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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flächensensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein autonom selbstfahrendes Fahrzeug nach Anspruch 12.
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Die Erfindung betrifft das Problem der flächenhaften optischen Detektion von Objekten auf Flächen jeglicher Art. Zum Beispiel auf Förderstrecken, Rutschblechen, Transportflächen, Transportwannen und auf autonom selbstfahrenden Transportfahrzeugen.
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In diesen Fällen liegen die zu detektierenden Objekte flächenhaft auf einer Unterlage, z. B. einem Blech auf und es sollen neben der Anwesenheit des Objekts ggf. auch weitere Objekt- oder Förderzustandsinformationen ermittelt werden. Dies kann z. B. die Objektgröße (Länge, Breite, Fläche, Objektform) oder der Bewegungszustand (Bewegung, Geschwindigkeit, Richtung, Beschleunigung) sein.
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Vorausgesetzt ist, dass die Objekte unabhängig von ihrer Bewegung relativ in den oben genannten Merkmalen erkannt werden können, unabhängig davon, ob diese bewegt oder unbewegt sind. Weiterhin ist vorausgesetzt, dass das zu detektierende Objekt stets direkt auf der Unterlage aufliegt, d. h. der Abstand zwischen Auflage und Objekt typischerweise kleiner als 20 mm ist.
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Stand der Technik sind kamerabasierende Systeme, bei denen von oben oder von der Seite Objekte erkannt werden können. Diese erfordern eine aufwändige Beleuchtung sowie eine aufwändige elektronische und algorithmische Auswertung, um ein Objektefeststellungssignal abzuleiten.
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Weiterhin Stand der Technik sind sogenannte Reihensensoren, die von unten, oben oder von der Seite Objekte erfassen und ihre Objekteigenschaften bei Bewegung des Objektes durch ein linienförmiges Erfassungsfeld detektieren. Reihensensoren erfassen lediglich einen eindimensionalen Schnitt auf das zu detektierende Objekt und können hieraus höhere Merkmale wie beispielsweise eine Objektgröße nur ableiten, wenn das Objekt sich einmal komplett durch den zugehörigen linienförmigen Erfassungsbereich hindurch bewegt hat.
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Die
DE 196 08 391 A1 offenbart einen Reflexsensor bestehend aus einem Trägerkörper, einer optoelektronischen Einheit aus Sendeeinheit und Empfangseinheit, die eine Vielzahl von auf der Oberseite des Trägerkörpers aufgebrachten optoelektronischen Halbleiterbauelementen aufweist und bei der die Sendeeinheit durch äquidistant in einer Matrix angeordnete Sendeelemente und die Empfangseinheit durch äquidistant in einer Matrix angeordnete Empfangselemente gebildet ist.
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Die US 2017 / 0 121 159 A1 offenbart ein System zum Erfassen des Vorhandenseins einer Last, die von einem Materialhandhabungsfahrzeug getragen wird. Das Materialhandhabungsfahrzeug umfasst einen Lastsensor, der konfiguriert ist, um das Vorhandensein der Last innerhalb eines definierten Bereichs des Lasttragelements zu bestimmen.
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Die
WO 92/00912 A1 offenbart ein Materialhandhabungsfahrzeug mit einem Lasteingriffsgerät zum steuerbaren Laden und Entladen einer Last. Das Lasteingriffsgerät hat einen stationären Abschnitt und einen beweglichen Abschnitt. Der bewegliche Abschnitt ist mit dem stationären Abschnitt verbunden und ist zwischen einer ausgefahrenen und einer zurückgezogenen Position bewegbar. Das Fahrzeug erzeugt ein Positionssignal, wenn das Fahrzeug benachbart zu einer Last positioniert ist.
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Die
DE 10 2016 103 028 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen eines Überwachungsbereichs eines beweglichen Teils bei einer Bewegung des Teils in Bewegungsrichtung, mit mehreren Sensoren, und mit einer Auswerteeinheit zum Auswerten der Sensoren, wobei die Sensoren quer zur Bewegungsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Sensoren ein flächiges Schutzfeld bilden, welches sich über die Breite des Teils erstreckt, wobei die Sensoren berührungslos wirkende abstandsmessende Sensoren sind, wobei die Sensoren einen Detektionsstrahl zum Erfassen von Objekten im Überwachungsbereich aufweisen, wobei die Detektionsstrahlen der Sensoren in einem spitzen Winkel α zur Bewegungsrichtung des Teils angeordnet sind.
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Die
EP 0 867 732 A2 offenbart eine optische Anordnung mit einer Vielzahl von Licht aussendenden Sende- bzw. Empfangselementen, einer Vielzahl von diffraktiven/refraktiven optischen Elementen und einer transparenten Frontabdeckung, insbesondere einer Frontscheibe, wobei die diffraktiven/refraktiven optischen Elemente auf einem einheitlichen, einstückig ausgebildeten Trägerelement angeordnet sind, wobei das Trägerelement durch die Frontabdeckung gebildet wird und die diffraktiven/refraktiven optischen Elemente unmittelbar in der Frontabdeckung ausgebildet sind und die Sende- bzw. Empfangselemente auf einer einheitlichen, einstückig ausgebildeten Leiterplatte angeordnet sind.
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Die
DE 10 2009 021 194 A1 offenbart einen Leuchtdiodenstreifen, wobei dieser einen flexiblen, reversibel aufrollbaren Träger umfasst, auf welchem mehrere flexible oder starre Leiterplattenstreifen voneinander beabstandet vorgesehen sind, wobei auf oder an jedem Leiterplattenstreifen eine oder mehrere Leuchtdioden angebracht sind, wobei eine oder mehrere elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Leiterplattenstreifen ausgebildet sind und mit einer Stromversorgung in Verbindung stehen.
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Die US 2008 / 0 074 652 A1 offenbart ein System zum Detektieren des Eintritts eines Objekts von einem ersten Bereich in einen zweiten Bereich. Das System umfasst eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, wobei der Lichtstrahl eine Grenze zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich definiert. Das System umfasst ferner einen Retroreflektor, der gegenüber der Lichtquelle positioniert ist.
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Es besteht daher die Aufgabe, einen kostengünstigen Sensor bereitzustellen zur robusten Detektion von Objekten auf festen Unterlagen, unabhängig von deren genauer Lage und Bewegung auf ebendieser Unterlage.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Flächensensor gemäß Anspruch 1.
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Die optoelektronischen Sensorelemente sind dabei regelmäßig, beispielsweise quadratisch, dreieckig oder hexagonal und/oder nicht-regelmäßig, z. B. in verschiedenen Dichten pro Flächenabschnitt angeordnet. Beispielsweise ist eine höhere Dichte pro Flächenabschnitt vorgesehen, in denen eine höhere laterale Auflösung gewünscht ist.
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Die Detektionsfläche des Flächensensors kann beispielsweise mindestens 50 mm x 20 mm betragen oder beispielsweise mindestens 400 mm x 300 mm betragen, was einem DIN A3 Format entspricht. Jedoch sind auch andere Abmessungen möglich. Beispielsweise ist dabei ein Array aus 6 × 8 = 48 Sensorelementen vorgesehen. Dadurch können noch Objekte mit einer Fläche eines Passfotos detektiert werden. Die Sensorelemente sind beispielsweise auf einer Leiterplatte, die starr oder flexibel sein kann, angeordnet. Die Sensorelemente sind beispielsweise in Reihen und in Spalten angeordnet.
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Die Ansteuerung der Spalten erfolgt beispielsweise über einen diskreten LED-Multiplexer. Dabei ist pro Lichtsender eines Sensorelements ein Strom von beispielsweise ca. 80 mA vorgesehen. Pro Sensorelement ist beispielsweise eine Auswertezeit von ca. 1 µs bis 200 µs vorgesehen.
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Gemäß der Erfindung wird ein flacher, robuster, reaktionsschneller und sehr kostengünstiger Flächensensor gebildet.
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Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein autonom selbstfahrendes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug an seiner Oberseite einen Flächensensor aufweist, wobei der Flächensensor horizontal angeordnet ist, wobei Objekte auf dem Sensorgehäuse ablegbar und detektierbar sind.
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Autonom selbstfahrende Fahrzeuge werden beispielsweise dazu benutzt, Kisten, Kartonverpackungen oder flache Objekte wie Umschläge zu transportieren. Durch den Flächensensor ist es nun möglich zu erkennen, ob eine Beladung vorliegt und falls ja, welche Abmessungen diese Objekte haben und an welcher Position auf dem Fahrzeug die Objekte abgelegt sind.
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Dadurch dass die genaue Lage und Abmessungen des Objekts erkannt werden können, ist es möglich, diese auch an in einem System nachgeordnete Einheiten, wie beispielsweise Handhabungsroboter weiterzuleiten, wodurch die Objekte beispielsweise sehr genau aufgenommen bzw. gegriffen werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Flächensensor ein Sensorgehäuse mit einer Frontscheibe auf, wobei das Sensorgehäuse eine maximale Höhe von 30 mm aufweist.
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Der Flächensensor weist beispielsweise mindestens drei Komponenten auf, nämlich eine Frontscheibe, eine Leiterplatte mit einer gerasterten Anordnung von Sensorelementen bzw. einer gerasterten Näherungssensor-Anordnung und eine Rückwanne. Die Frontscheibe besteht dabei vorzugsweise aus einer IR-transmissiven PMMA-Scheibe, welche als Tageslichtsperrfilter ausgebildet ist. Zu einer Rückseite hin ist der Sensor als flache Wanne ausgeführt. Die Dicke des Gehäuses beträgt beispielsweise nur wenige Millimeter, beispielsweise lediglich typisch 8 mm. Dadurch kann der Flächensensor problemlos auf einer vorhandenen Ablagefläche angebracht werden.
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Die Frontscheibe ist beispielsweise eine Scheibe aus PMMA mit einem kratzfesten Hartlack bzw. einer sog. Panzerglas-Folie (gehärtete dünne Glasfolie), wodurch diese gegen mechanisches Verkratzen geschützt ist. Die Rückwanne ist für eine hohe Robustheit vorzugsweise als tiefgezogene Metallwanne, beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium ausgeführt.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelemente als Lichttaster ausgebildet. Lichttaster oder optoelektronische Näherungssensoren haben den Vorteil, dass Objekte in einer bestimmten Tasttiefe bzw. innerhalb eines bestimmten Bereiches einfach detektiert werden können. Jeder dieser Lichttaster bzw. Näherungssensoren besteht aus einer IR-Photodiode, einem IR-Phototransistor bzw. einer IR-Photodiode und beispielsweise einem Tageslichtsperrfilter, der Umgebungslicht weitgehend abschirmt. Um besonders sicher gegenüber dem nahen I R-Anteil von Glühlicht zu sein, liegt die Arbeitswellenlänge dieser Sensoren typischerweise optional bei ca. 940 nm.
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Für eine höhere Störlicht-Robustheit, z. B. Unterdrückung von Umgebungslichtquellen können zur Ansteuerung der IR-LEDs und zur Auswertung der IR-Phototransistoren geeignete Filterverfahren verwendet werden. Beispielsweise kann eine Modulation der Sender mit n Pulsen und eine Detektion der Empfangssignale unter Faltung mit einer oder mehreren definierten Faltungsfilter-Funktionen zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann dies mit einem speziell ausgebildeten Schaltkreis erfolgen, der auf die parallele Filterung von n Empfangskanälen speziell ausgelegt ist. Beispielsweise sind 6 parallele Empfangskanäle vorgesehen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelemente als Lichtlaufzeitsensoren ausgebildet.
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Die Sensorelemente sind beispielsweise als Time-of-flight Sensoren ausgeführt. Hierdurch wird eine Sichtweite des Raster-Flächensensors erheblich erhöht, z. B. von maximal 20 mm bei einer Lichttasteranordnung mit einer Photodiode und einem Phototransistor auf 500 mm für Lichtlaufzeitsensoren mit einer VCSEL und einem TOF-Sensor. D. h. der Raster-Flächensensor kann auch in den Raum hinein sehen und so z. B. ein bestimmtes Volumen bzgl. Objektanwesenheit überwachen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vor der Frontscheibe ein Edelstahl-Gitterblech angeordnet. Dadurch ist die Frontscheibe gegen mechanisches Verkratzen geschützt. Die Sensorelemente sind dabei so angeordnet, dass die Lichtstrahlen durch Öffnungen des Gitterblechs hindurchtreten können. Durch das Gitterblech kann auch bei entsprechender Verbindung mit einem definierten Potential, beispielsweise einem Erdungspotential eine elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor als flexible Folie ausgebildet.
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Der Flächensensor ist beispielsweise als umspritzte oder umgossene Flex-Folie ausgeführt. Dabei ist der gerasterte Flächensensor auf einer flexiblen Leiterplatte aufgebracht, die zumindest von vorne, also auf der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite mit einem IR-transparenten Material umspritzt oder vergossen ist, beispielsweise mit einer IR-transparenten schwarzen Silikonmasse, welche die Sensorelemente gegen Umwelteinflüsse schützt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist rückseitig eine Klebeschicht aufgebracht, die ein flexibles Anbringen auf beispielsweise eindimensional gekrümmten Oberflächen ermöglicht.
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Um die gesamte Dicke der flexiblen Leiterplatte und den Bauteilen auf typischerweise ca. 1 mm Höhe zu reduzieren, lassen sich die einzelnen Sensorelemente auch als Chip-on-Board (COB) Bauteile auf die flexible Leiterplatte aufbringen. Ein dann ggf. zu berücksichtigendes Sender-Empfänger Übersprechen zwischen benachbarten Chips wird dann durch geeignetes Aufbringen von IR-blockierender Kunststoffmasse, beispielsweise durch einen sogenannten Dickschichtprozess unterdrückt.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Sensorelemente auf einer Leiterplatte angeordnet, wobei die Leiterplatte in Reihen und Spalten angeordnete Trennstellen aufweist, wobei die Leiterplatte an den Trennstellen trennbar ist, so dass modular anordenbare Sensorsegmente erzeugbar sind. Dadurch ist eine wahlfreie Segmentierbarkeit und Trennbarkeit mit einer angepassten Ansteuerung und Auswertung möglich.
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Beispielsweise weist die starre Leiterplatte Sollbruchstellen auf.
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Beispielsweise ist die flexible Leiterplatte durch geeignet angepasste Trennlinien für Schnitte und Aussparungen so in ihrer Kontur ausgeführt, dass eine weitestgehend faltenfreie Aufbringung auf eine z. B. zylindrische oder z. B. kugelförmige gekrümmte möglich ist. Beispielsweise lässt sich hierdurch ein Roboterarm flächig belegen und absichern.
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Damit kann durch den Hersteller oder den Anwender durch geeignetes automatisches Verfahren, z. B. ein Lasertrennverfahren oder durch ein manuelles Verfahren, z. B. ein Trennen mit einem Schneidmesser der Raster-Flächensensor auf eine beliebige Geometrie hin angepasst werden. Der Flächensensor kann insbesondere Aussparungen enthalten und muss keine konvexe Fläche aufweisen.
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Gemäß der Erfindung sind die Sensorelemente über mindestens eine Kommunikationsschnittstelle mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden, wobei die Sensorelemente durch die Steuer- und Auswerteeinheit adressierbar sind.
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In der nachgeschalteten Steuer- und Auswerteeinheit wird eine zweidimensionale Repräsentation der Sensorelemente, bzw. eines Sensor-Matrix-Zustands erzeugt. Z. B. liefert jedes Sensorelement einen analogen Pegel des in jedem einzelnen Näherungssensor empfangenen I R-Signals. Dieser Pegel kann z. B. mit einer festen oder variablen Schwelle verglichen werden und so lokal an jedem Detektionsort, welcher auch als Knoten bezeichnet wird, ein binäres Objekt-Anwesenheits-Signal generieren.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein Sensorsegment mit einem Sensorelement an mindestens einer Seite mit einem benachbarten Sensorsegment elektronisch verbunden. Die geometrische Anforderung liegt lediglich darin, dass alle Sensorelemente über jeweils mindestens eine einzige Kante, also nicht nur über eine Ecke zusammenhängen.
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Hierzu ist zu jedem Sensorelement ein einfacher Mikrocontroller als Steuer- und Vorauswerteeinheit vorgesehen, wodurch ein Knoten gebildet wird mit folgenden Eigenschaften:
- Jeder Mikrocontroller besitzt eine Kommunikationsschnittstelle z. B. eine serielle Schnittstelle mit einem Empfangskanal und einem Sendekanal. Diese Kanäle sind galvanisch miteinander verbunden und zwar jeweils an den Knotenkanten.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Kommunikationsschnittstelle mindestens zwei Kommunikationsleitungen und zwei Spannungsversorgungsleitungen auf.
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Diese Leitungen sind auch jeweils galvanisch an den Kanten der Knoten miteinander verbunden. Jeder Mikrocontroller besitzt optional weiterhin eine Spalten-Select-Leitung und eine Reihen-Select-Leitung so dass z. B. in einer rechteckigen Knoten-Anordnung alle Knoten über die Spalten-Select-Leitung und die Reihen-Select-Leitung eindeutig selektierbar sind.
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Jedem Mikrocontroller wird in einem Einlernschritt werkseitig eine eindeutige Adresse zugewiesen. Im einfachsten Fall ist dies seine Zeile und Spalte innerhalb einer beispielsweisen rechteckigen Anordnung. Dazu wird der Mikrocontroller über die Reihen-Select-Leitung und die Spalten-Select-Leitung eindeutig selektiert und über die Kommunikationsleitungen die Adresse in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt.
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Im Auslieferungszustand kann nun die Matrix des Flächensensors beliebig beschnitten werden, allerdings mit der Randbedingung, dass jeder Knoten noch mindestens mit einer Kante an einem Nachbarknoten angebunden ist, denn über die Kanten verlaufen die Kommunikationsleitungen und die Spannungsversorgungsleitungen.
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Ein beliebiger Knoten ist dann mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbunden.
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Es wird dann in einer Einlernphase die Topologie des Flächensensors in der Steuer- und Auswerteeinheit eingelernt, so dass alle verfügbaren Knoten bekannt sind. Hierzu sendet die Steuer- und Auswerteeinheit über die Kommunikationsleitung eine Anforderung über alle Reihen und Spalten. Ist nun ein bestimmter Knoten vorhanden, dann antwortet dieser über die Kommunikationsleitung mit einer Bestätigung. Auf diese Weise generiert die Steuer- und Auswerteeinheit intern eine Repräsentation aller vorhandenen Knoten.
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In einer an die Einlernphase anschließenden ersten Phase sendet die Steuer- und Auswerteeinheit ein Triggersignal ,Send_all' über die Kommunikationsleitung an alle Knoten und löst somit an jedem Knoten lokal die Emission eines Sendepulses und die Messung, Verarbeitung und Speicherung des Empfangssignals lokal im Knoten aus. Alternativ hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit auch ein Trigger-Signal ,Send_slotted' senden und die Emission und Messung des Sendepulses in einem Time-Slot Verfahren triggern, bei dem jedem Knoten, entsprechend seiner Adresse, ein diskreter Time-Slot zugewiesen ist, und er genau in diesem Time-Slot seinen Sendepuls absetzt. Eine weitere Alternative hierzu ist die Absetzung eines Sendepulses ,Send_xy' auf einer Kommunikationsleitung durch die Steuer- und Auswerteeinheit, um einen bestimmten Knoten zu adressieren und an diesem dediziert einen Sende-Mess-Zyklus zu triggern.
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Dies ermöglicht die Reduktion des gepulsten Gesamt-Sendestroms der Knoten.
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In einer zweiten Phase sendet die Steuer- und Auswerteeinheit ein Signal Collect-Data_slotted' auf der Kommunikationsleitung. Im Anschluss daran sendet jeder Knoten wiederum in einem Time-Slot Verfahren, wiederum entsprechend seiner festen Adresse über die Kommunikationsleitung seine Daten an die Steuer- und Auswerteeinheit, welche die Daten zu einer 2D-Repräsentation der Detektion des Flächensensors zusammensetzt. Hierbei kann die Steuer- und Auswerteeinheit über die Kommunikationsleitung ein festes Taktraster senden, auf das sich jeder Knoten aufsynchronisiert. Dies stellt damit nur geringe Anforderungen an eine Präzision eines Clock-Signals in jedem Knoten. Alternativ hierzu sendet die Steuer- und Auswerteeinheit ein Signal ,CollectData_xy', um die Übermittlung der Daten eines bestimmten Knotens an die Steuer- und Auswerteeinheit auszulösen.
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Die in der Steuer- und Auswerteeinheit generierte 2D-Repräsentation kann dann wiederum nach den oben beschriebenen Merkmalen ausgewertet und zu einem Objektfeststellungssignal oder höherwertigen Signalen verarbeitet werden.
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In Weiterbildung ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, Objekt- und/oder Positionssignale an mindestens einem Signalausgang auszugeben.
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Es können beispielsweise folgende Objekt- und Positionssignale abgeleitet werden. Ein binäres Signal, wonach ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Dabei wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben, wenn mindestens ein Sensorelement ein Objekt detektiert. Ein Objektflächensignal, wonach die Fläche des Objektes ausgegeben wird. Eine Objektbreite und/oder ein Objekthöhesignal, welches ein Signal beinhaltet, wonach ein Objekt vorhanden ist. Weiter kann ein Objekt-Drehwinkel und/oder ein Objekt-Verschiebungssignal ausgegeben werden. Unter Berücksichtigung der zeitlichen Veränderung kann eine Objektbewegung und/oder eine Objektrichtung und/oder eine Objektbeschleunigung und/oder eine Objektdrehung ausgegeben werden.
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Im einfachsten Fall wird aus mindestens einem der oben genannten Signale durch einen Vergleich mit einer Schwelle ein binäres Signal generiert und an einem Schaltausgang ausgegeben. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass komplexere Signale generiert werden und z. B. über einen Sensorbus, beispielsweise IO-Link, an eine übergeordnete Verarbeitungseinheit geführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Flächensensor eine Anzeigeeinheit auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind an einem oder mehreren Rändern des Flächensensors eine Mehrzahl z. B. eine Vielzahl von Leuchtdioden zur Anzeige eines Betriebszustandes bzw. zur Anzeige eines Detektionszustandes angebracht. Z. B. kann die Zahl der Leuchtdioden gleich der Zahl der Spalten bzw. Reihen entsprechen. Z. B. zeigt dann eine Anzeige LED-Spalte genau den 2D-Sensorzustand als Projektion auf die Spalte (bzw. Zeile) an. Auf diese Weise kann der Belegzustand des Flächensensors für den Anwender gut verständlich visualisiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
- 1 einen Flächensensor in einer Draufsicht;
- 2 einen Flächensensor in einer Seitenansicht;
- 3 einen weiteren Flächensensor in einer Seitenansicht;
- 4 ein autonom selbstfahrendes Fahrzeug mit einem Flächensensor;
- 5 und 6 jeweils einen flexiblen Flächensensor;
- 7 und 8 jeweils einen Flächensensor mit angepasstem Detektionsbereich
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Flächensensor 1 zur Erfassung von Objekten, wobei eine Vielzahl von optoelektronischen Sensorelementen 2 in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind, wobei die Sensorelemente 2 beabstandet mit Zwischenräumen 25 zueinander angeordnet sind, wobei die Detektionsfläche 4 des Flächensensors 1 mindestens 200 mm x 300 mm beträgt, wobei die Sensorelemente in einem minimalen Abstand A von mindestens 20 mm angeordnet sind.
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Die optoelektronischen Sensorelemente 2 sind dabei regelmäßig, beispielsweise quadratisch angeordnet.
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Die Detektionsfläche des Flächensensors 1 kann beispielsweise 400 mm x 300 mm betragen, was einem DIN A3 Format entspricht. Die Sensorelemente 2 sind beispielsweise in Reihen R und in Spalten C angeordnet.
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Gemäß 2, welche eine Seitendarstellung ist, sind die Sensorelemente 2 beispielsweise auf einer Leiterplatte 16 angeordnet.
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Gemäß 2 weist der Flächensensor 1 ein Sensorgehäuse 6 mit einer Frontscheibe 7 auf, wobei das Sensorgehäuse 6 eine maximale Höhe von 30 mm aufweist.
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Der Flächensensor 1 weist beispielsweise mindestens drei Komponenten auf, nämlich eine Frontscheibe 7, eine Leiterplatte 16 mit einer gerasterten Anordnung von Sensorelementen 2 bzw. einer gerasterten Näherungssensor-Anordnung und eine Rückwanne. Die Frontscheibe 7 besteht dabei vorzugsweise aus einer IR-transmissiven PMMA-Scheibe. Zu einer Rückseite hin ist der Flächensensor 1 als flache Wanne ausgeführt.
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Die Frontscheibe 7 ist beispielsweise eine Scheibe aus PMMA mit einem kratzfesten Hartlack, einer sog. Panzerglas-Folie gegen mechanisches Verkratzen geschützt. Die Rückwanne ist für eine hohe Robustheit vorzugsweise als tiefgezogene Metallwanne, beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium ausgeführt.
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Gemäß 1 sind die Sensorelemente 2 als Lichttaster 8 ausgebildet. Lichttaster 8 oder optoelektronische Näherungssensoren haben den Vorteil, dass Objekte in einer bestimmten Tasttiefe bzw. innerhalb eines bestimmten Bereiches einfach detektiert werden können. Jeder dieser Lichttaster 8 bzw. Näherungssensoren besteht aus einer IR-Photodiode, einem IR-Phototransistor und beispielsweise einem Tageslichtsperrfilter, der Umgebungslicht weitgehend abschirmt. Um besonders sicher gegenüber dem nahen IR-Anteil von Glühlicht zu sein, liegt die Arbeitswellenlänge dieser Sensorelemente 2 typischerweise optional bei ca. 940 nm.
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Die Baugröße der Sensorelemente 2 beträgt beispielsweise 2,7 x 3,4 x 1,5 mm und die Sensorelemente 2 enthalten den Lichtsender und den Lichtempfänger. Die Tastweite beträgt dabei beispielsweise 5 mm bis 10 mm.
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Gemäß 2 ist die Steuer- und Auswerteeinheit 13 ausgebildet, Objekt- und/oder Positionssignale an mindestens einem Signalausgang 22 auszugeben.
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Es können beispielsweise folgende Objekt- und Positionssignale abgeleitet werden. Ein binäres Signal, wonach ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Dabei wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben, wenn mindestens ein Sensorelement ein Objekt detektiert. Ein Objektflächensignal, wonach die Fläche des Objektes ausgegeben wird. Eine Objektbreite und/oder ein Objekthöhesignal, welches ein Signal beinhaltet, wonach ein Objekt vorhanden ist. Weiter kann ein Objekt-Drehwinkel und/oder ein Objekt-Verschiebungssignal ausgegeben werden. Unter Berücksichtigung der zeitlichen Veränderung kann eine Objektbewegung und/oder eine Objektrichtung und/oder eine Objektbeschleunigung und/oder eine Objektdrehung ausgegeben werden.
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Im einfachsten Fall wird aus mindestens einem der oben genannten Signale durch einen Vergleich mit einer Schwelle ein binäres Signal generiert und an dem Signalausgang bzw. Schaltausgang ausgegeben. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass komplexere Signale generiert werden und z. B. über einen Sensorbus, beispielsweise IO-Link, an eine übergeordnete Verarbeitungseinheit geführt werden.
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Gemäß 3 sind die Sensorelemente 2 beispielsweise als Lichtlaufzeitsensoren 9 bzw. als Time-of-flight Sensoren ausgeführt. Hierdurch wird eine Sichtweite des Raster-Flächensensors 1 erheblich erhöht, z. B. von maximal 20 mm bei einer Lichttasteranordnung mit einer Photodiode und einem Phototransistor auf 500 mm für Lichtlaufzeitsensoren 9 mit einer VCSEL und einem TOF-Sensor.
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Gemäß 3 ist vor der Frontscheibe 7 ein Edelstahl-Gitterblech 10 angeordnet. Dadurch ist die Frontscheibe 7 gegen mechanisches Verkratzen geschützt. Die Sensorelemente 2 sind dabei so angeordnet, dass die Lichtstrahlen durch Öffnungen des Gitterblechs 10 hindurchtreten können.
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Gemäß 3 weist der Flächensensor eine Anzeigeeinheit 23 auf.
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Gemäß 3 sind an einem oder mehreren Rändern des Flächensensors eine Mehrzahl z. B. eine Vielzahl von Leuchtdioden zur Anzeige eines Betriebszustandes bzw. zur Anzeige eines Detektionszustandes angebracht. Z. B. kann die Zahl der Leuchtdioden gleich der Zahl der Spalten bzw. Reihen entsprechen. Z. B. zeigt dann eine Anzeige LED-Spalte genau den 2D-Sensorzustand als Projektion auf die Spalte (bzw. Zeile) an.
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4 zeigt ein autonom selbstfahrendes Fahrzeug 24, wobei das Fahrzeug 24 an seiner Oberseite, einen Flächensensor 1 aufweist, wobei der Flächensensor 1 horizontal angeordnet ist, wobei Objekte 26 auf dem Sensorgehäuse 6 ablegbar und detektierbar sind.
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Autonom selbstfahrende Fahrzeuge 24 werden beispielsweise dazu benutzt, Kisten, Kartonverpackungen oder flache Objekte 26 wie Umschläge zu transportieren. Durch den Flächensensor 1 ist es nun möglich zu erkennen, ob eine Beladung vorliegt und falls ja, welche Abmessungen diese Objekte 26 der Beladung haben und an welcher Position auf dem Fahrzeug 24 die Objekte 26 abgelegt sind.
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Gemäß 5 ist der Flächensensor 1 als flexible Leiterfolie 11 ausgebildet.
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Der Flächensensor 1 ist beispielsweise als umspritzte oder umgossene flexible Leiterfolie 11 ausgeführt. Dabei ist der gerasterte Flächensensor 1 auf einer flexiblen Leiterfolie 11 aufgebracht, die zumindest von vorne, also auf der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite mit einem IR-transparenten Material umspritzt oder vergossen ist, beispielsweise mit einer IR-transparenten schwarzen Silikonmasse, welche die Sensorelemente 2 gegen Umwelteinflüsse schützt.
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Beispielsweise ist rückseitig eine Klebeschicht aufgebracht, die ein flexibles Anbringen auf beispielsweise eindimensional gekrümmten Oberflächen ermöglicht.
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Um die gesamte Dicke der flexiblen Leiterfolie 11 und den Bauteilen auf typischerweise ca. 1 mm Höhe zu reduzieren, lassen sich die einzelnen Sensorelemente 2 auch als Chip-on-Board (COB) Bauteile auf die flexible Leiterfolie 11 auflöten. Ein dann ggf. zu berücksichtigendes Sender-Empfänger Übersprechen zwischen benachbarten Chips wird dann durch geeignetes Aufbringen von IR-blockierender Kunststoffmasse, beispielsweise durch einen sogenannten Dickschichtprozess unterdrückt.
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Gemäß 5 sind die Sensorelemente 2 auf einer flexiblen Leiterfolie 11 angeordnet, wobei die Leiterfolie 11 in Reihen R und Spalten C angeordnete Trennstellen 19 aufweist, wobei die Leiterplatte 16 an den Trennstellen 19 trennbar ist, so dass modular anordenbare Sensorsegmente 20 erzeugbar sind. Dadurch ist eine wahlfreie Segmentierbarkeit und Trennbarkeit mit einer angepassten Ansteuerung und Auswertung möglich.
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Gemäß 5 ist die flexible Leiterfolie 11 durch geeignet angepasste Trennlinien für Schnitte und Aussparungen so in ihrer Kontur ausgeführt, dass eine weitestgehend faltenfreie Aufbringung auf eine z. B. zylindrische oder z. B. kugelförmige gekrümmte Leiterfolie möglich ist.
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Damit kann durch den Hersteller oder den Anwender durch geeignetes automatisches Verfahren, z. B. ein Lasertrennverfahren oder durch ein manuelles Verfahren, z. B. ein Trennen mit einem Schneidmesser gemäß 6 der Raster-Flächensensor 1 auf eine beliebige Geometrie hin angepasst werden. Der Flächensensor 1 kann insbesondere Aussparungen enthalten und muss keine konvexe Fläche aufweisen.
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Gemäß 5 sind die Sensorelemente 2 über mindestens eine Kommunikationsschnittstelle 12 mit einer nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit verbunden, wobei die Sensorelemente 2 durch die Steuer- und Auswerteeinheit adressierbar sind.
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In der nachgeschalteten Steuer- und Auswerteeinheit wird eine zweidimensionale Repräsentation der Sensorelemente 2, bzw. eines Sensor-Matrix-Zustands erzeugt. Z. B. liefert jedes Sensorelement 2 einen analogen Pegel des in jedem einzelnen Näherungssensor empfangenen IR-Signals. Dieser Pegel kann z. B. mit einer festen oder variablen Schwelle verglichen werden und so lokal an jedem Detektionsort, welcher auch als Knoten bezeichnet wird, ein binäres Objekt-Anwesenheits-Signal generieren.
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Gemäß 7 ist ein Sensorsegment 20 mit einem Sensorelement 2 an mindestens einer Seite mit einem benachbarten Sensorsegment 20 elektronisch verbunden. Die geometrische Anforderung liegt lediglich darin, dass alle Sensorelemente 2 über jeweils mindestens eine einzige Kante, also nicht nur über eine Ecke, zusammenhängen.
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Hierzu ist beispielsweise zu jedem Sensorelement 2 ein einfacher Mikrocontroller als Steuer- und Vorauswerteeinheit vorgesehen, wodurch ein Knoten gebildet wird mit folgenden Eigenschaften:
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Jeder Mikrocontroller besitzt eine Kommunikationsschnittstelle 12 z. B. eine serielle Schnittstelle mit einem Empfangskanal und einem Sendekanal. Diese Kanäle sind galvanisch miteinander verbunden und zwar jeweils an den Knotenkanten.
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Die Kommunikationsschnittstelle 12 weist mindestens zwei Kommunikationsleitungen 14 und zwei Spannungsversorgungsleitungen auf.
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Diese Leitungen sind auch jeweils galvanisch an den Kanten der Knoten miteinander verbunden. Jeder Mikrocontroller besitzt optional weiterhin eine Spalten-Select-Leitung und eine Reihen-Select-Leitung, so dass z. B. in einer rechteckigen Knoten-Anordnung alle Knoten über die Spalten-Select-Leitung und die Reihen-Select-Leitung eindeutig selektierbar sind.
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Jedem Mikrocontroller wird in einem Einlernschritt werkseitig eine eindeutige Adresse zugewiesen. Im einfachsten Fall ist dies seine Reihe und Spalte innerhalb einer beispielsweisen rechteckigen Anordnung. Dazu wird der Mikrocontroller über die Reihen-Select-Leitung und die Spalten-Select-Leitung eindeutig selektiert und über die Kommunikationsleitungen die Adresse in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt.
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Gemäß 7 kann nun im Auslieferungszustand die Matrix des Flächensensors 1 beliebig beschnitten werden, allerdings mit der Randbedingung, dass jeder Knoten bzw. jedes Sensorsegment 20 noch mindestens mit einer Kante an einem Nachbarknoten angebunden ist, denn über die Kanten verlaufen die Kommunikationsleitungen und die Spannungsversorgungsleitungen.
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Ein beliebiger Knoten ist dann mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbunden.
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Gemäß 7 wird dann in einer Einlernphase die Topologie des Flächensensors 1 in der Steuer- und Auswerteeinheit eingelernt, so dass alle verfügbaren Knoten bekannt sind. Hierzu sendet die Steuer- und Auswerteeinheit über die Kommunikationsleitung eine Anforderung über alle Reihen R und Spalten C. Ist nun ein bestimmter Knoten vorhanden, dann antwortet dieser über die Kommunikationsleitung mit einer Bestätigung. Auf diese Weise generiert die Steuer- und Auswerteeinheit intern eine Repräsentation aller vorhandenen Knoten.
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In einer an die Einlernphase anschließenden ersten Phase sendet die Steuer- und Auswerteeinheit gemäß 7 ein Triggersignal ,Send_all' über die Kommunikationsleitung an alle Knoten und löst somit an jedem Knoten lokal die Emission eines Sendepulses und die Messung, Verarbeitung und Speicherung des Empfangssignals lokal im Knoten aus.
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In einer zweiten Phase gemäß 8 sendet die Steuer- und Auswerteeinheit ein Signal ,CollectData_slotted' auf der Kommunikationsleitung. Im Anschluss daran sendet jeder Knoten wiederum in einem Time-Slot Verfahren, wiederum entsprechend seiner festen Adresse über die Kommunikationsleitung seine Daten an die Steuer- und Auswerteeinheit, welche die Daten zu einer 2D-Repräsentation der Detektion des Flächensensors zusammensetzt. Hierbei kann die Steuer- und Auswerteeinheit über die Kommunikationsleitung ein festes Taktraster senden, auf das sich jeder Knoten aufsynchronisiert. Dies stellt damit nur geringe Anforderungen an eine Präzision eines Clock-Signals in jedem Knoten. Alternativ hierzu sendet die Steuer- und Auswerteeinheit ein Signal ,CollectData_xy', um die Übermittlung der Daten eines bestimmten Knotens an die Steuer- und Auswerteeinheit auszulösen.
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Die in der Steuer- und Auswerteeinheit generierte 2D-Repräsentation kann dann wiederum nach den oben beschriebenen Merkmalen ausgewertet und zu einem Objektfeststellungssignal oder höherwertigen Signalen verarbeitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flächensensor
- 2
- Sensorelemente
- 4
- Detektionsfläche
- 6
- Sensorgehäuse
- 7
- Frontscheibe
- 8
- Lichttaster
- 9
- Lichtlaufzeitsensoren
- 10
- Gitterblech
- 11
- flexible Leiterfolie
- 12
- Kommunikationsschnittstelle
- 13
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 14
- Kommunikationsleitungen
- 16
- Leiterplatte
- R
- Reihen
- C
- Spalten
- 19
- Trennstellen
- 20
- Sensorsegmente
- 22
- Signalausgang
- 23
- Anzeigeeinheit
- 24
- autonom selbstfahrendes Fahrzeug
- A
- minimaler Abstand
- 25
- Zwischenräume
- 26
- Objekte
