DE102022120666A1

DE102022120666A1 - Sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface

Info

Publication number: DE102022120666A1
Application number: DE102022120666.1A
Authority: DE
Inventors: Jeremy Dreger; Michael Hamma
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Sensor zur Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit einer bewegten horizontalen Oberfläche O, der ein Messignal unter einem Abstrahlwinkel α zur bewegten Oberfläche O aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensor eine Neigungserkennungseinheit vorgesehen ist, die den Winkel zwischen der Flächennormalen FN der horizontalen Oberfläche und der Senkrechten zur Messsignalrichtung SMSR erfasst, um die horizontale Geschwindigkeitskomponente der bewegten Oberfläche O relativ zum Sensor zu ermitteln.Sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface O, which emits a measurement signal at a radiation angle α to the moving surface O, characterized in that an inclination detection unit is provided in the sensor, which determines the angle between the surface normal FN of the horizontal surface and the vertical to the measurement signal direction SMSR in order to determine the horizontal speed component of the moving surface O relative to the sensor.

Description

In vielen Industriebereichen sowie in der Fahrzeugtechnik werden Sensoren zur Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit einer bewegten horizontalen Oberfläche eingesetzt.In many industrial areas and in automotive technology, sensors are used to determine the distance and speed of a moving horizontal surface.

Insbesondere die genaue Ermittlung der Geschwindigkeit der Oberfläche (bzw. Relativgeschwindigkeit des Sensors zur Oberfläche) ist von entscheidender Bedeutung, da auf dieser weitere wichtige Parameter ermittelt werden.In particular, the precise determination of the speed of the surface (or relative speed of the sensor to the surface) is of crucial importance, as other important parameters are determined on this basis.

Der Sensor ist immer in einer gewissen Höhe über der Oberfläche angeordnet, so dass das Messsignal unter einem gewissen Winkel auf die Oberfläche auftrifft. Wenn dieser Winkel bekannt ist, kann aus der vom Sensor ermittelten Geschwindigkeit einfach die horizontale Geschwindigkeit der Oberfläche ermittelt werden. Häufig kann nicht garantiert werden, dass dieser Winkel konstant bleibt, z.B. durch Erschütterungen, unebene Oberflächen oder durch Lösen der Sensorhalterung.The sensor is always arranged at a certain height above the surface so that the measurement signal hits the surface at a certain angle. If this angle is known, the horizontal speed of the surface can easily be determined from the speed determined by the sensor. Often it cannot be guaranteed that this angle will remain constant, e.g. due to shocks, uneven surfaces or the sensor holder being loosened.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Sensor zur Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit einer bewegten horizontalen Oberfläche anzugeben, der eine zuverlässige Ermittlung der Geschwindigkeit und somit der horizontalen Geschwindigkeit der Oberfläche ermöglicht.The object of the invention is to provide a sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface, which enables a reliable determination of the speed and thus the horizontal speed of the surface.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Sensor zur Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit einer bewegten horizontalen Oberfläche mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.This task is solved by a sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface with the features specified in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing.

Es zeigen:

1 Ausrichtung eines erfindungsgemäßen Sensors anhand eines Radarsensors
2 Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensors an einem Traktor
3 Anordnung eines erfindungsgemäßen Sensors über einem Förderband

Show it:

1 Alignment of a sensor according to the invention using a radar sensor
2 Arrangement of a sensor according to the invention on a tractor
3 Arrangement of a sensor according to the invention above a conveyor belt

Der Sensor zur Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit einer bewegten horizontalen Oberfläche sendet ein Messignal in Messsignalrichtung MSR unter dem Abstrahlwinkel α zur bewegten Oberfläche O aus.The sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface sends out a measurement signal in the measurement signal direction MSR at the radiation angle α to the moving surface O.

Der Sensor kann deshalb nur die Geschwindigkeitskomponenten, die parallel zur Messsignalrichtung MSR liegt, messen.The sensor can therefore only measure the speed components that are parallel to the measuring signal direction MSR.

Erfindungsgemäß ist im Sensor eine Neigungserkennungseinheit vorgesehen, welche den Winkel zwischen der Flächennormalen FN der horizontalen Oberfläche O und der Senkrechten zur Messsignalrichtung MSR erfasst.According to the invention, an inclination detection unit is provided in the sensor, which detects the angle between the surface normal FN of the horizontal surface O and the perpendicular to the measurement signal direction MSR.

Dadurch kann sicher und zuverlässig die horizontale Geschwindigkeitskomponente der bewegten Oberfläche relativ zum Sensor zu ermittelt werden.This allows the horizontal speed component of the moving surface to be determined safely and reliably relative to the sensor.

Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung auch im Vergleich zum Stand der Technik näher beschrieben.The function of the invention is described in more detail below in comparison to the prior art.

Im Bereich der Industrieautomatisierung, mobiler Arbeitsmaschinen oder autonom agierender Fahrzeuge wird eine Vielzahl von distanzmessenden Sensoren eingesetzt.A large number of distance-measuring sensors are used in the area of industrial automation, mobile machines or autonomous vehicles.

Diese Sensoren bestimmen beispielsweise das Vorhandensein von Objekten oder einem entsprechenden Freiraum. Sie können anhand von Distanz und Geschwindigkeit zu anderen Objekten eine Kollision zeitlich vorhersagen. Sie können den Füllstand von Schüttgütern und den Abstand zu Boden oder Wänden messen. Oder sie können die Anzahl von Objekten zählen, wenn die Objekte beispielsweise auf einem Förderband an dem Sensor vorbeigeführt werden.These sensors determine, for example, the presence of objects or a corresponding free space. You can predict a collision in time based on the distance and speed of other objects. You can measure the level of bulk materials and the distance to the floor or walls. Or you can count the number of objects as the objects are moved past the sensor on a conveyor belt, for example.

Zu diesen vielfältigen Anwendungen gibt es zudem auch noch verschiedene Sensortechnologien. Die bekanntesten sind induktiv, kapazitativ, magnetisch, optoelektronisch (Laserscanner) oder hochfrequent elektromagnetisch (Radare).In addition to these diverse applications, there are also various sensor technologies. The best known are inductive, capacitive, magnetic, optoelectronic (laser scanners) or high-frequency electromagnetic (radars).

Sie haben alle ihre Vor- und Nachteile für bestimmte Anwendungen. Daher haben sich Standards für die Bedienung distanzmessender Sensoren gebildet, um eine leichte Austauschbarkeit zu ermöglichen. Das betrifft beispielsweise Programmierung von Distanzbereichen, Anlernen des Hintergrundes oder Verhalten von Schaltausgängen.They all have their advantages and disadvantages for certain applications. Therefore, standards have been developed for the operation of distance-measuring sensors in order to enable easy interchangeability. This applies, for example, to programming distance ranges, learning the background or the behavior of switching outputs.

Unterscheidbar sind die Sensoren dagegen in ihrem physikalischen Verhalten. Typischerweise muss man daher eine Vielzahl von Produktvarianten hinsichtlich Eignung für einen bestimmten Einsatz bewerten. Beispielsweise benötigt man unterschiedliche mechanische und elektrische Ausführungen, um verschiedene Ausgangsleistungen, Empfindlichkeiten oder Strahlbreiten zu realisieren.The sensors, however, can be distinguished in their physical behavior. Typically, you have to evaluate a large number of product variants with regard to their suitability for a specific application. For example, different mechanical and electrical designs are required to achieve different output powers, sensitivities or beam widths.

Diese Erfindung beschreibt einen distanz- und geschwindigkeitsmessenden Radarsensor, der durch eine integrierte Neigungserkennungseinheit eine flexible Geschwindigkeitsmessung ermöglicht.This invention describes a distance and speed measuring radar sensor that An integrated tilt detection unit enables flexible speed measurement.

Die exakte Geschwindigkeitsbestimmung ist in einigen Bereichen notwendig, beispielsweise für die schlupffreie Bestimmung der Geschwindigkeiten von landwirtschaftlichen Maschinen wie Traktoren und Mähdreschern oder für die Ermittlung von Fördermengen im Bergbau.Exact speed determination is necessary in some areas, for example for the slip-free determination of the speeds of agricultural machines such as tractors and combine harvesters or for determining delivery rates in mining.

Dabei erfolgt die Geschwindigkeitsermittlung mit einem Radarsensor, welcher in einem festen Winkel (i.d.R. 35° +/- 5°) montiert ist. Da der Radarsensor immer nur die radiale Geschwindigkeitskomponente erfasst, bedarf es einer Umrechnung, damit die tatsächliche Geschwindigkeit (ϑ_real) des zu messenden Ziels ausgegeben wird. Die tatsächliche Geschwindigkeit ist über folgende Formel definiert, wobei ϑ_radar die vom Radarsensor gemessene Geschwindigkeit ist und ∝ der Neigungswinkel des Radars (1). $ϑ_{real} = \frac{ϑ_{r a d a r}}{cos \propto}$

The speed is determined using a radar sensor, which is mounted at a fixed angle (usually 35° +/- 5°). Since the radar sensor only ever records the radial speed component, a conversion is required so that the actual speed (ϑ _real ) of the target to be measured is output. The actual speed is defined by the following formula, where ϑ _radar is the speed measured by the radar sensor and ∝ is the inclination angle of the radar ( 1 ).

ϑ_{real} = \frac{ϑ_{r a d a r}}{cos \propto}

Anhand der Formel wird deutlich, dass bereits kleinste Änderungen des Winkels Auswirkungen auf das Messergebnis haben und die Geschwindigkeit des zu messenden Ziels verfälschen.The formula makes it clear that even the smallest changes in the angle have an impact on the measurement result and distort the speed of the target being measured.

Die Berechnung der Geschwindigkeit bestehender Radarsysteme erfolgt auf Grundlage eines fest definierten Winkels. Dieser Winkel ist teilweise definiert durch die Bauweise des Sensors (Speed Wedge) oder der Radarsensor muss entsprechend der Vorgaben des Herstellers in einem festgelegten Winkel montiert werden.The calculation of the speed of existing radar systems is based on a firmly defined angle. This angle is partly defined by the design of the sensor (speed wedge) or the radar sensor must be mounted at a specified angle according to the manufacturer's specifications.

Problem:Problem:

Zum einen ist die exakte Einstellung des Sensors sehr aufwendig und fehlerbehaftet. Zum anderen hat eine Verstellung des Sensors (z.B. bei Kollision, Schwingungen, Vandalismus) direkte Auswirkungen auf die Messqualität.On the one hand, the exact setting of the sensor is very complex and prone to errors. On the other hand, adjusting the sensor (e.g. in the event of collision, vibration, vandalism) has a direct impact on the measurement quality.

Lösung:Solution:

Die zusätzlich integrierte Neigungserkennungseinheit bestimmt die aktuelle Orientierung des Sensors (Pitch, Roll, Yaw). So kann die Geschwindigkeitsmessung auf Grundlage des exakten Neigungswinkels des Sensors erfolgen und die Messqualität verbessert werden.The additionally integrated tilt detection unit determines the current orientation of the sensor (pitch, roll, yaw). This means that the speed measurement can be based on the exact angle of inclination of the sensor and the measurement quality can be improved.

Im Falle des Verstellens des Sensors, gibt der integrierte Lagesensor entweder eine Warnung an den Benutzer aus oder nutzt dynamisch den geänderten Neigungswinkel als Berechnungsgrundlage für die tatsächliche Geschwindigkeit.If the sensor is adjusted, the integrated position sensor either issues a warning to the user or dynamically uses the changed inclination angle as a basis for calculating the actual speed.

Darüber hinaus reduziert sich der Montage- und Installationsaufwand erheblich, da die aktuelle Sensorneigung direkt vom Sensor ausgegeben wird.In addition, the assembly and installation effort is significantly reduced because the current sensor inclination is output directly from the sensor.

Im Bereich des Bergbaus kann der Radarsensor zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Förderbänder genutzt werden. Eine zusätzliche Ausgabe der Distanz des Radarsensors zum Fördergut ermöglicht eine Volumenstromberechnung (3).In the mining sector, the radar sensor can be used to determine the speed of the conveyor belts. An additional output of the distance of the radar sensor to the material being conveyed enables a volume flow calculation ( 3 ).

Die Kombination der Daten der integrierten Neigungserkennungseinheit und der vom Radarsensor bestimmten Höhe des Sensors über Grund ermöglicht eine dynamische Anpassung der Beobachtungszone (Region of Interest). In diesem Zuge können die Punktziele in ein Koordinatensystem umgewandelt werden, das auf den Boden normiert ist. Diese Darstellung ist vorteilhaft, wenn beispielsweise bei einer geneigten Sensor Einbaulage die Ziele von Untergrund, Decke und Hintergrund ausgeblendet werden sollen (Hinweis auf Patentanmeldung „Radar Distanzsensor mit einstellbarem Öffnungswinkel“).The combination of the data from the integrated tilt detection unit and the height of the sensor above ground determined by the radar sensor enables dynamic adjustment of the observation zone (region of interest). In this context, the point targets can be converted into a coordinate system that is standardized to the ground. This representation is advantageous if, for example, with an inclined sensor installation position, the targets of the ground, ceiling and background are to be hidden (note on patent application “Radar distance sensor with adjustable opening angle”).

Diese dynamische Anpassung des ausgewählten Beobachtungsfeldes (Region of interest) auf Grundlage der Daten eines integrierten Neigungssensors lässt sich ebenso auf Sensoren anderer Technologien übertragen, wie Vision Systeme (2D-Kameras, 3D-Kameras, Codereader, LIDAR-Sensoren oder Laserscanner).This dynamic adjustment of the selected observation field (region of interest) based on the data from an integrated inclination sensor can also be transferred to sensors from other technologies, such as vision systems (2D cameras, 3D cameras, code readers, LIDAR sensors or laser scanners).

Claims

Sensor for determining the distance and speed of a moving horizontal surface, which emits a measurement signal at a radiation angle to the moving surface, characterized in that an inclination detection unit is provided in the sensor, which detects the angle between the surface normal of the horizontal surface and the perpendicular to the measurement signal direction, to determine the horizontal velocity component of the moving surface relative to the sensor.

Sensor after Claim 1 , characterized in that the sensor is a radar sensor.

Sensor after Claim 2 , characterized in that the radar sensor is arranged on an agricultural vehicle.

Sensor after Claim 2 , characterized in that the radar sensor is arranged on a conveyor belt.