DE3932844A1 - Messverfahren zum orten von in eine ebene eindringenden hindernissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist auf das Erfassen der Entfernung eines Hindernisses vom Empfänger der lichtelektrischen Ein­ richtung beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu entwickeln, das auf einfache Weise eine Flächenabtastung ermöglicht, um Hindernisse erkenn- und umgehbar machen zu können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

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

Fig. 1 eine lichtelektrische Einrichtung zur Entfernungsmessung nach dem bekannten Triangulationsprinzip,

Fig. 2 eine beispielsweise Ausbildung einer neuen Einrichtung zur Flächenabtastung,

Fig. 3 eine Blockdarstellung der Meßanordnung mit Auswerteeinheit,

Fig. 4 eine Meßanordnung in Verbindung mit einer abzustastenden Fläche beliebiger Kontur,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Takt- und Auswertesignale der erfindungsgemäßen Meßanordnung,

Fig. 6 eine Prinzipskizze des Umfahrvorgangs eines Hindernisses unter Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens.

In Fig. 1 ist mit 1 die Sendelichtquelle, mit 2 die Sende­ optik, mit 3 das Sendelichtbündel mit dem Zentralstrahl 3′ und mit 4 ein Hindernis bezeichnet.

Das vom Hindernis 4 diffus reflektierte Lichtstrahlenbündel 5 mit dem Zentralstrahl 5′ gelangt über die Empfangsoptik 6 auf den ortsauflösenden Detektor 7.

Bei einer Entfernungsänderung (Verschiebung in Richtung der y-Achse) des Hindernisses 4 in die Position 4′ ändert sich die Winkellage des reflektierten Zentralstrahls 5′′, so daß der die Empfangsoptik 6 passierende Zentralstrahl 5′′ um einen dem Verschiebungsweg S des Hindernisses 4 entsprech­ enden Betrag A versetzt auf den ortsauflösenden Detektor 7 gelangt. Dieser Betrag wird in einer Auswerteeinheit, z. B. in einer Analogschaltung, ausgewertet und zweckmäßigerweise linearisiert, da A eine nichtlineare Funktion von S ist.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung zur Durchführung des Meß­ verfahrens gemäß Fig. 2 enthält eine lichtelektrische Einrichtung 20, bestehend aus einer Sendelichtquelle 1, einer Sendeoptik 2, einer Empfangsoptik 6 und einem orts­ auflösenden Detektor 7.

Der lichtelektrischen Einrichtung ist beim Ausführungsbei­ spiel ein Ablenkspiegel 8 in Form eines Polygons mit den Spiegelflächen 8′ bis 8 ^IV zugeordnet. Die Auftreffpunkte der Zentralstrahlen 3′ und 5′ des Sendelichtbündels und des reflektierten Lichtbündels auf den Spiegelflächen 8′ bis 8 ^IV liegen dabei auf einer Geraden, die parallel zur Achse der Antriebswelle 9 des Ablenkspiegels 8 liegt. Der Ablenkspiegel 8 wird durch einen Antriebsmotor 10, bei­ spielsweise durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor, an­ getrieben, der mit einem Meßwertgeber 11 ausgerüstet ist. Im Falle eines kollektorlosen Gleichstrommotors bietet sich ein Hallgenerator als Meßwertgeber 11 an.

Wie Fig. 3 zeigt, ist dem Meßwertgeber 11 ein Verstärker 30 nachgeschaltet, an den ein Komparator 31 angeschlossen ist, der auf eine Auswerteeinheit 21 arbeitet, die als wesent­ lichen Bestandteil einen Mikroprozessor 21′ enthält.

Der Schwingquarz 32 des Mikroprozessors 21′ erzeugt den Systemtakt U_S für das Meßverfahren. Dieser dient als Referenztakt für die Motorsteuerung (Kommutierung) und die Auswertung der Signale des Meßwertgebers 11.

Wie in Fig. 5 schematisch veranschaulicht ist, wird bei jedem Flankenwechsel des Meßwertgebersignals U₁₁ der interne Zähler (Timer) der Auswerteeinheit 21 auf Null zurückgesetzt.

Beim Ausführungsbeispiel liegt die Zählgrenze bei 50 000 Zählungen zwischen dem High- und Low-Signal des Meßwert­ gebers 11. Dies kann auch umgekehrt sein, also Low-High. Die Anzahl der Zählungen pro definiertes Intervall kann in Grenzen beliebig gewählt werden.

Die Summe der durch die Systemtakte U_S erzeugten Zählungen ergibt die Zählkurve ZK.

Aus optischen Gründen (wenig Sendeleistung und geringe Empfangsleistung wegen flacher Auftreffwinkel der Sende­ und Empfangslichtstrahlen auf den Ablenkspiegel) empfiehlt es sich, etwa den Mittenbereich der Zählkurve ZK auszu­ nutzen, bei 50 000 Gesamtzählungen pro Zyklus (high-low) beispielsweise den Bereich zwischen 12 500 und 37 500 Zählungen. Dies entspricht einem Winkelbereich zwischen 0 und 90° bezüglich des Abtastbereichs des Sendelicht­ bündels 3.

Bei der Meßanordnung nach Fig. 2 gelangt das Sendelicht­ strahlenbündel 3 mit dem Zentralstrahl 3′ über die Sende­ optik 2 auf die Spiegelfläche 8′ des Ablenkspiegels 8, wird von diesem auf das Hindernis 4 geworfen, vom Hindernis 4 auf die Spiegelfläche 8′ reflektiert und von dort über die Empfangsoptik 6 auf den ortsauflösenden Detektor 7 zu­ rückgeworfen. Bei einer Veränderung der Berandungskontur 40 (siehe hierzu Fig. 4) erfaßt der ortsauflösende Detektor 7 die Tiefen- bzw. Abstandsveränderung der Kontur, wobei nun­ mehr jedem Tiefenwert synchron ein Winkelwert zugeordnet ist, wie er gemäß Beschreibung zu Fig. 5 generiert wird. In Fig. 5 ist ein solcher Winkelwert ϕ′ gestrichelt angedeutet.

Damit ist die Kontur 40 in einem Punkt erfaßt und der Auswertung in der Ausworteeinheit 21 zugängig. Diese Abtastung erfolgt im vorgesehenen Abtastbereich (z. B. zwischen 0 und 90°) punktweise, wobei die einzelnen Punkte eine bzw. die Kontur 40 definieren. Zur winkel­ mäßigen Ausdehnung des Abtastbereichs können dem Ablenk­ spiegel bzw. dessen Spiegelflächen auch mehrere licht­ elektrische Einrichtungen 20 der beschriebenen Art zu­ geordnet sein, derart, daß mit jeder lichtelektrischen Einheit im statischen Fall, also bei ruhendem Ablenk­ spiegel 8, eine separate Spiegelfläche korrespondiert. Dabei kann jede lichtelektrische Einheit 20 für einen Abtastsektor vorgesehen sein, z. B. ϕ₁ bis ϕ_x, ϕ_x+1 bis ϕ_y, ϕ_y+1 bis ϕ_n. Die Tiefenwerte der entsprechenden Sektoren ρ₁ bis ρ_x, ρ_x+1 bis ρ_y, ρ_y+1 bis ρ_n können im Mikroprozessor 21′ gleichzeitig oder zeitlich auf­ einanderfolgend ausgewertet werden (siehe hierzu Fig. 4 Sektoren I bis III).

Dem Sender 1 der lichtelektrischen Einheit 20 sind, wie aus Fig. 3 ersichtlich, ausgehend von der Auswerteeinheit 21 ein Digital-Analogwandler 24 und eine spannungsgesteuerte Stromquelle 25 vorgeschaltet. An den ortsauflösenden Detek­ tor 7 ist ein Verstärker 26, ein Gleichrichter- und Filter­ glied 27 und ein Analog/Digitalwandler 28 angeschlossen, wobei der letztere auf die Auswerteeinheit 21 arbeitet. Dem Antriebsmotor 10 ist ein Motortreiber 29 vorgeschaltet, der die Spannungsimpulse vom Mikroprozessor 21′ in ent­ sprechende Stromimpulse umsetzt.

Die seriellen und/oder parallelen Ausgänge 22, 23 können über die Schnittstellentreiber 33 unmittelbar oder mittel­ bar an die Steuereinheit eines Fahrzeugs, z. B. eines fahrer­ losen Transportsystems 34, angeschlossen werden (siehe Fig. 6). Dadurch wird ermöglicht, daß das betreffende Fahrzeug selbst­ tätig einem Hindernis 4 ausweicht.

Fig. 4 zeigt im Prinzip die punktweise Abtastung einer unregelmäßigen Kontur 40 mit der Komplettmeßanordnung 41.

Dabei sind die mit dem ortsauflösenden Detektor 7 erfaßten einzelnen Tiefenwerte mit ρ₁ bis ρ_n und die zugehörigen, über den Meßwertgeber 11 generierten Winkel­ werte mit ϕ₁ bis ϕ_n, bezeichnet. Im Falle der Meßanordnung nach Fig. 4 liegt die Z-Achse in der Drehachse des Ablenk­ spiegels 8, wobei der Koordinatenursprung im Schnittpunkt des Sendelichtzentralstrahls 3′ mit der Drehachse 9 des Ablenkspiegels 8 liegt. Damit zeigt die x-Achse in Rich­ tung ϕ=0 und die y-Achse in Richtung ϕ=90°.

Im Bereich ϕ<0° (siehe Fig. 6) ist eine ortsdefinierte Referenzmarke 42 fest am betreffenden Fahrzeug 34 angebracht. Diese Marke wird vor und/oder nach jedem Komplettabtastvor­ gang mittels der Meßanordnung 41 in ihrer Lage vermessen. Ein entsprechender Sollagewert wurde zuvor im Mikroprozes­ sor 21′ gespeichert. Bei Nichtübereinstimmung des Sollwerts mit dem gespeicherten Referenzwert steht an einem der seri­ ellen und/oder parallelen Ausgängen 22, 23 ein Warnsignal an.

Die mittels der Meßanordnung 41 erfaßte Sollkontur 40 wird im Mikroprozessor 21′ gespeichert und bei Fahrzeugbewegung fortlaufend mit der Istkontur, die in Fig. 4 mit 40′ ange­ deutet ist, verglichen. Im dargestellten Fall liegt die Ist-Kontur 40′ innerhalb der Sollkontur 40, was gleichbe­ deutend ist mit dem Eintauchen eines Hindernisses 4 in den Sollkonturenbereich. In diesem Fall erfolgt eine ein Hin­ dernis kennzeichnende Warnsignalgabe mit gleichzeitigem Stopsignal für das Fahrzeug 34. Alternativ kann das Fahr­ zeug 34, wie in Fig. 6 dargestellt, durch die Meßanordnung 41 selbsttätig so gesteuert werden, daß es das Hindernis 4 umfährt.

In Fig. 6 ist die Sollkontur 40 des Fahrzeugs 34 strich­ punktiert angedeutet, und die hindernisfreie Fahrspur ist mit 35 gekennzeichnet. Bei einem in die Fahrspur 35 hinein­ ragender, außerplanmäßigen Hindernis 4 wird der Fahrzeug­ steuerung automatisch eine Ausweichspur 36 vorgegeben. Die Bezugszeichen 37 kennzeichnen dabei die Fahrtrichtung.

Um Fremdlichteinwirkungen, die Fehlmessungen des Tiefen­ wertes ρ zur Folge haben können, auszuschließen, wird für das Ausgangssignal des ortsauflösenden Detektors 7 eine am Nutzsignal orientierte Signalschwelle vorgegeben, deren Überschreitung vor und/oder nach der eigentlichen Tiefen­ messung (ohne Abstrahlung des Sendelichtbündels 3) im Mikroprozessor 21′ keine Tiefenbestimmung bewirkt, jedoch eine Fehleranzeige auslöst.

Um durch Alterung, Spiegelungen, Tiefenänderungen (Distanzen) oder Reflexionsgradänderungen der Hindernisse 4 eventuell verursachte Fehlmessungen zu vermeiden, erweist sich eine Testmessung des den ortsauflösenden Detektor 7 beaufschla­ genden Signals als vorteilhaft. Über- oder unterschreitet das an diesem Detektor, bei einer mittleren Sendelichtampli­ tude, anstehende Signal eine vorgegebene Schwelle, so wird die Sendelichtamplitude im Mikroprozessor 21′ so verändert, daß das Signal am ortsauflösenden Detektor 7 selbsttätig zumindest nahezu auf den vorgegebenen Wert zurückgeführt wird bzw. konstant bleibt. Als ortsauflösender Detektor 7 empfiehlt sich beispielsweise ein eindimensionales Foto­ diodenarray.

Bezugszeichenliste:

 1 Sendelichtquelle
 2 Sendeoptik
 3 Sendelichtbündel
 3′ Zentralstrahlen der Sendelichtbündel 3
 4 Hindernis
 4 Hindernis
 4′ in +y-Richtung verschobenes Hindernis
 5 Empfangslichtbündel
 5′ Vom Hindernis 4 gestreuter Zentralstrahl des Empfangslichtbündels 5
 5′′ Vom Hindernis 4′ gestreuter Zentralstrahl des Empfangslichtbündels
 6 Empfangsoptik
 7 ortsauflösender Detektor
 8 Ablenkspiegel
 8′ bis 8 ^IV Facettenflächen des Ablenkspiegels 8
 9 Welle zur Kopplung des Ablenkspiegels 8 mit dem Meßwertgeber 11 und dem Antriebsmotor 10
10 Antriebsmotor
11 Meßwertgeber
12 Querschnitt des Sendelichtstrahlenbündels
13 Basisabstand
14 Austrittsfenster der Meßanordnung 41 für das Sendelichtbündel 3
15 Eintrittsfenster der Meßanordnung 41 für das Empfangslicht­ bündel 5
19 Lichtablenker-Einheit, bestehend aus Ablenkspiegel 8, An­ triebsmotor 10, Welle 9 und Meßwertgeber 11
20 lichtelektrische Einrichtung
21 Auswerteeinheit
21′ Mikroprozessor
22 Serielle Ein-/Ausgänge
23 Parallele Ein-/Ausgänge
24 Digital-/Analog-Wandler
25 Spannungsgesteuerte Stromquelle
26 Verstärker und Strom-/Spannungswandler der Signale des ortsauflösenden Detektors 7
27 Filter- und Gleichrichterglied
28 Analog-/Digital-Wandler
29 Verstärker zur Generierung des Treiberstromes für den Antriebsmotor 10
30 Verstärker zur Amplitudenanhebung des Ausgangssignales des Meßwertgebers 11
31 Komparator
32 Schwingquarz zur Erzeugung des Systemtaktes
33 Schnittstellentreiber
34 Fahrerloses-Transport-System (FTS)
35 Vorgegebene FTS-Fahrspur, die sich nur dann kollisionsfrei abfahren läßt, wenn keine zufälligen Hindernisse 4 die Fahrspur kreuzen
36 Neue FTS-Fahrspur, die selbsttätig nach Erfassung des Hindernisses 4 mittels Meßanordnung 41 abgefahren wird und damit dem Hindernis kollisionsfrei ausgewichen wird
37 Fahrtrichtung
38 Schwerpunktwanderung des Empfangslichtflecks auf dem ortsauflösenden Detektors 7 bei Verschiebung des Hindernisses 4 nach 4′ (siehe Wanderung der Zentral­ strahlen 5′, 5′′ des Empfangslichtbündels 5)
40 Sollkontur des Abtastbereichs in der x,y-Ebene
40′ Istkontur des Abstastbereichs in der x,y-Ebene
41 Erfindungsgemäße Meßanordnung
42 Fest am FTS (34) angebrachte Referenzmarke

Claims (13)

1. Meßverfahren zum Orten von in eine beliebig gestal­ tete Randform aufweisende Ebene eindringenden Hinder­ nissen mit Hilfe einer nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden lichtelektrischen Einrichtung zum Erfassen der Entfernung des Hindernisses durch Verschiebung des Auftreffpunktes des Empfangslichts auf einem ortsauf­ lösenden Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/Empfangslichtbündel (3, 5) der lichtelektrischen Einrichtung (20) mittels eines motorisch angetriebenen Ablenkspiegels (8) eine Berandungskontur (40) abtasten, wobei dem Ablenkspiegel (8) ein Antriebsmotor (10) und ein dessen Umdrehungen pro Zeiteinheit erfassender Meß­ wertgeber (11) zugeordnet ist, der die Umdrehungen un­ mittelbar oder mittelbar in lmpulse umsetzt, aus denen die Winkellage des jeweiligen Sendelichtstrahls (3) ab­ leitbar ist, und daß die Winkellage des Sendelichtstrahls (3) zusammen mit dem zugehörigen Signalwert des ortsauf­ lösenden Detektors (7) einer Auswerteeinheit (21) zuge­ führt wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (21) einen Mikroprozessor (21′) ent­ hält, der aus den Momentanmeßwerten der Winkellage des Sendelichtstrahls (3) und des ortsauflösenden Detektors (7) punktweise eine den augenblicklichen Geometriever­ hältnissen entsprechende Momentankontur in der x,y-Ebene verifiziert, welche die aktuelle Istkontur (40′) darstellt.

3. Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte (ρ₁ bis ρ_n, ϕ₁ bis ϕ_n) der Ist-Kontur (40′) in der Auftreffebene der Sendelichtstrahlen im Mikroprozessor (21′) gespeichert werden.

4. Meßverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mikroprozessor (21′) die Abtast- Istkontur (40′) in der x,y-Ebene punktweise mit einer gespeicherten Sollkontur (40) vergleicht und bei Nicht­ übereinstimmung der Ist-Kontur mit der Sollkontur eine Signalgabe auslöst.

5. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrische Ein­ richtung (20) und die Auswerteeinheit (21) mittels einer in der Auftreffebene des Sendelichtstrahls an­ geordneten, in ihrer Konfiguration ortsdefinierten, am betreffenden Fahrzeug angebrachten Referenzmarke (42) überwacht werden, die vor und/oder nach jedem Komplett­ abtastvorgang in ihrer Lage vermessen wird und deren Signalwert mit dem zugeordneten abgespeicherten Signal­ wert verglichen wird, wobei im Abweichfall der Signal­ werte eine die nicht ordnungsgemäße Funktion der Meß­ anordnung (41) indizierende Warnsignalgabe bzw. Warn­ meldung erfolgt.

6. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einheit Antriebsmotor (10), Meßwertgeber (11) und Ablenkspiegel (8) mehrere lichtelektrische Einrich­ tungen (20) so zugeordnet sind, daß bei ruhendem Ablenkspiegel (8) jede lichtelektrische Einheit (20) wenigstens mit einer Spiegelfläche zusammenwirkt.

7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder lichtelektrischen Einheit (20) ein Abtast­ sektor (z. B. ϕ₁ bis ϕ_x, ϕ_x+1 bis ϕ_y, ϕ_y+1 bis ϕ_n) zugeordnet ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefenwerte (ρ₁ bis ρ_x+1, ρ_x+1 bis ρ_y, ρ_y+1 bis ρ_n) der entsprechenden Sektoren (ϕ₁ bis ϕ_x, ϕ_x+1 bis ϕ_y, ϕ_y+1 bis ϕ_n) im Mikroprozessor (21′) gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend ausgewertet werden.

9. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangssignal des ortsauflösenden Detektors (7) eine Signalschwelle vor­ gegeben wird, deren Überschreitung bei fehlendem Sende­ lichtstrahlenbündel (3) im Mikroprozessor (21′) keine Tiefenbestimmung, jedoch eine gleichzeitige Fehleran­ zeige bewirkt.

10. Meßverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mittlerer Sendelicht­ amplitude eine Testmessung des den ortsauflösenden Detektor (7) beaufschlagenden Empfangssignals durch­ geführt wird und bei unter- oder überschreiten einer vorgegebenen Empfangssignal-Schwelle die Sendelicht­ amplitude im Mikroprozessor (21′) so angepaßt wird, daß das Signal am ortsauflösenden Detektor (7) konstant bleibt.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkspiegel (8) als Drehspiegel und der Antriebs­ motor (10) als kollektorloser, mit einem Hallgenerator ausgerüsteter Gleichstrommotor ausgebildet ist, wobei der Hallgenerator als Meßwertgeber (11) für die Dreh­ zahlerfassung des Motors dient.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende Detektor (7) als Fotodiodenarray aus­ gebildet ist.

13. Meßverfahren und Einrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch seine Anwendung bei fahrerlosen Transportsystemen (34).