DE60204659T2

DE60204659T2 - Verfahren und vorrichtung zur hinderniserkennung und abstandmessung mittels infrarot

Info

Publication number: DE60204659T2
Application number: DE60204659T
Authority: DE
Inventors: Erwan Lavarec; Laurent Tremel
Original assignee: Wany SA
Current assignee: Wany SA
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2022-01-26
Also published as: IL157092A0; BR0206753A; CN1489702A; WO2002059646A1; CA2435325A1; EP1354220B1; ATE298094T1; EP1354220A1; US20040088079A1; KR20030090628A; DE60204659D1; HK1055468A1; JP2004522147A; FR2820216B1; FR2820216A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Abstandes zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion des zweiten Objektes, das ein Hindernis sein kann, das sich in einer unbekannten Richtung in der Umgebung des ersten Objektes befinden kann, wobei das erste Objekt insbesondere ein Roboter sein kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Detektion von Hindernissen und zur Messung des Abstandes zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Hindernissen und zur berührungslosen Messung des Abstandes, bei dem ein Infrarotsender und ein Infrarotempfänger verwendet werden.
Es sind verschiedene Systeme zur berührungslosen Messung des Abstandes bekannt. Man unterscheidet sie nach der Art der verwendeten Strahlen (Laser, Infrarot oder Ultraschall) oder auch nach der Art der Messtechnik (Interferenz, Messung der Laufzeit, Unterbrechung der Strahlen, Triangulationsmessung). Die wichtigsten eingesetzten Systeme sind folgende:

– Infrarotlaserstrahl-Abstandsmesser umfassen eine Quelle, die einen Infrarotlaserstrahl aussendet, auf der die reflektierten Strahlen überlagert werden. Aus der Summe beider Signale ergeben sich Interferenzen, die von der Länge des Strahlungswegs abhängig sind. Diese Art der Messung liefert eine extrem präzise Abstandsmessung und zielt exakt auf einen Messpunkt. Jedoch erfordert das System eine komplexe Technologie mit erheblichen Kosten. Außerdem ist ein optisches System erforderlich, das zerbrechlich sein kann.
– Ultraschall-Abstandsmesser bestehen in der Ausgabe eines Tons im Ultraschallbereich und der Messung der Zeit, die dieser Ton braucht, um zum Sender zurückzukommen. Aufgrund der niedrigen Schallgeschwindigkeit in der Luft ist es leicht, die Laufzeit des Signals präzise zu messen. Bei Begegnung mit einem Hindernis wird das ausgesandte Ultraschallbündel nämlich reflektiert; in Abhängigkeit des Ausbreitungsmediums kann anhand der Zeit, die der Detektor braucht, um das Echo der Ultraschallwelle zu empfangen, der Abstand bestimmt werden, in welchem dieser sich befindet. Die Dämpfung von Ultraschall in der Luft ist stark und umso stärker, je größer der zurückgelegte Abstand ist. Daher wird diese Technik insbesondere in viel schwächer dämpfenden Gewässern oder flüssigen Medien zur Darstellung des Meeresgrunds (Echolot) eingesetzt oder auch in der medizinischen Bildverarbeitung (Echographie). Weiterhin ist dieses Ultraschallverfahren gering ausrichtbar. Es hängt in der Tat stark vom Medium ab und kann durch Ströme (Luft oder Wasser) gestört werden. Andererseits kann es auf glatten Oberflächen falsche Informationen liefern, da es eine Totalreflexion der Welle in eine einzige Richtung gibt (Spiegeleffekt). Diesen Typ Sensor gibt es beim Hersteller MURATA^® unter der Referenz MA40.

Bekannt sind auch Verfahren sowie Sensor- und Abstandsmesseinrichtungen auf Infrarotstrahlungsbasis. Unter den verschiedenen Techniken mit Infrarotstrahlung unterscheidet man zwischen verschiedenen Arten von Verfahren:

• eine erste Art beruht auf dem klassischen Prinzip der Triangulation und wird sehr häufig in kommerziellen Sensoren genutzt
• eine zweite Art basiert auf der Messung einer Phasenverschiebung zwischen ausgesendeten Signalen und empfangenen Signalen und
• eine letzte Art betrifft die Messung der Laufzeit einer Infrarotlaserstrahlung; obgleich dieses letzte System sehr präzise ist, so ist es doch auch sehr komplex und teuer.

Ein Abstandsmesssystem, in dem die Infrarot-Triangulation zum Einsatz kommt, wird insbesondere vom Unternehmen LYNXMOTION unter dem Namen IRPD^® (Infrared Proximity Detector) vermarktet. Es besteht hauptsächlich aus zwei Elektrolumineszenzdioden, die infrarote Strahlen aussenden und einem Infrarotempfänger (GP1U58Y) und einem Mikrosteuergerät zur sukzessiven Spannungsversorgung der beiden Elektrolumineszenzdioden und Reflexionsüberwachung. Die Erfassung ist asynchron; die beiden Dioden funktionieren abwechselnd. Die beiden Elektrolumineszenzdioden werden von einem regulierbaren Oszillator moduliert. Die Empfindlichkeit des Sensors wird durch die dem Oszillator vorgegebene Frequenz kontrolliert: der Empfänger enthält nämlich Filter, die ihn für eine bei 38 KHz modulierte Infrarotwelle sensibel machen, so dass der durch das Umfeld verursachte Störeffekt, wie z.B. Tageslicht, minimiert werden kann. Der Hauptnachteil dieses Systems besteht in dessen schwachen Reichweite. Es kann nämlich ein Hindernis nur erkennen, wenn es sich in einem Abstand von zwischen 15 und 30 cm befindet.
Andere DIRRS^® (Distance Infra-red Ranging System vermarktet vom Unternehmen HVW Technologies) und IRODS^® (Infra-red Object Detection System ebenso vermarktet vom Unternehmen HVW Technologies) genannte Systeme, die zu den leistungsstärksten zählen, nutzen ein synchrones Triangulationsprinzip. Das System wird dank des Einsatzes eines PSD-Empfängers (Position Sensitive Detector) und einer optischen Linse möglich, die das reflektierte IR-Signal fokussiert. PSD ist ein System, das seinen Ausgangssignalpegel je nach Position, wo die Strahlen es treffen, ändern kann. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Vorrichtungen besteht einzig im Pegel ihres Ausgangssignals, da das eine analog (IRODS) und das andere digital (DIRRS) ist. Diese Detektoren geben nicht nur das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Objekts vor dem Sensor an, sondern können auch den Abstand angeben, in dem sich ein potentielles Objekt befindet: entweder durch Spannung (IRODS) oder durch eine 8-Bit-codierte Zahl (DIRRS). Nur Abstände zwischen 10 und 80 cm können mit ihnen verlässlich gemessen werden. Diese beiden Systeme funktionieren mithilfe von SHARP GP2DO2^®-Empfängern für DIRRS^® und SHARP GP2DO5^®-Empfängern für den Sensor IRODS^®.
Andere Systeme basieren auf der Phasenverschiebung der Signale. Diese Vorrichtungen gestatten eine Näherungsdetektion. Sie bestehen aus mehreren Elektrolumineszenzdioden, die oben auf kleinen Infrarot-Empfängern befestigt sind und z.B. um einen Roboter angebracht sind. Wenn eine der Elektrolumineszenzdioden eine Infrarotstrahlung aussendet, die von einem etwaigen, sich gegenüber befindenden Objekt reflektiert wird, wird die Stärke der reflektierten Infrarotstrahlung vom Empfänger detektiert und durch eine proportionale analoge Spannung ausgedrückt. Man bestimmt den Abstand, der das Objekt vom Empfänger trennt, durch Messung der Phasenverschiebung zwischen den ausgesandten und empfangenen Signalen. Die eingesetzten Empfänger sind im allgemeinen SHARP^® Detektoren (GP1U52X oder GPU58X)^®, die auf Wellenfrequenzlängen in der Größenordnung von 38 KHz empfindlich sind.
Die wichtigsten Unterschiede dieser verschiedenen Systeme liegen einerseits in der Anordnung der Sendedioden um den Roboter herum und anderseits in der Berücksichtigung der möglichen Interferenzen zwischen den ausgesendeten Strahlungen. In der Tat kann ein Empfänger den reflektierten Strahl aus einem anderen, mit dem Empfänger nicht verbundenen Sender detektieren. Die Ermittlung der Richtung und des Abstands des Objekts sind dann verfälscht.
Bei den Vorrichtungen, die auf der Methode der Phasenverschiebung von Signalen beruhen, beinträchtigen die Interferenzen die Abstandsmessung, während bei der Triangulationsmessung die Interferenzen zur Messgenauigkeit beitragen.
Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen ist die Versorgungsschaltung der Dioden derart ausgelegt, dass nur jeweils ein Sensor gespeist wird, oder der Sensor (Sender-Empfänger-Einheit) ist auf einem Motor befestigt, der sich um eine Achse dreht, um auf diese Weise eine Vielfalt von Richtungen abzutasten.
Das Dokument DE 4102 152 beschreibt eine optoelektronische Messvorrichtung. Die gesendete Leistung wird geregelt, um das empfangene Signal oberhalb einer Detektionsschwelle zu halten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zur Messung des Abstands oder zur Detekion von Objekten, das sich in einen kleinen Haushaltsroboter einfach integrieren lässt sowie leicht und platzsparend genug für kleine Roboter ist und deren Mobilität nicht beeinträchtigt.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines Systems zur Detektion und Messung des Abstands, das bei optimaler Leistung möglichst preiswert ist, sowie eines Systems, dessen Detektionsbereich in einer Größenordnung zwischen 0 und über 10 m liegen kann, bei einer Auflösung im Zentimeterbereich.
Ein weiteres Ziel ist die Realisierung einer Vorrichtung zur Detektion und Messung, deren Ausgänge digital sind und an eine parallele Schnittstelle angeschlossen und durch einen Prozessor zur Steuerung eines Roboters gesteuert werden können.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion und Messung eines Abstandes zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) den Schritt des Aussendens von Infrarotstrahlung durch einen Sender, der am ersten Objekt angebracht ist und dem ein elektrisches Sendesignal zugeführt wird, und
b) den Schritt der Detektion der Rückkehr der Infrarotstrahlung zu einem Empfänger, nachdem die Infrarotstrahlung vom zweiten Objekt reflektiert wurde, wobei der Empfänger am ersten Objekt nahe dem Sender angebracht ist und ein elektrisches Empfangssignal erzeugt,

– den Schritt des stetigen Veränderns der Leistung der vom Sender ausgesendeten Infrarotstrahlung durch Steuern des elektrischen Sendesignals, bis die Leistung der gesendeten Infrarotstrahlung eine derartige Detektionsleistung (PS) erreicht, dass bei dieser Detektionsleistung (PS) die Infrarotstrahlung nach Reflexion am zweiten Objekt durch den Empfänger detektiert wird,
– den Schritt des Berechnens des Abstandes (D) zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt anhand des Wertes der Detektionsleistung (PS), indem insbesondere durch Eichung eine Korrelation zwischen dem Abstand (D) und der Detektionsleistung hergestellt wird.

Die Anwendung dieses Verfahrens erfolgt im Allgemeinen im Medium Luft, zur Detektion von Festkörper-Objekten. Das Verfahren eignet sich jedoch für alle Medien, die für Infrarotstrahlen durchlässig sind. Das verwendete physikalische Prinzip besteht in der Aussendung eines leistungsmodulierten Infrarotsignals und in der Messung der empfangenen reflektierten Energie. Da die empfangene Energie mit der zurückgelegten Entfernung abnimmt, wird die Leistung der durch die Quelle ausgesendeten Welle so erhöht, dass ein Echo erhalten wird, das durch den Empfänger detektierbar ist. Das Originelle dieses Prinzips besteht u.a. in der Ausnutzung der Tatsache, dass der Empfänger die reflektierte Welle nicht detektiert, wenn die Leistung der ausgesendeten Welle (die i.d.R. mit der Amplitude eines Steuersignals des Senders zusammenhängt) unter Berücksichtigung der bis zu dem Hindernis zurückzulegenden Entfernung ungenügend ist. Die Entfernung wird also durch Detektion der Rückkehr des durch ein Hindernis ausgesendeten Echosignals gemessen, wobei der Sender Strahlen aussendet, deren Leistung stetig steigt, bis der Empfänger ein Signal detektiert. Sollte das System nach Erreichen der vollen Sendeleistung nichts detektiert haben, bedeutet dies, dass keine Hindernisse in der abgetasteten Richtung in einer als maßgeblich vorgegebenen Entfernung vorhanden sind. Empfängt jedoch und detektiert der Empfänger ein Echo, ist vorzugsweise zu überprüfen, ob es sich wirklich um das Echo des ausgesendeten Signals handelt.
Unter "Empfänger" wird hier eine Vorrichtung bezeichnet, die ein elektrisches Signal sendet, wenn sie eine Infrarotstrahlung von genügender Intensität erkennt. Im Allgemeinen bestehen diese Infrarotempfänger aus Phototransistoren oder Photodioden und arbeiten nach dem Prinzip der Umwandlung von Infrarotstrahlung in eine elektrische Spannung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens

a) wird eine Infrarotstrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge ausgesendet, vorzugsweise 850 nm bis 950 nm, mithilfe eines Senders, der eine Elektrolumineszenzdiode umfasst (bzw. aus einer Elektrolumineszenzdiode besteht), und
b) wird ein Empfänger verwendet, der einen Phototransistor oder eine Photodiode umfasst (bzw. aus einem Phototransistor oder einer Photodiode besteht), der/die die bestimmte Infrarotwellenlänge detektiert.

Zur Unterscheidung des Senders von anderen Quellen, die auf derselben Wellenlänge senden, wird vorzugsweise ein Empfänger verwendet, der eine bestimmte Infrarotwelle detektiert, die durch einen gepulsten Sendemodus mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz (als "Trägerfrequenz" bezeichnet) ausgesendet wird, wobei der gepulste Sendemodus der ausgesendeten Infrarotwelle durch eine intermittierende elektrische Versorgung gemäß einem "Rechtecksignal" erzeugt wird.
In der Tat findet man normalerweise im Handel spezielle Empfänger für eine mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz gesendeten Welle. Diese Empfänger sind gekennzeichnet durch die doppelte Spezifikation einerseits der Wellenlänge der Infrarotwelle und andererseits der Trägerfrequenz des elektrischen Versorgungsstromes, wobei die Trägerfrequenz üblicherweise zwischen 30 und 60 kHz, insbesondere 38 kHz, liegt. Tatsächlich vermeidet man den Einsatz eines Empfängers, der spezifiziert ist für die Frequenz des Stromnetzes, d.h. 50–60 Hz.
Zur Erzeugung der elektrischen Versorgung des Senders gemäß einem Rechtecksignal wird der Sender i.d.R. mit einem Transistor gekoppelt.
Insbesondere werden nach einer vorteilhaften Ausführungsform folgende Schritte realisiert:

a) die Infrarotstrahlung wird nach einem Modus ausgesendet, der eine vorgegebene Pulsfrequenz aufweist
b) die reflektierte und durch den Empfänger empfangene Welle wird nur detektiert, wenn sie die gleiche Pulsfrequenz aufweist.

Die Versorgung der Sendediode nach einem gepulsten Modus ermöglicht eine beträchtliche Steigerung deren Reichweite. In dem Maße, wie die Welle während einer geringen Zeit gesendet wird, kann die Leistung der gesendeten Welle nämlich steigen. In der Tat können Infrarotdioden nur für kurze Dauer stark senden und tolerieren eine kurze Überlastung. Auf diese Weise können Objekte detektiert werden, die einen großen Abstand zu dem Sensor aufweisen.
Außerdem wird durch die Aussendung von Infrarotstrahlen nach einem gepulsten Modus eine Saturierung der Umgebung mit Infrarotstrahlen vermieden, was anderen Systemen die Durchführung von Messungen ohne Interferenzen ermöglicht.
Um die spezifischen Eigenschaften der Vorrichtung zu erhöhen, insbesondere im Falle von anderen Vorrichtungen desselben Typs, die als Näherungsvorrichtungen mit Sendern arbeiten, die Wellen auf dieselbe Trägerfrequenz aussenden, wurde eine digitale Kennung (bzw. Codierung) bei dem elektrischen Versorgungssignal des Senders eingeführt, derart, dass die durch einen Sender ausgesendete Infrarotstrahlung eine für den Sender charakteristische Kennung umfasst. Diese digitale Kennung mit einer vorgegebenen Anzahl von Bits, insbesondere mindestens 4 Bits, kann der Pulsfrequenz überlagert bzw. zugeordnet werden.
Empfängt der Empfänger ein Signal mit derselben Kennung wie das ausgesendete Signal, bedeutet dies, dass ein Hindernis detektiert wurde. Der Abstand Sensor/Hindernis ergibt sich dann aus der Sendeleistung und ggf. aus der Empfindlichkeit, die zur Detektion des Signals benötigt wurde. Hat das detektierte Signal eine andere Kennung, dann stammt das empfangene Signal aus einer fremden Quelle und es wird angenommen, dass kein Hindernis detektiert wurde.
So ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ausgelegt:

– der Sender und der Empfänger umfassen Transistoren oder sind mit Transistoren gekoppelt, so dass ein aus Einsen („1") und Nullen („0") bestehendes elektrisches Logiksignal geliefert wird, je nachdem, ob eine Welle durch den Sender gesendet wird oder nicht bzw. ob eine Welle durch den Empfänger detektiert wird oder nicht.
– der Pulsmodus der ausgesendeten gepulsten Infrarotwelle wird durch eine elektrische Versorgung des Senders nach einem elektrischen Rechecksignal erzeugt, insbesondere mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz oder Trägerfrequenz von 38 kHz, wobei das bei dem Sender gelieferte elektrische Signal die digitale Kennung umfasst, und
– es wird überprüft, ob das durch den Empfänger gelieferte elektrische Signal die gleiche digitale Kennung wie das elektrische Versorgungssignal des Senders aufweist, wobei die dem Sender zugeführten elektrischen Signale mit denen verglichen werden, die durch den Empfänger fast gleichzeitig geliefert werden.

So erzeugt eine elektronische Schaltung, die mit dem/den Sender/n und dem/den Empfänger/n verbunden ist, die Aussendung eines Infrarotsignals und versucht gleichzeitig, es zu detektieren.
Da die maximalen Entfernungen, die man versucht, zu messen, eine Größenordnung von 10 m aufweisen, besteht ein weiterer innovativer, vorteilhafter Gedanke der vorliegenden Erfindung in der Ausnutzung der Tatsache, dass bei solchen Entfernungen die Laufzeit der Infrarotwelle vernachlässigbar ist (auf 10 m beträgt die Laufzeit der Welle hin und zurück 66 ns).
Nach einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ausgelegt:

a) es werden Strahlungen von variabler Leistung ausgesendet, die 2ⁿ unterschiedliche Werte für die Strahlungsleistung umfassen, ausgehend von n Widerständen mit unterschiedlichen Werten, die über Feldeffekttransistoren angesteuert werden, um dem Sender einen Strom mit ansteigender Stärke zuzuführen, der 2ⁿ unterschiedliche ansteigende Werte annehmen kann, die durch Logiksteuerungen der Transistoren eingestellt werden, so dass sich die Zunahme der gesendeten Leistung aus der Ansteuerung der Transistoren über ein digitales Signal mit n Bits ergibt, wobei die n Bits den n Logiksteuerungen der n Transistoren entsprechen, und
b) es wird der Abstand D zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt zwischen 2ⁿ Abstandswerten, die durch Eichung vorbestimmt sind, in Abhängigkeit des Digitalsignals (gespeichert in einem Speicher des Messsystems), entsprechend der Detektionsleistung, ermittelt.

Es werden insbesondere eine Sendediode, die eine max. vorgegebene Strahlungsleistung P1 senden kann, und eine Empfängerdiode, die eine min. vorgegebene Strahlungsleistung P2 empfangen kann, verwendet, wobei die Werte von P1 und P2 die Messung von Entfernungen von 0,5 m bis 5 m, vorzugsweise 0,1 m bis 10 m, erlauben, wobei insbesondere P1 im Bereich 250–500 mW/Sr und P2 im Bereich 0,1–10 mW/Sr (Milliwatt/Steradiant) liegt.
Insbesondere können folgende Sender und Empfänger verwendet werden – Sender:

* Sendedauer 100 μs mit einem Strom von 1A

– Empfänger
Vorzugsweise wird eine Anzahl von Pulsen mit steigender Leistung ausgesendet. In vorliegendem Fall wird eine Anzahl n von Widerständen mit unterschiedlichen Werten R_i mit i = 1 bis n verwendet, so dass die Messgenauigkeit, bestehend aus der Differenz zwischen den 2ⁿ möglichen aufeinander folgenden Entfernungen, mindestens 10 cm, vorzugsweise mindestens 1 cm, beträgt.
Die Anzahl n der Widerstände R_i bestimmt die Empfindlichkeit der Messung bezüglich des Hindernisses.
Nach einer Ausführungsform dient das Verfahren insbesondere dazu, die Lage eines oder mehrerer zweiter Objekte gegenüber einem Bezugssystem zu bestimmen, das mit dem ersten Objekt verbunden ist, wobei das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst:

– den Schritt des Aussendens von Infrarotstrahlungen, ausgehend vom ersten Objekt, in mehrere Richtungen, die entsprechend um das erste Objekt herum verteilt sind, vorzugsweise in mindestens vier Richtungen und sogar in mindestens acht Richtungen,

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Detektion und Messung des Abstandes zwischen einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt, wobei die Vorrichtung ferner folgende Merkmale umfasst:

– einen Sender für Infrarotstrahlung, der an dem ersten Objekt angebracht ist und dem ein elektrisches Sendesignal zugeführt wird,
– einen Empfänger, der die Rückkehr der Infrarotstrahlung detektiert, nachdem die Infrarotstrahlung vom zweiten Objekt reflektiert wurde,

– Steuermittel für das elektrische Signal, mit denen die Leistung der Infrarotstrahlung, die vom Sender ausgesendet wird, stetig verändert werden kann, indem das elektrische Sendesignal gesteuert wird, bis die Leistung der ausgesendeten Infrarotstrahlung eine derartige Detektionsleistung (PS) erreicht, dass bei dieser Detektionsleistung (PS) die Infrarotstrahlung nach Reflexion am zweiten Objekt durch den Empfänger detektiert wird,
– Mittel zum Berechnen des Abstandes (D) zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt anhand des Wertes der Detektionsleistung (PS), wobei Korrelationen zwischen dem Abstand (D) und der Detektionsleistung (PS) verwendet werden, die zuvor, insbesondere durch Eichung, ermittelt wurden.

Nach einer besonderen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung:

– einen eine Elektrolumineszenzdiode, die insbesondere bei einer bestimmten Infrarotwellenlänge sendet, umfassenden Sender
– einen einen Phototransistor oder eine Photodiode, der/die insbesondere die bestimmte Infrarotwellenlänge, vorzugsweise eine mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz gepulste Welle, detektiert, umfassenden Empfänger.

Nach bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung:

– umfassen die Steuermittel für das elektrische Signal, mit denen die Leistung der vom Sender ausgesendeten Infrarotstrahlung stetig verändert werden kann, einen ersten Prozessor, der das Sendesignal so steuert, dass die Infrarotstrahlung in einem spezifischen Modus mit einer Kennung ausgesendet wird;
– ist der erste Prozessor so programmiert, dass der spezifische Sendemodus des Senders ein gepulster Sendemodus ist, der eine vorgegebene Pulsfrequenz aufweist, welche die Kennung charakterisiert;
– ist der erste Prozessor, der das elektrische Sendesignal steuert, so programmiert, dass der spezifische Sendemodus des Senders ein gepulster Sendemodus mit einer digitalen Kennung ist;
– ist der erste Prozessor so programmiert, dass das elektrische Sendesignal ein Rechtecksignal ist und die digitale Kennung der Infrarotstrahlung in Form eines aus Einsen („1") und Nullen („0") bestehenden Logiksignals vorliegt, je nach dem, ob dem Sender das Rechtecksignal zugeführt wird oder nicht;
– zur Feststellung, ob eine reflektierte Infrarotstrahlung, die von einem Empfänger eines bestimmten Objektes empfangen wurde, von einem Sender stammt, der sich auf dem bestimmten Objekt befindet, umfasst der erste Prozessor Mittel zur Überprüfung der Kennung, derart, dass es möglich ist, zwischen der reflektierten Infrarotstrahlung, die vom Sender des bestimmten Objektes stammt, und den Infrarotstrahlungen, die direkt oder indirekt von anderen Objekten stammen, zu unterscheiden;
– wobei die Mittel zur Überprüfung der Kennung Mittel aufweisen zum Vergleichen des elektrischen Speisesignals des Senders des bestimmten Objektes mit dem elektrischen Signal, das vom Empfänger desselben bestimmten Objektes geliefert wird.
– wobei der erste Prozessor, insbesondere ein Mikrocontroller, und ein zweiter Prozessor bzw. externer Prozessor untereinander, mit dem Sender und mit dem Empfänger derart verbunden sind, dass,
– der erste Prozessor durch ein digitales Signal mit n Bits über Feldeffekttransistoren n Widerstände mit unterschiedlichen Werten steuert, die auf der elektrischen Versorgungsschaltung des Senders montiert sind, so dass die Leistung der vom Sender, insbesondere von einer Elektrolumineszenzdiode, ausgesendete Infrarotstrahlung zwei ansteigende Werte annehmen kann,
– der erste Prozessor, der mit dem Empfänger verbunden ist, überprüft, ob das elektrische Signal, das vom Empfänger geliefert wird, dieselbe Kennung, insbesondere die digitale Kennung, aufweist,
– der erste Prozessor an einen zweiten Prozessor ein Signal überträgt, das aus n Bits gebildet ist, die von den zwei möglichen Werten für die Detektionsleistung (PS) diejenige angeben, die ermittelt wurde,
– der zweite Prozessor den Abstand zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt durch Korrelation aufgrund einer Eichung der zwei möglichen Abstandswerten gegenüber den zwei Werten für die Detektionsleistung berechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können bei allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Messung eines Abstandes erforderlich ist, wie zum Beispiel:

– Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen als Fahrsicherheitseinrichtung,
– Füllstandsmessung eines Behälters,
– Zählung von Gegenständen auf einer Fertigungsstraße.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines zweiten Objektes, das sich in der Umgebung des ersten Objektes in einer unbekannten Richtung befinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messungen durch mehrere Sensoren durchgeführt werden, wobei jedes Sensor eine Sender-Empfänger- Einheit umfasst und Sender und Empfänger eine feste Position zueinander aufweisen, nach dem oben definierten, erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung des Abstandes, wobei die Sender derart ausgelegt sind, dass die Infrarotstrahlungen in mehrere Richtungen, die entsprechend um das erste Objekt herum verteilt sind, vorzugsweise in mindestens vier Richtungen bzw. sogar in mindestens acht Richtungen ausgesendet werden, wobei die jeder Richtung zugeordneten Infrarotstrahlungen als Kegel ausgesendet werden, deren Spitzen sich mit dem Sender decken und deren Kegelwinkel im Bereich von 5 bis 90° liegen, so dass die zweiten Objekte, die sich in der Umgebung des ersten Objektes befinden, detektiert werden und ihre Lage gegenüber einem Bezugssystem, das mit dem ersten Objekt verbunden ist, berechnet werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Detektion von Hindernissen und Messung des Abstandes, wobei die Vorrichtung mehrere Sender-Empfänger-Einheiten umfasst, die an dem ersten Objekt angebracht und wie oben beschrieben angeordnet sind, und die Sender-Empfänger-Einheiten mit dem ersten Prozessor und dem zweiten Prozessor verbunden sind.
Nach einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung einen mobilen Roboter, der Hindernisse detektiert und ihnen ausweicht, wobei der mobile Roboter Mittel zur Fortbewegung umfasst, die durch ein Steuerorgan gesteuert werden, das eine Vorrichtung zur Detektion und Messung des Abstands wie unten definiert umfasst, derart, dass:

– wenn sich ein oder mehrere Hindernisse in der Umgebung des mobilen Roboters befinden,
– wenn der mobile Roboter sich in einer Richtung fortbewegt, die mit der Richtung übereinstimmt, in der sich das Hindernis befindet,
– wenn der zwischen dem mobilen Roboter und dem Hindernis gemessene Abstand, insbesondere abhängig von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des mobilen Roboters, kleiner als ein vorbestimmter Wert ist,

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion und zur Vermeidung eines Hindernisses durch ein mobiles Gerät, insbesondere einen Roboter, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Messverfahren gemäß vorliegender Erfindung laut obiger Definition umfasst, wobei

– das mobile Gerät dem ersten Objekt (1) entspricht,
– das Hindernis dem zweiten Objekt (2) entspricht, und
– eine Bahnänderung des mobilen Gerätes, insbesondere eines Roboters, programmiert wird, wenn der zwischen dem mobilen Gerät und dem Hindernis gemessene Abstand, insbesondere abhängig von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des mobilen Gerätes, kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein mobiles Gerät, insbesondere einen Roboter, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Hindernissen und Messung des Abstandes ausgestattet ist.
Sonstige Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung sind aus den folgenden detaillierten Ausführungsbeispielen ersichtlich.
1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen mobilen Roboters, der mit acht Infrarotsensoren zur Hindernisdetektion ausgerüstet ist.
2 ist ein Teil eines Steuerungsdiagramms, das die entsprechend acht „zerhackter" Stufen erfolgende Erhöhung der Intensität veranschaulicht, die gemäß der Erfindung einer Sendediode zugeführt wird; dieses Steuerungsdiagramm kann einer Periode der periodischen Schwankung dieser Intensität (im Falle eines mit 3 Bits codierten Steuersignals) oder einem Teil dieser Periode (zum Beispiel einer halben Periode) entsprechen.
3 ist ein Schaltbild, in dem der Aufbau einer elektronischen Schaltung (Bezugszeichen 3, 1) zur Kontrolle, Steuerung und Verarbeitung der zwischen den Infrarotsendern und -empfängern ausgetauschten Signale genau angegeben wird.
1 stellt ein Schema der Anlage mit acht auf einem mobilen Gerät wie einem Roboter 1 angebrachten Sensoren dar, die in acht Richtungen des Raums verteilt sind, und das die Kegel 13 der ausgesendeten Strahlen und die Rückkehr der an den Hindernissen 2 zum Empfänger 5 reflektierten Strahlen 14 zeigt.
2 stellt 8 (von 16) Stromstärkestufen in der Sendediode und somit 8 (von 16) Stufen der von einer Sendediode ausgesendeten Leistung dar, die einer digitalen Kennung mit dem Wert „1110111101" entspricht, wobei die Welle im gepulsten Modus mit 38 kHz ausgesendet wird.
3 stellt einen elektronischen Schaltplan dar, auf dem die acht mit einem Mikrocontroller 8 verbundenen Sendedioden 4 (D1 bis D8), die acht Empfänger 5 (U5 bis U12) und ein externer Prozessor 9 (U13) dargestellt sind. Die Kommunikation zwischen den Prozessoren 8 und 9 erfolgt mittels eines so genannten Flip-Flop-Registers 11 (U3) mit Ausgang mit offenem Kollektor.
Man hat ein System zur Messung von Abständen realisiert, das acht Sensoren (Cp₀ bis Cp₇) umfasst und somit aus einer Einheit von acht Sender-Empfängern 4, 5 besteht, wobei jeder dieser Sensoren an einem Roboter 1 angebracht ist. Jeder Empfänger 5 ist über dem entsprechenden Sender 4 angebracht. Die Sender 4 sind so angeordnet, dass sie Infrarotstrahlen in 8 gleichmäßig im Raum um das erste Objekt verteilte Richtungen aussenden; jeder Sender sendet einen Strahl in eine Raumrichtung aus, die einen Kegel 13 begrenzt, dessen Spitze sich mit dem Sender deckt und dessen Kegelwinkel 20° beträgt.
Dieses System dient der Detektion und der Vermeidung von Hindernissen durch den Roboter 1, der das erste Objekt bildet. In Abhängigkeit von der Detektion und der Messung des Abstandes zu einem Hindernis steuert man im Allgemeinen eine Änderung der Bahn des Roboters, wenn der gemessene Abstand unter einem gegebenen Wert liegt.
Jeder Sender 4 (D1 bis D8) besteht aus einer Infrarot-Elektrolumineszenzdiode der Handelsmarke SIEMENS^® LD274; jeder Empfänger 5 (U5 bis U12) ist ein Phototransistor der Handelsmarke TEMIC^® TSOP 1838^® mit hoher Verstärkung. Die Kennwerte der Sendediode LD274 sind folgende: Sendewinkel θ = 20°, Strom I = 100 mA, Wellenlänge λ = 950 nm, Irradianz W = 0,3 mW/Sr, Trägerfrequenz f = 38 kHz.
Jeder Sendediode wird gleichzeitig der gleiche elektrische Strom zugeführt, der dieselbe Infrarotstrahlung erzeugt.
Ein Mikrocontroller 8 (U1) und ein externer Prozessor 9 (U13) sind über das Register (U13) 11 miteinander verbunden. Die Schnittstelle zwischen dem Mikrocontroller 8 und dem externen Prozessor (9) wird mit einem Register 10 (U4) synchronisiert. Schließlich steuert der Mikrocontroller 8 die acht Sender 4 direkt und wertet die von den acht Empfängern 5 über das Register (U12) gelieferten Informationen aus.
Die Angaben zu den verwendeten Komponenten sind folgende:

* OK = offener Kollektor

Die Sendesteuerung der Infrarotdioden erfolgt nach einem gepulsten Modus durch den Mikrocontroller 8, der ein Rechtecksignal mit einer Trägerfrequenz von 38 kHz liefert, das in der Amplitude verändert wird, um einerseits die jedem Sender zugeordnete digitale Kennung festzulegen und andererseits Sendehöhe der Dioden zu steuern; die Sendehöhe der Dioden, die der Höhe der Stufen (2) entspricht, ist in Abhängigkeit vom Zustand der Transistoren Q1 bis Q4 unterschiedlich; für jede Stufe umfasst das Speisesignal der Dioden eine digitale Kennung, die hier mit 10 Bits formatiert und gleich „1110111101" ist, wie es schematisch in 2 dargestellt wird: jedem Bit mit dem Wert „1" entspricht ein Strang von neun Impulsen der Trägerfrequenz, dessen Gesamtlänge in diesem Beispiel gleich etwa 237 Mikrosekunden ist; jedem Bit mit dem Wert „0" entspricht eine Abschaltung der Diodenspeisung mit derselben Dauer.
Die schematische Darstellung der digitalen Kennung in 2 zeigt, dass man, wenn man jede Stufe in zehn Zeiteinheiten unterteilt, die elektrische Stromzufuhr (mit einer Frequenz von 38 kHz gepulst) in der vierten und der neunten Zeiteinheit unterbricht.
Die Überprüfung der digitalen Kennung 6 erfolgt durch den Mikrocontroller 8, der über das Register 12 die zum Sender 4 gesandten elektrischen Signale mit den Signalen vergleicht, die fast gleichzeitig vom entsprechenden Empfänger 5 geliefert werden.
Jeder Empfänger 5 umfasst einen (nicht dargestellten) Transistor und liefert ein Logiksignal 1 oder 5, je nach dem, ob eine gepulste Welle mit der genannten Trägerfrequenz vom Empfänger 5 detektiert wird oder nicht, das heißt, je nachdem, ob eine Welle vom Sender ausgesendet und dann von einem Hindernis reflektiert wird oder nicht.
Jeder Sender 4 ist, wie nachstehend ausgeführt, mit einem Transistor 7₂ verbunden und wird mit einem Logiksignal 1 oder 0 gesteuert, so dass eine gepulste Infrarotstrahlung entsprechend einer gepulsten Welle mit der genannten Trägerfrequenz ausgesendet wird oder nicht.
Die Schaltung 7₁ , 7₂ , die vier parallele Zweige umfasst und in die gemeinsame Versorgungsleitung zu den acht Sendedioden eingesetzt ist, ermöglicht die Erzeugung von 16 Stromstärkepegeln (oder -stufen) in den acht Sendedioden 4 (D1 bis D8); jeder Zweig umfasst einen Widerstand (R1 bis R14), der mit einem Feldeffekttransistor (Q1 bis Q4) in Reihe geschaltet ist.
Mit einer solchen Schaltung wird bewirkt, dass jede Diode eine Strahlung von unterschiedlicher Leistung mit sechzehn (2⁴) unterschiedlichen Strahlungsleistungswerten (oder -stufen) ausgehend von vier Widerständen 7₁ mit unterschiedlichen Werten (R1 bis R4) aussendet, die von den Transistoren 7₂ (Q1 bis Q4) angesteuert werden, die es ermöglichen, einen Strom mit ansteigender Stärke zuzuführen, der sechzehn unterschiedliche, in Abhängigkeit von den Logiksteuerungen der Transistoren (COM0 bis COM3) ansteigende Werte umfasst. Jeder der Werte der gesendeten Leistung entspricht einem digitalen 4-Bit-Signal, wobei die 4 Bits den vier Logiksteuerungen der vier Widerstände entsprechen. Durch eine vorherige Eichung zwischen der entsprechenden Entfernung und jedem der sechzehn möglichen Detektionsleistungswerte, kann nun der externe Prozessor 9 den Abstand D zwischen dem Roboter und einem eventuellen Hindernis unter den sechzehn möglichen Entfernungswerten für die Steuerung der Transistoren Q1 bis Q4 (die der Prozessor 8 zyklisch liefert und die zum Prozessor 9 übertragen wird) in Abhängigkeit vom digitalen, der genannten Detektionsleistung entsprechenden Signal ermitteln. So wird in Abhängigkeit von den Logiksteuerungen (0 oder 5 Volt) der vier Steuermittel COM0 bis COM3 von R1 bis R4 ein mehr oder weniger starker Strom in den Infrarotsendedioden D1 bis D8 festgelegt, und aus diesem Grunde wird gleichzeitig und von jeder Diode ein Infrarotstrahlenbündel mit ansteigender Leistung erzeugt, das ein Steuerungsdiagramm aufweist, das dem in 2 Dargestellten ähnelt.
Die Steuerungen der vier Widerstände 7₁ erfolgt durch die Transistoren 7₂ , deren Polarisierung direkt mit 5 Volt erfolgt. Hier verfügt man über vier Steuerungen, nämlich eine Abtastung über 16 Bereiche oder Leistungswertestufen. Die Widerstände werden mit verschiedenen Werten und als Vielfache von 2 gewählt. So ist der Stromwert in einem Widerstand doppelt so groß wie im Nächsten. Der gemeinsame Strom der Sendedioden ist der in 2 dargestellte Strom mit einer zum Beispiel mit 10 Bits kodierten Kennung (hier 1110111101).
Die Detektion des Infrarotrückkehrsignals erfolgt mit einem Empfänger, der ein integriertes Bauteil umfasst, das ein logisches Ausgangssignal von 0 oder 5 Volt liefert, wenn es eine mit einer Frequenz von 38 kHz pulsierte IR-Strahlung erhält oder nicht erhält. Bei diesen Empfängern muss die Speisung des Empfängers mit Filter 5₁ (die einen Kondensator mit einer Kapazität von 10 μF und einen Widerstand von 330 Ω umfassen) gefiltert werden, da geringe Schwankungen seiner Speisung zu falschen Detektionen führen können.
Nach der Eichung, aufgrund derer eine Korrelation zwischen der gesendeten Leistung und dem Abstand Sensor-Hindernis hergestellt wird, kann in Abhängigkeit von der erhaltenen Antwort ein ziffermässiger Abstandsmesswert geliefert werden.
In der nachstehende Tabelle 1 werden zur Veranschaulichung die Messungen angegeben, die an einer Mauer mit weißen Putz als Hindernis mit folgenden Widerstandswerten durchgeführt wurden: R1 = 15 Ω, R2 = 35 Ω, R3 = 68 Ω, R4 = 150 Ω.
Tabelle 1
Die elektronische Schaltung, die die Steuerung der Kommunikation und die Übertragung der Messwerte der acht Sensoren ermöglicht, ist in 3 dargestellt.
Die in dieser 3 dargestellte Schaltung ermöglicht die Übertragung von acht Messwerten, die jeweils den acht Sensoren entsprechen, von denen jeder eine 8-Bit-Information gibt. Dazu wird eine Kodierung verwendet, die zugleich den Messwert des 4-Bit-Sensors (die sechzehn Leistungswerte sind binär mit 4 Bits kodiert) und die Identifizierung des zugeordneten Empfängers vermischt, die ebenfalls mit 4 Bits kodiert ist.
Die Übertragung des Messwerts muss im Parallelmodus erfolgen, da hier ein 8-Bit-Bus am externen Prozessor 9 verwendet wird. Da es nicht möglich ist, die Menge an Informationen, die den acht Messwerten entspricht, mit dem 8-Bit-Bus auf ein Mal zu übertragen, werden die Messwerte degemultiplext, indem sie nacheinander übertragen werden. So sind für eine Erfassungssequenz, die acht getrennte Messwerte ergibt, zum Erfassen der Informationen acht Lesevorgänge des externen Prozessors 9 erforderlich.
Die Schnittstelle zwischen dem Mikrocontroller 8 (U1) und dem externen Prozessor 9 (U13) ist ein Flip-Flop-Register 11 (U3) mit offenem Kollektorausgang, das Laden (oder Schreiben der Messwerte) erfolgt durch den Mikrocontroller 8 und das Erfassen (oder Lesen der Messwerte) durch den externen Prozessor 9, der dann den entsprechenden Abstand zu einem Hindernis berechnet.
Der Mikrocontroller 8 erhält dann die Information, dass der externe Prozessor 9 einen Lesevorgang durch Lesen des Werts des Flip-Flops (Set/Reset) des Registers 10 (U4) durchgeführt hat. Der Flip-Flop wird neu initialisiert, wenn der Mikrocontroller einen neuen Messwert im Register registriert. Hat eine Übertragung zum Prozessor begonnen, wird die Messphase gestoppt. Wenn der externe Prozessor belegt ist, schaltet der Mikrocontroller auf die Abstandsmessung zurück.

Claims

Verfahren zur Detektion und Messung eines Abstandes zwischen einem ersten Objekt (1) und einem zweiten Objekt (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) den Schritt des Aussendens von Infrarotstrahlung (3) durch einen Sender (4), der am ersten Objekt (1) angebracht ist und dem ein elektrisches Sendesignal zugeführt wird, und b) den Schritt der Detektion der Rückkehr der Infrarotstrahlung zu einen Empfänger (5), nachdem die Infrarotstrahlung vom zweiten Objekt (2) reflektiert wurde, wobei der Empfänger (5) am ersten Objekt (1) nahe dem Sender (4) angebracht ist und ein elektrisches Empfangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: c) den Schritt des stetigen Veränderns der Leistung der vom Sender (4) ausgesendeten Infrarotstrahlung durch Steuern des elektrischen Sendesignals, bis die Leistung der gesendeten Infrarotstrahlung eine derartige Detektionsleistung (PS) erreicht, dass bei dieser Detektionsleistung (PS) die Infrarotstrahlung nach Reflexion am zweiten Objekt durch den Empfänger (5) detektiert wird, d) den Schritt des Berechnens des Abstandes (D) zwischen dem ersten Objekt (1) und dem zweiten Objekt (2) anhand des Wertes der Detektionsleistung (PS), indem insbesondere durch Eichung eine Korrelation zwischen dem Abstand (D) und der Detektionsleistung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Infrarotstrahlung in einem spezifischen Modus mit einer für den Sender (4) charakteristischen Kennung ausgesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kennung durch den spezifischen Sendemodus des Senders (4), insbesondere durch einen gepulsten Sendemodus mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz, gekennzeichnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Kennung eine digitale Kennung, insbesondere eine einem gepulsten Sendemodus zugeordnete digitale Kennung, ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das elektrische Sendesignal ein Rechtecksignal ist, wobei das Verfahren dergestalt ist, dass die digitale Kennung der Infrarotstrahlung in Form eines aus Einsen („1") und Nullen („0") bestehenden Logiksignals vorliegt, je nach dem, ob dem Sender das Rechtecksignal zugeführt wird oder nicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem man zur Bestimmung, ob reflektierte Infrarotstrahlung, die von einem Empfänger (5) eines bestimmten Objektes (1) empfangen wird, von einem Sender (4) stammt, der sich auf dem bestimmten Objekt befindet, die Kennung überprüft, derart, dass zwischen der reflektierten Infrarotstrahlung, die vom Sender (4) des bestimmten Objektes (1) stammt, und den Infrarotstrahlungen, die direkt oder indirekt von anderen Objekten stammen, unterschieden werden kann.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man zur Überprüfung der digitalen Kennung das elektrische Speisesignal des Senders (4) des bestimmten Objektes (1) mit dem elektrischen Signal vergleicht, das vom Empfänger (5) desselben bestimmten Objektes (1) geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren ferner insbesondere dazu dient, die Lage eines oder mehrerer zweiter Objekte (2) gegenüber einem Bezugssystem zu bestimmen, das mit dem ersten Objekt (1) verbunden ist, wobei das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst: – den Schritt des Aussendens von Infrarotstrahlungen, ausgehend vom ersten Objekt (1), in mehrere Richtungen, die entsprechend um das erste Objekt herum verteilt sind, vorzugsweise in mindestens vier Richtungen und sogar in mindestens acht Richtungen, wobei die jeder Richtung zugeordneten Infrarotstrahlungen als Kegel ausgesendet werden, deren Kegelwinkel im Bereich von 5 bis 90° liegt, so dass die zweiten Objekte (2), die sich in der Umgebung des ersten Objektes (1) befinden, detektiert werden und ihre Lage gegenüber einem Bezugssystem, das mit dem ersten Objekt (1) verbunden ist, berechnet werden kann.
Vorrichtung zur Detektion und Messung des Abstandes zwischen einem ersten Objekt (1) und einem zweiten Objekt (2), wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfasst: – einen Sender (4) für Infrarotstrahlung, der an dem ersten Objekt (1) angebracht ist und dem ein elektrisches Sendesignal zugeführt wird, – einen Empfänger (5), der die Rückkehr der Infrarotstrahlung detektiert, nachdem die Infrarotstrahlung vom zweiten Objekt (2) reflektiert wurde, wobei der Empfänger (5) am ersten Objekt (1) nahe dem Sender (4) angebracht ist und ein elektrisches Empfangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende weiteren Merkmale umfasst: 1) Steuermittel (8) für das elektrische Signal, mit denen die Leistung der Infrarotstrahlung, die vom Sender (4) ausgesendet wird, stetig verändert werden kann, indem das elektrische Sendesignal gesteuert wird, bis die Leistung der ausgesendeten Infrarotstrahlung eine derartige Detektionsleistung (PS) erreicht, dass bei dieser Detektionsleistung (PS) die Infrarotstrahlung nach Reflexion am zweiten Objekt (2) durch den Empfänger (5) detektiert wird, 2) Mittel (9) zum Berechnen des Abstandes (D) zwischen dem ersten Objekt (1) und dem zweiten Objekt (2) anhand des Wertes der Detektionsleistung (PS), wobei Korrelationen zwischen dem Abstand (D) und der Detektionsleistung (PS) verwendet werden, die zuvor, insbesondere durch Eichung, ermittelt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der: – der Sender (4) eine Elektrolumineszenzdiode umfasst, die insbesondere bei einer bestimmten Infrarotwellenlänge sendet, – der Empfänger (5) einen Phototransistor oder eine Photodiode umfasst, der/die insbesondere die bestimmte Infrarotwellenlänge detektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der die Steuermittel (8) für das elektrische Signal, mit denen die Leistung der vom Sender (4) ausgesendeten Infrarotstrahlung stetig verändert werden kann, einen ersten Prozessor (8) umfassen, der das Sendesignal so steuert, dass die Infrarotstrahlung in einem spezifischen Modus mit einer Kennung ausgesendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der erste Prozessor (8) so programmiert ist, dass der spezifische Sendemodus des Senders (4) ein gepulster Sendemodus ist, der eine vorgegebene Pulsfrequenz aufweist, welche die Kennung charakterisiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der der erste Prozessor (8), der das elektrische Sendesignal steuert, so programmiert ist, dass der spezifische Sendemodus des Senders (4) ein gepulster Sendemodus mit einer digitalen Kennung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der erste Prozessor (8) so programmiert ist, dass das elektrische Sendesignal ein Rechtecksignal ist und die digitale Kennung der Infrarotstrahlung in Form eines aus Einsen („1") und Nullen („0") bestehenden Logiksignals vorliegt, je nach dem, ob dem Sender das Rechtecksignal zugeführt wird oder nicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der zur Feststellung, ob eine reflektierte Infrarotstrahlung, die von einem Empfänger (5) eines bestimmten Objektes (1) empfangen wurde, von einem Sender (4) stammt, der sich auf dem bestimmten Objekt befindet, der erste Prozessor (8) Mittel zur Überprüfung der Kennung umfasst, derart, dass es möglich ist, zwischen der reflektierten Infrarotstrahlung, die vom Sender (4) des bestimmten Objektes (1) stammt, und den Infrarotstrahlungen, die direkt oder indirekt von anderen Objekten stammen, zu unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Mittel zur Überprüfung der Kennung Mittel aufweisen zum Vergleichen des elektrischen Speisesignals des Senders (4) des bestimmten Objektes (1) mit dem elektrischen Signal, das vom Empfänger (5) desselben bestimmten Objektes (1) geliefert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der: – der erste Prozessor (8) durch ein digitales Signal mit n Bits über Feldeffekttransistoren n Widerstände mit unterschiedlichen Werten steuert, die auf der elektrischen Versorgungsschaltung des Senders (4) montiert sind, so dass die Leistung der vom Sender (4), insbesondere von einer Elektrolumineszenzdiode, ausgesendete Infrarotstrahlung zwei ansteigende Werte annehmen kann, – der erste Prozessor (8), der mit dem Empfänger (5) verbunden ist, überprüft, ob das elektrische Signal, das vom Empfänger (5) geliefert wird, dieselbe Kennung, insbesondere die digitale Kennung, aufweist, – der erste Prozessor (8) an einen zweiten Prozessor (9) ein Signal überträgt, das aus n Bits gebildet ist, die von den zwei möglichen Werten für die Detektionsleistung (PS) diejenige angeben, die ermittelt wurde, – der zweite Prozessor (9) den Abstand zwischen dem ersten Objekt (1) und dem zweiten Objekt (2) durch Korrelation aufgrund einer Eichung der zwei möglichen Abstandswerten gegenüber den zwei Werten für die Detektionsleistung berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Sender (4), insbesondere eine Sendediode, in der Lage ist, eine vorgegebene maximale Strahlungsleistung PI auszusenden, und der Sender (5), insbesondere eine Empfangsdiode, in der Lage ist, eine vorgegebene minimale Strahlungsleistung P2 zu detektieren, wobei die Werte PI und P2 es ermöglichen, Abstände zu messen, die im Bereich von 0,5 m bis 5 m und noch bevorzugter im Bereich von 0,1 m bis 10 m liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die Anzahl der Stufen der Detektionsleistung (PS) und die Anzahl n von Widerständen mit unterschiedlichen Werten Ri mit i = 1 bis n dergestalt ist, dass die Messgenauigkeit, die in der Abweichung zwischen den zwei möglichen aufeinander folgenden Abständen besteht, mindestens 10 cm, vorzugsweise mindestens 1 cm, beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, die ferner insbesondere dazu dient, die Lage eines oder mehrerer zweiter Objekte (2) gegenüber einem Bezugssystem, das mit dem ersten Objekt (1) verbunden ist, zu bestimmen, wobei die Vorrichtung zusätzlich folgende Merkmale umfasst: – mehrere Sender (4) und Empfänger (5), die Infrarotstrahlungen in mehreren Richtungen, die entsprechend um das erste Objekt (1) herum verteilt sind, vorzugsweise in mindestens vier Richtungen und sogar in mindestens acht Richtungen, aussenden und empfangen, wobei die jeder Richtung zugeordneten Infrarotstrahlungen als Kegel ausgesendet werden, deren Kegelwinkel im Bereich von 5 bis 90° liegt, so dass die zweiten Objekte (2), die in der Umgebung des ersten Objektes (1) liegen, detektiert werden und ihre Lage gegenüber einem Bezugssystem, das mit dem ersten Objekt (1) verbunden ist, berechnet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Infrarotsensoren umfasst.
Mobiler Roboter, der Hindernisse detektiert und ihnen ausweicht, wobei der mobile Roboter Mittel zur Fortbewegung umfasst, die durch ein Steuerorgan gesteuert werden, das eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 21 umfasst, derart, dass: – wenn sich ein oder mehrere Hindernisse in der Umgebung des mobilen Roboters befinden, – wenn der mobile Roboter sich in einer Richtung fortbewegt, die mit der Richtung übereinstimmt, in der sich das Hindernis befindet, – wenn der zwischen dem mobilen Roboter und dem Hindernis gemessene Abstand, insbesondere abhängig von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des mobilen Roboters, kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, die Vorrichtung unter Berücksichtigung der anderen Hindernisse, die sich in der Umgebung befinden, eine Bahnänderung programmiert.
Mobiler Roboter nach Anspruch 22, der folgende Merkmale umfasst: – eine gemeinsame Versorgungsleitung für mehrere der Infrarotsensoren, – mehrere Zweige, die in die gemeinsame Versorgungsleitung eingesetzt sind, wobei jeder Zweig einen Widerstand (R1 bis R4) und einen Umschalter (Q1 bis Q4) aufweist, und die Zweige parallel geschaltet sind, – Mittel (8), die dazu geeignet sind, den Umschaltern (Q1 bis Q4) ein digitales Befehlssignal zum Öffnen oder Schließen zu liefern, derart, dass die den Sendern zugeführte Intensität stetig verändert wird.
Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 zur Detektion und zur Vermeidung eines Hindernisses durch ein mobiles Gerät, insbesondere einen Roboter, – wobei das mobile Gerät dem ersten Objekt (1) entspricht, – das Hindernis dem zweiten Objekt (2) entspricht, derart, dass: – wenn sich ein oder mehrere Hindernisse in der Umgebung des mobilen Gerätes befinden, – wenn das mobile Gerät sich in einer Richtung fortbewegt, die mit der Richtung übereinstimmt, in der sich das Hindernis befindet, – wenn der zwischen dem Mobil und dem Hindernis gemessene Abstand, insbesondere abhängig von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des mobilen Gerätes, kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, das mobile Gerät unter Berücksichtigung der anderen Hindernisse, die sich in der Umgebung befinden, eine Bahnänderung programmiert.