DE10022218A1

DE10022218A1 - Dynamische Flächenüberwachung mit optischen Intensitäts-Scannern

Info

Publication number: DE10022218A1
Application number: DE10022218A
Authority: DE
Inventors: Karl Nutz; Uwe Krueger
Original assignee: ZAPF KERSTIN
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2001-11-08

Abstract

Dynamische Flächenüberwachung mit optischen Sensoren und Intensitäts-Scannern mit einer komfortablen und genauen Einstellbarkeit des Detektionsfeldes.

Description

Die Erfindung beschreibt einen optischen Sensor, der große Flächen z. B. von Verkehrs- Ampelanlagen im Kreuzungsbereich, überwacht, wobei nur die Anwesenheit von Objekten ab einer bestimmten Größe auf dieser Fläche erkannt werden soll.

An Verkehrs-Ampelanlagen im Kreuzungsbereich ist die Steuerung im Regelfall so pro grammiert, daß beim Umschalten von einer Fahrtrichtung in die andere Richtung für meh rere Sekunden beide Fahrtrichtungen gesperrt (rot) sind, damit der Kreuzungsbereich mit Sicherheit frei ist. Diese unflexible Sperrphase ist sehr unbefriedigend und verringert die Durchlaßfähigkeit der Kreuzung.

Zur Überwachung von Flächen werden gegenwärtig Radargeräte (Dopplerprinzip), Pas siv-Infrarot-Sensoren oder Kamerasysteme verwendet.

Diese oben benannten Systeme haben unterschiedliche Einschränkungen für eine Über wachung von Verkehrsflächen vorzugsweise von Kreuzungen.

- Radargeräte (Dopplerprinzip) erkennen nur bewegte und nicht stehende Objekte. Das Detektionsfeld läßt sich nur sehr grob einstellen. Geräte gleicher Bauart be einflussen sich. Radargeräte nach dem Signal-Laufzeitverfahren sind für kurze Entfernungen nicht geeignet und würden auch aus Kostengründen für die be schriebene Anwendung nicht verwendet werden können.
- Passiv Infrarot-Sensoren erkennen sehr gut bewegte Objekte, die sich in ihrer Temperatur deutlich von der Umgebung unterscheiden. Probleme treten auf bei hohen Umgebungstemperaturen, Objekten ohne eigene Wärmequelle (z. B. LKW- Anhänger ist noch auf der Kreuzung) und bei Objekten, die sich längere Zeit nicht bewegen.
- Kamerasysteme (Stereo-Aufnahmeverfahren) sind relativ teuer und benötigen im mer eine ausreichende Beleuchtung. Durch die notwendige Basisbreite wären die se Sensoren relativ groß (lang). Ein großes Problem ist auch die Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee und Nebel und Verschmutzung der optischen Flächen.

Eine optimierte Steuerung der Ampelanlagen könnte den Verkehrsfluß um ca. 5% bis 10% erhöhen.

Bei zeitgesteuerten Ampelanlagen können ältere oder behinderte Menschen oft die Stra ße nicht in der vorgesehenen Zeit überqueren; eine situationsgesteuerte Ampelanlage erhöht hier objektiv und subjektiv die Sicherheit.

Aufgabe der Erfindung ist, es eine Lösung vorzuschlagen, um Nachteile der gegenwärtig standardmäßig im Einsatz befindlichen zeitprogrammierten Verkehrsampelsteuerungen sowie die mit den vorher beschriebenen situationsgesteuerten Verkehrsraumüberwa chungsanlagen verbundenen Nachteile zu überwinden.

Da die bauliche Situation bei jeder Kreuzung anders aussieht, muss das Detektionsfeld des optischen Sensors möglichst genau dargestellt und begrenzt werden können, was bei den bisherigen optischen Sensoren nicht möglich ist; gleichzeitig dürfen sich mehrere optische Sensoren gegenseitig nicht stören.

Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich besonders auf die komfortable und genaue Einstellbarkeit des Detektionsfeldes. Die erfindungsgemäße Lösung enthält einen oder mehrere optische Sensoren, welche die Kreuzung überwachen, d. h. sie sollen erkennen, ob der Kreuzungsbereich frei ist. Das Prinzip dieser optischen Scanner, welche die Inten sität des reflektierten Sendelichtes messen, ist bekannt; allerdings sind handelsübliche Scanner nach diesem Prinzip nicht für den beschriebenen Einsatz optimiert, d. h. neben der Dimensionierung für große Flächen fehlt diesen Scannern eine Einrichtung, welche die gegenseitige Störung baugleicher Scanner unterdrückt. Diese Einrichtung ist wichtig, da sich bei der Überwachung von Verkehrsflächen mit mehreren Scannern die entspre chenden Detektionsfelder überlappen. Die bildliche Darstellung des vom Scanner erfass baren Detektionsfeldes erfolgt kabellos oder kabelgebunden über einen externen PC oder Laptop, an dem das eigentliche Überwachungsfeld oder ev. auch mehrere Teilfelder sehr exakt und komfortabel dargestellt und definiert werden können. Anschließend werden diese Einstelldaten kabellos oder kabelgebunden an den Intensitäts-Scanner zurücküber tragen, und diese Daten werden dort in einem Permanentspeicher abgelegt, wobei der PC oder Laptop nach diesem Einstellvorgang nicht mehr benötigt wird. Das interne Programm des Scanners lernt selbständig das leere Bild des Überwachungsfeldes ein und vergleicht nun die zukünftigen aktuellen Bilder mit dem eingelernten Referenzbild, dessen Grenzen in dem vorherigen Programmiervorgang festgelegt wurden. Wird ein ausreichend großer Unterschied festgestellt, wird das Ergebnis zur Auswertung weitergegeben. Über einen Drehspiegel können mehre Sende- Empfangseinheiten betrieben werden, womit die Auf lösung oder das Detektionsfeld vergrößert werden kann.

Eine große Unempfindlichkeit gegenüber Störungen baugleicher Geräte kann erreicht werden, wenn der Sendegenerator Impulse aussendet, wobei die einzelnen Sendeimpul se bezüglich ihrer Phasenlage verrauscht werden und eine ausreichend lange Empfangs signal-Integration (nach dem phasenempfindlichen Gleichrichter) erfolgt. Mit dieser Lö sung können mehrere baugleiche Sensoren mit überlappendem Überwachungsfeld ein gesetzt werden. Langsame Veränderungen des freien Detektionsbildes, wie Verschmut zungen, bauliche Veränderungen usw., werden über eine schleichende Anpassung des Referenzbildes eingelernt.

Im nachfolgenden Beispiel Abb. 1 soll die erfindungsgemäße Lösung beschrieben werden.

Die CPU 17 steuert über die Motorsteuerung 4 den Motor 3, weicher über die Drehachse 1 den rotierenden Spiegelkörper dreht. Der Spiegelkörper hat mehrere Spiegelflächen, deren Flächenlote alle einen etwas anderen Winkel gegenüber der Drehachse 1 aufwei sen. Durch diese unterschiedliche Neigung der Spiegelflächen überstreicht die Sendeein heit 7, 8 mehrere (siehe Anzahl der Spiegel) konzentrische Kreisbögen mit unterschiedli chen Radien. Der Sendegenerator 11 erzeugt ein Sendesignal welches mit dem Intensi tätseinsteller 10 in der Amplitude verändert werden kann, dieses Signal moduliert über den Sendetreiber 9 den Sender 8. Das von der Detektionsfläche reflektierte Sendelicht (vorzugsweise im IR-Bereich) wird über den Drehspiegel 5 und die Empfangsoptik 6 auf das Empfangselement 12 gespiegelt. Das optische Empfangssignal wird im Empfangs element 12 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann im Verstärker 13 verstärkt. Mit der Amplitudenregelung 14 und/oder der Lichtregelung 10 wird das Empfangssignal immer auf den gewünschten Wert geregelt, d. h. der Empfangsverstärker darf nicht über steuert sein. Das verstärkte Empfangssignal wird im phasenempfindlichen Gleichrichter 15, der vom Generator 11 gesteuert wird, gleichgerichtet und integriert. Der Pufferverstär ker 16 liefert dem AD-Wandler der CPU ein Detektionssignal. Aus diesem Signal und aus den eingestellten Regelgrößen in den Modulen 10 und 14 wird von der CPU der jeweilige Reflexionsgrad des Punktes (kleine Fläche) auf der Detektionsfläche ermittelt, auf den der vom Drehspiegel 5 abgelenkte Sendestrahl gerade trifft. Die exakte Stellung des Drehspiegels 5 wird von der CPU über die Zeit oder über die erfolgten Ansteuersignale eines Schrittmotors errechnet; die Anfangsposition erkennt die CPU über eine Markie rung, die sich synchron mit dem Drehspiegel bewegt. Diese Markierung wird mit dem Po sitionsdetektor 2 erkannt und an die CPU 17 gemeldet. Die Positionsdaten und die ermit telten Reflexionsdaten werden über die Datenausgabe- und Empfangseinheit 18 kabellos oder kabelgebunden an einen externen PC oder Laptop übertragen. Mit Hilfe eines PC- Programmes wird auf dem PC die abgescannte Fläche als grobgerastertes Bild darge stellt. Auf dem PC wird nun die Form der gewünschten Überwachungsfläche genau defi niert und diese Einstelldaten werden als Datensatz über das Modul 18 an die CPU 17 zurückgeschickt. Das interne Programm des Scanners im Modul 17 lernt nun über ent sprechende Programmverfahren das Bild der leeren Detektionsfläche ein und vergleicht nun zukünftig die aktuellen Bilder mit dem abgespeicherten Referenzbild. Wird ein ausrei chend großer Unterschied festgestellt, wird dieses Untersuchungsergebnis über den Schaltausgang 21 ausgegeben. Langsame Veränderungen des Bildes der leeren Über wachungsfläche, wie Verschmutzungen, bauliche Veränderungen usw., werden über eine schleichende Anpassung des Referenzbildes eingelernt.

Bezugszeichen

1

Drehachsen (Verbindung zwischen Motor und Drehspiegel)

2

Positionsdetektor zur Erkennung der Drehspiegel-Anfangsstellung

3

Motor

4

Motorsteuerung

5

Spiegelkörper mit Spiegelflächen, bei dem die Spiegelflächen gegenüber der Drehachse alle einen leicht veränderten Winkel aufweisen

6

Empfangsoptik

7

Sendeoptik

8

Sender

9

Sendetreiber

10

Intensitätseinsteller für den Sender (kann entfalten, wenn Pos.

14

vorhanden ist)

11

Sendegenerator

12

Empfangselement

13

Verstärker

14

Amplitudenregelung (kann entfallen, wenn Pos.

10

vorhanden ist)

15

Phasenempfindlicher Gleichrichter und Integrator

16

Pufferverstärker (Option)

17

Mikrocomputer mit integriertem AD-Wandler, dieser AD-Wandler kann auch als externes Gerätemodul aufgebaut werden

18

Datenausgabe- und Empfangseinheit

19

Datenübertragungsstrecke

20

PC bzw. Laptop zur Sichtung und Programmierung des Detektionsfeldes

21

Schaltausgang

Claims

1. Dynamische Flächenüberwachung mit optischen Sensoren und Intensitäts- Scannern mit einer komfortablen und genauen Einstellbarkeit des Detektionsfeldes dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Intensitäts-Scanner gemäß Abb. 1 die bildliche Darstellung des Detektionsfeldes über einen externen PC oder Laptop erfolgt und an dem das Detektionsfeld sehr exakt und komfortabel definiert werden kann und anschließend diese Einstelldaten kabellos oder kabelgebunden an den Intensitäts-Scanner zurückübertragen werden und diese Daten dort in einem Per manentspeicher abgelegt werden, wobei der PC oder Laptop nach diesem Ein stellvorgang nicht mehr benötigt wird.

2. Dynamische Flächenüberwachung mit optischen Sensoren und Intensitäts- Scannern mit einer komfortablen und genauen Einstellbarkeit des Detektionsfeldes nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß über einen Drehspiegel mehre Sende- Empfangseinheiten betrieben werden können und damit die Auflösung oder das Detektionsfeld vergrößert werden kann.

3. Dynamische Flächenüberwachung mit optischen Sensoren und Intensitäts- Scannern mit einer komfortablen und genauen Einstellbarkeit des Überwachungs feldes nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Sendegenerator Impul se aussendet, wobei die einzelnen Sendeimpulse bezüglich ihrer Phasenlage ver rauscht sind, so daß bei einer ausreichend langen Empfangssignal-Integration (nach dem phasenempfindlichen Gleichrichter) eine große Unempfindlichkeit ge genüber Störungen baugleicher Geräte erreicht werden kann; d. h. es können meh rere baugleiche optische Sensoren mit überlappendem Detektionsfeld eingesetzt werden.