WO2009112260A1 - Device and method for detecting relative movements of an object with respect to a reference surface - Google Patents

Device and method for detecting relative movements of an object with respect to a reference surface Download PDF

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WO2009112260A1
WO2009112260A1 PCT/EP2009/001783 EP2009001783W WO2009112260A1 WO 2009112260 A1 WO2009112260 A1 WO 2009112260A1 EP 2009001783 W EP2009001783 W EP 2009001783W WO 2009112260 A1 WO2009112260 A1 WO 2009112260A1
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WO
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photosensors
groups
determined
vector field
reference surface
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PCT/EP2009/001783
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Ubbo Ricklefs
Stefan Charisse
Original Assignee
Fachhochschule Giessen-Friedberg
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    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • GPHYSICS
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    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting relative movements of an object to a reference surface according to the preamble of claim 1 and a method for detecting relative movements of an object to a reference surface according to the preamble of claim 8.
  • a reference surface having a random structure is imaged onto an optical receiver, such as a camera.
  • the image content changes from the content of the previous image.
  • EP 1 067 388 A1 describes a very complex correlation method of this type in which the correlation between the images of two cameras is calculated taking into account the triangulation.
  • Such a correlation method is known to be associated with a relatively large amount of computation and therefore also with a relatively large computation time. Since the complete calculation of a correlation is time-consuming, approximations of the correlation are usually calculated.
  • a reference surface with a random structure is imaged onto a photosensor and superimposed with a lattice-shaped periodic structure which is relative to a moving object relative to a reference surface is stationary and acts as spatial frequency filter which serves to mask the scattered light in the measurement volume.
  • Moving the photosensor relative to the reference surface produces a narrow-band, velocity-dependent signal which, in addition to low-frequency changes, also has a modulation whose frequency f 0 (maximum frequency of the temporal frequency spectrum) is a measure of the velocity of the object relative to the reference surface and has a clear relationship with the velocity along the orientation of the lattice structure, a lattice constant of the lattice structure and the magnification of an imaging optic and is proportional to the speed.
  • f 0 maximum frequency of the temporal frequency spectrum
  • the invention has for its object to provide an apparatus for performing the method according to the invention.
  • Main features of the invention are specified in the characterizing part of claim 1 and claim 8.
  • Embodiments are the subject of claims 2 to 7 and 9 to 23.
  • the invention provides that the n photosensors of the Line in groups m, are subdivided with each m photosensors, which define a distance s, where each two consecutive groups (m "m, +1 ) m-1 photo sensors belong.
  • the device according to the invention therefore comprises n photosensors arranged in a line which, arranged on an object, detect the brightness values of a reference surface irradiated with a light of a specific wavelength via an objective.
  • the n photo sensors of the line are interconnected or subdivided in such a way that they form groups m, with in each case m photosensors, which define distances s. Two consecutive groups m "m, +1 belong to m-1 photo sensors together.
  • Suitable photosensors include all known and suitable prior art receivers for optical radiation measurement, such as photodiodes or so-called CCDs (Charge Coupled Devices) and the like.
  • CCDs Charge Coupled Devices
  • the geometric design of the individual photosensors can be arbitrary.
  • sensor arrays are also suitable with which spatially resolved information about the surface can be obtained.
  • These include in particular magnetoresistive or capacitive sensor arrays for detecting local magnetic or electrical field distributions.
  • the sensors may be arranged at a distance successively in the row. However, such a successive arrangement of the photosensors is not necessarily required due to the random structure of the reference surface. Rather, the photosensors within the line may have any arrangement.
  • a plurality of lines each having n photo sensors are combined to form at least one matrix.
  • Such an arrangement of the lines not only allows the detection of the relative movement of the object to the reference surface in the longitudinal direction of the lines, but also the detection of a rotational movement of the object.
  • different movements are detected in staggered lines, wherein in the individual lines in each case the evaluation according to the invention takes place. If the sensors are arranged in a matrix, the evaluation described here for rows can also be done column by column.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the method according to the invention for detecting relative movements of an object relative to a reference surface in which the brightness values of the reference surface irradiated with a light are detected by means of n photo sensors arranged on the object in a row, is provided,
  • that after the detection in the individual groups rrij for a selected frequency f a modulation function is determined which describes the brightness values along the distance Sj, wherein with the adaptation of the modulation function to the
  • Brightness values a parameter pair Ij, ⁇ is determined so that a maximum of n-m + 1 parameter pairs I 1 , ⁇ , which define a vector field V 1 for the first position of the line (20), are determined for the line (20),
  • a vector field V 1 + 1 with a maximum of n-m + 1 parameter pairs Ij, ⁇ , for the second position is determined, and ⁇ that the relative movement of the object (4) to the reference surface (7) is determined from the comparison of the vector field V, the first position with the vector field V J + 1 of the second position.
  • the brightness values of the reference surface along the line are consecutively detected by means of the individual groups m ", starting with a group defining a starting point.
  • the reference surface should be based on a random structure.
  • a modulation function with a frequency f is then selected and used in order to determine a function l (m,) which approximately describes the brightness values along the distance s.
  • x is a point of the distance S 1 .
  • the modulation is therefore preferably carried out with the periodic function
  • a vector field V J + 1 having a maximum of n-m + 1 parameter pairs (I 1 , ⁇ ,) defining the second position of the line is determined in an analogous manner.
  • the relative movement of the object to the reference surface is then determined from the correlation of the two vector fields V Jf V J + 1 .
  • vectors to be correlated come here the vectors (l " ⁇ ,), their amounts I 1 , and / or their directions ⁇ , in question.
  • the method according to the invention provides that the vectors I jj , cp ⁇ of the first vector field V j are vectorially subtracted from the vectors I j + u, (Pj + u of the second vector field V i + 1 generated subsequently, wherein the Amounts D j j of the difference vectors or the difference vectors themselves are added to a total error D 0 , and that at the same time for differentiation at least two further differences between the first vector field V j and the second vector field V j + 1 are performed, the differences D j j in an analogous manner between the vector pairs (IJJ, ⁇ jj) and (IJ + U + A, ⁇ PJ + I, J + A) and on the other between the vector pairs (I j j, ⁇ ji) and (lj + i, i + A2.
  • ⁇ Pj + i, i + A2) are formed in order to determine further total errors D A and D A2 ZU analogously to the total error D 0
  • the invention further provides that an average relative movement of the object to the reference surface is determined from at least three total errors D 0 , D A , D A2 .
  • Shift describes a parabola and that the position of the vertex corresponds to the parabola of the displacement.
  • the total direction ⁇ which belongs to the relative movement and is proportional to this can be determined.
  • the time between two detections of two successive groups is preferably dimensioned such that the overall direction ⁇ changes on average during the transition from the vector field Vj to the vector field V j + 1 by less than +/- ⁇ .
  • the method according to the invention represents a combination of the two measuring methods mentioned at the outset (correlation and spatial frequency filter methods). However, in contrast to these two methods, the method according to the invention requires significantly less computational effort, which leads to a significantly lower computing time. Furthermore, in contrast to the spatial frequency filter method, the method according to the invention is also suitable for detecting low relative speeds of the object relative to the reference surface.
  • the method according to the invention can be implemented in a metrologically simple manner. This circumstance predestines the method according to the invention for various technical applications, especially as its metrological implementation can be implemented cost-effectively.
  • At least m 3 photosensors are used according to the invention in the individual groups m.sub. ⁇ resulting from the consideration of the aforementioned sine function, with which the brightness values of the individual groups n.sub.rii along the path S.sub.j are described.
  • the distribution of the brightness values along the distance S 1 can be understood as an oscillation of the brightness values with the amplitude Ij around the mean value I 0 according to the sine function, but as such for the method according to the invention because of the difference method which will be described below. underlying difference formation is ignored or is irrelevant.
  • These Sinusoidal oscillation also has a phase shift ⁇ ( compared to a zero point, which can be evaluated by the phase method.
  • the displacements are determined separately from the rows of the matrix. This makes it possible to determine a rotational movement from the difference of the measured displacements.
  • a plurality of modulation functions can be determined which describe the brightness values along the distance Sj, wherein a parameter pair Ij, ⁇ i is determined for each of the modulation functions by the adaptation to the brightness values.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a multiplicity of photosensors arranged in a row and corresponding to the sensor shown schematically in FIG. 1, and FIG.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a plurality of arrayed in a matrix photosensors, wherein the individual rows and / or columns of the matrix correspond to the line shown in FIG.
  • Fig. 1 illustrates the implementation of a measuring device 16 according to the invention in a vehicle 4, which moves relative to a lane 6 in one direction at a speed v (t).
  • the device 16 comprises a light source, not shown here for the sake of simplicity, which irradiates an area 9 of the road surface 7 at an angle.
  • a converging lens 12 images the radiation reflected by the region 9 via a mirror 10 onto a photosensor 14.
  • the sensor 14 comprises n optical receivers arranged in a row, which are designed as photodiodes 18 and are arranged successively at a defined spacing.
  • Two consecutive groups rrii, m i + 1 belong to m-1 in each case, ie 5 photodiodes 18 together. This corresponds to a shift from group nrii to group m i + 1 along line 20 around a photodiode 18.
  • the senor 14 comprises n rows 20 combined into a matrix 22.
  • the two embodiments have in common that the photodiodes 18 are integrated on a user-specific IC or analog and / or digital component, a so-called ASIC (Application Specific Integrated Circuit), which contains a circuit designed according to customer requirements.
  • the sensor 14 comprises a plurality of rows combined into a matrix.
  • a first embodiment of the invention which is based on the difference method, are in a first position of the line 20 relative to the road surface 7 by means of the individual groups m, (In 1 , m 2 , m 3 , ...) starting with the group ITi 1 at the leftmost end of the line 20, which as such defines a starting point, sequentially detecting the brightness values of the reference surface 7 along the line 20. Subsequently, for the electrical signals generated in the individual groups m 1 , which represent the brightness values of the reference surface, by optimizing the parameters I 1 and ⁇ , a modulation with the periodic function
  • the parameter pair I 1 and ⁇ can be understood as the amplitude and direction or phase of a vector.
  • the parameter I 0 is not further investigated.
  • V 1 + 1 V 2 with again maximally n-m + 1 vectors (I 1 , ⁇ ,) ((I 1 , Cp 1 ), (I 2 , ⁇ 2 ), (I 3 , ⁇ 3 ), ... (I n -m + i,
  • the notation ( 1 jj j j) is used in the following:
  • the magnitudes I j j of the first vector field V j are determined by the amounts l j + 1 j of the second vector field V j + 1 is subtracted. then the amounts are added j1 D of the differences to an overall error D 0 and the
  • the D j i can also be formed by vectorially subtracting the vectors (I j j, ⁇ j j) from the vectors (l j + 1
  • D j i is the higher computational effort.
  • the distance A is determined as a function of the size of the relative movement performed between the two detection times and corresponds to a shift of the groups r ⁇ ii of the first vector field V j with respect to the vector field V j + 1 by A photo sensors 18.
  • the relative movement determined in this way corresponds to the movement of the sensor 14 in the longitudinal direction of the line 20. If several lines are used, then from this movement after the vector calculation movements at an angle to the line length direction can be determined.
  • the change of the phases ⁇ j j is evaluated, which results from a shift.
  • the magnitude of the vector l j , j changes only slightly, since both groups m-1 photodiodes belong together.
  • Its direction ⁇ jti changes on average during the transition from the group r ⁇ ii to the group m i + 1 by the angle 2 ⁇ / m. Due to the 2 ⁇ r periodicity of the sinusoidal function phase jumps can also occur in the determination of the direction cpj.j, which can lead to ambiguities.
  • the time between two detections of two successive vector fields V j and V j + 1 should be such that the directions ⁇ ui and ⁇ j + i, i at the transition from the vector field V j to the vector field V j + 1 on average to change significantly less like +/- ⁇ .
  • Total phase ⁇ is proportional to the relative motion can from the overall phase ⁇ the
  • Relative movement are determined, if the belonging to a relative movement phase change is known.
  • the difference method and the phase method are combined with each other.
  • the invention is not limited to one of the above-described embodiments, but can be modified in many ways. It can be seen, however, that the invention relates to a device and a method for detecting a relative movement of an object 4 relative to a reference surface 7.
  • the relative movement is detected by means of n photosensors 18 arranged on the object 4 in a row 20, which detect the brightness values of the reference surface 7.
  • the n photosensors 18 of the line 20 are subdivided into groups r ⁇ ii with in each case m photosensors 18 which define a route S 1 . In each case, two consecutive groups nrii, m i + 1 m-1 belong to photo sensors 18.

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Abstract

The invention relate to a device and a method for detecting a relative movement of an object (4) with respect to a reference surface (7). The relative movement is detected by means of n photo sensors (18) disposed on the object (4) in a row (20), which detects the brightness values of the reference surface (7). The n photo sensors (18) of the row (20) are divided into groups mi having m photo sensors (18) each, which define a path si. For this purpose two consecutive groups mi, mi+1 m-1 belong to photo sensors (18).

Description

Fachhochschule Gießen-Friedberg Wiesenstraße 14 35390 Gießen University of Applied Sciences Gießen-Friedberg Wiesenstraße 14 35390 Gießen
Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer BezugsflächeApparatus and method for detecting relative movements of an object to a reference surface
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.The invention relates to a device for detecting relative movements of an object to a reference surface according to the preamble of claim 1 and a method for detecting relative movements of an object to a reference surface according to the preamble of claim 8.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene optische Messverfahren bekannt, mit denen die Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einer Bezugsfläche berührungslos ermittelt werden können, etwa das Korrelationsverfahren oder das Ortsfrequenzfilterverfahren.Various optical measuring methods are known from the prior art with which the relative movements of an object relative to a reference surface can be determined without contact, such as the correlation method or the spatial frequency filter method.
Nach dem Korrelationsverfahren wird eine Bezugsfläche mit einer zufälligen Struktur auf einen optischen Empfänger, etwa eine Kamera abgebildet. Wird die Kamera relativ zu der Bezugsfläche bewegt, dann ändert sich der Bildinhalt gegenüber dem Inhalt des vorhergehenden Bildes. Über eine so genannte Korrelationsanalyse lassen sich die Bilder bezüglich geeigneter, extrahierter Merkmale der Bezugsflächenstruktur miteinander vergleichen, um die zurückgelegte Wegstrecke eines Objektes relativ zu der Bezugsfläche und gegebenenfalls eine Rotation des Objektes zu ermitteln. Aus der ermittelten Wegstrecke Δx kann dann über die Zeit Δt zwischen den beiden Bildern und den einfachen Zusammenhang v = Δx / Δt auch die entsprechende Geschwindigkeit v ermittelt werden.According to the correlation method, a reference surface having a random structure is imaged onto an optical receiver, such as a camera. When the camera is moved relative to the reference surface, the image content changes from the content of the previous image. Via a so-called correlation analysis, the images can be compared with respect to suitable, extracted features of the reference surface structure, to determine the distance traveled by an object relative to the reference surface and optionally a rotation of the object. From the determined distance Δx, the corresponding velocity v can then also be determined over the time Δt between the two images and the simple relationship v = Δx / Δt.
In EP 1 067 388 A1 ist ein sehr aufwendiges Korrelationsverfahren dieser Art beschrieben, bei dem die Korrelation zwischen den Bildern zweier Kameras unter Berücksichtigung der Triangulation berechnet wird. Ein derartiges Korrelationsverfahren geht bekanntlich mit einem relativ großen Rechenaufwand und daher auch mit einer relativ großen Rechenzeit einher. Da die vollständige Berechnung einer Korrelation zeitaufwendig ist, werden meist Näherungen der Korrelation berechnet.EP 1 067 388 A1 describes a very complex correlation method of this type in which the correlation between the images of two cameras is calculated taking into account the triangulation. Such a correlation method is known to be associated with a relatively large amount of computation and therefore also with a relatively large computation time. Since the complete calculation of a correlation is time-consuming, approximations of the correlation are usually calculated.
Nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren hingegen, das im Unterschied zum Korrelationsverfahren messtechnisch vergleichsweise einfach zu realisieren ist, wird eine Bezugs- fläche mit einer zufälligen Struktur auf einen Fotosensor abgebildet und dabei mit einer gitterförmig periodischen Struktur überlagert, die in Bezug auf ein relativ zu einer Bezugsfläche bewegtes Objekt ortsfest ist und als Ortsfrequenzfilter fungiert, welches der Maskierung des Streulichts im Messvolumen dient. Bei einer Bewegung des Fotosensors relativ zu der Bezugsfläche wird ein schmalbandiges, geschwindigkeitsabhängiges Signal erzeugt, das neben niederfrequenten Änderungen auch eine Modulation aufweist, deren Frequenz f0 (maximale Frequenz des zeitlichen Frequenzspektrums) ein Maß für die Geschwindigkeit des Objekt relativ zu der Bezugsfläche ist und einen eindeutigen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit längs der Ausrichtung der Gitterstruktur, einer Gitterkonstanten der Gitterstruktur und dem Abbildungsmaßstab einer abbildenden Optik aufweist und dabei proportional zur Geschwindigkeit ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es für niedrige Geschwindigkeiten versagt.By contrast, according to the spatial frequency filter method, which in contrast to the correlation method is relatively easy to implement by measurement, a reference surface with a random structure is imaged onto a photosensor and superimposed with a lattice-shaped periodic structure which is relative to a moving object relative to a reference surface is stationary and acts as spatial frequency filter which serves to mask the scattered light in the measurement volume. Moving the photosensor relative to the reference surface produces a narrow-band, velocity-dependent signal which, in addition to low-frequency changes, also has a modulation whose frequency f 0 (maximum frequency of the temporal frequency spectrum) is a measure of the velocity of the object relative to the reference surface and has a clear relationship with the velocity along the orientation of the lattice structure, a lattice constant of the lattice structure and the magnification of an imaging optic and is proportional to the speed. A disadvantage of this method is that it fails for low speeds.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messverfahren bereit zu stellen, das minimale Anforderungen an die Messtechnik im Hinblick auf den Rechenaufwand und die Rechenzeit stellt und dabei hinreichend genau die Relativbewegungen eines Objektes zu einer Bezugsfläche erfasst. Ferner soll das optische Messverfahren auch für niedrige Geschwindigkeiten verwendbar sein.It is therefore an object of the present invention to provide an optical measuring method which places minimal demands on the measuring technology with regard to the computational outlay and the computation time and thereby detects with sufficient accuracy the relative movements of an object relative to a reference surface. Furthermore, the optical measuring method should also be usable for low speeds.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit zu stellen. Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und Anspruch 8 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 23.In addition, the invention has for its object to provide an apparatus for performing the method according to the invention. Main features of the invention are specified in the characterizing part of claim 1 and claim 8. Embodiments are the subject of claims 2 to 7 and 9 to 23.
Bei einer Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einer Bezugsfläche, mit n in einer Zeile angeordneten Fotosensoren, die, an dem Objekt angeordnet, die Helligkeitswerte der mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlten Bezugsfläche detektieren, sieht die Erfindung vor, dass die n Fotosensoren der Zeile in Gruppen m, mit jeweils m Fotosensoren unterteilt sind, die eine Strecke s, definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m„ m,+1) m-1 Fotosensoren angehören.In an apparatus for detecting relative movements of an object with respect to a reference surface, with n in-line photosensors arranged on the object detecting the brightness values of the reference surface irradiated with light of a particular wavelength, the invention provides that the n photosensors of the Line in groups m, are subdivided with each m photosensors, which define a distance s, where each two consecutive groups (m "m, +1 ) m-1 photo sensors belong.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mithin n in einer Zeile angeordnete Fotosensoren, die, an einem Objekt angeordnet, über ein Objektiv die Helligkeitswerte einer mit einem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlten Bezugsfläche detektieren. Erfindungsgemäß sind die n Fotosensoren der Zeile derart verschaltet bzw. unterteilt, dass sie Gruppen m, mit jeweils m Fotosensoren bilden, die Strecken s, definieren. Zwei aufeinander folgenden Gruppen m„ m,+1 gehören dabei jeweils m-1 Fotosensoren gemeinsam an.The device according to the invention therefore comprises n photosensors arranged in a line which, arranged on an object, detect the brightness values of a reference surface irradiated with a light of a specific wavelength via an objective. According to the invention, the n photo sensors of the line are interconnected or subdivided in such a way that they form groups m, with in each case m photosensors, which define distances s. Two consecutive groups m "m, +1 belong to m-1 photo sensors together.
In den einzelnen Gruppen m, sind dabei mindestens m = 3, vorzugsweise m = 4 oder m = 6 Fotosensoren vorgesehen.In the individual groups m, at least m = 3, preferably m = 4 or m = 6 photosensors are provided.
Sofern wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren pro Gruppe m, vorgesehen sind, können diese in Summationsgruppen mιs unterteilt sein.If significantly more than m = 3 photo sensors per group m, are provided, these can be subdivided into summation groups.
Als verwendbare Fotosensoren kommen alle nach dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Empfänger zur optischen Strahlungsmessung in Frage, so zum Beispiel Fotodioden oder so genannte CCDs (Charge Coupled Devices) und dergleichen. Die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Fotosensoren kann dabei beliebig sein.Suitable photosensors include all known and suitable prior art receivers for optical radiation measurement, such as photodiodes or so-called CCDs (Charge Coupled Devices) and the like. The geometric design of the individual photosensors can be arbitrary.
Neben Fotosensoren kommen auch weitere Sensorarrays in Frage, mit denen eine ortsaufgelöste Information über die Oberfläche gewonnen werden kann. Hierzu zählen insbesondere magnetoresistive oder kapazitive Sensorarrays zur Detektion lokaler magnetischer oder elektrischer Feldverteilungen. Die Sensoren können in einem Abstand aufeinander folgend in der Zeile angeordnet sein. Allerdings ist eine derart aufeinander folgende Anordnung der Fotosensoren aufgrund der zufälligen Struktur der Bezugsfläche nicht zwingend erforderlich. Vielmehr können die Fotosensoren innerhalb der Zeile eine beliebige Anordnung aufweisen.In addition to photosensors, other sensor arrays are also suitable with which spatially resolved information about the surface can be obtained. These include in particular magnetoresistive or capacitive sensor arrays for detecting local magnetic or electrical field distributions. The sensors may be arranged at a distance successively in the row. However, such a successive arrangement of the photosensors is not necessarily required due to the random structure of the reference surface. Rather, the photosensors within the line may have any arrangement.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Zeilen mit jeweils n Fotosensoren zu mindestens einer Matrix zusammengefasst. Eine derartige Anordnung der Zeilen ermöglicht nicht nur die Erfassung der Relativbewegung des Objektes zur Bezugsfläche in Längsrichtung der Zeilen, sondern vielmehr auch die Erfassung einer Rotationsbewegung des Objektes. Hierzu werden in versetzt zueinander angeordneten Zeilen unterschiedliche Bewegungen detektiert, wobei in den einzelnen Zeilen jeweils die erfindungsgemäße Auswertung erfolgt. Bei Anordnung der Sensoren in einer Matrix kann die Auswertung, die hier für Zeilen beschrieben ist, auch spaltenweise erfolgen.In a preferred embodiment of the invention, a plurality of lines each having n photo sensors are combined to form at least one matrix. Such an arrangement of the lines not only allows the detection of the relative movement of the object to the reference surface in the longitudinal direction of the lines, but also the detection of a rotational movement of the object. For this purpose, different movements are detected in staggered lines, wherein in the individual lines in each case the evaluation according to the invention takes place. If the sensors are arranged in a matrix, the evaluation described here for rows can also be done column by column.
Die Fotosensoren sind vorzugsweise in einen anwenderspezifischen IC (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) bzw. digitalen Baustein integriert, der eine nach Kundenwunsch ausgelegte Schaltung enthält.The photosensors are preferably integrated in a user-specific IC (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) or digital component which contains a circuit designed according to customer requirements.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes relativ zu einer Bezugsfläche, bei dem mittels n an dem Objekt in einer Zeile angeordneten Fotosensoren die Helligkeitswerte der mit einem Licht bestrahlten Bezugsfläche detektiert werden, ist vorgesehen,The method according to the invention for detecting relative movements of an object relative to a reference surface, in which the brightness values of the reference surface irradiated with a light are detected by means of n photo sensors arranged on the object in a row, is provided,
dass die Fotosensoren (18) der Zeile (20) in Gruppen JTi1 mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt werden, die Strecken S1 definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (nrii, mi+1) m-1 Fotosensoren (18) gemeinsam angehören, that the photosensors (18) of the line (20) are subdivided into groups JTi 1 with m photosensors (18) each, defining distances S 1 , with two successive groups (nrii, m i + 1 ) m-1 photosensors (18) belong together,
dass in einer ersten Position der Zeile (20) mittels der einzelnen Gruppen rrij die Helligkeitswerte der Bezugsfläche (7) detektiert werden und that in a first position of the line (20) by means of the individual groups rrij the brightness values of the reference surface (7) are detected, and
dass nach der Detektion in den einzelnen Gruppen rrij für eine gewählte Frequenz f eine Modulationsfunktion bestimmt wird, welche die Helligkeitswerte entlang der Strecke Sj beschreibt, wobei mit der Anpassung der Modulationsfunktion an die that after the detection in the individual groups rrij for a selected frequency f a modulation function is determined which describes the brightness values along the distance Sj, wherein with the adaptation of the modulation function to the
Helligkeitswerte ein Parameterpaar Ij, φι bestimmt wird, so dass für die Zeile (20) maximal n-m+1 Parameterpaare I1, φ, bestimmt werden, die ein Vektorfeld V1 für die erste Position der Zeile (20) definieren,Brightness values a parameter pair Ij, φι is determined so that a maximum of n-m + 1 parameter pairs I 1 , φ, which define a vector field V 1 for the first position of the line (20), are determined for the line (20),
dass in einer zweiten Position der Zeile (20) in analoger Weise ein Vektorfeld V1+1 mit maximal n-m+1 Parameterpaaren Ij, φ, für die zweite Position bestimmt wird und dass aus dem Vergleich des Vektorfeldes V, der ersten Position mit dem Vektorfeld VJ+1 der zweiten Position die Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird. that in a second position of the line (20) in an analogous manner, a vector field V 1 + 1 with a maximum of n-m + 1 parameter pairs Ij, φ, for the second position is determined, and that the relative movement of the object (4) to the reference surface (7) is determined from the comparison of the vector field V, the first position with the vector field V J + 1 of the second position.
In einer ersten Position der Zeile relativ zu der Bezugsfläche werden mittels der einzelnen Gruppen m„ beginnend mit einer Gruppe, die einen Startpunkt definiert, aufeinander folgend die Helligkeitswerte der Bezugsfläche entlang der Zeile detektiert. Der Bezugsfläche soll eine zufällige Struktur zugrunde liegen. Für die in den einzelnen Gruppen m, erzeugten elektrischen Signale wird dann eine Modulationsfunktion mit einer Frequenz f ausgewählt und verwendet, um damit eine Funktion l(m,) zu ermitteln, welche die Helligkeitswerte entlang der Strecke s, annähernd beschreibt. Es sei in diesem Zusammenhang an dieser Stelle auf die Fouriertheorie verwiesen, auf die nachfolgend nicht näher eingegangen wird, x sei ein Punkt der Strecke S1. Für den k-ten Fotosensor der Gruppe m, ergibt sich x als x=k*ds, wenn ds der Breite des Fotosensors entspricht.In a first position of the line relative to the reference surface, the brightness values of the reference surface along the line are consecutively detected by means of the individual groups m ", starting with a group defining a starting point. The reference surface should be based on a random structure. For the electrical signals generated in the individual groups m, a modulation function with a frequency f is then selected and used in order to determine a function l (m,) which approximately describes the brightness values along the distance s. In this context, reference should be made at this point to the Fourier theory, which will not be discussed in detail below, x is a point of the distance S 1 . For the k-th photosensor of the group m, x results as x = k * d s , if ds corresponds to the width of the photosensor.
Die Modulation erfolgt mithin vorzugsweise mit der periodischen FunktionThe modulation is therefore preferably carried out with the periodic function
l(ml) = l0 + l1 * sin (2π * f * x + φl),l (m l ) = l 0 + l 1 * sin (2π * f * x + φ l ),
wobei x die relative Position des Fotosensors in der Zeile kennzeichnet.where x indicates the relative position of the photo sensor in the line.
Für die gewählte Frequenz f erhält man so für jede Gruppe m, ein Parameterpaar I1, φ„ das man als den Betrag und die Richtung eines Vektors beschreibend auffassen kann. Für die Zeile werden somit maximal n-m+1 Vektoren (I1, φ,) ((I1, Cp1), (I2, φ). (i3, <P3).-} bestimmt, die ein Vektorfeld Vj für die erste Position j = 1 der Zeile definieren.For the selected frequency f we obtain for each group m, a pair of parameters I 1 , φ "which can be considered as describing the magnitude and direction of a vector. For the row, a maximum of n-m + 1 vectors (I 1 , φ,) ((I 1 , Cp 1 ), (I 2 , φ Σ ). (I3, <P3) .-} is determined, which is a vector field Define V j for the first position j = 1 of the line.
Dann wird in einer zweiten Position der Zeile relativ zu der Bezugsfläche in analoger Weise ein Vektorfeld VJ+1 mit maximal n-m+1 Parameterpaaren (I1, φ,) bestimmt, das die zweite Position der Zeile definiert.Then, in a second position of the line relative to the reference plane, a vector field V J + 1 having a maximum of n-m + 1 parameter pairs (I 1 , φ,) defining the second position of the line is determined in an analogous manner.
Aus der Korrelation der beiden Vektorfelder VJf VJ+1 wird dann die Relativbewegung des Objektes zu der Bezugsfläche bestimmt. Als zu korrelierende Merkmale kommen dabei die Vektoren (l„ φ,), deren Beträge I1, und/oder deren Richtungen φ, in Frage. Dementsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Vektoren Ijj, cp^ des ersten Vektorfeldes Vj vektoriell von den Vektoren Ij+u, (Pj+u des darauf folgend erzeugten, zweiten Vektorfeldes Vi+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge Djj der Differenzvektoren oder die Differenzvektoren selbst zu einem Gesamtfehler D0 addiert werden, und dass zeitgleich zur Differenzenbildung mindestens zwei weitere Differenzenbildungen zwischen dem ersten Vektorfeld Vj und dem zweiten Vektorfeld Vj+1 durchgeführt werden, wobei die Differenzen Djj in analoger Weise zwischen den Vektorpaaren (Ijj, φjj) und (IJ+U+A, <PJ+I,J+A) und zum anderen zwischen den Vektorpaaren (Ijj, ψji) und (lj+i,i+A2. <Pj+i,i+A2) gebildet werden, um analog zum Gesamtfehler D0 weitere Gesamtfehler DA und DA2 ZU bestimmen.The relative movement of the object to the reference surface is then determined from the correlation of the two vector fields V Jf V J + 1 . As vectors to be correlated come here the vectors (l "φ,), their amounts I 1 , and / or their directions φ, in question. Accordingly, the method according to the invention provides that the vectors I jj , cp ^ of the first vector field V j are vectorially subtracted from the vectors I j + u, (Pj + u of the second vector field V i + 1 generated subsequently, wherein the Amounts D j j of the difference vectors or the difference vectors themselves are added to a total error D 0 , and that at the same time for differentiation at least two further differences between the first vector field V j and the second vector field V j + 1 are performed, the differences D j j in an analogous manner between the vector pairs (IJJ, φjj) and (IJ + U + A, <PJ + I, J + A) and on the other between the vector pairs (I j j, ψji) and (lj + i, i + A2. <Pj + i, i + A2) are formed in order to determine further total errors D A and D A2 ZU analogously to the total error D 0 .
Ergänzend kann man den Betrag des Gesamtfehlers D0 durch die Anzahl der Differenzterme normieren. Ebenso ist es möglich, die Gesamtfehler D0(A = 0), DA(A = A), DA2(A = A2) und ggf. weitere Gesamtfehler D(Ak) zu bestimmen, wobei die Gesamtfehler D als Funktion von A aufgefasst und die Stelle A bestimmt wird, für die D(A) minimal wird.In addition, one can normalize the amount of the total error D 0 by the number of difference terms. It is also possible to determine the total errors D 0 (A = 0), D A (A = A), D A2 (A = A 2 ) and possibly further total errors D (A k ), where the total errors D as a function from A and determines the point A, for which D (A) becomes minimal.
Ferner ist es von Vorteil, wenn nur die Beträge lj,j des ersten Vektorfeldes Vj von den Beträgen lj+i,i(+A/A2) des zweiten Vektorfeldes Vj+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge Djj der Differenzen zu einem Gesamtfehler DO/A/AÜ addiert werden, und wobei die Abstände A, A2 abhängig von der zwischen den beiden Detektionen liegenden Zeit festgelegt werden und einer Verschiebung zwischen den zu vergleichenden Gruppen mi der Vektorfelder Vj und Vj+1 um A und A2 Fotosensoren entsprechen.Furthermore, it is advantageous if only the amounts l j, j of the first vector field V j are subtracted from the amounts l j + i, i (+ A / A2) of the second vector field V j + 1 , the amounts D jj of the differences to A total error D O / A / AÜ be added, and wherein the distances A, A2 are determined depending on the time between the two detections and a shift between the groups to be compared mi the vector fields V j and V j + 1 by A and A2 Photo sensors correspond.
Die Erfindung sieht weiter vor, dass aus mindestens drei Gesamtfehlern D0, DA, DA2 eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes zu der Bezugsfläche bestimmt wird. DerThe invention further provides that an average relative movement of the object to the reference surface is determined from at least three total errors D 0 , D A , D A2 . Of the
Gesamtfehler wird dabei für die wahre Verschiebung minimal werden. Ziel ist es deshalb, die Lage des Minimums zu bestimmen. In erster Näherung kann man z.B. annehmen, dass D0, DA, DA2 und evtl. weitere Gesamtfehler in der Umgebung der wahrenTotal error will be minimal for the true shift. The aim is therefore to determine the location of the minimum. As a first approximation one can assume, for example, that D 0 , D A , DA 2 and possibly further total errors in the environment of the true
Verschiebung eine Parabel beschreiben und dass die Lage des Scheitelpunktes der Parabel der Verschiebung entspricht.Shift describes a parabola and that the position of the vertex corresponds to the parabola of the displacement.
Daneben kann - beginnend mit der Gruppe nrij, aus den Teilrichtungen φ, der einzelnen Gruppen Im1 - die Gesamtrichtung φ bestimmt werden, die zur Relativbewegung gehört und zu dieser proportional ist. Die zwischen zwei Detektionen zweier aufeinander folgender Gruppen liegende Zeit wird bevorzugt derart bemessen, dass sich die Gesamtrichtung φ beim Übergang von dem Vektorfeld Vj zu dem Vektorfeld Vj+1 im Mittel um weniger als +/- π ändert.In addition, starting with the group nrij, from the partial directions φ, of the individual groups Im 1 , the total direction φ which belongs to the relative movement and is proportional to this can be determined. The time between two detections of two successive groups is preferably dimensioned such that the overall direction φ changes on average during the transition from the vector field Vj to the vector field V j + 1 by less than +/- π.
In den einzelnen Gruppen nij können mindestens m = 3 Fotosensoren vorgesehen sein. Man kann in den einzelnen Gruppen rrij aber auch m = 4 oder m = 6 Fotosensoren vorsehen oder man verwendet in den einzelnen Gruppen (Ti1 wesentlich mehr als drei Fotosensoren.At least m = 3 photosensors may be provided in the individual groups nij. One can also provide m = 4 or m = 6 photosensors in the individual groups rrij or one uses significantly more than three photosensors in the individual groups (Ti 1) .
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Kombination der beiden eingangs erwähnten Messverfahren (Korrelations- und Ortsfrequenzfilterverfahren) dar. Aber im Unterschied zu diesen beiden Verfahren erfordert das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlich geringeren Rechenaufwand, was zu einer wesentlich geringeren Rechenzeit führt. Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zum Ortsfrequenz- filterverfahren auch zur Erfassung geringer Relativgeschwindigkeiten des Objektes zur Bezugsfläche.The method according to the invention represents a combination of the two measuring methods mentioned at the outset (correlation and spatial frequency filter methods). However, in contrast to these two methods, the method according to the invention requires significantly less computational effort, which leads to a significantly lower computing time. Furthermore, in contrast to the spatial frequency filter method, the method according to the invention is also suitable for detecting low relative speeds of the object relative to the reference surface.
Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zu den beiden bekannten Verfahren messtechnisch einfach realisierbar. Dieser Umstand prädestiniert das erfindungsgemäße Verfahren für diverse technische Anwendungen, zumal dessen messtechnische Umsetzung kostengünstig realisierbar ist.Furthermore, in contrast to the two known methods, the method according to the invention can be implemented in a metrologically simple manner. This circumstance predestines the method according to the invention for various technical applications, especially as its metrological implementation can be implemented cost-effectively.
Aus der Korrelation der beiden Vektorfelder Vj, Vj+1 lassen sich zwei grundsätzliche Vorgehensweisen zur Bestimmung der Relativbewegung ableiten, die Vorgehensweise nach dem Differenzenverfahren sowie die Vorgehensweise nach dem Phasenverfahren. Diese beiden Vorgehensweisen lassen sich aber auch miteinander kombinieren.From the correlation of the two vector fields V j , V j + 1 , two basic procedures for determining the relative movement can be derived, the procedure according to the difference method and the procedure according to the phase method. These two approaches can also be combined.
Dass erfindungsgemäß in den einzelnen Gruppen mι mindestens m = 3 Fotosensoren verwendet werden, ergibt sich aus der Betrachtung der zuvor genannten Sinusfunktion, mit der die Helligkeitswerte der einzelnen Gruppen nrii entlang der Strecke Sj beschrieben werden.According to the invention, at least m = 3 photosensors are used according to the invention in the individual groups m.sub.ι resulting from the consideration of the aforementioned sine function, with which the brightness values of the individual groups n.sub.rii along the path S.sub.j are described.
Die Verteilung der Helligkeitswerte entlang der Strecke S1 lässt sich gemäß der Sinusfunktion als eine Schwingung der Helligkeitswerte mit der Amplitude Ij um den Mittelwert I0 auffassen, der jedoch als solcher für das erfindungsgemäße Verfahren wegen der dem Differenzenverfahren, das im Folgenden noch beschrieben wird, zugrunde liegenden Differenzenbildung unberücksichtigt bleibt bzw. ohne Bedeutung ist. Diese Sinusschwingung weist zudem eine Phasenverschiebung φ( gegenüber einem Nullpunkt auf, die nach dem Phasenverfahren ausgewertet werden kann.The distribution of the brightness values along the distance S 1 can be understood as an oscillation of the brightness values with the amplitude Ij around the mean value I 0 according to the sine function, but as such for the method according to the invention because of the difference method which will be described below. underlying difference formation is ignored or is irrelevant. These Sinusoidal oscillation also has a phase shift φ ( compared to a zero point, which can be evaluated by the phase method.
Würden etwa nur m = 2 Fotosensoren die Strecke Sj definieren, dann ließen sich nach dem Differenzenverfahren infolge der Differenzenbildung zwar Helligkeitswerte Ij, aber keine Richtungswerte φ, bilden. Bei m = 3 Fotosensoren pro Gruppe rrii ergibt sich theoretisch eine Änderung der Phase φ, im Mittel beim Übergang von einer Gruppe nrii zu einer darauf folgenden Gruppe mi+1 von 360° / m = 3, also 120°. Entsprechend ergibt sich bei m = 4 Fotosensoren pro Gruppe rrii theoretisch eine Änderung der Phase φ, im Mittel um 90° und bei m = 6 Fotosensoren eine mittlere Änderung um 60°. Zur Vermeidung bzw. zur Verringerung der Anzahl der Phasensprünge kann es vorteilhaft sein, über mehrereIf, for example, only m = 2 photo sensors defined the distance Sj, brightness values Ij but no direction values φ could be formed by the difference method as a result of the difference formation. In the case of m = 3 photosensors per group rrii, there is theoretically a change in the phase φ, on average in the transition from a group nrii to a subsequent group m i + 1 of 360 ° / m = 3, ie 120 °. Correspondingly, if m = 4 photosensors per group rrii theoretically there is a change of the phase φ, on the average 90 ° and for m = 6 photosensors a mean change of 60 °. To avoid or reduce the number of phase jumps, it may be advantageous over several
Perioden zu mittein.Periods too mittein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Zeilen mit jeweils n Fotosensoren zu mindestens einer Matrix zusammengefasst, um, wie bereits erwähnt, neben der Erfassung der Relativbewegung des Objektes zur Bezugsfläche in Längsrichtung der Zeilen auch die Erfassung einer Rotationsbewegung des Objektes zu ermöglichen.In a preferred embodiment of the invention, several lines, each with n photo sensors, are combined to form at least one matrix in order, as already mentioned, to permit detection of a rotational movement of the object in addition to the detection of the relative movement of the object relative to the reference surface in the longitudinal direction of the lines.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass n den Zeilen der Matrix getrennt voneinander die Verschiebungen bestimmt werden. Dadurch ist es möglich, aus dem Unterschied der gemessenen Verschiebungen eine Rotationsbewegung zu bestimmen.In a further embodiment of the invention, it is provided that the displacements are determined separately from the rows of the matrix. This makes it possible to determine a rotational movement from the difference of the measured displacements.
Werden mehrere Frequenzen gewählt, können mehrere Modulationsfunktionen bestimmt werden, welche die Helligkeitswerte entlang der Strecke Sj beschreiben, wobei für jede der Modulationsfunktionen durch die Anpassung an die Helligkeitswerte ein Parameterpaar Ij, ψi bestimmt wird.If several frequencies are selected, a plurality of modulation functions can be determined which describe the brightness values along the distance Sj, wherein a parameter pair Ij, ψi is determined for each of the modulation functions by the adaptation to the brightness values.
An Stelle der Fotosensoren können bei Bedarf auch andere Sensoren eingesetzt werden, über die eine lokale Variation des magnetischen- oder elektrischen Feldes bestimmt werden kann.If necessary, other sensors can be used instead of the photosensors, via which a local variation of the magnetic or electric field can be determined.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung, die an einem schematisch dargestellten Fahrzeug angebracht ist,Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the wording of the claims and from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it: 1 is a schematic representation of a measuring device which is mounted on a schematically illustrated vehicle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von in einer Zeile angeordne- ten Fotosensoren, die dem in der Fig. 1 schematisch dargestellten Sensor entsprechen, undFIG. 2 shows a schematic illustration of a multiplicity of photosensors arranged in a row and corresponding to the sensor shown schematically in FIG. 1, and FIG
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Fotosensoren, wobei die einzelnen Zeilen und/oder Spalten der Matrix der in der Fig. 2 dargestellten Zeile entsprechen.Fig. 3 is a schematic representation of a plurality of arrayed in a matrix photosensors, wherein the individual rows and / or columns of the matrix correspond to the line shown in FIG.
Die Fig. 1 veranschaulicht die Implementierung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 16 in ein Fahrzeug 4, das sich relativ zu einer Fahrbahn 6 in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit v(t) bewegt.Fig. 1 illustrates the implementation of a measuring device 16 according to the invention in a vehicle 4, which moves relative to a lane 6 in one direction at a speed v (t).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 16 umfasst eine der Einfachheit halber hier nicht dargestellte Lichtquelle, die einen Bereich 9 der Fahrbahnoberfläche 7 in einem Winkel bestrahlt. Eine Sammellinse 12 bildet die von dem Bereich 9 reflektierte Strahlung über einen Spiegel 10 auf einen Fotosensor 14 ab.The device 16 according to the invention comprises a light source, not shown here for the sake of simplicity, which irradiates an area 9 of the road surface 7 at an angle. A converging lens 12 images the radiation reflected by the region 9 via a mirror 10 onto a photosensor 14.
Nach der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14 n in einer Zeile angeordnete optische Empfänger, die als Fotodioden 18 ausgebildet und in einem definierten Abstand aufeinander folgend angeordnet sind. Die einzelnen Fotodioden 18 sind dabei derart verschaltet, dass sie Gruppen nrij mit jeweils m = 6 Fotosensoren 18 bilden. Zwei aufeinander folgenden Gruppen rrii, mi+1 gehören dabei jeweils m-1 , also 5 Fotodioden 18 gemeinsam an. Dies entspricht einer Verschiebung von Gruppe nrii zu Gruppe mi+1 entlang der Zeile 20 um eine Fotodiode 18.According to the embodiment of the invention shown in FIG. 2, the sensor 14 comprises n optical receivers arranged in a row, which are designed as photodiodes 18 and are arranged successively at a defined spacing. The individual photodiodes 18 are connected in such a way that they form groups nrij with in each case m = 6 photosensors 18. Two consecutive groups rrii, m i + 1 belong to m-1 in each case, ie 5 photodiodes 18 together. This corresponds to a shift from group nrii to group m i + 1 along line 20 around a photodiode 18.
Nach der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14 n zu einer Matrix 22 zusammengefasste Zeilen 20.According to the embodiment of the invention shown in FIG. 3, the sensor 14 comprises n rows 20 combined into a matrix 22.
Den beiden Ausführungsformen ist gemein, dass die Fotodioden 18 auf einem anwenderspezifischen IC bzw. analogen und/oder digitalen Baustein, einem so genannten ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integriert sind, der eine nach Kundenwunsch ausgelegte Schaltung enthält. Nach einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sensor 14 eine Vielzahl von zu einer Matrix zusammengefassten Zeilen.The two embodiments have in common that the photodiodes 18 are integrated on a user-specific IC or analog and / or digital component, a so-called ASIC (Application Specific Integrated Circuit), which contains a circuit designed according to customer requirements. According to an embodiment of the invention not shown here, the sensor 14 comprises a plurality of rows combined into a matrix.
Die m Fotodioden der Gruppen m, nehmen die Helligkeitswerte entlang einer Strecke s, auf. Ihnen zugeordnet ist eine Ortsfrequenz f = 1/s,. Die höchste darstellbare Ortsfrequenz erhält man für m = 3. Werden größere m-Werte gewählt, um die Strecken s, zu bilden, dann können die f-Werte größer als 1/s, gewählt werden. Dies entspricht einer Mittelung über mehrere Perioden entlang der Strecke s,. In diesem Fall sind die Fotodioden derThe m photodiodes of the groups m, take the brightness values along a distance s on. Assigned to them is a spatial frequency f = 1 / s. The highest representable spatial frequency is obtained for m = 3. If larger m values are chosen to form the distances s, then the f values greater than 1 / s can be selected. This corresponds to averaging over several periods along the distance s. In this case the photodiodes are the
Zeilen in Summationsgruppen mls unterteilt, wobei für die gewählten Ortsfrequenzen f optimale Parameter I, und φ, gesucht werden, die die Helligkeitsverteilung entlang derLines are divided into summation groups m ls , wherein for the selected spatial frequencies f optimal parameters I, and φ, are sought, the brightness distribution along the
Strecke s, insgesamt optimal beschreiben.Route s, overall optimal describe.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der Relativbewegung des Fahrzeugs 4 zu der Fahrbahnoberfläche 7 beschrieben.In the following, the method according to the invention for detecting the relative movement of the vehicle 4 to the roadway surface 7 will be described.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der das Differenzenverfahren zugrunde liegt, werden in einer ersten Position der Zeile 20 relativ zu der Fahrbahnoberfläche 7 mittels der einzelnen Gruppen m, (In1, m2, m3, ...) beginnend mit der Gruppe ITi1 am äußersten linken Ende der Zeile 20, die als solche einen Startpunkt definiert, aufeinander folgend die Helligkeitswerte der Bezugsfläche 7 entlang der Zeile 20 detektiert. Anschließend wird für die in den einzelnen Gruppen m, erzeugten elektrischen Signale, die die Helligkeitswerte der Bezugsfläche repräsentieren, durch Optimieren der Parameter I1 und φ,eine Modulation mit der periodischen FunktionAccording to a first embodiment of the invention, which is based on the difference method, are in a first position of the line 20 relative to the road surface 7 by means of the individual groups m, (In 1 , m 2 , m 3 , ...) starting with the group ITi 1 at the leftmost end of the line 20, which as such defines a starting point, sequentially detecting the brightness values of the reference surface 7 along the line 20. Subsequently, for the electrical signals generated in the individual groups m 1 , which represent the brightness values of the reference surface, by optimizing the parameters I 1 and φ, a modulation with the periodic function
l(m,) = lo + l, * sin (2π * f * x + φ,)l (m,) = lo + 1, * sin (2π * f * x + φ,)
bestimmt, die die Helligkeitswerte entlang der Strecke s, beschreibt. Das Parameterpaar I1 und φ, kann man dabei als Amplitude und Richtung bzw. Phase eines Vektors auffassen. Der Parameter I0 wird nicht weiter untersucht. Für jede Gruppe m, resultiert somit für die gewählte Modulationsfrequenz f ein Vektor (I1, φ„), so dass entlang der Zeile 20 maximal n-m+1 Vektoren (I1, φ,) ((I1, Cp1), (I2, φ2), (Ia, Φa), •■• (lιwn+1. Φn-m+i)} bestimmt werden können, die ein Vektorfeld V1 = V1 für die erste Position der Zeile 20 definieren.determined, which describes the brightness values along the distance s. The parameter pair I 1 and φ can be understood as the amplitude and direction or phase of a vector. The parameter I 0 is not further investigated. For each group m, a vector (I 1 , φ ") thus results for the selected modulation frequency f, so that along the line 20 a maximum of n-m + 1 vectors (I 1 , φ,) ((I 1 , Cp 1 ) , (I 2 , φ 2 ), (Ia, φa), • ■ (lιwn + 1. Φn-m + i)}, which define a vector field V 1 = V 1 for the first position of the line 20 ,
Anschließend wird in einer zweiten Position der Zeile 20 in analoger Weise ein Vektorfeld V1+1 = V2 mit wiederum maximal n-m+1 Vektoren (I1, φ,) ((I1, Cp1), (I2, φ2), (I3, φ3), ... (I n-m+i,Subsequently, in a second position of the line 20, a vector field V 1 + 1 = V 2 with again maximally n-m + 1 vectors (I 1 , φ,) ((I 1 , Cp 1 ), (I 2 , φ 2 ), (I 3 , φ 3 ), ... (I n -m + i,
Φ n-m+1)} für die zweite Position bestimmt. Schließlich wird aus der Korrelation der beiden Vektorfelder Vj1 Vj+1 die Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 nach dem Differenzenverfahren wie folgt bestimmt.Φ n - m + 1 )} for the second position. Finally, from the correlation of the two Vector fields V j1 V j + 1 determines the relative movement of the object 4 to the reference surface 7 according to the difference method as follows.
Um die Zugehörigkeit des Vektors (I1, φO zum Vektorfeld Vj zu kennzeichnen wird im Folgenden die Schreibweise (ljιit ψjj) verwendet. Die Beträge Ijj des ersten Vektorfeldes Vj werden von den Beträgen lj+1ij des zweiten Vektorfeldes Vj+1 subtrahiert. Anschließend werden die Beträge Dj1 der Differenzen zu einem Gesamtfehler D0 addiert und durch dieIn order to identify the affiliation of the vector (I 1 , φO to the vector field V j , the notation ( 1 jj j j) is used in the following: The magnitudes I j j of the first vector field V j are determined by the amounts l j + 1 j of the second vector field V j + 1 is subtracted. then the amounts are added j1 D of the differences to an overall error D 0 and the
Anzahl der Differenzbeträge bzw. Differenzterme normiert. In der Regel wird man für dieNumber of difference amounts or difference terms normalized. Usually you will for the
Differenzbildung das zeitlich nächste Vektorfeld Vj+1 wählen, wobei man aber auch ein zeitlich wesentlich weiter entfernt liegendes Vektorfeld Vj+k wählen könnte.Difference formation the next time vector field V j + 1 select, but you could also select a temporally much more distant vector field V j + k .
Alternativ können die Dji auch dadurch gebildet werden, dass die Vektoren (Ijj, ψjj) vektoriell von den Vektoren (lj+1|i, φj+1ii) subtrahiert werden und anschließend Dji als der Betrag dieser Differenzvektoren gewählt wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der höhere Rechenaufwand.Alternatively, the D j i can also be formed by vectorially subtracting the vectors (I j j, ψ j j) from the vectors (l j + 1 | i , φ j + 1ii ) and then D j i as the magnitude this difference vectors is selected. A disadvantage of this method is the higher computational effort.
Zeitgleich zu dieser Differenzenbildung werden weitere Differenzenbildungen zwischen dem ersten Vektorfeld Vj und dem zweiten Vektorfeld Vj+1 durchgeführt. Während bei der ersten Differenzbildung die Vektorpaare (Ij1, cpjj) und (lj+1ii, φj+1,j) miteinander verglichen wurden, werden die Differenzen Dji nach den beschriebenen Verfahren jetzt zwischen den Vektorpaaren (Ijj, φjti) und (IJ+U+A, ΦJ+IJ+A) gebildet, um analog zum Gesamtfehler D0 einen Gesamtfehler DA zu bestimmen. Dies entspricht einem Vergleich der Gruppe (Ti1 des Vektorfeldes Vj mit der Gruppe mi+A des Vektorfeldes Vj+1 , die gegen die Gruppe nrii um A Fotodioden verschoben ist.At the same time as this difference formation, further differences are formed between the first vector field V j and the second vector field V j + 1 . While in the first subtraction the vector pairs (I j1 , cp j j) and (l j + 1ii , φ j + 1 , j) were compared with each other, the differences D j i according to the described methods now between the vector pairs (I j j, φ jti ) and (IJ + U + A , ΦJ + I J + A ) to determine a total error D A analogous to the total error D 0 . This corresponds to a comparison of the group (Ti 1 of the vector field V j with the group m i + A of the vector field V j + 1 , which is shifted by the group nrii by A photodiodes.
Parallel dazu wird diese Berechnung für mindestens eine weitere Verschiebung A2 wiederholt, um einen zusätzlichen Gesamtfehler DA2 ZU bestimmen. Sofern es unbekannt ist, welches Vorzeichen die Verschiebung hat, dann wird man in der Regel A2 = -A wählen.In parallel, this calculation is repeated for at least one further shift A2 to determine an additional total error D A2 ZU. Unless it is unknown which sign the shift has, then you will usually choose A2 = -A.
Der Abstand A wird dabei abhängig von der Größe der zwischen den beiden Detektions- zeitpunkten vollführten Relativbewegung festgelegt und entspricht einer Verschiebung der Gruppen rτii des ersten Vektorfeldes Vj gegenüber dem Vektorfeld Vj+1 um A Fotosensoren 18.The distance A is determined as a function of the size of the relative movement performed between the two detection times and corresponds to a shift of the groups rτii of the first vector field V j with respect to the vector field V j + 1 by A photo sensors 18.
Aus den Gesamtfehlern D0, DA, DA2 und evtl. weiteren Gesamtfehlerwerten D(AR) wird schließlich eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes 4 zu der Bezugsfläche 7 bestimmt. Trägt man die Gesamtfehler D0(A = O), DA(A = A), DA2(A = A2) und evtl. weitere Gesamtfehler D(Ak) als Funktion von A auf, dann erhält man eine Funktion, die in der Umgebung des Punktes A = O einen parabelförmigen Verlauf zeigt. Der Scheitelpunkt der Parabel, die als solche mittels mindestens dreier Punkte bestimmt werden kann, entspricht der besagten durchschnittlichen Relativbewegung in Einheiten der Diodenbreite. Mittels der Geometrie der verwendeten Fotodioden und deren optischer Abbildung ist die Strecke bekannt, die einer Diodenbreite entspricht. Damit lässt sich die Verschiebung Δx berechnen.From the total errors D 0 , D A , D A2 and possibly further total error values D (A R ), an average relative movement of the object 4 to the reference surface 7 finally becomes certainly. If one plots the total errors D 0 (A = O), D A (A = A), DA 2 (A = A 2 ) and possibly further total errors D (A k ) as a function of A, one obtains a function which in the vicinity of the point A = O shows a parabolic course. The vertex of the parabola, which as such can be determined by means of at least three points, corresponds to said average relative motion in units of diode width. By means of the geometry of the photodiodes used and their optical imaging, the distance is known that corresponds to a diode width. This allows the displacement Δx to be calculated.
Die auf diese Weise bestimmte Relativbewegung entspricht dabei der Bewegung des Sensors 14 in Längsrichtung der Zeile 20. Werden mehrere Zeilen verwendet, dann lassen sich aus dieser Bewegung nach der Vektorrechnung auch Bewegungen in einem Winkel zur Zeilenlängsrichtung ermitteln.The relative movement determined in this way corresponds to the movement of the sensor 14 in the longitudinal direction of the line 20. If several lines are used, then from this movement after the vector calculation movements at an angle to the line length direction can be determined.
Mittels der zwischen den beiden Positionen V1, V2 liegenden Zeit Δt kann dann über den einfachen Zusammenhang v = Δx / Δt auch die durchschnittliche Geschwindigkeit v in Längsrichtung der Zeile 20 bestimmt werden.By means of the time Δt between the two positions V 1 , V 2 , the average velocity v in the longitudinal direction of the line 20 can then also be determined via the simple relationship v = Δx / Δt.
Nach der in der Fig. 3 dargestellten Ausbildung des Sensors 14 in Form einer Matrix lassen sich nicht nur Relativbewegung des Objektes 4 zur Bezugsfläche 7 in Längsrichtung der Zeilen, sondern vielmehr auch Rotationsbewegung des Objektes 4 erfassen.According to the embodiment of the sensor 14 in the form of a matrix shown in FIG. 3, not only relative movement of the object 4 to the reference surface 7 in the longitudinal direction of the lines, but also rotational movement of the object 4 can be detected.
Nach dem Phasenverfahren wird die Änderung der Phasen ψjj ausgewertet, die sich durch eine Verschiebung ergibt. Beim Übergang von einer Gruppe nrii auf die Gruppe mi+1 ändert sich der Betrag des Vektors lj,j nur geringfügig, zumal beiden Gruppen m-1 Fotodioden gemeinsam angehören. Dessen Richtung φjti hingegen verändert sich beim Übergang von der Gruppe rτii auf die Gruppe mi+1 im Mittel um den Winkel 2ττ/m. Aufgrund der 2τr-Periodizität der Sinusfunktion können bei der Bestimmung der Richtung cpj.j zudem Phasensprünge auftreten, was zu Mehrdeutigkeiten führen kann. Die Phase φjj ist bis auf k*2*π (k = ... -1 , 0, 1 , 2, ...) bestimmt. Indem man über alle Gruppen nrii eine Mittelung über alle Phasen φj:i derart durchführt, das die mittlere Phasenänderung zwischen zwei aufeinander folgende Gruppen m( und mi+1 ebenso berücksichtigt wird wie evtl. vorliegende Phasensprünge, kann man dem Vektorfeld und damit der Position eine Gesamtphase φ zuordnen, die ein Maß für die Position ist.After the phase method, the change of the phases ψ j j is evaluated, which results from a shift. In the transition from a group nrii to the group m i + 1 , the magnitude of the vector l j , j changes only slightly, since both groups m-1 photodiodes belong together. Its direction φ jti, on the other hand, changes on average during the transition from the group rτii to the group m i + 1 by the angle 2ττ / m. Due to the 2τr periodicity of the sinusoidal function phase jumps can also occur in the determination of the direction cpj.j, which can lead to ambiguities. The phase φjj is determined except for k * 2 * π (k = ... -1, 0, 1, 2, ...). By averaging over all groups nrii over all phases φ j: i such that the mean phase change between two successive groups m ( and m i + 1 is taken into account as well as any phase jumps present, one can then use the vector field and thus the Position assign a total phase φ, which is a measure of the position.
Bemisst man die Zeitspanne zwischen den beiden aufeinander folgenden Vektorfeldern Vj und Vj+1 derart kurz, dass die Verschiebung gegenüber der Referenzfläche gering ist, dann unterscheiden sich auch die Phasen φui und φj+1ji nur geringfügig. Die Verschiebung entspricht dann der Phasendifferenz φj+1,j - cpy. Zur Reduzierung der Messfehler wird man zweckmäßigerweise wieder über alle Phasendifferenzen mittein. Auch hier können wieder Mehrdeutigkeiten auftreten. Deshalb sollte die zwischen zwei Detektionen zweier aufeinander folgender Vektorfelder Vj und Vj+1 liegende Zeit derart bemessen sein, dass sich die Richtungen φui und φj+i,i beim Übergang vom Vektorfelder Vj auf das Vektorfeld Vj+1 im Mittel um deutlich weniger wie +/- π ändern.If one measures the time span between the two successive vector fields V j and V j + 1 so short that the displacement with respect to the reference surface is small, then also the phases φ ui and φ j + 1ji differ only slightly. The shift then corresponds to the phase difference φ j + 1, j-cpy. In order to reduce the measurement errors, it is expedient to again agree on all phase differences. Again, ambiguities may occur again. Therefore, the time between two detections of two successive vector fields V j and V j + 1 should be such that the directions φ ui and φ j + i, i at the transition from the vector field V j to the vector field V j + 1 on average to change significantly less like +/- π.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der das Phasenverfahren zugrunde liegt, werden, beginnend mit der Gruppe In1 am äußersten linken Ende der Zeile 20, die als solche einen Startpunkt definiert, entlang der Zeile 20 die Teilrichtungen φ, der einzelnen Gruppen nrij zur Gesamtrichtung φ aufsummiert. Da die Gesamtrichtung bzw.According to a further embodiment of the invention, which is based on the phase method, starting with the group In 1 at the extreme left end of the line 20, which defines as such a starting point along the line 20, the partial directions φ, the individual groups nrij to the overall direction φ added up. Since the overall direction or
Gesamtphase φ zur Relativbewegung proportional ist, kann aus der Gesamtphase φ dieTotal phase φ is proportional to the relative motion can from the overall phase φ the
Relativbewegung bestimmt werden, sofern die zu einer Relativbewegung gehörende Phasenänderung bekannt ist.Relative movement are determined, if the belonging to a relative movement phase change is known.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden das Differenzenverfahren und das Phasenverfahren miteinander kombiniert.According to a further embodiment of the invention, the difference method and the phase method are combined with each other.
Sowohl das Differenzenverfahren als auch das Phasenverfahren sind technisch einfach realisierbar.Both the difference method and the phase method are technically easy to implement.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Man erkennt jedoch, dass die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Relativbewegung eines Objektes 4 gegenüber einer Bezugsfläche 7 betrifft. Die Relativbewegung wird mittels n an dem Objekt 4 in einer Zeile 20 angeordneten Fotosensoren 18 erfasst, welche die Helligkeitswerte der Bezugsfläche 7 detektieren. Die n Fotosensoren 18 der Zeile 20 sind in Gruppen rτii mit jeweils m Fotosensoren 18 unterteilt, die eine Strecke S1 definieren. Dabei gehören jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen nrii, mi+1 m-1 Fotosensoren 18 an.The invention is not limited to one of the above-described embodiments, but can be modified in many ways. It can be seen, however, that the invention relates to a device and a method for detecting a relative movement of an object 4 relative to a reference surface 7. The relative movement is detected by means of n photosensors 18 arranged on the object 4 in a row 20, which detect the brightness values of the reference surface 7. The n photosensors 18 of the line 20 are subdivided into groups rτii with in each case m photosensors 18 which define a route S 1 . In each case, two consecutive groups nrii, m i + 1 m-1 belong to photo sensors 18.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Bezugszeichen listeAll of the claims, the description and the drawings resulting features and advantages, including design details, spatial arrangements and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Reference number list
2 Anordnung von Fahrzeug und Messvorrichtung2 Arrangement of vehicle and measuring device
4 Fahrzeug4 vehicle
6 Fahrbahn6 lane
7 Fahrbahnoberfläche7 road surface
8 reflektierter Lichtstrahl8 reflected light beam
9 Abbildungsbereich9 picture area
10 Spiegel10 mirrors
12 Sammellinse12 condenser lens
14 Fotosensor14 photosensor
16 Messvorrichtung16 measuring device
18 Fotodiode18 photodiode
20 Fotodiodenzeile20 photodiode lines
22 Fotodiodenmatrix 22 photodiode matrix

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes (4) zu einer Bezugsfläche (7), mit n in einer Zeile (20) angeordneten Fotosensoren (18), die, an dem Objekt (4) angeordnet, die Helligkeitswerte der mit einem Licht bestrahlten Bezugsfläche (7) detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die n Fotosensoren (18) der Zeile (20) in Gruppen m, mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt sind, die eine Strecke s, definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m„ m,+1) m-1 Fotosensoren (18) angehören.1. A device for detecting relative movements of an object (4) to a reference surface (7), with n in a row (20) arranged photosensors (18) arranged on the object (4), the brightness values of the irradiated with a light Detecting reference surface (7), characterized in that the n photosensors (18) of the line (20) are subdivided into groups m, each having m photosensors (18) defining a distance s, wherein in each case two successive groups (m "M, +1 ) belong to m-1 photo sensors (18).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the individual groups m, at least m = 3 photosensors (18) are provided.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen sind.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the individual groups m, m = 4 or m = 6 photosensors (18) are provided.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, wesentlich mehr als m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen sind und dass die Fotosensoren (18) der jeweiligen Gruppen m, in Summationsgruppen m,s unterteilt sind.4. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the individual groups m, substantially more than m = 3 photosensors (18) are provided and that the photosensors (18) of the respective groups m, in summation groups m, s are divided.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) in einem Abstand aufeinander folgend angeordnet sind.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the photosensors (18) are arranged successively at a distance.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zeilen (20) mit jeweils n Fotosensoren (18) zu mindestens einer Matrix (22) zusammengefasst sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of lines (20) are combined with each n photosensors (18) to at least one matrix (22).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) auf einem anwenderspezifischen IC (ASIC) integriert sind. 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the photosensors (18) are integrated on a user-specific IC (ASIC).
8. Verfahren zur Erfassung von Relativbewegungen eines Objektes (4) zu einer Bezugsfläche (7), bei dem mittels n an dem Objekt (4) in einer Zeile (20) angeordneten Fotosensoren (18) die Helligkeitswerte der mit einem Licht (8) bestrahlten Bezugsfläche (7) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, ■ dass die Fotosensoren (18) der Zeile (20) in Gruppen m, mit jeweils m Fotosensoren (18) unterteilt werden, die Strecken s, definieren, wobei jeweils zwei aufeinander folgenden Gruppen (m„ ml+1) m-1 Fotosensoren (18) angehören,8. A method for detecting relative movements of an object (4) to a reference surface (7), in which by means of n on the object (4) in a row (20) arranged photosensors (18) the brightness values of the irradiated with a light (8) Reference surface (7) are detected, characterized in that ■ the photosensors (18) of the line (20) in groups m, each with m photosensors (18) are divided, the distances s, define, each two consecutive groups (m "M l + 1 ) belong to m-1 photo sensors (18),
■ dass in einer ersten Position der Zeile (20) mittels der einzelnen Gruppen m, die Helligkeitswerte der Bezugsfläche (7) detektiert werden und ■ dass nach der Detektion in den einzelnen Gruppen m, für eine gewählte Frequenz f eine Modulationsfunktion bestimmt wird, welche die Helligkeitswerte entlang der Strecke s, beschreibt, wobei mit der Anpassung der Modulationsfunktion an die Helligkeitswerte ein Parameterpaar l„ φ, bestimmt wird, so dass für die Zeile (20) maximal n-m+1 Parameterpaare I1, φ, bestimmt werden, die ein Vektorfeld Vj für die erste Position der Zeile (20) definieren,■ that in a first position of the line (20) by means of the individual groups m, the brightness values of the reference surface (7) are detected and ■ that after the detection in the individual groups m, a modulation function is determined for a selected frequency f, which the Brightness values along the distance s, describes, with the adjustment of the modulation function to the brightness values, a parameter pair l "φ, is determined, so that for the line (20) a maximum of n-m + 1 parameter pairs I 1 , φ, are determined define a vector field V j for the first position of the line (20),
■ dass in einer zweiten Position der Zeile (20) in analoger Weise ein Vektorfeld V1+1 mit maximal n-m+1 Parameterpaaren I1, φ, für die zweite Position bestimmt wird und■ that in a second position of the line (20) in an analogous manner, a vector field V 1 + 1 with a maximum of n-m + 1 parameter pairs I 1 , φ, for the second position is determined, and
■ dass aus dem Vergleich des Vektorfeldes V1 der ersten Position mit dem Vektorfeld VJ+1 der zweiten Position die Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.■ that the relative movement of the object (4) to the reference surface (7) is determined from the comparison of the vector field V 1 of the first position with the vector field V J + 1 of the second position.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mit der Funktion l(m,) = I0 + I, * sin (2ττ * f * x + φ,) beschrieben wird, wobei x die relative Position des Fotosensors in der Zeile kennzeichnet.9. The method according to claim 8, characterized in that the modulation with the function l (m,) = I 0 + I, * sin (2ττ * f * x + φ,) is described, where x is the relative position of the photosensor in the line indicates.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren Ij 1, (Pj1, des ersten Vektorfeldes V1 vektoriell von den Vektoren I1+1 1, φJ+1ι, des darauf folgend erzeugten, zweiten Vektorfeldes V1+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge D1, der Differenzvektoren oder die Differenzvektoren selbst zu einem Gesamtfehler D0 addiert werden, und dass zeitgleich zur Differenzenbildung mindestens zwei weitere Differenzenbildungen zwischen dem ersten Vektorfeld V1 und dem zweiten Vektorfeld V1+1 durchgeführt werden, wobei die Differenzen D1, in analoger Weise zwischen den Vektorpaaren (I1,, φJh) und (lj+1,l+A, <PJ+I,I+A) und zum anderen zwischen den Vektorpaaren (I1,, φμ) und (I1+1,I+A2, φ,+i,ι+A2) gebildet werden, um analog zum Gesamtfehler D0 weitere Gesamtfehler DA und D^ zu bestimmen. 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the vectors I j 1 , (P j1 , the first vector field V 1 vectorially of the vectors I 1 + 1 1 , φ J + 1ι , the second vector field subsequently generated, the second vector field V 1 + 1 are subtracted, wherein the amounts D 1 , the difference vectors or the difference vectors themselves are added to a total error D 0 , and that at the same time for difference formation at least two other differences between the first vector field V 1 and the second vector field V 1 + 1 with the differences D 1 , in an analogous manner between the vector pairs (I 1 , φ Jh ) and (I j + 1 , I + A , <P J + I , I + A ) and, secondly, between the vector pairs (I 1 ,, φ μ ) and (I 1 + 1 , I + A 2, φ, + i, ι + A2 ) are formed in order to determine analogous to the total error D 0 further total errors D A and D ^.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Gesamtfehlers D0 durch die Anzahl der Differenzterme normiert wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the amount of the total error D 0 is normalized by the number of difference terms.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfehler D0(A = 0), DA(A = A), DA2(A = A2) und ggf. weitere Gesamtfehler D(AK) bestimmt werden, wobei die Gesamtfehler D als Funktion von A aufgefasst und die Stelle A bestimmt wird, für die D(A) minimal wird.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the total error D 0 (A = 0), D A (A = A), DA 2 (A = A 2 ) and possibly further total errors D (AK) are determined , where the total error D is considered as a function of A and the point A is determined for which D (A) becomes minimal.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Beträge lJfl des ersten Vektorfeldes Vj von den Beträgen IJ+I,I(+A/A2) des zweiten Vektorfeldes V1+1 subtrahiert werden, wobei die Beträge D1, der Differenzen zu einem Gesamtfehler D0/A/A2 addiert werden.13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that only the amounts l Jfl of the first vector field V j of the amounts I J + I , I (+ A / A 2 ) of the second vector field V 1 + 1 are subtracted , wherein the amounts D 1 , the differences are added to a total error D 0 / A / A2.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände A, A2 abhängig von der zwischen den beiden Detektionen liegenden14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the distances A, A2 depending on the lying between the two detections
Zeit festgelegt werden und einer Verschiebung zwischen den zu vergleichenden Gruppen m, der Vektorfelder V1 und V1+1 um A und A2 Fotosensoren (18) entsprechen.Time and a shift between the groups to be compared m, the vector fields V 1 and V 1 + 1 by A and A2 photosensors (18) correspond.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens drei Gesamtfehlern D0, DA, DA2 eine durchschnittliche Relativbewegung des Objektes (4) zu der Bezugsfläche (7) bestimmt wird.15. The method according to claim 14, characterized in that from at least three total errors D 0 , D A , D A2 an average relative movement of the object (4) to the reference surface (7) is determined.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass, beginnend mit der Gruppe m„ aus den Teilrichtungen φ, der einzelnen Gruppen m, die Gesamtrichtung φ bestimmt wird, die zur Relativbewegung gehört und zu dieser proportional ist.16. The method according to any one of claims 8 to 15, characterized in that, starting with the group m "from the directions φ, the individual groups m, the overall direction φ is determined, which belongs to the relative movement and is proportional to this.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei Detektionen zweier aufeinander folgender Gruppen liegende Zeit derart bemessen wird, dass sich die Gesamtrichtung φ beim Übergang von dem Vektorfeld V, zu dem Vektorfeld VJ+1 im Mittel um weniger als +/- π ändert.17. The method according to any one of claims 8 to 16, characterized in that the time lying between two detections of two successive groups is such that the overall direction φ in the transition from the vector field V, to the vector field V J + 1 in the middle changes by less than +/- π.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, mindestens m = 3 Fotosensoren (18) vorgesehen werden. 18. The method according to any one of claims 8 to 17, characterized in that in the individual groups m, at least m = 3 photosensors (18) are provided.
19. Verfahren nach Anspruch 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, m = 4 oder m = 6 Fotosensoren (18) vorgesehen werden.19. The method according to claim 8 to 18, characterized in that in the individual groups m, m = 4 or m = 6 photosensors (18) are provided.
20. Verfahren nach Anspruch 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Gruppen m, wesentlich mehr als drei Fotosensoren (18) vorgesehen werden.20. The method according to claim 8 to 19, characterized in that in the individual groups m, substantially more than three photosensors (18) are provided.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (18) in Summationsgruppen mιs unterteilt werden.21. The method according to any one of claims 18 to 20, characterized in that the photosensors (18) are divided into summation groups m ιs .
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zeilen (20) mit jeweils n Fotosensoren (18) zu mindestens einer Matrix (22) zusammengefasst werden.22. The method according to any one of claims 8 to 21, characterized in that a plurality of lines (20), each with n photo sensors (18) are combined to form at least one matrix (22).
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zeilen (20) der Matrix (22) getrennt voneinander die Verschiebungen bestimmt werden.23. The method according to any one of claims 8 to 22, characterized in that in the rows (20) of the matrix (22) separated from each other, the shifts are determined.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Frequenzen gewählt werden, um mehrere Modulationsfunktionen zu bestimmen, welche die Helligkeitswerte entlang der Strecke s, beschreiben, wobei für jede der Modulationsfunktionen durch die Anpassung an die Helligkeitswerte ein24. A method according to any one of claims 8 to 23, characterized in that a plurality of frequencies are selected to determine a plurality of modulation functions describing the brightness values along the distance s, wherein for each of the modulation functions by adjusting to the brightness values
Parameterpaar I1, φ, bestimmt wird.Parameter pair I 1 , φ, is determined.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Fotosensoren andere Sensoren eingesetzt werden, über die die lokale Variation des magnetischen- oder elektrischen Feldes bestimmt wird. 25. The method according to any one of claims 8 to 24, characterized in that instead of the photosensors other sensors are used, via which the local variation of the magnetic or electric field is determined.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6288966A (en) * 1985-10-16 1987-04-23 Murata Mfg Co Ltd Pyroelectric sensor array
US6020953A (en) * 1998-08-27 2000-02-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Feature tracking linear optic flow sensor
US20060091301A1 (en) * 2004-10-29 2006-05-04 Silicon Light Machines Corporation Two-dimensional motion sensor
WO2007051699A1 (en) * 2005-11-04 2007-05-10 E2V Semiconductors Speed sensor for measuring the speed of a vehicle relative to the ground

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2848874C2 (en) * 1977-11-12 1983-02-17 Nippon Kogaku K.K., Tokyo Apparatus for determining the amount of displacement of an image generated by an optical imaging system
DE19530287C1 (en) * 1995-08-17 1996-11-14 Klaus Dr Christofori Object velocity measuring device
US6675121B1 (en) * 1999-07-06 2004-01-06 Larry C. Hardin Velocity measuring system
DE10248416B4 (en) * 2002-10-17 2006-01-26 Audi Ag Device and method for determining a relative movement of a vehicle
WO2004097744A1 (en) * 2003-05-02 2004-11-11 Universite De Neuchatel Image processing method and system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6288966A (en) * 1985-10-16 1987-04-23 Murata Mfg Co Ltd Pyroelectric sensor array
US6020953A (en) * 1998-08-27 2000-02-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Feature tracking linear optic flow sensor
US20060091301A1 (en) * 2004-10-29 2006-05-04 Silicon Light Machines Corporation Two-dimensional motion sensor
WO2007051699A1 (en) * 2005-11-04 2007-05-10 E2V Semiconductors Speed sensor for measuring the speed of a vehicle relative to the ground

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