DE102016110514A1 - Device and method for monitoring a room area, in particular for securing a danger zone of an automated system - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Raumbereichs (40), insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage (14). Die Vorrichtung umfasst eine erste Beleuchtungseinrichtung (34), die dazu ausgebildet ist, zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich (40) zu senden und eine Bildaufnahmeeinheit (32), die dazu ausgebildet ist, ein Abbild des Raumbereichs (40) zu erstellen, wobei die Bildaufnahmeeinheit (32) einen Bildsensor (38) mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die eine Vielzahl von Raumbereichspunkten (44) abbilden. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (24) auf, die dazu ausgebildet ist, mittels Laufzeitmessung der Lichtsignale einen ersten Abstandswert (52) für zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen, sowie eine Steuereinheit (28), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ersten Abstandswerts (52) eine Sicherheitsfunktion auszulösen. Die erste Beleuchtungseinrichtung (34) und die Bildaufnahmeeinheit (32) sind in einer definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) angeordnet und die erste Beleuchtungseinrichtung (34) ist ferner dazu ausgebildet, ein optisches Muster (54) in den Raumbereich (40) zu projizieren, wobei die Auswerteeinheit (24) dazu ausgebildet ist, anhand des optischen Musters (54) und der definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) einen zweiten Abstandswert (74) für den zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen und mit dem ersten Abstandswert (52) zu korrelieren, um in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal zu erzeugen.Device (10) for monitoring a spatial area (40), in particular for securing a danger zone of an automated system (14). The device comprises a first illumination device (34) which is designed to at least temporarily transmit light signals into the spatial region (40) and an image acquisition unit (32) which is designed to produce an image of the spatial region (40), wherein the An image pickup unit (32) has an image sensor (38) having a plurality of pixels that image a plurality of space area points (44). Furthermore, the device has an evaluation unit (24), which is designed to determine a first distance value (52) for at least one spatial area point (44) by transit time measurement of the light signals, and a control unit (28), which is designed as a function the first distance value (52) to trigger a safety function. The first illumination device (34) and the image acquisition unit (32) are arranged in a defined acquisition geometry (58, 60, B) and the first illumination device (34) is further adapted to convey an optical pattern (54) into the spatial region (40) projecting, wherein the evaluation unit (24) is adapted to determine from the optical pattern (54) and the defined receiving geometry (58, 60, B) a second distance value (74) for the at least one spatial area point (44) and with the first Distance value (52) to correlate, depending on the correlation to generate an error signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage, umfassend eine erste Beleuchtungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich zu senden, eine Bildaufnahmeeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Abbild des Raumbereichs zu erstellen, wobei die Bildaufnahmeeinheit einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die eine Vielzahl von Raumbereichspunkten abbilden, eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, mittels Laufzeitmessung der Lichtsignale einen ersten Abstandswert für zumindest einen Raumbereichspunkt zu bestimmen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ersten Abstandswertes eine Sicherheitsfunktion auszulösen.The present invention relates to a device for monitoring a spatial area, in particular for securing a danger zone of an automated system, comprising a first illumination device, which is designed to at least temporarily transmit light signals into the spatial area, an image acquisition unit, which is adapted to an image of the spatial region, the image acquisition unit having an image sensor with a plurality of image points which image a plurality of spatial area points, an evaluation unit which is designed to determine a first distance value for at least one spatial area point by means of transit time measurement of the light signals, and a control unit, which is designed to trigger a safety function as a function of the first distance value.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage, wobei eine erste Beleuchtungseinrichtung zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich sendet, eine Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten ein Abbild des Raumbereichs aufnimmt, wobei mittels Laufzeitmessung ein erster Abstandswert für einen im Raumbereich befindlichen Raumbereichspunkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von dem ersten Abstandswert eine Sicherheitsfunktion ausgelöst wird.Furthermore, the present invention relates to a method for monitoring a spatial area, in particular for securing a danger zone of an automated system, wherein a first illumination device at least temporarily transmits light signals into the spatial area, an image acquisition unit with an image sensor with a plurality of pixels takes an image of the spatial area, wherein by means of travel time measurement a first distance value is determined for a room area point located in the spatial area and a safety function is triggered as a function of the first distance value.
Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der
Das Prinzip einer Time-of-Flight-Messeinrichtung ähnelt dem eines Laser-Radars. Ein Lichtimpuls bzw. eine periodische Folge von Lichtimpulsen wird von einem Sender in den Raumbereich gesendet und dort reflektiert. Eine Empfangsvorrichtung empfängt die Lichtimpulse und bestimmt anhand der Laufzeit die Entfernung zum Punkt der Reflektion. Gegenüber einem Laser-Radar weist eine Time-of-Flight-Kamera jedoch einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten (auch Pixel genannt) auf und bestimmt für jeden dieser Bildpunkte die Laufzeit, so dass pro Zeiteinheit eine Vielzahl von Messungen durchgeführt wird. Pro Zeiteinheit wird somit ein dreidimensionales Abbild erzeugt, das zusätzlich zu oder statt der Erfassung von Intensitäten (Helligkeiten) und der Ausgabe von Grauwerten, Abstandsinformation oder Laufzeitinformation erfasst.The principle of a time-of-flight measuring device is similar to that of a laser radar. A light pulse or a periodic sequence of light pulses is transmitted by a transmitter into the spatial area and reflected there. A receiving device receives the light pulses and, based on the transit time, determines the distance to the point of reflection. However, compared to a laser radar, a time-of-flight camera has an image sensor with a multiplicity of pixels (also called pixels) and determines the transit time for each of these pixels so that a large number of measurements are performed per unit of time. Thus, a three-dimensional image is generated per time unit, which in addition to or instead of the detection of intensities (brightnesses) and the output of gray values, distance information or transit time information.
Der Begriff Abbildung im Sinne dieser Offenbarung ist somit nicht als eine Wahrnehmung durch das menschliche Auge zu verstehen, sondern eine technische Beschreibung einer Szene mit Daten, die neben den gewöhnlichen zweidimensionalen Bildwerten zusätzlich auch die Lage einer Oberfläche eines Objekts in einem Raumbereich beinhalten. Dreidimensionale Abbildung bzw. eine zeitliche Abfolge von dreidimensionalen Abbildungen können folglich durch geeignete Datenverarbeitungsverfahren, insbesondere Bildanalysealgorithmen segmentiert, kategorisiert und klassifiziert werden, wodurch einzelne Objekte wie Personen und Gegenstände freigestellt, identifiziert und unterschieden werden können.The term "mapping" in the sense of this disclosure is thus not to be understood as a perception by the human eye, but a technical description of a scene with data which, in addition to the usual two-dimensional image values, additionally includes the position of a surface of an object in a spatial area. Three-dimensional mapping or a temporal sequence of three-dimensional images can consequently be segmented, categorized and classified by suitable data processing methods, in particular image analysis algorithms, whereby individual objects such as persons and objects can be released, identified and distinguished.
Wie in der
Aus der
Um diesem Problem zu begegnen, verfügen Sensoren im sicherheitskritischen Umfeld regelmäßig über Einrichtungen, mit denen sie die eigene Funktionsfähigkeit überprüfen und die erfassten Daten verifizieren können. Ein bekanntes Mittel ist eine redundante Auslegung der wesentlichen Elemente eines Sensors in Kombination mit einer Prüfeinrichtung, welche die vom Sensor erfassten Daten mit denen der redundanten Komponenten vergleicht und bei Abweichungen die Sicherheitsfunktion auslöst. Dieses Prinzip findet auch in der
Eine redundante Auslegung ist jedoch häufig teuer, insbesondere wenn, wie in der
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein Verfahren zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage anzugeben, die bei geringem Aufwand insbesondere auch Fehler gemeinsamer Ursache aufdecken kann.Against this background, it is an object of the present invention to provide a cost-effective device and a method for securing a danger zone of an automated system, which can also detect common cause errors with little effort.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung eingangs genannter Art gelöst, wobei die erste Beleuchtungseinrichtung und die Bildaufnahmeeinheit in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet sind, die erste Beleuchtungseinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, ein optisches Muster in den Raumbereich zu projizieren, und die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des optischen Musters und der definierten Aufnahmegeometrie einen zweiten Abstandswert für den zumindest einen Raumbereichspunkt zu bestimmen und mit dem ersten Abstandswert zu korrelieren, um in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal zu erzeugen.According to one aspect of the present invention, this object is achieved by a device of the type mentioned above, wherein the first illumination device and the image acquisition unit are arranged in a defined acquisition geometry, the first illumination device is further configured to project an optical pattern into the spatial region, and the Evaluation unit is designed to determine based on the optical pattern and the defined recording geometry, a second distance value for the at least one spatial area point and to correlate with the first distance value to generate an error signal as a function of the correlation.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die erste Beleuchtungseinrichtung und die Bildaufnahmeeinheit in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet sind, die erste Beleuchtungseinrichtung ein optisches Muster in den Raumbereich projiziert, und die Auswerteeinheit anhand des optischen Musters und der definierten Aufnahmegeometrie einen zweiten Abstandswert für den zumindest einen Raumbereichspunkt bestimmt und mit dem ersten Abstandswert korreliert und in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal erzeugt.The object of the invention is also achieved by a method of the type mentioned, in which the first illumination device and the image pickup unit are arranged in a defined recording geometry, the first illumination device projects an optical pattern in the spatial area, and the evaluation unit based on the optical pattern and the defined recording geometry determines a second distance value for the at least one spatial area point and correlated with the first distance value and generates an error signal as a function of the correlation.
Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.The above task is thus completely solved.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Offenbarung der Gefahrenbereich einer automatisiert arbeitenden Anlage als der Bereich an oder vor einer technischen Anlage zu verstehen ist, in dem für eine Person oder ein Gegenstand eine Gefahr von der Anlage im Betrieb ausgeht. Bei einer automatisiert arbeitenden Anlage kann es sich beispielsweise um eine Presse oder einen Industrieroboter handeln. Unter einer Sicherheitsfunktion ist dementsprechend zu verstehen, die automatisiert arbeitende Anlage so anzusteuern, dass keine Gefahr mehr von dieser für eine Person oder ein Gegenstand ausgehen kann, beispielsweise indem die Stromzufuhr der Anlage unterbrochen wird. Es versteht sich, dass in anderen Fällen die Sicherheitsfunktion auch darin bestehen kann, die Anlage – ohne sie abzuschalten – in einen sicheren Zustand zu überführen.It should be noted that for the purposes of the present disclosure, the danger zone of an automated system is to be understood as the area on or in front of a technical system in which a person or an object poses a danger from the system in operation. An automated system may be, for example, a press or an industrial robot. Accordingly, a safety function is understood to mean that the automated system operates in such a way that it can no longer pose a danger to a person or an object, for example by interrupting the power supply of the system. It is understood that in other cases, the safety function can also consist in the system - without switching off - to transfer to a safe state.
Eine Beleuchtungseinrichtung im Sinne der Offenbarung ist eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrahlen direkt oder indirekt in dem Raumbereich auszusenden. Die Bildaufnahmeeinheit wiederum ist dazu ausgebildet, das von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Licht, welches im Raumbereich reflektiert wird, zu erfassen. Der Begriff Bildaufnahmeeinheit ist in der vorliegenden Offenbarung allgemein zu verstehen. Unter einer Bildaufnahmeeinheit kann beispielsweise lediglich ein Bildsensor mit zugehöriger Optik zu verstehen sein, wie eine Digitalkamera mit einem optoelektronischen Bildsensor. Als Abstandswert wird im Sinne der vorliegenden Offenbarung die Entfernung von einem Punkt im Raumbereich, an dem das Licht der Beleuchtungseinrichtung reflektiert wird, bis zum Bildsensor bezeichnet. Es versteht sich, dass durch Kalibrierung auch ein anderer Bezugspunkt für die Abstandsmessung, beispielsweise die Vorderseite des Sensorgehäuses, verwendet werden kann.A lighting device in the sense of the disclosure is a light source which is designed to emit light beams directly or indirectly in the spatial area. The image recording unit in turn is designed to detect the light emitted by the illumination device which is reflected in the spatial region. The term imaging unit is to be understood generally in the present disclosure. By way of example, an imaging unit can be understood merely as an image sensor with associated optics, such as a digital camera with an optoelectronic image sensor. For the purposes of the present disclosure, the distance value is the distance from a point in the spatial region at which the light from the illumination device is reflected to the image sensor. It is understood that another reference point for the distance measurement, for example the front side of the sensor housing, can also be used by calibration.
Die Besonderheit der neuen Vorrichtung des neuen Verfahrens ist darin zu sehen, dass ein erster und ein zweiter Abstandswert für einen Raumbereichspunkt ermittelt werden, wobei für die Bestimmung unterschiedliche Messmethoden angewandt werden. Einerseits wird der erste Abstandswert mittels einer Laufzeitmessung bestimmt. Hierbei kann ein Pulslaufzeitverfahren oder ein Phasenlaufzeitverfahren angewandt werden. Andererseits wird ein zweiter Abstandswert mittels eines optischen Musters und trigonometrischer Berechnung ermittelt. Dies ist auch als Lichtschnittverfahren bekannt.The peculiarity of the new device of the new method is that a first and a second distance value are determined for a spatial area point, wherein different measurement methods are used for the determination. On the one hand, the first distance value is determined by means of a transit time measurement. Here, a pulse transit time method or a Phase delay method can be applied. On the other hand, a second distance value is determined by means of an optical pattern and trigonometric calculation. This is also known as a light-section method.
Das Pulslaufzeitverfahren und das Phasenlaufzeitverfahren beruhen beide auf dem Prinzip, dass bestimmt wird, wie lange ein ausgesandter Lichtstrahl benötigt, um von der Beleuchtungseinrichtung zum Objekt und wieder zurück zum Bildsensor zu gelangen.The pulse transit time method and the phase transit time method are both based on the principle that it is determined how long an emitted light beam needs to travel from the illumination device to the object and back to the image sensor.
Die Abstandsmessung basierend auf einem optischen Muster nutzt das Prinzip der Trigonometrie. Hierzu wird ein optisches Muster in den Raumbereich projiziert, dessen Abbildung durch die Bildaufnahmeeinheit sich ändert, wenn das optische Muster durch ein Objekt im Raumbereich ”verzehrt” wird. Ein optisches Muster kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Vorzugsweise ist ein optisches Muster im Sinne der vorliegenden Offenbarung jedoch ein Muster, das aus einzelnen Lichtflecken gebildet wird. Aus der Verzerrung des Musters und bei festgelegter Aufnahmegeometire können durch trigonometrische Berechnung Abstandswerte zu einer Oberfläche des im Raumbereich befindlichen Objekts bestimmt werden.The distance measurement based on an optical pattern uses the principle of trigonometry. For this purpose, an optical pattern is projected into the spatial area whose image is changed by the image recording unit when the optical pattern is "consumed" by an object in the spatial area. An optical pattern can be generated in various ways. Preferably, however, an optical pattern in the sense of the present disclosure is a pattern formed from individual spots of light. From the distortion of the pattern and with defined acquisition geometries, distance values to a surface of the object located in the spatial area can be determined by trigonometric calculation.
Unter Aufnahmegeometrie ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung die Anordnung der Beleuchtungseinrichtung, die das Muster erzeugt, und der Bildaufnahmeeinheit, die das Muster abbildet, zu verstehen. Für eine Abstandsmessung müssen mindestens die relative Lage der ersten Beleuchtungseinrichtung in Bezug auf die Bildaufnahmeeinheit und deren jeweilige Ausrichtung bekannt sein. Mit anderen Worten bezeichnet die Aufnahmegeometrie Ort und Lage der Beleuchtungseinrichtung und der Bildaufnahmeeinheit, die der Auswerteeinrichtung bekannt sein müssen, um einen Abstandswert berechnen zu können.For the purposes of the present disclosure, recording geometry means the arrangement of the illumination device that generates the pattern and the image acquisition unit that images the pattern. For a distance measurement, at least the relative position of the first illumination device with respect to the image acquisition unit and their respective orientation must be known. In other words, the recording geometry designates the location and position of the illumination device and of the image acquisition unit, which must be known to the evaluation device in order to be able to calculate a distance value.
Ein Vorteil der neuen Vorrichtung und des neuen Verfahrens ist darin zu sehen, dass eine erste Abstandsmessung durch eine zweite Abstandsmessung verifiziert werden kann, wobei die zweite Abstandsmessung mittels einer anderen Methode durchgeführt wird und auf einem anderen Prinzip beruht. Insbesondere können so systematische Fehler bei der Messung des Abstandswerts ausgeschlossen werden. Die neue Vorrichtung ist zudem günstiger, da zumindest teilweise auf eine redundante Auslegung der wesentlichen Komponenten des Sensors verzichtet werden kann. Gleichwohl kann die Vorrichtung aufgrund des redundanten Messverfahrens vorteilhaft im industriellen Umfeld als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung verwendet werden.An advantage of the new device and the new method is that a first distance measurement can be verified by a second distance measurement, wherein the second distance measurement is performed by a different method and based on a different principle. In particular, systematic errors in the measurement of the distance value can thus be excluded. The new device is also cheaper, since at least partially dispensed with a redundant design of the essential components of the sensor. Nevertheless, due to the redundant measuring method, the device can advantageously be used in the industrial environment as a non-contact protective device.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist die erste Beleuchtungseinrichtung zumindest eine erste Lichtquelle zum Erzeugen der Lichtsignale für die Laufzeitmessung auf, wobei die zumindest eine erste Lichtquelle ferner so eingerichtet ist, das optische Muster zu erzeugen.In a further preferred embodiment of the device, the first illumination device has at least one first light source for generating the light signals for the propagation time measurement, wherein the at least one first light source is further configured to generate the optical pattern.
Indem eine einzige Lichtquelle sowohl zum Erzeugen der Lichtsignale für die Laufzeitmessung als auch für die Erzeugung des optischen Musters genutzt wird, kann die neue Vorrichtung besonders einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Beide Messmethoden können somit mit einer einzigen Beleuchtungseinrichtung durchgeführt und kombiniert werden. Die Lichtquelle bestimmt dabei insbesondere die Struktur des optischen Musters. So kann beispielsweise durch die Anordnung der Lichtquellen eine Struktur vorgeben sein, die über eine Abbildungsoptik in den Raumbereich als optisches Muster projiziert wird.By using a single light source both for generating the light signals for transit time measurement and for generating the optical pattern, the new device can be constructed in a particularly simple and cost-effective manner. Both measurement methods can thus be performed and combined with a single illumination device. In particular, the light source determines the structure of the optical pattern. Thus, for example, by the arrangement of the light sources, a structure can be predefined, which is projected via an imaging optics into the spatial region as an optical pattern.
Vorzugsweise weist die erste Beleuchtungseinrichtung matrixförmig angeordnete Punktlichtquellen auf und ist so eingerichtet, dass sie den Raumbereich direkt mittels der Punktlichtquellen beleuchtet, um das optische Muster zu erzeugen.The first illumination device preferably has point light sources arranged in matrix form and is set up such that it illuminates the spatial region directly by means of the point light sources in order to generate the optical pattern.
Die matrixförmig angeordneten Punktlichtquellen erzeugen somit Lichtflecken im Raumbereich, die der matrixartigen Anordnung der Punktlichtquellen entsprechen. Die matrixartig angeordneten Lichtflecken wiederum entsprechen dem optischen Muster, welches für die zweite Messmethode herangezogen wird. Dabei erzeugen Punktlichtquellen punktförmige Lichtflecken, die besonders einfach für eine Triangulationsmessung verwendet werden können, da ihr Mittelpunkt auf einfache Weise mit üblichen Bildverarbeitungsverfahren bestimmt werden kann.The matrix-like point light sources thus generate light spots in the spatial region, which correspond to the matrix-like arrangement of the point light sources. The light spots in the form of a matrix correspond in turn to the optical pattern which is used for the second measuring method. In this case, point light sources produce punctiform light spots, which can be used particularly easily for a triangulation measurement, since their center can be determined in a simple manner using conventional image processing methods.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet, die Lichtsignale temporär zu homogenisieren.In a further preferred embodiment, the first illumination device is designed to temporarily homogenize the light signals.
Durch das zeitweise Homogenisieren der Lichtsignale, die von der ersten Beleuchtungseinrichtung ausgesendet werden, kann der Raumbereich gleichmäßig ausgeleuchtet werden, wodurch eine einheitliche Abstandsbestimmung für jeden Bildpunkt des Bildsensors vorgenommen werden kann. Somit kann die Auflösung der Bildaufnahmeeinheit während der gleichmäßigen Ausleuchtung auf die durch die Anzahl der Pixel bestimmte maximale Auflösung erhöht werden.By temporarily homogenizing the light signals that are emitted by the first illumination device, the spatial area can be uniformly illuminated, whereby a uniform distance determination for each pixel of the image sensor can be made. Thus, the resolution of the image pickup unit during the uniform illumination can be increased to the maximum resolution determined by the number of pixels.
Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einem transparenten Diffusor zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Raumbereichs auf, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, den Raumbereich wahlweise mit der ersten oder der zweiten Beleuchtungseinrichtung auszuleuchten.Particularly preferably, the device has a second illumination device with a transparent diffuser for uniform illumination of the spatial area, the device being set up to illuminate the spatial area optionally with the first or the second illumination device.
Die Vorrichtung weist in dieser Ausgestaltung somit zwei Betriebsarten auf, einen Normalbetrieb und einen Prüfbetrieb. Im Normalbetrieb wird der Raumbereich mit gleichmäßigem Licht ausgeleuchtet, so dass für alle Bildpunkte des Bildsensors ein Abstandswert ermittelt werden kann. Im Prüfbetrieb wird das optische Muster erzeugt, anhand dessen die Abstandsmessung für ausgewählte Punkte überprüfbar wird. Im Normalbetrieb kann somit ein Time-of-Flight-Abbild in voller Auflösung des Bildsensors erzeugt werden, das in bestimmten Intervallen durch den Prüfbetrieb verifiziert werden kann. The device thus has in this embodiment two modes of operation, a normal mode and a test mode. In normal operation, the room area is illuminated with uniform light, so that a distance value can be determined for all pixels of the image sensor. In test mode, the optical pattern is generated, based on which the distance measurement for selected points is verifiable. In normal operation, a time-of-flight image can thus be generated in full resolution of the image sensor, which can be verified at certain intervals by the test operation.
Es trägt weiter zur Vereinfachung bei, wenn ein Toleranzbereich definiert wird, in dem die erste Abstandsmessung und die zweite Abstandsmessung als gleich betrachtet werden, d. h. die Differenz des ersten Abstandswerts vom zweiten Abstandswert liegt unter einem definierten Schwellwert. Gelten der erste Abstandswert und der zweite Abstandswert als gleich, kann durch eine Ermittlung der beiden Werte ein gegenüber einer Einzelmessung präziserer Abstandswert bestimmt werden, der für die Beurteilung herangezogen werden kann.It further adds to simplification when defining a tolerance range in which the first distance measurement and the second distance measurement are considered equal, i. H. the difference of the first distance value from the second distance value is below a defined threshold value. If the first distance value and the second distance value are equal, a determination of the two values can determine a more precise distance value compared with a single measurement, which can be used for the assessment.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den ersten und zweiten Abstandswert zu mitteln, wenn die Differenz in dem definierten Toleranzbereich liegt, und die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des gemittelten Abstandswerts auszulösen. Durch das Mitteln der gemessenen Abstandswerte kann auf besonders einfache Weise eine präzisiere Abstandsmessung erreicht werden.In a further preferred refinement, the evaluation unit is designed to average the first and second distance values if the difference lies in the defined tolerance range, and the control unit is designed to trigger the safety function as a function of the averaged distance value. By averaging the measured distance values, a more precise distance measurement can be achieved in a particularly simple manner.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, für eine Vielzahl von Raumbereichspunkten den ersten und zweiten Abstandswert zu bestimmen. Wenn die Abstandswerte für alle Raumbereichspunkte bzw. für eine bestimmte Gruppe von Raumbereichspunkten insgesamt größer oder insgesamt kleiner als die zweiten Abstandswerte sind, liegt ein systematischer Fehler vor, der von der Steuereinheit korrigiert werden kann, indem die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des zweiten Abstandswerts ausgelöst wird. Vorteilhafterweise können somit systematisch bedingte Messfehler, wie sie beispielsweise durch Streulicht oder Temperatureffekte hervorgerufen werden, erkannt und beherrscht werden.In a further preferred refinement, the evaluation unit is set up to determine the first and second distance values for a plurality of spatial area points. If the distance values for all room area points or for a certain group of room area points as a whole are greater than or in total smaller than the second distance values, there is a systematic error that can be corrected by the control unit by triggering the safety function as a function of the second distance value. Advantageously, thus systematically caused measurement errors, such as those caused by stray light or temperature effects, can be detected and controlled.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Die neue Vorrichtung
In
Es besteht somit die Möglichkeit, unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Gefahrenbereiches unterschiedliche Funktionen zuzuordnen. Beispielsweise könnte die Sicherheitsfunktion erst als letztes Mittel ausgelöst werden, wenn eine Person in einen kritischen Bereich des Gefahrenbereichs
Darüber hinaus bietet die neue Vorrichtung die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Objekten im Gefahrenbereich zu unterscheiden, so dass beispielsweise die Sicherheitsfunktion nur bei Eintreten einer Person
Es versteht sich, dass das in
Der Sensorteil
In
Vorzugsweise ist die Vorrichtung
Über einen in der Regel mehrpoligen Anschlussstecker
Über die Verbindungseinheit
Die erste Beleuchtungseinrichtung
Die erste Beleuchtungseinrichtung
Die erste Beleuchtungseinrichtung
Die Bildaufnahmeeinheit
Darüber hinaus ist die erste Beleuchtungseinrichtung
Vorzugsweise ist das optische Muster
Es versteht sich, dass bei der inhomogenen Ausleuchtung des Raumbereiches durch das optische Muster
Für Sicherheitsanwendungen ist jedoch eine pixelgenaue Auflösung und Bestimmung der Abstandswerte nicht notwendig, da in der Regel von einer bestimmten Mindestobjektgröße der zu überwachenden Objekte ausgegangen wird. Es ist somit ausreichend, wenn das optische Muster
Zur Bestimmung eines zweiten Abstandswerts durch Triangulationsmessung ist neben dem optischen Muster
Die definierte Aufnahmegeometrie ist somit durch einen Satz an Parametern beschrieben, der durch den Aufbau des Sensorteils
Aus der definierten Aufnahmegeometrie und dem aufgenommenen Bild des optischen Musters
Als Reaktion auf das Fehlersignal sind verschiedene Aktionen möglich. In einem Ausführungsbeispiel kann unmittelbar durch das Fehlersignal die Sicherheitsfunktion ausgelöst werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine weitere Messung beispielsweise anhand weiterer Lichtflecken
Bei größeren Abweichungen der gemessenen Abstandswerte kann durch eine Kombination verschiedener Messungen mit den beiden Verfahren eine adäquate Lösung für eine Situation gefunden werden. Beispielsweise können die Abstandsmessungen mit anderen möglichen Punkten des optischen Musters wiederholt werden. Ferner können auch systematische Fehler (Streulicht, Temperatureffekte, etc.) aufgedeckt werden, beispielsweise wenn die Bestimmung der ersten Abstandswerte durch die Time-of-Flight-Messung stets zu Werten führen, die in allen oder zumindest in relevanten Teilbereichen größer sind als bei der entsprechenden Bestimmung mittels des optischen Musters
Das optische Muster
In
Es versteht sich, dass auch ein anderes Muster verwendet werden kann. Ein Punktmuster ist vorteilhaft, da es auf einfache Weise durch die erste Beleuchtungseinrichtung
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das optische Muster
In der
Für die Lichtflecken
Die Time-of-Flight-Messung kann nach einem Pulslaufzeitverfahren oder einem Phasenlaufzeitverfahren erfolgen.The time-of-flight measurement can take place according to a pulse transit time method or a phase transit time method.
Beim Pulslaufzeitverfahren wird die Amplitude der Lichtwelle pulsförmig mit einem großen Puls-/Pausenverhältnis moduliert, also bei niedriger Modulationsfrequenz. Hierbei wird die Zeit ermittelt, die zwischen dem Aussenden und der Rückkehr des Lichtsignals (
Beim Phasenlaufzeitverfahren wird die Amplitude der Lichtwelle mit einer Frequenz im Hochfrequenzbereich moduliert. Die Laufzeitbestimmung des Messsignals erfolgt aus dem Phasenvergleich der Modulation der ausgesendeten Lichtwelle und der Modulation der einlaufenden Lichtwelle. Auch hier ist es aufgrund der maximalen Phasenunterschiede von 360° möglich, dass ein weit entferntes Objekt eine Reflektion erzeugt, die einem näheren Raumpunkt zugeordnet wird. Mit anderen Worten gibt es bei allen Laufzeitmessungen Mehrdeutigkeiten, die eine sichere Abstandsbestimmung gefährden können.In the phase delay method, the amplitude of the light wave is modulated at a frequency in the high frequency range. The transit time determination of the measurement signal is carried out from the phase comparison of the modulation of the emitted light wave and the modulation of the incoming light wave. Again, due to the maximum phase differences of 360 °, it is possible for a far-away object to produce a reflection associated with a closer point in space. In other words, there are ambiguities in all transit time measurements that can jeopardize a reliable distance determination.
Erfindungsgemäß werden somit weitere Abstandsbestimmungen basierend auf einem anderen, von der Time-of-Flight-Messung grundsätzlich verschiedenen Prinzip durchgeführt. Die weitere Abstandsbestimmung kann für einen oder mehrere oder alle Lichtflecken
Für die weitere Abstandsbestimmung nach dem Prinzip der Triangulation müssen der Auswerteeinheit
Vier Lichtflecken
In Kombination mit der Time-of-Flight-Messung liegen somit ein erster und ein zweiter Abstandswert vor, auf deren Basis eine Beurteilung der aufgenommenen Szene erfolgen kann. Vorzugsweise werden zumindest für jeden Lichtfleck
Die Auswerteeinheit ermittelt und verifiziert aus den beiden Abstandswerten, ob ein nicht erwartetes Objekt als im Raumbereich erkannt wird oder nicht und löst die entsprechende Sicherheitsfunktion aus, wodurch die zu überwachende Anlage in einen gefahrlosen Zustand überführt wird.The evaluation unit determines and verifies from the two distance values whether or not an unexpected object is detected as being in the spatial area and triggers the corresponding safety function, whereby the system to be monitored is transferred to a safe state.
Der Sensorteil
Wie die erste Beleuchtungseinrichtung
Wie zuvor in Bezug auf
Die zweite Beleuchtungseinrichtung
Vorteilhafterweise kann die neue Vorrichtung zwischen einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtungseinrichtung
Durch die verschiedenen Beleuchtungsmöglichkeiten werden zwei Betriebsmodi der neuen Vorrichtung definiert. In einem Normalbetrieb wird der Raumbereich
Im Normalbetrieb wird der Raumbereich
Im Test-/Prüfmodus ist die erste Beleuchtungseinrichtung
Im Test-/Prüfmodus ist die Auflösung der Abbildung auf die Lichtflecken
Es versteht sich, dass in einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels auch nur eine Beleuchtungseinrichtung verwendet werden kann, wobei der Diffusor
Die weitere Bildaufnahmeeinheit
Durch die weitere Bildaufnahmeeinheit
Darüber hinaus sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. So sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die hier dargestellte Aufnahmegeometrie beschränkt. Ebenso ist das optische Muster
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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