CN101536051B - 用于存在检测的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在检测区域(18)内存在检测的传感器(10)，所述传感器(10)至少包括：用于在检测区域(18)上生成图像的图像生成器(14)，所述图像通过照亮的结构从所述检测区域(18)反射形成；用于检测从所述检测区域(18)反射的所述图像的信号的检测器(20)；图像处理单元(24)，所述图像处理单元(24)用于将基于所述反射和接收的图像的所述信号与存储在图像处理单元(24)的存储装置内的参考图像的信号进行比较，其中所述图像生成器(14)在所述检测区域(18)上生成具有照亮区和非照亮区的图案(16)，所述图像处理单元(24)使用三角测量技术来检测在检测区域(18)内的图案(16)相对于参考图像的变化。此外，本发明涉及一种用于在检测区域(18)内存在检测的方法，其中：至少一个图像生成器(14)在检测区域(18)上生成具有照亮区和非照亮区的图案(16)，检测器(20)检测检测区域(18)上的图像且生成输出信号，图像处理单元使用三角测量技术将基于反射和接收的图像的所述输出信号与存储在图像处理单元(24)的存储装置内的参考图像的信号进行比较，以检测检测区域(18)内的图案(16)相对于参考图像的变化。

Description

用于存在检测的传感器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的用于存在检测的传感器以及根据权利要求16的用于存在检测的方法。

背景技术

在不同的技术和实施例中已知用于存在检测的传感器和方法。

当检测宽区域时，已知使用照相机，其通常是优选的选择。照相机能够以合适的光学器件覆盖要求的区域。常规摄像机受到在自动门环境中导致问题的许多不同的限制。

第一问题是照明问题。照相机很强地依赖于用于照亮现场的光，且在暗条件下能够造成检测缺失。为对此补偿，经常要求具有辅助照明设备来提供必要的光。

照相机的第二限制与照明突然改变的情况中需要照相机快门的迅速适应相关，此照明突然改变能够例如在门开启且阳光突然到达内部检测区域时发生。可能存在高光溢出效果，这能暂时致盲照相机。

经典照相机系统的第三限制与阴影或光亮在地面上的投影相关。这些投影能够被检测为真实目标且这将生成虚假检测。因此，照相机不能分辨真实体积和地面修改之间的差异。当例如叶子、水或纸张的元素放置在地面上时，它将被检测为地面图像的变化。此外也重要的是视频信号处理是非常消耗资源的，且要求强大的数字信号处理器来进行图像分析。这对于这样的传感器的成本具有负面影响。

此外，红外反射传感器也从现有技术已知。根据此技术，一组红外IR光点投射到地面上。红外反射传感器然后分析在相应的光电二极管上接收回的能量的量。此原理的优点是“主动”，这意味着检测基于对所发射的信号的分析进行，这与“被动”意义的摄像机相反，摄像机仅观察接收到的光而不发送任何能量到地面上。主动传感器更不易受到周围光影响，因为通过滤波其可以仅观察来自此发射的接收信号。这些反射传感器的已知的限制也是对于地面变化的敏感性。

另外的主动传感器从EP 1528411中已知，其中披露了红外三角测量传感器。此传感器作为距离测量传感器工作且包括用于将至少两个光点投射在目标上的至少两个光电子信号源，光电子接收器，用于在光电子接收器上再现该至少两个光点的光学器件，和用于处理由光电子接收器生成的输出信号且用于依赖于处理的输出信号来控制该至少两个光电子信号源的装置，以通过三角测量技术来测量目标和传感器之间的距离。

通过使用多于一个光电子信号源和位置敏感检测器PSD，可以提供多于一个检测光点及其相应的距离阈值。换言之，对于对应于一个检测光点的每个光电子信号源提供希望的距离阈值。通过处理光电子接收器的输出信号和分别控制光电子信号源，可以使用多于一个光点用于距离检测。不幸的是，光点的数量迅速受到PSD检测器的精度和尺寸的限制。

三角测量原理基于在源、目标和检测器之间进行的角度测量。目标和源之间的距离将角度修改。这些传感器的优点是更不易于受到周围光的影响以及更不易于受到地面变化的影响。然而，这些传感器具有有限数量的检测光点。此外，检测区域的地面结构影响这些传感器的结果。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于存在检测的传感器和方法，以克服以上所述的缺点，提供低成本检测系统，所述检测系统能够覆盖其中要求检测目标是否存在的相当大区域，同时对于环境对地面变化的影响、周围光照和到检测区域内的任何类型的阴影或投射光不敏感。

本发明的这些以及其他目的一般地通过根据权利要求1的特征的用于存在检测的传感器以及通过根据权利要求16的特征的方法实现。

本发明基于如下构思，即将三角测量方法用于存在检测传感器，其中传感器至少包括：在检测区域上生成照亮的图像的图像生成器，和用于借助于三角测量方法检测图案的照亮的图像形式的改变的检测器。最后，传感器检测投射在检测区域内的地面上的图像的变形。因此，方法基于：对于通过至少例如激光器的光源和另外的衍射元件投射在地面上、且由照相机分析的图案的三角测量，所述照相机的快门与图案的接收同步。这允许去除周围光照的影响。

根据本发明，提供用于在检测区域内存在检测的传感器，该传感器至少包括：用于在检测区域上生成图像的图像生成器，所述图像通过照亮的结构从所述检测区域反射形成；用于检测从所述检测区域反射的所述图像的信号的检测器；图像处理单元，所述图像处理单元用于将基于所述反射和接收的图像的所述信号与存储在图像处理单元的存储装置内的参考图像的信号进行比较，其中所述图像生成器在所述检测区域上生成具有照亮区和非照亮区的图案，所述图像处理单元使用三角测量技术来检测在检测区域内的图案相对于参考图像的变化。此传感器比现有技术中已知的传感器对于周围光和检测区域的其他影响更不敏感。

根据本发明的第一实施例，所述图像生成器和所述检测器相互之间具有预定距离(D)。在距离上用于三角测量分析的角度是固定的。此角度必须是使角度改变的检测分辨率易于检测的预定尺寸。检测距离范围和精度取决于图像生成器和检测器之间的距离和检测器分辨率。

为分析检测区域内的所投射的图像，所述检测器包括光电子接收器，特别是照相机，优选地其被提供有CCD或CMOS芯片。

为扩宽传感器的应用可能性，所述照相机具有外部可控的快门。

根据本发明的一个实施例，所述图像生成器将所述图像生成为固定图像或脉冲图像，使得图像生成在预定间隔内。

特别地可提供控制单元，且所述快门和所述图像生成器能够被所述控制单元控制，以将快门的开启与所述图像生成器的脉冲频率同步，以在图像脉冲开始时开启快门且取决于图像脉冲的结束关闭快门。因此，脉冲的IR能量相对于周围光的相对贡献能够通过所发射的更高的峰值IR功率而进一步提高，同时保持装置的功率可接受。因而能够进一步降低周围光对于图像的影响。

优选地，所述检测器包括光学输入滤波器，以最小化周围光对于图案变化的检测的影响。

根据本发明的另一个实施例，由图像生成器生成的所述图案包括至少一个光点，特别是矩形点网格或移动的点网格，和/或至少一条线，特别是平行线或线网格，该平行线优选地相互之间具有规则距离。

特别地，图像生成器包括光源且特别是波束成形器。所述光源生成从400至960nm的波长，特别是从780至850nm的波长。

根据本发明的另一个实施例，所述图案能够通过一组位于要求的保护区域上方的单一光点光源生成，其中每个光源距检测器具有特定的距离。此距离可从一个光源到另一个光源变化。

此外，所述光源能够是高功率脉冲激光器或LED光源。

所述波束成形器能够是衍射光学器件组、微透镜阵列、例如圆柱透镜的常规失真光学器件。

优选地，提供多个图像生成器，其中每个图像生成器位于相对于检测器的特定位置和取向。

根据本发明，用于在检测区域内存在检测的方法具有如下步骤，其中：至少一个图像生成器在检测区域上生成具有照亮区和非照亮区的图案，检测器检测检测区域上的图像且生成输出信号，图像处理单元使用三角测量技术将基于反射和接收的图像的所述输出信号与存储在图像处理单元的存储装置内的参考图像的信号进行比较，以检测检测区域内的图案相对于参考图像的变化。

特别地，脉冲图像投射在检测区域上。

优选地，如果脉冲图像投射在检测区域上，则检测器的快门开启。

根据本发明的方法的另一个实施例，在图像在检测区域上期间执行第一检测步骤，且如果脉冲图像不再投射在检测区域上，则执行第二检测步骤。

所述图像处理单元能够将来自第一和第二检测步骤的结果进行比较，以滤除对于检测区域的周围影响。此结果能够在数个循环中积累以增强对周围光的排除。比较将在第一检测步骤的数个积累图像和第二检测步骤的数个积累图像之间进行，或将存在随后的第一和第二检测步骤之间所计算的差异的数个累积。

根据本发明的方法的另一个实施例，发射期间的占空比能够设定为最大化源峰值功率且最小化周围光累积时间，从而避免照相机像素由于周围光的饱和且增加信噪比。

特别地，所述检测区域对应于检测器的照相机的整个视野或其部分。

优选地，传感器以激活步骤开始，其中存储参考图像。

优选地，根据本发明的传感器或根据本发明的方法使用于自动门开启器和关闭器。

附图说明

本发明的另外的目的、优点和特征将从如下描述中结合附图变得显见。各图为：

图1a示出使用根据本发明的带有图案生成器和照相机的传感器的基本测量原理的例子；

图1b示出使用定位在要求的保护区域上的多个单点图案生成器和照相机的测量原理的替代例子；

图2示出传感器的检测原理；

图3a示出传感器的图案生成器的图案的第一例子；

图3b示出传感器的图案生成器的图案的第二例子；

图3c示出传感器的图案生成器的图案的第三例子；

图3d示出传感器的图案生成器的图案的第四例子；

图4为示出以照相机的非同步快门的信号发展的图；

图5为示出以照相机的同步快门的信号发展的图。

具体实施方式

图1a中示出传感器10，该传感器10与门开启器和关闭器一起工作，即与滑动门12一起工作。传感器10布置在滑动门12上方，以检测滑动门12前方检测区域18内任何物体的存在。

图像生成器14将图案16-在此为点-投射在滑动门12前方的检测区域18的地面上。此图案16被检测器20即被照相机20a观察到。

图像生成器14和检测器20分开以距离D。检测器20设计为仅检测投射在检测区域18的地面上的图案16。图像生成器14和检测器20之间的有意的距离D生成视差效果。当地面且因此检测区域18与照相机20a之间存在物体22时，此效果将造成图案16的变形，如通过照相机20a可见。

如果地面反射性改变，则反射的图案16的强度将改变，但其形状不改变。这在自动门环境中是非常希望的，因为那样传感器10将变得不易受由雨、水、纸张等引起的任何地面反射性变化的影响。

为实现此检测，传感器10解决在如下段落中描述的不同问题。

检测器20具有图像处理单元24，该图像处理单元24基于从图像生成器14生成且投射在检测区域18的地面上的图案16的图像分析。此图案16由图像生成器14使用光源(即激光器26)和将激光束转换为图案16的衍射或非衍射元件的组合而生成。

图像处理单元24然后利用三角测量原理。这是可能的，因为检测器20的照相机20a以及图像生成器14因而激光器和衍射或非衍射元件不同心。如果图案16投射在地面18上，则照相机20将依赖于地面的地形来接收图案16的图像。如果地面是平面，则在图案16上将存在非常少的变形。具有最小高度的目标的存在将自动使图案16变形，如由照相机20a觉察到的。这是由于将在下文中结合图2描述的三角测量的效果。

考虑在检测区域18的地面上在第一位置28处投射光点16a的激光器26即因而考虑光源，反射的能量在照相机20a上在第一点30处成像。当插入高度为H的物体22时，光点16a在物体22上在第二位置32处被反射且被发送回到照相机20a上第二点34处。因而，净结果是从第一点30到第二点34的移动。从第一点30到第二点34的移动仅依赖于在检测区域18上方的传感器10的高度h1和h2、图像生成器14和具有照相机20a的检测器20之间的距离D、照相机光学器件的焦距以及物体22的高度H，且因此从角度W₁至W₃的增加。明显的结果是移动不依赖于物体22的水平位置。此推理能够对于投射的图案16的所有光点进行。因而，其结果是这样的图案16将根据被图案16照亮的每个点的距离变形以接收到的点的移动。

如果激光器26和照相机20a同心，则无论现场的地形如何，由照相机20a可见的图案16将不依赖于距物体22的距离且因而图案16上无变形。但当照相机20a位于距激光器26距离D处时，此三角测量效果结果将具有根据检测区域18的地面的地形以及物体22的图案16的变形。

也可能的是如果像在图1b中的同时使用数个光源，则也可以具有这样的效果。在此情况中，光点的位移将依赖于图像生成器14的每个光源距照相机20a的相对位置。

检测原理基于对于从地面上由照相机20a观察到的作为参考的图案16以及当物体22存在于检测区域18内时接收到的图案16的分析。当例如纸张存在于地面上之后发生颜色改变时，传感器10将看到相同的图案16且没有检测。传感器10于是对于地面反射性变化不敏感。

因此，根据本发明，不需要具有用于现场的所有点的真实距离测量。仅保证无物体22位于传感器10和略高于检测区域18地面的距离之间是必要的。仅需检测具有对应于幼儿的20cm×30cm×70cm的最小尺寸的物体22。

为正确地覆盖检测区域18，需要仔细选择图案16。要考虑数个可能性。选择需要基于如下标准进行：

形成在检测区域18的地面上的图案16覆盖照相机20a的整个视野或其部分，其形成检测区域18。其应被优化以最大化物体检测的机会。

照亮的区域与暗区域之间的差异应该高，以使得图案16的检测容易。

为最小化照明功率的总量，提供允许在规则间隔处的点的测量同时在这些点之间不具有照明的表面覆盖比。由此，虽然顾及到平均功率限制和总功率限制，但在照亮的区域上观察到的峰值功率能够更高。这对于激光器26的安全性法规约束是有利的。

为最小化传感器10的成本，图案16由高光学产率，高效率和低成本光学元件形成。

在如下的图3a至图3d中示出可使用的一些图案16。点36比线38具有优点，以具有更高的空间占空比，因为其可在二维上获得。

光点的个数和光点间距被优化以最大化功率/光点，同时保持光点之间的距离足够短以检测最小的物体22。

如上关于现有技术所述，IR主动传感器的一个优点是其良好的周围光排除。根据本发明的传感器10的一个关键特征是使检测器原理变为“主动”。当传感器10将能量发送到检测区域18上从而形成图案16时，照相机20a的快门与图像生成器14同步，以仅当能量从图像生成器14发送到检测区域18的地面上时获取光。

为优化仅观察图案16而无例如阳光或任何人造光源的周围光的任何干扰的目标，希望的是在照相机20a上具有光学输入滤波器，其将增强图案16且去除来自现场的正常照明的图像。

此外，重要的还有保证照相机像素在过程结束时不饱和。

为此目的，如果检测器20因而照相机20a具有快速快门，则将使用脉冲光源，即激光器26。激光器能够具有数百毫瓦的高瞬时功率，但带有非常短的脉冲持续时间。照相机20a的快门在相同的时间控制所有像素，且仅在光源脉冲持续时间期间开启。

这将降低照明共模且增加信噪比。周围照明图像在此显然被考虑为噪声。图4和图5中的图示出在快门时间内光的累积的同步如何给出这样的益处。

脉冲持续时间且相应快门时间越短，则周围光对于信号的贡献将越低，从而避免照相机因周围光的饱和且允许更好的周围光排除。激光器26与照相机20a的同步能够通过图像处理单元24完成。

为去除如在图4和图5中示出为“噪声”的周围光在像素光累积中的剩余贡献，建议进行两个测量。一个测量将通过发送到照相机20a的脉冲进行，且第二测量将不以脉冲进行。

在与先前步骤相比相同的积累时间期间，照相机快门开启而无任何光源脉冲，以具有背景图像。然后将两个图像相减以突出图案图像。传感器10因而几乎对于背景照明变化不敏感。

在下文中将描述的不同步骤之后，可获得图案16的图像以将其处理。此图像包含在接收的图案16中，其中被照亮的点被增强且其他点为暗。

图案点的强度可能由于地面反射性而变化，但检测算法将忽略这些变化。起作用的参数仅为点的位置。

在无物体22时将获取参考图像。在检测模式中，将进行参考图像上的不同光点的位置和当前图像的光点位置之间的比较。如果光点移出接受范围的外面，则发生检测。

光源可以是高功率脉冲激光器26或LED光源。重要的是光源能够脉冲发光且也能够随后通过光学器件成形以在地面上形成合适的图案。

如所述的衍射或非衍射光学器件的波束成形器在数米距离处的检测区域18的地面上形成图案16。作为替代，波束成形器可以是微透镜阵列或常规失真光学器件。

地面上的网格的形状能够是矩形、正方形或梯形或任何其他形状。

如上所述，光学滤波器在照相机20a的输入处有用，用于排除周围光的已有的一些部分。如果使用激光器26，则其窄的带宽允许使用具有窄带宽和在有用带的每侧上具有尖锐的排除的干涉滤波器。这将已很大地帮助排除无用光。

照相机20a具有CCD或CMOS芯片和外部可控的全域快门。照相机20a的灵敏性将必须针对光源波长而被优化。

通过照相机快门与由图像生成器14红外生成的脉冲的同步，周围光的累积能够被最小化且可实现最大的图案16对于周围光比值。此外，IR光的脉冲本质允许更高的峰值，同时将平均功率保持在安全极限以下。

基于带有图案16的检测区域与不带有图案的检测区域的比较的图像差异允许对于有用图案排除周围光。此差异能够在数个循环上积累，以进一步增强图像的信噪比。

激光器26与衍射或非衍射波束成形器的联合使用能够在检测区域18的地面上提供高分辨率图案16。能量的空间重新分配能够被设计为将照亮区和非照亮区之间的比值最大化。理想地，点图案16似乎是最合适的，因为它将图案区域和非照亮区域之间的差异最大化，同时保证对于具有最小尺寸的实体实现对检测区的合适覆盖。例如，如果点相互分开15cm，则检测20cm×30cm×70cm的实体不成问题。

当图像处理单元24处理作为“黑背景上的白色”的图案16时，图像则容易被数字化为每像素仅“1”或“0”。此外，所获得的图像的极大的简单性将是图像处理算法的成本降低的关键因素，该算法将不使用非常昂贵的信号处理单元而可实现。

参考标记

10  传感器

12  滑动门

14  图像生成器

16  图案

16a 光点

18 检测区域，地面

20 检测器

20a照相机

22 物体

24 图像处理单元

26 激光器

28 第一位置

30 第一点

32 第二位置

34 第二点

36 点

38 线

D  距离

H  物体高度

h1+h2  传感器高度

Claims (22)

1.一种用于在检测区域(18)内存在检测的传感器(10)，所述传感器(10)至少包括：用于在检测区域(18)上投射图案(16)的图案生成器(14)，包括照相机(20a)且与所述图案生成器(14)分开预定距离(D)、用于检测从所述检测区域(18)反射的所述图案(16)的信号的检测器(20)，用于将基于所述反射和接收的图案(16)的所述信号与存储在图像处理单元(24)的存储装置内的参考图案的信号进行比较的图像处理单元(24)，其中所述图案生成器(14)在所述检测区域(18)上生成具有照亮区和非照亮区的所述图案(16)，所述图像处理单元(24)使用三角测量技术来检测在所述检测区域(18)内的图案(16)相对于参考图案的变化，其特征在于，所述图案生成器(14)生成脉冲图案(16)，所述照相机(20a)具有全域快门，以及提供控制单元，所述控制单元控制所述快门和所述图案生成器(14)以将快门的开启与所述图案生成器(14)的脉冲频率同步，以在图案脉冲开始时开启快门且取决于图案脉冲的结束关闭快门。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述照相机(20a)被提供有CCD或CMOS芯片。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述检测器(20)包括居于图案生成器波长中心的光学输入滤波器，以最小化周围光对图案(16)的检测的影响。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述图案(16)包括至少一个光点。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述图案(16)是矩形点网格或移动的点网格。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，图案生成器(14)包括光源(26)。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述图案生成器(14)还包括波束成形器。

8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述光源(26)生成从400至960nm的波长。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述光源(26)生成从780至850nm的波长。

10.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述图案(16)通过一组位于检测区域(18)上方的单一光点(16a)光源生成，其中每个光源(26)距检测器(20)具有特定的距离。

11.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述光源(26)是高功率脉冲激光器(26)或LED光源。

12.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述波束成形器是衍射光学器件组、微透镜阵列、常规失真光学器件。

13.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述常规失真光学器件是圆柱透镜。

14.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，提供多个图案生成器(14)，其中每个图案生成器(14)位于相对于检测器(20)的特定位置和取向。

15.一种用于在检测区域(18)内存在检测的方法，其中：至少一个图案生成器(14)在检测区域(18)上生成具有照亮区和非照亮区的图案(16)，检测器(20)检测检测区域(18)上的图案(16)且生成输出信号，图像处理单元(24)使用三角测量技术将基于反射和接收的图案(16)的所述输出信号与存储在图像处理单元(24)的存储装置内的参考图案的信号进行比较，以检测检测区域(18)内的图案(16)相对于参考图案的变化，其特征在于，所述图案生成器(14)生成投射在所述检测区域(18)上的脉冲图案(16)，所述检测器(20)包括照相机(20a)，所述照相机(20a)具有外部可控的全域快门，以将快门的开启与图像脉冲的开始同步，并取决于图像脉冲的结束关闭快门。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在图案(16)在检测区域(18)上期间执行第一测量，且如果脉冲图案(16)不再投射在检测区域(18)上，则执行第二测量。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述图像处理单元(24)将来自第一和第二测量的结果进行比较，以滤除在检测区域(18)上的剩余周围影响。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，发射期间的占空比能够设定为最大化源峰值功率且最小化周围光累积时间，从而避免照相机像素由于周围光的饱和且增加信噪比。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述图像处理单元(24)将来自积累的第一测量和积累的第二测量的结果进行比较以增强信噪比，或积累第一和第二测量之间的数个即时差异。

20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述检测区域(18)对应于检测器(20)的照相机(20a)的整个视野或其部分。

21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述传感器(10)以激活步骤开始，其中存储参考图案。

22.根据权利要求1至14的任何一项所述的传感器(10)或根据权利要求15至21的任何一项所述的方法在自动门开启器和关闭器内的使用。

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