DE102009020169A1

DE102009020169A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verfolgen und/oder Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement

Info

Publication number: DE102009020169A1
Application number: DE102009020169A
Authority: DE
Inventors: Simon Voigt; Florian Rothfuss
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verfolgen und/oder Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement (R, R, R) mit elektromagnetischen Strahlen (S, S, S), bei dem von zumindest einem Emitter (12) wenigstens ein elektromagnetischer Strahl (S) emittiert wird, bei dem der emittierte elektromagnetische Strahl (S) von dem zumindest einen Zielelement (R, R, R) mit zumindest einem Reflektor (17) reflektiert wird, bei dem der zumindest eine reflektierte elektromagnetische Strahl (S) von zumindest einem Detektor (18) erfasst wird und daraus ermittelte Signale an eine Auswerteeinrichtung (19) weitergeleitet werden, wobei zur Verfolgung und/oder Überwachung eines ersten bewegten Zielelementes (R) ein elektromagnetischer Strahl (S) mit einer charakteristischen Wellenlänge (W) ausgestrahlt wird, welcher eine Wellenlänge (W) aufweist, die von dem ersten Zielelement (R) reflektiert wird, zum Verfolgen und/oder Überwachen eines zweiten oder weiteren Zielelementes (S) oder (S) ein elektromagnetischer Strahl (Soder S) mit einer charakteristischen Wellenlänge Woder Wausgestrahlt wird, welche eine Wellenlänge (Woder W) aufweist, die von dem zweiten oder n-ten Zielelement (Roder R) reflektiert wird und der jeweilige elektromagnetische Strahl (S, S, S) jeweils mit einem Identifikationsmuster (I, I, I) gekoppelt und als identifizierbarer Strahl (S, S, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verfolgen und/oder Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement mit elektromagnetischen Strahlungen.
Es sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Verfolgen und Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement mit elektromagnetischer Strahlung bekannt geworden, die als sogenannte Tracking-Systeme bezeichnet werden. Solche Tracking-Systeme werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, wie beispielsweise in der Sicherheitstechnik zur Überwachung von Personen in Gebäuden, in der Logistik zum Verfolgen von Waren mit einer Identifikation, bei ergonomischen Untersuchungen zur Überwachung von Bewegungsabläufen und deren Erreichbarkeiten sowie bei vielen Interaktionen mit Rechnern als auch bei der Realvorlage für Bewegungen und Bewegungsmodellen im Bereich der Motion Capture Systeme.
Bei solchen Tracking-Verfahren werden neben mechanischen, elektromagnetischen, akustischen und funkbasierten Systemen auch Netzwerkverfahren und satellitengestützte Verfahren eingesetzt. Darüber hinaus werden auch optische Verfahren verwendet. Diese optischen Verfahren können in aktive und passive optische Verfahren gegliedert werden.
Aus der EP 951 697 B1 ist ein solches aktives optisches Verfahren bekannt geworden. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass an dem zu scannenden Objekt beziehungsweise dem bewegten Zielelement ein aktiver Sender vorgesehen ist, der durch Aussendung einer Lichtstrahlung zum Empfänger sendet, um das Tracking beziehungsweise Verfolgen und Überwachen zu ermöglichen. Ebenso kann bei aktiven optischen Verfahren auch vorgesehen sein, dass das zu trackende beziehungsweise zu verfolgende und überwachende Objekt einen Empfänger, wie beispielsweise eine IR-Kamera, beinhaltet und durch einen Sender das zu trackende Objekt zu seiner Position aktiv bestimmt. Diese aktiven optischen Sender beziehungsweise Zielelemente weisen den Nachteil auf, dass diese nur für bestimmte Anwendungen geeignet sind. Darüber hinaus ist erforderlich, dass die Sender mit der benötigten Energie versorgt werden. Dadurch werden diese schwer und in der Größe unhandlich. Des Weiteren sind zum Teil mehrfach benötigte Emitter für ein Zielelement erforderlich, um eine Identifikation zu ermöglichen.
Darüber hinaus sind bereits sogenannte passive optische Verfahren zum Verfolgen und Überwachen bekannt geworden. Diese besitzen erkennbare Elemente, Zeichen oder Muster und Reflektoren. Solche Zielelemente werden mit unpolarisiertem Licht beaufschlagt. Dadurch kann die unterschiedlich polarisierte Strahlung an den Detektor zurück reflektiert werden. Diese passiven optischen Verfahren sind jedoch bei einer Vielzahl von Zielelementen bezüglich deren jeweiligen Identifikation problematisch, da die Möglichkeit einer bestimmten Polarisierung und deren eindeutige Identifikation nur begrenzt oder nicht gegeben ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verfolgen und/oder Überwachen von zumindest einem beweglichen Zielelement mit elektromagnetischer Strahlung vorzuschlagen, wodurch eine eindeutige Identifikation des verfolgten und/oder überwachten Zielelementes beim Einsatz von mehreren bewegten Zielelementen ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Verfolgen und/oder Überwachen eines ersten bewegten Zielelementes R₁ ein elektromagnetischer Strahl S₁ mit einer vorbestimmten beziehungsweise charakteristischen Wellenlänge W₁ ausgestrahlt wird, welcher eine Wellenlänge W₁ aufweist, die von dem ersten Zielelement R1 reflektiert wird, und dass zur Verfolgung und/oder Überwachung eines zweiten oder weiteren Zielelementes R₂ ein elektromagnetischer Strahl S₂ mit einer vorbestimmten Wellenlänge W₂ oder W_n ausgestrahlt wird, welcher eine Wellenlänge W₂ oder W_n aufweist, die nur von dem zweiten oder n-ten Zielelement R₂ oder R_n reflektiert wird, und dass der jeweilige elektromagnetische Strahl S₁, S₂, S_n mit jeweils einem Identifikationsmuster I₁, I₂, I_n gekoppelt und als identifizierbarer Strahl ausgegeben wird.
Durch die Anpassung der Wellenlänge des elektromagnetischen Strahles an das jeweilige Zielelement und die Überlagerung oder Koppelung des jeweiligen elektromagnetischen Strahles mit einem zusätzlichen Identifikationsmuster kann erzielt werden, dass der zumindest eine Detektor zumindest das reflektierte Identifikationsmuster erkennen und die daraus die resultierenden Bewegungsdaten erfassen sowie dem entsprechenden Zielelement zuordnen kann, da das jeweilige Identifikationsmuster nur von dem einen Zielelement reflektiert werden kann und das Zielelement aufgrund der Anpassung der charakteristischen Wellenlänge vor dem Aussenden der elektromagnetischen Strahlung bekannt ist.
Alternativ kann durch die Überlagerung oder Kopplung des Identifikationsmusters auch ermöglicht sein, dass der elektromagnetische Strahl erfasst und durch das Identifikationsmuster eine eindeutige Identifikation des reflektierten elektromagnetischen Strahles ermöglicht wird. Durch die charakteristischen Wellenlängen des reflektierten elektromag netischen Strahles wiederum ist bekannt, von welchem Zielelement der elektromagnetische Strahl reflektiert wurde, das heißt, welches Zielelement verfolgt und/oder überwacht wurde.
Die Auswahl der vorbestimmten oder charakteristischen Wellenlänge, die auf das anzustrahlende Zielelement angepasst wird, bewirkt also, dass jeweils ein bestimmtes Zielelement verfolgt und überwacht werden kann. Dadurch kann der Detektor bei der Erfassung des Identifikationsmusters die Zuordnung zu dem Zielelement durchführen, so dass für den Detektor eindeutig ist, welches Zielelement überwacht wird und welchen Weg es durchläuft.
Durch die Aussendung von elektromagnetischen Strahlen mit jeweils charakteristischen Wellenlängen, die voneinander abweichen, wird des Weiteren ermöglicht, dass ein sogenannter Cross-Talk vermieden wird. Unerwünschte Überlagerungen, die die Auswertung verfälschen würden, können somit unterbunden werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Strahl S₁, S₂, S_n jeweils vor dem Aussenden mit einem für die jeweiligen Wellenlänge W₁, W₂, W_n charakteristischen Modulationsmuster M₁, M₂, M_n als Identifikationsmuster I₁, I₂, I_n moduliert wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens weist den Vorteil auf, dass eine charakteristische Größe der elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit eines zu übertragenden Signals verändert wird. Somit kann eine einfache Unterscheidung und Zuordnung durch das Modulationsmuster zur Identifizierung des jeweiligen elektromagnetischen Strahls mit einer charakteristischen Wellenlänge und dem zu verfolgenden und/oder überwachenden Zielelement ermöglicht sein.
Beim Einsatz eines solchen Modulationsmusters als Identifikationsmuster wird bevorzugt der elektromagnetische Strahl mit der jeweiligen Wellenlänge jeweils durch eine charakteristische Pulsmodulation angeregt. Dadurch erfolgt die Identifikation durch eine vorbestimmte Folge von Impulsen, so dass jede Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung mit einer entsprechenden Impulsfrequenz angeregt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass durch die Auswahl der Reflektionseigenschaften des jeweiligen Zielelementes und die Anpassung der Wellenlänge der jeweiligen elektromagnetischen Strahlen an die Reflektionseigenschaft des zu verfolgenden und überwachenden Zielelementes eine exakte Zuordnung des überwachten Zielelementes ermöglicht ist.
Durch die Auswahl der Reflektionseigenschaften kann auch bestimmt werden, in welchem Umfang der elektromagnetische Strahl reflektiert wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Wellenlänge des elektromagnetischen Strahles und des Identifikationsmusters reflektiert und detektiert werden oder dass nur das Identifikationsmuster reflektiert wird oder dass keine Reflexion detektiert wird, wenn die eingehende Wellenlänge des Strahls nicht zum Reflektor passt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass durch den Detektor zumindest das Modulationsmuster, insbesondere die Pulsmodulation, erfasst wird. Diese Auswertung ermöglicht, dass allein aufgrund der Zuordnung der charakteristischen Wellenlänge des elektromagnetischen Strahles zum Modulationsmuster bekannt ist und von welchem zu überwachenden Zielelement das erfasste Modulationsmuster reflektiert wurde. Ausgehend davon kann eine Zuordnung für die Erfassung der Bewegungskoordinaten zum Verfolgen und/oder Überwachen des Zielelementes ermöglicht sein. Insbesondere ist diese Ausgestaltung von Vorteil, wenn sehr kostengünstige Detektoren eingesetzt werden, die ein Erfassen der reflektierten Wellenlänge nicht mehr ermöglichen. Darüber hinaus kann auch die Reflektionseigenschaft des zu überwachenden Zielelementes flexibel ausgestaltet werden, sofern lediglich das reflektierte Modulationsmuster, insbesondere die Pulsmodulation, zu erfassen ist.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der jeweilige elektromagnetische Strahl mit der charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n jeweils durch eine zeitliche Taktung T₁, T₂, T_n getrennt zueinander ausgesendet wird. Durch dieses Verfahren werden die Zielelemente seriell mit den jeweiligen elektromagnetischen Strahlen angestrahlt. Da innerhalb einer zeitlichen Taktung T₁, T₂, T_n mit einer vorbestimmten Zeitdauer vorzugsweise nur ein elektromagnetischer Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge ausgesandt wird, kann der Detektor nach dessen Empfang eindeutig das reflektierte Signal einem Zielelement zuordnen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Emitter permanent einen elektromagnetischen Strahl S₀ mit einem Wellenlängenspektrum ausgibt und durch einen in Ausstrahlrichtung des elektromagnetischen Strahles nachgeschaltenen Filtereinrichtung mit mehreren schaltbaren Filterelementen jeweils ein elektromagnetischer Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge erzeugt und ausgestrahlt wird. Durch eine solche Anordnung können kurze Taktungen in einfacher Weise realisiert werden. Alternativ können anstelle eines solchen Filters auch Strahlteiler, Filterräder oder dergleichen vorgesehen sein.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der jeweilige elektromagnetische Strahl durch Sweepen, Choppen oder Chirpen der jeweiligen charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n zur Bildung eines Identifikationsmusters gekoppelt wird. Unter Sweepen wird dabei eine Anpassung eines elektromagnetischen Strahles in ein bestimmtes Wellenlängenintervall verstanden, welches charakteristisch durchfahren wird. Unter Choppen wird verstanden, dass die Fokussierung des Detektors abwechselnd auf den zu beobachtenden Punkt und dann auf einen Referenzpunkt erfolgt. Dies weist den Vorteil auf, dass die Ausblendung von hoher IR Strahlung, beispielsweise von Gegenständen im Raum, Sportlern oder dergleichen ermöglicht wird. Unter Chirpen wird eine Verschiebung bestimmter Frequenzanteile in eine bestimmte Richtung (z. B. rote Anteile folgen den blauen Anteilen) verstanden. Analoges gilt für negatives/positives Chirpen, wobei negatives Chirpen die Verschiebung von einer hohen Frequenz vor eine tiefe Frequenz und positives Chirpen die Verschiebung von einer tiefen Frequenz vor eine hohe Frequenz umfasst. Dadurch kann die Eindeutigkeit beziehungsweise die Intensität des Strahles erhöht werden. Dies führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit bei höheren Reichweiten für eine Infrarotstrahlung.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vom Emitter ein elektromagnetischer Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge erzeugt wird, der eine Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich von 800 nm bis 400 nm oder einen Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1 mm (Infrarot) umfasst. Insbesondere ist ein Wellenlängenbereich von 88 nm bis 1.000 nm vorgesehen. Durch die Auswahl solcher Wellenlängenbereiche können kostengünstige Emitter und Detektoren eingesetzt werden. Darüber hinaus weist insbesondere der elektromagnetische Strahl mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich gegenüber dem im sichtbaren Wellenlängenbereich den Vorteil auf, dass dieser im Einsatz störungsunanfälliger ist.
Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Verfolgen und Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement gelöst, bei dem jedes Zielelement einen von dem weiteren Zielelement abweichenden Reflektionsgrad aufweist und dass der Emitter eine auf den jeweiligen Reflektionsgrad der Zielelemente abgestimmte Wellenlänge für den jeweiligen elektromagnetischen Lichtstrahl erzeugt, der mit einem Identifikationsmuster vor dem Aussenden gekoppelt wird. Dadurch kann eine sichere Erkennung der durch den Detektor erfassten elektromagnetischen Strahlen und Zuordnung zu den jeweiligen Zielelementen ermöglicht werden. Des Weiteren ist eine solche Vorrichtung unabhängig von der Umgebung und den damit einhergehenden Beleuchtungsverhältnissen. Des Weiteren können schnelle Bewegungen der Zielelemente verfolgt werden. Dies ist auch dann der Fall, sofern eine längere Überdeckung eines Zielelementes erfolgt sein sollte, da das Zielelement nach dem Freikommen der Überdeckung sofort wieder durch das Identifikationsmuster eindeutig identifiziert werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Zielelement als Interferenzfilter, Absorber, Zerstreuer, Transmissionselement, Bandpassfilter, Bandsperrfilter, Spektrometer, optisches Gitter oder optischer Filter ausgebildet ist. Durch die Aussendung des elektromagnetischen Strahls, der mit einem Identifikationsmuster gekoppelt ist, kann das Zielelement in seiner konkreten Ausgestaltung flexibel ausgebildet sein, da lediglich die Reflektion des Identifi kationsmusters erforderlich ist. Dadurch wird auch die Unabhängigkeit von weiteren Umgebungsbedingungen erhöht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Zielelement einen retro-reflexiven Reflektor aufweist. Durch diese Ausgestaltung kann eine sehr kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung und Zuordnung zu den Zielelementen ermöglicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Detektor als 3D-Kamera, also zur dreidimensionalen Bilderfassung, ausgebildet ist. Dadurch kann in kostengünstiger Weise die Position des Zielelementes dreidimensional erfasst werden. Als Kamera können beispielsweise Tiefenkameras, Kameras mit Fotodioden, Fototransistoren, CCD-Bildsensoren oder dergleichen eingesetzt werden. Ebenso können einfache IR-Kameras eingesetzt werden, die zumindest das Identifikationsmuster erfassen.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Detektor durch zumindest zwei einander zugeordnete und benachbarte zweidimensionale Kameras ausgebildet ist, dessen Erfassungsbereiche sich zumindest teilweise überschneiden. Dadurch kann das jeweilige von der 2D-Kamera aufgenommene Bild bezüglich des jeweiligen Zielelements erfasst und rechnerisch in der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um ein dreidimensionales Tracking zu ermöglichen.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Detektor als IR-Kamera ausgebildet ist. Dadurch kann zumindest das Identifikationsmuster, insbesondere eine bestimmte Pulsfrequenz, erfasst werden. Durch die Laufzeiten des Impulses zwischen Aussenden und Empfangen kann das Tracking erfasst werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verfolgen und/Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement und
2 eine schematische Ansicht einer alternativen Vorrichtung zu 1 zur Durchführung des Verfahrens.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 beziehungsweise ein Multiobjekt-Tracking-System dargestellt. Die Anwendung der Vorrichtung 11 ist beispielsweise an einer Person dargestellt, deren sportlichen Bewegungen überwacht und kontrolliert werden sollen. Dies kann beispielsweise im Training als auch in der Rehabilitation eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 11 umfasst einen Emitter 12, der zumindest einen elektromagnetischen Strahl S₁, S₂, S_n aussendet. Dieser elektromagnetische Strahl S₁, S₂, S_n wird jeweils von zumindest einem am Zielelement R₁, R₂, R_n angeordneten Reflektor reflektiert und zumindest von einem Detektor 18 erfasst. Der Emitter 12 und der Detektor 18 können gemeinsam in einem Gehäuse oder auch getrennt zueinander vorgesehen sein. Die durch den Detektor 18 erfassten Signale werden an eine Auswerteeinrichtung 19 weitergeleitet, die unter anderem einen Bildschirm zur Visualisierung der verfolgten und überwachten Bewegungen der Zielelemente R₁, R₂, R_n umfasst. Gleichzeitig können diese einzelnen Bewegungen und erfassten Daten gespeichert, bearbeitet und miteinander in Relation gesetzt werden.
Anhand der 1 wird eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens zum Verfolgen und Überwachen von Zielelementen R₁, R₂, R_n beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Multiobjekt-Tracking mit einem 3D-Tracking-System mittels passiver optischer Verfahren.
Der Emitter 12 besteht beispielsweise aus einer Lichtquelle zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung, die ein breites Wellenlängenspektrum umfasst, welches dazu ausgebildet ist, dass ein elektromagnetischer Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge und deren dazugehörigen charakteristischen Bandbreite eingestellt und emittiert werden kann. Alternativ kann der Emitter 12 auch aus mehreren verschiedenen einzelnen Lichtquellen, wie beispielsweise LEDs oder insbesondere IR-LEDs bestehen, welche jeweils eine charakteristische Wellenlänge oder ein eingeschränktes Wellenband emittieren. Mehrere Lichtquellen derselben Quelle weisen den Vorteil auf, dass der detektierbare Bereich oder die detektierbaren Entfernungen vergrößert werden können. Die LEDs, insbesondere IR-LEDs, als Lichtquelle eignen sich durch ihr schnelles Ansprechverhalten und ihr Modulationsvermögen.
Der Emitter 12 sendet einen elektromagnetischen Strahl S₁ mit einer charakteristischen Wellenlänge W₁ von beispielsweise 800 nm in den Raum. Bevor dieser den Emitter 12 verlässt, wird dieser elektromagnetische Strahl S₁ mit einem Modulationsmuster M₁ als Identifikationsmuster I₁ angeregt. Dabei ist beispielsweise als Modulationsmuster M₁ vorgesehen, dass der elektromagnetische Strahl S₁ mit einer Pulsfrequenz P₁ angeregt wird. Der elektromagnetische Strahl S₁ breitet sich im Raum aus und trifft auf die sich am zu überwachenden Objekt 20 befindenden Zielelemente R₁, R₂, R_n. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Zielelemente R₁, R₂, R_n am Armband, Schweißband oder an einer Sportbekleidung oder an kleinen Gewichten vorgesehen sind, die beispielsweise über Klettverschlüsse an Bändern an dem Arm, dem Knie oder sonstigen Extremitäten befestigt werden können. Diese Zielelemente R₁, R₂, R_n weisen jeweils zumindest einen Reflektor 17 auf, der für jedes Zielelement R₁, R₂, R_n voneinander abweichende Reflektionsgrade umfasst. Dabei kann das Zielelement R₁, R₂, R_n beispielsweise einen Reflektor 17 mit einer Beschichtung aufweisen, der als Interferenzerzeuger ausgelegt ist und vorsieht, dass das Zielelement R₁ nur eine Reflektion des elektromagnetischen Strahles S₁, das Zielelement R₂ nur die Reflektion des elektromagnetischen Strahls S₂ und das Zielelement R_n nur eine Reflektion des elektromagnetischen Strahles Sn ermöglicht. Dies bedeutet, dass am Zielelement R₁ nur die charakteristische Wellenlänge W₁ des elektromagnetischen Strahles S₁ reflektiert wird. Alle anderen Wellenlängen werden in Abhängigkeit der Ausgestaltung des Reflektors absorbiert, durchgelassen, zerstreut oder dergleichen.
Der elektromagnetische Strahl S₁ gelangt durch Reflexion vom Zielelement R₁ zum Detektor 18 und wird detektiert beziehungsweise eine aktuelle Position des Detektors wird erkannt, wobei die Erfassung dabei zweidimensional oder dreidimensional erfolgen kann. Gleichzeitig wird das Modulationsmuster M₁ erfasst, und der Detektor 18 erkennt, dass nunmehr ein Signal vom Zielelement R₁ reflektiert wurde. Somit kann das erfasste Signal dem Zielelement R₁ zugeordnet werden, wodurch die vom Zielelement R₁ aufgenommenen Bewegungsvektoren abgespeichert, ausgewertet und gegebenenfalls über Bildverarbeitungsprogramme ausgegeben werden.
Bei dem Verfahren gemäß 1 ist vorgesehen, dass mehrere elektromagnetische Strahlen S₁, S₂, S_n parallel ausgesendet werden und dadurch vom Detektor 18 jeweils von dem dazugehörigen Zielelement R₁, R₂, R_n eine Reflektionswelle beziehungsweise ein reflektierter elektromagnetischer Strahl S₁, S₂, S_n und/oder das dazugehörige gekoppelte Modulationsmuster M₁, M₂, M_n mit bevorzugt einer Pulsmodulation P₁, P₂, P_n erfasst wird.
Beim parallelen Aussenden von mehreren elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n ist beispielsweise vorgesehen, dass der elektromagnetische Strahl S₂ eine charakteristische Wellenlänge von 950 nm aufweist. Ein elektromagnetischer Strahl Sn kann beispielsweise 1.000 nm umfassen. Dieser Frequenzabstand ist nur beispielhaft.
Bei der Auswahl der jeweiligen charakteristischen Wellenlängen W₁, W₂, W₃ für die elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n ist dabei ein hinreichender Frequenzabstand einzuhalten, da insbesondere nach der Reflektion an dem jeweiligen Zielelement R₁, R₂, R_n ein mehr oder weniger breites Band an einer Reflektionswelle am Detektor 18 auftritt und eine Überlagerung dieser Reflektionsbänder zu vermeiden ist. Dadurch kann ein sogenannter Cross-Talk verhindert werden. Die Breite des Bandes an Reflektionswellen ist abhängig von der Bandbreite der Einstrahlung, dem Einstrahlwinkel zum Aufbau des Reflektors des Zielelementes sowie dem Abstand zwischen dem Emitter 12 und dem Detektor 18 einerseits und dem Zielelement R₁, R₂, R_n andererseits.
Bevorzugt sind der Emitter 12 und der Detektor 18 unmittelbar benachbart zueinander angeordnet und insbesondere ist eine retro-reflexive Reflektion vorgesehen, das heißt, dass die Ausstrahlrichtung vom Emitter 12 zur Reflexionsrichtung des elektromagnetischen Strahls S₁, S₂, S_n entgegengesetzt gerichtet und im Wesentlichen parallel dazu vorgesehen ist.
Durch die Koppelung eines Identifikationsmusters I₁, I₂, I_n mit der jeweiligen charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n des elektromagnetischen Strahles S₁, S₂, S_n zum Zielelement R₁, R₂, R_n ist nach einer Überdeckung eines Zielelementes R₁, R₂, R_n durch ein sich zwischen dem Zielelement R₁, R₂, R_n und dem Emitter 12 befindendes Objekt 20 unmittelbar im Anschluss daran wieder eine sofortige Erkennung ermöglicht.
Darüber hinaus weist die Zuordnung beziehungsweise Anpassung des Reflektionsgrades des Reflektors 17 der Zielelemente R₁, R₂, R_n zu den charakteristischen Wellenlängen W₁, W₂, W_n der elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n den Vorteil auf, dass beim Einsatz von IR-Kameras als Detektoren 18, die ab einer bestimmten Wellenlänge oder einer Luxzahl oftmals keine Unterscheidung über die Wellenlängen mehr ermöglichen, dass eine Auswertung über die für die jeweilige Wellenlänge W₁, W₂, W_n charakteristischen Identifikationsmuster I₁, I₂, I_n des elektromagnetischen Strahles S₁, S₂, S_n ermöglicht ist. Durch die Zuordnung des Modulationsmusters M₁, M₂, M_n zu einer bestimmten charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n ist bekannt, dass das charakteristisch erfasste Modulationsmuster M₁, M₂, M_n dem Zielobjekt R₁, R₂, R_n zuzuordnen ist.
Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung kann der Reflektor 17 des Zielelementes R₁, R₂, R_n dadurch ausgebildet werden, dass optisch wirksame Schichten und/oder Beschichtungen in die gewünschte Wellenlän ge und Bandbreitbereiche gebracht werden. Diese Reflektoren 17 können beispielsweise als Interferenzfilter, Vikantenfilter, Bandsperrfilter, Bandpassfilter oder auch als Absorber, Zerstreuer oder vergleichbare optische Bauelemente, die beispielsweise nur die Transmission einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Lichtquellenbandes, ermöglichen, ausgebildet sein. Des Weiteren können beispielsweise Interferenzfilter eingesetzt werden, die eine möglichst schwache Winkelabhängigkeit aufweisen, da die Änderung der optischen Werte eines Interferenzfilters (neben weiteren Eigenschaften wie den verwendeten Schichtmaterialien der Bauart, der spektralen Lage des Filters usw.) stark vom Einfalls- beziehungsweise Öffnungswinkel anhängt. Neben geometrischen Effekten, wie beispielsweise klein und/oder beschichtete Kugeln, Polyeder und/oder Halbkugeln oder ähnliches für gerichtetes Licht auf die Zielelemente R₁, R₂, R_n, sind auch weitere Möglichkeiten gegeben, wie beispielsweise der Aufbau von Linsensystemen für ungerichtetes Licht.
Als Empfänger beziehungsweise Detektor 18 können beispielsweise 3D-Kameras vorgesehen sein sowie Tiefenkameras. Diese Kameras können Fotodioden, Fototransistoren oder CCD-Bildsensoren umfassen. Für eine Vereinfachung der Auswertung über beispielsweise ein Bildverarbeitungsprogramm kann durch Filter das empfangene Kamerabild bereinigt werden. Insbesondere können hierfür sogenannte IR-Passfilter, Polarisationsfilter oder dergleichen vorgesehen sein.
Die in 1 beschriebene Vorrichtung 11 kann alternativ zum parallelen Aussenden von mehreren elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n mit deren jeweiligen charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n mit einem Verfahren betrieben werden, bei dem eine serielle Aussendung der elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n vorgesehen ist. Die serielle Aussendung beziehungsweise die zeitliche Taktung T₁, T₂, T_n stellt dabei ein Identifikationsmuster I₁, I₂, I_n dar. Innerhalb der Taktung T₁, T₂, T_n, welche eine vorbestimmte Zeitdauer für die Aussendung von jeweils einem elektromagnetischen Strahl S₁, S₂, S_n mit der charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n umfasst, kann eine exakte Zuordnung erfolgen. Insbesondere erfolgt die Aussendung der elektromagnetischen Strahlen S₁, S₂, S_n in einer vorbestimmten Reihenfolge. Es wird also zunächst ein elektromagnetischer Strahl S₁ mit der Wellenlänge W₁ von dem Emitter 12 in der Taktung T₁ ausgesendet und nur vom Zielelement R₁ reflektiert, so dass der elektromagnetische Strahl S₁ vom Detektor 18 innerhalb der zeitlichen Taktung T₁ erfasst wird. Anschließend wird die Taktung T₂ geschalten, wonach der elektromagnetische Strahl S₂ mit der charakteristischen Welle W₂ emittiert wird. Im Zielelement R₂ wird der elektromagnetische Strahl S₂ reflektiert und vom Detektor 18 erfasst. Anschließend erfolgt die Taktung T_n und der Zyklus wird neu gestartet. Durch die Zuordnung der charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n des elektromagnetischen Strahles S₁, S₂, S_n wird das jeweils zu verfolgende und überwachende Zielelement R₁, R₂, R_n im Überwachungsraum angestrahlt und jeweils die dazugehörige elektromagnetische Strahlung S₁, S₂, S_n reflektiert.
Bevorzugt ist bei dieser Verfahrensweise vorgesehen, dass die zeitliche Taktung T₁, T₂, T_n durch einen schaltbaren Filter und einen permanent emittierten elektromagnetischen Strahl S₀ mit einem Wellenlängenspektrum ersetzt wird. Aufgrund des schaltbaren Filters werden durch den Emitter 12 wiederum jeweils elektromagnetische Strahlen S₁, S₂, S_n mit charakteristischen Wellenlänge W₁, W₂, W_n nacheinander emittiert. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass ein elektronisch schaltbarer Filter vorgesehen ist, wodurch die Schaltfrequenz wesentlich erhöht werden kann.
In 2 ist ein alternativer Aufbau einer Vorrichtung 11 zu 1 dargestellt. Dieser Aufbau weicht dahingehend ab, dass der Detektor 18 durch zwei einzelne Kameras mit jeweils einem Ausstrahlungsbereich 21, 22 ausgebildet ist, die benachbart zueinander angeordnet sind. Der Ausstrahlungsbereich 21, 22 der beiden Kameras überschneidet sich, so dass der Bewegungsraum der Zielelemente R₁, R₂, R_n innerhalb des gemeinsamen Überdeckungsbereiches des Ausstrahlungsraumes 21, 22 liegt. Bei dieser Ausgestaltung können beispielsweise 2D-Kameras verwendet werden, deren detektierte Signale über die Auswerteeinrichtung 19 zu einem dreidimensionalen Bild aufbereitet werden.
Die zu 1 beschriebenen Ausführungsformen zur Durchführung des Verfahrens zum Verfolgen und Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement R₁, R₂, R_n werden auch bei einem Aufbau gemäß der Vorrichtung 11 in 2 ermöglicht.
Die vorbeschriebenen alternativen Ausführungsformen des Verfahrens zum Verfolgen und/oder Überwachen von bewegten Zielelementen R₁, R₂, R_n können in vielfältiger Weise eingesetzt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Multiobjekt-Tracking mittels passiver optischer Verfahren ermöglicht, bei dem elektromagnetische Strahlen mit jeweils voneinander abweichenden Wellenlängen, insbesondere im Infrarotbereich, eingesetzt werden, wobei durch die Koppelung von zumindest einem Identifikationsmuster mit der jeweiligen charakteristischen Wellenlänge des elektromagnetischen Strahles sowie der wellenlängenabhängigen Reflexion am Zielelement eine eindeutige Identifikationsmöglichkeit und somit Tracking-Möglichkeit von mehreren gleichzeitig sich im Überwachungsraum befindenden Zielelementen vorgesehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 951697 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Verfolgen und/oder Überwachen von zumindest einem bewegten Zielelement (R₁, R₂, R_n) mit elektromagnetischen Strahlen (S₁, S₂, S_n), – bei dem von zumindest einem Emitter (12) wenigstens ein elektromagnetischer Strahl (S₀) emittiert wird, – bei dem der emittierte elektromagnetische Strahl (S₀) von dem zumindest einen Zielelement (R₁, R₂, R_n) mit zumindest einem Reflektor (17) reflektiert wird, bei dem der zumindest eine reflektierte elektromagnetische Strahl (S₀) von zumindest einem Detektor (18) erfasst wird und daraus ermittelte Signale an eine Auswerteeinrichtung (19) weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Verfolgung und/oder Überwachung eines ersten bewegten Zielelementes (R₁) ein elektromagnetischer Strahl (S₁) mit einer charakteristischen Wellenlänge (W₁) ausgestrahlt wird, welcher eine Wellenlänge (W₁) aufweist, die von dem ersten Zielelement (R₁) reflektiert wird, – dass zum Verfolgen und/oder Überwachen eines zweiten oder weiteren Zielelementes (S₂) oder (S_n) ein elektromagnetischer Strahl (S₂ oder S_n) mit einer charakteristischen Wellenlänge W₂ oder Wn ausgestrahlt wird, welche eine Wellenlänge (W₂ oder W_n) aufweist, die von dem zweiten oder n-ten Zielelement (R₂ oder R_n) reflektiert wird und – dass der jeweilige elektromagnetische Strahl (S₁, S₂, S_n) jeweils mit einem Identifikationsmuster (I₁, I₂, I_n) gekoppelt und als identifizierbarer Strahl emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Wellenlänge (W₁, W₂, W_n) des elektromagnetischen Strahles (S₁, S₂, S_n) jeweils vor dem Emittieren mit einem für die jeweilige Wellenlänge (W₁, W₂, W_n) charakteristischen Modulationsmuster (M₁, M₂, M_n) als Identifikationsmuster (I₁, I₂, I_n) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Wellenlängen (W₁, W₂, W_n) mit einer jeweils charakteristischen Pulsmodulation angeregt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswahl der Reflektionseigenschaft des zumindest einen Reflektors (18) des jeweiligen Zielelementes (R₁, R₂, R_n) und die Anpassung der charakteristischen Wellenlängen (W₁, W₂, W_n) der elektromagnetischen Strahlen (S₁, S₂, S_n) an die Reflektionseigenschaft des zumindest einen Reflektors (18) das zu verfolgende und/oder überwachende Zielelement (R₁, R₂, R_n) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zumindest einen Detektor (18) zumindest das Modulationsmuster (M₁, M₂, M_n) von dem emittierten elektromagnetischen Strahl (S₁, S₂, S_n), insbesondere durch die Pulsfrequenz, erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen elektromagnetischen Strahlen (S₁, S₂, S_n) mit deren charakteristischen Wellenlängen (W₁, W₂, W_n) jeweils durch eine zeitliche Taktung (T₁, T₂, T_n) getrennt zueinander ausgesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (12) permanent einen elektromagnetischen Strahl mit einem Wellenlängenspektrum (W₀) aussendet und durch eine in Abstrahlrichtung nachgeschaltete Filtereinrichtung mit mehreren schaltbaren Filterelementen die jeweiligen elektromagnetischen Strahlen (S₁, S₂, S_n) mit deren charakteristischen Wellenlängen (W₁, W₂, W_n) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Strahlen (S₁, S₂, S_n) mit den charakteristischen Wellenlängen (W₁, W₂, W_n) durch Sweepen, Choppen oder Chirpen mit einem Identifikationsmuster (I₁, I₂, I_n) gekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem zumindest einen Emitter (12) ein elektromagnetischer Strahl (S₁, S₂, S_n) erzeugt wird, dessen Wellenlänge (W₁, W₂, W_n) in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 400 nm oder in einem Wellenlängenbereich von 800 mm bis 1 mm erzeugt wird.
Vorrichtung zum Verfolgen und/oder Überwachen des zumindest einen bewegten Zielelementes (R₁, R₂, R_n), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit zumindest einem stationär angeordneten Emitter (12), der zumindest einen elektromagnetischen Strahl (S₀) aussendet, mit zumindest einem Zielelement (R₁, R₂, R_n), welches an einem zu überwachenden Objekt anbringbar ist, mit zumindest einem stationär angeordneten und dem zumindest einen Emitter (12) zugeordneten Detektor (18), der den zumindest einen von dem zumindest einen Zielelement ((R₁, R₂, R_n) reflektierten elektromagnetischen Strahl (S₀) erfasst und an eine Auswerteeinrichtung (19) weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, – dass jedes Zielelement (R₁, R₂, R_n) einen von den weiteren Zielelementen (R₁, R₂, R_n) abweichenden Reflektionsgrad des zumindest einen an den Zielelementen (R₁, R₂, R_n) angeordneten Reflektors (17) aufweist, – dass der zumindest eine Emitter (12) jeweils einen elektromagnetischen Strahl (S₁, S₂, S_n) mit einer auf den jeweiligen Reflektionsgrad des zumindest einen Reflektors (17) der einzelnen Zielelemente (R₁, R₂, R_n) abgestimmte Wellenlänge (W₁, W₂, W_n) erzeugt und – dass die jeweilige Wellenlänge (W₁, W₂, W_n) mit einem Identifikationsmuster (I₁, I₂, I_n) vor dem Aussenden des elektromagnetischen Strahls (S₁, S₂, S_n) gekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielelement (R₁, R₂, R_n) als Interferenzfilter, Absorber, Zerstreuer oder Transmissionselement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Zielelement (R₁, R₂, R_n) einen retro-reflexiven Reflektor (17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (18) als Kamera ausgebildet ist, welche Fotodioden, Fototransistoren, CCD-Bildsensoren zur 3D-Erfassung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (18) durch zumindest zwei zueinander angeordnete und benachbarte 2D-Kameras ausgebildet ist, dessen Erfassungsbereiche sich im Bewegungsraum der Zielelemente (R₁, R₂, R_n) überschneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (18) als IR-Kamera ausgebildet ist.