DE102020133095A1

DE102020133095A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Distanz zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt

Info

Publication number: DE102020133095A1
Application number: DE102020133095.2A
Authority: DE
Inventors: Nikolai Wolff; Michael Diebold
Original assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Distanz (D) zwischen einer Messvorrichtung (1) und einem Objekt (2) mittels der Lichtlaufzeitmessung,- sollen Störsignale eindeutig identifizierbar und derart für den Betrieb der Sendediode (4) ausnivelliert sein, sodass diese keinen Einfluss auf die Messungen der eigentlichen Sendediode (4) und der dazugehörigen Empfangsdiode (9) aufweisen.Dies ist durch die Verfahrensschritte:- Auswerten des zweiten Sende-Empfangs-Histogramms (B) durch eine digitale Steuer- und Recheneinheit (21) in Abhängigkeit von der gemessenen Häufigkeit der Rauschsignale bezogen auf einen bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters (T), das als Empfangsfenster des zweiten Histogramms (B) dient,- Erfassen und Hinterlegen von Lichtimpulsen in dem zweiten Histogramm (B), die von fremden Objekten (2', 2'' ...) und/oder weiteren Sendedioden (4', 4" ...), die im Bereich der eigentlichen Sendediode (4) angesteuert sind, erzeugt werden,- Zeitnahes Erkennen von möglichen Interferenzen durch Rausch- und Störsignale basierend auf den Auswertedaten im zweiten Histogramm (B), durch Erkennen von Anhäufungen von Empfangsereignissen innerhalb jeder Messperiode (MP), und- Verändern des Startzeitpunktes der Lichtimpulse (5) an der Sendediode (4) und/oder Verändern der zeitlichen Dauer der Messperiode (MP) der Sendediode (4) der jeweils nachfolgenden Messperiode (MP) gelöst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Distanz zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt mittels der Lichtlaufzeitmessung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Messvorrichtung kann beispielsweise der DE 10 2020 120 858.8 entnommen werden. Diese Messvorrichtung umfasst dabei im Wesentlichen einen elektrischen Schaltkreis, in dem verschiedene elektrische Komponenten zusammengeschaltet sind. Durch eine Sendediode sind nämlich vereinzelte Lichtimpulse in einen Mess- oder Überwachungsbereich ausgestrahlt, in dem das jeweilige Objekt zu detektieren ist, dessen Abstand zu der Messvorrichtung mithilfe der physikalisch bekannten Lichtlaufzeitmessung s=c*t zu ermitteln ist.
Die von dem Objekt reflektierten Lichtimpulse werden an eine Empfangsdiode als Bestandteil der Messvorrichtung zurückgeworfen und durch eine Rechen- und Steuereinheit kann anschließend die Zeit zwischen dem Aussenden des jeweiligen Lichtimpulses und dessen Eingangszeit erfasst sein. Durch einen Verstärker und einen Zeit-Digital-Konverter sind die entsprechenden erhaltenen Signale bearbeitet, sodass diese durch die digitale Auswerteeinheit und der daran angeschlossenen Steuer- und Recheneinheit derart die elektrischen Komponenten, insbesondere den mit der Sendediode elektrisch gekoppelten Pulserzeuger, steuern.
Aus den Druckschriften DE 101 36 242 A1 sowie EP 1 306 693 B1 sind weitere derartige Messvorrichtungen und deren Verfahren zu entnehmen.
Im Wesentlichen werden die reflektierten Lichtimpulse in einem ersten Sende-Empfangs-Histogramm hinterlegt und ausgehend von den dort hinterlegten Messdaten werden ein oder mehrere zusätzliche Histogramme erstellt, deren Auswertung durch die Rechen- und Steuereinheit vorgenommen ist. Es ist daher bekannt, ein entsprechendes Histogramm zu erstellen und diese nach vorgegebenen mathematischen und/oder physikalischen Rechenregeln bzw. Korrelationen auszuwerten und mit diesen Informationen die Sendediode und gegebenenfalls die Empfangsdiode anzusteuern.
Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass sämtliche bislang bekannt gewordenen Verfahren für den Betrieb solcher Messvorrichtungen nicht geeignet sind, die in dem Messbereich auftretenden Störsignale zu erkennen bzw. zu ignorieren. Oftmals werden nämlich von benachbarten Sendedioden, Fremdlichtern, beispielsweise Blitzlichter, Rauschsignale bzw. Störsignale generiert, die durch die entsprechend aufgebauten Histogramme nicht einem bestimmten Sendeimpuls der Sendediode zugeordnet werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung für den Betrieb und die Steuerung einer im Wesentlichen bekannten Messvorrichtung derart weiterzubilden, dass durch diese, Störsignale eindeutig identifiziert und derart für den Betrieb der Sendediode ausnivelliert sind, dass diese keinen Einfluss auf die Messungen der eigentlichen Sendediode und der dazugehörigen Empfangsdiode aufweisen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Verfahrensanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass das Auswerten des zweiten Sende-Empfangs-Histogramms durch eine digitale Steuer- und Recheneinheit in Abhängigkeit von der gemessenen Häufigkeit der Rauschsignale bezogen auf einen bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters erfolgt, das als Empfangsfenster des zweiten Histogramms dient, dass die Lichtimpulse in dem zweiten Histogramm erfasst und hinterlegt sind, die von fremden Objekten und/oder weiteren Sendedioden, die im Bereich der eigentlichen Sendediode angesteuert sind, erzeugt werden, dass die von möglichen Interferenzen durch Rausch- und Störsignale basierend auf den Messdaten im zweiten Histogramm zeitnah erkannt sind und dass der Startzeitpunkt der Lichtimpulse an der Sendediode und/oder Verändern der zeitlichen Dauer der Messperiode der Sendediode der jeweils nachfolgenden Messperiode verändert ist, ist erreicht, dass die für den Betrieb der Sendediode eingestellte Sendefrequenz in zwei Dimensionen ausweichen kann, um mögliche Stör- oder Rauschsignale, die in dem Messbereich möglicherweise durch die jeweilige Empfangsdiode erfasst sind, für den eigentlichen Betrieb der Sendediode unberücksichtigt sind bzw. keinen Einfluss auf die eigentlichen Messzyklen der jeweiligen Sende- und Empfangsdiode aufweisen. Die jeweiligen Sendefrequenzen der Sendediode können nämlich sowohl zeitlich minimal nach vorne oder nach hinten des eigentlichen Startzeitpunktes der Sendefrequenz verschoben sein oder die Messperiode der jeweiligen Sendediode wird an die entsprechenden in dem zweiten Histogramm hinterlegten bzw. ermittelten Messdaten derart angepasst, dass diese außerhalb der jeweiligen erfassten Stör- und/oder Rauschsignale liegen.
In der Zeichnung ist zunächst eine Messvorrichtung für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie deren jeweiligen Messergebnisse dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Im Einzelnen zeigt:

1 eine Messvorrichtung in Form einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung der Distanz zwischen der Messvorrichtung und einem Objekt, das innerhalb eines Überwachungsbereiches vorhanden ist, bestehend aus einer Sende- und einer Empfangsdiode, durch die die Laufzeit der einzelnen Lichtimpulse mithilfe eines Konverters gemessen und an eine Rechen- und Steuereinheit zur weiteren Bearbeitung weitergeleitet ist,
2 Darstellung einzelner Lichtlaufzeitmessungen mit mittlerer Sendeperiode T, aus welchen das Sende-Empfangs-Histogramm A zur Laufzeitberechnung erstellbar ist,
3 ein erstes Sende-Empfangs-Histogramm, das von der Steuer- und Recheneinheit bezogen auf die ermittelten Empfangssignale der Empfangsdiode erstellt ist,
4 ein Sende-Empfangs-Histogramm B, welches die Rausch- und Störsignale darstellt.

In 1 ist eine Messvorrichtung 1 schematisch als elektrische Schaltung zu entnehmen, durch die die Distanz D zwischen der Messvorrichtung 1 und einem in einem Überwachungs- oder Messbereich 3 eingetauchten Objekt 2 erfasst und ausgewertet sein soll.
Die Messvorrichtung 1 umfasst eine Sendediode 4, durch die vereinzelt Lichtimpulse 5 in den Überwachungsbereich 3, also in Richtung des Objektes 2, abgestrahlt sind. Die Oberfläche des jeweiligen Objektes 2 reflektiert die abgestrahlten Lichtimpulse 5 in Richtung einer der Messvorrichtung 1 zugeordneten Empfangsdioden 6, durch die die reflektierten Lichtimpulse 7 erfasst sind. Die Sendediode 4 strahlt üblicherweise Laserlichtwellen ab und die Empfangsdiode 6 besteht aus einer sogenannten SPAD Diode, die eine Vielzahl von vereinzelten APD Dioden aufweist. Jede der APD Dioden kann ein reflektiertes Lichtpixel feststellen.
Die Sendediode 4 ist mit einem Pulsverstärker 11 und einem Pulserzeuger 12 elektrisch verbunden, die der Sendediode 4 vorgeschaltet sind. Die Empfangsdiode 6 ist elektrisch mit einem Verstärker 9, einem Komparator 8, und einem Zeit-Digital-Konverter TDC (Time to Digital Konverter) 10 gekoppelt. Der Konverter 10 wird durch ein Start- bzw. Stoppsignal gesteuert und ist mit dem Komparator 8 und einer Steuer- und Recheneinheit 21 der Sendediode 4 elektrisch verbunden. Sobald die Steuer- und Recheneinheit 21 ein Aktivierungssignal an die Sendediode 4 leitet, strahlt diese einen ersten vereinzelten Lichtimpuls 5 in den Überwachungsbereich 3, also in Richtung des Objektes 2, ab. Die weiteren abgestrahlten Lichtimpulse sind ebenso mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet.
Die Oberfläche des Objektes 2 reflektiert die abgestrahlten Lichtimpulse 5 in Richtung der Empfangsdiode 6, deren einzelne APD Dioden Pixel als Spannungsimpulse erzeugen, die als Stoppsignal an den Konverter 10 weitergeleitet sind. Sobald der Konverter 10 solche Messsignale erhält, wird die Zeit gestoppt und über die bekannte physikalische Formel s = c * t kann dann die Distanz D, die zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 für das Abstrahlen und Reflektieren der Lichtimpulse 5, 7 benötigt wurde, ausgewertet sein. Dem Konverter 10 ist die Steuer- und Recheneinheit 21 nachgeschaltet, an die diese Messsignale weitergeleitet sind.
Die Steuer- und Recheneinheit 21, die üblicherweise als Prozessor, Mikrochip od. dgl. anzusehen sind, umfasst einen Logikbaustein (z.B. FPGA) (22) und einen Mikroprozessor 23 zur Laufzeitberechnung. Die einzelnen Messergebnisse werden von der Steuer- und Recheneinheit 21 in Form von Histogrammen A und B erfasst und anschließend durch diesen ausgewertet. Sobald die Auswertung der Histogramme A und B durch die Recheneinheit 21 abgeschlossen ist, erzeugt dieser ein Ausgangssignal 25, das in unmittelbarem Zusammenhang mit der Distanz D zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 steht.
In den 2 bis 4 ist im Wesentlichen der Verfahrensablauf in Form von Schaubildern von zwei in der Steuer- und Recheneinheit 21 gebildeten Messsignalen zu entnehmen. Dabei ist das erste Sende- und Empfangs-Histogramm mit dem Bezugszeichen A und das zweite Sende-Empfangs-Histogramm mit dem Bezugszeichen B versehen.
Zunächst sind die Lichtimpulse 5, die von der Sendediode 4 in den Überwachungsbereich oder Messbereich 3 abgestrahlt sind und von einem in dem Messbereich 3 vorhandenen Objekt 2 an die Empfangsdiode 6 zurückreflektierten Lichtimpulse 7 erfasst und in diesem Histogramm A abgelegt. Benachbarte Sendedioden, Blitzlichter, weitere zusätzliche Objekte 2', 2", ... in dem Messbereich 3 und/oder sonstige Störsignale von außerhalb führen jedoch zu einer Vielzahl von Rausch- oder Störsignalen in dem Histogramm A.
Um eine eindeutige Zuordnung zwischen den abgestrahlten Lichtimpulsen 5 und den tatsächlich von dem Objekt 2 reflektierten Lichtimpulsen 7 zu erhalten, ist ein weiteres zweites Sende-Empfangs-Histogramm B durch die Steuer- und Recheneinheit 21 gebildet. Das zweite Histogramm B unterscheidet sich von dem ersten Histogramm A dadurch, dass die zeitliche Auflösung gegenüber dem ersten Histogramm A reduziert bzw. verringert ist und ein vergrößertes Empfangszeitfenster T verwendet ist. Dabei entspricht das verwendete Empfangszeitfenster T vorzugsweise der gesamten Messperiode MP. Durch die geringe zeitliche Auflösung des Histogramms B wird die Zeit-Digital-Konvertierung direkt im Logikbaustein 22 durchgeführt.
Durch die Steuer- und Recheneinheit 21 werden die im zweiten Sende-Empfangs-Histogramm B abgelegten Messdaten durch eine digitale Auswertung in Abhängigkeit von der gemessenen Häufigkeit der Rausch- oder Störsignale bezogen auf einen bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Empfangszeitfenster T ausgewertet.
Darüber hinaus werden weitere Lichtimpulse in dem zweiten Histogramm B erfasst und hinterlegt, die von fremden Objekten 2', 2" ... und/oder weiteren Sendedioden 4', 4"... reflektiert bzw. gebildet sind. Diese Lichtimpulse, die im zeitlichen Bereich der eigentlichen Sendediode 4 liegen, sind somit eindeutig identifiziert. Damit ist es der Steuer- und Recheneinheit 21 aufgrund von hinterlegten Algorithmen bzw. Softwareprogrammen möglich, zeitnah mögliche Interferenzen durch die entstandenen Rausch- und Störsignale basierend auf den Messdaten im zweiten Histogramm B zu erkennen, das an Häufungen von Empfangsereignissen innerhalb jeder Messperiode MP erkennbar und auswertbar ist.
Wenn solche Empfangshäufigkeiten durch die Steuer -und Recheneinheit 21 festgestellt sind, verändert diese den jeweiligen Startzeitpunkt der Lichtimpulse 5 an der Sendediode 4 und/oder die zeitliche Dauer der Messperiode MP einer Sendediode 4 ist der jeweils nachfolgenden Messperiode MP angepasst.
Durch die Steuer- und Recheneinheit 21 können folglich unterschiedliche Anpassungen vorgenommen sein, die jeweils zeitnah erfolgen und die Gegebenheit innerhalb des Messbereiches 3 berücksichtigen. Diese sind:

dass die Messfrequenz der Sendediode 4 beim Erkennen eines Stör- oder Rauschsignals minimal geändert ist, oder
dass mindestens eine zusätzliche Sendediode 4', gleichartig zu der ersten Sendediode 4 durch die Messvorrichtung 1 oder zusätzlich benachbarten Messvorrichtungen angesteuert bzw. betrieben sind oder dessen jeweilige Messfrequenzen unterschiedlich sind, oder
dass die Sendediode 4 durch zeitlich verzögerte Signale angesteuert ist, wobei die Zeitverzögerung in Abhängigkeit von den im zweiten Histogramm B festgestellten Rauschsignalen für den Sendepuls 5 verändert ist, oder
dass jeder ausgesendete Lichtimpuls 5 mit einer vorgegebenen zeitlich versetzten Sequenz ausgestrahlt ist, oder
dass verschiedene Zeitverschiebungssequenzen vorgesehen bzw. vorhanden sind, die durch ein vorgegebenes oder einstellbares Muster die Zeitverschiebungen generieren, und
dass der jeweilige Sende-Lichtimpuls 5 auf einen freien Zeitabschnitt gelegt oder gesetzt ist, in Abhängigkeit von und unter Berücksichtigung der in dem zweiten Histogramm B festgestellten Rauschsignalen, zu denen der Sende-Lichtimpuls einen voreinstellbaren oder auswählbaren zeitlichen Mindestabstand auszuweisen hat, oder dass die jeweilige Messperiode MP unter Berücksichtigung der in dem zweiten Histogramm B festgestellten Rausch- oder Störsignale von weiteren Lichtsendern und/oder unter Berücksichtigung der Anzahl der festgestellten Lichtsenderumgestellt ist, sofern ein freier Zeitabschnitt fehlt, oder
dass eine feste Zeitverschiebungssequenz bei unveränderter Messperiode MP verwendet werden und bei einem Wechsel der Messperiode MP die Zeitverschiebungssequenz während dem Wechsel angepasst wird, um Interferenzen mit anderen Sensoren zu verhindern, falls die beim Wechsel der Messperiode MP gestört werden, oder
dass ein oder mehrere zusätzliche Histogramme B₁, B₂ nach dem Schema von Histogramm B erzeugt werden, wobei die Messperioden MP derart gewählt werden, dass sie den verfügbaren Messperioden MP entsprechen und damit ermöglichen, die Anzahl aktiver Sensoren auf der entsprechenden Messperiode MP zu bestimmen und im Fall eines Messperiodenwechsels diese Informationen zu verwenden, oder dass mehrere Histogramme A, B, B₁, B₂... generiert sind, deren jeweiliges Messfenster unterschiedlich ist.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020120858 [0002]
DE 10136242 A1 [0004]
EP 1306693 B1 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Distanz (D) zwischen einer Messvorrichtung (1) und einem Objekt (2) mittels der Lichtlaufzeitmessung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Aussenden eines Lichtimpulses (5) durch eine Sendediode (4), - Empfangen eines von dem Objekt (2) oder von weiteren Objekten (2', 2", ...) reflektierten Lichtimpulsen (7) durch eine Empfangsdiode (6), - Erstellen eines Sende-Empfangs-Histogramms (A) zur Bestimmung der Lichtlaufzeit zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Objekt (2), in das durch eine niedrige Empfangsschwelle die reflektierten Lichtimpulse (7) und weitere Rauschsignale eingelesen sind, die jeweils innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters (Δt) nach Aussenden des Lichtimpulses (5) durch die Empfangsdiode (6) erfasst sind, - Erstellen eines weiteren Sende-Empfangs-Histogramms (B), das von dem ersten Histogramm (A) zeitlich unabhängig ist und sich dadurch unterscheidet, dass die zeitliche Auflösung gegenüber dem ersten Histogramm (A) reduziert ist und ein vergrößertes Empfangszeitfenster (T) verwendet ist, das vorzugsweise der gesamten Messperiode (MP) entspricht, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte, - Auswerten des zweiten Sende-Empfangs-Histogramms (B) durch eine digitale Steuer- und Recheneinheit (21) in Abhängigkeit von der gemessenen Häufigkeit der Rauschsignale bezogen auf einen bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Zeitfensters (T), das als Empfangsfenster des zweiten Histogramms (B) dient, - Erfassen und Hinterlegen von Lichtimpulsen in dem zweiten Histogramm (B), die von fremden Objekten (2', 2" ...) und/oder weiteren Sendedioden (4', 4" ...), die im Bereich der eigentlichen Sendediode (4) angesteuert sind, erzeugt werden, - Zeitnahes Erkennen von möglichen Interferenzen durch Rausch- und Störsignale basierend auf den Auswertedaten im zweiten Histogramm (B), durch Erkennen von Anhäufungen von Empfangsereignissen innerhalb jeder Messperiode (MP), und - Verändern des Startzeitpunktes der Lichtimpulse (5) an der Sendediode (4) und/oder Verändern der zeitlichen Dauer der Messperiode (MP) der Sendediode (4) der jeweils nachfolgenden Messperiode (MP).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfrequenz der Sendediode (4) beim Erkennen eines Stör- oder Rauschsignals minimal geändert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Sendediode 4', gleichartig zu der ersten Sendediode (4) durch die Messvorrichtung (1) oder zusätzlich benachbarten Messvorrichtungen angesteuert bzw. betrieben sind, dessen jeweilige Messfrequenzen unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendediode (4) durch zeitlich verzögerte Signale angesteuert ist, wobei die Zeitverzögerung in Abhängigkeit von den im zweiten Histogramm (B) festgestellten Rauschsignalen für den Sendepuls verändert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ausgesendete Lichtimpuls (5) mit einer vorgegebenen zeitlich versetzten Sequenz ausgestrahlt ist, dass verschiedene Zeitverschiebungssequenzen vorgesehen bzw. vorhanden sind, die durch ein vorgegebenes oder einstellbares Muster die Zeitverschiebungen generieren.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Sende-Lichtimpuls (5) auf einen freien Zeitabschnitt gelegt oder gesetzt ist, in Abhängigkeit von und unter Berücksichtigung der in dem zweiten Histogramm (B) festgestellten Rauschsignalen, zu denen der Sende-Lichtimpuls (5) einen voreinstellbaren oder auswählbaren zeitlichen Mindestabstand auszuweisen hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Messperiode (MP) unter Berücksichtigung der in dem zweiten Histogramm (B) festgestellten Rausch- oder Störsignale von weiteren Lichtsendern (4', 4", ...) umgestellt ist, sofern ein freier Zeitabschnitt fehlt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine feste Zeitverschiebungssequenz bei unveränderter Messperiode (MP) verwendet wird und bei einem Wechsel der Messperiode (MP) die Zeitverschiebungssequenz während dem Wechsel angepasst wird, um Interferenzen mit anderen Sensoren zu verhindern, falls die beim Wechsel der Messperiode (MP) gestört werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Histogramme (B₁, B₂, ...) nach dem Schema von Histogramm (B) erzeugt werden, wobei die Messperioden (MP) derart gewählt werden, dass sie den verfügbaren Messperioden (MP) entsprechen und damit ermöglichen, die Anzahl aktiver Sensoren auf der entsprechenden Messperiode (MP) zu bestimmen und im Fall eines Messperiodenwechsels diese Informationen zu verwenden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Histogramme (A, B, B₁, B₂, ...) generiert sind, deren jeweiliges Messfenster unterschiedlich ist.