DE102019110803B3

DE102019110803B3 - Safety laser scanner for the detection of objects in a surveillance area

Info

Publication number: DE102019110803B3
Application number: DE102019110803.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mißbach; Jonas RIST; Christian Matt
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitslaserscanner zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (18) mit einem Lichtsender (12), einer Ablenkeinheit (16) zur periodischen Ablenkung des Sendelichtstrahls (14) in den Überwachungsbereich (18), einem Lichtempfänger (24), einer Winkelmesseinheit (28) zur Bestimmung der Winkelposition der Ablenkeinheit (16) relativ zu dem Sensor (10) sowie einer Auswertungseinheit (30), die dafür ausgebildet ist, anhand einer Lichtlaufzeit des Empfangssignals und der Winkelposition Messwerte zu erzeugen, die angeben, ob und wo im Überwachungsbereich ein Objekt erfasst ist und die einen sicheren Ausgang (38) aufweist und die ausgebildet ist, unzulässige Objekteingriffe in Schutzbereiche innerhalb des Überwachungsbereichs (18) zu erkennen und daraufhin ein Absicherungssignal über den sicheren Ausgang (38) auszugeben. Zur Erhöhung der Sicherheit ist vorgesehen, dass eine Neigungserkennungseinheit (32) im Sicherheitslaserscanner (30) vorgesehen ist, deren Neigungssignale der Auswertungseinheit (30) zugeführt sind und die Auswertungseinheit (30) ausgebildet ist, aus den Neigungssignalen eine Verkippung des Sicherheitslaserscanners (10) zu ermitteln und in Abhängigkeit davon ein Verkippsignal ausgebbar ist.The invention relates to a safety laser scanner for detecting objects in a monitoring area (18) with a light transmitter (12), a deflection unit (16) for periodically deflecting the transmitted light beam (14) into the monitoring area (18), a light receiver (24) and an angle measuring unit (28) for determining the angular position of the deflection unit (16) relative to the sensor (10) and an evaluation unit (30), which is designed to generate measured values based on a light propagation time of the received signal and the angular position, which indicate whether and where in the Monitoring area an object is detected and which has a safe output (38) and which is designed to detect impermissible object interventions in protected areas within the monitoring area (18) and then to output a security signal via the safe output (38). To increase security, it is provided that an inclination detection unit (32) is provided in the safety laser scanner (30), the inclination signals of which are fed to the evaluation unit (30) and the evaluation unit (30) is designed to tilt the safety laser scanner (10) out of the inclination signals determine and depending on a tilt signal can be issued.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitslaserscanner nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a safety laser scanner according to the preamble of claim 1.

In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Laserscanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Dabei sind zwei grundsätzliche Prinzipien bekannt, die Lichtlaufzeit zu bestimmen. Bei phasenbasierten Verfahren wird das Sendelicht moduliert und die Phasenverschiebung des empfangenen gegenüber dem gesendeten Licht ausgewertet. Bei pulsbasierten Verfahren misst der Laserscanner die Laufzeit, bis ein ausgesandter Lichtpuls wieder empfangen wird. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst.In a laser scanner, a light beam generated by a laser periodically sweeps over a monitoring area with the aid of a deflection unit. The light is remitted on objects in the monitoring area and evaluated in the laser scanner. The angular position of the deflection unit is used to infer the angular position of the object and the time of light using the speed of light additionally the distance of the object from the laser scanner. Two basic principles are known for determining the light propagation time. In the case of phase-based methods, the transmitted light is modulated and the phase shift of the received light compared to the transmitted light is evaluated. With pulse-based methods, the laser scanner measures the runtime until a transmitted light pulse is received again. With the information about the angle and distance, the location of an object in the monitoring area is recorded in two-dimensional polar coordinates.

Solche Laserscanner setzt man auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung des Zugangs oder Zugriffs zu einer Gefahrenquelle ein, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine, wie Presse, Schweißroboter oder dergleichen darstellt. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er eine Reaktion, beispielsweise einen Nothalt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch Maschinenteile oder zuzuführendes Material, können vorab als zulässig eingelernt werden. Sicherheitslaserscanner arbeiten meist pulsbasiert. Solche Anwendungen, in denen der Sicherheitslaserscanner statisch ortsfest z.B. an einer Maschine montiert ist, werden nachfolgend auch als statische Anwendungen bezeichnet.Such laser scanners are also used in security technology to monitor access or access to a source of danger, such as that represented by a dangerous machine, such as a press, welding robot or the like. Such a safety laser scanner is from the DE 43 40 756 A1 known. A protective field is monitored that operating personnel must not enter while the machine is in operation. If the laser scanner detects an impermissible protective field intervention, such as an operator's leg, it triggers a reaction, for example an emergency stop of the machine. Other interventions in the protective field, for example by machine parts or material to be supplied, can be taught in beforehand as permissible. Safety laser scanners mostly work on a pulse basis. Applications in which the safety laser scanner is statically fixed, for example on a machine, are also referred to below as static applications.

In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren, wie solche Laserscanner, müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN 13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen. Da Sicherheitsmaßnahmen immer auch eine Reduzierung des Komforts bedeuten, besteht immer die Gefahr, dass Bedienpersonal die Sicherheitseinrichtungen manipuliert. Solche Manipulationen müssen aufgedeckt werden, entweder durch weitere Sicherheitsmaßnahmen oder durch die Sicherheitseinrichtung, z.B. den Sicherheitslaserscanner selbst.Sensors used in safety technology, such as laser scanners, have to work particularly reliably and therefore have to meet high safety requirements, for example the EN 13849 standard for machine safety and the EN61496 device standard for non-contact protective devices (ESPE). To meet these safety standards, a number of measures must be taken, such as safe electronic evaluation using redundant, diverse electronics, function monitoring or specifically monitoring the contamination of optical components, in particular a windscreen, and / or providing individual test targets with defined reflectance levels, which are among the corresponding scan angles must be recognized. Since safety measures always mean a reduction in comfort, there is always the risk that operating personnel manipulate the safety devices. Such manipulations must be detected, either by further security measures or by the security device, e.g. the safety laser scanner itself.

Auch gibt es Anwendungen, in denen der Sicherheitslaserscanner nicht statisch ortsfest montiert ist, sondern bewegt wird. Das geschieht beispielsweise bei der Absicherung von autonomen Fahrzeugen (Führerlose Transportsysteme, AGV, AGC). Der auf dem Fahrzeug montierte Sicherheitslaserscanner sorgt beispielsweise dafür, dass das Fahrzeug nicht mit Objekten oder Personen kollidiert, indem Schutzfelder vor allem in Fahrrichtung, aber auch seitlich und unter Umständen sogar rückwärtig, auf Eingriffe überwacht werden.There are also applications in which the safety laser scanner is not mounted statically fixed, but is moved. This happens, for example, when securing autonomous vehicles (driverless transport systems, AGV, AGC). The safety laser scanner mounted on the vehicle ensures, for example, that the vehicle does not collide with objects or people by monitoring protective fields for interventions, especially in the direction of travel, but also to the side and possibly even to the rear.

Aus der DE 10 2011 053 212 B3 ist ein solcher Sicherheitslaserscanner bekannt, der zusätzlich einen Drehratensensor umfasst, um insbesondere in dynamischen Anwendungen an einem Fahrzeug Drehbewegungen bei der Winkelbestimmung zur genaueren Ortsbestimmung zu berücksichtigen.From the DE 10 2011 053 212 B3 Such a safety laser scanner is known, which additionally comprises a rotation rate sensor, in order to take rotational movements into account when determining the angle for more precise location determination, in particular in dynamic applications on a vehicle.

Andere Laserscanner, die aber keine Sicherheitslaserscanner sind, sondern für die Vermessung von Umgebungen bzw. Navigation ausgebildet sind, sind aus DE 10 2013 104 239 B3 , EP 1 669 776 A1 und WO 2012/161597 A2 bekannt. Von diesen Laserscannern ist es auch bekannt, die Ausrichtung des Laserscanners zwecks der korrekten Vermessung der Umgebung mittels einer inertialen Messeinheit zu bestimmen. Sicherheitseinrichtungen und insbesondere Sicherheitslaserscanner haben aber einen völlig anderen Fokus als „normale“ Laserscanner, denn Sicherheitslaserscanner dienen der Schutzfunktion, also dem Feststellen, ob in einem Schutzfeld im Sichtfeld des Sicherheitslaserscanners ein Objekt sich befindet oder nicht. Die Ausrichtung ist durch die Montage des Sicherheitslaserscanners festgelegt und fix. Jegliche Bestimmung der Ausrichtung ist deshalb überflüssig und sogar ungewollt, da das Schutzfeld ja stets im Sichtfeld des Scanners liegt. Oder anders ausgedrückt, Sicherheitslaserscanner haben völlig andere Einsatzzwecke und Einsatzgebiete. Im Wesentlichen haben sie nur das physikalische Funktionsprinzip gemeinsam.Other laser scanners, which are not safety laser scanners, but are designed for the measurement of environments or navigation, are out DE 10 2013 104 239 B3 , EP 1 669 776 A1 and WO 2012/161597 A2 known. It is also known from these laser scanners to determine the alignment of the laser scanner for the purpose of correct measurement of the surroundings by means of an inertial measuring unit. However, safety devices and in particular safety laser scanners have a completely different focus than “normal” laser scanners, because safety laser scanners serve the protective function, that is to say whether or not there is an object in a protective field in the field of view of the safety laser scanner. The orientation is determined and fixed by the installation of the safety laser scanner. Any determination of the alignment is therefore superfluous and even unwanted, since the protective field is always in the field of view of the scanner. In other words, safety laser scanners have completely different purposes and areas of application. Basically, they only have the physical principle of operation in common.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuen Sicherheitslaserscanner bereitzustellen, mit dem im statischen Fall eine bessere Manipulationserkennung und damit erhöhte Sicherheit möglich ist und im dynamischen Fall (autonomes Fahrzeug) ebenso eine erhöhte Sicherheit möglich ist.Based on this prior art, it is an object of the invention to provide a new safety laser scanner with which better manipulation detection and thus increased security is possible in the static case and dynamic Case (autonomous vehicle) increased security is also possible.

Diese Aufgabe wird durch einen Sicherheitslaserscanner zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a safety laser scanner for detecting objects in a surveillance area according to claim 1.

Der erfindungsgemäße Sicherheitslaserscanner zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich umfasst:

- einen Lichtsender zum Aussenden eines Sendelichtstrahls,
- eine Ablenkeinheit zur periodischen Ablenkung des Sendelichtstrahls in den Überwachungsbereich,
- einen Lichtempfänger zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem von Objekten in dem Überwachungsbereich remittierten Lichtstrahl,
- eine Winkelmesseinheit zur Bestimmung der Winkelposition der Ablenkeinheit relativ zu dem Sensor,
- eine Auswertungseinheit, die dafür ausgebildet ist, anhand einer Lichtlaufzeit des Empfangssignals und der Winkelposition Messwerte zu erzeugen, die angeben, ob und wo im Überwachungsbereich ein Objekt erfasst ist und
- die Auswertungseinheit einen sicheren Ausgang aufweist und
- die Auswertungseinheit ausgebildet ist, unzulässige Objekteingriffe in Schutzbereiche innerhalb des Überwachungsbereichs zu erkennen und daraufhin ein Absicherungssignal über den sicheren Ausgang auszugeben, wobei
- eine Neigungserkennungseinheit im Sicherheitslaserscanner vorgesehen ist, deren Neigungssignale der Auswerteeinheit zugeführt sind und
- die Auswertungseinheit ausgebildet ist, aus den Neigungssignalen eine Verkippung des Sicherheitslaserscanners zu ermitteln und
- in Abhängigkeit davon ein Verkippsignal ausgebbar ist.

The safety laser scanner according to the invention for detecting objects in a monitoring area comprises:

a light transmitter for emitting a transmission light beam,
a deflection unit for periodically deflecting the transmitted light beam into the monitoring area,
a light receiver for generating a received signal from the light beam remitted by objects in the monitoring area,
an angle measuring unit for determining the angular position of the deflection unit relative to the sensor,
- An evaluation unit, which is designed to generate measured values based on a light transit time of the received signal and the angular position, which indicate whether and where an object is detected in the monitoring area and
- The evaluation unit has a safe output and
- The evaluation unit is designed to detect impermissible object interventions in protected areas within the monitoring area and then to output a security signal via the safe output, wherein
- An inclination detection unit is provided in the safety laser scanner, the inclination signals are supplied to the evaluation unit and
- The evaluation unit is designed to determine a tilt of the safety laser scanner from the inclination signals and
- Depending on this, a tilt signal can be output.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass im statischen Fall erkannt werden kann, wenn der Sicherheitslaserscanner in seiner Ausrichtung verändert worden ist. Aus guten und oben beschriebenen Gründen gibt es in bisherigen Sicherheitslaserscannern keine Neigungserkennung. Die von den Normen geforderte Manipulationssicherheit gegen Verkippung des Scanners, also der Ausrichtung, wurde in vertikalen Anwendungen dadurch sichergestellt, dass der Scanner auf eine Referenzkontur schaut und diese kontinuierlich erkennen muss. Ändert sich die Entfernung dieser Referenzkontur, so muss davon ausgegangen werden, dass der Laserscanner beabsichtigt oder unbeabsichtigt verkippt wurde und somit seine Absicherungsfunktion nicht mehr zuverlässig erfüllt.The invention has the advantage that, in the static case, it can be recognized when the orientation of the safety laser scanner has been changed. For good reasons described above, there is no inclination detection in previous safety laser scanners. The manipulation security required by the standards against tilting of the scanner, i.e. the alignment, was ensured in vertical applications by the scanner looking at a reference contour and having to recognize it continuously. If the distance of this reference contour changes, it must be assumed that the laser scanner was intentionally or unintentionally tilted and therefore no longer reliably performs its safety function.

Es ist aber das ständige Bestreben, die Sicherheit weiter zu erhöhen. Deshalb wurden von den Erfindern jetzt Betriebssituationen betrachtet, bei denen die bisherige Absicherung nicht erkennen konnte, ob eine Manipulation vorliegt oder nicht. Die vorgenannte Art des Manipulationsschutzes ist nur dann gegeben, wenn der Untergrund (Fußboden) eine nahezu waagerechte Ebene ist und das Schutzfeld des Scanners orthogonal zu dieser aufgespannt wird. Handelt es sich beim Referenzuntergrund um eine schräge Rampe, so ändert sich die Entfernung der Referenzkontur bei Verkippung des Sicherheitslaserscanners unter Umständen nicht oder nur in geringem Maße, womit eine Manipulation nicht mehr erkannt wird.However, it is the constant endeavor to further increase security. For this reason, the inventors have now considered operating situations in which the previous safeguards could not tell whether there was manipulation or not. The aforementioned type of protection against manipulation is only given if the surface (floor) is an almost horizontal plane and the protective field of the scanner is spanned orthogonally to it. If the reference surface is an inclined ramp, the distance of the reference contour may not change or only to a small extent when the safety laser scanner is tilted, so that manipulation is no longer detected.

Um diese Möglichkeit auszuschließen und dadurch die Sicherheit weiter zu erhöhen, ist erfindungsgemäß die Neigungserkennungseinheit in der Ausgestaltung nach den kennzeichnenden Merkmalen vorgesehen. Die Neigungssignale der Neigungserkennungseinheit werden der Auswerteeinheit zugeführt und die Auswertungseinheit ist ausgebildet, aus den Neigungssignalen eine Verkippung des Sicherheitslaserscanners zu ermitteln und in Abhängigkeit davon ein Verkippsignal auszugeben. Daraus ergibt sich der zuvor genannte Vorteil der Erfindung, dass im statischen Fall besser erkannt werden kann, wenn der Sicherheitslaserscanner in seiner Ausrichtung verändert worden ist.In order to exclude this possibility and thereby further increase security, the inclination detection unit is provided according to the invention in the configuration according to the characterizing features. The tilt signals of the tilt detection unit are fed to the evaluation unit and the evaluation unit is designed to determine a tilt of the safety laser scanner from the tilt signals and to output a tilt signal as a function thereof. This results in the above-mentioned advantage of the invention that, in the static case, it can be better recognized if the orientation of the safety laser scanner has been changed.

Zwar ist es, wie eingangs erläutert, grundsätzlich bekannt, eine Neigungserkennungseinheit in einem Laserscanner einzusetzen, aber wie ebenfalls schon erläutert sind das stets nicht-sichere Laserscanner, die ganz andere Einsatzzwecke und Einsatzgebiete haben und gänzlich andere Anforderungen erfüllen müssen und nur bezüglich ihres physikalischen Funktionsprinzips vergleichbar sind. Für Sicherheitslaserscanner bestand überhaupt keine Veranlassung, eine solche Neigungserkennung vorzusehen.Although it is generally known, as explained at the outset, to use an inclination detection unit in a laser scanner, but as has also already been explained, these are always non-safe laser scanners which have completely different purposes and areas of application and have to meet completely different requirements and only with regard to their physical functional principle are comparable. There was absolutely no reason for safety laser scanners to provide such inclination detection.

Auch werden mit der Erfindung solche Fälle abgefangen, bei denen ein Sicherheitslaserscanner durch eine z.B. unzureichend stabile Montage während des Betriebs unbemerkt seine Position durch Verdrehung oder Verkippung ändert (dies betrifft insbesondere Anwendungen, die nicht vertikal sind und daher typischerweise nicht den von der Norm geforderten Manipulationsschutz durch ein Referenzkonturfeld beinhalten). Nach dem Stand der Technik ist diese Gefahr durch keinen entsprechenden Sicherheitsmechanismus detektierbar.The invention also intercepts cases in which a safety laser scanner is replaced by e.g. insufficiently stable assembly changes its position unnoticed during operation due to twisting or tilting (this applies in particular to applications that are not vertical and therefore typically do not include the protection against manipulation by a reference contour field required by the standard). According to the prior art, this danger cannot be detected by any corresponding security mechanism.

Im dynamischen Fall, also wenn der Sicherheitslaserscanner an einem autonomen Fahrzeug montiert ist, ergibt sich ebenfalls eine Erhöhung der Sicherheit. Hier allerdings aus einem etwas anderen Grund, denn wird ein Laserscanner auf einer mobilen Plattform zur horizontalen Absicherung z.B. des Fahrbereichs eines mobilen Fahrzeugs genutzt, so entsteht bei einer Rampe ein weiteres Problem, da die normalerweise horizontale Scanebene bei schräg nach oben gerichtetem Fahrzeug, das die Rampe hochfährt, dann über eine Person, welche hinter der oberen Kante der Rampe steht, hinwegreichen kann. In Abhängigkeit der Rampensteilheit, der Personengröße, der Fahrgeschwindigkeit und dem Bremsweg des Fahrzeugs kann somit unbeabsichtigt eine gefahrbringende Situation eintreten. Bezüglich der Personengröße muss berücksichtigt werden, dass bei fahrerlosen Transportsystemen nach Norm auch liegende Personen erkannt werden müssen. In the dynamic case, i.e. when the safety laser scanner is mounted on an autonomous vehicle, there is also an increase in safety. Here, however, for a slightly different reason, because if a laser scanner is used on a mobile platform for horizontal protection, for example, the driving area of a mobile vehicle, a further problem arises with a ramp, since the normally horizontal scanning plane with the vehicle pointing obliquely upwards, which Drives up the ramp, then can pass over a person standing behind the upper edge of the ramp. Depending on the slope of the ramp, the size of the person, the driving speed and the braking distance of the vehicle, a dangerous situation can unintentionally occur. Regarding the size of the person, it must be taken into account that in the case of driverless transport systems according to the standard, lying people must also be recognized.

Der erfindungsgemäße Sicherheitslaserscanner erkennt nun aber die Neigung und kann diese Information an die Fahrzeugsteuerung geben, so dass die Fahrgeschwindigkeit dann reduziert werden kann. Dadurch ist die Sicherheit erhöht.However, the safety laser scanner according to the invention now recognizes the inclination and can pass this information on to the vehicle control system, so that the driving speed can then be reduced. This increases security.

Im Falle der statischen Anwendung ist vorteilhafterweise die Auswerteeinheit ausgebildet, aus den Neigungssignalen zu ermitteln, ob eine Verkippung des Sicherheitslaserscanners über ein vorgegebenes Maß hinaus erfolgte und in Abhängigkeit davon ein Manipulationssignal ausgebbar ist. Dies kann vorteilhafterweise mit Hilfe eines über eine Eingabeeinheit eingegebenen und in einem Speicher gespeicherten Kippwinkelgrenzwert erfolgen. Ein solcher Kippwinkelgrenzwert könnte auch bei der Installation in einem Teach-in Verfahren eingelernt werden.In the case of static use, the evaluation unit is advantageously designed to determine from the inclination signals whether the safety laser scanner has been tilted beyond a predetermined amount and whether a manipulation signal can be output as a function thereof. This can advantageously be done with the aid of a tilt angle limit value entered via an input unit and stored in a memory. Such a tilt angle limit value could also be taught in during installation in a teach-in process.

In einem solchen Teach-in Prozess könnte auch die Ausgangslage bzw. Ausgangsneigung des Sicherheitslaserscanners als Referenzlage eingelernt werden. Von dieser Ausgangslage darf der Sicherheitslaserscanner dann nur innerhalb einer bestimmten Toleranz abweichen.In such a teach-in process, the starting position or inclination of the safety laser scanner could also be taught in as a reference position. The safety laser scanner may then only deviate from this starting position within a certain tolerance.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Neigungserkennungseinheit als inertiale Messeinheit, insbesondere als in eine Elektronik des Sicherheitslaserscanners integrierte MEMS-Einheit ausgebildet.In a further development of the invention, the inclination detection unit is designed as an inertial measuring unit, in particular as a MEMS unit integrated in an electronics of the safety laser scanner.

Die Auswertungseinheit ist dafür ausgebildet, die Entfernung zu einem abgetasteten Objekt aus der Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Sendelichtstrahls und Empfangen des remittierten Lichtstrahls zu bestimmen, so dass die Messwerte jeweils einen Objektabstand und eine Richtung umfassen. Die Lichtlaufzeit kann mittels der Laufzeit von Einzelpulsen ermittelt werden, wie dies DE 43 40 756 A1 offenbart.The evaluation unit is designed to determine the distance to a scanned object from the light propagation time between emitting the transmitted light beam and receiving the returned light beam, so that the measured values each include an object distance and a direction. The light transit time can be determined by means of the transit time of individual pulses, like this DE 43 40 756 A1 disclosed.

Andere Arten der Lichtlaufzeitermittlung sind bekannt. So kann die Lichtlaufzeit auch mittels amplitudenmoduliertem cw-Licht und Messung der Verschiebung der Modulationsphase des empfangenen Lichts mit der des ausgesandten Lichts ermittelt werden.Other types of light transit time determination are known. The light propagation time can also be determined by means of amplitude-modulated cw light and measurement of the shift in the modulation phase of the received light with that of the emitted light.

Eine weitere Art der Lichtlaufzeitbestimmung erfolgt über eine Vielzahl aufeinanderfolgender Einzellichtpulse, wobei die Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist, jeweils für einen Messwert eine Gruppe von den ausgesandten Einzellichtpulsen entsprechenden Einzelempfangspulsen in einem zeitlichen Histogramm zu sammeln und aus dem Histogramm die Lichtlaufzeit vom Sensor zu einem Objekt und daraus den Objektabstand zu bestimmen (siehe auch DE 10 2007 013 714 A1 ). Der Laserscanner arbeitet demnach mit einem statistischen Verfahren, bei dem jedem Messwert nicht nur ein Sendepuls, sondern eine Vielzahl von Sendepulsen zugrunde liegt. Ein solches Mehrpulsverfahren hat eine deutlich geringere Störanfälligkeit, weil durch die statistische Auswertung auch bei sehr ungünstigem Signal/Rauschverhältnis der Einzelmessung noch genaue Messungen möglich sind.Another type of light transit time determination is carried out via a large number of successive individual light pulses, the evaluation unit being designed to collect a group of individual receive pulses corresponding to the individual light pulses emitted for a measured value in a temporal histogram and from the histogram the light transit time from the sensor to an object and therefrom to determine the object distance (see also DE 10 2007 013 714 A1 ). The laser scanner therefore works with a statistical method, in which each measured value is based not only on a transmission pulse, but on a large number of transmission pulses. Such a multi-pulse method has a significantly lower susceptibility to faults because the statistical evaluation enables precise measurements even with a very unfavorable signal / noise ratio of the individual measurement.

Bei dieser Art der Lichtbestimmung ist die Auswertungseinheit bevorzugt dafür ausgebildet, die Richtung des Messwerts aus den Winkelpositionen der Ablenkeinheit bei Aussenden der Einzellichtpulse und/oder Empfangen der Einzelempfangspulse der in dem zugehörigen Histogramm gesammelten Gruppe zu bestimmen. Bei einem herkömmlichen pulsbasierten Laserscanner ist die Richtung des Messwerts durch einen einzigen Zeitpunkt festgelegt, zu dem der Puls ausgesandt wird. Wenn stattdessen erst eine Gruppe von Einzelpulsen gemeinsam einen Messwert liefert, muss dieser Gruppe eine gemeinsame Richtung zugewiesen werden, beispielsweise der Winkel, unter dem der erste, der letzte oder ein anderer Einzelpuls ausgesandt wurde oder deren Mittelwert.With this type of light determination, the evaluation unit is preferably designed to determine the direction of the measured value from the angular positions of the deflection unit when the individual light pulses are transmitted and / or the individual reception pulses of the group collected in the associated histogram are received. In a conventional pulse-based laser scanner, the direction of the measured value is determined by a single point in time at which the pulse is emitted. If, instead, a group of individual pulses delivers a measured value together, this group must be assigned a common direction, for example the angle at which the first, the last or another individual pulse was emitted or their mean value.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Sicherheitslaserscanners; und
2 eine schematische Ansicht einer Maschine mit montiertem Sicherheitslaserscanner gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherheitslaserscanners an einem Fahrzeug.

The invention is also explained below with reference to further features and advantages by way of example using embodiments and with reference to the accompanying drawing. The illustrations in the drawing show:

1 is a schematic sectional view of a security laser scanner; and
2nd a schematic view of a machine with mounted safety laser scanner according 1 ;
3rd a schematic representation of a safety laser scanner according to the invention on a vehicle.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Sicherheitslaserscanner 10. Ein von einem Lichtsender 12, beispielsweise einem Laser, erzeugter Lichtstrahl 14, der einzelne Lichtimpulse aufweist, wird über Lichtablenkeinheiten 16a-b in einen Überwachungsbereich 18 gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Das remittierte Licht 20 gelangt wieder zu dem Sicherheitslaserscanner 10 zurück und wird dort über die Ablenkeinheit 16b und mittels einer Empfangsoptik 22 von einem Lichtempfänger 24 detektiert, beispielsweise einer Photodiode. 1 shows a schematic sectional view through an inventive Safety laser scanner 10th . One from a light transmitter 12th , for example a laser, generated light beam 14 , which has individual light pulses, is via light deflection units 16a-b in a surveillance area 18th steered and remitted there from a possibly existing object. The returned light 20 returns to the safety laser scanner 10th back and is there over the deflection unit 16b and by means of receiving optics 22 from a light receiver 24th detected, for example a photodiode.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtablenkeinheit 16b als Drehspiegel ausgestaltet, die durch Antrieb eines Motors 26 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung der Lichtablenkeinheit 16b wird über einen Encoder 28 erfasst, der beispielsweise eine Codescheibe 28a umfasst, die von einer Gabellichtschranke 28b abgetastet wird. Der von dem Lichtsender 12 erzeugte Lichtstrahl 14 überstreicht somit den durch die Rotationsbewegung erzeugten Überwachungsbereich 18. Wird ein von dem Lichtempfänger 24 empfangenes reflektiertes Lichtsignal 20 aus dem Überwachungsbereich 18 empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit 16b mittels des Encoders 28 auf die Winkellage des Objektes in dem Überwachungsbereich 18 geschlossen werden.In this embodiment, the light deflection unit 16b designed as a rotating mirror, which is driven by a motor 26 rotates continuously. The respective angular position of the light deflection unit 16b is via an encoder 28 recorded, for example, a code disk 28a includes that of a fork light barrier 28b is scanned. The one from the light transmitter 12th generated light beam 14 thus sweeps over the monitoring area generated by the rotational movement 18th . Becomes one of the light receivers 24th received reflected light signal 20 from the surveillance area 18th can receive from the angular position of the deflection unit 16b by means of the encoder 28 to the angular position of the object in the monitoring area 18th getting closed.

Anstelle einer Ausbildung als Drehspiegel könnte die Ablenkeinheit auch dadurch gebildet sein, dass eine Sender-/Empfängereinheit sich insgesamt um die Drehachse dreht. Die Energieversorgung und die Datenübertragung von und zu Sender und Empfänger sollte dann drahtlos erfolgen, beispielsweise durch induktive Kopplung.Instead of being designed as a rotating mirror, the deflection unit could also be formed in that a transmitter / receiver unit rotates overall about the axis of rotation. The energy supply and the data transmission from and to the transmitter and receiver should then be wireless, for example by inductive coupling.

Zusätzlich zur Winkelbestimmung wird die Laufzeit der einzelnen Laserlichtpulse von ihrem Aussenden bis zu dem Empfang nach Reflexion an dem Objekt in dem Überwachungsbereich 18 ermittelt. Aus der Lichtlaufzeit wird unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner 10 geschlossen. Diese Auswertung erfolgt in einer Auswertungseinheit 30, die dafür mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 24, dem Motor 26 und dem Encoder 28 verbunden ist. Somit stehen über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objekte in dem Überwachungsbereich 18 zur Verfügung.In addition to the angle determination, the transit time of the individual laser light pulses from their emission to the reception after reflection on the object in the monitoring area 18th determined. The time of light is used using the speed of light to measure the distance of the object from the laser scanner 10th closed. This evaluation takes place in an evaluation unit 30th that with the light transmitter 12th , the light receiver 24th , the engine 26 and the encoder 28 connected is. Thus, two-dimensional polar coordinates of all objects in the monitoring area stand over the angle and the distance 18th to disposal.

In der sicherheitstechnischen Anwendung vergleicht eine Absicherungseinheit 36 die Position der erfassten Objekte mit einem oder mehreren Schutzfeldern, deren Geometrie in der Absicherungseinheit 36 durch entsprechende Parameter vorgegeben oder konfiguriert ist. Damit erkennt die Absicherungseinheit 36, ob ein Schutzfeld verletzt ist, also ob sich ein unzulässiges Objekt darin befindet, und schaltet je nach Ergebnis einen Sicherheitsausgang 38 (OSSD, Output Signal Switching Device). Dadurch wird beispielsweise ein Nothalt einer angeschlossenen und von dem Laserscanner 10 überwachten Maschine ausgelöst. Ein solcher Laserscanner wird durch Erfüllung der einleitend genannten Normen und die dafür erforderlichen Maßnahmen als Sicherheitslaserscanner ausgebildet.A security unit compares in safety-related applications 36 the position of the detected objects with one or more protective fields, their geometry in the protection unit 36 is specified or configured by appropriate parameters. With this, the protection unit recognizes 36 whether a protective field is violated, i.e. whether there is an impermissible object in it, and switches a safety output depending on the result 38 (OSSD, Output Signal Switching Device). In this way, for example, an emergency stop of a connected and of the laser scanner 10th monitored machine triggered. Such a laser scanner is designed as a safety laser scanner by fulfilling the standards mentioned in the introduction and the measures required for this.

Alle genannten Funktionskomponenten sind in einem Gehäuse 40 angeordnet, das im Bereich des Lichtaustritts und Lichteintritts eine Frontscheibe 42 aufweist.All functional components mentioned are in one housing 40 arranged, a windshield in the area of light emission and light entry 42 having.

2 zeigt eine schematische Ansicht einer potentiell gefahrbringenden Maschine 100. Dies kann eine Presse, ein Roboter, eine Schweißstation oder dergleichen sein. Die Maschine 100 oder besser gesagt ein Zugang zu der Maschine 100 wird durch den Laserscanner 10 abgesichert, der so montiert ist, dass sein Überwachungsbereich 18 eine vertikale Absicherung des Zugangs zur Maschine 100 bildet. Eine solche Absicherung soll den Zutritt absichern, das heißt, wenn eine Person 102 den Arbeitsbereich 104 der Maschine 100 betreten will, dann erfolgt aufgrund der Detektion in dem Überwachungsbereich 18 eine Abschaltung oder ähnliche Reaktion der Maschine 100. 2nd shows a schematic view of a potentially dangerous machine 100 . This can be a press, a robot, a welding station or the like. The machine 100 or rather access to the machine 100 is by the laser scanner 10th secured, which is mounted so that its surveillance area 18th vertical protection of access to the machine 100 forms. Such security is intended to secure access, that is, if a person 102 the work area 104 the machine 100 wants to enter, then takes place based on the detection in the monitoring area 18th a machine shutdown or similar reaction 100 .

Wenn nun aus Manipulationsgründen oder unabsichtlich die Ausrichtung des montierten Sicherheitslaserscanners 10 sich ändert, wie dies in 2 mit dem gestrichelt dargestellten Sicherheitslaserscanner 10' angedeutet ist, ändert sich die Sichtrichtung des Scanners und damit die Ausrichtung des Überwachungsbereichs 18 in 18'. Um eine solche Änderung erfassen zu können, ist im Sicherheitslaserscanner 10 eine Neigungserkennungseinheit 32 vorgesehen. Die Neigungserkennungseinheit 32 kann als inertiale Messeinheit ausgebildet sein, insbesondere als in eine Elektronik des Sicherheitslaserscanners integrierte MEMS-Einheit. Solche Messeinheiten kennt man heutzutage auch von Smartphones.If, for reasons of manipulation or unintentional, the alignment of the mounted safety laser scanner 10th changes like this in 2nd with the safety laser scanner shown in dashed lines 10 ' is indicated, the direction of view of the scanner changes and thus the orientation of the monitoring area 18th in 18 '. In order to be able to detect such a change, the safety laser scanner is 10th a tilt detection unit 32 intended. The tilt detection unit 32 can be designed as an inertial measuring unit, in particular as a MEMS unit integrated in the electronics of the safety laser scanner. Such measuring units are also known today from smartphones.

Die Neigungserkennungseinheit 32 liefert Neigungssignale, die an die Auswertungseinheit 30 geführt sind. Die Auswertungseinheit 30 ist ausgebildet, aus den Neigungssignalen die Verkippung des Sicherheitslaserscanners 10' zu ermitteln und in Abhängigkeit davon ein Verkippsignal auszugeben. Dabei ist die Auswerteeinheit 30 weiter ausgebildet, aus den Neigungssignalen zu ermitteln, ob eine Verkippung des Sicherheitslaserscanners 10' über ein vorgegebenes Maß hinaus erfolgte. Ist dies der Fall wird das als unzulässig klassifiziert und ein Manipulationssignal ausgegeben. Das Manipulationssignal bedeutet dann, dass der Sicherheitslaserscanner bzw. seine Ausrichtung entweder manipuliert wurde oder unabsichtlich seine Ausrichtung/Neigung geändert hat.The tilt detection unit 32 delivers inclination signals to the evaluation unit 30th are led. The evaluation unit 30th is designed to tilt the safety laser scanner from the tilt signals 10 ' to be determined and, depending on this, to output a tilting signal. Here is the evaluation unit 30th further trained to determine from the tilt signals whether the safety laser scanner is tilting 10 ' occurred beyond a predetermined level. If this is the case, this is classified as inadmissible and a manipulation signal is output. The manipulation signal then means that the safety laser scanner or its orientation has either been manipulated or has inadvertently changed its orientation / inclination.

Der Ausgangswert oder die Ausgangswerte der Neigungserkennungseinheit für die korrekte Ausrichtung des Sicherheitslaserscanners können vorteilhafterweise mit Hilfe einer Eingabeeinheit als Referenzwerte eingegeben werden und in einem Speicher abgespeichert werden. Einfacher ist es, wenn solche Referenzwerte in einem Einlernverfahren (Teach-in) eingelernt werden. Dazu wird der Sicherheitslaserscanner 10 korrekt montiert und das Einlernverfahren gestartet, wodurch die korrekte Ausrichtung in Form von Referenzwerten abgespeichert wird. Von dieser Ausgangslage darf der Sicherheitslaserscanner 10 dann nur innerhalb einer bestimmten Toleranz abweichen.The initial value or the initial values of the inclination detection unit for the correct alignment of the safety laser scanner can advantageously be entered as reference values using an input unit and stored in a memory. It is easier if such reference values are taught in using a teach-in procedure. For this, the safety laser scanner 10th correctly installed and the learning process started, which saves the correct alignment in the form of reference values. The safety laser scanner is allowed from this starting position 10th then deviate only within a certain tolerance.

Ausgehend von einem solchen Ausgangswert kann ein Kippwinkelgrenzwert definiert sein oder eingegeben werden. Ein Überschreiten des Kippwinkelgrenzwertes wird als Manipulation klassifiziert.Starting from such an output value, a tilt angle limit value can be defined or entered. Exceeding the tilt angle limit is classified as manipulation.

Ein solcher erfindungsgemäßer Sicherheitslaserscanner kann auch an einem autonomen Fahrzeug montiert sein. In diesem Fall ergibt sich eine Erhöhung der Sicherheit dadurch, dass bestimmte Fahrsituationen, wie z.B. das Rampenfahren, besser abgesichert sind. In 3 ist beispielhaft eine solche Situation dargestellt. Der Sicherheitslaserscanner 10 ist auf einem autonomen Fahrzeug 200 montiert und sichert den Bereich vor dem Fahrzeug 200 zur Vermeidung von Kollisionen mit Objekten, beispielsweise Personal 210 ab. Der Sicherheitslaserscanner 10 überwacht dabei den Überwachungsbereich 18 vor dem Fahrzeug 200. Fährt das Fahrzeug 200 eine Rampe 202 schräg nach oben, dann ist auch der Überwachungsbereich 18 schräg nach oben gerichtet und es kann im ungünstigen Fall eine Person 210, die in Fahrtrichtung hinter einer Kante 204 der Rampe 202 steht, übersehen werden, weil der Überwachungsbereich über die Person 210 hinwegreicht. Die Situation ist abhängig von geometrischen Größen, wie der Rampensteilheit, der Personengröße und der Montagehöhe des Scanners 10 am Fahrzeug 200. Der erfindungsgemäße Sicherheitslaserscanner 10 erkennt nun aber die Neigung und damit die Rampenfahrt und kann die Neigungsinformation an eine Fahrzeugsteuerung geben, so dass die Fahrgeschwindigkeit reduziert werden kann, um die potentiell gefährliche Situation dadurch zu entschärfen. Die zu regelnde Fahrgeschwindigkeit sollte abhängig sein von der Rampensteilheit, der Personengröße und dem Bremsweg des Fahrzeugs. Die Sicherheit ist damit weiter erhöht.Such a safety laser scanner according to the invention can also be mounted on an autonomous vehicle. In this case, there is an increase in safety because certain driving situations, such as driving on a ramp, are better safeguarded. In 3rd such a situation is shown as an example. The safety laser scanner 10th is on an autonomous vehicle 200 assembles and secures the area in front of the vehicle 200 to avoid collisions with objects such as personnel 210 from. The safety laser scanner 10th monitors the surveillance area 18th in front of the vehicle 200 . Driving the vehicle 200 a ramp 202 diagonally upwards, then there is the surveillance area 18th diagonally upwards and in the worst case it can be a person 210 that are in the direction of travel behind an edge 204 the ramp 202 stands, are overlooked because the surveillance area is about the person 210 passed away. The situation depends on geometric sizes such as the ramp slope, the size of the person and the mounting height of the scanner 10th at the vehicle 200 . The safety laser scanner according to the invention 10th but now recognizes the incline and thus the ramp travel and can pass the inclination information to a vehicle control system, so that the driving speed can be reduced in order to mitigate the potentially dangerous situation. The driving speed to be controlled should depend on the slope of the ramp, the size of the person and the braking distance of the vehicle. This further increases security.

Claims

Safety laser scanner for detecting objects in a monitoring area (18) with - a light transmitter (12) for emitting a transmission light beam (14), - a deflection unit (16b) for periodically deflecting the transmission light beam (14) into the monitoring area (18), - a light receiver (24) for generating a received signal from the light beam (20) remitted by objects in the monitoring area (18), - an angle measuring unit (28) for determining the angular position of the deflection unit (16b) relative to the sensor (10), - and an evaluation unit (30), which is designed to generate measured values based on a light transit time of the received signal and the angular position, which indicate whether and where an object is detected in the monitoring area and - the evaluation unit (30) has a safe output (38) and - the Evaluation unit (30) is designed to detect impermissible object interventions in protected areas within the monitoring area (18) and then e in a safety signal via the safe output (38), characterized in that - an inclination detection unit (32) is provided in the safety laser scanner (30), the inclination signals of which are fed to the evaluation unit (30) and - the evaluation unit (30) is designed from the Tilt signals to determine a tilt of the safety laser scanner (10) and - depending on this, a tilt signal can be output.

Safety laser scanner after Claim 1 , characterized in that the safety laser scanner is arranged in a stationary manner and the evaluation unit is designed to determine from the inclination signals whether the safety laser scanner has been tilted beyond a predetermined amount and whether a manipulation signal can be output as a function thereof.

Safety laser scanner after Claim 2 , characterized in that a permissible inclination of the safety laser scanner can be taught as a reference position, in particular in an initial teach-in process.

Safety laser scanner according to one of the preceding Claims 2 or 3rd , characterized in that an input unit and a memory are provided for entering and storing a tilt angle limit beyond which the manipulation signal is output.

Safety laser scanner after Claim 1 , characterized in that if the safety laser scanner is arranged on an autonomous vehicle, the evaluation unit is designed to derive a control command for a vehicle control from the tilting signal.

Safety laser scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the inclination detection unit is designed as an inertial measuring unit, in particular as a MEMS unit integrated in an electronics of the safety laser scanner.