DE102006036320A1

DE102006036320A1 - Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjektes

Info

Publication number: DE102006036320A1
Application number: DE102006036320A
Authority: DE
Inventors: Ilja Dr. Wettengel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: DE102006036320B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts mit mindestens einem optischen Sensor zum Messen einer Entfernung des Zielobjekts zu mindestens einer Referenzposition und mit einer mit dem optischen Sensor verbundenen Auswerteeinheit zum Auswerten von dem optischen Sensor gelieferten Messdaten und zum Ausgeben eines Ortssignals. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen einer Beschleunigung des Zielobjekts ein Beschleunigungssensor an oder in dem Zielobjekt angeordnet ist und dass zum Bestimmen des Ortssignals unter Berücksichtigung von Messdaten des Beschleunigungssensors der Beschleunigungssensor mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus DE 102 49 285 A1 bekannt und weisen mindestens einen optischen Sensors zum Messen einer Entfernung des Zielobjekts zu mindestens einer Referenzposition und eine mit dem optischen Sensor verbundene Auswerteeinheit auf, zum Auswerten von von dem optischen Sensor gelieferten Messdaten und zum Ausgeben eines Ortssignals.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird eine Entfernung des Zielobjekts mit Hilfe mindestens eines optischen Sensors relativ zu mindestens einer Referenzposition gemessen, in einer Auswerteeinheit werden Messdaten des optischen Sensor gemittelt und auf Grundlage der gemittelten Messdaten wird ein Ortssignal bestimmt und ausgegeben.
Um ein hinreichend genaues Messergebnis zu erhalten, werden bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren die Messwerte des optischen Sensors gemittelt. Abhängig von der Mittelungstiefe und der Geschwindigkeit des zu überwachenden Zielobjekts fließen dann Messwerte in die Mittelung ein, die bei unterschiedlichen Ortspositionen des Zielobjekts gewonnen wurden. Hieraus resultiert eine systematische Ungenauigkeit der Ortsbestimmung. Diese Ungenauigkeit kann prinzipiell durch geeignete Schätzung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung kompensiert werden. Da die Messdaten des optischen Sensors verrauscht sind, ist die Signifikanz einer hieraus durch Differenzierung gewonnenen Geschwindigkeit und Beschleunigung jedoch gering und die Ungenauigkeit der Messung würde bei Verwendung dieser differenzierten Signale noch weiter erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen und ein Verfahren bereitzustellen, bei der die Messgenauigkeit bei der berührungslosen Bestimmung der Position eines sich bewegenden Zielobjekts mit einfachen Mitteln erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Vorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass zum Messen einer Beschleunigung des Zielobjekts ein Beschleunigungssensor an oder in dem Zielobjekt angeordnet ist und dass zum Bestimmen des Ortssignals unter Berücksichtigung von Messdaten des Beschleunigungssensors der Beschleunigungssensor mit der Auswerteeinheit verbunden ist.
Das Verfahren der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass eine Beschleunigung des Zielobjekts mit Hilfe eines an oder in dem Zielobjekt angeordneten Beschleunigungssensors gemessen wird, dass Messdaten des Beschleunigungssensors zum Bereitstellen von Geschwindigkeitsdaten integriert werden und dass auf Grundlage der von dem Beschleunigungssensor gelieferten Messdaten und der Geschwindigkeitsdaten eine durch die Bewegung des Zielobjekts verursachte systematische Ungenauigkeit bei der Mittelung der Messdaten des optischen Sensors geschätzt wird.
Als Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, über einen separaten Beschleunigungssensor die Beschleunigung des Zielobjekts direkt zu messen und auf diese Weise die zur Kompensierung der Messunsicherheit und damit zur präzisen Bestimmung des Ortssignals notwendigen Beschleunigungsdaten bereitzustellen.
Auf ein Differenzieren oder mehrmaliges Differenzieren des verrauschten Signals des optischen Sensors kann so verzichtet werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist deshalb, dass der Beschleunigungssensor die nötige Beschleunigungsinformation direkt und ohne weitere mathematische Operationen liefert. Da ein Differenzieren nicht mehr nötig ist, sind die Beschleunigungsdaten von vornherein erheblich genauer als im Stand der Technik.
Der optische Sensor kann grundsätzlich an beliebiger Stelle positioniert werden. Insbesondere kann der optische Sensor am Ort der Referenzposition angebracht sein.
Bei dieser Variante sind also der Beschleunigungsmesser oder Beschleunigungssensor und der optische Sensor räumlich getrennt voneinander angeordnet. Der Beschleunigungssensor ist auf dem Fahrzeug oder Zielobjekt montiert und dessen Messdaten werden über geeignete Mittel zu einem beispielsweise stationär angebrachten optischen Sensor übertragen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber der optische Sensor an dem Zielobjekt angeordnet. Diese Variante ermöglicht ein kompaktes Anordnen aller wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Gehäuse, welches an oder in dem Zielobjekt angebracht sein kann.
Der optische Sensor wertet von einer Referenzposition zurückgestreute oder zurückreflektierte Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht oder Infrarotlicht, als Messinformation aus. Um hierfür gut definierte Bedingungen zu schaffen, kann an der Referenzposition ein Reflektor angebracht werden.
Sofern der optische Sensor selbst an der Referenzposition angeordnet ist, wird zweckmäßig an dem Zielobjekt ein geeigneter Reflektor angebracht.
Als optischer Sensor kann grundsätzlich ein auf dem Prinzip eines Phasenvergleichs beruhender Sensor zum Einsatz kommen.
Bei größeren Entfernungen ab einigen 10 m werden bevorzugt nach dem Prinzip der Pulslaufzeitmessung arbeitende Sensoren verwendet. Hierbei sind besonders hohe Messgenauigkeiten möglich.
Grundsätzlich können mehrere optische Sensoren vorhanden sein, mit denen mehrere Referenzpositionen bestimmt werden. Beispielsweise können für alle drei Raumkoordinaten entsprechende Sensoren und Referenzpositionen vorhanden sein. Bei Einsatz darüber hinaus von weiteren Sensoren kann eine Redundanz und damit eine höhere Zuverlässigkeit der Messinformation erzielt werden.
Entsprechend können auch mehrere Beschleunigungssensoren, beispielsweise für jede Raumkoordinate ein Beschleunigungssensor, also insgesamt drei Beschleunigungssensoren, eingesetzt werden.
Grundsätzlich ist auch möglich, dass sich die Referenzposition selbst bewegt. Gegebenenfalls können dann weitere, an der Referenzposition angeordnete Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt wird aber, sofern dies in der konkreten Messsituation möglich ist, mit Hilfe des optischen Sensors die Entfernung des Zielobjekts zu einer ortsfesten Referenzposition gemessen. Dies hat den Vorteil, dass eventuelle Bewegungen und Beschleunigungen der Referenzposition nicht berücksichtigt werden müssen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können besonders nutzbringend zur Bestimmung der Position von Regalbedienwagen eingesetzt werden. Durch die besonders genaue Bestimmung der Position ist mit Hilfe der Erfindung ein sehr rasches und dabei präzises Positionieren solcher Regalbedienwagen möglich.
Bei einer weiteren möglichen Anwendung der Erfindung wird die Position eines KFZ als Zielobjekt bestimmt. Als Beschleunigungssensor kann dann zweckmäßigerweise ein in einer Motorsteuerung des KFZ bereits vorhandener Beschleunigungssensor dienen.
Grundsätzlich können beliebige Beschleunigungssensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor ein nach dem Piezoeffekt arbeitender Sensor sein. Solche Sensoren sind standardmäßig, kostengünstig und in geringer Baugröße erhältlich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren erläutert.
Hierin zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem der optische Sensor am Zielobjekt angebracht ist; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der optische Sensor an einer ortsfesten Referenzposition angeordnet ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit Bezug auf 1 beschrieben. Die dort schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weist als wesentliche Komponenten einen optischen Sensor 12, einen Beschleunigungssensor 16 und eine Auswerteeinheit 14 auf. Diese Bestandteile sind an oder in einem beweglichen Zielobjekt 20 angeordnet. Die Beweglichkeit des Zielobjekts 20, wobei es sich insbesondere um einen Regalbedienwagen handeln kann, ist durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulicht.
An einer ortsfesten Referenzposition 30, wobei es sich im gezeigten Beispiel um eine Wand 40 handelt, ist ein Reflektor 18 angebracht. Dieser Reflektor 18, der beispielsweise eine reflektierende Folie sein kann, dient zum definierten Zurückreflektieren der vom optischen Sensor 12 ausgesandten Strahlung.
Mit Hilfe des optischen Sensors 12 wird die Entfernung zu dem Reflektor 18 und damit zur Referenzposition 30 gemessen. Dies ist durch den gestrichelten Pfeil 22 veranschaulicht. Von dem optischen Sensor 12 an die Auswerteeinheit 14 gelieferte Messdaten x(t) sind in 1 durch einen Pfeil 13 dargestellt. Entsprechend sind von dem Beschleunigungssensor 16 an die Auswerteeinheit 14 geleitete Messdaten a(t) durch einen Pfeil 17 veranschaulicht.
Der optische Sensor 12 und der Beschleunigungssensor 16 sind demgemäß wirkungsmäßig mit der Auswerteeinheit 14 verbunden. Diese Verbindung kann im einfachsten Fall durch ein Kabel bereitgestellt werden. Grundsätzlich sind aber auch drahtlose Verbindungen, beispielsweise über eine Funkstrecke, möglich.
Aufgrund der statistischen Natur der Einzelmesswerte x(t), die aus dem verrauschten Eingangssignal gewonnen werden, muss durch Mehrfachbeobachtung und durch geeignete Mittelung erst ein zuverlässiges Messergebnis erhalten oder berechnet werden. Dadurch entsteht zwischen der Messung und der Ergebnisausgabe. eine Verzögerung. Diese ist umso größer, je tiefer die Mittelung ist und hängt deshalb direkt mit der erzielbaren oder gewünschten Genauigkeit zusammen.
Im einfachen Fall einer konstant beschleunigten oder verzögerten Bewegung setzt sich die Bewegungsgleichung für die Ortskoordinate s(t) aus drei Komponenten zusammen: s(t) = s0 + v0·t + a/2·t2. (1)
Hierin bezeichnet so eine Startposition, v₀ eine Startgeschwindigkeit, a eine konstante Beschleunigung und t die Zeitkoordinate. In beschleunigt bewegten Systemen übersteigen nun die Weganteile aus Geschwindigkeit und Beschleunigung, die sich während der Mittelungsdauer akkumulieren, häufig die Größenordnung der Messgenauigkeit, die der optische Sensor bei stillstehendem Zielobjekt aufweist. Es ist deshalb zweckmäßig, die Werte für Geschwindigkeit und Beschleunigung zu schätzen, um den momentanen tatsächlichen Ort des Zielobjekts, beispielsweise des Fahrzeugs oder Regalbedienwagens, zu bestimmen.
Bei einem Zeitverzug ΔT weicht – ohne Berücksichtigung der statistischen Fehler – der ausgegebene Messwert um einen systematischen Bewegungsfehler Δs vom wirklichen ab: Δs = v(t)·ΔT + a/2·(ΔT)2. (2)
Der erste Summand wird dabei häufig als sogenannter Schleppfehler bezeichnet.
Die Schwierigkeit der Schätzung besteht im Wesentlichen darin, dass die zu schätzenden Bewegungsparameter Geschwindigkeit und Beschleunigung durch einfache beziehungsweise zweifache Differenzierung der Messprobenfolge der Messdaten des optischen Sensors 12 zu erhalten sind und diese Messdaten 13 selbst nicht unerheblich verrauscht sind. Die Signifikanz der Ableitungen ist deshalb gering und der Messfehler oder die Messungenauigkeit der Anordnung insgesamt würde durch eine solche Korrektur eher noch vergrößert.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor 16, der in der durch den Doppelpfeil 24 veranschaulichten Achse der Bewegung wirksam ist, liefert einen zur Beschleunigung des Zielobjekts 20 proportionalen Messwert. Die Entfernungsschätzung kann diesen Messwert direkt verwenden. Die außerdem zu schätzende Geschwindigkeit kann sehr einfach durch Integration der von dem Beschleunigungssensor 16 gelieferten Messdaten 17 erhalten werden. Diese Integration wird in der Auswerteeinheit 14 durchgeführt. Die so erhaltenen Geschwindigkeitsdaten 19 sind infolge der Integration sogar rauschgefiltert.
In der Auswerteeinheit 14 wird auf Grundlage der Messwerte 13 des optischen Sensors 12, der Messwerte 17 des Beschleunigungssensors 16 und der Geschwindigkeitsdaten 19 ein Ortssignal s(t) errechnet. Dieses Ortssignal s(t) ist in 1 durch einen Pfeil 15 veranschaulicht.
Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist in 2 gezeigt. Äquivalente Komponenten sind dort mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen.
Im Unterschied zu dem Beispiel aus 1 ist in 2 der optische Sensor 12 an der Referenzposition 30 angebracht. Zur definierten Reflexion von Strahlung des optischen Sensors 12 ist das Zielobjekt 20 entsprechend mit einem Reflektor 18 versehen.
Im Übrigen entspricht die Funktionsweise der Komponenten und die Auswertung der von dem optischen Sensor 12 und dem Beschleunigungssensor 16 an die Auswerteeinheit 14 gelieferten Daten der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Funktionalität.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung bereitgestellt, der insbesondere zusammen mit optischen Sensoren auf Basis der Lichtlaufzeitberechnung nutzbringend eingesetzt werden kann. Diese Sensoren können beispielsweise in der Lager- und Fördertechnik zur Positionierung von Regalbediengeräten eingesetzt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß vorgesehenen Beschleunigungsaufnehmers kann die Messgenauigkeit der Sensoren in bewegten Systemen erheblich und mit einfachen Mitteln verbessert werden.

Claims

Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts (20), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit mindestens einem optischen Sensor (12) zum Messen einer Entfernung des Zielobjekts (20) zu mindestens einer Referenzposition (30) und mit einer mit dem optischen Sensor (12) verbundenen Auswerteeinheit (14) zum Auswerten von von dem optischen Sensor (12) gelieferten Messdaten (13) und zum Ausgeben eines Ortssignals (15), dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen einer Beschleunigung des Zielobjekts (20) ein Beschleunigungssensor (16) an oder in dem Zielobjekt (20) angeordnet ist und dass zum Bestimmen des Ortssignals (15) unter Berücksichtigung von Messdaten (17) des Beschleunigungssensors (16) der Beschleunigungssensor (16) mit der Auswerteeinheit (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (12) an dem Zielobjekt (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Referenzposition (30) ein Reflektor (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (16) ein nach dem Piezoeffekt arbeitender Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (12) ein nach dem Prinzip der Pulslaufzeitmessung arbeitender Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (12) ein nach dem Prinzip des Phasenvergleichs arbeitender Sensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (16) ein in einer Motorsteuerung eines KFZ eingesetzter Beschleunigungssensor (16) ist.
Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Zielobjekts, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Entfernung des Zielobjekts (20) mit Hilfe mindestens eines optischen Sensors (12) relativ zu mindestens einer Referenzposition (30) gemessen wird, bei dem Messdaten (13) des optischen Sensors (12) gemittelt werden und auf Grundlage der gemittelten Messdaten (13) ein Ortssignal (15) bestimmt und ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung des Zielobjekts (20) mit Hilfe eines an oder in dem Zielobjekt (20) angeordneten Beschleunigungssensors (16) gemessen wird, dass Messdaten (17) des Beschleunigungssensors (16) zum Bereitstellen von Geschwindigkeitsdaten (19) integriert werden und dass auf Grundlage der von dem Beschleunigungssensor (16) gelieferten Messdaten (17) und der Geschwindigkeitsdaten (19) eine durch die Bewegung des Zielobjekts (20) verursachte systematische Ungenauigkeit bei der Mittelung der Messdaten (13) des optischen Sensors (12) geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem optischen Sensor (12) die Entfernung des Zielobjekts (20) zu einer ortsfesten Referenzposition (30) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielobjekt (20) ein Regalbedienwagen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielobjekt (20) ein KFZ ist.