CN110895335A - 传感器和自主交通工具 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及传感器和自主交通工具。一种自主交通工具(12)和一种传感器(1)，该自主交通工具(12)具有传感器(1)，该传感器(1)具有多个光发射器(2)和多个光接收器(3)以及控制和评估单元(7)，这些光发射器和光接收器被布置在共同的壳体(4)中，其中光发射器(2)和光接收器(3)的光学轴线(5)平行地布置或在具有角距的不同的角方向上呈扇形布置，由此形成保护场(6)，该控制和评估单元(7)用于监测和评估保护场(6)，其中相机(8)与控制和评估单元(7)连接，其中相机(8)的相机图像由控制和评估单元(7)评估。

Description

传感器和自主交通工具
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的传感器和一种根据权利要求10的前序部分的自主交通工具(automones Fahrzeug)。
自主交通工具，如移动平板车、无人驾驶的运输系统或无人驾驶的运输交通工具，配备有用于人身和碰撞保护的安全传感装置。
例如，使用激光扫描仪或安全激光扫描仪来防护无人驾驶的运输系统。
本发明的任务在于提供一种改进的传感器，该传感器可被更好地诊断或可以更好地用于对象识别。
该任务根据权利要求1通过具有多个光发射器和多个光接收器以及控制和评估单元的传感器解决，这些光发射器和光接收器被布置在共同的壳体中，其中光发射器和光接收器的光学轴线平行地布置或在具有角距的不同的角方向上呈扇形布置，由此形成保护场，该控制和评估单元用于监测和评估保护场，其中相机与控制和评估单元连接，其中相机图像由控制和评估单元进行评估。
传感器可以是安全传感器(Sicherheitssensor)或非安全传感器。借助相机可以为传感器提供诊断图像和/或配置图像。根据本发明，提供了一种具有传感器和相机以及控制和评估单元的系统。
例如，相机经由端口与传感器连接。例如，相机可以被布置在自己的独立壳体中。端口可以是有线端口或无线端口。例如，有线端口是以太网或其他网络或现场总线。例如，无线端口是无线以太网(WLAN)、无线近场通信(NFC)或蓝牙。
例如，相机图像被存储在传感器的存储器、设备的中央存储器或分散的云存储器中。
为此，例如制造商的软件工具，诸如统一的操作、配置和管理软件，设置有例如申请人的名称为SOPAS、SOPAS Air或Saftey Designer。
例如，根据本发明，设置多个可切换的保护场。随后，例如根据所捕获的相机图像来切换这些保护场。
可选地，光发射器的发射光束的距离随着到光电传感器的距离的增大而增大，以及/或者，可选地，光接收器的接收光束的距离随着到光电传感器的距离的减小而减小。
传感器可以是安全传感器。根据本发明，安全是在机器安全意义上的安全。例如，标准EN/IEC 61496规定了对安全传感器或安全无触碰作用的保护装置(BWS)的要求，以用于防护危险区域。机器安全在标准EN13849中进行了规定。例如，通过用于故障检测和功能检验的控制和评估单元的双通道结构或双通道多样化结构来确保安全。例如，根据本发明的距离测量传感器或间距传感器被设计成本质安全的并且识别内部故障。例如，在发现到故障时生成故障信号。此外，传感器或间距传感器可选地具有传感器测试装置。
控制和评估单元识别对保护场的侵犯(Schutzfeldverletzung)，并且可以输出与安全相关的切断信号，以停止机器或交通工具或机器的一部分的危险运动，或者以使机器、机器的一部分或交通工具制动。这可以例如经由安全切换信号(例如，OSSD信号(输出安全切换器件信号Output Safety Switching Device-Signale))或干预事件的安全间距数据、距离数据或安全位置数据来实现。
根据本发明的传感器被构造成简单且便宜的。由于传感器无需可机械移动的部件，因此该传感器没有机械磨损并且使用寿命长。例如，使用根据本发明的传感器可以满足所需的使用寿命，例如约20年。
优选地，可选的角距仅为几度。例如1°至20°，或1°至10°，或1°至5°。
根据本发明，光束在不同的角方向上呈扇形发射或接收，由此可以容易地检查监测区域，监测区域中是否存在对象，以及对象所在的位置，即对象存在于何种距离。此外，可以测量对象或检测周围环境轮廓(Umgebungskontur)及其变化。扇形平面内的监测区域通过光束的扇形发射或扇形接收进行监测。例如，光发射器或光接收器径向对称地布置在圆柱体的圆周上。由于光发射器和光接收器被牢固地固定并且光束无需可移动的部件就直接到达监测区域，因此可以以高角度精确度制造激光扫描仪。在生产激光扫描仪时，可以检验并且调节角方向的角度精确度。由此，确保了每个激光扫描仪都保持特定的所需最小的角度精确度。
在本发明的一个改进方案中，传感器是根据光飞行时间法(Lichtlaufzeitverfahren)的传感器。
例如，光飞行时间传感器基于根据PMD方法的飞行时间芯片，该芯片基于调制光的相位位置测量来进行距离测量。
根据光飞行时间原理的间距传感器或光扫描器具有至少一个光发射器和至少一个光接收器，该光发射器将连续的光脉冲发射到测量区域中，该光接收器接收在测量区域中的对象上反射的光脉冲并且以电接收信号的形式馈送给控制和评估单元，该控制和评估单元在考虑光速的情况下根据光脉冲的发射与接收之间的时间得出表示对象与光扫描器的距离的距离信号。
根据本发明，间距传感器的光接收器具有由单光子雪崩二极管组成的至少一个阵列。
单光子雪崩二极管也被同义地称为“单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diode)”，简称SPAD。其他常见的名称是“硅光电倍增器”(SiPM)、“盖革模式雪崩光电二极管”或“单光子计数二极管”。单光子雪崩二极管是在标准的CMOS技术中可实现的光敏探测器，与雪崩光电二极管类似，这些光敏探测器将入射光子转换成电流脉冲。然而，与雪崩光电二极管不同的是，单光子雪崩二极管在击穿电压以上运行。因此，单个入射的光子就已经触发雪崩效应，该雪崩效应可以被探测为电流脉冲。由于灵敏度高(即，放大系数为106)，即使是最低的接收功率也可以探测到单光子。
光飞行时间传感器的应用，特别是单光子雪崩二极管与脉冲激光器的组合应用，提供了具有例如高达约一毫米的精确度的距离信息。同时，简单的附加光学器件通过聚焦允许实现良好的空间选择性和与杂散
Figure BDA0002200698120000041
光的区分。
为了测量距离，各种光飞行时间法可以使用相应的评估来实施。
可以提供脉冲法。例如，提供一个或更多个时间-数字转换器(time-to-digital-converter)用于脉冲法，其中每个单光子事件均设有时间戳。因此，在有效信号的情况下，多个时间戳相关地出现。测量值是通过统计方式生成的。相反地，背景光产生随机分布的时间戳。
此外，可以使用CW(Continuous Wave)法或同义的连续波法，其中使用了在时间上连续调制的光信号。在该方法中，单光子事件通过门控信号被分配到两个计数器中，并根据计数器读数的比来计算相位。
此外，可以评估单光子二极管阵列的模拟信号。这些模拟信号与阈值进行比较、被采样或使用统计学方法进行评估。
在根据光飞行时间法评估时，除了距离值之外，还可以生成幅度值，例如在模拟评估中通过时间戳的直方图、通过计数率或通过电压幅度来生成。特别是在技术安全的应用中，通过幅度值可以执行可信度测试。
使用单光子雪崩二极管具有以下优点：单光子雪崩二极管可以在标准CMOS工艺中制造。因此，光扫描器可以是高度集成的，例如作为ASIC。光发射器(例如，VSCEL、激光二极管或发光二极管)与控制和评估单元或单独的光发射器控制装置同样可以被集成在芯片上或壳体中。
间距传感器或光扫描器比迄今为止在安全技术中常用的光敏接收器成本更低。通过光扫描器的多重布置，可以实现非常紧凑的系统。通过使用单光子雪崩二极管给出了高达单光子的高灵敏度。由此，可选的光学器件可以被非常紧凑地实施。
在本发明的一个改进方案中，相机被布置在传感器的壳体中。由此，相机已经被集成并且可选地已经被固定地定向。由此，相机受到保护地被布置并且对环境影响不敏感。相机可以可调节且可校准地布置在壳体中。
在本发明的一个改进方案中，相机的视场指向保护场，并且至少保护场的区域被相机检测。由此，可以通过相机分析保护场中的事件，例如干预保护场。因此，可以通过相机确定干预产生的原因。因此，例如可以确定未授权人员在保护区中进行故意的未经允许的干预，或者例如由于特定干扰(例如，干扰对象)在保护场中进行干预。为此，可以持续地或暂时地激活相机。
在本发明的一个改进方案中，保护场中的事件启动相机的拍摄。因此，相机可以由保护场中的干预或特定事件触发。由此，仅在干预或事件时激活相机拍摄并存储拍摄。由此，可以检测少见的干预或事件，而无需持续地激活相机或不必持续地存储相机图像。然而，还提出了持续地存储短时间区间的相机图像，并且在有干预或事件时停止拍摄，使得所存储的相机图像存档干预前的历史事件。
然而，相机的触发还可以由机器控制器的外部事件触发。因此，可通过端口读入的机器信号例如可以是用于相机的触发器。因此，例如可以设置的是，在连续生产中，生产货物被相机检测和拍摄，以便例如执行存在控制、维护控制或质量控制。
在本发明的一个改进方案中，可以在控制和评估单元中调节相机的拍摄模式。例如，相机的拍摄模式可以是电影模式、单帧模式或连拍模式。此外，可以将循环图像拍摄或延时拍摄设置为拍摄模式。
在本发明的一个改进方案中，相机的导致干预保护场的相机拍摄由控制和评估单元来评估。在此，在由相机引起的干预保护场之前和之后的拍摄被存储和分析。在此，相机例如连续地临时记录图像，这些图像随后在干预保护场时被持续性地存储。在此，对观察到的情景进行归类和评估并且随后存储。因此，例如可以确定人员、材料或例如运输交通工具是否对保护场产生干预。在此，可以对干预保护场的原因按类别归类和/或诊断。
在本发明的一个改进方案中，可以改变控制和评估单元中相机的拍摄重复率。例如，重复率根据干预保护场的频率进行调整。例如，拍摄重复率根据每时间单位干预保护场的高数量而降低。例如，拍摄重复率可以以1秒、2秒、5秒、10秒、30秒、1分钟或5分钟等间隔调节。
此外，可以例如普遍地或例如为每个类别预先设置拍摄重复率和/或最大拍摄重复率。例如，可以预先设置每分钟拍摄5次或每小时拍摄5次。
此外，还可以忽略拍摄时间，使得在特定的时间间隔中不存储拍摄。例如，如果每分钟传送一个新的部件或对象并且光束由此发生允许的中断，则在控制和评估单元中可以预先设置的是，在传送部件或对象的时间期间不进行拍摄。然而，在允许的中断之前和之后，拍摄继续进行并且被评估。传送的持续时间和传感器的允许的中断可以持续例如20秒。
在本发明的一个改进方案中，控制和评估单元被设计成基于相机拍摄来执行代码识别，并且条形码或矩阵码的字符可以被控制和评估单元读取。由此，可以激活传感器中的预设配置。因此，例如可以设置成读取附在包裹上的条码，并且根据读取的条码改变激活的保护场。在此，检测到的条码信息还可以传递到下游的工艺和系统，由此可以控制生产系统。
在本发明的一个改进方案中，控制和评估单元被设计成基于相机拍摄来执行对象识别并且区分允许的对象和不允许的对象，并且在有允许对象的情况下抑制传感器的对象确定信号。例如，通过相机来检测经过通道到达处理站的对象。通过相机来检测并识别对象。如果对象是允许的对象，则传感器被静默(即，跨接)，使得对象可以经过通道。然而，如果探测到不允许的对象(例如，不允许通过通道的人)，则传感器保持激活并且人被传感器探测到，由此例如停止危险运动。
在本发明的一个改进方案中，相机是根据光飞行时间法的相机。由此，相机本身可以产生三维图像，从而能够实现更好的对象识别或对象归类。
在本发明的一个改进方案中，设置了用于测量数据的输出端口。输出端口与控制和评估单元连接。
例如，可以通过输出端口输出距离图像或间距图像。距离图像例如可以通过颜色编码或假颜色显示来显示拍摄的深度图。例如，连续记录的距离图像可以用于映射车间，或者例如可以为更简单的自主运输交通工具创建导航数据。
此外，距离图像或间距图像可以用于上游的质量控制和/或完整性控制。
例如，根据传感器的一个改进方案，可以拍摄对象(例如，纸盒)，并且如有必要可以评估所属的代码信息(例如，条形码信息)。此外，使用附加信息(例如，对象的体积数据或尺寸)将对象存储在数据库中，这些附加信息可以与输出端口的数据相结合。
在本发明的一个改进方案中，在有允许对象的情况下，可以抑制对象确定信号，其中该功能还可以被实现为静默，即静噪或者屏蔽或部分屏蔽光束轴线。因此，对象确定信号的抑制可以基于尺寸的组合，即对象的宽度和/或高度和/或深度和/或高度，和/或对象的速度和/或对象颜色和/或对象结构。例如，只有带有小标签和例如特定速度(例如1m/s，其中公差为+/-20％)的灰色包裹才被归类为允许的对象。
例如，仅当例如通过传感器和/或通过相机检测到的对象速度与预先设定的指定速度一致时，才能实现在静默或屏蔽时对对象确定信号进行抑制。理论速度被固定地配置在传感器的控制和评估单元中，或者通过经由输入端口的外部信号预先设定。因此，例如可以采用外部编码器的编码器信号或例如两个输入的1/n评估。因此，机器以例如1m/s的速度在正常运行中工作，并以例如0.1m/s的速度在调整运行中工作。
在本发明的一个改进方案中，自主交通工具具有根据本发明的传感器。
由于传感器无需可移动的部件，该可移动的部件例如在用于交通工具中时可能受到加速度影响，因此根据本发明的传感器对振动和冲击载荷不敏感，并且因此可以容易地在机械移动的对象(例如，交通工具，特别是地面运输车辆)中使用。由于传感器无需可移动的部件，因此传感器也可以非常紧凑地实施。
例如，相机在自主交通工具起动时就已经可以使用。因此，相机可以在第一次驶过周围环境(例如，仓库)时主动地产生周围环境的图像并且存储这些图像，以用于映射目的(即，用于检测周围环境)。交通工具的空间周围环境可以从图像中重建。在此，例如识别和学习角、边、壁、面、柱、路线等。
附图说明
下面还参照附图，基于实施例来解释本发明的其他优点和特征。在附图中：
图1示出了具有相机和扇形保护场的传感器；
图2示出了具有相机和平行的光学轴线的传感器；
图3示出了具有用于识别条形码的相机和平行的光学轴线的传感器。
图4示出了具有传感器和相机的自主交通工具。
在以下附图中，相同的部件设有相同的附图标记。
图1示出了传感器1，其具有多个光发射器2和多个光接收器3以及控制和评估单元7，这些光发射器2和光接收器3被布置在共同的壳体4中，其中光发射器2和光接收器3的光学轴线5在具有角距的不同的角方向上呈扇形布置，由此形成保护场6，控制和评估单元7用于监测和评估保护场6，其中相机8与控制和评估单元7连接，其中相机图像由控制和评估单元7进行评估。
传感器1可以是安全传感器或非安全传感器。借助相机8可以为传感器1提供诊断图像和/或配置图像。
例如，相机8经由端口与传感器1连接。端口可以是有线端口或无线端口。
例如，相机图像被存储在传感器的存储器、设备的中央存储器或分散的云存储器中。
例如，根据本发明，设置多个可切换的保护场6。随后，例如根据所捕获的相机图像来切换保护场6。
控制和评估单元7识别对保护场的侵犯并且可以输出与安全相关的切断信号，以停止机器或交通工具或机器的一部分的危险运动，或者以使机器、机器的一部分或交通工具制动。这可以例如经由安全切换信号(例如，OSSD信号(输出安全切换器件信号))或者干预事件的安全间距数据、距离数据或安全位置数据来实现。
优选地，角距仅为几度。例如1°至20°，或1°至10°，或1°至5°。
根据图1，光束在不同的角方向上呈扇形发射或接收，由此可以容易地检查监测区域中是否存在对象9，以及对象所在的位置，即对象9存在于何种距离。此外，可以测量对象9或检测周围环境轮廓及其变化。扇形平面内的监测区域通过光束的扇形发射或扇形接收进行监测。例如，光发射器2或光接收器3还可以径向对称地布置在圆柱体的圆周上。由于光发射器和光接收器被牢固地固定并且光束无需可移动的部件直接到达监测区域，因此可以以高角度精确度制造传感器。在生产传感器时，可以检验并且调节角方向的角度精确度。由此，确保了每个传感器都保持特定的所需最小的角度精确度。
根据图1，传感器1是根据光飞行时间法的传感器1。
根据图1，相机8被布置在传感器1的壳体4中。由此，相机8已经被集成并且可选地已经被固定地取向。相机8可以可调节并且可校准地布置在壳体4中。
根据图1，相机8的视场指向保护场6，并且至少保护场6的区域被相机8检测。由此，通过相机8可以分析保护场6中的事件(例如，干预保护场6)。因此，通过相机8可以确定干预产生的原因。为此，相机8可以被持久地或暂时地激活。
根据图1，保护场6中的事件启动相机8的拍摄。因此，相机8可以由保护场6中的干预或特定事件触发。由此，仅在干预或事件时激活相机拍摄并存储拍摄。由此，可以检测少见的干预或事件，而无需持续地激活相机8或不必持续地存储相机图像。然而还提出的是，持续地存储短时间区间的相机图像，并且在有干预或事件时停止拍摄，使得干预前的历史事件通过所存储的相机图像存档。
然而，相机8的触发还可以根据图2由机器控制装置的外部事件触发。因此，可通过端口读入的机器信号例如可以是相机8的触发器。因此，例如可以设置的是，在连续生产中，生产货物或对象9由相机8检测和拍摄，以例如执行存在控制、维护控制或质量控制。
根据图2，可以在控制和评估单元7中调节相机8的拍摄模式。例如，相机8的拍摄模式可以是电影模式、单帧模式或连拍模式。
根据图2，控制和评估单元7被设计成根据相机拍摄来执行对象识别，并区分允许的对象10和不允许的对象，并且在允许的对象10的情况下抑制传感器1的对象确定信号。例如，通过相机8检测经过通道到达处理站的对象9。对象9由相机8检测并识别。如果是允许的对象10，则传感器1被静默(即，跨接)，使得对象9可以经过通道。然而，如果探测到不允许的对象(例如，不允许经过通道的人)，则传感器1保持激活并且人被传感器1检测到，由此例如停止危险的运动。
根据图2，相机8是根据光飞行时间法的相机8。由此，相机8本身可以产生三维图像，由此能够实现更好的对象识别或对象归类。
根据图3，控制和评估单元7被设计成根据相机拍摄来执行代码识别，并且条形码或矩阵码的字符可以被控制和评估单元7读取。由此，可以激活传感器1中的预设配置。因此，例如可以设置成读取置于包裹或对象9上的条码，并且根据读取的条码对激活的保护场6进行改变。在此，检测到的条码信息还可以传递到下游的工艺和系统，由此可以控制生产系统。
根据图4，自主交通工具12具有根据本发明的传感器1。
例如，相机8在自主交通工具12起动时就已经可以使用。因此，出于映射的目的，也就是检测周围环境，相机8可以在第一次驶过周围环境(例如，仓库)时就主动地产生周围环境的图像并且存储这些图像。交通工具12的空间周围环境可以根据这些图像来重建。在此，例如识别和学习角、边、壁、面、柱、路线等。
参考标记列表
1 传感器
2 光发射器
3 光接收器
4 壳体
5 光学轴线
6 保护场
7 控制和评估单元
8 相机
9 对象
10 允许的对象
12 自主交通工具。

Claims (13)

1.一种传感器(1)，其具有多个光发射器(2)和多个光接收器(3)以及控制和评估单元(7)，所述光发射器和所述光接收器被布置在共同的壳体(4)中，其中所述光发射器(2)和所述光接收器(3)的光学轴线(5)平行地布置或在具有角距的不同的角方向上呈扇形布置，由此形成保护场(6)，所述控制和评估单元用于监测和评估所述保护场(6)，
其特征在于，
相机(8)与所述控制和评估单元(7)连接，其中所述相机(8)的相机图像由所述控制和评估单元(7)评估。
2.根据权利要求1所述的传感器(1)，其特征在于，所述传感器(1)是根据光飞行时间法的传感器(1)。
3.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机(8)被布置在所述壳体(4)中。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机(8)的视场指向所述保护场(6)，并且至少所述保护场(6)的区域被所述相机(8)检测。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述保护场(6)中的事件启动所述相机(8)的拍摄。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机(8)的拍摄模式能够在所述控制和评估单元(7)中进行调节。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机的导致对所述保护场的干预的相机拍摄由所述控制和评估单元进行评估。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机的拍摄的重复率能够在所述控制和评估单元中进行改变。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述控制和评估单元(7)被设计成根据相机拍摄来执行代码识别，并且条形码或矩阵码的字符能够被所述控制和评估单元(7)识别。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述控制和评估单元(7)被设计成根据所述相机(8)的相机拍摄来执行对象识别，并且区分允许的对象(10)和不允许的对象，以及在允许的对象(10)的情况下抑制所述传感器的对象确定信号。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，所述相机(8)是根据光飞行时间法的相机(8)。
12.根据前述权利要求中的至少一项所述的传感器(1)，其特征在于，设置了用于测量数据的输出端口。
13.一种自主交通工具(12)，其具有根据权利要求1至12中的至少一项所述的传感器(1)。
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