DE19757848C2 - Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung, die insbesondere zur Erkennung von Objekten innerhalb eines Überwachungssektors vor Fahrzeugen eingesetzt werden kann, ist aus der DE 195 30 281 A1 bekannt geworden. Die bekannte Vorrichtung weist einen Scanner auf mit einer Sendeeinrichtung, die einen eng fokussierten Strahl von Lichtimpulsen erzeugt. Der Strahl wird von dem Scanner umlaufend bewegt und im Umlaufbereich des Strahles sind mehrere Planspiegel so angeordnet, daß sie während eines Umlaufes den Strahl nacheinander in mehreren Schwenkebe­ nen in den Überwachungssektor reflektieren. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Lichtempfänger, der aus dem Überwachungssektor reflektierte Lichtimpulse empfängt und eine Auswerteeinrichtung, die aus Winkel und Lauf­ zeit der Impulse das Profil von Objekten in den Schwenkbereichen bestimmt.

Die gattungsgemäße Vorrichtung vermißt während eines Strahlumlaufes den Über­ wachungssektor in mehreren, auf den Sensor zugeneigten Ebenen mit paralleler Abtastrichtung. Mit Abtastrichtung wird die Richtung bezeichnet, mit der ein Strahl ein Hindernis überstreicht. Der Scanner ist so aufgebaut und ausgerichtet, daß er über einen Teil des Umlaufbereichs den Strahl direkt in den Überwa­ chungssektor abstrahlt. Im verbleibenden Teil des Umlaufbereichs wird der Strahl zunächst zu Spiegeln gestrahlt, die ihrerseits dann den Strahl über weitere Spiegel in den Überwachungssektor reflektieren. Durch entsprechende Neigung und An­ ordnung der Spiegel läßt sich der reflektierte Strahl in Ebenen oberhalb und/oder unterhalb der durch direkte Abstrahlung abgetasteten Ebene verschwenken. Man kann so auf einfache Weise mit einem Scanner, der einen umlaufenden Strahl erzeugt, eine Überwachungssektor in mehreren Höhenbereichen vermessen.

Nachteilig an der bekannten Konstruktion ist allerdings, daß eine Vermessung der Umgebung nur in Schwenkebenen mit paraleller (horizontaler) Abtastrichtung erfolgt, was insbesondere bei Objekten mit im wesentlichen vertikaler oder ande­ rer Erstreckung nicht immer eine optimale Auswertung ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion eine genauere Abtastung und damit Auswertung von Objekten im Überwachungssektor ermöglicht.

Gelöst wird die Aufgabe mittels einer Vorrichtung, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die im Umlaufbereich des Strahls vorgese­ henen Planspiegel so angeordnet und ausgerichtet sind, daß sie den in den Über­ wachungssektor reflektierten Strahl in mehreren Ebenen mit nicht parallelen Ab­ tastrichtungen verschwenken.

Im üblichen Anwendungsfall werden die Spiegel so ausgerichtet, daß sie den Strahl im Überwachungssektor in mindestens einer Ebene mit horizontaler und einer Ebene mit vertikaler Abtastrichtung verschwenken. Insbesondere dann, wenn der Strahl in mehreren durch entsprechende Spiegelung z. B. gleichmäßig über den Überwachungssektor verteilten Ebenen mit horizontaler und vertikaler Abtastrichtung verschwenkt wird, ist sichergestellt, daß ein Hindernis auf jeden Fall erfaßt und gegebenfalls in seiner horizontalen und vertikalen Erstreckung unter Berücksichtigung der jeweiligen Entfernungsdaten vermessen und z. B. im Rahmen einer automatisierten Objekterkennung ausgewertet werden kann.

Der Scanner kann mit optischen Impulsen aller Art, vorzugsweise mit Lichtim­ pulsen eines Lasers arbeiten.

Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten denkbar, den Scanner in der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zu verwirklichen.

Bei der einen Möglichkeit ist der Scanner so ausgerichtet, daß seine Sendeein­ richtung über einen bestimmten Abschnitt des Strahlumlaufs direkt in den Über­ wachungssektor abstrahlt, während der über den verbleibenden Umlaufbereich gesendete Strahl mittels Spiegeln in den Sektor reflektiert wird. In diesem Fall wird die Schwenkebene des direkt abgesendeten Strahls durch die Drehebene des Scanners definiert, während die reflektierten Strahlen bezüglich ihrer Abta­ strichtung durch entsprechende Spiegelstellung beliebig eingestellt werden kön­ nen. Denkbar ist z. B., daß, wie auch in Fig. 1 später genauer erläutert, den Strahl im verbleibenden Umlaufbereich zunächst über einen seitlich (bezogen auf den Überwachungssektor) angeordneten und nach außen geneigten Planspiegel zu führen und von diesem über einen weiteren Planspiegel in den Überwa­ chungssektor zu reflektieren, wobei im Ergebnis die Umlaufbewegung des Strahles in dem betreffenden Winkelabschnitt in eine z. B. vertikale Verschwen­ kung des Strahles im Überwachungssektor umgesetzt wird. In einem hinteren (bezogen wiederum auf den Überwachungssektor) Abschnitt des Umlaufberei­ ches können dann weitere Spiegel vorgesehen sein, die den Strahl über den Scan­ ner hinweg, wie auch im Stand der Technik, z. B. mit horizontaler Abtastrichtung in dem Überwachungssektor verschwenken etc. Die beschriebene Konstruktion ist nur ein Beispiel. Selbstverständlich können noch weitere Spiegel vorgesehen werden, die den Strahl in gewünschter Weise in den Überwachungssektor lenken.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Scanner so anzuordnen und auszu­ richten, daß die Abstrahlung in den Überwachungssektor insgesamt über Reflek­ tion an Spiegeln (also keine direkte Abstrahlung) erfolgt. Bei dieser Konstruktion muß man zwar gegenüber der ersten Möglichkeit einen größeren Umlaufbereich des Scanners mit reflektierenden Spiegeln ausstatten. Vorteilhaft ist jedoch, daß zumindest in einer bevorzugten Ausgestaltung (wie in Fig. 2 dargestellt) der um­ laufende Strahl mittels einfacher Reflektion in den Überwachungssektor gelenkt werden kann, was gegenüber der oben erwähnten ersten Möglichkeit, bei der eine doppelte Reflektion erforderlich ist, eine konstruktive Vereinfachung bedeutet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Sendeeinrichtung des Scan­ ners. Bei herkömmlichen Scannern wird der umlaufende Strahl mittels einer sta­ tionären Sendeeinrichtung erzeugt, in deren Abstrahlweg ein rotierendes Prisma bzw. ein rotierender Spiegel angeordnet ist, der den Strahl in gewünschter Weise verschwenkt bzw. umlaufend bewegt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Sendeeinrichtung nicht stationär aus­ zubilden, sondern insgesamt zu rotieren und so den umlaufenden Strahl zu erzeu­ gen. Vorteilhaft hieran ist, daß sich eine besonders einfache Konstruktion mit geringer Baugröße ergibt. Ein weiterer Vorteil in diesem Zusammenhang ist, daß sich in einem solchen Scanner ohne weiteres mehrere z. B. in einer Reihe ange­ ordnete Sendeeinrichtungen vorsehen lassen, die z. B. gleichzeitig rotiert werden und mehrere untereinander angeordnete umlaufende Strahlen erzeugen, die dann ihrerseits jeweils in einer entsprechend erhöhten Anzahl von Schwenkebenen in den Überwachungssektor reflektiert werden und demenstprechend einen größeren Raumwinkel des Sektors abdecken können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit unterschiedlichen Zielsetzungen eingesetzt werden. Wesentlicher Anwendungszweck ist der Einsatz als in Fahrt­ richtung oder auch seitlich schauender Sensor an einem Fahrzeug. Aufgrund sei­ ner speziellen Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung her­ vorragend als z. B. Fernsensor zur Erfassung von Umgebungsdaten in Verbindung mit z. B. der automatischen oder halbautomatischen Steuerung eines Fahrzeuges. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer entsprechend nachgeschalte­ ten Auswerteinrichtung lassen sich z. B. Seitenreflektoren, Straßenverzweigun­ gen, vorausfahrende Fahrzeuge und plötzlich auf der Fahrbahn auftretende Hin­ dernisse (um nur einige Beispiele zu nennen) erkennen und bei geeigneter Aus­ wertung in Steuerdaten für das Fahrzeug umsetzen.

Ein weiterer Anwendungszweck ist die automatische Scheinwerferkontrolle. Für eine optimale Ausleuchtung der Straße sowie zur Vermeidung von Blendung des Gegenverkehrs ist es erforderlich, daß die Scheinwerfer in bezug auf die Straße eine definierte Abstrahleinrichtung einnehmen. Die Beibehaltung dieser Ab­ strahleinrichtung ist aus unterschiedlichen Gründen nicht immer gewährleistet. Ist das Auto z. B. im hinteren Bereich beladen, so strahlen die Scheinwerfer mit an­ derer Richtung ab als beim unbelasteten Fahrzeug. Unabhängig vom Fahrzeug ergeben sich z. B. bei Straßen mit wechselndem Gefälle und Steigungen Aus­ leuchtungsprobleme. In diesem Zusammenhang kann die erfindungsgemäße Vor­ richtung zur Regelung der Einstellung der optischen Achse des Scheinwerfers relativ zum Fahrzeug und zur Fahrbahnoberfläche eingesetzt werden. Denkbar wäre z. B. mittels dem erfindungsgemäßen Scanner in einer bestimmten Entfer­ nung mittels vertikaler Abtastung jeweils die (Höhen)-Position der Straßenober­ fläche in bezug auf das Scheinwerferlicht zu vermessen und den Scheinwerfer, falls erforderlich, entsprechend nachzuführen.

Aufgrund ihrer kleinen Bauweise läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung problemlos in einem Fahrzeuges installieren. Bevorzugt ist vorgesehen, daß sie z. B. im Scheinwerfer zusammen mit den Lampen etc. angeordnet wird.

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

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Scanners, bei dem direkt in einen Überwachungssektor abgestrahlt wird.

Fig. 2a, b zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Scanners, bei dem der Strahl insgesamt über Spiegel in den Über­ wachungssektor gelenkt wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Scanner mit mehre­ ren in einer Reihe angeordneten Sendeeinrichtungen eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt einen Scanner 10 mit einem drehbar um eine Achse 11 gelagerten Hauptkörper 12. In dem Hauptkörper 12 ist eine Sendeeinrichtung 13 für einen eng fokussierten Strahl 130 von Lichtimpulsen vorgesehen, der bei Drehung des Hauptkörpers 12 umlaufend bewegt wird. In unmittelbarer Nachbarschaft zu der Sendeeinrichtung ist ein Lichtempfänger 14 angeordnet. Der Hauptkörper 12 ist über einen Teil des Umlaufbereichs des Strahls 130 von Spiegeln 15, 16 und 17 umgeben, die ihrerseits in zugeordnete Spiegel 15', 16' und 17' abbilden.

Dargestellt ist weiterhin eine Schnittebene 18 durch einen Überwachungssektor, zu dem der Scanner 10 mit seinem Blickwinkel ausgerichtet ist.

Im Betrieb wird der Hauptkörper 12 um die Drehachse 11 z. B. in Richtung des eingezeichneten Pfeiles rotiert, wobei die Sendeeinrichtung 13 kontinuierlich ei­ nen eng fokussierten Strahl von Lichtimpulsen sendet. Über einen definierten Winkelabschnitt des Umlaufbereiches strahlt die Sendeeinrichtung 13 dabei di­ rekt in den durch die Schnittebene 18 angedeuteten Überwachungssektor ab und erzeugt hierin einen in einer Ebene verschwenkten Strahl, dessen Schnittbereich mit der Ebene 18 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist. Wird der Hauptkör­ per 12 weiter rotiert, so wird der Strahl 130 zunächst über den Spiegel 15 geführt (grob schematisch wiedergegeben durch die gestrichelte Linie 20'), von diesem auf den Spiegel 15' reflektiert (wiedergegeben durch die Linie 20") und von die­ sem schließlich als vertikal verschwenkter Strahl, kenntlich gemacht als Schnitt­ bereich 20, in den Überwachungssektor gelenkt. Bei weiterer Drehung wird der Strahl 130 über den Spiegel 16 geführt, von diesem auf den Spiegel 16' reflektiert (der Strahlverlauf ist wiederum durch gestrichelte Linien angedeutet) und als waagerecht verschwenkter Strahl (siehe Schnittbereich 21) in den Überwa­ chungssektor gelenkt.

Ein weiterer vertikal verschwenkter Strahl 22 wird schließlich mittels der Spiegel 17 und 17' vergleichsweise zu dem Vorgang bei den Spiegeln 15 und 15' erzeugt.

Man erhält also mittels des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus die Möglichkeit, einen Überwachungssektor an vier verschiedenen Orten in unterschiedlichen Richtun­ gen zu vermessen.

Wie bei herkömmlichen Lasersensoren, so wird auch hier die Laufzeit der von der Sendeeinrichtung 13 ausgesendeten Lichtimpulse bis zu ihrem Wiedereintref­ fen bei dem Lichtempfänger 14 gemessen und aus Winkel und Laufzeit des Im­ pulses die entsprechende Raumkoordinate des Reflektionspunktes auf dem ver­ messenen Objekt errechnet.

Aus den einzelnen, von den verschwenkten Strahlen abgetasteten Reflektions­ punkten können dann die diesen Bereichen entsprechenden Oberflächenprofile von Objekten ermittelt werden und in Daten zur Objekterkennung bzw. Fahr­ zeugsteuerung etc. umgesetzt werden.

Fig. 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Scanners 30. Hier ist wie­ derum ein Hauptkörper 31 vorgesehen, der um eine Achse 32 z. B. in Richtung des eingezeichneten Pfeiles rotiert wird. Der Hauptkörper trägt eine Sendeein­ richtung 33, die auf den Hauptkörper 31 umgebende Spiegel 34, 35, 36 und 37 abstrahlt. Mittels der Spiegel 34 bis 37 wird der von der Sendeeinrichtung 33 er­ zeugte Strahl in Richtung der Pfeile 38 in einen nicht dargestellten Überwa­ chungssektor reflektiert und erzeugt dort im hier gezeigten Beispiel vier in unter­ schiedlichen Ebenen verschwenkte Strahlen, deren Ausrichtung in Fig. 2b mit den Bezugszeichen 34' bis 37' angegeben ist. Der Vorteil dieser Ausführung ge­ genüber der aus Fig. 1 ist, daß hier zur Reflektion der Strahlen in den Überwa­ chungssektor weniger Spiegel erforderlich sind. Der Aufbau ist also insgesamt einfacher.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung 40 des erfindungsgemäßen Scanners. Wie in der Ausführung nach Fig. 1, so weist auch der Scanner 40 einen Hauptkörper 41 auf, der um eine Achse 42 drehbar gelagert ist. Im Unterschied zu Fig. 1 sind in dem Hauptkörper mehrere untereinander in einer Reihe angeordnete Sendeein­ richtungen 43a bis 43d aufgenommen. Bei Drehung des Hauptkörpers 41 werden die Sendeeinrichtungen 43a bis 43d gemeinsam rotiert. Der Hauptkörper 41 weist weiterhin ein den Sendeeinrichtungen 43a bis 43d zugeordneten Lichtempfänger 44 auf.

Dargestellt sind weiterhin den Hauptkörper 41 bereichsweise umgebende Spiegel 45, 46 und 47, denen jeweils Spiegel 450, 460 und 470 zugeordnet sind.

Wie nachfolgend noch genauer erläutert werden soll, ermöglichen es die Spiegel 45, 46, 47, 450, 460 und 470, daß bei kontinuierlicher Drehung des Hauptkörpers 41 die Strahlen seiner Sendeeinrichtungen 43a bis 43d während des gesamten Umlaufes in einen definierten Überwachungssektor gelenkt werden können. Zur Veranschaulichung ist eine Schnittebene 48 durch den Überwachungssektor dar­ gestellt, in dem eine optische Ausweitung mittels des Scanners 40 erwünscht ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau kann der Scanner 40 mit seinen Sendeein­ richtungen 43a bis 43d über einen begrenzten Umlaufwinkelbereich (z. B. auch in der dargestellten Drehstellung) direkt in den durch die Schnittebene 48 angedeu­ teten Überwachungssektor abstrahlen. Für Umlaufwinkelbereiche, in denen die Sendeeinrichtungen 43a bis 43d nicht direkt in den Überwachungssektor abstrahlen können, sind die Spiegel 45 bis 47 vorgesehen, die (dargestellt am Bei­ spiel des Spiegels 45) die von dem Scanner erzeugten Strahlen (dargestellt durch die gestrichelten Linien 430a bis 430d) auf den Spiegel 450 reflektieren, der sei­ nerseits die Strahlen in den Überwachungssektor lenkt. Aufgrund der Drehbewe­ gung des Hauptkörpers 41 werden bei dieser Form der Reflektion die Strahlen in einer senkrechten Ebene im Überwachungssektor verschwenkt dargestellt durch die Schnittflächen 430a' bis 430d'. Prinzipiell das Gleiche passiert bei weiterer Rotation des Hauptkörpers 41, wenn die von der Sendeeinrichtung 43a bis 43d erzeugten Strahlen auf den Spiegel 46 treffen. Allerdings werden die dann in den Überwachungssektor reflektierten Strahlen nicht senkrecht, sondern in horizon­ talen Ebenen verschwenkt. Mittels der Spiegel 47 und 470 lassen sich dann wie­ derum vertikale Verschwenkungen erzeugen. Mit dem dargestellten Aufbau er­ hält man also einen Scanner, der in einem Umlauf einen gewünschten Überwa­ chungssektor direkt und indirekt in mehreren unterschiedlichen Ebenen abtastet. Selbstverständlich können durch entsprechende Stellung der Spiegel auch nicht horizontale bzw. nicht vertikale Schwenkebenen erreicht werden. Der in Fig. 3 gezeigte Aufbau erlaubt also mit geringem technischen Einsatz eine einfache und flächendeckende Abtastung eines Überwachungssektors. Es versteht sich, daß die Abtastdichte mit Anzahl der Sendeeinrichtungen noch gesteigert werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Objekten, insbesondere vor Fahrzeugen innerhalb eines Überwachungssektors, mit einem Scanner, der eine Sendeeinrichtung aufweist, die einen kollimierten Strahl von Impul­ sen elektromagnetischer Strahlung erzeugt, und ein Strahlungsempfän­ ger, der aus dem Überwachungssektor reflektierte Impulse empfängt, wo­ bei der Scanner den Strahl umlaufend um eine Drehachse bewegt und im Umlaufbereich des Strahles mehrere Planspiegel so angeordnet sind, daß sie während eines Umlaufes den Strahl nacheinander in mehreren Schwenkebenen in den Überwachungssektor reflektieren, und mit weiter­ hin einer Auswerteinheit, die aus Winkel und Laufzeit der Impulse relative Raumkoordinaten an Objekten in den Schwenkbereichen bestimmt, da­ durch gekennzeichnet, daß die Planspiegel (15, 15', 16, 16', 17, 17'; 34, 35, 36, 37; 43, 43', 44, 44') jeweils zu dem umlaufenden Strahl (33') so ausgerichtet sind, daß sie den Strahl in mehreren Schwenkebenen mit nicht paralleler Abtastrichtung reflektieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Fahr­ zeugsensor zur automatischen Steuerdatenerzeugung und/oder Objekter­ kennung eingesetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende­ einrichtung (13, 33, 43a bis 43d) des Scanners um eine Drehachse (22) ro­ tierbar gelagert ist und ein Drehantrieb vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner mehrere beabstandete Sendeeinrichtungen (43a bis 43d) aufweist, die syn­ chron um eine Drehachse (42) rotierbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende­ einrichtungen (43a bis 43d) des Scanners parallel zur Drehachse (42) in einer Reihe untereinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sendeeinrichtungen (43a bis 43d) des Scanners erzeugten Strahlen im we­ sentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen.

7. Vorrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Scanners so angeordnet ist, daß die von der Sendeein­ richtung (33) erzeugten Strahlen mittels einfacher Reflektion in den Über­ wachungssektor lenkbar sind.