DE19757847A1 - Scanner für eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Scanner, wie er in Vorrichtungen zum opti­ schen Erfassen von Objekten eingesetzt werden kann und auf eine derartige Vor­ richtung zur Erfassung von Objekten, insbesondere im näheren Umgebungsbe­ reich von Fahrzeugen.

Bekannte Scanner, bzw. damit arbeitende Vorrichtungen sind z. B. Ultraschall­ meßeinrichtungen, die zur Kollisionsvermeidung den Abstand zwischen einem Fahrzeug und einem Hindernis kontinuierlich vermessen und die Meßergebnisse in Steuersignale umsetzen. Insbesondere für den Werksverkehr gibt es weiterhin Fahrzeuge, die mit sogenannten Lasersensoren ausgerüstet sind. Die Lasersenso­ ren senden über einen vorgegebenen Winkelbereich einen kollimierten Strahl von Lichtimpulsen aus und empfangen die reflektierten Lichtimpulse. Aus Laufzeit und Winkel der reflektierten Impulse lassen sich Entfernung und Raumposition der jeweiligen Auftrefforte (im Verhältnis zum Scanner) errechnen und z. B. im Rahmen einer Objekterkennung oder zur Erzeugung von Steuerdaten zu einem Oberflächenprofil zusammensetzen. Weiterhin können z. B Kameras vorgesehen sein, die an eine Bildauswerteinrichtung gekoppelt sind etc.

Die erwähnten Scanner sind zum einen nur mit relativ hohem konstruktivem Ko­ stenaufwand zu verwirklichen. Ein weiterer Nachteil ist, daß sie zumindest zum Teil relativ groß bauen und deswegen nicht ohne weiteres z. B. an einem Kraft­ fahrzeug angeordnet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Scanner für Vorrichtungen zur optischen Er­ fassung von Objekten zu schaffen, der kostengünstig, konstruktiv einfach und mit geringer Baugröße zu verwirklichen ist. Eine weitere Aufgabe ist, eine entspre­ chende kostengünstige Vorrichtung zu schaffen.

Gelöst wird die Aufgabe mit einem Scanner, der die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist, sowie mit einer Vorrichtung nach Anspruch 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Scanner liefert grundsätzlich Daten, die nach dem in der Entfernungsmessung bekannten Triangulationsprinzip ausgewertet werden kön­ nen. Dazu weist der Scanner eine Strahlungsquelle auf, die einen im wesentlichen in einer Richtung auffächernden Strahl, insbesondere einen Lichtstrahl, erzeugt, der einen streifenförmigem Querschnitt aufweist. Im folgenden soll daher auch von Lichtstreifen gesprochen werden, womit die Abbildung gemeint ist, die sich ergibt, wenn der Lichtstrahl auf ein Hindernis etc. trifft. Weiterhin ist in dem Scanner ein Lichtempfänger vorgesehen, der in der Lage ist, die Blickwinkel zu Auftrefforten des Strahls zu bestimmen. Aus den Blickwinkeln kann in einfacher Weise die Distanz zu den der Auftrefforten bzw. deren Raumkoordinaten errech­ net und in weiterer Verarbeitung z. B. ein Oberflächenprofil etc. erstellt werden.

Als Lichtempfänger kann grundsätzlich jede Einrichtung eingesetzt werden, mit der die Blickwinkel zu beobachteten Auftrefforten des Strahls bzw. Abbildungs­ positionen von auf dem Lichtempfänger abgebildeten Lichtreflektionen bestimmt werden kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Lichtempfänger ein CCD-Chip ist, dessen Zeilen in besonders bevorzugter Ausgestaltung einzeln ausgelesen werden kön­ nen. Man erhält so einen Chip mit extrem hoher Auslesegeschwindigkeit, d. h. hoher Auflösung.

Ein geeigneter flächiger Lichtempfänger ist in der Lage, die Positionen (beispielhaft im folgenden als x/y-Koordinaten ausgedrückt) von auf ihm abge­ bildeten Lichtreflektionen zu bestimmen, wobei jeder Position ein bestimmter Blickwinkel zugeordnet ist. Die y-Koordinate bezeichnet dabei z. B. die (Höhen)- Position einer Lichtreflektion auf dem flächigen Empfänger in Bezug auf eine Achse parallel zu dem Lichtstreifen und die x-Koordinate die Position der Lichtreflektion bezogen auf eine Achse senkrecht dazu.

Wie weiter unten noch in Verbindung den Figuren näher erläutert, wird ein von der Lichtquelle auf einem Hindernis abgebildeter Lichtstreifen zu dem Lichtemp­ fänger reflektiert und dort abgebildet. Die jeweiligen (x)-Koordinaten der Abbil­ dung hängen von dem Blickwinkel des Lichtempfängers zu den zugeordneten Bereich des Hindernisses ab. Aus ihnen kann man in einfacher Weise den Blick­ winkel und dann mittels Triangulation die Entfernung zu den entsprechenden Hindernisbereichen bestimmen.

Im einfachsten Fall einer Reflektion an einem planen Hindernis wird der reflek­ tierte Lichtstreifen ebenfalls als streifenförmige Reflektion auf dem Lichtempfän­ ger abgebildet, wobei seine x-Koordinate dem Blickwinkel zu dem Auftreffort des Lichtstreifens auf dem Hindernis (also seinem Abstand zum Scanner) ent­ spricht. Weist das Hindernis über seine Höhe Bereiche mit unterschiedlichem Abstand zum Scanner auf, so ergibt sich eine Reflektion auf dem Lichtempfän­ ger, bei der die den Hindernisbereichen zugeordneten (Höhen) y-Koordinatenbereiche des abgebildeten Lichtstreifens bezüglich ihrer x-Koordinaten verschoben sind.

Aus dem jeweiligen Verlauf der Abbildung auf dem Lichtempfänger können in einer Auswerteeinheit über die jeweils zugeordneten Blickwinkel die 1 bereichsweise unterschiedlichen Abstände zu den Auftrefforte sowie ihre Posi­ tionen in der Fläche bestimmt und dann, falls gewünscht, ein Oberflächenprofil erstellt werden.

Hierauf wird später in Verbindung mit der Figurenerläuterung noch genauer ein­ gegangen.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß der Scanner im Betrieb dergestalt um eine Achse rotiert wird, daß der von der Lichtquelle erzeugte Lichtstreifen in ei­ nem definiertem Winkelbereich verschwenkt wird. Vorgesehen ist, daß der erfin­ dungsgemäße Scanner im Betrieb mit hoher Frequenz in wiederholten Meß­ durchläufen einen vorgegebenen Raumwinkelbereich mit seinem Lichtstrahl ab­ tastet.

Der Scanner kann z. B. diskontinuierlich nur in einem gewünschten Winkelbe­ reich mit jeweils abwechselnder Drehrichtung bewegt werden. Eine andere Mög­ lichkeit ist, ihn kontinuierlich zu rotieren und jeweils immer nur einen vorgege­ benen Winkelbereich auszuwerten. Eine kontinuierliche Drehbewegung hat ge­ genüber dem zunächst angesprochenen diskontinuierlichen Betrieb eine Reihe von Vorteilen. Wesentlicher Vorteil ist, daß man bei kontinuierlichem Betrieb auf besonders einfache Weise eine gleichmäßige Abtastgeschwindigkeit sicherstellen kann, während bei diskontinuierlichem Betrieb aufgrund der wechselnden Be­ schleunigungen Probleme auftreten können.

Der Scanner kann, zumindest rein theoretisch, um eine beliebige Achse gedreht werden. Die konkrete Verwirklichung hängt von den Bedingungen ab, also insbe­ sondere dem Ort, an dem der Scanner angeordnet werden soll, der Abtastrichtung und schließlich dem gewünschten abzudeckenden Raumwinkel. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß während der Drehung Lichtquelle und Lichtempfänger in konstantem Abstand und konstanter Ausrichtung zueinander verbleiben, d. h. mit anderen Worten, daß beide Einrichtungen um eine Achse und in gleichem Maße verdreht werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß aus den pro Meßdurchlauf gewonnenen Daten jeweils ein Oberflächenprofil der Umgebung in dem vorgegebenen Raumwinkel­ bereich erstellt wird, wobei die zeitlich abhängige Veränderung der jeweils in den Meßdurchläufen ermittelten Profile z. B. bei der Erzeugung von Steuersigna­ len bzw. der Objekterkennung zugrundegelegt werden kann.

Ein wesentlicher Anwendungszweck des beschriebenen Scanners ist der Einsatz bei der Vermessung der Umgebung von Fahrzeugen. Aufgrund seiner speziellen physikalischen Eigenschaften eignet er sich insbesondere für den Nahbereich. Im Hinblick auf seine geringe Baugröße kann der Scanner z. B. auf der Karosserie, z. B. im Türbereich etc. ohne Probleme vorgesehen werden.

Ein typischer Anwendungszweck könnte z. B. der Einsatz in einer Vorrichtung sein, die den seitlichen bzw. hinteren Umgebungsbereich eines Fahrzeugs auf Hindernisse überwacht. Denkbar wäre, den erfindungsgemäßen Scanner mit ei­ nem Blickwinkel von z. B. 180° in der Mitte der Seitenflanke eines Fahrzeugs so anzuordnen, daß in parallelen Fahrspuren befindliche Fahrzeuge erkannt werden können. Man könnte mit einem solchen Scanner insbesondere den sogenannten toten Winkel überwachen. In einer weiteren Anwendung könnte der Scanner bzw. eine damit arbeitende Vorrichtung auch als Rangier- bzw. Parkhilfe dienen um nur einige Beispiele zu nennen.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand mehrerer Abbildungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt grob schematisch eine seitliche Ansicht in einen solchen Scanner hinein.

Fig. 2 zeigt den Scanner aus Fig. 1 in Aufsicht.

Fig. 3 zeigt die Abbildung, die sich auf dem Lichtempfänger ergibt, wenn der von der Lichtquelle projizierte Strahl von einer planen Fläche reflektiert wird.

Fig. 4 zeigt ein mit Fig. 3 vergleichbares Bild mit dem einzigen Unterschied, daß die Reflektion des Lichtstreifens durch mehrere unterschiedlich beabstandete Flächen erfolgt.

In Fig. 1 erkennt man in Seitenansicht einen Scanner 10. Der Scanner 10 weist eine Lichtquelle 1 auf, die durch z. B. eine Zylinderlinse 12 abstrahlt und auf diese Weise einen aufgefächerten Strahl erzeugt, der im Querschnitt die Form eines Lichtstreifens 13 hat. Von einem nicht gezeigten Hindernis wird der Lichtstreifen 13 durch eine Linse 14 auf einen Lichtempfänger 15 reflektiert, der z. B. ein üblicher CCD-Chip ist. Die in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile sollen die Richtung angeben, in der das Licht gesendet bzw. reflektiert wird. Der Scanner 10 ist um eine Achse 16 drehbar gelagert. Wird er z. B. in Richtung des Pfeiles gedreht, so wird der Lichtstreifen 13 entsprechend verschwenkt und der Scanner kann dann, wie oben angesprochen, einen Raumwinkelbereich abtasten.

Fig. 2 zeigt den Aufbau aus Fig. 1 von oben gesehen mit dem einzigen Unter­ schied, daß hier zur Verdeutlichung des Triangulationsmeßprinzips die Reflekti­ on eines von der Sendeeinrichtung 11 erzeugten Lichtstreifens 13 an zwei in un­ terschiedlicher Höhe und mit unterschiedlichem Abstand zu dem Scanner 10 vor­ gesehenen Objekten 20a und 20b gezeigt ist. Die von den Objekten 20a und 20b jeweils reflektierten unterschiedlichen Höhenbereiche 13a und 13b des Lichtstrei­ fens 13 werden auf dem Lichtempfänger 15 in unterschiedlichen (x-Koordinaten) Positionen 13a' und 13b' abgebildet werden. Die Positionen 13a' und 13b' ent­ sprechen dem Blickwinkel, unter dem der Lichtempfänger 15 die Hindernisse 20a und 20b erkennt, wie in den Fig. 3 und 4 noch detaillierter dargestellt ist. Aus den Blickwinkeln kann in einfacher Weise mittels Triangulation der Abstand zu den Objekten 20a und 20b bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt den Lichtempfänger 15 in Aufsicht mit den angedeuteten Koordina­ tenachsen x und y. Dargestellt ist der Zustand, wenn der Lichtstreifen 13 von ei­ ner planen Fläche zu dem Lichtempfänger 15 reflektiert wird und dort entspre­ chend als Streifen 130 abgebildet wird.

In Fig. 4 erkennt man wiederum einen Lichtempfänger 15, auf den nun allerdings die Reflektion eines Lichtstreifens 13 abgebildet wird, der auf Hindernisse 200a und 200b trifft. Man erkennt, daß die von der Frontseite der Hindernisse 200a und 200b reflektierten Höhenbereiche 130a und 130b des Lichtstreifens 13 auf den in ihrer Höhe zugeordneten Bereichen 130a' und 130b' mit unterschiedlichen x-Koordinaten führen. Die (x)-Positionen der Abb. 130a' und 130b' ent­ sprechen dem Blickwinkel, unter dem der Lichtempfänger 15 die Frontseiten der Hindernisse 200a und 200b sieht. Aus den Blickwinkeln kann in einfacher Weise der Abstand zu den Objekten ermittelt werden. Man kann sich nun leicht vor­ stellen, daß bei erfindungsgemäßer Rotation des Scanners die Hindernisse 200a und 200b, aber auch geometrisch wesentlich kompliziertere Hindernisse ohne weiteres in ihrer gesamten Oberfläche in befriedigender Weise abgetastet und in bezug auf ihre Entfernung sowie auch zur Objekterkennung ausgewertet werden können.

Claims (5)

1. Scanner für eine Vorrichtung zur optischen Objekterfassung, wobei die Vorrichtung neben einem oder mehreren Scannern eine damit verbundene Auswerteeinheit aufweist, mit der vom Scanner gelieferte Daten verarbei­ tet werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner (10) eine Lichtquelle (11), die einen auffächernden Lichtstrahl in Form eines Lichtstreifens (13) erzeugt und einen in festem Abstand und fester Aus­ richtung zum Strahl angeordneten Lichtempfänger (15) aufweist, mit dem die Blickwinkel zu Auftrefforten des Strahls bestimmbar sind, wobei der Scanner (10) insgesamt drehbar ausgebildet ist, dergestalt, daß bei Dre­ hung der Lichtstreifen (13) über einen vorgegebenen Winkel verschwenkt wird.

2. Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er um eine Ach­ se im wesentlichen parallel zur Ebene des auffächernden Lichtstrahls drehbar gelagert ist.

3. Scanner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er im Be­ trieb rotiert wird.

4. Vorrichtung zur optischen Hinderniserfassung im Umgebungsbereich von Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen oder mehrere Scanner (10) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche aufweist, die insbesondere seitlich oder nach hinten blickend an dem Fahrzeug angeordnet sind, wobei der Scanner mit der Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung der ermittelten Blickwinkel ver­ bunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die von dem Scanner (10) in einem definierten Winkelbereich seiner Drehung ge­ lieferten Daten ausgewertet werden.