WO1999046612A1 - Optisches sensorsystem zur detektion der position eines objektes - Google Patents

Abstract

Mit der Erfindung wird eine spezielle Lichtquelle vorgeschlagen, die einen horizontalen Lichtstreifen erzeugt. Dieser Lichtstreifen wird von Objekten in der Umgebung des Sensorsystems reflektiert und über eine spezielle Abbildungsvorrichtung zu einem photoelektrischen Wandler geleitet. Diese Abbildungsvorrichtung ist so beschrieben, daß sie weiter entfernte Objekte etwas weiter auseinander darstellt, damit von einem gängigen Objektiv mit einer linearen Auflösung über die gesamte Bildfläche eine bessere Positionsauflösung von Objekten erzielt werden kann, welche sich vom Sensorsystem weiter entfernt befinden. Vorteilhaft werden als lichtemmittierende Elemente Leuchtdioden auf der optischen Achse eines Zylinderspiegels vorgesehen. Die vom photoelektrischen Wandler abgegebenen elektrischen Signale werden bezüglich ihrer Position von einer Auswerteeinheit ausgewertet, die mittels Triangulation die Entfernung der Objekte bestimmt, welche das Licht reflektiert haben.

Description

1 Beschreibung

Optisches Sensorsystem zur Dete tion der Position eines Objektes .

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem zur Erkundung von Objekten und für die Bestimmung von deren Positionen. Bevorzugt kann dieses Sensorsystem an autonomen mobilen Systemen angeordnet sein, um diesen ihre Orientierung in ei- ner unbekannten Umgebung zu ermöglichen.

In der Entwicklung und Planung befindliche autonome mobile Systeme, werden in Zukunft immer häufiger auch in Haushaltsumgebungen anzutreffen sein. Sie werden dort Transport- und Reinigungsaufgaben erledigen, indem sie die ihnen auferlegten Aufgaben autonom unter Zuhilfenahme eines Orientie- rungssystems ausführen, das es ihnen ermöglicht sich ein Bild von ihrer Umgebung zu verschaffen. Neben den unterschiedlichen Wegeplanungs- und Bewertungsalogrithmen kommt dabei dem Sensorsystem für die Detektion von Hindernissen in der Umgebung der autonomen mobilen Einheit eine starke Bedeutung zu. Um autonome mobile Systeme für Konsumenten attraktiv zu machen, ist es besonders wichtig, daß diese in großen Stückzahlen kostengünstig und technisch einfach gefertigt werden kön- nen. Die Sensorsysteme zur Detektion der Position von Objekten in der Umgebung der autonomen mobilen Systeme müssen daher robust sein und kostengünstig hergestellt werden können.

Optische Sensorsysteme, welche durch Triangulation die Detek- tion von Objekten durchführen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine spezielle Meßmethode besteht beispielsweise darin, eine aktive optische Triangulation mit Streifenbeleuchtung durchzuführen. Die Hauptelemente eines derartigen Meßsystems bestehen beispielsweise aus einer Lichtquelle, die einen Streifen im Raum beleuchtet, einem optischen Abbildungssystem, einem zweidimensionalen Bildempfänger und einer Elektronik für die Verarbeitung und Auswertung der vom Bil- 2 dempfanger empfangenen Signale. Zur Durchf hrung der Triangulation benotigt ein derartiges System eine Lichtquelle, die ausschließlich einen Raumstreifen ausleuchtet. Ein wichtiges Merkmal dieser Lichtquelle besteht m der Oberflachendichte ihrer abgestrahlten Lichtleistung. Die Anforderungen an solche Lichtquellen besteht darin, daß die Leistungsdichte groß genug sein muß, um auch dunkle Objekte erkennen zu können. Ein weiteres Merkmal derartiger Lichtquellen ist die Dicke des beleuchteten Streifens, welche sowohl die Große des de- tektierbaren Raumbereiches, als auch die Auflosung bei der Positionsmessung detektierter Objekte beeinflußt.

Derzeit sind folgende Möglichkeiten für die Ausführung von Lichtquellen zur Abgabe von Leuchtstreifen bekannt: eine zy- lmdrische Linse vor einem Kollimatorobjektiv, das das Licht einer Laserquelle oder einer Glüh-, Halogen- oder Bogenlampe kollimiert; die Parallelisierung von Licht, aus einer Gluh- oder Halogenlampe mit Hilfe eines Kollimatorobπektivs und dessen Auffächerung durch einen Kegelspiegel. Das verwendete Abbildungssystem muß dabei vor allen Dingen zwei Hauptanforderungen gerecht werden. Zum einen muß es den zu messenden Raumbereich auf die Oberflache des zweidimensionalen Bilddetektors abbilden; zum anderen muß es die gewünschte Postions- auflosung bezüglich der zu messenden Objekte sicherstellen. Als Postionsauflösungsvermogen wird in diesem Zusammenhang die kleinste Entfernung zwischen Objekten, die nach der Abbildung auf den optoelektrischen Wandler noch auflösbar ist, verstanden. Sie ist ebenso durch den verwendeten Wandler, wie auch durch das Abbildungssystem bestimmt. Die Aufgabe einen großen Raumbereich, möglichst in Form eines ganzen Halbraumes weitwinkelig abzubilden und dabei ein ausreichendes Entfernungsauflosungsvermogen mit dem gleichen Objektiv zu erzeugen, stellen dabei widerspruchliche Erfordernisse dar. Ein mögliches Mittel zur Vergrößerung des meßbaren Raumbereiches durch ein solches Abbildungssystem, besteht m der Anwendung eines Weitwinkelobjektivs, das ein verzerrungsfreies Bild erzeugt. Solche Objektive mit mehreren Linsen haben aber den 3 Nachteil, daß sie nicht den gesamten Halbraum um das Objektiv herum abbilden können. Andere Objektive wiederum, die einen ganzen Halbraum abbilden arbeiten nicht mehr verzerrungslos und sind teuer in der Anschaffung. Verzerrende Objektive be- einflussen auch die Positionsauflösung bei der Triangulation. Dabei wird die Entfernung in der Bildebene zwischen den Abbildungen des rückgestreuten Lichtes von zwei benachbarten Gegenständen, die nahe am Abbildungssystem liegen, größer dargestellt, als bei zwei benachbarten Gegenständen, die sich weiter entfernt vom Abbildungssystem befinden. Dies führt dazu, daß die Positionsauflösung mit zunehmender Entfernung vom Objektiv, bzw. Abbildungssystem immer schlechter wird. Durch Anwendung von normalen oder asphärischen Brechflächen, wie sie bei normalen Objektiven üblich sind, sind weit entfernte Gegenstände vom Abbildungssystem nicht ausreichend voneinander abbildbar. Für die Abbildung solcher Gegenstände wäre die Anwendung eines auf diesen speziellen Zweck optimierten optischen Abbildungselementes erforderlich, welches jedoch aus der Literatur nicht bekannt ist.

Aus der europäischen Veröffentlichung EP 0 358 628 A2 mit dem Titel „Visual navigation and obstacle avoidance structured light System", ist ein Triangulationssystem für die Anwendung an mobilen Fahrzeugen bekannt, welches mittels Streifenbe- leuchtung und einem normalen Objektiv in einem Abbildungssystem arbeitet. Die Nachteile dieser Lösung bestehen darin, daß einerseits das Fahrzeug nur vorne, in Fahrtrichtung liegende Gegenstände detektieren kann und andererseits durch die Verwendung eines normalen Objektives nur ein begrenzter Be- reich oder naheliegende Objekte mit ausreichender Auflösung zur Entfernungsmessung von Objekten verwendet werden kann. Aus den Artikeln von R. A. Jarvis, J. C. Byrne: „An automated guided vehicle with map building and path finding capabili- ties"; in R. C. Bolles und B. Roth, Herausgeber, 4th Interna- tional Symposium on Robotics Research, p. 497-504, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1988, - und Y. Yagi, Y. Nishizawa, M. Yachida: „Map based navigation of the mobile robot using 4 omnidirectional image sensor COPIS, Proc. Of the 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, France, May 1992, ist es bekannt, die Abbildung der Umgebung mittels eines Kegelspiegels und eines Objektivs durchzufüh- ren. Der verwendete Kegelspiegel ändert das Auflösungsvermögen des Systems bei weit entfernt liegenden Objektiven nicht. Es ist weiterhin durch das Kameraobjektiv bestimmt. Im Artikel von J. Hong, X. Tan, B. Pinette, R. Weiss, E. M. Riseman; „Image-based Homing, Proc. Of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, California, April 1991 ist es bekannt die Abbildung der Umgebung mittels einer sphärischen Kugel durchzuführen. Dabei wird jedoch keine Streifenbeleuchtung, welche zur Triangulation dienen könnte, eingesetzt. Solche sogenannten passiven Systeme haben den Nachteil, daß die Objekte nicht von einem Lichtstrahl mit bekannter Höhenlage beleuchtet sind und damit Positionsinformation sehr schwer herleitbar ist, da keine Triangulation durchgeführt werden kann. Zur Auswertung müssen Echtzeitbildbearbeitungssysteme herangezogen werden, welche einen großen Aufwand an Rechnerkapazität erfordern. Weiterhin ist aus dem Artikel von P. Greguss: „PAL-Optik basierende Instrumente für Raumforschung und Robot-Technik, in Laser und Optoelektronik 28 (5)/1996, Seite 43-49 bekannt ein PAL- Objektiv für die Anwendungen von Navigationsaufgaben bei au- tonomen mobilen Robotern einzusetzen. Das PAL-Objektiv von

Greguss ist ein weitwinkliges Abbildungselement, welches zwei spiegelnden und eine brechende asphärische Oberfläche enthält und welches in der Lage ist einen ganzen Halbraum abzubilden. Dort wird auch die Anwendung der PAL-Optik als Abbildungsele- ent eines aktiven triangulierenden Hinderniserkennungssystems für Roboter beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorsystem anzugeben, das an mobilen Fahrzeugen, wie z. B. au- tonomen mobilen Robotern angesetzt werden kann, das technisch einfach ausgeführt ist, das in allen Richtungen um das Fahrzeug herum eine Detektion von Hindernissen ermöglicht, wobei 5 dessen Abbildungssystem sowohl die Position von Objekten im Nahbereich des Systems bei Entfernungen von kleiner 50 cm, wie auch im Fernbereich des Systems bei Entfernungen von über 2 m ein ausreichendes Positionsauflösungsvermögen von ungefähr 5-10 cm und einer Winkelauflösung von < 1° besitzt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Vorteilhaft besteht das beschriebene Sensorsystem aus Lichtquellen die die Umgebung der autonomen mobilen Einheit in Form von Streifen rund um die Einheit herum ausleuchten, da damit die simultane Detektion von Hindernissen bzw. Objekten rund um die Einheit herum gegeben ist. Vorteilhaft können dabei auch mehrere übereinander geordnete Lichtquellen vorgesehen sein, die zeitlich in verschiedenen Abständen eingeschalten werden, so daß unterschiedliche Höhendimensionen des Raumes detektierbar bzw. vermessbar sind. Vorteilhaft wird das Licht, welches von Objekten die angestrahlt werden zurückgestreut wird, durch Anwendung eines speziellen weitwinkeligen Abbildungselementes, das lediglich eine einzige gewölbte, sphärische oder asphärische, spiegelnde Oberfläche zur Lichtführung besitzt in Verbindung mit einem Objektiv und einem Filter, sowie einem photoelektrischen Wandler durchgeführt, wobei die Umgebung durch das Abbildungssystem auf den Wandler projiziert wird. Mit dieser Anordnung kann die Aufgabe mit möglichst geringem technischen Aufwand gelöst werden. Vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der Erfindung die beste Raumabdeckungs- und das beste Positionsauflösevermögen erreicht, indem die Gestalt der asphärischen spiegelnden Oberfläche des weitwinkeligen Abbildungselementes mit Hilfe von Spline-Funktionen beschrieben wird. Die Spline-Funktion beschreibt die Gestalt des Abbildungselementes dabei auf fol- gende Weise: durch die Spline-Funktion werden weiter entfernte Bereiche je nach Art des verwendeten Objektives gedehnt dargestellt. Mittels der Spline-Funktion werden dabei die 6 Entfernungsbereiche und die für die jeweiligen Entfernungsbereiche gültigen Teilbereiche des asphärischen Abbildungselementes so beschrieben, daß die benachbarten Polynomfunktionen in den jeweiligen Übergangspunkten der Detektionsbereiche den gleichen Wert und dieselben Ableitungen haben, wodurch die verwendete Funktion kontinuierlich und bruchfrei wird. Durch die Verwendung eines derartigen Abbildungselementes wird vorteilhaft erreicht, daß einfache Objektive mit einem gewöhnlichen Sichtwinkel für die bei der Weiterbildung der Erfindung benötigte weitwinklige lineare Abbildungscharakteristik eingesetzt werden können. Durch den Einsatz von Spline- Funktionen kann erreicht werden, daß Licht, welches von weiter entfernten Bereichen zurückgestreut wird, gezielt vorverzerrt wird, bevor es durch das Objektiv durchtritt, so daß weiter entfernte Bereiche mit einer höheren Auflösung dargestellt werden können, als es normalerweise durch das verwendete Objektiv möglich wäre. Auf diese Art wird ein Abbildungssystem zur Verfügung gestellt, daß eine einfache ökonomische Lösung für die Herstellung von weitwinkligen, linearen optischen Systemen bietet.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen weiter erläutert.

Abbildung 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems . Abbildung 2 zeigt eine mögliche Anordnung einer eingesetzten Lichtquelle in Seitenansicht. Abbildung 3 zeigt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung eines Lichtstreifens rund um das Sensorsystem herum. Abbildung 4 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Erzeugung eines Lichtstreifens rund um das Sensorsystem herum. Abbildung 5 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Erzeugung eines Lichtstreifens rund um die Abbildungsvorrichtung herum. 7 Abbildung 6 zeigt einen möglichen Aufbau des Sensorsystems auf einem Fahrzeug, bzw. Roboter in Seitenansicht. Abbildung 7 zeigt eine Draufsicht auf das Sensorsystem und ein Fahrzeug.

Abbildung 8 zeigt ein Sensorsystem zur Verwendung mit einem eindimensionalen photoelektrischen Wandler. Abbildung 9 zeigt eine Ausführungsform mit zweidimensiona- len optischem Positionsdetektor.

Wie Abbildung 1 zeigt, besteht eine mögliche Ausführungsform eines beschriebenen Sensorsystems, welches einen Raumstreifen rundherum ausleuchtet aus 4 Lichtquellen 1. Bei der Anordnung dieser Lichtquellen zur Ausleuchtung eines Lichtstreifens ist insbesondere zu beachten, daß diese Lichtstreifen in einer Ebene liegen, die im wesentlichen planparallel zur Unterlage ist, auf der sich die autonome mobile Einheit, an der der Sensor angebracht ist, bewegt. Falls diese planparallele An- Ordnung nicht möglich ist, so wird die Triangulation erschwert, indem bei der Auswertung der reflektieren Lichtstrahlen zu beachten ist, daß diese die reflektierenden Objekte unter unterschiedlichen Winkellagen getroffen haben, so daß sich für die Triangulation zur Bestimmung der Entfernung der Objekte unterschiedlich Triangulationswinkel ergeben. Die Lichtquellen 1 erzeugen dabei Lichtstreifen 2, die den Raum ausleuchten. Das verwendete Abbildungselement 4 projiziert das von den Objekten 3 zurückgestreute Licht durch das Objektiv 6 auf den photelektrischen Wandler 7, der in dieser An- ordnung als zweidimensionaler CCD-Bilddetektor einer Kamera 5 ausgeführt ist. Der photoelektrische Wandler 7 befindet sich in Verbindung mit einer an eine beispielsweise in einem Rechner bestehenden Auswertungselektronik 8, die Teil des Sensorsystems zur Bestimmung von Objektpositionen ist. Die Auswer- tungselektronik 8 bestimmt die Position von Objekten 3, aufgrund des auf dem photoelektrischen Wandler 7 projizierten Bildes unter Anwendung des Prinzips der aktiven optischen 8 Triangulation, wobei insbesondere die Abbildungseigenschaften des Objektivs 6 und des Abbildungselementes 4 in Verbindung mit der Höhe der Ebene, in welcher der Lichtstreifen ausgestrahlt wird, Verwendung finden. Vorteilhaft wird das Sensor- System auf mobilen Fahrzeugen 12, wie z. B. einem mobilen Roboter eingesetzt. Dabei können die aktuellen Informationen über die Steuerung des Fahrzeuges 12, bzw. des Roboters von der Auswertungselektronik 8 bestimmt und infolge dieser Informationen kann der weitere Fahrweg der Einheit geplant wer- den. Diese Informationen geben z. B. die Positionen von Objekten 3 an, unter denen sich das Fahrzeug 12 hindurchbewegt, oder zwischen denen sich das Fahrzeug 12 hindurchbewegen muß.

Bei der in Abbildung 1 dargestellten Ausführungsform ist die optische Achse des Abbildungselementes 4 vorteilhaft senkrecht auf den Lichtstreifen 2 ausgerichtet, welche von den Lichtquellen 1 abgegeben werden. Bei dieser Ausführungsform ist das Abbildungselement 4 als solches optisches Element ausgeführt, das eine sphärische oder asphärische spiegelnde Oberfläche 9 aufweist, wobei die Außenseite der spiegelnden Oberfläche 9 für die Abbildung der reflektierten Lichtstrahlen im Abbildungssystem eingesetzt wird. Die von den Lichtquellen abgegebenen Lichtstreifen und von den Objekten 3 reflektierten Lichtstrahlen werden über das Abbildungselement 4 durch das Objektiv 3 auf den Lichtdetektor 7 geworfen, wie dies durch die mit Zahlen versehenen Strahlengänge schematisch dargestellt ist. Die Entfernung der auf dem Photodetektor 7 auftreffenden Lichtstrahlen ist dabei in Abhängigkeit der Abbildungseigenschaften des Objektivs und des Abbildung- selementes 4 kennzeichnend für die Entfernung der Objekte 3 vom Sensorsystem. Bei der in Abbildung 1 dargestellten Ausführungsform des Sensorsystems kann jeder beliebige zweidi- mensionale Bilddetektor 7 eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Fotodiodenmatrix anstatt eines zweidimensionalen CCD-Sensors als photoelektrischer Wandler 7 angewendet werden. 9 Abbildung zwei zeigt eine mögliche prinzipielle Ausführungs- form der angewandten Lichtquelle 1 in Seitenansicht. Die in Abbildung 2 dargestellte Lichtquelle 1 besteht dabei aus einem Zylinderspiegel 11, der zweckgemäß einen asphärischen Querschnitt besitzt und aus Lichtemittern 10 besteht, welche beispielsweise Leuchtdioden sein können. Diese Lichtemitter befinden sich in der Fokuslinie des Zylinderspiegels 11. Dabei sind die Lichtemitter 10 der Reihe nach nebeneinander in der Fokuslinie des asphärischen Zylinderspiegels 11 angeord- net, so daß die lichtemmittierenden Oberflächen der Lichtemitter 10 in Richtung des asphärischen Zylinderspiegels 11 zeigen. Das von den Lichtemittern 10 emmitierte Licht erreicht dabei zunächst den asphärischen Zylinderspiegel 11 und im Anschluß tritt es als Lichtstreif 2 durch den Spiegel pro- jiziert aus. Durch den Einsatz einer an die Lichtemitter 10 angepaßten asphärischen Spiegelgestalt kann erreicht werden, daß die Lichtquelle 1 einen parallelisierten Lichtstreif ausleuchtet. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, das Leuchtdioden (LED) eine preisgünstige, einfache und kleine Licht- quelle darstellen und das durch die gewählte Anordnung der

Leuchtdioden auf der Achse des Zylinderspiegels eine kostengünstige Lichtquelle zur Verfügung gestellt werden kann.

Wie Abbildung 3 zeigt besteht eine mögliche prinzipielle An- Ordnung zur Erzeugung eines Lichtstreifens 2 aus einem Teil eines Zylinderspiegels. Hierbei steht der Zylinderspiegel 11 zu den Lichtemittern 10 in einer sogenannten off-achsen Anordnung, weswegen nur ein Teil des zuvor in Abbildung 2 beschriebenen Zylinderspiegels 11 Verwendung findet. Die Lich- temitter 10 sind dabei vorteilhaft als LEDs ausgebildet und der Reihe nach auf der Fokuslinie des asphärischen Zylinderspiegels so angeordnet, daß ihre lichtemmittierenden Oberflächen in Richtung des asphärischen Zylinderspiegels 11 gerichtet sind. Mit einer derartigen Lichtquelle kann ebenfalls der für das Sensorsystem gültige prallelisierte Lichtstrahl erzeugt werden. Angedeutet ist dies durch den mit den Pfeilen versehenen Strahlenverlauf. 1 0

Wie Abbildung 4 zeigt, besteht eine andere mögliche Lösung zur Erzeugung eines rundum um die Abbildungsvorrichtung leuchtenden Lichtstreifens 2 darin, daß ein parallelisierter Lichtstrahl in Rotation versetzt wird. Der rotierende Lichtstrahl 2 wird dabei in der Weise erzeugt, daß sowohl der Lichtemitter 10, als auch die Kollimatoroptik 14 um eine Achse t herum in Drehung versetzt wird. Eine weitere derartige Ausführungsform kann beispielsweise darin bestehen, daß so- wohl der Lichtemitter 10 als auch die Kollimatoroptik 14 feststehen und der Lichtstahl 2 mit Hilfe eines rotierenden Spiegels rundum bewegt wird.

Abbildung 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform zur Erzeugung eines rundherum abgegebenen Lichtstreifens 2. Der Lichtstreifen 2 wird in dieser Ausführungsform durch einen Kegelspiegel 15 erzeugt. Dabei wird das vom Lichtemitter 10 abgegebene Licht zunächst durch eine Kollimatoroptik 14 par- allelisiert und im Anschluß durch einen Kegelspiegel 15 in den gewünschten Lichtstreifen 2 aufgefächert. Bei dieser Ausführungsform kann als Lichtemitter 10 beispielsweise eine Glühlampe, Halogenlampe, Bogenlampe oder Laser verwendet werden.

Abbildung 6 zeigt den möglichen Aufbau eines Sensorsystems an einer autonomen mobilen Einheit 12, die beispielsweise ein Serviceroboter sein kann. Abbildung 6 zeigt die Darstellung in Seitenansicht. Vorteilhaft können an mobilen Systemen mehrere übereinander angeordnete Lichtstreifen erzeugt werden, welche von mehreren übereinander liegenden Lichtquellen 1 abgegeben werden. Vorzugsweise werden die Lichtstreifen 2 zeitlich versetzt übereinander erzeugt und pulsiert ausgeleuchtet. Durch die Anordnung mehrerer Lichtquellen übereinander wird eine bessere Höhendifferenzierung der Hindernisse er- reicht. Um möglichst alle Hindernisse um das mobile Fahrzeug 12 herum detektieren und vermessen zu können, werden vorzugsweise 2 Abbildungselemente 4 mit den in zugehörigen Kameras 5 11 an zwei entgegengesetzten Ecken des mobilen Fahrzeuges 12 vorgesehen. Durch die Auswertungselektronik wird sichergestellt, daß bei der Triangulation von Hindernissen die entsprechende Höhenlage der aktuell eingeschalteten Lichtquelle zur Auswertung der Triangulationsergebnisse herangezogen wird.

Abbildung 7 zeigt die Draufsicht auf einen mit dem Sensorsystem versehenes mobiles Fahrzeug 12, z. B. einen Roboter mit dem Empfangsbereich des Detektionssystems 13. Wie Abbildung 7 weiter zeigt, sind die einzelnen Abbildungselemente 4 an jeweils 2 entgegengesetzten Ecken des mobilen Systems 12 angebracht. Fall zwei Abbildungselemente 4 in der Weise angeordnet sind, wie dies in Abbildung 7 dargestellt ist, so kann der Detektionsbereich 13 des optischen Sensorsystems auf die gesamte Umgebung des mobilen Systems 12 bzw. auf den gesamten Raum ausgedehnt werden, der das mobile System umgibt.

In Abbildung 8 ist eine mögliche Ausführungsform des photo- elektrischen Wandlers 7 in Form eines eindimensionalen photoelektrischen Wandlers 7 dargestellt. Von dem Abbildungselement 4 wird das Licht durch das Objektiv 6 auf den eindimensionalen Lichtdetektor projiziert, der in der Bildebene bewegt, bzw. vorteilhaft rotiert wird. Dieser photoelektrische Wandler 7 kann beispielsweise als eindimensionaler positionsempfindlicher Detektor, z. B. als CCD oder PSD ausgeführt sein. Dadurch, daß der eindimensionale Lichtdetektor in der Bildebene bewegt, bzw. vorteilhaft rotiert wird, detektiert er die Lichtintensitätsverteilung in der gesamten Bildebene, worauf das Abbildungselement 4 und das Objektiv 6 den um das mobile Fahrzeug 12 liegenden Raumbereich abbildet. Die Meßergebnisse die so erhalten werden, können vorzugsweise zwischengespeichert werden oder die Auswertung erfolgt synchron zur Drehzahl des photoelektrischen Sensors.

Abbildung 9 zeigt eine weitere mögliche Ausführung eines photoelektrischen Wandlers 7, der hier als zweidimensionaler po- 12 sitionsempfindlicher Detektor dargestellt ist. In dieser Ausfuhrungsform ist der photoelektrische Wandler 7 als zweidimensionaler positionsempfindlicher Detektor ausgeführt, der sich hinter dem Objektiv 6 in dessen Bildebene befindet. Zwi- sehen dem Ob ektiv 6 und dem photoelektrischen Wandler 7 befindet sich bei dieser Ausführungsform eine undurchlässige Scheibe 16, welche mit einem Spalt 17 versehen ist. Bei der Rotation dieser Scheibe wird immer der Bereich über dem positionsempfindlichen Detektor freigegeben, der aktuell vom Spalt 17 überstrichen wird. Beispielsweise laßt der Spalt 17 auf der lichtundurchlassigen Scheibe 16 nur das Licht von einem gut definierten Raumbereich beispielsweise mit dem Off- nungswinkel von 1° durch. Auf diese Weise kann ein Richtungsauflosungsvermogen mit beliebig kleinem Winkel erreicht wer- den. Die zu wahlende Spaltbreite ist davon abhangig, wieviel Licht zurückgestrahlt wird, bzw. mit welcher Empfindlichkeit der Detektor arbeitet und mit welcher Lichtstarke der Lichtstreifen von der Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Bei der Anwendung eines rotierenden parallelisierten Lichtstrahles als Lichtstreif 2, wie dies im Ausfuhrungsbeispiel von Abbildung 4 dargestellt ist, ist die Anwendung der Scheibe 16 nicht notig, weil die Richtungsauflosung durch die rotierende Lichtquelle schon gesichert ist. Alles in allem wird mit dem beschriebenen Sensorsystem der Vorteil erzielt, daß sein Emp- fangsbereich größer ist als bei bekannten Ausführungsformen und das die Abbildung gleichmäßiger ist, als bei anderen bekannten triangulierenden Sensorsystemen. Durch die weitwmke- lige Abbildung können die Positionen von Objekten, die vom Sensorsystem einen großen Abstand aufweisen, gemessen werden. Dabei stellt die spezielle Gestalt des Abbildungselementes 4 die gleichmäßige Auflösung der Entfernungsmessung im gesamten Detektionsbereich des Sensorsystems sicher, indem es quasi das mangelnde Auslosungsvermogen des Objektives 6 in der Entfernung des Sensorsystems korrigiert, weil es von dort re- flektierte Lichtstrahlen streut und so entferntere Objekte auseinanderzieht .

Claims

13 Patentansprüche

1. Optisches Sensorsystem zur Detektion der Position eines Objektes, mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Umgebung, einem photoelektrischen Wandler, der die Intensitätsverteilung des von Objekten zurückgestreuten Lichtes in elektrische Signale umwandelt und an ein Sensorsignalauswertesystem weitergibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem eine Lichtquelle (1) aufweist, wodurch ein oder mehrere Lichtstreifen in horizontaler Richtung in mehreren Raumrichtungen erzeugt werden, und das ein optisches Abbildungselement (4) aufweist, um das von Objekten (3) zurückgestreute Licht zu reflektieren und auf den photoelektrischen Wandler (7) zu projizieren, wobei das optische Abbildungselement (4) lediglich eine einzige spiegelnde Oberfläche (9) besitzt.

2. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, das im Strahlengang zwischen dem Abbildungselement (4) und dem photoelektrischen Wandler (7) ein Objektiv (6) aufweist.

3. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die optische Achse des Abbildungselementes (4) senk- recht zu dem beleuchteten Lichtstreifen (2) ist und das vier Lichtquellen (1) aufweist.

4. Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ein weitwinkeliges Abbildungselement (4) aufweist, das lediglich eine sphärische oder asphärische spiegelnde Oberfläche (9) aufweist.

5. Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden An- sprüche, 14

bei der das Abbildungselement (4) mindesten eine durch zwei Spline-Funktionen beschreibbare asphärische spiegelnde Oberfläche (9) aufweist.

6. Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das mindestens 2 übereinanderliegende Lichtquellen (1) aufweist, um zwei übereinanderliegende Lichtstreifen (2) zu er- zeugen.

7. Optisches Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als photoelektrischen Wandler (7) einen eindimensionalen positionsempfindlichen Lichtdetektor aufweist, der bewegt wird.

8. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1-6, das als photoelektrischen Wandler (7) einen zweidimensionalen positionsempfindlichen Detektor aufweist, wobei im Strahlengang zwischen dem Abbildungselement (4) und dem photoelektrischen Wandler (7) ein räumlicher Lichtmodulator angebracht ist.

9. Optisches Sensorssystem nach Anspruch 8, bei dem als räumlicher Lichtmodulator eine rotierende mit einem Spalt versehene Scheibe (16) , oder ein Flüssigkristallmo- dulator vorgesehen ist.

10. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem der photoelektrische Wandler (7) als zweidimensionaler Bilddetektormatrix ausgeführt ist.

11. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1-5, Bei dem die Lichtquelle (1) als rotierende Lichtquelle ausgeführt ist. 15

12. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem die Lichtquelle (1) aus lichtemmittierenden Elementen (10) aufgebaut ist und aus einer zylindrischen spiegelnden Oberfläche (11) mit einem asphärischen Querschnitt besteht, wobei die lichtemmittierenden Elemente (10) als Leuchtdioden in der Fokuslinie der zylindrischen Spiegelfläche (11) so plaziert sind, daß die lichtemmittierenden Flächen der Elemente (10) dem zylindrischen Spiegel (11) zugewandt sind.

13. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem die Lichtquelle (1) zur Erzeugung des Lichtstreifens

(2) aus einem bekannten lichtemmittierenden Element, wie einer Glühlampe, einer Halogenlampe, einer Lichtbogenlampe oder einem Laser, aus einer Kollimatoroptik (14) und aus einem Kegelspiegel (15) aufgebaut ist.

14. Autonome mobile Einheit mit einem Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13