DE10055689B4

DE10055689B4 - Verfahren zum Betrieb eines optischen Triangulationslichtgitters

Info

Publication number: DE10055689B4
Application number: DE10055689A
Authority: DE
Inventors: Karl Nutz; Uwe Krüger
Original assignee: Pepperl and Fuchs Visolux GmbH
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: DE10055689A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines optischen Triangulationslichtgitters, welches eine oder mehrere Sicherheitsflächen in Form eines oder mehrerer Lichtgitter aufspannt und eindringende Objekte ab einer bestimmbaren Höhe erkennt,
– wobei mit einer Mehrzahl von Lichtsendern eine Mehrzahl von Lichtflecken als Senderabbildungen auf eine Detektionsfläche gestrahlt wird, welche einen diffusen Reflexionsanteil aufweist,
– wobei jede Senderabbildung auf der Detektionsfläche von einem Zeilenbildsensor empfangen wird,
– wobei die Positionen dieser Senderabbildungen auf dem Zeilenbildsensor durch ein Differenzbildverfahren mit angeschalteter und abgeschalteter gepulster Senderbeleuchtung gewonnen werden,
– wobei die dabei gewonnenen Positionsdaten zur Objekt-Detektion mit den bei der Montage dauerhaft abgespeicherten Referenz-Positionsdaten verglichen werden
– wobei ein erkanntes „freies Detektionsfeld” gleichzeitig eine Überprüfung der Sensorfunktion im laufenden Betrieb oder auf Anforderung beinhaltet,
– wobei im erkannten Fehlerfall dies über einen fehlersicheren Ausgang gemeldet wird oder der reguläre Sicherheits-Schaltausgang in einen sicheren Schaltzustand gebracht wird und
– wobei die...

Description

Die Erfindung beschreibt einen statisch arbeitenden, aktiven, optischen Sensor, der eine oder mehrere Sicherheitsflächen in Form eines oder mehrerer Lichtgitter aufspannt und eindringende Objekte erkennt. Dieser Sensor kann feststehend oder mitfahrend montiert und eingesetzt werden und benötigt gegenüber dem Sensor eine Fläche (z. B. Wand oder Boden) in gleichbleibender Entfernung, wobei diese Fläche einen diffusen Reflexionsanteil haben sollte. Damit dieser Sensor in Sicherheitsbereichen eingesetzt werden kann, ist er in seiner Struktur so aufgebaut, dass er selbstüberwachend und testbar betrieben werden kann. Einige typische Einsatzbereiche sind:

– Auffahr- und Kollisionsschutz bei automatischen Transportsystemen.
– Absicherung von automatischen Schiebetüren.
– Absicherung von Drehtüren und Karusselltüren.
– Detektion von Objekten oder Personen ab einer vorgegebenen Höhe.
– Als Nebenprodukt sind Objekt- und Personenzählungen möglich.
– Als Nebenprodukt kann bei detektierten Objekten oder Personen die Bewegungsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

Am Beispiel einer Karusselltür sollen die Vorzüge der vorgeschlagenen Lösungsvariante gegenüber anderen Verfahren dargestellt werden.
Bei einer Karusselltür sind die gefährlichen Bereiche der Spalt zwischen Boden und Drehflügel sowie der Spalt zwischen Drehflügel und seitlichen Wandbegrenzungen. Der Motor wird fast immer mit einer Kraftbegrenzung versehen; diese Maßnahme schützt aber nicht sicher vor Unfällen, da der mechanische Impuls der bewegten Tür groß ge nug ist, dass beispielsweise ein eingeklemmter Finger verletzt werden kann. Aus diesen Gründen sind zurzeit Normen in Vorbereitung, die eine zusätzliche Schutzmaßnahme mit berührungslosen Sensoren vorsehen. Ein idealer Sensor sollte folgende Eigenschaften haben:

– Alle Anforderungen sollten möglichst von einem Sensor erfüllt werden.
– Der Sensor sollte in Bereichen montierbar sein, die nicht verschmutzen.
– Der Sensor sollte vandalismussicher sein (Überkopfmontage).
– Von externen Beleuchtungsquellen sollte man unabhängig sein.
– Bei der Anwendung ”Kollisionsschutz” dürfen sich baugleiche Geräte nicht stören.
– Der Sensor sollte sich selbst überwachen bzw. testbar sein.
– Bodenverschmutzungen dürfen die Funktion nicht beeinflussen.
– Der Sensor sollte statisch arbeiten.
– Es müssen stehende und bewegte Objekte und Personen erfasst werden.
– Der Sensor sollte berührungslos arbeiten.
– Das Überwachungsfeld muss exakt definiert werden können.
– Objekte müssen unabhängig von ihren Oberflächeneigenschaften immer erkannt werden.
– Der Sensor sollte zwei Sicherheitsfächer aufspannen, um die neuen Normvorschläge für Dreh- und Karusselltüren zu erfüllen.
– Bisherige Lösungsansätze
– Mechanische Kraftbegrenzungen verhindern schwere Unfälle, der Impuls der bewegten Tür kann weiterhin zu leichten Verletzungen (Quetschungen) führen.
– Mechanische Berührungssensoren wie z. B. Gummipuffer müssten sehr dick sein, um den Bremsweg der Tür abzufangen. Es gibt Nachteile in den Bereichen Vandalismusschutz und Design. Diese Lösung ist auch nicht besonders preis wert. Zusätzliche Schutzfelder, die etwas weiter von der Tür entfernt sind, können nicht realisiert werden. Solche Schutzfelder benötigt man zur frühzeitigen Reduzierung der Umdrehungsgeschwindigkeit, d. h. ein Notstop sollte der Ausnahmefall bleiben.
– Passive Kamerasysteme (Stereo-Aufnahmeverfahren) benötigen auf alle Fälle eine ausreichende Beleuchtung. Diese Systeme kommen der idealen Lösung recht nahe; sie sind aber relativ empfindlich gegenüber Einspiegelungen externer Lichtquellen, was vor allem bei der bewegten Montage kritisch ist. Ein zusätzlicher Nachteil ist die Form des Schutzfeldes; das Schutzfeld hat systembedingt eine dreieckige Form. Für die obengenannte Anwendung ist aber ein rechteckiges Schutzfeld notwendig.
– Radargeräte (Dopplerprinzip) sind für bewegte Montagen nicht geeignet, die Detektionsfläche lässt sich nicht exakt einstellen; baugleiche Geräte stören sich gegenseitig.
– Passiv Infrarot-Sensoren sind für mitfahrende Montage nicht geeignet; schnelle Temperaturwechsel bei Karusselltüren (Innentemperatur, Außentemperatur) führen auch zu Fehlschaltungen. Objekte, die sich der Umgebungstemperatur angepasst haben, werden nicht erkannt. Das Tastfeld lässt sich nicht exakt einstellen. Die Schaltgeschwindigkeit ist zu gering.
– Mechanisch einstellbare Triangulationstaster, die nebeneinander in einem Profilgehäuse angeordnet sind und gleichzeitig als ”Überkopfsensor” in der Betriebsart ”Hintergrundauswertung” arbeiten, wären aus technischer Sicht als Lösung prinzipiell geeignet. Taster in dieser Betriebsart, die bewegt betrieben werden, reagieren manchmal mit Fehlsignalen, wenn der Boden gemustert ist und gleichzeitig starke Kontrastsprünge aufweist. Dieses Fehlverhalten kann nicht so einfach herausgerechnet werden, da die notwendigen Daten von diesem Sensortyp nicht geliefert werden. Diese Lösung ist teuer und die Montage ist sehr umständlich, da jeder Taster nach der Montage individuell auf die entsprechende Höhe abgeglichen werden muss.

In DE 44 31 922 A1 ist ein Lichtschnitt-Triangulationsverfahren beschrieben, bei dem zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Lichtschnitt in mehrere auf einer Linie liegende Punkte aufgeteilt wird. Diese Punkte werden nacheinander von einem fokussierten und unter verschiedenen Winkeln abgelenkten Lichtstrahl abgetastet.
Gegenstand von DE 41 19 797 C2 ist ein Sensor, bei dem eine Referenzfläche bestrahlt wird und zurückreflektierte Intensitäten als Sollwerte abgespeichert werden. Bei gemessenen Abweichungen von diesen festgelegten Sollwerten wird ein Warnvorgang ausgelöst. Auch eine Mehrfachanordnung, die ein Sicherheitsgitter bildet, ist in diesem Dokument beschrieben.
In DE 197 30 341 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Sensoranordnung beschrieben, bei dem während eines Einlernvorgangs von einem Referenzobjekt zurückgestrahltes Licht eingelernt wird und bei dem die Lichtempfangseinheit in mehrere Empfangszonen unterteilt wird, die jeweils einer Objektzone im Überwachungsbereich entsprechen.
DE 198 50 270 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Triangulationssensors, der als Empfänger eine CCD-Zeile aufweist. Um eine möglichst genaue Abstandsmessung zu ermöglichen, werden die Empfangssignale der einzelnen Empfängerelemente hinsichtlich ihrer Signalamplitude bewertet und die zu messende Distanz wird durch eine Lage eines Flächenschwerpunkts innerhalb eines durch begrenzende Elemente aufgespannten Intervalls bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lösung zu erarbeiten, die Nachteile der gegenwärtig standardmäßig im Einsatz befindlichen Schutz- und Detektionseinrichtungen überwindet, d. h. es soll ein neuer Sicherheitssensor vorgestellt werden, der möglichst alle Eigenschaften des vorher beschriebenen ”idealen Sensors” in sich vereinigt.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung beschrieben werden. In der 1 ist die typische Komponentenanordnung für zwei Lichtfächer dargestellt; für die Minimalkonfiguration reicht ein Lichtfächer aus. Die beiden Zeilenbildsensoren (4) betrachten jeweils über das/die optischen Weitwinkelsysteme (2) einen linienförmigen Bereich z. B. auf dem Boden; diese beiden Bereiche sind (wie in 2 dargestellt) nebeneinander angeordnet, um eine Fläche zu überwachen. Der Rechner (6) steuert über Treiber (7) die Lichtsender (3) an, welche ihre Leuchtfläche über optische Systeme (1) auf den Boden abbilden. Für ein Minimalsystem werden mindestens zwei dieser Senderbaugruppen benötigt. Das vom Boden reflektierte Licht wird über die optischen Weitwinkelsysteme (2) auf den beiden Zeilenbildsensoren (4) abgebildet. Diese beiden Zeilenbildsensoren (4) können sich auch in einem Gehäuse (z. B. Flächen-Bildsensoren) befinden; es wäre dann nur ein optisches Weitwinkelsystem (2) notwendig. Da aber eine hohe Auflösung benötigt wird, ist es häufig aus rein wirtschaftlichen Gründen sinnvoll zwei oder mehrere hochauflösende Zeilenbildsensoren zu verwenden. Diese Zeilenbildsensoren (4) werden vom Rechner (6) angesteuert. Die Bilddaten werden aus den Zeilenbildsensoren (4) in einen Analog/Digitalwandler (5) übertragen, der die digitalen Daten zur weiteren Speicherung und Verarbeitung an die CPU im Rechner (6) übergibt. Über den Testeingang (8) kann als Option ein gezielter Geräte Selbsttest ausgelöst werden. Der Ausgang (9) meldet ein detektiertes Objekt, er muss für Sicherheitsanwendungen geeignet sein. Über die Kommunikationseinheit (10) können verschiedene Sensorparameter eingestellt werden.
In der 2 werden zum besseren Verständnis für zwei Sicherheitsfächer die Empfindlichkeits- und Abbildungsbereiche auf dem Boden (11) beispielhaft dargestellt. Die beiden Zeilenbildsensoren (4A, 4B) sind nebeneinander angeordnet; symbolisch sind hier auch die einzelnen Bildpixel der Zeilenbildsensoren dargestellt. Eine hohe Bildauflösung ist erforderlich, da im weiteren Verfahren die örtlichen Positionen der Senderabbildungen (1') möglichst genau ermittelt werden müssen. Die Senderabbildungen können für jeden Fächer getrennt erzeugt werden; wenn die Lichtfächer nahe beieinander liegen, können über spezielle Sender-Abbildungsoptiken einzelne Senderbaugruppen für zwei oder mehrere Lichtfächer gemeinsam verwendet werden.
Mit Hilfe der 3 soll das Auswerteverfahren erklärt werden. Die Lichtsender (3) bilden mit den optischen System zur Sender-Abbildung eine Einheit- die Senderbaugruppe. Diese Senderbaugruppen sind in einem länglichen Gehäuse untergebracht, welches an die Detektionsfeldbreite angepasst ist. Die optischen Systeme der Senderbaugruppen sind so justiert, dass die Senderabbildungen auf dem Boden (11) möglichst scharf sind. Anhand der eingezeichneten Strahlengänge in 3 kann man erkennen, dass jede Senderabbildung auf dem Boden eine andere Abbildungsposition auf den Zeilenbildsensoren (4) hat. Diese Abbildungspositionen auf den Zeilenbildsensoren bleiben auch bei bewegtem Gesamtsensor unverändert, wenn sich am Abstand Gesamtsensor Boden nichts verändert. Nach der Montage des Gesamtsensors werden diese Abbildungspositionen auf den beiden Zeilenbildsensoren (4) genau ermittelt und im Sensor dauerhaft abgespeichert (Referenz-Positionsdaten).
Eine rein farbliche Veränderung des Bodens ändert an den Sender-Abbildungspositionen auf den beiden Zeilenbildsensoren nichts.
Ein in das Lichtgitter eintauchendes Objekt kann zu drei grundsätzlich verschiedenen Detektionsfällen führen:

1. Das Objekt absorbiert die Senderstrahlung so stark, dass auf dem Zeilenbildsensor diese Senderabbildung nicht mehr erkannt werden kann.
2. Das Objekt reflektiert die Senderstrahlung von der Weitwinkeloptik (2) weg, so dass auch jetzt auf dem Zeilenbildsensor diese Senderabbildung nicht mehr erkannt werden kann.
3. Das Objekt reflektiert die Senderstrahlung ganz oder teilweise diffus, jetzt kann der Zeilenbildsensor im Regelfall diese Senderabbildung auf dem Objekt erkennen; auf alle Fälle befindet sich diese neue Senderabbildung an einer anderen Position auf dem Zeilenbildsensor.

Alle diese drei Fälle kann man sicher detektieren, wenn der Gesamtsensor als Schaltkriterium den Zustand zugrundelegt, in dem die Positionen der vorher dauerhaft abgespeicherten Senderabbildungen auf dem oder den Zeilenbildsensoren (nach der Montage bei freiem Überwachungsfeld) nicht mehr alle wiedergefunden werden. Für dieses Verfahren wird häufig die Bezeichnung ”Triangulations-Verfahren kombiniert mit Hintergrundauswertung verwendet.
An der Beschreibung des Auswerteverfahrens erkennt man, dass eigentlich ein Zeilenbildsensor zur Detektion eines eintauchenden Objektes ausreichen würde. Der zweite Zeilenbildsensor ermöglicht die Überwachung eines Feldes; diese schmalen Überwachungsfelder werden in den neuen Sicherheitsnormen für Dreh- und Karusselltüren vorgeschrieben, deshalb erfolgt die Beschreibung des Auswerteverfahrens am Beispiel von zwei Sicherheitsfächern. Im Testfall wird kurz hintereinander ein Doppelbild (zwei Zeilenbildsensoren) mit Senderbeleuchtung und dann gleich ein Doppelbild ohne Senderbeleuchtung aufgenommen und abgespeichert. Nach der Differenzbildung beider Doppelbilder bleibt als Ergebnis ein neues Doppelbild übrig, auf dem nur noch die Positionen der Senderabbildungen sichtbar sind. Wenn bei diesem letzten Doppelbild alle Senderabbildungen auf den Zeilenbildsensoren wiedergefunden werden und die Positionen dieser Senderabbildungen mit den nach der Sensormontage dauerhaft ab gespeicherten Referenz-Positionsdaten übereinstimmen, dann kann man sicher sein, dass beide Zeilenbildsensoren und alle Sender funktionieren.
Bezugszeichen zu 1, welche das Blockschaltbild eines Sicherheits-Triangulationslichtgitters zeigt:

1: Optisches System (welches den Lichtsender (3) auf der Reflexionsfläche (z. B. Boden) so abbildet, dass diese Abbildung von beiden Zeilenbildsensoren (4) gesehen wird.
2: Optisches Weitwinkelsystem
3: Lichtsender (Optischer Sender, der im Impulsbetrieb eingesetzt werden kann).
4: Zeilenbildsensoren
5: Analog/Digital Wandler
6: Rechner (CPU mit einem im Betrieb veränderbaren Speicherbereich, der auch bei Spannungsabschaltung seine Daten behält).
7: Treiber (Senderansteuerung)
8: Testeingang (Option)
9: Ausgang (der für die jeweils vorgeschriebene Sicherheitsklasse zugelassen ist).
10: Kommunikationseinheit (über die Sensorparameter verändert bzw. angezeigt werden können).

Bezugszeichen zu 2, welche die optische Justage am Beispiel mit 4 Senderabbildungen darstellt:

1': Senderabbildungen auf dem Boden
4: Projektion der Zeilenbild-Sensoren auf den Boden
4A: Zeilenbild-Sensor A
4B: Zeilenbild-Sensor B
12: Pixel 0

Bezugszeichen zu 3, welches beispielhaft die optischen Strahlengänge darstellt:

1'': Optisches System zur Sender-Abbildung
2: Optisches Weitwinkelsystem für ein oder mehrere Zeilenbild-Sensoren
3: Lichtsender
4: Zeilenbild-Sensor(en)
11: Boden

Claims

Verfahren zum Betrieb eines optischen Triangulationslichtgitters, welches eine oder mehrere Sicherheitsflächen in Form eines oder mehrerer Lichtgitter aufspannt und eindringende Objekte ab einer bestimmbaren Höhe erkennt, – wobei mit einer Mehrzahl von Lichtsendern eine Mehrzahl von Lichtflecken als Senderabbildungen auf eine Detektionsfläche gestrahlt wird, welche einen diffusen Reflexionsanteil aufweist, – wobei jede Senderabbildung auf der Detektionsfläche von einem Zeilenbildsensor empfangen wird, – wobei die Positionen dieser Senderabbildungen auf dem Zeilenbildsensor durch ein Differenzbildverfahren mit angeschalteter und abgeschalteter gepulster Senderbeleuchtung gewonnen werden, – wobei die dabei gewonnenen Positionsdaten zur Objekt-Detektion mit den bei der Montage dauerhaft abgespeicherten Referenz-Positionsdaten verglichen werden – wobei ein erkanntes „freies Detektionsfeld” gleichzeitig eine Überprüfung der Sensorfunktion im laufenden Betrieb oder auf Anforderung beinhaltet, – wobei im erkannten Fehlerfall dies über einen fehlersicheren Ausgang gemeldet wird oder der reguläre Sicherheits-Schaltausgang in einen sicheren Schaltzustand gebracht wird und – wobei die Abstände zwischen den gepulsten Senderbetätigungen mit einer Rauschfunktion variiert werden und eine Objekt-Detektion erst nach mehreren ununterbrochenen Objekt-Detektionen gemeldet wird, damit sich baugleiche Geräte gegenseitig nicht stören können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Senderabbildungen aus einer geringeren Zahl von Strahlungsquellen durch optische Strahlaufteilung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor über eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle zur Parametereinstellung verfügt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen von Flächen zwei oder mehr Sicherheitsflächen oder Überwachungsflächen aufgespannt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im Auswerteverfahren anfallenden Daten gleichzeitig auch zur Objektzählung, Geschwindigkeitsmessung und zur Erkennung von Bewegungsrichtungen verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Testeingang ein extern angeforderter Prüfvorgang eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Empfindlichkeitssteigerung vor den Weitwinkelobjektiven oder vor den Zeilenbildsensoren ein optisches Filter angebracht ist, dessen Durchlasscharakteristik an die Abstrahlcharakteristik der Sender angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Senderbaugruppen im Gehäuse des Gesamtsensors verschoben werden können, um kritische Kanten oder andere Bereiche im Bereich oder am Rand der Sicherheitsflächen gezielt überwachen zu können.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder mehrere Senderbaugruppen auch schräg und nicht nur rechtwinklig aus dem Sensorgehäuse herausstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfläche in mehrere Teilflächen aufgeteilt wird, wobei ein Eindringen des Objekts über verschiedene, den Teilflächen zugeordnete, Ausgänge gemeldet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Detektionsfläche ein entsprechender Schaltausgang zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsdaten über genormte Bussysteme ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4, 9, 10 bis 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilddaten der Zeilenbildsensoren über drahtgebundene oder drahtlose Schnittstellen an ein bilderzeugendes Gerät ausgegeben werden, damit die Geräteeinstellung vor Ort vereinfacht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Programmspeicher mehrere optimierte Kunden-Geräteeinstellungen bereitgestellt werden, die dann durch einfache Auswahl aktiviert werden.