DE3839963C2 - Weg-Winkel-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Weg-Winkel-Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Bosch Technische Berichte", 8 (1986/-) Heft 1/2, Seiten 57 bis 65, ist es bekannt, Weg-Winkel-Sensoren bei der Koppelnavigation einzusetzen, da sich mit diesen Geräten Weginkremente wesentlich präziser er­ fassen lassen, als durch den Radumlauf. Statt über den Rad-Straße-Kontakt wird der Weg über die Relativ­ bewegung zur Straßenoberfläche berührungslos erfaßt, indem die bei der Relativbewegung zu einer statis­ tisch rauhen Oberfläche auftretenden Ortsfrequenzen ausgewertet werden.

Bei einer zur Wegerfassung geeigneten Anordnung wird die bewegte, strukturierte und bedarfsweise beleuchtete Fläche, bei Einsatz in Fahrzeugen al­ so die Straßenoberfläche, durch ein Objektiv auf einem optischen Sensor abgebildet. Dieser kann z. B. aus einem Gitter aus äquidistant angeordneten, strei­ fenförmigen Photodioden, einem sogenannten Dioden­ array bestehen und besitzt dann gleichzeitig Filter­ eigenschaften. Der Photostrom dieses Diodenarrays weist eine bevorzugte Frequenz auf, die direkt pro­ portional zur Relativgeschwindigkeit zwischen Meß­ einrichtung und Fahrbahnoberfläche ist.

Unter der Annahme, daß das Bild der Straßenober­ fläche aus sinusförmigen Helligkeitsverteilungen unterschiedlicher Wellenlänge mit zunächst gleich großen Amplituden zusammengesetzt ist, hat der von jedem Wellenzug erzeugte Photostrom in einem unstruk­ turierten Empfänger die Frequenz

Darin bedeutet M der Abbildungsmaßstab der Optik, v die Relativgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge der Helligkeitsverteilung.

Man kann nachweisen, daß bestimmte Ortswellenlängen zu einer Erhöhung des Photostroms im Diodenarray beitragen. Es handelt sich hierbei um solche Orts­ wellenlängen, bei denen die Gitterkonstante des Diodenarrays ein ungeradzahliges Vielfaches der Ortswellenlänge beträgt. Im Maximum erster Ordnung ist die Wellenlänge λ gleich der Gitterkonstanten g und es ergibt sich die Frequenz des Photostroms zu

Aus dieser Gleichung folgt, daß die Proportionali­ tät zwischen Geschwindigkeit v und Ausgangsfrequenz f nur von apparativen Größen, nämlich dem Abbildungs­ maßstab M der Optik und der Gitterkonstanten g des als Ortsfrequenzfilter dienenden Diodenarrays abhängt. Während mit einem einzigen Diodenarray nur eindimen­ sionale Bewegungen exakt erfaßbar sind, gestatten zwei, im Winkel zueinander ausgerichtete Diodenarrays, Be­ wegungen sowohl hinsichtlich des Weges als auch des Winkels zu erfassen.

Da, wie oben gezeigt, der Abbildungsmaßstab M die Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Aus­ gangsfrequenz mit bestimmt, kommt es darauf an, die­ sen konstant zu halten. Beim Einsatz in einem ge­ federten Fahrzeug ändert sich aber der Abstand zur Fahrbahnoberfläche ständig in gewissen Grenzen, so daß dieser Umstand auch zu einer Änderung des Abbildungsmaßstabes führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg-Winkel-Sensor zu schaffen, der innerhalb eines Abstandsbereichs zur Meßoberfläche unabhängig von seinem absoluten Abstand exakte Meßergebnisse lie­ fert.

Diese Aufgabe wird bei einem Weg-Winkel-Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kenn­ zeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs gestattet es, den Gegenstand unter gleichen Bedingungen auf beiden Diodenarrays abzubilden. Außerdem wird neben einer Verringerung der Baugröße durch diese Maßnah­ me auch eine Verringerung des Aufwandes erreicht.

Entspricht die Gegenstandsweite, das ist der Abstand zwischen der Optik und der Meßoberfläche, dem Nomi­ nalwert, auf den die Optik eingestellt ist, so wird der Gegenstand scharf auf dem Diodenarray abgebildet. Dies ändert sich jedoch bei Abweichungen von der no­ minalen Gegenstandsweite. Neben der Änderung des Abbildungsmaßstabes wird die Abbildung unscharf. So wird einmal der Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge der Helligkeitsverteilung verändert, zum anderen wird auch die optische Auf­ lösung der Maximalwerte verringert.

Durch eine telezentrische Blende wird in diesem Fall erreicht, daß Bildpunkte des Gegenstandes in der veränderten Gegenstandsebene wegen der endlichen Öffnung der Blende in der Bildebene als unscharfe Scheibchen, jedoch mit einem Schwerpunkt des Strahlen­ kegels in der Mitte der Scheibchen abgebildet werden. Dabei fällt der Schwerpunkt des Strahlenkegels mit dem Ort der zuvor scharfen Abbildung bei nominaler Gegenstandsweite zusammen. Daraus ergibt sich, daß der Abbildungsmaßstab konstant ist. Zwar verändert sich auch mit Blende etwas die Schärfe der Abbil­ dung, wenn die Gegenstandsweite verändert wird, der Grad der Unschärfe ist aber bei weitem nicht so groß, wie es mit einem Objektiv ohne Blende der Fall sein würde.

Ein weiterer Vorteil der telezentrischen Blende be­ steht darin, daß kürzere Ortswellenlängen unter­ drückt werden.

Da durch die Blende die Lichtstärke reduziert wird, kann es bei stark lichtabsorbierenden Bezugsflächen Schwierigkeiten bereiten, die Helligkeitsunterschie­ de mit den Diodenarrays noch zu registrieren. Es ist daher wichtig, daß die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Blendenanordnung als Kreuzspaltblende mit Umlenk­ spiegel dafür sorgt, daß das durch die Spalte noch durchfallende Licht nahezu ungedämpft, also ohne Strahlenteilungsverluste zu den Diodenarrays ge­ langt.

Dadurch wird z. B. bei Einsatz in Fahrzeugen auf dunklen Fahrbahnoberflächen eine größere Zuver­ lässigkeit der Messungen erreicht. Alternativ be­ steht wegen des Kausalzusammenhangs zwischen Blen­ denweite, Lichtstärke und Bildschärfe auch die Möglichkeit, die Blendenweite zu verringern, um so einen größeren Variationsbereich der Gegenstands­ weite zuzulassen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der weiteren Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Weg-Winkel-Sensors nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Umlenkspiegel in einer ersten Ausgestaltung, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Umlenkspiegel in einer zwei­ ten Ausgestaltung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Weg-Winkel- Sensors nach der Erfindung. Dieser umfaßt ein erstes Diodenarray 10, ein zweites Diodenarray 12, eine Kreuz­ spaltblende 16 mit Spalten 18 und 20, einen Umlenk­ spiegel 22 sowie ein Objektiv 14.

Die Diodenarrays 10 und 12 bestehen aus einem Gitter aus äquidistant angeordneten, streifenförmigen Photo­ dioden. Die Anschlüsse der Dioden sind mit hier nicht dargestellten Meßverstärkern verbunden, die den Pho­ tostrom verstärken und einer Auswerteschaltung zuführen.

Jedes Diodenarray ermöglicht für sich nur eine ein­ dimensionale Erfassung von Bewegungen. Durch zwei im. Winkel seitlich gegeneinander verdrehte Dioden­ arrays 10 und 12 lassen sich auch zweidimensionale Bewegungen erfassen. Dabei sind die Diodenarrays 10 und 12 unter einem festen Winkel, vorzugsweise 90 Grad, zueinander ausgerichtet, so daß der Bewe­ gungsvektor in seinen cos- und sin-bewerteten Teil­ vektoren von den Arrays gemessen wird. Bei Gerade­ ausfahrt, wie in Bild 1 dargestellt, wird der Bewe­ gungsvektor auf die Diodenarrays unter jeweils 45 Grad abgebildet, so daß beide gleiche Anteile messen (sin 45° = cos 45°).

Zur Abbildung der im unteren Teil der Zeichnung dar­ gestellten Straßenoberfläche 28 auf die beiden Dio­ denarrays dient die gemeinsame Optik 14. Bei einer nominalen Gegenstandsweite von 550 mm und einem Ab­ bildungsmaßstab M von 0,2 kann hierfür ein Objektiv mit den Daten 1 : 2,5/90 mm verwendet werden. Mit dem genannten Objektiv alleine könnte aber nur bei einer einzigen Gegenstandsweite eine scharfe Abbildung der Straßenoberfläche 28 auf den Diodenarrays 10 und 12 erzielt werden. Bei Änderung der Gegenstandsweite würden sowohl die Schärfe der Abbilung als auch der Abbildungsmaß­ stab Änderungen unterworfen.

Zur Erzielung eines konstanten Abbildungsmaßstabes innerhalb eines gewissen Variationsbereichs der Gegenstandsweite dienen Blenden, die zwischen die Optik 14 und die Diodenarrays 10 und 12 eingefügt sind. Diese haben die Gestalt einer Kreuz­ spaltblende 16, welche zwei senkrecht aufeinander stehende Spalte 18 und 20 umfaßt.

Dabei ist der Spalt 18 dem Diodenarray 10 und der Spalt 20 dem Diodenarray 12 zugeordnet. Die Spalte sind also jeweils im Strahlengang parallel zu den einzelnen in Gitterstruktur aneinanderge­ reihten Dioden der Diodenarrays 10 und 12 ausge­ richtet. Um den Strahlengang zu den beiden Dioden­ arrays 10 und 12 aufzuteilen, ist über dem Spalt 18 ein Umlenkspiegel 22 angeordnet, der das durch den Spalt 18 fallende Licht auf das Diodenarray 10 wirft und das durch den Spalt 20 fallende Licht geradlinig zum Diodenarray 12 durchläßt.

Durch die konstruktive Ausgestaltung der Kreuzspaltblende 16 mit dem Umlenkspiegel 22 gelingt eine nahezu verlustfreie Aufteilung des Lichtes auf die beiden Diodenarrays 10 und 12. Die erfindungs­ gemäße Anordnung ist damit bekannten Vorrichtungen zur Strahlungsaufteilung, die sich z. B. halbdurch­ lässiger Spiegel bedienen, weit überlegen.

Durch den Umlenkspiegel wird ferner der Spalt 18 soweit abgedeckt, daß er die Fokussierung bzw. den Abbildungsmaßstab auf das Diodenarray 12 nicht be­ einträchtigt. Eine solche Beeinträchtigung wäre nämlich bei nicht abgedecktem Spalt 18 möglich.

Die Länge der Spalte 18 und 20 muß aus dem Durch­ messer des Objektivs 14 und der Länge der Dioden­ arrays 10 und 12 bestimmt werden. Die Breite der Spalte 18 und 20 richtet sich nach optischen Ge­ sichtspunkten, bei denen die Schärfe, der Abbil­ dungsmaßstab, die Lichtintensität sowie Beugungs­ effekte am Spalt berücksichtigt werden müssen.

Bei einer bevorzugten Ausführung besitzen die Spal­ te 18 und 20 der Kreuzspaltblende 16 Längenabmessun­ gen von 10,4 mm und Breitenabmessungen von 0,8 mm.

Die Wirkungsweise der telezentrischen Blenden be­ ruht darauf, daß auch bei Veränderungen der Gegen­ standsweite der Schwerpunkt der Strahlenkegel, mit denen bestimmte Punkte der Straßenoberfläche 28 ab­ gebildet werden, mit dem Ort der bei nominaler Ge­ genstandsweite scharfen Abbildung zusammenfällt. Zwar werden Punkte der Straßenoberfläche 28 zu un­ scharfen Scheibchen abgebildet, durch das Maximum in der Mitte des Strahlenkegels besteht aber dennoch die Möglichkeit, die Lage der Orte auf den Dioden­ arrays 10 und 12 zu erkennen und die Maxima des gelieferten Photostroms auszuwerten. Wichtig ist dabei, daß auch bei Variationen der Gegenstands­ weite die Orte der Maxima gleich bleiben, nur ihre Amplitude verringert sich.

Während im Durchlichtbereich, einmal von der Über­ deckung des Spaltes 20 im Bereich seiner gemeinsa­ men Überschneidung mit dem Spalt 18 abgesehen, praktisch keine Dämpfung auftritt, könnten im ge­ spiegelten Strahlengang durch Reflexionsverluste Minderungen in der Lichtintensität eintreten. Diese werden weitgehend dadurch vermieden, daß als re­ flektierende Schicht 24 eine Chrom-Gold-Schicht verwendet wird. Diese ist auf einem Glasstreifen 26 aufgedampft und erreicht bei dem vorzugsweise verwendeten Infrarotlicht einen Reflexionsgrad von annähernd 95%. Beide Diodenarrays 10 und 12 erhalten somit nahezu die gleiche Lichtintensität.

Da der geringe Reflexionsverlust von 5% kleiner ist als die gemeinsame Überschneidungsfläche der Spalte 18 und 20, kann eine Angleichung der auf die Diodenarrays fallenden Lichtintensitäten dadurch erreicht werden, daß die reflektierende Schicht 24 des Umlenkspiegels 22 an dieser Stelle unter­ brochen wird. Diesbezüglich zeigen die Fig. 2 und 3 verschiedene Ausgestaltungen.

Fig. 2 zeigt einen Umlenkspiegel 22 in Draufsicht. Er besteht aus einem Glasstreifen 26, auf dem die reflektierende Schicht, vorzugsweise die Chrom- Gold-Schicht aufgedampft ist. Da der Spiegel über der Kreuzspaltblende mit einem Winkel von 45 Grad steht, ist seine Breite größer als die Spaltbrei­ te. Vorzugsweise hat er hier die Abmessungen von einer Länge von 25 mm und einer Breite von 2,5 mm, wobei die Längenabmessung der reflektierenden Schicht 15 mm beträgt. Im Bereich der überschnei­ denden Fläche des Spaltes 20 ist der Umlenkspiegel 22 jedoch ganz oder teilweise durchlässig.

Dies wird erreicht, indem entweder Kerben oder Schlitze in den Spiegel 22 eingeschliffen werden oder der entsprechende Bereich beim Bedampfen des Glasstreifens 26 ausgelassen oder nach dem Bedampfen weggeätzt wird. Die Unterbrechungen der reflektie­ renden Schicht 24 liegen asymmetrisch zu einer Längs­ mittelachse des Umlenkspiegels 22. Durch diese Maß­ nahme wird berücksichtigt, daß der Umlenkspiegel 22 nicht in der Ebene der Spalte 18, sondern geneigt darüber liegt.

Die Größe der Unterbrechung in der reflektierenden Schicht 24 ermöglicht das Einstellen einer gleich­ mäßigen Intensitätsverteilung auf beide Dioden­ arrays 10 und 12.

Claims (8)

1. Weg-Winkel-Sensor zur berührungslosen Abtastung einer strukturierten Straßenoberfläche, bestehend aus zwei im Winkel seitlich gegeneinander verdrehten optischen Sensoren und Ortsfrequenzfiltern (10, 12), in deren Strahlengänge ein gemeinsames Objektiv (14) vorgesehen ist, wobei in den Strahlengängen der optischen Sensoren/Ortsfrequenzfiltern (10, 12) telezentrische Blenden angeordnet und als eine gemeinsame Kreuzspaltblende (16) mit senkrecht zueinander ausgerichteten Spalten (18, 20) ausgebildet sind, wobei über einem der Spalte (18) ein Umlenkspiegel (22) angeordnet ist, und wobei das eine optische Sensor/Ortsfrequenzfilter (10) im gespiegelten Strahlengang des einen Spaltes (18) und das andere optische Sensor/Ortsfrequenzfilter (12) im durchfallenden Strahlengang des anderen Spaltes (20) angeordnet ist.

2. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22) im Bereich des anderen Spaltes (20) lichtdurch­ lässig ist.

3. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22) im Bereich des anderen Spaltes (20) in der Breite verringert ist.

4. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß eine reflektierende Schicht (24) des Umlenkspiegels (22) im Bereich des anderen Spaltes (20) unterbrochen ist.

5. Weg-Winkel-Sensor nach einem oder mehre­ ren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22) aus einem Glasstreifen (26) besteht, der mit einer reflektierenden Chrom- Gold-Schicht (24) bedampft ist.

6. Weg-Winkel-Sensor nach einem oder mehre­ ren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzspaltblende (16) jeweils Spalte (18, 20) mit Längenabmessungen von etwa 10,4 mm und Brei­ tenabmessungen von etwa 0,8 mm besitzt.

7. Weg-Winkel-Sensor nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (22) eine reflektierende Schicht (24) mit der Längenab­ messung von etwa 15 mm und der Breitenabmessung von etwa 2,5 mm besitzt und zur Ebene der Kreuz­ spaltblende (16) im Winkel von 45 Grad geneigt ist.

8. Weg-Winkel-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren als Diodenarrays ausgebildet sind.