DE4137980A1 - Verfahren zur bestimmung der position von objekten im raum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung der Position von Objekten im Gelände, haupsächlich, aber nicht ausschließlich zum Zweck der Lichtschußsimulation, die mindestens mit einem Retrore­ flektor versehen sind, von dem ein gepulster Laserstrahl engegen­ gesetzt zum Sender zurückreflektiert wird. Das zurückgestrahlte Licht wird mit einem oder mehreren Flächensensoren aufgenommen.

Bei Verfahren dieser Art wird das zu vermessende Objekt mit Laserlicht bestrahlt. Das Objekt reflektiert über den Retroreflektor ein Teil der Lichtenergie zurück. Die am Ort des Senders angelangte Lichtenergie kann mit Hilfe einer Optik zu einem oder mehreren photoempfindlichen Flächensensoren geleitet und in elektrische Signale umgewandelt werden. Mit Hilfe entsprechenden elektronischen Schaltungen und Recheneinheiten können die Signale verarbeitet und die Ergebnisse je nach Bedarf in Form von berechneten X,Y,Z- Koordinaten (siehe Bild 1) präsentiert werden oder man kann die Position des Objektes graphisch auf einem Monitor (z. B. PC-Monitor) darstellen .

Die Verwendung von kommerziellen Kameras für Zwecke der Vermessung der Position der Objekte im Raum und für Lichtschußsimulation ist aus mehreren Beschreibungen bekannt (z. B. DE-OS 30 10 196 A1, oder aus von uns verfaßter DE-OS 38 15 373 A1 etc.). Spezialtechniken werden angewendet, um das Nutz- und Störsignal (z. B. durch Umge­ bungslicht) zu trennen. So werden mechanische und elektronische Verschlüsse, Filter, Blenden, spezielle Lichtquellen (z. B. DE 33 29 747 C2) etc. verwendet. Es sind auch Verfahren bekannt, die gezielt durch Öffnung von Blenden (Verschlüssen) nur bestimmte Zeitinter­ valle bei der Laufzeit des Lichtes als Beobachtungsintervalle zulassen, um nur Objekte in bestimmten Entfernungen für die Vermessung zu selektieren (US 47 27 259).

Eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen dem Meß- und Störsignal (letzteres ist hauptsächlich durch die Hintergrundstrahlung gegeben) durch Verwendung von energiereichen Strahlen bzw. energiereichen Lasereinzelimpulsen ist für Vermessungszwecke aus Augensicherheits­ gründen nicht zu befürworten (obwohl diese Verfahren aus den Patent­ schriften bekannt sind z. B. DE 35 04 198.6). Die Benutzung von anderen Lichtquellen als im Sicht- und Nahinfrarotbereich (Laserwel­ lenlängen bei einigen µm) ist z. Z. noch zu kostspielig.

Die Aufgabe der Erfindung ist, mit dem genannten Verfahren das Verhältnis zwischen Signalenergie (die vom Retroreflektor kommende) und der Hintergrundlichtenergie (die von dem gemessenen Objekt und seiner Umgebung stammende) so zu verbessern, daß die von den Retroreflektoren zurückgestrahlte Lichtenergie sich von der Umgebungslichtenergie deutlich aufhebt.

Erfindungsgemäß wird die Verbesserung des Nutz-/Störsignals und der Positionsgenauigkeit der Objekte im Raum in dem hier vorgeschlagenen Verfahren durch eine Anpassung der Frequenz der Laserimpulse an die Öffnungszeit (Belichtungszeit), durch das Schalten des Lasers korrespondierend zu der Öffnungszeit des photosensitiven Elements (positionsempfindliche Diode Diodenarray etc.) und durch die Steuerung der Zahl der Laserimpulse und der Laserintensität erreicht. Durch diese genannten Maßnahmen erreicht man optimierte Abbildungen der Retroreflektoren auf den Flächensensoren, wobei die erwähnten Parameter (Frequenz, Intensität etc.) in Abhängigkeit von der Vermessung der relativen Transmission der Atmosphäre und der Z- Koordinate (Entfernung) mit Hilfe von erprobten Algorithmen variiert werden können.

Eine Anpassung der Belichtungszeit einer Photo- bzw. TV- Kamera (Blitz-Synchro) an die Pulslänge und Intensität einer Blitzlampe bzw. Laserlichquelle (z. B. beim Schweißen) ist bekannt. Bei diesen Verfahren ist die Arbeitsweise durch die Verschlußzeiten bzw. bei einer Kamera durch die TV- Normen gegeben; dieses wird durch externe Steuerung der dazu entsprechend modifizierten Kameras, Belich­ tungzeiten und Bestrahlungsstärken gemacht. Die Verarbeitung der Signale läuft dann (wie bekannt) direkt im Zeitraster einer kom­ merziellen Kamera ab.

Es ist aber einfacher, wie in dem hier geschilderten Verfahren vorgeschlagen und für die Lichtschußsimulation vorteilhafter, die Steuerung der Abgabe der unterschiedlichen Lasersignale der Belichtungszeitsteuerung des Photosensors anzupassen und die Signalverarbeitung ebenfalls direkt von einem µ-Prozessor durch­ zuführen. Die Steuerung der Meßzyklen durch den µ-Prozessor kann dann aperiodisch, jeweils angepaßt an die Bedingungen (d. h. Stärke des Signals, Entfernung, Transmission der Atmosphäre etc.), ablaufen.

Die geschilderte Arbeitsweise erlaubt noch eine weitere Verbesserung des Nutz-/Störlicht-Verhältnisses. Mit Hilfe von schnelleren Takt­ frequenzen kann die Information schneller ausgelesen und dadurch können die Zeiten, die bei einigen Flächensensoren für Datentransfer (z. B. sog. frame transfer) notwendig sind, reduziert werden. Die damit evtl. verbundene "Verschmierung" der Signale kann wegen des einfachen Informationsgehalts (Koordinatenpunkte) in Kauf genommen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Laserimpulse den Aufnahme- und Öffnungszeiten der Sensoren angepaßt werden, bzw. werden mehrere Laserimpulse in einer Minimalzeit gesendet (im sog. "burst" gesendete Impulse) und die zurück von dem Retroreflektoren gestrahlte Energie wird in einem Aufnahmeintervall (oder mehreren Aufnahmeintervallen) gesammelt. Es ist auch möglich, das Senden der Laserimpulsen so zu steuern, daß die zurückgestrahlte Energie genau dann kommt, wenn die Sensoren für die Belichtung vorbereitet sind. Eine Integration der Lichtenergie in einem Speicherelement über mehrere Impulse und mehrere Aufnahme- und Öffnungsintervalle des Flächensensors ist auf diese Weise möglich.

Die Benutzung von Arrays (Zeilen-, Flächensensoren) mit Anti­ blooming-Elektroden (Stand der Technik) ermöglicht kurze Belich­ tungszeiten und so auch die Integration der Signale über mehrere Aufnahme- und Belichtungsperioden. Nunmehr ist bei den meisten Arrays die Belichtungszeitsteuerung durch Änderung der Spannung an den Antiblooming-Elektroden ebenso wie die Steuerung der Auf­ nahmezeiten mit Hilfe von µ-Prozessoren Stand der Technik geworden.

Bild 1: ein prinzipielles Bild zur Erklärung der optischen Ver­ messung eines Objektes im Raum

Bild 2: Anpassung der Lichtquelle und der Signalverarbeitung an die Aufnahme- und Öffnungszeiten (Belichtungszeiten) eines Flächensen­ sors.

Auf dem Bild 1 ist durch den Retroreflektor 3 das zu betrachtende Objekt dargestellt. Das Objekt wird mit Hilfe der gepulsten Lichtquelle 1 (Laser) beleuchtet. Die zum Retroreflektor gelangte Strahlungsenergie wird nach der Reflexion mit Hilfe von photoemp­ findlichen Sensoren 4, 6 (Flächen- oder Zeilensensor bzw. einfache Photodiode) und entsprechenden optischen Einrichtungen 2 gesammelt. Wegen der Augensicherheitsbestimmungen wird die Zahl und Intensität der Impulse so variiert, daß die maximal zulässige Bestrahlung in einer Öffnungsperiode des Sensors nicht überschritten wird. Gleich­ zeitig muß auf die optimale Beleuchtung des Flächensensors geachtet werden, um eine Überstrahlung und damit die Berechnung der Position im Raum aus den Abbildungen nicht zu verfälschen. Es kann selbstver­ ständlich auch je Öffnungszeit, welche so kurz wie die zeitliche Länge eines Laserimpulses sein kann, (vorteilhaft bei periodischer Steuerung der Öffnunngszeiten) nur dieser Impuls registriert werden. Eine Integration der auf diese Weise gewonnenen Signale über mehrere Aufnahme- und Öffnungszeiten führt zu einem besonders günstigen Nutz-/Störstrahlungsverhältnis. Die Auswertung der Signale geschieht in der dem jeweiligen Sensor nachgeschalteten Elektronik 7.

In Bild 2 wird das prinzipielle Schaltbild der Steuerung der Lichtimpulse und der Photosensoren dargestellt. Die durch die optischen Einrichtungen 2 zu den Sensoren gelangte Lichtenergie (Leistung) 10 wird auf die entsprechenden Stellen der Sensoren 4, 6 abgebildet (bedingt durch die Ausrichtung der optischen Achse 5 des Systems). Die weitere Verarbeitung der in die elektrischen Signale umgewandelten Lichtsignale wird mit Hilfe der Recheneinheit 7 durchgeführt, und es werden rückkoppelnd die Parameter für die Beleuchtung und die Aufnahme- und Öffnungszeiten der Sensoren mit Hilfe der Recheneinheit 7 und der Steuerschaltungen 8, 9 variiert. Der Stand der Technik erlaubt es, auf die von kommerziellen Fernseh­ kameras bekannte Signalverarbeitung zu verzichten und eine auf die Aufgabe optimierte Zeitsteuerung zu verwenden, bei der mehrere Messungen pro Zeiteinheit als es in der Regel bei der Fernsehnorm üblich ist, gemacht werden können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Vermessung von Objekten im Raum, haupsächlich, aber nicht ausschließlich zum Zweck der Lichtschußsimulation, die mindestens einen Retroreflektor aufweisen, bei dem ein gepulster Lichtstrahl zum Objekt gesendet und das zurückgestrahlte Licht mit einem oder mehreren photoempfindlichen Flächensensoren (positions­ empfindliche Detektoren z. B. PIN-Dioden oder Charge Coupled Devices) aufgenommen und ausgewertet wird, ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Senden der Lichtimpulse, die Impulsfolge, Impuls­ frequenz und Intensität der Lichtquelle den Aufnahme- und Öffnungs­ zeiten der Sensoren, die auf Basis der Transmission der Atmosphäre und der Entfernung zu den zu vermessenden Objekten ermittelt wurden, angepaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme- und Öffnungszeiten der photoempfindlichen Sensoren beliebig von einer Recheneinheit programmierbar gestaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß das Senden von Laserimpulsen mit der Aufnahme- und Öffnungszeit des Flächensensors rechnerisch entfernungsabhängig korreliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Entfernung der Objekte zum Sender die Zeiten für das Senden der Lichtimpulse berechnet werden, so daß eine zeitliche Übereinstimmung der Aufnahme- und Öffnungszeit (Belich­ tungszeit) mit dem zurückgestrahlten Lichtenergieimpuls zustande kommt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der in elektrische Signale transferierten Licht­ signale zur Bestimmung der relativen Transmission der Atmosphäre verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Abhängigkeit von der Transmission der Atmosphäre, korrespon­ dierend zu den Aufnahme- und Öffnungszeit, mehrere zeitlich zusammengefaßte Lichtimpulse mit variabler Intensität in einem Belichtungsintervall gesendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Abhängigkeit von der Transmission der Atmosphäre, korrespon­ dierend zu den Aufnahmezeiten, Lichtimpulse mit variabler Intensität in je einem Belichtungsintervall gesendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Abhängigkeit von der Transmission der Atmosphäre eine Berechnung der Bestrahlung der Objekte der Aufnahmezyklen und der Öffnungszeiten der Sensoren vorgenommen wird, um eine "Standard­ abbildung" der Retroreflektoren auf den Sensoren zu erreichen und somit eine optimale Auswertung der Position der Objekte im Raum zu ermöglichen.

9. Verfahren nach Anspruch 8 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtenergie, die von einem oder mehreren in einem zeitlich komprimierten Raster gesendeten Lichtimpulsen ("bursts") stammt und von dem Retroreflektor zurückkommnt, programmierbar über ein oder mehrere Aufnahmeintervalle integriert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 ist dadurch gekennzeichnet, daß die vom Retroreflektor zurückkommende Lichtenergie in elektrische Signale (analoge oder digitale) umgewandelt wird, die dann in einem Speicher (analog oder digital) gespeichert werden und der nach­ geschalteten Elektronik mit Recheneinheit zur Auswertung zugeleitet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Signale in programmierbaren Zeitintervallen vorgenommen wird, die insbesonders, aber nicht ausschließlich un­ abhängig von Fernsehnormen gewählt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Signale hauptsächlich auf der Basis der in Anprüchen 1 bis 9 geschilderten Optimierungsmaßnahmen für die Abbildungen der Reflexe der Lichtimpulse auf den Flächensensoren durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9 bis 12 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung (Berechnung) der Raumkoordinaten in einer graphischen und/oder numerischen Darstellung auf einem Monitor, der nicht Fernsehnorm kompatibel sein muß (z. B. PC-Monitor), möglich ist.