DE4313496A1 - Verfahren und Gerät zur Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Geschwindigkeits­ meßgerät und einem relativ dazu beweglichen Objekt, bei dem ein reelles Bild des beweglichen Objektes mittels eines optischen Systems auf eine photoempfindliche, optische Gitteranordnung projiziert wird, mit deren Hilfe ein Meßsignal mit einer zu der zu messenden Rela­ tivgeschwindigkeit proportionalen Frequenz erzeugt wird, und ein Geschwindigkeitsmeßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren bzw. ein nach diesem Verfahren arbeitendes Geschwindigkeitsmeßgerät sind aus der DE-OS 21 60 877 bekannt. Bei dem bekannten Gerät werden die Bewegungen eines reellen Bildes eines Objektes dadurch gemessen, daß man in die Bildebene ein Gitter bringt, den dieses Gitter durchdringenden Lichtfluß auf einem Photoempfänger sammelt und die Frequenz einer Wechselkomponente des Photostroms bestimmt, die durch das wechselnde Zusammenwirken des Bildes mit der Gitter­ struktur entsteht. Dabei wird darauf hingewiesen, daß die Anwendungsmöglichkeiten solcher Einrichtungen infol­ ge des schlechten Signal-Rauschabstandes sehr beschränkt sind. In der zitierten Druckschrift wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß diesem Mangel durch Verwendung eines Gitters in Form einer periodischen Anordnung ebener Flächen prismatischer oder pyramiden­ förmiger Art abgeholfen werden kann, da in diesem Fall der vom Objekt herkommende Lichtfluß in verschiedenen Richtungen auf verschiedene Photoempfänger gesammelt werden kann, aus deren Ausgangssignalen Gegentaktsignale mit erhöhter Signalqualität gewonnen werden können, aus deren Frequenz die Bewegungsgeschwindigkeit ermittelt wird.

Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe des bekannten Verfah­ rens bzw. bei Einsatz des bekannten Geschwindigkeitsmeß­ geräts in vielen Fallen keine brauchbaren Ausgangs­ signale des mindestens einen Photoempfängers erhalten werden können, da die zur Relativgeschwindigkeit propor­ tionale Frequenzkomponente häufig nur einen schwer aus­ wertbaren Signalanteil darstellt.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. Geschwindigkeitsmeßgerät dahingehend zu verbessern, daß unabhängig von der Struktur des beweglichen Objekts stets eine sicher auswertbare, zur Relativgeschwindig­ keit proportionale Frequenzkomponente des mindestens einen Ausgangssignals erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Amplitude des Ausgangs- bzw. Meßsignals durch Ände­ rung der Brennweite des optischen Systems automatisch auf einen Maximalwert geregelt wird.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß, je nach der Oberflächenstruktur des beweglichen Objekts, dessen reelles Bild auf die photoempfindliche, optische Gitter­ anordnung projiziert wird, die bei dem betreffenden Objekt am häufigsten vorkommende Ortswellenlänge an die ausgefilterte Ortswellenlänge der betreffenden photoemp­ findlichen, optischen Gitteranordnung angepaßt werden muß, um einen Maximalwert der geschwindigkeitsproportio­ nalen Frequenzkomponente des Meßsignals und damit insge­ samt einen Maximalwert des Meßsignals zu erhalten.

Diese Forderung wird beim Arbeiten nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren dadurch erfüllt, daß die Amplitude des Meßsignals überwacht und die Brennweite des optischen Systems automatisch derart nachgeregelt wird, daß ein Maximalwert der Amplitude des Meßsignals erreicht wird, was anzeigt, daß eine Anpassung der ausgefilterten Orts­ wellenlänge an die bei dem jeweiligen Objekt am häufig­ sten vorkommende Ortswellenlänge erreicht ist.

In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, eine photoempfindliche, optische Gitteranordnung zu ver­ wenden, mit deren Hilfe um 180° phasenverschobene Meß­ signale erzeugt werden können, um daraus mit Hilfe eines Gegentaktverstärkers ein Signal erhöhter Signalqualität zu gewinnen, wie dies an sich aus der eingangs erwähnten DE-OS 21 60 877 bekannt ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ein Geschwindigkeitsmeßgerät besonders bewährt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß Stelleinrich­ tungen zum Verstellen der Brennweite des optischen Systems vorgesehen sind, daß Auswerteeinrichtungen vor­ gesehen sind, durch die das Meßsignal durch Betätigung der Stelleinrichtungen auf einen Maximalwert regelbar ist, und daß die Auswerteeinrichtungen Recheneinrich­ tungen zum Berechnen des Absolutwerts der Relativ­ geschwindigkeit in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des optischen Systems umfassen.

Das Geschwindigkeitsmeßgerät gemäß der Erfindung sorgt durch Anpassung der ausgefilterten Ortswellenlänge an die bei dem jeweiligen Objekt am häufigsten vorkommende Ortswellenlänge dafür, daß der Abbildungsmaßstab des optischen Systems und die Gitterkonstante der optischen Gitteranordnung optimal aufeinander abgestimmt werden, um einen Maximalwert der geschwindigkeitsproportionalen Frequenzkomponente zu erreichen. Nachdem diese Einstel­ lung erfolgt ist, kann dann mit Hilfe der Recheneinrich­ tungen der Absolutwert der Relativgeschindigkeit in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des opti­ schen Systems berechnet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand abhängiger Ansprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Geschwin­ digkeitsmeßeinrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzug­ ten Ausführungsform eines Geschwindigkeits­ meßgeräts zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein bewegliches Objekt 1, ein optisches System 2 und eine photoempfindliche, optische Gitteranordnung 3. Diese drei Einheiten sind längs einer optischen Achse 0 im Abstand voneinander angeordnet, welche senkrecht zu der durch einen Pfeil B angedeuteten Bewegungsrichtung des Objekts 1 angeordnet ist.

Das optische System ist in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber in Form einer einfachen Linse 2 dargestellt. Die Gitteranordnung 3 umfaßt gemäß Fig. 1 ein optisches Git­ ter 5, beispielsweise in Form eines Strich- oder Pris­ mengitters, sowie auf der von dem Objekt 1 abgewandten Rückseite dieses Gitters zwei Photodioden 4, 4′, welche zwei um 180° phasenverschobene Meßsignale A1 und A2 lie­ fern, wobei diese Signale bei einem Prismengitter den Bildern von der einen bzw. von der anderen Flanke der einzelnen prismatischen Gitterelemente entsprechen.

Bei einer Meßeinrichtung mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau gilt für die Hauptfrequenzkomponente des Meßsig­ nals die folgende Gleichung:

f = Mv/g

wobei M = Abbildungsmaßstab; v = Relativgeschwindigkeit von Objekt und Meßgerät und g = Gitterkonstante.

Außerdem ergibt sich dann, wenn die Größe des reellen Bildes der am häufigsten auftretenden Objektpunkte des Objekts 1 gleich der Gitterkonstante g ist, ein Maximal­ wert der Frequenzkomponente mit der Frequenz f und damit ein Maximalwert der Amplitude des Meßsignals insgesamt.

Gemäß der Erfindung wird nun anstelle eines optischen Systems bzw. einer Linse 2 mit fester Brennweite ein Vario- bzw. Zoomobjektiv verwendet, mit dessen Hilfe der Abbildungsmaßstab in einem großen Bereich, beispielswei­ se in einem Verhältnis von 1 : 100, geändert werden kann, um zur Messung der Relativgeschwindigkeit eine optimale Anpassung an die Struktur der Oberfläche des Objekts 1 zu erreichen, d. h. um die Ortswellenlänge, die einer bestimmten Größe von Objektpunkten entspricht, an die Gitterkonstante anzupassen. Gleichzeitig können Einrich­ tungen vorgesehen werden, um den an dem Zoomobjektiv jeweils eingestellen Abbildungsmaßstab zu ermitteln, so daß bei gegebener Frequenz f der Hauptfrequenzkomponente des Meßsignals und bei bekannter Gitterkonstante direkt die Objektgeschwindigkeit v bzw. die Relativgeschwindig­ keit zwischen Objekt und Geschwindigkeitsmeßgerät anhand der angegebenen Gleichung berechnet werden kann.

In Fig. 2 der Zeichnung sind die wesentlichen Elemente einer bevorzugten Ausführungsform eines Geschwindig­ keitsmeßgeräts gemäß der Erfindung teilweise schematisch und in Form eines Blockschaltbilds dargestellt. Man erkennt, daß die Linse 2 der Meßeinrichtung gemäß Fig. 1 durch ein optisches System in Form eines Zoomobjektivs 2 ersetzt ist und daß anstelle der Gitteranordnung 3 mit dem Gitter 5 und den beiden Photosensoren 4, 4′ eine Gitteranordnung 3 in Form eines Halbleiterbauelements vorgesehen ist, welches zwei Sätze von kammartig inein­ andergreifenden, in Fig. 2 von oben nach unten alter­ nierend aufeinanderfolgenden, streifenförmigen Sensor­ elementen 4a, 4b besitzt, wobei die Sensorelemente 4a gemeinsam einen Photosensor 4 bilden, der im Betrieb ein Ausgangssignal A1 liefert, während die Sensorelemente 4b gemeinsam einen zweiten Photosensor 4′ bilden, der im Betrieb ein Ausgangssignal A2 liefert. Ein solches Halbleiterbauelement ist beispielsweise aus der DE-OS 32 29 343 bekannt.

Aufgrund des schematisch angedeuteten Aufbaus des Halbleiterbauelements 3 mit seinen alternierend aufein­ anderfolgenden, streifenförmigen Sensorelementen 4a, 4b ergibt sich bei einer Bewegung des Objekts 1 in Richtung des Pfeils B gegenüber dem Zoomobjektiv 2 für die Aus­ gangssignale A1 und A2 eine Phasenverschiebung um 180°. Die phasenverschobenen Ausgangssignale A1, A2 werden den beiden Eingängen eines Gegentaktverstärkers 6 zugeführt, dessen Ausgangssignal nachstehend als Meßsignal bezeich­ net wird und die Frequenz der frequenzgleichen Ausgangs­ signale A1, A2 hat, wobei die Frequenzkomponente mit der Frequenz f in diesem Meßsignal jedoch durch die Gegen­ taktverstärkung in dem Verstärker 6 deutlich angehoben ist, da die übrigen Signalkomponenten in dem Gegentakt­ verstärker 6 unterdrückt werden.

Das Meßsignal wird dem einen Eingang eines Mikrocompu­ ters 7 zugeführt, der den aktuellen Wert des Meßsignals periodisch abtastet und mit zuvor abgetasteten und gespeicherten Werten desselben vergleicht. Der Mikrocom­ puter 7 steuert ein Stellglied 8 in der Weise, daß in Abhängigkeit von den Vergleichsergebnissen mit Hilfe eines Motors 9 eine derartige Verstellung des Vario- bzw. Zoomobjektivs 2 erfolgt, daß die Amplitude des Meß­ signals vom Ausgang des Gegentaktverstärkers 6 auf einen Maximalwert geregelt wird; durch Änderung der Einstel­ lung des Zoomobjektivs 2 wird also der Abbildungsmaßstab der Objektpunkte auf der Gitteranordnung 3 derart vari­ iert, daß die Größe der stochastisch häufigsten abgebil­ deten Objektpunkte gleich der Gitterkonstante der Gitteranordnung 3 wird.

Mit Hilfe eines mit dem Motor 9 bzw. einem davon ange­ triebenen Element verbundenen Positionsgebers 10, wie z. B. eines Drehgebers oder Inkrementalgebers, wird dem Mikrocomputer 7 ferner ein Signal zugeführt, welches der Einstellung des Zoomobjektivs 2 bzw. dem Abbildungsmaß­ stab M entspricht. Der Mikrocomputer 7 errechnet anhand dieses Signals, anhand der bei einem bestimmten Meßgerät fest vorgegebenen Gitterkonstante g und der Frequenz f des Meßsignals die gesuchte Relativgeschwindigkeit bzw. die Objektgeschwindigkeit v, die dann mit Hilfe einer mit dem Mikrocomputer 7 verbundenen Anzeigeeinheit 11 angezeigt wird, wobei zusätzlich oder statt dessen die Möglichkeit besteht, der ermittelten Geschwindigkeit entsprechende Daten in einer Auswerteeinheit 12 aus zu­ werten bzw. auszudrucken und/oder für eine ggf. später erfolgende Auswertung abzuspeichern.

Weiterhin besteht in Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, als optische Gitteranordnung eine CCD-Zei­ leneinheit mit zugehörigen Auswerteeinrichtungen ein zu­ setzen. Eine solche CCD-Zeileneinheit ist beispielsweise in der DE-OS 40 09 737 beschrieben.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung durch den Einsatz eines Zoomobjek­ tivs in Verbindung mit geeigneten Regeleinrichtungen die Möglichkeit geschaffen wird, bei einer Relativbewegung zwischen einem Geschwindigkeitsmeßgerät und Objekten mit der unterschiedlichsten Oberflächenbeschaffenheit stets ein optimales Meßsignal zu gewinnen, aus dem sich die Relativgeschwindigkeit bzw. die Objektgeschwindigkeit sehr präzise berechnen läßt. Insgesamt wird ein in einem breiten Anwendungsbereich einsetzbares Geschwindigkeits­ meßgerät erhalten, welches bei sehr unterschiedlichen Oberflächenstrukturen genaue Ergebnisse liefert, bei­ spielsweise bei der Messung der Geschwindigkeit einer Papierbahn, wo die typische Größe der mit Hilfe der optischen Sensoren erfaßbaren Oberflächenstrukturen im Bereich von weniger als einem Zehntel Millimeter liegt, aber auch bei der Messung der Geschwindigkeit eines mit dem Meßgerät ausgestatteten Fahrzeugs auf einer Straße, wo die typischen Abmessungen der von dem optischen System erfaßten Oberflächenstrukturen bei etwa 2 bis 3 mm liegen, also um mehr als den Faktor 10 größer sind. Andererseits läßt sich ein Meßgerät gemäß der Erfindung mit zumindest weitgehend handelsüblichen Komponenten, wie Zoomobjektiven, Mikroprozessoren, Stellantrieben usw., realisieren, so daß - natürlich in Abhängigkeit von der geforderten Meßge­ nauigkeit - vergleichsweise kostengünstige Geschwindig­ keitsmeßgeräte hergestellt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen der Relativgeschwindigkeit zwi­ schen einem Geschwindigkeitsmeßgerät und einem rela­ tiv dazu beweglichen Objekt, bei dem ein reelles Bild des beweglichen Objekts mittels eines optischen Systems auf eine photoempfindliche, optische Gitter­ anordnung projiziert wird, mit deren Hilfe ein Meß­ signal mit einer zu der zu messenden Relativge­ schwindigkeit proportionalen Frequenz erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Meß­ signals durch Änderung der Brennweite des optischen Systems automatisch auf einen Maximalwert geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der photoempfindlichen, optischen Git­ teranordnung zwei um 180° phasenverschobene Signale erzeugt werden, aus denen durch Gegentaktverstärkung das Meßsignal erzeugt wird.

3. Geschwindigkeitsmeßgerät zur Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß Stelleinrichtungen (7 bis 9) zum Verstellen der Brennweite des optischen Systems (2) vorgesehen sind, daß Auswerteeinrichtungen (7) vorgesehen sind, durch die das Meßsignal durch Betätigung der Stell­ einrichtungen (7 bis 9) auf einen Maximalwert regel­ bar ist, und daß die Auswerteeinrichtungen (7) Recheneinrichtungen zum Berechnen des Absolutwerts der Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des optischen Systems umfassen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein motorisch verstellbares Zoomobjektiv (2) umfaßt.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Gitteranordnung (3) ein optisches Gitter (5) sowie auf der von dem Objekt (1) abgewandten Rückseite dieses optischen Gitters (5) zwei Photodioden (4, 4′) umfaßt.

6. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Gitteranordnung (3) als Halbleiterbauelement mit mindestens zwei Sätzen von kammartig ineinandergreifenden, parallelen, strei­ fenförmigen Sensorelementen (4a, 4b) ausgebildet ist.

7. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Gitteranordnung (3) durch eine CCD-Zeileneinheit mit zugehörigen Auswerteeinrich­ tungen gebildet ist.