DE9402664U1 - Sensor for distance measurement at an angle of 360 degrees around the object - Google Patents

Sensor for distance measurement at an angle of 360 degrees around the object

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Description

Sensor zur Entfernungsmessung im Winkel von 360 Grad um das Objekt herumSensor for measuring distance at an angle of 360 degrees around the object

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Entfernungsmessung und Raumerfassung durch eine Vorrichtung zur Strahlablenkung, die drei Freiheitsgrade besitzt.The invention relates to a device for distance measurement and spatial detection by means of a beam deflection device having three degrees of freedom.

Zur Messung von Geometrien, insbesondere zur Erfassung eines Raumes, mittels eines optischen Sensors der einen Raum mit einem Lichtstrahl wie Infrarot oder Laser abscannt. Um innerhalb des Winkels die Geometrie zu erfassen, lenkt man den Laserstrahl mit Hilfe eines kipp- oder drehbaren Spiegels ab. Die Entfernung zum geometrischen Punkt, auf den der Strahl auftrifft, ermittelt man meist über Triangulations-, Phasenvergleichs- oder Pulslaufzeitmeßverfahren.For measuring geometries, especially for recording a room, using an optical sensor that scans a room with a light beam such as infrared or laser. In order to record the geometry within the angle, the laser beam is deflected using a tilting or rotating mirror. The distance to the geometric point on which the beam hits is usually determined using triangulation, phase comparison or pulse transit time measurement methods.

Für die folgende Darstellung werde o.B.d.A. die Breite auf die x-Achse, die Tiefe auf die y-Achse und die Höhe auf die z-Achse abgebildet.For the following illustration, the width is mapped to the x-axis, the depth to the y-axis and the height to the z-axis.

Rotationen des Sensors ohne Bewegungen in z-Achse sind realisiert in den Geräten der Patentschriften CH680471A und EP412016A. Das in CH680471A beschriebene Gerät ist ein Sensor zur kombinierten Positions- und Bildauswertung. Der Sensor benutzt einen planaren Spiegel mit zwei Freiheitsgraden in Meßrichtung, der von einem drehbaren Spiegel zur Strahlenteilung unterstützt wird. Der Spiegel ermöglicht so, das Zielgebiert auf einen Fotodetektor zu fokussieren. Die Schrift EP412016A beschreibt eine Luftbeobachtungseinheit besonders für atomgetriebene U-Boote, ein Missile. Es hat einen Sensor mit vertikaler Orientierung, der auf einen Spiegel strahlt. Der Spiegel dreht sich und erlaubt damit einen breiten Beoabchtungsbereich. Ein Sensor strahlt auf einen rotierenden Spiegel; Sensor und Spiegel sind Bestandteil einer U-Boot Rakete, die sich in jede beliebige Richtung bewegen kann. Ganz offenbar sind Bewegungen der Rakete nicht mit der Kippbewegung hinsichtlich Geschwindigkeit und Präzision vergleichbar. Offensichtlich bestehen zwischen den Anwendungen einige fundamentale Unterschiede.Rotations of the sensor without movements in the z-axis are implemented in the devices of the patent documents CH680471A and EP412016A. The device described in CH680471A is a sensor for combined position and image evaluation. The sensor uses a planar mirror with two degrees of freedom in the measuring direction, which is supported by a rotating mirror for beam splitting. The mirror thus enables the target area to be focused on a photodetector. The document EP412016A describes an air observation unit especially for nuclear-powered submarines, a missile. It has a sensor with a vertical orientation that shines on a mirror. The mirror rotates and thus allows a wide observation area. A sensor shines on a rotating mirror; the sensor and mirror are part of a submarine missile that can move in any direction. Clearly, movements of the missile are not comparable with the tilting movement in terms of speed and precision. Obviously, there are some fundamental differences between the applications.

Eine Methode zur Entfernungsmessung in mehrere Richtungen beschreibt die Schrift US 5033845. Eine Lichtquelle strahlt auf einen rotierenden Spiegel, der den Strahl auf ein Objekt lenkt. Die Methode benutzt einen rotierenden Spiegel, der nicht kippbar ist sondern aus mehreren Oberflächen besteht. Mit der Methode kann man deswegen in wenigstens einer Dimension nur in diskreten Schritten messen und nicht alle PunkteA method for measuring distances in several directions is described in the document US 5033845. A light source shines on a rotating mirror, which directs the beam onto an object. The method uses a rotating mirror that cannot be tilted but consists of several surfaces. With the method, one can therefore only measure in at least one dimension in discrete steps and not all points

Forschungszentrum Informatik, Karlsruhe. 1Research Center for Information Technology, Karlsruhe. 1

erfassen, weil der Spiegel nicht unendlich viele Oberflächen haben kann. Dies kann ggf. nur mit stark erhöhtem Aufwand im Bereich der Steuerungs- und Auswertesoftware ausgeglichen werden.because the mirror cannot have an infinite number of surfaces. This can only be compensated for with significantly increased effort in the area of control and evaluation software.

In eine ähnliche Richtung geht die Patentschrift GB2097625A. Sie beschreibt eine Luftbeobachtungsstation für militärische Zwecke. Die Luftbeobachtungstation rotiert. Der Spiegel ist kippbar. Ein Strahl auf den Spiegel wird damit in jede gewünschte Richtung gelenkt. Für den Vergleich gelten die Anmerkungen zu EP412016A analog.Patent specification GB2097625A goes in a similar direction. It describes an air observation station for military purposes. The air observation station rotates. The mirror can be tilted. A beam on the mirror can thus be directed in any desired direction. For the comparison, the comments on EP412016A apply analogously.

Der durch RD315010A geschützte Robotersensor zur Positonierung von Lasten hat ein Sensorpaar, das am Arm des Roboters angebracht ist und trianguliert, um die Entfernung zum scannenden Laserfleck zu finden. Das System benutzt zwei Spiegel, von denen einer kippt und der andere rotiert. Zur Anpassung isfdarüberhinaus eine Linse erforderlich. Das durch das Patent geschützte Gerät betreibt damit einen wesentlich höheren konstruktiven Aufwand als die vorliegende Schrift, die mit nur einem Spiegel und ohne Linse auskommt.The robot sensor for positioning loads protected by RD315010A has a pair of sensors that are attached to the robot's arm and triangulate to find the distance to the scanning laser spot. The system uses two mirrors, one of which tilts and the other rotates. A lens is also required for adjustment. The device protected by the patent therefore requires a much higher construction effort than the present document, which uses only one mirror and no lens.

Das durch Patent DE3802115A geschützten Gerät hat einen rotierenden Spiegel zur Lichtmessung von Lichtquellen. Die Lichtquelle wird ggf. rotatorisch bewegt, während der rotierende Spiegel nur linear bewegt wird, nicht jedoch gekippt. Auch hier ist der konstruktive Aufwand durch die notwendige Bewegung der Lichtquelle größer.The device protected by patent DE3802115A has a rotating mirror for measuring light from light sources. The light source is moved in a rotating manner if necessary, while the rotating mirror is only moved linearly, not tilted. Here too, the construction effort is greater due to the necessary movement of the light source.

Derartige Verfahren können in einer Dimension messen, wobei die Größe des Meßbereichs durch den Kipp- oder Drehwinkel des Spiegels begrenzt ist. Um die Beschränkung der Eindimensionalität zu sprengen, kann man den Sensor linear (2 Dimensionen) oder rotatorisch (3 Dimensionen) bewegen. Dabei treten zwei Probleme auf:Such methods can measure in one dimension, whereby the size of the measuring range is limited by the tilt or rotation angle of the mirror. To overcome the limitation of one-dimensionality, the sensor can be moved linearly (2 dimensions) or rotationally (3 dimensions). Two problems arise here:

1. Aufgrund des Eigengewichts des Sensors sind bei vorgegebenen1. Due to the weight of the sensor, at given values

Positioniergenauigkeiten und Meßgeschwindigkeiten starke Antriebe nötig, die das Gewicht des ganzen Geräts und den Konstruktionsaufwand erhöhen.Positioning accuracies and measuring speeds require powerful drives, which increase the weight of the entire device and the construction effort.

2. Besonders dann, wenn man rotatorisch messen möchte, ist eine Lösung für die Kabel zu finden, die den rotierenden Sensor mit Geräten zur Sensordatenverarbeitung und dem Versorgungsnetz verbinden. Dies kann über Schleifkontakte oder Einschränkungen des Drehbereichs geschehen. Die Lösung mit Schleifkontakten ist unter konstruktiven Gesichtspunkten sehr aufwendig; Einschränkungen des Drehbereichs schränken die Funktionalität des Sensors erheblich ein.2. Especially if you want to take rotary measurements, you need to find a solution for the cables that connect the rotating sensor to devices for sensor data processing and the power supply network. This can be done using sliding contacts or by restricting the range of rotation. The solution using sliding contacts is very complex from a design point of view; restrictions on the range of rotation significantly limit the functionality of the sensor.

Forschungszentrum Informatik, Karlsruhe *Research Center for Information Technology, Karlsruhe *

Diese Probleme werden durch einen rotierenden, kippbaren Spiegel in Schutzanspruch 1 gelöst: "ein Spiegel 2, der über eine Welle 3 in x/y-Ebene rotiert und in seiner Neigung für die Messung in verschiedenen Winkeln gekippt werden kann".These problems are solved by a rotating, tiltable mirror in claim 1: "a mirror 2 that rotates via a shaft 3 in the x/y plane and can be tilted in its inclination for measurement at different angles".

Ein Lichtstrahl des Entfernungsmessers 1 trifft auf den Spiegel 2 und wird von dort aus auf einen beliebigen Punkt im Raum gelenkt. Der Empfänger des Entfernungsmessers ermittelt die Entfernung. Die genaue Position des gemessenen Punktes ergibt sich aus , der Position des Spiegels 2. Sie ist eine direkte Funktion der Antriebsbewegungen der Antriebe 4 und 5. Der Antrieb 4 bestimmt über die Drehbewegung des Spiegels 2 mittels der Welle 3 die Lage des gemessenen Punktes 2 senkrecht zur z-Achse. Antrieb 5 bestimmt über die Kippbewegung des Spiegels 2 mittels des Hebelarms 10 die Lage des gemessenen Punktes in z-Richtung (meist die Höhe).A light beam from the rangefinder 1 hits the mirror 2 and is directed from there to any point in space. The receiver of the rangefinder determines the distance. The exact position of the measured point is determined from the position of the mirror 2. It is a direct function of the drive movements of the drives 4 and 5. The drive 4 determines the position of the measured point 2 perpendicular to the z-axis via the rotational movement of the mirror 2 using the shaft 3. Drive 5 determines the position of the measured point in the z-direction (usually the height) via the tilting movement of the mirror 2 using the lever arm 10.

Der Antrieb 5 bewegt den Hebelarm 8 linear in z-Richtung". Weil der Spiegel 2 senkrecht zur z-Achse gelagert ist, kann die lineare Bewegung in eine Kippbewegung umgewandelt werden. Dazu transformiert das lineare Lager 6 die rotatorische Bewegung von Antrieb 5 in eine lineare Bewegung, welche die Spindel 7 in z-Richtung weitergibt. Die Spindel 7 dreht sich dabei nicht. Sie geht durch den Antrieb 4 hindurch, der die Welle 3 direkt rotiert. An der Verbindungsstelle zwischen Welle 3 und Spindel 7 nimmt ein Kugellager 10 die Rotation der Welle 3 auf, damit Spindel 7 die lineare Bewegung an Welle 3 weitergeben kann.The drive 5 moves the lever arm 8 linearly in the z-direction". Because the mirror 2 is mounted perpendicular to the z-axis, the linear movement can be converted into a tilting movement. To do this, the linear bearing 6 transforms the rotary movement of the drive 5 into a linear movement, which the spindle 7 transmits in the z-direction. The spindle 7 does not rotate. It passes through the drive 4, which rotates the shaft 3 directly. At the connection point between shaft 3 and spindle 7, a ball bearing 10 absorbs the rotation of the shaft 3 so that the spindle 7 can transmit the linear movement to shaft 3.

Antriebswelle 3 dreht den Spiegel und gibt die Kippbewegung über Rotationskopf 9 an den Hebelarm 8 weiter. Der Rotationskopf 9 dreht sich dabei mit, so daß die Kippbewegung unabhängig von der rotatorischen Bewegung erfolgen kann.Drive shaft 3 rotates the mirror and transmits the tilting movement to the lever arm 8 via the rotation head 9. The rotation head 9 rotates with it, so that the tilting movement can take place independently of the rotary movement.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Strahl in alle drei Richtungen gelenkt und damit die Entfernung ebenfalls in allen drei Raumrichtungen gemessen werden kann. Dabei hält sich der konstruktive Aufwand in Grenzen, weil nur der Spiegel bewegt wird, während der Sensor starr positioniert ist. Weil ein Spiegel im allgemeinen von erheblich geringerem Gewicht ist als ein optischer Sensor, ist eine präzise und rasche Fokussierung des Lichtstrahls einfacher, als wenn der Sensor bewegt würde. Darüberhinaus würde ein beweglicher Sensors entsprechenden Aufwand bei seinen elektrischen Kabeln verlangen, insbesondere dann, wenn er rotieren soll. Für einen beweglichen Spiegel entfällt dieser Aufwand.The invention enables the beam to be directed in all three directions and thus the distance can also be measured in all three spatial directions. The construction effort is kept to a minimum because only the mirror is moved while the sensor is fixed. Because a mirror is generally much lighter than an optical sensor, precise and rapid focusing of the light beam is easier than if the sensor were moved. In addition, a movable sensor would require corresponding effort for its electrical cables, especially if it is to rotate. This effort is not necessary for a movable mirror.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 2 angegeben.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2.

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Die Verwendung von optischen Entfernungsmessern, die mit Triangulations-, Phasenvergleichs- oder Pulslaufzeitmeßveifahren arbeiten,-ermöglichen sehr präzise und rasche Messungen.The use of optical rangefinders that work with triangulation, phase comparison or pulse transit time measurement methods enables very precise and rapid measurements.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 3 angegeben.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 3.

Ein Entfernungsmesser, der auf Infrarot- oder Laserlicht basiert, erlaubt, daß die Erfindung sehr präzise und rasch Messungen vornehmen kann.A rangefinder based on infrared or laser light allows the invention to take very precise and rapid measurements.

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Claims (3)

Sensor zur Entfernungsmessung im Winkel von 360 Grad um das Objekt herum SchutzansprücheSensor for measuring distance at an angle of 360 degrees around the object Protection claims 1. Ein Gerät zur Entfernungsmessung im Winkel von 360 Grad um das Objekt herum in x/y-Ebene und in einem stumpfen Winkel in z-Ebene gekennzeichnet durch die Kombination folgender Elemente:1. A device for measuring distances at an angle of 360 degrees around the object in the x/y plane and at an obtuse angle in the z plane characterized by the combination of the following elements: a) ein optischen Entfernungsmesser 1, der in z-Richtung auf den Spiegel 2 ausgerichtet ist,a) an optical rangefinder 1 aligned in the z-direction to the mirror 2 , b) ein Spiegel 2, der über eine Welle 3 in x/y-Ebene rotiert und in seiner Neigung für die Messung in verschiedenen Winkeln gekippt werden kann,b) a mirror 2 which rotates via a shaft 3 in the x/y plane and can be tilted at different angles for the measurement, c) ein Antrieb 4 zur Rotation der Welle 3 und damit des Spiegels 2,c) a drive 4 for rotating the shaft 3 and thus the mirror 2, d) ein Antrieb 5, der mittels des linearen Lagers 6 und der Spindel 7 in z-Richtung auf den Hebelarm 8 an Welle 3 wirkt und damit den Spiegel 2 kipptd) a drive 5, which acts on the lever arm 8 on shaft 3 in the z-direction by means of the linear bearing 6 and the spindle 7 and thus tilts the mirror 2 e) ein Hebelarm 8, der mit dem Kugellager 10 für Bewegungen um die z-Achse auf der Antriebswelle von Antrieb 5 gelagert ist, der den Spiegel 2 kippt,e) a lever arm 8, which is mounted on the drive shaft of drive 5 with the ball bearing 10 for movements around the z-axis, which tilts the mirror 2, f) ein an der Antriebswelle 3 direkt befestigter Rotationskopf 9, der den Spiegel in Kippachse senkrecht zur z-Achse hält.f) a rotation head 9 directly attached to the drive shaft 3, which holds the mirror in the tilt axis perpendicular to the z-axis. 2. Ein Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Entfernungsmesser mit einem Triangulations-, Phasenvergleichs- oder Pulslaufzeitmeßverfahren arbeitet.2. A device according to claim 1, characterized in that the optical rangefinder operates with a triangulation, phase comparison or pulse transit time measurement method. 3. Ein Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser mit Infrarot- oder Laserlicht arbeitet.3. A device according to claim 1 or 2, characterized in that the rangefinder works with infrared or laser light. Forschungszentrum Informatik, KarlsruheResearch Center for Information Technology, Karlsruhe
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19741731A1 (en) * 1997-09-22 1999-04-01 Sick Ag System for optical scanning surface, especially cavities and inner spaces

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19741731A1 (en) * 1997-09-22 1999-04-01 Sick Ag System for optical scanning surface, especially cavities and inner spaces

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