DE19858748A1 - Abtastendes, gepulstes Radar-Entfernungssensorsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Radar-Entfer­ nungssensoren und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Be­ schaffen von Radar-Entfernungssensordaten unter Verwendung von Impuls-Flugzeitverfahren.

Sensorfähigkeiten sind eine Schlüsseltechnik für den Erfolg der Roboter-Automation. Roboter verwenden Daten über ihre Umgebung zum Navigieren, Erfassen von Hindernissen und zum Durchführen bestimmter Aufgaben. Solche Daten erfassende Sensorsysteme benötigen Sichtfelder, die die interessierenden Bereiche um den Roboter herum umfassen, hohe Abtastraten zum Sammeln frischer Daten und die Fähigkeit, auch auf sich bewe­ genden Geräten, in unwirtlichen Umgebungen, wie bei einer automatischen Maschine zum Betrieb in einer Erdbewegungsumge­ bung, zu funktionieren. Je nach Anwendungsgebiet sind Abtast­ daten aus bis zu 360 Grad innerhalb eines bestimmten Radius vom Objekt aus gefordert. Die Datenauflösung des Sensorsystems sollte so hoch sein, daß ein Erfassen von Objekten möglich ist, die sich typischerweise in der betreffenden Umgebung befinden, wie zum Beispiel sich bewegende und stationäre Objekte unterschiedlicher Größe, sowie daß eine Unterscheidung einer großen Auswahl von an der Baustelle vorkommenden Mate­ rialien, wie zum Beispiel Kies und Erde, möglich ist.

Laser-Entfernungs-Scanner können erfahrungsgemäß mit hoher Auflösung Abbildungen der Umgebung des autonomen Geräts oder der autonomen Maschine erstellen. Solche optischen Syste­ me sind jedoch für Roboter in geschlossenen Räumen am nütz­ lichsten. Bei Staub, Nebel und Regen wird die Leistung eines herkömmlichen Entfernungsmesser-Sensors schlecht und seine Anwendbarkeit schwindet.

Radar-Sensorsysteme sind beim Einsatz im Freien oft wirkungsvoller als Laser-Sensorsysteme. Radar-Abtast-Sensorsy­ steme senden Energiestrahlen längerer Wellenlänge aus, die die Umgebungsschwierigkeiten überwinden, die Lasersensoren haben. Bisherige Radarsysteme haben jedoch ihre eigenen Einschränkun­ gen, wie zum Beispiel große Strahlbreiten, langsame Abtastra­ ten, besorgniserregend große Seitenkeulen, schlechte Rücksen­ dung von spiegelnden Zielen und schlechte Entfernungsgenau­ igkeit.

Bei Radar-Sensorsystemen, die frequenzmodulierte Dauer­ strichradarverfahren (FMCW-Radar) verwenden, ist es schwierig, in einer unordentlichen Betriebsumgebung mehrere Ziel auf einmal aufzulösen. Zusätzlich erfordert FMCW zum zuverlässigen Auflösen eines Ziels eine Verbleibzeit, die der Dauer ihrer Frequenzrampe entspricht. Diese Frequenzrampe ist in ihrer Bandbreite proportional zur erwünschten Meßbereichs-Entfer­ nungsauflösung des Sensors, weshalb es, je höher die erwünsch­ te Genauigkeit, desto schwieriger ist, eine lineare Frequenz­ rampe zu erzeugen. Die Kombination dieser Schwierigkeiten kann eine genaue und schnelle Abtastung mit FMCW-Radarsensoren problematisch gestalten.

Ein Impuls-Flugzeitverfahren (Impuls-TOF-Verfahren) ergibt die Möglichkeit, das erste Ziel leicht von den Viel­ pfad- und Vielziel-Antworten zu unterscheiden, erfordert jedoch einen Hochpräzisions-Zeitabstimmungsmechanismus zum Bestimmen der Entfernung zum Ziel. Bisher hat man ein Entfer­ nungstor-Zeitabstimmungssystem verwendet, bei dem der Radar einmal für jeden potentiellen Entfernungsabschnitt oder die interessierende Entfernung gepulst wird. Ein solches Verfahren verringert die Netto-Datenrate beträchtlich, da der Sensor lange Zeit auf das gleiche Ziel gerichtet sein muß, um die Hunderte von Abtastungen durchzuführen, die zum Auffüllen der Abschnitte nötig sind.

Bei den meisten Anwendungsgebieten der Navigation und der Hindernis-Erfassung muß ein Sensorsystem nur den Ort des am nächsten liegenden Ziels wissen und kann daher die Flugzeit der ersten Reflexion messen. Bei Anwendungsgebieten mit Robo­ termaschinen, die eine oder mehr Aufgaben in potentiell un­ wirtlichen Umgebungen durchführen, wird ein Sensorsystem benötigt, das eine Erst-Ziel-Entfernungs-Ablesung für jeden Impuls des Radars vorsieht, hohe Datensammelraten erlaubt, Entfernungsabbildungen hoher Dichte liefert und nicht von der Strahlbegewegung beeinträchtigt wird, wenn eine Abtastung zwischen den aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen des Sensors erfolgt. Außerdem ist eine Einrichtung erwünscht, die Ziele mit schlechten Reflexionseigenschaften genau erfassen kann.

Demnach ist es eine Aufgabe der Erfindung, eines oder mehr der oben beschriebenen Probleme zu lösen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung liefert ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitender, dreidimensionaler Abtast-Ra­ dar-Sensor Entfernungsabbildungen in Betriebsumgebungen, bei denen mit Staub, Nebel oder Regen zu rechnen ist. Das Sensor­ system sendet einen Sensorstrahl aus, der aus Energieimpulsen hoher Frequenz und kurzer Dauer besteht. Die Richtung des Sensorstrahls wird von einem Abtastmechanismus mit einem sich schnell drehenden Reflektor gesteuert. Erfindungsgemäß ist ein Zeitabstimmungssystem vorgesehen, das die zwischen dem gesen­ deten und dem empfangenen Signal vergangene Zeit mißt. Die Zeitdifferenz repräsentiert die Entfernung zum Ziel, das die Energie reflektierte. Das von der Antenne kommende Signal wird vorverarbeitet und dann durch Konstant-Bruch-Diskriminatoren (CFDs) geleitet, die eine sichere Erfassung der Zeit durch­ führen, zu der das zurückgekehrte Signal empfangen wurde. Eine Hochpräzisions-Zeitabstimmungsschaltung wird zu einer festen Zeit im Verhältnis zur Sendung der Energie gestartet und gestoppt, wenn die CFDs eine Erfassung auslösen. Das vorlie­ gende Zeitabstimmungssystem erzeugt eine analoge Spannung, die proportional zur Entfernung bis zum Ziel ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm von Komponenten eines erfindungs­ gemäßen Radarsensorsystems;

Fig. 2 eine Kurvendarstellung eines Proben-I-Signals als Ausgangssignal am vorderen Ende des Radarsystems;

Fig. 2a eine Kurvendarstellung eines Proben-Q-Signals als Ausgangssignal am vorderen Ende des Radarsystems;

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Algorithmus zum Verarbeiten der Entfernungsdaten,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Komponenten des Sensorsystems,

Fig. 5 eine Draufsicht einer Anwendung der Erfindung an einem Aushubort, und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Anwendung der Erfindung an einem Aushubort.

Das Blockdiagramm von Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten des Radarsensorsystems 20, in dem das erfindungsgemäße Ver­ arbeitungssystem untergebracht ist, mit dem vorderen Ende 22, dem Zeitabstimmungssystem 24, einem Radar-Schnittstellen-Board 26, dem digitalen Signalprozessor (DSP) 28 und einem mechani­ schen Scanner- und Datensammelsystem 30.

Das Sensorsystem 20 weist eine Antenne 42 auf, die einen Abtaststrahl über einen interessierenden Bereich aussendet. Der interessierende Bereich ist typischerweise ein Gebiet im Umkreis von 0 bis 30 Metern vom Roboter. Eine Gauss-Optik-Lin­ sen-Antenne (GOLA) 42 wird zum Fokussieren des Strahls in die interessierenden Bereiche verwendet. Der Linsendurchmesser der GOLA 42 kann von einer beliebigen Größe sein, die die erwünschten Ergebnisse erbringt, sie kann zum Beispiel einen Durchmesser zwischen 8 und 25 Zentimetern haben.

Das vordere Ende 22 des Sensorsystems 20 basiert auf einer Gunn-Diode 34, die mit einem Impatt-Verstärker 36 ver­ bunden ist, und erzeugt ein HF-Signal im Millimeter-Wellenband mit der für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Ausgangs­ leistung, wie zum Beispiel 250 mW. Ein Hochgeschwindigkeits­ schalter 38, der von einem Impulsgenerator 39 getrieben wird, ermöglicht ein Senden von kurzen Impulsen über einen Zirku­ lator 40 zur Antenne 42 zum Aussenden in den Raum mit einer erwünschten Impuls-Wiederhol-Frequenz. Die HF-Ausgangsimpulse, die an die Antenne 42 angelegt werden, werden als ein Beleuch­ tungsstrahl 46 ausgestrahlt, der auf einen erwünschten Ober­ flächenbereich zum Erstellen einer Entfernungsabbildung ge­ richtet werden. Von der beleuchteten Oberfläche. Zurückgeworfene Signale werden durch die gleiche Antenne 42 und den glei­ chen Zirkulator 40 aufgenommen und mit dem gesendeten HF- Signal in einem I/Q-Mixer 48 gemischt, wie das auf diesem Gebiet bekannt ist. Der I/Q-Mixer 48 sieht phasengleiche und um 90 Grad phasenverschobene Erfassung vor und spaltet das gesendete und das empfangene Signal in einen phasengleichen Kanal und einen um 90 Grad phasenverschobenen Kanal auf, wobei die Signale dann als I-Signal (I = in-phase = phasengleich) 54 und als Q-Signal (Q = quadrature phase = um 90 Grad phasenver­ schoben) 55 an das Zeitabstimmungssystem 24 gesendet werden. Ein Verstärker 50, 52 mit niedriger Rauschzahl (low noise amplifier/LNA) auf jedem Kanal verstärkt das I- und das Q-Sig­ nal 54, 55 auf für das Zeitabstimmungssystem 24 verwendbare Pegel.

Proben-I- und -Q-Ausgangssignale sind in Fig. 2 und 2a gezeigt. Das Hindurchgehen des Sendeimpulses 56, 57 durch den Zirkulator 40 hindert den Empfänger effektiv daran, nach Rück­ strahlimpulsen zu suchen, bis die Sendung durchgeführt ist. In der Praxis muß jedoch den Vorderendenschaltungen und dem Verstärker ein Ausschwingen zu einem vollständig erholten Zustand erlaubt werden, bevor Rückstrahlungen zuverlässig erfaßt werden können. Deswegen minimiert der Hochgeschwindig­ keitsschalter 38 den Sendeimpuls 56, 57 und liefert gesteuerte Schaltzeiten mit steilen Anstiegs- und Abfallseigenschaften. Der Schalter 38 der bevorzugten Ausführungsform erzeugt einen 7-Nanosekunden-Vollbreiten-Halbmaximum-Impuls mit einer Schaltzeit von 1,5 Nanosekunden. Es kann jedoch ein beliebiger Schalter 38 verwendet werden, der die entsprechenden Lei­ stungseigenschaften aufweist. Dieser Zeitraum effektiver Blindheit kombiniert mit einer konservativen Verstärker-Ein­ schwingzeit führt dazu, daß während eines kurzen Zeitraums während des Sendens des Impulses keine Daten zur Verfügung sind. Der Blindheitszeitraum führt zu einem zu dem Zeitraum proportionalen Blindraum in nächster Nähe des Sensors. Zum Beispiel entspricht ein Zeitraum von 14 Nanosekunden einem Blindraum von 2,1 Metern um den Sensor herum.

Das Flugzeit(TOF)-Zeitabstimmungssystem 24 beruht auf im Handel erhältlichen Nuklearphysik-Laborgeräten und kann unter Verwendung einer applikationsspezifischen IC-Schaltung (ASIC) eingesetzt werden. Das Hindurchgelangen des Sendeimpulssignals durch den Zirkulator 40 erscheint als I- und Q-Impulsausgangs­ signale 56, 57, wie in Fig. 2 gezeigt, die zum Starten eines Zeit-Amplituden-Wandlers (TAC) 58 verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Q-Signal 55 aufgespalten, um so ein Eingangssignal 60 für einen Pegelschwellendetektor, der auf einem Komparator 62 beruht, wie zum Beispiel einem AD96685-Komparator, zu erzeugen. Das resultierende emitter­ gekoppelte Logiksignal (ECL-Signal) 64 löst einen Impulsgene­ rator bzw. eine "One-Shot"-Schaltung 66 aus, die das Zeit­ abstimmungssystem 24 über einen erwünschten Zeitraum, zum Beispiel 400 Nanosekunden, freischaltet, je nach den Lei­ stungseigenschaften des Impulsgenerators 66. Dieses ECL-Signal 64 wird am Start-Eingang 68 des TAC 58 in negative Logik umgewandelt.

Ein zweiter Satz Verstärker 72, 73 wird zum Verstärken des I- und Q-Signals 54, 55 zum Erreichen von Eingangssignal- Mindestpegeln des Zeitabstimmungssystems 24 verwendet. Hochge­ schwindigkeits-Galliumarsenid(GaAs)-Schalter 70, 71 sind zwischen den primären 50, 52 und den sekundären 72, 73 Ver­ stärkern geschaltet, um zu verhindern, daß der Sendeimpuls 60 die sekundäre Verstärkung erreicht, bevor er den Impulsgenera­ tor 66 zum Starten des Zeitabstimmungssystems 24 auslöst. Ein Wandler 74 zum Umwandeln von emittergekoppelter Logik (ECL) in Transistor-zu-Transistor-Logik (TTL) (ECL-TTL-Wandler), wie zum Beispiel ein MC10125, wird zum Wandeln eines Ausgangssi­ gnals 76 vom Impulsgenerator 66 auf einen geeigneten Span­ nungspegel und zum Verzögern des Signals 76 über den erwünsch­ ten Zeitraum verwendet. Das Steuersignal 78 vom ECL-TTL-Wand­ ler 74 wird zum Auslösen des Schalters 70, 71 verwendet, so daß die I- und Q-Signale 54, 55 als Eingangssignale in die sekundären Verstärker 72, 73 geleitet werden, nachdem die Sendung vollständig durchgeführt wurde. Die Spannung des Steuersignals 78 erzeugt eine leichte Vorspannung bei den Ausgangssignalen 80, 82 der Schalter 70, 71, was durch eine einstellbare Versetz- oder Vorspannung 85 ausgeglichen wird, die in die gegenüberliegenden Ports, oder normal offenen Kontakte 84, 86 der Schalter 70, 71 eingeleitet wird.

Die I- und Q-Ausgangssignale 80, 82 der sekundären Ver­ stärker 72, 73 werden durch Splitter 88, 90 in einen Satz von vier Konstant-Bruch-Diskriminatoren (CFDs) 92, 94, 96, 98 geleitet. Die CFDs 92, 94, 96, 98 werden zum Minimieren der Auswirkung der Stärke des Rück-Signals auf die Entfernungs­ messung verwendet, indem dazu die konsistenten Anstiegszeit­ eigenschaften der I/Q-Signale 54, 55 verwendet werden. Da die CFDs 92, 94, 96, 98 nur durch ein negatives Signal ausgelöst werden, werden die I- und Q-Signale 80, 82 jeweils aufgespal­ ten und eine Hälfte invertiert, so daß das I-Signal 100, das invertierte I-Signal 102, das Q-Signal 104 und das invertierte Q-Signal 106 jeweils in die CFDs 92, 94, 96 bzw. 98 einge­ speist werden. Die vier CFD-Ausgangssignale 108, 110, 112, 114 werden in ein OR-Gatter 116 eingespeist, und das resultierende Ausgangssignal 116 vom OR-Gatter 118 wird zum Stoppen der Zeitmessungssequenz im TAC 58 verwendet. Die CFDs 92, 94, 96, 98 werden durch ein Veto-Signal 120 daran gehindert, Leck- und Zielentfernungen zu berichten, die näher als ein bestimmte Minimalentfernung sind. Das Veto-Signal 120 wird durch Ver­ zögern des Ausgangssignals 76 des Impulsgenerators 66 über einen erwünschten Zeitraum, wie zum Beispiel 18 Nanosekunden, erzeugt, bis die Verstärker 50, 52 und der Schalter 38 nach dem Sendeimpuls wieder eingeschwungen sind.

Der TAC 58 gibt ein Entfernungssignal 122 aus, das zur zum Ziel benötigten Zeit proportional ist. Ein Analog-Digi­ tal(A/D)-Wandler 124 kann zum Digitalisieren des Entfernungs­ signals verwendet werden, wenn es vom TAC 58 in Form einer analogen Spannung geliefert wird. Die kombinierten Zeitver­ zögerungen der CFDs 92, 94, 96, 98, des logischen OR-Gatter 116, des TAC 58 und des A/D-Wandlers 124 im Zeitabstimmungs­ system 24 erzeugen einen Fehler in der Entfernungsmessung. Typischerweise ist dieser Fehler ungefähr 2,5 cm oder weniger.

Wenn ein Impuls vom Radarsystem ausgesendet wird, schal­ tet das Startsignal 68 eine Zeitmeßsequenz im TAC 58 frei. Der TAC 58 sendet ein "Gestartet"-Signal 126 aus, wenn die TAC-58-Zeit­ meßsequenz beginnt, und ein "Umgewandelt"-Signal 128, wenn die TAC-58-Zeitmeßsequenz endet. Schalter 130, 132 senden ein Auslösesignal 134 an den A/D-Wandler 124 zum Durchführen einer Entfernungsmessung unter Verwendung des Entfernungssignals 122 vom TAC 58. Wenn der mit dem "Gestartet"-Signal 125 versorgte Schalter 130 geschlossen ist, führt der A/D-Wandler 124 bei jedem Aussenden eines Impulses eine Entfernungsmessung durch. Wenn der mit dem "Umgewandelt"-Signal 128 versorgte Schalter 132 geschlossen ist, führt der A/D-Wandler 124 bei jedem Empfangen eines Impulses eine Entfernungsmessung durch. Wenn kein Rücksignal empfangen wird, berichtet der A/D-Wandler 124 einen ungültigen Entfernungswert, wenn der "Gestartet"-Schal­ ter 130 verwendet wird, während das System überhaupt keinen Wert erzeugt, wenn der "Umgewandelt"-Schalter 132 verwendet wird. Durch Verwenden des "Gestartet"-Betriebs erzeugt der A/D-Wandler 124 jedesmal eine Anzeige, wenn eine Entfernungs­ messung versucht wird. Der DSP 28 ignoriert die ungültigen Messungen und verarbeitet nur die gültigen Messungen, wie weiter unten beschrieben ist.

Der A/D-Wandler 124 erzeugt ein Umwandlung-vollständig-Sig­ nal 136, das eine Flip-Flip-Vorrichtung 138 taktet, wie zum Beispiel ein 74HCT74 des D-Typs, wobei ein diskretes Signal Q 140 auf eine logische "1" gesetzt wird. Der DSP 28 überwacht das diskrete Signal Q 140 und liest die Daten 144 vom A/D-Wand­ ler 124, nachdem die ansteigende Kante des diskreten Signals Q 140 erfaßt wurde. Nachdem der DSP 28 die Daten 144 erfolgreich gelesen hat, toggelt er die CLEAR(C)-Leitung 142 des Flip-Flop 138, wodurch das System 20 zum weiteren Daten­ sammeln freigeschaltet wird.

Aufgrund des unterschiedlichen Rückstrahlvermögens und der unterschiedlichen Spiegeleingenschaften der Ziele im Millimeterwellenband werden die Entfernungsdaten durch den DSP 28 verarbeitet, der in einer Datenverarbeitungsvorrichtung im­ plementiert ist, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, der mit einem Datenspeicher und Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen verbunden ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt ein DSP-Algorith­ mus 146 eine Anzahl n aufeinanderfolgender Entfernungssignale oder Werte 148, bei denen bei manchen aufgrund von Spiegel­ eigenschaften oder schwachem Reflexionsvermögen des Ziels kein Rücksignal vorliegt, und bestimmt einen verschobenen Mittel­ wert des Datensatzes. Der Algorithmus 146 sortiert die gülti­ gen Entfernungsmessungen und ignoriert die ungültigen Rücksi­ gnale 150. Innerhalb der Serie von n gültigen Datenpunkten können sich die Punkte auf zwei oder mehr Ziele in unter­ schiedlichen Entfernungen 152 beziehen. Dies ist als "Mixed-Pixel-Pro­ blem" bekannt und wird in dem Algorithmus 146 so gelöst, daß ein Entfernungssignal an einer Zwischenposition vom Beginn der Daten, wie z. B. nach 1/4 oder 3/4 des Satzes von n Datenpunkten 154, gewählt wird. Durch Wählen eines Ent­ fernungssignals in der Nähe des Anfangs der Datenpunktserie werden Rücksignale von näheren Zielen stärker gewichtet. Der Algorithmus 146 bildet dann einen Durchschnitt durch alle gültigen Datenpunkte oder Entfernungssignale mit einer Nenn-Ent­ fernung 156, zum Beispiel 0,25 Meter vom 1/3-Punkt zum Verbessern der Genauigkeit der Messung. Der DSP-Algorithmus 146 erzeugt dadurch genauere Entfernungsdaten und vergrößert die Wahrscheinlichkeit, daß irreguläre spiegelnde und höchst diffuse Ziele mit einem einzigen Entfernungssignal verglichen werden. Die Anzahl n von Datenpunkten ist eine vom Benutzer einzustellende Variable und ist typischerweise ein Wert zwi­ schen 10 und 30 Punkten, je nach der erwünschten Datenfre­ quenz. Wenn der DSP-Algorithmus 146 zum Beispiel bei 250 kHz 20 Datenpunkte abtastet, ergibt sich eine Datenrate von 12,5 kHz.

Fig. 4 zeigt Komponenten eines abtastenden Sensorsystems 159, das auf zwei orthogonalen Achse 160, 162 in einer Art und Weise montiert ist, bei der Daten für die erwünschten Entfer­ nungen und Blickwinkel gesammelt werden können. In Fig. 4 ist eine senkrecht verlaufende Seitwärtsschwenkachse 160 einer drehbaren Welle 167 eines ersten Motors 166 gezeigt, und die GOLA-Antenne 164 ist auf der Welle 167 so angebracht, daß der Beleuchtungsstrahl 168 in einer im wesentlichen waagrechten Richtung ausgesendet wird. Nach der Aussendung des Beleuch­ tungsstrahls 168 wird seine Richtung durch einen Reflektor 170 gesteuert, der koaxial mit einer Abtastachse 162 auf einer drehbaren Welle 171 eines zweiten Motors 172 neben der GOLA-An­ tenne 164 angebracht ist. Vorzugsweise ist der Reflektor 170 ein elliptisches Plättchen mit einer höchst reflektierenden Oberfläche, die in einem Winkel zur Richtung des emittierten Strahls 168 steht. Beim kontinuierlichen Drehen der Welle 171 des zweiten Motors 172 durch 360 Grad, führt der Reflektor 170 den Strahl 168 durch ein 180-Grad-Abtastmuster. Der zweite Motor 172 ist an einem Endteil eines Strukturelements 174 angebracht, während die GOLA-Antenne 164 am anderen Endteil des Strukturelements 174 angebracht ist.

Mit dieser Anordnung wird der Beleuchtungsstrahl 168 horizontal durch 360 Grad geführt, während der erste Motor 166 die Welle 167 kontinuierlich um die Seitwärtsschwenkachse 160 dreht. Das 180-Grad-Abtastmuster um die Abtastachse 162 kann so positioniert werden, daß die Mitte der Abtastung von Hori­ zont zu Horizont nach unten sieht oder von senkrecht nach unten bis senkrecht nach oben zur Seite sieht. Die Wellen 167, 171 der Motoren 166, 172 drehen mit Geschwindigkeiten, die ein Datensammeln mit der erforderlichen Auflösung ermöglichen, wie zum Beispiel 60 Grad/Sekunde um die Seitwärtsschwenkachse 160 und 3600 U/min um die Abtastachse 162. Wenn die Abtastachse 162 so positioniert ist, daß sie nach unten zeigt, muß sich die Antenne 164 nur um 160 +/-90 Grad drehen, um einen unge­ hinderten Blick der ganzen Welt unter dem Horizont des Sensors zu erhalten.

In Fig. 1 wird das vordere Ende 22 des Radarsystems 20 durch einen frei laufenden Oszillator 34 mit variabler Frequenz ausgelöst. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Impulsrate von 250 kHz zum Auslösen des vorderen Endes 22 verwendet, doch kann der Oszillator 34 auch so ausgewählt sein, daß er Impulse mit jeder gewünschten Frequenz aussendet. Nach einer bestimmten Anzahl von ausgesendeten Impulsen, zum Beispiel 20 Impulsen, führt der DSP 28 den Filteralgorithmus durch und löst das Datensammelsystem 30 aus, das die derzeiti­ gen Winkel der Seitwärtsschwenk- und der Abtastachse 160, 162 festhält. Die Kombination von der Luftlinienentfernung zum Ziel, dem Seitwärtsschwenk(Azimuth)-Winkel und dem Abtast(Hö­ hen)-Winkel legt eine eindeutige Kugelkoordinate im Raum fest.

Das Steuersystem 32 des Datensammelsystems 30 ist ein Mikroprozessor 180 und enthält Schnittstellenkarten für digi­ tale I/O 182, Kodier-Phasenverschiebung um 90 Grad 184 und Kommunikationsverbindungen zum Host-Automatisierungsprozessor 186. Jede Servoachse 160, 162 wird durch eine Bewegungs-Steue­ rungs/Verstärkungs-Kombination 188, 190 gesteuert, die mit dem Mikroprozessor 180 verbunden ist. Das Kodier-Signal 192, 194 von der jeweiligen Achse 160, 162 wird für jede einzelne Achse 188, 190 in die Bewegungssteuerungen und die Kodier-90-Grad-Phasen­ verschiebungskarte 184 im Steuersystem 32 eingegeben. Der DSP 28 unterbricht das Steuersystem 32, wenn eine gültige Entfernungsmessung zur Verfügung steht, wobei zu dieser Zeit die Datensammelsoftware die digitale Entfernung auf dem digi­ talen I/O-Board 182 zusammen mit der derzeitigen Position 196, 198 der Seitenschwenk- und Abtast-Servo-Antriebe 188, 190 aufnimmt. Je nach der Anzahl der ausgesendeten Impulse, die in jedem im DSP 28 gefilterten Entfernungsdatensatz vorhanden sind, werden die Daten mit den entsprechenden Raten gesammelt, wie zum Beispiel 12,5 kHz gefiltert oder 250 kHz ungefiltert für einen Satz von 20 Datenpunkten, und zur Navigation, Hin­ derniserfassung und Trajektorienerzeugung in anderen Subsyste­ men des Roboter-Automationssystems verarbeitet.

Die vorliegende Erfindung ist in Situationen verwendbar, in denen eine autonome oder halbautonome Steuerung mobiler Maschinen erwünscht ist, wie zum Beispiel bei der Erdbewegung. Fig. 5 und 6 zeigen einen typischen Aushubort mit einem über einer Aushubfläche 202 positionierten Bagger 200 und einem in Reichweite der Baggerschaufel 206 angeordneten Kipper 204. Zu einem autonomen Betrieb des Baggers 200 muß die Lage von Objekten und Hindernissen im Bewegungsbereich des Baggers und die Lage des auszuhebenden Terrains bekannt sein. Die ver­ wendeten Sensorsysteme müssen deshalb aktuelle Informationen über die Lage der Objekte im ganzen Bewegungsbereich so weit im voraus liefern, daß der Bagger 200 eine entsprechende Reaktionszeit hat.

Fig. 5 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung mit einem linken und einem rechten Sensor 208, 210, die an unge­ fähr symmetrischen Stellen links und rechts von einem Ausleger 212 auf dem Bagger 200 angebracht sind. Ein Kipper 204 ist in der Nähe des Baggers 200 zur Aufnahme des ausgehobenen Materials positioniert. Während des Bagger- und Lade-Zyklus befiehlt das (nicht dargestellte) Steuersystem dem linken und dem rechten Sensor 208, 210, die Schaufel 206 und anliegende Bereiche zu überwachen. Wenn der Bagger 200 den Baggervorgang fast vollständig durchgeführt hat, befiehlt das Steuersystem dem linken Sensor 208 zum Kipper 204 zu schwenken, um nach Hindernissen im Bewegungspfad des Baggers 200 zu suchen und um die Position und Ausrichtung des Kippers 204 zu bestimmen. Nach dem Durchführen des Ladezyklus wird die Abtastgeschwin­ digkeit des Sensors 210 mit der Schwenkdrehung des Baggers 200 koordiniert, wenn dieser den Ausleger 212 zur Aushubfläche 202 zurückführt, um Hindernisse so weit im voraus zu erfassen, daß dem Bagger 200 eine entsprechende Reaktionszeit verbleibt.

Der linke und der rechte Sensor 208, 210 können zur Verbesserung des Wirkungsgrads unabhängig voneinander betrie­ ben werden. Wenn zum Beispiel der Bagger 200 zum Kipper 204 schwenkt, geht der rechte Sensor 210 zurück (d. h. er schwenkt in die entgegengesetzte Richtung) zum Abtasten des Aushubbe­ reichs zum Bereitstellen von Daten zum Planen des nächsten Teils des Aushebens. Gleichzeitig tastet der linke Sensor 208 den Bereich um den Kipper 204 herum ab. Der Abtastsensor 208 liefert aktuelle Informationen an das Steuersystem, so daß dieses einen richtigen Ort zum Entladen der Schaufel 206 bestimmen kann, auch wenn sich der Kipper 204 seit dem letzten Ladezyklus bewegt hat. Während die Schaufel 206 entladen wird, tastet der rechte Sensor 210 den Bereich in der Nähe rechts von der Schaufel 206 ab, um die Drehung zur Aushubfläche 202 vorzubereiten. Wenn der Bagger 200 sich nach rechts dreht, schwenkt der rechte Sensor 210 voraus zur Aushubfläche 202, um Informationen zur Hinderniserfassung bereitzustellen. Wenn der Bagger 200 nach dem Entladen anfängt, sich zur Aushubfläche 202 zu drehen, geht der linke Sensor 208 zurück, um die Ver­ teilung von Erde in der Ladefläche des Kippers 204 zu betrach­ ten, so daß der Ort in der Ladefläche des Kippers bestimmt werden kann, an dem die nächste Schaufel Material entladen werden kann. Beim Eintreffen der Schaufel 206 in der Nähe der Aushubfläche 202 tastet der rechte Sensor 210 den Aushubbe­ reich ab. Wenn der linke Sensor 208 seine Abtastung des Kip­ pers 204 vollendet hat, befiehlt das Steuersystem dem Sensor 208, auch den Aushubbereich abzutasten. Die Schritte des Aushubvorgangs werden wie oben angegeben wiederholt, bis eine Kipperladefläche voll oder der Aushub durchgeführt ist. Das Steuersystem verwendet vom Sensorsystem gelieferte Information zum Bestimmen, ob der Betrieb unterbrochen werden sollte, wie zum Beispiel, wenn der Kipper voll ist, der Aushub durchge­ führt ist oder ein Hindernis erfaßt wird. Die Information wird auch zum Navigieren der Bewegung der Maschine verwendet.

Eine Anwendung der Erfindung auf Aushub- und Beladevor­ gänge dient nur der Veranschaulichung der Nützlichkeit des Sensorsystems. Das Sensorsystem kann nämlich auch mit anderen Erdbewegungsgeräten verwendet werden, wie zum Beispiel Radla­ der, Kettentraktoren, Walzen, Motorgradern, landwirtschaftli­ chen Maschinen, Pflastermaschinen, Asphaltiermaschinen und dergleichen, die sowohl (1) Mobilität über oder durch eine Baustelle als auch (2) die Fähigkeit, die Topographie oder Geographie einer Baustelle mit einem Werkzeug oder einem Funk­ tionsteil der Maschine, wie zum Beispiel einer Schaufel, einer Klinge, einer Aufreißeinrichtung, einer Walze und dergleichen, zu verändern, aufweisen. Bei einem automatischen System kann ein Erfassungs-Skript das Abtastmuster und die Abtastgeschwin­ digkeit für ein oder mehrere Sensorsysteme in Abhängigkeit vom Fortschritt der Maschine im Arbeitszyklus steuern.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Entfernung zu einem Punkt unter Verwendung eines ausgesendeten Signals und eines Rücksi­ gnals, die von einem gepulsten Millimeter-Wellenband-Energie- Sensor-System erzeugt werden, gekennzeichnet durch:
mehrere Konstant-Bruch-Diskriminatoren, wobei das Ein­ gangssignal für die Konstant-Bruch-Diskriminatoren zum Bei­ spiel des Rücksignal vom Sensorsystem ist, wobei die Konstant- Bruch-Diskriminatoren ein Signal ausgeben, wenn das Rücksignal vom Sensorsystem erfaßt wird,
ein OR-Gatter, das die Ausgangssignale von den Konstant- Bruch-Diskriminatoren empfängt und ein Stopsignal ausgibt, wenn das Rücksignal erfaßt wird, und
einen Zeit-Amplituden-Wandler, an den das eine Zeitmeßse­ quenz auslösende Startsignal und das Stopsignal vom OR-Gatter gesendet wird, wobei der Zeit-Amplituden-Wandler ein Entfer­ nungssignal ausgibt, das zur Zeitdifferenz zwischen der Erfas­ sung des Startsignals und der Erfassung des Stopsignals pro­ portional ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen Impulsgenerator zum Erzeugen eines Startsignals aufgrund der Erfassung des vom Sensorsystem ausgesendeten Signals,
eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Ausgeben eines ungültigen Entfernungssignals, wenn kein Rücksignal während der Zeitmeßsequenz erfaßt wird, und
eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Ausgeben eines Entfernungsdatenpunkts aufgrund eines verschobenen Mittelwerts einer Abfolge mehrerer gültiger Entfernungssignale.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstant-Bruch-Diskriminatoren ein Vetosignal empfangen, wobei das Vetosignal dadurch erzeugt wird, daß das vom Impuls­ generator kommende Startsignal um einen Zeitraum verzögert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung zum Ausgeben eines ungülti­ gen Entfernungssignals, wenn während der Zeitmeßsequenz kein Rücksignal erfaßt wird, die folgenden Elemente aufweist:
einen Analog-Digital-Wandler,
einen Auslöseschalter, der zwischen den Zeit-Amplituden- Wandler und den Analog-Digital-Wandler geschaltet ist zum Auslösen eines Betriebs des Analog-Digital-Wandlers, wenn das Startsignal erfaßt wird, wobei der Analog-Digital-Wandler
einen ungültigen Entfernungswert ausgibt, wenn während der Zeitmeßsequenz durch den Zeit-Amplituden-Wandler keine Entfer­ nungsspannung ausgegeben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung zum Ausgeben eines Entfer­ nungsdatenpunkts aufgrund eines verschobenen Mittelwerts einer Abfolge mehrerer gültiger Entfernungssignale Folgendes auf­ weist:
eine Computersoftware, die einen Satz vom Analog-Digital- Wandler kommender gültiger Entfernungswerte sortiert und den verschobenen Mittelwert für einen Teilsatz des sortierten Satzes von Entfernungswerten berechnet, die in einem vorbe­ stimmten Bereich eines Zwischenentfernungswerts im Satz lie­ gen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenentfernungswert ein Entfernungswert ist, der zwischen ungefähr 25 Prozent und 50 Prozent des maximalen Entfernungswerts liegt, und der Teilsatz von Entfernungswerten Entfernungswerte enthält, die in bis zu einem Meter Entfernung vom Zwischenentfernungswert liegen.

7. Ein Abtast-Radar-Sensorsystem, gekennzeichnet durch:
eine Datensammelanordnung mit einer Antenne mit einem ersten Ende, das einen Beleuchtungsstrahl aussendet, der aus einem Impuls-Energie-Signal im Millimeterwellenband besteht, das von einem Oszillator erzeugt wird, und ein Energie-Rücksig­ nal empfängt, das durch eine Reflexion des ausgesendeten Signals durch ein durch das ausgesendete Signal beleuchtetes Objekt erzeugt wird, und einen drehbaren Reflektor, der in einem Winkel beim ersten Ende der Antenne liegt und die Ab­ tastrichtung des ausgesendeten Energiesignals und des Energie- Rücksignals steuert,
einen Schalter, der ein gesteuertes Signal liefert, das den ausgesendeten Energieimpuls repräsentiert,
einen mit dem Schalter verbundenen I/Q-Mixer, der das gesteuerte Signal und das Energie-Rücksignal zum Erzeugen eines phasengleichen und eines um 90 Grad phasenverschobenen Signals verarbeitet, und
ein Zeitabstimmungssystem mit Konstant-Bruch-Diskrimina­ toren, die das phasengleiche und das um 90 Grad phasenver­ schobene Signal empfangen.

8. Abtast-Radar-Sensorsystem nach Anspruch 7, weiter gekenn­ zeichnet durch:
einen ersten Motor mit einer drehbaren Welle, wobei die Antenne auf der Welle so angebracht ist, daß der Beleuchtungs­ strahl in eine Richtung ausgesendet wird, die im wesentlichen senkrecht zur Welle verläuft,
wobei der Reflektor auf einer drehbaren Welle eines zweiten Motors montiert ist, wobei der zweite Motor an einem Endteil eines Strukturelements und die Antenne am anderen Ende des Strukturelements angebracht ist.

9. Zeitabstimmungsvorrichtung für ein Abtast-Radar-Sensorsy­ stem, gekennzeichnet durch:
mehrere Konstant-Bruch-Diskriminatoren, die zum Empfangen von Eingangssignalen angeschlossen sind, die aus einem ausge­ sendeten Impuls-Energie-Signal und einem Impuls-Energie-Rück­ signal bestehen, und zum Ausgeben eines Signals, wenn das ausgesendeten Impuls-Energie-Signal und das Impuls-Energie-Rück­ signal erfaßt werden, wobei die Impuls-Energie-Signale im Millimeterwellenband sind,
eine Einrichtung zum Sperren der Konstant-Bruch-Diskrimi­ natoren, so daß sie kein Signal ausgeben, wenn das Sende- Impuls-Energie-Signal erfaßt wird, und
einen Zeit-Amplituden-Wandler, der zum Empfangen von Eingangssignalen angeschlossen ist, die das Ausgangssignal aus den Konstant-Bruch-Diskriminatoren umfassen, wobei der Zeit- Amplituden-Wandler ein Signal ausgibt, das zur Zeitdifferenz zwischen der Erfassung des gesendeten Signals und der Erfas­ sung des Rücksignals proportional ist.

10. Zeitabstimmungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Sperren der Konstant-Bruch-Dis­ kriminatoren, so daß sie kein Signal ausgeben, wäh­ rend das gesendete Impuls-Energie-Signal erfaßt wird, Folgen­ des umfaßt:
ein als Eingangssignal an die Konstant-Bruch-Diskrimina­ toren gesendetes Veto-Signal, das zum Sperren der Konstant- Bruch-Diskriminatoren gesetzt wird, indem ein von einem Im­ pulsgenerator kommendes Signal verzögert wird, wobei der Impulsgenerator aktiviert wird, wenn das gesendete Impuls- Energie-Signal erfaßt wird.

11. Zeitabstimmungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale, die aus einem gesen­ deten Impuls-Energie-Signal und einem Impuls-Energie-Rücksi­ gnal an einen ersten und einen zweiten Konstant-Bruch-Dis­ kriminator bestehen, zeitverzögert sind und die Eingangssigna­ le, die aus einem gesendeten Impuls-Energie-Signal und einem Impuls-Energie-Rücksignal an einen dritten und einen vierten Konstant-Bruch-Diskriminator bestehen, negiert werden.

12. Vorrichtung zum Verarbeiten von von einem Abtast-Radar- Sensor-System erzeugten Entfernungssignalen, gekennzeichnet durch:
einen digitalen Prozessor, der einen Satz gültiger Ent­ fernungssignale sortiert und einen Durchschnittswert für einen Teilsatz des sortierten Satzes von Entfernungssignalen berech­ net, wobei der Teilsatz Entfernungssignale enthält, die in einer vorbestimmten Entfernung eines Zwischenentfernungs- Signals im Satz sind, wobei sich das Zwischenentfernungs- Signal zwischen ungefähr 25 Prozent und 75 Prozent des Werts des Maximal-Entfernungs-Signals befindet und der Teilsatz von Entfernungssignalen Entfernungssignale enthält, die innerhalb einer Entfernung von einem Meter vom Zwischenentfernungs- Signal sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter gekennzeichnet durch:
einen Analog-Digital-Wandler, der eine analoge, zu einer Entfernung zu einem Objekt proportionale Spannung in ein digitales Signal umwandelt und ein Signal an ein Flip-Flop schickt, wenn die Entfernungsdatenumwandlung vollständig ist, wobei das Flip-Flop nach der Erfassung des Umwandlung-voll­ ständig-Signals ein diskretes Signal aussendet, und
wobei der digitale Signalprozessor das diskrete Signal überwacht und Daten vom Analog-Digital-Wandler liest, nachdem das diskrete Signal erfaßt wurde, und ein Löschsignal setzt, nachdem der digitale Signalprozessor erfolgreich die Daten gelesen hat, um dem Flip-Flop zu ermöglichen, das nächste Umwandlung-vollständig-Signal zu erfassen.