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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Objekterkennung.
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Seit langem wird nach Lösungen gesucht, die es erlauben, einen dreidimensionalen Raum innerhalb gewisser Grenzen zu überwachen. Dabei unterliegt die Überwachung ganz unterschiedlichen Anforderungen. Generell gilt, dass mit einem möglichst geringen Aufwand an die verwendete Hardware oder Software innerhalb eines Raumes Objekte erkannt und, oder klassifiziert werden sollen.
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Die Anforderungen an die Auswertesicherheit und die zur Auswertung benötigte Zeit sind dabei im Allgemeinen hoch. Während jedoch in einigen Applikationen das präzise Erfassen von Objekten (mit der Ermittlung der genauen Lage im Raum) gefordert wird, genügt es bei anderen Anwendungen, wenn lediglich erkannt wird, dass sich überhaupt ein Objekt im überwachten Bereich befindet.
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Das Identifizieren und Erkennen von Objekten mit bildgebenden Verfahren mit Kameras ist seit langem bekannt und erprobt. Ein wesentlicher gemeinsamer Nachteil solcher bildgebenden Verfahren besteht in dem für die Erfassung der Bilddaten und deren Auswertung erforderlichen Aufwand. Auch liefern solche Verfahren häufig nur unzureichende absolute Entfernungsinformationen, wie sie zur Einschätzung von Objektgrößen benötigt werden.
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Andererseits sind, beispielsweise aus den Offenlegungsschriften
EP 2 237 063 A1 ,
EP 2 237 064 A1 ,
EP 2 237 065 A1 ,
EP 2 450 722 A1 ,
EP 2 530 485 A1 und
EP 2 555 013 A1 der Anmelderin oder auch aus den Druckschriften
DE 10 2009 057 104 B4 ,
DE 10 2011 056 963 B3 ,
EP 1 596 221 A1 ,
EP 2 182 377 A1 ,
EP 2 182 378 A1 und
EP 2 315 045 A1 Verfahren bekannt, die anhand von Lichtlaufzeiten oder der Auswertung der Phasen modulierter Lichtsignale eine absolute Entfernung eines Referenzpunkts liefern können. Zur eindeutigen Identifizierung von Objekten sind diese Verfahren jedoch wenig geeignet, weil man zum Einen für die Detektierung einer Objektausdehnung sehr viele solcher Entfernungssensoren benötigt und zum Anderen abhängig von den Umweltgegebenheiten die Reflexion eines Lichtpulses mehrfach erfolgen kann, beispielsweise am zu erkennenden Objekt und an weiteren benachbarten Orten. Hier kommt es durch das Prinzip des verwendeten Verfahrens bedingt zu sogenannten Phasensprüngen, die eine eindeutige Aussage über die Entfernung zum Objekt häufig nicht zulassen.
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Eine grundsätzliche Schwäche dieser Verfahren liegt darin, dass die Entfernung zum Objekt durch den Vergleich des detektierten Lichts mit der ausgesendeten Lichtwelle erfolgt. Es kann daher keine eindeutige Aussage getroffen werden, ob sich das Objekt innerhalb der ausgesandten Lichtwelle befinden oder innerhalb eines Vielfachen der ausgesandten Welle. Ein weiterer Nachteil ist, dass wegen des großen Leistungsbedarfs nur eine begrenzte Reichweite erzielt werden kann.
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Weiterhin sind Verfahren bekannt, die mittels eines ausgesendeten Pulses die Lichtlaufzeit eindeutig bestimmen können. Zur räumlichen Ausdehnung verwenden diese Verfahren teilweise eine großflächige Laserquelle und einen aus mehreren Empfängersegmenten bestehenden Empfängerkanal. Auch die Kombination vieler Sendequellen mit nur einer großflächigen Empfangseinheit ist bekannt. Der Nachteil dieser Verfahren liegt hauptsächlich in dem hiermit verbundenen Aufwand. Um ein Objekt eindeutig erfassen zu können, muss der Detektionskanal (entweder als punktförmige Abbildung des Senders oder des Empfängers) kleiner ausgebildet sein, als das zu erfassende Objekt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine neuartige, verbesserte technische Lehre zur Objekterkennung mittels optoelektronischer Sender und Empfänger anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch die Vorrichtung nach Patentanspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden beschrieben und bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Objekterkennung wird wenigstens ein Lichtpuls von wenigstens einer Lichtquelle ausgesandt. Mit Hilfe wenigstens eines optoelektronischen Empfängers wird wenigstens ein Lichtpuls detektiert, dessen zeitlicher Intensitätsverlauf mit gespeicherten Merkmalsvektoren verglichen wird. Ein Objekt wird als erkannt angenommen, wenn ein Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses eine hinreichende Ähnlichkeit mit wenigstens einem der gespeicherten Merkmalsvektoren im Sinne eines gewählten ersten Ähnlichkeitsmaßes ergibt.
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Die wenigstens eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, wird vorzugsweise so ausgerichtet, dass die von ihr ausgesandten Lichtpulse auf ein zu erkennendes Objekt oder in eine Richtung fallen, in der ein zu erkennendes Objekt vermutet wird. Bei Verwendung einer Mehrzahl von Lichtquellen werden einige oder alle Lichtquellen vorzugsweise parallel ausgerichtet. Vorzugsweise senden diese Lichtquellen zyklisch Lichtpulse aus, die auf die Oberfläche eines zu erkennenden Objekts gerichtet sind. Die beleuchteten Flächen können auch nicht von zu erkennenden Objekten verdeckte Bereiche des Hintergrunds umfassen.
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Die von den beleuchteten Flächen reflektierten Lichtsignale oder Lichtpulse werden von wenigstens einem optoelektronischen Empfänger detektiert. Dieser wenigstens eine optoelektronische Empfänger ist vorzugsweise ein lichtempfindlicher Widerstand oder eine Fotodiode. Vorzugsweise sind optoelektronische Sender und Empfänger in einer Einheit integriert, die üblicherweise als optoelektronischer Sensor bezeichnet wird. Bevorzugte Beispiele hierfür sind sogenannte Lichttaster. Weitere bevorzugte Beispiele sind sogenannte Näherungsschalter, die nach dem Prinzip der optischen Laufzeitmessung (Lichtlaufzeitmessung, „Time of Flight“ (ToF)) arbeiten können. Diese verwenden vorzugsweise sogenannte Photomischdetektoren (PMD-Sensoren, „Photonic Mixing Device“). Ein Vorteil von PMD-Systemen liegt darin, dass sie eine effiziente Unterdrückung von Fremdlicht (z. B. Sonneneinstrahlung) ermöglichen. Das aktive Sendersignal wird dabei aus dem Umgebungslicht herausgefiltert und ermöglicht dadurch einen erfolgreichen Einsatz auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen.
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Die in den Offenlegungsschriften
EP 2 237 063 A1 ,
EP 2 237 064 A1 ,
EP 2 237 065 A1 ,
EP 2 450 722 A1 ,
EP 2 530 485 A1 und
EP 2 555 013 A1 derselben Anmelderin beschriebenen optoelektronischen Sender und Empfänger sind grundsätzlich zur Verwendung im Zusammenhang mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, auch wenn sie in den genannten Offenlegungsschriften für andere Zwecke verwendet werden. Auch die gleichzeitige oder abwechselnde Verwendung dieser optoelektronischen Bauelemente und der aus ihnen bestehenden Vorrichtungen sowohl für andere Zwecke als auch im Zusammenhang mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist möglich.
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Erfindungsgemäß wird der zeitliche Intensitätsverlauf der detektierten Lichtpulse analysiert. Die Intensität des rückempfangenen Lichtes ist dabei im Allgemeinen abhängig von verschiedenen Einflussgrößen, die sich vor dem optischen Frontend des Sensors, das heißt im optischen Weg (Detektionskanal) zwischen dem optoelektronischen Sender und dem optoelektronischen Empfänger, befinden. Dies kann die Atmosphäre oder ein Objekt im Detektionskanal sein. Im Allgemeinen erzeugen unterschiedliche Objekte einen unterschiedlichen zeitlichen Intensitätsverlauf der von ihnen reflektierten Lichtpulse. Relevante Einflussgrößen sind dabei im Allgemeinen sowohl die Oberflächenstruktur (Reflektivität) als auch die geometrische Ausdehnung dieser Objekte.
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Das Erkennen der Objekte erfolgt durch einen Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines empfangenen Lichtpulses mit gespeicherten Merkmalsvektoren. Ein Objekt wird als erkannt angenommen, wenn ein Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses eine hinreichende Ähnlichkeit mit wenigstens einem der gespeicherten Merkmalsvektoren im Sinne eines gewählten ersten Ähnlichkeitsmaßes ergibt.
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Unter einem Merkmalsvektor im Sinne der vorliegenden Erfindung soll ein Satz von Merkmalen verstanden werden, welche gemeinsam die Komponenten eines Merkmalsvektors bilden. Wird nur ein einziger Merkmalstyp zum Vergleich herangezogen, weist der Merkmalsvektor nur eine einzige Komponente auf. Je nach den Umständen einer konkreten Anwendung können die Komponenten der Merkmalsvektoren sehr unterschiedliche Größen umfassen, beispielsweise digitalisierte, zu diskreten Zeitwerten gehörende Abtastwerte des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines, vorzugsweise während einer Lernphase empfangenen, vorzugsweise durch ein bestimmtes Objekt oder durch einen Bereich des Hintergrundes reflektierten Lichtpulses, oder Parameter wenigstens eines solchen Lichtpulses. Bevorzugte Beispiele für solche Parameter geben Werte und/oder die zeitliche Lage von Extremwerten (Minima und/oder Maxima) des Intensitätsverlaufes an oder Zeitpunkte und/oder Zeitintervalle, zu denen oder innerhalb derer die gemessene Intensität bestimmte Schwellwerte passiert oder überschreitet. Zeiten werden dabei bevorzugt in Bezug auf die Zeitpunkte gemessen, zu denen eine der Lichtquellen einen Lichtpuls ausgesandt hat. Andere bevorzugte Beispiele für solche Parameter sind die Phasenlage oder eine Phasenverschiebung eines auf den Lichtpuls modulierten Signals.
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Für den Vergleich eines zeitlichen Intensitätsverlaufs mit einem gespeicherten Merkmalsvektor wird der zeitlich diskret abgetastete und vorzugsweise digitalisierte Intensitätsverlauf vorzugsweise als gemessener Merkmalsvektor aufgefasst, oder es wird aus diesem Intensitätsverlauf ein gemessenen Merkmalsvektor erzeugt, dessen Komponenten vorzugsweise aus Abtastwerten des Intensitätsverlaufs oder aus daraus abgeleiteten Parametern bestehen oder solche umfassen.
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Eine hinreichende Ähnlichkeit zweier zu vergleichender Vergleichsobjekte, also eines gemessenen Merkmalsvektors mit einem gespeicherten Merkmalsvektor, liegt vor, wenn der Abstand dieser Vergleichsobjekte im Sinne eines verwendeten Ähnlichkeitsmaßes unter einem vorgegebenen Maximalabstand liegt und/oder kein anderer gespeicherter Merkmalsvektor im Sinne eines solchen Ähnlichkeitsmaßes einen geringeren Abstand von dem gemessenen Merkmalsvektor hat.
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Die Merkmalsvektoren werden vorzugsweise im Rahmen einer Lernphase ermittelt und gespeichert, die der Erkennungsphase zeitlich vorangeht, sofern zur Objekterkennung geeignete Merkmalsvektoren noch nicht oder nicht in ausreichender Zahl gespeichert sind. Vorzugsweise umfasst die Ermittlung der Merkmalsvektoren auch die Erfassung reflektierter Lichtsignale in Anwesenheit und in Abwesenheit eines zu erkennenden Objekts. Jedem Merkmalsvektor ist vorzugsweise ein Objektidentifikator zugeordnet, der auf dasjenige Objekt verweist, in dessen Anwesenheit dieser Merkmalsvektor dieser Merkmalsvektor in einer Lernphase erzeugt wurde und/oder das als erkannt gelten soll, falls der Vergleich mit einem empfangenen Lichtpuls eine hinreichende Ähnlichkeit ergibt. Einem Merkmalsvektor kann eine Mehrzahl von Objekten zugeordnet sein.
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Vorzugsweise werden die Merkmalsvektoren auch durch Beobachtung einer Veränderung von Messwerten, insbesondere durch Beobachtung einer Veränderung von Parametern von Intensitätsverläufen in der jeweiligen Situation des Anwendungsszenarios gewonnen. Insbesondere durch die Aufnahme eines Referenzszenarios (zum Beispiel eines Fußbodens) und durch einen regelmäßigen Vergleich aktueller Aufnahmen kann festgestellt werden, ob sich eine Veränderung gegenüber dem Referenzszenario ergeben hat. Allein oder in Kombination mit anderen Auswertungen kann die Beobachtung einer Veränderung in der gemessenen Situation ein Hinweis auf die Anwesenheit eines zu erkennenden Objekts im Überwachungsbereich sein.
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Vorzugsweise werden für die Referenzdatengewinnung, das heißt für die Gewinnung der Merkmalsvektoren, auch verschiedene Umweltfaktoren herangezogen, welche die absoluten Werte der Reflexion der Lichtpulse durch die beleuchteten Flächen der Objekte oder des Hintergrundes modifizieren können. Soll beispielsweise innerhalb eines Schutzfeldes (das heißt eines Überwachungsbereiches) im Freien ein Gegenstand mit einer vorgegebenen Mindestgröße erkannt werden, ist es vorteilhaft, die Referenzdaten, also die Komponenten der Merkmalsvektoren, bei unterschiedlichen Bodengegebenheiten wie beispielsweise Laub, Schnee, Kleinästen, aufzunehmen.
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Diese unterschiedlichen Bodenbeschaffenheiten beeinflussen die Reflexion des Lichts. Gegenüber herkömmlichen Verfahren der Lichtlaufzeitmessung bietet die vorliegende Erfindung somit die vorteilhafte Möglichkeit, auch in solch unterschiedlichen und insbesondere ungünstigen Umgebungsszenarien ein Objekt bei effizienter Unterdrückung von Störeinflüssen erkennen zu können, indem die Störeinflüsse von den Nutzdaten getrennt werden und Erkennungsfehler so weitgehend vermieden werden.
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Durch die Hinterlegung einer Historie, das heißt durch die Speicherung ganzer Folgen von Merkmalsvektoren für zeitliche Folgen von Umgebungsbedingungen kann das System lernend an neue Situationen herangeführt werden und es können Veränderungen in die Referenzdaten, das heißt in die Folgen von Merkmalsvektoren mit aufgenommen werden. Besondere Vorteile bieten demnach Ausführungsformen der Erfindung, die die Beobachtung von Veränderungen in der gemessenen Situation unter Einbeziehung von Umweltsituationen berücksichtigen.
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Der erfindungsgemäße Vergleich gemessener zeitlicher Intensitätsverläufe von empfangenen Lichtpulsen mit gespeicherten Merkmalsvektoren erfolgt vorzugsweise im Anschluss an eine Extraktion geeigneter Merkmale aus einem gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf eines empfangenen Lichtpulses mit Hilfe eines Ähnlichkeitsmaßes. Die extrahierten Merkmale werden vorzugsweise zu einem gemessenen Merkmalsvektor geordnet, dessen einzelne Komponenten wenigstens teilweise jeweils gleichartigen Komponenten wenigstens eines gespeicherten Merkmalsvektors entsprechen. Falls es keine eindeutige Entsprechung zwischen allen Komponenten der gemessenen und der gespeicherten Merkmalsvektoren gibt, wird der Vergleich auf einen Unterraum des Merkmalsraums beschränkt, der den Komponenten (das heißt Merkmalen) entspricht, für die eine solche eindeutige Entsprechung existiert.
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Das für den Vergleich verwendete Ähnlichkeitsmaß ist vorzugsweise ein auf dem Merkmalsraum oder auf einem Unterraum des Merkmalsraums definiertes Abstandmaß, besonders vorzugsweise eine auf dem jeweiligen Raum definierte Metrik, die besonders vorzugsweise aus einem auf dem jeweiligen Raum definierten Skalarprodukt abgeleitet ist. Falls nicht alle Komponenten der zu vergleichenden Merkmalsvektoren reelle Zahlen sind sondern einige Komponenten binäre (boolsche) Werte wie beispielsweise „Ja“, Nein“, „erfüllt“, „nicht erfüllt“ oder „vorhanden“, „nicht vorhanden“ aufweisen, werden diese Komponenten für den Vergleich von Merkmalsvektoren bei der Berechnung des Ähnlichkeitsmaßes in einer Weise behandelt, die in Abhängigkeit von den Erfordernissen der jeweils vorliegenden konkreten Anwendung zu befriedigenden Erkennungsergebnissen führt. Vorzugsweise wird eine Nichtübereinstimmung in einem solchen Merkmal mit einem geeigneten zusätzlichen, für dieses Merkmal spezifischen numerischen Beitrag zu dem aus den reell wertigen Komponenten mit Hilfe der Metrik berechneten Wert des Abstandes berücksichtigt.
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Durch die Auswertung des Intensitätsverlaufs über die Zeit lassen sich Aussagen darüber treffen, wo sich ein detektiertes Objekt in Beziehung zu einem gemessenen Referenzszenario befindet. Hierdurch lassen sich bei geeigneter Durchführung eindeutige Aussagen darüber treffen, ob es sich um Umwelteinflüsse (beispielsweise: Schnee) oder zu beachtende (das heißt zu erkennende) Objekte handelt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen eine kontinuierliche Auswertung der Messdaten vor, das heißt insbesondere eine kontinuierliche Aussendung von Lichtpulsen, den kontinuierlichen Empfang von Lichtpulsen und den kontinuierlichen Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs dieser empfangenen Lichtpulse mit gespeicherten Merkmalsvektoren. Insbesondere bei diesen, aber auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung dienen unmittelbar vor dem Empfang der reflektierten Lichtpulse oder zu früheren Zeiten ausgesandte Lichtpulse, insbesondere aus deren zeitlichem Intensitätsverlauf gewonnene oder abgeleitete Parameter, als Merkmalsvektoren. Auf diese Weise werden Veränderungen in den zeitlichen Intensitätsverläufen durch die Reflexion der Lichtpulse an den Flächen zu erkennender Objekte oder von Hintergrundbereichen besonders wirkungsvoll erfasst.
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Vorzugsweise dient dabei die Hüllkurve eines Signals als Messgröße, welches von einem oder mehreren optoelektronischen Empfängern als Antwort auf wenigstens ein pulsförmig ausgesendetes Lichtsignal durch Reflexion an einem Objekt oder dem Objekthintergrund entsteht. Bei herkömmlichen Verfahren der Lichtlaufzeitmessung oder der Lichtphasenerkennung besteht zumeist die Anforderung, dass sich ausgesendete Lichtstrahlen nicht oder möglichst wenig überlappen, weil man bei diesen Verfahren am Empfang des Reflexes eines einzigen klar definierten Signals interessiert ist.
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Die vorliegende Methode hingegen ist in Bezug auf solche Überlappungen tolerant. Solche Überlappungen sind sogar erwünscht, da sich so eine Fläche ohne Lücken durch das Empfangssignal abdecken lässt und sich damit Objekte auf dieser Fläche erkennen lassen, ohne hierfür Lichtquellen in proportionaler Anzahl zur gewünschten Erkennungsauflösung vorsehen zu müssen.
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Die Länge der Lichtpulse liegt vorzugsweise zwischen 1 und 5 ns und beträgt besonders bevorzugt 3 ns. Die Lichtpulse können beispielsweise mit einer Frequenz von 250 kHz ausgesendet werden. Das Abtasten der empfangenen Pulse erfolgt beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 1,25 GHz. Ein 3 ns dauernder und demgemäß etwa 1 m langer Lichtpuls wird somit etwa viermal abgetastet. Durch das Überabtasten der einzelnen Lichtpulse kann deren Pulsform ermittelt werden.
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Vorzugsweise sind die Sendezeitpunkte der ausgesandten Lichtpulse wenigsten eines optoelektronischen Senders geringfügig um variierende Zeiten verschoben. Dies wird auch als „Verjittern“ bezeichnet. Das Erkennen von von einem bestimmten Sender ausgesandten Lichtpulsen wird dadurch erleichtert. Außerdem kann die zeitliche Auflösung der Abtastung gesteigert werden.
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Vorzugsweise beginnt eine Messung des zeitlichen Verlaufs der Intensität eines empfangenen Lichtpulses mit dem Aussenden eines Lichtpulses durch wenigstens einen optoelektronischen Sender. Die Messsignale werden vorzugsweise unter Anwendung einer Schwelle oder mehrerer Schwellen für die gemessene Intensität ausgewertet. Diese Vergleichsschwellen können innerhalb der durch die Elektronik definierten Einschränkungen in Abhängigkeit von den besonderen Erfordernissen einer konkreten Anwendungssituation verschoben werden. Die Einstellung der Schwellwerte erfolgt vorzugsweise digital und besonders vorzugsweise im laufenden Betrieb über vorzugsweise vier einstellbare Komparatoren mit 2-Bit Analog-Digital-Wandlern, so dass zu jedem Abtastzeitpunkt vier Bit Information generiert werden. Die unterste Schwelle kann so gewählt werden, dass sie im Rauschen liegt.
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Bei typischen Pulshöhen der ausgesandten Lichtpulse zwischen 50 und 2000 mV (Millivolt) haben sich Schwellwerte für die Analyse der empfangenen Lichtpulse bei 0, 50, 100, 150 und 200 mV als vorteilhaft erwiesen. Sofern Reflektoren zur Anwendung kommen, haben sich Schwellwerte bei 50, 100, 150 und 1000 mV als vorteilhaft erwiesen, wobei Lichtpulse, die ein Empfangssignal erzeugen, das über der obersten Schwelle von 1000 mV liegt, als von einem Reflektor zurückgestrahlt angesehen werden können. Je nach gewünschter Empfindlichkeit der Messung werden vorzugsweise die Schwellwerte eingestellt. Wenn die Messung empfindlicher werden soll, werden die Schwellen abgesenkt; entsprechend werden die Schwellen heraufgesetzt, wenn die Messung unempfindlicher werden soll. Vorzugsweise werden die Schwellen über typische Störsignale gelegt, wenn diese Störsignale ausgeblendet werden sollen.
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Die empfangenen Lichtpulse werden vorzugsweise anhand einer Mehrzahl von Schwellenwerten in ihrer Pulshöhe ausgewertet und mit einer Referenz verglichen. Im Ergebnis wird dadurch eine Pulsform ausgewertet, beispielsweise kann eine Differenz oder ein Quotient mit einem Referenzsignal gebildet werden. In diesem Fall enthält der zum Vergleich herangezogene Merkmalsvektor Komponenten, deren Werte zum Vergleich mit gemessenen Pulshöhen oder Pulsformen geeignet sind. Dies sind vorzugsweise im Rahmen einer Lernphase, in Anwesenheit zu erkennender Objekte, unter gleichen oder möglichst vergleichbaren Bedingungen gemessene Pulsformen von Lichtpulsen, die von Flächen dieser zu erkennenden Objekte reflektiert wurden. Ergänzend oder alternativ zu einer Pulsform kann auch ein Zeitintegral, also die Summe einer Mehrzahl von Intensitätswerten, ermittelt und zur Objektidentifizierung verwertet werden. Sind Objekte aus einer Mehrzahl von möglichen Objekten zu erkennen, dann ist es besonders vorteilhaft und deshalb bevorzugt, Referenzdaten (das heißt Merkmalsvektoren) für jedes Objekt oder jeden Objekttyp zu speichern.
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Vorzugsweise enthalten solche Merkmalsvektoren auch Informationen über die absoluten Pulshöhen der während dieser Lernphase ausgesandten Lichtpulse. Das zum Vergleich verwendete Ähnlichkeitsmaß ist in diesem Fall vorzugsweise eine Differenz oder ein Quotient entsprechender Komponenten der zu vergleichenden Merkmalsvektoren. Auch eine Summe über quadrierte Differenzen entsprechender Komponenten der zu vergleichenden Merkmalsvektoren kann verwendet werden. Besonders bevorzugt erfolgt eine Normierung durch eine anschließende Division dieser gewichteten Summe über quadrierte Differenzen durch die Längenquadrate der zu vergleichenden Merkmalsvektoren. Eine solche normierte Summe über die quadrierten Differenzen entspricht anschaulich dem Kosinus des Winkels zwischen den zu vergleichenden Merkmalsvektoren. Bevorzugt können die einzelnen Summanden unterschiedlich gewichtet werden. Diese normierte Summe über die quadrierten Differenzen ist ein plausibles und in vielen Anwendungsfällen nützliches und von den absoluten Intensitätswerten unabhängiges Maß für die Ähnlichkeit zweier Vektoren im Merkmalsraum.
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Anstelle der absoluten Pulshöhen zu bestimmten Abtastzeiten können auch die erreichten und/oder die überschritten Schwellwerte und/oder die Zeiten, zu denen diese Schwellwerte erreicht oder überschritten wurden, zu einem Vergleich von Lichtpulsen mit Merkmalsvektoren herangezogen werden. Dazu werden diese Parameter vorzugsweise bei verschiedenen Umweltbedingungen, wie beispielsweise am Tag oder in der Nacht, durch Messungen ermittelt und als Merkmalsvektoren gespeichert.
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Die Abtastung empfangener Lichtsignale erfolgt vorzugsweise zeitlich äquidistant, beispielsweise mit einer Frequenz von 1,25 Ghz. Die Abtastfrequenz kann vorzugsweise erhöht werden, sobald die aktuellen Messwerte auf das Eintreffen eines reflektierten Lichtpulses hinweisen. Vorzugsweise wird bei der Abtastung der empfangenen Lichtpulse die Abtastfrequenz zumindest so hoch gewählt, dass das Abtasttheorem nicht verletzt wird.
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Zur Abtastung benötigte Taktgeneratoren und/oder zur Zeitmessung benötigte Zähler arbeiten vorzugsweise mit Taktfrequenzen im GHz-Bereich, besonders vorzugsweise bei etwa 1,25 GHz. Solche Frequenzen werden vorzugsweise mit Hilfe von Frequenzvervielfachern und/oder Frequenzteilern aus niedrigeren Frequenzen erzeugt, die über geeignete, vorzugsweise steuerbare Oszillatoren, bereitgestellt werden. Vorzugsweise wird die Frequenzvervielfachung, insbesondere zur Darstellung hoher Taktraten, mit Hilfe wenigstens eines Frequenzteilers in der Rückkopplungsschleife eines PLL-Generators bewirkt.
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Vorzugsweise entsprechen wenigstens einige Komponenten wenigstens eines gespeicherten Merkmalsvektors Schwellwerten, die vom zeitlichen Intensitätsverlauf wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses überschritten werden können. Der Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses mit wenigstens einem der Merkmalsvektoren beinhaltet vorzugsweise die Feststellung, ob und vorzugsweise zu welchen Zeitpunkten wenigstens einer dieser Schwellwerte überschritten wurde. Gegenüber dem direkten Vergleich einer großen Anzahl von absoluten Pulshöhen hat diese Ausführungsform der Erfindung den Vorteil, dass eine geringere Datenmenge gespeichert und verglichen werden muss, was zu einer Ersparnis an Speicherplatz und Rechenleistung führt, die möglicherweise durch einen höheren Aufwand bei der Aufbereitung der Daten erkauft werden muss. Es wird daher von der konkret gewählten Anwendung abhängen, welche Vorgehensweise hier die größten Vorteile bietet.
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Vorzugsweise werden die Schwellwerte durch ein Adaptionsverfahren so adaptiert, dass die Erkennungswahrscheinlichkeit durch die Adaption verbessert wird, wobei die Einstellung der Schwellwerte vorzugsweise während des laufenden Verfahrens und besonders vorzugsweise digital an hierfür vorgesehenen Komparatoren erfolgt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine Erhöhung der Erkennungswahrscheinlichkeit möglicherweise durch eine Verlängerung der Lernphase erkauft. Für die Adaption der Schwellwerte eignen sich grundsätzlich bekannte Adaptionsverfahren wie beispielsweise der Least-Mean-Squares-(LMS-)Algorithmus. Der Algorithmus beruht auf der sogenannten Methode des steilsten Abstiegs und schätzt den Gradienten auf besonders einfache Art, wodurch der Rechenaufwand in Grenzen gehalten werden kann. Der LMS-Algorithmus ist ein zeitrekursives Verfahren, das mit jedem neuen Datensatz einmal durchlaufen wird und dabei die Lösung aktualisiert.
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Vorzugsweise werden absolute Höhen wenigstens eines Lichtpulse gemessen und mit wenigstens einigen Komponenten wenigstens eines Merkmalsvektors verglichen, Dies erfolgt durch Bildung einer Differenz und/oder eines Quotienten. In diesem Fall enthält der zum Vergleich herangezogene Merkmalsvektor Komponenten, deren Werte zum Vergleich mit gemessenen absoluten Pulshöhen geeignet sind. Dies sind vorzugsweise im Rahmen einer Lernphase, in Anwesenheit zu erkennender Objekte, unter gleichen oder möglichst vergleichbaren Bedingungen gemessene absolute Pulshöhen von Lichtpulsen, die von Flächen dieser zu erkennenden Objekte reflektiert wurden. Sind Objekte aus einer Mehrzahl von möglichen Objekten zu erkennen, dann ist es besonders vorteilhaft und daher bevorzugt, Referenzdaten (das heißt Merkmalsvektoren) für jedes Objekt oder jeden Objekttyp zu speichern.
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Vorzugsweise wurden oder werden die gespeicherten Merkmalsvektoren wenigstens teilweise aus dem zeitlichen Intensitätsverlauf wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses gewonnen, nachdem und/oder während in Anwesenheit wenigstens eines zu erkennenden Objekts wenigstens ein Lichtpuls von wenigstens einer Lichtquelle ausgesandt wurde oder wird. Dies ermöglicht insbesondere einen direkten Vergleich der zeitlichen Intensitätsverläufe empfangener Lichtpulse in Anwesenheit und in Abwesenheit eines zu erkennenden Objektes. Vorzugsweise werden bei dieser Ausführungsform der Erfindung die zeitlichen Abtastwerte der Intensität selbst oder aus diesen Werten abgeleitete Parameter die Komponenten oder einen Teil der Komponenten der gespeicherten Merkmalsvektoren bilden. Bevorzugte Beispiele für solche Parameter sind Extremwerte, überschrittene Schwellen und Zeitpunkte von Schwellwertüberschreitungen.
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Vorzugsweise wurden oder werden die gespeicherten Merkmalsvektoren wenigstens teilweise aus dem zeitlichen Intensitätsverlauf wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses bei einer Mehrzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen, insbesondere unterschiedlicher Hintergrundbedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Bodenbedingungen gewonnen. Hierdurch wird die Erkennungsleistung des erfindungsgemäßen Verfahrens unempfindlicher gegen Einflüsse unterschiedlicher Umgebungsbedingungen.
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Vorzugsweise erfolgt die Aussendung wenigstens eines Lichtpulses und/oder ein Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses mit gespeicherten Merkmalsvektoren zeitlich kontinuierlich oder wiederkehrend, vorzugsweise periodisch wiederkehrend. Ein Objekt wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung auch dann oder nur dann als erkannt angenommen, wenn der zeitliche Intensitätsverlauf wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses eine hinreichende Änderung gegenüber einem früher gemessenen zeitliche Intensitätsverlauf im Sinne eines zweiten Ähnlichkeitsmaßes erfahren hat. Das zweite Ähnlichkeitsmaß ist vorzugsweise eine gewichtete, vorzugsweise normierte Summe quadrierter Differenzen zwischen Komponenten zu vergleichender Merkmalsvektoren. Unabhängig davon ist das zweite Ähnlichkeitsmaß vorzugsweise ein Abstandsmaß (eine Metrik) auf dem Raum der Merkmalsvektoren, dessen Komponenten bei dieser Ausführungsform vorzugsweise wenigstens teilweise mit den (zeitdiskreten und digitalisierten) Abtastwerten der empfangenen Lichtpulse übereinstimmen. Besonders vorzugsweise ist das zweite Ähnlichkeitsmaß mit dem ersten Ähnlichkeitsmaß identisch.
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Eine hinreichende Änderung im obigen Sinn liegt vor, wenn das zweite Ähnlichkeitsmaß einen vorgegebenen Mindestabstand überschreitet. Dieser Mindestabstand wird in Abhängigkeit von den Umständen und Erfordernissen einer konkreten Anwendung so gewählt, dass die falsch positiven und/oder falsch negativen Erkennungsergebnisse den Erfordernissen dieser konkreten Anwendung genügen.
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Vorzugsweise entspricht das erste und/oder das zweite Ähnlichkeitsmaß einer gewichteten Summe von quadrierten Differenzen, die aus Komponenten wenigstens eines Merkmalsvektors und zeitlichen Abtastwerten des Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses gebildet werden. Die unterschiedlichen Werte der Gewichtsfaktoren können der unterschiedlichen Relevanz unterschiedlicher Merkmale (Komponenten der Merkmalsvektoren) für den Erkennungsprozess und die Qualität seiner Ergebnisse entsprechen. Sie können im Allgemeinen nur für eine gegebene konkrete Anwendung vorzugsweise experimentell ermittelt werden.
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Vorzugsweise erfolgt ein Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses mit gespeicherten Merkmalsvektoren umso häufiger, insbesondere mit einer umso höheren Messfrequenz, je höher der Informationsgehalt des wenigstens einen detektierten Lichtpulses ist. Insbesondere dann, wenn sich der zeitliche Intensitätsverlauf eines detektierten Lichtpulses nicht gegenüber dem seines zeitlichen Vorgängers geändert hat, ist davon auszugehen, dass dieser Lichtpuls keine Informationen über irgendwelche Änderungen im zu überwachenden Bereich enthält. Andererseits werden solche Änderungen im zu überwachenden Bereich mit umso größerer Wahrscheinlichkeit vorliegen, je größer etwaige Änderungen in den gemessenen zeitlichen Intensitätsverläufen sind. Diese Änderungen in den gemessenen zeitlichen Intensitätsverläufen sind ein bevorzugtes Maß für den Informationsgehalt der detektierten Lichtpulse. Eine Messfrequenz und/oder Abtastfrequenz wird in diesem Sinn hoch genug sein, falls oder insoweit diese Änderungen aus den zeitdiskreten Abtastwerten (vollständig oder soweit relevant) rekonstruierbar sind. Die Erfüllung des Abtasttheorems in Verbindung mit geeigneten, den Erfordernissen einer konkreten Anwendung entsprechenden Bandpass- oder Tiefpassfiltern ist eine gute Leitlinie für eine geeignete Wahl der Mess- und/oder Abtastfrequenzen.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Lichtpulsen von einer Mehrzahl von Lichtquellen ausgesandt. Die Zeitintervalle, während deren die einzelnen Lichtquellen in dieser Mehrzahl von Lichtquellen die Lichtpulse aussenden, stimmen wenigstens teilweise und/oder zeitweise, vorzugsweise vollständig, überein.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Lichtpulsen von einer Mehrzahl von optoelektronischen Empfängern detektiert. Die Zeitintervalle, während deren die einzelnen Empfänger in dieser Mehrzahl von Empfängern die Lichtpulse detektieren, stimmen wenigstens teilweise und/oder zeitweise, vorzugsweise vollständig, überein.
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Vorzugsweise wurden oder werden die gespeicherten Merkmalsvektoren wenigstens teilweise auch durch Auswertung von Interferenzen zwischen Lichtpulsen gewonnen, die von unterschiedlichen Lichtquellen ausgesandt und/oder an wenigstens einem zu erkennenden Objekt reflektiert wurden oder werden.
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Vorzugsweise wurden oder werden die Merkmalsvektoren wenigstens teilweise aus diskreten Abtastwerten der zeitlichen Intensitätsverläufe von Lichtpulsen gewonnen, die von unterschiedlichen Lichtquellen ausgesandt und/oder an wenigstens einem zu erkennenden Objekt reflektiert wurden oder werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Objekterkennung weist vorzugsweise auf:
a) wenigstens eine Lichtquelle zum Aussenden wenigstens eines Lichtpulses, b) wenigstens einen optoelektronischen Empfänger zur Detektion wenigstens eines Lichtpulses, und c) eine Auswertungs- und Steuerungseinheit (ASE), die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet ist.
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Die wenigstens eine Lichtquelle zum Aussenden von Sendelichtpulsen in einen Überwachungsbereich ist vorzugsweise drehbar ausgestaltet, vorzugsweise mit einer Dreheinrichtung zum Drehen einer Strahlrichtung der Sendelichtpulse um eine quer zu der Strahlrichtung orientierte Rotationsachse.
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Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Lichtquellen im Raum verteilt angeordnet. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von optoelektronischen Empfängern im Raum verteilt angeordnet.
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Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen, die Lichtpulse definierter Länge aussenden können, einem Empfangselement oder mehreren Empfangselementen, die diesen Lichtquellen vorzugsweise zugeordnet sind, und die geeignet und dazu eingerichtet sind, an einem Objekt reflektierte Lichtpulse zu erkennen und in ein elektronisches Signal zu wandeln, aus einer Steuereinheit, welche die Lichtquellen der Reihe nach für eine festgelegte Pulszeit aktiviert und das Signal, welches an dem der Lichtquelle zugeordneten Empfänger als Reflexion eingeht, aufnimmt und speichert, aus einer Auswerteeinheit, die den Empfängerausgang kontinuierlich auswertet und die am Empfängerausgang vorhanden Werte in kontinuierlich in einen Speicher überführt, aus einem Speicher, der diese Daten aufnimmt und daneben Referenzdaten vorhält, mit denen die gemessenen Signale verglichen werden können, sowie aus einer Recheneinheit, welche die gemessenen und gespeicherten Signale mit den Referenzdaten vergleicht und einen Grad der Übereinstimmung ermittelt, der als Maß für die Erkennung eines Zielobjektes gewertet wird.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung vier digital einstellbare Komparatoren und 2-Bit-Analog-Digitalwandler auf. Hierdurch werden für jeden Abtastwert zu jedem Abtastzeitpunkt nur geringe Informationsmengen erzeugt, was insbesondere die Verarbeitung von Messdaten ermöglicht, die mit hohen Abtastraten aufgenommen wurden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren erläutert. Hierin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines zeitlichen Intensitätsverlaufs eines gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens empfangenen Lichtpulses.
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Wie in der 1 gezeigt, senden die optoelektronischen Sender 3 Lichtpulse 2 in Richtung der zu erkennenden Objekte 6, von denen die reflektierten Lichtpulse 5 ausgesandt werden, die durch die optoelektronischen Empfänger 1 empfangen werden.
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Der in 2 gezeigte zeitliche Intensitätsverlauf 4 der empfangenen Lichtpulse 5 wird mit gespeicherten Merkmalsvektoren verglichen. Ein Objekt 6 wird vorzugsweise als erkannt angenommen, wenn ein Vergleich des zeitlichen Intensitätsverlaufs 4 wenigstens eines durch den wenigstens einen optoelektronischen Empfänger detektierten Lichtpulses 5 eine hinreichende Ähnlichkeit mit einem der gespeicherten Merkmalsvektoren im Sinne eines gewählten ersten Ähnlichkeitsmaßes ergibt.
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Der Vergleich der zeitlichen Intensitätsverläufe 4 der empfangenen Lichtpulse 5 mit den gespeicherten Merkmalsvektoren erfolgt vorzugsweise nach einer Aufbereitung der empfangenen Lichtpulse durch eine Auswerteeinheit. Diese Aufbereitung umfasst vorzugsweise eine zeitliche Abtastung und Digitalisierung der zeitlichen Intensitätsverläufe 4, einen Vergleich mit Schwellwerten 7, 7a, 7b und 7c und/oder die Ermittlung absoluter Pulshöhen 8, 8a und 8b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2237063 A1 [0005, 0013]
- EP 2237064 A1 [0005, 0013]
- EP 2237065 A1 [0005, 0013]
- EP 2450722 A1 [0005, 0013]
- EP 2530485 A1 [0005, 0013]
- EP 2555013 A1 [0005, 0013]
- DE 102009057104 B4 [0005]
- DE 102011056963 B3 [0005]
- EP 1596221 A1 [0005]
- EP 2182377 A1 [0005]
- EP 2182378 A1 [0005]
- EP 2315045 A1 [0005]
