WO2018060100A1 - Optischer sensor zur entfernungs- und/oder geschwindigkeitsmessung, system zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen und verfahren zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen - Google Patents

Optischer sensor zur entfernungs- und/oder geschwindigkeitsmessung, system zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen und verfahren zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen Download PDF

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WO
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optical sensor
light signal
light
identification information
modulation
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PCT/EP2017/074087
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Johannes Grabowski
Thilo Grundmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • Optical sensor for distance and / or speed measurement system for mobility monitoring of autonomous vehicles and method for monitoring the mobility of autonomous vehicles
  • the invention is based on an optical sensor for distance and / or speed measurement according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention is based on a system for monitoring the mobility of autonomous vehicles according to the preamble of claim 8 and a method for monitoring the mobility of autonomous vehicles according to the preamble of claim 10.
  • optical sensors are already known and are used, for example, to enable autonomous vehicles to be monitored in robotics.
  • autonomously operating industrial trucks such as forklifts are equipped with such sensors, or in the private sector vacuum cleaner robots are provided with such sensors to allow safe navigation and object recognition and / or to secure hazardous zones.
  • the optical sensors can interfere with each other.
  • the detection modules are not able to distinguish between the light signals from different light source modules, and / or the
  • Light signals from different light source modules ie different optical sensors, influence each other and thereby falsify the Distance and / or speed measurement. This can lead to a significant impairment of navigation safety, especially in a variety of vehicles to serious accidents.
  • Mobility monitoring of autonomous vehicles and propose a method for monitoring the mobility of autonomous vehicles, each optical sensor or autonomous vehicle with such an optical sensor is clearly identifiable by its light signal.
  • optical sensor according to the invention, the inventive system and the inventive method according to the independent claims have the advantage over the prior art that the optical sensor has a small space requirement, that each optical sensor based on
  • Identification information is uniquely identifiable and can also perform this identification itself, so that the removal and / or
  • the light signal or the reflected light signal thus transmits information, namely the identification information, by means of which the optical sensor which has generated the light signal, in particular unambiguously, can be identified.
  • the identification information comprises a serial number assigned to the optical sensor.
  • the identification information is a digital information, more preferably the identification information comprises a sequence of bits, most preferably 84bit, 8bit, 16bit, 32bit or 64bit.
  • bit modulation of the identification information can be achieved by intensity modulation.
  • the identification information can have an arbitrary length, which depends, for example, on the number of optical sensors in the system and / or the type of modulation and is limited essentially only by the temporal length of the light signal. Other types of identification information or codes are conceivable.
  • the identification information is repeatedly impressed on the light signal. The distance and / or speed measurement is thereby by the
  • the identification information corresponds descriptively to a digital fingerprint, which makes it possible to associate a light signal and / or a reflected light signal with a specific optical sensor.
  • the modulation can be done both analog and digital.
  • the modulation is an amplitude modulation, a
  • the modulation is particularly preferably a sequence modulation.
  • the light signal has a carrier signal to which a useful signal is modulated, wherein the
  • Carrier signal is a carrier signal frequency and the useful signal a
  • Identification information includes. This means in particular that the modulation frequency is higher than the carrier signal frequency. It is particularly preferred that the light source module emits the light signal at a carrier signal frequency in the range from 1 Hz to 100 Hz, particularly preferably in the range from 10 Hz to 75 Hz, very particularly preferably in the range from 30 Hz to 60 Hz.
  • the carrier signal is preferably used for distance and / or speed measurement, while the useful signal at least partially serves to identify the optical sensor.
  • the length of the identification information is dependent on the modulation frequency, in particular the ratio of carrier signal frequency to modulation frequency. For example, with a carrier signal frequency of 1 Hz and a modulation frequency of 1 kHz, 1000 states can be transmitted.
  • Modulation frequency is higher than a first detection frequency of the
  • the modulation frequency is in the range between 100 Hz to 1 MHz, more preferably between 1 kHz and 100 kHz, most preferably the modulation frequency is 2 kHz.
  • the identification information thus corresponds in particular to a specific modulation of the light signal.
  • the modulation frequency of a light signal is variable over time.
  • the identification information is unique, i.
  • the light signal it is advantageously possible according to the invention for the light signal to be unambiguously identifiable on the one hand by the identification information, ie a specific modulation or a sequence of modulations, and on the other hand the detection of the light signal required for distance and / or speed determination not to be impaired.
  • the identification information ie a specific modulation or a sequence of modulations
  • the optical sensor and in particular the light source module, the detection module and / or the modulator are arranged in a housing.
  • the optical sensor additionally comprises a control module for controlling the
  • the modulator comprises at least one modulation means for modulating the light signal, particularly preferably a diaphragm, a mirror and / or a prism.
  • a modulation is an analog intensity modulation and the mentioned modulation means are also called pulse shapers (choppers) and present a particularly simple type, in particular a rectangular one
  • the diaphragm is a rotating sector shutter and / or the mirror is an angle mirror.
  • the modulation means comprises a motor, in particular an electric motor, for generating a movement of the diaphragm, the mirror and / or the prism.
  • the modulator comprises an electronic and / or digital modulation means.
  • the modulating means is a logical modulating means, i. the modulation is generated by the software.
  • the modulation is an intensity modulation, wherein the intensity is preferably either 0% or 100% of an output intensity of the light signal. More preferably, the intensity modulation varies between three, four, five or six predetermined intensities.
  • Intensity information can be generated in a simple manner, for example by a, in particular variable speed, rotating diaphragm. According to a preferred embodiment, it is provided that the
  • Light source module comprises a laser, in particular, the light signal is a laser signal.
  • the laser is a semiconductor laser.
  • the laser signal has a non-visible wavelength, in particular in the infrared range. Even more preferred is that
  • Light source module for generating a laser signal with a wavelength in Range of 700nm to lOOOnm configured, more preferably in the range of 850nm to 950nm, especially in the range of 900nm to 910nm.
  • the light source module comprises a beam-shaping optical system, in particular at least one lens.
  • Laser signal i. Especially with a laser beam, precise and fast measurements are possible.
  • transit time measurements such as those used for distance or distance measurement and / or speed measurement, can be carried out particularly precisely due to the optical properties of a laser.
  • Detection module comprises a dynamic image processing sensor.
  • the dynamic image processing sensor comprises a plurality of pixels, so-called pixels, wherein the dynamic
  • Image processing sensor is configured such that each pixel detects changes. Most preferably, the pixels capture changes in the microsecond range.
  • a dynamic image processing sensor is available, for example, from the company iniLabs as Dynamic Vision Sensor (DVS).
  • DVD Dynamic Vision Sensor
  • the skilled person understands that in contrast to conventional cameras or image sensors, a sequence of snapshots of all pixels, so-called frames, is not created, but those pixels are detected in which changes are detected. This resembles the
  • the detection module has a first detection frequency, wherein even more preferably the dynamic image processing sensor has a second detection frequency
  • Detection frequency has.
  • the first detection frequency is in
  • the second detection frequency is in the range of 100Hz to 1MHz, more preferably between 1kHz and 100kHz, most preferably the second Detection frequency 2kHz, and is in particular at least as high as the modulation frequency.
  • the dynamic image processing sensor detects individual measured values at the second detection frequency and therefore can detect and preferably demodulate the modulation of the light signal, and these measured values in one
  • Time interval corresponding to the first detection frequency to a frame summarizes or this frame assigns. For example, this indicates
  • Detection module has a first detection frequency of 1 Hz and the dynamic image processing sensor has a second detection frequency of 1 kHz, wherein the first detection frequency corresponds to the carrier signal frequency and the second detection frequency of the modulation frequency.
  • the dynamic image processing sensor detects the identification information of the optical sensor within one frame, in other words one second, and at the same time a distance and / or speed measurement can be performed on the basis of the frames.
  • the detection module it is advantageously possible according to the invention for the detection module to operate very quickly and with a low volume of data.
  • a dynamic image sensor therefore requires smaller amounts of data storage and works with high resolution in terms of time. It is also dynamic
  • Image processing sensor those pixels in which changes are detected over time, be detected separately.
  • the optical sensor is a lidar sensor, in particular a ladar sensor.
  • the lidar sensor is a transit time measurement lidar sensor.
  • Lidar is the abbreviation for "light detection and ranging” based on the principle of the transit time measurement of light.
  • a light signal in the case of a Ladar sensor (abbreviation for "laser detection and ranging”) a laser signal, is given by the Light source module generated and emitted. The light signal is reflected at an object and detected by the detector module. From the term the light signal, which is determined, for example, inteferometrically, the distance to the object can now be determined, as well as the speed of the object in the case of a large number of successive measurements.
  • Runtime measurement lidar sensors are already used, for example, in the speed measurement of vehicles in road traffic.
  • the optical sensor is a structured light sensor, in particular a
  • a projector in this case the light source module, projects different patterns of dark and light stripes, preferably of different width, onto the object to be measured in chronological order an optical means for generating an optical pattern, in the case of fringe projection for producing fringes, such optical means preferably comprise at least one lens and / or aperture: a detector, here the detection module, which is arranged at a defined distance from the projector, detects the optical means.
  • Stripe pattern Due to the known distance and thus the viewing angle between the projector and the detector, the distance to each point of the object to be measured can be determined, i. a structured light sensor based
  • Structured-light method In general, in the case of structured light methods, light is thrown onto an object in the form of temporally successive, predetermined patterns, the light reflected by the object being measured. In each frame, a specific pattern is projected onto the object. In this way, it is advantageously possible according to the invention for a structured light method to be used for distance and / or speed determination as well as for object detection, without several optical sensors interfering with one another.
  • the individual frames, ie patterns are generated in accordance with the carrier signal frequency. Therefore, the first detection frequency must also be at least as high as the carrier signal frequency so as to be able to detect at least each frame for accurate measurement
  • the detection module has a demodulator for demodulating a light signal.
  • the identification information is already recognized by the detection module.
  • the optical sensor comprises a control module for controlling the optical sensor.
  • the control module is particularly preferably configured to determine a difference signal from the light signal generated by the light source module and the light signal detected by the detection module, wherein the difference signal is in particular a difference of the identification information.
  • the difference signal thus refers to the period of a frame.
  • the control module is set up to compensate for reflection losses and absorption losses.
  • the system comprises at least one, in particular immovable, base station, wherein the base station has at least one detection module for detecting a light signal, wherein the detection module for distinguishing light signals based on Identification information and in particular for identifying a
  • Vehicle is configured based on identification information of the associated light signal.
  • a base station it is advantageously possible for a base station to be able to differentiate between different autonomous vehicles and thus to make the operation of the system more efficient. It is also advantageously possible to locate a vehicle in the system. For example, in the case of logistics systems, this is desirable, as thus routes can be planned more efficiently and monitoring is possible.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an optical sensor according to a
  • FIG. 2 shows a further schematic diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a system according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • Figure 5 shows an optical sensor according to an embodiment of the present invention in a schematic representation
  • FIG. 6 shows an optical sensor according to an embodiment of the present invention in a schematic schematic diagram.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical sensor 1 according to a
  • the optical sensor 1 is here a structured light sensor, for example a
  • Fringe projection sensor It comprises a light source module 2, which is configured to generate a light signal L.
  • the object to be measured is illuminated with a sequence of, in particular different width, stripes which are alternately light and dark. At a given time, a complete set of stripes is projected onto the object. At a subsequent time is a
  • An exemplary light signal L in this case a light beam L, is thereby reflected at the object, from which the reflected light beam L ', corresponding to a light signal L', is formed.
  • Light source module 2 arranged detection module 3 comprises a detector which has a plurality of pixels. This detector now detects the reflected light beam L 'in a particular pixel. Analogously, further light beams emerging from light beams of the light source module 2 are also detected by the detector, whereby the detector receives an image of the object. As a result, on the one hand object recognition, but also a distance measurement to the object is possible.
  • the light source module 2 further includes a
  • modulator 4 which modulates the light signal L such that it has an identification information.
  • This identification information can be recognized by the detection module 3 and thus enables a distinction between light beams of different optical
  • the optical sensor 1, 1 ' According to the actual distance measurement, the optical sensor 1, 1 'according to the invention therefore does not fundamentally differ from already known structured light sensors, since the distance measurement works in the same way.
  • the idea according to the invention thus consists, in particular, in the provision of an additional information level.
  • FIG. 2 shows a further schematic diagram of an optical sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical sensor 1 measures, for example, in a specific embodiment of the
  • Strip projection sensor of Figure 1 using a light section method is again arranged at a well-defined distance from the light source module 2.
  • the light source module 2 generates an identification information having light beam L, which is guided here along a line on the object, for example by a beam deflection unit of the light source module 2 as an adjustable micromirror, or is already projected by appropriate optical means in the form of a line on the object.
  • the detection module 3 now detects the reflected light beam L 'produced by reflection from the light beam L and on the basis of the known art
  • FIG. 3 shows a system according to an embodiment of the present invention
  • the system here comprises a first vehicle 6 and a second vehicle 7. Both vehicles 6, 7 are in the present case designed as robotic vacuum cleaners. However, the system may additionally or alternatively comprise other autonomous vehicles. By way of example, production robots, automated industrial trucks and / or self-propelled motor vehicles may be mentioned here.
  • the first vehicle 6 has a first optical sensor 1 and the second vehicle 7 has a second optical sensor 1 '.
  • Each of the optical sensors 1, 1 ' comprises a light source module 2, 2' with a modulator 4 and a detection module 3, 3 '.
  • the first optical sensor 1 transmits a light signal L having an identification information including a Allocation to the optical sensor 1 allows, and the second optical sensor 1 'transmits a light signal L "with its own
  • the identification information is as
  • Intensity modulation with a modulation frequency which is significantly higher than the detection frequency of the detection modules 3, 3 'executed.
  • the light signals L, L ', L are modulated with a modulation frequency of about 2 kHz, while the detection modules 3, 3', the light signals L, L ', L" with a
  • the detection modules 3, 3 ' are adapted to also detect these modulations and thus the light signals L, L', L "based on the
  • a base station can preferably assign the light signals L, L ', L "to the optical sensors 1, 1' on the basis of the identification information, thereby knowing which vehicle 6, 7 is currently in the vicinity.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of two identification information according to an embodiment of the present invention.
  • the corresponding light signals L, L correlate, for example, to those in FIG.
  • Intensity modulation of the upper light signal L is different from the modulation of the lower light signal L "over time.”
  • a more or less complex modulation can be selected as identification information.
  • a detection module 3, 3 ' can detect and preferably decode this identification information, so that there is an assignment of a light beam L,
  • L ', L can make an optical sensor 1, 1. However, at least the detection module 3, 3' can receive a light signal L, L ', L originating from the light source module 2, 2', which is assigned to the same optical sensor "identify.
  • FIG. 5 shows a schematic view of an optical sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical sensor 1 comprises a control module 8 which controls the operation of the optical sensor 1 and, for example, the detected distance and / or speed information to a control unit of a vehicle
  • a light source module 2 which here comprises a laser which is configured to generate a laser signal L.
  • the light source module further comprises a modulator 4, which modulates the laser signal L such that it has a
  • Identification information which, preferably uniquely, points to the optical sensor 1.
  • the control module 8 with a
  • Detection module 5 connected, which for detecting a light signal L ', L " is configured.
  • the detection module here comprises, for example, a dynamic image processing sensor 5.
  • the optical sensor 1 is, for example, a
  • Time-of-flight Ladar sensor (Ladar is an abbreviation for "Laser Detection and Ranging", ie laser-assisted distance measurement.)
  • the optical sensor 1 emits a laser signal L, which is reflected by an object, resulting in a reflected laser signal L 'is detected by the detection module 3 and the transit time of the laser signal L, L' determined, from which the distance to the object can be determined
  • the optical sensor 1 could also be a structured light sensor corresponding to one the embodiments described in connection with Figures 1 and 2.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of an optical sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical sensor 1 shown here is similar to the one shown in FIG.
  • the optical sensor 1 is provided as a structured light sensor.
  • the optical sensor 1 comprises a control module 8 and connected thereto a light source module 2 with a modulator 4, here for example
  • the detection module 3 here comprises by way of example a dynamic image processing sensor 5.
  • Such a dynamic image processing sensor 5 does not detect how
  • the light source module 2 emits a light beam L, on which the modulator 4 with a modulation frequency, here for example 1 kHz, a Identification information has modulated, here for example in the form of a sequence of different high intensities.
  • An optical means not shown here, for example, a lens and / or a diaphragm throws the light in the form of a pattern on the object to be measured. In this case, the patterns are varied with a carrier signal frequency, in this case for example 1 Hz.
  • the light is reflected, that is, a light signal L 'generated by the
  • Detection module 3 more specifically the dynamic image processing sensor 5, is detected.
  • the dynamic image processing sensor 5 detects at the pixel level the light signal L 'at a second detection frequency that is at least as high as the modulation frequency.
  • the modulation frequency and the second detection frequency are the same. Consequently, the dynamic image processing sensor 5 detects the identification information, that is, the characteristic sequence of the different intensities.
  • the detection module 3 With a first detection frequency, which preferably corresponds to the carrier signal frequency, the detection module 3 detects the projected and reflected pattern. Using triangulation or photogrammetric methods, the distance to the object can now be determined on the one hand in fundamentally known manner.
  • the detection module 3, or in this case the control module 8, is configured to generate a difference signal from the detected light signal L 'of a frame, that is to say a specific pattern, and the transmitted light signal L of this pattern.
  • the control module 8 concludes that the reflected light signal L 'actually originates from the optical sensor 1, the distance measurement was therefore correct.

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Abstract

Es wird ein optischer Sensor zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung vorgeschlagen mit einem Lichtquellenmodul zur Erzeugung eines Lichtsignals, einem Detektionsmodul zur Detektion eines Lichtsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul einen Modulator zur Modulation des Lichtsignals umfasst, wobei der Modulator derart konfiguriert ist, dass das Lichtsignal nach der Modulation eine Identifikationsinformation aufweist, wobei das Detektionsmodul zur Detektion und Identifizierung einer Identifikationsinformation des detektierten Lichtsignals konfiguriert ist.

Description

Beschreibung Titel
Optischer Sensor zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung, System zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen und Verfahren zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem optischen Sensor zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner geht die vorliegende Erfindung aus von einem System zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 und einem Verfahren zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Derartige optische Sensoren sind bereits bekannt und werden beispielsweise eingesetzt, um in der Robotik eine Fahrwegüberwachung autonomer Fahrzeuge zu ermöglichen. So werden beispielsweise in Lagerhallen autonom agierende Flurförderzeuge wie Gabelstapler mit derartigen Sensoren ausgerüstet, oder im Privatbereich werden Staubsaugroboter mit derartigen Sensoren versehen, um eine sichere Navigation und Objekterkennung zu ermöglichen und/oder um Gefahrenzonen abzusichern.
Nachteilig ist dabei, dass in einem System mit mehreren derartigen autonomen Fahrzeugen sich die optischen Sensoren gegenseitig behindern können. So sind die Detektionsmodule nicht in der Lage zwischen den Lichtsignalen von unterschiedlichen Lichtquellenmodulen zu unterscheiden, und/oder die
Lichtsignale von unterschiedlichen Lichtquellenmodulen, d.h. unterschiedlichen optischen Sensoren, beeinflussen sich gegenseitig und verfälschen dadurch die Entfernung- und/oder Geschwindigkeitsmessung. Dies kann insbesondere bei einer Vielzahl von Fahrzeugen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Navigationssicherheit führen bis hin zu schweren Unfällen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung, ein System zur
Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen und ein Verfahren zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen vorzuschlagen, wobei jeder optische Sensor bzw. jedes autonome Fahrzeug mit einem solchen optischen Sensor anhand seines Lichtsignals eindeutig identifizierbar ist.
Der erfindungsgemäße optische Sensor, das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der optische Sensor einen geringen Bauraumbedarf hat, dass jeder optische Sensor anhand der
Identifikationsinformation eindeutig identifizierbar ist und diese Identifizierung auch selbst durchführen kann, so dass zur Entfernungs- und/oder
Geschwindigkeitsbestimmung auch stets nur das zugehörige Lichtsignal, bzw. das zugehörige reflektierte Lichtsignal, verwendet wird. Hierdurch ist
vorteilhafterweise eine sichere und störungsfreie Navigation und/oder eine korrekte Objekterkennung möglich. Insbesondere kann in Systemen, in denen eine Basisstation verwendet wird, diese die Fahrzeuge identifizieren und somit lokalisieren. Dies ermöglicht eine bessere Steuerung der Systeme bzw.
Fahrzeuge.
Erfindungsgemäß überträgt das Lichtsignal bzw. das reflektierte Lichtsignal also eine Information, nämlich die Identifikationsinformation, mit deren Hilfe derjenige optische Sensor, welcher das Lichtsignal erzeugt hat, insbesondere eindeutig, identifiziert werden kann. Beispielsweise umfasst die Identifikationsinformation eine dem optischen Sensor zugeordnete Seriennummer. Vorzugsweise ist die Identifikationsinformation eine digitale Information, besonders bevorzugt umfasst die Identifikationsinformation eine Abfolge von Bits, ganz besonders bevorzugt 84bit, 8bit, 16bit, 32bit oder 64bit. In vorteilhafter Weise kann durch eine Intensitätsmodulation eine Bit- Kodierung der Identifikationsinformation erreicht werden. Die Identifikationsinformation kann insbesondere eine beliebige Länge aufweisen, die beispielsweise von der Zahl der optischen Sensoren in dem System und/oder der Art der Modulation abhängt und im Wesentlichen lediglich durch die zeitliche Länge des Lichtsignals begrenzt wird. Auch andere Arten von Identifikationsinformationen bzw. Kodierungen sind vorstellbar. Vorzugsweise wird die Identifikationsinformation wiederholt dem Lichtsignal aufgeprägt. Die Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung wird dabei durch die
Identifikationsinformation nicht beeinträchtigt. Die Identifikationsinformation entspricht also anschaulich gesprochen einem digitalen Fingerabdruck, der eine Zuordnung eines Lichtsignals und/oder eines reflektierten Lichtsignals zu einem bestimmten optischen Sensor ermöglicht. Der Fachmann versteht, dass die Modulation sowohl analog als auch digital erfolgen kann. Insbesondere handelt es sich bei der Modulation um eine Amplitudenmodulation, eine
Frequenzmodulation und/oder eine Intensitätsmodulation. Besonders bevorzugt ist die Modulation jedoch eine Sequenzmodulation.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Lichtsignal ein Trägersignal aufweist, auf das ein Nutzsignal aufmoduliert ist, wobei das
Trägersignal eine Trägersignalfrequenz und das Nutzsignal eine
Modulationsfrequenz aufweist, wobei das Nutzsignal wenigstens die
Identifikationsinformation umfasst. Dies bedeutet insbesondere, dass die Modulationsfrequenz höher ist als die Trägersignalfrequenz. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Lichtquellenmodul das Lichtsignal mit einer Trägersignalfrequenz im Bereich von 1Hz bis 100Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 10Hz bis 75Hz, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30Hz bis 60Hz, aussendet. Das Trägersignal dient dabei vorzugsweise der Entfernungsund/oder Geschwindigkeitsmessung, während das Nutzsignal wenigstens teilweise der Identifizierung des optischen Sensors dient. Der Fachmann versteht, dass dies insbesondere bedeutet, dass im Falle einer digitalen Identifikationsinformation die Länge der Identifikationsinformation von der Modulationsfrequenz abhängig ist, insbesondere von dem Verhältnis von Trägersignalfrequenz zu Modulationsfrequenz. So können beispielsweise bei einer Trägersignalfrequenz von 1Hz und einer Modulationsfrequenz von 1kHz 1000 Zustände übertragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Modulationsfrequenz höher ist als eine erste Detektionsfrequenz des
Detektionsmoduls, und/oder dass die Modulationsfrequenz im Bereich zwischen 100 Hz bis 1 MHz liegt, besonders bevorzugt zwischen 1 kHz und 100kHz, ganz besonders bevorzugt beträgt die Modulationsfrequenz 2 kHz. Der Fachmann versteht, dass somit die Identifikationsinformation insbesondere einer bestimmten Modulation des Lichtsignals entspricht. Besonders bevorzugt ist die Modulationsfrequenz eines Lichtsignals im zeitlichen Verlauf veränderlich. Ganz besonders bevorzugt ist die Identifikationsinformation einzigartig, d.h.
charakteristisch, für den entsprechenden optischen Sensor.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das Lichtsignal einerseits durch die Identifikationsinformation, also eine bestimmte Modulation bzw. eine Abfolge aus Modulationen, eindeutig identifizierbar ist und andererseits die zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung nötige Detektion des Lichtsignals nicht beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der optische Sensor und insbesondere das Lichtquellenmodul, das Detektionsmodul und/oder der Modulator in einem Gehäuse angeordnet sind. Besonders bevorzugt umfasst der optische Sensor zusätzlich ein Steuermodul zur Steuerung des
Lichtquellenmoduls und/oder des Detektionsmoduls, wobei das Steuermodul ganz besonders bevorzugt ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet ist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass ein kompakter optischer Sensor bereitgestellt wird, der einfach einzubauen und zu warten ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Modulator wenigstens ein Modulationsmittel zur Modulation des Lichtsignals umfasst, besonders bevorzugt eine Blende, einen Spiegel und/oder ein Prisma. Eine derartige Modulation ist eine analoge Intensitätsmodulation und die angeführten Modulationsmittel werden auch als Pulsformer (engl, chopper) bezeichnet und stellen eine besonders einfache Art da, eine insbesondere rechteckige
Intensitätsmodulation zu erreichen. Besonders bevorzugt ist die Blende eine rotierende Sektorblende und/oder ist der Spiegel ein Winkelspiegel. Ganz besonders bevorzugt umfasst das Modulationsmittel einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, zur Erzeugung einer Bewegung der Blende, des Spiegels und/oder des Prismas.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass in einfacher Weise eine Modulation des Lichtsignals zur Erzeugung der Identifikationsinformation erfolgt, insbesondere mit bereits bekannten Mitteln.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Modulator ein elektronisches und/oder digitales Modulationsmittel umfasst. Insbesondere ist das Modulationsmittel ein logisches Modulationsmittel, d.h. die Modulation wird softwareseitig erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Modulation eine Intensitätsmodulation ist, wobei die Intensität vorzugsweise entweder 0% oder 100% einer Ausgangsintensität des Lichtsignals beträgt. Besonders bevorzugt variiert die Intensitätsmodulation zwischen drei, vier, fünf oder sechs vorbestimmten Intensitäten. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, eine einfache und einfach zu erzeugende Identifikationsinformation bereitzustellen. Eine solche
Intensitätsinformation kann in einfacher Weise beispielsweise durch eine, insbesondere mit variabler Geschwindigkeit, rotierende Blende erzeugt werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das
Lichtquellenmodul einen Laser umfasst, wobei insbesondere das Lichtsignal ein Lasersignal ist. Besonders bevorzugt ist der Laser ein Halbleiterlaser. Ganz besonders bevorzugt weist das Lasersignal eine nicht-sichtbare Wellenlänge, insbesondere im Infrarot-Bereich, auf. Noch mehr bevorzugt ist das
Lichtquellenmodul zur Erzeugung eines Lasersignals mit einer Wellenlänge im Bereich von 700nm bis lOOOnm konfiguriert, besonders bevorzugt im Bereich von 850nm bis 950nm, insbesondere im Bereich von 900nm bis 910nm.
Vorzugsweise umfasst das Lichtquellenmodul eine Strahlformungsoptik, insbesondere wenigstens eine Linse.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass ein Lichtsignal erzeugt wird, welches stark fokussiert und sehr kohärent ist. Mit einem
Lasersignal, d.h. insbesondere mit einem Laserstrahl, sind präzise und schnelle Messungen möglich. Insbesondere Laufzeitmessungen, wie sie zur Entfernungs- bzw. Abstandsmessung und/oder Geschwindigkeitsmessung verwendet werden, sind auf Grund der optischen Eigenschaften eines Lasers mit einem solchen besonders präzise durchführbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das
Detektionsmodul einen dynamischen Bildverarbeitungssensor umfasst.
Besonders bevorzugt umfasst der dynamische Bildverarbeitungssensor eine Vielzahl von Bildpunkten, sogenannte Pixel, wobei der dynamische
Bildverarbeitungssensor derart konfiguriert ist, dass jeder Bildpunkt Änderungen detektiert. Ganz besonders bevorzugt erfassen die Bildpunkte Änderungen im Mikrosekundenbereich. Ein solcher dynamischer Bildverarbeitungssensor ist beispielsweise von der Firma iniLabs als Dynamic Vision Sensor (DVS) erhältlich. Der Fachmann versteht, dass im Unterschied zu konventionellen Kameras bzw. Bildsensoren nicht eine Abfolge von Momentaufnahmen aller Bildpunkte, sogenannte Frames, erstellt wird, sondern diejenigen Bildpunkte erfasst werden, bei denen Änderungen detektiert werden. Damit ähnelt die
Arbeitsweise eines dynamischen Bildverarbeitungssensors derjenigen des menschlichen Auges bzw. der Retina. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Detektionsmodul eine erste Detektionsfrequenz aufweist, wobei noch mehr bevorzugt der dynamische Bildverarbeitungssensor eine zweite
Detektionsfrequenz aufweist. Vorzugsweise liegt die erste Detektionsfrequenz im
Bereich von 1Hz bis 100Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 10Hz bis 75Hz, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30Hz bis 60Hz, und ist insbesondere wenigstens so hoch wie die Trägersignalfrequenz. Vorzugsweise liegt die zweite Detektionsfrequenz im Bereich von 100Hz bis 1MHz, besonders bevorzugt zwischen 1kHz und 100kHz, ganz besonders bevorzugt beträgt die zweite Detektionsfrequenz 2kHz, und ist insbesondere wenigstens so hoch wie die Modulationsfrequenz. Dies ist insbesondere derart zu verstehen, dass der dynamische Bildverarbeitungssensor einzelne Messwerte mit der zweiten Detektionsfrequenz erfasst und daher die Modulation des Lichtsignals erfassen und vorzugsweise demodulieren kann, und diese Messwerte in einem
Zeitintervall entsprechend der ersten Detektionsfrequenz zu einem Frame zusammenfasst bzw. diesem Frame zuordnet. Beispielsweise weist das
Detektionsmodul eine erste Detektionsfrequenz von 1Hz auf und der dynamische Bildverarbeitungssensor weist eine zweite Detektionsfrequenz von 1kHz auf, wobei die erste Detektionsfrequenz der Trägersignalfrequenz entspricht und die zweite Detektionsfrequenz der Modulationsfrequenz. In diesem Fall erfasst der dynamische Bildverarbeitungssensor innerhalb eines Frames, hier also einer Sekunde die Identifikationsinformation des optischen Sensors, und zugleich kann anhand der Frames eine Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung durchgeführt werden.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das Detektionsmodul sehr schnell und mit geringem Datenaufkommen arbeitet. Ein dynamischer Bildverarbeitungssensor benötigt daher geringere Mengen an Datenspeicher und arbeitet zeitlich hochauflösend. Zudem ist es mit einem dynamischen
Bildverarbeitungssensor vorteilhaft möglich, bewegliche Objekte schneller zu detektieren, da auf Grund der Arbeitsweise eines dynamischen
Bildverarbeitungssensors diejenigen Bildpunkte, bei denen im Zeitverlauf Änderungen festgestellt werden, gesondert detektiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der optische Sensor ein Lidar-Sensor ist, insbesondere ein Ladar-Sensor. Besonders bevorzugt ist der Lidar-Sensor ein Laufzeitmessungs- Lidar-Sensor. Ein solcher Laufzeitmessungs- Lidar-Sensor (engl,„time-of-flight-lidar", kurz TOF-Iidar; wobei
Lidar die Abkürzung ist für engl.„Light detection and ranging") basiert auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Licht. Ein Lichtsignal, im Falle eines Ladar- Sensors (Abkürzung für engl.„Laser detection and ranging") ein Lasersignal, wird durch das Lichtquellenmodul erzeugt und ausgesendet. Das Lichtsignal wird an einem Objekt reflektiert und von dem Detektormodul detektiert. Aus der Laufzeit des Lichtsignals, die beispielsweise inteferometrisch bestimmt wird, kann nun die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden, sowie bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Messungen auch die Geschwindigkeit des Objekts.
Laufzeitmessungs-Lidar-Sensoren werden bereits beispielsweise bei der Geschwindigkeitsmessung von Fahrzeugen im Straßenverkehr verwendet.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass ein bekannter und in der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung bewährter optischer Sensor eingesetzt wird, der zudem schnelle und präzise Messungen ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der optische Sensor ein Strukturiertes-Licht-Sensor ist, insbesondere ein
Streifenprojektionssensor. Derartige Strukturiertes-Licht-Sensoren (engl.
„Structured Light sensor" ) basieren auf Triangulationsverfahren. Beispielsweise bei einer Streifenprojektion projiziert ein Projektor, hier das Lichtquellenmodul, in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Muster von dunklen und hellen Streifen, vorzugsweise mit unterschiedlicher Breite, auf das zu vermessende Objekt. Dazu umfasst der optische Sensor vorzugsweise ein optisches Mittel zur Erzeugung eines optischen Musters, im Falle der Streifenprojektion zur Erzeugung von Streifen. Derartige optische Mittel umfassen vorzugsweise wenigstens eine Linse und/oder eine Blende. Ein Detektor, hier das Detektionsmodul, welcher in einem definierten Abstand zu dem Projektor angeordnet ist, detektiert die
Streifenmuster. Auf Grund des bekannten Abstandes und damit des Blickwinkels zwischen Projektor und Detektor der Abstand zu jedem Punkt des vermessenen Objekts ermittelt werden, d.h. ein Strukturiertes-Licht-Sensor basiert
grundsätzlich auf Triangulationsverfahren. Der Fachmann versteht, dass außer den oben beschriebenen Streifen auch andere Muster verwendet werden können. Das Streifenprojektionsverfahren ist somit ein Spezialfall des
Strukturierten-Licht-Verfahrens. Allgemein wird also bei Strukturierten- Licht- Verfahren Licht in Form von zeitlich aufeinanderfolgenden, vorbestimmten Mustern auf ein Objekt geworfen, wobei das von dem Objekt reflektierte Licht gemessen wird. In jedem Frame wird also ein bestimmtes Muster auf das Objekt projiziert. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass ein Strukturiertes- Licht- Verfahren zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung sowie zur Objekterfassung verwendet wird, ohne dass mehrere optische Sensoren sich gegenseitig beeinträchtigen. Die einzelnen Frames, also Muster, werden entsprechend mit der Trägersignalfrequenz erzeugt. Daher muss die erste Detektionsfrequenz auch mindestens so hoch sein wie die Trägersignalfrequenz, um mindestens jeden Frame erfassen zu können zwecks einer genauen
Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionsmodul einen Demodulator zum Demodulieren eines Lichtsignales aufweist.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Identifikationsinformation bereits durch das Detektionsmodul erkannt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der optische Sensor ein Steuermodul zur Steuerung des optischen Sensors umfasst. Besonders bevorzugt ist das Steuermodul dazu eingerichtet, ein Differenzsignal aus dem durch das Lichtquellenmodul erzeugten Lichtsignal und dem durch das Detektionsmodul erfassten Lichtsignal zu ermitteln, wobei das Differenzsignal insbesondere eine Differenz der Identifikationsinformationen ist. Vorzugsweise bezieht sich das Differenzsignal also auf den Zeitraum eines Frames.
Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, zu bestimmen, ob ein detektiertes Lichtsignal dem optischen Sensor zugeordnet ist. Denn im Falle einer
Übereinstimmung, also einer identischen Identifikationsinformation, ist das Differenzsignal 0. Vorzugsweise ist das Steuermodul dabei zur Kompensation von Reflexionsverlusten und Absorptionsverlusten eingerichtet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung - insbesondere des
erfindungsgemäßen Systems - ist vorgesehen, dass das System wenigstens eine, insbesondere unbewegliche, Basisstation umfasst, wobei die Basisstation wenigstens ein Detektionsmodul zur Detektion eines Lichtsignals aufweist, wobei das Detektionsmodul zur Unterscheidung von Lichtsignalen anhand von Identifikationsinformationen und insbesondere zur Identifizierung eines
Fahrzeugs anhand einer Identifikationsinformation des zugehörigen Lichtsignals konfiguriert ist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine Basisstation verschiedene autonome Fahrzeuge unterscheiden kann und somit der Betrieb des Systems effizienter gestaltet werden kann. Auch wird vorteilhafterweise die Lokalisierung eines Fahrzeugs in dem System ermöglicht. Beispielsweise im Falle von Logistiksystemen ist dies wünschenswert, da somit Fahrwege effizienter geplant werden können und eine Überwachung ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen
Figur 1 eine Prinzipskizze eines optischen Sensors gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine weitere Prinzipskizze eines optischen Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht,
Figur 4 zwei Identifikationsinformationen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung,
Figur 5 einen optischer Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung und
Figur 6 einen optischen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Prinzipskizze.
Ausführungsformen der Erfindung In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In Figur 1 ist eine Prinzipskizze eines optischen Sensors 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der optische Sensor 1 ist hier ein Strukturiertes- Licht-Sensor, zum Beispiel ein
Streifenprojektionssensor. Er umfasst ein Lichtquellenmodul 2, welches zur Erzeugung eines Lichtsignals L konfiguriert ist. Bei der Streifenprojektion wird dabei das zu vermessende Objekt mit einer Abfolge von, insbesondere unterschiedlich breiten, Streifen beleuchtet, die abwechselnd hell und dunkel sind. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird ein vollständiger Satz von Streifen auf das Objekt projiziert. Zu einem darauf folgenden Zeitpunkt wird ein
unterschiedlicher Satz von Streifen auf das Objekt projiziert. Ein beispielhaftes Lichtsignal L, hier ein Lichtstrahl L, wird dabei an dem Objekt reflektiert, woraus der reflektierte Lichtstrahl L', entsprechend einem Lichtsignal L', entsteht.
Ein in einem festen Abstand und einem festen Blickwinkel zu dem
Lichtquellenmodul 2 angeordnetes Detektionsmodul 3 umfasst einen Detektor welcher eine Vielzahl von Bildpunkten aufweist. Dieser Detektor detektiert nun den reflektierten Lichtstrahl L' in einem bestimmten Bildpunkt. Analog werden auch weitere aus Lichtstrahlen des Lichtquellenmoduls 2 hervorgegangene reflektierte Lichtstrahlen von dem Detektor erfasst, wodurch der Detektor ein Abbild des Objektes erhält. Hierdurch ist einerseits eine Objekterkennung, aber auch eine Entfernungsmessung zu dem Objekt möglich.
Sind nun mehrere derartige optische Sensoren 1, 1' vorhanden, kann es zu Interferenzen zwischen den jeweiligen Lichtstrahlen der Sensoren 1, 1' kommen und eine genaue Objektvermessung bzw. Entfernungsmessung beeinträchtigt oder gar verhindert werden. Daher umfasst das Lichtquellenmodul 2 ferner einen
- hier nicht dargestellten - Modulator 4, der das Lichtsignal L derart moduliert, dass es eine Identifikationsinformation aufweist. Diese Identifikationsinformation kann von dem Detektionsmodul 3 erkannt werden und ermöglicht somit eine Unterscheidung zwischen Lichtstrahlen der unterschiedlichen optischen
Sensoren 1, 1'. Bezüglich der eigentlichen Entfernungsmessung unterscheidet sich der erfindungsgemäße optische Sensor 1, 1' also nicht grundlegend von bereits bekannten Strukturiertes-Licht-Sensoren, da die Entfernungsmessung in derselben Weise funktioniert. Die erfindungsgemäße Idee besteht also insbesondere in der Bereitstellung einer zusätzlichen Informationsebene.
In Figur 2 ist eine weitere Prinzipskizze eines optischen Sensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier misst der optische Sensor 1 beispielsweise in einer speziellen Ausführungsform des
Streifenprojektionssensors aus Figur 1 anhand eines Lichtschnittverfahrens. Dazu ist erneut das Detektormodul 3 in einem wohldefinierten Abstand zu dem Lichtquellenmodul 2 angeordnet. Das Lichtquellenmodul 2 erzeugt einen eine Identifikationsinformation aufweisenden Lichtstrahl L, der hier entlang einer Linie auf dem Objekt geführt wird, beispielsweise durch eine Strahlablenkungseinheit des Lichtquellenmoduls 2 wie ein verstellbarer Mikrospiegel, oder bereits durch entsprechende optische Mittel in Form einer Linie auf das Objekt projiziert wird.
Das Detektionsmodul 3 erfasst nun den durch Reflektion aus dem Lichtstrahl L hervorgegangenen reflektierten Lichtstrahl L' und auf Grund der bekannten
Anordnung zwischen dem Detektionsmodul 3 und dem Lichtquellenmodul 2, insbesondere den eingeschlossenen Winkeln, kann trigonometrisch der Abstand zu dem Objekt bestimmt werden. In Figur 3 ist ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einer schematischen Ansicht dargestellt. Das System umfasst hier ein erstes Fahrzeug 6 und ein zweites Fahrzeug 7. Beide Fahrzeuge 6, 7 sind vorliegend als Roboterstaubsauger ausgeführt. Das System kann aber auch zusätzlich oder alternativ andere autonome Fahrzeuge umfassen. Beispielhaft seien hier Produktionsroboter, automatisierte Flurförderzeuge und/oder selbstfahrende Kraftfahrzeuge genannt. Das erste Fahrzeug 6 weist einen ersten optischen Sensor 1 auf und das zweite Fahrzeug 7 weist einen zweiten optischen Sensor 1' auf. Jeder der optischen Sensoren 1, 1' umfasst ein Lichtquellenmodul 2, 2' mit einem Modulator 4 sowie ein Detektionsmodul 3, 3'. Der erste optische Sensor 1 sendet ein Lichtsignal L mit einer Identifikationsinformation, die eine Zuordnung zu dem optischen Sensor 1 ermöglicht, aus und der zweite optische Sensor 1' sendet ein Lichtsignal L" mit einer ihm eigenen
Identifikationsinformation aus. Die Detektionsmodule 3, 3' detektieren einkommende Lichtsignale L, L', L". Im
Fall des ersten optischen Sensors 1 kann dies sowohl ein aus dem Lichtsignal L durch Reflektion an einem Objekt hervorgegangenes Lichtsignal L', als auch das (primäre) Lichtsignal L" des zweiten optischen Sensors 1' sein. Um ein Objekt zuverlässig zu erkennen, insbesondere seine Entfernung zu dem optischen Sensor 1 und/oder seine Geschwindigkeit im Falle eines bewegten Objekts zu bestimmen, muss der erste optische Sensor 1 zwischen einem reflektierten Lichtsignal L' und einem (primären) Lichtsignal L" des zweiten optischen Sensors 1' unterscheiden können. Dies ist möglich anhand der Identifikationsinformation der Lichtsignale L, L', L".
Vorliegend sind die Identifikationsinformationen dabei als
Intensitätsmodulationen mit einer Modulationsfrequenz, die deutlich höher ist als die Detektionsfrequenz der Detektionsmodule 3, 3' ausgeführt. Beispielsweise sind die Lichtsignale L, L', L" mit einer Modulationsfrequenz von ca. 2kHz moduliert, während die Detektionsmodule 3, 3' die Lichtsignale L, L', L" mit einer
Detektionsfrequenz von ca. 50Hz erfassen.
Die Detektionsmodule 3, 3' sind dazu eingerichtet, diese Modulationen ebenfalls zu erfassen und somit die Lichtsignale L, L', L" anhand der
Identifikationsinformationen dem zugehörigen optischen Sensor 1, 1'
zuzuordnen, oder zumindest das eigene Lichtsignal L und das daraus durch Reflektion hervorgegangene Lichtsignal L' von anderen Lichtsignalen L" zu unterscheiden. Somit kann eine fehlerfreie Entfernungs- und/oder
Geschwindigkeitsmessung durchgeführt werden.
Ist in dem System zusätzlich eine Basisstation vorgesehen, kann diese vorzugsweise die Lichtsignale L, L', L" anhand der Identifikationsinformationen den optischen Sensoren 1, 1' zuordnen. Hierdurch weiß sie, welches Fahrzeug 6, 7 sich gerade in der Nähe aufhält. In Figur 4 sind zwei Identifikationsinformationen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung dargestellt. Dabei entsprechen die zugehörigen Lichtsignale L, L" beispielsweise den im
Zusammenhang mit Figur 3 erläuterten Lichtsignalen L, L'. Dargestellt sind hier insbesondere die Intensitäten der Lichtsignale L, L" im Zeitverlauf. Diesen werden durch die Modulatoren 4 mittels Intensitätsmodulation, hier
beispielsweise mit einer mit variabler Geschwindigkeit rotierenden Sektorblende, Identifikationsinformationen aufgeprägt. Es ist ersichtlich, dass die
Intensitätsmodulation des oberen Lichtsignals L sich von der Modulation des unteren Lichtsignals L" im Zeitverlauf unterscheidet. Je nach Vielzahl an optischen Sensoren 1, 1' im System kann eine mehr oder minder komplexe Modulation als Identifikationsinformation gewählt werden.
Ein Detektionsmodul 3, 3' kann diese Identifikationsinformationen detektieren und vorzugsweise dekodieren, so dass es eine Zuordnung eines Lichtstrahls L,
L', L" zu einem optischen Sensor 1, 1' vornehmen kann. Zumindest aber kann das Detektionsmodul 3, 3' ein von dem Lichtquellenmodul 2, 2', welches dem gleichen optischen Sensor zugeordnet ist, stammendes Lichtsignal L, L', L" identifizieren.
In Figur 5 ist ein optischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung dargestellt. Der optische Sensor 1 umfasst ein Steuermodul 8, welches den Betrieb des optischen Sensors 1 steuert und beispielsweise die erfassten Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsinformationen an eine Kontrolleinheit eines Fahrzeugs
6 weiterleitet, um die Daten für eine Objekterkennung und/oder Navigation einzusetzen.
Verbunden mit dem Steuermodul 8 sind einerseits ein Lichtquellenmodul 2, welches hier einen Laser umfasst, der zur Erzeugung eines Lasersignals L konfiguriert ist. Das Lichtquellenmodul umfasst weiterhin einen Modulator 4, welcher das Lasersignal L derart moduliert, dass es eine
Identifikationsinformation aufweist, die, vorzugsweise eindeutig, auf den optischen Sensor 1 hinweist. Zudem ist das Steuermodul 8 mit einem
Detektionsmodul 5 verbunden, welches zur Detektion eines Lichtsignals L', L" konfiguriert ist. Das Detektionsmodul umfasst hier beispielsweise einen dynamischen Bildverarbeitungssensor 5.
Bei dem optischen Sensor 1 handelt es sich beispielsweise um einen
Laufzeitmessungs-Ladar-Sensor (Ladar ist dabei eine Abkürzung für engl.„Laser Detection and Ranging", also laserunterstützte Entfernungsmessung). Im Betrieb sendet der optische Sensor 1 ein Lasersignal L aus, welches an einem Objekt reflektiert wird. Das daraus entstandene reflektierte Lasersignal L' wird von dem Detektionsmodul 3 erfasst und die Laufzeit des Lasersignals L, L' bestimmt. Daraus lässt sich die Entfernung zu dem Objekt ermitteln. Alternativ könnte es sich allerdings bei dem optischen Sensor 1 auch um einen Strukturiertes- Licht- Sensor handeln entsprechend einer der im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen.
In Figur 6 ist ein optischer Sensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Prinzipskizze dargestellt. Im Wesentlichen ähnelt der hier dargestellte optische Sensor 1 dabei den im
Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen optischen Sensoren 1, weswegen auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist der optische Sensor 1 als Strukturiertes-Licht-Sensor vorgesehen.
Der optische Sensor 1 umfasst ein Steuermodul 8 und damit verbunden ein Lichtquellenmodul 2 mit einem Modulator 4, der hier beispielsweise
softwareseitig vorgesehen ist, und ein Detektionsmodul 3. Das Detektionsmodul 3 umfasst hier beispielhaft einen dynamischen Bildverarbeitungssensor 5.
Ein solcher dynamischer Bildverarbeitungssensor 5 erfasst nicht wie
konventionelle Kamerasensoren zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Gesamtbild mit einer Vielzahl von Bildpunkten, ein sogenanntes Frame, sondern es werden nur diejenigen Bildpunkte registriert, die eine Veränderung zu einem
vorhergehenden Zeitpunkt erfassen. Hierdurch wird die Speichermenge deutlich verringert und zudem prinzipbedingt eine Bewegungserkennung vereinfacht.
Das Lichtquellenmodul 2 sendet einen Lichtstrahl L aus, auf den der Modulator 4 mit einer Modulationsfrequenz, hier zum Beispiel 1kHz, eine Identifikationsinformation aufmoduliert hat, hier beispielhaft in Form einer Sequenz von verschieden hohen Intensitäten. Ein hier nicht weiter dargestelltes optisches Mittel, beispielsweise eine Linse und/oder eine Blende wirft das Licht in Form eines Musters auf das zu vermessende Objekt. Dabei werden die Muster mit einer Trägersignalfrequenz, hier beispielsweise 1 Hz, variiert. An dem Objekt wird das Licht reflektiert, also ein Lichtsignal L' erzeugt, das von dem
Detektionsmodul 3, genauer dem dynamischen Bildverarbeitungssensor 5, detektiert wird.
Der dynamische Bildverarbeitungssensor 5 detektiert auf Pixelebene dabei das Lichtsignal L' mit einer zweiten Detektionsfrequenz, die mindestens so hoch ist wie die Modulationsfrequenz. Vorzugsweise sind die Modulationsfrequenz und die zweite Detektionsfrequenz gleich. Der dynamische Bildverarbeitungssensor 5 erfasst folglich die Identifikationsinformation, also hier die charakteristische Abfolge der unterschiedlichen Intensitäten.
Mit einer ersten Detektionsfrequenz, die vorzugsweise der Trägersignalfrequenz entspricht, erfasst das Detektionsmodul 3 dabei das projizierte und reflektierte Muster. Mit Triangulations- bzw. Photogrammetrieverfahren kann nun einerseits in grundsätzlich bekannter Weise die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden.
Andererseits ist das Detektionsmodul 3, oder hier das Steuermodul 8 dazu eingerichtet, aus dem detektierten Lichtsignal L' eines Frames, also eines bestimmten Musters, und dem gesendeten Lichtsignal L diesen Musters ein Differenzsignal zu erzeugen.
Da hier die Identifikationsinformation gleich ist und vorliegend die Reflexionsund/oder Absorptionsverluste vernachlässigbar sind, ist das Differenzsignal 0. Daraus schließt das Steuermodul 8, dass das reflektierte Lichtsignal L' tatsächlich von dem optischen Sensor 1 stammt, die Entfernungsmessung also korrekt war.

Claims

Ansprüche
1. Optischer Sensor (1) zur Entfernungs- und/oder
Geschwindigkeitsmessung mit einem Lichtquellenmodul (2) zur
Erzeugung eines Lichtsignals (L), einem Detektionsmodul (3) zur Detektion eines Lichtsignals (L'), dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul (2) einen Modulator (4) zur Modulation des Lichtsignals (L) umfasst, wobei der Modulator (4) derart konfiguriert ist, dass das Lichtsignal (L) nach der Modulation eine Identifikationsinformation aufweist, wobei das Detektionsmodul (3) zur Detektion und Identifizierung einer Identifikationsinformation des detektierten Lichtsignals (L') konfiguriert ist.
2. Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenmodul (2) einen Laser umfasst, wobei insbesondere das Lichtsignal (L) ein Lasersignal ist.
3. Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul (3) einen
dynamischen Bildverarbeitungssensor (5) umfasst.
4. Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (4) derart konfiguriert ist, dass das Lichtsignal (L) eine Modulationsfrequenz aufweist, die im Bereich zwischen 100 Hz bis 1 MHz liegt, besonders bevorzugt zwischen 1 kHz und 100 kHz, ganz besonders bevorzugt beträgt die
Modulationsfrequenz 2 kHz.
5. Optischer Sensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul (3) eine erste Detektionsfrequenz aufweist, wobei der dynamische Bildverarbeitungssensor (5) eine zweite
Detektionsfrequenz aufweist, wobei die erste Detektionsfrequenz vorzugsweise im Bereich von 1Hz bis 100Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 10Hz bis 75Hz, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30Hz bis 60Hz liegt, und/oder wobei die zweite Detektionsfrequenz vorzugsweise im Bereich von 100Hz bis IM Hz, besonders bevorzugt zwischen 1kHz und 100kHz liegt, wobei insbesondere die zweite
Detektionsfrequenz wenigstens so hoch ist wie die Modulationsfrequenz.
6. Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation eine Frequenzmodulation, eine Amplitudenmodulation und/oder eine Intensitätsmodulation ist.
7. Optischer Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (1) ein Lidar-Sensor, insbesondere ein Ladar-Sensor ist, und/oder dass der optische Sensor (1) ein Strukturiertes- Licht-Sensor ist.
8. System zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen, mit
wenigstens einem ersten Fahrzeug (6) mit einem ersten optischen Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul (3) des ersten optischen Sensors (1) zur Unterscheidung eines durch Reflexion aus dem Lichtsignal (L) des ersten optischen Sensors (1) hervorgegangenen Lichtsignal (L') von einem weiteren Lichtsignal (L") eines weiteren optischen Sensors ( ) anhand der Identifikationsinformation konfiguriert ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System wenigstens eine, insbesondere unbewegliche, Basisstation umfasst, wobei die Basisstation wenigstens ein Detektionsmodul (3') zur Detektion eines Lichtsignals (L, L', L") aufweist, wobei das Detektionsmodul (3') zur Unterscheidung von Lichtsignalen anhand von
Identifikationsinformationen und insbesondere zur Identifizierung eines Fahrzeugs anhand einer Identifikationsinformation des zugehörigen Lichtsignals konfiguriert ist.
10. Verfahren zur Mobilitätsüberwachung von autonomen Fahrzeugen in einem System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der erste optische Sensor (1) ein Lichtsignal (L) mit einer Identifikationsinformation sendet, wobei das Detektionsmodul (3, 3') des ersten optischen Sensors (1) und/oder der Basisstation ein Lichtsignal (L, L', L") detektiert und den zugehörigen optischen Sensor (1, 1') anhand der
Identifikationsinformation des Lichtsignals (L, L', L") identifiziert.
PCT/EP2017/074087 2016-09-30 2017-09-22 Optischer sensor zur entfernungs- und/oder geschwindigkeitsmessung, system zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen und verfahren zur mobilitätsüberwachung von autonomen fahrzeugen WO2018060100A1 (de)

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