DE4020833C2 - Lasersensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lasersensor gemäß dem Gattungsbe­ griff des Anspruchs 1.

Lasersensoren sind in den verschiedensten Ausführungsformen bereits be­ kannt. Für Meßaufgaben, bei denen zwei Objekte gleichzeitig erfaßt wer­ den und vermessen werden, benötigt der Stand der Technik bisher einen Lasersensor mit einem Umlenkspiegel für zwei Raumrichtungen, oder zwei komplette Lasersensoren mit festen Raumrichtungen. Solche Lasersensoren sind beispielsweise aus der Druckschrift der Anmelderin DE 32 07 382 C2 oder den weiteren Druckschriften DE 35 43 993 A1 und DE-OS 22 47 161 bekannt. Weiterhin ist es bekannt, am/cw-Diodenlaser-Sensoren mit zweikanaliger phasenempfindlicher Gleichrichtung zur Entfernungsmessung zu verwenden.

Alle vorgenannten Ausführungsformen zur Erzeugung der Meßsignale benöti­ gen zwei Empfangskanäle und sind daher sowohl in Aufbau und Funktion, als auch material- und montagemäßig zu aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lasersensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorstehend aufgeführten Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist und durch Verzicht auf Umlenk­ spiegel oder zwei komplette Sensoren nur einen reduzierten Aufwand benö­ tigt, und bei dem trotzdem die Anwendung auf Meßaufgaben der Regelungs­ technik dadurch ermöglicht wird, daß die aus dem von zwei verschiedenen Objekten stammenden Empfangssignale derart zu einem einzigen Meßsignal zusammengefaßt werden, daß dieses Meßsignal dann als Regelsignal verwen­ det werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufgezeigt, und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungs­ beispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Lasersen­ sors mit zwei Meßstrahlen und gemeinsamem Empfänger in schemati­ scher Darstellung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Prinzipschaltung eines Ausführungsbei­ spiels des Lasersensors,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Prinzipschaltung zur Leistungsregelung des beschriebenen Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Schemabild bezüglich einer Verwendungsmöglichkeit des Laser­ sensors zur Leitspurlenkung von fahrerlosen Transportsystemen.

Der allgemeine Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung sieht zur Lösung der gestellten Aufgabe vor, einen Lasersensor so zu konzipieren, daß aus zwei Lasermeßstrahlen durch Differenzbildung ein gemeinsames Regelsignal erzeugt wird, wobei der Sensoraufwand im wesentlichen nur mehr demjenigen eines Einzelsensors entspricht, der Sensor also mit nur einem Empfänger, einer Empfangsoptik, einem Detektor, einer Modulations­ einrichtung und einer einkanaligen Auswerteschaltung auskommt.

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung diese Konzeption, wobei von zwei Lasern 13 und 14, denen ein Modulator 15 zugeordnet ist, zwei Laser-Meßstrahlen 13b, 14b in verschiedene Raumrichtungen auf die Objek­ te 13a, 14a gerichtet sind, und diesen beiden Meßstrahlen im Rücklauf von diesen Objekten ein gemeinsamer Empfänger 30 mit Empfangsoptik 16a zugeordnet ist, welche die Empfangsstrahlen 13c, 14c dem Detektor 16 zuführt. Letzterer weist seinerseits ein Empfangsgesichtsfeld auf, das die beiden Raumrichtungen der Meßstrahlen 13b, 14b einschließt. Die Laser 13, 14 werden durch die Modulationseinrichtung 15 mit unterschied­ lichen Modulationssignalen periodisch moduliert.

In dieser Ausführungskonzeption sind als Laser 13, 14 amplitudenmodu­ lierte, kontinuierlich strahlende am/cw-Diodenlaser vorgesehen, die im Gegentakt von einem gemeinsamen Oszillator mit zwei um 180° phasenver­ schobenen Ausgängen (Modulationseinrichtung 15) angesteuert werden.

Dem Detektor 16 des Empfangers 30 ist eine einkanalige Auswerteschaltung 32 nachgeschaltet, deren Ausgang ein über mehrere Modulationsperioden gemitteltes Meßsignal 19 liefert. Diese Auswerteschaltung 32 ist gemäß Fig. 2 mit einem Wechselspannungsverstärker 16a versehen, dessen Signal einem phasenempfindlichen Gleichrichter 17 zugeführt wird, der von einem der beiden Ausgänge des Modulators 15 (Oszillator) angesteuert wird. Das Ausgangssignal dieses Oszillators bildet nach einem Tiefpaß 18 zur Mit­ telung über mehrere Modulationsperioden das Meßsignal 19.

Bei vielen Meßaufgaben der Regeltechnik muß die relative Lage zwischen den beiden Objekten 13a, 14a und einem weiteren, mit dem Lasersensor 12 verbundenen Objekt gemessen und geregelt werden. Bei Abweichungen von der Soll-Lage entsteht nach Mittelwertbildung über mehrere Modulations­ perioden durch den Tiefpaß 18 ein Regelsignal 19, dessen Vorzeichen die Richtung der jeweiligen Abweichung anzeigt. Die "Steilheit" der Regelung hängt von der absoluten Höhe der Empfangssignale 13c, 14c ab. Um diese Effekte zu kompensieren, wird vorgeschlagen, wiederholt kurzzeitig beide Laserdioden 13, 14 im Gleichtakt, d. h. ohne Phasenverschiebung anzusteu­ ern. Das Regelsignal 19 nach dem Gleichrichter 18 stellt jetzt die Summe der Empfangsintensitäten von beiden Objekten 13a, 14a dar. Durch eine geeignete Abstimmung von Strahlform und Objektform wird erreicht, daß diese Intensitätssumme genähert konstant ist für einen ausreichend großen Ablagenbereich um die Soll-Lage. Dieses Summensignal, das jetzt mit 19a bezeichnet ist, wird dann durch die gemeinsame Regelung der bei­ den Laserleistungen konstant gehalten. Hierzu sieht die Schaltung die Einrichtungen 21 bis 24 vor. Ein von einem Diskriminator 22 angesteuer­ ter Schalter 23 schaltet bei einer noch zu beschreibenden Bedingung von der Messung des Ablage-Regelsignals 19 auf die Messung des Laserlei­ stungssignals 19a um. Hierzu wird der Laser 14 vom 180° phasenverschobe­ nen Ausgang des Oszillators 15 auf dessen direkten Ausgang mit 0° umge­ schaltet, so daß beide Laser 13, 14 nunmehr nicht im Gegentakt, sondern im Gleichtakt strahlen. Das die erfolgte Umschaltung auf Leistungsrege­ lung anzeigende Umschaltsignal 23a sowie das entstehende Summensignal 19a der Empfangssignale 13c, 14c werden der Leistungsregeleinheit 24 der beiden Laser 13, 14 zugeführt. Zwischen beiden Lasern wird bei einer Ka­ librationsmessung eine Leistungs-Offset so eingestellt, daß das Ablage­ regelsignal 19 verschwindet, wenn die Soll-Lage vorliegt. Damit bleiben ungleichmäßige Intensitätsverteilungen innerhalb der beiden Laserstrah­ len 13a, 14a ohne Einfluß, da sie durch einen Leistungs-Offset zwischen den beiden Lasern 13, 14 kompensiert werden. Um die beiden verschiedenen Regelsignale 19, 19a auseinanderzuhalten, wird das Regelsignal 19 einer Sample-and-Hold-Stufe 21 zugeführt. Das jetzt nicht mehr aktive Ablage­ regelsignal 19 an deren Ausgang 21a wird durch das dem "Hold"-Eingang 21b vom Schalter 23 zugeführte Umschaltsignal 23a auf seinem letzten Wert vor dem Umschalten festgehalten und kann somit weiterhin für die Steuerung des FTS 60 verwendet werden.

Es ist vorteilhaft, die Leistungsregelung nur dann zu aktivieren, wenn die Soll-Lage vorliegt, d. h. das Ablage-Regelsignal verschwindet. Damit bleiben wiederum ungleichmäßige Intensitätsverteilungen innerhalb der beiden Laserstrahlen 13b, 14b ohne Einfluß. Zu diesem Zweck wird immer dann auf Leistungsregelung umgeschaltet, wenn das Ablage-Regelsignal 19 am Ausgang 21a eine vorbestimmte Größe unterschreitet. Diese Bedingung wird durch den Diskriminator 22 überprüft, dessen Ausgang gegebenenfalls dann den Schalter 23 betätigt. Nach erfolgter Leistungsregelung auf den vorbestimmten Wert gibt die Leistungsregeleinheit 24 ein Rückschaltsig­ nal 23b an den Schalter 23, so daß dieser wieder zum alten Zustand, d. h. zur Ablagemessung zurückschaltet. Das erhaltene Ablagesignal 19 ist ge­ nähert nicht mehr abhängig von Abstand der Objekte 13a, 14a, deren Re­ flexionsvermögen usw.

Das in Fig. 4 beschriebene Ausführungsbeispiel eines fahrerlosen Trans­ portsystems FTS sieht vor, daß ein Retroreflektorband 11 an der Decke einer Werkhalle angebracht ist. Das FTS 60 ist zum Fahren entlang dieses Retroreflektorbandes 11 (Leitspur), dessen Ränder jetzt den Objekten 13a, 14a entsprechen, mit einer Zentraleinheit 50 mit Mikroprozessor 51 und Programmspeicher 52 versehen, der die Signale des Lasersensors 12, eines Lenksensors 53 und eines Rad-Umdrehungssensors 54 des FTS 60 zuge­ führt werden. Der Prozessor 51 ermittelt aus den eingehenden Sensorsig­ nalen 19, 53a, 54a sowie nach Maßgabe des Programmspeichers 52 die Sig­ nale 55a, 56a für die Lenkungs- 55 und Antriebseinrichtung 56 des FTS 60.

Auch hier hängt die Steilheit der Regelung von der absoluten Höhe der Empfangssignale ab, also z. B. vom Zustand (Reflexionsvermögen) des Re­ troreflektors 11 und von dem Abstand der Objekte 13a, 14a vom Sensor 12. Durch vorstehend erläuterte Maßnahmen ist nun ein Lasersensor der ein­ gangs genannten Art geschaffen worden, der in seiner Funktion bei Meß­ aufgaben der Regelungstechnik praktisch zwei kompletten Einzelsensoren entspricht, wobei der Bauteileaufwand im wesentlichen (mit Ausnahme eines zweiten Lasers mit Sendeoptik) demjenigen eines Einzelsensors entspricht.

Claims (6)

1. Lasersensor mit zwei Lasermeßstrahlen, denen zwei Laser mit Sendeoptiken und eine Empfangseinrichtung zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Meßstrahlen (13b, 14b) in verschiedene Raumrichtungen gerichtet sind und diesen beiden Meßstrahlen ein gemein­ samer Empfänger (30) mit einer Empfangsoptik (16b) und einem Detektor (16) zugeordnet ist, dessen Empfangsgesichtsfeld die Raumrichtungen der beiden Laser-Meßstrahlen (13b, 14b) enthält, daß ferner die Laser (13, 14) durch eine Modulationseinrichtung (15) mit unterschiedlichen Modu­ lationssignalen periodisch moduliert werden, und daß dem Detektor (16) eine einkanalige Auswerteschaltung (32) nachgeschaltet ist, deren Ausgang ein über mehrere Modulationsperioden gemitteltes Meßsignal (19) liefert, dessen Vorzeichen und Größe von der Differenz der Intensitäten abhängt, welche durch von den beiden Laser-Meßstrahlen (13b, 14b) getroffene Objekte (13a, 14a) wie beispielsweise die Randzonen eines Retroreflektorbandes (11) in das Empfangsgesichtsfeld des Empfängers (30) zurückgestreut werden.

2. Lasersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser (13, 14) amplitudenmodulierte, kontinuierlich strahlende (am/cw)- Diodenlaser sind, die im Gegentakt von einem gemeinsamen Oszillator (15) mit zwei um 180° phasenverschobenen Ausgängen als Modulationseinrichtung (15) angesteuert werden.

3. Lasersensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteschaltung (32) einen Wechselspannungsverstärker (16a) aufweist, an dessen Eingang das Signal des Detektors (16) angelegt wird, dessen Ausgangssignal einem phasenempfindlichen Gleichrichter (17) zugeführt wird, der von einem der beiden Ausgänge des Oszillators (15) angesteuert wird, und dessen Ausgangssignal nach einem Tiefpaß (18) zur Mittelung über mehrere Modulationsperioden das Meßsignal (19) bildet.

4. Lasersensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Form und die Intensitätsverteilung der beiden Laserstrah­ len (13b, 14b) sowie die Form und das Reflexionsvermögen der beiden Objekte (13a, 14a) derart aufeinander abgestimmt sind, daß sich bei Ab­ weichung der relativen Lage zwischen dem Lasersensor (12) und den Objek­ ten (13a, 14a) von einer vorbestimmten Soll-Lage als Meßsignal (19) ein Regelsignal (19) genähert proportional der Abweichung von der Soll-Lage ergibt.

5. Lasersensor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß beide am/cw-Diodenlaser (13, 14) wiederholt kurzzeitig ohne Phasenverschiebung im Gleichtakt vom Oszillator (15) angesteuert werden, und daß während dieser Zeitabschnitte die Leistung der beiden Dioden­ laser (13, 14) derart geregelt wird, daß das am Ausgang des Gleichrich­ ters (18) jetzt die Summe der Empfangsintensitäten beider Laserauftreff- Flächen (13a, 14a) bildende Leistungsregelsignal (19a) konstant gehalten wird.

6. Lasersensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß derart zwischen Messung und Leistungsregelung hin und her geschaltet wird, daß mittels eines Schalters (23) der Diodenlaser (14) zwischen Gegentakt und Gleichtakt zum Diodenlaser (13) geschaltet wird, wobei das am Ausgang des Tiefpasses (18) anliegende Meßsignal (19) einer Sample-and-Hold-Stu­ fe (21) zugeführt und wobei das nunmehr nicht aktive Meßsignal (19) auf seinem letzten Wert vor dem Umschalten festgehalten wird, und daß ein Diskriminator (22) an den Schalter (23) ein Signal zum umschalten auf Leistungsregelung dann abgibt, wenn das am Diskriminator (22) anlie­ gende Meßsignal (19) genähert gleich Null ist, wonach der Schalter (23) ein Signal an den "Hold"-Eingang (21b) abgibt.