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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene basierend auf Laufzeitmessungen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines solchen Sensorsystems.
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Hintergrund der Erfindung
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Zum Öffnen und/oder Verschließen von Öffnungen oder Passagen werden häufig mittels Aktuatoren betriebene Verschließkörper verwendet, welche für Bedienpersonen die Handhabung des betreffenden Verschließkörpers erleichtern oder ohne jede Bedienaktion automatisch betrieben werden, wenn beispielsweise ein die Öffnung zu passierendes Objekt in den Bereich der Öffnung gelangt. Eine solche Öffnung kann beispielsweise ein Durchgang in einem Gebäude sein. Ein Verschließkörper kann beispielsweise eine Tür sein.
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Um eine hohe Betriebssicherheit von automatisch zu öffnenden und zu schließenden Verschließkörpern zu erreichen, ist es bekannt, den Bereich vor oder innerhalb einer mit einem Verschließkörper bedeckbaren Öffnung mittels eines optischen Sensorsystems zu erfassen. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass beim Verschießen der Öffnung nicht versehentlich ein Objekt, beispielsweise eine Person, von dem Verschließkörper eingeklemmt wird. Außerdem kann bei manchen Applikationen ein solches Sensorsystem ein automatisches Öffnen und/oder Schießen des Verschließkörpers bzw. der Öffnung veranlassen.
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Aus
EP 2 453 252 B1 ist für den Anwendungsbereich der Überwachung von automatisch zu öffnenden Türen ein 3D-Sensorsystem bekannt, welches auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Lichtstrahlen beruht, die von Beleuchtungsquellen ausgesandt und nach einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. 180° Rückstreuung von einem Lichtempfänger detektiert werden. Solche Sensorsysteme werden allgemein als „Time-of-Flight“ (TOF) Sensorsysteme bezeichnet. TOF Sensorsysteme haben jedoch den Nachteil, dass mit zunehmendem Abstand d des zu erfassenden Objekts die Intensität des von einem Lichtempfänger des TOF Sensors zu erfassenden (zurückgestreuten) Messlichts in zweifacher Hinsicht geschwächt ist. Im Falle einer punktförmigen Beleuchtungslichtquelle ohne eine spezielle Fokussierung skaliert diese Schwächung des von den Beleuchtungsquellen ausgesandten Beleuchtungslichts mit 1/d^2, wobei d der Abstand zu der Beleuchtungslichtquelle ist. Gleiches gilt für das Messlicht, wenn man eine Stelle des Objekts, an welcher das Beleuchtungslicht isotrop gestreut wird, als Punktlichtquelle auffasst. Im Ergebnis führt dies in diesem Fall zu einer 1/d^4 Skalierung der Intensität des empfangenen Messlichts. Bei einer auf irgendeine Art und Weise realisierten Strahlformung, beispielsweise einer Fokussierung des Beleuchtungslichts und/oder des Messlichts in Richtung des Lichtempfängers, ist die Intensitätsschwächung entsprechend geringer, trägt jedoch trotzdem zu einem signifikanten Verlust an Lichtleistung bei. Dies wiederum führt zu einer entsprechend schlechten Energieeffizienz eines TOF Sensorsystems.
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Aus
WO 2018/064745 A1 ist ein System zum automatischen Überwachen einer Öffnung bzw. Passage bekannt, welche von zwei Schiebetüren verschlossen werden kann. Auch hier werden 3D Kameras verwendet, welche auf dem TOF Prinzip basieren. Ein zu erfassender räumlicher Bereich um einen Bewegungsbereich der Schiebetüren herum wird in zwei Unterbereiche aufgeteilt, die separat voneinander ausgewertet werden. In einem ersten Unterbereich wird auf Sicherheit geachtet, um zu verhindern, dass ein Objekt von den Schiebetüren eingeklemmt wird. In dem zweiten Unterbereich erfolgt eine Bildauswertung in Hinblick auf einen anderen Zweck, beispielsweise für eine Aktivierung der Schiebetüren oder für ein Zählen von Objekten, welche diesen zweiten Unterbereich passieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde auf dem Gebiet der automatischen Überwachung von Öffnungen, die mittels zumindest eines Verschließkörpers verschließbar sind, eine aus energetischer Sicht effiziente und trotzdem zuverlässige dreidimensionale Erfassung einer Szene zu ermöglichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird beschrieben ein Sensorsystem zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene in einem vorbestimmten räumlichen Bereich, welcher zugeordnet ist einem Verschließkörper für eine Passage. Das beschriebene Sensorsystem weist auf (a) eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten der Szene mit Beleuchtungslicht; (b) eine Messeinrichtung (b1) zum Empfangen von Messlicht, welches zumindest teilweise von zumindest einem in der Szene enthaltenen Objekt zurückgestreutes Beleuchtungslicht ist, und (b2) zum Messen von Distanzen zwischen dem Sensorsystem und dem zumindest einen Objekt basierend auf einer Lichtlaufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts; (c) eine der Messeinrichtung nachgeschaltete Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung zum Ermitteln einer dreidimensionalen Charakteristik der Szene basierend auf den gemessenen Distanzen; und (d) einen Dateneingang zum Empfangen eines Eingangssignals, welches für einen aktuellen Betriebszustand des Verschließkörpers indikativ ist. Die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Messeinrichtung sind in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Energieverbrauch und in einem zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Energieverbrauch betreibbar, welcher kleiner ist als der erste Energieverbrauch.
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Dem beschriebenen Sensorsystem, welches ein sog. Time Of Flight (TOF) Sensorsystem ist, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Energieverbrauch eines 3D Sensor(system)s, welcher Energieverbrauch typischerweise deutlich größer ist als der eines 2D Sensors, auf einfache Weise dadurch deutlich reduziert werden kann, wenn dieser immer dann in einem „Energiesparmodus“ betrieben wird, wenn die Anforderungen an eine Szenenüberwachung nicht so groß sind. Dies ist bei einem 3D Sensor, der für die Überwachung einer Passage, die von einem Verschließkörper verschlossen werden kann, beispielsweise dann der Fall, wenn der Verschließkörper in Ruhe ist oder wenn sich dieser in Richtung einer Öffnungsposition bewegt wird. Dann ist nämlich die Gefahr, das ein Objekt, insbesondere eine Person, welche(s) sich in einem Bewegungsbereich des Verschließkörpers befindet, von dem Verschließkörper eingeklemmt wird, nicht vorhanden oder zumindest deutlich reduziert.
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Der Betriebszustand des Verschließkörpers kann ein Bewegungszustand des Verschließkörpers sein und insbesondere dadurch bestimmt sein, ob sich der Verschließkörper in Richtung seiner Öffnungsposition oder seiner Verschließposition bewegt. Auch die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Verschließkörper bewegt, kann den Bewegungszustand charakterisieren. Ferner kann der Betriebszustand auch von der aktuellen Position des Verschließkörpers abhängen, wobei diese Position eine Ruheposition oder eine aktuelle Position sein kann, über welche sich der Verschließkörper gerade hinweg bewegt.
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Der Betriebsmodus der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Messeinrichtung kann jede Art von Betriebsmodus sein, welche den Energieverbrauch des gesamten Sensorsystems (mit)bestimmt. Dabei kann sich der Energieverbrauch auf die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Messeinrichtung beziehen.
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Unter dem Begriff „Szene“ kann insbesondere derjenige räumliche Bereich verstanden werden, welcher von dem Sensorsystem mittels Methoden der Bildverarbeitung ausgewertet wird, wobei eine Erfassung der Szene in einem gewissen räumlichen Bereich erfolgt. In der Szene befindliche Objekte werden durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Dazu kann von der Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung auf bekannte Methoden zur Bildauswertung und/oder Bildanalyse zurückgegriffen werden. Die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung kann demzufolge ein spezieller Bildverarbeitungsprozessor sein und einen solchen aufweisen, der konfiguriert ist, bekannte Verfahren zur Bildauswertung und/oder Bildverarbeitung anzuwenden bzw. durchzuführen.
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Unter dem Begriff „Beleuchtungslicht“ sind in diesem Dokument diejenigen elektromagnetischen Wellen zu verstehen, welche von einer Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung ausgesandt werden und auf das betreffende Objekt der Szene treffen. Das „Messlicht“ sind die von bzw. an dem Objekt zurückgestreuten elektromagnetischen Wellen, welche von der Messeinrichtung bzw. einem Lichtempfänger der Messeinrichtung empfangen und für die dreidimensionale Auswertung der Szene verwendet werden.
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Die Begriffe „optisch“ und/oder „Licht“ können sich auf elektromagnetische Wellen beziehen, die eine bestimmte Wellenlänge bzw. Frequenz oder ein bestimmtes Spektrum von Wellenlängen bzw. Frequenzen haben. Insbesondere können die zum Einsatz kommenden elektromagnetischen Wellen dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich zugeordnet werden. Alternativ oder in Kombination können auch elektromagnetische Wellen verwendet werden, die dem ultravioletten (UV) oder dem infraroten (IR) Spektralbereich zugeordnet sind. Der IR Spektralbereich kann sich bis in den langwelligen IR Bereich mit Wellenlängen zwischen 3,5 µm bis 15 µm erstrecken, welche mittels des Lichtempfängers des Sensors erfasst werden können.
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Unter dem Begriff „Objekt“ kann jede räumlich körperliche Struktur verstanden werden, welche eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die zu einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. Streuung von Beleuchtungslicht führt und damit durch das resultierende Messlicht für die Messeinrichtung sichtbar ist. Das Objekt kann ein Gegenstand wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug oder ein Lebewesen wie beispielweise ein Mensch sein. Das Objekt kann ein in Bezug auf das Sensorsystem statisches oder ruhendes Objekt sein. Ferner kann das Objekt sich auch innerhalb der Szene bewegen, diese verlassen oder in diese eintreten. Durch eine wiederholte Szenenerfassung kann dann (durch einen Vergleich der mit verschiedenen Szenenerfassungen ermittelten verschiedenen Ortspositionen) die Bewegung (nach der Gesetzmäßigkeit Geschwindigkeit = Weg / Zeit) des Objekts bestimmt werden. Hierbei können je nach Anwendungsfall der Absolutwert der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsvektor, d.h. zusätzlich die Bewegungsrichtung, ermittelt werden.
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Die Größe und/oder die Form des räumlichen Bereichs, welcher dem Verschließkörper zugeordnet ist, kann abhängen von der Art des Verschließkörpers und dessen Bewegungsverhaltes. Außerdem kann er von der zu erwartenden Geschwindigkeit abhängen, mit der sich Objekte der Passage nähern und diese ggf. passieren wollen. Auch von einer zu erwartenden Aufmerksamkeit der Objekte, insbesondere von Personen ggf. in einem Fahrzeug, können die Größe und/oder die Form des räumlichen Bereichs abhängen.
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Der Verschleißkörper kann jedes beliebige Barriereelement sein, mittels welchem eine Öffnung temporär zumindest teilweise verschlossen werden kann. Der Verschließkörper kann beispielsweise sein (i) eine Schiebetür, (ii) eine Drehtür, (iii) ein Drehkreuz, (iv) ein Tor, insbesondere ein Garagentor, (v) eine Schranke, insbesondere an einem Bahnübergang oder einer Fahrzeugeinfahrt oder Fahrzeugausfahrt.
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Die Art des Verschließkörpers kann insbesondere von der Art der Passage und/oder von der Art der Objekte abhängen, für welche die Passage geöffnet bzw. verschlossen werden soll. Die Gefährdung durch einen Verschließkörper kann insbesondere durch dessen Schließkanten bestimmt sein, wenn sich der Verschließkörper bewegt, insbesondere öffnet. Schließkanten können in Hauptschließkanten, Nebenschließkanten und Gegenschließkanten unterteilt werden. Als Hauptschließkante wird eine primäre Kante des Verschließkörpers bezeichnet. Dies ist üblicherweise diejenige Verschließkante, welche bei einer Bewegung des Verschließkörpers die größte Strecke zurücklegt und damit (mit der größten Geschwindigkeit) den größten Bereich überstreicht. Die Hauptschließkante bestimmt die Hauptgefährdungszone des Verschließkörpers. Als Nebenschließkanten werden sekundäre Kante(n) eines Verschließkörpers bezeichnet, welche bei einer Bewegung des Verschließkörper typischerweise (mit einer kleineren Geschwindigkeit) eine geringere Distanz zurücklegen. Als Gegenschließkanten werden Kanten bezeichnet, welche typischerweise der Hauptschließkante gegenüberliegenden und/oder parallel zu dieser verlaufen. Eine Nebenschließkante legt bei einer Bewegung des Verschließkörper typischerweise (mit der geringsten Geschwindigkeit) die kleinste Distanz zurück.
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Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung kann ein beliebiger Prozessor sein, welcher mittels eines Computerprogramms auf geeignete Weise konfiguriert ist, um die erforderlichen Aufgaben in Bezug auf Datenverarbeitung und Steuerung auszuführen. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung kann also mittels einer Software sowie mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, realisiert werden. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung kann logisch und/oder apparativ mittels eines gemeinsamen Prozessors bzw. Funktionsblocks oder mittels mehrerer Prozessoren bzw. Funktionsblöcke realisiert werden. Auch eine Realisierung in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, ist möglich.
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Ein Verschließkörper kann beispielsweise eine Tür oder ein Tor sein. Folgende Arten von Türen bzw. Toren können mit dem beschriebenen Sensorsystem überwacht werden. Die folgende Liste ist nicht abschließend.
- (a) Drehflügeltüren/-tore: Dies sind Verschließkörper mit einem oder mit zwei Flügeln, die sich um eine senkrechte Achse an eine Flügelkante drehen.
- (b) Schiebetüren/-tore: Dies sind Verschließkörper mit einem oder mit mehreren sich horizontal bewegenden Türflügeln, die sich in ihre eigenen Ebene über eine Öffnung bzw. Passage hinweg bewegen.
- (c) Faltflügeltüren/-tore: Dies sind Verschließkörper mit zwei oder mehreren Flügeln, die miteinander gelenkig verbunden sind und bei denen eine Seite des Flügels mit einer Zarge verbunden ist.
- (d) Karusselltüren: Dies sind Verschließkörper mit zwei oder mehreren Türflügeln, die an einer gemeinsamen vertikalen Drehachse innerhalb einer Einfassung verbunden sind.
- (e) Rolltore: Dies sind Verschließkörper mit einem flexiblen Flügel, der vertikal bewegt wird und sich beim Öffnen auf eine Wickelwelle aufgewickelt.
- (f) Sektionaltore: Dies sind Verschließkörper mit einem nicht starren Flügel, der aus einer Anzahl von typischerweise horizontal miteinander verbundenen Sektionen besteht und in der Regel beim Öffnen vertikal angehoben wird. Die Art und Weise, wie der Flügel in der oberen Öffnungsposition abgelegt wird, ist abhängig von dem jeweiligen Typ (z.B. waagrecht, senkrecht, gefaltet).
- (g) Kipptore: Dies sind Verschließkörper mit einem starren Flügel, der bei einer Betätigung eine Kippbewegung ausführt und bei einer vollständigen Öffnung in einer oberen waagrechten Entstehung verbleibt.
- (h) Schiebetore: Dies sind Verschließkörper mit einem oder mehreren Flügeln, der/die horizontal bewegt wird bzw. werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem ersten Betriebsmodus zumindest ein Teil der Szene mit einer größeren räumlichen Genauigkeit erfassbar als in dem zweiten Betriebsmodus. Die Genauigkeit kann von der Intensität der Beleuchtung durch das Beleuchtungslicht und/oder von der räumlichen Auflösung der Messeinrichtung abhängen.
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Eine größere Beleuchtungsintensität sorgt in diesem Zusammenhang für eine bessere Ausleuchtung, so dass Objekte besser erkannt werden können. Eine größere räumliche Auflösung erfordert typischerweise deshalb einen höheren Energieverbrauch, weil pro Pixel eines Sensorchips eine gewisse Mindestanzahl von Photonen akkumuliert werden muss, um für das jeweilige Pixel ein vernünftig auswertbares Sensorsignal zu erhalten. Bei einer kleineren räumlichen Auflösung können auch mehrere typischerweise benachbarte Pixel über ein sog. „Binning“ zu einem übergeordneten Pixel mit einer entsprechend erhöhten Anzahl an akkumulierten Photonen zusammengefasst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Sensorsystem konfiguriert, die Szene mit einer zeitlichen Abfolge von Szenenerfassungen zu erfassen, wobei innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne die Anzahl an Szenenerfassungen in dem ersten Betriebsmodus größer ist als in dem zweiten Betriebsmodus. Dies bedeutet, dass eine (mittlere) Zeitauflösung bzw. eine (mittlere) Repetitionsrate in dem ersten Betriebsmodus größer ist als in dem zweiten Betriebsmodus. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass jede einzelne Szenenerfassung eine bestimmte Menge an Energie erfordert, so dass bei einer kleineren zeitlichen Auflösung der Energieverbrauch des Sensorsystems entsprechend reduziert ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Betriebsmodus ein Ruhezustand der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Messeinrichtung. Der Ruhezustand kann ein sog. Standby-Zustand oder „Sleep-Mode“ sein.
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In dem Ruhezustand kann das Sensorsystem, abgesehen von einer Überwachung eines Ereignisses, welches einen Übergang in den ersten (aktiven) Betriebsmodus veranlasst, keine Funktion ausführen. Die Überwachung kann jedoch auch ein Empfang eines Aufwecksignals aufweisen, welches (von der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung) von einer externen Überwachungseinheit empfangen wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der räumliche Bereich einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich, wobei der zweite Teilbereich zumindest teilweise unterschiedlich ist zu dem ersten Teilbereich. Die beiden räumlichen Teilbereiche können räumlich voneinander getrennt sein oder einen gewissen räumlichen Überlapp haben.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind den beiden räumlichen Teilbereichen unterschiedliche Aufgaben bzw. Gefährdungspotenziale zugeordnet. Der erste räumliche Teilbereich kann beispielsweise der unmittelbare Bewegungsbereich des Verschließkörpers sein, in welchem eine Kollision zwischen einem Objekt und dem Verschließkörper möglich ist. Dieser Teilbereich kann auch als Gefährdungsbereich bzw. als Sicherheitsbereich bezeichnet werden. Der zweite Teilbereich kann derjenige Bereich sein, in welchem Objekte erkannt werden, die sich möglicherweise in Richtung der Passage bewegen. Die Erkennung solche Objekte kann dann je nach Anwendungsfall dazu führen, dass der Verschließkörper von seiner Öffnungsposition in seine Schließposition oder umgekehrt bewegt wird. Ein solcher zweiter Teilbereich kann auch als Aktivierungsbereich bezeichnet werden.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass für die beiden Aufgaben „Sicherheit“ und „Aktivierung“, welche eine Szenenerfassung in unterschiedlichen räumlichen Bereichen erfordern, bisher typischerweise zwei unterschiedliche Arten von Sensoren eingesetzt werden. Für die Aufgabe „Aktivierung“ werden beispielsweise Radarsensoren, 3D Sensoren oder Wärmebildkameras eingesetzt. Für die Aufgabe „Sicherheit“ werden beispielsweise Kontaktleisteten oder Lichtschranken eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird bei der hier beschriebenen Lösung ein einziger Typ von 3D Sensor verwendet, um beide Teilbereiche zu erfassen. Dies bedeutet, dass die Aufgaben „Sicherheit“ und „Aktivierung“ nicht von zwei unterschiedlichen Sensortypen erfüllt werden. Dies stellt einen weiteren Vorteil in Bezug auf einen möglichst geringen Energieverbrauch dar.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist von zumindest einem der beiden räumlichen Teilbereiche die räumliche Ausdehnung und/oder die räumliche Lage in dem ersten Betriebsmodus verschieden von der räumlichen Ausdehnung und/oder die räumliche Lage in dem zweiten Betriebsmodus. Dies bedeutet anschaulich ausgedrückt, dass eine räumliche Aufteilung (mit oder ohne Überlappung) der beiden räumlichen Teilbereiche von dem Betriebszustand des Verschließkörpers abhängt. Durch eine solche dynamische räumliche Aufteilung kann die Maßnahme der Energieeinsparung zielgerichteter durchgeführt und damit zu einer noch besseren Energieeinsparung beigetragen werden.
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Die dynamische Aufteilung kann so weit gehen, dass in einem der beiden Betriebsmodi die Größe eines Teilbereiches Null ist. Dies bedeutet, dass dann keine räumliche Aufteilung in (zumindest) zwei Teilbereiche stattfindet. Eine solche „Schrumpfung auf die Größe Null“ kann dann sinnvoll sein, wenn der Verschließkörper in Ruhe ist, bevorzugt in seiner Schließposition. Dann ist nämlich in der Regel keine Kollision mit einem Objekt zu besorgen, weil sich der Verschließkörper nur in Richtung seiner Öffnungsposition bewegen kann. In dem anderen der beiden Betriebsmodi ist der gesamte räumlich Bereich in (zumindest) zwei Teilbereiche aufgeteilt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorsystem ferner auf eine adaptive optische Einrichtung zum Verändern des räumlichen Bereiches. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung ist dabei derart eingerichtet, dass der räumliche Bereich von dem aktuellen Betriebsmodus abhängt. Dabei können die Größe, die Form und/oder die räumliche Lage des räumlichen Bereiches von dem aktuellen Betriebsmodus abhängen. Durch eine dynamisch-optische Variation des räumlichen Bereiches, in welchem die Szene erfasst wird, in Abhängigkeit des Betriebszustand des Verschließkörper kann eine weitere Energieeinsparung realisiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die adaptive optische Einrichtung auch dazu verwendet werden kann, die vorstehend beschriebene Aufteilung des gesamten räumlichen Bereichs in zwei räumliche Teilbereiche abhängig von dem Betriebszustand des Verschließkörpers vorzunehmen.
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Die adaptive optische Einrichtung kann eine adaptive Optik wie beispielsweise eine deformierbare refraktive Linse oder ein Diffraktives Optisches Element (DOE) aufweisen. Eine solche adaptive Optik kann der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Messeinrichtung zugeordnet sein. Es können auch mehrere gegebenenfalls voneinander unabhängig aktuierbare adaptive Optiken zum Einsatz kommen. Selbstverständlich kann eine solche adaptive Optik auch mit anderen nicht adaptiven und damit zeitlich unveränderbaren optischen Elementen kombiniert werden.
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Unter dem Begriff Diffraktion (oder Beugung) wird in diesem Zusammenhang allgemein die räumliche Ablenkung einer elektromagnetischen Welle an strukturellen Hindernissen bezeichnet. Solche Hindernisse können sein eine Kante, ein Loch oder ein eindimensionales, ein zweidimensionales oder sogar ein dreidimensionales Gitter. Das DOE kann auf vorteilhafte Weise eine dynamische Anpassung bzw. Adaptierung der Beleuchtungscharakteristik während des Betriebs des Sensorsystems erlauben.
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Unter dem Begriff Refraktion (oder Brechung) wird bezeichnet die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle aufgrund einer räumlichen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die speziell für Lichtwellen durch den Brechungsindex n eines Mediums beschrieben wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorsystem ferner auf einen Datenausgang zum Ausgeben eines Ausgangssignals, welches für einen zukünftigen Betriebszustand des Verschließkörpers indikativ ist.
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Das Ausgangssignal kann insbesondere von der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung erzeugt werden, welche basierend auf einer automatischen Bildauswertung den Verschließkörper in geeigneter Weise steuert. Dabei kann beispielsweise bestimmten Objekten ein Durchgang durch die Passage verwehrt und anderen Objekten ein Durchgang durch die Passage erlaubt werden. Eine solche Unterscheidung kann durch eine automatische Bildauswertung in Bezug auf die Art und/oder die Identität eines Objekts erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung konfiguriert, zumindest zwei in einem bestimmten zeitlichen Abstand zueinander durchgeführte Szenenerfassungen gemeinsam auszuwerten, wobei die Anzahl der in beiden Szenenerfassungen in einem Pixel akkumulierte Photonen verwendet werden. Dadurch kann (zulasten der Zeitauflösung) die Lichtempfindlichkeit erhöht werden. Dies bedeutet, dass auch bei einer vergleichsweise geringen Intensität des Beleuchtungslichts noch deutliche Bilder der Szene (mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis) erfasst werden können. Anders ausgedrückt kann durch eine angemessene Reduzierung der Beleuchtungsintensität der Energieverbrauch des Sensorsystems weiter reduziert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass natürlich auch mehr als zwei Szenenerfassungen miteinander kombiniert werden können. Dabei kann die Anzahl an Szenenerfassungen, die gemeinsam verarbeitet werden, davon abhängen, wie hoch die erforderliche Zeitauflösung ist. Dies bedeutet, dass bei Objekten, die sich nur vergleichsweise langsam bewegen, die Anzahl an gemeinsam ausgewerteten Szenenerfassungen größer sein kann als bei Objekten, die sich schneller bewegen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Messeinrichtung auf (a) einen Lichtempfänger mit einer Vielzahl von Pixeln zum Empfangen des Messlichts und (b) eine mit dem Lichtempfänger gekoppelte Lichtempfänger-Steuereinrichtung, wobei die Lichtempfänger-Steuereinrichtung und der Lichtempfänger derart konfiguriert sind, dass zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammengefasst sind.
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Typischerweise werden zumindest einige der Vielzahl von Pixeln dahingehend zusammengefasst, dass jeweils eine gewisse Anzahl von Pixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammengefasst wird. Die gewisse Anzahl kann dabei beispielsweise (bevorzugt) zwei, drei, (bevorzugt) vier, sechs, (bevorzugt) acht, oder (bevorzugt) neun sein. Selbstverständlich ist auch eine noch stärkere Zusammenfassung von Pixeln möglich.
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Ein solches Zusammenfassen von Pixeln, welches auch als „Binning“ bezeichnet wird, hat die Wirkung, dass auf Kosten der räumlichen Auflösung die Anzahl an Photonen des Messlichts, die während einer Szenenerfassung von einem Pixel eingesammelt bzw. akkumuliert werden, entsprechend der Anzahl an zu einem übergeordneten Pixel zusammengefassten Pixeln erhöht wird. Dadurch verringert sich insbesondere bei schwachem Messlicht das sog. statistische Photonenrauschen, was die Szenenauswertegenauigkeit verbessert. Ein „Binning“ ist deshalb insbesondere bei einem schwachen Messlicht dann von Vorteil, wenn eine hohe räumliche Auflösung nicht erforderlich ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass über die Fläche des Lichtempfängers ein Binning auch lokal in lediglich zumindest einem Teilbereich der aktiven Flächen des Lichtempfängers durchgeführt werden kann. Dies führt dann zwar zu einer inhomogenen räumlichen Auflösung, welche nicht unbedingt gewünscht ist. Der Nachteil einer solchen inhomogenen räumlichen Auflösung wird aber in vielen Anwendungsfällen durch die erhöhte Photonenakkumulation überkompensiert. Ein lokales „Binning“ kann zumindest bei einigen bekannten Lichtempfängern ohne besondere elektronische oder apparative Elemente einfach durch eine entsprechende Ansteuerung des Lichtempfängers erfolgen, welche Ansteuerung das „Binning“ und damit den Betriebsmodus des Sensorsystems bestimmt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen wird ein lokales „Binning“ dahingehend durchgeführt, dass, von der Messeinrichtung gemessen und/oder von der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung erlernt, genau diejenigen Bereiche des Lichtempfängers, welche bei zumindest einer vorherigen Szenenerfassung zu wenig Lichtenergie erhalten haben, durch eine geeignete Ansteuerung des Lichtempfängers durch die Lichtempfänger-Steuereinrichtung bei nachfolgenden Szenenerfassungen in geeigneter Weise zu übergeordneten Pixel zusammengefasst werden. Ein solches dynamisch gesteuertes oder geregeltes „Binning“ kann während eines üblichen Betriebs des Sensorsystems (erlernt) und/oder während der Konfiguration des Sensorsystems beispielsweise im Rahmen einer (Erst)Installation, einer Wartung, einer zyklischen bzw. automatischen Re-Konfiguration etc. durchgeführt werden.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass bei einer nicht quadratischen Anzahl an zu einem übergeordneten Pixel zusammengefassten einzelnen Pixeln die räumliche Auflösung des Lichtempfängers entlang unterschiedlicher Richtungen jedenfalls dann unterschiedlich ist, wenn die einzelnen Pixel eine quadratische Form haben. Dies kann bei manchen Anwendungsfällen in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden. Ein solcher Anwendungsfall liegt beispielsweise dann vor, wenn eine Bewegung eines Objekts der Szene entlang einer vorbekannten Raumrichtung mit hoher Genauigkeit erfasst werden soll als eine Bewegung entlang einer anderen, vorzugsweise dazu senkrechten, Raumrichtung. In einem solchen Fall kann die Anzahl an Pixel, welche entlang einer Linie parallel zu dieser vorbekannten Raumrichtung (so wie sie auf dem Lichtempfänger abgebildet ist) angeordnet sind, größer sein als die Anzahl an Pixel, welche entlang einer dazu senkrechten Linie angeordnet sind. Dann ist die räumliche Auflösung entlang der Bewegungsrichtung größer als die räumliche Auflösung senkrecht zu der Bewegungsrichtung und das Bewegungsprofil eines solchen linear bewegten Objekts kann mit einer besonders hohen Genauigkeit auch bei einem vergleichsweise schwachen Messlicht ermittelt werden.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene Binning auch adaptiv als Reaktion auf zumindest eine zuvor erfasste (und ausgewertete) Szenencharakteristik (auf automatische Weise) aktiviert werden kann. Dies bedeutet, dass das „Binning“ von der Lichtempfänger-Steuereinrichtung nicht nur gesteuert sondern abhängig von den durch eine Szenenauswertung gewonnenen Ergebnissen geregelt wird. Dadurch wird eine besonders zuverlässige Szenenerfassung auch bei schwachem Messlicht ermöglicht, so dass das beschriebene Sensorsystem auch mit einem entsprechend schwachen Beleuchtungslicht und damit auf energieeffiziente Weise betrieben werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Beleuchtungseinrichtung auf (a) eine als Laser ausgebildete Beleuchtungslichtquelle zum räumlichen Abtasten der Szene mit einem ausgesandten Laserstrahl-Beleuchtungslicht, (b) eine zumindest annähernd punktförmige Beleuchtungslichtquelle, (c) eine Mehrzahl von einzelnen Beleuchtungslichtquellen, die insbesondere individuell ansteuerbar und jeweils einem bestimmten Raumwinkelbereich der Szene zugeordnet sind, und/oder (d) eine flächige Beleuchtungslichtquelle, insbesondere mit einer über die Fläche nicht homogenen Leuchtintensität.
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Ein die Szene abtastender Laserstrahl kann in bekannter Weise über zwei drehbare Spiegel mit zueinander nicht parallelen und bevorzugt senkrecht zueinander orientierten Drehachsen auf die jeweils zu beleuchtende Stelle der Szene gelenkt werden. Für eine solche (dynamisch adaptive) Ablenkung können auch nicht mechanische optische Elemente wie beispielsweise Diffraktive Optische Elemente (DOEs) verwendet werden. Die Ablenkung kann insbesondere durch die vorstehend beschriebene Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung gesteuert werden.
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Die eine zumindest annähernd punktförmige Beleuchtungslichtquelle kann eine (ausreichend starke) Halbleiterdiode, beispielsweise eine Laser- oder Leuchtdiode sein. Um gezielt die Szene flächig zu beleuchten, können geeignete Strahlformungssysteme, insbesondere Linsensysteme verwendet werden. Um die beschriebene raumwinkelabhängig ungleichmäßige Beleuchtung der Szene zu realisieren, können geeignete optische Elemente zur Strahlablenkung, Strahlteilung und/oder Strahlzusammenführung verwendet werden. Auch DOEs können auf vorteilhafte Weise verwendet werden.
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Die Mehrzahl von Beleuchtungslichtquellen, welche ebenfalls insbesondere Laser- oder Leuchtdioden sind, können (insbesondere individuell) von der vorstehend beschriebenen Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung angesteuert werden. Dies erlaubt auf vorteilhafte Weise eine adaptiv gesteuerte oder sogar geregelte Einstellung der Charakteristik des Beleuchtungslichts.
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Auch eine flächige Lichtquelle kann die Quelle für eine raumwinkelabhängig nicht homogene Intensitätsverteilung sein. Sofern es sich um eine räumlich homogen erleuchtete Fläche handelt, können geeignete optische Elemente zur Strahlablenkung, Strahlteilung, Strahlzusammenführung und/oder Strahlformung eingesetzt werden, um die beschriebene raumwinkelabhängig ungleichmäßige Beleuchtung der Szene zu realisieren.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung ferner derart konfiguriert, dass eine Bedeckungscharakteristik der Passage durch zumindest einen Verschließkörper steuerbar ist. Dadurch kann die Öffnung, welche beispielsweise ein Eingang (bzw. ein Ausgang) eines Gebäudes ist, auf energetisch günstige Weise automatisch überwacht werden und durch eine geeignete Ansteuerung eines Aktuators kann der Verschließkörper automatisch zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt werden. Dazu kann die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung des beschriebenen Sensorsystems mit der Steuerung eines bekannten Steuersystems für einen Verschließkörper gekoppelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene in einem vorbestimmten räumlichen Bereich, welcher zugeordnet ist einem Verschließkörper für eine Passage. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Beleuchten der Szene mit Beleuchtungslicht mittels einer Beleuchtungseinrichtung; (b) ein Empfangen von Messlicht, welches zumindest teilweise von zumindest einem in der Szene enthaltenen Objekt zurückgestreutes Beleuchtungslicht ist, mittels einer Messeinrichtung;
Messen von Distanzen zwischen dem Sensorsystem und dem zumindest einen Objekt basierend auf einer Lichtlaufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts mittels der Messeinrichtung;
Ermitteln einer dreidimensionalen Charakteristik der Szene basierend auf den gemessenen Distanzen mittels einer der Messeinrichtung nachgeschaltete Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung;
Empfangen eines Eingangssignals an einem Dateneingang, welches für einen aktuellen Betriebszustand des Verschließkörpers indikativ ist;
Betreiben der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Messeinrichtung in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Energieverbrauch, wenn sich der Verschließkörper in einem ersten Betriebszustand befindet; und
Betreiben der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Messeinrichtung in einem zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Energieverbrauch, wenn sich der Verschließkörper in einem zweiten Betriebszustand befindet, wobei der zweite Energieverbrauch kleiner ist als der erste Energieverbrauch.
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Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Vorsehen von unterschiedlichen Betriebsmodi mit jeweils unterschiedlichem Energieverbrauch der Energieverbrauch insgesamt (über eine längere Betriebszeit) gesenkt werden kann, wenn aufgrund der (zu erwartenden) Charakteristik der Szene die Anforderungen an die Genauigkeit der Szenenerfassung gerade nicht so hoch sind. Der zweite Betriebsmodus kann dabei (zweite) Szenenerfassungen liefern, welche im Vergleich zu (ersten) Szenenerfassungen beispielsweise eine geringere zeitliche Auflösung, eine geringere räumliche Auflösung, und/oder ein geringeres Signal-zu-Rauschverhältnis aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) ein Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts; (b) ein Vergleichen des erfassten Objekts mit zumindest einem in einer Datenbank hinterlegten Vergleichsobjekt; und (c), wenn das Objekt innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, ein Identifizieren des Objekts als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt.
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Die zugelassene Aktion kann beispielsweise eine erlaubte Passage durch eine Öffnung in einem Gebäude sein, welche Öffnung vor der Identifizierung als zugelassenes Objekt durch einen Verschließkörper verschlossen ist und erst nach der erfolgreichen Identifizierung durch eine entsprechende Bewegung des Verschließkörpers geöffnet wird. Die zu identifizierenden Objekte können bevorzugt Personen und/oder Fahrzeuge sein. Eine erfolgreiche Identifizierung kann zur Steuerung bzw. zur Aktivierung eines Verschließmechanismus für einen Verschließkörper vor einer Passage bzw. Öffnung eines Gebäudes sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines Sensorsystems des vorstehend beschriebenen Typs für ein Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Passage durch zumindest einen Verschließkörper.
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Der beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine auf energetisch effiziente Weise vorgenommene Erfassung und Auswertung einer optischen Szene auf vorteilhafte Weise bei Durchgängen eingesetzt werden kann, welche von einem Verschließkörper verschlossen werden können. Dies gilt insbesondere für Durchgänge, welche eine Verschließ- bzw. eine Bedeckungscharakteristik aufweisen, die von dem beschriebenen Sensorsystem gesteuert oder zumindest mitgesteuert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung des vorstehend beschriebenen Sensorsystems können auf energetisch effiziente Weise auch größere Distanzen überwacht werden, was naturgemäß zu einem früheren Erkennen einer Öffnungsanforderung des Verschließkörpers führt, was insbesondere bei sich schnell bewegenden Objekten von großem Vorteil sein kann. Ferner kann die Szene mit einem breiteren Erfassungswinkel erfasst werden, was beispielswiese zu einem frühzeitigen Erkennen von sich quer zur Öffnung bewegenden Querverkehr und damit zu einem zuverlässigeres Erkennen von Objekten in einem Gefährdungsbereich führen kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Öffnung ein Eingang oder ein Ausgang, insbesondere ein Notausgang in einem Gebäude. Durch das Erkennen eines zwar vorhandenen, aber sich ggf. nicht bewegenden Objektes in einem Durchgangsbereich kann ein Eingang oder Ausgang überwacht, insbesondere ein blockierter Notausgang erkannt, und die entsprechende Information an ein angegliedertes System, beispielsweise an ein Überwachungssystem, übermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Objekt eine Person oder ein Fahrzeug. In diesem Fall kann das Gebäude insbesondere ein Haus bzw. eine Garage sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen bzw. Verwendungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Bevor an späterer Stelle und bezugnehmend auf die Zeichnung exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, werden an dieser Stelle einige technische Überlegungen dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung stehen.
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TOF-basierende Sensorsysteme können generell sowohl in Bezug auf das Beleuchtungslicht als auch in Bezug auf das Messlicht in zwei grundsätzlich unterschiedliche Klassen unterteilt werden, welche beliebig miteinander kombiniert werden können.
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B1: Die erste Alternative (
B1) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Szene mittels eines einzelnen Beleuchtungslichtstrahls hoher Fokussierung und niedriger Divergenz (also hoher Kollimation) sequentiell abgetastet wird. Für jede Position des Beleuchtungslichtstrahls in der Szene wird eine Messung der Laufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts vorgenommen. Das Abtasten kann unter Verwendung von beweglichen optischen Komponenten, insbesondere Spiegel, realisiert werden. Alternativ oder in Kombination kann für ein sequentielles Abtasten der Szene mit dem Beleuchtungslichtstrahl ein Festkörper verwendet werden, welcher ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und integrierte photonische Strukturen bzw. Schaltungen aufweist. Bei einer geeigneten Ansteuerung dieser Strukturen wird der Beleuchtungslichtstrahl dann auf die gewünschte Stelle der Szene gerichtet. Ein solcher Festkörper ist beispielsweise aus
US 2015/293224 A1 bekannt.
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B2: Die zweite Alternative (B2) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Szene (auf einmal und flächig) beleuchtet wird. Bei Bedarf kann die Intensität des Beleuchtungslichts in ausgewählten Teilbereichen der Szene (punktuell) erhöht werden, um an diesen Stellen eine verbesserte 3D Objekterfassung zu ermöglichen. Eine solche räumlich ungleichmäßige Verteilung der Intensität des Beleuchtungslichts kann ohne bewegliche optische Komponenten beispielsweise mittels eines sog. Diffraktiven Optischen Elementes (DOE) erfolgen.
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M1: Eine erste Alternative (M1) für die Messung basiert auf gepulsten Beleuchtungslichtstrahlen. Dabei wird die „Reisezeit“ eines Lichtimpulses auf der Empfängerseite für jeden Pixel innerhalb eines Zeitfensters bestimmt und daraus die Entfernung abgeleitet.
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M2: Die zweite Alternative (M2) für die Messung basiert auf einer zeitlichen, bevorzugt sinusförmigen, Modulation des Beleuchtungslichts mit einer vorgegebenen Frequenz, wobei geeignete Werte für diese Frequenz von der zu erwartenden Laufzeit bzw. der maximalen Erfassungsdistanz abhängen. Auf der Seite des Lichtempfängers wird die Phasendifferenz für jeden Pixel gemessen und daraus die Distanzinformation abgeleitet.
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Beide Messprinzipien M1 und M2 basieren auf einer Integration der Anzahl von Photonen bzw. der in dem Lichtempfänger generierten Photoelektronen, welche auf jedem zu messenden Pixel eintreffen. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass ein stets vorhandenes Licht- bzw. Photonenrauschen von der Anzahl der in einem Pixel akkumulierten Photonen abhängt. Daher wird die aus der TOF Messung gewonnen Distanzinformation umso genauer, je höher die Anzahl an akkumulierten Photonen ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung mittels als Schiebetüren ausgebildeten Verschließkörpern .
- 2 illustriert eine Variation der Größe eines räumlichen Bereiches, in dem eine Szene erfasst wird, mittels einer adaptiven optischen Einrichtung.
- 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln zur Erhöhung der Lichtempfindlichkeit eines Lichtempfängers.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems 100 zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung bzw. Passage 184 abhängig von der Charakteristik einer von dem Sensorsystem 100 überwachten Szene 190. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 184 eine Eintrittsöffnung für Personen in ein Gebäude oder eine Garageneinfahrt für Kraftfahrzeuge. Die entsprechende Eingangsstruktur ist mit dem Bezugszeichen 180 versehen. Ein in der Szene befindliches Objekt 195 soll eine solche Person oder ein Kraftfahrzeug symbolisieren.
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Die Eingangsstruktur 180 umfasst eine stationäre Haltestruktur 182, welche einen Rahmen sowie eine Führung für zwei als Schiebetüren ausgebildete Verschließkörper 186 darstellt. Die Schiebetüren 186 können jeweils mittels eines Motors 187 entlang der durch zwei dicke Doppelpfeile dargestellten Verschieberichtungen bewegt werden. Die Ansteuerung der Motoren 187 erfolgt, wie im Folgenden dargelegt, mittels einer Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 des in diesem Dokument beschriebenen Sensorsystems 100.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Betriebszustand der beiden Schiebetüren 186 mittels jeweils eines Encoders 188 erfasst, welcher im Vergleich zu dem jeweiligen Motor 187 eine separate Einheit darstellt. In anderen Ausführungsformen kann der Encoder auch in dem jeweiligen Motor 187 integriert sein. Außerdem kann die Funktion des Encoders auch von der Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 übernommen werden.
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Der Betriebszustand der Schiebetüren 186 kann die jeweils aktuelle Position der Schiebetüren 186 und/oder die jeweils aktuelle Geschwindigkeit sein, mit welcher sich die Schiebetüren 186 von einer Öffnungsposition in eine Schließposition oder umgekehrt von der Schließposition zur der Öffnungsposition bewegen.
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Das Sensorsystem 100 weist auf eine Time Of Flight (TOF) Messeinrichtung 110, die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 sowie eine Datenbank 160.
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Die TOF-Messeinrichtung 110 wiederum weist eine Beleuchtungseinrichtung 130 und einen Lichtempfänger 120 auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die TOF-Messeinrichtung 110 auf bzw. sind der TOF-Messeinrichtung 110 zugeordnet (i) eine Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung 135 zum Steuern des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 130, (ii) eine dem Lichtempfänger 120 nachgeschaltete Messeinheit 125 zum Messen einer Lichtlaufzeit zwischen von der Beleuchtungseinrichtung 130 ausgesandten Beleuchtungslicht 131 und von dem Lichtempfänger 120 nach einer Streuung an dem Objekt 195 empfangenen Messlicht 196 und (iii) eine Lichtempfänger-Steuereinrichtung 140 zum Steuern des Betriebs bzw. zum Auswählen eines Betriebsmodus des Lichtempfängers 120.
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In der TOF-Messeinrichtung 110 sind alle optischen Komponenten des Sensorsystems 100 untergebracht. Bevorzugt ist das ganze Sensorsystem 100 (im Gegensatz zu der Darstellung von 1) als ein Modul aufgebaut, welches innerhalb einer kompakten Bauweise neben der TOF-Messeinrichtung 110 auch noch die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 sowie die Datenbank 160 aufweist.
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Im Betrieb des Sensorsystems steuert die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 die beiden Motoren 187. Eine dafür erforderliche elektrische Leistung zum Betätigen der Türen 186 wird jeweils von einer Endstufe bzw. einem Verstärker bereitgestellt, die bzw. der gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Gehäuse des jeweiligen Motors 187 integriert ist. Angesteuert werden die beiden Endstufen jeweils über ein Signal 152a, welches an einem Datenausgang 152 von der Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 ausgegeben wird und in diesem Dokument deshalb als Ausgangssignal 152a bezeichnet wird.
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In Übereinstimmung mit der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung hat der Betriebszustand der Türen 186 zumindest einen gewissen Einfluss auf den Betrieb der TOF Messeinrichtung 110. Konkret bestimmt dieser Betriebszustand den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 130 und den Betrieb des Lichtempfängers 120 (mit). Dieser Einfluss manifestiert sich in zwei Betriebsmodi des TOF Messeinrichtung 110. In einem ersten Betriebsmodus haben das Sensorsystem 100 und insbesondere die TOF Messeinrichtung 110 und weiter insbesondere die Beleuchtungseinrichtung 130 und/oder der Lichtempfänger 120 einen ersten Energieverbrauch. In einem zweiten Betriebsmodus haben diese Komponenten einen zweiten Energieverbrauch, der im Vergleich zu dem ersten Energieverbrauch geringer ist.
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Der Betriebszustand der Türen 186 wird mittels eines Datensignals bzw. einer Abfolge von Datensignale von den beiden Encodern 188 an jeweils einen Dateneingang 151 der Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 übermittelt. Dieses Datensignal wird in diesem Dokument- aus Sicht der Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150- auch als Eingangssignal 151a bezeichnet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verarbeitet die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 dieses Eingangssignal 151a auf geeignete Weise und steuert, u.a. abhängig von diesem Eingangssignal 151a, die Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung 135 und die Lichtempfänger-Steuereinrichtung 140 derart, dass sich eine Betriebsmodus einstellt, der den Energieverbrauch der Beleuchtungseinrichtung und/oder des Lichtempfängers 120 (mit)bestimmt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der erste Betriebsmodus mit dem höheren Energieverbrauch aktiviert, wenn die beiden Türen 186 bewegt werden, insbesondere von ihrer Öffnungsposition in ihre Schließposition. Der zweite Betriebsmodus mit dem niedrigeren Energieverbrauch wird aktiviert, wenn sich die beiden Türen 186 in Ruhe befinden.
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Die Szene 190 wird in einem räumlichen Bereich erfasst, welcher einen ersten Teilbereich 191 und einen zweiten Teilbereich 192 umfasst. Der erste Teilbereich 191 ist ein sog. Gefährdungsbereich. Sofern sich nämlich ein Objekt in diesem Gefährdungsbereich 191 befindet, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass dieses bei einer Schließbewegung der Türen 186 eingeklemmt und ggf. verletzt wird.
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Daher ist das Sensorsystem 100 derart konfiguriert, diesen Gefährdungsbereich 191 grundsätzlich mit einer sehr hohen Genauigkeit zu erfassen. Dazu sind in einem ersten Betriebsmodus eine entsprechend helle Beleuchtung dieses Gefährdungsbereiches 191 sowie eine Erfassung mit einer hohen Genauigkeit erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass dies relativ viel Energie erfordert. Wenn sich die Türen 186 jedoch nicht bewegen, dann ist die Gefahr eines Einklemmens bzw. eines Verletzen eines Objekts nicht gegeben. Daher ist es in einem zweiten Betriebsmodus völlig ausreichend, wenn der Gefährdungsbereich 191 von der Beleuchtungseinrichtung 130 mit einer geringeren Intensität beleuchtet und/oder wenn der Lichtempfänger 120 den Gefährdungsbereich 191 mit einer reduzierten Genauigkeit erfasst.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Teilbereich 192 ein Bereich, in dem Objekte erfasst werden, damit die Türen 186 in geeigneter Weise bewegt werden. Der zweite Teilbereich 192 wird in diesem Dokument deshalb als Aktivierungsbereich 192 bezeichnet. Der Aktivierungsbereich 192 ist in der Regel nicht sicherheitsrelevant (in Bezug auf eine Kollision einer Tür 186 mit einem Objekt). Deshalb wird der Aktivierungsbereich 192 bei der hier beschriebenen Ausführungsform unabhängig von dem Betriebszustand der Türen 186 immer nur so betrieben, dass auf Kosten der Genauigkeit der Szenenerfassung eine möglichst gute Energieeffizienz gegeben ist.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 100 in der Lage, eine Objekterkennung vorzunehmen. Dazu greift die Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung 150 auf einen in der Datenbank 160 abgelegten Datensatz von Referenzobjekten zu, welche ausgewählten Objekten entsprechen, die autorisiert sind, die Passage bzw. Öffnung 184 zu passieren. Dies bedeutet, dass bei einer geeigneten Annäherung des Objekts 195 an den Eingang 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet werden, wenn das erkannte Objekt 195 zumindest annähernd mit einem der hinterlegten Referenzobjekten übereinstimmt. Dies bedeutet anschaulich, dass bei der hier beschriebenen Verwendung des Sensorsystems 100 eine objektbasierte Zugangskontrolle stattfindet.
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Die 2 illustriert eine Ausführungsform, bei der die Größe des von dem Lichtempfänger 120 erfassten räumlichen Bereiches von dem Betriebszustand des Verschließkörpers abhängt. Dies wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer adaptiven optischen Einrichtung realisiert, welche zwei räumliche Konfigurationen 221a und 221b annehmen kann. Die adaptive optische Einrichtung ist schematisch mittels einer deformierbaren optischen Linse dargestellt. In einem ersten Betriebsmodus wird, mit einer besonders hohen Genauigkeit (hohe räumliche und/oder zeitliche Auflösung, großes Signal zu Rausch Verhältnis, etc.), ein vergleichsweise kleiner Teilbereich 291a der Szene erfasst. Dazu nimmt die adaptive optische Einrichtung die erste Konfiguration 221a (mit einer kleinen Brennweite) an. In einem zweiten Betriebsmodus wird, mit einer reduzierten Genauigkeit, ein vergleichsweise großer Teilbereich 291b der Szene erfasst. Dazu nimmt die adaptive optische Einrichtung die zweite Konfiguration 221b (mit einer großen Brennweite) an.
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Die adaptive optische Einrichtung kann mit jedem beliebigen Element realisiert werden, mit dem dynamisch Abbildungseigenschaften verändert werden können. So kann die adaptive optische Einrichtung beispielsweise mehrere entlang einer Achse verschiebbare Linsen mit unterschiedlicher Brennweite oder ein Objektiv mit variabler Brennweite aufweisen. Auch die Verwendung von zumindest einem DOE ist möglich, um eine entsprechende Variation der optischen Abbildung des Teilbereichs 291a/291b auf einen lichtsensitiven Chip des Lichtempfängers 120 zu ermöglichen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die von einer nicht dargestellten Beleuchtungseinrichtung ausgesandt Lichtmenge natürlich dann an besten ausgenutzt wird, wenn der Bereich der Szene, welcher von dem Lichtempfänger 120 erfasst wird, genau der gleiche Bereich ist, der von der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchtet wird. Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine zweite adaptive optische Einrichtung vorgesehen ist, welche der Beleuchtungseinrichtung zugeordnet ist.
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Die 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines als ein Halbleiter- bzw. CCD Chip ausgebildeten Lichtempfängers 320a bzw. 320b. Der Lichtempfänger 320a weist eine Vielzahl von lichtsensitiven bzw. Photonen sammelnden Pixeln 322a auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pixel 322a einer vollen räumlichen Auflösung des Lichtempfängers 320a zugeordnet, welche Auflösung durch die Halbleiter-Architektur des Chips 320a vorgegeben ist.
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Bei dem Lichtempfänger 320b sind jeweils vier der lichtsensitiven Pixel (für eine volle Auflösung) zu einem übergeordneten Pixel 322b (für eine erhöhte Photonenakkumulation pro Pixel auf Kosten einer reduzierten räumlichen Auflösung) zusammengefasst. Anschaulich ausgedrückt sammelt ein Pixel 322b im Vergleich zu einem einzelnen Pixel 322a eine vierfache Menge an Licht. Ein solches Zusammenfassen (Englisch „Binning“) reduziert die erforderliche (Mindest)Intensität des erfassten Messlichts, welche zum Auswerten des entsprechenden Bildbereiches der Szene benötigt wird. Da die Intensität des Messlichts unmittelbar von der Intensität des Beleuchtungslichts abhängt, kann durch das „Binning“ die Intensität des Beleuchtungslichts reduziert und damit der Energieverbrauch des Sensorsystems verringert werden.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das beschriebene „Binning“ in Abhängigkeit des Betriebszustands des nicht dargestellten Verschließkörpers durch eine entsprechende Ansteuerung ein und desselben Lichtempfängers 320a bzw. 320b realisiert. Dabei wird der Lichtempfänger entweder in einem ersten Betriebsmodus (mit voller Auflösung) oder in einem zweiten Betriebsmodus (mit zusammengefassten Photonen sammelnden Pixeln) betrieben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei unterschiedliche Betriebsmodi mit jeweils einer unterschiedlich starken Zusammenfassung von Pixeln zum Einsatz kommen können. Ferner ist es möglich, in unterschiedlichen Teilbereichen des Lichtempfängers jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Einzelpixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammenzufassen. Dann können einzelne Teilbereiche der Szene mit einer höheren räumlichen Auflösung (und einer geringeren Photonenakkumulation) und andere Teilbereich der Szene mit einer niedrigeren räumlichen Auflösung (und einer höheren Photonenakkumulation) erfasst werden. Das beschriebene lokale und unterschiedlich starke Zusammenfassen von Pixeln kann darüber hinaus nicht nur in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Verschließkörpers sondern zudem auch dynamisch bzw. adaptiv in genau solchen Teilbereichen durchgeführt werden, in denen sich gerade ein bestimmtes Objekt befindet.
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Es wird angemerkt, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensorsystem
- 110
- TOF Messeinrichtung
- 120
- Lichtempfänger
- 125
- Messeinheit
- 130
- Beleuchtungseinrichtung
- 131
- Beleuchtungslicht
- 135
- Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung
- 140
- Lichtempfänger-Steuereinrichtung
- 150
- Datenverarbeitungs- und Steuereinrichtung
- 151
- Dateneingang
- 151a
- Eingangssignal
- 152
- Datenausgang
- 152a
- Ausgangssignal
- 160
- Datenbank
- 180
- Eingangsstruktur
- 182
- stationäre Haltestruktur
- 184
- Öffnung / Passage
- 186
- Verschließkörper / Schiebetür
- 187
- Motor M
- 188
- Encoder E
- 190
- Szene
- 191
- erster Teilbereich
- 192
- zweiter Teilbereich
- 195
- Objekt
- 196
- Messlicht
- 221a
- adaptive optische Einrichtung (erster Zustand)
- 221b
- adaptive optische Einrichtung (zweiter Zustand)
- 291a
- Teilbereich mit erster Größe
- 291b
- Teilbereich mit zweiter Größe
- 320a/b
- Lichtempfänger / Sensorchip
- 322a
- Pixel
- 322b
- übergeordnetes Pixel / zusammengefasstes Pixel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2453252 B1 [0004]
- WO 2018/064745 A1 [0005]
- US 2015293224 A1 [0065]
