CN115575924A - 用于检测对象的光电传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于检测对象的光电传感器和方法。光电传感器(10)具有：至少一个光发射器(22)，其用于发出多个彼此分离的光束(26)；至少一个光接收器(32)，其用于从在监控区域(20)中漫反射的光束(28)产生相应的接收信号；可运动的扫描单元(12)，借助该扫描单元将发出的光束周期性地引导穿过监控区域，以在扫描单元(12)的运动过程中利用分离的光束分别扫描一扫描层(44)；以及控制和评估单元(40)，其被设计用于从相应的接收信号获得关于监控区域中的对象(48)的信息。在此，针对每个扫描层确定与安全相关的对象(48，50)的存在，并且通过针对每个扫描层确定的与安全相关的对象的存在的共同评估来决定是否触发以安全为导向的响应。

Description

用于检测对象的光电传感器和方法
本发明涉及根据权利要求1和13的主题的用于检测监控区域中的对象的光电传感器，特别是激光扫描仪以及方法。
激光扫描仪通常用于光学监控。其中，由激光器产生的光束借助于偏转单元周期性地扫过监控区域。光在监控区域中的对象处被漫反射(remittieren)，并在扫描仪中进行评估。从偏转单元的角位置推断出对象的角位置，并且还从光飞行时间使用光速推断出对象与激光扫描仪的距离。在此，已知确定光飞行时间的两个基本原则。在基于相位的方法中，调制发射光并且评估接收光相对于发射光的相移。在基于脉冲的方法中，如在安全技术中优选使用的那样，激光扫描仪测量直到再次接收到发射的光脉冲的飞行时间。在例如从EP 2 469 296 B1已知的脉冲平均方法中，为了进行测量而发射多个单脉冲，并且统计地评估接收脉冲。
一个重要的应用是在安全技术中对危险源的防护。在此，激光扫描仪监控在机器操作期间操作人员不得进入的保护区。由于激光扫描仪获得了角信息和距离信息，因此可以测定出对象在监控区域中并且因此也在保护区中的二维位置。如果激光扫描仪识别到未被允许的保护区干预，如操作人员的腿，则激光扫描仪会触发机器的紧急停机。
安全技术中使用的传感器必须特别可靠地工作，因此必须满足很高的安全要求，例如关于机器安全的标准EN13849和关于非接触式保护装置(BMS)的设备标准EN61496。为了满足这些安全标准，必须采取一系列措施，例如通过冗余、多样的电子器件进行安全电子评估、功能监控和/或提供必须在相应的扫描角下才可被识别到的具有限定的反射率的各个测试目标。
激光扫描仪的测量范围限于其二维扫描平面上。此外，需要高水平的校准，以便扫描平面平行于地面延伸。在长距离和大扫描角下，这变得更加困难。在具有干扰对象的环境中，特别是在室外区域中，可能会出现可用性问题，即由于实际上与安全无关的对象而导致不必要地关断。虽然探测算法可能会过滤掉太小或瞬态的对象，但它仍然会对持久的干扰对象(例如，单片草叶子)做出响应。
激光扫描仪在安全技术之外也是众所周知的，其可监控由多个扫描层组成的扇形(这些扫描层相互间具有规律的或不规律的角间距)，从而最终监控三维空间区域。这种激光扫描仪被称为多层扫描仪或有时也称为多平面扫描仪。然而，到目前为止，还没有安全的多层扫描仪，即根据上述意义上的功能安全要求配备和认证用于安全技术的多层扫描仪。现有的安全激光扫描仪总是单层扫描仪或单平面扫描仪。
已知3D相机用于检测三维空间区域，该3D相机也解决了安全技术上的应用。多层扫描仪和3D相机在范围(Reichweie)、视场、分辨率(特别是在仰角(Elevationswinkel)方向上的分辨率)和所检测的3D测量点的质量方面具有截然不同的特性。这两种技术都普遍认为不是更好的，适用性取决于具体的应用情况。
因此，对具有三维检测的安全激光扫描仪的需求尚未得到满足。然而，无论是单层扫描仪还是3D相机的程序都不能轻易转移。如果在多层扫描仪中(类推单层扫描仪的单个扫描平面)多个扫描层之一中的每个对象识别都被简单地评估为安全关键，则不必要的关断将成倍增加。此外，至少在向下指向的扫描层中，必须考虑到地面来对保护区进行配置，以至少避免由地面引起的持久的错误关断。另一方面，对3D相机的3D点云的评估是极其复杂的，并且无法使用激光扫描仪的常规计算和存储能力来完成。此外，例如由于完全不同的垂直分辨率，这种评估根本不适于激光扫描仪的点云。
作为众多文献的代表，EP 3 517 999 A1被认为是多层扫描仪的公开来源。其中顺便提及了在安全技术领域中监控保护区的可能性。然而，这仅仅重温了从单层扫描仪中已知的保护区评估和安全设计，而该保护区评估和安全设计不能转移到多层扫描仪上，或者会导致上面已经提到的无数次错误关断。EP 3 517 999 A1的实际主旨是一种特殊的光学配置，其同样可用于安全的多层扫描仪中，但无助于其安全性和可用性。
EP 1 927 867 B1公开了一种安全的多层传感器，该多层传感器在实施方式中产生分散的监控层的扇形。然而，该多层传感器不是激光扫描仪，层是通过不可运动的且因此具有空间分辨的光接收器来检测的。此外，没有讨论对在多个层中安全检测对象的评估的特殊特征。
在EP 3 220 164 B1中描述了一种激光扫描仪，该激光扫描仪在其保护区监控过程中，可以过滤掉太小的并且在短时间内被检测为与安全无关的对象。然而，该评估仅涉及单层扫描仪的单个扫描平面位置。
在DE 101 41 294 B4中，通过反射镜布置使激光扫描仪的后部扫描区域用于交通工具，以便在前部扫描区域中获得额外的扫描层。然而，目标不是多层扫描，而是冗余度，无论是为了提高有效的扫描频率还是为了补偿交通工具的俯仰运动。因此，在文件中找不到适于安全的多层扫描仪的评估。DE 101 41 294 B4还描述了地面识别。后者也在EP 3 521860 A1中描述了一种具有更复杂的地面模型的激光扫描仪。
因此，本发明的任务在于，改进利用通用传感器的安全监控。
该任务通过根据权利要求1和13的用于检测监控区域中的对象的光电传感器，特别是激光扫描仪以及方法得以实现。光发射器将多个彼此分离的光束发射到监控区域中，其中为此可以设置多个光源和/或分立的光学元件。发射的光束不应被理解为在较大的光束内的光束光学(Strahlenoptik)意义上的光束，而是应理解为分开的扫描光束，特别是被准直且具有小的横截面的扫描光束，因此在监控区域中在撞到对象上时产生相应分开的、彼此间隔开的光点。
当发射的光束在监控区域中的对象处被反射时，至少一个光接收器能够从来自不同方向漫反射的光束产生相应的接收信号。为此，设置有光接收器的多个光接收元件和/或区域或像素(组)。这里在定向反射和非定向散射或漫反射之间没有概念上的区别。
可运动的、优选旋转的偏转单元将发射的光束周期性地引导穿过监控区域。在此，每个发射的光束扫描自身的探测层或扫描层，并且总体上得到多层扫描，特别是多层扫描仪或多层(激光)扫描仪。优选地，光发射器和/或光接收器被布置成与偏转单元一起运动。由此，产生可运动的，特别是旋转的测量头或光学头。可替代地，光发射器和/或光接收器是固定的，因此相对于传感器或其壳体静止，而偏转单元例如实施为旋转反射镜。在这种情况下，需要注意的是，在旋转反射镜的运动过程中，这些层会改变它们的高度位置。
控制和评估单元针对每个光束或扫描层通过评估接收信号来检测对象，并且为此特别地确定光飞行时间，从而确定与相应扫上的对象的距离。
本发明基于对跨多个扫描层的人员识别进行安全评估的基本思想。为此，首先在相应的扫描层内检测与安全相关的对象。对于每个扫描层，该评估特别地对应于传统的安全单层扫描仪的评估，而对于多个扫描层，该评估成倍增加。随后，在扫描层上评估在哪些扫描层中识别或确定存在与安全相关的对象的信息，并据此决定是否触发以安全为导向的响应。这特别地通过将相应的防护信号输出到由传感器监控的机器来实现，然后该机器例如通过关断、制动或避让转换到安全状态中。
因此，根据本发明，来自各个扫描层的测量值不合并到共同的3D点云中并且一起进行评估。相反，实际的对象检测保留在相应的扫描层内。然后在各个扫描层中，与安全相关的对象的经处理的存在信息以更高层级和总结的方式进行评估：所识别的状况是否需要以安全为导向的响应。
本发明的优点在于，在多层扫描中能够实现安全且稳健的对象检测或人员检测。在此，与3D相机不同，使用了大扫描角和大范围的扫描检测。根据本发明的传感器特别适用于例如在交通工具上的移动应用。可以实现比单层扫描仪更良好的容差和稳健性。这涉及干扰对象，例如灰尘或雨水、传感器由于安装位置或移动应用中的运动而导致的倾斜以及地面的不平整、倾斜或其他轮廓。评估仍然易于以低计算和存储容量进行管理，并尽可能清晰地说明安全技术所需的安全探测能力的理论证明。此外，由于评估最初仅限于单个扫描层，因此可以继续使用现有的软件模块。
优选地，控制和评估单元被设计用于，当在多个扫描层中或在地面上方的最下面的扫描层中确定对象的存在时，触发以安全为导向的响应。因此，原则上需要在多个扫描层中确定对象的存在，以便触发以安全为导向的响应。在多个扫描层上检测到的与安全相关的对象的这种“AND”关联确保了提高的稳健性。一种特殊的情况是躺卧的人员，由于提供给传感器用于扫描的横截面较小，可能仅在单个扫描层中检测到该人员。那么该扫描层必然是地面上方的最下面的扫描层。为了识别躺卧的人员，优选例外地，仅在地面上方的最下面的扫描层中确定与安全相关的对象的存在，就足以触发以安全为导向的响应。由于以地面为参考，传感器优选地限于水平防护装置。然后，传感器至少大致地并且总体上平行于地面对准，这当然不能适用于所有单个扫描层，在多层扫描仪中这些单个扫描层已经形成了彼此不平行的扇形。
优选地，控制和评估单元被设计用于，当在多个扫描层中在相同或相邻的角位置确定了存在时，则确定在这些扫描层中的对象的存在。在相同或相邻的角位置存在是相干条件
Figure BDA0003699704510000051
它应该是跨扫描层被多次检测到的同一对象。仅当以相同或相似的扫描角或方位角进行检测时才会出现这种情况。于是，在多个扫描层中在大的方位角间距下多次检测到对象不视为与安全相关，而是视为是随机的同时干扰。相同的或相邻的角位置优选通过离散化的角扇区进行检查。然后要求在多个扫描层中在相同的或相邻的角扇区中检测到对象。在此，相邻优选地意味着直接相邻，即在相邻的角扇区之间不存在另外的角扇区。
优选地，控制和评估单元被设计用于，当在一定数量的扫描层中确定对象的存在时，触发以安全为导向的响应，对象近时的扫描层数量大于对象远时扫描层数量。换句话说，对于近的人员或近的对象，只有在较多数量的扫描层中确定存在时，才触发以安全为导向的响应。对于远的人员或远的对象，较少的扫描层就足够了。再换句话说，跨扫描层进行对象检测所需的相干性在近处高于在远处。优选地，角度条件保持不变，即必须跨扫描层以相同或相邻的扫描角或方位角检测到对象，以触发以安全为导向的响应。
优选地，控制和评估单元被设计用于，针对处于第一安全范围内的距离处的对象，当在所有相关的扫描层中确定对象的存在时，触发以安全为导向的响应，其中第一安全范围特别地对应于仅具有一个扫描层的安全激光扫描仪的安全范围。因此，当对象与传感器的距离在第一安全范围内时，需要在所有相关的扫描层中检测对象。这在两个条件下理解：对象检测优选地仅与最小高度相关，因为不再检测到与上扫描平面相距较远的小的人员。并且在地面上方的最下面的扫描平面的对象检测优选地仅足以考虑躺卧的人员的例外情况。因此，一方面，那些在所有条件下都预期直立的人员的扫描层是“相关的”。对于弯曲位置，可以是地面上方大约50mm至1000mm的范围。此外，还必须考虑到也必须检测躺卧或坐着的人员。因此，对于在例如50mm至250mm高度的地面附近的对象检测，不需要在多个扫描层上的相干条件。然而，在这里可以进行宽松的空间过滤。例如，以比腿大得多的方位角检测躺卧或坐着的人员。在此示例性地，可以假设在水平方向上的最小对象分辨率为200mm。优选地，第一安全范围对应于甚至还检测非常暗的目标并且因此实际上识别所有对象的可比较的单层扫描仪的安全范围。因此，扫描层不可能检测不到实际存在的对象，因此有理由要求针对与安全相关的对象进行这种检测。
优选地，控制和评估单元被设计用于，对于处于超出第一安全范围到第二安全范围内的距离处的对象，当在至少两个或更多个特别地彼此相邻的扫描层中确定对象的存在时，触发以安全为导向的响应。因此，扫描层数量的下限优选为两个，但也可以更高。这是一个下限，如果在多于该数量的扫描层中检测到与安全相关的对象，则触发与安全相关的响应的条件就超额满足了。第二安全范围大于第一安全范围，并且传感器仅保证在这些较大的距离处检测到稍亮的对象。在其间的范围中可以设想，在扫描层中忽略暗的对象。然而，无法想象无数的扫描层会遇到如此暗的对象区域，因为人员不会完全包裹在黑色的天鹅绒中。因此，在第一安全范围和第二安全范围之间的距离范围内，不再期望在所有扫描层中都会检测到人员。另一方面，仅在单个扫描层中检测的条件太弱，这将触发许多错误警报。因此，当在至少两个扫描层中确定对象的存在时，触发以安全为导向的响应，其中如前所述，下限可以高于两个扫描层。必须同时检测到对象以触发以安全为导向的响应的扫描层的数量可以随着距离从第一安全范围内直到第二安全范围内而从“全部”减小到“两个”(或更多个)。超出第二安全范围，则不再保证传感器的防护。
优选地，控制和评估单元被设计用于保护区评估，其中，对象仅在其位置位于配置的保护区中时才是与安全相关的。因此，在各个扫描层中进行经典的保护区评估。在此，可以使用传统单层扫描仪的经过验证的现有程序、算法和软件模块。保护场是用于将扫描层的部分配置为与安全相关的几何形状。并非保护区中的每个对象检测都必须自动成为与安全相关的保护区干预。可以需要对象干预的最小尺寸和最小持续时间，例如在n次扫描中的m次中重复检测到，并且在保护区中也可以存在允许的对象或停用的部分区域(静音、消隐)。开篇提及的EP 3 220 164 B1也提出了用于保护区评估的合适的过滤器。保护区优选在彼此叠加的扫描层中以相同的形状进行配置，其中由于跨扫描层的不同几何形状而形成3D形状的保护区也是可以想象的，包括仅在一些而不是所有扫描层中定义保护区。在保护区评估之后，已知在哪些扫描层中并且优选地还有在哪些角位置确定了与安全相关的对象的存在，并且随后跨扫描层进行全面的评估，以便必要时触发以安全为导向的响应。
优选地，基于脉冲进行测量，为此发射脉冲与光束一起发射并且从漫反射的光束产生相应的接收脉冲。优选地，控制和评估单元被设计用于依次发射多个发射光脉冲，以至少一个阈值对相应的接收脉冲进行采样并且将它们累加在直方图中并从直方图确定光飞行时间。因此，该实施方式利用如开篇提及的EP 2 469 296 B1中的多脉冲方法工作。
控制和评估单元被设计用于，使用最下面的扫描层或多个下面的扫描层检测地面的位置和/或取向。优选地，这样安装传感器，使得至少最下面的扫描层仍在范围内撞击地面。在理想情况下，最下面的扫描层的扫描光束在地面上形成圆，或者反过来，在任何地方测量恒定的距离。与该理想情况有偏差可以推断出传感器被倾斜安装或者地面倾斜或不平整。让传感器熟知这些情况，优选是在示教阶段中，特别是在安装后的调试期间，尤其是在移动应用中，而且在操作期间也是如此。必要时可以重新调整传感器的对准和/或安装高度。在了解地面的情况下，那么对于进一步的操作就特别清楚在每个距离处哪个扫描层是未撞击地面的最下面的扫描层，以及哪个扫描层可以用于识别躺卧的人员。
优选地，控制和评估单元被设计用于，仅将在地面上方的最小高度以内的对象包括在内，以确定与安全相关的对象的存在。最小高度对应于仍需安全检测的人员的身高下限。例如，要求在2米的高度进行检测是没有意义的，因为大多数人员都不会那么高。但一些扫描层可以达到这样的高度，特别是在距离较远时，那么在决定是否触发以安全为导向的响应时应忽略其检测。
优选地，控制和评估单元被设计用于，根据(检测到的)距离和扫描层确定在地面上方的高度。这可以从所示教的地面和由传感器属性所确定的扫描层相对于传感器的位置来计算。由此已知的扫描层的仰角优选用于针对与传感器的相应距离，确定哪个扫描层是在地面上方的最下面的扫描层和/或哪些扫描层高于人员的最小高度延伸，然后优选地在评估是否触发以安全为导向的响应时，忽略这些扫描层。
优选地，扫描层至少在地面附近相对于彼此具有角分辨率，使得相邻的扫描层在最大范围内至多具有与最小尺寸的待探测对象相对应的间距，特别地根据规定为arctan(最小尺寸/范围)。特别地，最大范围是上面定义的第二安全范围。扫描层形成垂直扇形，因此两个扫描层之间的垂直间距随着距传感器的距离的增加而增加。然而，最小尺寸的对象(例如，人体)即使在最大范围的情况下也应该被安全地检测到。为此，扫描层之间的角度扩展不应太大。通常，可以利用公式arctan(最小尺寸/范围)来计算。要求主要在于在地面上方，因为人员不可能在两个较高的扫描层之间悬浮，即使那里的角度扩展更大。在此，最小尺寸指的是高度尺寸或仰角(Elevation)，各个扫描层内的对象检测取决于除扫描层之间的角度扩展之外的其他变量。每两个扫描层之间可以存在相同的或不同的角，因此仰角扫描的分辨率是均匀的或不均匀的。
优选地，在用于机器安全或非接触式作用的保护装置的安全标准的意义上，传感器被设计成安全传感器，特别是安全激光扫描仪，并且特别地具有用于输出以安全为导向的防护信号的安全输出端。安全传感器或安全(激光)扫描仪是安全标准意义上的安全传感器或安全激光扫描仪，因此可以用于危险源处的人员保护。在引言中，示例性地列举了一些当今有效的相关安全标准，这些标准在具体制定上会因地区和未来而有所不同，但在其避免错误或及时发现错误以避免因缺陷或其他意外行为而造成事故的基本方法上没有差异。如果决定要触发以安全为导向的响应，或者传感器无法确保其自身的功能性，则可以在安全输出端，特别是OSSD(Output Signal Switching Device输出信号开关设备)将其发送给受监控的机器或中间连接的安全控制器。该安全输出端被安全地实施为符合标准措施的一部分，例如实施为双通道的，并且必要时用于启动以安全为导向的措施，例如紧急停止，或更普遍地用于建立安全状态。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行描述。
附图说明
下面将基于实施形式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
图1示出了多层扫描仪的示意图；
图2示出了由多层扫描仪监控的扫描层的示意图；
图3示出了由多层扫描仪检测躺卧的人员的示意图；
图4示出了检测在第一安全范围内的人员的示意图；
图5示出了检测超出第一安全范围并在第二安全范围内的人员的示意图；
图6示出了用于说明在多个扫描层中检测同一对象的相干条件的表格；
图7示出了利用最下方的扫描层检测地面的示意图；
图8示出了类似于图7的检测地面的示意图，现在地面是倾斜的；
图9示出了类似于图7的检测地面的示意图，现在利用两个最下方的扫描层进行检测；以及
图10示出了类似于图7的检测地面的示意图，现在利用两个最下方的扫描层进行检测并且地面是倾斜的。
图1示出了在作为激光扫描仪，特别是多层扫描仪的实施方式中的光电传感器10的示意性截面图。按大致划分，传感器10包括可运动的扫描单元12和基座单元14。扫描单元12是光学测量头，而在基座单元14中还安置了诸如电源、评估电子器件、接口等其他元件。在操作中，借助基座单元14的驱动器16使扫描单元12处于围绕旋转轴线18的旋转运动中，以便周期性地扫描监控区域20。
在扫描单元12中，具有多个光源22a的光发射器22，例如边缘发射器或VCSEL形式的LED或激光器，借助发射光学器件24产生彼此间具有角偏移的多个发射光束26，这些发射光束被发射到监控区域20中。代替多个光源22a，也可以考虑分光设备，该分光设备将单个或多个光源的光划分成多个发射光束26。如果发射光束26在监控区域20中撞击到对象上，则相应漫反射的光束28会返回到传感器10。漫反射的光束28由接收光学器件30引导到具有多个光接收元件32a的光接收器32上，这些光接收元件分别产生电接收信号。光接收元件32a可以是集成矩阵装置的单独的组件或像素，例如光电二极管、APD(Avalanche Diode雪崩二极管)或SPAD(Single-Photo Avalanche Diode单光子雪崩二极管)。代替共同的透镜作为发射光学器件24或接收光学器件30，可以使用其它光学元件，例如微透镜的布置。
纯示例性地示出了上下重叠的四个光源22a和光接收元件32a。相反，这些按和光接收元件可以形成进入纸平面或从纸平面离开的模式，例如布置在圆周线上。在该实施方式中，光发射器22和光接收器32被共同布置在电路板34上，该电路板位于旋转轴线18上，并且与驱动器16的轴36连接。这应理解为只是示例性的，实际上可以设想任何数量和布置的电路板。具有双轴并列的光发射器22和光接收器32的光学基本结构也不是强制性的，并且可以用任何已知的单光束的光电传感器或激光扫描仪的结构形式来代替。对此的示例是具有分束器或不具有分束器的同轴布置。
非接触式的电源和数据接口38将可运动的扫描单元12与固定的基座单元14连接起来。控制和评估单元40位于基座单元中，该控制和评估单元也可以至少部分地被安置在电路板34上或扫描单元12的其他地方。控制和评估单元40控制光发射器22，并获得光接收器32的接收信号以用于进一步评估。此外，控制和评估单元还控制驱动器16，并获得在激光扫描仪中常见的角度测量单元(未示出)的信号，该角度测量单元确定扫描单元12的相应的角位置。
对于评估的第一部分，优选利用已知的光飞行时间法测量与被扫上的对象的距离。连同角度测量单元的关于角位置的信息一起，在每个扫描周期后，利用角度和距离可获得探测层或扫描层中的所有对象点的二维极坐标。通过相应漫反射的光束28的身份
Figure BDA0003699704510000111
及其在光接收元件32a之一中的检测，相应的扫描层也是已知的，从而利用多个扫描层整体上扫描三维空间区域。
传感器10被设计成用于在安全技术中监控危险源(例如，危险的机器)的安全传感器。因此，传感器10被设计成安全地，以便满足与其安全等级(例如，SIL(Safety IntegrityLevel安全完整性等级)或者PL(Performance Level性能等级))相应的安全标准的上述要求。例如，监控预先配置的保护区，在机器操作过程中操作人员不得进入该保护区。保护区分别在一个扫描层中、在多个扫描层中或跨所有扫描层进行配置，并且每个扫描层具有相同或不同的几何形状。下文将参照图2至图10更详细地阐述控制和评估单元40如何跨扫描层共同评估各个扫描层的保护区干预，以识别可能的危险。如果该评估得出必须进行以安全为导向的响应的结论，则在输出端42(OSSD，Output Signal Switching Device输出信号切换装置)处输出相应的以安全为导向的信号。
所示出的传感器10是具有旋转的测量头(即，扫描单元12)的激光扫描仪。可替代地，也可以设想借助于旋转反射镜或多面反射镜轮(Facettenspiegelrad)周期性地偏转。对于多个发射光束26，具有如下缺点：多个发射光束26如何落入监控区域20中取决于相应的旋转位置，因为如已知的几何考虑因素所表明的，这些发射光束的布置通过旋转反射镜而旋转。另一可替代的实施方式使扫描单元12来回枢转。此外，用于产生扫描层的扫描运动也可以替代地使用其他已知的方法来产生，例如MEMS反射镜、光学相控阵或声光调制器，特别是在光源产生多个发射点的实施方式中。
在传感器10旋转期间，每个发射光束26分别扫描一个面。在此，以0°的仰角(即，在图1中不存在的水平的发射光束)在几何意义上扫描监控区域20的平面。严格来说，其余的发射光束26扫描锥体的外表面，根据仰角的不同，该锥体形成不同的尖角。以不同角向上和向下发射的多个发射光束26整体产生一种多个沙漏的嵌套作为扫描结构。这些几何上的细节将不再进一步讨论，简单起见，将发射光束26相应的扫描区域视为扫描层，根据已经说过的内容，该扫描层粗略地但非几何意义上地对应于一精确的扫描平面。
图2以截面图示意性地示出了水平安装的传感器10的扫描层44。水平意味着扫描层44大体上平行于地面46延伸，其中由于扫描层44的扇形布置而不能实现精确的平行。传感器10具有最大范围Rmax，在该范围内仍然可以可靠地检测到对象并且可以配置保护区。应在多个扫描层44中检测监控区域20中的人员。因此，扫描层44即使在最大范围内也不应展开太远。这导致所需的垂直分辨率Δh，其表示扫描层44在高度方向或仰角方向上的间距，其中，每两个扫描层44之间的扩展(Spreizung)可以是大小相同的，但也可以是大小不同的。由于分散延伸的扫描层44的倾斜度不同，垂直分辨率Δh取决于间距，这里参考对应于最大范围Rmax的间距。
还必须考虑躺卧在地板上的人员的特殊情况，该特殊情况可能仅由单个的扫描层44检测到。这意味着垂直分辨率Δh必须至少在地面附近比躺卧的人员的最小高度HL更为精细。在一个优选的实施方式中，扫描层44的扩展是均匀的并且最大为arctan(最小高度HL/最大范围Rmax)。在最大范围Rmax＝10m且最小高度HL＝200mm的数值示例中，得到扫描层44的最大垂直扩展为arctan(200mm/10m)＝1.15°。
图3示出了躺卧在地面上的人员48的特殊情况，该人员被建模为具有200mm直径的球体。这里考虑到了所阐述的最小高度HL以及在水平方向上伸展的最坏情况，例如当人员48躺卧时，他的头或脚对着传感器10，或者穿戴只有部分有足够反射率的衣服。
为了评估是否存在传感器10应该触发以安全为导向的响应的危险情况，首先单独地评估扫描层44本身，例如利用单层传感器的常规保护区评估来进行。在此，可以使用所有经验证的程序和过滤器，该程序和过滤器将小的或瞬态的干扰对象忽略为与安全无关的或者允许某些已知的对象。
图3中的躺卧的人员48仅在地面46上方的最下面的扫描层44中被检测为与安全相关的对象并且触发相应的对象识别50，其中，该对象识别50优选地已经意味着在受影响的扫描层44内，关于重要事件的所有条件都满足了，即特别是以与安全相关的方式违反了保护区。在类似的情况下，单层扫描仪会以安全为导向地做出响应。在多层扫描仪的情况下，首先对各个扫描层44的对象识别50进行更高级别的评估。躺卧的人员48在此是特殊情况，因为这种情况可能仅被检测到一次。为了涵盖该特殊情况，当在地面46上方的最下面的扫描层44中进行对象识别50时，传感器10应触发以安全为导向的响应。
图4和图5图示了站立的人员48的正常情况。在此，HS表示预期对象识别50所达到的最大高度。由于人员48可能以不利的身体姿势(例如，弯腰)站立，因此最大高度的示例性合理的预定值是HS＝1m。
除了已经对图3讨论的躺卧的人员48的特殊情况之外，在图4和图5中还区分了人员48与传感器10的距离D不同的另外两种情况。对于单层扫描仪，在产品标准IEC 61496-3中将用于可靠检测对象的最小反射率R1定义为1.8％。然而，可以假定不会有人员48完全包裹在深黑色天鹅绒衣服中。因此，至少对于多个扫描层44中的一些扫描层而言，即使反射率较高(R2>R1)，例如至少6％，也可预期进行检测。因此，存在对应于反射率R1、R2的极限范围或者第一安全范围RW1和第二安全范围RW2，其中RW1<RW2，在该范围内可靠地检测具有相应反射率的对象。关系是非线性的，因为检测的灵敏度随着距离D的增加而呈二次方下降。在一个数值示例中，假设对于反射率R1＝1.8％，第一安全范围RW1＝5.5m。对于第二安全范围RW2，在R2＝6％时，可以估算出RW2＝Sqrt(6％/1.8％)*5.5m＝10m的值。
根据这些初步考虑，当前图4首先示出了人员48在最多等于第一安全范围RW1的距离D处的情况。根据第一安全范围RW1的定义，传感器10在这些距离D内是敏感的，使得只要满足安全相关性的其它条件(例如，人员48的位置在保护区内)，则在所有扫描层中都发生相关的对象识别50。在这些距离D处，不能例如由于深色衣服而忽视人员48。因此，对于在第一安全范围RW1内的距离D，当在所有扫描层44中都发生相关的对象识别50时，精确地触发以安全为导向的响应。
原则上还可以设想的是，扫描层44在距离D处越过人员48扫过，因此错过该人员48。优选地，忽略这种在距离D处的最大高度HS上方的扫描层44。相反，最下面的扫描层44在距离D之前可能就会撞到地面。当设定在所有扫描层44中都应当存在相关的对象识别50这样的条件时，明确不是指这些过高和过低的扫描层44。另一迄今未被考虑的有利的附加条件要求：在相同的或至少相似的角位置跨多个扫描层44检测人员48。稍后将参考图6更详细地考虑该相干条件。
图5示出了人员在介于第一安全范围RW1和第二安全范围RW2之间的距离D处的情况。这里不再保证所有扫描层44都提供相关的对象识别50。在图5的图示中，人员例如穿着反射率小于R2的深色裤子。这对于反射率R1以及因此第一安全范围RW1内的探测来说是足够的，但对于超出第一安全范围RW1的探测则是不够的。然而，至少部分人员48具有足够的反射率R2，因此在多个扫描层44中发生相关的对象识别50。出于这些原因，在距离范围RW1≤D≤RW2中触发以安全为导向的响应的条件被削弱，并且只需要至少两个扫描层44的相关的对象识别50。此外优选地，扫描层44必须是相邻的。对于图4关于忽略过高和过低的扫描层44的论述也适用于此，这里甚至更可能发生，因为扫描层44随着距离D增大而进一步地扇状散开。
图4和图5示出了明显的情况区分，其中需要在第一安全范围RW1内在所有的扫描层44中进行相关的对象识别或在第一安全范围RW1和第二安全范围RW2之间的至少两个扫描层44中进行相关的对象识别50。可以考虑更精细的分级，其中所需的数量随着超出第一安全范围RW1的距离D的增大而减小。
还应注意的是，根据图3的躺卧的人员48在竖直方向上仅由单个的扫描层44检测。然而，在这种情况下以下假设是合理的，即至少一个反射率至少为R2的点位于水平扫描的躺卧的身体之上。因此，对于躺卧的人员48，不需要对第一安全范围RW1和第二安全范围RW2进行情况区分。
图6是用于说明已经提到的有利的附加相干条件的表格。相关的对象识别50应与同一对象相关联。这可以通过相关的对象识别50的类似的角位置或者扫描角或方位角来检查。为简化起见，所示的表格在其列中仅包含七个角扇区，在实践中，在典型的角分辨率小于1度和视角例如为270°的情况下，可以区分明显更多的角扇区，其中相关的对象识别50不必耗尽基础物理分辨率。在这些行中示例性地列举了三个扫描层44，实际值也会更高，例如四个、八个、十个、十六个或者其他或更高数量的扫描层44。扫描层44在角扇区中被均匀地划分(rastern)。相关的对象识别用X表示，0表示没有与安全相关的对象检测或者在相应的过滤之后没有与安全相关的对象检测。
优选地，仅当相关的对象识别50的角扇区重叠或直接相邻或者彼此邻接时，才应视为满足相干条件。在图6的示例中，扫描层#1和扫描层#2在第2-4列上给出。而其余扫描层对不满足相干条件。
仅根据角扇区检查相干条件是特别节省资源的。可以考虑更复杂的方法，例如还包括相应的相关的对象识别50的距离D。
现在根据图7至图10阐述传感器10的地面识别。例如，了解地面46的位置对于根据图3的躺卧的人员48的特殊情况来决定哪些是在地面46上方的最下面的扫描层44或者哪些扫描层44已经在距离D处撞到地面46或者越过最小高度HL扫过是有用的。通常，可以确定在距离D处的对象识别50的高度H。
图7首先示出了平坦的地面46或正确水平对准的传感器10的情况。传感器10被安装在地面46上方的高度H0处。最下面的扫描层44a以角度α1指向地面46，并且优选地在所有方位角上撞击地面46。在此，入射角不应太平，使得特别是在地面46有光泽的情况下仍有足够的信号返回。例如在示教或校准阶段，当传感器10开始操作时根据最下面的扫描层44a的测量值分析地面46的对准。在如图7中所示的理想条件下，应当在所有方位角上测量到与地面46的相同距离D1。超出容差范围的偏差ΔD意味着，最下面的扫描层44a到地面46的视线被对象遮挡，或者存在一地面结构，例如地面46中的孔。为了可靠地探测附近的对象，应通过预先给定地面46的不平整度的最大值这种方式来排除后一种情况。
图8示出了地面46倾斜和/或传感器10被倾斜安装的比较情况。在已知安装高度H0的情况下，该倾斜度可以根据在每个扫描角方向上的距离D1'的测量结果来确定。
图9和图10以类似的方式图示了在地面46平直和倾斜的情况下，利用至少两个下面的扫描层44a-44b对地面46的检测。然后，分别检测两个,距离D1'、D2'，这些距离能够实现对地面46的更加差异化的分析。如果要检测更复杂的地面结构，如路缘石、坡道、断裂边缘、弯曲地面等，则可以使用更复杂的地面识别算法，该算法可能还将更多个扫描层44包括在内。在移动应用中，传感器10相对于地面46的对准在操作期间会改变，使得随后优选地对地面46及其对准进行定期监控。
利用对于安装高度H0、从传感器10的构造已知的相应扫描层44的仰角以及地面46在相应的扫描方向上的高度和倾斜度的了解，可以针对被检测对象的相应的对象距离D来确定其高度。最后，将用一个数值示例来说明这一点。传感器10的光学中心应形成坐标原点。扫描层44相对于彼此具有1°的扩展角，其中第八扫描层是水平的。传感器10安装在已知的安装高度H0＝200mm上。在检测地面46时，使用方位角纯示例性为90°的最下面的扫描层44a来测量距离D1＝1754mm。最下面的(第一)扫描层44a相对于水平的第八扫描层向下倾斜了7°，即倾斜了七个1°。由此，通过基本的三角学考虑得出，地面46相对于传感器10的坐标系在方位角90°上倾斜了-0.5°。现在，方位角为90°的第十扫描层检测一个距离为5米的对象。第十扫描层相对于水平的第八扫描层向上倾斜了2°，即倾斜了2个1°。还要考虑地面46的-0.5°的倾斜度以及安装高度H0＝200mm。然后得到高度的良好近似：sin(2°+0.5°)*5,000mm+200mm＝418mm。

Claims (13)

1.一种用于检测监控区域(20)中的对象(48)的光电传感器(10)，特别是激光扫描仪，所述光电传感器(10)具有：至少一个光发射器(22)，其用于发出多个彼此分离的光束(26)；至少一个光接收器(32)，其用于从在所述监控区域(20)中漫反射的光束(28)产生相应的接收信号；可运动的扫描单元(12)，借助所述扫描单元将所发出的光束周期性地引导穿过所述监控区域(20)，以在所述扫描单元(12)的运动过程中利用所述分离的光束分别扫描一扫描层(44)；以及控制和评估单元(40)，其被设计用于从所述相应的接收信号获得关于所述监控区域(20)中的所述对象(48)的信息，特别是借助光飞行时间法测量距离，
其特征在于，
所述控制和评估单元(40)还被设计用于，针对每个扫描层(44)确定与安全相关的对象(48，50)的存在，并且通过针对每个扫描层(44)确定的与安全相关的对象(48，50)的存在的共同评估来决定是否触发以安全为导向的响应。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，当在多个扫描层(44)中或在地面(46)上方的最下面的扫描层中确定对象(48，50)的存在时，触发以安全为导向的响应。
3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，当在多个扫描层(44)中在相同或相邻的角位置确定存在时，则确定在这些扫描层(44)中对象(48，50)的存在。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，当在一定数量的扫描层(44)中确定对象(48，50)的存在时，触发以安全为导向的响应，对象(48)近时的扫描层的数量大于对象(48)远时的扫描层的数量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，对于处于第一安全范围内的距离处的对象(48)，当在所有相关的扫描层(44)中确定对象(48，50)的存在时，触发以安全为导向的响应，其中所述第一安全范围特别地对应于仅具有一个扫描层的安全激光扫描仪的安全范围。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，对于处于超出第一安全范围直到第二安全范围内的距离处的对象(48)，当在至少两个或更多个特别是彼此相邻的扫描层(44)中确定对象(48，50)的存在时，触发以安全为导向的响应。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于保护区评估，其中对象(48)仅在其位置位于配置的保护区中时才是与安全相关的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，使用最下面的扫描层(44a)或多个下面的扫描层(44a-44b)检测地面(46)的位置和/或取向。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，仅将在地面(46)上方的最小高度以内的对象(48)包括在内，以确定与安全相关的对象(48，50)的存在。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述控制和评估单元(40)被设计用于，根据距离和扫描层(44)来确定地面(46)上方的高度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述扫描层(44)至少在地面附近相对于彼此具有角分辨率，使得相邻的扫描层(44)在最大范围内至多具有与最小尺寸的待探测的对象(48)相对应的间距，特别地根据规定为arctan(最小尺寸/范围)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，在用于机器安全或非接触式作用的保护装置的安全标准的意义上，所述传感器被设计成安全传感器，特别是安全激光扫描仪，并且特别地具有用于输出以安全为导向的防护信号的安全输出端(42)。
13.一种用于检测在监控区域(20)中的对象(48)的方法，其中，发射多个彼此分离的光束(26)并且借助可运动的偏转单元(12)将所述光束(26)周期性地引导通过所述监控区域(20)，以便在所述扫描单元(12)的运动过程中利用所述分离的光束(26)分别扫描一扫描层(44)，从在所述监控区域(20)中漫反射的光束(28)产生相应的接收信号，并且从所述相应的接收信号获得关于所述监控区域(20)中的所述对象(48)的信息，特别是借助光飞行时间法测量距离，
其特征在于，
针对每个扫描层(44)确定与安全相关的对象(48，50)的存在，并且通过针对每个扫描层(44)确定的与安全相关的对象(48，50)的存在的共同评估来决定是否触发以安全为导向的响应。
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