DE19815149A1 - Sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von optoelektronischen, nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitenden Distanzsensoren (1) zum Erfassen von Objekten (2) in einem Überwachungsbereich. Die Distanzsensoren (1) weisen jeweils einen Folgen von Sendelichtimpulsen aussendenden Sender (3) und einen Empfangslichtimpulse empfangenden Empfänger (4) auf. Die Distanzsensoren (1) sind über ein Leitungssystem miteinander verbunden, über welches die Sendeberechtigung der einzelnen Sender (3) durch einen der Distanzsensoren (1) vorgebbar ist, so daß jeder Sender (3) Sendelichtimpulse während der Sendepausen der anderen Sender (3) aussendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von optoelektronischen, nach dem Im­ pulslaufzeitverfahren arbeitenden Distanzsensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 195 23 843 C1 bekannt. Diese An­ ordnung besteht aus mehreren Flächen-Distanzsensoren zur Überwachung einer Arbeitsfläche. Dabei können mehrere Flächen-Distanzsensoren gleichzeitig aktiviert sein und Sendelichtimpulse in Richtung der Arbeitsfläche emittieren.

Bei einer derartigen Anordnung können Sendelichtimpulse eines Distanzsen­ sors auf den Empfänger eines zweiten Distanzsensors reflektiert werden, was gegebenenfalls zu Fehlsignalen in diesem Distanzsensor führt. Um eine derar­ tige gegenseitige Beeinflussung der Distanzsensoren in Grenzen zu halten, sind diese relativ zueinander so montiert, daß möglichst wenig Sendelicht des einen Distanzsensors zu den anderen gelangt. Durch Objekteingriffe entstehende Re­ flexionen können jedoch jederzeit zu ungewollten gegenseitigen Beeinflussun­ gen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung von Distanzsenso­ ren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine gegenseitige Beein­ flussung dieser Distanzsensoren weitestgehend ausgeschlossen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß sind die Distanzsensoren über ein Leitungssystem miteinan­ der verbunden, über welches die Sendeberechtigung der einzelnen Sender durch einen Distanzsensor vorgebbar ist, so daß jeder Sender Sendelichtimpul­ se während der Sendepausen der anderen Sender aussendet.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung bilden die Distanzsensoren im Leitungssystem ein Token-Ring-System.

Dort erfolgt eine Synchronisierung des Sendebetriebs der Sender derart, daß der Sender eines ersten Distanzsensors einen Sendelichtimpuls aussendet und den nachfolgend empfangenen Empfangsimpuls auswertet. Daraufhin, oder falls innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls kein Empfangslichtimpuls empfangen wird, nach Ablauf dieses Zeitintervalls, gibt der erste Distanzsensor die Sendeberechtigung an den nächsten Distanzsensor weiter. Dabei ist das genannte Zeitintervall kleiner als 1/n der Pause zwischen zwei Sendelichtim­ pulsen, wobei n die Anzahl der angeschlossenen Distanzsensoren ist. Nachdem der zweite Distanzsensor den Sendebetrieb abgeschlossen hat wird die Sende­ berechtigung an den dritten Distanzsensor weitergegeben. Dieses Verfahren wird solange fortgesetzt, bis wieder der erste Distanzsensor vom letzten Di­ stanzsensor die Sendeberechtigung erhält. Danach wiederholt sich die Weiter­ gabe der Sendeberechtigung periodisch.

Auf diese Weise ist eine gegenseitige Beeinflussung der Distanzsensoren mit großer Sicherheit ausgeschlossen.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Distanzsensoren an ein Bussystem angeschlossen, welches nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitet. Die Distanzsensoren bilden Busteilnehmer des Bussystems. Vorzugsweise bil­ det einer der Distanzsensoren den Master und die anderen Distanzsensoren die Slaves.

Über den Master wird der Sendebetrieb der Sender der einzelnen Distanzsenso­ ren so synchronisiert, daß jeder Sender Sendelichtimpulse nur während der Sendepausen der anderen Sender emittiert.

Auf diese Weise kann in jedem Distanzsensor auf eindeutige Weise erkannt werden, ob ein auf dem Empfänger auftreffender Sendelichtimpuls von dem eigenen Sender emittiert wurde oder nicht. Die nicht vom eigenen Sender emittierten Sendelichtimpulse werden bei der Auswertung im Distanzsensor nicht berücksichtigt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß nur vom Distanz­ sensor selbst emittierten Sendelichtimpulse ausgewertet werden. Eine gegen­ seitige Beeinflussung verschiedener Distanzsensoren ist daher ausgeschlossen.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung von Distanzsensoren,

Fig. 2 Impulsdiagramm des Sendebetriebs der Distanzsensoren gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung von Flächen-Distanzsensoren.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von optoelek­ tronischen Distanzsensoren 1 zum Erfassen von Objekten 2 in einem Überwa­ chungsbereich.

Die Distanzsensoren 1 sind jeweils in Abstand zueinander nebeneinanderlie­ gend angeordnet. Jeder Distanzsensor 1 weist einen Sendelichtimpulse emittie­ renden Sender 3 und einen Empfangslichtimpulse empfangenden Empfänger 4 auf. In Fig. 1 sind die Strahlachsen 5, 6 der Sende- und Empfangslichtimpulse schematisch dargestellt. Der Sender 3 und der Empfänger 4 sind jeweils an eine Auswerteeinheit 7 angeschlossen. Vorzugsweise sind die Distanzsensoren 1 identisch aufgebaut.

Die Entfernungsmessung erfolgt nach dem Impulslaufzeitverfahren. Hierzu ist der Sender 3 von einer Laserdiode gebildet, die im Pulsbetrieb betrieben ist.

Der Empfänger 4 ist beispielsweise von einer pin-Photodiode gebildet, die Auswerteeinheit 7 ist zweckmäßigerweise von einem Mikroprozessor gebildet.

Die von den Distanzsensoren 1 emittierten Sendelichtpulse verlaufen parallel zueinander und treffen bei freiem Strahlengang jeweils auf einen Reflektor 8. Die Reflektoren 8 begrenzen den Überwachungsbereich.

Die Sender 3 der Distanzsensoren 1 emittieren periodisch Folgen von Sende­ lichtimpulsen mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis. Dabei sind das Puls-Pausen-Verhältnis sowie die Längen der einzelnen Sendelichtimpulse zweckmäßigerweise identisch für sämtliche Distanzsensoren 1 innerhalb der Anordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist im Strahlengang des dritten Di­ stanzsensors 1 ein von einem Spiegel oder Retroreflektor gebildetes Objekt 2 angeordnet. Dabei ist das Objekt 2 so orientiert, daß die vom dritten Distanz­ sensor 1 emittierten Sendelichtimpulse zum Empfänger 4 des vierten Distanz­ sensors 1 reflektiert werden. Dies kann zu Fehlsignalen des vierten Distanzsen­ sors 1 führen.

Um eine derartige gegenseitige Beeinflussung der Distanzsensoren 1 innerhalb der Anordnung auszuschließen sind die Distanzsensoren 1 an ein Bussystem angeschlossen. Hierzu sind die Distanzsensoren 1 über eine gemeinsame Zulei­ tung 9 miteinander verbunden. Das Bussystem arbeitet nach dem Master-Slave-Prin­ zip. Die Distanzsensoren 1 sind Busteilnehmer, wobei vorzugsweise einer der Distanzsensoren 1 den Master bildet und die übrigen Distanzsensoren 1 die Slaves des Bussystems bilden.

Erfindungsgemäß wird der Sendebetrieb der Sender 3 der Distanzsensoren 1 durch den Master synchronisiert, so daß jeder Sender 3 Sendelichtimpulse nur während der Sendepausen der jeweils anderen Sender 3 aussendet.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Synchronisierung des Sendebetriebs vom Master, der von dem ersten Distanz­ sensor 1 gebildet ist an die Slaves zeitgleich ein Synchronisierungssignal SYNC gesendet. Gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig hierzu sendet der Master einen ersten Sendelichtimpuls S1 aus. Nach einer Periodendauer T, die typi­ scherweise im Bereich von 10-50 µsec liegt, sendet der Master den zweiten Sendelichtimpuls 52 aus, wobei wiederum zeitgleich zu diesem Zeitpunkt die Synchronisierungssignale SYNC an die Slaves gesendet werden.

Im Strahlengang des ersten Distanzsensors 1 ist kein Objekt 2 angeordnet, so daß der Sendelichtimpuls S1 vom Reflektor 8 zum Empfänger 4 zurückreflek­ tiert wird. Der dort registrierte Empfangslichtimpuls E1 ist entsprechend der Laufzeit des Sendelichtimpulses zum Reflektor 8 verzögert. Die Distanz des Reflektors 8 zum Distanzsensor 1 kann typischerweise bis zu 30 Metern betra­ gen. Dies entspricht einer Impulslaufzeit von maximal 200 nsec.

Bei bestimmten Applikationen, bei welchen die Distanzmessung gegen einen Reflektor 8 erfolgt, können die Distanzen bis zu 200 m betragen.

In den die Slaves bildenden Distanzsensoren 1 erfolgt die Emission der Sende­ lichtimpulse bezüglich des Synchronisierungssignals SYNC verzögert. Dabei sind die Verzögerungszeiten D2, D3, D4 für die einzelnen Distanzsensoren 1 jeweils unterschiedlich. Die Beträge der Verzögerungszeiten sind einstellbar. Zweckmäßigerweise sind sie über die Betriebs-Software der einzelnen Distanz­ sensoren 1 vorgebbar. Alternativ können die Verzögerungszeiten über Schalter an dem jeweiligen Distanzsensor 1 eingestellt werden.

Der einen Slave bildende zweite Distanzsensor 1 sendet periodisch Sendelicht­ impulse aus, die jeweils um D2 bezüglich der Sendelichtimpulse des Masters verzögert sind. Die Verzögerungszeit D2 ist erheblich größer als die gemessene Laufzeit der Sendelichtimpulse, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel ma­ ximal in der Größenordnung der zeitlichen Differenz zwischen S1 und E1 liegt.

Der ebenfalls einen Slave bildende dritte Distanzsensor 1 sendet periodisch Sendelichtimpulse aus, die jeweils um D3 bezüglich der Sendelichtimpulse des Masters verzögert sind. Sowohl der Absolutbetrag von D3 als auch die Diffe­ renz D3-D2 sind jeweils erheblich größer als die maximal gemessene Licht­ laufzeit der Sendelichtimpulse.

Dasselbe gilt für die Verzögerungszeit D4 des vierten Distanzsensors 1. Gleichzeitig sind die Verzögerungszeiten D2, D3, D4 erheblich kleiner als die Periodendauer T.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt T = 10 µsec. Die Verzögerungs­ zeiten beträgen in diesem Fall D2 = 1 µsec, D3 = 2 µsec und D4 = 3 µsec.

Durch diese Wahl der Verzögerungszeiten D2, D3, D4 kann eine gegenseitige Beeinflussung der Distanzsensoren 1 effizient vermieden werden. Jeder Sender 3 emittiert jeweils Sendelichtimpulse innerhalb der Sendepausen der anderen Sender 3. Nur innerhalb dieser Sendepausen auf den dem Sender 3 zugeordne­ ten Empfänger 4 auftreffende Empfangslichtimpulse werden bei der Laufzeit­ messung berücksichtigt.

Die Funktionsweise wird anhand der in Fig. 1 dargestellten Objektreflexion deutlich. Das als Spiegel oder Retroreflektor ausgebildete Objekt 2 ist im Strahlengang des dritten Distanzsensors 1 so angeordnet, daß die vom Sender 3 des dritten Distanzsensors 1 emittierten Sendelichtimpulse auf den Empfänger 4 des vierten Distanzsensors 1 reflektiert werden. Demzufolge wird dort zum Zeitpunkt t' ein Empfangssignal E' registriert. Der Sender 3 des vierten Di­ stanzsensors 1 ist zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht aktiviert, da die Ver­ zögerungszeit D4 noch nicht abgelaufen ist. Dementsprechend wird der Emp­ fangslichtimpuls E' in der Auswerteeinheit 7 verworfen und nicht zur Auswer­ tung herangezogen.

Nach Ablauf der Verzögerungszeit D4 sendet der Sender 3 des vierten Distanz­ sensors 1 den Sendelichtimpuls S1. Diese Emission erfolgt in den Sendepausen der anderen Sender 3. Der innerhalb dieser Sendepausen registrierte Emp­ fangslichtimpuls El wird in der Auswerteeinheit 7 zur Berechnung der Impuls­ laufzeit herangezogen.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei welchem die Distanzsensoren 1 von Flächen-Distanzsensoren 10 gebildet sind. Insgesamt sind drei Flächen-Distanzsensoren 10 in Abstand zueinander an der Frontseite 11 einer Maschine oder eines Fahrzeugs zur Vorfeldüberwachung angeordnet.

Jeder Flächen-Distanzsensor 10 weist zusätzlich zu dem Sender 3, dem Emp­ fänger 4 und der Auswerteeinheit 7 eine nicht dargestellte rotierende Ablenk­ einheit auf, über welche die Sendelichtimpulse abgelenkt werden, so daß sie einen Winkelbereich von 180° überstreichen. Auf diese Weise wird von jedem Flächen-Distanzsensor 10 ein halbkreisförmiges Schutzfeld 12 abgetastet. Die einzelnen Schutzfelder 12 ergänzen sich zu dem Überwachungsbereich.

Die Ablenkeinheit weist einen rotierenden Drehspiegel auf, über welchen die Sende- und Empfangslichtimpulse geführt sind. Die Ablenkeinheit wird mittels eines Motors angetrieben. Zur Erfassung der aktuellen Winkelposition der Ab­ lenkeinheit ist ein Inkrementalgeber vorgesehen.

Die Synchronisierung des Sendebetriebs der Sender 3 der einzelnen Flächen-Dis­ tanzsensoren 10 erfolgt auf die gleiche Weise wie bei dem Ausführungsbei­ spiel gemäß den Fig. 1 und 2.

Zusätzlich sind die Drehbewegungen der Ablenkeinheiten über den Master synchronisiert. Hierzu werden die Drehzahlen und die aktuellen Winkelposi­ tionen der einzelnen Ablenkeinheiten jeweils auf denselben Wert geregelt. Da­ durch wird erreicht, daß die Strahlachsen 5 der von den Sendern 3 der Flächen-Di­ stanzsensoren 10 emittierten Sendelichtimpulse während der gesamten Ab­ tastbewegung parallel zueinander verlaufen. Dadurch wird vermieden, daß sich die Strahlachsen 6 der Sendelichtimpulse der einzelnen Flächen-Distanz­ sensoren 10 kreuzen, wodurch alleine bereits die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung reduziert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Syn­ chronisierung des Sendebetriebs der Flächen-Distanzsensoren 10 weitgehend auf optischem Weg.

Zur optischen Synchronisierung werden über einen vorgegebenen Zeitraum in jedem Distanzsensor 1 fortlaufend die auf den Empfänger 4 auftreffenden Empfangslichtimpulse registriert, unabhängig davon ob diese vom Sender 3 dieses Distanzsensors 1 oder eines anderen Distanzsensors 1 stammen.

In der Auswerteeinheit 7 wird die Folge der Empfangslichtimpulse darauf ab­ geprüft, ob diese Pausen aufweist. Die optische Synchronisierung erfolgt dann derart, daß der Sender 3 Sendelichtimpulse jeweils innerhalb der auftretenden Pausen aussendet. Falls Sender 3 verschiedener Distanzsensoren 1 auf dieselbe Pause optisch synchronisiert werden, wird der so entstehende Zugriffskonflikt über den Master aufgelöst. Hierzu senden die einzelnen Distanzsensoren 1 die über die optische Synchronisierung ermittelten Sendezeitpunkte ihrer Sender 3 an den Master. Eine eventuell auftretende Überschneidung der Sendezeitpunkte wird dort festgestellt. Daraufhin werden die Sendezeitpunkte dieser Distanz­ sensoren 1 über den Master um einen vorgegebenen Betrag gegeneinander ver­ schoben.

Anstelle eines Master-Slave Bussystems kann alternativ auch ein Token-Ring-Sys­ tem vorgesehen sein. Die Distanzsensoren 1 im Token-Ring-System erhal­ ten nacheinander die Sendeberechtigung vom jeweils zuvor sendenden Dis­ tanzsensor 1. Ein Distanzsensor 1 gibt die Sendeberechtigung dann an den nächsten Distanzsensor 1 weiter, wenn er die Distanzmessung abgeschlossen hat, d. h. wenn er nach Aussenden eines Sendelichtimpulses einen Empfangs­ lichtimpuls empfangen hat. Empfängt er innerhalb eines vorgegebenen Zeitin­ tervalls keinen Empfangslichtimpuls, so gibt er dennoch die Sendeberechtigung weiter. Dieses Zeitintervall ist so klein gegenüber der Pause zwischen zwei Sendelichtimpulsen, daß in jedem Fall gewährleistet ist, daß innerhalb der Pau­ se zwischen zwei Sendelichtimpulsen eines Distanzsensors 1 die anderen Dis­ tanzsensoren 1 jeweils einmal die Sendeberechtigung erhalten.

Claims (17)

1. Anordnung von optoelektronischen, nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitenden Distanzsensoren zum Erfassen von Objekten in einem Über­ wachungsbereich, wobei die Distanzsensoren jeweils einen Folgen von Sendelichtimpulsen aussendenden Sender und einen Empfangslichtim­ pulse empfangenden Empfänger aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzsensoren (1) über ein Leitungssystem miteinander verbunden sind, über welches die Sendeberechtigung der einzelnen Sender (3) durch einen der Distanzsensoren (1) vorgebbar ist, so daß jeder Sender (3) Sen­ delichtimpulse während der Sendepausen der anderen Sender (3) aussen­ det.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz­ sensoren (1) im Leitungssystem ein Token-Ring-System bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz­ sensoren (1) Busteilnehmer eines nach dem Master Slave Prinzip arbei­ tenden Bussystems bilden, wobei der Sendebetrieb durch den Master synchronisiert ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Empfänger (4) eines Distanzsensors (1) auftreffender Empfangslichtimpuls nur dann zur Berechnung der Laufzeit herangezo­ gen wird, wenn dieser innerhalb der Sendepausen der Sender (3) der an­ deren Distanzsensoren (1) registriert wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Distanzsensoren (1) den Master und die restlichen Distanz­ sensoren (1) die Slaves bilden.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Busteilnehmer über eine das Leitungssystem bildende gemeinsa­ me Zuleitung (9) verbunden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vom Master zyklisch an die Slaves zeitgleich jeweils ein Synchronisierungssignal übertragen wird, und daß die Sender (3) der die Slaves bildenden Di­ stanzsensoren (1) mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten D2, D3, D4 bezüglich des Synchronisierungssignals jeweils einen Sendelichtimpuls emittieren.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzöge­ rungszeiten D2, D3, D4 sowie deren Differenzen jeweils erheblich größer als die gemessenen Laufzeiten der Sendelichtimpulse und gleichzeitig er­ heblich kleiner als die Periodendauer T der Folge der Sendelichtimpulse sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiten D2, D3, D4 der einzelnen Distanzsensoren (1) einstellbar sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzöge­ rungszeiten D2, D3, D4 über die Betriebs-Software des jeweiligen Di­ stanzsensors (1) oder einen Schalter am Distanzsensor (1) vorgebbar sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzsensoren (1) als Flächen-Distanzsensoren (10) ausgebildet sind, wobei die vom Sender (3) emittierten Sendelichtimpulse jeweils über eine rotierende Ablenkeinheit abgelenkt und innerhalb eines vorge­ gebenen Winkelbereichs geführt sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfas­ sung der aktuellen Winkelposition der Ablenkeinheit ein Inkrementalge­ ber vorgesehen ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ablenkeinheiten jeweils über einen Motor angetrieben sind, und daß deren Drehbewegungen über den Master synchronisiert sind.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Syn­ chronisierung der Ablenkeinheiten die Drehzahlen und aktuellen Winkel­ positionen der Ablenkeinheiten jeweils auf denselben Wert geregelt sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 3-14, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Synchronisierung des Sendebetriebs in jedem Distanz­ sensor (1) über einen vorgegebenen Zeitraum die auf den Empfänger (4) auftreffenden Empfangslichtimpulse registriert werden, und daß im An­ schluß daran in den Pausen, in welchen keine Empfangsimpulse regi­ striert werden, die Emission der Sendelichtimpulse erfolgt.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende­ zeitpunkte von auf denselben Zeitpunkt optisch synchronisierten Sendern (3) über den Master zeitlich gegeneinander versetzt werden.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die optische Synchronisation ermittelten Sendezeitpunkte der Sender (3) über die Zuleitung (9) an den Master übertragen werden.