CH697014A5 - Absicherung und/oder Ueberwachung von Systemen. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absicherung und/oder Überwachung von Systemen.

[0002] Die Absicherung von Maschinen, Türen, Fahrzeugen ist in der modernen Gesellschaft sowohl im Produktiv- wie auch im Freizeitsektor wichtig. Diese Sicherheitsfunktion wird heute hauptsächlich mit Hilfe von optischen Systemen realisiert:

[0003] Gemäss dem Stand der Technik beruht eine Möglichkeit der Absicherung auf dem Lichtschranken-Prinzip: Eine Lichtquelle sendet einen oder mehrere Lichtstrahlen aus, die auf einen oder mehrere Lichtfänger auftreffen. Werden ein oder mehrere Lichtstrahlen unterbrochen, so wird Alarm ausgelöst.

   Diese Verfahren haben den Vorteil, dass im Normalbetrieb immer alle beteiligten Komponenten überprüft werden.

[0004] Als Nachteil von diesen Verfahren ist einerseits der hohe Justage-Aufwand (Lichtsender-Optik-Überwachungsweg- Optik müssen aliniert werden) und andererseits der komplexe Aufbau, wenn Flächen oder gar Räume überwacht werden sollen. Da bei diesen Verfahren immer Lichtstrahlen unterbrochen werden, sind für Raumüberwachungen (z.B. für Roboter oder an autonomen Fahrzeugen) komplexe und teure Aufbauten mit Spiegeln oder Lichtleitern notwendig.

[0005] Die Beschreibung eines alternativen, auf dem bekannten Triangulationsprinzip beruhenden Verfahrens zur Überwachung von Systemen findet man in der EP-A-1 300 691. Gemäss dieser Schrift wird ein Muster von Lichtflecken auf einen Überwachungsbereich projiziert.

   Eine Empfangseinrichtung stellt fest, ob sich Lichtflecken von einem bestimmten Bereich weg verschoben haben, was auf die Anwesenheit eines Objekts hinweist. Nachteilig sind der grosse Aufwand an optischen Elementen für die Erzeugung eines Musters von Lichtflecken und die fehlende Möglichkeit, quantitative Aussagen über das Objekt machen zu können.

[0006] Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile bestehender Verfahren und Vorrichtungen überwindet und welche ermöglicht, dass mit optisch wenig komplexen Mitteln eine unter Umständen auch bei kleinen störenden Objekten zuverlässige Absicherung möglich ist.

   Das Verfahren und die Vorrichtung sollten vorzugsweise auch die quantitative Ermittlung von Eigenschaften der überwachten bzw. störenden Objekte ermöglichen.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.

[0008] Das erfindungsgemässe Verfahren benutzt das an sich bekannte Triangulationsprinzip, welches, vereinfacht gesagt, darauf beruht, dass die Position eines Lichtreflexes auf einem Objekt abhängig ist von dessen Abstand zum Betrachter, wenn die Richtung, aus welcher die Lichtquelle einstrahlt, von der Blickrichtung verschieden ist. Das Triangulationsprinzip wird hier so genutzt, dass es mit Verwendung von Komponenten wie bspw.

   Laser-Lichtquelle und Flächenbildsensor und von Bildverarbeitungstechniken, die auf entsprechenden Bildverarbeitungsrechnern laufen, kostengünstig implementierbar ist.

[0009] Unter "Licht" versteht man im Kontext dieser Schrift immer sowohl sichtbares Licht als auch elektromagnetische Strahlung im nicht-sichtbaren Bereich. "Bild" und "Bildverarbeitung" sind ebenso wenig auf im Sichtbaren gemachte Bilder beschränkt, es können ebenso Infrarotaufnahmen etc. sein.

[0010] Der Erfindung zu Grunde liegt ebenfalls der Gedanke, dass bei Überwachung mit Hilfe von Bildverarbeitungsmitteln quantitative Aussagen über das Objekt und seine 3D-Eigenschaften gemacht werden können. Dies beruht darauf, dass bei bekannten - oder durch einmalige, kameratypspezifsche Kalibrierung ermittelten - optischen Eigenschaften der Kamera eine Bildposition einem bestimmten Lichteinfallswinkel entspricht.

   Mit an sich von konventionellen Triangulationsverfahren her bekannten trigonometrischen Formeln kann eine Höhe des Objekts aus dem Einfallswinkel bestimmt werden. Gemäss einer Ausführungsform wird die durch den Bildflächensensor wahrgenommene Verschiebung des Lichtmusters daher quantitativ ausgewertet, wobei gemäss einer speziellen Ausführungsform die Beschränkung der Genauigkeit durch eine Pixelauflösung der Kamera überwunden wird, indem eine Sub-Pixel-Approximation durchgeführt wird.

[0011] Das erfindungsgesmässe Verfahren vermeidet Nachteile bestehender Systeme. So ist es optisch sehr einfach. Es müssen lediglich Mittel zum Erzeugen mindestens einer Lichtlinie - bspw. eines "Laserlichtmessers" - sowie ein Bildflächensensor, also bspw. eine Kamera, vorhanden sein. Eine aufwändige optische Justierung entfällt.

   Die an die Bilderfassung anschliessende Bildverarbeitung bedingt einen gewissen Aufwand an Elektronik und in der Programmierung. Dieser fällt aber bei einer grösseren Stückzahl nicht stark ins Gewicht, da Elektronikbauteile - im Gegensatz zu präzisen optischen Instrumenten - in grossen Mengen kostengünstig gefertigt werden können und insbesondere da kein aufwändiges Einrichten jedes einzelnen Standortes nötig ist.

[0012] Weiter ermöglicht der erfindungsgemässe Ansatz, dass neben einer blossen Detektion von Objekten auch das Erfassen von deren Eigenschaften möglich ist. Dazu wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform die Abweichung des Lichtmusters von einer Referenz quantitativ erfasst und damit eine Höheninformation gewonnen.

   Zusammen mit einer Geschwindigkeitsinformation - eine solche kann verfügbar sein, wenn der überwachte Raum bspw. über einem Förderband liegt - kann somit sogar das Volumen eines Objekts bestimmt werden. Damit eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten für die Überwachung von Maschinen. Die Erfindung ist also nicht beschränkt auf Systeme, in denen nur störende Objekte detektiert werden, deren Detektion ein Alarmsignal oder ein Abschalten einer Maschine bewirkt. Sie beinhaltet vielmehr auch die Möglichkeit, komplexe Überwachungs- oder sogar Sortierfunktionen wahrzunehmen.

[0013] Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung und deren Funktionsweise anhand einer Zeichnung schematisch dargestellt.
<tb>Die Fig. 1<sep>der Zeichnung zeigt ein Schema des Verfahrens.


  <tb>Die Fig. 2<sep>zeigt sehr schematisch das Grundprinzip der Triangulation.


  <tb>Die Fig. 3<sep>zeigt eine Illustration des Prinzips der Sub-Pixel-Approximation.

[0014] Fig. 1 zeigt schematisch eine zu überwachende Fläche 4. In der folgenden Beschreibung sei angenommen, dass ein Objekt 0 sich im zu überwachenden Raum, also auf der zu überwachenden Fläche 4 befinde. Von diesem Objekt soll eine 3-dimensionale Abbildung erzeugt werden, die dann im beschriebenen Beispiel zu einer Auslösung eines Alarms führt. Der zu überwachende Raum wird mit Hilfe eines "Laserlichtmessers" 1 als an sich gerade Lichtlinie beleuchtet, wobei die Lichtrichtung gegenüber der Kameraachse, die die Szene aufnimmt, verschoben sein muss.

   Das Lichtmesser durchschneidet bspw. im Wesentlichen die gesamte zu überwachende Fläche und ist bspw. nicht unterbrochen oder allenfalls nur durch kurze Abschnitte unterbrochen, so dass die Unterbrechungen im Total höchstens einen kleinen Bruchteil (bspw. einen Zehntel) der Gesamtbreite ausmachen. Damit wird sichergestellt, dass schmale und randständige Objekte nicht übersehen werden. Das "Lichtmesser" wird nun vom leeren Raum als Linie reflektiert. Befindet sich ein Objekt 0 im Raum, so wird diese Linie verändert.

[0015] Anstelle einer einzigen Lichtlinie können auch mehrere Lichtlinien verwendet werden, die parallel oder in irgendeiner Anordnung nicht parallel zueinander sind.

[0016] Das Verfahren funktioniert wie folgt:
 Ein Bildflächensensor 3 nimmt die Szene auf.

   Auf dieser Aufnahme ist auch das aus der Lichtlinie entstehende Lichtmuster 2 sichtbar.
 Das Signal des Bildflächensensors 3 wird in der Analog/Digital-Wandeleinheit 5 auf ein digitales Signal gewandelt und steht so den nachfolgenden Auswertungseinheiten als digitales Signal zur Verfügung.
 Die Bildauswertung 6 detektiert den Verlauf der Lichtlinie 2 im Bild und erstellt daraus in der oben dargelegten Art ein 3-D-Modell.
 Der Steuerrechner 7 erkennt die Situation.

[0017] Auf Basis dieser Veränderung kann der Steuerrechner 7 ein Alarmsignal 8 erzeugen. Das während der Alarmsituation erfasste Bild - aufgenommen durch den Bildflächensensor 3 oder allenfalls durch eine andere Kamera - kann ggf. zu Dokumentationszwecken abgespeichert werden. Ergänzend oder alternativ zum Alarmsignal kann die Höhe des Objekts in Abhängigkeit der seitlichen Position quantitativ ermittelt werden.

   In Fig. 2 wird das Prinzip der Triangulation sehr schematisch aufgezeigt. Durch die Anwesenheit des Objekts 0 wird der von einem Bildflächensensor 3 wahrgenommene Auftreffpunkt Ort des Lichtes im Vergleich zum Zustand ohne Objekt 0 (gestrichelte Linie) als verschoben wahrgenommen. Mit Hilfe trigonometrischer Formeln wird aus dem Einfallswinkel alpha  und dem Lichtauftreffwinkel beta  sowie dem bekannten Abstand der Kamera von der überwachten Ebene die Höhe des Objekts berechnet. Die konkreten (auch bei von der gezeichneten Konfiguration abweichenden Anordnungen) zu verwendenden Formeln sind aus der klassischen Triangulation bekannt und werden hier nicht noch einmal aufgeführt. Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass der Winkel alpha  aufgrund der Kameraoptik sich in einer Positionsverschiebung des Lichtmusters auf dem Bild äussert.

   Durch Bildverarbeitungmittel kann die Abweichung im Bild des Lichtmusters von der Referenz ermittelt, und aus dieser auf den Winkel alpha , bzw. wie dargelegt auf die Höhe des Objekts geschlossen werden.

[0018] Die Positionsverschiebung des Lichtmusters auf dem von der Kamera (also dem Bildflächensensor) aufgenommenen Bild kann bspw. ermittelt werden, indem ausgewertet wird, auf welche Bildpunkte (Pixel) das Lichtmuster abgebildet wird. Im Allgemeinen wird auch das Bild einer dünnen Linie nicht nur Signale in einer einzigen Reihe von Pixeln auslösen, sondern auch in benachbarten Pixeln. Dies kann ausgenutzt werden, um die Postition mit einer Auflösung zu bestimmen, die feiner ist als der "Pitch", also die durch den Pixelabstand gegebene Grösse. Dabei wird die Postion aller Pixel gemittelt, in denen ein Signal gemessen wird. Die Mittelung erfolgt gewichtet nach Signalstärke.

   Dies erfolgt bspw. über alle in einer Richtung (bspw. x-Richtung in einem x-y-kartesischen Koordinatensystem) nebeneinander liegenden Pixel, und zwar für alle Pixelreihen (also im Beispiel für alle y-Werte). Mit dem Verfahren kann eine präzise Positionsinformation in Sub-Pixel-Genauigkeit ermittelt werden, auch wenn das Muster nicht gerade auf die Mitte einer Pixelreihe abgebildet wird. Dies wird illustriert in Fig. 3, wo die Intensitäten 22 in Funktion der x-Position der Pixel 21 aufgetragen werden. Die tatsächliche, mit der Sub-Pixel-Approximation ermittelte Position 23 liegt nicht in der Mitte des Pixels mit dem höchsten Intensitätswert.

[0019] Ein Fehlen der Lichtlinie im Bild oder je nach dem gewählten Aufbau auch eine Verschiebung der ganzen Lichtlinie im Vergleich zur Referenz deutet auf eine fehlende Funktionsfähigkeit des Systems hin.

   In diesem Fall kann ein geeignetes Warnsignal und/oder eine Überprüfung ausgelöst werden. Im Gegensatz zu bekannten Überwachungssystemen ist also gemäss dem erfindungsgemässen Ansatz die Anwesenheit eines Objekts - als Alarmfall - von einem Systemausfall - als Störfall - unterscheidbar.

[0020] Falls genügend Licht vorhanden ist, ist die Linie 2 im Blickwinkel 4 des Bildflächensensors viel heller als alle anderen Objekte; in diesem Fall kann die Bildauswertung 6 durch einfaches Festlegen eines Schwellwerts erfolgen: ist das Signal grösser als dieser Schwellwert, so handelt es sich um die Lichtlinie 2, andernfalls ist es nicht Teil der Lichtlinie.

[0021] Nun soll diese Absicherungseinrichtung auch in unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen eingesetzt werden können. Sie muss also auch bei direkter Sonneneinstrahlung funktionieren.

   Damit dies der Fall ist, müsste die Lichtleistung der Lichtquelle 1 so stark erhöht werden, dass das Auge eines Menschen bei direkter Einstrahlung Schaden nehmen könnte. Durch verschiedene Massnahmen kann die Lichtleistung so stark reduziert werden, dass sie für den Menschen ungefährlich wird, ohne dabei die Funktionsweise des Systems zu gefährden. In Folgendem sollen diese Massnahmen näher erläutert werden:
 Die Sonne strahlt über ein grosses Frequenzspektrum. Laserlichtquellen, wie sie sinnvollerweise als Lichtquelle 1 eingesetzt werden, sind monochrom. Durch den Einsatz eines optischen Filters 9 vor der Kamera, das auf den Frequenzbereich des Lasers abgestimmt ist, kann der grösste Anteil des Sonnenlichtes, oder anderer Beleuchtung, unterdrückt werden. (Bemerkung: Es können sowohl Laser im sichtbaren und im unsichtbaren Bereich eingesetzt werden.

   Die Auswahl ist von der Anwendung abhängig; soll der gefährdete Raum sichtbar sein (z.B. Maschinenabsicherung) oder soll er unsichtbar sein (z.B. Zugangsabsicherung)).
 Die Lichtquelle 1 kann meistens gepulst werden; dabei kann sie für eine kurze Zeitdauer das 100- oder 1000fache der kontinuierlichen Leistung betragen. Gleichzeitig verfügen moderne Kameras über einen elektronischen Schutter. Dieser kann mit dem Lichtimpuls synchronisiert werden. In Fig. 1 steuert der Steuerrechner 7 über die Leitung 10 die Lichtquelle und über Leitung 11 den Schutter der Kamera.
 Trotz obiger Massnahme können im Bild immer noch helle Lichtbereiche entstehen, z.B. durch direkte Scheinwerfereinstrahlung in den Aufnahmebereich der Kamera 4.

   Um diese Störsignale zu unterdrücken kann ein Bild, ohne das die Lichtquelle 1 eingeschaltet ist, aufgenommen werden und in einem Bildspeicher 12 zwischengespeichert werden. Anschliessend erfolgt eine Aufnahme mit eingeschalteter Lichtquelle. Diese wird durch den Vergleicher 13 mit dem abgespeicherten Bild verglichen (z.B. durch Differenzbildung). Dadurch lassen sich langsam ändernde starke Lichter im Aufnahmebereich 4 unterdrücken. Die Aufnahme des Bildes bei ausgeschalteter Lichtquelle kann einmal am Anfang eines Arbeitszyklus oder laufend - abwechslungsweise mit Beleuchtungsperioden - geschehen.

[0022] In der einfachsten Ausführung kann die hier beschriebene Vorrichtung zur Detektion einer Veränderung und damit zur einfachen Maschinenabsicherung eingesetzt werden.

   Das System kann geeicht werden; damit kann aus der Verschiebung der Lichtlinie 2 im Bild direkt die Höhe des Objekts 0 berechnet werden. Bei bekannter geometrischer Anordnung kann auch die Höhe des Aufnahmesystems berechnet werden.

[0023] Bewegt sich das Objekt 0 mit bekannter Geschwindigkeit (z.B. auf Förderband für Teile oder Menschen), so kann mit diesem Verfahren auch das Volumen des Objekts 0 abgeschätzt werden. Unter Umständen kann die Bildverarbeitungseinrichtung auch in Ergänzung zu Obigem mit Mitteln zum Festlegen einer Objektsgeschwindigkeit versehen sein. In der in Fig. 1 gezeichneten Anordnung kann die Förderung des Objekts bspw. in einer die Fläche 4 beinhaltenden Ebene und in Richtung ungefähr senkrecht zur Richtung des Lichtmessers geschehen.

   Die Ermittlung des Volumens kann in den Bildverarbeitungsmitteln selbst oder in einem Steuer- und/oder Auswertungsrechner erfolgen.

[0024] Typische Anwendungsgebiete des vorgestellten Verfahrens sind:
 Absicherung von Maschinen
 Überwachung (zum Zwecke der Steuerung) von Zugangssystemen (z.B. Türen)
 Überwachung von Bereichen mit Menschenströmen, auch zur Vornahme von Zählungen (Kaufhäuser, Verkehrsanlagen, öffentliche Verkehrsmittel (Tram, Zug, Bus))
Elektronische Vorraumüberwachung von (autonomen) Fahrzeugen, mit dem Vorteil gegenüber mechanischen Systemen, dass das Fahrzeug gestoppt wird, bevor es das Objekt (z.B. Mensch) mechanisch berührt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Absicherung und/oder Überwachung von Systemen, wobei - eine Lichtquelle (1) aus einer Beleuchtungsrichtung mindestens eine Lichtlinie auf eine zu überwachende Fläche (4) projiziert, wodurch ein Lichtmuster (2) entsteht - das Lichtmuster (2) mindestens teilweise aus einer von der Beleuchtungsrichtung verschiedenen Richtung durch einen Bildflächensensor (3) erfasst wird, wodurch ein Kamerasignal erzeugt wird, - das Kamerasignal anschliessend einer Bildverarbeitungseinrichtung (6) zugeführt wird, - und die Bildverarbeitungseinrichtung (6) die Abweichung des Lichtmusters (2) von einer Referenz ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (1) eine monochrome Lichtquelle eingesetzt wird und vor dem Bildflächensensor (3) ein optisches Bandpassfilter (9) für die Frequenz der monochromen Lichtquelle zum Einsatz kommt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle gepulst wird und der Zeitpunkt der Auslösung der Pulsung durch einen Steuerrechner (7) über eine Steuerung (10) der Lichtquelle (1) erfolgt und dass gleichzeitig nur während diesem Zeitpunkt die Bildaufnahme des Bildflächensensors (3) eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild ohne Einschaltung der Lichtquelle (1) aufgenommen wird und zwischengespeichert wird und dieses Bild mit einem Bild mit Beleuchtung durch die Lichtquelle (1) verglichen wird und dieses Signal der Bildverarbeitungseinrichtung (6) weitergegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des Lichtmusters (2) von der Referenz quantitativ berechnet wird, wodurch Rückschlüsse auf die Höhe mindestens eines sich auf der zu überwachenden Fläche befindlichen Objekts (0) gemacht werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildflächensensor (3) Daten in einem Pixelformat erfasst, dass zur Bestimmung der Abweichung ein über mindestens zwei Pixel gewichteter Mittelwert gebildet wird und dass die Abweichung des Lichtmusters (2) von der Referenz in einer Sub-Pixel-Approximation ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Bewegung eines sich im Überwachungsbereich befindlichen Objekts (0) erfasst wird und anhand der Höhe und der Bewegung des Objekts (0) das Volumen des Objekts abgeschätzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Bildverarbeitungseinrichtung (6) ermitteltes Resultat einem Steuerrechner (7) zugeführt wird und dieser bei Abweichungen von einer vorgegebenen Norm ein Gefahrensignal erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Alarmfall ein - bspw. durch den Bildflächensensor erfasstes - Bild zu Dokumentationszwecken abgespeichert wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlender Sichtbarkeit des ganzen Lichtmusters eine Überprüfung eines abgesicherten und/oder überwachten Systems ausgelöst wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Absichern von Maschinen eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Überwachung von Zugangssystemen, z.B. Türen, eingesetzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass damit Menschenströme, z.B. in Kaufhäusern oder beim Zugang in Zügen oder Bahnhöfen, überwacht werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass damit der Vorraum von Fahrzeugen überwacht wird.

15. Vorrichtung zur Absicherung und/oder Überwachung von Systemen, aufweisend eine Lichtquelle mit Mitteln zum Projizieren mindestens einer Lichtlinie auf eine zu überwachende Fläche, einen Bildflächensensor (3) zum Überwachen der Fläche, eine mit dem Bildflächensensor (3) verbundene Bildverarbeitungseinrichtung (6) und Mittel zum Auswerten eines durch den Bildflächensensor erfassten und durch die Bildverarbeitungseinrichtung verarbeiteten Kamerasignales, dergestalt, dass die Abweichung eines durch die mindestens eine Lichtlinie gebildeten Lichtmusters (2) von einer Referenz quantitativ ermittelbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, auf weisend einen mit der Bildverarbeitungseinrichtung (6) verbundenen Steuerrechner (7), welcher so programmierbar ist, dass diese Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14 aktiviert werden kann.