DE102021133682A1 - Entfernungsmesssystem mit einer Verfügbarkeitskontrolle - Google Patents

Abstract

Entfernungsmesssystem,
mit einer Lichtquelle zur Ausendung eines Lichtpulses (S) zu einem Startzeitpunkt (t₀),
mit einem Lichtlaufzeitsensor mit mehreren SPAD-Pixeln zum Empfang des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts,
wobei wenigstens ein Pixel, einem Empfang eines Testlichtpulses zugeordnet ist,
wobei der Testlichtpuls durch Auslenken eines Teils des Lichtpulses oder durch eine zweite Lichtquelle bereitgestellt wird,
mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt (t₀) und einem Empfangszeitpunkt (t_e) an einem Pixel eine Entfernung bestimmt wird,
wobei zudem eine Empfangszeit bzw. Testzeit (t_test) bzw. eine korrespondierende Entfernung für den Testlichtpuls (S_T) bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem mit einer Verfügbarkeitskontrolle gemäß Gattung des unabhängigen Anspruchs.
• Aus der EP 2 753 988 B1 ist ein SPAD-System mit einem Zeit-Digital-Wandlersystem (TDC time to digital converter) bekannt, mit einem Referenz-Zeitgenerator zum Generieren einer Referenz-Zeit, die im Hinblick auf zu messende Objektbereiche angepasst werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit eins SPAD-Entfernungsmesssystems zu verbessern und eine Verfügbarkeit des Systems zu erkennen.
• Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Entfernungsmesssystem vorgesehen,
  mit einer Lichtquelle zur Ausendung eines Lichtpulses zu einem Startzeitpunkt,
  mit einem Lichtlaufzeitsensor mit mehreren SPAD-Pixeln zum Empfang des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts,
  wobei wenigstens ein Pixel, einem Empfang eines Testlichtpulses zugeordnet ist,
  wobei der Testlichtpuls durch Auslenken eines Teils des Lichtpulses oder durch eine zweite Lichtquelle bereitgestellt wird,
  mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt (t_e) an einem Pixel eine Entfernung bestimmt wird,
  wobei zudem eine Empfangszeit bzw. Testzeit bzw. eine korrespondierende Entfernung für den Testlichtpuls bestimmt wird.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch:
• 1 eine Arbeitsmaschine mit Entfernungsmesssystem,
• 2 eine Anordnung gem. 2 mit einem Boden als kooperatives Target,
• 3 ein Eindringen eines Objekts in einen Bereich des kooperativen Targets,
• 4 ein Objekt außerhalb des kooperativen Targets,
• 5 eine erfindungsgemäße Entfernungsmessung mit einem Testlichtpuls,
• 6 eine erfindungsgemäße Entfernungsmessung mit Einbezug eines kooperativen Targets,
• 7 ein Zeitdiagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine Arbeitsmaschine 100, die beispielsweise auch als eine mobile Arbeitsmaschine und insbesondere auch als fahrerloses Transportsystem ausgebildet sein kann. Die Arbeitsmaschine 100 ist mit einem Entfernungsmesssystem 1 ausgestattet. Das Entfernungsmesssystem ist vorteilhaft als SPAD-Entfernungsmesssystem ausgebildet, wobei der Lichtlaufzeitsensor des Systems mehrere SPAD-Pixel aufweist.
• Zur vollständigen Erfassung der Umgebung können ggf. mehrere Entfernungsmesssysteme an der Arbeitsmaschine angebracht werden. Wobei beispielsweise der Boden als kooperatives Target bzw. als Referenzebene 200 herangezogen werden kann. Die Größe des überwachten Umfeldes kann je nach Kundenwunsch und Applikation angepasst werden.
• 2 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Im Erfassungsbereich E wird insbesondere der Boden bzw. ein Bodenbereich als kooperierendes Target, Referenzbereich bzw. Referenzebene 200 herangezogen. Die Distanzwerte bzw. Empfangszeiten t_koop des kooperierenden Targets 200 können beispielsweise in einem Lernmodus oder in einer Initialisierungsphase als Referenzwerte im System hinterlegt werden.
• Wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, wird das Entfernungsmesssystem so angebracht, dass es im zu überwachenden Bereich den Boden als kooperatives Target miterfasst. Dezidierten Pixeln des Entfernungsmesssystem können somit die Distanz bzw. Distanzen des kooperierenden Targets 200 als Referenz zugeordnet werden.
• 3 zeigt eine Situation, bei der ein Objekt 40 in den Referenzbereich 200 eingedrungen ist. Bei einer mobilen Arbeitsmaschine kann die Maschine auch in die Nähe des Objektes 40 herangefahren sein. Durch das Objekt 40 wird ein Teil 250 des Bodenbereichs 200 verdeckt und liefert von den Referenzwerten abweichende Distanzwerte. Aufgrund der vorliegenden Abweichung, die einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen, wird eine Fehler- bzw. Störungsreaktion eingeleitet. Je nach Applikation können als Reaktion auf die Störung verschiedene Maßnahmen eingeleitet werden. Beispielsweise kann die Maschine gestoppt oder in einen sicheren Betrieb überführt werden. Bei mobilen Arbeitsmaschinen kann ggf. auch die Geschwindigkeit reduziert oder die Bewegungsrichtung geändert werden. Zusätzlich können auch Warnsignale gegeben werden.
• Selbstverständlich erlaubt das System nicht nur ein Eindringen eines Objekts in den Referenzbereich 200 zu erkennen, sondern erlaubt es auch, eine Objektdistanz d, wie in 4 gezeigt, beispielsweise in Relation zur Arbeitsmaschine 100 zu bestimmen. Der Boden als kooperierendes Target, dient hierbei insbesondere auch als Entfernungsreferenz zur Bestimmung einer Objektdistanz.
• Selbstverständlich kann das System auch in einer nicht sicherheitsrelevanten Umfelderfassung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Freifelderkennung hat insbesondere folgende Vorteile: - Robustes Design ohne rotierende Mechanik, - kostengünstigerer Systemaufbau, - Überwachung eines kompletten 3D Bereiches und nicht nur einer Ebene, wie dies bei Scannerapplikationen üblich ist.
• Ferner kann die Freiraumerkennung auch mit einer Objekterkennung kombiniert werden und erhöht damit sowohl den Nutzen und auch die Sicherheit.
• Vorzugsweise werden die für das kooperierende Target bzw. der Referenzebene ermittelten Distanzwerten ein 3D-Modell der Umgebung der Arbeitsmaschine mit einer dem Boden entsprechenden Ebene in einer Initialisierungsphase ermittelt und im Entfernungsmesssystem hinterlegt.
• Die Referenzebene muss hier nicht zwingend eine Ebene im geometrischen Sinne sein, sondern kann auch uneben und dreidimensionale Strukturen aufweisen. Insbesondere können bei dieser Ermittlung auch sich im Erfassungsbereich der Kamera befindliche Teile der Maschine, die sich relativ zur Kamera nicht bewegen, mit hinterlegt werden. Somit kann im Rahmen der Auswertung nicht nur die Bodenebene, sondern auch andere Strukturen, die gegenüber der Kamera statisch sind, mitberücksichtigt werden.
• Bei dem Eindringen eines Objektes in die Referenzebene oder einen anderen festgelegten überwachten Raum wird die Modellannahme, dass alle Pixel auf einer einheitlichen Ebene bzw. auf der hinterlegten 3D Struktur liegen, nicht länger aufrecht erhalten werden können und somit die Verletzung des zu überwachenden Schutzbereichs erkannt.
• Bei einer Störung des Systems durch äußere Einflüsse z.B. starke Mehrfachreflexionen, Verschmutzung, etc. oder auch bei einem Defekt innerhalb des Systems wird ebenfalls die Modellannahme verletzt werden.
• Durch die Verwendung des kooperierenden Targets als Referenz ist somit auch eine Überprüfung der Systemverfügbarkeit möglich und es kann vor unsicheren Betriebszuständen gewarnt werden.
• Bei der stationären Überwachung eines Bereiches, z.B. um eine Maschine, kann die Funktion durch Anbringen einer oder mehrerer Markierungen, beispielsweise einem Retroreflektor, am Rand des zu überwachenden Bereiches unterstützt werden. Ebenso ist die Auslegung des gesamten zu überwachenden Bereiches mit einem geeigneten Bodenbelag zur Unterstützung der Funktion denkbar.
• Bei fahrerlosen Transportsystemen (AGV: „Automated guided vehicle“) ist der Verbau von zwei synchronisierten Kamerasystemen zur Überwachung eines größeren Bereichs denkbar, um beispielsweise einen eingeschränkten Öffnungswinkel einer Kamera zu kompensieren.
• Ferner ist es denkbar, sowohl in einer stationären als auch mobilen Lösung einen zu erfassenden Umfeldbereich mit wenigstens zwei Entfernungsmesssystemen redundant zu überwachen.
• Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, Störungen mit weiteren Messmitteln oder Auswerteverfahren zu plausibilisieren, um Fehlmessungen ausschließen zu können.
• Um die Verfügbarkeit und Sicherheit Entfernungsmesssystems weiter zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein Referenzpuls zum Zeitpunkt der Lichtemission zu erzeugen.
• 5 und 6 zeigen schematisch das erfindungsgemäße Vorgehen. 5 zeigt eine Beleuchtung eines Objekts 40 und 6 eine Beleuchtung des Bodens und insbesondere eines kooperierenden Targets. Zu einem Startzeitpunkt t₀ wird zum einen ein Lichtpuls S zur Beleuchtung der Szenerie und zum anderen ein Testlichtpuls S_T zur Beleuchtung von Testpixeln des Lichtlaufzeitsensors ausgesendet. Der Testlichtpuls S_T kann entweder durch Auslenkung eines Teils des emittierten Lichtpulses oder durch eine separate Lichtquelle erzeugt werden.
• Wie in 7 gezeigt wird nach dem Startzeitpunkt t₀ zu einem Soll-Testzeitpunkt t_{test_soll} ein Empfangssignal t_test des Testpulses S_T erwartet. Bleibt dieser aus oder liegt außerhalb eines Toleranzbereiches wird von einer Fehlfunktion des Systems ausgegangen. Zusätzlich zum Empfangssignal des Testpulses S_T wird zum Soll-Zeitpunkt t_{koop_soll} ein Empfangssignal t_koop es kooperativen Targets 200 erwartet. Da das kooperative Target typischerweise flächig ausgedehnt ist, sind hier für verschiedene dem kooperativen Target zugeordneten Pixel unterschiedliche Empfangszeitpunkte t_koop zu erwarten. Es ist jedoch auch möglich nur eine Linie zu erfassen und diese Linie als kooperatives Target zu verwenden.
• Nach einer vorbekannten und vorgegebenen Testzeit t_test ist ein erstes Signal am Zeit-Digital-Wandler TDC sichtbar. Entspricht die erfasste Testzeit t_test der vorgegebenen Soll-Testzeit t_{test_soll}, so kann davon ausgegangen werden, dass der Zeit-Digital-Wandler TDC fehlerfrei funktioniert. Durch den Testlichtpuls kann vornehmlich die Funktionsfähigkeit des TDC überprüft werden.
• Es kann vorgesehen sein, den Testlichtpuls nur während eines Test-Modus oder einem Safety-Modus auszusenden.
• Zusätzlich kann, wie bereits beschrieben, über dezidierte Pixel des SPAD-Arrays ein kooperatives Target erfasst werden, dessen Abstandszeit t_koop innerhalb einer vorbekannten Soll-Target-Zeit t_{koop_soll} erwartet wird. Mittels des kooperativen Targets 200 kann vornehmlich der gesamte Signalpfad und die Verfügbarkeit inklusive Lichtquelle und Optiken überprüft werden.
• Liegen Testzeit t_test und Target-Zeit t_koop innerhalb der erwarteten Werte, kann von einem funktionierenden Gesamt-System ausgegangen werden, so dass eine erfasste Objekt-Zeit t_Obj bzw. der daraus abgeleitete Objekt-Abstand d_Obj als valide ausgegeben werden kann.
• In bekannter Art und Weise erfolgt die Auswertung der Zeiten bzw. Entfernungen typischerweise anhand eines SPAD-Histogramms, das beispielsweise über mehrere Pulsintervalle aufgenommen wurde. Ggf. können auch andere Auswertemethoden herangezogen werden.
• Des Weiteren ist es möglich, das Entfernungsmesssystem bzw. die Arbeitsmaschine mit einem so genannten Safety-Modus und einen Normal-Modus auszustatten. Im Safety-Modus ist der Erfassungsbereich des Entfernungsmesssystem beispielsweise durch Neigen des Systems derart ausgerichtet, dass neben dem vorausschauenden Erkennen von Objekten auch immer der Boden als kooperierendes Target sichtbar und erfassbar ist, während in einem Normal-Modus das kooperative Target nicht zwingend miterfasst werden muss. So ist es beispielsweise möglich, dass im Normal-Modus ein größeres Umfeld erfasst werden kann, wobei in vorgegebenen Zeitabständen kurzzeitig in den Safety-Modus umgeschaltet werden kann, um die Verfügbarkeit des Systems zu überprüfen.
• Bezugszeichenliste

1

Entfernungsmesssystem

10

Beleuchtung, Lichtquelle

20

Lichtlaufzeitsensor, SPAD-Sensor

40

Objekt

100

Arbeitsmaschine

200

kooperierendes Target, Referenzbereich, Referenzebene

S

Lichtpuls

ST

Testlichtpuls

t0

Startzeitpunkt

ttest

Testzeit

tkoop

Target-Zeit des kooperierenden Targets

tE

Empfangszeitpunkt

tE_Obj

Empfangszeitpunkt Objekt

• 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 2753988 B1 [0002]

Claims (3)

1. Entfernungsmesssystem, mit einer Lichtquelle zur Ausendung eines Lichtpulses (S) zu einem Startzeitpunkt (t₀), mit einem Lichtlaufzeitsensor mit mehreren SPAD-Pixeln zum Empfang des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts, wobei wenigstens ein Pixel, einem Empfang eines Testlichtpulses zugeordnet ist, wobei der Testlichtpuls durch Auslenken eines Teils des Lichtpulses oder durch eine zweite Lichtquelle bereitgestellt wird, mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt (t₀) und einem Empfangszeitpunkt (t_e) an einem Pixel eine Entfernung bestimmt wird, wobei zudem eine Empfangszeit bzw. Testzeit (t_test) bzw. eine korrespondierende Entfernung für den Testlichtpuls (S_T) bestimmt wird.
2. Entfernungsmesssystem nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein weiteres Pixel, für eine Erfassung eines kooperierenden Targets (200) vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass ein Empfangszeitpunkt bzw. eine Target-Zeit (t_koop) bzw. eine korrespondierende Entfernung des kooperierenden Targets (200) bestimmt wird.
3. Entfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Entfernungsmesssystem eine zu erwartende Test-Zeit (t_{test_soll}) und/oder Target-Zeit (t_{koop_soll}) bzw. deren korrespondierenden Entfernungen im System hinterlegt sind, wobei eine Störung im Entfernungsmesssystem erkannt wird, sobald eine der beiden Zeiten bzw. deren Entfernungen außerhalb eines tolerierten Bereichs liegt.

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