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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Funktionsvalidierung für optische Erkennungssysteme.
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Optische Erkennungssysteme wie Kameras und Lidar-Systeme werden bereits in vielen Anwendungen benutzt. Beispielsweise werden sie zur Entfernungsmessung und Geschwindigkeitsmessung sowie bei Anwendungen in Fahrzeugen verwendet, z.B. um Abstandsmessungen durchzuführen, aber auch in der Robotik. Hier wird eine hohe Präzision gefordert, so dass die Funktionsfähigkeit der Systeme geprüft und überwacht werden muss. Insbesondere in Mobilitätsanwendungen ist es essentiell, dass das System auch bei einer Vibrationsbelastung, zumindest bis zu einem vorgegebenen Maß, funktionstüchtig ist, also keine Fehlmessungen oder starke Abweichungen bei den Messungen vorkommen.
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Die Ausrichtung der optischen Einheit des Erkennungssystems im Herstellungsprozess basiert auf einem komplexen optischen Kalibriervorgang. Dies macht eine zusätzliche Vibrationserprobung während der Herstellung sehr schwierig bzw. unmöglich, so dass eine nachgelagerte Prüfung ohne aktive Funktionsüberprüfung durchgeführt werden muss.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Prüfverfahren und eine Prüfanordnung zur Funktionsvalidierung für optische Erkennungssysteme bereitzustellen, durch welche eine Prüfung bei Vibrationsbelastung erfolgen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur Umsetzung des vorgeschlagenen und nachfolgend beschriebenen Prüfverfahrens wird eine Prüfanordnung zur Funktionsvalidierung für optische Erkennungssysteme vorgeschlagen, mit einem Shaker, einer an dem Shaker angeordneten und damit in Wirkverbindung stehenden Aufspannvorrichtung, einem auf der Aufspannvorrichtung angeordneten optischen Erkennungssystem, in dem mindestens eine Linse und/oder mindestens ein aktives optisches Sensorelement angeordnet ist, einer Erfassungseinrichtung, die derart angeordnet ist, dass sie die mindestens eine Linse und/oder das mindestens ein aktive optische Sensorelement erfassen kann, und einer Auswerteeinrichtung. Der Shaker ist dazu eingerichtet, die Aufspannvorrichtung mit dem optischen Erkennungssystem in vorgegebener Weise mechanisch anzuregen, und die Erfassungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die daraus resultierenden Bewegungen der mindestens einen Linse und/oder das mindestens ein aktive optische Sensorelement zu erfassen, also von einzelnen Komponenten oder dem gesamten Erkennungssystem. Die Auswerteeinrichtung führt eine Auswertung der erfassten Daten derart durch, dass eine Kinematik des optischen Erkennungssystems ermittelt wird und basierend auf dieser Ermittlung bestimmt wird, ob das optische Erkennungssystem funktionsfähig ist.
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Ziel der Erfindung ist es, das optische Erkennungssystem unter Vibrationsbelastung zu testen. Dabei kann die Funktionsfähigkeit bei unterschiedlicher Anregung durch den Shaker, also sowohl in Amplitude als auch in Frequenz, messtechnisch bestimmt werden.
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Ein Shaker ist eine Vorrichtung, die in der Prüftechnik bekannt ist, und die eine damit z.B. über eine Aufspannvorrichtung in Wirkverbindung stehende Vorrichtung wie ein optisches Erkennungssystem mit einer mechanischen Anregung, z.B. einer Schwingung oder einem (mechanischen) Schock als Vibrationsbelastung, beaufschlagen kann. So können z.B. im Fahrzeugbereich Belastungstests an einem Prüfstand durchgeführt werden. Für die vorliegenden Ausführungen eignet sich ein Shaker, bei dem die Vorrichtung und die Aufspannvorrichtung auf dem Shaker angeordnet sind, da die Erfassungseinrichtung von oben auf das optische Erkennungssystem, genauer das aktive optische Sensorelement bzw. die optische Linse, blickt.
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Grundsätzlich wird die Relativbewegung der Komponenten des optischen Erkennungssystems zueinander ermittelt und bewertet. Diese Relativbewegung darf nur innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen, der für jede Anordnung explizit festgelegt werden muss und kann. Bei Lidar-Systemen liegt diese z.B. innerhalb eines Bereichs, der kleiner ist als der Zeilenabstand der ausgesendeten Laserstrahlen.
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Das Prüfverfahren zur Funktionsvalidierung für optische Erkennungssysteme wird wie nachfolgend beschrieben ausgeführt. In der ersten Stufe ist lediglich mindestens ein aktives optisches Sensorelement in dem optischen Erkennungssystem angeordnet und wird angeregt, und die Kinematik des aktiven optischen Sensorelements wird ermittelt. Alternativ ist in der ersten Stufe lediglich die mindestens eine Linse in dem optischen Erkennungssystem angeordnet und wird angeregt, und die Kinematik der Linse wird ermittelt. In der zweiten Stufe sind sowohl aktives optisches Sensorelement als auch zugehörige Linse angeordnet und werden angeregt, und es wird daraus die Kinematik des optischen Erkennungssystems ermittelt.
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Vorteilhaft wird basierend auf der in der ersten Stufe erfassten Kinematik des aktiven optischen Sensorelements und der in der zweiten Stufe ermittelten Kinematik des optischen Erkennungssystems die Kinematik der mindestens einen Linse bestimmt. Alternativ wird basierend auf der in der ersten Stufe erfassten Kinematik der Linse und der in der zweiten Stufe ermittelten Kinematik des optischen Erkennungssystems die Kinematik des mindestens einen aktiven optischen Sensorelements bestimmt.
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Je nach Ausführung des optischen Erkennungssystems können unterschiedliche Verfahrensweisen zur Prüfung des Systems angewendet werden. In jedem Fall kann die Kinematik einzelner Komponenten bestimmt und mit der Kinematik des Gesamtsystems verglichen werden, so dass daraus bestimmt werden kann, ob sich das optische Erkennungssystem noch im tolerierten Bereich befindet und damit funktionsfähig ist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass, wenn sich die ermittelte Kinematik des mindestens einen aktiven optischen Sensorelements und/oder der mindestens einen Linse und/oder des optischen Erkennungssystems innerhalb eines Toleranzbereichs befindet, das optische Erkennungssystem als funktionsfähig bewertet wird. Je nach optischem Erkennungssystem können lediglich einzelne Komponenten auf ihre Relativbewegung zueinander geprüft werden, oder abhängig davon die Kinematik des gesamten Erkennungssystems bestimmt werden. Auch können unterschiedliche Toleranzbereiche für die Relativbewegungen der Komponenten zueinander bzw. der Kinematik des gesamten Erkennungssystems vorgesehen sein, innerhalb derer das System als funktionsfähig eingestuft werden kann.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Kinematik des optischen Erkennungssystems die relative Bewegung in mindestens einer vorgegebenen Bewegungsrichtung zwischen aktivem optischem Sensorelement und zugehöriger Linse bestimmt wird. Alternativ ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Kinematik der aktiven optischen Sensorelemente die relative Bewegung zwischen zwei oder mehr aktiven optischen Sensorelementen zueinander bestimmt wird. Alternativ ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Kinematik der Linsen die relative Bewegung zwischen zwei oder mehr Linsen zueinander bestimmt wird.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine digitale Bildkorrelation oder eine dreidimensionale digitale Bildkorrelation durchzuführen. Vorteilhaft nimmt die Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines Referenzbilds zum Vergleich mit den während der Belastungsphase aufgenommenen Bildern eine Aufnahme des mindestens einen aktiven optischen Sensorelements und/oder der mindestens einen Linse im Stillstand auf.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das optische Erkennungssystem ein Kamerasystem oder Lidarsystem ist.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das optische Erkennungssystem zur Verwendung in Fahrzeugen, insbesondere Mobilitätsanwendungen, vorgesehen ist, umfassend PKW, Personentransportmittel, LKW, Baumaschinen, Landmaschinen, Flugzeuge, Robotik.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass das optische Erkennungssystem denselben Aufbau wie ein in einer Anwendung außerhalb der Prüfanordnung verwendetes optisches Erkennungssystem aufweist, umfassend ein Gehäuse, das derart bearbeitet ist, dass die Erfassungseinrichtung freie Sicht auf die mindestens eine Linse und/oder das mindestens ein optische Sensorelement hat. Somit kann ein reales System mit minimalen Anpassungen bzw. Änderungen seiner Struktur geprüft werden.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung eine externe Auswerteeinrichtung oder Teil des optischen Erkennungssystems oder Teil der Erfassungseinrichtung ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigte eine Ausführung einer Prüfanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Optische Erkennungssysteme 1 wie Kameras und Lidar-Systeme bestehen aus mindestens einem aktiven optischen Sensorelement 11, 12, das sowohl als Emitter als auch als Detektor gebildet sein kann, und einer oder mehreren zugehörigen Linsen 13, 14, die zueinander in einem definierten geometrisch kalibrierten Bereich liegen. Die einzelnen Komponenten dürfen sich nur in einem bestimmten Toleranzbereich zueinander relativ bewegen.
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Der Kern der Erfindung ist es, eine Prüfanordnung bereitzustellen, die eine Überprüfung der Funktion eines optischen Erkennungssystems 1, z.B. Kameras oder Lidar-Systeme, bei Vibrationsbelastung ermöglicht. Dies geschieht, indem der Shaker 2 das auf der Aufspannvorrichtung 3 aufgespannte optische Erkennungssystem 1 mechanisch anregt, also eine Amplitude und/oder Frequenz anlegt. Dies wird durch am Shaker 2 angeordnete Sensoren 31, z.B. Beschleunigungssensoren, überwacht. Die Anregung versetzt das optische Erkennungssystem 1 in Schwingungen bzw. Vibrationen, welche mithilfe einer Erfassungseinrichtung 4 erfasst werden, die mittels einer digitalen Grauwertkorrelation die Verschiebung des Erkennungssystems, also des aktiven optischen Sensorelements 11; 12 und zugehöriger Linse(n) 14; 15 oder einzelner Komponenten davon bestimmen kann.
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Im Falle von zwei aktiven optischen Sensorelementen 11, 12, welche als Bare Dies ausgebildet sein können, und zugehörigen Linsen 13, 14 wie bei der Verwendung in einem in 1 gezeigten und als Lidar-System 1 ausgeführten optischen Erkennungssystem 1, sind in einer Ausführung im ersten Schritt S1 lediglich die aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 in dem optischen Erkennungssystem 1 vorhanden, und es wird die Relativbewegung der aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 zueinander messtechnisch mittels einer Erfassungseinrichtung 4 ermittelt. Daraus wird dann die Kinematik der aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 ermittelt.
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Im Anschluss, Schritt S2, werden dann die Linsen 13, 14 montiert und ebenfalls die Relativbewegung der Linsen 13, 14 zueinander mittels der Erfassungseinrichtung 4 vermessen.
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Somit lässt sich z.B. aus der Differenz zwischen im ersten Schritt S1 ermittelter Kinematik der aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 und der im zweiten Schritt S2 ermittelten Gesamt-Kinematik des optischen Erkennungssystems 1 die Kinematik der Linsen 13, 14 und daraus das kinematische Verhalten des optischen Erkennungssystems 1 ermitteln.
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Alternativ kann auch im ersten Schritt S1 die Relativbewegung der Linsen 13, 14 zueinander messtechnisch ermittelt werden und daraus die Kinematik der Linsen 13, 14 bestimmt werden. Im zweiten Schritt S2 werden die aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 hinzugefügt und die Gesamt-Kinematik des optischen Erkennungssystems 1 ermittelt.
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In einer weiteren alternativen Ausführung können auch aus vorgegebenen kinematischen Daten der aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 und/oder der Linsen 13, 14 und der messtechnisch ermittelten Kinematik des optischen Erkennungssystems 1 Relativbewegungen der Komponenten zueinander ermittelt werden.
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Bei Kamerasystemen sind in der Regel ein aktives optisches Sensorelement 11; 12 und eine zugehörige Linse 13; 14 vorhanden. Aber es existieren auch Lidar-Systeme, welche lediglich ein einzelnes aktives optisches Sensorelement 11; 12 mit zugehöriger Linse 13; 14 aufweisen. Auch in diesem Fall wird im ersten Schritt S1 entweder zuerst die Kinematik des aktiven optischen Sensorelements 11; 12 oder die Kinematik der Linse 13, 14 erfasst. Im zweiten Schritt S2 wird dann die Kinematik des Gesamtsystems bzw. optischen Erkennungssystems 1 erfasst und basierend auf der durch die Auswerteeinrichtung 5 ausgeführte Auswertung auf dessen Funktionsfähigkeit geschlossen werden.
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Die messtechnische Ermittlung erfolgt mittels einer Erfassungseinrichtung 4, die z.B. als 3D-Bilkorrelationssystem gebildet ist, also dazu eingerichtet ist, eine digitale Bildkorrelation oder eine dreidimensionale Bildkorrelation durchzuführen. Hierbei wird während des Experiments eine Serie von Bildern aufgenommen. Das erste Bild dient als Referenz, welche die Probe ohne Belastung darstellt. Während der Prüfung wird die entstandene Verschiebung von auf der Oberfläche aufgebrachten Oberflächenmustern verfolgt und die Musterverschiebung auf der gesamten Probenoberfläche über alle Bilder analysiert werden. Die Musterverschiebung wird für jedes aufgenommene Bild mit dem Referenzbild abgeglichen und daraus die Länge und Richtung des Verschiebungsvektors berechnet. Aus diesen Daten kann die Funktionsfähigkeit des Erkennungssystems 1 bestimmt werden.
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Auch eine zweidimensionale Verformung kann mittels einer Kamera bestimmt werden. Stereoskopische, also 3D, Oberflächenanalysen können mittels mehreren Kameras unter verschiedenen Winkeln durchgeführt werden. Durch die Kalibrierung dieser Erfassungseinrichtung 4, also des Kamerasystems, ist die Beziehung zwischen Bild- und Weltkoordinaten bekannt. Dies ermöglicht es, aus der Korrelation des Musters zwischen den Kameras die Höhe und z-Verschiebung der Oberfläche bestimmt werden kann. Die Erfassungseinrichtung 4 ist so angeordnet, dass sie die Bewegungen der Komponenten, also der aktiven optischen Sensorelemente 11, 12 und der Linsen 13, 14, des optischen Erkennungssystems 1 erfassen kann.
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Insbesondere bei Lidar-Systemen ist es notwendig, dass die von der Sendeinheit, die als Kombination aus erstem aktiven optischen Sensorelement 11 und zugehöriger Linse 13 gebildet ist, ausgestrahlten Laser-Strahlen in derselben Zeile von der Empfängereinheit, die aus einer Kombination aus zweitem aktiven optischen Sensorelement 12 und zugehöriger Linse 14 gebildet ist, empfangen werden, wie durch die Punkte in 1 dargestellt.
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Für die Bestimmung, dass das optische Erkennungssystem 1 funktionsfähig ist, kann ein Toleranzbereich vorgesehen sein. Wenn das ausgesendete Signal innerhalb dieses Toleranzbereichs empfangen wird, wird das optische Erkennungssystem 1 als funktionsfähig eingestuft. Grundsätzlich wird das Erkennungssystem als funktionsfähig eingestuft, wenn sich die von der Erfassungseinrichtung 4 bestimmte Relativbewegung der Komponenten zueinander während der mechanischen Anregung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs befindet.
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Das heißt, dass die Funktionalität gegeben ist, wenn
- a) die Relativbewegung des Linsenpaketes zum Sensorelement (13 bzw. 14 zu 11 bzw. 12) innerhalb der Toleranz bzw. des vorgegebenen Toleranzbereichs ist, und
- b) die Linsenpakete (13 zu 14) innerhalb der Toleranz bzw. des vorgegebenen Toleranzbereichs sind; und
- c) die Sensorelemente (11 zu 12) in der Toleranz bzw. des vorgegebenen Toleranzbereichs liegen.
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Die Punkte a) bis c) sind für die Funktionsfähigkeit immer zu erfüllen. Dies entspricht einer Reihenschaltung. Liegt eine dieser Relativbewegungen außerhalb der spezifizierten Toleranz, so ist das Gesamtsystem als ausgefallen zu bewerten. Die Bewegung des Gesamtsystems, also Linsenpakete und Sensorelemente als starre Einheit, sind für die Bewertung nicht relevant.
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Vorteilhaft ist das optische Erkennungssystem 1 dasselbe System wie das später z.B. im Fahrzeug zu verbauende System, also mit allen Komponenten. Hierbei ist in der Regel unter anderem ein Gehäuse 10 vorgesehen, das die Komponenten umschließt und vor äußeren Einflüssen schützt. Um die vorgesehene Prüfung des optischen Erkennungssystems 1 ausführen zu können, wird das Gehäuse 10 vorteilhaft aufgeschnitten, so dass die Erfassungseinrichtung 4 auf die optische Einheit, also den mindestens ein aktives optisches Sensorelement 11, 12 und zugehörige Linse(n) 13, 14, blicken kann.
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Um außerdem eine möglichst realistische Nachbildung des realen Systems zu erreichen, entspricht ferner die Aufspannvorrichtung 2 dem realen System, d.h. dass deren Material, Stärke, Steifigkeit, Befestigungspunkte bzw. Befestigungsbereiche möglichst denen des später im Einsatz verwendeten optischen Erkennungssystems 1 gleichen.
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Die Prüfanordnung kann so angeordnet sein, dass der Shaker 3 als Tisch dient, auf dem die Aufspannvorrichtung 2 und das optische Erkennungssystem 1 angeordnet sind, wobei die Erfassungseinrichtung 4 dann oberhalb des optischen Erkennungssystems 1 angeordnet ist. Die Prüfanordnung kann aber auch um 90 Grad gedreht sein, so dass das optische Erkennungssystem 1 die Laserstrahlen im Wesentlichen parallel zum Boden aussendet. Die Erfassungseinrichtung 4 ist dann entsprechend in einem Abstand dazu angeordnet.
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Die Auswertung der Signale erfolgt in einer Auswerteeinrichtung 5, welche sowohl Teil des optischen Erkennungssystems 1 sein kann als auch der Erfassungseinrichtung 4. Alternativ ist die Auswerteeinrichtung 5 eine externe Auswerteeinrichtung 5, die mit der Erfassungseinrichtung 4 in Kommunikationsverbindung steht und von dieser die zu verarbeitenden Signale empfangen und verarbeiten kann.
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Für eine weitere Entwicklung des optischen Erkennungssystems 1 können die durch die Prüfung gewonnen Ergebnisse einer FE-Simulation gegenübergestellt werden und damit die Simulation verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optisches Erkennungssystem
- 10
- Gehäuse
- 11, 12
- aktives optisches Sensorelement
- 13, 14
- Linse
- 2
- Aufspannvorrichtung
- 3
- Shaker
- 31
- Sensor, z.B. Beschleunigungssensor
- 4
- Erfassungseinrichtung
- 5
- Auswerteeinrichtung
- S1, S2
- Verfahrensschritte/Stufen
