DE4345446C2

DE4345446C2 - Laserabstandsermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4345446C2
Application number: DE4345446A
Authority: DE
Inventors: Hainer Wetteborn
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-12-01
Also published as: DE4345448C2; DE9321155U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabstandsermittlungsvorrich tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Laserabstandsermittlungsvorrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 08 972 A1 bekannt. Diese Offenlegungsschrift betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Verfolgung und Positionsmessung eines Objektes in einem dreidimensionalen Raum. Zu diesem Zweck sind zwei Lichtsender vorgesehen, welche jeweils Licht striche aussenden, die in einer Richtung auseinandergezogen und in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung schmal ausgebildet sind. Die beiden von den Lichtsendern ausge sandten Lichtstriche verlaufen vertikal zueinander. Beide Lichtstriche werden durch jeweils eine Ablenkvorrichtung in einer zu ihrer Längserstreckung vertikalen Richtung perio disch abgelenkt, so daß beide Lichtstriche ein gemeinsames Suchfeld überstreichen. Die Ablenkvorrichtungen umfassen jeweils eine rotierende, transparente Planplatte, welche gemäß den allgemeinen bekannten optischen Gesetzen je nach ihrer Winkelstellung einen unterschiedlichen Parallelversatz zwischen eintretendem und austretendem Licht bewirkt. Wenn sich ein Objekt im Suchfeld befindet, reflektiert dieses das ausgesandte Licht zu der Meßvorrichtung zurück, wo es über ein Objektiv einem Empfänger zugeführt wird. Aus der Licht laufzeit zwischen der Meßvorrichtung und dem reflektierenden Objekt wird der Abstand zwischen Meßvorrichtung und Objekt berechnet. Die Winkelposition des Objektes wird aus der momentanen Winkelstellung der beiden rotierenden Planplatten ermittelt. Sobald ein Objekt detektiert und dessen Position ermittelt wurde, wird eine Nachführvorrichtung aktiviert, welche die Meßvorrichtung auf das detektierte Objekt aus richtet.

Aus dem US-Patent 4 475 035 ist eine Vorrichtung bekannt, mittels welcher die Oberfläche eines Objektes abgetastet wer den kann, wobei das Objekt in konstantem Abstand zur Vorrich tung entlang einer vorgegebenen Bahn auf einem Förderband transportiert wird. Dabei kann die Intensität des von der abzutastenden Oberfläche reflektierten Lichts ausgewertet oder der Abstand der abzutastenden Oberfläche von der Vorrichtung mittels eines Laserabstandsermittlungssystems bestimmt werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 23 281 A1 ist ein Schmutzsensor für Kraftfahrzeug-Scheiben, insbesondere für Kraftfahrzeug-Scheinwerfer bekannt, welcher mit einer in einem bestimmten Bereich der jeweiligen Scheibe angeordneten Reflexionslichtschranke arbeitet. Die zur Messung der Ver schmutzung geeignete Reflexionslichtschranke deckt dabei auf nachteilige Weise einen bestimmten Bereich der jeweiligen Scheibe ab, so daß dieser Bereich beispielsweise nicht zur Ausstrahlung von Scheinwerfer-Licht genutzt werden kann.

Bei dem zumindest gemäß internem Stand der Technik der Anmel derin bekannten und auf dem Prinzip der Nutzlicht-Rückstreu ung basierenden Verfahren zur Verschmutzungsmessung wird Nutzlicht durch eine Scheibe abgestrahlt und der aufgrund von Verschmutzungen der Scheibe zurückgestreute Anteil des Nutzlichts quantitativ erfaßt. Dieses Verfahren ist mit dem Nachteil behaftet, daß auf der Scheibe befindliche Schmutz partikel unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen können, so daß beispielsweise in geringem Maße vorhandener weißer Staub zu dem gleichen Ergebnis führen kann wie in hohem Maße vorhandener schwarzer Staub. Durch die Ermittlung der Nutz licht-Rückstreuung kann somit nicht ermittelt werden, in welcher Weise die vorhandene Verschmutzung tatsächlich die Aussendung des Nutzlichts durch die zu überwachende Scheibe behindert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubil den, daß negative Auswirkungen von Verschmutzungen der Front scheibe vermieden werden können, wobei insbesondere Ver schmutzungen zuverlässig erkannt werden sollen und die Front scheibe nicht durch Einrichtungen zur Verschmutzungsmessung bereichsweise verdeckt werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Die Erfindung schafft somit ein Laserradar, mittels dessen nicht nur der Abstand von vom Impulslicht getroffenen Gegen ständen von der Vorrichtung bestimmt werden kann, sondern auch der Winkel, unter dem das Objekt relativ zu irgendeiner Basisrichtung im Raum angeordnet ist, wobei Verschmutzungen der Frontscheibe mittels einer Mehrzahl von Lichtschranken strahlen überwacht und erkannt werden können.

Zur selbsttätigen Erkennung von gefährlichen Verschmutzungen der Frontscheibe und zur Abgabe eines Verschmutzungs- oder Fehlersignals im Falle einer übermäßigen Verschmutzung kann die Vorrichtung zweckmäßig nach den Ansprüchen 2 oder 3 aus gebildet sein. Das Schrägstellen des Hauptteils der Front scheibe dient dabei gleichzeitig dem Wegspiegeln des Schei benoberflächenreflexes.

Aufgrund der Ausführung nach den Ansprüchen 4 oder 5 können auch Verschmutzungen in Form eines Flüssigkeits-, insbe sondere Ölfilms auf der Frontscheibe, die an sich den Licht durchgang nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen, ein Verschmutzungssignal auslösen, indem die Eigenschaft solcher Filme ausgenutzt wird, daß sie eine glatte Oberfläche auch dann bilden, wenn sie auf einen rauhen Untergrund aufge bracht werden. Aufgrund sicherheitstechnischer Anforderungen sollen mindestens zwei Ölmeßkanäle vorgesehen werden, um auch den Fall, daß einer der Lichtsender oder Lichtempfänger ausfällt, in der Auswerteelektronik erfassen zu können.

Bevorzugt ist die Frontscheibe entsprechend der Abtastung gekrümmt.

Bevorzugte Dimensionierungen des Laserradars sind durch die Patentansprüche 8 bis 11 definiert.

Durch das Ausführungsbeispiel nach Anspruch 10 wird er reicht, daß in 50 bis 150 und insbesondere 100 µs ein Winkel bereich von etwa 1° durch die Lichtablenkvorrichtung über strichen wird.

Wenn andererseits nach Anspruch 11 etwa alle 50 µs ein Licht impuls kurzer Dauer ausgesendet wird, so bedeutet dies, daß etwa alle 1/2° ein Lichtimpuls ausgesendet wird oder bei einem Gesamtabtastbereich von 180° 360 Impulse. Dies reicht für eine im Sicherheitsbereich erforderliche Winkelauflösung vollständig aus.

Die zwischen zwei ausgesandten Lichtimpulsen liegende Zeit von etwa 50 µs wird für weiter unten beschriebene Tests ge nutzt.

Von besonderem Vorteil sind die Ausführungsformen nach den Ansprüchen 12 bis 28, denn hierdurch wird auf eine baulich kompakte und optisch sehr effektive Weise eine Abtastung eines gewünschten Raumbereiches gewährleistet, wobei der Abtastwinkel bis 360° gehen kann, normalerweise jedoch nur 180° beträgt.

Von besonderem Vorteil ist dabei die konzentrische Ausbil dung von Sende- und Empfangs-Impulslichtbündeln nach den Ansprüchen 17 und 18. Hierdurch wird insbesondere eine saube re geometrische Strahltrennung sowie Empfindlichkeit im Nah bereich erzielt.

Die Drehzahlen nach Anspruch 27 sind besonders vorteilhaft, weil hierdurch im Zusammenhang mit den verwendeten Impuls folgefrequenzen eine ausreichende winkelmäßige und zeitliche Auflösung erzielt wird.

Im Zusammenhang mit den folgenden Ausführungsformen ist die Verwendung eines Computers gemäß Anspruch 29 von großer Be deutung. Hierdurch können insbesondere die verschiedenen Selbstüberwachungsfunktionen des Systems wahrgenommen wer den.

Die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 30 und 31 gewährleisten eine für die vorgesehenen Überwachungs zwecke voll ausreichende Abstandsauflösung in der Größenord nung von 5 cm/Bit, wobei ein Bit durch eine oder eine halbe Periode der Taktfrequenz definiert ist.

Die an sich durch die Taktfrequenz gegebene Auflösung kann durch die Ausführungsform nach Anspruch 32 und 33 halbiert werden.

Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß durch die Verwendung von zwei parallel geschalteten Einzelzählern eine Fehlerüber wachung gemäß den Ansprüchen 34 bis 36 durchgeführt werden kann.

Ein weiterer Fehlertest, der insbesondere beim Ausführungs beispiel nach Anspruch 36 zusätzlich herangezogen wird, ist im Anspruch 37 definiert.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn nach den Ansprüchen 38 bis 41 auch der Rauschpegel, dem das Nutz-Impulssignal über lagert ist, berücksichtigt wird, da sowohl die Helligkeit in den überwachten Räumen als auch der Reflexionsgrad der über wachten Gegenstände stark schwanken können.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist durch Anspruch 43 gekennzeichnet. Insbesondere durch diese Weiterbildung der Erfindung kann eine Meßgenauigkeit bis zu 5 cm/Bit er reicht werden.

Durch das Ausführungsbeispiel nach Anspruch 44 können Fehler im Sende- und Empfangssystem der Vorrichtung ermittelt wer den.

Die Weiterbildung nach Anspruch 45 ermöglicht es außerdem, die einwandfreie Funktion der vorzugsweise verwendeten Lawinen-Empfangsdiode zu überprüfen.

Über ein gemäß Anspruch 46 vorgesehenes Interface können alle gewünschten Navigations- und Fehlersignale in geeigne ter Weise umgewandelt und abgerufen werden.

Vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnimmt man dem Anspruch 47.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Laserradarvor richtung besteht darin, daß sie gegen jedweden Systemfehler abgesichert ist. Dies gilt sowohl für Fehler im optischen Bereich als auch in der Auswerteelektronik.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserradars,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den Drehspiegel nach Fig. 1 und den Abtastwinkelbereich,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Laser radars,

Fig. 4 einen detaillierteren Querschnitt des Laserradars nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten Zählers mit den daran angeschlossenen Komponenten,

Fig. 6 ein Signalspannungs-Zeitdiagramm verschieden starker Licht-Empfangslichtimpulse,

Fig. 7 eine Ansicht analog Fig. 1 in einer um 90° verdreh ten Position des Drehspiegels zur Veranschaulichung der Funktion eines in den Strahlengang eingebrachten Testkörpers,

Fig. 8 eine zur Fig. 7 analoge Ansicht, wobei eine Leucht diode zur Testung des Empfangssystems gezeigt ist,

Fig. 9 einen schematischen Schnitt durch die Frontscheibe der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine der Verschmutzungsüberwachung dienende Lichtschranken anordnung mit dem zugehörigen Blockschaltbild und die

Fig. 10 bis 14 schematische Draufsichten verschiedener Anwendungen des erfindungsgemäßen Laserradars.

Nach Fig. 1 treibt ein Motor 31 einen horizontalen Drehtel ler 28 zu einer kontinuierlichen Umlaufbewegung um eine ver tikale Achse 17 an. Am Umfang des Drehtellers 28 befindet sich ein Winkelgeber 29, der als Gabellichtschranke ausgebil det ist und über eine Leitung 32 (siehe auch Fig. 3) an eine Steuerstufe 40 innerhalb der zugehörigen Auswerteschaltung angeschlossen ist.

Auf dem Drehteller 28 ist ein Kreiszylinderkörper 27 so ange ordnet, daß seine als Drehspiegel 16 ausgebildete obere Stirnfläche unter einem Winkel von 45° zur Drehachse 17 ange ordnet ist. Der Drehspiegel 16 kann in nicht dargestellter Weise auch an einer Spiegelplatte ausgebildet sein, die über einen Spiegelträger auf dem Drehteller 28 befestigt ist.

Oberhalb des Drehspiegels 16 befindet sich ein wesentlich schmaler ausgebildeter, ebenfalls planer Umlenkspiegel 19, dessen Spiegelfläche einen Winkel von 45° zur Drehachse 17 aufweist und auch als Kreiszylinderkörper realisiert sein kann. Nach Fig. 4 ist auch der Umlenkspiegel 19 als ebene Spiegelplatte ausgebildet. Ein zentraler Bereich 24 des Umlenkspiegels 19 empfängt Licht eines Impulslasers 11 über eine Sendelinse 33 und den Umlenkspiegel 19. Das zunächst horizontale Lichtbündel wird am Umlenkspiegel 19 nach unten umgelenkt, um dann vom Drehspiegel 16 in eine horizontale Richtung zur Frontscheibe 41 der Vorrichtung umgelenkt zu werden. Von dort gelangt das Sendelichtbündel 21 in den Meß bereich 13, in dem beispielsweise ein lichtreflektierendes Objekt 14 angenommen ist, von dem Streulicht als Empfangs lichtbündel 20 durch die Frontscheibe 41 im Sinne eines Autokollimationsstrahlenganges zurück zum Drehspiegel 16 gelangt. Das Empfangslicht 20 trifft seitlich des zentralen Bereiches 24, auf den das Sendelicht 21 und insbesondere der Mitteleinfallslichtstrahl 18 auftreffen, auf einen Ring bereich 47 des Drehspiegels 16, um am Umlenkspiegel 19 vorbei zu einem Interferenzfilter 26 reflektiert zu werden, hinter dem sich eine Empfängerlinse 25 befindet, die Bereiche 25', 25'' unterschiedlicher Brennweite aufweist, um auch sehr nah an der Vorrichtung angeordnete Objekte einwand frei erkennen zu können.

Die Empfängerlinse 25 konzentriert das Empfangslicht auf einem Photoempfänger 23 und bildet zusammen mit dem Photo empfänger 23 eine Photoempfangsanordnung 22. Der Drehspiegel 16, der Drehteller 28 und der Motor 31 stellen zusammen eine Lichtablenkvorrichtung 15 dar, die die Sende-Impulslichtbün del 21 und Empfangs-Impulslichtbündel 20 um die Achse 17 herum rotieren läßt. Auf diese Weise kann ein Abtastwinkel bereich von bis zu 360° realisiert werden. Nach den Fig. 2 und 5 erstreckt sich jedoch die Frontscheibe 41 nur über einen Winkel von etwa 180°, was z. B. für die vollständige Überwachung des vor einem Fahrzeug befindlichen Bereichs ausreichend ist. In Fig. 2 sind außer der Draufsicht nach Fig. 1 auch noch zwei weitere Winkelpositionen des Drehspie gels 16 und des Sende-Impulslichtbündels 21 veranschaulicht. Das eine Winkelabtastung durchführende Sende-Impulslicht bündel 21 definiert eine Abtastebene 53. Der maximale Abtast winkelbereich 54 erstreckt sich nach Fig. 2 über 180°.

Nach Fig. 3 veranlaßt die Steuerstufe 40 über Leitungen 42, 43 den Impulslaser 11 zur Abgabe von Lichtimpulsen von einer Dauer von 3 bis 4 Nanosekunden sowie den Umlauf der Licht ablenkvorrichtung 15 mit einer Drehzahl von 1500 UpM. Über die Leitung 32 wird der Steuerstufe 40 vom Winkelgeber 29 in jedem Augenblick die Winkelposition der Lichtablenkvorrich tung 15 mitgeteilt.

Über die Sendelinse 33 und die Spiegel 19, 16 (Fig. 1, 4) wer den Lichtimpulse 12 in den Meßbereich 13 geschickt. Sie wer den nach einer Laufzeit t als Empfangsimpulse 12' (Fig. 3) von der Photoempfangsanordnung 22 empfangen. Der Photoempfän ger 23, insbesondere eine Lawinendiode bildet daraus ein ent sprechendes elektrisches Signal, welches über einen Kompara tor 34 an einen von einem Frequenzgenerator 52 getakteten Zähler 30 angelegt ist. Dem Referenzeingang 35 des Kompara tors 34 ist der Ausgang eines Rauschpegelmessers 36 zuge führt, dessen Eingang ebenfalls an den Ausgang der Photo empfangsanordnung 22 angeschlossen ist. Über eine Leitung 44 meldet der Rauschpegelmesser 36 den jeweils vorliegenden Rauschpegel auch einem Computer 38.

Das Ausgangssignal des Photoempfängers 23 ist außerdem dem Eingang eines Spitzenwertdetektors 37 zugeführt, dessen Aus gang ebenfalls an den Computer 38 angelegt ist.

Vom Impulslaser 11 führt eine Steuerleitung 45 zum Zähler 30, um diesen jeweils bei Aussendung eines Lichtimpulses anzustoßen. Sobald der Lichtimpuls 12' von der Photoempfangs anordnung 22 empfangen wird, wird der Zähler 30 aufgrund des Anschlusses der Photoempfangsanordnung 22 über den Kompara tor 34 angehalten. Das Zählergebnis wird dann über die Steuerleitung 46 dem Computer 38 mitgeteilt. Dieser ermit telt daraus die Laufzeit t und berechnet den Abstand d des Objektes 14 nach der Formel

d = c.t/2 (1)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Da dem Computer 38 über die Leitung 32 und die Steuerstufe 40 die momentane Winkelposition der Lichtablenkvorrichtung 15 bekannt ist, kann nunmehr eine Information über die Polarkoordinaten des Gegenstandes 14 an das Interface 39 weitergegeben werden, wo diese zur weiteren Nutzung z. B. als Navigationssignal oder Fehlersignal zur Verfügung steht.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Bei durch den Motor 31 zu einer stetigen Drehbewegung ange triebenen Drehspiegel 16 veranlaßt die Steuerstufe 40 den Impulslaser 11 einen Lichtimpuls 12 von 3,5 Nanosekunden Dauer abzugeben. Über die Lichtablenkvorrichtung 15 wird der Lichtimpuls 12 in den Meßbereich 13 geschickt und gemäß Fig. 1 von einem Objekt 14, welches in Fig. 3 nur gestrichelt angedeutet ist, reflektiert, so daß schließlich ein Empfangs impuls 12' in die Empfangsanordnung 22 gelangt. Auf diese Weise erreicht das Licht nach einer Lichtlaufzeit von 2.d/c (wobei d der Abstand des Objektes 14 von der Vorrichtung und c die Lichtgeschwindigkeit ist) die Photoempfangsanordnung 22.

Die Zeit t zwischen dem Aussenden und Empfangen des Licht impulses wird mit Hilfe des Zeitintervall-Zählers 30 gemes sen. Beim Aussenden des Lichtimpulses 12 wird der Zähler über die Steuerleitung 45 angestoßen und beim Empfangen des über den Meßbereich 13 hin- und hergegangenen Lichtimpulses 12' durch den Photoempfänger 23 über den Komparator 34 wie der angehalten. Bei einer zeitlichen Auflösung des Zählers von 330 ps ergibt sich eine Entfernungsmeßgenauigkeit von 5 cm.

Die Aufgabe des Rauschpegelmessers 36 besteht darin, die Detektionsschwelle in Abhängigkeit vom Empfängerrauschpegel nachzuführen. Diese Nachführung stellt eine konstante Falschalarmrate bei veränderlichen Beleuchtungssituationen und Objekt-Reflexionsfaktoren sicher. Der Rauschpegelmesser 36 stellt am Referenzeingang 35 des Komparators 34 eine Triggerschwelle zur Verfügung, die dafür sorgt, daß z. B. nur solche empfangenen Lichtimpulse 12' ein Zählersignal am Komparator 34 auslösen, welches siebenmal so groß wie der kurz vor dem Erscheinen des Lichtimpulses 12' vorhandene Rauschpegel ist. Der Rauschpegelmesser 36 bildet ständig einen Mittelwert des empfangenen Signals über eine Zeit, die sehr viel größer ist als die Länge eines einzelnen Licht impulses. Die Mittelwertbildungszeit ist jedoch deutlich kleiner als der beispielsweise 50 µs betragende zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sende-Lichtimpul sen 12. Auf diese Weise haben die Meß-Sende-Lichtimpulse 12 keinen Einfluß auf den Mittelwert, und beim Erscheinen eines Empfangs-Lichtimpulses 12' am Eingang des Komparators 34 stellt der Rauschpegelmesser 36 am Referenzeingang 35 eine Triggerschwelle zur Verfügung, die - multipliziert mit einem Faktor von z. B. sieben - repräsentativ für den unmittelbar vor dem Eintreffen des Empfangs-Lichtimpulses 12' vorhande nen statistisch maximalen Rauschpegel ist.

Die Aufgabe des Spitzenwertdetektors 37, der aus einer Kette von schnellen ECL-Komparatoren mit Selbsthaltung aufgebaut ist, ist die Generierung von Korrekturwerten zur Kompensa tion der infolge Signaldynamik auftretenden Zeitmeßfehler, was im folgenden anhand von Fig. 6 erläutert wird. In Fig. 6 sind drei verschiedene an der Photoempfangsanordnung 22 nach Fig. 3 ankommende Lichtempfangsimpulse 12' dargestellt, wel che eine maximale Signalspannung von 80, 81 bzw. 82 errei chen. Aufgrund eines entsprechend niedrigen Rauschpegels überschreiten sämtliche Empfangs-Lichtimpulse 12' zwar die durch den Rauschpegelmesser 36 am Referenzeingang 35 des Komparators 34 eingestellte Triggerschwelle 79, doch ist die Zeit t, zu welcher die ansteigende Flanke der drei unter schiedlichen Empfangs-Lichtimpulse die Triggerschwelle 79 überschreitet, unterschiedlich. Im dargestellten Beispiel kann der Zeitunterschied bis zu 1,2 ns betragen, was einen Meßfehler von ca. 20 cm entspricht.

Erfindungsgemäß werden die Zeitmeßfehler (beispielsweise 84, 85 für die Maximalsignale 80, 81) relativ zur Basiszeit 83, die für das größte vorkommende Maximum 82 angenommen sei, im Computer 38 gespeichert, wo sie für Korrekturzwecke zur Ver fügung stehen.

Der Spitzenwertdetektor 37 stellt fest, ob sich die am Aus gang des Photoempfängers 23 auftretende Signalspannung U_s innerhalb von beispielsweise sechs vorgegebenen Signalstufen 1 bis 6 befindet und gibt ein entsprechendes Signal über die Steuerleitung 100 an den Computer 38 ab, wo für die aktuell festgestellte Signalspannung der entsprechende Korrekturwert (beispielsweise 84 oder 85) abgerufen und daraus ein korri giertes Zeitsignal ermittelt wird.

Auf diese Weise werden entsprechende Meßfehler eliminiert, und es wird insgesamt eine Genauigkeit von beispielsweise 5 cm/Bit erzielt.

Die Zeitfehlereliminierung mittels des Spitzenwertdetektors 37 ist deswegen wichtig, weil der Gesamtmeßbereich der er findungsgemäßen Vorrichtung bei 4 m liegt, so daß beispiels weise ein Meßfehler von 20 cm normalerweise nicht mehr hinge nommen werden kann.

Da die Steuerstufe 40 den Impulslaser 11 und die Lichtablenk vorrichtung 15 kontrolliert, kann der Computer 38 jeder Win kelposition der Lichtablenkvorrichtung 15 einen Entfernungs meßwert zuordnen. Die Auswertung der Meßdaten im Computer 38 besteht aus der Überwachung eines zuvor in Polarkoordinaten abgelegten Schutzfeldes 122'', wie es in Fig. 12 beispielswei se für ein fahrerloses, selbststeuerndes Fahrzeug 120 vor dem an der Frontseite des Fahrzeugs 120 montierten erfindungsgemäßen Laserradar 121 schematisch dargestellt ist. Immer dann, wenn das Schutzfeld 122'' den vom Laserradar 121 feststellbaren Fahrbahnrand 101 oder ein sonstiges Hindernis 123 (Fig. 11) erkennt, kann eine entsprechende Gegensteuerbewegung ausgelöst werden, wobei auch der Sektor S1 bis S16, wo sich das Hindernis befindet, ermittelt wird.

Fig. 10 zeigt den einfachsten Anwendungsfall bei einem an der Frontseite mit einem erfindungsgemäßen Laserradar 121 ausgestatteten selbststeuernden Fahrzeug 120, wobei das Schutzfeld 122 auf zwei Fahrbahnbegrenzungen 101 anspricht. Sobald das Schutzfeld 122 eine der Begrenzungen 101 erfaßt, leitet das Laserradar 121 eine Gegensteuerbewegung ein.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel, wo das Schutzfeld 122' vor dem an der Frontseite eines Fahrzeuges 120 angeordneten Laser radars 121 gemäß der Erfindung so eingestellt ist, daß es auf in einem vorbestimmten Abstand r befindliche Hindernisse 123 beispielsweise durch ein Abschalt- oder Bremssignal reagiert.

Nach Fig. 12 ist das Schutzfeld 122'' vor dem Fahrzeug 120 so differenziert ausgebildet, daß für unterschiedliche Winkel sektoren unterschiedliche kritische Abstände S1 bis S16 vorgesehen werden können, so daß nicht nur Hindernisse er kannt, sondern auch ihr Winkel und ihr Abstand gegenüber dem Ort des Laserradars 121 festgestellt werden können.

Fig. 13 zeigt ein selbstnavigierendes Fahrzeug 120, dessen Navigationsgerät 125 mit dem erfindungsgemäßen Laserradar über eine Informationsleitung 102 verbunden ist, wodurch das Laserradar 121 mittels seines Erfassungsbereiches 124 von Zeit zu Zeit an Stellen, wo die Koordinaten der Umgebung be kannt sind, das Navigationsgerät 125 auf den aktuellen Stand korrigieren kann.

Die anhand von Fig. 14 gezeigte Anwendung besteht darin, daß das erfindungsgemäße Laserradargerät 121 einen annähernd rechteckförmigen, entfernungsbegrenzten Schutzbereich 127 definiert, an dessen einer Ecke es so angeordnet ist, daß die Winkelhalbierende des Abtastwinkelbereiches 54 etwa auf der Diagonalen des rechteckförmigen Schutzbereiches liegt. Im diagonal gegenüberliegenden Eckbereich befindet sich eine gefährliche Arbeitsmaschine 126, vor der durch das erfin dungsgemäße Laserradargerät 121 Personen, die sich der Maschine nähern, geschützt werden sollen. Wesentlich ist dabei, daß der Schutzbereich 127 durch das erfindungsgemäße Laserradargerät 121 so begrenzt werden kann, daß eine bei spielsweise an einer ungefährlichen Stelle bei 103 befind liche Person, obwohl sie sich im Abtastwinkelbereich 54 befindet, nicht erkannt wird, während eine beispielsweise bei 104 an einer gefährdeten Stelle befindliche Person erkannt wird, was dann z. B. zum Abschalten der gefährlichen Arbeitsmaschine 126 führt.

Das erfindungsgemäße Laserradar hat eine Reichweite von 4 bis 6 m und eine Auflösung von besser als 7 cm. Die Erfas sungszeit beträgt ca. 40 ms, und der Erfassungswinkel ist in allen Fällen 180°.

Am Interface 39 (Fig. 3) wird beispielsweise im Falle der Anwendung nach Fig. 11 ein Hindernis-Entfernungssignal r erzeugt, das z. B. für ein Stoppsignal im Fahrzeug 120 verwen det werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 kann für jeden Sektor S1 bis S16 ein Minimum-Entfernungssignal eingestellt werden.

Bei der Navigationsstützung nach Fig. 13 kann mit einer Meß rate von 360 Messungen in 40 ms gearbeitet werden. Die laterale Auflösung kann in allen Fällen 0,5° betragen, wäh rend die Entfernungsauflösung bis auf ±5 cm herabsetzbar ist.

Der entfernungsbegrenzte Schutzbereich 127 nach Fig. 14 kann 3 bis 4 m betragen, wobei dann die Erfassungszeit 80 bis 120 ms ist bei einer Auflösung von 5 cm.

Erfindungsgemäß ist der Zähler 30 aus zwei asynchronen Einzelzählerketten aufgebaut, wobei jeweils ein Zähler auf der positiven und ein Zähler auf der negativen Flanke des 1,5 GHz-Taktes inkrementiert, so daß sich durch Addition beider Zählerstände eine Auflösung von 330 ps ergibt. Wie dies im einzelnen geschieht, wird im folgenden erläutert:

Nach Fig. 5 enthält der erfindungsgemäße Zähler 30 zwei asynchron arbeitende Einzelzähler 50, 51, deren Takteingänge 105, 106 über ein ODER-Gatter 71 angesteuert sind. Wichtig ist, daß der Ausgang 72 für den Takteingang 106 des Einzel zählers 51 gegenüber dem Ausgang 72' für den Takteingang 105 des Einzelzählers 50 invertiert ist. Die beiden Eingänge des ODER-Gatters 71 sind über einen Testzählimpulseingang 55 an den Computer 38 bzw. an den Ausgang eines UND-Gatters 73 an geschlossen, dessen beide Eingänge am Schaltausgang eines Flip-Flops 76 bzw. an einen Höchstfrequenzspannungseingang 59 angeschlossen sind, welcher vom Frequenzgenerator 52 mit einer Höchstfrequenzspannung von 1,5 GHz beaufschlagt ist.

Der Schalteingang des Flip-Flops 76 liegt am Ausgang eines ODER-Gatters 75 an, dessen einer Eingang über die Leitung 45 (siehe auch Fig. 3) vom Impulslaser 11 beaufschlagt ist, während der andere Eingang an einem Teststarteingang 58 anliegt, der über eine Steuerleitung 65 mit dem Computer 38 verbunden ist.

Der Ausgang des Komparators 34 (Fig. 3) ist nach Fig. 7 über die Leitung 62 an den Meßstoppeingang 61 des Zählers 30 ange legt, der seinerseits mit dem einen Eingang eines ODER-Gat ters 74 in Verbindung steht. Der andere Eingang des ODER-Gat ters 74 ist mit dem Überlaufausgang 107 des zweiten Einzel zählers 51 verbunden.

Vom Computer 38 führt eine Steuerleitung 66 weiter zu einem Multiplexer-Schalteingang 67, der mit dem Schalteingang 108 eines Multiplexers 68 verbunden ist.

Die Zählerausgangssignale der Einzelzähler 50, 51 werden an die beiden Eingänge einer Additionsstufe 69 angelegt, welche aus den beiden Eingangs-Zählsignalen die Summe bildet und diese über den Multiplexer 68 einer Ausgangsstufe 70 zu führt.

Das Zählsignal des zweiten Einzelzählers 51 ist über die Steuerleitung 109 außerdem unmittelbar an einen zweiten Ein gang des Multiplexers 68 angelegt. Über den Steuereingang 108 kann wahlweise der Ausgang der Additionsstufe 69 oder der Ausgang des zweiten Einzelzählers 51 zur Ausgangsstufe 70 durchgeschaltet werden.

Der Testzählimpulseingang 55 wird vom Computer 38 über eine Steuerleitung 56 angesteuert. Der Teststarteingang 58 wird über eine Steuerleitung 65 ebenfalls vom Computer 38 beauf schlagt.

Die beiden Einzelzähler 50, 51 weisen weiter Reset-Eingänge 110, 111 auf, die über einen Reset-Eingang 63 und eine Steuerleitung 64 vom Computer 38 angesteuert sind.

Mit dem anhand von Fig. 5 erläuterten Zähler 30 werden während des Betriebs des erfindungsgeinäßen Laserradargeräts folgende Funktionen ausgeführt:
Während der Drehspiegel 16 den Nutz-Abtastwinkelbereich 54 (Fig. 2, 14, 16) überstreicht, löst jeder vom Impulslaser 11 abgegebene Lichtimpuls 12 im Moment seiner Abgabe über die Leitung 45 und das ODER-Gatter 75 ein Umschalten des Flip-Flops 76 aus, so daß das angeschlossene UND-Gatter 73 die an seinem anderen Eingang anstehende Höchstfrequenzspannung von 1,5 GHz zum ODER-Gatter 71 durchläßt. Von dort gelangt nun die Höchstfrequenzspannung zu den Zähleingängen 105, 106 der Einzelzähler 50, 51, wobei jedoch das zum Zählereingang 106 des zweiten Zählers 51 gelangende Zählsignal aufgrund des invertierten Ausgangs 72 des ODER-Gatters 71 gegenüber dem Zählsignal am Eingang 105 um 180° phasenverschoben ist. Mit anderen Worten zählt nun der Zähler 50 die ansteigenden Flanken der positiven Halbwellen, der Einzelzähler 51 die abfallenden Flanken der negativen Halbwellen. Dadurch werden während jeder Periode der Höchstfrequenzspannung aus dem Frequenzgenerator 52 zwei Bits durch die Einzelzähler 50, 51 erzeugt, und zwar um jeweils 180° phasenverschoben.

Die Zählung der Halbwellen der Höchstfrequenzspannung aus dem Frequenzgenerator 52 wird nun solange fortgesetzt, bis ein Lichtimpuls 12' (Fig. 3) von der Photoempfangsanordnung 22 aufgenommen wird und über den Komparator 34, die Leitung 62, den Meßstoppeingang 61 und das ODER-Gatter 74 ein Stopp signal an den Rücksetz-Eingang 112 des Flip-Flops 76 abgege ben wird. Daraufhin wird das Flip-Flop 76 in seinen Ausgangs zustand zurückgesetzt, worauf das UND-Gatter 73 sperrt und den Höchstfrequenzgenerator 52 vom ODER-Gatter 71 abtrennt. Damit wird die Zählung der Einzelzähler 50, 51 gestoppt, und nunmehr kann der Computer 38, dem dies über die Leitung 46 (Fig. 3) gemeldet worden ist, nicht nur die gemessenen Zähler stände nach Summierung in der Additionsstufe 69 über den Multiplexer 68 und die Ausgangsstufe 70 abrufen, sondern zusätzlich noch zwei Tests durchführen.

Nachdem während jeder Periode der Höchstfrequenzspannung zwei Bits erzeugt werden, wird bei einer Frequenz von 1,5 GHz eine zeitliche Auflösung bei der Laufzeitmessung (t) von 330 ps und damit eine Entfernungsmeßgenauigkeit von cm/Bit erzielt.

Nachdem auf diese Weise eine Laufzeitmessung erfolgt ist, schaltet der Computer 38 über die Steuerleitung 66 und den Multiplexer-Schalteingang 67 den Multiplexer 68 um, so daß dieser nunmehr den über die Leitung 109 anstehenden Zähler stand des zweiten Zählers 51 an den Computer 38 abgeben kann. Dort findet nunmehr ein Vergleich des Summenausgang signals der Additionsstufe 69 mit dem Doppelten des Zähler standes des zweiten Zählers 51 statt. Bei einwandfreiem Arbeiten aller Komponenten dürfen sich die beiden Zahlenwer te höchstens um ein Bit unterscheiden. Wird dies vom Computer 38 festgestellt, ist dies ein Zeichen dafür, daß sämtliche Komponenten einwandfrei gearbeitet haben. Ergibt dieser Vergleich jedoch einen Unterschied von mehreren Bits, so erzeugt der Computer 38 ein Fehlersignal und stoppt bei spielsweise die gefährliche Arbeitsmaschine 96 nach Fig. 16.

Der vorgenannte Test kann beispielsweise nach jedem empfange nen Lichtimpuls 12' und der entsprechenden Auswertung einmal durchgeführt werden. Im allgemeinen genügt es jedoch, wenn erst nach einem vollständigen Abtasten des Abtastwinkel bereiches 54 ein derartiger Test durchgeführt wird.

Im letzteren Falle wird vom Computer 38 auch noch ein weite rer Sicherheitstest dahingehend durchgeführt, daß an den Testzählimpulseingang 55 über die Zuleitung 56 Testzähl impulse gegeben werden, die über das ODER-Gatter 71 Zählvor gänge in den Einzelzählern 50, 51 auslösen, wobei jedoch diese Testzählung ca. 300 mal langsamer, also beispielsweise mit einer Frequenz von 5 MHz vor sich geht als beim eigent lichen Meßvorgang.

Der Zählvorgang wird vom Computer über die Steuerleitung 65, den Teststarteingang 58, das ODER-Gatter 75, das Flip-Flop 76 und das UND-Gatter 73 in ähnlicher Weise ausgelöst, wie das beim eigentlichen Meßvorgang über den Meßstarteingang 57 vor sich geht.

Ein einmal ausgelöster Testzählvorgang wird solange fortge setzt, bis die Zähler 50, 51 voll sind, worauf über den Überlauf-Ausgang 107 des zweiten Einzelzählers 51, die Reset-Leitung 77 und das ODER-Gatter 74 ein Stoppsignal an den Reset-Eingang 112 des Flip-Flops 76 abgegeben wird. Nun mehr kann über die Additionsstufe 69 und die Leitung 109 sowie den Multiplexer 68, welcher vom Computer 38 wieder in geeigneter Weise angesteuert wird, überprüft werden, ob die tatsächlichen Zählerstände mit dem Sollwert übereinstimmen.

Durch diesen zweiten Test, der ebenfalls nur einmal nach jeder Abtastung durchgeführt wird, kann geprüft werden, ob die logischen Funktionen korrekt arbeiten. Da der Computer 38 die die Zählung auslösenden positiven und negativen Flan ken am Testeingang 55 erzeugt, kann er durch Vergleich der erhaltenen Zählerstände mit der Zahl der ausgegebenen Flan ken die einwandfreie Funktion ohne weiteres prüfen. Logische Fehlfunktionen sowie zerstörte Signalleitungen können auf diese Weise sicher aufgedeckt werden.

Die Anordnung von zwei Einzelzählern 50, 51 im Zähler 30 hat also nicht nur den Vorteil einer Verdopplung der Zeitauflö sung, sondern ermöglicht auch die beiden vorstehend beschrie benen Sicherheitstests.

Die Fig. 4 und 7 zeigen, daß in demjenigen Bereich der 360°-Abtastung des Drehspiegels 16, welcher außerhalb des Abtast winkelbereiches 54 (Fig. 2) liegt, Testvorrichtungen angeord net werden können. Eine dieser Testvorrichtungen besteht aus einem im Bereich des Sende-Lichtimpulsbündels 21 angeordne ten Testkörper 86, der vorzugsweise aus einem lichtstreuen jden Material besteht. Es kann sich hierbei um eine gesinter te Glasscheibe (Glasfritte) handeln, in der das Licht an den kristallinen Partikeln gestreut wird. Eine geschwärzte Ring blende 87 rund um den Bereich, wo das Sende-Impulslichtbün del 21 auftrifft, vermindert unerwünschte Streulichteffekte.

Da die streuenden Eigenschaften des Testkörpers 86 bekannt und stabil sind, kann durch Auswertung des Empfangssignals des Photoempfängers 23, der vorzugsweise als Lawinen-Empfän gerdiode ausgebildet ist, das einwandfreie Arbeiten des Impulslasers 11 und des Empfangssystems getestet werden.

Das Empfangssignal Us der Photoempfangsanordnung 22 berech net sich nach der folgenden Formel:

Us = Ps . Rr . Rq . M . Rt (2)

In dieser Formel bedeuten:
Us: Empfangssignal
Ps: Sendeleistung
Rr: Testzielreflexionsgrad
Rq: Quantenwirkungsgrad
M : Multiplikationsfaktor der verwendeten Lawinendiode 23
Rt: Transimpedanz der Lawinendiode 23 (effektiver Arbeitswiderstand der Diode)

Der Computer prüft nun, ob das Empfangssignal Us wenigstens den Wert einer vorgegebenen Grenzwertkonstante K1 erreicht. Ist dies der Fall, so wird die Sende-Empfangsanordnung als einwandfrei bewertet und die Messung fortgesetzt. Sinkt jedoch das Empfangssignal Us bei dem vorbeschriebenen Test unter K1 ab, so meldet der Computer 38 einen Fehler und schaltet beispielsweise die gefährliche Arbeitsmaschine 126 nach Fig. 14 ab.

Gemäß Fig. 9 kann in dem gleichen für die eigentliche Mes sung ineffektiven Winkelbereich ein weiterer Test dadurch durchgeführt werden, daß entweder innerhalb des Testkörpers 86 oder daneben (Fig. 4) eine Leuchtdiode 88 vorgesehen ist, die durch das abbildende Empfangssystem bzw. die Photoempfän geranordnung 22 auf den Photoempfänger 23 abgebildet wird, welcher wieder als Lawinendiode angenommen wird. Der dadurch in der Lawinendiode 23 erzeugte Gleichstrom I führt aufgrund der physikalischen Gesetze zu einem Quantenrauschen (Schrot rauschen), welches über den Rauschpegelmesser 36 (Fig. 3) quantitativ bestimmt wird. Eine Auswertung erlaubt bei be kannten Empfängergleichstrom I die Berechnung des sog. Excess-Noise-Index der Lawinen-Photodiode 23, welcher ein direktes Maß für die Qualität bzw. die Funktionsfähigkeit der Lawinen-Photodiode 23 ist. Zusammen mit dem Meßergebnis des anhand von Fig. 7 beschriebenen Tests kann damit indirekt die Systemempfindlichkeit unter allen Umgebungs lichtsituationen nachgewiesen werden.

Der vom Rauschpegelmeser 36 ermittelte Rauschpegel errechnet sich nach der folgenden Formel

Ur = (2 . q . I . M^1+k.f_g)^1/2.Rt (3)

Der Computer 38 überprüft dann, ob die folgende Forderung erfüllt ist:

In den vorgenannten Formeln bedeuten:
I: Photostrom in der Photodiode 23
Ur: Rauschspannung aufgrund der Beleuchtung durch die Leuchtdiode 88
M: Multiplikationsfaktor der Lawinendiode 23
q: Elementarladung (1,6 . 10^-19 Coulomb)
Rt: Transimpedanz der Lawindendiode 23
f_g: Grenzfrequenz des Rauschens
K2: zweite Grenzwertkonstante

Nach den Fig. 4 und 9 sind unterhalb der unteren Stirnseite 89 der Frontscheibe 41 über den Abtastwinkelbereich 54 gleichmäßig verteilt Leuchtdioden 91 angeordnet, welche jeweils einen Lichtschrankenstrahl 98 nach oben aussenden, der einen gemäß den Fig. 4 und 9 abgewinkelten unteren Teil der Frontscheibe 41 durchquert und dann durch den schräg gestellten Hauptteil der Frontscheibe 41 hindurch zu einem darüber angeordneten zugeordneten Photoempfänger 92 gelangt. Die Schrägstellung des Hauptteils der Frontscheibe 41 hat nicht nur den Sinn, eine Durchtrittsmöglichkeit für die senk rechten Lichtschrankenstrahlen 98 zu schaffen, sondern auch den Innenseitenreflex von der Frontscheibe 41 von der Photo empfangsanordnung 22 fernzuhalten.

Erfindungsgemäß weist der untere abgewinkelte Teil der Front scheibe 41 über den Umfang verteilt zwei auf ihrer äußeren Fläche mattierte bzw. aufgerauhte Bereiche 41' auf, durch welche das vom zugeordneten Lichtsender 91 ausgehende scharf gebündelte Licht 131 bei Nichtvorhandensein eines in Fig. 4 eingezeichneten glättenden Ölfilms 128 in einen wesentlich größeren Raumwinkelbereich 129 gestreut wird, so daß der zugeordnete Lichtempfänger 92 nur eine geringe Lichtmenge vom Lichtsender 91 erhält.

Schlägt sich jetzt auf der aufgerauhten äußeren Fläche des mattierten Bereiches 41' beispielsweise ein Ölfilm 128 nie der, so hebt dieser aufgrund des nur geringen Brechungsindex unterschiedes zum darunterliegenden Material der Frontschei be 41 die starke Lichtstreuung des Bündels 131 auf, so daß nunmehr ein konzentriertes Lichtbündel 130 den zugeordneten Lichtempfänger 92 trifft und ein wesentlich stärkeres Licht empfangssignal am Lichtempfänger 92 auslöst. Die starke Zu nahme des Ausgangssignals des Lichtempfängers 92 ist also ein Maß dafür, daß sich auf der aufgerauhten Oberfläche des mattierten Bereiches 41' ein glättender Flüssigkeitsfilm niedergeschlagen hat.

Von den über den Umfang der Frontscheibe 41 verteilten Lichtsender-Lichtempfänger-Paaren 91, 92 ist zumindest zweien ein mattierter Bereich 41' zugeordnet, um für den Fall eines defekten optoelektronischen Bauelements eine Redundanz zu schaffen.

Nach Fig. 9 sind die Leuchtdioden 91 an eine Reihe von Aus gängen 113 eines Multiplexers 93 angeschlossen, der vom Computer 38 angesteuert wird und über einen Impulsformer 95 mit Rechteckimpulsen beschickt wird.

Die Empfangsdioden 92 sind mit den verschiedenen Eingängen 114 eines weiteren Multiplexers 94 verbunden, der ebenfalls vom Computer 38 angesteuert wird und über einen Verstärker 96 sowie einen Analog-Digital-Wandler 97 an den Computer 38 angeschlossen ist.

Die beschriebene Anordnung von Leuchtdioden 91 und Empfangs dioden 92 dient einer Überwachung der Verschmutzung der Frontscheibe 41. Ihre Arbeitsweise ist wie folgt:
Der Computer 38 taktet den Multiplexer 93 so, daß er nachein ander an die auf dem Umfang des Abtastwinkelbereiches 54 gleichmäßig angeordneten Sendedioden 91 nacheinander einen Rechteckimpuls über den Impulsformer 95 abgibt. Im gleichen Rhythmus werden die jeweils gegenüberliegenden Empfangs dioden 92 aktiviert, indem der Multiplexer 94 vom Computer 38 in gleicher Weise wie der Multiplexer 93 getaktet wird, wodurch nacheinander die Ausgänge der einzelnen Empfangs dioden 92 an den Verstärker 96 und den Analog-Digital-Wand ler 97 angelegt werden. Dadurch empfängt der Computer 38 laufend Signale von den einzelnen Empfangsdioden 92. Durch Vergleich einer vorgegebenen Soll-Empfangsstärke mit der tatsächlichen Empfangsstärke der Lichtstrahlen 98 kann der Computer 38 somit Verschmutzungen der Frontscheibe 41 erken nen. Sollte an zumindest einer Stelle eine übermäßige Ver schmutzung erkannt werden, so meldet der Computer 38 dies an das Interface 39, und es kann dann beispielsweise ein Warn- oder Abschaltsignal abgegeben werden.

Bei der Auswertung der Empfangssignale der Lichtempfänger 92, die einem mattierten Bereich 41' zugeordnet sind, unter scheidet der Computer 38 zwischen einer Abnahme und Zunahme des Empfangssignals, so daß sowohl eine verdunkelnde Ver schmutzung als auch ein Ölfilm in dem zwischen dem Lichtsen der 91 und dem Lichtempfänger 92 verlaufenden Lichtbündel erkannt werden können. Es ist aber auch möglich, daß das dem mattierten Bereich 41' zugeordnete Lichtsender-Lichtempfän ger-Paar 91, 92 nur zur Erkennung von Flüssigkeitsfilmen dient, so daß der Computer 38 bei Aufschaltung eines solchen Lichtsender-Lichtempfänger-Paars 91, 92 nur auf einen ver größerten Lichtempfang anspricht.

Neben den vorzugsweise vier Meß-Lichtschrankenstrahlen 98 sollen zwei redundant aufgebaute Referenzzweige vorhanden sein, deren Strahlverlauf nicht durch die Scheibe führt, wo durch der Temperaturgang der Sendedioden sowie der Impuls stromquelle durch entsprechenden Signalvergleich im Computer 38 eliminiert werden kann. Durch zweikanalige Ausbildung der Referenzzweige ist die Schaltung so ausgelegt, daß jede Fehl funktion aufgedeckt wird.

Weiter wird erfindungsgemäß vom Computer die Motordrehzahl und das Systemtiming überwacht. Es erfolgt eine zeitliche und logische Programmablaufüberwachung.

Die Überwachung der elektronischen Funktionen erfolgt erfin dungsgemäß durch einen RAM-, ROM-, ALU-, Watchdog-Test, A/D-Wandler (Verschmutzungsmessung, Rauschpegelmessung), D/A-Wandler (Komparatortest), Spitzenwertdetektor, Stopp-Komparator und Oszillatoren für den Computer 38 und den 1,5 GHz-Zähler.

Erfindungsgemäß sind zwei optoentkoppelte, dynamische, rück gelesene Eingriffsleitungen vorgesehen. Der Nachweis der Systemleitung basiert auf einer Worst-Case-Leistungsbilanz. Es erfolgt eine einfehlersichere Ansteuerung des Lasers (Augensicherheit). Weiter kann ein Zugriffschutz für den Einrichtmodus über Pass-Worte erreicht werden. Durch das beschriebene Lichtgitter ist eine Verschmutzungserkennung und -warnung gewährleistet.

Es liegt ein definiertes Anlaufverhalten des Systems bzw. der Schnittstelle vor. Nach dem Einschalten der Einrichtung werden alle o.g. Tests durchlaufen.

Die Empfindlichkeit der Sender-Empfänger-Anordnung wird so eingestellt, daß noch Objekte mit einem Reflexionsgrad bis hinunter zu 2% erkannt werden.

Das Laserradargerät ist nach Fig. 4 in einem Gehäuse 115 untergebracht, welches vorne durch eine Deckkappe 116 abge schlossen ist, in deren unterem Bereich die über 180° ge krümmte Frontscheibe 41 vorgesehen ist. Nach Fig. 4 sind Sen der und Empfänger in einer als kompakte Baueinheit ausgebil deten Sender-Empfänger-Einheit 49 beispielsweise in Form eines zylindrischen Gehäuses untergebracht.

Claims

1. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach dem Impulslauf zeitverfahren mit einem Impulslaser (11), der gesteuert Lichtimpulse (12) in einen Meßbereich (13) schickt, einer Photoempfangsanordnung (22), welche die von einem im Meßbereich (13) befindlichen Objekt (14) zurückgewor fenen Lichtimpulse (12') empfängt, einer Auswerteschal tung (23, 30, 34, 36, 37, 38, 39, 40), welche unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Lichtimpulses (12, 12') ein für den Abstand des Objektes (14) vom Impuls laser (11) charakteristisches Abstandssignal ermittelt, wobei zwischen dem Meßbereich (13) und dem Impulslaser (11) eine Lichtablenkvorrichtung (15) angeordnet ist, welche die aufeinanderfolgenden Lichtimpulse (12) unter sich zunehmend verändernden Winkeln in den Meßbereich (13) lenkt und gleichzeitig an die Auswerteschaltung (23, 30, 34, 36, 37, 38, 39, 40) ein für ihre momentane Winkelstellung repräsentatives Winkelpositionssignal ab gibt, und wobei die Auswerteschaltung (23, 30, 34, 36, 37, 38, 39, 40) aus dem Abstandssignal und dem Winkel positionssignal den Ort des Objektes (14) innerhalb des Meßbereiches (13) ermittelt, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (115), welches im Bereich des Durchtritts des Sende-Impulslichtbündels und des Empfangs-Impuls lichtbündels durch eine Frontscheibe (41) abgeschlossen ist, wobei die Frontscheibe (41) an einer Vielzahl von Stellen entlang ihres Umfanges von Lichtschrankenstrah len (98) durchquert wird, die von im Bereich ihrer einen Stirnseite (89) angeordneten Lichtsendern (91) ausgehen und von im Bereich ihrer anderen Stirnseite (90) ange ordneten Lichtempfängern (92) empfangen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsender (91) zur nacheinander erfolgenden Ansteuerung mit Impulsen und die Lichtempfänger (92) zur entsprechenden Auswertung der empfangenen Impulse über Multiplexer (93 bzw. 94) an den Computer (38) der Auswerteschaltung angeschlos sen sind, welcher, wenn wenigstens ein Empfangssignal unter einen vorbestimmten Minimalwert abgefallen ist, ein Verschmutzungssignal abgibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontscheibe von oben nach unten in Richtung auf den Drehspiegel (16) der Lichtablenkvorrichtung (15) zu schräg verläuft und vorzugsweise an ihrem unteren Ende um einen deutlichen Winkel, der bei etwa 90° liegen kann, in der entgegengesetzten Rich tung abgewinkelt ist, um einen doppelten Durchtritt des Lichtschrankenstrahls (98) durch die Frontscheibe (41) herbeizuführen, und zwar zunächst vom Inneren des Gehäuses (115) in den Außenraum und dann von dort wieder in das Innere des Gehäuses (115).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bereich (41') der Frontscheibe (41), der sich vorzugsweise nahe einem Lichtsender (91) und fern vom zugeordneten Lichtempfänger (92) befindet, auf seiner äußeren Fläche mattiert ausgebildet ist, derart, daß bei unverschmutztem Bereich (41') der zugeordneten Lichtempfänger (92) eine durch Lichtstreuung abgeschwäch te Lichtmenge erhält und bei Vorhandensein eines Flüssig keits-, insbesondere Ölfilms (128) auf dem Bereich (41') der zugeordnete Lichtempfänger (92) eine erhöhte Licht inenge erhält, und daß ein Verschmutzungssignal abgegeben wird, wenn der Lichtempfang am zugeordneten Lichtempfän ger (92) einen vorbestimmten Wert überschreitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Frontscheibe (41) über den Umfang verteilt zwei mattierte Bereiche (41') und diesen zugeordnete Lichtsender (91) und Lichtempfänger (92) vorhanden sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontscheibe (41) um die Drehachse (17) des Drehspiegels (16) gekrümmt ausgebildet ist und sich in Abtastrichtung zumindest über den Abtastwinkelbereich (54) erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandswinkelbereich (54) vorzugsweise größer als 90° und insbesondere kleiner als 270° ist sowie be vorzugt etwa 180° beträgt und zweckmäßigerweise die Impulslichtstrahlen eine vorzugsweise horizontale Abtast ebene (53) definieren.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Lichtimpulse (12) so gering ist, daß während die ser Zeit die Lichtablenkvorrichtung (15) als praktisch stillstehend angesehen werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulsdauer einige Nanosekunden, zweckmäßi gerweise 1-5, vorzugsweise 2-4 und insbesondere etwa 3 ns beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Lichtablenkvorrichtung (15) 0,5.10⁴ bis 2.10⁴, insbesondere etwa 1.10^4o/sec be trägt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand aufeinanderfolgender Sende-Lichtimpulse (12) um mehrere Zehnerpotenzen, vorzugsweise um größen ordnungsmäßig 4 Zehnerpotenzen größer als die Impuls länge ist und/oder daß vorzugsweise die Impulsfolgefre quenz zwischen 5 bis 50, zweckmäßigerweise 10 bis 40, und insbesondere etwa 20 kHz beträgt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (15) einen vorzugsweise planen Drehspiegel (16) umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (16) um einen der Einfallslichtstrah len, vorzugsweise den Mitteleinfallslichtstrahl (18) drehbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (17) bzw. der Mitteleinfallslicht strahl (18) unter 30 bis 60, vorzugsweise 40 bis 50 und insbesondere 45° zur Oberfläche des Drehspiegels (16) verläuft, wobei der Drehspiegel (16) in Richtung der Drehachse (17) gesehen zweckmäßig Kreisscheibenform hat.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (16) ein Sende-Impulslichtbündel (21) im wesentlichen von oben empfängt und im wesent lichen horizontal abstrahlt.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Impulslaser (11) vorzugsweise horizontal abgestrahlte Impulslicht über einen fest angeordneten, vorzugsweise planen Umlenkspiegel (19) um vorzugsweise 90° zum Drehspiegel (16), insbesondere nach unten abge lenkt wird.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulslaser (11) eine ein paralleles Sende-Impulslichtbündel (21) bildende Sendelinse (33) vorgeschaltet ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (15) auch ein Empfangs-Impulslichtbündel (20) aufnimmt und zur Photoempfangs anordnung (22) lenkt, wobei das Sende-Impulslichtbündel (21) und das Empfangs-Impulslichtbündel (20) jenseits des Drehspiegels (16) vorzugsweise koaxial zueinander sind und wobei insbesondere das Sende-Impulslichtbündel (21) zentral verläuft und einen kreisförmigen Quer schnitt aufweist und das Empfangs-Impulslichtbündel (22) rund um das Sende-Impulslichtbündel herum angeordnet ist und einen kreisringförmigen Querschnitt besitzt und beide Bündel (20, 21) aneinander angrenzen, so daß der Drehspiegel (16) einen zentralen Bereich (24), wo das Sende-Impulslichtbündel (21) auftrifft, und einen peri pheren Bereich (47), wo das Empfangs-Impulslichtbündel (20) auftrifft, aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (19) für das vom Impulslaser (11) bzw. der Sendelinse (33) kommende Impulslicht gegenüber, insbesondere über einem zentralen Bereich (24) des Dreh spiegels (16) angeordnet ist und das Empfangs-Impuls lichtbündel (20) am Umlenkspiegel (19) vorbei zur Photo empfangsanordnung (22) gelangt, wobei der Umlenkplanspie gel (19) in Richtung des an ihm vorbeigehenden Empfangs-Impulslichtbündels (20) vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfangsanordnung (22) eine das Empfangs licht auf einen Photoempfänger (23) konzentrierende Empfängerlinse (25) umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Empfängerlinse (25) so groß ist, daß sie das neben dem zentralen Bereich (24) auf den peripheren Bereich (47) des Drehspiegels (16) auftreffen de Empfangs-Impulslichtbündel (20) aufnimmt.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Photoempfangsanordnung (22) ein auf das Spektrum des vom Impulslaser (11) ausgesendeten Lichtes abgestimmtes Interferenzfilter (26) angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerlinse (25) zwei Bereiche (25', 25'') mit unterschiedlichen Brennweiten aufweist, die vorzugsweise konzentrisch zueinander liegen.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 3 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (16) an einer Schrägschnittebene eines Kreiszylinderkörpers (27) ausgebildet ist, dessen Zylinderachse mit der Drehachse (17) zusammenfällt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (16) an einer ebenen Spiegelplatte (78) ausgebildet ist, die auf einem drehbaren Spiegelträger (48) angebracht ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (15) einen 360°-Ablenkwin kel überstreicht und vorzugsweise kontinuierlich in einer Drehrichtung umläuft.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehspiegel (16) auf einem Drehteller (28) ange ordnet ist, der von einem Motor (31) zu einer kontinuier lichen Rotation mit vorzugsweise vorgegebener Drehzahl angetrieben ist, wobei die Drehzahl zweckmäßigerweise 1000 bis 3000, insbesondere etwa 1500 UpM beträgt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, das im Bereich des Drehtellers (28) ein Winkelgeber (29) angeordnet ist, der die momentane Winkelposition des Drehtellers (28) der Auswerteschaltung (38, 40) meldet.

29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Auswerteschaltung einen Computer (38) enthält, in dem alle erforderlichen Rechenoperationen, insbeson dere die Berechnung des Abstandes des Objektes (14) aus der Impulslaufzeit (t) ausgeführt werden.

30. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Auswerteschaltung einen Zähler (30) mit vorzugs weise fest vorgegebener Taktfrequenz umfaßt, der mit dem Impulslaser (11) bzw. seiner Triggerschaltung so verbun den ist, das er bei Aussendung eines Lichtimpulses (12) angestoßen wird, und mit der Photoempfangsanordnung (22) so verbunden ist, das er beim Empfang des gleichen Lichtimpulses (12') durch die Photoempfangsanordnung (22) angehalten wird, und das aus dem Zählerstand die Laufzeit (t) und vorzugsweise der Abstand des Objektes (14) berechnet wird.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (30) durch einen Frequenzgenerator (52) beaufschlagt ist, welcher zweckmäßigerweise mit einer Taktfrequenz von 0,5 bis 3,0, insbesondere 1 bis 2 und vorzugsweise etwa 1,5 GHz arbeitet.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, das der Zähler (30) aus zwei asynchronen Einzelzählern (50, 51) aufgebaut ist, von denen einer auf die posi tiven Halbwellen, insbesondere die ansteigenden Flanken der positiven Halbwellen, und der andere auf die nega tiven Halbwellen, insbesondere die abfallenden Flanken der negativen Halbwellen einer vom Frequenzgenerator (52) abgegebenen Höchstfrequenzspannung anspricht.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, das die durch die Laufzeit (t) eines Lichtimpulses (12, 12') erzeugten beiden Einzelzählerstände addiert und als Maß für die Laufzeit (t) verwendet werden.

34. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, das die Summe der Einzelzählerstände mit dem verdoppel ten Zählerstand eines der Einzelzähler (50, 51) ver glichen und ein Fehlersignal abgegeben wird, wenn der Vergleich einen Unterschied um mehr als einige Bits, vor zugsweise ein Bit ergibt.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, das der Vergleich nach jeder Auswertung eines Lichtimpul ses (12, 12') durchgeführt wird.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, das der Vergleich in der Pause zwischen dem Ende einer Abtastung des Abtastwinkelbereiches (54) und dem Beginn der nächsten Abtastung des Abtastwinkelbereiches (54) durchgeführt wird.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, das in der Pause zwischen zwei Abtastungen des Abtast winkelbereiches (54) der Computer (38) gesteuert Zähl impulse an die Einzelzähler (50, 51) liefert, das Zähl ergebnis prüft und ein Fehlersignal abgibt, wenn das Zählergebnis nicht mit der eingegebenen Anzahl von Zähl impulsen übereinstimmt.

38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 30 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfangsanordnung (22) über einen Kompara tor (34) an den Zähler (30) angelegt ist, dessen die Triggerschwelle für die Empfangssignale definierender Referenzeingang (35) das für den Rauschpegel unmittelbar vor dem Signalempfang repräsentative Ausgangssignal eines Rauschpegelmessers (36) zugeführt ist, an dessen Eingang das Ausgangssignal der Photoempfangsanordnung (22) angelegt ist.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauschpegelmesser (36) über die Photoempfangs anordnung (22) kontinuierlich die Grundhelligkeit erfast und über eine vorbestimmte Zeit, die groß gegenüber der Dauer eines Lichtimpulses (12, 12') und klein gegenüber der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sende-Licht impulsen (12) ist, gemittelt wird und das dieser Mittel wert als mittlerer Rauschpegel verwendet wird.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertbildungszeit etwa 30% des zeitlichen Abstandes zweier benachbarter Sendelichtimpulse (12) be trägt.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, das die durch das Ausgangssignal des Rauschpegelmessers (36) festgelegte Triggerschwelle (79) um ein Vielfaches, vorzugsweise das 2- bis 10-fache, insbesondere das 4- bis 8-fache und besonders bevorzugt etwa das 7-fache größer als der festgestellte mittlere Rauschpegel ist.

42. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das an den Ausgang der Photoempfangsanordnung (22) auch ein Spitzenwertdetektor (37) angelegt ist, dessen Aus gangssignal zur Generierung von Korrekturwerten zur Kompensation der infolge Signaldynamik auftretenden Zeitmeßfehler verwendet wird.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, das der Spitzenwertdetektor (37) das jeweilige Maximum eines Empfangs-Lichtimpulses (12') erfaßt und ein ent sprechendes Maximumsignal an den Computer (38) abgibt, das im Computer (38) die in Abhängigkeit von der Höhe des Maximums (80, 81, 82) auftretenden Zeitmeßfehler (84, 85) abgespeichert sind und das in Abhängigkeit vom festgestellten Maximum (80, 81, 82) ein entsprechender Korrekturwert ermittelt und die gemessene Zeit entspre chend diesem Korrekturwert korrigiert wird.

44. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das außerhalb des Abtastwinkelbereiches (54) ein licht reflektierender oder -streuender Testkörper (86) im Weg des die Abtastbewegung ausführenden Sende-Impulslichtbün dels (21) angeordnet ist und der Computer (38) während des Überstreichens des Testkörpers (86) durch das Sende-Impulslichtbündel (21) überprüft, ob das von der Photo empfangsanordnung (22) empfangene Signal wenigstens gleich einem vorbestimmten Grenzwert (K1) ist.

45. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das außerhalb des Abtastwinkelbereiches (54) eine Leucht diode (88) im Weg des die Abtastbewegung ausführenden Sende-Impulslichtbündels (21) angeordnet ist und der Computer (38) während des Überstreichens der Leuchtdiode (88) durch einen dem Empfangs-Lichtimpulsbündel (20) ent sprechenden Bereich des Drehspiegels (16) überprüft, ob das Signal/Rausch-Verhältnis wenigstens gleich einem vor bestimmten Grenzwert (K2) ist.

46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 45, dadurch gekennzeichnet, das an den Computer (38) ein Interface (39) angeschlos sen ist, an dessen Ausgang die erwünschten Ausgangs signale und -werte einschließlich Fehlersignalen abgenom men und der weiteren Nutzung zugeführt werden können.

47. Laserabstandermittlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das sie angewendet wird

- bei der Selbststeuerung von Fahrzeugen (120) zur Schaf fung eines definierten Schutzbereiches (122) vor dem Fahrzeug (120);
- durch Anordnung an der Frontseite eines Fahrzeuges (120) zum Kollisionsschutz mit Hindernissen (123) durch Definition eines entsprechenden Schutzbereiches (122');
- durch Anordnung an der Frontseite eines Fahrzeuges (120) zur Schaffung eines Kollisionsschutzbereiches (122''), der in mehrere Sektoren (S1 bis S16) des Abtastwinkelbereiches (54) aufgeteilt ist, von denen jeder einen eigenen und wohldefinierten Sicherheitsabstand definiert;
- durch Anordnung an der Frontseite eines Fahrzeuges (120) zwecks Definition eines Erfassungsbereichs (124), aufgrund dessen ein im Fahrzeug angeordnetes Navigationsgerät (125) hinsichtlich seiner einwand freien Arbeitsweise überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden kann;
- beim Schutz von Personen (104) an gefährlichen Arbeits maschinen (126) durch Definition eines entfernungsbe grenzten Schutzbereiches (127), wobei die gefährliche Arbeitsmaschine (126) sich zweckmäßigerweise im von der erfindungsgemäßen Vorrichtung (121) abgewandten Endbereich des Schutzbereiches (127) oder unter der Maschine befindet.