DE4303804C2 - Means for measuring distance - Google Patents

Means for measuring distance

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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 on claim 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 22 29 339 B2 bekannt. Such a device is known from DE 22 29 339 B2. 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. For the determina tion of the distance of an object to set the transmitted light beam is modulated in succession with two different modulation frequencies and to measure the object using the two 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. Here, the frequency at which the first modulation is performed, fixed Lich smaller than the frequency at which the second modulation is performed.

Demzufolge wird mit der ersten Modulationsfrequenz eine Grobmessung durch geführt, mit der die Distanz des Objekts lediglich näherungsweise bestimmt wird. Accordingly, a coarse measurement is performed by which the distance of the object is only determined approximately with the first modulation frequency. Anschließend erfolgt mit der zweiten Modulationsfrequenz eine Feinmes sung, die eine Präzisierung der ersten Messung liefert. a Feinmes Subsequently, measurement with the second modulation frequency that provides a specification of the first measurement.

Derartige Einrichtungen können vorteilhaft zur Vermessung statischer Objekte, wie z. Such means may advantageously for surveying static objects, such. B. von Gebäuden, eingesetzt werden, da sich während der Messungen mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen das Objekt relativ zur Einrich tung nicht bewegen darf. As buildings, are used because not allowed to move during the measurements with the different modulation frequencies the object relative to the processing Einrich. Dies liegt darin begründet, daß mit der ersten Mes sung eine genaue Distanzmessung nicht möglich ist. This is due to the fact that a precise distance measurement is not possible with the first Mes sung.

Während dieser Zeit erfolgende Objektbewegungen können nur sehr ungenau registriert werden. During this time, success object movements can be very inaccurately registered. 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. If an object during measurement with the second measurement is moving fast, accurate location of the object can be made more difficult due to the very small unambiguous range of the measurement, which is determined by the amount of the modulation frequency.

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 WO 90/00746 and from EP 0035 755 known devices three modulation frequencies are used for performing measurements of coarse and Feinmes.

Eine Einrichtung zur Entfernungsmessung ist aus der DE-PS 40 27 990 be kannt. A device for distance measurement is known from DE-PS 40 27 990 be known. Zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird der Phasenwinkel zwischen dem Sendelichtstrahl und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl ausgewertet. To determine the distance of an object to set the phase angle between the transmitted light beam and the light beam reflected from the object reception is evaluated. Innerhalb des Winkelbereichs zwischen 0° und 360° ist der Phasenwinkel proportional zur Entfernung des Objekts von der Einrichtung. Within the angular range between 0 ° and 360 °, the phase angle is proportional to the distance of the object from the device. Sobald dieser Winkelbereich überschritten wird, können die Pha senwinkel nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden. Once this angle range is exceeded, the Pha senwinkel can not be clearly assigned to a distance value. Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelicht strahls ist der Meßbereich demnach auf den Bereich einer Wellenlänge der Mo dulationsfrequenz beschränkt. When using a modulation frequency for modulating the transmitted light beam, the measuring range is therefore limited to the range dulationsfrequenz a wavelength of the MO.

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 measurement range of the device provided with a Modula tion frequency modulated transmitted light beam is interrupted for the duration of a particular in number of periods.

Nachteilig hierbei ist, daß durch das Aufprägen der zweiten Modulationsfre quenz die über die Dauer der beiden Intervalle gemittelte Sendelichtintensität reduziert wird. The disadvantage here is that frequency by impressing the second Modulationsfre the average transmitted light intensity is reduced for the duration of two intervals. 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. This results especially in fast measuring processes in which the transmitted light beam evaluates been only a few periods of the modulation frequency can be, to a considerable reduction in the signal / Rauschver holds isses. Dies kann dazu führen, daß insbesondere Objekte, deren Oberflä chen das Sendelicht zur zu einem geringen Anteil reflektieren, nicht mehr ver messen werden können. This can cause, that in particular objects whose Oberflä chen the transmitted light to reflect a small proportion, can not be measure ver.

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 Meßbereichser furtherance of the phase measurement to achieve, which ensures a high as possible sensitivity Meßemp with short reaction times.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. To achieve this object the features of claim 1 are provided. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Ansprüchen 2-6 beschrieben. Advantageous embodiments and expedient developments of the dung OF INVENTION are described in the 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 are by the use of two modulation frequencies of the same order of magnitude with each individual measurement, for one of the two modulation frequencies ver turns, 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. The expansion of the unambiguous range of distance measurement on the Wel lenlänge one of the two modulation frequencies addition is done by simply comparing the amounts of the distance values ​​which are taken tion frequencies with each Modula. Dadurch kann der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmessung auf das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Mo dulationsfrequenzen vergrößert werden. Thus, the unambiguous range of distance measurement on the least common multiple of the two Mo can be increased dulationsfrequenzen. Die Beträge der Modulationsfrequenzen sind teilerfremde Zahlen, so daß der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmes sung maximiert wird. The amounts of the modulation frequencies are relatively prime numbers such that the unambiguous range of Odometer maximizing solution.

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. Since the two individual measurements are carried out, the distance measurement with almost the same accuracy, a multiple measurement, which is divided into coarse and Feinanessungen be avoided for determining the distance of the object to the A direction. Dadurch kann die Reaktionszeit bei der Entfer nungsmessung erheblich verkürzt werden. This allows the reaction time in the Entfer voltage measurement will be considerably shortened.

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

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, variie ren, during two distance measurements with different frequencies Modulationsfre the position of the object to be measured, within certain limits, which are dictated by the ambiguity regions of the individual measurements.

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

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. The invention is explained below in reference to the drawings. Es zeigen: Show it:

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 distance values determined in each case with a modulation frequency,

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

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

Die Entfernungsmessung erfolgt mit Hilfe der Phasenmessung. Distance is measured with the help of the phase measurement. Hierzu wird der Sendelichtstrahl 4 über einen Oszillator 5 bzw. 6 mit der Frequenz f₁ bzw. f₂ amplitudenmoduliert. To this end, the transmitted light beam 4 is f₁ via an oscillator 5 and 6, with the frequency f₂ or amplitude modulated. 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. To determine the distance of an object, not shown in the drawings for the device 1, the phase difference between the transmitted light beam 4 and the reflected from the object receiving the light beam 7 is measured and converted into a distance value X₁ or X₂.

Dem Empfänger 3 ist ein Phasendetektor 8 nachgeschaltet. The receiver 3 is followed by a phase detector. 8 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. There, the operations of the oscillator 5 and 6 to the transmitter 2 and the transmission signal is present at the transition from the receiver 3 received signal is converted into signals which contain the phase difference between the transmitted signal and 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 which contains the phase difference and an 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. Elimination of the amplitude factors is the received signal the phase-sensitive rectifiers 10, 11 supplied respectively with a downstream low-pass filter 12, 13, the rectifiers 10, 11 are phase-shifted via a phase shifter 9 to π / 2.

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. Signals are applied to the form A sin Δφ and A cos Δφ at the outputs of Tiefrässe 12, 13, where A is the amplitude factor and the phase difference Δφ of transmitting and receiving signal. In der Auswerteeinheit 14 wird der Quo tient tan Δϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A eli miniert wird. In the evaluation unit 14 of the Quo is tient tan Δφ of the two signals is formed, whereby the amplitude factor A is eli miniert.

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. Via the switching device 15 one of the two oscillators 5 or 6 is activated so that the transmitted light beam f₁ either 4 or the frequency f₂ is modulated.

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 Modulatio Fig. 2 shows the in the range of 0-2 π to the phase difference A (proportional distance values X₁ and X₂, which f₁ with the frequency or f₂ modu profiled transmitted light beam 4 were determined for an object. The distance values X₁ and X₂ each has the f₁ frequencies and f₂ corresponding Periodi capacities. the repetition rate of the switching of the modulation frequencies is selected so large that the distance of the object to the device 1 between two switchings does not change substantially. Accordingly, two distance values X₁ and X₂ are determined with different modulation frequencies determining the distance of the object from the device 1 zoom be drawn. Since the distance values are proportional to the phase difference Δφ, a one deutiger distance value is obtained by comparing the distance values X₁ and X₂ in a range defined by the least common multiple of the wavelengths of the two Modulatio nsfrequenzen gegeben ist. nsfrequenzen is given.

Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Schaltvorrichtung 15 . Fig. 3 shows a practical embodiment of the switching device 15. Die Schaltvorrichtung 15 besteht im wesentlichen aus vier NOR-Gattern 16 , 17 , 18 , 19 . The switching device 15 consists essentially of four NOR gates 16, 17, 18, 19th Die Gatter 16 , 18 sind mit den Oszillatoren 5 und 6 für die Frequenzen f₁ und f₂ verknüpft. The gates 16, 18 are f₁ and with the oscillators 5 and 6 for the frequencies f₂ linked. Über den Anschluß "Frequenzwahl" und das Gatter 17 erfolgt die Auswahl einer der Frequenzen f₁ oder f₂ zur Modulation des Sendelicht strahls 4 . Via the terminal "DTMF" and the gate 17 to select one of the frequencies f₁ or f₂ is done to modulate 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. Is applied to the terminal "DTMF" the bit value is 0, is present at the output of the gate 18 the bit value 0, so that at the output of gate 19, the frequency f₁ on standing. Zur Aktivierung der Frequenz f₂ wird der Anschluß "Frequenzwahl" auf den Bitwert 1 gesetzt. the terminal "DTMF" is f₂ for activating the frequency set to the bit value. 1 Dementsprechend liegt am Ausgängen der Gatter 16 der Bitwerte 0 an. Accordingly, 16 of the bit values of 0 is located at the outputs of the gates.

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. A device for distance measurement with a transmission light emitting laser, the transmitted light beam is amplitude-modulated sequences with two predetermined Modulationsfre, as well as with a receiver and a phase detector for detecting the phase difference of the transmitted light beam and the reflected light from an object receiving the light beam, wherein the modulation of the transmitted light beam with the respective Modulationsfre sequences carried out separately in time and for determining the distance of an object to the device (1) the object with two modulation frequencies is measured, characterized in that the amounts of Modula tion frequencies prime integers equal magnitude, and that the change of the modulation frequency within predetermined, to the speed of the objects relative to the device adapted Inter intervals occurs.
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 determined difference with union modulation frequencies distance values for an object for determining the absolute value of the distance value in an evaluation unit (14) are compared.
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. A device according to claim 1 or 2 characterized in that the Fol is gefrequenz of intervals greater than the repetition frequency of different distances of 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) can be activated to generate the modulation frequencies partly via 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. Driven 5. Device according to one of claims 1-4, characterized in that the phase detector (9) consists of two phase-sensitive rectifiers (10, 11), of which one at 0 ° and 90 ° of phase with 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 means (1) for measuring distance according to one of claims 1 to 5, a deflection device is connected in front of which guides the transmitted light beam (4) along a path over a predetermined region of space, wherein said deflection the transmitted light beam (4) is repeated periodically, and is being used for successive deflections frequencies alternately one of the two modulation for modulation of the transmitted light beam (4).
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