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Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Sensoren sind generell als scannende Systeme ausgebildet, mittels derer Objekte in einem flächigen Überwachungsbereich geführt werden. Insbesondere können diese Sensoren als Flächendistanzsensoren ausgebildet sein, das heißt als distanzmessende scannende Systeme. Damit ist es möglich die Positionen von Objekten im Überwachungsbereich zu bestimmen.
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Diese Sensoren können für Schutzfeldüberwachungen eingesetzt werden. In diesem Fall generieren die Sensoren als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal, das angibt, ob sich ein Objekt im Schutzfeld befindet oder nicht. Typische Anwendungsbereiche derartiger Sensoren sind Gefahrenbereichsüberwachungen.
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Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Einsatz derartiger Sensoren für Navigationsaufgaben. In diesem Fall werden mit dem Sensor Positionen von Gegenständen erfasst, wobei anhand der ermittelten Positionswerte eine Navigation eines Fahrzeugs oder dergleichen durchgeführt werden kann.
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Diese Sensoren umfassen generell einen Distanzsensor mit einem Sendestrahlen emittierenden Sender und einem Empfangsstrahlen empfangenden Empfänger. Weiterhin ist eine Ablenkeinheit vorgesehen, mittels derer die Sendestrahlen periodisch in einem Abtastbereich abgelenkt werden. Typischerweise führt die Ablenkeinheit eine Drehbewegung aus, durch welche die Sendestrahlen in einem in einer Ebene liegenden Abtastbereich geführt sind. Zur Positionisbestimmung von Objekten im Abtastbereich werden die aktuell mit dem Distanzsensor ermittelten Entfernungswerte sowie die aktuellen Ablenkpositionen der Sendestrahlen verwendet, die insbesondere mittels eines Winkelgebers bestimmt werden.
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Daraus resultierend werden die ermittelten Sensor-Messwerte in Polarkoordinaten ausgegeben. Diese Messwertausgabe ist besonders einfach und bedienerfreundlich, da nur mit einem Entfernungswert und einem zugehörigen Winkelwert des Winkelgebers die Position eines Objekts im Abtastbereich definiert ist.
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Derartige Messwerte können jedoch aufgrund systematischer geometrischer Fehler fehlerbehaftet sein. Ein Beispiel hierfür ist eine Ablenkeinheit in Form eines mehrere ebene Spiegelflächen aufweisenden Polygonspiegelrads, das auf einer mittels eines Antriebs in eine Drehbewegung versetzten Welle aufsitzt. Der Winkelgeber zur Erfassung der aktuellen Ablenkpositionen ist der Welle zugeordnet und erfasst deren aktuelle Drehposition. Da jedoch das Polygonspiegelrad mehrere ebene Spiegelflächen aufweist, entspricht die Drehposition der Welle nicht exakt der aktuellen Winkelposition der Sendestrahlen, da diese abhängig vom Auftreffort auf einer Spiegelfläche des Polygonspiegelrads sind.
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Weiterhin sind Sensoren bekannt, bei welchen kein gemeinsamer Ursprung der Sendestrahlen vorhanden ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Sensor zwei oder mehrere Distanzsensoren mit zugeordneten Ablenkeinheiten aufweist. In diesem Fall liegen die Sensor-Messwerte des Sensors nicht in Polarkoordinaten vor. Damit ergibt sich ein komplexeres, bedienerunfreundliches Ausgabeformat der Sensor-Messwerte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Sensor der eingangsgenannten Art derart auszubilden dass eine fehlerfreie Generierung und bedienerfreundliche Ausgabe von Sensor-Messwerten gewährleistet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Objekten, mit einem Distanzsensor, umfassend einen Sendestrahlen emittierenden Sender und einen Empfangsstrahlen empfangenden Empfänger, mit einer Ablenkeinheit, mittels derer die Sendestrahlen abgelenkt und innerhalb eines Abtastbereichs geführt werden, und mit Mitteln zur Erfassung von Ablenkpositionen der Sendestrahlen. Ein Auswertesystem ist vorgesehen, in welchem gemessene Sensor-Messwerte in virtuelle Messwerte umgerechnet werden. Die virtuellen Messwerte sind derart ausgebildet, dass im Auswertesystem ein Objektfeststellungssignal nur anhand von Winkelpositionen der Sendestrahlen und Entfernungswerten des Distanzsensors generiert wird.
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Der erfindungsgemäße Sensor bildet einen Flächendistanzsensor, bei welchem durch Ermittlung von Entfernungswerten mit den Distanzsensoren und Ermittlung von aktuellen Ablenkpositionen der Sendestrahlen des Distanzsensors eine Positionsbestimmung von Objekten möglich ist.
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Der erfindungsgemäße Sensor kann dabei geometrisch variable Ablenksysteme aufweisen, wobei insbesondere unterschiedliche Ablenkeinheiten vorgesehen sein können. Auch ist es möglich, dass der Sensor mehrere, insbesondere zwei Distanzsensoren mit jeweils einer zugeordneten Ablenkeinheit aufweist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Sensor erfolgt generell eine Objekterfassung in einem ausgedehnten, insbesondere flächigen Überwachungsbereich. Hierzu werden die Sendestrahlen des oder der Distanzsensoren in einem den Überwachungsbereich überdeckenden Abtastbereich geführt.
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Dabei liegen die ermittelten Sensor-Messwerte generell in einem von einem Polarkoordinatensystem abweichenden Koordinatensystem vor.
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Erfindungsgemäß werden die Sensor-Messwerte in virtuelle Messwerte umgerechnet, die ein Ausgabeformat derart bilden, dass bei den virtuellen Messwerten allein anhand von Winkelpositionen und Entfernungswerten ein Objektfeststellungssignal generiert werden kann.
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Insbesondere sind die virtuellen Messwerte in einem virtuellen Koordinatensystem definiert, welches nur ein virtuelles Zentrum aufweist, von welchem virtuelle Sendestrahlen ausgehen.
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Hierzu wird zweckmäßig im Auswertesystem eine Transformation von einem realen Koordinatensystem in das virtuelle Koordinatensystem durchgeführt.
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Durch die erfindungsgemäße Umsetzung der Sensor-Messwerte in die virtuellen Messwerte wird ein bedienerfreundliches Ausgabeformat erhalten, das insbesondere eine einfache Generierung eines Objektfeststellungssignals erlaubt.
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Insbesondere kann so auf einfache Weise ermittelt werden, ob sich ein Objekt in einem vorgegebenen Bereich befindet.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mit dem Sensor eine Schutzfeldüberwachung durchgeführt. Das Objektfeststellungssignal ist dann vorteilhaft ein binäres Schaltsignal, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt innerhalb eines Schutzfelds befindet oder nicht.
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Erfindungsgemäß werden auch die Geometriedaten des Schutzfeldes in das virtuelle Koordinatensystem umgerechnet, so dass zur Beurteilung ob ein Objekt innerhalb des Schutzfeldes liegt, nur ein Vergleich eines aktuellen virtuellen Messwerts, gebildet nur von einem Entfernungswert und einer zugehörigen Winkelposition, mit einem Grenzwert, der ebenfalls nur von einem Entfernungswert und einer Winkelposition gebildet ist, erfolgen kann.
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Damit wird eine besonders einfache Messwertauswertung ermöglicht.
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Prinzipiell kann das virtuelle Koordinatensystem in welches die Sensor-Messwerte und gegebenenfalls vorhandene Schutzfelder umgerechnet werden, von einem kartesischen Koordinatensystem gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist das virtuelle Koordinatensystem ein Polarkoordinatensystem.
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Insbesondere in letzterem Fall ist es vorteilhaft, wenn bei dem virtuellen Koordinatensystem eine Unterteilung des Abtastbereichs in identische Winkelsegmente gegeben ist.
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Beispielsweise kann jedem Winkelsegment nur ein Entfernungswert zugordnet sein. Damit wird bei gleichförmiger Winkelauflösung eine besonders einfache Messwertauswertung realisiert.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden bei der Transformation vom realen Koordinatensystem in das virtuelle Koordinatensystem Winkelfehler korrigiert.
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Das Messsystem des Sensors, insbesondere die Ablenkeinheit und die geometrische Anordnung des Distanzsensors relativ zu der Ablenkeinheit kann systembedingte geometrische Fehler aufweisen, so dass die mit dem Sensor aufgenommenen Sensor-Messwerte entsprechend mit systematischen Fehlern behaftet sind.
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Ein einfaches Beispiel hierfür ist eine Ablenkeinheit in Form eines Polygonspiegelrads, das auf einer von einem Antrieb angetriebenen Welle gelagert ist. Zur Erfassung der Ablenkposition wird mit Winkelgeber die aktuelle Ablenkposition der an den Spiegelflächen des Polygonspiegelrads abgelenkten Sendestrahlen gemessen. Diese Messwerte geben die Ablenkpositionen der Sendestrahlen jedoch nicht exakt wieder, da bei der Ablenkbewegung der Sendestrahlen entlang der ebenen Spiegelflächen deren Ablenkpositionen nicht exakt proportional zum Drehwinkel der Welle ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Transformation des realen Koordinatensystems in das virtuelle Koordinatensystem können derartige systematische Messfehler herausgerechnet werden, da diese systematischen Messfehler bekannt sind und rechnerisch erfasst werden können.
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Dabei werden vorteilhaft nur vorhandene Winkelfehler korrigiert. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei der Transformation vom realen Koordinatensystem in das virtuelle Koordinatensystem eine Interpolation von Sensor-Messwerten durchgeführt.
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Weiterhin wird bei der Transformation von realen Koordinatensystemen in das virtuelle Koordinatensystem eine Näherung von Sensor-Messwerten durchgeführt.
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Mit derartigen Interpolationen und Näherungen kann der Rechenaufwand für die Transformation von realen in das virtuelle Koordinatensystem gering gehalten werden.
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Ein Beispiel für eine derartige Näherung besteht darin, dass bei einer Umrechnung in ein virtuelles Koordinatensystem mit identischen und damit äquidistanten Winkel segmenten jedem Winkel segment der Entfernungswert zugeordnet wird, der zu diesem Winkelsegment am nächsten liegt, und zwar ohne weitere Berechnungen.
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Weiterhin kann auch eine Interpolation von virtuellen Messwerten erfolgen, um dann den interpolierten Wert einem Winkelsegment zuzuordnen.
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Weiterhin kann die Umrechnung von Sensor-Messwerten in virtuelle Messwerte dadurch vereinfacht werden, dass dann wenn die realen Sendestrahlen und virtuellen Sendestrahlen die gleiche Steigung aufweisen, eine Umrechnung durch einen einfachen Parallelversatz dieser Sendestrahlen erfolgen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist dieser ein optischer Sensor.
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Dabei kann insbesondere dieser einen nach einem Impuls-Laufzeit-Verfahren arbeitenden Distanzsensor aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Sensor eine Auswerteeinheit integriert, welche das Auswertesystem ausbildet.
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Damit kann die Transformation vom realen Koordinatensystem in das virtuelle Koordinatensystem und die anschließende Messwertauswertung zur Generierung des Objektfeststellungssignals komplett im Sensor erfolgen.
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Alternativ ist diesem eine Steuerung zugeordnet, in welcher das Auswertesystem integriert ist.
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In diesem Fall ist ein Teil der Messwertauswertung, insbesondere die Transformation des realen Koordinatensystems in das virtuelle Koordinatensystem in ein externes System verlagert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors.
- 2: Sensor gemäß 1 bei einer Schutzfeldüberwachung.
- 3: Erste Ausführungsform einer Ablenkeinheit für den Sensor gemäß 1.
- 4: Zweite Ausführungsform einer Ablenkeinheit für den Sensor gemäß 1.
- 5: Beispiel einer Transformation von einem realen Koordinatensystem in ein virtuelles Koordinatensystem für einen Sensor gemäß 1.
- 6: Beispiel einer Transformation von einem realen Koordinatensystem in ein virtuelles Koordinatensystem für einen Sensor mit zwei Distanzsensoren und zwei Ablenkeinheiten.
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1 zeigt stark schematisiert den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors 1.
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Der Sensor 1 kann prinzipiell als Radarsensor oder dergleichen ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall ist der Sensor 1 als optischer Sensor 1 ausgebildet. Der Sensor 1 bildet einen Flächendistanzsensor aus und weist einen Distanzsensor 2 mit einem Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 und einem Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 kann von einer Laserdiode gebildet sein. Der Empfänger 6 kann von einer Photodiode gebildet sein. Mit dem Distanzsensor 2 werden in bekannter Weise Distanzmessungen nach einem Impuls-Laufzeit-Verfahren durchgeführt. Zur Auswertung von Entfernungswerten und zur Generierung eines Objektfeststellungssignals weist der Sensor 1 als Auswertesystem eine Auswerteeinheit 7 auf, die von einem Prozessor oder dergleichen gebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein außerhalb des Sensors 1 angeordnetes Auswertesystem vorgesehen sein.
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Die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 werden mittels einer Ablenkeinheit 8 periodisch innerhalb eines Abtastbereichs geführt, der im vorliegenden Fall in einer Ebene liegt, was jedoch nicht zwingend ist. Die Ablenkeinheit 8 führt hierzu eine Drehbewegung aus. Die aktuelle Ablenkposition der Sendelichtstrahlen 3 wird mittels eines Winkelgebers 9 erfasst, der die aktuelle Drehposition der Ablenkeinheit 8 ermittelt.
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In der Auswerteeinheit 7 werden anhand der mit dem Distanzsensor 2 ermittelten Entfernungswerte und der mit dem Winkelgeber 9 ermittelten Winkelpositionen Positionen von Objekten 10 bestimmt.
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Prinzipiell können die vom Sensor 1 ermittelten Positionen von Objekten 10 direkt als Objektfeststellungssignal ausgegeben werden, insbesondere dann, wenn der Sensor 1 zu Navigationszwecken eingesetzt wird.
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Im vorliegenden Fall erfolgt mit dem Sensor 1 eine Schutzfeldüberwachung, wie in 2 veranschaulicht ist. Im Sensor 1 können hierzu mehrere Schutzfelder 11 abgespeichert sein, wobei situationsbedingt ein bestimmtes Schutzfeld 11 aktiviert wird. 2 zeigt den Fall, bei welchem ein rechteckiges Schutzfeld 11 aktiviert ist.
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In der Auswerteeinheit 7 wird eine Schutzfeldüberwachung derart durchgeführt, dass als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt 10 innerhalb des Schutzfelds 11 befindet oder nicht. Hierzu werden fortlaufend von detektierten Objekten 10 ermittelte Positionswerte mit den Grenzen des Schutzfelds 11 verglichen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ablenkeinheit 8. Diese Ablenkeinheit 8 weist einen Drehspiegel 12 auf. Der Drehspiegel 12 ist auf einem Sockel 13 gelagert, der mittels eines Antriebs in eine Drehbewegung um eine Drehachse D versetzt wird. Der Sender 4 ist in der Drehachse oberhalb des Drehspiegels 12 angeordnet. Durch die Drehbewegung werden die Sendelichtstrahlen 3 in einen in einer horizontalen Ebene liegenden Abtastbereich abgelenkt. Der Winkelgeber 9 misst die aktuelle Winkelposition des Drehspiegels 12, die im vorliegenden Fall exakt der aktuellen Winkelposition der Sendelichtstrahlen 3 entspricht. In diesem Fall können in einem Polarkoordinatensystem exakt die Positionen von Objekten 10 angegeben werden.
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4 zeigt stark schematisiert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ablenkeinheit 8. Diese Ablenkeinheit 8 weist ein Polygonspiegelrad 8a mit acht ebenen Spiegelflächen auf, an welchen die Sendelichtstrahlen 3 des Senders 4 abgelenkt werden. Mittels eines nicht dargestellten Antriebs wird das Polygonspiegelrad 8a um eine Drehachse D (senkrecht zur Zeichenebene in 4) in eine Drehbewegung versetzt. Der (in 4 nicht dargestellte) Winkelgeber 9 erfasst die aktuelle Drehposition einer in der Drehachse D verlaufenden mittels eines Antriebs angetriebenen Welle 8b, an welcher das Polygonspiegelrad 8a befestigt ist.
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In diesem Fall liegt der Sender 4 außerhalb der Drehachse. Die Sendelichtstrahlen 3 werden an den ebenen Spiegelflächen winkelvariabel abgelenkt, wobei aufgrund der Geometrie der Spiegelflächen die aktuelle Winkelposition des Winkelgebers 9 nicht mehr exakt die Winkelposition der Sendelichtstrahlen 3 angibt.
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Erfindungsgemäß wird für Sensoren 1, deren Messsystem, insbesondere die Ablenkeinheit 8 und die Anordnung des Distanzsensors 2 zur Ablenkeinheit 8 von einer Symmetrie eines Polarkoordinatensystems abweicht, eine Koordinatentransformation durchgeführt.
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Dabei werden die mit dem Sensor 1 generierten Sensor-Messwerte in virtuelle Messwerte umgerechnet, und zwar derart dass die virtuellen Messwerte jeweils nur in Form eines Entfernungswerts und einer zugeordneten Winkelposition der Sendelichtstrahlen 3 vorliegen.
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Dabei sind die virtuellen Messwerte in einem virtuellen Koordinatensystem definiert, welches nur ein virtuelles Zentrum aufweist, von welchem virtuelle Sendestrahlen ausgehen.
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Hierzu wird im Auswertesystem eine Transformation von einem realen Koordinatensystem in das virtuelle Koordinatensystem durchgeführt.
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Das virtuelle Koordinatensystem kann prinzipiell von einem kartesischen Koordinatensystem gebildet sein. Im vorliegenden Fall ist das virtuelle Koordinatensystem von einem Polarkoordinatensystem gebildet.
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Die erfindungsgemäße Koordinatentransformation wird generell für Messsysteme von Sensoren 1 angewendet, die sich von einer idealen rotationssymmetrischen und damit generell in Polarkoordinaten beschreibenden Anordnung wie zum Beispiel die Anordnung gemäß 3, unterscheiden.
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Ein Beispiel für ein Messsystem, auf welches die Erfindung anwendbar ist, zeigt 4. Dieses Messsystem weicht von einer idealen rotationssymmetrischen Anordnung ab, wird jedoch durch die Koordinatentransformation in ein virtuelles Koordinatensystem umgerechnet, das ein Polarkoordinatensystem ist.
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Bei der Koordinatentransformation werden zugleich systematische Messfehler des Messsystems eliminiert. Bei der Anordnung sind dies Abweichungen der aktuellen Winkelpositionen der Sendelichtstrahlen 3 von den gemessenen Winkelpositionen der Welle 8b, die durch die bekannte Geometrie des Polygonspiegelrads 8a rechnerisch erfasst werden können und so in die Koordinatentransformation miteinfließen können.
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Bei der Transformation in das virtuelle Koordinatensystem sind nicht nur die Sensor-Messwerte, sondern auch die Schutzfeldgeometrie miteinbezogen. Damit muss zur Prüfung ob sich ein Objekt 10 innerhalb des Schutzfelds 11 befindet nur der aktuelle Entfernungswert mit zugehörigen Winkelpositionen mit einem der Grenze des Schutzfelds 11 entsprechenden Grenzwert verglichen werden.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 1 mit einem exzentrischen Messsystem, das heißt mit einer entsprechenden Ablenkeinheit 8. Dieses Messsystem ist mit dem gestrichelten Kreis A veranschaulicht.
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Durch diese Exzentrizität erfährt ein Messpunkt a (das heißt ein bei einer Winkelposition aufgenommener Entfernungswert) einen deutlichen Winkelfehler und einen geringfügigen Entfernungsfehler. Dasselbe gilt für den Messpunkt b. Der Messpunkt c weist nur einen Entfernungsfehler, jedoch keinen Winkelfehler auf.
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Durch eine Transformation auf ein Messsystem mit einem virtuellen Mittelpunkt (bezeichnet mit dem durchgezogenen Kreis B) werden die Messpunkte nicht nur in einem Polarkoordinatensystem dargestellt, sondern auch die bestehenden Winkel- und Entfernungsfehler korrigiert. Bei dieser Transformation erhält das virtuelle Koordinatensystem den nominalen Mittelpunkt, von dem virtuelle Sendelichtstrahl 3 ausgehen. Dabei ist der Abtastbereich in äquidistante Winkelsegmente unterteilt, wobei für jedes Winkelsegment der nächstliegende virtuelle Sendelichtstrahlen 3 gesucht wird und dafür der zugeordnete Entfernungswert eingesetzt wird.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Sensor 1 zwei Messsysteme (das heißt zwei Distanzsensoren 2 mit jeweils einer Ablenkeinheit 8) aufweist, wobei diese mit den Kreisen A1, A2 veranschaulicht sind.
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In diesem Fall erfolgt eine Transformation dieser beiden Messsysteme auf ein einziges Messsystem in einem virtuellen Koordinatensystem, das ein Polarkoordinatensystem bildet, das heißt von einem virtuellen Zentrum gehen nun Messstrahlen zu den Messpunkten a - f der beiden realen einzelnen Messsysteme aus. Auch bei dieser Transformation können analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 5 systematische Messfehler korrigiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Sensor
- (2)
- Distanzsensor
- (3)
- Sendelichtstrahlen
- (4)
- Sender
- (5)
- Empfangslichtstrahlen
- (6)
- Empfänger
- (7)
- Auswerteeinheit
- (8)
- Ablenkeinheit
- (8a)
- Polygonspiegelrad
- (8b)
- Welle
- (9)
- Winkelgeber
- (10)
- Objekt
- (11)
- Schutzfeld
- (12)
- Drehspiegel
- (13)
- Sockel
- (A)
- gestrichelter Kreis
- (B)
- durchgezogener Kreis
