WO2006066840A1 - Vorrichtung und verfahren zur optoelektronischen bestimmung der lage eines objekts - Google Patents

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WO2006066840A1
WO2006066840A1 PCT/EP2005/013639 EP2005013639W WO2006066840A1 WO 2006066840 A1 WO2006066840 A1 WO 2006066840A1 EP 2005013639 W EP2005013639 W EP 2005013639W WO 2006066840 A1 WO2006066840 A1 WO 2006066840A1
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optical
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transmitter
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Gerd Reime
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Gerd Reime
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the position of an object by means of optical transmitter and receiver according to the preamble of claim 1 and of claim 10.
  • optical measuring principles are known:
  • the preamble of the independent claims is based on a device and a method as known from WO 01/90770 A1.
  • an optical sensor is provided, which can be determined by clock-wise assignment of incoming to the receiver by re-radiation or backscatter signals to the transmitters, a position of the object angle dependent.
  • the transmitter and receiver together provide a sensor that has a viewing angle on the object, which can thus lead to points that can not be clearly assigned in the sensor-active area.
  • a field of application for such a position determination is known from DE 102 51 133 B3, in which a lighting device is tracked the movement of an object.
  • a lighting device is tracked the movement of an object.
  • different results may result if the object is e.g. once a black glove and once a white glove is.
  • EP 0 809 120 A2 it is known, via two overlapping measuring ranges of optical sensors, to optically determine the angular relationship of an approaching object with respect to the optical sensors. For this purpose, the relative signal strengths of the two optical sensors reaching the receiver are set in relation to each other. If the angular position is known, it can also determine the distance of the object. Since the detected value of the return radiation is used directly for determining the angle, a dependence of the measured values on the respective reflecting object results.
  • the angle refers to rotation about an axis perpendicular to the plane in which the optical axis of the receiver and the at least two light sources are located. In this arrangement, therefore, only a certain angular position can be measured, further condition is that the object occupies a specific arrangement to the optical axis of the receiver.
  • an optical transmitter emits light at a changing angle. From the angular resolution at the transmitter and receiver, the position of the object in a stored field of resolution cells is closed.
  • the present invention the object of the invention to provide an apparatus and a method which determine the distance in a favorable manner, regardless of the reflectance of the respective object in a favorable manner.
  • the distance sensor formed by the device is based on the measurement of reflection ratios from different viewing positions, which can be measured over a wide range.
  • By amplifying the loop signal evaluated for the position determination of a control loop, which tries even in the noise signal to close the control loop is so even with a short baseline of the measuring device of eg only 5 cm a clear direction determination of an object to a range of eg 20 m by means of eg two sensors possible, even if the object has during the position determination changing reflection conditions.
  • the first optical sensor determines a clear first line, the second sensor a second line, wherein the object is in a known manner at their intersection. This makes it possible to detect a black glove in the sensor-active area as well as a white glove or a badly reflecting suede glove.
  • the measurement can be carried out even under unfavorable contrast conditions from object to background.
  • at least one of the three light sources but preferably two, namely the two outer light sources, always operates at high power and the receiver always has a consistently high gain.
  • the receiver is preferably arranged between the transmitters such that those clocked transmitters which together with the receiver in each case form one of the at least two optical sensors, partly on the one side of the receiver, partly on the one side arranged on the other side of the receiver.
  • the transmitters associated with the at least two optical sensors are each arranged on both sides of the preferably one receiver. The device thus "sees" the object stereoscopically.
  • Fig. 1 An inventive arrangement of the transmitter and receiver of a
  • FIG. 3 shows a representation of the positions of identical reflections of two transmitters
  • FIG. 4 shows typical signal curves for the movement of an object parallel to the transmitters in two different distances
  • the figures show a device for determining the position of an object 10 with respect to a measuring device M with a plurality of optical transmitters 11, 12, 13, 14 which emit light beams clocked by a clock circuit 16 in the direction of the object 10.
  • the emitted radiation is reflected and / or backscattered on the object 10 to be detected and then received by at least one receiver 15.
  • the transmitters 11 and 13 with the receiver 15 form a first optical sensor 20.
  • a second optical sensor which is not provided with a reference mark, is formed by the transmitters 12 and 14 in turn with the receiver 15.
  • At least three optical transmitters are sufficient in order to form at least two optical sensors 20 together with the receiver 15.
  • the four optical transmitters 11, 12, 13, 14 in the exemplary embodiment can be reduced to three, in which, for example, the optical transmitters 12 and 13 are combined to form a transmitter.
  • the only receiver 15 in the exemplary embodiment is connected between the transmitters 11, 12, 13, 14. orders that those clocked transmitters 11, 13 and 12, 14, which together with the receiver 15 each form one of the optical sensors 20, are arranged partly on one side of the receiver, partly on the other side of the receiver 15.
  • An evaluation unit 30 (FIG. 2) amplifies the signals arriving at the receiver 15 as a result of the reflected and / or backscattered light beams by means of an amplifier 22. It then derives derived signals from the amplified received signals assigned to the respective optical transmitters 11, 12, 13, 14 In order to be able to perceive dynamic changes in the position of the object 10 in the sensor-active area, the transmission power of at least one of the optical transmitters is regulated via a control loop such that a difference signal from the at least two measuring paths ( eg once transmitter 11 to receiver 15 and once transmitter 13 to receiver 15) of an optical sensor 20 results in zero.
  • the closed-loop loop signal evaluated for the position determination which still tries to close the control loop even in the noise signal range, it is therefore even with a short baseline of the measuring device of e.g. only 5cm a clear direction determination of an object within a range of e.g. 5 m by means of e.g. Two sensors possible, even if the object has during the position determination changing reflection ratios.
  • the first optical sensor determines a clear first line, the second sensor a second line, wherein the object is in a known manner at their intersection.
  • This is possible by amplifying the loop signal up to 100 or 15OdB, which makes a very precise direction determination possible. This is possible in the simplest case by means of only three transmitters and one receiver, which form the two sensors.
  • those transmitters 11 or 13 or 12 or 14 of the respective sensor 20, which are operated in the same clock and preferably work together in pairs, either left or right of the receiver 15 are arranged.
  • the optical transmitters are thus arranged asymmetrically, preferably in mirror image to the receiver 15. This facilitates the construction of a stereoscopic view of the object 10. This results in direction-sensitive optical sensors 20 with a stereoscopic object recognition.
  • the optical transmitters 11, 12, 13, 14 are four modulated light sources in the form of LEDs, which cooperate with only one receiver 15 to form the optical sensors 20.
  • the distance sensor typically consists of these four co-linearly arranged LEDs which are operated as optical transmitters. Other elements that emit light rays can also be operated as transmitters.
  • In the middle of the diode array is provided as a receiver 15 photodiode. Again, other receiving elements can be used.
  • An object 10 is located in the illumination area of the four LEDs. Assuming that the object has uniform (diffuse) reflectivity characteristics from the viewpoint of the four LEDs, the photodiode of each LED returns to a luminous flux that depends on the distance of the object or object 10, its surface reflectance, and the power of the LED.
  • the gain of the preamplifier is selected to be so high that an object with extremely weak reflection or with the most widely measured distance still leads to a signal that can be evaluated in the evaluation unit 30. Understandably, therefore, the gain is very high, eg at over 80 dB.
  • the two optical transmitters 11 and 13 clock alternately. The preamplifier is therefore first of all the difference value of the reflection.
  • the demodulator 23 the amplified received signal of the photodiode is demodulated in synchronism with the system clock.
  • the differential information thus obtained is used by the controller 32 to control the optical transmitters 11 and 13.
  • this regulation works in such a way that the difference value at the photodiode is regulated to zero.
  • the gain of the control loop can, for example, again be above 80 dB, so that a control dynamic of more than 160 dB results for the total loop loop. Therefore, it is understandable that even weak signals at the edge of the noise threshold still lead to a correct loop control value.
  • For determining the position only the control value for at least one of the optical transmitters 11, 13 is used.
  • This measure ensures that a precise position can be determined for virtually any desired object in a given measuring space, without the size or surface reflection of the object to be determined being included in the measurement and without the object being excessively approximated by its strong reflection the photodiode or preamplifier can be driven into the limit.
  • the four reception services? PD can be described as follows, where dj describes the rectilinear distance of the transmitting diode i from the object 10, d PD describes the rectilinear distance of the receiver 15 from the object 10, and f is a monotonic function representing the optical attenuation depending on the path. It applies with? the reflective property and? L ED of the light output:
  • ⁇ PD i LED x P - ⁇ LED - f ⁇ d ⁇ ) • / (dm) (Equation 1)
  • ⁇ PD (LED 2) P - ⁇ LED - f (d i) d • ⁇ PD) (Equation 2)
  • ⁇ PD (LED i ) p - ⁇ LED -f (d i ) -f (d PD ) (Equation 3)
  • ⁇ PD (LED A ) p ⁇ ⁇ LED ⁇ f ⁇ d 4 ) -f ⁇ d PD ) (Equation 4)
  • the two measurement signals S1 and S2 in equations 5 and 6 are independent of the LED power and the properties of the object 10 and the distance from the photodiode or the receiver 15. They depend only on the position of the object in the coordinates x and y off. The position of the object is thus described in S1 / S2 coordinates. These can be converted into the Cartesian x and y coordinates. Until now, the function f was only assumed to be monotone. The more light passes from one LED (ie from one transmitter 11, 12, 13, 14 to the receiver 15, the smaller is d.
  • S1 gets the value Vi when the object 10 is the same distance from the two LEDs 1 and 3
  • the required signals S1 and S2 are each obtained directly from a measurement
  • the two transmitters 11 and 13 clock out of phase with each other with a square wave signal so that the receiver 15 no AC signal sees the constraint is observed that the sum of the two amplitudes are always the same.
  • This HALIOS ® principle is known from EP 0706648 B1. Since the photodiode receiver only identify needs, which Transmitter 11, 12, 13, 14 outweighs its power, its gain can be selected arbitrarily high, which also poorly reflective objects are detected ,
  • Equation 11 is structurally identical to Equation 5.
  • the set operating current of LED1 or the ratio of the operating current from LED1 to LED3 is a measure of the signal S1.
  • Fig. 2 illustrates the control loop.
  • the clock generator 16 generates two 180 ° phase-shifted rectangular signals, which reach the LED drivers 18, 19.
  • the photodiode, the receiver 15, receives the additive superposition of the two signals reflected by the object 10 and outputs them to the bandpass filter and preamplifier 22 with high amplification.
  • This received signal reaches the demodulator 23, which determines the phase position of the received signal and forwards this result to the controller 32.
  • the two mutually inverse output signals of the controller 32 control the LED driver 18, 19, whereby the control loop is closed.
  • the receiver 15 can always have a high AC gain, even weakly reflective objects 10 can be measured well.
  • the distance signal is obtained as follows: The exact dependence of the two signals S1 and S2 on the object position depends on the arrangement of the LEDs and their emission characteristics. Even without knowing the exact conditions, three positions can be found in the structure of FIG. 1, which are based solely on the same reflections according to FIG. FIG. 4 shows typical signal curves for the movement of an object 10 parallel to the transmitters 11, 12, 13, 14 in two different distances. The position of the object 10 is contained in the relative position of the two signals to each other. The reflectivity of the object has no Influence on the measurement result. Furthermore, to save costs, the optical transmitters 12, 13 can be combined to form a single light source, which can then be arranged in the vicinity of the receiver, for example, outside the first line.
  • the optical transmitters 11, 12, 13, 14 and the receiver 15 are arranged on a line 17 with the same emission or reception orientation. If a three-dimensional detection of the position of the object 10 is to be achieved, further transmitters and / or receivers can be arranged on a further line, which preferably intersects the first line 17.
  • the control signal 31 is used as a position signal.
  • the received signals or the control signals 31 derived therefrom are charged to a distance.
  • the transmitters operate in the near infrared range.
  • the optical sensors are preferably each two light sources are modulated regulated so that there is a DC signal at the receiver.
  • a neural network can be used.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung weist mehrere optische Sendern (11, 12, 13, 14) auf, die durch eine Taktschaltung getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden. Wenigstens ein Empfänger (15) empfängt die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen, wobei Sender und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden. Eine Auswerteeinheit verstärkt die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers und bildet aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11, 12, 13, 14) zugeordneten Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10). Dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei optische Sensoren (20), die durch wenigstens drei optische Sender (11, 12, 13, 14) und den Empfänger (15) gebildet werden, unter verschiedenem Blickwinkel auf das Objekt (10) angeordnet werden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert werden, wird auf günstige Weise der Abstand des Objekts in einem weiten Bereich unabhängig vom Reflexionsgrad des jeweiligen Objekts bestimmt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optoelektronischen Bestimmung der Lage eines Objekts
Beschreibung
Bezug zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2004 062 417.8, hinterlegt am 20.12.2004, deren Offenbarungsgehalt hier- mit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts mittels optischer Sender und Empfänger nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 10.
Stand der Technik
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten den Abstand bzw. die Position eines Objektes zu messen. Besonders interessant sind Sensoren, die dies berührungslos von nahezu einer Messposition aus bewerkstelligen können. Wird ein solcher Sensor optisch ausgeführt, so stehen zwei Funktionsprinzipien zur Auswahl. Zum einen eine direkte Abstandsmessung über die Lichtlaufzeit und zum anderen eine stereoskopi- sehe Betrachtung. Diese ist direkt der Natur nachgeahmt. Bekanntlich kann man mit zwei Augen dreidimensional sehen. Üblicherweise erfolgt die Realisierung durch zwei Kamerasysteme, deren Einzelbilder aufwendig verrechnet werden. Im Endeffekt genügt es aber ein Objekt von zwei unterschiedlichen Positionen aus zu betrachten.
Z.B. sind die folgenden optischen Messprinzipien bekannt:
- Lichtlaufzeitmessung
- LIDAR
- Stereoskopische Kamerasysteme - Gitterlichtschranken
- Triangulationsverfahren
Dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche liegt eine Vorrichtung und ein Verfah- ren zu Grunde, wie es aus der WO 01/90770 A1 bekannt ist. Mit zwei phasenweise getaktet betriebenen Lichtquellen und einem Empfänger wird ein optischer Sensor geschaffen, wobei durch taktweises Zuordnen der am Empfänger durch Rückstrahlung oder Rückstreuung eingehenden Signale zu den Sendern eine Position des Objekts winkelabhängig bestimmt werden kann. Sender und Empfänger ergeben zu- sammen einen Sensor, der einen Blickwinkel auf das Objekt hat, was damit zu nicht eindeutig zuordenbaren Punkten im sensoraktiven Bereich führen kann.
Ein Einsatzbereich für eine derartige Positionsbestimmung ist aus der DE 102 51 133 B3 bekannt, bei der eine Beleuchtungseinrichtung der Bewegung eines Objekts nachgeführt wird. Dabei können sich je nach den Reflexionseigenschaften des hinsichtlich seiner Entfernung zu bestimmenden Objekts unterschiedliche Ergebnisse ergeben, wenn das Objekt z.B. einmal ein schwarzer Handschuh und einmal ein weißer Handschuh ist.
Aus der EP 0 809 120 A2 ist es bekannt, über zwei sich überlappenden Messbereiche optischer Sensoren auf optischem Wege die Winkelbeziehung eines sich nähernden Gegenstandes gegenüber den optischen Sensoren zu bestimmen. Hierzu werden die in den Empfänger gelangenden relativen Signalstärken der beiden optischen Sensoren zueinander ins Verhältnis gesetzt. Ist die Winkelposition bekannt, lässt sich daraus auch die Entfernung des Gegenstands bestimmen. Da der erfasste Wert der Rückstrahlung unmittelbar zur Winkelbestimmung verwendet wird, ergibt sich eine Abhängigkeit der Messwerte vom jeweiligen reflektierenden Gegenstand.
Aus der DE 43 32 022 C2 ist ein Verfahren zum optoelektronischen Erfassen der Winkellage eines Messobjekts bekannt. Der Winkel bezieht sich auf die Drehung um eine Achse, die senkrecht auf der Ebene steht, in der die optische Achse des Empfängers und die wenigstens zwei Lichtquellen liegen. Bei dieser Anordnung kann also nur eine bestimmte Winkellage gemessen werden, wobei ferner Voraussetzung ist, dass das Objekt eine bestimmte Anordnung zur optischen Achse des Empfängers einnimmt.
In dem Verfahren nach der EP 0 895 604 B1 strahlt ein optischer Sender unter sich veränderndem Winkel Licht ab. Aus der Winkelauflösung an Sender und Empfänger wird auf die Lage des Objekts in einem abgespeicherten Feld aus Auflösungszellen geschlossen.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, die auf günstige Weise den Abstand in einem weiten Bereich unabhängig vom Reflexionsgrad des jeweiligen Objekt bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst.
Der durch die Vorrichtung gebildete Abstandssensor basiert auf der Messung von Reflexionsverhältnissen von verschiedenen Betrachtungspositionen aus, wobei diese über einen weiten Bereich messbar sind. Über eine Verstärkung des für die Positionsbestimmung ausgewerteten Loopsignals einer Regelschleife, die selbst im Rauschsignal versucht, die Regelschleife zu schließen, ist damit selbst bei kurzer Basislinie der Messeinrichtung von z.B. nur 5 cm eine eindeutige Richtungsbestim- mung eines Objekts bis in einen Bereich von z.B. 20 m mittels z.B. zweier Sensoren möglich, selbst wenn das Objekt sich während der Positionsbestimmung ändernde Reflexionsverhältnisse aufweist. Der erste optische Sensor bestimmt eine auf weite Sicht eindeutige erste Linie, der zweite Sensor eine zweite Linie, wobei sich das Objekt in bekannter Weise an deren Schnittpunkt befindet. Damit lässt sich im sensor- aktiven Bereich ein schwarzer Handschuh genauso erkennen wie ein weißer Handschuh oder ein schlecht reflektierender Wildlederhandschuh. Dies ist zudem im einfachsten Fall mittels nur drei Sendern und einem Empfänger möglich, die die zwei Sensoren bilden. Durch eine hohe geregelte Loopverstärkung des Regelkreises für die Sendeleistung der optischen Sender kann die Messung auch bei ungünstigen Kontrastverhältnissen von Gegenstand zu Hintergrund durchgeführt werden. Insbesondere arbeitet wenigs- tens eine der drei Lichtquellen, vorzugsweise aber zwei, nämlich die zwei äußeren Lichtquellen stets mit hoher Leistung und der Empfänger weist eine stets gleich bleibend hohe Verstärkung auf.
Zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt ist der Empfänger vorzugswei- se so zwischen den Sendern angeordnet ist, dass diejenigen getakteten Sender, die gemeinsam mit dem Empfänger jeweils einen der wenigstens zwei optischen Sensoren bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die den wenigstens zwei optischen Sensoren zugeordneten Sender jeweils beidseits des vorzugsweise einen Empfängers angeordnet. Die Vorrichtung „sieht" damit das Objekt stereoskopisch.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Anordnung der Sender und Empfänger einer
Messvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Regelkreis,
Fig. 3 eine Darstellung der Positionen gleicher Reflexionen von je zwei Sendern, Fig. 4 typische Signalverläufe für die Bewegung eines Objekts parallel zu den Sendern in zwei verschiedenen Abständen, Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Schaltung oder Anordnung oder die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben, und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dies gilt auch in umgekehrter Richtung.
Die Figuren zeigen eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts 10 in Bezug auf eine Messeinrichtung M mit mehreren optischen Sendern 11 , 12, 13, 14, die durch eine Taktschaltung 16 getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt 10 aussenden. Die ausgesandte Strahlung wird an dem zu erkennenden Objekt 10 reflektiert und/oder rückgestreut und dann von wenigstens einem Empfänger 15 empfangen. In Fig. 1 bilden die Sender 11 und 13 mit dem Empfänger 15 einen ersten optischen Sensor 20. Ein zweiter optischer Sensor, der nicht mit einem Bezugszei- chen versehen ist wird durch die Sender 12 und 14 wiederum mit dem Empfänger 15 gebildet.
Grundsätzlich genügen wenigstens drei optische Sender, um gemeinsam mit dem Empfänger 15 wenigstens zwei optische Sensoren 20 zu bilden. Die im Ausfüh- rungsbeispiel vier optischen Sender 11 , 12, 13, 14 können auf drei verringert werden, in dem z.B. die optischen Sender 12 und 13 zu einem Sender zusammengelegt werden. Zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt 10 ist der im Ausführungsbeispiel einzige Empfänger 15 so zwischen den Sendern 11 , 12, 13, 14 ange- ordnet, dass diejenigen getakteten Sender 11 , 13 bzw. 12, 14, die gemeinsam mit dem Empfänger 15 jeweils einen der optischen Sensoren 20 bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers 15 angeordnet sind.
Eine Auswerteeinheit 30 (Fig. 2) verstärkt die am Empfänger 15 infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers 22. Aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern 11 , 12, 13, 14 zugeordneten Empfangssignalen bildet sie dann abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts 10. Um auch dynamische Änderungen der Position des Objekts 10 im sensoraktiven Bereich wahrnehmen zu können, wird die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt, dass sich am Empfänger ein Differenzsignal aus den wenigstens zwei Messstrecken (z.B. einmal Sender 11 zu Empfänger 15 und einmal Sender 13 zu Empfänger 15) eines optischen Sensors 20 zu Null ergibt.
Über eine Verstärkung des für die Positionsbestimmung ausgewerteten Loopsignals der Regelschleife, die selbst im Rauschsignalbereich noch versucht, die Regelschleife zu schließen, ist damit selbst bei kurzer Basislinie der Messeinrichtung von z.B. nur 5cm eine eindeutige Richtungsbestimmung eines Objekts bis in einen Bereich von z.B. 5 m mittels z.B. zwei Sensoren möglich, selbst wenn das Objekt sich während der Positionsbestimmung ändernde Reflexionsverhältnisse aufweist. Der erste optische Sensor bestimmt eine auf weite Sicht eindeutige erste Linie, der zweite Sensor eine zweite Linie, wobei sich das Objekt in bekannter Weise an deren Schnittpunkt befindet. Dies ist durch eine Verstärkung des Loopsignals bis zu 100 oder 15OdB möglich, was eine sehr präzise Richtungsbestimmung möglich macht. Dies ist im einfachsten Fall mittels der nur drei Sender und einem Empfänger möglich, die die zwei Sensoren bilden.
Mit hoher Loopverstärkung der Regelschleife lassen sich selbst sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegender Objekte 10 eliminieren. Vorzugsweise sind diejenigen Sender 11 oder 13 bzw. 12 oder 14 des jeweiligen Sensors 20, die im gleichen Takt betrieben sind und vorzugsweise paarweise zusammenarbeiten, entweder links oder rechts vom Empfänger 15 angeordnet. Die optischen Sender sind damit asymmetrisch, vorzugsweise spiegelbildlich zum Empfänger 15 angeordnet. Dies erleichtert den Aufbau einer stereoskopischen Betrachtung des Objekts 10. Es ergeben sich damit richtungssensitive optische Sensoren 20 mit einer stereoskopischen Objekterkennung.
In Fig. 1 sind die optischen Sender 11 , 12, 13, 14 vier modulierte Lichtquellen in Form von LEDs, die zur Bildung der optischen Sensoren 20 mit nur einem Empfänger 15 zusammenwirken. Der Abstandssensor besteht typischerweise aus diesen vier kolinear angeordneten LEDs die als optische Sender betrieben werden. Andere Elemente, die Lichtstrahlen aussenden, können ebenfalls als Sender betrieben wer- den. In der Mitte der Diodenreihe liegt eine als Empfänger 15 vorgesehene Photodiode. Auch hierfür können andere Empfangselemente verwendet werden. Ein Objekt 10 befindet sich im Ausleuchtungsbereich der vier LEDs. Nimmt man an, dass der Gegenstand aus Sicht der vier LEDs gleichförmige (diffuse) Reflexionseigenschaften aufweist, so gelangt zur Photodiode von jeder LED ein Lichtstrom zurück, der vom Abstand des Gegenstandes oder Objekts 10, seinem Oberflächenreflexionsgrad und der Leistung der LED abhängt.
Unter diesen Umständen würde der Reflexionsgrad des zu bestimmenden Objekts in die Messung eingehen. Um dies zu verhindern, wird die Verstärkung des Vorverstär- kers so hoch gewählt, dass ein Gegenstand mit extrem schwacher Reflexion bzw. mit dem am weitesten vorgegebenen Messabstand noch zu einem in der Auswerteeinheit 30 auswertbarem Signal führt. Verständlicherweise liegt daher die Verstärkung sehr hoch, z.B. bei über 80 dB. Bei nur einem getakteten Sender, z.B. der optische Sender 11 , würde eine Annäherung des Objekts sehr schnell zu einer Über- Steuerung des Vorverstärkers 22 bzw. der Auswerteeinheit 30 führen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 takten jedoch die beiden optischen Sender 11 und 13 wechselseitig. Am Vorverstärker liegt daher erst einmal der Differenzwert der Reflexion an. Aber auch dieser Differenzwert kann im ungünstigsten Fall zu einer Übersteue- rung des Vorverstärkers bzw. der Auswerteeinheit 30 führen. Daher wird im Demodulator 23 das verstärkte Empfangssignal der Photodiode synchron mit dem Systemtakt demoduliert. Die so gewonnene Differenzinformation wird vom Regler 32 zur Regelung der optischen Sender 11 und 13 herangezogen. Dabei arbeitet diese Regelung so, dass der Differenzwert an der Photodiode zu Null geregelt wird. Die Verstärkung des Regelkreises kann z.B. wiederum über 80 dB liegen, so dass sich für die Gesamtloopschleife eine Regeldynamik von über 160 dB ergibt. Daher ist es verständlich, dass auch schwache Signale am Rand der Rauschschwelle noch zu einem korrekten Loopregelwert führen. Zur Positionsbestimmung wird nun ausschließlich der Regelwert für wenigstens einen der optischen Sender 11 , 13 herangezogen.
Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass in einem vorgegebenen Messraum für nahezu jeden beliebigen Gegenstand eine genaue Position bestimmt werden kann, ohne dass Größe oder Oberflächereflexion des zu bestimmenden Gegens- tands in die Messung eingehen und ohne dass bei übermäßiger Annäherung des Objekts durch dessen starke Reflexion die Photodiode oder der Vorverstärker in die Begrenzung gefahren werden können.
Bewegt sich nun ein Objekt 10 entlang einer Linie oder Kurvenbahn auf die Messvor- richtung M zu, stellen sich unabhängig vom Reflexionsgrad, der sich während der Bewegung ändern kann, eindeutige und zuverlässige Empfangssignale ein, die eine exakte Winkel- und damit Positionsbestimmung ermöglichen. Weiter führen hinsichtlich ihres Reflexionsgrads verschiedene Objekte, die sich auf derselben Linie oder Bahn im sensoraktiven Bereich der Messvorrichtung bewegen, zu gleichen Ergeb- nissen, so dass sich reflexionsunabhängig die Position bestimmen lässt.
Durch zeitsequentielles Einschalten der vier LEDs erhält man vier Teilinformationen. Im System liegen die folgenden Unbekannten vor:
1. Leistung der LEDs 2. Reflexionsgrad des Objekts 10
3. Lotabstand des Objekts 10 von der LED-Linie (y-Koordinate)
4. Abstand des Objekts 10 vom Lot auf die Photodiode (x-Koordinate) Es gibt also die gleiche Anzahl von Unbekannten wie von Messungen, wodurch das System vollständig bestimmt ist. Zusätzlich sind die beiden Unbekannten 1 und 2 nicht von Interesse. Die vier Empfangsleistungen ? PD können wie folgt beschrieben werden, wobei dj den geradlinigen Abstand der Sende-Diode i vom Objekt 10, dPD den geradlinigen Abstand des Empfängers 15 vom Objekt 10 beschreibt und f eine monotone Funktion ist, die die optische Dämpfung in Abhängigkeit vom Weg wiedergibt. Es gilt mit ? der Reflexionseigenschaft und ? LED der Abstrahllichtleistung:
ΦPD iLEDx ) = P -ΦLED - f{dχ ) • /(dm ) (Gleichung 1 ) ΦPD (LED2 ) = P - ΦLED - f(di ) • ΛdPD ) (Gleichung 2)
ΦPD(LEDi) = p -φLED - f(di)-f(dPD) (Gleichung 3) φPD(LEDA) = p ■ φLED ■ f{d4)- f{dPD) (Gleichung 4)
Wie aus den Gleichungen 1 bis 4 zu sehen, treten die beiden nicht interessierenden Unbekannten ? und ? LED multiplikativ auf. Es liegt also nahe, diese durch Division zu entfernen. Um numerische Probleme bei der Division zu verhindern, werden nicht einfach zwei Empfangssignale dividiert, sondern das Verhältnis eines Empfangssignals zur Summe zweier Signale gebildet.
φm(LED3) _ f{d3) ' φPD(LED]) + φPD(LED3) f{dx)+ f{d,) (Gleichung 5) und φm{LED4) _ /(J4)
^2 = φPD(LED2) + φPD(LED4) f{d2) + f(d4) (Gleichung 6)
Die beiden Messsignale S1 und S2 in den Gleichungen 5 und 6 sind unabhängig von der LED-Leistung und den Eigenschaften des Objekts 10 und dem Abstand von der Photodiode bzw. dem Empfänger 15. Sie hängen nur noch von der Position des Objekts in den Koordinaten x und y ab. Die Position des Objekts wird also in S1/ S2- Koordinaten beschrieben. Diese können in die kartesischen x und y Koordinaten umgerechnet werden. Bis jetzt wurde für die Funktion f nur vorausgesetzt, dass sie monoton ist. Es gelangt umso mehr Licht von einer LED (also von einem Sender 11 , 12, 13, 14 zum Empfänger 15 je kleiner d ist. Offensichtlich erhält S1 den Wert Vi, wenn das Objekt 10 den gleichen Abstand von den beiden LEDs 1 und 3 hat. Günstigerweise werden die benötigten Signale S1 und S2 jeweils direkt aus einer Messung gewonnen. Zur Messung von S1 takten die beiden Sender 11 und 13 gegenphasig mit einem Rechtecksignal zueinander. Am Empfänger 15 kommt das Überlagerungssignal aus beiden Sendesignalen an. Ein Regler 32 steuert die Sendeamplituden so, dass der Empfänger 15 kein Wechselsignal sieht, wobei die Nebenbedingung eingehalten wird, dass die Summe der beiden Amplituden stets gleich sind. Dieses HALIOS®-Prinzip ist aus der EP 0 706 648 B1 bekannt. Da der Photodiodenempfänger nur noch ermitteln muss, welcher Sender 11 , 12, 13, 14 in seiner Leistung überwiegt, kann seine Verstärkung beliebig hoch gewählt werden, wodurch auch schlecht reflektierende Gegenstände erkannt werden.
Unter Benutzung von Gleichung 1 und 3 ergibt sich mit dem Regelziel des gleichen Empfangssignals:
φPD{LEDx) = φPD{LED,) Gleichung 7 p-φLEDrf{dιyf{dPD) = p-φLEm -Ad3YAdn) Gleichung 8
Daraus folgt:
<t>LEDX -
Figure imgf000012_0001
= <f>LEDi - Adl) Gleichung 9
Mit der Nebenbedingung
Figure imgf000012_0002
= ΦK Gleichung 10
folgt
Figure imgf000012_0003
Gleichung 11 Gleichung 11 ist strukturell identisch mit Gleichung 5. Somit ist der eingestellte Betriebsstrom von LED1 bzw. das Verhältnis des Betriebsstroms von LED1 zu LED3 ein Maß für das Signal S1.
Fig. 2 verdeutlicht den Regelkreis. Der Taktgenerator 16 erzeugt zwei um 180° phasenverschobene Rechtecksignale, die zu den LED-Treibern 18, 19 gelangen. Die Photodiode, der Empfänger 15, empfängt die vom Objekt 10 reflektierte additive Überlagerung der beiden Signale und gibt diese an den Bandpassfilter und Vorver- stärker 22 mit hoher Verstärkung ab. Dieses Empfangssignal gelangt zum Demodu- lator 23, der die Phasenlage des Empfangssignals ermittelt und dieses Ergebnis an den Regler 32 weitergibt. Die beiden zueinander inversen Ausgangssignale des Reglers 32 steuern die LED-Treiber 18, 19 an, wodurch der Regelkreis geschlossen ist.
Dieses Messverfahren weist gegenüber der bekannten Messung der Lichtstärke am Empfänger die folgenden Vorteile auf:
- Die Eigenschaften des Empfängers 15 , wie Drift, Alterung, Verschmutzung be- einflussen die Messung nicht.
- Da der Empfänger 15 stets eine hohe Wechselstromverstärkung aufweisen kann, können auch schwach reflektierende Objekte 10 gut gemessen werden.
- Da das Verhältnis der Regelgrößen von verschiedenen Sendesignalen ausgewertet wird, ist dieses unabhängig vom Reflexionsgrad des Objekts 10.
Das Abstandsignal wird wie folgt gewonnen: Die genaue Abhängigkeit der beiden Signale S1 und S2 von der Gegenstandsposition hängt von der Anordnung der LEDs und deren Abstrahlcharakteristik ab. Auch ohne Kenntnis der genauen Gegebenheiten lassen sich im Aufbau aus Abbildung 1 drei Positionen finden, die gemäß Fig. 3 allein auf gleichen Reflexionen beruhen. In Fig. 4 sind typische Signalverläufe für die Bewegung eines Objekts 10 parallel zu den Sendern 11 , 12, 13, 14 in zwei verschiedenen Abständen dargestellt. Die Position des Objekts 10 ist in der relativen Lage der beiden Signale zueinander enthalten. Die Reflexionskraft des Objekts hat keinen Einfluss auf das Messergebnis. Weiter können zur Kostenersparnis die optischen Sender 12,13 zu einer einzigen Lichtquelle zusammengefasst werden, die dann in der Nähe des Empfängers z.B. außerhalb der ersten Linie angeordnet sein kann.
Vorzugsweise sind die optischen Sender 11 , 12, 13, 14 und der Empfänger 15 auf einer Linie 17 mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet. Soll eine dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts 10 erreicht werden, können weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet sein, die vorzugsweise die erste Linie 17 schneidet.
Beim Betrieb des jeweiligen optischen Sensors 20 werden wenigstens je zwei Sender 11 , 13 bzw. 12, 14 so geregelt moduliert, dass sich am Empfänger 15 ein Gleichsignal ergibt. Vorzugsweise wird das Regelsignal 31 als Positionssignal verwendet. Die Empfangssignale oder die daraus gewonnenen Regelsignale 31 werden zu einem Abstand verrechnet. Vorzugsweise arbeiten die Sender im nahen Infrarotbereich. Die einem optischen Sensor zugeordneten vorzugsweise jeweils zwei Lichtquellen werden so geregelt moduliert, dass sich am Empfänger ein Gleichsignal ergibt. Zur Berechnung der Gegenstandsposition kann ein neuronales Netz verwendet werden.
Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.
Bezugszeichenliste
10 Objekt
11 ,12,13,14 Sender
15 Empfänger
16 Taktgenerator
17 Linie
18, 19 LED-Treiber
20 optischer Sensor
22 Vorverstärker / Bandpassfilter
23 Demodulator
30 Auswerteeinheit
31 Regelsignal
32 Regler
M Messeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung (M) mit mehreren optischen Sendern (11 , 12, 13, 14), die durch eine Taktschaltung (16) getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden, und mit wenigstens einem Empfänger (15), der die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen empfängt, wobei Sender und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden, sowie mit einer Auswerteeinheit (30), die die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers (22) verstärkt und aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11 , 12, 13, 14) zugeordnete Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei optische Sender (11 , 12, 13, 14) mit dem Empfänger (15) wenigstens zwei optische Sensoren (20) zur Bildung verschiedener Blickwinkel auf das Objekt (10) bilden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (15) so zwischen den Sendern (11 , 12, 13, 14) angeordnet ist, dass diejenigen getakteten Sender(11 , 13 bzw. 12, 14), die gemeinsam mit dem Empfänger (15) jeweils einen der optischen Sensoren (20) bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers (15) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (11 , 12, 13, 14) asymmetrisch zum Empfänger (15), vorzugsweise spiegelbildlich zum Empfänger angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Sender (11 , 13 bzw. 12, 14) des jeweiligen Sensors (20), die im gleichen Takt betrieben sind, entweder links oder rechts vom Empfänger (15) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren (20) richtungssensitiv eine stereoskopische Objekterkennung aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11 , 12, 13, 14) vier modulierte Lichtquellen sind, die zur Bildung der optischen Sensoren (20) mit nur einem Empfänger (15) zusammenwirken.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen paarweise zur Bildung je eines optischen Sensors (20) mit dem Empfänger (15) zusammenwirken.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11 , 12, 13, 14) und der Empfänger (15) auf einer Linie (17) mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts (10) weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet sind.
10. Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Objekts (10) in Bezug auf eine Messeinrichtung (M) mit mehreren optischen Sendern (11 , 12, 13, 14), die durch eine Taktschaltung (16) getaktet Lichtstrahlen in Richtung auf das Objekt (10) aussenden, und mit wenigstens einem Empfänger (15), der die vom Objekt (10) reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen empfängt, wobei Sender (11 , 12, 13, 14) und Empfänger wenigstens einen optischen Sensor (20) bilden, sowie mit einer Auswerteeinheit (30), die die am Empfänger (15) infolge der reflektierten und/oder rückgestreuten Lichtstrahlen eingehenden Signale mittels eines Verstärkers (22) verstärkt und aus den verstärkten, den jeweiligen optischen Sendern (11 , 12, 13, 14) zugeordnete Empfangssignalen abgeleitete Signale zur Bestimmung der Lage des Objekts (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei optische Sensoren (20), die durch wenigstens drei optische Sender (11 , 12, 13, 14) und den Empfänger (15) gebildet werden, unter verschiedenem Blickwinkel auf das Objekt (10) angeordnet werden und dass die Sendeleistung wenigstens eines der optischen Sender über eine Regelschleife so geregelt wird, dass sich am Empfänger ein Signal zu Null ergibt und bei hoher Loopverstärkung der Regelschleife sich ändernde Reflexionseigenschaften eines sich entlang einer Bahn bewegenden Objekts und/oder geänderte Reflexionseigenschaften verschiedener sich auf derselben Bahn bewegenden Objekte (10) eliminiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleiteten Signale die Regelsignale zur Regelung der Sendeleistung der optischen Sender sind.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (15) so zwischen den Sendern (11 , 12, 13, 14) angeordnet wird, dass diejenigen getakteten Sender (11 , 13 bzw. 12, 14), die gemeinsam mit dem Empfänger (15) jeweils einen der optischen Sensoren (20) bilden, teils auf der einen Seite des Empfängers, teils auf der anderen Seite des Empfängers (15) angeordnet sind
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die richtungssensitiven optischen Sensoren (20) das Objekt (10) stereoskopisch erkennen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11 , 12, 13, 14) vier modulierte Lichtquellen sind, die zur Bildung der optischen Sensoren (20) mit nur einem Empfänger (15) zusammenwirken.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen paarweise zur Bildung je eines optischen Sensors (20) mit dem Empfänger (15) zusammenwirken.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender (11 , 12, 13, 14) und der Empfänger (15) auf einer Linie(17) mit gleicher Abstrahl- bzw. Empfangsausrichtung angeordnet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur dreidimensionalen Erkennung der Lage des Objekts (10) weitere Sender und/oder Empfänger auf einer weiteren Linie angeordnet werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des jeweiligen optischen Sensors (20) wenigstens je zwei Sender (11 , 13 bzw. 12, 14) so geregelt moduliert werden, dass sich am Empfänger (15) ein Gleichlichtsignal ergibt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsignal (31 ) als Positionssignal verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelsignale (31) zu einem Abstand verrechnet werden.
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