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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung,
insbesondere für Positionieraufgaben, bei welchem ein optischer
Sensor berührungslos eine Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung
an einem Messobjekt durchführt, wobei der optische Sensor
die Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung über
ein Bildverarbeitungsverfahren, über ein Ortsfrequenzfilterverfahren
und/oder durch ein Laser-Doppler-Verfahren durchführt und
vom optischen Sensor Referenzmarkierungen erkannt werden. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur berührungslosen
Messung von Längen- und/oder Geschwindigkeiten eines Messobjektes,
insbesondere zur Durchführung von Positionieraufgaben,
umfassend mindestens einen optischen Sensor, wobei der optische Sensor
eine berührungslose Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung
durchführt, mit dem optischen Sensor ein Bildverarbeitungsverfahren,
ein Ortsfrequenzfilterverfahren oder eines Laser-Doppler-Verfahren
zur Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung durchführbar
ist und Auswertemittel vorgesehen sind, mit welchen Referenzmarkierungen
erkennbar sind.
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Optische
Sensoren werden in zunehmendem Maße zur Messung von Längen
und/oder Geschwindigkeiten von Messobjekten eingesetzt. Beispielsweise
können mit optischen Sensoren Geschwindigkeiten und Wegfortschritt
von Fahrzeugen relativ zum Boden, dem eigentlichen Messobjekt, ermittelt werden.
Sie bieten den Vorteil, dass allein über Merkmale der Oberfläche, über
welche sich der Sensor beispielsweise bewegt, eine Längen-
und/oder Geschwindigkeitsmessung berührungslos durchführbar
ist. Es bedarf insofern prinzipiell keiner zusätzlichen
Installation von weg- oder signalausgebenden Mitteln, um die Position
eines optischen Sensors zu ermitteln. Optische Sensoren zur Längen-
und/oder Geschwindigkeitsmessung wenden vorzugsweise das Bildverarbeitungsverfahren,
das Ortsfrequenzfilterverfahren und/oder das Laser-Doppler-Verfahren an.
Beim Laser-Doppler-Verfahren wird ein Laserstrahl über
einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und beide Teilstrahlen
unter verschiedenen Winkeln auf der Oberfläche des Messgutes
zur Interferenz gebracht. Beide Laserstrahlen erfahren nun aufgrund
der Geschwindigkeit des Sensors gegenüber beispielsweise
dem Boden eine unterschiedliche Dopplerverschiebung, d. h. eine
Frequenzverschiebung abhängig von der Relativgeschwindigkeit.
Die im gestreuten Laserlicht enthaltende niederfrequente Schwebungsfrequenz
ist in erster Ordnung direkt proportional zur Geschwindigkeit des
Sensors gegenüber dem vermessenen Objekt bzw. dessen Oberfläche.
Ein optischer Sensor, welcher das Ortsfrequenzfilterverfahren anwendet,
ermittelt die Geschwindigkeit und daraus die entsprechend zurückgelegte
Länge aus der Frequenz, mit welcher die optischen Elemente
des Sensors Identitätsschwankungen messen. Der das Bildverarbeitungsverfahren
anwendende Sensor ermittelt die Geschwindigkeit und daraus die zurückgelegte
Länge aus dem Vergleich zwischen zu unterschiedlichen Zeiten
aufgenommenen Bildern bzw. Helligkeitsmustern auf den lichtempfindlichen
Elementen des optischen Sensors. Es werden also Objektmerkmale der
Objektoberfläche, dessen Geschwindigkeit gemessen werden
soll, ermittelt und deren Bewegung durch Bildung einer Korrelationsfunktion
zwischen Bildern unterschiedlicher Zeitpunkte bestimmt. Zunehmend
sollen unter Verwendung optischer Sensoren auch Positionieraufgaben
erfüllt werden, bei welchen eine exakte Positionsbestimmung
notwendig ist. Die drei beschriebenen Verfahren alleine haben in
diesem Zusammenhang alle die Eigenschaft, nur einen relativen Wegfortschritt
ermitteln zu können, ohne dass ein absoluter Bezug zwischen
dem Bezugssystem des Sensors und dem Bezugssystem des Messobjektes
hergestellt wird. Diese Tatsache hat bei Positionieraufgaben gravierende
Nachteile. Beispielsweise kann ein Stromausfall dazu führen,
dass keine Positionsinformation mehr vorliegt, insbesondere dann,
wenn es im spannungsfreien Zustand zu einer Relativbewegung zwischen
Sensor und Messobjekt kommt. Ein weiterer Nachteil liegt beispielsweise
darin begründet, dass die bei jedem gemessenen Wegfortschritt
auftretenden Messfehler der Vorrichtung über längere Strecken
akkumuliert werden, ohne korrigiert werden zu können. Durch
die Erkennung von ortsfest am Messobjekt lokalisierten Referenzmarken
durch den Sensor kann hingegen eine absolute Relation zwischen dem
Ortssystem des Sensors und dem Bezugssystem des Messobjektes hergestellt
werden, die viele Nachteile der relativen Wegmessung beseitigt.
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Aus
der auf die Anmelderin zurückgehenden, offengelegten deutschen
Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2005 040 772 ist darüber
hinaus bekannt, dass optische Sensoren Referenzmarkierungen verwenden,
um auf einfache Weise den Sensor zu referenzieren und dessen Position
zu bestimmen. Vorgeschlagen wird in der genannten Offenlegungsschrift,
dass beispielsweise bei einem das Bildverarbeitungsverfahren verwendenden
Sensor eine Mustererkennung der Referenzmarkierung erfolgt und zur
Referenzierung genutzt wird. Allerdings ist eine Mustererkennung
zur Erkennung der Referenzmarkierungen zeit- und rechenaufwändig. Schließlich
ist die Erkennung von Referenzmarkierungen durch Sensoren, beispielsweise
für fahrerlose Transportfahrzeuge oder Aufzugsteuerungen
bekannt, wobei bisher die Referenzmarkierungen entweder nicht optisch,
also beispielsweise magnetisch oder mit einem separaten optischen
Sensor, welcher keine Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung vornehmen
konnte, erfasst wurden.
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Ferner
ist aus der US Patentanmeldung US 2004/0221790 A1 eine Vorrichtung
zur Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessungen bekannt,
welche ebenfalls Referenzmarkierungen erkennen kann. Zwar wird in
der US-Patentanmeldung vorgeschlagen Referenzmarkierungen zur Verbesserung
der Genauigkeit der Positionsangabe zu verwenden, eine Verwendung
der bekannten Vorrichtung in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten
scheitert zumeist an den mangelnden Vorkehrung hinsichtlich Störungen
der Sensorik.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Längen- und/oder
Geschwindigkeitsmessung zur Verfügung zu stellen, welches
bzw. welche eine höhere Messsicherheit bietet, so dass
diese auch in sicherheitsrelevante Anwendungsgebieten verwendet
werden kann.
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Die
oben hergeleitete Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes
Verfahren dadurch gelöst, dass Auswertemittel eine Referenzmarkierungserkennung durchführen
und ein Plausibilitätstest durchgeführt wird,
bei welchem abhängig von dem Ergebnis des Plausibilitätstests
ein Signal generiert wird.
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Im
Gegensatz zu den bisherigen Lösungen aus dem Stand der
Technik ermöglicht die erfindungsgemäße
Vorrichtung die Durchführung von Plausibilitätstests,
welche zur Anzeige von Störungszuständen der Sensorik
verwendet werden kann. Beispielsweise kann damit bei nicht erkannter
Referenzmarkierung nach einem bestimmten Wegfortschritt ein Fehlersignal
erzeugt werden. Gleichzeitig kann selbstverständlich auch
bei positiver Referenzmarkierungserkennung ein „positives"
Erkennungssignal erzeugt werden. Beispielsweise können
abhängig von dem Ergebnis des Plausibilitätstests,
weitere Messungen oder Tests durchgeführt werden, insbesondere
eine Prüfung einer eventuell vorhandenen Lichtquelle oder ähnliches.
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Vorzugsweise
erfolgt gemäß einer nächsten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens eine optische
und/oder akustische Signalanzeige. Störungen aber auch
ein regulärere Betrieb kann durch optische Signalanzeigen,
beispielsweise einer roten LED oder Lampe für die Verwender
der Vorrichtungen leicht erkennbar signalisiert werden. Akustische
Warntöne sind ebenfalls dazu geeignet.
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Zur
Positionsbestimmung bzw. zur Bestimmung des Wegfortschritts des
Sensors relativ zum Messobjekt werden gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Auswertemitteln Werte für mindestens einen Zähler
generiert, welche dem Wegfortschritt und/oder der Position des Sensors
relativ zum Messobjekt entsprechen. Beispielsweise können
die Werte von zwei Zählern Werten eines kartesischen Koordinatensystems
entsprechen, so dass eine einfache Positionsbestimmung aus den Zählerwerten
vorgenommen werden kann. Eine lineare Positionsbestimmung aus den
geänderten Zählerwerten bei nur einem Zähler ist
ebenfalls denkbar. Bei einer Bewegung des Sensors werden die Werte
der Zähler ständig neu generiert bzw. geändert.
Der mindestens eine Zähler kann sowohl intern mit den Auswertemitteln
als auch extern zur Verfügung gestellt werden.
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Vorzugsweise
ermittelt ein das Bildverarbeitungsverfahren verwendender optischer
Sensor aus der Korrelation von mindestens zwei zeitlich aufeinander
folgender Bildern die Werte für mindestens einen Zähler,
so dass eine Wegfortschrittsbestimmung bzw. Positionsbestimmung
mit möglichst geringem apparativen Aufwand möglich
ist. Mit zeitlich aufeinander folgenden Bildern sind einerseits
unmittelbar aufeinander folgende Bilder, allgemein jedoch Bilder zu
verschiedenen Zeitpunkten zu verstehen.
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Um
die Genauigkeit der Positionsbestimmung unter Verwendung eines optischen
Sensors zur Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung weiter
zu verbessern, wird gemäß einer nächsten vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Positionen der Referenzmarkierungen in einer Wertetabelle abgelegt
und die Wertetabelle zur Durchführung eines Plausibilitätstest
verwendet. Die Wertetabelle kann intern mit den Auswertemitteln
oder extern zur Verfügung gestellt werden.
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Vorzugsweise
werden während des Plausibilitätstests zumindest
die aktuelle, gemessene Position des optischen Sensors relativ zum
Messobjekt mit Positionen in der Wertetabelle verglichen, so dass der
Test besonders einfach und schnell durchgeführt werden
kann. Die aktuelle, gemessene Position des optischen Sensors entspricht
beispielsweise dem Wert des Zählers. Mit dem Plausibilitätstest,
beispielsweise durchgeführt bei Erreichen einer Referenzmarkierung,
kann zudem gewährleistet werden, dass die die durch den
Zählerwert gegebene, aktuell gemessene Position mit der
gemäß der Wertetabelle tatsächlich erreichten
Positionen korrigiert wird. Die Genauigkeit der Längen-
und/oder Geschwindigkeitsmessung kann auf diese Weise gesteigert
werden, da die über den bisherigen Wegfortschritt im Zählerwert
akkumulierten Messfehler weitgehend eliminiert werden.
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Wird
der Plausibilitätstest zeitlich periodisch, nach einem
bestimmten Wegfortschritt periodisch und/oder bei Erkennung einer
Referenzmarke durchgeführt, kann die Betriebssicherheit
und Genauigkeit der Längen- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung weiter
verbessert werden.
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Eine
besonders einfache Erkennung von Störungszuständen
der Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass als Maß für
das Vorliegen einer Störung die Abweichung der Zählerwerte
von der tatsächlichen Position des optischen Sensors bzw.
der Vorrichtung verwendet wird. Die Feststellung der tatsächlichen
Position wird durch die Erkennung von Referenzmarkierungen möglich,
da diese am Messobjekt ortsfest lokalisiert sind. Die Feststellung
und Überwachung der Abweichung kann zeitlich periodisch,
nach einem bestimmten Wegfortschritt periodisch und/oder bei Erkennung
einer Referenzmarke erfolgen. Bei welchen Zählerwerten
die Erkennung einer Referenzmarkierung zu erwarten ist, ist der
Vorrichtung durch die Wertetabelle bekannt. Die Abweichung der Zählerwerte
von der tatsächlichen Position kann beispielsweise dadurch
festgestellt werden, dass eine Referenzmarkierung bei einem Zählerwert erkannt
wird, der nicht in der Wertetabelle verzeichnet ist. Weiterhin kann
eine Abweichung beispielsweise dadurch festgestellt werden, dass
bei einem in der Wertetabelle verzeichneten Zählerwert
keine Referenzmarkierung detektiert wird.
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Ist
die Höhe der Abweichung zur Erkennung einer Störung
variabel einstellbar, kann insbesondere applikationsspezifisch auf
Genauigkeits- und Sicherheitsanforderungen reagiert werden.
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Auf
einfache Weise kann über das erfindungsgemäße
Verfahren eine Steuerung, beispielsweise eines fahrerlosen Transportfahrzeuges
dadurch angesteuert werden, dass über digitale Ausgänge
das Ergebnis des Plausibilitätstests übermittelt
wird. Es lassen sich damit auch weitere Informationen über
den Zustand der Vorrichtung übertragen.
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Gemäß einer
nächsten weitergebildeten Ausführungsform werden
die Referenzmarkierungen in einem "Teach-In"-Verfahren vom optischen
Sensor gemessenen Positionen zugeordnet und in einer Wertetabelle
abgelegt. Das "Teach-In"-Verfahren kann nicht nur die Zuordnung
der gemessenen Position einer bestimmten Referenzmarkierung umfassen,
möglich ist auch, zusätzlich charakteristische Merkmale
der Referenzmarkierung der gemessen Position zuzuordnen, so dass
die Referenzmarkierungen eindeutig erkannt werden können.
Hierdurch kann ein vollständig absoluter räumlicher
Bezug zwischen der Position des Sensors und der Lage des Messobjekt
erreicht werden. Beispielsweise kann mit einem das Bildverarbeitungsverfahren
verwendenden, optischen Sensor das charakteristische Muster einer Referenzmarkierung
hinterlegt werden. Gleiches gilt auch für das Laser-Doppler-
bzw. Ortsfrequenzfilterverfahren. Vorstellbar ist bei diesen letztgenannten
Verfahren über Referenzmarkierungen mit Bereichen unterschiedlicher
Reflektionseigenschaften eine charakteristische Signaländerung
des Laser-Doppler-Signals des Ortfrequenzfilterverfahrens zu erzielen.
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Zwar
ist grundsätzlich möglich, die Referenzmarkierungen
beliebig anzuordnen, vorteilhaft ist jedoch, diese linear und/oder
in einem zweidimensionalen Punktraster anzuordnen und/oder als Linienraster
auszubilden. Bei einer linearen Anordnung kann beispielsweise durch
Vermessen eines Abstandes zwischen zwei Referenzmarkierungen die
Positionen der übrigen Referenzmarkierungen ermittelt und
beispielsweise in der Wertetabelle abgelegt werden.
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Darüber
hinaus kann die absolute Position einer Referenzmarkierung dadurch
leicht zugeordnet werden, dass die Referenzmarkierungen zusätzlich codiert,
insbesondere eindeutig codiert sind. Beispielsweise kann über
eine einfache Wertetabelle den codierten Signalen absolute Positionen
zugeordnet sein, sodass unmittelbar bei Erkennen einer codierten
bzw. eindeutig codierten Referenzmarkierung die gemessene absolute
Position mit der tatsächlichen Position der Referenzmarkierung
verglichen werden kann.
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Vorzugsweise
werden die durch einen optischen Sensor ermittelten Bilder einer
Referenzmarkierung an zusätzliche interne und/oder externe
Auswertemittel zur Referenzmarkierungserkennung übermittelt,
sodass aufgrund der parallelen Verarbeitung der Daten eine beschleunigte
Referenzmarkierungserkennung erfolgt. Die Referenzmarkierungserkennung
beruht dabei üblicherweise auf einer Mustererkennung, welche
auch intern innerhalb der Auswertemittel vorgenommen werden kann.
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Gemäß einer
nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bewirken die Referenzmarkierungen eine signifikante Änderung
der vom optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und/oder Lichtintensität,
so dass über die Lichtmengen- und/oder Lichtintensitätsänderung
Referenzmarkierungen vom optischen Sensor erkannt werden. Es hat
sich gezeigt, dass eine signifikante Änderung der Lichtmenge
und/oder Lichtintensität, welche durch den optischen Sensor
gemessen wird, unabhängig von der Art des zur Längen-
und/oder Geschwindigkeitsmessung verwendeten Verfahrens besonders
schnell erfasst und dementsprechend schnell und einfach ausgewertet
werden kann. Unter einer signifikanten Änderung der gemessenen
Lichtmenge und/oder -intensität wird vorliegend eine Änderung
der Lichtmenge bwz. Lichtintensität um mehr als 20% angesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit insbesondere
für Positionieraufgaben sehr gut geeignet, da durch die
schnelle Referenzmarkierungserkennung eine exakte Positionsbestimmung
zeitnah erfolgt und damit die Geschwindigkeiten, mit welcher die
Positionieraufgaben, beispielsweise eines führerlosen Fahrzeugs
erledigt werden können, gesteigert werden kann.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weisen die Referenzmarkierungen Licht reflektierende, insbesondere
spiegelnde Flächenbereiche und/oder Licht stark absorbierende
und/oder Licht transmittierende Flächenbereiche auf. Diese
ermöglichen es, auf besonders einfache Weise die vom Sensor
gemessene Lichtmenge bzw. Lichtintensität, beispielsweise
wenn der Sensor eine eigene Lichtquelle zur Beleuchtung eines Messobjektes
aufweist, zu ändern, um eine Referenzmarkierung zu erkennen.
Als stark absorbierende Flächen können beispielsweise
matt-schwarze Flächen dienen. Transmittierende Flächenbereiche
zeichnen sich dadurch aus, dass eingestrahltes Licht nicht reflektiert
und damit vom Sensor nicht gemessen wird. Sie verringern die durch
den optischen Sensor gemessene Lichtmenge oder Lichtintensität.
Transmittierende Flächenbereiche können beispielsweise
einfach durch auf dem Messobjekt angeordnete Löcher oder
Spalte zur Verfügung gestellt werden. Stark reflektierende
Flächenbereiche erhöhen im Vergleich zur übrigen
Messobjektoberfläche die gemessene Lichtmenge oder Lichtintensität
stark, so dass auch hierdurch eine einfache Referenzmarkierungserkennung
gewährleistet ist.
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Gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte
Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung
dadurch gelöst, dass mit den Auswertemitteln ein Plausibilitätstest
durchführbar ist und abhängig vom Ergebnis des Plausibilitätstest
ein Signal erzeugbar ist.
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Wie
bereits ausgeführt, können mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sicherheitsrelevante Anwendungsgebiete bei geringem
apparativem Aufbau erschlossen werden, da durch die Möglichkeit
der Durchführung von Plausibilitätstests Störungszustände
der Vorrichtung schnell erkannt werden können.
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Vorzugsweise
ist eine optische und/oder akustische Signalanzeige vorgesehen.
Mit der Signalanzeige kann sowohl eine Störung als auch
ein einwandfreier Arbeitszustand der Vorrichtung signalisiert werden.
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Gemäß einer
nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind Auswertemittel vorgesehen, welche mindestens einen
Zähler bereitstellen, dessen Werte dem Wegfortschritt und/oder der
Position des Sensors relativ zum Messobjekt entsprechen, so dass
auf einfache Weise ein Vergleich der aktuellen, gemessenen Position
bzw. Zählerwerten mit vorgegebenen Werten, beispielsweise
von Referenzmarkierungen erfolgen kann. Die vorgegebenen Werte sind
in der Wertetabelle verzeichnet.
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Ein
Einlernen von Referenzmarkierungen in einem „Teach-In-Modus"
kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer
weiteren Ausgestaltung dadurch zur Verfügung stellen, dass über
die Auswertemittel aus den Zählerwerten Positionen von
Referenzmarkierungen ermittelbar und in einer Wertetabelle ablegbar
sind. In diesem Modus können den Referenzmarkierungen daher
gemessene Positionen bzw. Zählerwerte aber auch charakteristische
Messsignale, beispielsweise zur Mustererkennung, welche vom optischen
Sensor gemessen wurden, zugeordnet werden.
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Ein
besonders einfacher Plausibilitätstest kann dadurch zur
Verfügung gestellt werden, dass über die Auswertemittel
ein Plausibilitätstest durchführbar, bei welchem
zumindest die jeweilige Position mit in den Wertetabellen abgelegten
Positionen verglichen wird. Die ermittelte Abweichung kann dann als
Maß für das Vorliegen einer Störung verwendet werden.
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Weist
der optische Sensor mindestens einen digitalen Ausgang auf, besteht
die Möglichkeit auf einfache Art und Weise ein Signal an
eine externe Steuereinheit auszugeben, welches beispielsweise das
Ergebnis des Plausibilitätstest an eine Steuerung übermittelt.
Es können aber auch weitere Zustandsinformationen übermittelt
werden.
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Vorzugsweise
sind Referenzmarkierungen vorgesehen sind, welche eine signifikante Änderung der
mit dem Sensor gemessenen Lichtmenge oder Lichtintensität
bewirken und durch die Auswertemittel über die Lichtmengen-
bzw. Lichtintensitätsänderung die Referenzmarkierungen
erkennbar sind. Wie bereits zuvor ausgeführt, können
die einfallende Lichtmenge signifikant ändernde Referenzmarkierungen über
die Messung der eingefallenen Lichtmenge besonders schnell und einfach
erkannt werden. Eine entsprechende Vorrichtung benötigt
insofern auch keine komplexen Auswertemittel und kann dennoch die
Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung durch Nutzung
der Referenzmarkierungen in ihrer Genauigkeit steigern.
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Schließlich
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch
weiterverbessert werden, dass codierte, insbesondere eindeutig codierte
Referenzmarkierungen vorgesehen sind. Hierdurch wird ermöglicht,
den insbesondere eindeutig codierten Referenzmarkierungen vorzugsweise
absolute Positionen zuzuordnen, sodass diese für eine Referenzierung
oder bei größeren Abweichungen auch für
das Einleiten eines Plausibilitätstests genutzt werden können.
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Es
gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße
Verfahren zur Längen- und/oder Geschwindigkeitsmessung
sowie die entsprechende Vorrichtung weiterzubilden und auszugestalten.
Hierzu wird einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
17 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen, andererseits
auf die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt
in
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer schematischen Seitenansicht,
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2a) bis 2c)
drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Referenzmarkierungen in einer Draufsicht und
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3 eine
schematische Schaltungsskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Längen-
und/oder Geschwindigkeiten ist in 1 in einer
schematischen Seitenansicht dargestellt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 umfasst einen optischen Sensor 2 und
Referenzmarkierungen 3. Der optische Sensor 2 ist
beispielsweise in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
als ein das Bildverarbeitungsverfahren verwendender optischer Sensor
ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist
der optische Sensor 2 beispielsweise ein zweidimensionales
Array aus lichtempfindlichen Elementen 4 mit einer zugehörigen
Abbildungsoptik 5 auf. Anstelle eines Arrays können
aber auch zwei in einem Winkel angeordnete, beispielsweise senkrecht
zueinander angeordnete Zeilen an lichtempfindlichen Elementen oder
andere Detektoren verwendet werden. Darüber hinaus ist
auch die Abbildungsoptik 5 lediglich optional.
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Zusätzlich
weist die Vorrichtung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine optionale Lichtquelle 6 auf, die beispielsweise durch
Leuchtdioden gebildet werden kann, so dass das erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiel Fremdlicht unabhängig ist. Schematisch
dargestellt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind
Auswertemittel 7, welche die von dem Array 4 gelieferten
Informationen auswerten. Der optische Sensor 2 wird nun über
eine Oberfläche 8 eines Messobjektes bewegt. Während
der Bewegung werden durch die Auswertemittel beispielsweise Werte
von zwei Zählern generiert bzw. ständig verändert,
wobei deren Änderung dem Wegfortschritt des Messobjektes
relativ zum Sensor in zwei verschiedenen Raumrichtungen, beispielsweise in
orthogonal zueinander stehenden Richtungen entspricht. Denkbar ist
auch, dass bei einer Bewegung in nur einer Raumrichtung ein einziger
Zähler verwendet wird. Die Zähler können
vorzugsweise über die Auswertemittel 7 zur Verfügung
gestellt werden. Es ist aber auch denkbar, die Zählerwerte über
eine Datenausgabe auszugeben und extern zu verarbeiten.
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Bei
Erreichen der Referenzmarkierung 3 ändert sich
die vom optischen Sensor gemessene Lichtmenge oder Lichtintensität
signifikant, da die Referenzmarkierungen 3 das von der
Lichtquelle 6 eingestrahlte Licht beispielsweise stärker
reflektieren als die übrigen Bereiche der Oberfläche 8,
sodass über die Auswertemittel 7 die Referenzmarkierung 3 leicht erkannt
werden können. Beispielsweise kann das Erreichen der Referenzmarkierung 3 an
eine Steuerung 12 ausgegeben bzw. einer Steuerung über
einen digitalen Ausgang angezeigt werden. Besonders vorteilhaft
wirkt sich die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
angeordnete Lichtquelle 6 aus, welche unmittelbar dafür
sorgt, dass auch bei geringem Fremdlicht eine Referenzmarkierung 3 zu einer
signifikanten Steigerung der gemessenen Lichtmenge oder Lichtintensität
im optischen Sensor 2 führt.
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Beim
Erreichen der Referenzmarkierungen 3 können zudem
die Zählerwerte, welche dem Wegfortschritt der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und/oder deren Position entspricht, in einer Wertetabelle
abgelegt werden. Die Wertetabelle kann beispielsweise in einem Speicherbaustein
der Auswertemittel 7 aber auch räumlich außerhalb
der Auswertemittel, beispielsweise in einer externen Auswerteinstanz 11 bereitgestellt
werden. Hierdurch wird prinzipiell das Einlernen der Positionen,
vorzugsweise absoluten Positionen, der Referenzmarkierungen möglich.
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Erreicht
der optische Sensor eine Referenzmarkierung 3 kann über
die Auswertemittel 7 ein Plausibilitätstest durchgeführt
werden, bei welchem beispielsweise die durch die Zählerwerte
gegebene, gemessene Position des Sensors mit der tatsächlichen
Position des Sensors verglichen werden, die durch die Lage der Referenzmarke
und den entsprechenden in der Wertetabelle hinterlegten Wert gegeben
ist. Abhängig von dem Ergebnis des Plausibilitätstest
wird die optisch/akustische Signalanzeige 14 angesteuert
und ein optisches und/oder akustische Signal, beispielsweise im
Falle einer Störung wird erzeugt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht über
das Überprüfen des eigenen Zustands mittels des
Plausibilitätstest einen besonders hohen Grad an Sicherheit
im Betrieb, so dass die Vorrichtung auch in Sicherheit relevanten
Applikationen eingesetzt werden kann.
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Unterschiedliche
beispielhafte Ausprägungen der Referenzmarkierungen 3 zeigt
nun 2a) bis 2c)
in einer Draufsicht. Die Referenzmarkierungen 3 weisen
Bereiche 9 auf, welche besonders gute Reflektionseigenschaften
für Licht besitzen. Diese können beispielsweise
als spiegelnde oder als Reflektorflächen ausgebildet sein.
Die Bereiche 9 können beispielsweise durch eine
aufgeraute Metallfläche aber auch durch verspiegelte Flächenbereiche gebildet
werden. Die Bereiche 9 der Referenzmarkierung 3 gewährleisten,
dass der optische Sensor 2 beim Erreichen einer Referenzmarkierung
eine deutlich höhere Lichtintensität bzw. Lichtmenge
misst, sodass die Referenzmarkierung 3 schnell erkannt
werden kann.
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Die
Referenzmarkierungen können wie in 2a)
und 2b) dargestellt, charakteristische Muster
aufweisen, durch welche diese codiert sind. Es ist aber auch möglich,
wie 2c) zeigt, die Referenzmarkierung 3 durch
einen einzigen sehr gute Reflektionseigenschaften aufweisenden Bereich 9 auszubilden.
Umgekehrt ist es auch denkbar, dass eine entsprechende Markierung
gerade das Gegenteil bewirkt, nämlich eine deutliche Verringerung
der gemessenen Lichtintensität, beispielsweise durch stark
Licht absorbierende Flächen. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass die Referenzmarkierungen 3 Bereiche 10 mit
sehr hohem Absorptionsvermögen, beispielsweise matt-schwarze Bereiche
aufweisen. Wie bereits ausgeführt, können die
stark Licht absorbierenden Bereiche auch durch beispielsweise Vertiefungen
oder Löcher, Spalte im Boden realisiert werden.
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Eine
schematische Schaltungsskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Längen-
und/oder Geschwindigkeitsmessung zeigt 3. Die vom
optischen Sensor 2 generierten Messsignale werden an die
Auswertemittel 7 weitergeleitet, welche entsprechende Zählerwerte
erzeugen, um den Wegfortschritt und/oder die Position der Vorrichtung
zu bestimmen. Bei einem das Bildverarbeitungsverfahren verwendenden
optischen Sensor wird dies beispielsweise durch Korrelation mindestens
zweier zeitlich nacheinander folgender Bilder erreicht.
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Wird
eine Referenzmarkierung 3 erreicht, ändert sich
die gemessene Lichtmenge und/oder -intensität erfindungsgemäß deutlich.
Vorzugsweise führen die Auswertemittel 7 dann
einen Plausibilitätstest durch. Bei diesem Test werden
beispielsweise die der aktuellen gemessenen Position entsprechenden
Zählerwerte, welche beispielsweise einer Position der Vorrichtung
in einem kartesischen Koordinatensystem entsprechen, mit in einer
Wertetabelle abgelegten tatsächlichen Positionen für
die Referenzmarkierungen verglichen. Entsprechen die Zählerwerte
bei Erreichen einer Referenzmarkierung 3 nicht den in der
Wertetabelle abgelegten oder abgespeicherten Werten kann ein Signal über
den digitalen Ausgang 13 an eine externe Steuerung 12 sowie an
eine optische und/oder akustische Signalanzeige 14 gesetzt
werden. Die Steuereinheit 12 kann beispielsweise eine Steuereinheit
eines führerlosen Fahrzeuges sein.
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Sinnvoll
kann auch sein, bei bekannter Geschwindigkeit Plausibilitätstests
zeitlich periodisch oder nach einem bestimmten Wegfortschritt durchzuführen,
um die Genauigkeit einer Längenmessung zu erhöhen.
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Ferner
ist es möglich, eine übergeordnete Auswerteinstanz 11 vorzusehen,
an welche die an die Auswertemittel 7 weitergeleiteten
Bilder des optischen Sensors 2 gesandt werden können.
Hierdurch kann beispielsweise eine unabhängige Mustererkennung
erfolgen, um codierte Referenzmarkierungen 3 eindeutig
zu erkennen. Sind die Referenzmarkierungen 3 codiert und
Positionen d. h. Zählerwerten einer Wertetabelle zugeordnet,
ist ein einfacher Vergleich zwischen den aktuellen Zählerwerten
und der tatsächlichen Position der jeweiligen Referenzmarkierung 3 möglich.
Auf diese Weise wird es möglich, die tatsächliche
Position der Vorrichtung sehr genau zu bestimmen und beispielsweise
eine Korrektur der Zählerwerte durchzuführen.
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Zusätzlich
kann die übergeordnete Auswerteinstanz 11 ebenfalls
die Steuereinheit 12 mit Daten über das Erreichen
einer Referenzmarkierung bzw. das Erreichen einer codierten Referenzmarkierung versorgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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