DE20204491U1

DE20204491U1 - Laserabstandsermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE20204491U1
Application number: DE20204491U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2012-03-22

Description

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SICK AG
Sebastian-Kneipp-Straße 1, 79183 Waldkirch

Laserabstandsermittlungsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach dem Lichtlaufzeitverfahren mit einem Laser, der gesteuert optische Strahlung in einen Messbereich schickt, einer Photoempfangsanordnung, welche die von einem im Messbereich befindlichen Objekt zurückgeworfenen Strahlung empfängt und einer Auswerteschaltung, welche unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang der Strahlung ein für den Abstand des Objektes vom Laser charakteristisches Abstandssignal ermittelt, mit einer zwischen dem Messbereich und dem Laser angeordneten Lichtablenkvorrichtung, welche die ausgesandte Strahlung unter sich zunehmend verändernde Winkel in den Messbereich lenkt und gleichzeitig an die Auswerteschaltung ein für ihre momentane Winkelstellung repräsentatives Winkelpositionssignal abgibt, so dass die Auswerteschaltung aus dem Abstandssignal und dem Winkelpositionssignal den Ort des Objektes innerhalb des Messbereiches ermitteln kann.

Derartige Laserabstandsermittlungsvorrichtungen zur Erkennung und Positionsbestimmung von Objekten in einem Messbereich sind grundsätzlich bekannt. (DE-PS 43 40 756)

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Diese Vorrichtungen werden &zgr;. B. zur Absicherung von fahrerlosen Transportsystemen, zur Überwachung von Roboteranlagen oder ganz allgemein zur Bereichsabsicherung eingesetzt. Dabei sind die Anforderungen an die Laserabstandsermittlungsvorrichtung hinsichtlich der Größe des Messbereiches, einer Mindestgröße und eines minimalen Remissionsgrades der zu erfassenden Objekte oder auch einer dabei erforderlichen Messgenauigkeit sehr stark vom jeweiligen Einsatzfall abhängig. Aus diesem Grunde werden die Systemparameter, durch welche diese Eigenschaften bei der Laserabstandsermittlungsvorrichtung bestimmt werden, auf den jeweiligen Einsatzfall optimal zugeschnitten. Nachteilig dabei ist jedoch, dass immer dann, wenn innerhalb eines Messbereiches Teilabschnitte vorhanden sind, in denen eigentlich Messbedingungen vorhanden sind, auch unterschiedliche Systemparameter eingestellt werden müssten. In diesen Fällen muss bei der Vorgabe dieser Systemparameter ein Kompromiss eingegangen werden, mit dem die Laserabstandsermittlungsvorrichtung dann mehr oder weniger gut an die Einsatzbedingung über den gesamten Messbereich angepasst ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laserabstandsermittlungsvorrichtung zu schaffen, mit welcher die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden, so dass in jedem Teilabschnitt des Messbereiches die optimalen Messbedingungen vorhanden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, die Systemparameter partiell umzuschalten, wenn die Lichtablenkvorrichtung die ausgesandte Strahlung in jene Teilabschnitte des Messbereiches ablenkt, in denen andere Messbedingungen vorliegen. Zu diesem Zweck wird das Winkelpositionssignal, welches für die Ortsbestimmung des Objektes in der Laserabstandsermittlungsvorrichtung vorhanden ist, zusätzlich dazu benutzt, um die Systemparameter partiell umzuschalten.

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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 im Einzelnen erläutert. In den Figuren zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Laserabstandsermittlungsvorrichtung.

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel vom Einsatz einer

Laserabstandsermittlungsvorrichtung an einem fahrerlosen Transportsystem.
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Figur 3 eine schematische Darstellung zur Umschaltung der Systemparameter durch Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit am Beispiel einer Veränderung der momentanen Empfangsverstärkung.

Nach Fig. 1 sendet ein Laser 1 gesteuert optische Strahlung aus, welche auf eine Sendeoptik 5 auftrifft. Die Sendeoptik beeinflusst die Ausbreitungsrichtung der Strahlung derart, dass sich die Strahlung im weiteren Verlauf als ein annähernd paralleles Sendestrahlbündel 6 ausbreitet. Ein kleiner planer Umlenkspiegel 7, dessen Spiegelfläche unter einem Winkel von 45° zur Achse des Sendestrahlbündels ausgerichtet ist, lenkt das Sendestrahlbündel in die Drehachse einer Lichtablenkvorrichtung 4. Die Lichtablenkvorrichtung besteht aus einem Motor 8, einem Winkelgeber 9 und einem Umlenkspiegel 10. Die Spiegelfläche des Umlenkspiegels ist dabei unter 45° zur Drehachse des Motors ausgerichtet. Das auf den Umlenkspiegel 10 auftreffende Sendestrahlbündel 6 wird somit in den Messbereich 11 umgelenkt. Bei Drehung des Umlenkspiegels 10 durch den Motor wird das Sendestrahlbündel 6 den Messbereich fächerartig durchstrahlen. Der mit dem Umlenkspiegel 10 verbundene Winkelgeber 9 liefert ein elektrisches Signal, aus welchem abgeleitet werden kann, in welcher Winkelstellung sich der Umlenkspiegel 10 aktuell befindet und in welcher Richtung demzufolge das Sendestrahlbündel 6 den Messbereich durchläuft. Trifft das Sendestrahlbündel, wie in Fig.1 dargestellt, auf ein Objekt 3, so wird das Sendestrahlbündel, in Abhängigkeit von der Oberfläche des Objektes, nach den optischen Gesetzen

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reflektiert. Ein Ausschnitt 12 dieser reflektierten Strahlung wird vom Umlenkspiegel 10 aufgenommen und nach Umlenkung einer Empfangsoptik 13 zugeführt. Die Empfangsoptik fokussiert diese Strahlung auf eine Photoempfangsanordnung 2. Eine in Fig. 1 nicht dargestellte Auswerteschaltung ermittelt die Laufzeit t, die zwischen dem Aussenden der Strahlung vom Laser und dem Auftreffen der Strahlung nach der Reflexion am Objekt 3 auf der Photoempfangsanordnung, vergeht. Der Abstand d berechnet sich nach der Formel

d = ct/2

wobei c die Lichtgeschwindigkeit der Strahlung ist. Da von dem Winkelgeber 9 die momentane Winkelposition des Umlenkspiegels 10 ebenfalls bekannt ist, sind alle Informationen vorhanden, um die Polarkoordinaten des Objektes 3 im Messbereich zu berechnen und damit den Ort des Objektes zu bestimmen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Laserabstandsermittlungsvorrichtung 20 an der Frontseite eines fahrerlosen Transportwagens 21 angebracht. Der Transportwagen bewegt sich dabei gesteuert entlang einer Leitlinie 22. Die Laserabstandsermittlungsvorrichtung 20 hat dabei die Aufgabe zu kontrollieren, ob sich Objekte innerhalb des vorgesehenen Bewegungsbereiches des Transportwagens befinden. Bewegt sich z. B. ein Objekt 24 unmittelbar in den direkten Sicherheitsbereich 26, muss eine abrupte Notbremsung eingeleitet werden.

Ist dagegen ein Objekt 25 noch weit genug entfernt und eine akute Kollisionsgefahr somit noch nicht vorhanden, kann es bereits ausreichen, wenn ein Warnsignal abgegeben wird oder die Fahrtgeschwindigkeit des Transportwagens verzögert wird. Gerade Letzterem kommt beim Transport großer Gewichte eine besondere Bedeutung zu, weil die notwendigen Kräfte zum schnellen Anhalten und anschließendem Beschleunigen des Transportwagens Zeit und Energie benötigen. Aus diesem Grunde hat die am Transportwagen 21 angebrachte Laserabstandsermittlungsvorrichtung 20, in dem relativ schmalen Raumwinkelbereich 23, in den sich der Transportwagen hinein bewegt, einen größeren Überwachungsabstand, als in dem kleinen direkten Sicherheitsbereich 26 in unmittelbarer Nähe zum Transportwagen.

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Der größere Überwachungsabstand im Raumwinkelbereich 23 wird dabei auf Kosten einer geringeren Messgenauigkeit / Messauflösung erreicht. Zu diesem Zweck werden in der Laserabstandsermittlungsvorrichtung im Sicherheitsbereich 26 und im Raumwinkelbereich 23 unterschiedliche Systemparameter aktiviert.

Da sich der Transportwagen in der Regel auf einer beliebig geformten Leitlinie bewegt, wird sich auch der in Fig. 2 dargestellte Raumwinkelbereich 23, bezogen zu einer Längsachse des Transportwagens, verändern müssen. Dies kann z. B. durch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Steuereinheit, aus welcher der Verlauf der Leitlinie des Transportwagens vorgegeben wird, abgeleitet werden.

In Fig. 3 soll ein mögliches Prinzip zur Umschaltung eines Systemparameters einer Laserabstandsermittlungsvorrichtung aufgezeigt werden. Die Photodiode 30 der Photoempfangsanordnung 2 bildet aus der auf sie auftreffenden Strahlung ein entsprechendes elektrisches Signal. Die Größe und Güte dieses elektrischen Signals ist dabei abhängig von der Empfängerempfindlichkeit der Photoempfangsanordnung. Diese Empfängerempfindlichkeit wird u. a. bestimmt durch die jeweilige Empfangsverstärkung. Bei hoher Empfangsverstärkung können auch kleine Signale, wie sie von weiter entfernten oder dunklere Objekten verursacht werden, noch erkannt und ausgewertet werden. Mit der Erhöhung der Empfangsverstärkung wird jedoch auch das Empfangsrauschen mitverstärkt, so dass die Messgenauigkeit dadurch reduziert wird.

In Fig. 3 sind mehrere verschiedene Verstärkungsstufen V1, V2 und Vn dargestellt, welche an eine Versorgungseinheit Ub- angeschossen sind. Über eine elektrische Umschalteinheit 31 kann zwischen den einzelnen Verstärkungsstufen umgeschaltet werden. Analog dazu ist es auch möglich, die Umschaltung der Systemparameter dadurch zu erreichen, dass einer oder mehrere Empfangsverstärker mit unterschiedlichen bzw. umschaltbaren Verstärkungsfaktoren verwendet werden. Auch der Einsatz regelbarer Verstärker (voltage controlled amplifier) ist ein mögliches Lösungskonzept zur Veränderung der Systemparameter. Aus einer hier nicht dargestellten softwaregesteuerten Baugruppe werden die Zeitpunkte zur Umschaltung zwischen den einzelnen Verstärkungsstufen in Abhängigkeit von der aktuellen Winkelstellung der Lichtablenkvorrichtung vorgenommen.

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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen zur Erhöhung der Systemempfindlichkeit und damit des Uberwachungsabstandes auf Kosten der Messgenauigkeit beschrieben.

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Claims

1. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach dem Lichtlaufzeitverfahren mit einem Laser (1), der gesteuert optische Strahlung in einen Messbereich schickt, einer Photoempfangsanordnung (2), welche die von einem im Messbereich befindlichen Objekt (3) zurückgeworfene Strahlung empfängt und einer Auswerteschaltung, welche unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang der Strahlung ein für den Abstand des Objektes vom Laser charakteristisches Abstandssignal ermittelt, mit einer zwischen dem Messbereich und dem Laser angeordneten Lichtablenkvorrichtung (4), welche die ausgesandte Strahlung unter sich zunehmend verändernde Winkel in den Messbereich lenkt und gleichzeitig an die Auswerteschaltung ein für ihre momentane Winkelstellung repräsentatives Winkelpositionssignal abgibt, und dass die Auswerteschaltung aus dem Abstandssignal und dem Winkelpositionssignal den Ort des Objektes innerhalb des Messbereiches ermittelt, gekennzeichnet durch, Umschaltmittel (31), mit der die Laserabstandsermittlungsvorrichtung bei einer oder mehreren frei wählbaren Lichtablenkrichtungen zu Lasten der Messgenauigkeit auf eine erhöhte Systemtastweite umschaltbar ist.

2. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Takten der ausgesandten Strahlung bei jeder Umdrehung der Lichtablenkvorrichtung von einem konstanten Nullpunkt an und die Umschaltmittel über den Zeitpunkt der ausgesandten Strahlung des Lasers steuerbar sind.

3. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel über die Winkelstellung der Lichtablenkvorrichtung steuerbar sind.

4. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser Lichtimpulse aussendet und die Lichtimpulse bei jeder Umdrehung der Lichtablenkvorrichtung von einem konstanten Nullpunkt an neu zählbar sind und die Umschaltmittel über die Zahl der ausgesandten Lichtimpulse des Lasers steuerbar sind.

5. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel in einer wählbaren Abhängigkeit von der Anzahl der vollen Umdrehungen der Lichtablenkvorrichtung steuerbar sind.

6. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, mit der die Umschaltung der Systemtastweite auslösbar ist.

7. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung zur Umschaltung der Systemtastweite programmierbar ist.

8. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen nichtflüchtigen Speicherbaustein in der Steuerschaltung, in dem die Umschaltung der Systemtastweite speicherbar ist.

9. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Umschaltmittel die Empfangsverstärkung und damit die Systemtastweite erhöhbar ist.

10. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Systemtastweite die Hochspannung an der Photoempfangsanordnung erhöhbar ist.

11. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Systemtastweite der Laser erhöht ansteuerbar ist.