DE4303804C2 - Distance measuring device - Google Patents

Distance measuring device

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of the saying 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 22 29 339 B2 bekannt. Zur Bestim­ mung der Entfernung eines Objektes zur Einrichtung wird der Sendelichtstrahl nacheinander mit zwei verschiedenen Modulationsfrequenzen moduliert und das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen.Such a device is known from DE 22 29 339 B2. For determination The distance of an object to the device becomes the transmitted light beam sequentially modulated with two different modulation frequencies and that Measure object with both modulation frequencies.

Dabei ist die Frequenz, mit der die erste Modulation durchgeführt wird, erheb­ lich kleiner als die Frequenz, mit der die zweite Modulation durchgeführt wird.The frequency at which the first modulation is carried out is high Lich less than the frequency with which the second modulation is carried out.

Demzufolge wird mit der ersten Modulationsfrequenz eine Grobmessung durch­ geführt, mit der die Distanz des Objekts lediglich näherungsweise bestimmt wird. Anschließend erfolgt mit der zweiten Modulationsfrequenz eine Feinmes­ sung, die eine Präzisierung der ersten Messung liefert.As a result, a rough measurement is carried out at the first modulation frequency with which the distance of the object is determined only approximately becomes. A fine measurement is then carried out at the second modulation frequency solution that provides a more precise first measurement.

Derartige Einrichtungen können vorteilhaft zur Vermessung statischer Objekte, wie z. B. von Gebäuden, eingesetzt werden, da sich während der Messungen mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen das Objekt relativ zur Einrich­ tung nicht bewegen darf. Dies liegt darin begründet, daß mit der ersten Mes­ sung eine genaue Distanzmessung nicht möglich ist.Devices of this type can advantageously be used to measure static objects, such as B. of buildings, are used because during the measurements with the different modulation frequencies the object relative to the device device must not move. The reason for this is that with the first measurement exact distance measurement is not possible.

Während dieser Zeit erfolgende Objektbewegungen können nur sehr ungenau registriert werden. Falls sich ein Objekt während der Messung mit der zweiten Messung schnell bewegt, kann aufgrund des sehr kleinen Eindeutigkeitsbereichs der Messung, der durch den Betrag der Modulationsfrequenz vorgegeben ist, eine genaue Lokalisierung des Objekts erschwert werden.Object movements during this time can only be very imprecise be registered. If an object during the measurement with the second Measurement moves quickly, due to the very small uniqueness range the measurement, which is predetermined by the amount of the modulation frequency, exact localization of the object can be difficult.

Bei den aus der WO 90/00746 und der EP 0035 755 bekannten Einrichtungen werden drei Modulationsfrequenzen zur Durchführung von Grob- und Feinmes­ sungen verwendet.In the devices known from WO 90/00746 and EP 0035 755 three modulation frequencies for performing coarse and fine measurements  solutions used.

Eine Einrichtung zur Entfernungsmessung ist aus der DE-PS 40 27 990 be­ kannt. Zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird der Phasenwinkel zwischen dem Sendelichtstrahl und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl ausgewertet. Innerhalb des Winkelbereichs zwischen 0° und 360° ist der Phasenwinkel proportional zur Entfernung des Objekts von der Einrichtung. Sobald dieser Winkelbereich überschritten wird, können die Pha­ senwinkel nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden. Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelicht­ strahls ist der Meßbereich demnach auf den Bereich einer Wellenlänge der Mo­ dulationsfrequenz beschränkt.A device for distance measurement is from DE-PS 40 27 990 be knows. To determine the distance of an object to the facility, the Phase angle between the transmitted light beam and that reflected by the object Receiving light beam evaluated. Within the angular range between 0 ° and 360 °, the phase angle is proportional to the distance of the object from the Facility. As soon as this angular range is exceeded, the Pha can no longer be clearly assigned to a distance value. At the use of a modulation frequency to modulate the transmitted light The measuring range is therefore beam-like to the range of a wavelength of the Mo dulation frequency limited.

Zur Erweiterung des Meßbereichs der Einrichtung wird der mit einer Modula­ tionsfrequenz modulierte Sendelichtstrahl für die Dauer einer bestimmten An­ zahl von Perioden unterbrochen.To expand the measuring range of the device, the one with a modula tion frequency modulated transmission light beam for the duration of a certain An number of periods interrupted.

Nachteilig hierbei ist, daß durch das Aufprägen der zweiten Modulationsfre­ quenz die über die Dauer der beiden Intervalle gemittelte Sendelichtintensität reduziert wird. Dies führt insbesondere bei schnellen Meßvorgängen, bei denen der Sendelichtstrahl nur über wenige Perioden der Modulationsfrequenz ausge­ wertet werden kann, zu einer erheblichen Verminderung des Signal/Rauschver­ hältnisses. Dies kann dazu führen, daß insbesondere Objekte, deren Oberflä­ chen das Sendelicht zur zu einem geringen Anteil reflektieren, nicht mehr ver­ messen werden können.The disadvantage here is that by impressing the second modulation fre quenz the transmitted light intensity averaged over the duration of the two intervals is reduced. This leads particularly in the case of fast measuring processes in which the transmitted light beam is emitted only over a few periods of the modulation frequency can be evaluated, to a significant reduction in the signal / noise ratio. This can lead to the fact that in particular objects whose surface reflect the light to a small extent, no longer can be measured.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Meßbereichser­ weiterung der Phasenmessung zu erzielen, die eine möglichst hohe Meßemp­ findlichkeit bei möglichst kurzen Reaktionszeiten gewährleistet.An object of the present invention is to provide a measuring range to achieve extension of the phase measurement, the highest possible measuring temp sensitivity with the shortest possible response times guaranteed.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-6 beschrieben.The features of claim 1 are provided to achieve this object. Advantageous embodiments and expedient further developments of the Erfin  tion are described in claims 2-6.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt insbesondere darin, daß durch die Verwendung zweier Modulationsfrequenzen gleicher Größenordnung mit jeder Einzelmessung, für die eine der beiden Modulationsfrequenzen ver­ wendet sind, die gewünschte Genauigkeit erzielt wird.The advantage of the device according to the invention is in particular that by using two modulation frequencies of the same order of magnitude with each individual measurement for which one of the two modulation frequencies ver the desired accuracy is achieved.

Die Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs der Distanzmessung über die Wel­ lenlänge einer der beiden Modulationsfrequenzen hinaus erfolgt durch einfachen Vergleich der Beträge der Entfernungswerte, die mit den einzelnen Modula­ tionsfrequenzen aufgenommen werden. Dadurch kann der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmessung auf das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Mo­ dulationsfrequenzen vergrößert werden. Die Beträge der Modulationsfrequenzen sind teilerfremde Zahlen, so daß der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmes­ sung maximiert wird.The expansion of the uniqueness of the distance measurement across the world length of one of the two modulation frequencies is done by simple Comparison of the amounts of the distance values with the individual modules tion frequencies are recorded. This allows the area of uniqueness the distance measurement to the smallest common multiple of the two mo dulation frequencies are increased. The amounts of the modulation frequencies are non-prime numbers, so that the uniqueness of the distance measuring solution is maximized.

Da die beiden Einzelmessungen die Distanzmessung mit nahezu derselben Genauigkeit erfolgen, kann eine Mehrfachmessung, die sich in Grob- und Feinanessungen unterteilt, zur Bestimmung der Distanz des Objekts zur Ein­ richtung vermieden werden. Dadurch kann die Reaktionszeit bei der Entfer­ nungsmessung erheblich verkürzt werden.Since the two individual measurements, the distance measurement with almost the same Accuracy can be a multiple measurement, which can be rough and Fine measurements divided to determine the distance of the object to the on direction can be avoided. This allows the response time at the distance voltage measurement can be significantly reduced.

Demzufolge können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Objekte erfaßt werden, die sich relativ zur Einrichtung mit großer Geschwindigkeit bewegen. Erfindungsgemäß ist die Umschaltfrequenz der Modulationsfrequen­ zen an die Geschwindigkeit der Objekte angepaßt.Accordingly, objects can also be used with the device according to the invention be detected, which are relative to the facility at high speed move. According to the switching frequency of the modulation frequencies zen adapted to the speed of the objects.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß während zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfre­ quenzen die Position des zu vermessenden Objekts in gewissen Grenzen, die durch die Eindeutigkeitsbereiche der Einzelmessungen vorgegeben sind, variie­ ren kann. Another advantage of the device according to the invention is that during two distance measurements with different modulation fre limit the position of the object to be measured within certain limits, the are determined by the uniqueness ranges of the individual measurements, variie can.  

Selbst in diesem Fall ist eine exakte Ortsbestimmung des Objekts möglich, da mit jeder Einzelmessung die Ortsbestimmung hinreichend genau erfolgt. Bei dem nachfolgenden Vergleich der verschiedenen Einzelmessungen müssen diese nur innerhalb einer gewissen Unschärfe übereinstimmen.Even in this case, an exact location of the object is possible because with each individual measurement, the location is determined with sufficient accuracy. At the subsequent comparison of the various individual measurements must be carried out only match within a certain blur.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with reference to the drawings. It demonstrate:  

Fig. 1 Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 1 is a block diagram of the device according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der mit jeweils einer Modulations­ frequenz ermittelten Entfernungswerte, Fig. 2 is a schematic representation of the modulation frequency, each with a determined distance values,

Fig. 3 ein. Blockschaltbild der Schaltvorrichtung zum Umschalten der Modulationsfrequenzen. Fig. 3 a. Block diagram of the switching device for switching the modulation frequencies.

In Fig. 1 ist die Einrichtung 1 zur Entfernungsmessung schematisch dargestellt. Die Einrichtung 1 ist als optisches Sensorsystem ausgebildet, wobei als Sender 2 ein modulierter Dauerstrich-Laser verwendet wird. Als Empfänger 3 kann vor­ zugsweise eine Fotodiode verwendet werden.In Fig. 1, the device 1 for distance measurement is shown schematically. The device 1 is designed as an optical sensor system, a modulated continuous wave laser being used as the transmitter 2 . A photodiode can preferably be used as the receiver 3 .

Die Entfernungsmessung erfolgt mit Hilfe der Phasenmessung. Hierzu wird der Sendelichtstrahl 4 über einen Oszillator 5 bzw. 6 mit der Frequenz f₁ bzw. f₂ amplitudenmoduliert. Zur Bestimmung der Entfernung eines in den Zeichnungen nicht dargestellten Objekts zur Einrichtung 1 wird die Phasendifferenz zwischen dem Sendelichtstrahl 4 und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl 7 gemessen und in einen Entfernungswert X₁ bzw. X₂ umgerechnet.The distance measurement takes place with the help of the phase measurement. For this purpose, the transmitted light beam 4 is amplitude modulated via an oscillator 5 or 6 with the frequency f 1 or f 2 . To determine the distance of an object (not shown in the drawings) to the device 1 , the phase difference between the transmitted light beam 4 and the received light beam 7 reflected by the object is measured and converted into a distance value X 1 or X 2 .

Dem Empfänger 3 ist ein Phasendetektor 8 nachgeschaltet. Dort wird das von dem Oszillator 5 bzw. 6 zum Sender 2 geführten Sendesignal und das am Aus­ gang des Empfängers 3 anstehende Empfangssignal in Signale umgesetzt, die die Phasendifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal enthalten.A phase detector 8 is connected downstream of the receiver 3 . There, the transmitted signal from the oscillator 5 or 6 to the transmitter 2 and the signal pending at the output of the receiver 3 are converted into signals which contain the phase difference between the transmitted signal and the received signal.

Die Signale enthalten einen Faktor, der die Phasendifferenz enthält, sowie einen Amplitudenfaktor, der ein Maß für die Empfangslichtintensität ist.The signals contain a factor that contains the phase difference and one Amplitude factor, which is a measure of the received light intensity.

Zur Elimination der Amplitudenfaktoren wird das Empfangssignal den phasen­ empfindlichen Gleichrichtern 10, 11 mit jeweils einem nachgeschalteten Tiefpaß 12, 13 zugeführt, wobei die Gleichrichter 10, 11 über einen Phasenschieber 9 um π/2 phasenversetzt sind. To eliminate the amplitude factors, the received signal is fed to the phase-sensitive rectifiers 10 , 11 , each with a downstream low-pass filter 12 , 13 , the rectifiers 10 , 11 being phase-shifted by π / 2 via a phase shifter 9 .

An den Ausgängen der Tiefrässe 12, 13 liegen Signale der Form A sin Δϕ und A cos Δϕ an, wobei A den Amplitudenfaktor und Δϕ die Phasendifferenz von Sende- und Empfangssignal darstellt. In der Auswerteeinheit 14 wird der Quo­ tient tan Δϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A eli­ miniert wird.Signals of the form A sin Δϕ and A cos Δϕ are present at the outputs of the deep races 12 , 13 , where A represents the amplitude factor and Δϕ the phase difference between the transmit and receive signals. The quotient tan Δϕ of the two signals is formed in the evaluation unit 14 , as a result of which the amplitude factor A is eliminated.

Über die Schaltvorrichtung 15 wird jeweils einer der beiden Oszillatoren 5 oder 6 aktiviert, so daß der Sendelichtstrahl 4 entweder mit der Frequenz f₁ oder f₂ moduliert ist.One of the two oscillators 5 or 6 is activated via the switching device 15 , so that the transmitted light beam 4 is modulated either with the frequency f 1 or f 2 .

Fig. 2 zeigt die im Bereich von 0-2 π zur Phasendifferenz A (proportionalen Entfernungswerte X₁ und X₂, die mit einem mit der Frequenz f₁ bzw. f₂ modu­ lierten Sendelichtstrahl 4 für ein Objekt ermittelt wurden. Die Entfernungswerte X₁ und X₂ weisen jeweils die den Frequenzen f₁ und f₂ entsprechenden Periodi­ zitäten auf. Die Wiederholrate beim Umschalten der Modulationsfrequenzen ist dabei so groß gewählt, daß sich die Entfernung des Objekts zur Einrichtung 1 zwischen zwei Umschaltungen nicht wesentlich ändert. Demzufolge können zwei mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelte Entfernungswerte X₁ und X₂ zur Ermittlung der Distanz des Objekts von der Einrichtung 1 heran­ gezogen werden. Da die Entfernungswerte proportional zur Phasendifferenz Δϕ sind, ergibt sich durch den Vergleich der Entfernungswerte X₁ und X₂ ein ein­ deutiger Distanzwert in einem Meßbereich, der durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen der beiden Modulationsfrequenzen gegeben ist. Fig. 2 shows the in the range of 0-2 π to the phase difference A (proportional distance values X₁ and X₂, which were determined with a frequency f₁ or f₂ modulated transmitted light beam 4 for an object. The distance values X₁ and X₂ each have the The repetition rate when switching the modulation frequencies is chosen so large that the distance of the object to the device 1 does not change significantly between two changes. Accordingly, two distance values X 1 and X 2 determined with different modulation frequencies can be used for Determination of the distance of the object from the device 1. Since the distance values are proportional to the phase difference Δϕ, the comparison of the distance values X₁ and X₂ results in a clear distance value in a measuring range, which by the smallest common multiple of the wavelengths of the two Modulation ns frequencies is given.

Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Schaltvorrichtung 15. Die Schaltvorrichtung 15 besteht im wesentlichen aus vier NOR-Gattern 16, 17, 18, 19. Die Gatter 16, 18 sind mit den Oszillatoren 5 und 6 für die Frequenzen f₁ und f₂ verknüpft. Über den Anschluß "Frequenzwahl" und das Gatter 17 erfolgt die Auswahl einer der Frequenzen f₁ oder f₂ zur Modulation des Sendelicht­ strahls 4. Fig. 3 shows a practical embodiment of the switching device 15. The switching device 15 essentially consists of four NOR gates 16 , 17 , 18 , 19 . The gates 16 , 18 are linked to the oscillators 5 and 6 for the frequencies f 1 and f 2. Via the connection "frequency selection" and the gate 17 , one of the frequencies f 1 or f 2 is selected for modulating the transmitted light beam 4 .

Liegt am Anschluß "Frequenzwahl" der Bitwert 0 an, so liegt am Ausgang des Gatters 18 der Bitwert 0, so daß am Ausgang des Gatters 19 die Frequenz f₁ an­ steht. Zur Aktivierung der Frequenz f₂ wird der Anschluß "Frequenzwahl" auf den Bitwert 1 gesetzt. Dementsprechend liegt am Ausgängen der Gatter 16 der Bitwerte 0 an.Is the bit value 0 at the "frequency selection" terminal, then the bit value 0 is at the output of the gate 18 , so that the frequency f 1 is at the output of the gate 19 . To activate the frequency f₂, the "Frequency selection" connection is set to bit value 1. Accordingly, bit values 0 are present at the outputs of gates 16 .

Claims (6)

1. Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sendelicht emittierenden Laser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Modulationsfre­ quenzen amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und einem Phasendetektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls und des von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls, wobei die Modulationen des Sendelichtstrahls mit den jeweiligen Modulationsfre­ quenzen zeitlich getrennt erfolgen und zur Ermittlung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung (1) das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Modula­ tionsfrequenzen teilerfremde Zahlen gleicher Größenordnung sind, und daß die Änderung der Modulationsfrequenz innerhalb vorgegebener, an die Geschwindigkeit der Objekte relativ zur Einrichtung angepaßter Inter­ valle erfolgt.1.Device for distance measurement with a transmitting light-emitting laser, the transmitted light beam is amplitude-modulated with two predetermined modulation frequencies, and with a receiver and a phase detector for determining the phase difference of the transmitted light beam and the received light beam reflected by an object, the modulations of the transmitted light beam with the respective Modulation frequencies occur separately in time and to determine the distance of an object to the device ( 1 ) the object is measured with both modulation frequencies, characterized in that the amounts of the modulation frequencies are alien numbers of the same order of magnitude, and that the change in the modulation frequency is within a predetermined range the speed of the objects is relative to the establishment of adapted intervals. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unter­ schiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelten Entfernungswerte für ein Objekt zur Bestimmung des Absolutwertes des Entfernungswertes in einer Auswerteeinheit (14) miteinander verglichen werden.2. Device according to claim 1, characterized in that the distance values determined with different modulation frequencies for an object for determining the absolute value of the distance value are compared with one another in an evaluation unit ( 14 ). 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Fol­ gefrequenz der Intervalle größer ist als die Folgefrequenz verschiedener Distanzen von Objekten zur Einrichtung (1).3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the fol frequency of the intervals is greater than the repetition frequency of different distances from objects to the device ( 1 ). 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Oszillatoren (5, 6) zur Erzeugung der Modulationsfrequenzen ab­ wechselnd über eine Schaltvorrichtung (15) aktivierbar sind. 4. Device according to one of claims 1-3, characterized in that two oscillators ( 5 , 6 ) for generating the modulation frequencies can be activated alternately from a switching device ( 15 ). 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (9) aus zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (10, 11) besteht, von denen jeweils einer um 0° und 90° phasenversetzt zur Modulationsfrequenz des Sendelichtstrahls (4) angesteuert wird.5. Device according to one of claims 1-4, characterized in that the phase detector ( 9 ) consists of two phase-sensitive rectifiers ( 10 , 11 ), each of which is phase-shifted by 0 ° and 90 ° to the modulation frequency of the transmitted light beam ( 4 ) becomes. 6. Verfahren zur Ortung von Hindernissen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (1) zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eine Ablenkvorrichtung vor­ geschaltet ist, die den Sendelichtstrahl (4) entlang einer Bahn über einen vorgegebenen Raumbereich führt, wobei die Ablenkung des Sendelicht­ strahls (4) periodisch wiederholt wird, und wobei für aufeinanderfolgende Ablenkungen abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modulations­ frequenzen zur Modulation des Sendelichtstrahls (4) verwendet wird.6. A method for locating obstacles, characterized in that the device ( 1 ) for distance measurement according to one of claims 1 to 5, a deflection device is connected before, which guides the transmitted light beam ( 4 ) along a path over a predetermined area, the deflection of the transmitted light beam ( 4 ) is repeated periodically, and one of the two modulation frequencies for modulating the transmitted light beam ( 4 ) is used alternately for successive deflections.
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