DE3508378C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erkennen eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die DE 28 47 368 A1 von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, zeigt so eine Vorrichtung in Form einer Kamera mit automatischer Scharfeinstellung, wobei ein Objekt durch das Objektiv über zwei unterschiedliche optische Wege auf einem in der Bildebene angeordneten Lichtsensor abgebildet wird. Aus dem Abstand zwischen den beiden optischen Abbildungen des Objektes auf dem Lichtsensor wird dort die Objektentfernung ermittelt.

Aus der DE 30 44 831 A1 ist es bekannt, ein Objekt mittels eines Lichtstrahles abzutasten und den reflektierten Lichtstrahl mittels eines Fotoelementes zu erfassen. Die Entfernung des Objektes vom Meßort wird durch Erfassung des Phasen- und Laufzeitunterschiedes zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Lichtstrahl ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen eines dreidimensionalen Objekts zu schaffen, die eine zuverlässige Objekterfassung unter Erzeugung eines entsprechenden Entfernungsverlaufsmusters ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den beiden optischen Abbildungspfaden eine Maskenvorrichtung vorhanden, durch die die Bildebene in eine Vielzahl von Flächenelementen aufgeteilt wird, für die jeweils Entfernungssignale unter Erzeugung eines entsprechenden Entfernungsverlaufsmusters gebildet werden. Hierdurch kann ein für das Objekt repräsentatives Entfernungsverlaufsmuster zuverlässig bereitgestellt werden, das beispielsweise zur Steuerung von Roboterarmen oder dergleichen herangezogen werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips bei einem Sichtsensor,

Fig. 2 eine Gestaltung des Sichtsensors,

Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) Entfernungsmeßsignale aus dem Sichtsensor,

Fig. 4 eine ausführliche Blockdarstellung eines Sichtsensors,

Fig. 5 eine Blockdarstellung zur Veranschaulichung eines Abtastverfahrens für einen Sichtsensor,

Fig. 6 den Aufbau eines Sichtsensors bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7-1 eine Darstellung zur Beschreibung einer Maske 46,

Fig. 7-2 eine Darstellung zur Beschreibung einer Maske 48,

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Sichtsensors,

Fig. 9 eine Darstellung zur Beschreibung von Abtastblöcken an einem Fotosensor 52,

Fig. 10 ein System-Blockschaltbild eines Roboters,

Fig. 11 einen Teil eines Steuerungsablaufdiagramms für den Roboter,

Fig. 12 eine Anordnung eines Fotosensors und einer Maskenschablone, und

Fig. 13 eine vergrößerte Ansicht der Maskenschablone.

Zunächst wird ein Sichtsensor beschrieben, der bei der erfindungsgemäßen Verarbeitungseinrichtung verwendbar ist.

Die Fig. 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip bei einem Sichtsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Mit 10 und 11 sind Linsen mit im wesentlichen geringer Verzeichnung bezeichnet. Mit f ist die Brennweite der Linsen, mit d die Entfernung zwischen einem Objekt 12 und der Linse 10, mit B der Abstand zwischen den Linsen 10 und 11 und mit δ eine Abweichung eines Objektbilds von der optischen Achse der Linse 11 bezeichnet. Aus der Figur ist ersichtlich, daß B/d=δ/f ist, was folgende Gleichung ergibt:

δ = Bf/d (1)

Ein in Fig. 2 gezeigter Sichtsensor ist so gestaltet, daß Objektbilder unter Verwendung eines zweiflächigen Totalreflexions- Spiegels 13 und Totalreflexions-Spiegeln 14 auf einem Bildsensor 15 (mit Lichtempfangselementen 15a) abgebildet werden. In diesem Fall kann auch zusätzliches Licht aus einer Lichtquelle vorgesehen werden. Abweichend von dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel sind auch Entfernungsmessungen in verschiedenen Richtungen möglich. Auch wenn beispielsweise ein Punkt eines Objekts nicht auf der optischen Achse der Linse an einem Meßbildfeld liegt, kann die Entfernung des Punkts zu einer durch die optische Achse senkrechten Ebene als d=Bf/δ berechnet werden. Die tatsächliche Entfernung wird zu d≈sec R, wobei mit R der Winkel zwischen der Richtung zum Objektpunkt und der optischen Achse ist. Der Wert d kann als solcher zum Steuern einer Bewegung wie beispielsweise der Bewegung eines Roboters herangezogen werden. Der Bildsensor 15 kann eine Ladungskopplungs- Anordnung sein und aus einer Vielzahl fein aufgeteilter Lichtempfangselemente 15a mit einer jeweiligen Breite von z. B. 10 µm aufgebaut sein. Der Sensor 15 hat die Funktion, als zeitlich aufeinanderfolgende Signale in der vorbestimmten Reihenfolge elektrische Signale abzugeben, welche jeweils mittels eines der Vielzahl feinunterteilter Lichtempfangselemente 15a aufgenommen werden und hinsichtlich ihrer Amplitude der Leuchtdichte eines jeweiligen Bildelements eines Objektbilds entsprechen. Mit dem Abstand B zwischen den Linsen kann die Meßgenauigkeit verändert werden. Ferner ist mit der Brennweite der Linse 11 der Breitenbereich des Bildfelds veränderbar. Mit der vorstehend beschriebenen Gestaltung werden als Abtastausgangssignale für zwei Abbildungen 12′ Signale S-1 und S-2 mit den in Fig. 3(b) gezeigten Kurvenformen erhalten (siehe auch Fig. 3(a)). Infolgedessen ist unter Verwendung einer Schaltung zur Verarbeitung der elektrischen Signale der Abstand zwischen den den beiden Abbildungen entsprechenden Signalen S-1 und S-2 ermittelbar (Fig. 3(c)) und unter Anwendung der Gleichung (1) kann die Entfernungsmessung für das Objekt vorgenommen werden.

Der Sichtsensor der vorstehend beschriebenen Art erfaßt den gegenseitigen Abstand zwischen den beiden Abbildungen unter Verwendung eines Bildsensors und gemäß dem vorangehend beschriebenen Entfernungsmeßprinzip. Bei der Verwendung eines solchen Sichtsensors ist auf klare Weise der einem zu erkennenden Objekt zugeordneten Bereich festzulegen, indem mittels einer geeigneten Vorrichtung ein Meßbildfeld Ls sowie ein nachstehend als Vergleichsbildfeld Lr bezeichnetes Bildfeld für die zweite Abbildung festgelegt wird. Bei dem vorstehend dargestellten bestimmten Sensor wird das Meßbildfeld in die Nähe der Abbildungsstelle der Abbildung 12′ gelegt, während das Vergleichsbildfeld in den Bewegungsbereich der anderen Abbildung 12′ gelegt wird, der sich entsprechend der Entfernung des Objekts 12 ändert.

Eine ausführliche Blockdarstellung des vorstehend beschriebenen Sichtsensors ist in Fig. 4 gezeigt. Mit 15 ist der vorstehend beschriebene Bildsensor, beispielsweise eine Ladungskopplungsvorrichtung, bezeichnet (die N Elemente für das Meßbildfeld und N+M-1 Elemente für das Vergleichsbildfeld hat). Der Sensor wird mittels einer Taktsteuerschaltung 21 und einer Treiberschaltung 20 angesteuert, die Verschiebungs- und Übertragungs-Taktsignale abgibt. Die Daten aus der Ladungskopplungs-Anordnung werden mittels einer Quantisierschaltung 22 quantisiert, in der die Daten beispielsweise mit einem vorgewählten Schwellenwert an einem Vergleicher verglichen werden, um in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis Daten "0" oder "1" zu erhalten. Die quantisierten Daten für das Meßbildfeld und das Vergleichsbildfeld werden jeweils in Schieberegister 26 bzw. 27 eingegeben, entsprechend Taktsignalen aus der Taktsteuerschaltung 21 verschoben und an ein Schaltglied 28 ausgegeben, in dem bewertet wird, ob die Daten miteinander übereinstimmen oder nicht. Die Anzahl der Übereinstimmungen wird mittels eines Zählers 24-1 einer Übereinstimmungsanzahl-Vergleichsschaltung 24 gezählt, bis N Sätze in diesen quantisierten Daten miteinander verglichen sind. Danach werden die Ausgangssignale des Zählers 24-1 in einen Zwischenspeicher 24-3 eingegeben. Es ist offensichtlich, daß bis dahin der Zwischenspeicher 24-3 geleert worden ist. Nachdem N Wertesätze unter Verschiebung in den Schieberegistern 26 und 27 miteinander verglichen worden sind, wird in dem Schieberegister 27 eine Verschiebung um "1" vorgenommen. Danach werden aufeinanderfolgend die Werte von der zweiten bis zu der (N+1)-ten Stelle in dem Schieberegister 27 mit den N Werten in dem Schieberegister 26 verglichen. Nach diesen beiden seriellen Vergleichsvorgängen wird ein dritter serieller Vergleichsvorgang ausgeführt, bei dem die Werte von der dritten bis zu der (N+2)-ten Stelle in dem Schieberegister 27 mit den N Werten in dem Schieberegister 26 verglichen werden. Nach der M-fachen Ausführung dieser Vergleichsvorgänge werden zum Abschluß die Werte von der M-ten bis zur (M+N-1)-ten Stelle dem Vergleich unterzogen. D. h., die N Werte in dem Schieberegister 26 werden mit den entsprechenden Werten in dem Schieberegister 27 verglichen, bis die letzteren Werte M-mal verschoben sind. Die Anzahl der Vergleiche der N Werte (≦M) wird in einer Deckungslagen-Erfassungsschaltung 23 gezählt, in der auch die Anzahl von Ausgangssignalen "A<B" aus einem Vergleicher 24-2 der Vergleichsschaltung 24 zwischengespeichert wird. Auf diese Weise erhält die Schaltung 23 schließlich die maximale Anzahl der Ausgangssignale, wobei diese als maximale Anzahl der Übereinstimmung einer Deckungslage entspricht. Darauffolgend wird mit der maximalen Anzahl der Übereinstimmungen bzw. mit der Deckungslage in einer Objektinformationssignal- Ausgabeschaltung 25 die Entfernung zum Objekt entsprechend der Gleichung (1) berechnet. Die Entfernungsinformation wird an eine Zentraleinheit, an Speicher oder dergleichen abgegeben.

Als nächstes wird ein Abtastverfahren für den Sichtsensor beschrieben. Die Fig. 5 ist ein Steuerungs-Blockschaltbild für den Sichtsensor. Mit 30 ist eine Abtastschaltung für das selektive Abtasten des Sichtsensors bezeichnet, mit 31 ist eine Speichervorrichtung zum Speichern von Verlaufsmustern der Entfernungsinformationen bezeichnet und mit 32 ist eine Zentraleinheit (CPU) zum Steuern des Sensors und zum Ausführen von Berechnungsvorgängen bezeichnet.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Beschreibung wird nun ein Ausführungsbeispiel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die Fig. 6 zeigt die Gestaltung eines Sichtsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel und zeigt Objektive 41 und 42, Totalreflexions-Spiegel 43, 44 und 45, eine Positiv-Maske 46, eine Negativ-Maske 48, Kondensorlinsen 47 und 49, einen halbdurchlässigen Spiegel 40, eine Abbildungslinse 51 sowie einen Fotosensor 52 wie eine Ladungskopplungsvorrichtung (CCD), der zum Auslesen jeweils einzelner Bildzeilen in Bildelement-Einheiten benützt wird. Mit dieser Anordnung werden die zu erkennenden Objekte der Umgebung über die voneinander in einem vorgewählten Abstand angeordneten gesonderten Objektive 41 und 42 jeweils nahe den Masken 46 bzw. 48 abgebildet. Die Maske 46, von der ein Teil vergrößert in Fig. 7-1 dargestellt ist, ist beispielsweise mit lichtundurchlässigen Bereichen 46b versehen, die in der Form eines Mosaiks auf einer durchsichtigen Glasplatte angeordnet sind. Gemäß Fig. 7-2 ist die Maske 48 so gestaltet, daß durchsichtige Bereiche 46a und die lichtundurchlässigen Bereiche 46b der Maske 46 vertauscht sind, wobei mit 48a durchsichtige Bereiche und mit 48b lichtundurchlässige Bereiche bezeichnet sind.

Die Fig. 8 ist eine schematische Ansicht des in Fig. 6 gezeigten Sichtsensors. Mit 60 ist ein Objekt (die Umgebung) bezeichnet. Das Objekt ist zwar zweidimensional dargestellt, jedoch in Wirklichkeit dreidimensional. Die Fig. 8 zeigt entsprechend der Fig. 6 Objektive 41 und 42, Totalreflexions-Spiegel 43, 44 und 45, eine Positiv-Maske 46, eine Negativ-Maske 48, einen halbdurchlässigen Spiegel 40 und eine Ladungskopplungsvorrichtung (CCD) als Fotosensor 52 für das zeilenweise Lesen eines Bilds in Bildelement-Einheiten (über drei Zeilen in Fig. 8), wobei auf den Fotosensor das Objekt durch eine Abbildungslinse 51 abgebildet wird. Der Fotosensor muß keine Ladungskopplungsvorrichtung sein, soll aber ein Flächensensor sein. Die Zeilenanzahl ist nicht auf "3" beschränkt. Die Masken 46 und 48 werden so hergestellt, daß die durchsichtigen Bereiche der einen Maske mit den lichtundurchlässigen Bereichen der anderen Maske übereinstimmen und umgekehrt. Die Objektabbildungen werden hierbei so angeordnet, daß miteinander identische Bereiche der beiden Abbildungen aus den jeweiligen Objektiven 41 und 42 gesondert voneinander längs der Abtastzeilen abgebildet werden (so daß beispielsweise bei diesem Ausführungsbeispiel an dem Fotosensor 52 jeweils zwei identische Buchstaben B und D abgebildet werden). Infolgedessen werden identische Teile der beiden Bilder über die optischen Wege, die über die jeweiligen Objektive 41 und 42 führen, seitlich nebeneinander an dem Fotosensor 52 ohne gegenseitige Überlagerung angeordnet. Falls die Richtung der Abtastzeilen bezüglich des Fotosensors 52 mit der Richtung der Mosaikmasken in Übereinstimmung gebracht wird, können auf jeweils der gleichen Abtastzeile des Fotosensors die identischen Teile der Objektbilder aus den beiden optischen Wegen über die Objektive 41 und 42 Seite an Seite nebeneinander projiziert werden, wie es mit den Buchstaben B und D in Fig. 8 gezeigt ist. Durch die Auswertung der nebeneinander ausgerichteten und auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen gleichen Objektbilder kann die Entfernungsinformation nach dem in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten Entfernungsmeßprinzip erhalten werden.

Als nächstes wird der Fotosensor 52 beschrieben. Die Fig. 9 zeigt einen Teil eines auf den Fotosensor projizierten Bilds, wobei jeweilige Blöcke 61-1, 61-2, 61-3 und 61-4 jeweils dem in den Fig. 2 bis 4 beschriebenen Sensor 15 entsprechen. In der Fig. 9 sind zwar die Objektbilder "B" als über vier Abtastzeilen auf den Fotosensor 52 projiziert dargestellt, jedoch kann die Anzahl der Abtastzeilen irgendeine Anzahl in Abhängigkeit von der Auslesegenauigkeit, der Auslesegeschwindigkeit und dergleichen sein. Hierbei entspricht ein Feld 61-5 dem anhand der Fig. 4 beschriebenen Meßbildfeld, während ein Feld 61-6 dem Vergleichsbildfeld entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das Meßbildfeld 61-5 32 Bits, während das Vergleichsbildfeld 61-6 94 Bits hat. Daher wird die Anzahl der Aufteilungen zu 94-32=62. Die Anzahl der Aufteilungen kann nach Belieben entsprechend der Entfernungsmeßgenauigkeit verändert werden. Die Abmessungen der Fläche des Fotosensors 52 betragen 6,6 mm in der Y-Richtung und 8,8 mm in der X-Richtung. Die Abtastzeilen umfassen 757 Zeilen in der X-Richtung und 245 Zeilen in der Y-Richtung. Es besteht jedoch keine Einschränkung auf eine solche Abtastzeilen-Zusammensetzung. Es ist ferner offensichtlich, daß in der X- und Y-Richtung verschiedene in Fig. 9 nicht gezeigte Blöcke liegen, die zu den mit 61-1, 61-2, 61-3, 61-4 sowie 62-1 bezeichneten gleichartig sind.

Nachstehend wird die Schaltsteuerung für das Abtasten des Fotosensors 52 beschrieben, der gemäß der vorstehenden Beschreibung eine Vielzahl von Blöcken enthält. Wie es anhand der Fig. 4 beschrieben ist, sind zum Erhalten der Entfernungsinformation für einen einzelnen Block N×M Taktsignale erforderlich. Durch das Zählen der Anzahl der Taktsignale steuert die in Fig. 4 gezeigte Taktsteuerschaltung 21 das Schalten bei der Abtastung einer begrenzten Fläche in der Weise, daß beispielsweise gemäß Fig. 9 von dem Block 61-1 auf den Block 62-1, dann auf den Block 61-2 usw. fortgeschaltet wird.

Die Fig. 10 ist ein Blockschaltbild eines Robotersystems, bei dem der vorstehend beschriebene Sichtsensor verwendet wird. Mit 52 ist ein Ladungskopplungs- Fotosensor bezeichnet, der dem vorstehend beschriebenen entspricht. Mit 70 ist ein Analog/Digital-Wandler bezeichnet, während mit 71 ein Wähler für das Wählen eines Sensorblocks in dem Fotosensor 52 und das Erhalten der Objektentfernungsinformation aus einer entsprechenden Sichtsensorblock-Verarbeitungsschaltung 72 bezeichnet ist. Die ermittelten Objektentfernungsinformationen werden in Schreib/Lesespeicher einer Entfernungsverlaufsmuster-Arbeitsspeichereinheit 73 als Entfernungsverlaufsmuster eingeschrieben. Mit 32 ist eine Zentraleinheit bezeichnet, während mit 74 ein Planspeicher bezeichnet ist. In dem Planspeicher 74 ist ein letztes Entfernungsverlaufsmuster oder ein Befehlsplan gespeichert, die mit dem gerade vorliegenden Entfernungsverlaufsmuster verglichen werden, um damit eine am besten geeignete Steuerung eines Arms, einer Bewegung oder dergleichen herbeizuführen. Die Zentraleinheit (CPU) kann ein nicht dem Neumann-Schema entsprechender Computer mit mehreren Prozessoren sein, in welchen verschiedenerlei Daten gleichzeitig und parallel verarbeitet werden. Es können Anschlüsse vorgesehen werden, denen von außen Befehlssignale zugeführt werden. Darüber hinaus können für eine Steuereinheit 75 und eine Armeinheit 76 Sensor-Informationen über eine Bewegungsrichtung, eine Geschwindigkeit, einen Abstand und dergleichen sowie die Informationen über die Daten der Recheneinheit und das vorangehend genannte Entfernungsverlaufsmuster herangezogen werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist parallel eine Vielzahl von Sichtsensorblock-Verarbeitungsschaltungen vorgesehen, um die Verarbeitungszeit mit der Fotosensor-Abtastzeit vereinbar zu machen. Falls jedoch die Entfernungsberechnungs-Verarbeitung schneller wird oder die Fotosensor-Abtastgeschwindigkeit geeignet gewählt wird, kann von den mehreren parallelen Schaltungen abgegangen werden. Ferner kann die Aufeinanderfolge des Analog/Digital-Wandlers 70 und des Wählers 71 umgekehrt werden.

Da Entfernungsinformationen erzielt werden können, sind für die Sensoren andere Anwendungszwecke möglich, wie beispielsweise das Ausweichen vor einem schnell fliegenden Objekt, das Fangen eines schnell fliegenden Objekts, das Abstandhalten von Hindernissen wie Fahrzeugen usw.; die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aber nicht hierauf beschränkt.

Im Vergleich mit der Ultraschallmessung kann die Verteilung der Entfernungen zu einem Umgebungsobjekt im Bildfeld insbesondere in der Querrichtung mit hohem Auflösungsvermögen gemessen werden, ohne daß mechanisch bewegbare Teile nötig sind. Ferner werden die Bilder des gleichen Objekts über die beiden optischen Wege nebeneinander auf dem Fotosensor abgebildet. Aus diesen beiden Gründen kann das Problem bei einem Stereoverfahren gelöst werden, daß wechselseitige Beziehungen zwischen einander entsprechenden Punkten schwierig zu ermitteln sind. Es ist möglich, die Rechenvorgänge parallel abzuarbeiten, so daß daher ein nicht dem Neumann-Schema entsprechender Computer verwendet werden kann. Es wird auch eine für Roboter erforderliche schnelle Verarbeitung ermöglicht. Gemäß der ausführlichen Beschreibung ist das Messen der Verteilung der Entfernungen zur dreidimensionalen Erkennung des Objektivs wirkungsvoll, so daß besondere praktische Anwendungen wie beispielsweise als "Augen" eines Roboters, als Sensor zur Gehhilfe für Blinde und dergleichen möglich sind.

Gemäß der vorstehend ausführlichen Beschreibung ist es möglich, eine Vorrichtung zu bilden, mit der unter Verwendung eines auf die Entfernung bezogenen Verteilungsmusters ein Objekt als dreidimensionale Form erkennbar ist.

Nachstehend wird anhand des Ablaufdiagramms in Fig. 11 kurz ein Teil der Steuerung für einen Roboter beschrieben, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden kann. Das Programm für diesen Steuerungsablauf ist beispielsweise in einem Festspeicher (ROM) der Zentraleinheit (CPU) 32 gespeichert. Sichtsensorblöcke gemäß der Darstellung durch 61-1 usw. an dem Fotosensor gemäß Fig. 9 entsprechen jeweils Sichtsensorblock- Verarbeitungsschaltungen 72 nach Fig. 10. Als Minimum könnten zwei Verarbeitungsschaltungen 72 genügen, jedoch hängt die Anzahl dieser Schaltungen von den Verarbeitungszeiten für das Wechseln des Bilddatenblocks und für die Verarbeitung in der Verarbeitungsschaltung 72 ab. Bei diesem Beispiel wird die Anzahl der Verarbeitungsschaltungen für eine Zeile des Fotosensors 52 als n1 angenommen (wobei auch die Anzahl der Sichtsensorblöcke als n1 angenommen wird). Bei einem Schritt S1 gemäß Fig. 11 wird zuerst n auf "1" eingestellt. Bei einem Schritt S2 werden Entfernungsdaten auf einem Block (der n1 Blöcke auf einer Zeile) des Fotosensors einer Sichtsensorblock- Verarbeitungsschaltung (der n1 Schaltungen für die eine Zeile, wobei n1 der Anzahl der Sichtsensorblöcke entspricht) zugeführt. Wird bei einem Schritt S3 aus der Verarbeitungsschaltung gemäß Fig. 4 ein Objektinformationssignal ausgegeben und in den Entfernungsverlaufsmuster- Speicher 72 gemäß Fig. 10 eingespeichert. Dieser Vorgang dauert beispielsweise 3 ms, so daß die Ermittlung dieses Vorgangs unter Verwendung eines Zeitgebers vorgenommen werden kann. Bei einem Schritt S4 wird zum Verarbeiten der Entfernungsdaten aus einem nächsten Block die Aufstufung n←n+1 vorgenommen. Da bei diesem Beispiel bei einem Schritt S5 n≦n1 gilt, wird zur Wiederholung des vorstehend beschriebenen Ablaufs wieder der Schritt S2 ausgeführt. Nach dem Abschluß der Verarbeitungsvorgänge für eine Zeile ergibt sich bei dem Schritt S5 die Antwort "NEIN". Infolgedessen wird bei einem Schritt S6 die Aufstufung Y←Y+1 vorgenommen, um zur Verarbeitung für die nächste Zeile fortzuschreiten. Bei einem Schritt S7 wird ermittelt, ob y₁ Zeilen geprüft worden sind, nämlich ob ein Vollbild abgefragt wurde (wobei angenommen wird, daß der Fotosensor 52 in der Y- Richtung nach Fig. 9 y₁ Zeilen hat). Falls bei dem Schritt S7 die Verarbeitungsvorgänge an den Entfernungsdaten für ein Vollbild noch nicht abgeschlossen sind, wird zur Verarbeitung der restlichen Entfernungsdaten wieder der Schritt S2 ausgeführt.

Falls bei dem Schritt S7 nicht Y≦y₁ gilt, nämlich die Verarbeitungsvorgänge an den Entfernungsdaten aus dem Fotosensor für ein Vollbild schon abgeschlossen sind, ist in dem Entfernungsverlaufsmuster-Speicher 73 nach Fig. 10 ein Entfernungsverlaufsmuster für ein Vollbild fertiggestellt. Bei einem Schritt S8 werden gemäß den Entfernungsverlaufsmusterdaten aus dem Fotosensor für ein Vollbild oder mehrere Vollbilder und ferner gemäß den Daten aus dem Planspeicher 74 nach Fig. 10, einem Richtungssensor wie einem Lichtleiter-Kreisel oder dergleichen verschiedenerlei Steuereinheiten 75 und Armeinheiten 76 gesteuert; beispielsweise wird aus den Entfernungsverlaufsmusterdaten die Richtung ermittelt, in der keine Hindernisse festzustellen sind, und dadurch der Roboterkörper in dieser Richtung bewegt.

Schließlich kann als Information zur Entfernungsberechnung ein Farbwechsel an dem Objekt herangezogen werden. Im einzelnen kann auch dann, wenn ein Objekt über der ganzen Fläche die gleiche Helligkeit hat, die vorstehend beschriebene Entfernungsmessung angewandt werden, solange am Objekt eine Änderung hinsichtlich des Farbtons und der Farbsättigung vorliegt. Durch die Verwendung einer Streifenmaskenschablone statt der Mosaikmaskenschablone kann die Lageausrichtung leicht ausgeführt werden, wobei im Vergleich zur Verwendung der Mosaikmaskenschablone vorteilhafte Wirkungen erzielt werden können. Dies wird im folgenden ausführlicher beschrieben.

Statt der Maskenschablonen 46 und 48 gemäß Fig. 6 bzw. der Maskenmuster gemäß den Fig. 7-1 und 7-2 wird bei diesem Beispiel die Anordnung gemäß Fig. 12 eingesetzt. Mit 101 ist ein Grundplatte bezeichnet, mit 100 ist ein zweidimensionaler Sensor wie eine Ladungskopplungsvorrichtung bezeichnet und mit 102 ist ein Farbfilter bezeichnet. Die Fig. 13 zeigt vergrößert einen Teil der Farbfilterschablone. Mit 102a, 102b und 102c sind jeweils Streifen für drei Farben wie beispielsweise Rot, Grün und Blau oder zusätzlich durchlässige Streifen bezeichnet. Die Streifen werden zyklisch wiederkehrend nebeneinander gesetzt und haben jeweils die gleiche Breite wie die Abtastzeile. Die Abstände werden entsprechend den vorstehend beschriebenen Verarbeitungsvorgängen berechnet, wobei die gegenseitigen Relativlagen zwischen den Objektbildern berücksichtigt werden, die über die voneinander verschiedenen optischen Wege auf die gleiche Abtastzeile des gemäß diesem Beispiel aufgebauten Fotosensors projiziert werden. Daher entstammen verglichene Informationen alle dem Licht, das über das Filter für die gleiche Farbe durchgelassen wird. Ferner werden an den in der Unterabtastrichtung (Y-Richtung nach Fig. 9 und 13) benachbarten Abtastzeilen die Entfernungen der über verschiedenfarbige Filter projizierten Objektbilder berechnet. Daher wird das in das Bildfeld auf mehreren Abtastzeilen projizierte Objekt der Entfernungsmessung mit unterschiedlicher Farbauflösung unterzogen.

Das Filter (bzw. die Maskenschablone) kann durch Aufdampfen oder Aufsprühen direkt auf den Fotosensor aufgebracht werden. Falls der Fotosensor nur für Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Lichts empfindlich ist, können Filter für das Trennen von Infrarotstrahlen und Ultraviolettstrahlen verwendet werden.

Aus der vorstehend ausführlichen Beschreibung ist ersichtlich, daß selbst bei einer geringen Helligkeitsabweichung die Entfernungen zu einem Objekt mit Farbänderungen leicht gemessen werden können, um damit ein genaueres Entfernungsverlaufsmuster zu bilden.

Claims (21)

1. Vorrichtung zum Erkennen eines dreidimensionalen Objekts, mit einer Vorrichtung (40-49, 51) zur Erzeugung einer optischen Abbildung des Objekts über einen ersten und einen zweiten optischen Weg auf einem in einer Bildebene angeordneten Lichtsensor (52) und einer Verarbeitungseinrichtung (72) zur Ermittlung von Entfernungssignalen aus den Lichtsensor-Ausgangssignalen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Maskenvorrichtung (46, 48) in den beiden optischen Wegen angeordnet ist, durch die die Bildebene in eine Vielzahl von Flächenelementen aufgeteilt wird,
daß die Verarbeitungseinrichtung 72 für jedes Flächenelement der Bildebene Entfernungssignale ermittelt, und
daß eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Entfernungsverlaufsmusters aus den ermittelten Entfernungssignalen vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen von in dem ersten und dem zweiten optischen Weg angebrachten Linseneinrichtungen (41, 42) zueinander parallel sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Maskenschablone der Maskenvorrichtung (46, 48) eine derartige Beziehung besteht, daß die positiven Bereiche einer Maskenschablone mit den negativen Bereichen einer anderen Maskenschablone übereinstimmen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenvorrichtung (46, 48) aus einem gestreiften Farbfilter (102) besteht, das eine Vielzahl von Farben aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenvorrichtung (46, 48) auf dem Lichtsensor (52) durch Aufdampfen gebildet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskenvorrichtung (46, 48) auf dem Lichtsensor (52) durch Sputtern gebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (72) eine Quantisierschaltung (25), eine Zeitsteuereinheit (21), eine Zähleinheit (24-1) und eine Vergleichereinheit (24-2) umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (52) eine Ladungskopplungsvorrichtung umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (52) eine Ausdehnung von 6,6 mm×8,8 mm hat.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (52) zumindest 700 Zeilen aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsensor (52) in Bereiche aufgeteilt ist und die Entfernungssignale für jeden Bereich hergeleitet werden.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Speicher (73, 74) zum Speichern des Entfernungsverlaufsmusters.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (73, 74) ein vorhergehendes Entfernungsverlaufsmuster speichert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (73, 74) zur Abgabe von Anweisungen Abbildungsinformationen speichert.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein bewegliches Bauteil (76), das sich unter Bezug auf das Entfernungsverlaufsmuster bewegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Bauteil (76) die Vorrichtung bewegt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Bauteil eine Armeinheit (76) ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (75), die zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Vorrichtung das bewegliche Bauteil (76) unter Bezug auf das Entfernungsverlaufsmuster steuert.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (75) zur Steuerung des beweglichen Bauteils (76) Informationen eines Geschwindigkeitssensors verwendet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (75) zur Steuerung des beweglichen Bauteils (76) Informationen eines Entfernungssensors verwendet.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (75) zur Steuerung des beweglichen Bauteils (76) Informationen eines Bewegungsrichtungssensors verwendet.