DE4137068A1

DE4137068A1 - Integrierter optischer vielfach abstandssensor

Info

Publication number: DE4137068A1
Application number: DE19914137068
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Phys Langer
Original assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Current assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-06-17

Description

Stand der Technik

Abstandsmeßvorrichtungen für Fahrzeuge sind durch verschiedene Patentanmeldungen bekannt.

Gemäß der DE 32 07 950 C2 wird mit Hilfe einer Ultraschall- Laufzeitmessung der Abstand zu einem rückwärtigen Fahrzeug fest gestellt.

Gemäß der DE 32 44 358 C2 wird mit Hilfe von in den Fahrzeugecken angebrachten Richtstrahlern und Richtempfängern aus der Winkel position der zueinanderpassenden Richtstrahler und Richt empfänger der Abstand zum Hindernis bestimmt. Dabei befindet sich der Richtstrahler an der einen Fahrzeugecke und der Richt empfänger an der anderen Fahrzeugecke.

Eine wesentliche Aufgabe einer funktionsfähigen Rückfahrüber wachung besteht darin, den exakt festgelegten Rückraum mit einer Genauigkeit besser als 10 cm zu erfassen, wobei insbesondere die Fahrzeugecken sicher innerhalb des zu überwachenden Raumes liegen müssen. Ferner darf ein Hindernis, das seitlich mehr als 10 cm Abstand hat, nicht erfaßt werden, um Fehlmessungen bzw. Fehlalarm zu vermeiden.

Probleme der bisher bekannten Rückfahrüberwachungen liegen in der fehlenden Genauigkeit, die entweder zu falschem Alarm führt oder ein wirklich zu erkennendes Hindernis unterschlägt. Ultraschallmessungen können mit recht hoher Genauigkeit Abstände bestimmen. Sie sind jedoch in der Winkelauflösung begrenzt, da die Empfindlichkeit auch seitlich zur Strahlrichtung recht hoch ist und eine Anwendung von stark gebündelten Richtstrahlern durch die Notwendigkeit von vielen Blickrichtungen begrenzt ist. Ebenso wird durch die Verwendung von vielen Ultraschallstrahlern die Reaktionszeit des Systems sehr groß, da die einzelnen Echos durch die Ultraschall-Laufzeit abgewartet werden müssen, bevor neue Messungen durchgeführt werden können.

Die im Patent 32 44 358 dargestellte Möglichkeit der Verwendung von Infrarot-Strahlern stellt bezüglich der Meßgeschwindigkeit einen wesentlichen Fortschritt dar. Da diese Strahler jedoch nur über die gemeinsame Winkelbeziehung Abstände messen, ist die erzielbare Abstandsgenauigkeit gering bzw. es entsteht eine starke Rasterung der meßbaren Abstände, die wesentlich größer ist als die notwendige Genauigkeit. (Bzw. die Stufe zwischen jeweils zwei anzeigbaren, meßbaren Abständen ist zu groß und der meßbare Mindestabstand ist ebenfalls zu groß.)

Lösung gemäß der Erfindung

In der dargestellten Erfindung werden diese Nachteile vermieden durch die Verwendung positionsempfindlicher Dioden (PSDs) als Empfangselemente der Entfernungsmeßeinrichtung.

Wegen der sehr großen Empfindlichkeit der PSDs wird eine um Größenordnungen höhere Genauigkeit erreicht, sowohl bei der Richtung wie bei der Entfernung eines Hindernisses. Dementsprechend genügt ein vergleichsweise sehr kleiner Abstand der Sende-LEDs (bzw. Laser-Dioden) von den Empfangs-PSDs, d. h. die Empfangs-PSDs-Elemente und die Sende-LEDs können dicht nebeneinander, d. h. in demselben Gehäuse oder Träger, angebracht werden.

Eine solche erfindungsgemäße Entfernungsmeßeinrichtung kann feststehend an der einen Ecke eines Fahrzeuges angebracht werden, es ist aber auch eine rotierende Anordnung möglich (vergleiche Anspruch 8).

Durch diese Anordnung wird sowohl die Winkelposition als auch der Abstand zu dem Hindernis exakt erfaßt. Durch ein steuerndes und messendes Mikroprozessorsystem kann der Rückraum als Volu mengröße durch seine Seiten und die Höhe zum Boden exakt fest gelegt werden. Innerhalb dieses Volumens wird das nächste zum Fahrzeug befindliche Hindernis erkannt und sein minimaler Ab stand zum Fahrzeug angezeigt. Die Anzeige erfolgt sowohl digital als auch per Sprachausgabe, ebenso ist eine Tonausgabe möglich. Wichtig bei dem Einsatz eines berührungslos arbeitenden Sensors ist die Selbsttestfunktion. Um eine zuverlässige Testaussage zu erreichen, ist es notwendig, den Sensor über alle seine Funk tionen zu prüfen. Hierzu wird der Sensor in Blickrichtung zur Straßenoberfläche verschwenkt, da nun jedes Sensorelement den gleichen Abstand zur Straßenoberfläche hat, kann überprüft werden, ob alle Sensorelemente untereinander gleich sind. Aus der vorgegebenen Montagehöhe des Sensors ist bekannt, welcher Abstand gemessen werden muß, womit eine vollständige Überprüfung der Sensorelemente erfolgt.

Ferner ist bei der Vorrichtung gemäß der DE 32 44 358 C2 nach teilig, daß für jedes Sendeelement wie für jedes Empfangselement je ein eigenes Objektivelement in Form einer Linse erforderlich ist. Dieser Aufbau ist relativ aufwendig, vor allem ist ein relativ großer Raum erforderlich.

Demgegenüber löst die vorliegende Erfindung die weitere Aufgabe, eine Vorrichtung dieser Art mit einfacherem Aufbau und kleinerem Raumbedarf zu schaffen, dadurch, daß die mehrfach in einer Zeile bzw. Fläche dicht nebeneinander angebrachten Sendeelemente (LEDs oder Laser-Dioden) einerseits sowie die ebenfalls mehrfach in einer Zeile oder Fläche angebrachten Empfangselemente (Empfangs- PSDs 2a-2c) jeweils hinter einem einzigen Empfangsobjektiv angeordnet sind. Gemäß der Erfindung benötigt man also für alle Sende-LEDs nur ein einziges Sendeobjektiv sowie für alle Empfangs-PSDs ebenfalls nur ein einziges Empfangsobjektiv.

Figurenbeschreibung

Nachfolgend wird die Erfindung noch näher anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung schematisch in Drauf sicht.

Fig. 2 zeigt ein besonderes Anwendungsbeispiel der Erfindung, nämlich schematisch in Draufsicht ein Fahrzeugheck, an dessen beiden Ecken je eine erfindungsgemäße Vorrichtung angebracht ist, wobei sich die Erkennungsbereiche der beiden Vorrichtungen überschneiden (Doppelerkennungsbereich).

Fig. 3 zeigt schematisch, in einem vertikalen Querschnitt die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schwenkbar in einem mit einem Fensterausschnitt versehenen Gehäuse (in drei Schwenk-Stellungen).

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung, ebenfalls im Querschnitt.

Fig. 1

Erfindungsgemäß sind mehrere LEDs (Light Emitting Diodes), a, b, c, d, e, als Sendeelemente in einer Reihe 1 nebeneinander hinter einem für alle LEDs gemeinsamen Sendeobjektiv 3 angeordnet. Auf analoge Weise sind mehrere lichtempfindliche Dioden, soge nannte PSDs, als Empfangselemente in einer Reihe 2 nebeneinander hinter einem gemeinsamen Empfangsobjektiv 4 angeordnet.

Die Sende-LEDs strahlen also über das Sendeobjektiv 3 jeweils einen Meßstrahl bzw. ein Meßstrahlenbündel; alle LEDs gemeinsam überstreichen, d. h. überwachen somit einen Raumwinkel 6. Falls sich in diesem angestrahlten Raumwinkel 6 ein Hindernis-Objekt befindet, so werden an der Objektoberfläche die von den Sende- LEDs ausgehenden Strahlen diffus reflektiert, auf der Objekt oberfläche erscheint also ein Lichtpunkt. Dieser Lichtpunkt wird durch das Empfangsobjektiv 4 hindurch auf eines der Empfangs- PSDs in dem PDS-Array 2 (oder gleichzeitig auf mehrere) gewor fen. Aus der Position dieses Meßpunktbildes auf dem jeweiligen Empfangs-PSD wird nun gemäß dem an sich bekannt Triangulations prinzip auf die Entfernung des Hindernis-Objektes geschlossen. Hierzu werden an den beiden Enden des PSDs entsprechende posi tionsabhängige Ströme erzeugt, die durch ein Verstärker-System mit Mikroprozessor-Steuerung ausgewertet werden, zur Anzeige bzw. Signalgabe der jeweiligen Entfernung zum Hindernis.

Die Sende-LEDs leuchten jeweils separat in zeitlicher Folge, so daß sich die einzelnen Sende-Impulse nicht gegenseitig beein flussen, sondern die Meßwerte in zeitlicher Folge nacheinander eintreffen.

Die Zeile der Sende-LEDs 1 kann mit geringem Abstand von nur wenigen cm neben der Zeile der Empfangs-PSDs 2 angeordnet sein, somit hat das Gerät einen geringen Raumbedarf.

Fig. 2

Gemäß Fig. 2 sind an den beiden Ecken eines KFZ-Hecks je eine optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1, nämlich ein Sensor 8a und ein Sensor 8b angebracht, und zwar derart, daß sich der von dem einen Sensor 8a überstrichene Raumwinkel mit dem von dem anderen Sensor 8b überstrichenen bzw. abgetasteten Raumwinkel weitgehend deckt, beide Sensoren 8a, 8b überwachen also im wesentlichen den gleichen Bereich, der also als Doppelerkennungsbereich 7 bezeichnet werden kann.

Ein in dem Doppelerkennungsbereich 7 befindliches Hindernis- Objekt wird also - bei ordnungsgemäßer Funktion des Gerätes - von beiden Sensoren 8a, 8b, erfaßt. Auf diese Weise überprüfen sich die beiden Sensoren 8a, 8b gegenseitig auf ihre Betriebs bereitschaft, d. h. wenn ein Hindernis-Objekt nicht ausreichend von beiden Sensoren 8a, 8b erfaßt wird, so wird von einer nach folgenden Schaltung ein Fehler-Warnsignal abgegeben.

Fig. 3

Gemäß Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schwenkbar in einem mit einem Fensterausschnitt versehenen, im wesentlichen zylindrischen Gehäuse angeordnet.

Die linke Abbildung zeigt die Arbeitsstellung, in welcher die Entfernungsmeßeinrichtung - kurz Sensor genannt - auf den gewünschten Erkennungsbereich ausgerichtet ist, was mit den fünf Strahlen- bzw. vier Strahlenbündeln angedeutet ist.

Bei der mittleren Abbildung von Fig. 3 ist der Sensor bzw. die Entfernungeinrichtung nach unten, also mit Blickrichtung auf die Fahrbahn verschwenkt. Da der Abstand zur Fahrbahn bekannt ist, kann durch diese Drehung der Blickrichtung auf die Fahrbahn oder eine andere bekannte Oberfläche 10a ein Selbsttest der Betriebs bereitschaft des Gerätes durchgeführt werden (Anspruch 4).

Gemäß Fig. 3, rechte Abbildung, ist die Entfernungsmeßeinrich tung noch weiter nach rückwärts verschwenkt, um durch Drehung auf die geschlossene Seite des Gehäuses die optischen und elek tronischen Elemente vor Verschmutzung zu schützen, solange das Gerät nicht im Einsatz ist. Oder - anders gesagt - durch Drehung in den Innenraum des Schutzgehäuses wird der Sensor vor Ver schmutzung geschützt (Anspruch 5).

Fig. 4

In einem zylindrischen Schutzgehäuse 12 ist ebenfalls eine Ent fernungsmeßeinrichtung, insbesondere nach Fig. 1, angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich das Empfangs-PSD- Array 15 gezeigt; in der Zeichnung hinter diesem PSD-Array 15 ist das zugehörige Sende-LED-Array vorgesehen; das Objektiv für das Sende-LED-Array befindet sich ebenfalls in Fig. 4 hinter dem Objektiv 18 für das PSD-Empfangs-Array.

Das besondere bei Fig. 4 besteht darin, daß die Strahlen bzw. Strahlenbündel nicht direkt in den Überwachungsbereich gerichtet werden, sondern über einen rotierenden Spiegel 17 (vergleiche Anspruch 8). Der Spiegel 17 sitzt am vorderen Ende der Welle 19 eines Motors 16, der in dem Gerät angeordnet ist. Der Spiegel ist gegenüber dem Objektiv 18 derartig geneigt, daß die von dem PSD-Array ausgehenden Strahlen bzw. Strahlenbündel - in der in Fig. 4 gezeigten Betriebsstellung - aus dem Fenster des Schutz gehäuses hinaus in den Überwachungsbereich austreten. (Analog ist der Strahlengang für die LED-Sende-Elemente.) Die Strahlen werden durch den rotierenden Spiegel um ca. 90° abgelenkt und überstreichen bei Drehung - bzw. Hin- und Her schwenken des Motors 16 - einen Winkelbereich von ca. 170° in der Horizontalen. Die Strahlrichtung der fünf Einzelstrahlen beträgt ca. ±20° von der Horizontalen des Mittelstrahls.

Ein in dem Überwachungsbereich befindliches Hindernis-Objekt wird - wie bei Fig. 1 erläutert - einen Lichtpunkt bzw. Licht strahl aussenden, der über den Schwenkspiegel 17 und das Empfangsobjekt auf das PSD-Empfangs-Array 18 (analog zum Empfangs-Array 2 in Fig. 1) auftrifft. Aus der Auftreffstelle auf dem entsprechenden PSD-Element wird gemäß der bekannten Triangulations-Abstandsmessung der Abstand des Objektes erkannt.

Das Fenster 14 schützt den Innenraum des Drehauges 13 vor Ver schmutzung. Das Drehauge 13 kann durch einen weiteren Motor in der Vertikalen um seine Achse 20 entsprechend Fig. 3 in die Positionen Arbeitsstellung, Selbsttest und Ruhestellung gedreht werden.

Claims

1. Optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 zur Positionserkennung von Objekten in einem Flächen- oder Raumwinkelbereich (6), durch zeilenförmig oder flächig angeordnete positionsempfindliche Dioden (PSDs) (2a bis 2c) mit Objektiv (4) mit ebenso zeilenförmig oder flächig angebrachten Sende LEDs (1a bis 1e) oder Laserdioden mit Objektiv (3), die jeweils durch die abbildenden Objektive (3 + 4) einen Flächen- oder Raumwinkel erfassen, dadurch gekennzeichnet , daß die Entfernungsmessung nach dem Triangulationsprinzip durchgeführt wird und die PSD Elemente (2) sowie die LEDs oder LASER-Dioden (1) mehrfach in einer Zeile oder in einer Fläche dicht nebeneinander angebracht sind.

2. Optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeßeinrichtung als Sensor für eine Schutzzonenvorrichtung für jede Art von Kraftfahrzeugen verwendet wird, zusammen mit Schwellwertschaltern oder einer Mikroprozessorschaltung, die das Unterschreiten von vorgegebenen Erkennungsabständen (5) meldet.

3. Optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Entfernungsmeßeinrichtungen (8a und 8b) mit sich überlappenden Erfassungswinkeln verwendet werden, um durch den entstehenden Doppelerkennungsbereich (7) von Objekten durch beide Entfernungsmeßeinrichtungen einen gegenseitigen Selbsttest durchführen zu können.

4. Optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeßeinrichtung (10) schwenkbar angebracht ist, um einen Selbststest durch Drehung der Blickrichtung auf eine bekannte Oberfläche (10a) zu erzielen.

5. Optoelektrische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeßeinrichtung (11) schwenkbar angebracht ist, um durch Drehung auf die geschlossene Seite in einem nur halb offenen Gehäuse, die optischen Elemente vor Verschmutzung zu schützen.

6. Optoelektrische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeßeinrichtung Fig. 4 schwenkbar in 1 oder 2 Achsen (19 + 20) angebracht ist, um durch die Drehung einen größeren Erkennungsbereich zu erzielen.

7. Optoelektronische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage der PSD-Elemente zeitlich nacheinander über einen Multiplexer erfolgt.

8. Optoelektrische Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Erfassungsebene durch einen rotierenden Spiegel (17) erfolgt.