DE102009057104A1

DE102009057104A1 - Entfernungsmessender Laserscanner

Info

Publication number: DE102009057104A1
Application number: DE102009057104A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Schmitz; Ingolf Braune
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-05
Also published as: DE102009057104B4

Abstract

Es wird ein entfernungsmessender Laserscanner (10) mit einem Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtsignals (14), einem Lichtempfangselement (24) zur Empfang des in einem Überwachungsbereich (18) remittierten Lichtsignals (20) und zur Umwandlung in ein elektrisches Empfangssignal (46) sowie einem Analog-Digital-Wandler (30) und einem Speicher (32) angegeben, um das Empfangssignal (46) zu digitalisieren und aufzuzeichnen, wobei der Laserscanner (10) weiterhin eine Auswertungseinheit (34) aufweist, die für die Erkennung eines Objektempfangspulses (48) des Empfangssignals (46), welcher einem Objekt in dem Überwachungsbereich (18) zugeordnet ist, und die Ermittlung der Entfernung des Objekts aus einer Laufzeit anhand des Objektempfangspulses (48) ausgebildet ist. Dabei ist die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet, Empfangspulse (48, 50a–b) in dem Empfangssignal (46) zu erkennen und aufgrund einer Pulsform zu entscheiden, ob einer der Empfangspulse (48, 50a–b) ein Objektempfangspuls (48) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen entfernungsmessenden Laserscanner sowie ein Verfahren zur Erfassung von Entfernungen anhand einer Lichtlaufzeit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 10.
Laserscanner können eingesetzt werden, um Abstände oder Entfernungen in einem Überwachungsbereich zu bestimmen. Ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl überstreicht mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Dabei sind zwei grundsätzliche Prinzipien bekannt, die Lichtlaufzeit zu bestimmen. Bei phasenbasierten Verfahren wird das Sendelicht moduliert und die Phasenverschiebung des empfangenen gegenüber dem gesendeten Licht ausgewertet. Bei pulsbasierten Verfahren, wie sie in der Sicherheitstechnik bevorzugt eingesetzt werden, misst der Laserscanner die Laufzeit, bis ein ausgesandter Lichtpuls wieder empfangen wird.
Laserscanner werden beispielsweise zur Bestimmung von Oberflächenprofilen oder für Vermessungsaufgaben eingesetzt. Ein wichtiges Anwendungsfeld ist die Sicherheitstechnik, speziell die Absicherung von Maschinen, die eine Gefahrenquelle bilden. Ein Sicherheitslaserscanner ist beispielsweise in der DE 43 40 756 A1 beschrieben. Der Laserscanner überwacht dabei ein Schutzfeld, das während des Betriebs der Maschine von Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Aus den Winkel- und Entfernungsangaben des Laserscanners wird der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich ermittelt und mit dem Schutzfeld verglichen. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch statische Maschinenteile, können vorab als zulässig eingelernt werden. Oft sind den Schutzfeldern Warnfelder vorgelagert, wo Eingriffe zunächst nur zu einer Warnung führen, um den Schutzfeldeingriff und damit die Absicherung noch rechtzeitig zu verhindern und so die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen.
In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
Ein herkömmliches Verfahren für die Laufzeitmessung besteht darin, beim Aussenden eines Laserpulses einen Zähler zu starten, der dann gestoppt wird, wenn das Echo, also ein von einem Objekt reflektierter oder remittierter Empfangspuls, eine vordefinierte Schwelle überschreitet. Der Zählerstand ist dann direkt proportional der Entfernung zu dem Objekt.
Gibt es Störeinflüsse wie Nebel, Regen oder Staub, so stammt der erste Empfangspuls, bei dem der Zähler stoppt, nicht unbedingt von dem Objekt, dessen Entfernung bestimmt werden soll. Bei einem modifizierten Lidar-Prinzip (Light Detection and Ranging, in Anlehnung an Radar) wird nur ein sehr starkes Rückstreusignal für die Entscheidung verwendet, ob sich eine Person in dem Schutzfeld befindet oder nicht. Eine Untersuchung des Rückstreuprofils selbst findet nicht statt. Herkömmliche Sicherheitsscanner detektieren deshalb Störungen, wie Wassertropfen oder Staubpartikel, häufig als Gefahr, nehmen die unzulässige Anwesenheit einer Person im Schutzfeld an und schalten gefährliche Bewegungen einer überwachten Maschine sicherheitsgerichtet ab.
Aus der DE 103 13 709 B4 ist ein Sensor bekannt, bei dem der Zählerstand bei Schwellüberschreitung nur abgespeichert wird, dann aber weitergezählt wird, um auch die Zählerstände zu den Schwellüberschreitungen weiterer Empfangspulse zu bestimmen. Anschließend wird entweder – entsprechend dem modifizierten Lidar-Prinzip – derjenige Empfangspuls mit der höchsten Amplitude oder alternativ der zuletzt in dem Empfänger registrierte Empfangspuls für die Laufzeitbestimmung ausgewählt.
Dabei wird jedoch das Empfangssignal durch die unterdrückten, nicht ausgewerteten Empfangspulse von Störern geschwächt, und für den eigentlich auszuwertenden Empfangspuls des Objekts steht weniger Energie zur Verfügung. Besonders bei zu erkennenden Objekten mit verhältnismäßig geringer Remission wird diese fehlende Energie kritisch. Es gibt dann nämlich möglicherweise gar keinen prägnanten letzten Empfangspuls, beziehungsweise der zuletzt registrierte Empfangspuls hebt sich gegenüber den unterdrückten Empfangspulsen mangels am Ort des Objekts noch vorhandener restlicher Sendeenergie nicht mehr heraus. Dies führt womöglich zur Nichterkennung des Objekts, was besonders in der Sicherheitstechnik nicht hinnehmbar ist.
Prinzipiell wäre noch denkbar, die über den Lichtweg absinkende Sendeenergie durch einen Mittelungsfilter auszugleichen. Dazu muss aber der Lichtweg im überwiegenden Mittel frei sein, damit korrekte Daten zur Verfügung stehen. Der Ansatz löst deshalb bestenfalls ein Teilproblem, nämlich die Unterdrückung einzelner Störimpulse, und ist für permanent durch Störer beeinträchtigte Lichtwege nicht mit einer hohen Verfügbarkeit anwendbar.
In sicherheitstechnischen Anwendungen ist die Auswahl des letzten Empfangspulses zur Bestimmung einer Objektentfernung besonders ungünstig. Befindet sich nämlich gar kein Objekt im Überwachungsbereich, so wird der letzte Störer im Strahlengang automatisch als Objekt betrachtet und unnötig ein Abschaltbefehl gegeben.
Aus der EP 1 160 585 A2 ist ein Laserscanner bekannt, der nicht mit Zählern und Schwellbewertung arbeitet, sondern eine vollständige Historie des Abtastvorgangs speichert. Konkret aufgefunden wird der relevante Empfangspuls dann wiederum als derjenige, der zuletzt registriert wurde, so dass auch diese Lösung die soeben diskutierten Nachteile nicht vermeidet.
Die DE 198 35 797 C2 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Rauch mittels eines Lidar-Systems. Dabei werden Rückstreuungen von Mie-Streuern und Rayleigh-Streuern, also kleine Partikel und atmosphärische Eigenschaften berücksichtigt. Der Strahlengang endet hier allerdings in einer Lichtfalle, das System ist an einer Objekterkennung nicht interessiert.
In Umgebungen mit optischen Störern, also beispielsweise in Außenanwendungen mit Wettereinflüssen oder in staubigen Umgebungen, führen die herkömmlichen Verfahren zu zahlreichen Fehlmessungen. Gerade in der Sicherheitstechnik erzeugt der Sicherheitslaserscanner möglicherweise Nothaltsignale, obwohl lediglich kleine Störpartikel in dem Schutzbereich vorhanden sind, und beeinträchtigt damit die Maschinenlaufzeiten.
Daher ist Aufgabe der Erfindung, einen entfernungsmessenden Laserscanner anzugeben, der robuster gegen Störeinflüsse im Lichtweg ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Laserscanner nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Erfassung von Entfernungen nach Anspruch 10 gelöst. Die Lösung geht von dem Grundgedanken aus, den gesamten empfangenen Kurvenzug auf ein jeweiliges Sendesignal aufzuzeichnen und auszuwerten. Dabei werden zunächst alle möglichen Empfangspulse einschließlich der Störpulse identifiziert. Da ein Objekt dem zugehörigen Empfangspuls eine deutlich andere Form gibt als diejenige eines Störpulses, wird die Pulsform ausgewertet, um zu entscheiden, ob in dem Kurvenzug ein Objektempfangspuls vorhanden ist. Dabei sind zwei Wege möglich. Entweder wird der Objektempfangspuls anhand von Charakteristika der Pulsform eines Objekts positiv erkannt und ausgewertet. Alternativ werden Störpulse anhand von Charakteristika der Pulsform eines Störers, beispielsweise eines Mie-Streuers erkannt, ausgeblendet und mit dem so gefilterten Empfangssignal eine herkömmliche Lichtlaufzeitauswertung vorgenommen.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Unterscheidung zwischen optisch harten Zielen, wie ein Eingriff einer Person oder eines Objekts, und optisch weichen Zielen, wie Staub oder ein anderer Störer, ermöglicht wird. Durch die geringere Empfindlichkeit gegenüber Störungen können Fehlmessungen vermieden werden. Die Entfernungsbestimmung wird präziser. Wegen der verbesserten Objekterkennung auch unter Störeinfluss wird das mögliche Einsatzfeld von Laserscannern erweitert. Die Stillstandszeiten einer von einem erfindungsgemäßen Sicherheitsscanner überwachten Maschine in raueren Umgebungen werden erheblich reduziert, die Verfügbarkeit der Maschine also deutlich verbessert.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Empfangspulse als Bereiche des Empfangsignals zwischen dem Überschreiten und dem darauffolgenden Unterschreiten einer Rauschschwelle zu erkennen. Das ist ein einfaches, rasch auswertbares und zugleich vollständiges Vorgehen, um mögliche Objektempfangspulse aufzufinden. Mit Rauschen ist hier zunächst ein Signalrauschen bei freiem Sichtfeld des Laserscanners gemeint, da größere Störungen erfindungsgemäß erst noch von dem Objektempfangspuls unterschieden werden sollen. Ein gewisser Abstand der Rauschschwelle zu diesem relativ geringen Signalrauschen hilft dabei, kleine Störungen sofort abzuschneiden.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, den Objektempfangspuls an einem steilen Abfall der fallenden Flanke zu erkennen. Partikel und Regentropfen können als Mie-Streuer aufgefasst werden und erzeugen flacher abfallende Flanken. Somit ist dies ein einfaches, schnell und zuverlässig auswertbares Kriterium, um Störer und Objekte voneinander zu unterscheiden. Die fallende Flanke ist wie üblich als der auf ein Maximum des Empfangspulses folgende Bereich definiert. Denkbar ist, dass ein Empfangspuls mehrere Nebenmaxima aufweist. Dies spricht schon dafür, dass es sich um einen Störer handelt. Um Eindeutigkeit zu erzwingen, wird beispielsweise das höchste, ausgeprägteste oder letzte Maximum innerhalb eines Empfangspulses herangezogen.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen steilen Abfall daran zu erkennen, dass das Empfangssignal hinter einem Maximum eines Empfangspulses schneller als innerhalb einer Abfallhöchstdauer auf einen vorgegebenen Anteil des Maximums abfällt. Diese Auswertung ist sehr einfach und schnell. Die Abfallhöchstdauer kann absolut vorgegeben sein, etwa entsprechend einer Lichtlaufstrecke von wenigen oder Bruchteilen von Millimetern oder, falls große Störer möglich sind, auch wenigen Zentimetern. Alternativ ist eine relative Vorgabe der Abfallhöchstdauer beispielsweise im Verhältnis zur Breite des betrachteten Empfangspulses oder zu der steigenden Flanke vom Beginn des Empfangspulses bis zum Maximum denkbar. Der Anteil, auf den die Flanke abfällt, kann als 100%, 90%, 95%, 50%, 25%, 10% oder einen anderen geeigneten Anteil des Rauschabstands, also der Höhe des Maximums gegenüber dem Signalrauschpegel vorgegeben sein.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen steilen Abfall dadurch zu erkennen, dass die erste Ableitung hinter einem Maximum des Empfangspulses mit einer Steilheitsschwelle verglichen wird oder dass für jeden Empfangspuls die erste Ableitung des Empfangssignals vor und hinter einem Maximum des Empfangspulses miteinander verglichen wird. Die numerisch zu bestimmende Ableitung kann gemittelt über verschiedene Zeitintervalle der abfallenden Flanke betrachtet werden. Vergleicht man nicht absolut mit einer Steilheitsschwelle, sondern relativ mit der ersten Ableitung der steigenden Flanke, so werden Asymmetrien in dem Empfangspuls aufgedeckt, die dagegen sprechen, dass es sich um einen Mie-Streuer und damit einen Störer handelt. Die Bewertung der fallenden Flanke erfolgt insbesondere für alle Empfangspulse des Empfangssignals.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Empfangspulse in einer Spektralanalyse zu untersuchen, insbesondere eine Fourier- oder Waveletttransformation auszuführen. Im Frequenzspektrum der Empfangspulse zeigen sich ebenfalls charakteristische Unterschiede zwischen Empfangspulsen von Objekten und von Störern, die manchmal leichter automatisch erkennbar sind als im Zeitbereich.
In vorteilhafter Weiterbildung ist ein Sicherheitsausgang vorgesehen, über den ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal ausgebbar ist, wenn die Auswertungseinheit einen Objektempfangspuls in einem Winkel und einem Abstand erkannt hat, der einem Schutzbereich zugeordnet ist. Es ist dann klar, dass es sich nicht nur um einen Störer, sondern um einen Schutzfeldeingriff handelt, so dass eine sicherheitsgerichtete Absicherung erfolgt. Ein Schutzfeld ist ein zusammenhängender oder mehrteiliger Bereich des gesamten verfügbaren Überwachungsbereichs des Laserscanners und wird beispielsweise in Polarkoordinaten entsprechend dem zu ermittelnden Objektabstand und dem Winkel vorgegeben, unter dem das Objekt erkannt wird.
Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Empfangsenergie des remittierten Lichtstrahls zu bestimmen und ein Verschmutzungssignal auszugeben, wenn nach Vergleich mit der Sendeenergie festgestellt wird, dass nicht genug Sendeenergie für eine sichere Objektdetektion über den gesamte Schutzbereich verfügbar ist. Wird ein Objekt erkannt, so hat der Laserscanner seine Aufgabe korrekt erfüllt, und eine Energiebetrachtung erübrigt sich. Wenn aber nur Störerpulse vorliegen, so wird nach dieser Ausführungsform abgeschätzt, ob die verbleibende Sendeenergie hinter dem letzten Störpuls überhaupt noch ausreichen würde, um ein Objekt zu erkennen. Ist das nicht der Fall, so wird dies angezeigt und, wenn die Überwachung der Schutzfelder nicht mehr gesichert ist, auch ein sicherheitsgerichteter Abschaltbefehl ausgegeben.
Vorzugsweise ist ein Sendeleistungs-Lichtempfangselement in einem Scanwinkel außerhalb des Überwachungsbereichs angeordnet, um die Sendeenergie des als Lichtpuls ausgesandten Lichtstrahls zu messen. Zwar ist die Sendeenergie über die Spezifikation des Laserscanners und seiner Lichtquelle grundsätzlich bekannt. Die tatsächliche Sendeenergie weicht davon aber in der Praxis ab, und Energiebetrachtungen werden deshalb verlässlicher, wenn sie gemessen wird. Durch die Anordnung außerhalb des Überwachungsbereichs, beispielsweise im rückwärtigen Gehäusebereich des Laserscanners, nutzt die Messung der Sendeenergie einen Winkelbereich, in dem ohnehin keine Objekte gescannt werden. Alternativ, etwa bei einem 360°-Scanner, kann ein geringer Teil der Sendeenergie beispielsweise über eine Glasplatte ausgekoppelt und so die Sendeleistung überwacht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend, in den sich an den Vorrichtungsanspruch anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
1 eine schematische Schnittzeichnung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserscanners;
2 den zeitliche Verlauf eines Empfangssignals zur Erläuterung, wie der Objektempfangspuls aufgefunden wird;
3 eine Darstellung gemäß 2, wobei das Objekt nur teilweise von dem Scanstrahl getroffen wird; und
4 eine Darstellung gemäß 2 zur Erläuterung eines alternativen Vorgehens zum Auffinden der Objektempfangspulses.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Laserscanner 10 mit einem Lichtsender 12, der eine leistungsstarke, gut zu einem Lichtstrahl 14 fokussierbare Lichtquelle aufweist, üblicherweise einen Laser. Auch wenn abweichend eine andere Lichtquelle vorgesehen ist, wird dies der Einfachheit halber als Laserscanner 10 angesprochen. Der von dem Lichtsender 12 erzeugte Lichtstrahl 14, der einzelne Lichtimpulse beispielsweise von einigen Nanosekunden Dauer aufweist, wird über Lichtablenkeinheiten 16a–b in einen Überwachungsbereich 18 gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Dabei wird unter dem Begriff Remission jegliches zurückkehrende Licht verstanden, sei es durch Rückstreuung oder durch Reflexion.
Das remittierte Licht 20 gelangt wieder zu dem Laserscanner 10 zurück und wird dort über die Ablenkeinheit 16b und mittels einer Empfangsoptik 22 von einem Lichtempfänger 24 detektiert, beispielsweise einer Photodiode.
Die Lichtablenkeinheit 16b ist in der Regel als Drehspiegel ausgestaltet, der durch Antrieb eines Motors 26 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung der Lichtablenkeinheit 16b wird über einen Encoder 28 erfasst. Der von dem Lichtsender 12 erzeugte Lichtstrahl 14 überstreicht somit den durch die Rotationsbewegung erzeugten Überwachungsbereich 18. Wird ein von dem Lichtempfänger 24 empfangenes reflektiertes Lichtsignal 20 aus dem Überwachungsbereich 18 empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit 16b mittels des Encoders 28 auf die Winkellage des Objektes in dem Überwachungsbereich 18 geschlossen werden.
Zusätzlich wird die Laufzeit der einzelnen Laserlichtpulse von ihrem Aussenden bis zu dem Empfang nach Reflexion an dem Objekt in dem Überwachungsbereich 18 ermittelt. Aus der Lichtlaufzeit wird unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner 10 geschlossen. Dazu wird das von dem Lichtempfänger 24 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelte remittierte Licht 20 in einem Analog-Digital-Wandler 30 abgetastet und der zeitliche Verlauf der Intensität des Empfangssignals in einem Speicher 32 abgelegt. Die Intensität beziehungsweise die Amplitude des elektrischen Empfangssignals wird in dieser Beschreibung zumeist synonym mit dem Empfangssignal selbst verwendet. Bei der Digitalisierung in dem Analog-Digital-Wandler entsteht über die jeweilige Aufzeichnungszeit ein Kurvenzug, der die Remissionen aus dem Überwachungsbereich 18 auf einen als Sendepuls ausgesandten Lichtstrahl 14 repräsentiert. Aus dem Kurvenzug ermittelt eine Auswertungseinheit 34 in einer anhand der 2 bis 4 weiter unten näher erläuterten Weise die Lichtlaufzeit. Der Speicher 32 kann beispielsweise Teil der Auswertungseinheit 34, des Analog-Digital-Wandlers 30 oder ein eigenes Bauteil sein.
Die Auswertungseinheit 34 ist mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 24, dem Motor 26 und dem Encoder 28 verbunden und steuert die Abläufe in dem Laserscanner 10. Über den von dem Encoder 28 gelieferten Winkel und die aus der Lichtlaufzeit bestimmte Entfernung stehen zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objekte in dem Überwachungsbereich 18 zur Verfügung. Zusätzlich ist noch ein weiterer Lichtempfänger 36 in einem rückwärtigen Bereich des Laserscanner 10 vorgesehen, so dass der Lichtempfänger 36 von dem scannenden Lichtstrahl 14 überstrichen wird, wenn der Drehspiegel 16b in seiner Rotationsbewegung Drehwinkel außerhalb des Überwachungsbereichs 18 erreicht. Der Lichtempfänger 36 misst die tatsächliche gegenwärtige Intensität des Sendelichts in dem Lichtstrahl 14.
In einer Ausführungsform als Sicherheitsscanner ist das eigentliche Ziel der Auswertung, ein Sicherheitssignal an einem Sicherheitsausgang 38 (OSSD, Output Signal Switching Device) bereitzustellen, beispielsweise um einen Nothalt einer angeschlossenen Maschine auszulösen. Über die Winkel- und Entfernungsdaten berechnet die Auswertungseinheit 34 hierzu den Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich 18. Dies wird mit einem zweidimensionalen Schutzfeld verglichen, dessen Geometrie durch entsprechende Parameter in einem weiteren Speicherbereich 40 der Auswertungseinheit 34 abgelegt ist. Damit erkennt die Auswertungseinheit 30, ob das Schutzfeld verletzt ist, also ob sich ein unzulässiges Objekt darin befindet, und schaltet je nach Ergebnis den Sicherheitsausgang 38. Je nach Ausführungsform ist denkbar, die Auswertung oder Teile der Auswertung statt in einer internen Auswertungseinheit 34 in einer übergeordneten Steuerung vorzunehmen.
Alle genannten Funktionskomponenten sind in einem Gehäuse 42 angeordnet, das frontseitig, also im Bereich des Lichtaus- und Lichteintritts, eine Frontscheibe 44 aufweist. Die Frontscheibe 44 ist zur Vermeidung von direkten Reflexionen in den Lichtempfänger 24 schräg gestellt, so dass Lichtstrahl 14 und Frontscheibe 44 einen Winkel ungleich neunzig Grad einschließen.
2 zeigt in Form der Intensität als Funktion der Zeit einen Ausschnitt eines beispielhaften Empfangssignals 46, wie es von dem Analog-Digital-Wandler 30 digitalisiert und in dem Speicher 32 zur weiteren Bearbeitung hinsichtlich Signalform und Signalparametern durch die Auswertungseinheit 34 abgelegt ist. Um die Lichtlaufzeit zu bestimmen, soll der Empfangszeitpunkt t_E als zeitliche Lage des Maximums eines Objektempfangspuls 48 in dem Empfangssignal 46 ermittelt werden, welches durch Remission des Sendepulses an dem Objekt erzeugt wurde.
In einer gestörten, beispielsweise staubigen Umgebung oder einer Umgebung mit Nebel, Aerosolen, Regen oder ähnlichem, wird aber ein hohes Hintergrundsignal erkennbar sein, welches gemittelt über den Messbereich mehr oder weniger konstant ist. Ein herkömmlicher Laserscanner würde hier ein Abschaltsignal ausgeben, weil das Rückstreuprofil zu groß ist und fälschlicherweise als Person oder sonstiger unzulässiger Schutzfeldeingriff interpretiert würde.
Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, die Pulsform zu betrachten. Die von Störern, etwa Staubpartikeln erzeugten Störpulse 50a–b unterscheiden sich in charakteristischer Weise von dem Objektempfangspuls 48. Daraus ergeben sich bei Untersuchung der Pulsform Kriterien, mit denen die Auswertungseinheit den Objektempfangspuls 48 erkennt, sei es dadurch, dass die Störpulse 50a–b ausgeschlossen oder der Objektempfangspuls 48 positiv erkannt wird oder beides.
Theoretisch beschrieben werden örtlich eng begrenzte Störer durch Mie-Streuung, also die Streuung von elektromagnetischer Strahlung an einem sphärischen Körper. Dieses Modell trifft die meisten Störpartikel mit hinreichender Genauigkeit. Im Einzelfall ist auch Rayleigh-Streuung denkbar, also die von elektromagnetischer Strahlung an Teilchen, die klein gegen die Wellenlänge sind, etwa an Gasmolekülen. Für die Auswertung wesentlich ist vor allem, dass sich optisch weiche Ziele, Regentropfen, Staubpartikel und ähnliche Störer, in ihrer Empfangspulsform charakteristisch von optisch harten Zielen unterscheiden, also von einem Objekt. Ein praktisch anwendbares Kriterium ist die steil abfallende Flanke bei Remission an einem Objekt, die sich auch in einer Asymmetrie des Objektempfangspulses 48 äußert, im Gegensatz zu einer flachen Flanke bei Remission an einem Störer mit wesentlich symmetrischerer Form des Störpulses 50a–b.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die charakteristischen Unterschiede des Objektempfangspulses 48 gegenüber den Störpulsen 50a–b in der Auswertungseinheit 34 zu erfassen. Einige Beispiele werden nun anhand der 2 bis 4 erläutert, wobei die Erfindung darauf nicht beschränkt ist und insbesondere auch Mischformen so beschriebener Auswertungen umfasst.
Zunächst wird eine Rauschschwelle 52 in den Kurvenzug des Empfangssignals 46 gelegt. Die Rauschschwelle wird beispielsweise parametriert, indem die höchsten Empfangsintensitäten bei zumindest weitgehend freiem Sichtfeld gemessen werden.
Die Rauschschwelle kann in einigem Abstand zu dem so ermittelten größten Wert gelegt werden, um kleinere Störungen von vorneherein abzuschneiden. Die Gesamtheit der Empfangspulse 48, 50a–b wird aus den jeweils zusammengehöriger Bereichen identifiziert, in denen sich das Empfangssignal 46 über die Rauschschwelle 52 erhebt.
Innerhalb jedes Empfangspulses 48, 50a–b wird anschließend die Lage t_max des höchsten Intensitätswertes ermittelt. Die fallende Flanke ist der darauffolgende Zeitbereich des jeweiligen Empfangspulses 48, 50a–b und dessen Dauer t_f ein Maß dafür, wie schnell die Flanke abfällt. Es ist deutlich erkennbar, dass die Dauer t_f3 der fallenden Flanke des Objektempfangspulses 48 die kürzeste ist. Dies lässt sich beispielsweise daran erkennen, dass die fallende Flanke t_f kürzer als eine vorgegebene Abfallhöchstdauer ist, die etwa einigen wenigen Millimetern oder sogar Bruchteilen von Millimetern entspricht.
Somit wird die Lichtlaufzeit mit dem Empfangszeitpunkt t_E = t_f3 des Objektempfangspulses 48 berechnet. Die Lage des Empfangszeitpunkts muss nicht notwendig auf das Maximum des Objektempfangspulses 48 bezogen sein, beispielsweise ist auch eine Schwellenüberschreitung oder die zeitliche Mitte des Objektempfangspulses 48 denkbar.
3 zeigt eine Situation, in der das Objekt von dem scannenden Lichtstrahl 14 nur halb getroffen ist. Verunreinigungen in der Luft sorgen dann dafür, dass der Objektempfangspuls flach ausläuft. Direkt am Objekt, also unmittelbar nach dem Maximum ist der Abfall aber weiterhin sehr steil.
Dieser Fall lässt sich mit einer Modifikation des zu 2 beschriebenen Verfahrens auswerten. Dazu werden zunächst erneut die Empfangspulse 48, 50a–b mittels einer Rauschschwelle 52 bestimmt. Die Dauer der fallenden Flanke t_r wird aber nun abweichend nicht als die gesamte Restdauer eines Empfangspulses 48, 50a–b nach dem Maximum bestimmt, sondern nur bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Empfangspuls 48, 50a–b auf einen gewissen Anteil 54a–c des Maximums abgefallen ist, beispielsweise auf die Hälfte. Damit wird nur die fallende Flanke enger an dem Maximum bewertet und der irrelevante spätere flache Abfall abgeschnitten. Der Objektempfangspuls hat dann ersichtlich wieder die bei weitem kürzeste fallende Flanke und kann wie in 2 identifiziert und weiter ausgewertet werden.
4 illustriert eine weitere Variante der Auswertung. Der Unterschied zu der Auswertung gemäß 3 besteht darin, dass hier auch die steigende Flanke einbezogen wird, indem analog zur Dauer der fallenden Flanke t_f auch die Dauer der steigenden Flanke t_r ermittelt wird. Statt einer absoluten Bewertung der Dauer t_f der fallenden Flanke wird das Verhältnis der Dauer t_f der fallenden Flanke zur Dauer t_r der steigenden Flanke ausgewertet. Dieses Verhältnis ist ein Maß für die Symmetrie des Empfangspulses 48, 50a–b und liegt nur für den Objektempfangspuls 48 deutlich unterhalb von Eins. Demnach identifiziert die Auswertungseinheit 34 den Objektempfangspuls 48 beispielsweise durch eine Schwellenbewertung des Verhältnisses gegenüber 4/5, 1/2, 1/4 oder einer ähnlichen Schwelle kleiner Eins.
Sämtliche beschriebenen Verfahren sind letztlich Betrachtungen der ersten Ableitung des Empfangssignals 46, die dargestellten Näherungen zu Bewertung einer flachen gegenüber einer steilen Flanke sind lediglich besonders leicht handhabbar. Die Erfindung umfasst deshalb auch andere denkbare numerische Verfahren zur Bestimmung und Bewertung der ersten Ableitung.
In sicherheitstechnischen Anwendungen kann in einer weiteren Ausführungsform noch eine Leistungsbetrachtung erfolgen. Geht nämlich durch die Störungen, beispielsweise die Mie-Streuung an Störpartikeln, sehr viel Energie verloren, so ist nicht mehr gesichert, dass über das gesamte Schutzfeld eine Person noch sicher detektierbar ist. Eine typische Remission einer Person kann lediglich 1,8% betragen, und sie muss dennoch zweifelsfrei erkannt werden.
Die Leistungsbetrachtung muss nicht notwendig erfolgen, wenn ein Objektempfangspuls 48 in einem Schutzbereich identifiziert werden kann. Dann erfolgt ohnehin eine sicherheitsgerichtete Abschaltung. Finden sich aber nur Störpulse 50a–b, so könnte sich eine Situation ergeben, in der ein Objektempfangspuls 48 nur mangels nach allen Störern verbleibender Sendeenergie übersehen wird.
Deshalb bestimmt die Auswertungseinheit 34 das Rückstreuprofil der kumulierten Störer aus dem Integral des Empfangssignals 46 und vergleicht die so bestimmte Empfangsenergie mit der Sendeenergie, die entweder durch die Spezifikation oder, wesentlich genauer, durch Messung mittels des weiteren Lichtempfängers 36 bekannt ist. Ergibt diese Abschätzung aus dem Verhältnis ausgesandte zu empfangener Lichtleistung, dass innerhalb des Schutzbereichs nicht mehr genug Lichtenergie für die sichere Detektion eines Objekts mit der spezifizierten Mindestremission gemäß den Anforderungen an die Maschinensicherheit zur Verfügung steht, muss der Schutzbereich verringert und die gefährliche Bewegung der überwachten Maschine entsprechend angepasst werden. Hierzu wird ein Signal ausgegeben, beispielsweise eine Anzeige, dass die Umgebung zu staubig ist oder dergleichen. Das Signal wird in der Regel im Arbeitsbetrieb mit einer sicherheitsgerichteten Abschaltung verbunden, weil der Laserscanner 10 wegen der gestörten Umgebungsverhältnisse nicht für die geforderte Absicherung sorgen kann. Denkbar ist stattdessen auch der Übergang auf einen langsameren Modus der überwachten Maschine, für den kleinere, mit der verminderten Lichtleistung überwachbare Schutzbereiche genügen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4340756 A1 [0003]
DE 10313709 B4 [0007]
EP 1160585 A2 [0011]
DE 19835797 C2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN13849 [0004]
Gerätenorm EN61496 [0004]

Claims

Entfernungsmessender Laserscanner (10) mit einem Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtsignals (14), einem Lichtempfangselement (24) zum Empfang des in einem Überwachungsbereich (18) remittierten Lichtsignals (20) und zur Umwandlung in ein elektrisches Empfangssignal (46) sowie einem Analog-Digital-Wandler (30) und einem Speicher (32), um das Empfangssignal (46) zu digitalisieren und aufzuzeichnen, wobei der Laserscanner (10) weiterhin eine Auswertungseinheit (34) aufweist, die für die Erkennung eines Objektempfangspulses (48) des Empfangssignals (46), welcher einem Objekt in dem Überwachungsbereich (18) zugeordnet ist, und die Ermittlung der Entfernung des Objekts aus einer Laufzeit anhand des Objektempfangspulses (48) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, Empfangspulse (48, 50a–b) in dem Empfangssignal (46) zu erkennen und aufgrund einer Pulsform zu entscheiden, ob einer der Empfangspulse (48, 50a–b) ein Objektempfangspuls (48) ist.
Laserscanner (10) nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, Empfangspulse (48, 50a–b) als Bereiche des Empfangsignals (46) zwischen dem Überschreiten und dem darauffolgenden Unterschreiten einer Rauschschwelle (52) zu erkennen.
Laserscanner (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, den Objektempfangspuls (48) an einem steilen Abfall der fallenden Flanke zu erkennen.
Laserscanner (10) nach Anspruch 3, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, einen steilen Abfall daran zu erkennen, dass das Empfangssignal (46) hinter einem Maximum eines Empfangspulses (48, 50a–b) schneller als innerhalb einer Abfallhöchstdauer auf einen vorgegebenen Anteil (54) des Maximums abfällt.
Laserscanner (10) nach Anspruch 3, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, einen steilen Abfall dadurch zu erkennen, dass die erste Ableitung hinter einem Maximum des Empfangspulses (48, 50a–b) mit einer Steilheitsschwelle verglichen wird oder dass für jeden Empfangspuls (48, 50a–b) die erste Ableitung des Empfangssignals (46) vor und hinter einem Maximum des Empfangspulses (48, 50a–b) miteinander verglichen wird.
Laserscanner (10) nach Anspruch 3, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, die Empfangspulse (48, 50a–b) in einer Spektralanalyse zu untersuchen, insbesondere eine Fourier- oder Waveletttransformation auszuführen.
Laserscanner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sicherheitsausgang (38) vorgesehen ist, über den ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal ausgebbar ist, wenn die Auswertungseinheit (34) einen Objektempfangspuls (48) in einem Winkel und einem Abstand erkannt hat, der einem Schutzbereich zugeordnet ist.
Laserscanner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinheit (34) dafür ausgebildet ist, die Empfangsenergie des remittierten Lichtstrahls (20) zu bestimmen und ein Verschmutzungssignal auszugeben, wenn nach Vergleich mit der Sendeenergie festgestellt wird, dass nicht genug Sendeenergie für eine sichere Objektdetektion über den gesamte Schutzbereich verfügbar ist.
Laserscanner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sendeleistungs-Lichtempfangselement (36) in einem Scanwinkel außerhalb des Überwachungsbereichs (18) angeordnet ist, um die Sendeenergie des als Lichtpuls ausgesandten Lichtstrahls (18) zu messen.
Verfahren zur Erfassung von Entfernungen mittels eines Laserscanners (10) anhand einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden und Empfang eines Lichtsignals (14, 20), wobei das in ein elektrisches Empfangssignal (46) umgewandelte remittierte Lichtsignal (20) digitalisiert und aufgezeichnet wird und ein Objektempfangspuls (48) in dem Empfangssignal (46) erkannt wird, welcher einem Objekt in einem Überwachungsbereich (18) zugeordnet ist, und wobei die Lichtlaufzeit bis zu dem Objekt aus der Lage des Objektempfangspulses (48) in dem Empfangssignal (46) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangspulse (48, 50a–b) in dem Empfangssignal (46) ermittelt werden und aufgrund einer Pulsform entschieden wird, ob einer der Empfangspulse (48, 50a–b) ein Objektempfangspuls (48) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Objektempfangspuls (48) an einem steilen Abfall der fallenden Flanke erkannt wird, insbesondere daran, dass das Empfangssignal (46) hinter einem Maximum eines Empfangspulses (48, 50a–b) schneller als innerhalb einer Abfallhöchstdauer auf einen vorgegebenen Anteil des Maximums abfällt oder indem die erste Ableitung hinter einem Maximum des Empfangspulses (48, 50a–b) mit einer Steilheitsschwelle verglichen wird oder indem für jeden Empfangspuls (48, 50a–b) die erste Ableitung des Empfangssignals (46) vor und hinter einem Maximum des Empfangspulses (48, 50a–b) miteinander verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei über einen Sicherheitsausgang (38) ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal ausgegeben wird, wenn die Auswertungseinheit (34) einen Objektempfangspuls (48) in einem Winkel und einem Abstand erkannt hat, der einem Schutzbereich zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Empfangsenergie des remittierten Lichtstrahls bestimmt und ein Verschmutzungssignal ausgegeben wird, wenn nach Vergleich mit der Sendeenergie festgestellt wird, dass nicht genug Sendeenergie für eine sichere Objektdetektion über den gesamte Schutzbereich verfügbar ist.