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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abstandsmessvorrichtung
und auf ein Verfahren zum Messen eines Abstands von der Vorrichtung
zu einem Objekt durch Abbilden von reflektiertem Licht eines von
der Vorrichtung emittierten Laserlichts und anschließendes Bezugnehmen
auf eine Positionsbeziehung zwischen der Lichtemissionsposition
und der Abbildungsposition.
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In
letzter Zeit wurden CCD-Kameras (CCD = Charge Coupled Device, ladungsgekoppelte
Vorrichtung) und Computerbildverarbeitungstechniken verbessert,
wobei dementsprechend dreidimensionale Messverfahren unter Verwendung
von Bildern üblich geworden
sind. Ein Beispiel solcher dreidimensionaler Messverfahren unter
Verwendung einer CCD-Kamera und einer Computerbildverarbeitung ist
ein Lichtschnittverfahren. Im Lichtschnittverfahren wird Licht,
das durch einen Schlitz fällt,
auf ein zu messendes Zielobjekt projiziert, um somit das Objekt
unter Verwendung eines bandförmigen
Lichts virtuell zu schneiden, wobei eine Schnittoberfläche in einer
anderen Richtung als der Richtung des projizierten Lichts betrachtet
wird. Da mittels Lasertechnik sehr feine und intensive Lichtstrahlen
erhalten werden können,
kann sogar ein Objekt mit einer unregelmäßigen Oberfläche mit
hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit vermessen werden,
indem eine dreidimensionale Messung unter Verwendung des Lichtschnittverfahrens
verwendet wird.
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Im
Allgemeinen wird im Lichtschnittverfahren der Abstand zum Zielobjekt
unter Verwendung des Triangulationsprinzips ermittelt. Bei der Triangulation wird
ein Dreieck definiert, in dem zwei bekannte Referenzpunkte und irgendein
anderer dritter Punkt verbunden werden, wobei die Position des dritten
Punktes bestimmt wird, indem die Winkel des Dreiecks gemessen werden.
Genauer wird im Lichtschnittverfahren Licht, das von einer Lichtquelle
innerhalb einer Abstandsmessvorrichtung emittiert wird und durch
einen Schlitz fällt,
auf ein Objekt projiziert, wobei das von der Oberfläche des
Objekts reflektierte Licht mittels einer CCD-Kamera, die innerhalb
der Abstandsmessvorrichtung vorgesehen ist, abgebildet wird. Der Abstand
zwischen der Abstandsmessvorrichtung und dem Zielobjekt wird auf
der Grundlage der Richtung des emittierten Lichts und der Positionen
der Lichtquelle und der CCD-Kamera gemessen. Daher ist die Intensität des von
der CCD-Kamera abgebildeten reflektierten Lichts vorzugsweise konstant.
Außerdem ist
es in dem Fall, in dem das von der Abstandsmessvorrichtung erzeugte
Licht mittels einer CCD-Kamera oder dergleichen abgebildet wird,
hinsichtlich der Bildverarbeitung günstig, dass Licht, das nicht
von der Vorrichtung emittiert worden ist, nicht in die CCD-Kamera
gelangt. Daher wird bei der Messung unter Verwendung von Licht im
Allgemeinen ein optischer Filter verwendet, der nur Licht mit einer
Wellenlänge
des von der Vorrichtung emittierten Lichts durchlässt, so
dass das Licht der Umgebung nicht aufgenommen wird.
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Wenn
jedoch die Bodenoberfläche
oder ein Hindernis auf einer Bodenoberfläche unter Verwendung des Lichtschnittverfahrens
in einem optischen Sensor eines selbstgesteuerten mobilen Roboters erfasst
wird, können
dann, wenn der Messbereich des Blickwinkels breiter ist, mehr Kandidaten
für die Bewegungsbahn
ausgewählt
werden. Es ist daher wünschenswert,
ein optisches System zu verwenden, das einen breiten Blickwinkel
aufweist. Andererseits hat ein optischer Filter, der so aufgebaut
ist, dass er unter Nutzung von Interferenz nur ein spezifisches
Wellenlängenband
durchlässt,
die Eigenschaft, dass die durchgelassene zentrale Wellenlänge sich
entsprechend dem Einfallswinkel des einfallenden Lichts ändert.
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Wenn
daher die Messung durchgeführt
wird, indem an ein optisches System einer CCD-Kamera ein optischer
Filter angebracht wird, der so aufgebaut ist, dass er nur ein Wellenlängenband
des von der Vorrichtung erzeugten Laserlichts durchlässt, wird der
Blickwinkel schmal. Folglich wird der Bereich, der gemessen werden
kann, schmal, wobei der Bahnauswahlprozess schwierig wird. Im Fall
der Abbildung von Laserlicht, das von der Vorrichtung in einem weiten
Blickwinkel erzeugt worden ist, muss ferner das Durchlasswellenlängenband
des optischen Filters breit gemacht werden. Wenn jedoch das Durchlasswellenlängenband
breit gemacht wird, wird auch Störlicht
außerhalb
des Laserlichts abgebildet. Somit muss eine Verarbeitung zum Extrahieren
nur des Laserlichts aus dem erhaltenen Bild allein mittels Bildverarbeitung
durchgeführt
werden, was die Bildverarbeitung kompliziert macht. Folglich führt dies
zu einem Absinken der Verarbeitungsgeschwindigkeit, wobei die Fortbewegungsgeschwindigkeit
des selbstgesteuerten mobilen Roboters somit reduziert wird.
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Aus
DE 197 21 688 A1 ist
eine Abstandsmessvorrichtung bekannt, die das Triangulationsprinzip
verwendet. Die Vorrichtung weist eine Laseremissionsvorrichtung
auf, die ein schlitzförmiges
Licht auf ein Zielobjekt projiziert. Das reflektierte Laserlicht wird
mittels eines doppelten telezentrischen optischen Linsensystems
auf einen CCD-Chip abgebildet. Um die Oberfläche des Ziels selbst dann auf
den CCD-Chip zu fokussieren, wenn die Höhe der Oberfläche stark
variiert, ist die Bildebene des CCD-Chips bezüglich der optischen Achse des
doppelten telezentrischen optischen Linsensystems entsprechend der
Scheimpflug-Regel geneigt. Der CCD-Chip ist auf einem Drehtisch
innerhalb eines Gehäuses
montiert, das den CCD-Chip gegen Störlicht abschirmt. Zwischen
dem telezentrischen optischen System und dem CCD-Chip kann ein optischer Filter vorgesehen sein,
um nur Licht der Laserwellenlänge
zum CCD-Chip durchzulassen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abstandsmessvorrichtung
und ein Abstandmessverfahren zu schaffen, die ein Lichtschnittverfahren
verwenden und fähig
sind, die Aufnahme von Störlicht
zu verhindern und einen breiten Messwinkelbereich zur Verfügung zu
stellen.
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Dieses
Problem wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 gelöst.
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In
einem Fall, in dem reflektiertes Licht des Laserlichts, wie z. B.
schlitzförmiges
Licht, das von einer Vorrichtung emittiert wird, abgebildet wird,
wird der Abstand zu einem Objekt gemessen, indem auf eine Positionsbeziehung zwischen
der Lichtemissionsposition des Laserlichts und der Abbildungsposition
Bezug genommen wird, woraufhin, da das abbildende optische System
so konstruiert ist, dass das reflektierte Licht senkrecht zur Eintrittsfläche des
optischen Filters eingegeben wird, der nur Licht eines Wellenlängenbandes
des von der Vorrichtung emittierten Laserlichts durchlässt, das
Störlicht
beseitigt werden kann, ohne den Messblickwinkel enger zu machen.
Da ferner in dem abzubildenden Bild nur das reflektierte Licht des
Laserlichts enthalten ist, kann die Messung der Bodenoberfläche und
die Erkennungsverarbeitung für
ein Hindernis auf der Bodenoberfläche vereinfacht werden. Da
außerdem das
Störungslicht
beseitigt ist und die Erkennungsverarbeitung für ein Hindernis vereinfacht
ist, wenn die vorliegende Erfindung auf einen visuellen Sensor z.
B. eines selbstgesteuerten mobilen Roboters angewendet wird, ist
es möglich,
zu verhindern, dass die Fortbewegungsgeschwindigkeit des selbstgesteuerten
mobilen Roboters reduziert wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur einer Abstandsmessvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur einer in 1 gezeigten
Laserlichtquelle 11 zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das das äußere Erscheinungsbild
eines zweibeinigen Roboters 1 zeigt.
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4 ist
ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einem Linsensystem,
das in einer Kamera 12 mit kurzer Basislinienlänge und
einer Kamera 13 mit langer Basislinienlänge, die in 1 gezeigt
sind, vorgesehen ist, und einem optischen Filter zeigt.
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5 ist
ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, in welchem
Laserlicht von einem optischen System 2 emittiert wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
folgt eine Beschreibung einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen.
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Zuerst
wird mit Bezug auf 3 ein zweibeiniger Roboter beschrieben,
an dem eine Abstandsmessvorrichtung angebracht ist. Wie in 3 gezeigt ist,
bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen selbstgesteuerten
zweibeinigen Roboter (im folgenden mit "Roboter" abgekürzt). Das Bezugszeichen 2 bezeichnet
ein optisches System der Abstandsmessvorrichtung, das am Roboter 1 auf
Hüfthöhe angebracht
ist. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Laserlichtemissionsbereich
des optischen Systems 2, wo das Laserlicht, das durch einen
Schlitz gefallen ist (im folgenden auch als Schlitzlicht bezeichnet), über 60° in einer
einzigen Ebene gestreut wird, wobei dieses Schlitzlicht in Richtung
zu einer Bodenoberfläche 4 projiziert
wird. Außerdem
ist die Ausrichtung des optischen Systems 2 so eingestellt,
dass das Schlitzlicht vor der Spitze eines Fußes eines Roboters 1 auf die
Bodenoberfläche
projiziert wird.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur der Abstandsmessvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
zeigt. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine
Laserlichtquelle zum Emittieren von Laserlicht in Richtung zum Zielobjekt,
das gemessen werden soll. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet
eine Kamera mit kurzer Basislinienlänge, die nahe an der Laserlichtquelle 11 angeordnet
ist und eine CCD-Kamera umfasst. Da die Kamera 12 mit kurzer
Basislinienlänge
eine kurze Basislinienlänge
aufweist, ist die Genauigkeit zum Messen des Abstands gering, obwohl
mit dieser Kamera 12 ein großer Abstandsbereich vor dem
Roboter 1 beobachtet werden kann. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet
eine Kamera mit langer Basislinienlänge, die von der Laserlichtquelle 11 abgesetzt
angeordnet ist und ebenfalls eine CCD-Kamera umfasst. Da diese Kamera 13 mit
langer Basislinienlänge
eine lange Basislinienlänge
aufweist, ist die zugehörige
Genauigkeit zur Abstandsmessung hoch, obwohl der Abstandsbereich
vor dem Roboter 1 beschränkt ist.
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Das
Bezugszeichen 2 bezeichnet das in 3 gezeigte
optische System, das die Laserlichtquelle 11, die Kamera 12 mit
kurzer Basislinienlänge und
die Kamera 13 mit langer Basislinienlänge enthält. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet
einen Emissionssteuerabschnitt zum Steuern der Laserlichtquelle 11 durch
Ausgeben eines Steuersignals, das die Emission des Laserlichts steuert,
an die Laserlichtquelle 11. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet
einen Bildspeicherabschnitt mit einem Bildspeicher zum Speichern
der von den zwei Kameras ausgegebenen Bildsignale.
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Das
Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Höhenschätzabschnitt zum Schätzen der
Höhe des
vorausliegenden Objekts unter Bezugnahme auf den Abstand zu dem
ermittelten Objekt auf der Grundlage der Bilddaten, die im Bildspeicherabschnitt 15 gespeichert
sind. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen Bewegungsbahnbestimmungsabschnitt
zum Bestimmen der Bewegungsbahn des Roboters 1 gemäß dem Zustand
des Zielobjekts, der vom Höhenschätzabschnitt 16 geschätzt worden
ist. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Aufsetzpositionsbestimmungsabschnitt
zum Bestimmen der Aufsetzposition der Beine des Roboters 1 auf
der Grundlage der vom Bewegungsbahnbestimmungsabschnitt 17 gewählten Bahn
und der Höhe
des Objekts, die vom Höhenschätzabschnitt 16 geschätzt worden
ist. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet einen Beinsteuerabschnitt
zum Steuern der Beine, so dass der Fuß auf der vom Aufsetzpositionsbestimmungsabschnitt 18 bestimmten
Aufsetzposition aufsetzt.
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Als
nächstes
wird die Struktur der in 1 gezeigten Laserlichtquelle
mit Bezug auf 2 genauer beschrieben. 2 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur der in 1 gezeigten
Laserlichtquelle 11 zeigt. In der Figur bezeichnet das
Bezugszeichen 21 einen Laseremissionsabschnitt zum Emittieren
von Laserlicht. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Kondensorlinse
zum Bündeln
des vom Laseremissionsabschnitt 21 emittierten Laserlichts, um
somit einen schmalen gebündelten
Strahl zu erhalten. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet ein
Beugungsgitter zum Zerlegen des durch die Kondensorlinse 22 gebündelten
Laserstrahls in mehrere Laserstrahlen. Die zerlegten Strahlen sind
in der Richtung senkrecht zur Ebene der 2 ausgerichtet.
Das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Strahldiffusionslinse,
die eine zylindrische Linse oder dergleichen verwendet. Diese Strahldiffusionslinse
ist vorgesehen, um jeden Laserstrahl in einer einzigen Ebene zu streuen,
um somit einen Strahl mit einer Strahlform zu erzeugen, die durch
Hindurchleiten durch einen Schlitz erhalten wird. Jeder der mehreren
Strahlen wird von der Strahldiffusionslinse 24 so gestreut, dass
er einen Streuwinkel von 60° aufweist.
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Um
außerdem
in 2 die Positionsbeziehung der Bodenoberfläche zu zeigen,
bezeichnet das Bezugszeichen 4 die Linie, die die Bodenoberfläche repräsentiert,
während
das Bezugszeichen A den Punkt bezeichnet, an dem die Spitze des
Fußes
des Roboters 1 angeordnet ist. Außerdem zeigt ein schematisches
Diagramm der 5 einen Zustand, in welchem
das Laserlicht vom optischen System 2, das am Roboter 1 auf
Hüfthöhe angebracht
ist, emittiert wird. In 5 bezeichnet das Bezugszeichen 11 die Laserlichtquelle.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet den Laseremissionsbereich
des Laserlichts von der Laserlichtquelle, der auf die Bodenoberfläche 4 emittiert
wird. Hierbei wird das Laserlicht mittels des Beugungsgitters 23 in
fünf Strahlen
zerlegt, wobei die fünf
Strahlen durch die Strahldiffusionslinse 24 auf 60° gestreut
werden. Diese Laserstrahlen werden in Richtung zur Bodenoberfläche 4 projiziert,
wobei Abbildungen des von der Bodenoberfläche reflektierten Lichts von
der Kamera 12 mit kurzer Basislinienlänge und der Kamera 13 mit
langer Basislinienlänge
aufgenommen werden. Um in 5 die Figur
leichter verständlich
zu machen, teilt das Beugungsgitter 23 das Laserlicht in
fünf Strahlen,
jedoch beträgt
in 5n der Praxis der Winkel B 32° und der
Winkel C 1,6°.
Dementsprechend ist die Anzahl der Strahlen gleich 21.
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Mit
Bezug auf 4 folgt eine Beschreibung eines
optischen Filters und einen Linsensystems, die in der Kamera 12 mit
kurzer Basislinienlänge
und in die Kamera 13 mit langer Basislinienlänge eingebaut sind,
wie in 1 gezeigt ist. 4 ist ein
Diagramm, dass die Positionsbeziehung zwischen einem Linsensystem,
das innerhalb der zwei Kameras vorgesehen ist, und einen optischen
Filter zeigt. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 31 eine
CCD, die innerhalb einer Kamera zum Abbilden eines Bildes des reflektierten
Lichts vorgesehen ist. Die Lichtaufnahmeoberfläche derselben ist so beschaffen, dass
sie zur optischen Achse des in der Kamera vorhandenen Linsensystems
senkrecht ist. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet einen optischen
Filter, der die Interferenz einer Dünnschicht in der Größenordnung der
Lichtwellenlänge
nutzt, um Licht eines spezifizierten Wellenlängenbandes durchzulassen, und
der so beschaffen ist, dass er zur Lichtaufnahmefläche der CCD 31 parallel
ist.
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Das
Durchlasswellenlängenband
des optischen Filters 32 stimmt mit dem Wellenlängenband des
Laserlichts überein,
das von dem in 2 gezeigten Laseremissionsabschnitt 21 emittiert
wird. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet ein bildseitiges
telezentrisches optisches Linsensystem, das ein Abbild des Lichts,
das auf der Zieloberfläche
des zu messenden Objekts reflektiert wird, auf der Lichtaufnahmefläche der
CCD 31 ausbildet. Das bildseitige telezentrische optische
Linsensystem 33 ist eine Linse, die das gesamte einfallende
Licht senkrecht ausgibt. Das Ausgangslicht wird somit parallel zur
optischen Achse des Linsensystems. Parallel bedeutet hier, dass
der optische Weg (in 4 mit dem Bezugszeichen E bezeichnet),
für den
das am Punkt D in 4 reflektierte Licht ein Abbild
auf der CCD 31 bildet, parallel zur optischen Achse des
bildseitigen telezentrischen optischen Linsensystems 33 ist.
Das heißt, das
reflektierte Licht fällt
senkrecht bezüglich
der Eintrittsoberfläche
des optischen Filters 32 und der Lichtaufnahmefläche der
CCD 31 ein.
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Unter
Verwendung dieses bildseitigen telezentrischen optischen Linsensystems 33 kann
dann ferner mit Bezug auf den optischen Filter 32, der
so angeordnet ist, dass er zur Lichtaufnahmefläche der CCD 31 parallel
ist, das reflektierte Licht senkrecht hierzu eingegeben werden.
Als Ergebnis kann das Durchlasswellenlängenband des optischen Filters 32 mit
dem Wellenlängenband
des vom Laseremissionsabschnitt 21 erzeugten Laserlichts
in Übereinstimmung
gebracht werden, so dass die Eingabe von Störungslicht in die CCD 31 verhindert
werden kann. Da ferner der optische Filter 32 zwischen
dem bildseitigen telezentrischen optischen Linsensystem 33 und
der CCD 31 vorgesehen ist, besteht selbst mit einem breiten
Blickwinkel nicht mehr die Notwendigkeit, dass das Wellenlängenband
des vom optischen Filter 32 durchgelassenen Lichts breit
ist.
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Es
wird eine Abstandsmessvorrichtung geschaffen, die ein Lichtschnittverfahren
verwendet, das die Eingabe von Störlicht verhindern kann, ohne den
Messblickwinkel zu verengen. Die Vorrichtung umfasst: einen Laseremissi onsabschnitt
(11,14) zum Erzeugen von Laserlicht, einen Abbildungsabschnitt (12, 13, 15, 31)
zum Abbilden von reflektierten Licht, das von einer Oberfläche eines
Zielobjekts reflektiert worden ist, ein telezentrisches optisches
Linsensystem (33) zum Ausbilden eines Abbildes des reflektierten
Lichts auf dem Abbildungsabschnitt, einen optischen Filter (32),
der zwischen dem telezentrischen optischen Linsensystem und dem
Abbildungsabschnitt und senkrecht zu einer optischen Achse des telezentrischen
optischen Linsensystems vorgesehen ist, um Licht mit einem Wellenlängenband
des vom Laseremissionsabschnitt emittierten Laserlichts durchzulassen,
und einen Abstandberechnungsabschnitt (16) zum Berechnen
eines Abstands zum Objekt auf der Grundlage eines vom Abbildungsabschnitt
aufgenommenen Abbildes und einer Positionsbeziehung zwischen einer
Lichtemissionsposition des Laserlichts und einer Abbildungsposition.