DE10055689A1 - Testbares Triangulationslichtgitter - Google Patents
Testbares TriangulationslichtgitterInfo
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Abstract
Optisches Lichtgitter für Sicherheitsanwendungen, das im Gegensatz zu Einweg-Lichtgittern auf eine diffus reflektierende Detektionsfläche arbeitet.
Description
Die Erfindung beschreibt einen statisch arbeitenden, aktiven, optischen Sensor, der eine
oder mehrere Sicherheitsflächen in Form eines oder mehrerer Lichtgitter aufspannt und
eindringende Objekte erkennt. Dieser Sensor kann feststehend oder mitfahrend montiert
und eingesetzt werden und benötigt gegenüber dem Sensor eine Fläche (z. B. Wand
oder Boden) in gleichbleibender Entfernung, wobei diese Fläche einen diffusen
Reflexionsanteil haben sollte. Damit dieser Sensor in Sicherheitsbereichen eingesetzt
werden kann, ist er in seiner Struktur so aufgebaut, daß er selbst überwachend und
testbar betrieben werden kann. Einige typische Einsatzbereiche sind:
- - Auffahr- und Kollisionsschutz bei automatischen Transportsystemen.
- - Absicherung von automatischen Schiebetüren.
- - Absicherung von Drehtüren und Karusselltüren.
- - Detektion von Objekten oder Personen ab einer vorgegebenen Höhe.
- - Als Nebenprodukt sind Objekt- und Personenzählungen möglich.
- - Als Nebenprodukt kann bei detektierten Objekten oder Personen die Bewegungsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
Am Beispiel einer Karusselltür sollen die Vorzüge der vorgeschlagenen Lösungsvariante
gegenüber anderen Verfahren dargestellt werden.
Bei einer Karusselltür sind die gefährlichen Bereiche der Spalt zwischen Boden und
Drehflügel sowie der Spalt zwischen Drehflügel und seitlichen Wandbegrenzungen. Der
Motor wird fast immer mit einer Kraftbegrenzung versehen; diese Maßnahme schützt
aber nicht sicher vor Unfällen, da der mechanische Impuls der bewegten Tür groß genug
ist, dass beispielsweise ein eingeklemmter Finger verletzt werden kann. Aus diesen
Gründen sind zur Zeit Normen in Vorbereitung, die eine zusätzliche Schutzmaßnahme
mit berührungslosen Sensoren vorsehen. Ein idealer Sensor sollte folgende
Eigenschaften haben:
- - Alle Anforderungen sollten möglichst von einem Sensor erfüllt werden.
- - Der Sensor sollte in Bereichen montierbar sein, die nicht verschmutzen.
- - Der Sensor sollte vandalismussicher sein (Überkopfmontage).
- - Von externen Beleuchtungsquellen sollte man unabhängig sein.
- - Bei der Anwendung "Kollisionsschutz" dürfen sich baugleiche Geräte nicht stören.
- - Der Sensor sollte sich selbst überwachen bzw. testbar sein.
- - Bodenverschmutzungen dürfen die Funktion nicht beeinflussen.
- - Der Sensor sollte statisch arbeiten.
- - Es müssen stehende und bewegte Objekte und Personen erfasst werden.
- - Der Sensor sollte berührungslos arbeiten.
- - Das Überwachungsfeld muß exakt definiert werden können.
- - Objekte müssen unabhängig von ihren Oberflächeneigenschaften immer erkannt werden.
- - Der Sensor sollte zwei Sicherheitsfächer aufspannen, um die neuen Normvorschläge für Dreh- und Karusselltüren zu erfüllen.
- - Mechanische Kraftbegrenzungen verhindern schwere Unfälle, der Impuls der bewegten Tür kann weiterhin zu leichten Verletzungen (Quetschungen) führen.
- - Mechanische Berührungssensoren wie z. B. Gummipuffer müßten sehr dick sein, um den Bremsweg der Tür abzufangen. Es gibt Nachteile in den Bereichen Vandalismusschutz und Design. Diese Lösung ist auch nicht besonders preiswert. Zusätzliche Schutzfelder, die etwas weiter von der Tür entfernt sind, können nicht realisiert werden. Solche Schutzfelder benötigt man zur frühzeitigen Reduzierung der Umdrehungsgeschwindigkeit, d. h. ein Notstop sollte der Ausnahmefall bleiben.
- - Passive Kamerasysteme (Stereo-Aufnahmeverfahren) benötigen auf alle Fälle eine ausreichende Beleuchtung. Diese Systeme kommen der idealen Lösung recht nahe; sie sind aber relativ empfindlich gegenüber Einspiegelungen externer Lichtquellen, was vor allem bei der bewegten Montage kritisch ist. Ein zusätzlicher Nachteil ist die Form des Schutzfeldes; das Schutzfeld hat systembedingt eine dreieckige Form. Für die obengenannte Anwendung ist aber ein rechteckiges Schutzfeld notwendig.
- - Radargeräte (Dopplerprinzip) sind für bewegte Montagen nicht geeignet, die Detektionsfläche läßt sich nicht exakt einstellen; baugleiche Geräte stören sich gegenseitig.
- - Passiv Infrarot-Sensoren sind für mitfahrende Montage nicht geeignet; schnelle Temperaturwechsel bei Karusselltüren (Innentemperatur, Außentemperatur) führen auch zu Fehlschaltungen. Objekte, die sich der Umgebungstemperatur angepaßt haben, werden nicht erkannt. Das Tastfeld läßt sich nicht exakt einstellen. Die Schaltgeschwindigkeit ist zu gering.
- - Mechanisch einstellbare Triangulationstaster, die nebeneinander in einem Profilgehäuse angeordnet sind und gleichzeitig als "Überkopfsensor" in der Betriebsart "Hintergrundauswertung" arbeiten, wären aus technischer Sicht als Lösung prinzipiell geeignet. Taster in dieser Betriebsart, die bewegt betrieben werden, reagieren manchmal mit Fehlsignalen, wenn der Boden gemustert ist und gleichzeitig starke Kontrastsprünge aufweist. Dieses Fehlverhalten kann nicht so einfach herausgerechnet werden, da die notwendigen Daten von diesem Sensortyp nicht geliefert werden. Diese Lösung ist teuer und die Montage ist sehr umständlich, da jeder Taster nach der Montage individuell auf die entsprechende Höhe abgeglichen werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lösung zu erarbeiten, die Nachteile der gegenwärtig
standardmäßig im Einsatz befindlichen Schutz- und Detektionseinrichtungen überwindet,
d. h. es soll ein neuer Sicherheitssensor vorgestellt werden, der möglichst alle
Eigenschaften des vorher beschriebenen "idealen Sensors" in sich vereinigt.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung beschrieben werden. In der Abb. 1
ist die typische Komponentenanordnung für zwei Lichtfächer dargestellt; für die
Minimalkonfiguration reicht ein Lichtfächer aus. Die beiden Zeilenbildsensoren (4)
betrachten jeweils über das/die optischen Systeme (2) einen linienförmigen Bereich
z. B. auf dem Boden; diese beiden Bereiche sind (wie in Abb. 2 Detail 4A, 4B dargestellt)
nebeneinander angeordnet, um eine Fläche zu überwachen. Der Rechner (6) steuert
über Treiber (7) die Lichtsender (3) an, welche ihre Leuchtfläche über optische Systeme
(1) auf den Boden abbilden. Für ein Minimalsystem werden mindestens zwei dieser
Senderbaugruppen (1, 3) benötigt. Das vom Boden reflektierte Licht wird über die
optischen Weitwinkelsysteme (2) auf den beiden Zeilenbildsensoren (4) abgebildet.
Diese beiden Zeilenbildsensoren (4) können sich auch in einem Gehäuse (z. B. Flächen-
Bildsensoren) befinden; es wäre dann nur ein Weitwinkelsystem (2) notwendig. Da aber
eine hohe Auflösung benötigt wird, ist es häufig aus rein wirtschaftlichen Gründen
sinnvoll zwei oder mehrere hochauflösende Zeilenbildsensoren zu verwenden. Diese
Zeilenbildsensoren (4) werden von der CPU (6) angesteuert. Die Bilddaten werden aus
den Zeilenbildsensoren (4) in einen Analog/Digitalwandler (5) übertragen, der die
digitalen Daten zur weiteren Speicherung und Verarbeitung an die CPU (6) übergibt.
Über den Testeingang (8) kann als Option ein gezielter Geräte Selbsttest ausgelöst
werden. Der Ausgang (9) meldet ein detektiertes Objekt, er muß für
Sicherheitsanwendungen geeignet sein. Über die Kommunikationseinheit (10) können
verschiedene Sensorparameter eingestellt werden.
In der Abb. 2 werden zum besseren Verständnis für zwei Sicherheitsfächer die
Empfindlichkeits - und Abbildungsbereiche auf dem Boden (11) beispielhaft dargestellt.
Die beiden Zeilenbildsensoren (4A, 4B) sind nebeneinander angeordnet; symbolisch sind
hier auch die einzelnen Bildpixel der Zeilenbildsensoren dargestellt. Eine hohe
Bildauflösung ist erforderlich, da im weiteren Verfahren die örtlichen Positionen der
Senderabbildungen (1) möglichst genau ermittelt werden müssen. Die
Senderabbildungen können für jeden Fächer getrennt erzeugt werden; wenn die
Lichtfächer nahe beieinander liegen, können über spezielle Sender-Abbildungsoptiken
einzelne Senderbaugruppen für zwei oder mehrere Lichtfächer gemeinsam verwendet
werden.
Mit Hilfe der Abb. 3 soll das Auswerteverfahren erklärt werden. Die Lichtsender (3)
bilden mit den optischen Abbildungssystemen (1) eine Einheit - die Senderbaugruppe
(1, 3). Diese Senderbaugruppen sind in einem länglichen Gehäuse untergebracht,
welches an die Detektionsfeldbreite angepasst ist. Die optischen Systeme der
Senderbaugruppen sind so justiert, dass die Senderabbildungen auf dem Boden (11)
möglichst scharf sind. Anhand der eingezeichneten Strahlengänge in Abb. 3 kann man
erkennen, dass jede Senderabbildung auf dem Boden eine andere Abbildungsposition
auf den Zeilenbildsensoren (4) hat. Diese Abbildungspositionen auf den
Zeilenbildsensoren bleiben auch bei bewegtem Gesamtsensor unverändert, wenn sich
am Abstand Gesamtsensor 1 Boden nichts verändert. Nach der Montage des
Gesamtsensors werden diese Abbildungspositionen auf den beiden Zeilenbildsensoren
(4) genau ermittelt und im Sensor dauerhaft abgespeichert (Referenz-Positionsdaten).
Eine rein farbliche Veränderung des Bodens ändert an den Sender-Abbildungspositionen
auf den beiden Zeilenbildsensoren nichts.
Ein in das Lichtgitter eintauchendes Objekt kann zu drei grundsätzlich verschiedenen
Detektionsfällen führen:
- 1. Das Objekt absorbiert die Senderstrahlung so stark, dass auf dem Zeilenbildsensor diese Senderabbildung nicht mehr erkannt werden kann.
- 2. Das Objekt reflektiert die Senderstrahlung von der Weitwinkeloptik (2) weg, so daß auch jetzt auf dem Zeilenbildsensor diese Senderabbildung nicht mehr erkannt werden kann.
- 3. Das Objekt reflektiert die Senderstrahlung ganz oder teilweise diffus, jetzt kann der Zeilenbildsensor im Regelfall diese Senderabbildung auf dem Objekt erkennen; auf alle Fälle befindet sich diese neue Senderabbildung an einer anderen Position auf dem Zeilenbildsensor.
Alle diese drei Fälle kann man sicher detektieren, wenn der Gesamtsensor als
Schaltkriterium den Zustand zugrundelegt, in dem die Positionen der vorher dauerhaft
abgespeicherten Senderabbildungen auf dem oder den Zeilenbildsensoren (nach der
Montage bei freiem Überwachungsfeld) nicht mehr alle wiedergefunden werden. Für
dieses Verfahren wird häufig die Bezeichnung "Triangulations-Verfahren kombiniert mit
Hintergrundauswertung verwendet.
An der Beschreibung des Auswerteverfahrens erkennt man, dass eigentlich ein
Zeilenbildsensor zur Detektion eines eintauchenden Objektes ausreichen würde. Der
zweite Zeilenbildsensor ermöglicht die Überwachung eines Feldes; diese schmalen
Überwachungsfelder werden in den neuen Sicherheitsnormen für Dreh - und
Karusselltüren vorgeschrieben, deshalb erfolgt die Beschreibung des Auswerteverfahrens
am Beispiel von zwei Sicherheitsfächern. Im Testfall wird kurz hintereinander ein
Doppelbild (zwei Zeilenbildsensoren) mit Senderbeleuchtung und dann gleich ein
Doppelbild ohne Senderbeleuchtung aufgenommen und abgespeichert. Nach der
Differenzbildung beider Doppelbilder bleibt als Ergebnis ein neues Doppelbild übrig, auf
dem nur noch die Positionen der Senderabbildungen sichtbar sind. Wenn bei diesem
letzten Doppelbild alle Senderabbildungen auf den Zeilenbildsensoren wiedergefunden
werden und die Positionen dieser Senderabbildungen mit den nach der Sensormontage
dauerhaft abgespeicherten Referenz-Positionsdaten übereinstimmen, dann kann man
sicher sein, dass beide Zeilenbildsensoren und alle Sender funktionieren.
1
Optisches System, welches den Sender (
3
) auf der Reflexionsfläche (z. B. Boden) so
abbildet, dass diese Abbildung von beiden Zeilenbildsensoren (
4
) gesehen wird.
2
Optisches Weitwinkelsystem
3
Optischer Sender, der im Impulsbetrieb eingesetzt werden kann.
4
Zeilenbildsensoren
5
Analog/Digital Wandler
6
CPU mit einem im Betrieb veränderbaren Speicherbereich, der auch bei
Spannungsabschaltung seine Daten behält.
7
Senderansteuerung (Treiber)
8
Testeingang (Option)
9
Ausgang, der für die jeweils vorgeschriebene Sicherheitsklasse zugelassen ist.
10
Kommunikationseinheit, über die Sensorparameter verändert bzw. angezeigt werden
können.
1
Senderabbildungen auf dem Boden
4
Projektion der Zeilenbild-Sensoren auf den Boden
1
Optisches System zur Sender-Abbildung
2
Optisches Weitwinkelsystem für ein oder mehrere Zeilenbild-Sensoren
3
Lichtsender
4
Ein oder mehrere Zeilenbild-Sensoren
Claims (15)
1. Ein optisches, aktives Triangulationslichtgitter, das eine oder mehrere
Sicherheitsflächen in Form eines oder mehrerer Lichtgitter aufspannt und
eindringende Objekte ab einer bestimmbaren Höhe erkennt, in der
Minimalausführung ist die Komponentenanordnung dieses Sensors dadurch
gekennzeichnet, dass jede Senderabbildung (mindestens zwei) auf der
Detektionsfläche von einem Zeilenbildsensor empfangen wird, wobei die Positionen
dieser Senderabbildungen auf dem Zeilenbildsensor durch ein Differenzbildverfahren
(mit und ohne gepulste Senderbeleuchtung) gewonnen wird und diese hierbei
gewonnenen Positionsdaten zur Objekt-Detektion mit den bei der Montage dauerhaft
abgespeicherten Referenz-Positionsdaten verglichen werden, wobei ein erkanntes
"freies Detektionsfeld" gleichzeitig eine Überprüfung der Sensorfunktion im laufenden
Betrieb (oder auf Anforderung) beinhaltet, im erkannten Fehlerfall wird dies über
einen fehlersicheren Ausgang gemeldet oder der reguläre Sicherheits-Schaltausgang
wird in einen sicheren Schaftzustand gebracht.
2. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass die vielen Senderabbildungen aus wenigen Strahlungsquellen
durch optische Strahlaufteilung erzeugt werden.
3. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensor über eine drahtlose oder eine drahtgebundene
Kommunikationsschnittstelle zur Parametereinstellung verfügt.
4. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur
Überwachung von Flächen zwei oder mehrere Sicherheitsflächen
(Überwachungsflächen) aufgespannt werden.
5. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die im
Auswerteverfahren anfallenden Daten gleichzeitig auch zur Objektzählung,
Geschwindigkeitsmessung und zur Erkennung von Bewegungsrichtungen verarbeitet
werden.
6. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass über einen Testeingang ein extern angeforderter Prüfvorgang
eingeleitet wird.
7. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur
Empfindlichkeitssteigerung vor den Weitwinkelobjektiven oder vor den
Zeilenbildsensoren ein optisches Filter angebracht ist, dessen Durchlaßcharakteristik
an die Abstrahlcharakteristik der Sender angepaßt ist.
8. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den gepulsten Senderbetätigungen mit
einer Rauschfunktion variiert werden und eine Objektdetektion erst nach mehreren
ununterbrochenen Objektdetektionen gemeldet wird, damit sich baugleiche Geräte
gegenseitig nicht stören können.
9. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass einzelne oder mehrere Senderbaugruppen auch schräg und
nicht nur rechtwinklig aus dem Sensorgehäuse herausstrahlen.
10. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche in mehrere Teilflächen aufgeteilt wird,
wobei ein eindringendes Objekt über verschiede, den Teilflächen zugeordnete,
Ausgänge gemeldet werden kann.
11. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass jeder
Detektionsfläche ein entsprechender Schaltausgang zugeordnet ist.
12. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, daß es Detektionsdaten über genormte Bussysteme ausgibt.
13. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch (1, 2, 4, 9, 10, 11, 12, 14) dadurch
gekennzeichnet, dass es die Bilddaten der Zeilenbildsensoren über drahtgebundene
oder drahtlose Schnittstellen an ein bilderzeugendes Gerät ausgibt, damit die
Geräteeinstellung vor Ort vereinfacht werden kann.
14. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass es in seinem Programmspeicher mehrere optimierte Kunden-
Geräteeinstellungen bereitstellt, die dann durch einfache Auswahl aktiviert werden.
15. Ein Triangulationslichtgitter gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, dass einzelne Senderbaugruppen im Gehäuse des Gesamtsensors
verschoben werden können, um kritische Kanten oder andere Bereiche im Bereich
oder am Rand der Sicherheitsfläche(n) gezielt überwachen zu können.
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DE10055689A DE10055689B4 (de) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | Verfahren zum Betrieb eines optischen Triangulationslichtgitters |
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ID=7662793
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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