DE4236787A1

DE4236787A1 - Laserentfernungsmesser

Info

Publication number: DE4236787A1
Application number: DE4236787A
Authority: DE
Inventors: Yeu-Hwa Shyy
Original assignee: NORM PACIFIC AUTOMAT CORP
Current assignee: NORM PACIFIC AUTOMAT CORP
Priority date: 1992-10-21
Filing date: 1992-10-30
Publication date: 1994-05-05
Also published as: US5262837A; GB2271901A; GB9222278D0; GB2271901B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Entfer nungsmeßverfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ab standes zwischen dieser Vorrichtung und einem Ziel, wobei diese Vorrichtung das Prinzip der Laserimpulsübergangszeit (Flugzeit) verwendet. Die Verwendung von digital program mierbaren Verzögerungsgeneratoren (DPDG) in der Verarbei tungseinheit vereinfacht das Design der Entfernungsmeßvor richtung wirkungsvoll. Die Auflösung der Entfernungsmeßvor richtung kann leicht durch eine serielle Anordnung von DPDGs erhöht werden.

Ein Laserentfernungsmeßapparat verwendet ein moduliertes Lasersignal zum Messen des Abstandes zwischen dem Entfer nungsmeßapparat und einem Ziel, indem die Übergangszeit des Lasersignals von dem Entfernungsmeßapparat und zurück be stimmt wird. Der Zeitunterschied ΔT, also die Flugzeit, zwi schen dem Senden des Lasersignals und dem Empfang des von dem Ziel reflektierten Signals ist ein direktes Maß für den zu messenden Abstand D. Jedoch wird das Lasersignal mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, welches ein hoher Wert ist, daher verlangt eine genaue Entfernungsmessung eine genaue Zeitintervallmessung. Zum Beispiel entspricht eine Ab standsänderung des Ziels von 15 cm einem Zeitunterschied von nur einer Nanosekunde (10^-9s).

Im Stand der Technik gibt es einige Verfahren zum Umwan deln der gemessenen Werte, um die erforderliche Zeitauflö sung zu erhalten und die Flugzeit ΔT zu berechnen. Diese Verfahren dehnen oder verlängern entweder das Zeitintervall signal durch elektronische Mittel oder wandeln es in einen anderen meßbaren Wert, wie etwa in eine Spannung um, beruhen auf einer großen Menge genauer elektronischer Komponenten, erhöhen die Schaltkreiskomplexität und führen leicht zu ei ner Abnahme der Zeitgenauigkeit. Verfahren zum Berechnen der Phasendifferenz der gesendeten und empfangenen Lasersignale machen den elektronischen Schaltkreis noch komplizierter und verlangen eine längere Berechnungszeit.

Normalerweise verwendet eine Laserentfernungsmeßvorrich tung zwei Detektoren, jeweils einen für das gesendete und für das reflektierte Signal. Die Verarbeitung doppelter Si gnale verkompliziert die Vorrichtung. Das US-Patent Nr. 4 770 526 legt einen besseren Weg offen, der einen einzigen Detektor zum Detektieren der gesendeten und empfangenen La sersignale verwendet. Er konnte das Design der Entfernungs meßvorrichtung vereinfachen, mußte aber eine Glasfaser ver wenden, um das Rückkopplungslasersignal zum optischen Detek tor zu führen. Aus diesem Grund schattet die Faser einen Teil der Sendefläche des Laserstrahls ab und verringert die Dichte des gesendeten Signals. Die Effizienz des optischen Detektors wird auch verringert. Darüber hinaus ist, da der einzige optische Detektor das gesendete und reflektierte Si gnal rechtzeitig feststellen sollte, das Schaltkreisdesign immer noch kompliziert.

Im allgemeinen beschränkt ein bestimmtes Entfernungsmeß verfahren und eine Vorrichtung den Bereich und die Auflö sung. Das bedeutet, daß es fast unmöglich ist, sie zu än dern, indem man einfach einen Teil des Schaltkreises ändert. Aber es besteht ein Bedarf, verschiedene Erfordernisse ein fach zu befriedigen.

In Anbetracht des vorstehenden ist es das Ziel der vor liegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Entfernungsmessung zur Verfügung zu stellen, welche die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermei den, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Entfernungsmessung zur Verfügung zu stellen, das ei nige digital programmierbare Verzögerungsgeneratoren (DPDG) zum Bilden eines einfacheren Entfernungsmeßschaltkreises als bei herkömmlichen Entfernungsmeßvorrichtungen verwendet. Mit anderen Worten verwendet diese Erfindung DPDGs zum genauen Verzögern der ansteigenden Flanken von Signalen und zum Er zeugen der erforderlichen Signale. Als Ergebnis benötigt diese Erfindung keine Umformung der gemessenen Signale in eine erforderliche Form mit Hilfe komplizierter Schalt kreise.

Ein weiteres wichtiges Merkmals der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Entfernungs messung zur Verfügung zu stellen, die elektronische Schalt kreise mit DPGDs verwendet, um die Flugzeit T genau einzu stellen und zu messen, wobei die Übertragungszeit des Laser signals von einem Lasertreiber direkt bereit gestellt wird. Somit stellt ein Detektor nur das reflektierte Zielsignal fest, und ein vereinfachter Signalverarbeitungsschaltkreis kann verwendet werden. Darüber hinaus minimiert die Verarbei tung digitaler Signale den Einfluß der Temperatur.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine in der Auflösung einstellbare Entfernungsmeßvorrichtung zur Verfü gung zu stellen, die ihre Auflösung durch serielle Anordnung von DPDGs erhöhen kann. Durch eine solche Anordnung kann sie die Genauigkeit der Entfernungsmessung erhöhen, um unter schiedliche Entfernungsmeßerfordernisse zu befriedigen.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die in den bei gefügten Patentansprüchen definierte Vorrichtung und Verfah ren gelöst.

Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum genauen Bestimmen der Flug zeit eines Laserstrahls und zum genauen Berechnen des Ab standes. Die Vorrichtung umfaßt: eine Vorrichtung zum Erzeu gen eines Lasersignals; eine Vorrichtung zum Senden und Emp fangen eines Laserstrahls; und eine von einem Mikroprozessor gesteuerte Flugzeitverarbeitungseinheit. Ein Sendezeitsignal wird beim Senden eines Laserimpulses und ein Empfangszeitsi gnal wird beim Empfang des gestreuten Laserstrahls der Flug zeitverarbeitungseinheit zur Verfügung gestellt. Wenigstens zwei digital programmierbare Verzögerungsgeneratoren befin den sich in der Flugzeitverarbeitungseinheit, um die Signale um geeignete Zeitintervalle zu verzögern, so daß der Mikro prozessor durch Verwenden einer binären Suche und durch Überwachen der Ausgabe eines Daten-Flip-Flops die Flugzeit des Laserstrahls bestimmen kann, so daß dann der Abstand durch Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden kann. So kann auch die Geschwindigkeit eines sich be wegenden Objektes bestimmt werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnun gen beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer erfin dungsgemäßen Systemanordnung.

Fig. 2 ist ein detailliertes schematisches Blockdiagramm für eine Flugzeitverarbeitungsvorrichtung in dieser Erfin dung.

Fig. 3 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Zustand der in dieser Erfindung kompensierten und eingestellten Zeitsi gnale zeigt.

Fig. 4 ist ein sequentielles Diagramm, das ein exempla risches Verfahren zum Berechnen der Flugzeit entsprechend dieser Erfindung zeigt.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Sy stemanordnung entsprechend dieser Erfindung. Ein Lasertrei ber 1 betätigt einen Sender 2, um Laserimpulse zu emittie ren, und erzeugt ein Sendezeitsignal Tt für eine Flugzeit verarbeitungseinheit 4. Der Sender 2 umfaßt eine Laserdiode zum Emittieren eines Laserimpulses durch eine optische Faser 22 und durch Linsen 23 auf ein nicht gezeigtes Objekt. Das von dem Objekt zurückgestreute Laserlicht wird von einem Empfänger 3 aus Linsen 31, einer Faser 32 und einem Detektor 33 empfangen, wodurch ein Empfangszeitsignal Tb, das sich auf die Flugzeit bezieht, erhalten wird. Die Verarbeitungs einheit 4, die von einem Mikroprozessor 5 gesteuert wird, stellt die ansteigenden Flanken der beiden Signale Tt und Tb auf bestimmte Weise ein (welche später beschrieben wird), um die Flugzeit ΔT und den Abstand zu berechnen.

Fig. 2 ist ein detailliertes schematisches Blockdiagramm einer Flugzeitverarbeitungseinheit 4 in einem Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Einheit 4 umfaßt drei digital programmierbare Verzögerungsgeneratoren (DPDG) 411, 412, 423 und ein D-Flip-Flop 42. An den DPDG 411 und den DPDG 413 werden jeweils ein Sendezeitsignal Tt und ein Empfangszeitsignal Tb angelegt und dann dadurch, wie ge zeigt, durch die Steuerung des Mikroprozessors 5 in zwei verzögerte Signale T und R, die in Fig. 3 weiter beschrieben werden, verzögert. Das verzögerte Signal T wird durch den DPDG 412 weiter in eine Reihe von verzögerten Signalen TT verzögert, die zusammen mit dem verzögerten Signal R dem D- Flip-Flop 42 zur Verfügung gestellt wird, dann kann die Flugzeit ΔT in einem später in Verbindung mit Fig. 4 be schriebenen Verfahren bestimmt werden. Die Impulsbreite W des Signals R ist für den Vorgang einer Verzögerungsleitung in dem DPDG-Schaltkreis, der zum Stand der Technik gehört, auf geeignetes Zeitintervall einstellbar. In den verzögerten Signalen T und TT sind nur die ansteigenden Flanken von In teresse.

Ein DPDG ist eine bekannte elektronische Komponente, die einen linearen Rampengenerator enthält. Die ansteigende Flanke eines Eingangssignals löst den Rampengenerator aus. Dann überwacht der Komparator die Rampenspannung und schal tet die verzögerte Ausgabe auf HOCH, wenn die Rampenspannung die von einer Ausgangsspannung des D/A-Wandlers eingestellte Schwellspannung kreuzt. Die Schwellspannung ist durch eine digitale Eingabe von einem Mikroprozessor einstellbar. Die Steigung der Rampe, also die maximal verzögerbare Zeit, wird durch einen in dem Schaltkreis des DPDG einfügten Widerstand und Kondensator eingestellt. Diese maximal verzögerbare Zeit, hiernach voller Skalenbereich (FS) genannt, wird ent sprechend einem maximalen Abstand, in dem die Vorrichtung arbeiten soll, bestimmt. Durch eine n-Bit-Eingabe von einem Mikroprozessor kann der FS-Bereich in 2ⁿ Unterteilungen un terteilt werden (der entsprechende detektierbare Bereich kann auch in 2ⁿ Unterteilungen unterteilt werden, die sich auf die Meßauflösung beziehen). Wenn zum Beispiel die Steuereingabe "11111111" ist, befindet sich die verzögerte Signalausgabe am Ende des FS; und wenn die Steuereingabe "11111000" ist, ist die verzögerte Signalausgabe am 248. In krement des FS. So erzeugt ein DPDG eine genaue inkremen tierte Verzögerung zwischen Eingabe und Ausgabe, die propor tional einer digitalen Steuereingabe ist.

Das in dieser Erfindung verwendete Flip-Flop 42 des D- Typs umfaßt einen digitalen D-Eingang, einen Referenzeingang CLK und einen Ausgang Q auf. Der Ausgang Q ist HOCH, wenn der Eingang (zum Beispiel das verzögerte Signal R) zu D HOCH ist, während eine Eingabe (z. B. ein verzögertes Signal TT) CLK auslöst; und der Ausgang Q ist NIEDRIG, wenn der Eingang zu D NIEDRIG ist, während ein Eingang CLK auslöst.

Fig. 3 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Zustand von Zeitsignalen, die in einem Ausführungsbeispiel dieser Erfin dung kompensiert und eingestellt werden, zeigt. Wie man weiß, benötigt eine Entfernungsmeßvorrichtung, verursacht durch die Responseverzögerung in den Komponenten, eine Zeit kalibrierung. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet die DPDGs 411 und 413, um die ansteigenden Flanken der Eingangssignale Tt und Tb einzustellen und sie mit geeigneten Zeitinterval len Δt1 und Δt3 in verzögerte Signale T und R zu verzögern. Die Zeitintervalle Δt1 und Δt3 sind Werte, die aus der Ent fernungsmessung einer bekannten Distanz zur Kalibrierung ge nommen werden, damit diese Zeitdifferenz zwischen den Signa len T und R genau die Flugzeit ΔT ist. Mit anderen Worten wird der gesamte Zeitfehler von den DPDGs 411 und 413 kom pensiert. Darüber hinaus kann für einen speziellen Bereich für die Entfernungsmessung die Beziehung des Verzögerungsin tervalls Δt3 zum Intervall Δt1 aus verschiedenen Entfer nungsmeßtests gefolgert werden, und ein DPDG wie der DPDG 411 kann weggelassen werden, um den Schaltkreis weiter zu vereinfachen.

Fig. 4 ist ein sequentielles Diagramm, das ein exempla risches Verfahren zum Berechnen der Flugzeit entsprechend dieser Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die verzögerten Ausgangssignale R und T der DPDGs 413 und 411 so eingestellt, daß sie einen Zeitunterschied entspre chend der Flugzeit ΔT haben. Dann versucht das DPDG 412 beim nachfolgenden Senden und Empfangen, das Signal T mit ver schiedenen Zeitintervallen C1, C2, . . . , usw. entsprechend den Unterteilungen des vollen Skalenbereichs FS zu verzögern, um jeweils, wie gezeigt, Signale TT1, TT2, . . . , usw. zu erzeu gen. Dies wird mittels einer "binären Suche", die später be schrieben wird, durchgeführt. Durch diese Suche und die Funktion des D-Flip-Flops 42 (Fig. 2) wird ein geeigneter inkrementierter Wert erhalten, der die Flugzeit ΔT approxi miert.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird ein geeigneter voller Ska lenbereich FS des maximal verzögerbaren Zeitbereichs des DPDG 412 eingestellt. Demzufolge wird die Breite W des Si gnals R länger als die Hälfte des FS eingestellt. Wenn man annimmt, daß der FS in 16 (=2⁴) unterteilt ist und sich die ansteigende Flanke des Signals R zwischen dem fünften und sechsten Inkrement befindet, kann der Mikroprozessor 5 durch eine n-malige (hier ist n=4) Suche wie unten beschrieben ein Ergebnis erhalten.

Der DPDG 412 wird zunächst von dem Mikroprozessor 5 ge steuert, um das Signal T in ein Signal TT1 mit einer Zeit verzögerung C1=FS/2 (also C1=8) zu verzögern, dann ist der Ausgang des Flip-Flop 42 HOCH (hier als Q1=1 definiert), da die ansteigende Flanke des Signals TT1 nach der des Signals R liegt. Die zweite Zeitverzögerung wird dann auf C2=C1-FS/4 (also C2=4) eingestellt, so daß der Ausgang des Flip-Flop 42 NIEDRIG ist (hier als Q2=-1 definiert), da die ansteigende Flanke des verzögerten Signals TT2 vor der des Signals R liegt. Auf ähnliche Weise werden die dritte und vierte Ver zögerungszeit der Reihe nach auf C3=C2+FS/8 (also C3=6) und C4=C3-FS/16 (also C4=5) eingestellt und ergeben Q3=1 und Q4=-1. Zu diesem Zeitpunkt wird bestätigt, daß die Flugzeit ΔT zwischen der Verzögerung C3 (6) und C4 (5) liegt und kann als 5,5 Inkremente der FS dargestellt werden. Natürlich kann, wenn die Segmente der FS durch den DPDG 412 auf 28 (also n=8) erhöht werden, die Auflösung oder Genauigkeit der Entfernungsmeßvorrichtung erhöht werden, aber es sind 8 Suchvorgänge erforderlich. Die zuvor erwähnte Prozedur kann wie folgt formuliert werden:

wobei: ΔT = Flugzeit
FS = der verzögerbare volle Skalenbereich des DPDGs 412
n = der Index der Unterteilungen von FS
Q_x (x=1, 2, . . . , n) = die x-te Zeitausgabe des Flip-Flops 42, die hier HOCH als 1 und NIEDRIG als -1 defi niert.

Der digitale n-Bit-Steuerungswert des Mikroprozessors hängt von der Auswahl der DPDGs ab. Ein größeres "n" oder ein kleinerer FS′-Bereich sorgen für eine bessere Auflösung. Daher kann man seriell zwei oder sogar mehr DPDGs für die Funktion des zuvor erwähnten DPDG 412 verbinden. Also be stimmt ein erstes mit einer geringeren Auflösung einen das Signal R enthaltende Intervall, und dann sucht ein folgendes mit einer höheren Auflösung die genaue Position des Signals R in dem bestimmten Bereich. Somit kann durch die serielle Anordnung von DPDGs die Auflösung um ein vielfaches verbes sert werden, ohne die anderen Schaltkreise zu stören.

Diese Erfindung umfaßt einen einfachen Schaltkreis und ist einfach zu entwerfen. Die Entfernungsmeßeinheit wird di gital gesteuert und wird wenig von der Temperatur gestört. So kann sie in Fahrzeugen zur dynamischen Entfernungsmessung von Hindernissen verwendet werden.

Auch wenn diese Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, soll sie alle Modi fikationen und Äquivalente innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche umfaßt sein.

Claims

1. Entfernungsmeßverfahren, das Laserstrahlen zum Messen des Abstandes zwischen einem Ziel und einer Entfernungsmeß vorrichtung durch einen "Flugzeitwert" verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Verfahrensschritte umfaßt:

a) Senden von Laserimpulsen zu dem Ziel und Erhalten eines ersten Zeitsignals (Tt), das dem Senden entspricht;
b) Empfangen gestreuter Laserimpulse von dem Ziel und Erhalten eines zweiten Zeitsignals (Tb), das dem Empfang entspricht;
c) Verzögern wenigstens eines des ersten und zweiten Zeitsignale (Tt, Tb) zum Kompensieren von Zeitfehlern in dritten (T) und vierten Zeitsignalen (R), die einen Zeitun terschied exakt gleich der Flugzeit haben;
d) außerdem Versuchen, der Reihe nach ein früheres der dritten und vierten Signale (T) zu verzögern, um ein verzö gertes fünftes Signal (TT) an eines der dritten und vierten Signale (R) anzupassen, und Erhalten eines Zeitwertes, der die Flugzeit (ΔT) approximiert, wenn die Anpassung beendet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung in einem binären Suchverfahren durchge führt wird.

3. Entfernungsmeßvorrichtung, die Laserstrahlen zum Mes sen des Abstandes zwischen einem Ziel und der Entfernungs meßvorrichtung durch einen "Flugzeitwert" verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

a) eine Vorrichtung (1, 2) zum Senden von Laserimpulsen zu dem Ziel und Erhalten eines ersten Zeitsignals (Tt), das dem Senden entspricht;
b) eine Vorrichtung (3) zum Empfangen gestreuter La serimpulse von dem Ziel und Erhalten eines zweiten Zeitsi gnals (Tb), das dem Empfang entspricht;
c) eine Vorrichtung (411, 413) zum Verzögern wenigstens eines des ersten und zweiten Zeitsignale (Tt, Tb) zum Kom pensieren von Zeitfehlern in dritten (T) und vierten Zeitsi gnalen (R), die einen Zeitunterschied exakt gleich der Flug zeit haben;
d) eine Vorrichtung (412) zum Versuchen, der Reihe nach ein früheres der dritten und vierten Signale (T) zu verzö gern, um ein verzögertes fünftes Signal (TT) an eines der dritten und vierten Signale (R) anzupassen, und zum Erhalten eines Zeitwertes, der die Flugzeit (ΔT) approximiert, wenn die Anpassung beendet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Verzögern von Signalen digital programmierbare Verzögerungsgeneratoren (411, 412, 413) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum weiteren Verzögern und Anpassen von Signalen wenigstens einen digital programmierbaren Verzöge rungsgenerator umfaßt, der von einem Mikroprozessor gesteu ert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum weiteren Verzögern und Anpassen von Signalen wenigstens zwei digital programmierbare, seriell verbundene Verzögerungsgeneratoren umfaßt.