DE10217295B4

DE10217295B4 - Bestimmung der Ausrichtung eines optoelektronischen Sensors

Info

Publication number: DE10217295B4
Application number: DE2002117295
Authority: DE
Inventors: Dr. Lages Ulrich; Volker Willhöft
Original assignee: Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Ibeo Automotive Systems GmbH
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: DE10217295A1; AU2003226804A1; WO2003087873A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines an einem Gegenstand (11) angebrachten optoelektronischen Sensors (13), der zur Erfassung der Umgebung des Gegenstands (11) mit zumindest einem wiederholend ausgesandten Abtaststrahl (15) in wenigstens einer Abtastebene einen vorgegebenen Winkelbereich überstreicht, wobei zur Bestimmung der Sensorausrichtung – die Lage der Abtastebene relativ zu dem Gegenstand (11) ermittelt wird, indem der Gegenstand (11) entlang einer vorgegebenen Prüfbahn (17) an zumindest einer Prüffläche (19) vorbei bewegt und – bei für die gesamte Prüfbahn (17) bekannter Position und/oder Ausrichtung des Gegenstands (11) relativ zur Prüffläche (19) die Lage und/oder die Orientierung der von den Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche (19) gebildeten Abtastlinie bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung eines an einem Gegenstand, insbesondere einem Fahrzeug, angebrachten optoelektronischen Sensors, insbesondere eines Laserscanners, der zur Erfassung der Umgebung des Gegenstands mit zumindest einem wiederholend ausgesandten Abtaststrahl in wenigstens einer Abtastebene einen vorgegebenen Winkelbereich von bevorzugt 360° überstreicht.
Gegenstandsfeste optoelektronische Sensoren, die auch als Sende-/Empfangseinrichtungen oder Erfassungseinrichtungen bezeichnet werden, kommen für mannigfaltige Anwendungen in Frage. Die mit den Sensoren versehenen Gegenstände sind insbesondere Fahrzeuge, wobei es sich sowohl um Kraftfahrzeuge als auch um führerlose Fahrzeuge handeln kann, wie sie beispielsweise in Transportsystemen zum Einsatz kommen.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Verwendung von Laserscannern an Kraftfahrzeugen, wobei die Laserscanner zur Messung von Entfernungen und Winkeln ausgelegt sind und in zumindest einer Abtastebene zu jedem Entfernungswert einen auf einen scannerfesten Referenzwinkel bezogenen Winkelwert liefern. Die Entfernungsmessung erfolgt dabei vorzugsweise nach einem Strahlungs- bzw. Pulslaufzeitverfahren.
In Fahrzeuganwendungen können die Laserscanner beispielsweise zur Überwachung der Fahrzeugumgebung eingesetzt werden, um z. B. Gefahrensituationen mit anderen Verkehrsteilnehmern wie insbesondere Fußgängern und Radfahrern zu erkennen. Ferner können die Laserscanner als Einparkhilfe dienen, einen ausreichenden Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen sicherstellen oder einen ausreichenden Abstand zur Fahrbahnbegrenzung gewährleisten.
Für die meisten Anwendungen muss die Ausrichtung des Sensors am Fahrzeug bekannt sein, wobei unter Ausrichtung der Montageort, d. h. der Anbau- oder Einbauort, des Sensors am Fahrzeug sowie die Lage der Abtastebene relativ zum Fahrzeug zu verstehen sind. Fehlausrichtungen des Sensors entstehen beispielsweise durch Verkippen des Sensors um eine Fahrzeuglängsachse, wie es auch durch Wankbewegungen des Fahrzeugs erfolgen würde, durch Nickbewegungen des Fahrzeugs entsprechendes Verkippen des Sensors um eine Fahrzeugquerachse, durch Verdrehen des Sensors um eine Hochachse sowie durch translatorische Bewegungen, d. h. Verschiebungen des Sensors relativ zum Fahrzeug.
Aus der nachveröffentlichten E 101 22 664 A1 ist es bekannt, zur Justage von an Kraftfahrzeugen angebrachten Laserscannern mehrere außerhalb des Kraftfahrzeugs im Sichtfeld des zu justierenden Laserscanners angeordnete Referenzobjekte vorzusehen, die ein Kalibrierfeld definieren, in dem das Fahrzeug während des Justagevorgangs unbeweglich verharrt. Bei diesem bekannten Verfahren ist es erforderlich, dass die Position und die Ausrichtung des Kraftfahrzeuges relativ zu dem Kalibrierfeld bekannt sind und das Fahrzeug während des Justagevorgangs nicht relativ zu den das Kalibrierfeld bildenden Referenzobjekten bewegt wird.
Das bekannte Verfahren liefert insbesondere bei Forschungsprojekten, in denen die Anbau- oder Einbauposition des Scanners am Fahrzeug nicht mit hinreichender Genauigkeit beschrieben oder eingehalten werden kann, gute Ergebnisse. Von Nachteil sind zum einen die relativ hohe Fehleranfälligkeit, da die korrekte Justage des Scanners empfindlich von der korrekten Ausrichtung des Fahrzeugs relativ zu den Referenzobjekten abhängig ist, und zum anderen der Umstand, dass die Referenzobjekte hohe Anforderungen erfüllen müssen, um eine Justage mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen zu können.
So sollten die Referenzobjekte einerseits möglichst klein sein und einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, um die Position des Mittelpunkts des Referenzobjektes und damit dessen Lage eindeutig ermitteln zu können. Andererseits ist jedoch ein möglichst großer Durchmesser der Referenzobjekte insofern wünschenswert, als im Hinblick auf die Strahldivergenz, d. h. die entfernungsabhängige Aufweitung der Abtaststrahlen, und auf die Winkelauflösung des Laserscanners möglichst viele Messpunkte, d. h. von den Abtaststrahlen gebildete Flecke oder Spots, auf der Kontur der Referenzobjekte liegen sollten.
Ferner müssen immer wenigstens zwei Referenzobjekte im Sichtbereich des Sensors angeordnet werden. Des Weiteren ist die Handhabung des bekannten Verfahrens vergleichsweise umständlich, da für jede Justage zunächst das Kalibrierfeld aufgebaut und das betreffende Fahrzeug exakt in diesem Kalibrierfeld positioniert bzw. ausgerichtet werden muss.
Aus der DE 199 02 287 A1 ist ein Verfahren zum Ausrichten eines Laserscanner-Sensors bekannt, bei dem zwei Körper bzw. Gegenstände mit bekannter Geometrie innerhalb der Reichweite des Sensors positioniert werden und eine Aufhängung des Sensors jeweils für jeden der zwei Gegenstände solange nachgeführt wird, bis sich ein Extremwert für die am Gegenstand reflektierte Strahlung einstellt.
Die EP 1 031 476 A1 beschreibt ein Verfahren zum Justieren einer Vorrichtung, die zum Erfassen eines Objekts im Innenraum eines Fahrzeugs dient, wobei die Justierung in zwei Richtungen mittels einer Justierschablone erfolgt.
In der DE 43 939 371 A1 ist ein Detektionsverfahren zum Erfassen eines Horizontalfehlers in einer Radarvorrichtung beschrieben, die an einem Fahrzeug angebracht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die Ausrichtung eines an einem Gegenstand angebrachten optoelektronischen Sensors der eingangs genannten Art möglichst schnell und einfach sowie mit möglichst geringer Fehleranfälligkeit und möglichst hoher Genauigkeit zu bestimmen, wobei dies insbesondere sowohl bei bekanntem als auch bei unbekanntem Montageort des Sensors am Gegenstand sowie unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Sensors möglich sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs und insbesondere dadurch, dass zur Bestimmung der Sensorausrichtung die Lage der Abtastebene relativ zu dem Gegenstand ermittelt wird, indem der Gegenstand entlang einer vorgegebenen Prüfbahn an zumindest einer Prüffläche vorbei bewegt und bei für die gesamte Prüfbahn bekannter Position und/oder Ausrichtung des Gegenstands relativ zur Prüffläche die Lage und/oder die Orientierung der von den Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche gebildeten Abtastlinie bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird die Sensorausrichtung dadurch bestimmt, dass die Lage der von den ausgesandten Abtaststrahlen gebildeten Abtastebene ermittelt wird, die auf der Prüffläche eine Abtastlinie bildet, die einer Geraden entspricht, die durch die von den auf die Prüffläche auftreffenden Abtaststrahlen erzeugten, auch als Sendespots bezeichneten Abtaststrahlflecke gelegt wird. Erfindungsgemäß werden die Lage und/oder die Orientierung der Abtastlinie auf der Prüffläche ermittelt, wobei der Verlauf der Prüfbahn, entlang welcher der Gegenstand bewegt wird, relativ zur Prüffläche bekannt ist.
Durch die erfindungsgemäße Relativbewegung zwischen dem Gegenstand, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, und der Prüffläche bei vorgegebener Prüfbahn werden in vorteilhafter Weise Mittelungen über mehrere Einzelmessungen ermöglicht, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird. Hierdurch kann die Fehleranfälligkeit reduziert und eine hohe Genauigkeit bei der Ausrichtungsbestimmung erreicht werden.
Die Erfindung bedeutet eine Abkehr von der bisherigen stationären Ausrichtungsbestimmung, indem der mit dem Sensor versehene, bei Fahrzeuganwendungen von einem Fahrzeug gebildete Gegenstand während der Sensorjustage relativ zu der als Referenz dienenden Prüffläche bewegt wird. Es ist lediglich dafür zu sorgen, dass die Bewegung des Fahrzeugs entlang einer definierten Bahn relativ zu der Prüffläche erfolgt, was jedoch wesentlich einfacher zu bewerkstelligen ist als der relativ zeitaufwendige Aufbau eines eine Mehrzahl von einzelnen Referenzobjekten umfassenden Kalibrierfeldes.
Erfindungsgemäß sind keine separaten Referenzobjekte erforderlich, die bei Fahrzeuganwendungen individuell in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fahrzeugtyp sowie dem jeweiligen Montageort des Sensors am Fahrzeug mit exakter Positionierung relativ zueinander um das Fahrzeug herum angeordnet werden müssen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensorausrichtung besteht darin, dass sie in einen bestehenden Produktionsprozess für die mit einem oder mehreren der Sensoren ausgerüsteten Gegenstände integriert werden kann, bei dem die Gegenstände ohnehin entlang einer definierten Bahn bewegt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei der Serienproduktion von Kraftfahrzeugen eingesetzt und die ohnehin im Produktionsprozess mittels Fördereinrichtungen wie z. B. Montagebänder bewirkte Bewegung der Kraftfahrzeuge zur Ausrichtung der an diesen montierten Sensoren, insbesondere Laserscannern, ausgenutzt wird. Hierbei können insbesondere vorhandene Wände und/oder Decken als Prüfflächen im Sinne der Erfindung genutzt werden. Die Erfindung gestattet die Ausrichtung von Sensoren mit beliebig relativ zu dem Gegenstand orientierten Abtastebenen, d. h. die Erfindung ist nicht auf horizontale oder näherungsweise horizontale Abtastebenen beschränkt.
Vorzugsweise wird der Gegenstand mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, die bevorzugt bezogen auf die Abtastfrequenz des Sensors vernachlässigbar klein ist. Die Bestimmung der Sensorausrichtung erfolgt hierbei in einem so genannten quasi-stationären Zustand, der einerseits eine Relativbewegung zwischen Gegenstand und Prüffläche sicherstellt, andererseits aufgrund der im Vergleich zur Fahrzeuggeschwindigkeit hohen Abtastfrequenz des Sensors eine Mittelung über mehrere auch als Scans bezeichnete Abtastvorgänge gestattet, ohne dass durch die Relativbewegung bedingte Lageveränderungen der Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche die Mittelung beeinträchtigen könnten.
Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn zur Ausrichtungsbestimmung die vom Sensor selbst ermittelte Lage der Prüffläche bezogen auf ein sensorfestes Koordinatensystem herangezogen wird. Es werden hier folglich vom Sensor selbst ermittelte Messdaten, insbesondere Winkel- und zugehörige Entfernungswerte, verwendet, d. h. aus der Art und Weise, wie der Sensor seine – hier die Prüffläche umfassende – Umgebung ”sieht”, wird eine Information betreffend die Ausrichtung des Sensors relativ zum Gegenstand abgeleitet. Hierdurch können Verdrehungen der Abtastebene des Sensors festgestellt werden, die dazu führen, dass ein sensorfester Bezugswinkel, auf den sich die Winkelmessung des Sensors bezieht, nicht in seine Sollrichtung weist.
Es wird hier also die Mess- und Auswerteeinrichtung des Sensors verwendet, d. h. insofern überprüft der Scanner mit Hilfe der Prüffläche seine Ausrichtung gewissermaßen selbst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an wenigstens zwei in Bewegungsrichtung des Gegenstands voneinander beabstandeten, insbesondere spalten- und/oder kreuzförmig angeordneten Nachweisbereichen der Prüffläche jeweils zumindest ein Abtaststrahlfleck nachgewiesen wird.
Dabei ist es möglich, dass an den Nachweisbereichen lediglich festgestellt wird, ob Abtaststrahlflecke vorhanden sind oder nicht. In diesem Fall wird durch die Nachweisbereiche folglich eine nur binär codierte Information zur Verfügung gestellt.
Die Nachweisbereiche der Prüffläche können jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass an ihnen jeweils die Gesamtintensität und/oder die räumliche Intensitätsverteilung eines nachgewiesenen Abtaststrahlflecks ermittelt wird.
Eine besonders hohe Genauigkeit der Bestimmung der Lage bzw. der Orientierung der Abtastlinie auf der Prüffläche und damit der Lage der Abtastebene im Raum bzw. bezüglich des Gegenstands wird ermöglicht, wenn gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mittelung über mehrere zeitlich nacheinander erfolgende Abtastvorgänge durchgeführt wird. Wie bereits vorstehend angedeutet, sind dabei vorzugsweise die Geschwindigkeit des Gegenstands relativ zur Prüffläche, die Abtastfrequenz des Sensors, der Mittelungszeitraum und/oder die Ortsauflösung der Nachweisbereiche derart aufeinander abgestimmt, dass eine während der Mittelung erfolgende Lageveränderung der Abtaststrahlflecke gegenüber der Ortsauflösung der Nachweisbereiche vernachlässigbar klein ist.
Während hierbei insbesondere die quasi-stationären Verhältnisse genutzt werden, um gewissermaßen jede Einzelmessung zur Verbesserung der Messstatistik mehrfach durchzuführen, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass eine gleitende Mittelung über eine Vielzahl von während eines wesentlichen Teils, insbesondere während der gesamten Prüfbewegung des Gegenstands erfolgenden Abtastvorgängen durchgeführt wird. Hierbei wird also nicht oder nicht nur während eines vergleichsweise kurzen Zeitraumes, in dem sich aufgrund der quasi-stationären Verhältnisse der Gegenstand praktisch nicht relativ zur Prüffläche bewegt, über eine vergleichsweise geringe Anzahl von Abtastvorgängen gemittelt, sondern es wird ein wesentlicher Teil und insbesondere die gesamte Prüfbewegung des Gegenstandes genutzt, um über eine vergleichsweise große Anzahl von Abtastvorgängen mitteln zu können.
Vorzugsweise wird während eines wesentlichen Teils, insbesondere während der gesamten Prüfbewegung des Gegenstands aus ermittelten Intensitätsdaten der Abtaststrahlflecke eine entfernungs- und/oder richtungsbezogene Intensitätsverteilung des Sensors bestimmt.
Hierbei kann aus während der Prüfbewegung gespeicherten Intensitätswerten die tatsächliche Intensitätsverteilung des Sensors sowohl hinsichtlich der Entfernung als auch des Winkels ermittelt werden. Es wird folglich der Umstand ausgenutzt, dass durch die Bewegung des Gegenstands relativ zu der Prüffläche und damit relativ zu den Nachweisbereichen jeweils der ”gleiche” – d. h. der jeweils unter dem gleichen Winkel bezogen auf einen sensorfesten Referenzwinkel ausgesandte – Abtaststrahl im Laufe der Prüfbewegung zum einen aus unterschiedlichen Winkelrichtungen und zum anderen aus unterschiedlichen Entfernungen auf die Nachweisbereiche auftrifft. Auf diese Weise kann das Verhalten des Sensors unter den verschiedenen in der Praxis auftretenden Winkel- und Entfernungsbedingungen überprüft werden.
Die Genauigkeit der Ausrichtungsbestimmung wird erhöht, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Gegenstand zwischen zwei bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Prüfflächen hindurchbewegt wird. Hierdurch stehen zwei Abtastlinien – auf jeder Prüffläche eine – zur Verfügung, und die hierdurch geschaffene Redundanz kann zur Erhöhung der Messgenauigkeit verwendet werden.
Hierbei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass mit dem Sensor der Abstand zwischen den beiden Prüfflächen gemessen und durch Vergleich des gemessenen mit dem bekannten tatsächlichen Abstand die Funktionsfähigkeit der Entfernungsmessung des Sensors überprüft wird.
Ferner kann zur Erhöhung der Genauigkeit vorgesehen sein, dass der Gegenstand zumindest auf einem Teilbereich der Prüfbahn zwangsgeführt wird.
Des Weiteren ist gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die ermittelte Sensorausrichtung als Sollausrichtung des Sensors an eine sensor- oder gegenstandsfeste Einrichtung, z. B. einen sensorfremden oder in den Sensor integrierten Bordrechner eines Kraftfahrzeugs, übermittelt und während einer nachfolgenden Umgebungserfassung die Momentanausrichtung des Sensors mit der Sollausrichtung verglichen wird.
Die mit Hilfe der Prüffläche ermittelte Sensorausrichtung wird hierbei also im anschließenden Normalbetrieb des Gegenstands, bei Fahrzeuganwendungen also während des normalen Fahrbetriebs, als Bezugsgröße für eine während des Betriebs insbesondere automatisch ablaufende Überprüfung der Sensorausrichtung verwendet.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe erfolgt außerdem durch die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und insbesondere dadurch, dass im Sichtbereich des Sensors eine vom Gegenstand räumlich getrennte Prüffläche angeordnet ist, an welcher der Gegenstand entlang einer vorgegebenen Prüfbahn bei für die gesamte Prüfbahn bekannter Position und/oder Ausrichtung des Gegenstands relativ zur Prüffläche vorbei bewegbar ist, die Prüffläche an wenigstens zwei in Bewegungsrichtung des Gegenstands voneinander beabstandeten Bereichen jeweils mit einer optoelektronischen Erfassungseinrichtung versehen ist, mit der von den Abtaststrahlen auf der Prüffläche erzeugte Abtaststrahlflecke nachweisbar sind, und die Erfassungseinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, mittels welcher aus den nachgewiesenen Abtaststrahlflecken die Orientierung einer von den Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche gebildeten Abtastlinie bestimmbar ist.
Bei dem optoelektronischen Sensor handelt es sich bevorzugt um einen Entfernungen und Winkel messenden Laserscanner, der in der Abtastebene zu jedem Entfernungswert einen auf einen sensorfesten Referenzwinkel bezogenen Winkelwert liefert.
Die erfindungsgemäße Ausrichtungsbestimmung ist auch für solche Sensoren bzw. Laserscanner möglich, bei denen mehrere Strahlungsquellen, insbesondere Laserdioden, und/oder geeignet ausgebildete Strahlungsumlenkeinrichtungen verwendet werden, um Abtaststrahlen in mehreren unterschiedlichen Abtastebenen gleichzeitig oder zeitversetzt auszusenden.
Die vom Sensor bzw. Scanner verwendete Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, kann im für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich, jedoch auch außerhalb dieses Bereiches und z. B. im IR-Bereich liegen. Wenn im Folgenden anstelle von ”Strahlung” der Begriff ”Licht” verwendet wird, so soll damit keine Einschränkung des erfindungsgemäß möglichen Wellenlängenbereiches für die Abtaststrahlen gemeint sein.
Bevorzugte Ausführungsformen sowohl des Verfahrens als auch der Vorrichtung der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine Draufsicht auf eine für die erfindungsgemäße Ausrichtungsbestimmung verwendete Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Ausrichtungsbestimmung am Beispiel einer Anlage zur Serienproduktion von Kraftfahrzeugen 11, die mit einem optoelektronischen Sensor in Form eines Laserscanners 13 ausgerüstet werden. Der in der Figur dargestellte Montageort des Scanners 13 ist rein beispielhaft gewählt. Grundsätzlich kommt erfindungsgemäß jeder beliebige Anbau- bzw. Einbauort des Scanners 13 am Fahrzeug 11 in Frage, wobei die Fahrzeuge 11 auch jeweils mit mehreren Scannern 13 ausgerüstet sein können.
Der Scanner 13 sendet in einer bei Sollausrichtung am Fahrzeug 11 beispielsweise horizontalen Abtastebene nacheinander in unterschiedliche Winkelrichtungen mit einer Winkelauflösung von beispielsweise 0,25°, 0,5° oder 1° Abtaststrahlen 15 aus, wobei grundsätzlich ein Winkelbereich von 360° abgedeckt werden, der tatsächliche, zur Umgebungserfassung zur Verfügung stehende Erfassungsbereich des Scanners 13 jedoch durch die baulichen Gegebenheiten des Fahrzeugs 11 auf einen kleineren Winkelbereich von beispielsweise zwischen 180° und 270° beschränkt sein kann.
Die Erzeugung der Abtaststrahlen 15 erfolgt beispielsweise mittels einer Laserdiode, deren Ausgangsstrahl auf einen während des Abtastbetriebs rotierenden, auch als Spiegelrad bezeichneten Drehspiegel gerichtet ist, über den die Abtaststrahlen 15 nacheinander in die unterschiedlichen Winkelrichtungen ausgesandt werden. Während des Erfassungsbetriebs aus der Fahrzeugumgebung reflektierte Strahlung wird mittels einer Empfangseinrichtung des Scanners 13 nachgewiesen. Aus der Laufzeit der ausgesandten Strahlung kann der Abstand zwischen dem Scanner 13 und dem jeweils reflektierenden Objekt berechnet werden. Indem der Scanner 13 zu jedem Entfernungswert einen aus der Drehstellung des Drehspiegels ableitbaren, auf einen sensorfesten Referenzwinkel bezogenen Winkelwert liefert, kann aus den Messdaten die Kontur der vom Scanner 13 ”gesehenen” Umgebung in Höhe der von den Abtaststrahlen 15 gebildeten Abtastebene ermittelt werden.
Um die Ausrichtung des Scanners 13 am Fahrzeug 11, d. h. die Lage der Abtastebene relativ zum Fahrzeug 11, zu bestimmen, ist in den Produktionsprozess eine Prüfeinrichtung integriert, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei vertikale Prüfwände 25 umfasst, deren einander zugewandten Innenseiten als Prüfflächen 19 im Sinne der Erfindung dienen.
Zusätzlich zu den beiden Wänden 25 kann eine Decke vorgesehen sein, deren Innenseite ebenfalls als Prüffläche dient. Auf diese Weise wird ein Prüftunnel geschaffen, durch den das Fahrzeug 11 hindurch bewegt wird. In Abhängigkeit von der Lage der Abtastebene(n) im Raum kann durch geeignete Ausgestaltung und/oder Anordnung von optoelektronischen Erfassungseinrichtungen 21 (siehe weiter unten) in den Prüfflächen durch eine zusätzliche Prüfdecke die Scannerausrichtung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Prüfeinrichtung ist bezogen auf die Bewegungsrichtung einer z. B. in Form eines Montagebandes 23 vorgesehenen Fördereinrichtung für die zu produzierenden Kraftfahrzeuge 11 hinter derjenigen Station angeordnet, an der die Scanner 13 an den Fahrzeugen 11 montiert werden.
Der Montageort des Scanners 13 am Fahrzeug 11 und damit die Sollausrichtung der Abtastebene relativ zum Fahrzeug 11 sind daher bekannt, und die erfindungsgemäße, im Folgenden erläuterte Ausrichtungsbestimmung kann folglich dazu verwendet werden, die tatsächliche Ausrichtung des Scanners 13 zu bestimmen und mit der Sollausrichtung zu vergleichen, um ggf. vor Auslieferung des Fahrzeugs 11 Korrekturen vornehmen oder die auch als montagebedingter ”offset” bezeichnete Abweichung während der späteren Umgebungserfassung durch die Auswerteeinrichtung bzw. die darin ablaufende Software zur Korrektur der Messwerte berücksichtigen zu können.
Die Erfindung ist aber auch in Forschungs- und Testvorhaben einsetzbar, wenn der Montageort und die Lage der Abtastebene z. B. eines an einem Forschungs- bzw. Testfahrzeug montierten Laserscanners nicht oder nicht hinreichend genau bekannt sind. In diesem Fall wird mittels der Erfindung die zu Forschungs- oder Testzwecken benötigte tatsächliche momentane Ausrichtung des Scanners bezüglich des Fahrzeugs bestimmt.
Die mittels des Montagebandes 23 bewirkte Bewegung der Fahrzeuge 11 relativ zu den Prüfflächen 19 erfolgt entlang einer definierten, in der Figur durch eine gestrichelte, die Reifenspuren repräsentierende Doppellinie angedeuteten Prüfbahn 17, die in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu den Prüfwänden 25 verläuft, so dass während des Prüfvorgangs die Bewegungsrichtung F des Fahrzeugs mit der Geradeausfahrrichtung des Fahrzeugs 11 zusammenfällt.
Um diese Relativausrichtung zwischen Fahrzeug 11 und Prüfflächen 19 während des Prüfvorgangs mit hoher Genauigkeit sicherzustellen, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine bezüglich der Prüfwände 25 ortsfeste Zwangsführung 27 für die Fahrzeuge 11 vorgesehen, mit der die Fahrzeuge 11 parallel zu den Prüfflächen 19 ausgerichtet werden. Auf eine derartige Zwangsführungseinrichtung 27, die grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein kann, kann auch verzichtet werden, und zwar z. B. dann, wenn die Fördereinrichtung 23 selbst bereits für die korrekte Ausrichtung des Fahrzeugs 11 sorgt.
In die Prüfflächen 19 – und ggf. in eine horizontal verlaufende, über dem Montageband 23 angeordnete Prüfdecke – sind jeweils an drei in Bewegungsrichtung F voneinander beabstandeten Stellen optoelektronische Erfassungseinrichtungen 21 mit ortsauflösenden strahlungsempfindlichen Detektoren integriert. Um in unterschiedlicher Höhe auf die Prüfflächen 19 auftreffende Abtaststrahlen 15 nachweisen zu können, sind die Erfassungseinrichtungen 21 jeweils in vertikaler Richtung ausgedehnt, so dass auf jeder Prüffläche 19 eine aus drei in Bewegungsrichtung F beabstandeten Spalten gebildete Erfassungsanordnung vorgesehen ist.
Die Erfassungseinrichtungen 21 umfassen jeweils ein oder mehrere strahlungsempfindliche Arrays z. B. jeweils in Form einer CCD-Matrix, eines CMOS-Arrays oder eines PIN-Dioden-Arrays oder in Form einer Anordnung aus von z. B. Glasfasern gebildeten strahlungsleitenden Elementen. Mit derartigen ortsauflösenden Erfassungseinrichtungen kann nicht nur festgestellt werden, ob ein Abtaststrahl 15 getroffen hat oder nicht, sondern es kann aufgrund der ortsauflösenden Eigenschaft der Erfassungseinrichtungen 21 außerdem die Lage bzw. der Schwerpunkt des betreffenden Abtaststrahlflecks auf der Erfassungseinrichtung 21 bestimmt werden.
Bei Verwendung von strahlungsleitenden Elementen wie z. B. Glasfasern können diese nach Art eines ”Geflechts” einander überkreuzend in der Ebene der jeweiligen Prüffläche 19 liegend angeordnet sein. Dieses Kreuzmuster der zahlreichen einander kreuzenden Glasfasern kann insgesamt eine spalten- bzw. streifenförmige Nachweisfläche bilden, die sich – bei Anordnung auf den seitlichen Wänden 25 – vertikal erstrecken, wobei die einzelnen Glasfasern jeweils schräg zu dieser Vertikalrichtung verlaufen.
Auf jeder Prüffläche 19 kann nun mit Hilfe einer an die Erfassungseinrichtungen 21 angeschlossenen Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) durch zumindest zwei zu einem Abtastvorgang gehörende Abtaststrahlflecke, die von den beabstandeten Erfassungseinrichtungen 21 nachgewiesen werden, eine Gerade gelegt werden, deren Lage und Orientierung auf der Prüffläche 19 mittels der Auswerteeinrichtung bestimmbar ist.
Verkippungen des Scanners 13 um eine in Fahrzeuglängsrichtung – und damit parallel zur Bewegungsrichtung F – verlaufende Längsachse sowie um eine senkrecht zu den Prüfflächen 19 verlaufende Fahrzeugquerachse werden durch die Lage und die Orientierung der Abtastlinien auf den Prüfflächen 19 bestimmt. Reine Verkippungen um die Längsachse führen zu vertikalen Verschiebungen der Abtastlinie auf den Prüfflächen 19, während Verkippungen um die Querachse den Neigungswinkel der Abtastlinie zur Horizontalen verändern.
Bei bekanntem Verlauf der Prüfbahn 17 relativ zu den Prüfflächen 19 können somit jeweils aus der mittels der Erfassungseinrichtungen 21 gemessenen Lage und Orientierung der Abtastlinien auf den Prüfflächen 19 die tatsächliche Ausrichtung der Abtastebene relativ zum Fahrzeug 11 sowie die Montageposition des Scanners 13 am bzw. im Fahrzeug 11 bestimmt und mit den jeweiligen Sollwerten verglichen werden.
Eine Verdrehung des Scanners 13 um die vertikal zum Montageband 23 verlaufende Hochachse wird dadurch erkannt, dass die Abtastlinien auf den Prüfflächen 19, die sich zwangsläufig zumindest mit einer Komponente parallel zur Bewegungsrichtung F des Fahrzeugs 11 erstrecken, scheinbar einen von Null verschiedenen Winkel mit der Bewegungsrichtung F einschließen, was bei einer Verdrehung des Scanners 13 der Fall ist, da dieser dann bei der Winkelmessung von einem ebenfalls verdrehten Referenzwinkel, z. B. von dem auch als 0°-Schuss bezeichneten Abtaststrahl, ausgeht.
Da sich der Scanner 13 bei der Rekonstruktion der von ihm ”gesehenen” Umgebung auf diesen Referenzwinkel bzw. 0°-Schuss bezieht, der bei Sollausrichtung z. B. parallel zur Bewegungsrichtung F verläuft, wird bei einer Verdrehung um die Hochachse, die zur Folge hat, dass der 0°-Schuss schräg zur Fahrzeuglängsachse – und damit schräg zur Bewegungsrichtung F – ausgesandt wird, der Scanner 13 einen von Null verschiedenen Winkel zwischen der (scheinbaren) Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 11 und der Abtastlinie auf der Prüffläche 19 messen.
Bei der Bestimmung einer Fehlausrichtung durch Verdrehen um die Hochachse wird folglich die Mess- und Auswerteeinrichtung des Sensors verwendet, d. h. insofern überprüft der Scanner 13 mit Hilfe der Prüffläche 19 seine Ausrichtung selbst.
Durch die erfindungsgemäß während der Ausrichtungsbestimmung erfolgende Vorbeibewegung des Fahrzeugs 11 an der Prüffläche 19 wird die Fehleranfälligkeit reduziert und die Genauigkeit der Bestimmung erhöht, da eine praktisch 100%ige Wahrscheinlichkeit für optimal auswertbare Spots erzeugende Treffer von Abtaststrahlen 15 auf den Erfassungseinrichtungen 21 während der Vorbeibewegung besteht. Fehler oder Ungenauigkeiten aufgrund von nur teilweise getroffenen Nachweisbereichen, wie es beispielsweise bei der Verwendung von relativ kleinen Referenzobjekten bei stationären Prüfverfahren leicht der Fall sein kann, werden durch die erfindungsgemäße Relativbewegung zwischen Fahrzeug 11 und Erfassungseinrichtungen 21 vermieden.
Wie bereits im Einleitungsteil erläutert, kann erfindungsgemäß zum einen eine vergleichsweise kurze Integrationszeit der mittels der Erfassungseinrichtungen 21 gemessenen Intensitäten über eine relativ geringe Anzahl von Abtastvorgängen durchgeführt werden. Hierdurch wird an einem jeweiligen Auftreffort der Abtaststrahlen 15 eine durchschnittliche Intensitätsverteilung ermittelt und auf diese Weise der Schwerpunkt oder die Mitte der Abtastebene an diesem Ort mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Zum anderen kann erfindungsgemäß eine gleitende Mittelung mit Speicherung der Intensitätswerte während der gesamten Vorbeibewegung des Fahrzeugs 11 an den Prüfflächen 19 erfolgen. Hierdurch können leichte Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeugs 11 ausgeglichen werden, die zu einem Fehler bei der Bestimmung der Winkellage der Abtastebene führen könnten. Ferner kann auf diese Weise die vom Scanner 13 ausgesandte Strahlungsleistung gemessen bzw. durch Vergleich mit einer bekannten Sollstrahlungsleistung überprüft werden.
Des Weiteren kann durch die gleitende Mittelung und durch Ausnutzen des Umstands, dass zumindest bezüglich einer der Erfassungseinrichtungen 21 Daten bei sich aufgrund der Relativbewegung zwischen Fahrzeug 11 und Prüffläche 19 ändernden Abständen und Winkeln zwischen dieser Erfassungseinrichtung 21 und dem Scanner 13 ermittelt werden, die tatsächliche Intensitätsverteilung des Scanners 13 über die Entfernung und den Winkel ermittelt werden.
Wenn die Erfassungseinrichtungen 21 Arrays aus lichtleitenden Elementen wie z. B. Glasfasern umfassen, kann die Intensitätsverteilung der auf den Empfangseinrichtungen 21 erzeugten Abtaststrahlflecke mit einer besonders hohen Genauigkeit ermittelt werden. Derartige Glasfasern bzw. Glasfaserbündel können – wie vorstehend bereits erwähnt – beispielsweise in großer Zahl gitterartig einander überkreuzend in der Ebene der Prüffläche liegend angeordnet werden.
Die Intensität der in die Lichtleiter eingekoppelten Strahlung kann auch für kleinste Empfangsbereiche ermittelt werden, so dass die gemittelte Intensität mit einer grundsätzlich beliebig hohen, von der Größe des Glasfaserbündels sowie der Feinheit der Glasfasern abhängigen Auflösung bestimmt werden kann, was wiederum eine Lagebestimmung der Mitte bzw. des Schwerpunkts der Abtastebene mit einer sehr hohen Genauigkeit gestattet.
Bezugszeichenliste

11: Gegenstand, Fahrzeug
13: Sensor, Laserscanner
15: Abtaststrahl
17: Prüfbahn
19: Prüffläche
21: Nachweisbereich, Erfassungseinrichtung
23: Fördereinrichtung, Montageband
25: Wand
27: Zwangsführung
F: Bewegungsrichtung

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung eines an einem Gegenstand (11) angebrachten optoelektronischen Sensors (13), der zur Erfassung der Umgebung des Gegenstands (11) mit zumindest einem wiederholend ausgesandten Abtaststrahl (15) in wenigstens einer Abtastebene einen vorgegebenen Winkelbereich überstreicht, wobei zur Bestimmung der Sensorausrichtung – die Lage der Abtastebene relativ zu dem Gegenstand (11) ermittelt wird, indem der Gegenstand (11) entlang einer vorgegebenen Prüfbahn (17) an zumindest einer Prüffläche (19) vorbei bewegt und – bei für die gesamte Prüfbahn (17) bekannter Position und/oder Ausrichtung des Gegenstands (11) relativ zur Prüffläche (19) die Lage und/oder die Orientierung der von den Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche (19) gebildeten Abtastlinie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (11) ein Fahrzeug ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Sensor (13) ein Laserscanner ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Winkelbereich 360° beträgt.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (11) mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausrichtungsbestimmung die vom Sensor (13) selbst ermittelte Lage der Prüffläche (19) bezogen auf ein sensorfestes Koordinatensystem herangezogen wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens zwei in Bewegungsrichtung F des Gegenstands (11) voneinander beabstandeten, insbesondere spalten- und/oder kreuzförmig angeordneten Nachweisbereichen (21) der Prüffläche (19) jeweils zumindest ein Abtaststrahlfleck nachgewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Nachweisbereichen (21) lediglich festgestellt wird, ob Abtaststrahlflecken vorhanden sind oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Nachweisbereichen (21) jeweils die Gesamtintensität und/oder die räumliche Intensitätsverteilung eines nachgewiesenen Abtaststrahlflecks ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelung über mehrere zeitlich nacheinander erfolgende Abtastvorgänge durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Geschwindigkeit des Gegenstands (11) relativ zur Prüffläche (19), die Abtastfrequenz des Sensors (13), der Mittelungszeitraum und/oder die Ortsauflösung der Nachweisbereiche (21) derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine während der Mittelung erfolgende Lageveränderung der Abtaststrahlflecken gegenüber der Ortsauflösung der Nachweisbereiche (21) vernachlässigbar klein ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleitende Mittelung über eine Vielzahl von während eines wesentlichen Teils und insbesondere während der gesamten Prüfbewegung des Gegenstands (11) erfolgenden Abtastvorgängen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus während eines wesentlichen Teils und insbesondere während der gesamten Prüfbewegung des Gegenstands (11) ermittelten Intensitätsdaten der Abtaststrahlflecke eine entfernungs- und/oder richtungsbezogene Intensitätsverteilung des Sensors (13) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (11) zwischen zwei bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Prüfflächen (19) und/oder unter einer bevorzugt horizontalen Prüffläche hindurchbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Sensor (13) der Abstand zwischen den beiden Prüfflächen (19) gemessen und durch Vergleich des gemessenen mit dem bekannten tatsächlichen Abstand die Funktionsfähigkeit der Entfernungsmessung des Sensors (13) überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (11) zumindest auf einem Teilbereich der Prüfbahn (17) zwangsgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei der Serienproduktion von Kraftfahrzeugen (11) eingesetzt und insbesondere unter Ausnutzung der mittels Fördereinrichtungen (23) wie z. B. Montagebänder erfolgenden Bewegung der Kraftfahrzeuge (11) in einen bestehenden Produktionsprozess integriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Sensorausrichtung als Sollausrichtung des Sensors (13) an eine sensor- oder gegenstandsfeste Einrichtung übermittelt und während einer nachfolgenden Umgebungserfassung die Momentanausrichtung des Sensors (13) mit der Sollausrichtung verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung mit den Merkmalen eines der nachstehenden Ansprüche verwendet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung eines an einem Gegenstand (11) angebrachten optoelektronischen Sensors (13), der zur Erfassung der Umgebung des Gegenstands (11) mit zumindest einem wiederholend ausgesandten Abtaststrahl (15) in wenigstens einer Abtastebene einen vorgegebenen Winkelbereich überstreicht, wobei – im Sichtbereich des Sensors (13) eine vom Gegenstand (11) räumlich getrennte Prüffläche (19) angeordnet ist, an welcher der Gegenstand (11) entlang einer vorgegebenen Prüfbahn (17) bei für die gesamte Prüfbahn (17) bekannter Position und/oder Ausrichtung des Gegenstands (11) relativ zur Prüffläche (19) vorbei bewegbar ist, – die Prüffläche (19) an wenigstens zwei in Bewegungsrichtung F des Gegenstands (11) voneinander beabstandeten Bereichen jeweils mit einer optoelektronischen Erfassungseinrichtung (21) versehen ist, mit der von den Abtaststrahlen (15) auf der Prüffläche (19) erzeugte Abtaststrahlflecke nachweisbar sind, und – die Erfassungseinrichtungen (21) mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, mittels welcher aus den nachgewiesenen Abtaststrahlflecken die Lage und/oder die Orientierung einer von den Abtaststrahlflecken auf der Prüffläche (19) gebildeten Abtastlinie bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (11) ein Fahrzeug ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Sensor (13) ein Laserscanner ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Winkelbereich 360° beträgt.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der optoelektronische Sensor (13) ein Entfernungen und Winkel messender Laserscanner ist, der in der Abtastebene zu jedem Entfernungswert einen auf einen sensorfesten Referenzwinkel bezogenen Winkelwert liefert.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfbahn (17) in einer Ebene liegt und die Prüffläche (19) von einer senkrecht auf der Prüfbahnebene stehenden Wand (25) gebildet ist, wobei bevorzugt eine weitere Prüffläche von einer bevorzugt parallel zur Prüfbahnebene verlaufenden Decke gebildet ist, unter welcher der Gegenstand (11) hindurch bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfbahn (17) zwischen zwei parallel verlaufenden, insbesondere von senkrecht auf einer Prüfbahnebene stehenden Wänden (25) gebildeten Prüfflächen (19) hindurch verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung (23) für den Gegenstand (11) vorgesehen ist, mittels welcher der Gegenstand (11) insbesondere mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang der Prüfbahn (17) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Anlage zur Serienproduktion von mit jeweils wenigstens einem Sensor (13) ausgerüsteten Kraftfahrzeugen (11) integriert ist, wobei die Prüfbahn (17) von einer im Produktionsprozess zum Bewegen der Kraftfahrzeuge (11) eingesetzten Fördereinrichtung (23) wie z. B. einem Montageband gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtungen (21) jeweils zur Ermittlung der Gesamtintensität und/oder der räumlichen Intensitätsverteilung eines nachgewiesenen Abtaststrahlflecks ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtungen (21) jeweils zu einer ortsauflösenden Intensitätsbestimmung ausgebildet sind und vorzugsweise wenigstens eine CCD-Matrix und/oder ein Array aus strahlungsleitenden Elementen, insbesondere Glasfasern, umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtungen (21) auf der Prüffläche (19) zumindest bereichsweise in in Bewegungsrichtung F des Gegenstands (11) voneinander beabstandeten Spalten angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Erfassungseinrichtungen (21) vorgesehene strahlungsleitende Elemente, insbesondere Glasfasern, einander überkreuzend in der Ebene der Prüffläche (19) liegend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einem Teilbereich der Prüfbahn (17) eine Zwangsführung (27) für den Gegenstand (11) vorgesehen ist, mit der insbesondere bei einem den Gegenstand (11) bildenden Kraftfahrzeug dessen Langsachse parallel zur Prüffläche (19) ausrichtbar ist.