DE69625033T2 - Optisches Abtastsystem - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem zum Messen der relativen Höhe eines Bezugskörpers oberhalb einer Bezugsoberfläche. Das erfindungsgemäße System erweist sich insbesondere dann als wertvoll, wenn es an die Schaufel oder einen anderen Teil einer erdbewegenden Maschine, eines Pflaster- oder Planiergeräts angebracht ist, das mit normaler Arbeitsbewegung angetrieben wird. Das System ermittelt einen Bezugskörper, wie etwa einen Leitungsstrang, Kabel, einen Stab, eine sonstige Behinderung oder Oberfläche, misst und speichert die Daten der ursprünglichen relativen Höhe des Bezugskörpers zum Boden. Anschließend setzt das System die Messung und den Vergleich der gemessenen Werte mit den gespeicherten Werten kontinuierlich fort.
• Höhenmessungen werden üblicherweise im Straßenbau eingesetzt, wobei zu diesem Zweck normalerweise ein Ultraschall-Entfernungsmesser Verwendung findet. Eine derartige Einrichtung erfordert jedoch eine gewisse Sorgfalt in der Anwendung, um ordentliche Messungen zu ermöglichen, da sie durch Wind, Lufttemperatur und Schwankungen der Temperatur beeinträchtigt wird. Darüber hinaus werden Ultraschallwellen nicht nur vom gemessenen Körper, sondern auch vom Hintergrund, wie etwa dem Boden unterhalb des Körpers, reflektiert, was zu Messfehlern führt.
• Optische Fühlstifte, die auf der Triangulations-Messtechnik basieren, wurden in der Vergangenheit vorgeschlagen, etwa in US 4 456 826, 4 774 403, 5 129 725, 5 015 868 und 4 911 551. Das erstgenannte Patent beschreibt eine auf rotierenden Multifacettenspiegeln aufbauende Vorrichtung, die teuer ist und beim Einsatz im Außenbereich nicht dauerhaft verwendbar. Die anderen Patente beschreiben einen als Detektor dienenden CCD-Strahl sowie einen als Lichtquelle verwendeten Laser. Derartige Bauteile sind schwerlich mit den im Straßenbau vorherrschenden Bedingungen vereinbar, die mit Rücksicht auf Augenschutzbestimmungen üblicherweise eine geringe Laserkraft erfordern. Diese Bedingungen umfassen eine weitreichenden Rahmen von möglichen Arbeitstemperaturen von unter - 20ºC im Winter und bis zu 55ºC im Sommer bei unmittelbarem Sonneneinfall, ferner einen unerhört weitreichenden Rahmen von möglichen Lichtverhältnissen von wolkigem und regnerischem Wetter zu strahlendem Sonnenschein, und schließlich die Fähigkeit, die relative Höhe von Bezugskörpern (Leitungsstränge, Kabelstücke, Stäbe, sonstige Behinderungen, Erdreich oder Hohlräume) zu messen, wobei die Art des Bezugskörpers automatisch zu identifizieren ist und wobei die Vorrichtung von beschränkter Größe und von beschränktem Energieverbrauch sein muss.
• Die vorliegende Erfindung verwendet das Triangulationsprinzip zum optischen Abtasten eines Bezugskörpers, etwa beim Planieren, bei Erdbewegungen und beim Pflastern. Insbesondere umfasst ein erfindungsgemäßes System einen Lasersender, der einen nach unten gerichteten Ablenkstrahl bildet, der als dünne Ebene ausgebildet ist. Dieser Strahl schneidet einen Bezugskörper, etwa einen Leitungsstrang, oder ein Kabel, eine Kante einer sonstigen Behinderung, die Oberfläche einer Erdmasse oder ähnliches, wobei der Schnittbereich auf einer Fernseh-CCD-Kamera abgebildet wird. Der Ort des Schnittpunkts wird auf der Abbildung durch die Relativposition der CCD-Kamera (und des gesamten Systems) zum Bezugskörper bestimmt.
• Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Abspaltung eines geeigneten Teiles eines Videosignals, etwa eines Bildes eines Schnittpunkts, vom Rest des sich auf ein Hintergrundmuster beziehenden Signals bereitzustellen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bildverarbeitungssystem bereitzustellen, das unter unterschiedlichsten Umweltbedingungen eingesetzt werden kann, etwa bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen, schwankenden Temperaturen usw.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem, enthaltend einen Lasersender und eine optische Einheit zur Wiedergabe einer Lichtstrahlung, die von einer Oberfläche auf einen CCD-Detektor abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasersender so gestaltet ist, dass er einen Lichtstrahl nach unten in Richtung auf die genannte Oberfläche und einen Bezugskörper aussendet, dass Mittel zur Stabilisierung der Wellenlänge des Lichtstrahls vorgesehen sind, der vom Lasersender ausgesandt wird, dass ferner eine optische Einrichtung zur Umwandlung des ausgesandten Lichtstrahls in einen Strahl vorbestimmter Form vorgesehen sind, wobei die optische Einheit eine optische Einrichtung enthält, die im Weg des reflektierten, auf dem CCD-Detektor abgebildeten Lichtstrahls angeordnet ist, um das vom Lasersender stammende reflektierte Licht von Hintergrundstrahlung abzuscheiden, wobei eine elektronische Einrichtung zur Betätigung des Lasersenders in einem Pulstakt vorbestimmter Abfolge in Synchronisierung mit der Betätigung des CCD-Detektors vorgesehen ist, ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Identifizierung des Bezugskörpers und zur Messung von dessen relativer Höhe zur Oberfläche.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei insoweit zur besseren Verständlichkeit Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen wird.
• Unter ausdrücklicher Bezugnahme auf die Zeichnung wird betont, dass die darin enthaltenen Besonderheiten lediglich beispielhaft gemeint sind und lediglich der Darstellung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dienen. Sie dienen der praktischen und leicht verständlichen Vermittlung dessen, was die Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der Erfindung ausmacht. In diesem Zusammenhang wird nicht versucht, strukturelle Details der Erfindung detaillierter darzustellen als nötig ist, um ein grundlegendes Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Die Beschreibung sowie die Zeichnung vermitteln dem Fachmann das nötige Verständnis von der Verkörperung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in der Praxis.
• In der Zeichnung zeigen
• Fig. 1 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems, wobei auch die zugehörigen optischen Prinzipien dargestellt sind;
• Fig. 2 ein typisches Videosignal am Ausgang einer CCD-Kamera des Abtastsystems gemäß Fig. 1;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm eines in dem erfindungsgemäßen Abtastsystem verwendeten elektronischen Schaltkreises;
• Fig. 4 ein Videosignal am Eingang eines A/D-Konverters, wie er im Schaltkreis gemäß Fig. 3 dargestellt ist;
• Fig. 5 eine Schnittansicht der Laseranordnung mit Thermostabilisator des Abtastsystems;
• Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Verschaltung gemäß Fig. 1;
• Fig. 7a ein typisches Videosignal eines ersten Feldes an einem vom Detektor des optischen Systems abgebildeten Rahmens;
• Fig. 7b ein Videosignal eines zweiten Feldes am gleichen Rahmen gemäß Fig. 7a;
• Fig. 7c eine sich aus der digitalen Subtraktion der beiden Felder des Rahmens gemäß Fig. 7a und 7b gebildeten Kurve;
• Fig. 8 eine Schemadarstellung des oberhalb eines Kabelstranges angeordneten Abtastsystems;
• Fig. 9 eine Schemadarstellung des oberhalb einer Stufe angeordneten Abtastsystems;
• Fig. 10 eine Schemadarstellung des oberhalb eines Durchganges angeordneten Abtastsystems;
• Fig. 11 eine Schemadarstellung eines Schnittes eines Laserstrahls mit einem Kabelstrang;
• Fig. 12 eine Schemadarstellung eines Schnittes eines Laserstrahls mit einer Stufe; und
• Fig. 13 eine Schemadarstellung eines Schnittes eines Laserstrahls mit einem Durchgang.
• Das Bauprinzip eines bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems erschließt sich aus seiner Darstellung in Fig. 1. Das in Fig. 1 gebrauchte Koordinatensystem XYZ bezieht sich auf den Laser 10, der einen divergierenden Strahl 12 aussendet. Dieser Strahl wird in einen divergierenden, dünnen Lichtbogen 18 durch zwei Linsen konvertiert, und zwar durch eine zylindrische Linse 14 und eine sphärische Linse 16. Der Lichtbogen durchschneidet eine Oberfläche 20, etwa den Untergrund, unter der Annahme, dass die Oberfläche längs der Achse OY horizontal verläuft.
• In einem Winkel φ gegenüber der Laserachse OZ, ist eine Empfängerachse OZ&sub1; rechtwinklig zu einem Matrixdetektor 22 angeordnet, der beispielsweise von einer CCD-Kamera gebildet werden kann. Eine optische Linse 24 ist so angeordnet, dass der Punkt O auf den Mittelpunkt O' am Detektor 22 abgebildet wird. Das Gesichtsfeld des Detektors 22 bezieht sich auf die Form der lichttragenden Oberfläche 20.
• Ein Interferenzfilter 26 mit einem maximalen Transmissionsgrad bei einer Wellenlänge λ, die identisch ist mit der Arbeitswellenlänge des Lasers 10 und eine schmale Bandbreite Δλ besitzt, verschafft den hohen Kontrast des verwendbaren Teils des im Laserlicht entstehenden Bildes gegenüber dem Rest des Bildes, das im Umgebungslicht entsteht, so etwa im unmittelbaren oder reflektierten Sonnenlicht.
• Wenn ein Körper 28, etwa ein Leitungsstrang oder ein Kabelstück, auf der Höhe ZA oberhalb der Oberfläche 20 angeordnet ist, durchschneidet der Lichtbogen 18 den Körper 28 am Punkt A, der auf den Punkt A' am Detektor 22 abgebildet wird. Unter Beachtung des Winkels φ und des Skalierfaktors ρ zwischen der Ebene des Detektors 22 und der XOY-Ebene, kann die Höhe ZA durch Messen der Entfernung O'A' auf der Oberfläche des Detektors und durch Ausnutzung der üblichen Triangulationsprinzipien errechnet werden. Sofern der Körper 28 durch ein Segment Δ versetzt wird, kann der Versetzungsgrad durch das Messen des Segments A'B' auf der Ebene des Detektors angesprochen werden.
• Ungeachtet der Tatsache, dass der Interferenzfilter 26 den Kontrast des vom Bezugskörper 28 reflektierten Laserlichtes zu verbessern erleichtert, so geschieht es doch häufig, dass das Laserlicht unter realen Arbeitsbedingungen fast nicht erfassbar ist. Dies ergibt sich üblicherweise aus der Tatsache, dass sogar bei einem einzigen Gesichtswinkel die Lichtintensität stark schwankt, so beispielsweise aufgrund einer Verschattung eines Teils des Gesichtswinkels. Ein typisches Videosignal, das ein einzeiliges Signal des zusammengesetzten Videoausgangs des Detektors umfasst, ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Anteil 30 des sich auf den Laserstrahl beziehenden Signals tiefer als der andere Anteil 32 des Signals ist, und daher das falsche Resultat erzielt werden kann.
• Um dieses Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß die in Fig. 3 dargestellte spezielle elektronische Verschaltung eingesetzt. Ein Ausgang des Detektors 22 wird in zwei Zweige 34, 36 aufgeteilt. Im ersten Zweig 34 wird das Signal durch einen Niedrigpassfilter (LPF) 38 geführt, während der zweite Zweig 36 unverändert bleibt.
• Da der Lichtbogen 18 dünn ist, ist der vom Laser stammende Spitzenanteil 30 des Signals sehr kurz (vgl. Fig. 2). Deshalb wird er vom LPF 38 in erheblichem Umfang verkürzt, während die langsamen und glatten Abweichungen der verbleibenden Anteile 32 des Signals unverändert bleiben. Das durch einen Funktionsverstärker 40 erfolgende Abziehen der durch die Zweige 34 bzw. 36 passierenden Signale ergibt eine Spitze 42 (vgl. Fig. 4) eines Laserstrahlpunkts, der oberhalb eines im wesentlichen gleichmäßigen Niveaus 44 des verbleibenden Anteils des Signals hervorragt, so dass das Setzen eines geeigneten Schwellwerts 46 das leichte Ermitteln der Position des Laserstrahlpunktes ermöglicht. Für die weitere Verarbeitung wird das vom Funktionsverstärker 40 stammende Ausgangssignal durch einen A/D-Konverter 48 digitalisiert.
• Eine weitere Schwierigkeit in der Bedienung des optischen Abtastsystems in freier Umgebung liegt in den Veränderungen der Umgebungstemperatur. Fig. 5 zeigt eine Laseranordnung 10 im Querschnitt. Da eine kompakte Bauweise gefordert ist, wird eine kleine Laserdiode 50 als Lichtquelle verwendet. Es ist jedoch bekannt, dass Temperaturveränderungen zu einer Verschiebung von etwa 1 nm pro 5º in der Arbeitslänge der Laserdiode 50 führt, wodurch eine Veränderung von wenigstens 15º dazu führt, dass das Laserlicht außerhalb der Bandbreite Δλ des Interferenzfilters 26 gerät.
• Um dieses Problem zu lösen wird die Laserdiode 50 in eine Kammer eingefügt, die im wesentlichen thermisch stabilisiert ist. Die Anordnung kann einen Peltier- Thermoelektrik-Kühler 52 mit einer an einen aus Kupfer gefertigten Körper 56 angeschlossenen Hitzesenke 54 umfassen, in der die Laserdiode 50 angeordnet ist. Zwei Resistoren 58, 60 sind an die Diode 50 angrenzend zu deren Erwärmung befestigt. Ein weiteres Teil 62, in dem die zylindrische Linse 14 angeordnet ist, ist am Körper 56 befestigt, wobei die gesamte Anordnung mit einer thermischen Isolierung 64 bedeckt ist. Die Temperatur wird konstant von einem thermischen Resistor 66 gemessen.
• Die elektrische Verschaltung der Anordnung gemäß Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass der an einen Resistor 68 angeschlossene thermische Resistor 66 an einen Punkt 70 eine Spannung anlegt, die auf die Temperatur des Lasers abgestimmt ist. Eine Bezugsspannung bei 72 definiert das gewünschte (optimale) Niveau der Lasertemperatur. Sofern die gemessene Temperatur unterhalb des gewünschten Niveaus liegt, so wird das Ausgangssignal des Komparators 74 vom niedrigen Status zum hohen Status übermittelt und das Logikniveau des MOSFET-Transistors 76 aktiviert, wodurch ein Aufheizen beginnt. Ein Umformer 78 formt das Signal des Komparators um und schaltet den Transistor 80 ab, der mit dem thermoelektrischen Kühler 52 verbunden ist. Sofern die Temperatur des Lasers höher als das gewünschte Niveau ist, wird der Transistor 80 eingeschaltet und der Kühler 52 aktiviert. Sofern die Schwankungen der gemessenen Temperatur innerhalb zweier von den Bezugsnummer 82 und 84 definierten Niveaus liegt, bildet ein Fensterdetektor 86 ein Hochniveau-Ausgangssignal, das einem Mikroprozessor 88 zugeführt wird.
• Sofern beispielsweise die Geschwindigkeit einer erdbewegenden Maschine niedrig ist und die Hintergrundoberfläche mit kleinen Steinen und anderen Objekten übersät ist, so wird ein schneller Wechsel der reflektierten Lichtintensität erzeugt. Das Laserlicht kann dann nicht befriedigend von der Hintergrundbeleuchtung abgeschieden werden. Ein typisches Videosignal in derartigen Fällen ist in Fig. 7a dargestellt, wobei dort erkennbar ist, dass die vom Laser stammende Spitze 90 mit anderen vom Hintergrund erzeugten Spitzen 92 vergleichbar ist.
• Um dieses Problem zu lösen, kann der Laser in einem Pulsmodus betrieben werden, d. h. er kann mit der CCD-Uhr synchronisiert und nur für das erste Feld eines jeden Videorahmens aktiviert werden, während er für das zweite Rahmenfeld abgeschaltet wird. Fig. 7a zeigt ein Videosignal des ersten Feldes (Laserkraft eingeschaltet) und Fig. 7b zeigt das Videosignal des zweiten Feldes (Laserkraft abgeschaltet). Beide Signale werden im Speicher des Mikroprozessors 88 gespeichert und dann digital voneinander abgezogen. Das hieraus resultierende Signal ist in Fig. 7c dargestellt.
• Wie vorstehend erläutert, kann das optische Abtastsystem unter anderem mit drei Arten von Bezugskörpern arbeiten: einem Leitungsstrang oder Kabelstück, wie in Fig. 8 dargestellt, einer Kante einer Stufe, wie in Fig. 9 dargestellt, oder einer Boden- oder Unterführung, wie in Fig. 10 dargestellt.
• Bei normalem Einsatz ist die Art des Bezugskörpers zunächst zu identifizieren. Dies geschieht durch eine Bildverarbeitung, die automatisch durch den Mikroprozessor der Vorrichtung erfolgt. Fig. 11, 1 und 13 zeigen in schematischer Weise typische Bilder, die vom Detektor 22 aufgenommen und verarbeitet werden. Wie vorstehend beschrieben, sind alle vom Laserlicht stammenden Pixel oberhalb des Schwellenwertes, so dass die vom Laser stammenden Signalanteile des Bildes von der Hintergrundbeleuchtung abgetrennt werden. Der nächste Schritt des Verfahrens erfordert das Suchen nach dem die maximale Y-Koordinate bildenden Punkt. Sofern A ein solcher Punkt ist und XA seine horizontale Koordinate, dann werden zwei andere Punkte B und C gefunden, die von A längs der X-Achse durch ein Segment a getrennt sind, und ihre Y-Koordinaten analysiert. Sofern beide Differenzen (YA-YB) und (YA-YC) mehr als A betragen (erfassbare Mindesthöhe des Körpers oberhalb der Erde), dann ist der Bezugskörper ein Leitungsstrang, ein Kabel oder ein Stab (Fig. 11). Sofern YA-YB < &Delta; und YA-YC > &Delta;, dann ist eine linke Stufe identifiziert (Fig. 12). Sofern YA-YB > &Delta; und YA-YC > &Delta;, dann ist eine rechte Stufe identifiziert. Schließlich ist eine Boden- oder Unterführung identifiziert (Fig. 13), wenn beide Werte (YA-YB) und (YA-YC) kleiner als &Delta;sind.

Claims (6)

1. Optisches Abtastsystem, enthaltend einen Lasersender (10) und eine optische Einheit zur Wiedergabe einer Lichtstrahlung, die von einer Oberfläche (20) auf einen CCD-Detektor (22) abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der Lasersender (10) so gestaltet ist, dass er einen Lichtstrahl (12) nach unten in Richtung auf die genannte Oberfläche (20) und einen Bezugskörper (28) aussendet,

dass Mittel (52) zur Stabilisierung der Wellenlänge des Lichtstrahls (12) vorgesehen sind, der vom Lasersender (10) ausgesandt wird,

dass ferner eine optische Einrichtung (14, 16) zur Umwandlung des ausgesandten Lichtstrahls (12) in einen Strahl vorbestimmter Form vorgesehen sind,

wobei die optische Einheit eine optische Einrichtung (24, 26) enthält, die im Weg des reflektierten, auf dem CCD-Detektor (22) abgebildeten Lichtstrahls angeordnet ist, um das vom Lasersender (10) stammende reflektierte Licht von Hintergrundstrahlung abzuscheiden,

wobei eine elektronische Einrichtung zur Betätigung des Lasersenders (10) in einem Pulstakt vorbestimmter Abfolge in Synchronisierung mit der Betätigung des CCD-Detektors (22) vorgesehen ist,

und wobei ferner eine Signalverarbeitungseinrichtung (88) zum Identifizieren des Bezugskörpers (28) und zum Messen von dessen relativer Höhe zur Oberfläche (20) vorgesehen ist.

2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, wobei der Lasersender (10) eine Laserdiode (50) enthält, und wobei die zuerst genannte optische Einrichtung zylindrische Linsen (14) zur Umformung des Lichtstrahls (12) in einen dünnen, Richtungslichtbogen umfasst.

3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Mittel zur Stabilisierung der Wellenlänge des vom Lasersender (10) ausgesandten Lichtstrahls einen thermoelektrischen Kühler (52), elektrische Heizmittel (54) und Isolatoren (64) zur thermischen Stabilisierung der Temperatur des Lasersenders (10) umfassen.

4. Optisches Abtastsystem nach jedwedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bezugskörper (28) von der Körpergruppe, enthaltend einen Leitungsstrang, ein Kabel, einen Stab, eine Kante einer Stufe, eine Oberfläche oder eine Unterführung, ausgewählt wird.

5. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 4, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (88) Mittel zur Identifizierung eines Körpers aus der genannten Körpergruppe enthält.

6. Optisches Abtastsystem nach jedwedem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektronische Einrichtung zur Betätigung des Lasersenders (10) in einem Pulstakt eine elektronische Verschaltung umfasst, und zwar zur Synchronisierung des Lasersenders mit einer Uhr des CCD-Detektors (22), zur Betätigung des Lasersenders lediglich für ein erstes Feld eines jeden Videorahmens, der vom CCD-Detektor (22) ermittelt wird, während sie für ein zweites Feld des genannten Rahmens abgeschaltet wird, weiterhin zur Speicherung von Signalen, die für erste und zweite Feldbilder repräsentativ sind, und schließlich zur Subtrahierung eines der genannten Feldbildsignale vom anderen.