DE102018001897A1

DE102018001897A1 - Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit gegenseitiger Überwachung

Info

Publication number: DE102018001897A1
Application number: DE102018001897.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kühnbach; Ernst Tabel
Original assignee: Tof Tech Mbh; Tof Technologiegesellschaft Mbh
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit mindestens zwei Entfernungsmessmodulen (1,2), jeweils bestehend aus einer Sendeeinheit (9,11) zum Aussenden von Sendelichtpulsen in einer Ebene, einer Empfängereinheit (10,12) zum Nachweis von reflektiertem Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird, einer Auswerteeinheit (13) zum Auswerten des von der Empfängereinheit (10,12) nachgewiesenen reflektierten Lichtes und zum Bestimmen eines Objektabstands aufgrund einer gemessenen Laufzeit und einer Dreheinrichtung zum Drehen der Entfernungsmessmodule (1,2) um eine quer zu der Sendeachse (5,7) der Sendeeinheiten (9,11) orientierten Rotationsachse (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsmessmodule (1,2) zum gemeinsamen Rotieren auf der Rotationsachse (4) angeordnet sind, dass die Sendeachsen (5,7) beider Entfernungsmessmodule um 90° versetzt auf der jeweiligen Ebene der Empfängerachse (6,8) des jeweiligen anderen Entfernungsmessmoduls senkrecht um die Rotationsachse (4) rotieren und dass sich zwischen den beiden Sendesachsen (5,7) eine optische Kanaltrennung (3) befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgeräte, also Vorrichtungen zur zweidimensionalen Distanzmessung insbesondere für sicherheitstechnische Anwendungen.
Hintergrund
Elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgeräte haben Einzug gefunden in einer Vielzahl von Applikationen. Dies gilt insbesondere für solche elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmesser, die nach dem sogenannten „Time of Flight“-Verfahren arbeiten. Also solche Geräte, die zur Bestimmung einer Distanz die Laufzeit des Lichtes verwenden. Anwendung finden diese in der Industrie für die Positionsbestimmung von Fahrzeugen, zur Kollisionsvermeidung, zur Objekterkennung sowie in vielen anderen Applikationen.
Eine große Bedeutung haben diese elektrooptischen zweidimensionalen Entfernungsmessgeräte im Bereich der Sicherheitstechnik erlangt. Für dieses Aufgabenfeld ist es von besonderer Bedeutung, möglichst viele vollständige zweidimensionale Messungen zu erhalten. Je schneller diese vollständigen zweidimensionalen Messdaten erzeugt werden können, umso schneller kann das elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgerät auf mögliche Sicherheitsgefahren reagieren.
Für diese Art der elektrooptischen zweidimensionalen Entfernungsmessgeräte wird vielfach der Begriff 2D-Scanner oder auch, weil oft Laser zum Einsatz kommen, Laserscanner verwendet. Ein solcher Scanner ist etwa in der EP 1 378 763 A1 beschrieben.
In einer Vielzahl von Scannern wird die Entfernungsmessung über ein unbewegliches Entfernungsmessmodul durchgeführt. Diese Entfernungsmessmodule bestehen dabei aus einer optischen Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der gemessenen Distanz. Das ausgesendete Licht - in Form eines Pulses - trifft auf das zu der gemessenen Distanz. Das ausgesendete Licht - in Form eines Pulses - trifft auf das zu messende Objekt und wird von diesem reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt in die optische Empfangseinheit. Die nachgelagerte Auswerteschaltung bestimmt aus der Zeit zwischen der Aussendung des Pulses und dem Empfang des reflektierten Lichtes die sogenannte Lichtlaufzeit als Maß für die Entfernung. Um die gewünschte 2D-Distanzmessung zu erreichen, wird über einen rotierenden Spiegel der optische Kanal für die Sende- und Empfangseinheit in einer Messebene abgelenkt. Damit kann die Entfernungsmessung an allen denkbaren Punkten in der Messebene ermittelt werden. Wird zeitgleich zur Entfernungsmessung die Winkelposition des rotierenden Spiegels gemessen, kann aus der Kombination der beiden Werte - Entfernung und Winkel - eine exakte, zweidimensionale Entfernungsmessung erfolgen.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die Anordnung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinheit zum rotierenden Spiegel nur mit begrenzter Genauigkeit erfolgen kann. Weiterer Nachteil ist, dass die optische Abbildung des Sendestrahls über die Rotation des Spiegels dreht. Auch das empfangene, reflektierte Licht wird über der optischen Empfangseinheit gedreht. Weiterhin bedingt diese Konstruktion, dass durch die Befestigung des Spiegels Teile der optischen Austrittsfläche abgeschattet werden und damit eine 360°-Messung nicht möglich ist.
Diese Nachteile werden durch andersartige Konstruktionen vermieden. Dabei wird das gesamte Entfernungsmessmodul - siehe EP 2237064A1 - gedreht. Um dieses zu ermöglichen, ist eine aufwendige Konstruktion erforderlich. So ist es notwendig, die für die Entfernungsmessung erforderliche Energie berührungslos auf das drehende Entfernungsmessmodul zu übertragen. Gleiches gilt für die Übertragung der gemessenen Daten von dem Entfernungsmessmodul auf die Elektronik des feststehenden Gehäuseteils. Für diese Art der Konstruktion gilt generell, dass die mögliche Drehzahl durch das Gewicht des zu drehenden Entfernungsmessmoduls begrenzt wird. Daher wird besonderer Wert darauf gelegt, dass das zu drehende Gewicht möglichst klein gehalten wird und sich möglichst nahe an der Rotationsachse befindet. Damit ist die Drehzahl begrenzt.
Im Bereich der Sicherheitstechnik können die Vorteile dieser Konstruktionsart nicht im vollen Umfange genutzt werden. Zur Überprüfung der Entfernungsmessmodule wird generell in einem festgelegten Winkelbereich das elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgerät auf internen Referenzzielen getestet. Durch diese Testung geht der Bereich für die Messung - als blinder Fleck - verloren.
Stand der Technik
Zwar kann diese Energieübertragung auch durch Schleifringe erfolgen, dies ist aber wegen der Störanfälligkeit und des mechanischen Aufwandes keine brauchbare Lösung. Die Energieübertragung sieht daher üblicherweise eine Übertragung mittels zweier Spulen vor. Beide Spulen sind dabei induktiv gekoppelt. EP 2237064A1 beschreibt, dass zwischen dem Gehäuse und dem drehenden Entfernungsmessmodul eine Transformatorstrecke zum Übertragen von Energie vom Gehäuse auf das drehende Entfernungsmessmodul vorhanden ist. Nachteilig an derartigen Anordnungen sind dabei sowohl der erhebliche technische Aufwand, als auch die mechanische Anordnung an sich. Zum einen sind hierfür besondere Ansteuerungen, bzw. Schaltungen erforderlich, zum anderen müssen derartige Transformatoren aufwendig in die Konstruktion eingearbeitet werden.
Die Datenübertragung in den bekannten Ausführungen erfolgt oftmals durch optische Sende- und Empfangseinheiten. Dabei werden zwei Datenübertragungsstrecken benötigt, um mit dem drehenden Messmodul zu kommunizieren. Um eine gegenseitige Beeinflussungen zu verhindern, ist es erforderlich, diese beiden Kanäle optisch voneinander zu trennen. Dies geschieht üblicherweise durch konzentrisch zur Drehachse angeordnete Übertragungswege, die optisch gegeneinander abgeschirmt sind. Diese Konstruktion ist daher grundsätzlich aufwendig.
Eine 360°-Messung ist mit den bekannten Ausführungen möglich. Die Anwendungen beschränken sich dabei aber auf reine messtechnische Applikationen. Sicherheitstechnische Anwendungen benötigen einen Bereich zur Selbstüberwachung. Elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgeräte können daher - bei Verwendung von Testzielen (Referenzzielen) - nicht für eine 360°-Überwachung eingesetzt werden.
Aus der Anmeldung - Aktenzeichen AKZ 10 2017 001 613.5 - ist eine Konstruktion bekannt, die ein elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit drehendem Entfernungsmessmodul für einen Scannbereich von 360° bereitstellt, indem zwei Entfernungsmessmodule - jeweils bestehend aus einer optischen Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der gemessenen Distanz - um die Hochachse gedreht werden. Gegenüber Anordnungen, die nur mit einem Messmodul arbeiten, kann daher die doppelte Anzahl vollständiger, zweidimensionaler Messungen erfolgen. Diese Unabhängigkeit kann zur Überprüfungen während einer 360°-Drehung genutzt werden. Durch einen geringen Winkelversatz zwischen den beiden Messachsen können diese Messungen dabei sowohl zu einer schnellen Auswertung, als auch zu einem unmittelbaren Überwachen der beiden Module erfolgen. Bei derartig geringen zeitlichen Unterschieden kann die Überprüfung aber auch qualitative Aussagen über die eingesetzten Entfernungsmessmodule liefern. Sofern die beiden Messmodule ihre jeweiligen Ergebnisse an eine nachgeschaltete Rechnereinheit weiterleiten, kann diese mittels einer statistischen Auswertung Aussagen darüber treffen, inwieweit die beiden Entfernungsmessmodule bestimmungsgemäß arbeiten. Nachteilig bleibt, dass keine unmittelbaren Aussagen über die optischen Eigenschaften der jeweiligen Sender- und Empfangseinheiten getroffen werden können. Nur soweit Ziele gemessen werden, kann durch einen Vergleich beider Messmodule eine Aussage über die Funktionsfähigkeit getroffen werden.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Konstruktion für ein elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit drehendem Entfernungsmessmodul für einen Scannbereich von 360° bereitzustellen, bei dem mit einfachen Mitteln, eine Überwachung der optischen Eigenschaften der eingesetzten Sender- und Empfängereinheiten möglich ist und eine sichere Auswertung der gemessenen Werte erfolgen kann, auch wenn durch das elektrooptische zweidimensionale Entfernungsmessgerät keine Ziele erfasst werden können.
Die Aufgabe wird durch den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors werden in der folgenden Ausführung, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen, beschrieben.
Bei der bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen elektrooptischen zweidimensionalen Entfernungsmessgerätes werden zwei Entfernungsmessmodule - jeweils bestehend aus einer optischen Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der gemessenen Distanz - um die Hochachse gedreht. Sinnvollerweise sind dabei die jeweiligen Messachsen der beiden Entfernungsmessmodule um 90° (beziehungsweise 270°) zueinander versetzt angeordnet. Weiterhin sind die jeweiligen Sende- bzw. Empfängerachsen gegeneinander vertauscht. Jeweils eine Sendeeinheit teilt sich dabei den Bauraum mit der Empfangseinheit des anderen Messmoduls. Damit liegen jeweils eine Sende- und eine Empfangseinheit auf einer Ebene. Dieses ermöglicht, sofern die beiden Messmodule sich bei der Messung jeweils abwechseln, dass die Sendeleistung des Moduls 1 durch die Empfangseinheit des Moduls 2 gemessen wird. Es entsteht ein komplexes Messmodul, das zeitgleich in der Achse 0° und der Achse 90° messen kann, deren Messebenen geringfügig parallel versetzt sind und deren Sende- und Empfangseinheiten sich gegenseitig überwachen können. Ein gemessenes Ziel ist für die Überwachung nicht mehr nötig.
Somit kann ein für sicherheitstechnische Anwendungen redundantes System aufgebaut werden, das über eine andauernde Selbstüberwachung - bezüglich der Sende- und Empfangseinheiten - verfügt
Figurenliste

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektrooptischen zweidimensionalen Entfernungsmessgerätes in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Entfernungsmessmoduls.

Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der vorgestellten Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen elektrooptischen zweidimensionalen Entfernungsmessers dargestellt. Dieser besteht aus dem Entfernungsmessmodul 1 (1) und dem Entfernungsmessmodul 2 (2) die in einem Winkel von 90° zu einander angeordnet sind. Das Entfernungsmessmodul 1 (1) und das Entfernungsmessmodul 2 (2) drehen beide um die Rotationsachse (4). Die Sendeachse (5) des Entfernungsmessmoduls 1 (1) und die Sendeachse (7) des Entfernungsmessmoduls 2 (2) sind dabei auf zwei zu einander versetzten Ebenen auf einer Achse und senkrecht zur Rotationsachse (4) angeordnet. Die Empfängerachse (6) des Entfernungsmessmoduls 1 (1) ist dabei auf der Ebene der Sendeachse (7) des Entfernungsmessmoduls 2 (2) angeordnet. Außerdem ist die Empfängerachse (8) des Entfernungsmessmoduls 2 (2) auf der Ebene der Sendeachse (5) des Entfernungsmessmoduls 2 (2) angeordnet. Beide Sendeachsen sind durch eine optische Kanaltrennung (3) voneinander entkoppelt. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, dass sich die beiden optischen Achsen (Sende- und Empfangsachse) der jeweiligen Entfernungsmessmodule nicht gegenseitig beeinflussen. Ein optisches Übersprechen zwischen Sende- und Empfangseinheit ist damit ausgeschlossen.
In 2 ist eine beispielhafte Ausführung eines Entfernungsmessmoduls 1 (1) dargestellt. Dieses besteht aus einer Empfangseinheit (10), einer Sendeeinheit (9) und einer Auswerte- und Steuerungseinheit (13). Die Sendeeinheit (9) sendet Licht in Form kurzer Pulse aus. Die Empfangseinheit (10) dient dem Nachweis von reflektiertem Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird. Die Auswerte- und Steuerungseinheit (13) wertet das von der Empfängereinheit nachgewiesene, reflektierte Licht zum Bestimmen eines Objektabstandes aufgrund einer gemessenen Laufzeit aus. Die Auswerte- und Steuerungseinheit (13) übernimmt weiterhin die Ansteuerung und Kontrolle der Sendeeinheit und die Kommunikation mit einer nachgeschalteten Überwachungseinheit (14). Die Überwachungseinheit (17) vergleicht gegebenenfalls die Messwerte des Messmoduls mit den Werten eines zweiten Messmoduls (2). Insbesondere prüft die Überwachungseinheit (14) die in den beiden Entfernungsmessmodulen (1,2) gemessenen Werte der optischen Komponenten. Durch die ständige Überwachung dieser Werte ist es möglich, Fehler in den Sende- und Empfangseinheiten sicher aufzudecken. Die Kommunikation zwischen Entfernungsmessmodul (1) und Überwachungseinheit (14) erfolgt dabei über eine berührungslose Datenübertragung, beispielsweise optisch.
Bezugszeichenliste

1.: Entfernungsmessmodul 1
2.: Entfernungsmessmodul 2
3.: Optische Kanaltrennung
4.: Rotationsachse
5.: Sendeachse Entfernungsmessmodul 1
6.: Empfängerachse Entfernungsmessmodul 1
7.: Sendeachse Entfernungsmessmodul 2
8.: Empfängerachse Entfernungsmessmodul 2
9.: Sendeeinheit Entfernungsmessmodul 1
10.: Empfängereinheit Entfernungsmessmodul 1
11.: Sendeeinheit Entfernungsmessmodul 2
12.: Empfängereinheit Entfernungsmessmodul 2
13.: Auswerte- und Steuerungseinheit
14.: Überwachungseinheit

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

EP 1378763 A1 [0004]
EP 2237064 A1 [0007, 0008]

Claims

Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit mindestens zwei Entfernungsmessmodulen (1,2), jeweils bestehend aus einer Sendeeinheit (9,11) zum Aussenden von Sendelichtpulsen in einer Ebene, einer Empfängereinheit (10,12) zum Nachweis von reflektiertem Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird, einer Auswerteeinheit (13) zum Auswerten des von der Empfängereinheit (10,12) nachgewiesenen reflektierten Lichtes und zum Bestimmen eines Objektabstands aufgrund einer gemessenen Laufzeit und einer Dreheinrichtung zum Drehen der Entfernungsmessmodule (1,2) um eine quer zu der Sendeachse (5,7) der Sendeeinheiten (9,11) orientierten Rotationsachse (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsmessmodule (1,2) zum gemeinsamen Rotieren auf der Rotationsachse (4) angeordnet sind, dass die Sendeachsen (5,7) beider Entfernungsmessmodule um 90° versetzt auf der jeweiligen Ebene der Empfängerachse (6,8) des jeweiligen anderen Entfernungsmessmoduls senkrecht um die Rotationsachse (4) rotieren und dass sich zwischen den beiden Sendesachsen (5,7) eine optische Kanaltrennung (3) befindet.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeachsen (5,7) beider Entfernungsmessmodule (1,2) parallel nebeneinander um 180° versetzt angeordnet sind.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Entfernungsmessmodule (1,2) parallel nebeneinander angeordnet und die beiden Sendeachsen (5,7) in die gleiche Richtung ausgerichtet sind.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Entfernungsmessmodule gleiche Sendequellen aufweisen.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass beide Entfernungsmessmodule mit unterschiedlichen Sendequellen arbeiten.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul 1 (1) und das Messmodul 2 (2) jeweils nacheinander Messungen durchführen, wobei die Empfängereinheit des Messmoduls 1 (10) während der Messung des Entfernungsmessmoduls 2 (2) die Sendeleistung der Sendeeinheit des Entfernungsmessmoduls 2 (7) ermittelt und die Empfängereinheit des Messmoduls 2 (12) während der Messung des Entfernungsmessmoduls 1 (1) die Sendeleistung der Sendeeinheit des Entfernungsmessmoduls 1 (5) ermittelt.
Elektrooptisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte des Messmoduls 1 (1) und die des Messmoduls 2 (2) jeweils nacheinander Messungen durchführen, diese in einer nachgeschalteten Überwachungseinheit (14) miteinander verglichen werden und dass aus dem Vergleich eine Aussage über die Funktionsfähigkeit der beiden Messmodule getroffen wird.