BE1021517B1 - Combinatie-veiligheidssensor. - Google Patents

Abstract

Combinatie-veiligheidssensor (10), waarbij een combinatie van optische (11) en akoestische (12) time-of-flight (TOF) sensoren de positie bepaalt van voorwerpen of hindernissen in een driedimensionale ruimte, waarbij de optische TOF sensor (11) een optische 3D camera is en de akoestische TOF sensor (12) een sensor is die gebruik maakt van één enkele ultrasone zender (13) die breedband echo-locatie-pulsen uitzendt waarvan de echo's door een groep van ontvangers of microfoons (14) opgevangen worden.

Description

Combinatie-veiligheidssensor.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een combinatie-veiligheidssensor voor het detecteren van hindernissen.

Meer speciaal, is de uitvinding bedoeld voor het detecteren van hindernissen voor automatisch geleide voertuigen (AGV's), met het doel deze voertuigen tijdig tot stilstand te brengen om aanrijdingen te voorkomen.

Het is bekend dat AGV's gebruikt worden in fabrieken, assemblagehallen en opslagmagazijnen voor het aan- en afvoeren van onderdelen of voorwerpen zonder daartoe rijdend personeel te moeten inzetten.

In vele gevallen zijn er echter ook voetgangers en manueel bestuurde voertuigen aanwezig in dezelfde ruimte waar de AGV's gebruikt worden, waardoor de AGV's met veiligheidssystemen moeten worden uitgerust, om aanrijdingen te voorkomen.

Men kent reeds veiligheidsbumpers op AGV's, die uitgerust zijn met contactloze sensoren die gebruik maken van aftastende laserstralen omwille van de betrouwbaarheid van de lasers.

Deze sensoren worden op een niveau geplaatst, dicht tegen de vloer, zodanig dat ze voldoen aan de wettelijke reglementering dat niet alleen voetgangers maar ook een persoon liggend op de vloer moet worden opgemerkt en het automatisch geleid voertuig tijdig tot stilstand moet worden gebracht.

Dergelijke sensoren hebben ingebouwde diagnostische en bewakende systemen om een veilige detectie te waarborgen in alle omstandigheden.

Een nadeel van deze sensoren met horizontale scanning is dat ze hindernissen die zich boven het vlak van de scannende laserstraal bevinden, niet opmerken.

Zo gebeuren er toch nog aanrijdingen, bijvoorbeeld met een arm van een hoogtewerker die zich boven het aftastvlak bevindt en niet opgemerkt wordt, maar zich wel in het doorgangspad van het automatisch geleid voertuig bevindt.

Om hieraan te verhelpen werden bijkomende sensoren op de bovenkant van het AGV geplaatst, die neerwaarts gericht zijn onder een hoek van bijvoorbeeld 30° en een ruimte tot een bepaalde afstand van het AGV bestrijken. Hoewel een verbetering, is de ruimte waarin hindernissen worden opgemerkt nog steeds beperkt.

Naast laseraftasting-gebaseerde technologie voor het detecteren en meten, zijn er nieuwe vaste stof technologieën ontwikkeld zoals in TOF (time-of-flight) metende gepulste 3D camera's. Ten opzichte van de laseraftasting-gebaseerde technologie bieden deze nieuwe technieken het voordeel van een snellere reactietijd en van de afwezigheid van bewegende delen.

Toch zijn deze nieuwe technologieën met camerasystemen niet geschikt voor automatisch geleide voertuigen, aangezien ze niet als autonoom systeem kunnen garanderen dat elk obstakel zal gedetecteerd worden in alle omstandigheden, tenzij externe referentiedoelen gebruikt worden. Voor mobiele toepassingen zoals automatisch geleide voertuigen is het gebruik van externe referentiedoelen niet praktisch.

Eveneens kent men nog een andere technologie voor het lokaliseren van voorwerpen die gebruik maakt van geluidsgolven die door de lucht worden gezonden en waarvan de echo's gedetecteerd worden in een gefaseerde matrix (phased array) van microfoons, hetgeen toelaat de herkomst van de echo's van de uitgestuurde geluidspulsen te lokaliseren in de driedimensionale ruimte.

Een dergelijke op geluidsgolven gebaseerde sensor kan ook niet als autonoom systeem garanderen dat elk obstakel zal gedetecteerd worden aangezien een dergelijke sensor niet zichzelf kan controleren op goed functioneren, zonder over een bekende echo-locatie in de ruimte rond de sensor te kunnen beschikken. Voor mobiele toepassingen zoals automatisch geleide voertuigen is het gebruik van externe gekende echo-locaties ook niet praktisch.

Combinatie-veiligheidssensoren moeten voldoen aan hoge eisen zoals dubbel uitgevoerde detectie-elektronica en dit betekent dat het bevestigen van metingen door meer dan één technologie de betrouwbaarheid en dus ook de veiligheid van de sensor zeer aanzienlijk kan verhogen.

De huidige uitvinding heeft tot doel voor de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden, doordat zij voorziet in een combinatie-veiligheidssensor die optische metingen met een 3D camera en metingen met een akoestische sonar in de omgevingslucht met elkaar vergelijkt en waarbij het resultaat slechts als betrouwbaar wordt gezien, wanneer beide technieken hetzelfde 3D-beeld van de omgeving opleveren.

Hiertoe beoogt de uitvinding een combinatie-veiligheidssensor, waarin een combinatie van optische en akoestische time-of-flight (TOF) sensoren de positie bepaalt van voorwerpen of hindernissen in een driedimensionale ruimte.

Bij voorkeur is de optische TOF sensor een optische 3D camera en is de akoestische TOF sensor een sensor die gebruik maakt van één enkele ultrasone zender die breedband echo-locatie pulsen uitzendt waarvan de echo's door een groep van ontvangers of microfoons opgevangen worden.

Een voordeel van deze combinatie van twee verschillende technologieën, een optische en een akoestische, is dat ze beiden continu en onafhankelijk van elkaar een 3D beeld kunnen bepalen van een bepaalde ruimte en samen een complementair systeem kunnen vormen waarin het 3D beeld gedetecteerd door één technologie, hetzelfde moet zijn als het 3D beeld gedetecteerd door de andere technologie, zolang de combinatie-veiligheidssensor correct functioneert.

Bij voorkeur vormt de groep van ontvangers of microfoons van de akoestische sensor een gefaseerde matrix die bij voorkeur gevormd wordt uit twee of meer groepen van ontvangers die elk bestaan uit een regelmatig rooster van microfoons, waarbij die twee of meer groepen op een vaste afstand van elkaar zijn geplaatst.

Een voordeel van een dergelijke gefaseerde matrix, is dat de ontvangers of microfoons de echo van de centraal uitgestuurde gepulseerde ultrasone echo-locatie-bundel opvangen met een klein tijdsverschil, waaruit de achterliggende software van een aan de combinatie-veiligheidssensor gekoppelde rekeneenheid de exacte 3D coördinaten van de echo-locaties kan berekenen.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm bestaat een groep van ontvangers uit zestien microfoons in een vierkant rooster van 4x4 microfoons.

Deze opstelling laat toe de opgevangen echo's in de eerste zestien microfoons te vergelijken met de opgevangen echo's in de tweede zestien microfoons, die zich allen op een gekende afstand van de eerste set van microfoons bevinden.

Een dergelijke gefaseerde matrixopstelling van de ontvangers of microfoons is echter niet noodzakelijk en ook een groep ontvangers met willekeurige plaatsen ten opzichte van elkaar kan gebruikt worden, voor zover deze plaatsen natuurlijk vaste gekende plaatsen zijn waarop de rekeneenheid zich kan baseren om uit de ontvangen echo's de ligging van de reflecterende echo-locaties in de driedimensionale ruimte te berekenen.

Bij voorkeur wordt het driedimensionale beeld van de door de sensoren bestreken ruimte afkomstig van de optische TOF sensor continu vergeleken met het driedimensionale (3D) beeld afkomstig van de akoestische TOF sensor door middel van een rekeneenheid die met de combinatie-veiligheidssensor is verbonden.

Een voordeel is dat op deze manier de correlatie of de match van het 3D beeld van de optische met de akoestische sensor gebruikt wordt om continu de betrouwbaarheid van de combinatie-veiligheidssensor te evalueren en te bewaken en bij mismatch te waarschuwen of deze combinatie-veiligheidssensor en/of de ermee uitgeruste toestellen uit te schakelen.

Nog een voordeel is dat de combinatie-veiligheidssensor autonoom zichzelf kan controleren door gebruik te maken van de dubbel gemeten gegevens van twee verschillende technologieën die hetzelfde resulterende 3D beeld moeten opleveren, zolang beide onafhankelijke technologieën correct functioneren.

Bij voorkeur filteren specifieke algoritmes in het bepalen van de correlatie van het optisch met het akoestisch 3D beeld, voorbijgaande storingen eruit die slechts één van de optische of akoestische sensoren beïnvloeden, zodat de ermee uitgeruste toestellen verder kunnen functioneren zonder de veiligheid in het gedrang te brengen.

Zo kan bijvoorbeeld een onverwacht kort geluidssignaal de werking van de akoestische sensor tijdelijk storen, terwijl het beeld van de optische sensor niet gestoord wordt. Het aangepaste algoritme zorgt ervoor dat er niet onnodig overgereageerd wordt op een dergelijke storing, terwijl bij het aanhouden van de storing de betrouwbaarheid van de hele combinatie-veiligheidssensor in het gedrang komt en het toestel of voertuig dat met de combinatie-veiligheidssensor is uitgerust, uitgeschakeld of gestopt wordt.

In de praktijk kan een AGV bijvoorbeeld aan de voorkant worden uitgerust met een combinatie-veiligheidssensor, die een halfbolvormige ruimte rond de combinatie-veiligheidssensor bestrijkt naar de voorkant van het voertuig toe, terwijl optioneel een tweede combinatie-veiligheidssensor op de achterkant van het AGV een tweede halfbolvormige ruimte rond de tweede combinatie-veiligheidssensor bestrijkt, zodat bij het omkeren van de bewegingsrichting ook de veiligheid in de omgekeerde richting kan gewaarborgd worden.

Het spreekt voor zich dat de uitvinding ook in andere toepassingsgebieden dan in AGV's nuttig kan zijn.

Zo kan de combinatie-veiligheidssensor volgens de uitvinding ook menige toepassing vinden in het gebied van de robotica, waar geautomatiseerde robots functioneren bij de assemblage van toestellen of het verplaatsen van voorwerpen in de logistiek en deze robots op een veilige manier moeten kunnen werken in de aanwezigheid van personen of hindernissen in de werkomgeving.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van een combinatie-veiligheidssensor volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:

Figuur 1 schematisch en in perspectief een automatisch geleid voertuig (AGV) met een scannende veiligheidssensor volgens de stand van techniek weergeeft; figuur 2 schematisch en in perspectief een automatisch geleid voertuig (AGV) met een combinatie-veiligheidssensor volgens de uitvinding weergeeft; figuur 3 op grotere schaal de akoestische sensor in figuur 2 weergeeft; figuur 4 schematisch en in perspectief een automatisch geleide vorklift met een combinatie-veiligheidssensor in de rijrichting weergeeft.

In figuur 1 is schematisch een automatisch geleid voertuig 1 (AGV) weergegeven, dat aan de voorbumper 2 is uitgerust met een optische veiligheidssensor 3 volgens de stand van techniek en waarop voorwerpen 4 die verplaatst moeten worden zijn geladen. De optische sensor maakt gebruik van een laserstraal 5, die heen- en weer beweegt en een veiligheidszone 6 aftast, waarin hindernissen worden opgespoord op een bepaalde hoogte boven de vloer.

In figuur 2 is schematisch een automatisch geleid voertuig 7 (AGV) weergegeven dat aan de voorkant 8 en ook aan de achterkant 9 is uitgerust met een combinatie-veiligheidssensor 10 volgens de uitvinding met een optische 11 en een akoestische 12 sensor met een ultrasone zender 13 en microfoons 14 en een rekeneenheid 15 om de 3D beelden van beide sensoren met elkaar te vergelijken. Beide sensoren 11,12 van de combinatie-veiligheidssensor 10 bestrijken een veiligheidszone 16 aan de voorkant van het voertuig 7, terwijl optioneel nog een paar sensoren 11',12' van een combinatie-veiligheidssensor 10' aan de achterkant van het voertuig een tweede halfbolvormige veiligheidzone 16’ aan de achterkant van het voertuig 7 kunnen aftasten.

In figuur 3 wordt de akoestische sensor van de combinatie-veiligheidssensor meer in detail voorgesteld bestaande uit één enkele centrale ultrasone zender 13 die breedband echo-locatie pulsen uitzendt en in dit geval twee gefaseerde matrices 14 van zestien microfoons die de echo's opvangen.

Figuur 4 stelt een specifieke toepassing van de combinatie-veiligheidssensor volgens de uitvinding voor in een automatisch geleide en onbemande vorklift 17, die in de rijrichting voorzien is van een traditionele optische veiligheidssensor 3 en één combinatie-sensor 10 volgens de

De werking van de combinatie-veiligheidssensor 10 kan als volgt worden toegelicht.

De combinatie-veiligheidssensor 10 wordt aangebracht op de voorkant 8 van in dit geval een automatisch geleid voertuig 7, waardoor een halfbolvormige ruimte 16 voor het voertuig in de bewegingsrichting ervan bestreken wordt door zowel een optische time-of-flight (TOF) sensor 11 als een akoestische time-of-flight (TOF) sensor 12.

De optische sensor 11 bestaat uit een gepulste lichtbron, waarvan de weerkaatsing op een aantal voorwerpen in de halfbolvormige ruimte 16 wordt gedetecteerd en waaruit de afstand tussen de lichtbron en elk weerkaatsend punt berekend wordt uit de tijd die het licht erover doet om terug te keren. Deze berekening gebeurt in een rekeneenheid 15 die met de optische sensor verbonden 11 is en die aan de hand van deze gegevens een driedimensionaal (3D) beeld van de omgeving in de halfbolvormige ruimte 16 vormt.

De akoestische sensor 12 bestaat uit een ultrasone gepulste zender 13, waarvan de weerkaatsing of echo gedetecteerd wordt door een matrix van microfoons 14 die willekeurig of in een gefaseerde matrix zijn opgesteld en waaruit de afstand tussen de geluidsbron 13 en het weerkaatsend punt berekend wordt uit de tijd die de echo van het geluid erover doet om terug te keren naar elk van de microfoons 14. Deze berekening gebeurt in een rekeneenheid 15 die met de akoestische sensor verbonden is en die aan de hand van deze echo-locaties een driedimensionaal (3D) beeld van de omgeving in de halfbolvormige ruimte vormt.

Een rekeneenheid 15 vergelijkt het 3D beeld gedetecteerd door de optische en de akoestische sensor met elkaar, en indien beide beelden met elkaar in overeenstemming zijn of voldoende gecorreleerd zijn, wordt de detectie van de combinatie-veiligheidssensor 10 als betrouwbaar beschouwd door de rekeneenheid 15. Het gevormde 3D-beeld zal dan ook gebruikt worden om het voertuig 7 op eventuele hindernissen in het gangpad tijdig te laten reageren.

Indien beide beelden van de optische sensor 11 en de akoestische sensor 12 niet met elkaar overeenstemmen, wordt de combinatie-veiligheidssensor 10 als defectief beschouwd en zal het automatisch geleid voertuig 7 gestopt worden.

De software in de rekeneenheid 15 gebruikt hierbij wel algoritmes die ervoor zorgen dat snel voorbijgaande storingen die slechts één van de optische of akoestische sensoren beïnvloeden, eruit worden gefilterd zodat de ermee uitgeruste voertuigen of toestellen verder kunnen functioneren zonder de veiligheid in het gedrang te brengen.

Mutatis mutandis geldt het voorgaande ook wanneer het automatisch geleid voertuig in omgekeerde richting beweegt waarbij een tweede combinatie-sensor op de achterkant van het voertuig ervoor zorgt dat ook in deze bewegingsrichting de veiligheid gewaarborgd blijft.

Mutatis mutandis kan de voorgaande werking van de combinatie-sensoren ook toegepast worden op de bewegingen van een robot bijvoorbeeld, waarbij ook de veiligheid van personeel en materieel moet gewaarborgd blijven in geval een onvoorziene hindernis zich in het werkpad van de robot zou bevinden.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch een combinatie-veiligheidssensor volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (9)

1. Conclusies .

   1. - Combinatie-veiligheidssensor (10), daardoor gekenmerkt dat een combinatie van optische (11) en akoestische (12) time-of-flight (TOF) sensoren de positie bepaalt van voorwerpen of hindernissen in een driedimensionale ruimte.
2. 2. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de optische TOF sensor (11) een optische 3D camera is en de akoestische TOF sensor (12) een sensor is die gebruik maakt van één enkele ultrasone zender (13) die breedband echo-locatie-pulsen uitzendt waarvan de echo's door een groep van ontvangers of microfoons (14) opgevangen worden.
3. 3. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de groep van ontvangers of microfoons (14) een gefaseerde matrix vormt.
4. 4. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de gefaseerde matrix van ontvangers of microfoons (14) bestaat uit twee of meer groepen van ontvangers die elk een regelmatig rooster van microfoons vormen, waarbij die twee of meer groepen op een vaste afstand van elkaar zijn geplaatst.
5. 5. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat een groep van ontvangers (14) bestaat uit 16 microfoons in een vierkant rooster van 4x4 microfoons.
6. 6. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de groep van ontvangers (14) of microfoons een groep met willekeurige plaatsen vormt.
7. 7. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het driedimensionale beeld van de ruimte door de sensoren bestreken afkomstig is van de optische TOF sensor (11) en continu vergeleken wordt met het driedimensionale (3D) beeld afkomstig van de akoestische TOF sensor (12) door middel van een rekeneenheid (15) die met de combinatie-veiligheidssensor (10) is verbonden.
8. 8. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat de correlatie of de match van het 3D beeld tussen optische (11) en akoestische sensor (12) gebruikt wordt om continu de betrouwbaarheid van de combinatie-veiligheidssensor (10) te evalueren en te bewaken en bij mismatch te waarschuwen of deze combinatie-veiligheidssensor en de ermee uitgeruste toestellen uit te schakelen.
9. 9. - Combinatie-veiligheidssensor volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat specifieke algoritmes in het bepalen van de correlatie van het optisch met het akoestisch 3D beeld, voorbijgaande storingen eruit filteren die slechts één van de optische (11) of akoestische (12) sensoren beïnvloeden, zodat de ermee uitgeruste toestellen verder kunnen functioneren zonder de veiligheid in het gedrang te brengen.