DE10114362A1 - Hybrides Laserscanner-System für Entfernungsmessung - Google Patents

Abstract

Das hybride Laserscanner-System für Entfernungsmessung besteht aus einem rotierenden Teil, das als Lichtimpulssender einen ein- oder mehrkanaligen Lasersender inclusive Optik und einen Umlenkspiegel mit mitrotierender Blende für den Empfangsteil enthält. Der Empfangsteil mit Filter, Teiloptik und Empfangselement ist stehend über der Achse des rotierenden Teils angebracht.

Description

Stand der Technik

Zum Abscannen der Umgebung, zum Zweck der Entfernungsmessung sind eine Reihe von Scann-Systemen bekannt.

• - Systeme die eine direkte oder nahezu koaxiale Optik aufweisen und mit Hilfe eines einzigen z. B. 45° schräg zur Drehachse gestellten Spiegel sowohl Lasersender, als auch Empfänger auf die Umgebung abbilden. Diese Systeme haben den Nachteil, dass Umwelteinflüsse im Nahbereich wie Nebel, Gischt oder Verschmutzung der Schutzscheibe die Funktionalität stark einschränken.
• - Systeme bei denen die gesamte Sende- und Empfangseinheit rotiert bauen groß und erlauben nur eingeschränkte Drehzahlen und geringe Abstände zwischen den optischen Achsen der Sender und Empfänger.
• - Spiegelabgelenkte Systeme bei denen die Sende-Empfangsoptik steht, be­ nötigen große Spiegel und erlauben keine 360° Ablenkung.

Beschreibung der Erfindung

Vorliegende Erfindung weist die Nachteile der bekannten Systeme nicht auf und soll im Folgenden anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben werden.

Entsprechend Fig. 1 besteht das System aus einem vorwiegend um 360° durch­ gehend rotierenden Teil 101. Das Teil 101 kann auch so angetrieben werden, dass es nur einen definierten Winkelbereich um seine Achse schwingt. Die Sendeanord­ nung besteht aus einem ein- oder mehrkanaligem Lasersender 102. Der vorwiegend als mehrkanaliger Emitter ausgebildete Laser-Sender 102 wird über die Optik 103 abgebildet und erzeugt z. B. bei einem 16-Kanalsystem 16 Lichtpunkte mittels jeweils kurzen Lichtimpulse von ca. 5-20 ns für eine Entfernungsmessung. Diese Lichtpunkte dienen zur nahezu gleichzeitigen Entfernungsmessung bei einer Azimut­ winkelstellung. Der gesamte gewünschte Elevationswinkel wird durch die z. B. 16 Lichtimpulssender erfasst.

Zur Energieübertragung für den Sender 102 ist z. B. eine induktive Energieüber­ tragung aus zwei Schalenkernen 109 und 110 vorgesehen. Dabei rotiert das Teil 109 mit, während das Teil 110 mit dem unteren Aufbau 113 fest verbunden ist. Zur Informationsübertragung dient jeweils ein Sendeempfänger 111 und 112, wobei die optische Strecke durch eine Bohrung im Schalenkern und in der Achse des Systems gewährleistet ist. Die Strecke kann eine Luftstrecke oder eine Strecke mit übereinan­ der angeordneten Lichtleitern sein.

Der Empfangsteil im rotierenden System 101 besteht aus dem Spiegel 104 der die vom Laser beleuchteten Flächen durch Umlenkung auf die Empfangsoptik 105 abbil­ det und durch seine Gestaltung z. B. eine zylindrische Aufweitung des Eingangslicht­ bündels erwirkt. Um nur die Nutzlichtleistung im Bereich der durch die Laserpulslicht­ quellen beleuchteten Flächen auf die im stehenden Teil 104 angebrachte Empfangs­ diode 108 einwirken zu lassen wird eine Schlitzblende 106 im rotierenden System 101 mitgeführt. Damit wird die übrige Fläche der Empfangsdiode gegenüber dem Umweltlicht abgeschattet und um die sehr kleine freie Fläche des Schlitzes 115 für die Detektion freigegeben. Hiermit wird eine wesentliche Verbesserung des Signal- Rauschabstandes des Gesamtsystems erreicht. Im stehenden Teil 114 ist das Interferenzfilter zur weiteren Verminderung der Strahlungsanteile durch Umgebungsbe­ leuchtung untergebracht. Die Empfangsdiode als PIN-Diode oder Avalanchediode ausgeführt, ist im stehenden Teil mit dem zugehörigen Vorverstärker und der gesam­ ten übrigen Signalverarbeitung untergebracht. Die Empfangsdiode hat als empfind­ liche Fläche einen Durchmesser, der der Länge der Öffnung 115 der Schlitzblende entspricht.

Der Antrieb kann entsprechend Fig. 1a oder 1b gestaltet sein. In Fig. 1a sind die beiden Schalenkernhälften 109 und 110 mit ihren jeweiligen Wicklungen 109a und 110a im Schnitt gezeigt. Der Antrieb erfolgt über einen Ringmagnet 115 im rotieren­ den Teil 101, der z. B. in 6 Segmenten alternierend in S und N magnetisiert ist. Der Antrieb erfolgt über eine Flachspulenanordnung die auf einer Platine 116 unterge­ bracht ist. Die Ausführung kann in Weiterführung der Erfindung auch entsprechend Fig. 1b gestaltet sein. Hier besteht der Antrieb aus dem Ringmagnet 115 und der Flachspulenanordnung 116 die zusammen mit einem weiteren Ringmagnet 117 im stehenden Teil 113 untergebracht sind. Im rotierenden Teil 101 ist der Antriebs­ magnet 115 und der Flachspulensatz 118 untergebracht. Bei Rotation wirkt die Kombination Ringmagnet 117 und Flachspulensatz 118 als Generator und versorgt die rotierende Einheit 101 nur dann mit Energie, wenn die richtige Drehzahl erreicht wird. Dies kann zur Sicherung der Augensicherheit dadurch vorteilhaft benützt werden, dass mit sinkender Drehzahl auch die für die Laser zur Verfügung stehende Energie abnimmt. Bei Fig. 1b sind die benutzten Ringmagnete und Flachspulensätze für Antrieb und Generator z. B. wie in Fig. 1a beschrieben gestaltet.

Das Blockschaltbild des Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Im rotierendem System entsprechen die optischen Komponenten und Übertragungselemente denen der Fig. 1. Die Energieversorgung aus dem Schalenkern 109 wird in die entsprechende Spannungen zur Versorgung des Mehrfachlasers 102, den Leistungsstufen 209 und dem optischen Interface 111 umgesetzt. Ein Winkelsensor 202 stellt die absolute Winkelposition fest und übergibt diese Information dem Auswerteprozessor 206. Der Winkelsensor 202 besteht z. B. aus einer Fotodetektorzeile 2021, auf die ein Code 2026 der auf einem Ring 2025 des rotierenden Systems aufgebracht ist abge­ bildet wird. Der Code 2026 bestehend aus schwarzen und weißen Streifen unter­ schiedlicher Breite und wird über eine LED 2023 und eine Kondensorlinse 2024 beleuchtet. Die Winkelbestimmung geschieht durch Auslesen der Fotodetektorzeile und Auswerten der Codeinformation. Der Mehrfachlaser 102 wird über die Optik 103 auf die Umgebung abgebildet. Zur Unterscheidung der verschiedenen Laser und damit der zugehörigen Elevationswinkel werden die Laser über die Leistungsstufen 209 sequentiell angesteuert. Die von Objekten rückgestreuten Lichtimpulse gelangen über den Spiegel 104, die Empfangsoptik 105, die mitrotierende Blende 106 und das Filter 107 auf die Empfangsdiode 108. Die Signale werden nach Aufbereitung über einen Vorverstärker 203 einem Analog/Digitalwandler 204 zugeführt, der über die Steuerung des Lasers und die Interfaceelektronik 112 synchronisiert wird. Die Infor­ mationsübertragung zwischen der Interfaceelektronik 112 und dem optischen Inter­ face 111 wird über die optischen Sendeempfänger 209 und 210 über den z. B. nicht mitrotierenden Lichtleiter 208 bewerkstelligt. Zur Entfernungsauswertung wird in dem Digitalen Signalprozessor 205 die Zeit zwischen Aussenden der jeweils kurzen Licht­ impulse und dem Wiedereintreffen der reflektierten Signale ausgewertet. Diese Aus­ wertung erfolgt z. B. nach einem in der DE 41 27 168 C2 oder DE 197 17 399 ge­ zeigtem Verfahren.

Die Entfernungs- und Winkelinformationen werden schließlich im Prozessor 206 ausgewertet und zu Objekten zusammengefasst. Diese Informationen gehen über eine geeignete Busstruktur 207 (CAN oder MOST) ins Gesamtsystem z. B. zur Längs- und Querregelung eines Fahrzeugs oder zur zusätzlichen Höhenregelung eines Flugzeugs.

Wird das System für ein Straßenfahrzeug verwendet, so kann die Zeit der Abtastung für 180° bzw. 360° Zeit von 20 ms dann zu lange sein, wenn man das System auch für eine Precrashinformation zur Auslösung von Rückhaltemaßnahmen nutzen will. Hierfür werden die in Fig. 1 gezeigten Elemente entsprechend Fig. 3 durch z. B. in einem horizontalen Winkel von jeweils 90° angeordnete zusätzliche Lasersender 305a, 305b, 305c und 305d auf eine Scheibe 304 die über die Optiken 306a, 306b, 306c und 306d auf die Umgebung abgebildet werden ergänzt.

Auf der Empfängerseite wird die Schlitzblende 106 um die Empfangsoptiken 301a, 301b, 301c und 301d ergänzt, die ihrerseits die ankommenden Lichtimpulse auf die Spiegel-Schlitzblendenkombination 303a, 303b, 303c und 303d abbilden. Die Schlitz­ blende enthält als Spiegel 303 einfache Ausstanzungen die zugleich als Spiegel und als örtlich zugeordnete Schlitzblenden dienen. Damit werden die von dem Laser 306a, 306b, 306c und 306d erzeugten Lichtimpulse an Objekten zurückgestreut und gelangen über die in 302 gezeigte Anordnung auf die Empfangsdiode 108 zur Aus­ wertung.

Durch die Wahl des Winkels zwischen diesen zusätzlichen Elementen und deren Zahl kann die Gesamtzeit von z. B. 20 ms durch je 4 Elemente auf 5 ms für eine Um­ drehung herabgesetzt werden. Somit kann die gleiche Empfangsdiode 108 sowohl für den Fernbereich mit z. B. 20 ms Abtastung als auch für den Precrash-Bereich mit z. B. 5 ms Abtastung pro Umdrehung genutzt werden.

Die Auswertung erfolgt entsprechend Fig. 4 über die gleiche Kette wie in Fig. 2, wie Vorverstärker 203 A/D-Wandler 204, DSP 205, Synchronisationsbaustein 112, Pro­ zessor 206 und Schnittstelle zum Fahrzeug 207 sowie Winkelsensor 202. Im rotierenden Teil 400 ist lediglich zusätzlich z. B. ein Vierfach- oder Mehrfach- Pulssender 401 mit Optik und die in Fig. 3 beschriebene Optik/Spiegel/Blendenkom­ bination 302 untergebracht. Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 auch noch die rotie­ rende Empfangsoptik mit der Linse 105a zuerst im Strahlengang und dann der Um­ lenkspiegel 104a gezeigt. Diese Anordnung oder die in Fig. 1 gezeigte kann je nach Abbildungserfordernissen gewählt werden.

Eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Der Antrieb erfolgt hier durch die Flachspulenanordnung 116 mit dem Ringmagnet 115 im rotie­ renden Teil 101. Die Energieversorgung für die Komponenten im rotierenden Teil 101 erfolgt über die Flachspulenanordnung 118 mit dem stehenden Ringmagnet 117. Zur Winkellageprüfung und zur Gesamtprüfung des Systems ist in einem kleinen Winkelbereich von z. B. 30° in der optischen Achse des Empfangsspiegels 104 im stehenden Teil eine Optik 505 angebracht, die eine Leuchtdiode oder eine Laser­ diode 504 über ein Dämpfungsglied 506 auf den Empfangsspiegel und damit auf die Empfangsdiode 108 abbildet. Der Pulsformer 507 wird über die Interfaceelektronik 112 und den digitalen Signalprozessor 205 synchronisiert und in seiner Leistung so eingestellt, dass in einem definierten Winkelbereich die gesamte Empfangskette überprüft werde kann. Durch die Gesamtabbildungsverhältnisse ist damit auch der Azimutwinkel, der durch den Antrieb und dessen Steuerung 201 über dem Prozessor 206 bestimmt ist bei jeder Umdrehung prüfbar und nachregelbar. Damit entfällt ein getrennter Winkelsensor 202. Zur Prüfung der Mehrfachlaser 102 wird auf einer gleichen oder etwas versetzten Winkellage ein Empfänger 501 angebracht, auf dem die Laser zum Zeitpunkt übereinstimmender Winkellage über die Optik 502 das Dämpfungsglied 503 abgebildet sind. Über eine Anpassungsschaltung 508 wird das Signal dem Multiplexer 509 zugeführt, der den Vorverstärker 203 in der Zeit der Prüfung des Lasers vom A/D-Wandler 204 trennt und das Signal aus der Anpassungsschaltung dem A/D-Wandler 204 zuführt. Die Steuerung des Multiplexers erfolgt vom Prozessor 206. Die Bewertung der Signale erfolgt über den digitalen Signal­ prozessor 205.

Claims (10)

1. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich bestehend aus einer Laserpulslichtquelle und einer entsprechenden Auswertung der von den Objekten rückgestreuten Lichtimpulsen nach den bekannten Laufzeitverfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtimpulsquellen auf dem Mantel einer zu betrachtenden Zylinderfläche durch Rotation der Lichtimpuls­ quellen um eine Achse abgebildet werden und von der Empfangseinheit nur ein Umlenkspiegel, eine Empfangsoptik und eine schmale Schlitzblende mitro­ tiert, während der Detektor aus einem lichtempfindlichen Element mit einer Kreisfläche mit dem Durchmesser der Schlitzblende dargestellt wird und damit nur ein Detektor für die Auswertung der Entfernungen des gesamten Winkel­ bereiches benötigt wird.

2. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Entfernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich dadurch gekennzeich­ net, dass zur Herabsetzung der Drehzahl oder Heraufsetzung der Datenrate mehrere Laserpulslichtquellen auf dem Umfang des rotierenden Teiles ange­ bracht werden und die von Objekten rückgestreuten Lichtimpulse über eine rotierende Anordnung aus Optiken, Umlenkspiegel und Schlitzblenden auf einen einzigen Detektor gerichtet werden und über diesen zur Auswertung kommen.

3. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die Auswertung der Lichtim­ pulsquellen die den gesamten Winkelbereich pro Umdrehung nur einmal abtasten, als auch für die Lichtimpulsquellen die zu Erhöhung der Datenrate im Bereich des Umfanges verteilt sind nur ein Fotodetektor für die Detektion und Auswertung verwendet wird.

4. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung der Impulslichtquellen und der mitrotierenden Schlitzblende so klein gewählt werden kann, dass extrem wenig Fremdlicht auf den Empfangsdetektor einwirkt und damit ein sehr günstiger Signal-Rauschabstand erzielt wird.

5. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Energie und Informationsübertragung in und an dem rotierenden System über eine kontaktlose magnetische und/oder optische Übertragungsstrecke erfolgt.

6. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rotation ein Generatorsystem für die Energieversorgung der Laserimpulslichtquellen vorgesehen ist mit der Ziel­ setzung, dass bei Stillstand keine Lichtimpulse ausgesendet werden und die mittlere Leistung von der Drehzahl abhängig ist.

7. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbestimmung bei synchronisierbar angetriebenem Rotor z. B. durch Schrittschaltmotor oder Phasensynchron­ läufer durch Abbildung der Impulslichtquellen auf einer Fotodetektorzeile und Auswertung der Lage und der abgegebenen Lichtleistung auf dieser Zeile erfolgt.

8. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbestimmung bei synchronisierbar angetriebenem Rotor z. B. durch Schrittschaltmotor oder Phasensynchron­ läufer durch Abbildung eines Testsenders über die rotierenden Optikkompo­ nenten auf den Empfänger erfolgt und somit die Winkellage und Funktion des Empfänger bei jeder Umdrehung geprüft werden kann.

9. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Winkellage der Sende- Empfangsanordnung ein Code am Umfang des rotierenden Teils aufgebracht wird und dieser über eine Fotodetektorzeile ausgewertet wird.

10. Hybrides Laserscann-System für Entfernungsmessung zur Ermittlung der Ent­ fernung zu Objekten in einem großen Winkelbereich nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das System um einen bestimmten Winkel­ bereich um seine Achse schwingt um nur diesen Winkelbereich abzutasten.