgetasteten Oberfläche für die Lokalisierung 710 beziehungsweise für die Hinderniserkennung 708 zu bewerten. Beispielsweise entspricht eine hohe Varianz einem Objekt mit niederer Erkennungswiederholbarkeit, während eine niedere Varianz auf ein massives Hindernis deutet. Eine beispielhafte Anwendung des Gütemaßes im Kontext der Laser-Lokalisierung 710 ist die Bewertung einer Messwiederholbarkeit der Umgebungsstruktur beim Kartenbau. Eine zerklüftete Umgebungsstruktur, wie der Palettenstapel in den 1 bis 3 liefert eine Vielzahl reflektierter Pulse 402, 404, 409 im Echoprofil 400 über ein breites Zeitspektrum zurück. Ein solches Echoprofil 400 weist eine hohe Messvarianz auf, welche im Falle des Lokalisierungskartenbaus als eine unsichere Struktur mit schlechter Messwiederholbarkeit verworfen, bestraft, oder lediglich als solche in der Karte gekennzeichnet werden kann. Eine massive, ebene Wand hingegen weist ein Echoprofil 400 mit wenigen, dicht bei einander liegenden Pulsen 402, 404, 406 auf, welche eine kleine Messvarianz ergeben, was eine für die Lokalisierung 710 gut geeignete Struktur mit hoher Messwiederholbarkeit repräsentiert.
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In 7 ist der Ablauf einer Einzelmessung des hier vorgestellten Laserscanners mit aufgeweitetem Strahl und anwendungsabhängiger Filterung dargestellt.
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8 zeigt eine Darstellung einer durch einen Laserscanner erstellten Umgebungskarte 800. Die Umgebungskarte wird zur Lokalisierung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Gabelstaplers, wie er beispielsweise in 3 dargestellt ist, verwendet. In der Umgebungskarte 800 sind kumulierte Reflexionen eines aufgeweiteten Laserstrahls abgebildet. Dabei sind Entfernungsmessungen 802 zu nächstliegenden Hindernissen dargestellt. Weiterhin sind Distanzmessungen 804 zu weiter entfernten Objekten dargestellt. An Stellen, an denen der aufgefächerte Laserstrahl die Wand erreicht, ist eine Kontur 806 des Raums abgebildet.
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In 8 sind überlagerte 2D-Laserkarten 802, 804, 806 eines Warenlagers dargestellt, wie sie beispielsweise für Laser-SLAM eingesetzt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
