DE102016114995A1

DE102016114995A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme von Entfernungsbildern

Info

Publication number: DE102016114995A1
Application number: DE102016114995.0A
Authority: DE
Inventors: Johann Hipp
Original assignee: TRIPLE-IN HOLDING AG
Current assignee: TRIPLE-IN HOLDING AG
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-10-05
Also published as: US20170285148A1; CN107367720A; CN107367720B; US10901072B2

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsbildern umfasst eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einen Aufnahmebereich und zumindest eine Empfangseinrichtung zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich reflektierter Strahlung, eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildpunkt bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, eine Ablenkeinrichtung, welche die Sendestrahlung wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches in einer Scanrichtung ablenkt, um pro Entfernungsbild nacheinander mehrere Scanraster von Entfernungsbildpunkten zu erzeugen, und eine Versatzeinrichtung, die durch Relativbewegung optischer Elemente aufeinanderfolgende Scanraster in einer Versatzrichtung gegeneinander versetzt, wobei jedes Entfernungsbild mehrere gegeneinander versetzte Scanraster von Entfernungsbildpunkten umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsbildern, umfassend eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einen Aufnahmebereich, zumindest eine Empfangseinrichtung zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich reflektierter Strahlung und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildpunkt bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird.
Entfernungsbilder werden zum Beispiel aufgenommen, um Oberflächen von Objekten im dreidimensionalen Raum zu erkennen und zu lokalisieren, also um 3D-Bilder von dem Objekt zu erzeugen. Bekannte Vorrichtungen lokalisieren Oberflächenpunkte auf dem Objekt mittels Laser und einer Messung der Laufzeit eines Laserstrahls von der Vorrichtung zu einem Entfernungsbildpunkt an dem Objekt und zurück.
Es sind sogenannte Line-Scanner bekannt, die eine gepulste Laserquelle umfassen, deren Laserpulse durch einen Drehspiegel wiederholt abgelenkt werden, um Entfernungsbildpunkte über einen Scanwinkel über das Objekt zu verteilen. Die so ermittelten Entfernungsbildpunkte liegen aus Sicht des Scanners auf einer Linie. Solche Line-Scanner können auf Trägern montiert werden, die eine definierte Bewegung vollführen, um einen Umgebungsbereich des Trägers dreidimensional zu scannen. Beispielsweise kann ein solcher Line-Scanner auf einem Zug montiert werden, um einen Tunnel dreidimensional zu vermessen.
Alternativ ist es in der Vermessungstechnik beispielsweise bekannt, einen Line-Scanner auf einen rotierbaren Fuß zu montieren, um die Bildpunktlinie des Line-Scanners nach und nach senkrecht zu der Scan-Linie zu verschieben, sodass ein dreidimensionales 360°-Bild der Umgebung des Line-Scanners aufgenommen werden kann.
Die genannten Vorrichtungen bzw. Verfahren sind zur Erzeugung einzelner 3D-Bilder grundsätzlich geeignet. Nachteilig ist jedoch, dass der gesamte Line-Scanner bewegt werden muss. Hierdurch wird die erreichbare Scangeschwindigkeit aus mechanischen Gründen erheblich beschränkt, so dass eine schnelle Aufnahme vieler 3D-Bilder hintereinander, beispielsweise mit einer Bildrate im Bereich von 1 bis 10 Hz, praktisch unmöglich ist. Außerdem erweist sich ein drehender Scanner in vielen Anwendungen aus Gründen von Wartung und Sicherheit als nachteilig.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsbildern anzugeben, die auf zuverlässige Weise und mit möglichst geringem Konstruktions- und Kostenaufwand eine möglichst hohe Entfernungsbildrate ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, welche die Sendestrahlung wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches in einer Scanrichtung ablenkt, um pro Entfernungsbild nacheinander mehrere Scanraster von Entfernungsbildpunkten zu erzeugen, und dass eine Versatzeinrichtung vorgesehen ist, die durch Relativbewegung optischer Elemente aufeinanderfolgende Scanraster in einer Versatzrichtung gegeneinander versetzt, wobei jedes Entfernungsbild mehrere gegeneinander versetzte Scanraster von Entfernungsbildpunkten umfasst.
Erfindungsgemäß können also Anordnung und Verteilung der Entfernungsbildpunkte in dem Aufnahmebereich durch Bewegung insbesondere lediglich der optischen Elemente relativ zueinander realisiert werden. Die optischen Elemente sind gemeinhin klein und weisen damit eine geringe Masse auf, so dass relativ hohe Bewegungsgeschwindigkeiten ohne übermäßige Trägheitseffekte möglich sind. Hierdurch werden mechanische Grenzen der Geschwindigkeit derart aufgehoben oder zumindest verlagert, dass eine hohe Entfernungsbildrate ermöglicht wird.
Außerdem lassen sich die optischen Elemente vorteilhafterweise in einem gemeinsamen Gehäuse anordnen, so dass keine nach außen weisenden, beweglichen Teile vorhanden sind. Dies erleichtert die Wartung und verbessert die Sicherheit.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei vielen Anwendungen nur ein relativ kleiner Aufnahmebereich, dafür aber eine vergleichsweise hohe Bildrate erforderlich sind. Während die eingangs beschriebene Vorrichtung der Vermessungstechnik im Wesentlichen die gesamte Umgebung, also 360° um die Rotationsachse des Line-Scanners, scannen kann, sind viele Anwendungsfälle denkbar, bei denen – wie beim menschlichen Auge – nur eine begrenzter Blickwinkel nötig ist. Ein solcher Fall ist beispielsweise das automatisierte Angreifen einer Lastaufnahme an ein Objekt, wie z.B. bei Containerkränen. Zur automatischen Steuerung und Überwachung eines Lastaufnahmevorgangs ist aber eine relativ schnelle Bildrate erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich also beispielsweise in definierter Lage an der Lastaufnahme derart montieren, dass ihr insbesondere begrenzter Aufnahmebereich auf das Objekt gerichtet ist. Hierdurch lässt sich eine vollautomatische 3D-Steuerung der Lastaufnahme relativ zu dem Objekt realisieren, und zwar insbesondere ohne dass irgendwelche speziellen Referenzierungsmittel an dem Objekt angebracht werden müssen. Eine 360°-Abtastung ist dabei nicht nötig.
Die Anordnung der Sender in einem Senderarray führt dazu, dass das Scanraster bereits eine Mehrzahl von Scanspalten von Entfernungsbildpunkten aufweist, und zwar entsprechend der Anzahl an Sendern in dem Array. So lässt sich bereits ohne Versatzeinrichtung eine gewisse Auflösung des Entfernungsbildes in einer Richtung insbesondere senkrecht zur Scanrichtung realisieren. Die erfindungsgemäße Versatzeinrichtung dient nun darüber hinaus der Erzeugung zusätzlicher Scanraster in Versatzrichtung, wodurch die Auflösung in Versatzrichtung weiter erhöht wird.
Der Begriff Auflösung bezieht sich im Rahmen dieser Offenbarung auf einen Winkelabstand zwischen zwei Entfernungsbildpunkten. Die Auflösung ist damit nicht abhängig vom Abstand des Objekts zu der Vorrichtung, jedoch steigt der absolute Abstand zwischen zwei benachbarten Entfernungsbildpunkten mit zunehmendem Abstand des Objekts zu der Vorrichtung. In Scanrichtung und in Versatzrichtung kann die jeweilige Auflösung unterschiedlich sein.
Erfindungsgemäß wird also eine relativ hohe Bildrate durch eine vorteilhafte Kombination der Versatzeinrichtung mit der Mehrzahl an in einem Array angeordneten Sendern erzielt. Diese Kombination ermöglicht es, dass mittels der Versatzeinrichtung für ein jeweiliges Entfernungsbild jeweils nur ein relativ kleiner Versatzweg zurückgelegt werden muss, da alle Senderstrahlen oder Sendestrahlungsbündel gemeinsam versetzt werden. Derart kleine Bewegungen lassen sich bei eher leichten und kleinen optischen Elementen auch mit relativ hoher Frequenz realisieren, was im Ergebnis eine vergleichsweise hohe Bildrate ermöglicht. Da nur ein kleiner Versatzweg notwendig ist, kann der Versatzvorgang auch als Kleinwinkelscan bezeichnet werden.
Insbesondere können die Sender und/oder eine Mehrzahl von Empfängern in einer Reihe mit konstantem Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Sendern bzw. Empfängern angeordnet sein, wobei die Versatzeinrichtung für ein jeweiliges Entfernungsbild lediglich eine Bewegung in Richtung der Reihe um einen Weg bewirkt, der kleiner oder gleich diesem Sender- bzw. Empfängerabstand ist.
Insbesondere lässt sich die Relativbewegung der optischen Elemente mittels der Versatzeinrichtung frei steuern, insbesondere hinsichtlich der Geschwindigkeit bzw. des zeitlichen Geschwindigkeitsprofils. Beispielsweise bei entsprechender Ansteuerung der Auswerteeinrichtung und/oder der Ablenkeinrichtung, insbesondere bei gleichbleibender Aktivität, also z.B. bei einer zeitlich konstanten Pulsrate, der Sender, kann erreicht werden, dass die Auflösung der aufgenommen Entfernungsbilder innerhalb bestimmter Bereiche im Wesentlichen frei wählbar ist. Die Auflösung ist dabei insbesondere in Abhängigkeit von der Bildrate einstellbar, wobei insbesondere bei höherer Bildrate eine gröbere Auflösung gewählt werden kann.
Somit lässt sich beispielsweise im Falle des genannten Containerkranes die Bildrate niedrig und die Auflösung fein einstellen, wenn die Lastaufnahme noch weit von dem aufzunehmenden Objekt, also dem Container, entfernt ist. In diesem Zustand lässt sich damit ein ausreichend kleiner absoluter Abstand von Entfernungsbildpunkten auf dem Objekt realisieren und eine hohe Bildrate ist nicht notwendig, da die Lastaufnahme lediglich grob in Richtung des Objekts gesteuert werden muss. Wenn sich jedoch die Lastaufnahme dem Objekt nähert, kann die Bildrate auf Kosten einer gröberen Auflösung erhöht werden. Dabei bleibt der absolute Abstand der Entfernungsbildpunkte an dem Objekt ausreichend klein, wobei nun aber auch schnellere Bewegungen des Objekts relativ zu der Lastaufnahme aufgrund der höheren Bildrate sicher erkannt werden können. Bildrate und Auflösung können sich also insbesondere online bedarfsgerecht anpassen lassen.
Die jeweiligen Entfernungen werden beispielsweise durch Messen der Strahlungslaufzeit bestimmt. Dies lässt sich beispielsweise mit als Laserquellen ausgebildeten Sendern realisieren, die eine Vielzahl an Laserpulsen aussenden. Aus der Laufzeit dieser Laserpulse zwischen Sender und Empfänger, welche auch als "time of flight" oder kurz als TOF bezeichnet wird, lassen sich die jeweiligen Entfernungen berechnen. Alternativ oder zusätzlich können die Sender aber auch z.B. kontinuierlich Strahlung aussenden und/oder die Entfernungen können anhand einer Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger ermittelt werden.
Als optische Elemente im Sinne der Erfindung sind insbesondere das Senderarray, die Ablenkeinrichtung und eine in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorhandene, insbesondere im Strahlengang zwischen Sender und Ablenkeinrichtung angeordnete Optik zu verstehen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Versatzeinrichtung eine bewegliche Optik, insbesondere ein Prisma, einen Spiegel oder eine Linse, bevorzugt eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse. Die Optik kann auch eine Mehrzahl der jeweiligen genannten Elemente oder Kombinationen davon umfassen. Insbesondere kann eine Mehrzahl an Linsen vorgesehen sein, die gemeinsam ein Objektiv bilden. Die Optik ist insbesondere translatorisch beweglich. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise der Vorrichtung beispielsweise im Vergleich zu einer rotatorisch bewegten Optik.
Die Versatzeinrichtung kann einen Aktuator umfassen, der eine zwischen Senderarray und Ablenkeinrichtung angeordnete Optik und/oder das Senderarray relativ zu der Ablenkeinrichtung bewegt. Grundsätzlich wäre es alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Ablenkeinrichtung zu verkippen und/oder zwei oder mehrere optische Elemente zu bewegen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Optik, insbesondere eine Linse, zu bewegen, da diese, insbesondere im Gegensatz zum Senderarray, keine elektrische Verbindung zu einer Energieversorgung benötigt. Eine besonders einfache Ausführungsform umfasst daher eine mittels eines wie auch immer ausgebildeten Aktuators bewegbare Linse. Die Linse kann dabei parallel zu einer Rotationsachse einer als Drehspiegel ausgebildeten Ablenkeinrichtung bewegt werden.
Insbesondere können die Optik und/oder das Senderarray, das Senderarray insbesondere zusammen mit einem Empfängerarray, motorisch verschiebbar sein. Dies lässt sich beispielsweise durch einen an eine Antriebswelle gekoppelten Exzenter realisieren, der auf die Optik bzw. das Senderarray wirkt. Auch kann eine mit einer Antriebswelle zusammenwirkende Kulissenführung zum periodischen Versetzen der Optik bzw. des Senderarrays vorgesehen sein. Der Aktuator kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise einen Piezo-Aktuator umfassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine mittels der Versatzeinrichtung erzeugbare Versatzbewegung eine periodische Hin- und Herbewegung. Die Hin- und Herbewegung kann z.B. im Geschwindigkeitsprofil im Wesentlichen sinusförmig verlaufen, zumindest bereichsweise eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit aufweisen und/oder zumindest eine, insbesondere eine Mehrzahl an, Haltestellen aufweisen. Insbesondere kann die Versatzbewegung eine Versatzamplitude aufweisen, die dem Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern entspricht oder kleiner ist als dieser. Alternativ oder zusätzlich kann die Versatzbewegung eine Versatzfrequenz aufweisen, die unter wenigen zehn Hz, insbesondere zwischen einigen wenigen Hz und wenigen zehn Hz liegt. Die Versatzfrequenz kann auch innerhalb dieser Grenzen einstellbar sein. Insbesondere entspricht die Versatzfrequenz dem Ein- oder Zweifachen der Bildrate.
Bei einer Weiterbildung weist das Senderarray eine maximale Längsausdehnung und eine maximale Querausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung auf, wobei die Querausdehnung kleiner, insbesondere um ein Vielfaches kleiner, ist als die Längsausdehnung. Insbesondere können die Sender in dem Array auf einer Geraden angeordnet sein, wobei bevorzugt die Sender entlang der Geraden gleichmäßig beabstandet sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft die Scanrichtung parallel zu einer wirksamen Längsausdehnung des Senderarrays, insbesondere zu einem Abbild des Senderarrays oder zu einer Reihe von Sendestrahlungsbündeln nach Passieren eines Strahlungsteilers, wobei die Versatzrichtung senkrecht zur Scanrichtung und insbesondere parallel zur wirksamen Längsausdehung des Senderarrays verläuft. Mit der wirksamen Längsausdehnung ist nicht notwendigerweise die tatsächliche körperliche Anordnung der einzelnen Sender in der Vorrichtung gemeint, sondern die relative Positionierung der sich ausbreitenden Sendestrahlung bzw. Sendestrahlungsbündel der Sender in einem Ausbreitungsbereich vor der Ablenkeinrichtung.
Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders kompakte Bauweise der Vorrichtung. Außerdem optimiert diese Ausführungsform das bevorzugte allgemeinere Konzept der Erfindung, eine Array-Anordnung – insbesondere eine Reihenanordnung – der Sender dahingehend zu nutzen, dass nur in einer Richtung – insbesondere senkrecht zur wirksamen Längsausdehnung dieser Reihe – ein relativ großer Scanwinkelbereich benötigt wird (der sich z.B. mit einem einzigen Drehspiegel auf einfache Weise realisieren lässt) und in einer davon verschiedenen – insbesondere dazu senkrechten – Richtung nur ein vergleichsweise kleiner Versatzwinkelbereich erforderlich ist (der beispielsweise durch eine kleine translatorische Bewegung eines oder mehrerer optischer Elemente realisiert werden kann und folglich keine zweite Rotationsbewegung und somit weder einen zweiten Drehspiegel noch eine Drehung der Vorrichtung als Ganzes benötigt).
Die Anzahl der Sender kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung zwischen 4 und 24 liegen, insbesondere 8 oder 16 betragen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern im Bereich von 4 bis 12 mm liegen, insbesondere etwa 6 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann die maximale Längsausdehnung des Senderarrays im Bereich von 32 bis 96 mm liegen, insbesondere etwa 42 mm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern einem Sendewinkel im Bereich von 2° bis 12°, insbesondere 2° bis 6°, entsprechen, insbesondere von etwa 4,3°. Die genannten Wertebereiche und Werte stellen bereits jeweils für sich genommen, insbesondere aber in einer wie auch immer konkret ausgebildeten Kombination, einen vorteilhaften Kompromiss zwischen Baugröße, Herstellungskosten und erreichbaren Werten für Bildrate und Auflösung dar.
Bei einer Ausführungsform ist eine zwischen dem Senderarray und der Ablenkeinrichtung angeordnete Optik derart ausgebildet, dass ein in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen vorhandener Divergenzunterschied jedes Senders reduziert und insbesondere zumindest weitgehend ausgeglichen ist. Ein solcher Divergenzunterschied kann beispielsweise dadurch begründet sein, dass eine Laserdiode als Sender Verwendung findet. Viele solcher Laserdioden weisen keine – wie es in vielen Anwendungsfällen wünschenswert wäre – punktförmige Abstrahlcharakteristik, sondern eine andere, z.B. im Wesentlichen rechteckige, Strahlform, also einen Divergenzunterschied, auf. Ein solcher Divergenzunterschied lässt sich beispielsweise durch eine geeignete Form der Optik, insbesondere Linse, und/oder durch Abschirmelemente, wie z.B. schwarze Flächen, ausgleichen.
Bei der Ablenkeinrichtung kann es sich vorteilhafterweise um einen Drehspiegel handeln. Insbesondere kann eine Drehachse des Drehspiegels parallel zur Versatzrichtung verlaufen. Diese besonders einfache Ausführungsform dient ebenfalls einer besonders kompakten Bauweise. Die Ablenkeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich als Polygonspiegel ausgebildet sein, der mit einer Mehrzahl von n aufeinanderfolgend von der Sendestrahlung beaufschlagbaren, jeweils den gleichen Winkelbereich von zumindest näherungsweise 360°/n abdeckenden Ablenkflächen versehen ist, wobei bevorzugt n geradzahlig ist oder n = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, insbesondere n = 3, 4 oder 5 ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmebereich einem mittels der Sendestrahlung abdeckbaren Raumwinkel von D × V entspricht, wobei D der mittels der Ablenkeinrichtung abdeckbare Scanwinkelbereich und V der sich senkrecht zum Scanwinkelbereich erstreckende Versatzwinkelbereich ist, der sich aus der Summe der entsprechenden Ausdehnung des Senderarrays und einem vorgegebenen, mittels der Versatzeinrichtung erzeugbaren Versatz ergibt, und wobei vorzugsweise D etwa im Bereich von 45° bis 180°, insbesondere zwischen 45° und 120°, liegt und V etwa im Bereich von 12° bis 72°, insbesondere zwischen 12° und 45°, liegt.
Die Sender können jeweils als Strahlungsquelle z.B. einen Laser, insbesondere eine GaAs-Laserdiode oder einen Faserlaser, oder eine LED umfassen. Die Verwendung von Dioden wirkt sich dabei vorteilhaft hinsichtlich Kosten und Bauraum aus. Insbesondere GaAs-Laserdioden sind relativ kostengünstig und bieten gleichwohl eine gute Performance, indem sie beispielsweise, insbesondere in Verbindung mit einer Anordnung der Laserdioden in einem Array, eine Pulsrate ermöglichen, die bei TOF-Messungen für relativ hohe Bildraten ausreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Empfangseinrichtung eine Mehrzahl von in einem Array angeordneten Empfängern, wobei bevorzugt jedem Empfänger genau ein Sender zugeordnet ist, und umgekehrt.
Der oder die Empfänger können von den Sendern getrennt angeordnet sein. Beispielsweise kann im Strahlengang zwischen der Ablenkeinrichtung und dem Senderarray ein Strahlungsteiler angeordnet sein, der einen Teil der aus dem Aufnahmebereich reflektierten Strahlung zu der Empfangseinrichtung ablenkt. Alternativ oder zusätzlich können Sender und Empfangseinrichtung jeweils eine eigene Optik, z.B. Linse, aufweisen und/oder derart angeordnet sein, dass optische Achsen der Sender und Empfangseinrichtung zumindest im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Eine derartige Anordnung kann auch als parallel-optisches System bezeichnet werden.
Der vorstehend genannte Strahlungsteiler kann insbesondere als geometrischer Strahlungsteiler ausgebildet sein. Der Strahlungsteiler umfasst insbesondere einen zumindest im Wesentlichen vollständig reflektierenden Spiegel, und insbesondere keinen teildurchlässigen Spiegel. Insbesondere trennt der geometrische Strahlungsteiler einen Sendestrahlungsbereich und einen Empfangsstrahlungsbereich voneinander. Durch den z.B. streifenförmigen, insbesondere rechteckingen oder trapezförmigen, geometrischen Strahlungsteiler lässt sich eine Reichweite der Vorrichtung verbessern, insbesondere im Gegensatz zu einem als teildurchlässiger Spiegel ausgeführten Strahlungsteiler. Der geometrische Strahlungsteiler kann bei relativ schmalen Sendestrahlungsbündeln ebenfalls relativ schmal ausgeführt werden, so dass nur ein kleiner Teil einer Linsenfläche durch den geometrischen Strahlungsteiler abgedeckt werden muss, so dass wiederum die verbleibende Linsenfläche, welche eine Reflexion zu den Empfängern erlaubt, relativ groß ist. An dem geometrischen Strahlungsteiler geht also weniger Strahlungsleistung verloren als beispielsweise an einem teildurchlässigen Spiegel.
In einer Ausführungsform ist der Sendestrahlungsbereich von dem Empfangsstrahlungsbereich abgeschirmt. Die Empfangseinrichtung ist dabei insbesondere gegenüber den Sendern optisch derart abgeschirmt, dass von den Sendern ausgesandte Strahlung nicht zu der Empfangseinrichtung gelangen kann, ohne dass die Strahlung den Aufnahmebereich passiert und von dem Objekt reflektiert wird. Zur Abschirmung sind beispielweise die Senderstrahlung seitlich begrenzende, schwarze Flächen vorgesehen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Senderarray, die Empfangseinrichtung, die Ablenkeinrichtung und die Versatzeinrichtung in einem gemeinsamen geschlossenen Gehäuse angeordnet. Somit ist gewährleistet, dass keine beweglichen Teile außerhalb des Gehäuses notwendig sind und somit ein hohes Maß an Sicherheit und eine einfache Wartung gewährleistet sind. Insbesondere weist das Gehäuse ein gemeinsames Austrittsfenster für die in den Aufnahmebereich ausgesandte und für die aus dem Aufnahmebereich reflektierte Strahlung auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse, wobei insbesondere die Sender in Bezug auf die Linse derart ausgerichtet sind, dass jeweils die Sendestrahlung einen gemeinsamen Mittenbereich der Linse passiert, d.h. jeweilige Sendestrahlungsbündel einen gemeinsamen Mittenbereich der Linse passieren. Hierdurch können Reichweite und Genauigkeit verbessert werden, da die Linse im Allgemeinen im Mittenbereich bessere optische Eigenschaften aufweist als in einem Randbereich. Alternativ können die Sender in Bezug auf die Linse derart ausgerichtet sein, dass Strahlenbündel von den Sendern im Wesentlichen parallel zueinander in die Linse einfallen, so dass aus der Linse austretende Sendestrahlen konvergieren und sich z.B. in einem äußeren Brennpunkt schneiden. Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders kompakte Ausführung der Vorrichtung, da die Ablenkvorrichtung dabei relativ klein ausgeführt werden kann.
Insbesondere kann ein von einem jeweiligen Sender ausgesendetes Strahlenbündel divergent vom jeweiligen Sender ausgestrahlt und durch eine Optik, z.B. eine Linse, bevorzugt eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse, parallelisiert werden, um eine hohe Reichweite zu ermöglichen.
Bei einer Weiterbildung weist die Auswerteeinrichtung eine Mehrzahl an Zeitmesseinrichtungen zum Bestimmen der Entfernungen auf Grundlage einer jeweiligen Strahlungslaufzeit auf. Dabei kann jedem Sender eine Zeitmesseinrichtung zugeordnet sein. Alternativ kann eine jeweilige Zeitmesseinrichtung zumindest zwei Sendern zugeordnet sein. Dabei können die einzelnen Laufzeitmessungen durch Multiplexing verarbeitet werden. Insbesondere lassen sich dadurch die Zeitmesseinrichtungen parallel betreiben und auswerten. Die Funktionsweise von Zeitmesseinrichtungen zur Aufnahme von Entfernungsbildern ist in EP 1 901 093 A1 näher beschrieben, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen oder mehrere sogenannte KEM-ICs umfassen, wie es in der vorgenannten Schrift sowie in der EP 1 522 870 A1 beschrieben ist, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Hierdurch können insbesondere ein Senderarray, ein Empfängerarray und ein Zeitmessarray, wie es in den vorgenannten Schriften offenbart ist, miteinander kombiniert werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass keine Bilddrehung während einer Bewegung der Ablenkeinrichtung auftritt. Dabei kann die Ablenkeinrichtung beispielsweise als rotierbarer Polygonspiegel ausgebildet sein. Durch Vermeidung der Bilddrehung lässt sich das Entfernungsbild einfacher berechnen und darstellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. Das Verfahren lässt sich insbesondere durch eine hierin beschriebene Vorrichtung durchführen und/oder im Sinne dieser Vorrichtung weiterbilden. Umgekehrt lässt sich auch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Sinne jeglicher hierin beschriebener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterbilden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Selbstdiagnose, einer Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten aufweisenden Entfernungsbildern. Die Vorrichtung kann insbesondere eine hierin beschriebene Vorrichtung sein. Bei dem Verfahren wird elektromagnetische Strahlung mittels einer Mehrzahl von in einem Array angeordneten Sendern in einen Aufnahmebereich ausgesendet und aus dem Aufnahmebereich reflektierte Strahlung mittels zumindest einer Empfangseinrichtung detektiert. Es werden die jeweils einen Entfernungsbildpunkt bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird. Die Sendestrahlung wird wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches in einer Scanrichtung abgelenkt, um pro Entfernungsbild nacheinander mehrere Scanraster von Entfernungsbildpunkten zu erzeugen. Hierbei werden aufeinanderfolgende Scanraster, insbesondere durch Relativbewegung optischer Elemente, in einer Versatzrichtung gegeneinander versetzt, wobei jedes Entfernungsbild aus mehreren gegeneinander versetzten Scanrastern von Entfernungsbildpunkten gebildet wird. Ferner werden, insbesondere mehrmals in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, von zumindest zwei unterschiedlichen Sendern stammende Entfernungsbildpunkte und/oder Mengen von Entfernungsbildpunkten miteinander verglichen. Eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung wird als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt.
Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass aufgrund der Mehrzahl von Sendern gewissermaßen mehrere parallel arbeitende "Einzel-Entfernungsmesser" vorhanden sind und daher folglich automatisch eine Redundanz gegeben ist, die dazu genutzt werden kann, einen nicht bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung zu erkennen. Dieser kann z.B. darin begründet liegen, dass einer der Sender oder – wenn jedem Sender ein eigener Empfänger zugeordnet ist – einer der Empfänger nicht richtig arbeitet oder ein wie auch immer gearteter elektronischer Fehler vorliegt. Das Vorliegen einer solchen Störung gleichzeitig bei beiden "Einzel-Entfernungsmessern" ist extrem unwahrscheinlich, weshalb im Falle einer durch den Vergleich erkannten Abweichung auf eine Störung in einem der beiden "Einzel-Entfernungsmesser" geschlossen werden kann.
Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass bei einer Aufnahmevorrichtung, die mehrere Sender bzw. Einzel-Entfernungsmesser beinhaltet, diese nicht nur zur Verbesserung der Scangeschwindigkeit und der Auflösung, sondern gleichzeitig praktisch ohne Mehraufwand auch für eine Selbstdiagnose oder eine Sicherheitsfunktion verwendet werden können.
Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, da im Falle einer erkannten Störung die Vorrichtung dies signalisieren oder melden kann oder eine andere, wie auch immer geartete Sicherheitsmaßnahme ergreifen kann. Die Sicherheit der Aufnahmevorrichtung oder einer mit deren Hilfe betriebenen größeren Einrichtung wie z.B. eines Vermessungssystems, eines Fahrzeug oder einer Transport- oder Handhabungseinrichtung wie beispielsweise eines Kranes kann auf diese Weise zuverlässig hergestellt werden. Insbesondere kann ein zumindest teilweise automatisiert ablaufender Arbeitsvorgang mittels einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art bzw. des vorstehend beschriebenen Verfahrens überwacht werden, wobei im Falle eines nicht bestimmungsgemäßen Zustands der Arbeitsvorgang angepasst und/oder angehalten wird.
Von Vorteil ist, dass der Vergleich der Entfernungsbildpunkte, d.h. der entsprechenden Messwerte, parallel zum normalen Aufnahmebetrieb erfolgen kann und lediglich softwaremäßig implementiert zu werden braucht.
Erfindungsgemäß kann ein jeweiliger Vergleich z.B. innerhalb eines Scanrasters oder innerhalb eines Entfernungsbilds erfolgen. Im letzteren Fall kann eine Mehrzahl von Entfernungsbildpunkten, die zu unterschiedlichen Scanrastern des gleichen Entfernungsbildes gehören, miteinander verglichen werden. Beispielsweise können Mengen von Entfernungsbildpunkten miteinander verglichen werden, die auf dem jeweiligen Objekt unmittelbar – bezogen auf die räumliche Auflösung der Vorrichtung – nebeneinander liegen. Es können für den Vergleich aber auch unterschiedliche Entfernungsbilder verwendet werden, so dass z.B. ein oder mehrere Entfernungsbildpunkte aus einem ersten Entfernungsbild mit dem oder den entsprechenden Entfernungsbildpunkten eines nachfolgenden Entfernungsbildes verglichen werden. Beispielsweise können Mengen von Entfernungsbildpunkten miteinander verglichen werden, die unmittelbar – bezogen auf die zeitliche Auflösung der Vorrichtung – aufeinander folgen. Es kann folglich eine räumliche und/oder eine zeitliche Nähe von zu vergleichenden Entfernungsbildpunkten verwendet werden.
Zur Selbstdiagnose der Vorrichtung kann auch ein Referenzaufnahmeszenario herangezogen werden, bei dem überprüft wird, ob ein Referenzobjekt noch sicher detektiert werden kann. Gemäß einer solchen Ausführungsform werden zunächst, insbesondere unter genau definierten Aufnahmebedingungen, einem Referenzobjekt zugeordnete Referenzentfernungsbildpunkte bestimmt. Zur Ausführung der Selbstdiagnose werden in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen den Referenzentfernungsbildpunkten entsprechende Testentfernungsbildpunkte bestimmt und mit den Referenzentfernungsbildpunkten verglichen. Eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung wird dann als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt.
Das Referenzobjekt kann sich durch genau definierte Eigenschaften auszeichnen, insbesondere durch genau definierte Remissionseigenschaften, z.B. einen bestimmten Remissionsgrad (Quotient aus der in Messrichtung remittierten Leuchtdichte der Oberfläche des Referenzobjekts und der entsprechenden Leuchtdichte eines referenzweißen Objekts). Die Größe sowie die Remissionseigenschaften (z.B. 5% Remissionsgrad) des Referenzobjekts werden unter Berücksichtigung derjenigen Objekte festgelegt, die mittels der Vorrichtung bzw. des Verfahrens gerade noch sicher erfasst werden sollen. Das Referenzobjekt wird im Aufnahmebereich der Vorrichtung vorzugsweise an einer genau definierten Position angeordnet, wobei die Distanz (z.B. 20 m) zwischen dem Referenzobjekt und der Vorrichtung vorzugsweise diejenige Distanz ist, bis zu der Objekte gerade noch sicher erfasst werden sollen. Man kann diese maximale Messdistanz auch als "Grenzentfernung" bezeichnen.
Das Referenzobjekt kann in dem Aufnahmebereich der Vorrichtung fest positioniert sein, wobei die Position des Referenzobjekts relativ zu der Vorrichtung konstant sein kann. Das Referenzobjekt kann z.B. an einem beweglichen Kran befestigt oder in diesen integriert sein. Zusätzlich kann auch die Vorrichtung an dem Kran befestigt sein, und zwar derart, dass die Position des Referenzobjekts relativ zu der Vorrichtung zumindest in bestimmten Bewegungskonfigurationen des Krans bekannt ist, wobei in einer solchen bestimmten Bewegungskonfiguration eine Selbstdiagnose durchgeführt werden kann. Vorzugsweise sind das Referenzobjekt und die Vorrichtung unabhängig von einer Kranbewegung stets identisch relativ zueinander positioniert, sodass eine Selbstdiagnose zu praktisch beliebigen Zeitpunkten durchgeführt werden kann. Das Rerefenzobjekt kann unmittelbar ein Element oder eine Struktur des Krans sein, deren Referenzentfernungbildpunkte lediglich einmal ermittelt werden müssen. Auf eine Befestigung eines separaten Referenzobjekts kann somit verzichtet werden. Die genannten vorbestimmten Remissionseigenschaften können dennoch z.B. mit einem geeigneten Farbanstrich des als Referenzobjekt ausgewählten Kranelements realisiert werden. Denkbar ist auch, dass ein Referenzobjekt an der Vorrichtung selbst befestigt oder integriert wird, z.B. innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung.
Die Referenzentfernungsbildpunkte sind solche Entfernungsbildpunkte, die auf dem genau definierten und positionierten Referenzobjekt liegen. Die Referenzentfernungsbildpunkte werden vorzugsweise unter genau definierten Aufnahmebedingungen erzeugt. Insbesondere bei einem Außeneinsatz werden also bei der Aufnahme bestimmte Wetterbedingungen gefordert, unter denen das Referenzobjekt gerade noch sicher erfasst werden soll (z.B. bestimmter Niederschlagsgrad wie etwa Nebel).
Die Referenzentfernungsbildpunkte werden vorzugsweise abgespeichert und sind zur Ausführung einer Selbstdiagnose auslesbar. Die Testentfernungsbildpunkte bilden die Entfernungen des Referenzobjekts zumindest im Wesentlichen an den gleichen Punkten ab. Zur Überprüfung der sicheren Funktion der Vorrichtung werden die Testentfernungsbildpunkte mit den Referenzentfernungsbildpunkten verglichen. Beispielsweise kann festgelegt sein, dass eine bestimmte Anzahl von Testentfernungsbildpunkten (z.B. mindestens 50%) im Wesentlichen gleich den Referenzbildpunkten sein muss, um eine sichere bzw. fehlerfreie Funktionsweise der Vorrichtung zu bejahen. Andernfalls wird, z.B. aufgrund schlechter Wetterbedingungen, eine Störung detektiert, die zur Anpassung oder zum Anhalten eines Arbeitsvorgangs führen kann.
Der Vergleich der Testentfernungsbildpunkte mit den Referenzentfernungsbildpunkten kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Es können z.B. die gemessenen Entfernungswerte miteinander verglichen werden, die möglichst übereinstimmen sollten. Tun sie dies nicht, liegt ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand vor. Abgesehen von den Entfernungswerten kann aber auch die relative Messamplitude des jeweils betreffenden Senders berücksichtigt werden, d.h. es wird ermittelt, welcher Anteil der zur Erzeugung eines Testentfernungsbildpunkts ausgesandten Messstrahlung an der Empfangseinrichtung tatsächlich empfangen wird. Unter bestimmten Wetterbedingungen ist es möglich, dass zwar noch die richtige Entfernung gemessen wird, die Messamplitude aber bereits sehr gering ist, wobei das Signal-zu-Rausch Verhältnis kritische Werte annimmt. Dies kann bereits hinreichend für eine eingeschränkte Zuverlässigkeit der Vorrichtung sein. Ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand kann also bereits dann vorliegen, wenn ein bestimmter Anteil von Testentfernungsbildpunkten Messamplituden aufweist, die unterhalb eines Schwellenwerts liegen, der auf der Grundlage der Messamplituden der entsprechenden Referenzentfernungsbildpunkte definiert wird. Vorzugsweise basiert der Vergleich zwischen den Test- und den Referenzentfernungsbildpunkten sowohl auf den jeweiligen Entfernungswerten als auch den jeweiligen Messamplituden.
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Vorrichtung können wenigstens zwei verschiedene Sender und/oder Empfangseinrichtungen oder wenigstens zwei verschiedene Gruppen von Sendern und/oder Empfangseinrichtungen getrennt voneinander, insbesondere über eine jeweilige eigene Schnittstelle (z.B. Ethernet), angesteuert werden. Ebenso kann die Bestimmung der einzelnen Entfernungsbildpunkte, die mit den Gruppen von Sendern und/oder Empfangseinrichtungen durchgeführt wird, separat bzw. getrennt voneinander erfolgen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Überwachen eines, insbesondere zumindest teilweise automatisiert ablaufenden, Arbeitsvorgangs mittels der oben beschriebenen Vorrichtung, die insbesondere gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betrieben wird. Das Überwachungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass um zumindest einen Teil eines Überwachungsobjekts herum wenigstens ein dreidimensionaler Überwachungsraum definiert wird, wobei innerhalb des Überwachungsraums liegende Entfernungsbildpunkte bestimmt werden, und anhand der innerhalb des Überwachungsraums liegenden Entfernungsbildpunkte ermittelt wird, ob sich ein Störobjekt im Überwachungsraum befindet.
Der Überwachungsraum ist ein "virtueller" Raum, der durch eine Menge von Entfernungs- und Winkelwerten von der Vorrichtung definiert ist. Insbesondere sind die Grenzen des Überwachungsraumes durch Entfernungs- und Winkelwerte definiert. Mittels der Vorrichtung gemessene winkelabhängige Entfernungsbildpunkte zu einem Objekt können also rechnerisch, d.h. durch Auswerten der gemessenen Entfernungen und zugehörigen Winkelwerte bezüglich der den Überwachungsraum definierenden Entfernungs- und Winkelwerte, daraufhin überprüft werden, wo sie bezüglich des Überwachungsraumes liegen, insbesondere ob sie innerhalb oder außerhalb des Überwachungsraumes liegen, so dass die Vorrichtung ermitteln kann, ob der Überwachungsraum durch das betreffende Objekt verletzt ist oder nicht, insbesondere also, ob das Überwachungsobjekt durch das betreffende Objekt gefährdet ist oder nicht.
Im Einklang mit der bisherigen Terminologie eines jeweiligen "Objekts", das sich im Aufnahmebereich der Vorrichtung befindet und durch Entfernungsbildpunkte erfasst wird, sind auch das genannte Überwachungsobjekt und das Störobjekt solche Objekte. Das Überwachungsobjekt ist jedoch ein Objekt, das Gegenstand einer räumlichen Überwachung ist. Hierzu wird um das Überwachungsobjekt herum ein Überwachungsraum definiert, der mittels der Vorrichtung rein optisch bzw. rechnerisch dahingehend überwacht wird, ob ein Störobjekt in den Überwachungsraum eindringt oder eingedrungen ist und somit eine potentielle (Kollisions-)Gefahr für das Überwachungsobjekt darstellt. Mit anderen Worten wird überprüft, ob ein Gefährdungsobjekt den Überwachungsraum verletzt.
Falls ein Gefährdungsobjekt den Überwachungsraum verletzt, können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, wie weiter unten noch genauer erläutert wird. Insbesondere kann ein von der Vorrichtung überwachter Arbeitsvorgang aktiv beeinflusst oder ein Warnsignal an einen mit dem Arbeitsvorgang betrauten Benutzer übermittelt werden.
Der Überwachungsraum kann in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen neu definiert und/oder aktualisiert werden. Insbesondere kann der Überwachungsraum gemeinsam mit dem Überwachungsobjekt bewegt werden, d.h. der Überwachungsraum kann dem Überwachungsobjekt nachgeführt werden.
Der Überwachungsraum kann unter Berücksichtigung der zu erwartenden maximalen Bewegungsgeschwindigkeit – des Überwachungsobjekts oder der in Frage kommenden Störobjekte – definiert sein. So kann der Überwachungsraum umso größer sein, je höher die aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit des Überwachungsobjekts ist bzw. je höhere Bewegungsgeschwindigkeiten für potentielle Störobjekte erwartet werden. Auf diese Weise kann das Risiko eine Kollision des Überwachungsobjekts mit einem den Überwachungsraum verletzenden Störobjekt reduziert werden.
Der Überwachungsraum kann sogar adaptiv verändert werden, wobei insbesondere die Form und/oder die Größe des Überwachungsraums in Abhängigkeit von dem überwachten Arbeitsvorgang, insbesondere von der Kinematik oder der Dynamik des Überwachungsobjekts, definiert wird. Der Überwachungsraum ist also nicht statisch gleichbleibend ausgebildet, sondern kann auf intelligente Weise angepasst werden. Das Kollisionsrisiko kann somit noch weiter reduziert werden, ohne den Arbeitsvorgang durch übergroße Vorsicht zu beeinträchtigen oder durch zu hohes Risiko zu gefährden.
Der Arbeitsvorgang kann allgemein dahingehend angepasst werden, dass eine Kollision zwischen einem Überwachungsobjekt und einem Störobjekt vermieden wird, ohne den Arbeitsvorgang anzuhalten. Es ist selbstverständlich möglich, den Arbeitsvorgang bei drohender Kollision anzuhalten. Alternativ ist es allerdings möglich, den kinematischen bzw. dynamischen Ablauf des Arbeitsvorgangs z.B. durch Ausweichen und/oder Verlangsamen anzupassen, sofern hierdurch eine Kollision noch sicher vermieden werden kann. Ein Vorteil ist hierbei, dass der Arbeitsvorgang nicht abrupt unterbrochen werden muss, sondern auf geeignete Weise modifiziert werden kann. Unerwünschte Notbremsvorgänge, die z.B. die Arbeitseffizienz negativ beeinflussen könnten, werden auf diese Weise zumindest zu einem gewissen Grad vermieden, d.h. es wird bei Kollisionsgefahr versucht, eine Kollision durch "möglichst milde Mittel", d.h. auf intelligentem Wege zu vermeiden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Überwachungsraum in mehrere, insbesondere zwei oder drei, Schutzvolumina unterteilt, wobei bevorzugt die Schutzvolumina zumindest teilweise ineinander geschachtelt sind. Beispielsweise können die Schutzvolumina schalen- oder schichtartig ineinander liegen. Auf diese Weise können sich die Schutzvolumina wie die Schalen einer Zwiebel um das Überwachungsobjekt erstrecken. Die Unterteilung des Überwachungsraums in Schutzvolumina kann insbesondere im Hinblick auf die oben geschilderte intelligente Anpassung des Arbeitsvorgangs genutzt werden, wobei die Vorrichtung feststellen kann, in welchem oder welchen Schutzvolumina sich ein Störobjekt befindet. So kann der Arbeitsvorgang in Abhängigkeit davon, welche Schutzvolumina von einem jeweiligen Störobjekt verletzt werden, unterschiedlich angepasst werden.
Beispielsweise kann der Arbeitsvorgang angehalten werden, wenn ein Störobjekt ein inneres Schutzvolumen verletzt. Sofern ein äußeres Schutzvolumen verletzt wird, in der das Störobjekt noch einen größeren Abstand zum Überwachungsobjekt besitzt, kann hingegen z.B. eine Ausweichbewegung des Überwachungsobjekts ausgeführt werden, sodass ein unerwünschtes Anhalten (z.B. "Notbremsen") des Arbeitsvorgangs vermieden wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind ein inneres, ein mittleres und ein äußeres Schutzvolumen vorgesehen. Der Arbeitsvorgang wird angehalten, wenn das Störobjekt das innere Schutzvolumen verletzt. Wenn das Störobjekt das mittlere Schutzvolumen verletzt, wird eine Bewegung eines sich bei dem Arbeitsvorgang bewegenden, insbesondere die Vorrichtung tragenden, Objektes verlangsamt. Wenn das Störobjekt das äußere Schutzvolumen verletzt, wird eine kinematische Bahn der Bewegung des Objektes angepasst, insbesondere in eine Ausweichbewegung geändert.
Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit der Detektion von Störobjekten können wenigstens zwei Vorrichtungen vorgesehen sein, die jeweils einem Überwachungsraum zugeordnet sind, wobei die Überwachungsräume einander überlappen und in den Überlappungsbereich fallende Entfernungsbildpunkte miteinander verglichen werden, und wobei eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.
Das Konzept einer redundanten Überwachung mit mehreren Sendern einer einzelnen Vorrichtung (d.h. auf der Ebene von Entfernungsbildpunkten eines einzelnen Entfernungsbildes) kann somit dahingehend erweitert werden, dass bestimmte Bereiche redundant bzw. doppelt durch zwei Vorrichtungen überwacht werden. In diesem Bereich überlappen sich die von den Vorrichtungen überwachten Überwachungsräume.
Die Vorteile der beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen kommen in einer ganzen Reihe von denkbaren Anwendungen zur Geltung. Als ein konkretes Beispiel seien hier Containerterminals angeführt, bei denen Container oder andere Objekte durch zumindest teilweise automatisierte Arbeitsvorgänge zwischen zwei Transportmitteln umgeschlagen werden. Die Container kommen primär als Überwachungsobjekte in Frage, da sie unter allen Umständen vor Kollisionen geschützt werden müssen; sie können aber auch Störobjekte sein. Störobjekte sind in diesem Anwendungsfall jedenfalls nur solche Objekte, die ein relevantes Kollisionsrisiko darstellen, also insbesondere andere Container oder Elemente von Containerkränen und dergleichen, aber keine ungefährlichen Objekte wie beispielswiese Vögel. Überwachungsobjekte können aber auch Elemente (z.B. Stützpfeiler, Laufkatze) von Containerkränen sein, die gegebenenfalls ebenfalls vor Kollisionen geschützt werden sollen. Ein Überwachungsobjekt kann also gleichzeitig auch Störobjekt für ein weiteres Überwachungsobjekt sein. Die Zuordnung von Objekten im Aufnahmebereich zu Überwachungs- oder Störobjekten kann softwarebasiert aus den Entfernungsbildern von der Vorrichtung selbst, aber auch von externen Erkennungseinrichtungen durchgeführt werden. Hierbei ist es möglich, dass von einer Vorrichtung mehrere Objekte gleichzeitig als Überwachungsobjekte behandelt werden.
Es versteht sich, dass sowohl ein Überwachungsobjekt als auch ein Störobjekt bewegte oder ortsfeste Objekte sein können. Somit kann sich der oben erwähnte Arbeitsvorgang sowohl auf eine Bewegung eines Überwachungs- als auch eines Störobjekts beziehen. Ein sich im Zuge eines automatisierten Arbeitsvorgangs bewegendes Störobjekt kann z.B. ein Stützpfeiler oder Greifer eines verfahrbaren Portalkrans sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Überwachung eines Überwachungsobjekts z.B. an einer bewegten Einrichtung, insbesondere an einem Portalkran (z.B. an einem Stützpfeiler oder einer Laufkatze) befestigt sein. Somit kann die Vorrichtung selbst bewegbar sein. Auch in einem solchen Fall kann das beschriebene Überwachungskonzept eingesetzt werden, wobei z.B. ein stationärer Container zuverlässig überwacht und geschützt werden kann. Der betreffende Überwachungsraum kann hierfür im Zuge einer Bewegung der Vorrichtung so angepasst werden, dass dieser in der gewünschten Weise um den Container herum definiert bleibt und nicht etwa mit der Vorrichtung mitbewegt wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in einer kurzen Reaktionszeit (Latenz). Eine Störung – sei es aufgrund einer Fehlfunktion der Vorrichtung oder eines den Überwachungsraum verletzenden Störobjekts – kann prinzipiell sehr schnell, praktisch in Echtzeit, erkannt werden. Dies liegt zum einen daran, dass zur Selbstdiagnose oder zum Erkennen eines Störobjekts der Einsatz lediglich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichend ist, d.h. es müssen nicht mehrere Vorrichtungen synchron angesteuert und die entsprechenden Messergebnisse gemeinsam ausgewertet werden, wie dies bislang der Fall war.
Ein Grund für die bisherige im Stand der Technik gewählte Vorgehensweise mit mehreren Vorrichtungen liegt darin, dass bislang noch keine Vorrichtung verfügbar war, mit der Überwachungsräume mit genügend hoher zeitlicher Frequenz überwacht werden konnten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt hingegen die Aufnahme von Entfernungsbildern z.B. mit einer Frequenz von 10 Hz, sodass Überwachungsobjekte mit hinreichend hoher Bildfolge überwacht werden können. Ein weiterer Grund für die kurze Reaktionszeit liegt darin, dass die Selbstdiagnose parallel zu einem normalen Betrieb der Vorrichtung durchgeführt werden kann. Bislang eingesetzte Vorrichtungen mussten in einem gesonderten Diagnosebetrieb betrieben werden, was notwendigerweise längere Reaktionszeiten nach sich gezogen hat.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht.
2 zeigt die Vorrichtung der 2 in einer Seitenansicht.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Entfernungsbildes aus einzelnen Entfernungsbildpunkten.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
5 zeigt einen Strahlungsteiler und ausgewählte weitere Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
6 zeigt einen von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgespannten Aufnahmebereich.
7 zeigt ein Überwachungsobjekt, das von einem Überwachungsraum umgeben ist.
Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern umfasst acht Sender 12 zur Aussendung von Strahlung, die in einem Senderarray 14 angeordnet und jeweils als Laserdioden ausgebildet sind. Die Vorrichtung umfasst weiter acht Empfänger 16, die in einem Empfängerarray 18 angeordnet und jeweils einem Sender 12 zugeordnet sind. Von den Sendern 12 ausgehende und zu den Empfängern 16 zurücklaufende Laserstrahlen sind durch entsprechende Linien angedeutet, wobei jeweilige Strahlrichtungen durch Richtungspfeile angedeutet sind. Die Sender 12 weisen jeweils eine Abstrahlcharakteristik mit einer gewissen Divergenz auf und die genannten Linien stellen dabei Mittelstrahlen dar. Ein als vollständig reflektierender Spiegel ausgebildeter geometrischer Strahlungsteiler 42 sorgt dafür, dass von den Sendern 12 ausgesendete Strahlung in einen Aufnahmebereich gelenkt wird. In die Vorrichtung zurückreflektierte Strahlung passiert den Strahlungsteiler bezogen auf 1 vor und hinter dem Strahlungsteiler 42 und fällt in die jeweiligen Empfänger 16. Form und Funktion des Strahlungsteilers 42 werden unten anhand der 2 und 5 näher erläutert. Die Ansteuerung der Sender 12 und die Auswertung von Signalen der Empfänger 16 werden durch eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 20 durchgeführt.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine mittels einer Versatzeinrichtung 30 translatorisch hin und her bewegliche Linse 44 sowie einen als Polygonspiegel ausgebildeten Drehspiegel 24, der vier Ablenkflächen 56 aufweist und um eine Rotationsachse 46 rotiert. Jeder Sender 12 sendet ein divergentes Strahlenbündel auf, dessen Strahlen durch die Linse 44 zu einem parallelen Strahlenbündel umgelenkt werden. Die Strahlenbündel der Sender decken nur einen relativ kleinen Teil der Linse 44 ab. Die Linse 44 weist einen äußeren Brennpunkt 60 auf, der so ausgerichtet ist, dass er sich in etwa auf der jeweils aktiven Ablenkfläche 56 befindet. Die Sender 12 und die Linse 44 sind derart ausgerichtet, dass sich die parallelisierten Strahlenbündel der jeweiligen Sender 12 etwa in dem äußeren Brennpunkt 60 schneiden. Die jeweiligen Laserstrahlenbündel werden von den Ablenkflächen 56 wiederholt in einen Aufnahmebereich, in 1 aus der Bildebene heraus, abgelenkt.
Wenn sich die Linse 44 translatorisch entlang ihrer Bewegungsrichtung, hier parallel zur Achse 46, bewegt, werden alle gesendeten und empfangenen Strahlenbündel um einen kleinen Winkel abgelenkt, der durch den Versatz der Linse 44 bestimmt wird.
Die Sender 12 sind in dem Array 14 über eine maximale Längsausdehnung L des Senderarrays verteilt und weisen zwischen einander jeweils einen Senderabstand d auf. Die Empfänger 16 sind in dem Empfängerarray 18 entsprechend verteilt.
In 2 ist die Vorrichtung der 1 ohne Einhaltung eines Maßstabs in einer Seitenansicht dargestellt. Die Blickrichtung des Betrachters verläuft hierbei in Richtung der Rotationsachse 46 des Drehspiegels 24. Ein jeweiliger Laserstrahl geht von einem in 2 nicht gezeigten Sender 12 des Senderarrays 14 aus, wird durch den Strahlungsteiler 42 abgelenkt, passiert die Linse 44 und wird von einer Ablenkfläche 56 des Drehspiegels 24 in den Aufnahmebereich 50 abgelenkt. Dabei passiert ein jeweiliger Laserstrahl ein in einem Gehäuse 62 der Vorrichtung ausgebildetes Austrittsfenster 48. Abgesehen von dem Austrittsfenster 48 ist das Gehäuse 62 der Vorrichtung geschlossen. Ein nutzbarer Scanwinkelbereich 26 wird damit durch die Form des Polygonspiegels 24 und/oder durch die Größe des Austrittsfensters 48 beeinflusst.
Aus 2 ist ersichtlich, dass der Strahlungsteiler 42 relativ schmal ausgebildet ist, so dass aus dem Aufnahmebereich 50 reflektierte Strahlen, welche lediglich links der Linse 44 angedeutet sind, seitlich an dem Strahlungsteiler 42 vorbei zu den Empfängern 16 gelangen. Der Strahlungsteiler weist eine vergleichsweise langgestreckte Trapezform auf, deren Funktion unten anhand der 4 näher beschrieben wird.
In 2 sind die äußersten Strahlen dieses Scanwinkelbereichs 26 gestrichelt angedeutet. Ebenfalls gestrichelt angedeutet sind die den äußersten Strahlen entsprechenden Stellungen der Ablenkfläche 56. Der Scanwinkelbereich 26 beträgt in diesem Beispiel etwa 90°.
In 3 ist ein beispielhaftes Entfernungsbild 52 mit einer Vielzahl an Entfernungsbildpunkten 22 gezeigt, wobei jedoch Entfernungswerte der Entfernungsbildpunkte nicht dargestellt sind.
Der Einfachheit halber wird hier zur Veranschaulichung angenommen, dass die das Entfernungsbild 52 aufnehmende erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich zwei Sender aufweist. Abgesehen davon ist die Vorrichtung jedoch entsprechend den 1 und 2 ausgebildet. Der Einfachheit halber wird weiter angenommen, dass die Linse 44 nicht kontinuierlich versetzt wird, sondern eine diskrete Position aufweist, d.h. stationär ist, solange eine jeweilige Ablenkfläche 56 aktiv ist, d.h. von den beiden Sendern beaufschlagt wird. Bezüglich 3 werden horizontale Bildpunktreihen als Spalten und vertikale Bildpunktreihen als Zeilen bezeichnet, wobei eine tatsächliche räumliche Ausrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung selbstverständlich unterschiedlich sein kann.
Die Funktionsweise einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:
Für eine jeweilige diskrete Position der Linse 44 erzeugt ein jeweiliger pulsierender Sender 12 in Verbindung mit einer Ablenkfläche 56 des rotierenden Polygonspiegels 24 eine Spalte von Entfernungsbildpunkten 22. Für eine erste Position der Linse 44 sind in 3 die resultierenden Entfernungsbildpunkte 22 der zwei Sender 12 durch leere Kreise angedeutet. Für eine zweite Position der Linse 44 sind die resultierenden Entfernungsbildpunkte 22 durch gekreuzte Kreise angedeutet. Für eine dritte Position der Linse 44 sind die resultierenden Entfernungsbildpunkte 22 als Kreise mit einem Punkt in der Mitte angedeutet. Durch einzelne Punkte wird angedeutet, dass sich das gezeigte Muster in der jeweiligen Richtung entsprechend fortsetzt.
Alle Entfernungsbildpunkte 22 ergeben zusammen das gewünschte Entfernungsbild 52. Dieses weist eine Spaltenhöhe 26 auf, welche einem durch eine der Ablenkflächen 56 des Drehspiegels 24 abdeckbaren Scanwinkelbereich entspricht (vgl. 2). Ferner weist das Entfernungsbild 52 eine Zeilenbreite 32 auf.
Die Abstände zwischen jeweils benachbarten Entfernungsbildpunkten 22 definieren eine Spaltenauflösung 38 bzw. eine Zeilenauflösung 40. Zusammengehörende Spalten, also gleichzeitig bei einer Drehung des Polygonspiegels 24 mittels einer Ablenkfläche 56 erzeugte Spalten, bilden gemeinsam ein Scanraster 54. Die Scanraster 54 werden also jeweils durch alle Sender 12 – in dem vereinfachten Beispiel der 3 also durch zwei Sender – während eines Durchlaufs einer einzigen Ablenkfläche 56 des Drehspiegels 24 erzeugt. Der Abstand benachbarter Spalten von unmittelbar aufeinanderfolgenden Scanrastern 54 entspricht dann der Zeilenauflösung 40.
Durch die mittels der Versatzeinrichtung 30 bewegbare Linse 44 wird das Scanraster 54 in einer Versatzrichtung 36, welche bei dieser Ausführungsform senkrecht zu einer Scanrichtung 28 des Drehspiegels 24 verläuft, versetzt. Pro Entfernungsbild 52 wird dabei das Scanraster 54 insgesamt um einen Versatz 58 entlang der Versatzrichtung 36 versetzt. Dieser Gesamtversatz 58 ist so gewählt, dass die Spalte des einen Senders 12 nicht auf einer Spalte des anderen Senders 12 abgebildet wird, allgemein ausgedrückt also nicht auf einer Spalte des in Versatzrichtung 36 benachbarten Senders 12. Die Zeilenbreite 32 des Entfernungsbildes 52 ist somit gleich der Summe aus dem Versatz 58 und dem (n_Sender–1)-fachen Abstand 34 zwischen zwei benachbarten Spalten, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl der Sender n_Sender = 2 ist. Der Spaltenabstand 34 entspricht dabei einem aus dem Abstand d zwischen den Sendern 12 resultierenden Sendewinkel.
Da der Versatz 58 fast dem Spaltenabstand 34 entspricht, entspricht bei n_Sender Sendern 12 die Zeilenbreite 32 praktisch dem n_Sender-fachen des Senderabstands d.
Das Entfernungsbild 52 besitzt folglich im Aufnahmebereich 50 eine Breite und eine Höhe, wobei die Höhe durch den Scanwinkelbereich 26 bestimmt ist und die Breite bestimmt ist durch die Summe aus der maximalen Ausdehnung des Senderarrays in Versatzrichtung (in 3 bei zwei Sendern also aus dem Spaltenabstand 34, der aus dem Senderabstand d resultiert) und dem mittels der Versatzeinrichtung 30, d.h. hier der Bewegung der Linse 44, erzielten Versatz 58.
In 4 ist sind ein Senderarray 14 mit mehreren Sendern 12 und ein Empfängerarray 18 mit mehreren Empfängern 16 gezeigt. Für die jeweils äußersten Sender 12 bzw. Empfänger 14 ist der Strahlengang gezeigt, wobei die dem linken Sender 12 entstammenden Strahlen gestrichelt und die dem rechten Sender 12 entstammenden Strahlen durchgezogen dargestellt sind. Die Sendestrahlung der Sender 12 ist divergent, was durch aufgefächerte Strahlen angedeutet ist. Nachdem divergente Lichtstrahlen eines jeweiligen Senders 12 eine Linse 44 passieren, verlaufen sie parallel zueinander, jedoch nicht parallel zu den Lichtstrahlen anderer Sender 12. Strahlenbündel von jeweiligen Sender werden also durch die Linse 44 parallelisiert.
Die Sender 12 sind derart in dem Senderarray 14 ausgerichtet, dass die Strahlen nach Reflexion an einem Strahlteiler 42 im Wesentlichen nur durch einen Mittenbereich 64 der Linse 44 verlaufen. Hierdurch wird ausgenutzt, dass eine Linse insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen im Mittenbereich meist bessere optische Eigenschaften aufweist als in einem Randbereich. Die Strahlen der Sender 12 kreuzen sich also in der Linse 44. Im Gegensatz hierzu kreuzen sich bei der Ausführungsform der 1 die Strahlen der Sender 12 an der Ablenkeinrichtung.
Die von der Linse 44 parallelisierten Strahlen werden von einer hier nicht dargestellten (prinzipiell wie im Ausführungsbeispiel der 1 wirksamen) Ablenkeinrichtung in einen Aufnahmebereich abgelenkt, in dem die Strahlen auf ein Objekt treffen und zu der Vorrichtung zurückreflektiert werden. Was diese reflektierten Strahlen betrifft, so bewirkt in bezüglich der 4 vertikaler Richtung im Wesentlichen die gesamte Linse 44, also nicht nur der Mittenbereich 64, ein Bündeln der einfallenenden Strahlen zu dem jeweiligen Empfänger 16.
Anhand von 4 lässt sich auch die Funktion der bezüglich 2 erwähnten Trapezform des Strahlungsteilers 42 verdeutlichen. Auch bei der Ausführungsform der 4 ist der Strahlungsteiler 42 trapezförmig, was hier jedoch nicht sichtbar ist, da der Strahlungsteiler 42 hier von der Seite dargestellt ist. Der Strahlungsteiler 42 ist links unten relativ schmal und wird nach rechts oben hin breiter. Die Divergenz der jeweiligen Sender 12 ist gleich, jedoch trifft der Strahl des linken Senders 12 nach einem kürzeren Ausbreitungsweg auf den Strahlungsteiler 42 als die Strahlen der anderen Sender 12, so dass der Strahl bzw. das Strahlenbündel des linken Senders 12 an dem Strahlungsteiler 42 eine geringere Breite bzw. Ausdehnung im Vergleich zu den anderen Sendern 12 aufweist. Daher kann der Strahlungsteiler 42 links unten relativ schmal ausgebildet werden. Die Strahlen des rechten Senders 12 besitzen am Strahlungsteiler 42 die größte Ausdehnung, weshalb hier der Strahlungsteiler 42 breiter ausgeführt ist.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dargestellt sind ein Senderarray 14 mit Sendern 12 und ein Empfängerarray 18 mit Empfängern 16, wobei nur jeweils äußerste Sender 12 und Empfänger 16 dargestellt sind. Ein Strahlungsteiler 42 lenkt von den Sendern 12 ausgesendete Strahlen durch eine Linse 44 und damit zu einer nicht dargestellten Ablenkeinrichtung. Der Strahlungsteiler 42 ist an einer Schrägseite als Vollspiegel ausgeführt und umfasst zwei als schwarze Flächen ausgebildete Abschirmmittel 66. Die Abschirmmittel 66 schirmen den Strahlengang der Sender 12 derart ab, dass im Wesentlichen kein Licht der Sender 12 zu den Empfängern 16 gelangen kann, ohne dass es zumindest die Linse 44, und insbesondere den Aufnahmebereich, passiert hat. Durch die schwarzen Flächen 66 lässt sich außerdem ein Divergenzunterschied der Sender 12 ausgleichen.
Die Erfindung und ihre Ausführungsformen lassen sich auch anhand der nachfolgenden Berechnungen für eine beispielshafte Ausführungsform veranschaulichen. Die angegebenen Werte sind nicht notwendigerweise exakt, sondern sind insbesondere auf die zuletzt angegebene Stelle gerundet.
Zur Vereinfachung wird angenommen, dass die Rechen- und Verarbeitungskapazitäten einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung keine Begrenzungen darstelllen. Auch eine Reichweite der Vorrichtung wird zur Vereinfachung nicht berücksichtigt. In der Praxis kann es jedoch vorkommen, dass diese Größen bei Auslegung und Betrieb der Vorrichtung zu berücksichtigen sind.
Ein zu scannender Raumwinkelbereich soll beispielsweise 90° × 32°, also 1,571 × 0,559 rad, betragen. Dabei soll eine Auflösung A = 1 mrad in beiden Raumwinkelrichtungen realisiert werden. Die Gesamtzahl an Bildpunkten je Entfernungsbild n_Bildpunkte ergibt sich somit zu 878.189, wobei eine jeweilige Spalte 1571 und eine jeweilige Zeile 559 Bildpunkte aufweist.
Die Anzahl der Sender beträgt n_Sender = 8. Damit muss jeder Sender pro Entfernungsbild 109.774 Bildpunkte erzeugen.
Eine jeweilige als Sender eingesetzte GaAS-Laserdiode wird im Dauerbetrieb mit einer Pulsrate f_Puls = 100 kHz betrieben. Allerdings ergibt nicht jeder von einem jeweiligen Sender ausgesendete Puls einen nutzbaren Entfernungsbildpunkt. Der Anteil der Pulse, welcher tatsächlich nutzbare Entfernungsbildpunkte erzeugt, kann auch als optischer Wirkungsgrad bezeichnet werden und ist eine Eigenschaft der Aufnahmevorrichtung. Beispielsweise werden bei Verwendung eines Polygonspiegels mit n_Spiegel = 4 Ablenkflächen etwa die Hälfte aller Pulse eines jeweiligen Senders nicht in den Aufnahmebereich, sondern in nicht nutzbare Richtungen gelenkt. Eine als hin- und herverschiebbare Linse ausgebildete bzw. eine solche Linse umfassende Versatzeinrichtung weist beispielsweise bei einer jeweiligen Bewegungsumkehrung einen Geschwindigkeitsverlauf auf, der sich nachteilig auf die Anordnung von resultierenden Entfernungsbildpunkten auswirkt, so dass die Pulse, welche mit diesen Umkehrungen zeitlich zumindest im Wesentlichen zusammenfallen, vernachlässigt werden. Der Anteil der nutzbaren Pulse kann dabei z.B. 0,8 betragen.
Insgesamt ergibt sich somit für das genannte Beispiel ein optischer Wirkungsgrad von 0,4. Für die erwünschten, tatsächlich nutzbaren 109.774 Bildpunkte je Sender und Entfernungsbild müssen somit insgesamt 274.435 Pulse von jedem Sender pro Entfernungsbild ausgesendet werden. Hierfür benötigt eine jeweilige Laserdiode bei f_Puls = 100 kHz etwa 2,74 s, was einer Entfernungsbildrate f_Bild = 0,36 Hz entspricht.
Dabei legt die Linse pro Entfernungsbild eine Hin- oder eine Herbewegung zurück. Die Frequenz der Linsenbewegung f_Linse, also die Häufigkeit, mit der sich die Linse in einer Sekunde hin und her bewegt oder mit anderen Worten die Versatzfrequenz, ist somit insbesondere halb so groß wie f_Bild.
Eine jeweilige Zeile weist wie oben angegeben 559 Entfernungsbildpunkte auf. Bei n_Sender = 8 muss ein jeweiliger Sender etwa 67 Bildpunkte liefern, die mittels der Versatzeinrichtung entlang der Zeilen verteilt werden. Mit anderen Worten muss also ein jeweiliger Sender auf 67 Spalten abgebildet werden, was 67 Durchläufen von Ablenkflächen der Ablenkeinrichtung entspricht. Bei einem Polygonspiegel mit n_Spiegel = 4 ergibt sich somit, dass sich der Polygonspiegel etwa 16,8-mal pro Bild um die eigene Achse drehen muss. Damit ist die Drehfrequenz des Spiegels f_Spiegel = 16,8·f_Bild, was für den oben ermittelten Wert f_Bild = 0,36 Hz für f_Spiegel = 6,0 Hz ergibt.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind außerdem f_Linse und f_Spiegel im Betrieb im Wesentlichen frei einstellbar. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Bildrate f_Bild in Abhängigkeit von der Auflösung A online bedarfsgerecht einstellen. Zum Beispiel soll in dem folgenden Rechenbeispiel die Bildrate f_Bild um den Faktor 10 erhöht werden. Abgesehen von f_Linse und f_Spiegel sind in diesem Beispiel alle anderen Parameter gleich denen des vorherigen Beispiels. Insbesondere bleibt f_Puls der Laserdioden konstant.
Der Wert für f_Bild soll also um den Faktor 10 erhöht werden und statt 0,36 Hz nunmehr 3,6 Hz betragen. Aufgrund der konstanten Pulsrate f_Puls bleibt die Anzahl an aufnehmbaren Bildpunkten je Zeiteinheit ebenfalls konstant. Folglich reduziert sich die Anzahl der Bildpunkte für f_Bild = 3,6 Hz ebenfalls um den Faktor 10 auf insgesamt 87.819 Bildpunkte je Bild. Entsprechend vergrößert sich der Winkelabstand zwischen zwei Entfernungsbildpunkten mit der Wurzel aus 10, die Auflösung A beträgt also in diesem Fall 3,16 mrad (anstelle von zuvor A = 1 mrad).
Insbesondere anhand der vorstehenden Rechenbeispiele wird also deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von Entfernungsbildern in besonders einfacher Weise eine relativ schnelle Bildrate bei guter Auflösung ermöglicht wird, und zwar mit einer vergleichsweise einfachen optomechanischen Gesamtanordnung, die insbesondere nur einen einzigen und relativ langsam rotierenden Polygonspiegel und darüber hinaus lediglich ein einziges, wiederum vergleichsweise langsam hin- und herbewegbares optisches Element wie z.B. eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse benötigt.
Auflösung bzw. Bildrate lassen sich auch mit einfachen Mitteln noch weiter verbessern, beispielsweise durch Einsatz eines Arrays mit noch mehr Sendern, z.B. mit n_Sender = 16, und/oder durch den Einsatz von Sendern mit höherer Pulsrate. Es bleibt dabei jedoch stets der Vorteil erhalten, dass keine drehenden oder bewegten Teile außerhalb eines Gehäuses der beispielhaften Vorrichtung vorhanden sind und somit Sicherheit und Wartungsfreundlichkeit gewährleistet sind. Selbstverständlich lässt sich auch der abgedeckte Raumwinkel durch einfache Maßnahmen an einen gegebenen Anwendungsfall anpassen. Auch ist hierdurch deutlich geworden, dass Bildrate und Auflösung mit einfachsten Mitteln, nämlich insbesondere durch Variation einer Bewegungsgeschwindigkeit einer Ablenkeinrichtung und/oder Versatzfrequenz einer Versatzeinrichtung, einstellbar sein können. Die Vorrichtung lässt sich also beispielsweise im Betrieb an verschiedenste Aufgaben und Betriebssituationen anpassen.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung lässt sich z.B. auch als eine Mehrzahl von 2D-Scannern betrachten, welche eine gemeinsame Optik aufweisen und so gemeinsam einen 3D-Scanner bilden, der als ein 3D-Sensor oder auch 3D-Scannersensor bezeichnet werden kann, da die Vorrichtung als Ganzes betrachtet nicht bewegt zu werden braucht.
In 6 ist rein schematisch ein Szenario mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 68 gezeigt, die einen Aufnahmebereich 50 abdeckt. Die Vorrichtung 68 kann beispielsweise an einem Portalkran eines nicht gezeigten Containerterminals befestigt sein. Der Aufnahmebereich 50 kann also z.B. pyramidenförmig ausgebildet sein. Objekte, die sich innerhalb des Aufnahmebereichs 50 befinden, können von der Vorrichtung 68 erfasst werden.
In 7 ist ein Überwachungsobjekt 70 gezeigt, das z.B. ein Container sein kann, welcher mittels eines Portalkrans (nicht gezeigt) in einem Containerterminal (nicht gezeigt) umgeschlagen wird und mittels der Vorrichtung 68, wie sie z.B. in 2 dargestellt ist, überwacht wird.
Um das Überwachungsobjekt 70 herum ist ein dreidimensionaler Überwachungsraum 72 definiert, der in insgesamt drei Schutzvolumina 74a, 74b, 74c unterteilt ist. Die Schutzvolumina 74a, 74b, 74c sind bezüglich ihrer äußeren Kontur jeweils in etwa quaderförmig ausgebildet und ineinander geschachtelt, wobei das Schutzvolumen 74a eine innere, das Schutzvolumen 74b eine mittlere und das Schutzvolumen 74c ein äußeres Schutzvolumen bildet. Die Schutzvolumina 74a, 74b, 74c erstrecken sich also schichtartig oder zwiebelschalenartig um das Überwachungsobjekt 70 herum und grenzen unmittelbar aneinander an. Die äußere Kontur des äußeren Schutzvolumens 74c ist aus Gründen der darstellerischen Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Verletzt nun ein Störobjekt 76 eine oder mehrere Schutzvolumina 74a, 74b, 74c, so kann unmittelbar ein Ablauf eines Arbeitsvorgangs angepasst werden. Insbesondere kann der Arbeitsvorgang angehalten, verlangsamt oder bezüglich einer kinematischen Bewegung angepasst werden. So kann z.B. eine Bewegung des Überwachungsobjekts 70 derart modifiziert werden, dass eine Kollision mit dem Störobjekt 76 zuverlässig verhindert wird, ohne dass hierfür die Bewegung gestoppt werden muss.
Zu diesem Konzept eines dreidimensionalen Überwachungsraumes bzw. einer Ineinanderschachtelung von Schutzvolumina wird auch auf die Ausführungen im Einleitungsteil verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

12: Sender
14: Senderarray
16: Empfänger
18: Empfängerarray
20: Steuer- und Auswerteeinrichtung
22: Entfernungsbildpunkt
24: Drehspiegel / Polygonspiegel
26: Spaltenhöhe / Scanwinkelbereich
28: Scanrichtung
30: Versatzeinrichtung
32: Zeilenbreite / Versatzwinkelbereich
34: Spaltenabstand / Sendewinkel
36: Versatzrichtung
38: Spaltenauflösung
40: Zeilenauflösung
42: Strahlungsteiler
44: Linse
46: Drehspiegelrotationsachse
48: Austrittsfenster
50: Aufnahmebereich
52: Entfernungsbild
54: Scanraster
56: Ablenkfläche
58: Versatz
60: äußerer Brennpunkt
62: Gehäuse
64: Mittenbereich
66: schwarze Fläche
68: Vorrichtung
70: Überwachungsobjekt
72: Überwachungsraum
74a–c: Schutzvolumen
76: Störobjekt
d: Senderabstand
L: maximale Längsausdehnung des Senderarrays

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1901093 A1 [0038]
EP 1522870 A1 [0038]

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (22) aufweisenden Entfernungsbildern (52), umfassend eine Mehrzahl von in einem Array (14) angeordneten Sendern (12) jeweils zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einen Aufnahmebereich (50) und zumindest eine Empfangseinrichtung (16) zur Detektion von aus dem Aufnahmebereich (50) reflektierter Strahlung, eine Auswerteeinrichtung (20) zum Bestimmen der jeweils einen Entfernungsbildpunkt (22) bildenden Entfernungen von Objekten, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, eine Ablenkeinrichtung (24), welche die Sendestrahlung wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches (26) in einer Scanrichtung (28) ablenkt, um pro Entfernungsbild (52) nacheinander mehrere Scanraster (54) von Entfernungsbildpunkten (22) zu erzeugen, und eine Versatzeinrichtung (30), die durch Relativbewegung optischer Elemente (14, 44, 24) aufeinanderfolgende Scanraster (54) in einer Versatzrichtung (36) gegeneinander versetzt, wobei jedes Entfernungsbild (52) mehrere gegeneinander versetzte Scanraster (54) von Entfernungsbildpunkten (22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versatzeinrichtung (30) eine, insbesondere translatorisch, bewegliche Optik umfasst, insbesondere ein Prisma, einen Spiegel oder eine Linse, bevorzugt eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse (44).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versatzeinrichtung einen Aktuator (30) umfasst, der eine zwischen Senderarray (14) und Ablenkeinrichtung (24) angeordnete Optik (44), das Senderarray (14) und/oder die Empfangseinrichtung (16) relativ zu der Ablenkeinrichtung (24) bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels der Versatzeinrichtung (30) erzeugbare Versatzbewegung eine periodische Hin- und Herbewegung ist, insbesondere mit einer dem Abstand (d) zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern (12) entsprechenden Versatzamplitude und/oder mit einer Versatzfrequenz, die zwischen einigen wenigen Hz und wenigen zehn Hz liegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Senderarray (14) eine maximale Längsausdehnung (L) und eine maximale Querausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung (L) aufweist, wobei die Querausdehnung kleiner, insbesondere um ein Vielfaches kleiner, ist als die Längsausdehnung (L).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (12) in dem Array (14) auf einer Geraden angeordnet sind, wobei bevorzugt die Sender (12) entlang der Geraden gleichmäßig beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanrichtung (28) senkrecht zu einer wirksamen Längsausdehnung (L) des Senderarrays (14) verläuft, wobei die Versatzrichtung (36) senkrecht zur Scanrichtung (28) und insbesondere parallel zur wirksamen Längsausdehung (L) des Senderarrays (14) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sender (12) zwischen 4 und 32 liegt, insbesondere 8 oder 16 beträgt, und/oder dass der Abstand (d) zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern (12) im Bereich von 1 bis 12 mm liegt, insbesondere etwa 6 mm beträgt, und/oder dass die maximale Längsausdehnung (L) des Senderarrays (14) im Bereich von 32 bis 96 mm liegt, insbesondere etwa 42 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Sendern (12) einem Sendewinkel (34) im Bereich von 2° bis 12°, insbesondere von etwa 4,3°, entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung als Polygonspiegel (24) ausgebildet ist, der mit einer Mehrzahl von n aufeinanderfolgend von der Sendestrahlung beaufschlagbaren, jeweils den gleichen Winkelbereich von zumindest näherungsweise 360°/n abdeckenden Ablenkflächen (56) versehen ist, wobei bevorzugt n = 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, insbesondere n = 2, 4 oder 6.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (50) einem mittels der Sendestrahlung abdeckbaren Raumwinkel von D × V entspricht, wobei D der mittels der Ablenkeinrichtung abdeckbare Scanwinkelbereich (26) und V der sich senkrecht zum Scanwinkelbereich (26) erstreckende Versatzwinkelbereich (32) ist, der sich aus der Summe der entsprechenden Ausdehnung des Senderarrays (14) und einem vorgegebenen, mittels der Versatzeinrichtung (30) erzeugbaren Versatz (58) ergibt, und wobei vorzugsweise D etwa im Bereich von 45° bis 120° liegt und V etwa im Bereich von 12° bis 45° liegt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung eine Mehrzahl von in einem Array (18) angeordneten Empfängern (16) umfasst, wobei bevorzugt jedem Empfänger (16) genau ein Sender (12) zugeordnet ist, und umgekehrt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Senderarray (14), die Empfangseinrichtung (16), die Ablenkeinrichtung (24) und die Versatzeinrichtung (30) in einem gemeinsamen geschlossenen Gehäuse (62) angeordnet sind, wobei insbesondere das Gehäuse (62) ein gemeinsames Austrittsfenster (48) für die in den Aufnahmebereich (50) ausgesandte und für die aus dem Aufnahmebereich (50) reflektierte Strahlung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine gemeinsame Sende- und Empfangslinse (44) umfasst, wobei insbesondere die Sender (12) in Bezug auf die Linse (44) derart ausgerichtet sind, dass jeweils die Sendestrahlung einen gemeinsamen Mittenbereich (64) der Linse (44) passiert oder dass Strahlenbündel von den Sendern (12) im Wesentlichen parallel zueinander in die Linse (44) einfallen und aus der Linse (44) austretende Strahlenbündel konvergieren, insbesondere sich in einem äußeren Brennpunkt schneiden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (20) eine Mehrzahl an Zeitmesseinrichtungen zum Bestimmen der Entfernungen auf Grundlage einer jeweiligen Strahlungslaufzeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Zeitmesseinrichtung zumindest zwei Sendern (12) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen geometrischen Strahlungsteiler (42) zum geometrischen Trennen eines Sendestrahlungsbereichs von einem Empfangsstrahlungsbereich aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendestrahlungsbereich von dem Empfangsstrahlungsbereich abgeschirmt ist.
Verfahren zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (22) aufweisenden Entfernungsbildern (52), insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: elektromagnetische Strahlung mittels einer Mehrzahl von in einem Array (14) angeordneten Sendern (12) in einen Aufnahmebereich (50) ausgesendet wird und aus dem Aufnahmebereich (50) reflektierte Strahlung mittels zumindest einer Empfangseinrichtung (16) detektiert wird, die jeweils einen Entfernungsbildpunkt (22) bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt werden, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, die Sendestrahlung wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches (26) in einer Scanrichtung (28) abgelenkt wird, um pro Entfernungsbild (52) nacheinander mehrere Scanraster (54) von Entfernungsbildpunkten (22) zu erzeugen, und aufeinanderfolgende Scanraster (54) durch Relativbewegung optischer Elemente (14, 44, 24) in einer Versatzrichtung (36) gegeneinander versetzt werden, wobei jedes Entfernungsbild (52) aus mehreren gegeneinander versetzten Scanrastern (54) von Entfernungsbildpunkten (22) gebildet wird.
Verfahren zum Betreiben, insbesondere zur Selbstdiagnose, einer Vorrichtung zur Aufnahme von jeweils eine Vielzahl von Entfernungsbildpunkten (22) aufweisenden Entfernungsbildern (52), insbesondere einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem: elektromagnetische Strahlung mittels einer Mehrzahl von in einem Array (14) angeordneten Sendern (12) in einen Aufnahmebereich (50) ausgesendet wird und aus dem Aufnahmebereich (50) reflektierte Strahlung mittels zumindest einer Empfangseinrichtung (16) detektiert wird, die jeweils einen Entfernungsbildpunkt (22) bildenden Entfernungen von Objekten bestimmt werden, an denen die ausgesandte Strahlung reflektiert wird, die Sendestrahlung wiederholt innerhalb eines Scanwinkelbereiches (26) in einer Scanrichtung (28) abgelenkt wird, um pro Entfernungsbild (52) nacheinander mehrere Scanraster (54) von Entfernungsbildpunkten (22) zu erzeugen, aufeinanderfolgende Scanraster (54), insbesondere durch Relativbewegung optischer Elemente (14, 44, 24), in einer Versatzrichtung (36) gegeneinander versetzt werden, wobei jedes Entfernungsbild (52) aus mehreren gegeneinander versetzten Scanrastern (54) von Entfernungsbildpunkten (22) gebildet wird, und wobei, insbesondere mehrmals in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen, von zumindest zwei unterschiedlichen Sendern (12) stammende Entfernungsbildpunkte (22) und/oder Mengen von Entfernungsbildpunkten (22) miteinander verglichen werden und eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.
Verfahren zum Überwachen eines, insbesondere zumindest teilweise automatisiert ablaufenden, Arbeitsvorgangs mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die gemäß einem Verfahren nach Anspruch 20 betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines nicht bestimmungsgemäßen Zustands der Arbeitsvorgang angepasst und/oder angehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Vergleich innerhalb eines Scanrasters (54) oder innerhalb eines Entfernungsbilds (52) erfolgt, insbesondere zwischen einer Mehrzahl von Entfernungsbildpunkten (22), die zu unterschiedlichen Scanrastern (54) des gleichen Entfernungsbildes (52) gehören.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass einem Referenzobjekt zugeordnete Referenzentfernungsbildpunkte bestimmt werden, und dass in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen den Referenzentfernungsbildpunkten entsprechende Testentfernungsbildpunkte bestimmt und mit den Referenzentfernungsbildpunkten verglichen werden, wobei eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei verschiedene Sender (12) und/oder Empfangseinrichtungen (16) oder wenigstens zwei verschiedene Gruppen von Sendern (12) und/oder Empfangseinrichtungen (16) getrennt voneinander, insbesondere über eine jeweilige eigene Schnittstelle, angesteuert werden.
Verfahren zum Überwachen eines, insbesondere zumindest teilweise automatisiert ablaufenden, Arbeitsvorgangs mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24 betrieben wird,, dadurch gekennzeichnet, dass um zumindest einen Teil eines Überwachungsobjekts (70) herum wenigstens ein dreidimensionaler Überwachungsraum (72) definiert wird, innerhalb des Überwachungsraums (72) liegende Entfernungsbildpunkte (22) bestimmt werden, und anhand der innerhalb des Überwachungsraums (72) liegenden Entfernungsbildpunkte (22) ermittelt wird, ob sich ein Störobjekt (76) im Überwachungsraum (72) befindet.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsraum (72) in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen neu definiert und/oder aktualisiert wird, und/oder dass der Überwachungsraum (72) gemeinsam mit dem Überwachungsobjekt (70) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsraum (72) adaptiv verändert wird, wobei insbesondere die Form und/oder die Größe des Überwachungsraums (72) in Abhängigkeit von dem überwachten Arbeitsvorgang, insbesondere von der Kinematik oder der Dynamik des Überwachungsobjekts (70), definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsvorgang dahingehend angepasst wird, dass eine Kollision zwischen einem Überwachungsobjekt (70) und einem Störobjekt (76) vermieden wird, ohne den Arbeitsvorgang anzuhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsraum (72) in mehrere, insbesondere zwei oder drei, Schutzvolumina (74a, 74b, 74c) unterteilt ist, wobei bevorzugt die Schutzvolumina (74a, 74b, 74c) zumindest teilweise ineinander geschachtelt sind.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres, ein mittleres und ein äußeres Schutzvolumen (74a, 74b, 74c) vorgesehen sind, wobei der Arbeitsvorgang angehalten wird, wenn das Störobjekt (76) das innere Schutzvolumen (74a) verletzt, eine Bewegung eines sich bei dem Arbeitsvorgang bewegenden, insbesondere die Vorrichtung (68) tragenden, Objektes verlangsamt wird, wenn das Störobjekt (76) das mittlere Schutzvolumen (74b) verletzt, und eine kinematische Bahn der Bewegung des Objektes angepasst, insbesondere in eine Ausweichbewegung geändert, wird, wenn das Störobjekt (76) das äußere Schutzvolumen (74c) verletzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Vorrichtungen (68) vorgesehen sind, die jeweils einem Überwachungsraum (72) zugeordnet sind, wobei die Überwachungsräume (72) einander überlappen und in den Überlappungsbereich fallende Entfernungsbildpunkte (22) miteinander verglichen werden, und wobei eine außerhalb einer vorgebbaren oder vorgegebenen Toleranz liegende Abweichung als ein nicht bestimmungsgemäßer Zustand, insbesondere als eine Störung oder ein Fehler, behandelt wird.