DE102012220650A1

DE102012220650A1 - PMD-Kamera mit einer Geschwindigkeitsermittlung

Info

Publication number: DE102012220650A1
Application number: DE201210220650
Authority: DE
Inventors: Harald Ilg; Florian Forster
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-11-14
Also published as: DE102012220650B4

Abstract

Photomischdetektorkamera (10) mit einer Auswerteeinheit (15) zur Bestimmung einer Geschwindigkeit (v) eines erfassten Förderguts (30), bei dem die Auswerteeinheit (15) derart ausgebildet ist, dass mindestens ein Oberflächenmerkmal des Förderguts (30) in erfassten Tiefenbildern (B1, B2) verfolgt wird und in Abhängigkeit einer Verschiebung des Oberflächenmerkmals zwischen den Tiefenbildern (B1, B2) eine Geschwindigkeit (v) des Förderguts ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine PMD-Kamera und ein Verfahren zum Betreiben einer PMD-Kamera zur Erfassung einer Geschwindigkeit eines Förderguts nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Derartige Verfahren sind in vielfältigen Variationen bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 1 856 971 B1 einen Eierzählsensor, der zur Erfassung und Zählung der Objekte mehrere Detektoren in zwei unterschiedlichen Zeilen angeordnet hat. Die Detektoren erfassen die Konturen eines Objektes und ermitteln die Bewegungsrichtung jeden einzelnen Gegenstands relativ zu den Detektoren. Ein Zähler wird hoch gesetzt, wenn sich ein bisher nicht ermittelter Gegenstand in einer vorbestimmten Eintrittsrichtung in den Detektionsbereich der Detektoren bewegt und identifiziert worden ist.
Aus der DE 28 26 959 A1 ist ein Verfahren zur Bildverarbeitung von bewegten Objekten auf einem Fließband bekannt, bei dem ein Erfassungsbereich, innerhalb dessen Objekte erkannt werden können, während eines Teils der Vermessungszeitdauer mit einer der Gegenstandsgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit vorrückend gesteuert wird. Nach Erkennen des Objektes und insbesondere einer Gegenstandsidentifizierung und Lagevermessung wird der Bildrahmen in seine Ausgangslage zurückgeschaltet. Entsprechend der erkannten Objekte und Lagepositionen wird ein nachfolgender Roboter angesteuert.
Zur berührungslosen Messung einer Geschwindigkeit von bewegten, bandförmigen Material, wie z.B. Papier, Blech, Folien etc. ist aus der DE 44 41 864 A1 eine Vorrichtung mit zwei Laserscanner bekannt. Die beiden Scanner sind in einem festen Abstand voneinander angeordnet und erfassen jeweils ein Oberflächenprofil des bewegten Materials. Eine Auswerteeinheit überprüft, wann am dem zweiten Laserscanner eine am ersten Laserscanner erfasste Profilsignatur identisch vorliegt. Aus der Zeitdifferenz und dem bekannten Abstand der Laserscanner lässt sich in bekannter Weise eine Geschwindigkeit des bewegten Materials berechnen.
Ferner sind für die Gewinnung von Tiefenbildern so genannte PMD-Kameras bzw. Photomischdetektorkameras mit Photomischdetektoren (PMD) bekannt, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 B1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere auch eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl im Kamera-Gehäuse als auch separat angeordnet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Förderguts zu verbessern.
Die Aufgabe wird vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren und einer entsprechend ausgerüsteten Kamera gelöst.
Vorteilhaft ist eine Photomischdetektorkamera vorgesehen mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines erfassten Förderguts, bei dem die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass mindestens ein Oberflächenmerkmal des Förderguts in den erfassten Tiefenbildern in Übereinstimmung gebracht wird und in Abhängigkeit einer Verschiebung des mindestens einen Oberflächenmerkmals zwischen den Tiefenbildern eine Geschwindigkeit des Förderguts ermittelt wird.
Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Förderguts mithilfe einer Photomischdetektorkamera vorgesehen, bei dem eine Geschwindigkeit des Förderguts anhand einer Verschiebung von Oberflächenmerkmalen des Förderguts zwischen zeitlich aufeinander folgenden Tiefenbildern ermittelt wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass mithilfe eines Tiefenbilds ein größerer Oberflächenbereich eines Förderguts erfasst und im Hinblick auf geeignete Oberflächenmerkmale untersucht werden kann. Geeignete Oberflächenmerkmale können insbesondere Kanten oder andere signifikante Strukturen sein, jedoch auch das gesamte Tiefenbild.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die PMD-Kamera zusätzlich zu den Tiefenbildern auch 2D-Bilder erfasst und die Geschwindigkeit des Förderguts aus einer Kombination der Tiefen- und 2D-Bildern ermittelt wird. Die Erfassung einer weiteren optischen Eigenschaft des Förderguts erhöht die Zuverlässigkeit der Erfassung von Oberflächenmerkmalen in signifikanter Art und Weise. Hierdurch ist es insbesondere möglich, Oberflächenmerkmale des Förderguts durch die jeweils andere Erfassungsart zu plausibilisieren oder zu verifizieren bzw. in eine Erfassungsart zu wechseln, in die ein Oberflächenmerkmal erkennbar ist.
Ferner ist es denkbar, die PMD-Kamera bzw. die Auswerteeinheit als lernendes System auszubilden, wobei beispielsweise in einer Initialisierungsphase festgelegt wird nach welchem Verfahren und/oder mit welcher Kombination von Tiefen- und 2D-Bildern die Geschwindigkeitsauswertung erfolgt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, das Tiefen- und 2D-Bild unterschiedlich zu gewichten, und zwar so, dass die Kombination einen möglichst hohen Informationsgehalt im Hinblick auf die Geschwindigkeitsbestimmung aufweist. Die Gewichtung kann im Grenzfall derart bestimmt werden, dass beispielsweise nur das Tiefenbild oder das 2D-Bild für die weitere Geschwindigkeitsbestimmung verwendet wird.
Auch ist es denkbar, dass die optimale Auswahl bzw. Kombination im weiteren Messablauf regelmäßig oder zufällig auf optimale Funktionsfähigkeit überprüft wird, so dass die Kamera selbstlernend immer die optimalen Parameter für eine Geschwindigkeitsmessung respektive Volumenbestimmung einstellt.
Grundsätzlich können die 2D-Bilder über einen 2D-Sensor erfasst werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es jedoch vorgesehen, die 2D-Bilder ausgehend von Signalen, die zur Gewinnung der Tiefenbilder vorliegen, zu erzeugen. Dies hat den Vorteil dass kein weiterer 2D-Sensor vorgesehen werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Geschwindigkeit des Förderguts ermittelt, in dem zunächst zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Tiefen- und/oder 2D-Bildern eine Verschiebung zwischen diesen Bildern ermittelt wird. Die Verschiebung ist so zu bestimmen, dass in den beiden Bildern gemeinsame Oberflächenmerkmale in einen übereinstimmenden Teilbereich überführt werden. Ausgehend von der ermittelten Verschiebung und einer bekannten Bildfolgezeit wird dann die Geschwindigkeit des Förderguts ermittelt.
Mit der ermittelten Geschwindigkeit kann dann ohne weiteres ein Volumenstrom des Förderguts ermittelt werden.
Zur Bestimmung eines Volumens bzw. Volumenstroms ist ferner ein Referenztiefenbild von einem Fördermittel ohne Fördergut in der Photomischdetektorkamera bzw. in der Auswerteeinheit zu hinterlegen, sodass aus der Differenz vom erfassten Tiefenbild und dem bekannten Referenz-Tiefenbild ein Volumen ermittelt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 eine Anordnung zur Überwachung eines Förderbandes in einem ersten Zeitpunkt,
2 eine Anordnung gemäß 1 zu einem nachfolgenden Zeitpunkt,
3 ein Querschnitt des überwachten Förderbandes.
1 zeigt ein Förderband 40 auf dem ein Fördergut 30 mit einer Geschwindigkeit v transportiert wird. Oberhalb des Förderbandes 40 und dem Fördergut 30 ist eine Photomischdetektorkamera 10 mit einer Auswerteeinheit 15 angeordnet, die einen Teilbereich 20 bzw. einen Erfassungsbereich EB des Förderbands 40 überwacht und mit einer vorgegebenen Frame-Rate 1/t bzw. Bildfolgezeit t Bilder B1 insbesondere Tiefenbilder und gegebenenfalls 2D-Bilder erfasst.
2 zeigt die Situation gemäß 1 zu einem späteren Zeitpunkt, in dem ein nachfolgendes Bild B2 bzw. Tiefenbild und/oder 2D-Bild vom Erfassungsbereich EB aufgenommen wird. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit v des Förderguts 30 werden die beiden zeitlich aufeinanderfolgenden Bilder B1, B2 im Hinblick auf gemeinsame Oberflächenmerkmale untersucht und ein Verschiebungsvektor d bestimmt, der die übereinstimmenden Merkmale in einen gemeinsamen Bildbereich bzw. Teilbildbereich überführt. Dies kann beispielsweise über bekannte stitching- oder pattern-matching-Verfahren erfolgen. Ausgehend von der ermittelten Verschiebung d und der bekannten Bildfolgezeit t lässt sich die Geschwindigkeit v = d/t des Förderguts 30 ermitteln.
Als ein geeignetes Oberflächenmerkmal kommt insbesondere das komplette Oberflächentiefenbild des erfassten Förderguts für ein pattern-matching in Betracht.
Je nach Anwendungsfall können auch einzelne charakteristische Oberflächenmerkmale untersucht und in den Bildfolgen in Übereinstimmung gebracht werden. Beispielsweise können signifikante Kontrast- und/oder Höhenunterschiede für die Geschwindigkeitsermittlung ausgewertet werden.
Ausgehend von der bereits erfassten Geschwindigkeit kann vorteilhaft auch ein Volumen bzw. Volumenstrom des Förderguts ermittelt werden.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, segmentweise eine Abschnittsfläche des Förderguts zu bestimmen und mit Hilfe der ermittelten Geschwindigkeit zu einem Volumen aufzuaddieren.
Vorteilhaft kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass zwischen zwei Bildaufnahmen B1, B2 neu hinzugekommene Fördergutvolumen aufzusummieren. Dies hat den besonderen Vorteil, dass das Volumen über einen größeren erfassten Oberflächenbereich ermittelt werden kann.
Ebenso kann es auch vorgesehen, die zeitlich aufeinander folgenden Bildaufnahmen B1, B2 im Hinblick auf das aus dem Erfassungsbereich EB hinausgeförderte Volumen auszuwerten, und diese Volumina zu einem Gesamtvolumen bzw. Volumenstrom aufzuaddieren.
3 zeigt einen perspektivischen Querschnitt durch die in 1 und 2 dargestellten Anordnung. Zur Referenzierung ist vorteilhaft in einer Lern- bzw. Initialisierungsphase ein Referenztiefenbild RF vom Fördermittel 40 ohne Fördergut 30 zu erfassen und in der PMD-Kamera bzw. in der Auswerteeinheit zu hinterlegen bzw. abzuspeichern. Aus der Differenz vom erfassten Tiefenbild und dem hinterlegten Referenz-Tiefenbild RT lässt sich dann ein Volumen ermitteln.
Die Volumen und insbesondere Geschwindigkeitsmessung ist vorzugsweise selbstlernend ausgebildet. Insbesondere kann es für eine Geschwindigkeitsbestimmung vorgesehen sein, während einer Initialisierungsphase die Oberfläche des Förderguts sowohl als Tiefenbild als auch als 2D-Bild zu erfassen. Wobei zu weiteren Messung das Bild oder eine Kombination von entsprechend gewichteten Bildern verwendet wird, die einen möglichst hohen Informationsgehalt im Hinblick auf eine Geschwindigkeitsbestimmung aufweist.
Auch ist es denkbar, dass die optimale Auswahl bzw. Kombination im weiteren Messablauf regelmäßig oder zufällig auf optimale Funktionsfähigkeit überprüft wird, so dass die Kamera selbstlernend immer die optimalen Parameter für eine Geschwindigkeitsmessung respektive Volumenbestimmung einstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1856971 B1 [0002]
DE 2826959 A1 [0003]
DE 4441864 A1 [0004]
EP 1777747 B1 [0005]
US 6587186 B2 [0005]
DE 19704496 C2 [0005]

Claims

Photomischdetektorkamera (10) mit einer Auswerteeinheit (15) zur Bestimmung einer Geschwindigkeit (v) eines erfassten Förderguts (30), bei dem die Auswerteeinheit (15) derart ausgebildet ist, dass mindestens ein Oberflächenmerkmal des Förderguts (30) in den erfassten Tiefenbildern (B1, B2) in Übereinstimmung gebracht wird und in Abhängigkeit einer Verschiebung des mindestens einen Oberflächenmerkmals zwischen den Tiefenbildern (B1, B2) eine Geschwindigkeit (v) des Förderguts ermittelt wird.
PMD-Kamera nach Anspruch 1, bei der ausgehend von Signalen eines Photomischdetektors ein 2D-Bild erfasst wird, und die Auswerteeinheit (15) derart ausgestaltet ist, dass die Geschwindigkeit (v) des Förderguts aus einer Kombination der Tiefen- und 2D-Bildern ermittelt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Förderguts (40) mit Hilfe einer Photomischdetektorkamera (10), bei dem eine Geschwindigkeit (v) des Förderguts (30) anhand einer Verschiebung (d) mindestens eines Oberflächenmerkmals des Förderguts (30) zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Tiefenbildern (B1, B2) ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die PMD-Kamera (10) zusätzlich zu den Tiefenbildern 2D-Bilder erfasst, und die Geschwindigkeit (v) des Förderguts aus einer Kombination der Tiefen- und 2D-Bildern ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die 2D-Bilder ausgehend von Signalen zur Gewinnung der Tiefenbilder erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgende Tiefen- und/oder 2D-Bildern eine Verschiebung (d) ermittelt wird, die den Bildern gemeinsame Oberflächenmerkmale in einen übereinstimmenden Teilbereich überführt, wobei ausgehend von der Verschiebung (d) und einer bekannten Bildfolgezeit (t) eine Geschwindigkeit (v) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem ausgehend von den erfassten Tiefenbildern und der ermittelten Geschwindigkeit ein Volumenstrom des Förderguts ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem zur Ermittlung des Volumenstroms ein Referenztiefenbild (RT) von einem Fördermittel (40) ohne Fördergut (30) hinterlegt ist, so dass aus der Differenz vom erfassten Tiefenbild und bekannten Referenztiefenbild (RT) ein Volumen ermittelt werden kann.