DE3908273C1 - Self-test device for a scanning light probe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Selbsttesteinrichtung für einen scannenden Lichttaster, der gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.

Scannende Lichttaster, d. h. Lichttaster mit einem Licht­ sender und einem Lichtempfänger, die ein Schwenkantrieb zu einer rotatorischen Bewegung mit einer bestimmten Winkel­ geschwindigkeit derart antreibt, daß der Lichtsender einen Lichtstrahl über einen bestimmten Scanbereich aussendet, und die Winkelstellung des Lichtempfängers mit der des Lichtsenders übereinstimmt, sind in den verschiedensten Ausführungsformen geeignet.

Die bekannten scannenden Lichttaster sind jedoch nicht als Schutzsysteme beispielsweise für selbstfahrende Fahrzeuge geeignet:

Derartige Schutzsysteme müssen nämlich insbesondere fol­ gende Anforderungen erfüllen:

• 1. Sämtliche Komponenten des Schutzsystems müssen eigen­ sicher sein; dies bedeutet insbesondere, daß der Ausfall jeder einzelnen Komponente zum Nothalt des Fahrzeugs füh­ ren muß.
• 2. Das richtige Funktionieren des Schutzsystems muß zyk­ lisch oder permanent überprüft werden. In beiden Fällen, insbesondere aber bei der zyklischen Überprüfung muß ge­ währleistet sein, daß auch beim ungünstigsten Zeitpunkt des Schutzsystemausfalles ein Nothalt bzw. Notstop des Betriebsmittels innerhalb einer Strecke erfolgt, die die Gefährdung von Personen und Betriebsmittel ausschließt (bei herkömmlichen fahrerlosen Transportsystemen (FTS) beispielsweise der Verformungsweg des Bumpers).
• 3. Das Schutzsystem muß direkt in die Betriebsmittel­ steuerung eingreifen.
• 4. Zur Überprüfung der Steuerungseinheit des Schutzsys­ tems müssen gegebenenfalls redundante Steuerungskonzepte angewendet werden.

Diese Anforderungen werden von den bekannten scannenden Lichttastern nicht erfüllt. Lediglich ein in der DE 36 29 715 C1 beschriebenes Lichttastersystem erfüllt diese An­ forderungen. Bei diesem Lichttastersystem sind aber der Lichtsender und der Lichtempfänger stationär angeordnet, führen also keine "Scan-Bewegung" aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen scannenden Lichttaster derart weiterzubilden, daß das Schutzsystem zyklisch überprüfbar ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß sind im Scanbereich des Lichttasters we­ nigstens unter einem ersten Scanwinkel ein Testlicht- Sender, der unter der entsprechenden Winkelstellung den Lichtempfänger mit Licht beaufschlagt, unter einem zweiten Scanwinkel ein Absorber, der das Licht des Lichtsenders des Lichttasters absorbiert, sowie unter einem dritten Scanwinkel ein Reflektor vorgesehen, der das Licht des Lichtsenders auf den Lichtempfänger des Lichttasters re­ flektiert. Die Auswerteeinheit gibt ein Signal "Störung aufgetreten" ab, wenn nicht unter der Winkelposition des Testlicht-Senders und des Reflektors der Lichtempfänger ein Signal "Licht empfangen" und unter der Winkelposition des Absorbers ein Signal "kein Licht empfangen" in der durch die Winkelgeschwindigkeit gegebenen zeitlichen Zu­ ordnung abgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Selbsttesteinrichtung kann dabei insbesondere an bekannten scannenden Lichttaster-Systemen und insbesondere fokussierenden Systemen nachgerüstet werden. Durch die Nachrüstung der Selbsttesteinführung können auch bekannte scannende Lichttaster Sicherheits­ anforderungen im Sinne des Personenschutzes nach gängigen Regelwerken des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften (ZH 1/473, ZH 1/597) erfüllen, die in diesem Bereich bisher nur von taktilen Schutzsystemen, wie bei­ spielsweise Bumpern erreicht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:

Gemäß Anspruch 2 sind insgesamt zwei Test-Lichtsender, zwei Absorber und zwei Reflektoren vorgesehen sind, von denen jeweils einer am Beginn und einer am Ende des Scan­ bereichs angeordnet ist. Hierdurch wird die Zeitspanne zwischen einem möglichen Ausfall des Lichttasters und dem Erkennen dieses Ausfalls weiter verkürzt.

Die im Anspruch 3 angegebene Weiterbildung, gemäß der zwei Auswerteeinheiten vorgesehen sind, an denen die je­ weiligen Eingangssignale parallel anliegen, und daß ein Komparator, der die Ausgangssignale der Auswerteeinheiten vergleicht, ein Signal "Störung aufgetreten" abgibt, wenn die Ausgangssignale nicht gleich sind, ergibt die vorste­ hend unter 4. genannte redundante Auslegung.

Im Anspruch 4 ist gekennzeichnet, daß zwischen dem oder den Reflektoren und dem Lichtempfänger jeweils ein Ab­ schwächer angeordnet ist, der ein reflektiertes Signal zum Empfänger durchtreten läßt, dessen Signalstärke einem an der Grenze des Erfassungsbereichs reflektierten Signal entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, daß insbesondere die Funktionstüchtigkeit des scannenden Lichttasters an der Grenze des Erfassungsbereichs laufend überprüft wird.

Die erfindungsgemäße Selbsttesteinrichtung kann selbstver­ ständlich auf den verschiedensten Anwendungsgebieten, beispielsweise für Überwachungszwecke etc. eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit ist im Anspruch 5 gekennzeichnet, gemäß der ein Lichttas­ ter mit einer Selbsttesteinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4 für ein selbstfahrendes Fahrzeug als Personen- und Kollisions-Schutzsystem eingesetzt werden kann. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn gemäß Anspruch 5 die Auswerteeinheit(en) einen Nothalt durch das Signal "Stö­ rung ausgetreten" auslöst.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1-15 Diagramme verschiedener Betriebszustände eines Lichttasters mit einer erfindungsgemäßen Selbsttesteinrichtung,

Fig. 16 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Lichttasters mit einer Selbsttesteinrichtung.

Zunächst soll der Aufbau eines Lichttasters mit einer Selbsttesteinrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 16 näher erläutert werden; anschließend soll an Hand der Fig. 1-15 die Wirkungsweise dieses Lichttaster dargestellt werden.

Erfindungsgemäß ist der Scan-Bereich eines - an und für sich handelsüblichen - Lichttasters 1 in wenigstens zwei Zonen aufgeteilt. Bei dem in Fig. 16 dargestellten Ausführungs­ beispiel sind drei Zonen vorgesehen, von denen zwei Zonen, nämlich die Zonen Z 1 und Z 3, die sich jeweils über einen verhältnismäßig kleinen Winkelbereich (5,4° bei dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel) erstrecken und am Rand des Scanbereichs angeordnet sind, als "Testzonen" dienen.

In den Testzonen Z 1 und Z 3 wird das System über Test­ komponenten, die definierte Signale (0 oder 1) erzeugen, überprüft, während in der eigentlichen Schutzzone Z 2, die sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über 165° er­ streckt, nur die Detektion von Objekten ohne weiteren Selbsttest erfolgt. Die Aufteilung in Test- und Schutzzo­ nen wird durch die hohe Scan-Geschwindigkeit möglich. So erlauben derzeit verfügbare Antriebe und Lichttaster eine Scan-Winkelgeschwindigkeit von 0,9°/ms. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Testzonen Z 1 und Z 3 nach einer ausreichend kurzen Zeitspanne zyklisch durchfahren werden.

In den Testzonen Z 1 und Z 3 sind Testkomponenten, nämlich Absorber 3 und 3′, Reflektoren 4 und 4′ sowie IR-Strahler 2 und 2′, außerhalb der Totzone des Lichttasters 1 instal­ liert, beispielsweise in einem Abstand von ca. 35 cm bei einem Lichttaster mit 5 m Reichweite. Um auch die Funkti­ onsfähigkeit bei maximaler Reichweite testen zu können, wird der Abstand zwischen Lichttaster 1 und den als Re­ flektoren 3 und 3′ ausgebildeten Testkomponenten über Abschwächer 5 und in der Intensität regelbare IR-Strahler 4 und 4′ simuliert.

Ausdrücklich wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Test­ komponenten 2 bis 4 entsprechend dem jeweiligen Anwen­ dungsfall beliebig angeordnet werden. Insbesondere ist die Größe der Schutz- bzw. Testzonen sowie die Zahl der Test­ zonen variabel, ebenso der Einsatz der Testkomponenten.

Bei dem exemplarisch dargestellten FTS-Einsatz (selbstfah­ rendes fahrerloses Transportsystem) der erfindungsgemäßen Selbsttesteinrichtung wird - wie bereits ausgeführt - der Scan-Bereich in zwei Testztonen Z 1 und Z 3 mit einer Winkel­ erstreckung von jeweils 5,4° und in eine Schutzzone Z 2 mit einer Winkelerstreckung von 165° eingeteilt. Es werden pro Testzone jeweils drei Testkomponenten verwendet (IR- Strahler 2, Absorber 3 und Reflektor 4). Beginnend mit der Win­ kelposition 1 (0°) wird vom IR-Strahler 2 Licht ausgesandt, das in der Intensität und im Durchmesser auf dem Empfänger des Laserscanners 1 eine Entfernung von 2,5 m simuliert.

Fig. 15 zeigt das sich bei einem intakten Schutzsystem für die Steuerungs- und Auswerteeinheit ergebende Signalbild. Das Licht des IR-Strahlers 2 erzeugt auf der Zeit- (t) und Winkelachse (α) ein positives Signal. Auf der zweiten Winkelposition (1,8°) wird der ausgesandte Strahl zu 100% vom Absorber 3 absorbiert und erzeugt damit ein O-Signal auf dem Empfänger des Laserscanners 1. Auf der dritten Winkelposition ist der Reflektor 4 mit dem davor geschal­ tetem Abschwächer 5. Der Abschwächer 5 simuliert auf dem Empfänger des Laserscanners 1 eine Entfernung von 2,5 m. Der Reflektor 4 erzeugt wieder ein positives Signal auf der Zeit- und Winkelachse.

Die Scanwinkelgeschwindigkeit üblicher Laserscanner ist für den Fahrzeugeinsatz auch bei höheren als den bisher zugelassenen Höchstgeschwindigkeiten für den Personen- und Kollisionsschutz ausreichend. Dies gilt unter Berücksich­ tigung aller im betrieblichen Einsatz vorstellbaren Mög­ lichkeiten sicherheitsrelevanter Systeme oder Komponenten­ ausfälle.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 14 alle auftretenden Fehlermöglichkeiten dargestellt, die bei einem Einsatz des Systems auftreten können. Unter den jeweiligen Figuren ist angegeben, welches Meßprinzip, das Zeitglied oder der Winkelgeber den Notstop auslösen:

C

Fig.
Fehlerzustand
1.
Scannerantrieb defekt (hängt auf Kontroll-Reflektor)
2.	Scannerantrieb defekt (hängt auf Kontroll-Absorber)
3.	Scannerantrieb defekt (hängt auf Kontroll-IR-Strahler)
4.	Scannerantrieb defekt (hängt mittig, kein Objekt)
5.	Sender defekt (sendet nicht)
6.	Sender sendet mit stark verminderter Leistung (Lichtaustritt beschlagen oder verstaubt)
7.	Empfänger defekt (gibt immer 1 weiter)
8.	Empfänger defekt (gibt immer 0 weiter)
9.	Empfänger verschmutzt (empfängt nur sehr starke Signale)
10.	Kontroll-IR-Strahler defekt
11.	Kontroll-Reflektor defekt/Abschwächer verschmutzt
12.	Absorber defekt
13.	Streulicht auf Empfänger
14.	Sensorsteuerung defekt und Auswerteelektronik in Ordnung bzw. Sensorsteuerung in Ordnung und Auswerteelektronik defekt.

Der letztgenannte Fehler (Fig. 14) ist ein besonders schwerwiegender Fehler, der weder durch das Signalmuster auf der Zeitachse noch durch das Signalmuster auf der Winkelachse erkannt werden kann. Aus diesem Grund wurden pro Schutzsystem zwei sich gegenseitig überwachende Steue­ rungs- und Auswerteeinheiten redundant installiert. Ein Komparator vergleicht permanent die beiden Einheiten, die ihre Informationen über jeweils getrennte Anschlüsse vom inkrementalen Weggeber bzw. vom Empfänger erhalten. Fällt ein Vergleich negativ aus, so wird sofort ein Notstop ausgelöst. Aus diesem Grunde verfügen der Komparator sowie die Steuerungs- bzw. Auswerteeinheiten jeweils über ein Relais, das direkt in die Fahrzeugsteuerung eingreifen kann.

Vorstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben worden. Verschiedene Modifikationen sind jedoch möglich. So können z. B. an Stelle von zwei Testzonen Z 1 und Z 3 auch eine Testzone oder drei und mehr Testzonen verwendet werden.

Claims (6)

1. Selbsttesteinrichtung für einen scannenden Lichttaster mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, die ein Schwenkantrieb zu einer rotatorischen Bewegung mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit derart antreibt, daß der Lichtsender einen Lichtstrahl über einen bestimmten Scan­ bereich aussendet, und die Winkelstellung des Lichtemp­ fängers mit der des Lichtsenders übereinstimmt, so daß der Lichtempfänger das aus dem jeweils mit Licht beaufschlag­ ten Bereich kommende Licht erfaßt, sowie mit einer Auswerteeinheit, die das Ausgangssignal des Lichtempfängers in Zuordnung zur Winkelstellung des Licht­ senders bzw. -empfängers auswertet, dadurch gekennzeichnet,
daß im Scanbereich des Licht­ tasters wenigstens unter einem ersten Scanwinkel ein Test­ licht-Sender (2), der unter der entsprechenden Winkelstellung den Lichtempfänger mit Licht beaufschlagt, unter einem zweiten Scanwinkel ein Absorber (3), der das Licht des Licht­ senders des Lichttasters absorbiert, sowie unter einem dritten Scanwinkel ein Reflektor (4) vorgesehen sind, der das Licht des Lichtsenders auf den Lichtempfänger des Licht­ tasters (1) reflektiert, und
daß die Auswerteeinheit ein Signal "Störung aufgetreten" abgibt, wenn nicht unter der Winkelposition des Test- Lichtsenders (2) und des Reflektors (4) der Lichtempfänger ein Signal "Licht empfangen" und unter der Winkelposition des Absorbers ein Signal "kein Licht empfangen" in der durch die Winkelgeschwindigkeit gegebenen zeitlichen Zuordnung abgibt.

2. Selbsttesteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Test-Lichtsender (2), Absorber (3′) und Reflektoren (4′) vorgesehen sind, von denen je­ weils einer am Beginn und einer am Ende des Scanbereichs angeordnet ist.

3. Selbsttesteinrichtung nach Anspsruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Auswerteeinheiten vorge­ sehen sind, an denen die jeweiligen Eingangssignale paral­ lel anliegen, und daß ein Komparator, der die Ausgangs­ signale der Auswerteeinheiten vergleicht, ein Signal "Stö­ rung aufgetreten" abgibt, wenn die Ausgangssignale nicht gleich sind.

4. Selbsttesteinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oder den Re­ flektoren (2, 2′) und dem Lichtempfänger jeweils ein Abschwächer (5, 5′) angeordnet ist, der ein reflektiertes Signal zum Empfänger durchtreten läßt, dessen Signalstärke an der Grenze des Erfassungsbereichs reflektierten Signal entspricht.

5. Verwendung eines Lichttasters mit einer Selbsttestein­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für ein selbst­ fahrendes Fahrzeug als Personen- und Kollisions-Schutz­ system.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit(en) einen Nothalt durch das Signal "Störung aufgetreten" auslöst.