DE3516664C2

DE3516664C2 - Optische Anordnung zur passiven Entfernungsbestimmung

Info

Publication number: DE3516664C2
Application number: DE3516664A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Phys. Dr. 8755 Alzenau Scholz; Egon Dipl.-Phys. Dr. Tyssen
Original assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1985-05-09
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DE3516664A1; FR2581754B1; US4727258A; GB2174859B; FR2581754A1; GB2174859A; GB8611379D0

Abstract

Zur passiven optischen Entfernungsbestimmung sich bewegender Fahrzeuge wird ein Empfänger mit zwei im seitlichen Abstand (dik) angeordneten Detektoren (Di, Dk) auf die Fahrbahn gerichtet und unter der Voraussetzung konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit und bekannter Fahrzeuglänge (l) einerseits die Durchlaufzeit (ti) der Fahrzeugabbildung durch einen der Detektoren (Di) und andererseits die Fahrzeit (tik) der Abbildung von dem einen (Di) zum anderen Detektor (Dk) gemessen. Aus der Brennweite (f) der Empfängeroptik, dem Verhältnis Qt= (tik)/ti der gemessenen Zeiten, der Fahrzeuglänge (l) und dem Vorhaltwinkel (Φ) des Empfängers wird die Entfernung E nach der Gleichung E = (f · l · Qt cos2 Φ)/dik berechnet.

Description

Optische Entfernungsmesser arbeiten üblicherweise nach dem Triangulationsverfahren, bei dem die von zwei im seitlichen Abstand angeordneten Ausblicken aufgenommenen Bilder optisch oder elektronisch zur Deckung gebracht werden und aus dem Abstand der beiden Ausblicke sowie der zur Erzielung der Deckungsgleichheit erforderlichen Verschiebung der beiden Abbildungen die Entfernung bestimmt wird. Diese Verfahren sind in erster Linie für ruhende oder sich nur langsam bewegende Ziele geeignet.
Aus DE-OS 30 31 769 ist eine Entfernungsmeßeinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1 bekannt, welche der automatischen Fokussierung einer optischen oder einer Fernsehkamera dient und welche zwei in einem vorgegebenen Abstand angeordnete und unter einem Winkel auf das Objekt blickende photoelektrische Bausteine aufweist, von denen der eine feststehend und der andere schwenkbar ist. Jeder photoelektrische Baustein umfaßt zwei sich zu einem Rechteck ergänzende lichtempfindliche Elemente, welche längs einer Diagonalen des Rechtecks voneinander getrennt sind. Zur Fokussierung wird der schwenkbare Baustein so lange gedreht, bis die Ausgangssignale seiner Detektorflächen mit denen des feststehenden Bausteins übereinstimmen. In einer vereinfachten Ausführungsform ist jeder Baustein nur mit jeweils einer dreieckförmigen Detektorfläche ausgestattet.
Aus der US-PS 42 57 703 ist ein Kollisionswarngerät bekannt, bei dem hinter einer Empfangsoptik ein aus einer Vielzahl ladungsgekoppelter (CCD) Bildwandlerelemente bestehender optoelektrischer Empfänger angeordnet ist, welcher ein der von einem angepeilten Objekt bedeckten Fläche entsprechendes Ausgangssignal liefert. Durch zeitliche Ableitung dieses Signals wird ein zweites der Änderungsgeschwindigkeit dieser vom Objekt bedeckten Bildfläche proportionales Signal erzeugt. Das zweite Signal wird durch das erste Signal dividiert und dieses normierte, nämlich auf die Ausgangsfläche bezogene, der Änderungsgeschwindigkeit der Fläche entsprechendes Signal mit einem der Reaktionszeit des Fahrers bzw. der Bremseinrichtung entsprechenden Signal verglichen. Durch diese Überwachung der Änderungsgeschwindigkeit der Hindernisfläche kann dann entweder der Fahrer gewarnt oder die Bremsanlage automatisch ausgelöst werden.
Schließlich beschreibt die DE-OS 34 04 402 eine Einrichtung zur optischen winkelmäßigen Erkennung eines beweglichen Ziels, welche ein von der Winkelausdehnung und ein von der Winkelgeschwindigkeit des Ziels abhängiges Ausgangssignal liefert. Hierzu sind mindestens zwei Detektoren horizontal seitlich zur optischen Achse einer Empfangsoptik versetzt in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet, und das Ausgangssignal des ersten Detektors wird sowohl einer Vorrichtung zur Pulslängenbestimmung als auch einer Vorrichtung zur Differenzbildung zugeleitet, der ihrerseits das Ausgangssignal des zweiten Detektors als zweites Eingangssignal zugeführt wird. Dieser Differenzbildner liefert ein der Winkelgeschwindigkeit entsprechendes Signal. Außerdem werden die Ausgangssignale der Vorrichtung zur Pulslängenbestimmung und der Vorrichtung zur Differenzbildung in einem Multiplizierer miteinander multipliziert, wodurch ein der Winkelausdehnung entsprechendes Signal entsteht.
Während im letztgenannten Fall Winkelgeschwindigkeit und Winkelgröße eines anvisierten Ziels ermittelt werden, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von der Entfernungsmeßeinrichtung gemäß DE-OS 30 31 769, die Schaffung einer ohne bewegliche Spiegel oder Empfänger auskommenden, robusten, passiven optischen Meßeinrichtung für die Entfernung zu etwa rechtwinkelig zur Blickrichtung vorbeifahrenden Fahrzeugen. Dabei wird vorausgesetzt, daß sich die Fahrzeuggeschwindigkeit während der Meßzeit nicht ändert. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Da die Erfindung eine Kenntnis der Fahrzeuglänge voraussetzt, ist sie in erster Linie zur Entfernungsklassierung bei vorbekannten Fahrzeugtypen, beispielsweise Militär- und Kettenfahrzeugen, geeignet. Sie zeichnet sich durch einen besonders einfachen optischen Aufbau aus, weil nur ein einziger Ausblick erforderlich ist und kann beispielsweise in einem Fahrzeugerfassungssystem dazu dienen, daß nur in einem bestimmten Entfernungsbereich vorbeifahrende Fahrzeuge erfaßt und gemeldet werden. Dies gilt für Land- und Seefahrzeuge gleichermaßen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 die geometrischen Verhältnisse der Meßanordnung und
Fig. 2 das Blockschaltbild für die Signalverarbeitung der Detektorausgangssignale.
Auf einer Bahn S senkrecht zur Blickrichtung N des IR- Empfängers R bewegt sich ein Fahrzeug F von der Länge l. Der Empfänger R umfaßt wenigstens zwei Detektoren D _i und D _k, welche im seitlichen Abstand d _ik angeordnet sind. Die Brennweite der den Detektoren vorgeschalteten Optik sei f. Über die Optik werden die Detektoren D _i und D _k in die Vertikalebene der Fahrbahn S abgebildet und haben dort einen Abstand L. Das Fahrzeug F von der Länge l benötigt eine Zeitspanne t _i, um den Bereich des Detektors D _i zu durchfahren, d. h. diese Zeitspanne verstreicht beginnend mit dem Eintauchen der vorderen Fahrzeugkante in den Bereich des Detektors D _i bis zum Austritt der Fahrzeugrückkante aus dem Erfassungsbereich dieses Detektors. Außerdem benötigt das Fahrzeug eine Zeitspanne t _ik, um den auf die Fahrbahn S projizierten Abstand d _ik der Detektorelemente, also um die Strecke L zu durchfahren. Die Geschwindigkeit v wird dabei als konstant vorausgesetzt. Der Vorhaltwinkel Φ zwischen der durch den Empfänger R gehenden normalen N auf dem Fahrweg S und der Verbindungslinie E&min; zwischen dem Empfänger R und dem durch die IR- Optik auf den Fahrweg projizierten Abbildung des zweiten Detektors D _k ergibt sich aus der Brennweite f der Optik und dem Detektorabstand d _ik. Damit gilt
°Kt°T°Ki°t¤=¤@W:°Kl°k:°Kv°k&udf54;&udf53;zl10&udf54;°Kt°T°Kik°t¤=¤@W:°KL°k:°Kv°k&udf54;&udf53;zl10&udf54;
Bildet man hieraus das Verhältnis der beiden Zeiten, so folgt &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;und somit
°KL=l¤´¤Q°T°Kt°t@,(I)&udf53;zl10&udf54;
Durch die Verhältnisbildung wird somit die unbekannte, aber als konstant vorausgesetzte Geschwindigkeit v eliminiert.
Aus einer trigonometrischen Betrachtung der Fig. 1 ergibt sich:
L&min;=L · cos Φ und E=E&min; · cos Φ
Aus dem Gesetz der optischen Abbildung folgt: &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;und somit &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;also &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Kombiniert man die Ergebnisse der Gleichungen I und II, so gelangt man zu &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Hieraus folgt, daß die Entfernung dem Quotienten Q _t proportional ist, d. h.
&udf53;sb18&udf54;°KE°k=const¤´¤°KQ°T°Kt°t@,(III)&udf53;zl10&udf54;
Damit ist nachgewiesen, daß sich durch Messung der beiden genannten Durchlaufzeiten unter den eingangs erwähnten Bedingungen ein entfernungsabhängiges Signal E gewinnen läßt.
Eine Möglichkeit dieses Signal über Signalverarbeitungskanäle in diskreter Schaltungstechnik zu erzeugen, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Wie eingangs vorausgesetzt, fährt das Fahrzeug F längs der Bahn S zunächst in die Projektion I des ersten Detektors D _i ein, durchläuft anschließend den Abstand L zwischen den beiden Detektorprojektionen I und K und dringt dann in die Projektion K des zweiten Detektors D _k ein. Die beiden Detektoren D _i und D _k liefern am Ausgang die in Fig. 2 wiedergegebenen Signatursignale t _i bzw. t _k, welche zeitlich um die dem Quotienten aus Abstand L und Fahrzeuggeschwindigkeit v entsprechende Zeitspanne t _ik gegeneinander versetzt sind. Diese beiden Detektorausgangssignale werden in den Signalverstärkern SV verstärkt und in den Schwellwertschaltungen T in Rechtsecksignale gleicher Amplitude umgewandelt. Somit stehen am Ausgang der beiden Trigger T _i und T _k die Rechtecksignale i und k, welche ebenfalls um die Zeitspanne t _ik gegeneinander versetzt sind. Das Signal k wird im Inverter IN invertiert und dem einen Eingang eines UND-Gatters S zugeführt. Der andere Eingang liegt am Ausgang des Triggers T _i im ersten Signalverarbeitungskanal. In diesem schließt sich an den Trigger T _i ein Zeitamplitudenkonverter C _i an, welcher aus dem Rechtecksignal i eine von dessen Länge abhängige Spannung U _i ableitet. Im Gatter G wird das Ausgangssignal &wedgeq; des zweiten Signalverarbeitungskanals von demjenigen des ersten Signalverarbeitungskanals subtrahiert, so daß ein Impuls ik entsteht, dessen Länge der Verzögerungszeit t _ik entspricht. Dieser wird einem zweiten Zeitamplitudenkonverter C _k zugleitet, der hieraus eine der Dauer des Impulses ik entsprechende Spannung U _ik ableitet. Solche Zeitamplitudenkonverter sind als linearisierte Integrierschaltungen bekannt.
Nunmehr ist aus den beiden Signalen U _ik und U _i der Quotient Q _t zu bilden. Hierzu dient die Dividierschaltung D&sub1; an deren Ausgang somit entsprechend der Gleichung III ein entfernungsabhängiges Signal &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;steht.
Ferner läßt sich aus diesem entfernungsabhängigen Signal entsprechend der Gleichung v=L/t _ik mittels Division, durch das der Verzögerungszeit t _ik und damit der Länge des Fahrzeugs L proportionale Signale U _ik ein geschwindigkeitsproportionales Signal ableiten gemäß &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei k&sub1; und k&sub2;, wie oben erwähnt, systembedingte Konstanten sind.
Um Störungen durch Tageslicht und Schattenbildung zu vermeiden, empfiehlt es sich zur Entfernungsmessung an Kraftfahrzeugen den optischen Empfänger als Infrarotempfänger auszubilden. Die Rechenschaltung kann in analoger Schaltungstechnik, z. B. als integrierte Schaltung, jedoch auch mit Hilfe eines Mikroprozessors realisiert werden. Zu Erhöhung der Meßgenauigkeit können mehr als zwei Detektoren bzw. Detektorzeilen auf der IR-empfindlichen Fläche des optischen Empfängers angeordnet sein. Hierdurch lassen sich durch Differenz- bzw. Quotientenbildung der einzelnen Signalpaare mehrere Entfernungswerte ermitteln und entweder durch Mittelwertbildung oder statistische Häufigkeits- Bewertung der fehlerärmste Entfernungswert feststellen. Dabei empfiehlt es sich, die einzelnen Detektoren um unterschiedliche Abstände gegeneinander seitlich versetzt anzuordnen, derart, daß die äußeren Detektoren einen geringeren Abstand voneinander haben als die näher an der Ausblickachse des Empfängers liegenden Detektoren bzw. Detektorzeilen. Mit drei statt zwei Detektoren lassen sich bereits drei voneinander unabhängige Entfernungsmessungen durchführen, und die Bewertung der einzelnen Messungen kann durch den gleichen Mikroprozessor erfolgen. Die Entfernungsmeßanordnung läßt sich beispielsweise zur Überwachung von Straßen und Schiffahrtswegen einsetzen, wenn nur in einem bestimmten Abstand vorbeifahrende Land- oder Seefahrzeuge gezählt oder für andere Zwecke erfaßt werden sollen. Aus dem entfernungsabhängigen Signal in Verbindung mit dem geschwindigkeitsabhängigen Signal läßt sich auch ein Vorhalt für eine zur Bekämpfung des Fahrzeugs dienende Waffe berechnen.

Claims

1. Optoelektrische Anordnung zur passiven Entfernungsbestimmung unter Verwendung eines zwei im seitlichen Abstand angeordnete Detektoren sowie eine vorgeschaltete Optik aufweisenden optischen Empfängers, gekennzeichnet durch

a) einen einzigen seitlich unter einem Winkel (90°-Φ) auf den Fahrweg eines etwa rechtwinkelig zur Blickrichtung der Anordnung vorbeifahrenden Fahrzeugs gerichteten optischen Empfänger;

b) eine Zeitmeßeinrichtung, welche einerseits die Durchlaufzeit (t _i) der Abbildung des Fahrzeugs (F) durch den ersten Detektor (D _i) und andererseits die Dauer (t _ik) des Durchlaufs der Abbildung einer vertikalen Fahrzeugkante vom ersten (D _i) zum zweiten Detektor (D _k) mißt;

c) eine Rechenschaltung, welche aus den beiden Meßzeiten (t _i, t _ik), deren Verhältnis &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;bildet und aus diesem sowie der Brennweite (f) der Optik, der als bekannt vorausgesetzten Fahrzeuglänge (l), dem Detektorabstand (d _ik) sowie dem Winkel (Φ) zwischen der durch den Empfänger gehenden normalen (N) auf dem Fahrweg (S) und der Verbindungslinie (E&min;) zwischen dem Empfänger und dem durch die Optik auf den Fahrweg projizierten Ort des zweiten Detektors (D _k) die Entfernung (E) zwischen optischem Empfänger und Schnittpunkt der Normalen (N) mit dem Fahrweg (S) nach der Gleichung &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;berechnet, worin f, l, d _ik und Φ systembedingte Konstanten sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Empfänger ein Infrarotempfänger ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden an die Detektoren (D _i, D _k) angeschlossenen Signalverarbeitungskanäle eine Schwellwertschalteinrichtung (SV, T) enthält, die aus dem Detektorsignal (t _i, t _k) ein Rechtecksignal (i, k), vorgegebener Amplitude und mit einer der Durchlaufzeit des Fahrzeugs durch einen der Detektoren entsprechenden Dauer (t _i=t _k) ableitet;
im zweiten Signalverarbeitungskanal eine die zeitlich gegeneinander versetzenden Rechtecksignale (i, k) zur Differenzbildung verknüpfende Gatterschaltung (G) vorgesehen ist, welche ein Rechtecksignal gleicher Amplitude aber dem zeitlichen Abstand der Fahrzeugkantendurchläufe durch die beiden Detektoren (D _i, D _k) entsprechender Länge (t _ik) erzeugt;
in jedem der beiden Signalverarbeitungskanäle ein Zeit/ Amplitudenumsetzer (C) vorgesehen ist; und
die Ausgänge beider Umsetzer (C _i, C _k) an die Eingänge einer Dividierschaltung (D&sub1;) angeschlossen sind, an deren Ausgang das entfernungsabhängige Signal (U _e) zur Verfügung steht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der ersten Dividierschaltung (D&sub1;) und den Ausgang des Umsetzers (C _k) im zweiten Signalverarbeitungskanal die Eingänge einer zweiten Dividierschaltung (D&sub2;) angeschlossen sind, die an ihrem Ausgang ein von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) abhängiges Signal (U _v) liefert.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung ein Mikroprozessor ist.