DE10355008A1

DE10355008A1 - Verfahren zur Verarbeitung eines Empfangssignals und optischer Sensor

Info

Publication number: DE10355008A1
Application number: DE10355008A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Lohmann
Original assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: US7569843B2; US20050265723A1; DE10355008B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Empfangssignals und einen optischen Sensor. Der erste Verfahrensschritt des Verfahrens betrifft das Speichern des Verlaufs eines Empfangssignals. In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt das Abtasten des Empfangssignals in einem vorgegebenen Zeitraster DELTAt. Der folgende Verfahrensschritt betrifft die Korrelation der bei der Abtastung erhaltenen Abtastwerte mit einer aus einer Folge von Matrixwerten bestehenden Filtermatrix zur Generierung eines aus einer diskreten Folge von Empfangssignalwerten bestehenden gefilteren Empfangssignals. In einem abschließenden Verfahrensschritt findet eine Bewertung des gefilterten Empfangssignals mit wenigstens einem Schwellwert zur Generierung eines Objektfeststellungssignals statt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Empfangssignals und einen optischen Sensor.

Ein optischer Sensor dieser An ist insbesondere von einem Lichtgitter gebildet. Derartige Lichtgitter weisen eine vorgegebene Anzahl von Strahlachsen definierenden Sender-Empfanger-Paaren auf, welche von einer Auswerteeinheit zyklisch nacheinander aktiviert werden. Jeder Sender emittiert Sendelichtstrahlen, die bei freiem Strahlengang auf den zugeordneten Empfänger geführt sind. Bei einer Strahlunterbrechung wenigstens einer Strahlachse wird mittels der Auswerteeinheit des Lichtgitters ein Abschaltbefehl generiert, mittels dessen beispielsweise eine Maschine abgeschaltet wird, deren Vorfeld mit dem Lichtgitter überwacht wird.

An den Ausgängen der einzelnen Empfänger stehen Einzel-Empfangssignale an. Während eines Zyklus werden die Empfänger sowie die zugeordneten Sender nacheinander aktiviert. Dadurch wird in der Auswerteeinheit ein zeitlicher Verlauf eines Empfangssignals registriert, welcher sich aus den Einzel-Empfangssignalen der Empfänger zusammensetzt.

Ein derartiges Lichtgitter ist beispielsweise aus der DE 3939 191 C2 bekannt. Dieses Lichtgitter weist eine zweikanalige Auswerteeinheit auf, die in jedem Auswertekanal einen Microcontroller aufweist. In den Microcontrollern wird aus dem Empfangssignal ein Objektfeststellungssignal generiert. Das Objektfeststellungssignal gibt an, ob sich ein Objekt in dem von den Strahlachsen definierten Überwachungsbereich befindet oder nicht. Den Microcontrollern in den Auswertekanälen ist jeweils eine Analogschaltung zugeordnet. Dort erfolgt zum einen eine Verstärkung des Empfangssignals. Des Weiteren erfolgt dort eine Vorverarbeitung des Empfangssignals.

Die Analogschaltung in einem Auswertekanal umfasst insbesondere einen zweikanaligen Verstärker und zwei diesen nachgeschaltete Komparatoren, die auf unterschiedliche Schaltschwellen eingestellt sind. Die Ausgangssignale der Komparatoren werden einem monostabilen Flip-Flop zugeordnet. Die an dem Flip-Flop anstehenden Signalimpulse werden einem Zähler zugeführt. Mit dieser Schaltung erfolgt eine Signalvorverarbeitung des Empfangssignals derart, dass festgestellt wird, ob eine Verschmutzung der Sender oder Empfänger vorliegt.

Nachteilig hierbei ist, dass derartige Analogschaltungen empfindlich gegen äußere Störeinflüsse sind wie zum Beispiel EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) – Störeinflüssen und thermischen Driften der einzelnen Bauelemente.

Durch derartige Störeinflüsse kommt es zur Verzerrungen und Verfälschungen der Empfangssignale und damit letztlich auch zu fehlerhaften Objektdetektionen. Dies führt zu einer unerwünschten Reduzierung der Nachweisempfindlichkeit des Lichtgitters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Verarbeitung von Empfangssignalen bereitzustellen, mittels dessen die Nachweisempfindlichkeit eines optischen Sensors erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Verarbeitung eines Empfangssignals eines optischen Sensors. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Ver lauf eines Empfangssignals gespeichert. In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt das Abtasten des Empfangssignals in einem vorgegebenen Zeitraster Δt. Der folgende Verfahrensschritt betrifft die Korrelation der bei der Abtastung erhaltenen Abtastwerte mit einer aus einer Folge von Matrixwerten bestehenden Filtermatrix zur Generierung eines aus einer diskreten Folge von Empfangssignalwerten bestehenden gefilterten Empfangssignals. In einem abschließenden Verfahrensschritt findet eine Bewertung des gefilterten Empfangssignals mit wenigstens einem Schwellwert zur Generierung eines Objektfeststellungssignals statt.

Durch die Filterung des Empfangssignals mittels der Filtermatrix gelingt eine Unterdrückung von Störsignalanteilen im Empfangssignal und gleichzeitig eine Hervorhebung der Nutzsignalanteile im Empfangssignal, wodurch die Nachweisempfindlichkeit des optischen Sensors, für welchen die erfindungsgemäße Signalauswertung erfolgt, erheblich erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für den Einsatz in optischen Sensoren, welche als Lichtgitter ausgebildet sind. Das Lichtgitter weist eine vorgegebene Anzahl von Sender-Empfänger-Paaren auf, welche die Strahlachsen des Lichtgitters definieren. Die Sender-Empfänger-Paare werden zyklisch nacheinander aktiviert. Das während eines Zyklus erhaltene Empfangssignal besteht aus der zeitlichen Folge der Einzel-Empfangssignale der einzelnen Empfänger des Lichtgitters. Die mit den zugeordneten Empfängern zyklisch aktivierten Sender emittieren Sendelichtstrahlen in Form von Sendelichtimpulsen, so dass die Einzel-Empfangssignale ebenfalls pulsförmig ausgebildet sind, wobei die Periodendauer eines Einzel-Empfangssignals durch die Pulsdauer der Sendelichtimpulse des zugeordneten Senders vorgegeben ist.

Die Abtastung des aus diesen Einzel-Empfangssignalen bestehenden Empfangssignalen erfolgt in einzelnen, aufeinanderfolgenden Abtastschritten. Bei jedem Abtastschritt wird ein Empfangssignalwert zu einem vorgegebenen Zeit punkt dadurch generiert, dass eine der Anzahl N der Anzahl der Matrixwerte entsprechende Anzahl Abtastwerten des Empfangssignals ermittelt und mit diesen korreliert wird. Diese Abtastwerte werden mit den Matrixwerten vorzugsweise dadurch korreliert, dass eine Linearkombination der Produkte der Folge der Abtastwerte und der Folge der Matrixwerte gebildet wird. Zur Ermittlung des gesamten Verlaufs des gefilterten Empfangssignals wird das gesamte Empfangssignal in den einzelnen Abtastschritten sukzessive abgetastet.

Damit der Verlauf der Einzel-Empfangssignale vollständig erfasst wird, sind die Abtastwerte des Empfangssignals, die innerhalb eines Abtastschrittes ermittelt werden, jeweils um ein Zeitraster Δt gegeneinander versetzt, wobei das Zeitraster Δt = T/N beträgt. Dabei ist T die Periodendauer eines Einzel-Empfangssignals und N die Anzahl der Abtastwerte innerhalb eines Abtastschrittes. Vorteilhafterweise werden in einem Abtastschritt vier Abtastwerte ermittelt, so dass das Zeitraster Δt einem Viertel der Periodendauer eines Einzel-Empfangssignals entspricht.

Dementsprechend weist auch die Filtermatrix eine Folge von vier Matrixwerten auf. Die Folge der Matrixwerte ist generell an den typischen Verlauf der Einzel-Empfangssignale angepasst, um eine optimale Filterwirkung zu erhalten.

Die pulsförmigen Einzel-Empfangssignale der Empfänger des Lichtgitters bestehen jeweils aus einem positiven Signalpeak, der das Nutzsignal des Empfängers enthält, sowie aus einem auf diesen folgenden negativen Signalpeak, welcher einen Überschwinger und damit einen Störsignalanteil des Einzel-Empfangssignals bildet.

Zur Elimination der Störsignalanteile aus den so ausgebildeten Einzel-Empfangssignalen weist die Filtermatrix einen mittelwertbildenden und einen differenzbildenden Anteil auf. Besonders vorteilhaft besteht dabei die Filtermatrix aus der Folge (1, 1, –1, –1) als Matrixwerten. Dies bedeutet, dass zur Generierung eines Empfangssignalwerts des gefilterten Empfangssignals bei einem Abtastschritt die ersten beiden Abtastwerte des Empfangssignals addiert werden und von dieser Summe die nachfolgenden beiden Abtastwerte subtrahiert werden.

Da die Matrixwerte der Filtermatrix nur die Werte 1 oder -1 enthalten, sind zur Korrelation des Empfangssignals jeweils nur die Summen oder Differenzen der Abtastwerte innerhalb eines Abtastschrittes zur Generierung eines Empfangssignalwerts durchzuführen. Aufwendige Multiplikationen oder Divisionen sind nicht notwendig.

Besonders vorteilhaft ist die Folge der Abtastwerte in einem Abtastschritt zur Folge der Abtastschritte des vorhergehenden Abtastschrittes um das Zeitraster Δt versetzt. Damit wird die Filtermatrix mit der Schrittweite von Δt in den einzelnen Abtastschritten über das Empfangssignal geschoben, wodurch dieses vollständig abgetastet und gefiltert wird. Die einzelnen aufeinanderfolgenden Empfangssignalwerte des gefilterten Empfangssignals sind dementsprechend um Δt gegeneinander zeitlich versetzt.

Da die Folge der Abtastwerte eines Abtastschrittes zur Folge der Abtastwerte des vorhergehenden Abtastschrittes genau um das Zeitraster Δt versetzt ist, mit welchem auch die Abtastwerte innerhalb eines Abtastschrittes generiert werden, können jeweils die ersten drei Abtastwerte eines Abtastschrittes vom vorhergehenden Abtastschritt übernommen werden. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung der Signalauswertung und damit zu einer signifikanten Reduzierung der benötigten Rechenzeit.

Zur Generierung des Objektfeststellungssignals wird das gefilterte Empfangssignal mit wenigstens einem Schwellwert berechnet. Prinzipiell kann die Höhe des Schwellwerts als Parameterwert fest vorgegeben werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein adaptiver Schwellwert zur Bewertung des gefilterten Empfangssignals verwen det, wobei dieser adaptive Schwellwert aus dem Verlauf des ungefilterten Empfangssignals abgeleitet wird. Zweckmäßigerweise wird der Schwellwert durch Mittelung über den Verlauf des Empfangssignals ermittelt. Insbesondere im Falle eines Lichtgitters werden zyklisch nacheinander mehrere Empfangssignale generiert. Zweckmäßigerweise wird dann eine vorgegebene Anzahl von Empfangssignalen abgespeichert, so dass der Schwellwert durch eine Mittelung über mehrere Empfangssignale berechnet wird. Durch eine derartige Schwellwertberechnung ist der adaptive Schwellwert bereits an den Verlauf des Empfangssignals angepasst. Durch die Mittelwertbildung werden zudem Störsignaleinflüsse weitgehend eliminiert, so dass diese die Festlegung des Schwellwerts nicht beeinflussen.

Der optische Sensor, insbesondere das Lichtgitter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist bevorzugt eine Auswerteeinheit mit einem digitalen Signalprozessor auf.

Durch den Einsatz eines digitalen Signalprozessors als Bestandteil der Auswerteeinheit entfällt eine Analogschaltung zur Vorverarbeitung der Empfangssignale. Als analoge Schaltungskomponenten werden typischerweise nur noch den Empfängern nachgeordnete Bauelemente zur Impedanzwandlung benötigt, um die Signalpegel der Empfangssignale für das Einlesen in den digitalen Signalprozessor anzupassen.

Da die Auswerteeinheit nahezu keine analogen Schaltungskomponenten mehr aufweist, ist diese unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse wie zum Beispiel EMV-Einstrahlungen oder thermisches Driften einzelner Schaltungskomponenten.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines als Lichtgitter ausgebildeten optischen Sensors zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.
2: Schematische Darstellung einer von einem digitalen Signalprozessor gebildeten Auswerteeinheit für das Lichtgitter gemäß 1.
3: Zeitlicher Verlauf des Empfangssignals des Lichtgitters gemäß 1.
1 zeigt den Aufbau eines als Lichtgitter 1 ausgebildeten optischen Sensors zur Überwachung eines Überwachungsbereichs. Das Lichtgitter 1 weist eine in einem ersten Gehäuse 2 integrierte Sendereinheit 3 und eine in einem zweiten Gehäuse 4 integrierte Empfängereinheit 5 auf. Die Sendereinheit 3 und die Empfängereinheit 5 befinden sich an gegenüberliegenden Rändern des Überwachungsbereichs.
Die Sendereinheit 3 weist eine Anordnung von Sendelichtstrahlen 6 emittierenden Sendern 7 auf. Die Sender 7 bestehen vorzugsweise aus identisch ausgebildeten Leuchtdioden und sind in Abstand nebeneinander liegend angeordnet, wobei die Sender 7 vorzugsweise äquidistant längs einer Geraden angeordnet sind. Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 6 ist jedem Sender 7 eine Sendeoptik 8 vorgeordnet. Die Sendeoptiken 8 sind im Bereich der Frontwand des Gehäuses 2 hinter einem nicht separat dargestellten Austrittsfenster angeordnet. Im vorliegenden Fall emittieren die Sender 7 Sendelichtstrahlen 6 im Infrarotbereich. Prinzipiell können die Sender 7 auch Sendelichtstrahlen 6 im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren.
Die optischen Achsen der im Überwachungsbereich geführten Sendelichtstrahlen 6 verlaufen parallel zueinander in der Ebene des Überwachungsbereichs.
Die Sender 7 werden von einer Sendersteuereinheit 9 angesteuert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Sender 7 im Pulsbetrieb betrieben. Die Sender 7 emittieren somit Sendelichtimpulse mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis. Die einzelnen Sender 7 emittieren zyklisch nacheinander Sendelichtimpulse, wobei die Taktung über die Sendersteuereinheit 9 erfolgt. Dabei werden innerhalb eines Abtastzyklus die Sender 7 entsprechend ihrer Reihenfolge in der Sendereinheit 3 in einer vorgegebenen Scanrichtung nacheinander aktiviert. Die Sendelichtimpulse des ersten Senders 7 dienen zur Synchronisation des Lichtgitters 1. Zweckmäßigerweise weisen hierzu die Sendelichtimpulse des ersten Senders 7 eine Kodierung auf, die sich eindeutig von den Kodierungen der Sendelichtimpulse der übrigen Sender 7 unterscheidet.
Die Empfängereinheit 5 weist eine Anordnung von identisch ausgebildeten, nebeneinander liegend angeordneten Empfängern 10 auf. Die Empfänger 10 bestehen vorzugsweise jeweils aus einer Fotodiode und sind äquidistant längs einer Geraden angeordnet. Jedem Empfänger 10 ist eine Empfangsoptik 11 vorgeordnet. Dabei liegt jeweils ein Empfänger 10 einem Sender 7 der Sendereinheit 3 gegenüber. Die Strahlformung der Sendelichtstrahlen 6 ist im vorliegenden Fall derart gewählt, dass bei freiem Strahlengang die Sendelichtstrahlen 6 eines Senders 7 jeweils nur auf den gegenüberliegend angeordneten Empfänger 10 treffen. Jeder Sender 7 und der diesem zugeordnete Empfänger 10 bildet eine Strahlachse des Lichtgitters 1.
Die Empfänger 10 werden über eine Empfängersteuereinheit 12 gesteuert. Die am Ausgang der Empfänger 10 anstehenden Einzel-Empfangssignale werden in einer Auswerteeinheit 13, die Bestandteil der Empfängersteuereinheit 12 ist, ausgewertet. Bei freiem Strahlengang des Lichtgitters 1 treffen die Sendelichtstrahlen 6 ungehindert auf die zugeordneten Empfänger 10 und generieren dort einem freien Strahlengang entsprechende Referenzempfangssignale.
Dringt ein Objekt in den Überwachungsbereich ein, so wird der Strahlengang der Sendelichtstrahlen 6 wenigstens eines Senders 7 unterbrochen, das heißt an diesem Empfänger 10 werden keine Referenzempfangssignale registriert.
Die Unterbrechungen der Strahlachsen werden in der Auswerteeinheit 13 zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet. Das Objektfeststellungssignal ist als binäres Schaltsignal ausgebildet, welche die Schaltabstände „0" und „1" aufweist. Der Schaltzustand „0" entspricht einem freien Strahlengang des Lichtgitters 1, das heißt in dem Überwachungsbereich wurde kein Objekt registriert. Der Schaltzustand „1" entspricht einem Objekteingriff in den Strahlengang des Lichtgitters 1. Vorzugsweise reicht bereits die Unterbrechung einer Strahlachse aus, damit ein Objekteingriff gegeben ist. Für den Fall, dass das Lichtgitter 1 im Bereich der Sicherheitstechnik eingesetzt wird, wird durch die Generierung eines derartigen Objektfeststellungssignals ein Abschaltbefehl zum Abschalten einer Maschine oder Anlage generiert, deren Vorfeld mit dem Lichtgitter 1 überwacht wird.
Das Lichtgitter 1 bildet dann eine Personenschutzeinrichtung, die verhindert, dass sich Personen während des Betriebes der Maschine in deren Vorfeld aufhalten.
Der Begriff Lichtgitter 1 umfasst generell Mehrfachanordnungen von Lichtschranken und Lichtvorhängen.
Prinzipiell kann das Lichtgitter 1 auch als Transceiver ausgebildet sein. In diesem Fall befinden sich die Sender 7 der Sendereinheit 3 und die Empfänger 10 der Empfängereinheit 5 in einem gemeinsamen Gehäuse, welches an einem Rand des Überwachungsbereichs angeordnet ist. In diesem Fall ist am gegenüberliegenden Rand des Überwachungsbereichs ein Reflektor angeordnet. Über diesen Reflektor werden bei freiem Strahlengang des Lichtgitters 1 die von den Sendern 7 emittierten Sendelichtstrahlen 6 zurück zu den zugeordneten Empfängern 10 reflektiert.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinheit 13 eines Lichtgitters 1, welches in nicht sicherheitskritischen Applikationen eingesetzt wird. Die Auswerteeinheit 13 weist daher einen einkanaligen Aufbau auf.
Die Auswerteeinheit 13 gemäß 2 besteht aus einem digitalen Signalprozessor 14. Der digitale Signalprozessor 14 weist einen der eigentlichen Prozessoreinheit 15 vorgeordneten Analog-Digital-Wandler 16 auf. Der Analog-Digital-Wandler 16 ist im vorliegenden Fall von einem 8 bit Analog-Digital-Wandler 16 gebildet, das heißt der Analog-Digital-Wandler 16 weist eine Wortbreite von n = 8 bit auf. Generell sind je nach Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 16 auch andere Bitbreiten möglich. Mit dem Analog-Digital-Wandler 16 erfolgt eine Digitalisierung der Empfangssignale.
Für den Fall, dass das Lichtgitter 1 in sicherheitskritischen Applikationen eingesetzt wird, weist die Auswerteeinheit 13 einen zweikanaligen Aufbau auf. In diesem Fall weist die Auswerteeinheit 13 zwei sich gegenseitig überwachende digitale Signalprozessoren 14 auf, wobei jedem digitalen Signalprozessor 14 ein Analog-Digital-Wandler 16 vorgeordnet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Auswerteeinheit 13 gemäß 2 ein nicht dargestellter integrierter Schaltkreis vorgeordnet. In diesem integrierten Schaltkreis werden zu den in den Empfängern 10 generierten Einzel-Empfangssignalen korrespondierende negative Einzel-Empfangssignale mit umgekehrten Vorzeichen generiert. Die positiven und negativen Einzel-Empfangssignale werden an zwei Ausgängen des integrierten Schaltkreises ausgegeben und einem ebenfalls nicht dargestellten Differenzverstärker, der als Operationsverstärker ausgebildet ist, zugeführt. Die im Differenzverstärker gebildeten Differenzen der positiven und negativen Einzel-Empfangssignale werden über den Analog-Digital-Wandler 16 dem digitalen Signalprozessor 14 zugeführt.
In der Empfängersteuereinheit 12 ist eine nicht dargestellte Takteinheit vorgesehen, mittels derer die einzelnen Empfänger 10 synchron zu den jeweils zugeordneten Sendern 7 aktiviert werden. Damit werden die Empfänger 10 analog zu den Sendern 7 zyklisch nacheinander aktiviert. Die in den Empfängern 10 in dem durch die Empfängersteuereinheit 12 vorgegebenen Takt einzeln nacheinander generierten und im integrierten Schaltkreis und dem Differenzverstärker vorverarbeiteten Einzel-Empfangssignale werden in den digitalen Signalprozessor 14 der Auswerteeinheit 13 eingelesen. In dem Analog-Digital-Wandler 16 werden die analogen Empfangssignale der Empfänger 10 seriell digitalisiert. Der zeitliche Verlauf des auf diese Weise gewonnenen und im digitalen Signalprozessor 14 abgespeicherten Empfangssignals, bestehend aus der Folge der Einzel-Empfangssignale, ist im oberen Diagramm von 3 dargestellt.
Entsprechend der Anzahl K der Empfänger 10 des Lichtgitters 1 besteht das Empfangssignal aus einer Folge von K Einzel-Empfangssignalen E_i (i = 1 ... K). Die Periodendauer T eines Einzel-Empfangssignalen E_i ergibt sich aus der Pulsdauer der vom jeweiligen Sender 7 emittierten Sendelichtimpulse. Im vorliegenden Fall weisen die Einzel-Empfangssignale E_i dieselbe Periodendauer T auf. Zwischen den einzelnen Einzel-Empfangssignalen E_i verbleiben geringe Signalpausen entsprechend der Taktfrequenz, mit welcher die Sender-Empfänger-Paare nacheinander aktiviert werden. In 3 ist der komplette Verlauf des Empfangssignals während eines Zyklus des Lichtgitters 1, bei welchem sämtliche Sender-Empfänger-Paare jeweils einmal aktiviert wurden, dargestellt. Dabei ist in 3 der Fall eines freien Strahlenganges dargestellt, bei welchem keine der Strahlachsen durch einen Objekteingriffunterbrochen ist.
Durch die Empfängercharakteristiken und die Signalvorverarbeitung des Empfangssignals weisen die Einzel-Empfangssignale E_i jeweils den in 3 dargestellten Signalverlauf auf. Demzufolge besteht jedes Einzel-Empfangssignal E_i aus einem positiven Signalpeak, auf welchen ein negativer Signalpeak folgt. Der positive Signalpeak enthält den Nutzsignalanteil, während der negative Signalpeak einen Überschwinger auf den positiven Signalpeak darstellt und einen Störsignalanteil bildet.
Für den Fall, dass eine der Strahlachsen unterbrochen ist, wird in dem jeweiligen Empfänger 10 kein Sendelichtimpuls registriert, so dass dann das Einzel-Empfangssignal E_i idealerweise den Wert Null annimmt.
Prinzipiell kann zur Generierung des Objektfeststellungssignals bereits das Empfangssignal gemäß dem oberen Diagramm mit einem Schwellwert bewertet werden, der dicht oberhalb des Nullpegels des Empfangssignals liegt. Eine nicht unterbrochene Strahlachse läge dann vor, wenn das entsprechende Einzel-Empfangssignal E_i den Schwellwert überschreiten würde. Entsprechend läge eine unterbrochene Strahlachse vor, wenn das Einzel-Empfangssignal E_i den Schwellwert nicht überschreiten würde.
Durch externe Störeinflüsse wie Fremdlichteinstrahlungen oder durch interne bauteilbedingte Störeinflüsse weisen jedoch die Einzel-Empfangssignale E_i nicht wie in 3 dargestellt jeweils einen identischen Verlauf auf. Vielmehr variieren die positiven und negativen Signalpeaks der Einzel-Empfangssignale E_i. Weiterhin können auch die Gleichspannungspegel der Einzel-Empfangssignale E_i variieren. Aufgrund dessen wäre mit einer Schwellwertbewertung des Empfangssignals keine sichere Objektdetektion gewährleistet.
Zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit des Lichtgitters 1 wird daher aus dem Empfangssignal gemäß dem oberen Diagramm in dem digitalen Signalprozessor 14 durch eine mittels einer Filtermatrix durchgeführte Filterung das im unteren Diagramm dargestellte gefilterte Empfangssignal generiert. Anhand des gefilterten Empfangssignals erfolgt dann im digitalen Signalprozessor 14 durch eine Schwellwertbewertung die Generierung des Objektfeststellungssignals.
Zur Filterung des Empfangssignals wird dieses in einem Zeitraster Δt abgetastet. Die dabei in einzelnen Abtastschritten ermittelten Abtastwerte des Empfangssignals werden mit der Filtermatrix korreliert.
Im oberen Diagramm von 3 sind die Zeitpunkte der einzelnen Abtastungen mit t₁, t₂, ... bezeichnet. Jeweils zwei aufeinanderfolgende Zeitpunkte t_n, t_n+1 sind um das Zeitraster Δt versetzt. Im vorliegenden Fall beträgt das Zeitraster Δt = T/4, das heißt ein Viertel einer Periodendauer eines Einzel-Empfangssignals E_i.
Zur Filterung des Empfangssignals wird dieses in einzelnen Abtastschritten sukzessive abgetastet, wobei die bei jedem Abtastschritt ermittelten Abtastwerte des Empfangssignals mit der Filtermatrix korreliert werden.
Die Filtermatrix M besteht aus einer Folge von vier Matrixwerten (M₁, M₂, M₃, M₄). Diese Matrixwerte enthalten einen mittelwertbildenden und einen differenzbildenden Anteil, wobei im vorliegenden Fall die Filtermatrix von folgenden Matrixwerten gebildet ist: M = (1, 1, –1, –1).
Während eines Abtastschrittes werden jeweils vier aufeinanderfolgende, jeweils um das Zeitraster Δt versetzte Abtastwerte A_i des Empfangssignals ermittelt und mit der Filtermatrix dadurch korreliert, dass eine Linearkombination der Produkte der Folge der Abtastwerte A_i und der Folge der Matrixwerte gebildet. Der dadurch ermittelte Empfangssignalwert F(t) als diskreter Funktionswert des gefilterten Empfangssignals zum Zeitpunkt t ergibt sich dabei gemäß folgender Beziehung: F(t) = Ai(t – 3/2Δt)·M1 + Ai+1(t – 1/2Δt)·M2 + Ai+2(t + 1/2Δt)·M3 + Ai+3(t + 3/2Δt)·M4
F(t) stellt dabei den Empfangssignalwert dar, der bei dem i-ten Abtastschritt ermittelt wurde. Dabei sind die Folgen der Abtastwerte von zwei aufeinanderfolgenden Abtastschritten um das Zeitraster Δt gegeneinander versetzt. Dies bedeutet, dass bei den einzelnen Abtastschritten die Filtermatrix jeweils um das Zeitraster Δt zur Abtastung des Empfangssignals weitergeschoben wird. Die bei einem Abtastschritt ermittelten Abtastwerte erstrecken sich dabei jeweils über eine Periode T eines Einzel-Empfangssignals E_i und sind dabei äquidistant jeweils um das Zeitraster Δt versetzt.
Das Empfangssignal gemäß 3 wird in einem ersten Abtastschritt zu den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂, t₃ abgetastet. Dadurch ergibt sich folgender Empfangssignalwert F(τ₀): F(τ0) = A0(t0)·1 + A1(t1)·1 + A3(t3)·(–1) + A4(t4)·(–1)
Dabei ist der Zeitpunkt τ des Empfangssignalwerts durch folgende Beziehung definiert: τ = (t1 + t2)/2
Demzufolge ergibt sich als Ergebnis des ersten Abtastschrittes: F[1/2(t1 + t2)] = A0(t0) + A1(t1) – A2(t2) – A3(t3)
Bei dem zweiten Abtastschritt werden die Matrixwerte M_i der Filtermatrix mit den Abtastwerten A_i in den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄ korreliert. Demzufolge ergibt sich als Ergebnis des zweiten Abtastschrittes: F[1/2 (t2 + t3)] = A1(t1) + A2(t2) – A3(t3) – A4(t4)
Für den dritten Abtastschritt ergibt sich als Ergebnis: F[1/2(t3 + t4)] = A2(t2) + A3(t3) – A4(t4) – A5(t5)
Auf diese Weise wird das gesamte Empfangssignal sukzessive abgetastet. Dabei werden die bei den Abtastschritten ermittelten Abtastwerte jeweils mit der Filtermatrix korreliert.
Da die Filtermatrix pro Abtastschritt jeweils um ein Zeitraster am Empfangssignal vorbeigeschoben wird und durch die Matrixwerte der Filtermatrix die Abtastwerte zur Berechnung eines Empfangssignalwerts lediglich addiert oder subtrahiert werden, werden zweckmäßigerweise die bei einem Abtastschritt i ermittelten Abtastwerte A_i, A_i+1, A_i+2, A_i+3 im digitalen Signalprozessor 14 zwischengespeichert. Beim nachfolgenden Abtastschritt i +1 können dann die Abtastwerte A_i+1, A_i+2, A_i+3 aus dem vorigen Abtastschritt i zur Berechnung des aktuellen Empfangssignalwerts wiederverwendet werden.
Wie aus dem unteren Diagramm von 3 ersichtlich weist das gefilterte Empfangssignal gegenüber dem ungefilterten Empfangssignal einen erheblich erhöhten Nutzsignalanteil auf.
Durch eine Schwellwertbewertung des gefilterten Empfangssignals wird demzufolge eine erhöhte Nachweissicherheit des optischen Sensors erhalten.
Wie aus dem unteren Diagramm von 3 ersichtlich wird das gefilterte Empfangssignal mit einem Schwellwert S bewertet. Prinzipiell können auch mehrere Schwellwerte zur Bewertung des gefilterten Empfangssignals vorgesehen sein.
Im vorliegenden Fall wird ein adaptiver Schwellwert S zur Bewertung des Empfangssignals herangezogen. Dabei wird der Schwellwert durch Mittelung über den Verlauf des ungefilterten Empfangssignals gewonnen. Im einfachsten Fall wird dabei die Mittelung über ein Empfangssignal, welches während eines Zyklus des Lichtgitters 1 erhalten wird, durchgeführt. Zweckmäßigerweise erfolgt die Mittelung über Empfangssignale mehrerer Zyklen, wodurch Störanteile des Empfangssignals weitgehend eliminiert werden.

1: Lichtgitter
2: Gehäuse
3: Sendereinheit
4: Gehäuse
5: Empfängereinheit
6: Sendelichtstrahlen
7: Sender
8: Sendeoptik
9: Sendersteuereinheit
10: Empfänger
11: Empfangsoptik
12: Empfängersteuereinheit
13: Auswerteeinheit
14: Digitaler Signalprozessor
15: Prozessoreinheit
16: Analog-Digital-Wandler
E_i: Einzel-Empfangssignale
K: Anzahl der Empfänger
S: Schwellwert
t₁, t₂, ...: Abtastungen
Δt: Zeitraster
T: Periodendauer

Claims

Verfahren zur Verarbeitung eines Empfangssignals eines optischen Sensors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: • Speichern des Verlaufs eines Empfangssignals, • Abtasten des Empfangssignals in einem vorgegebenen Zeitraster Δt, • Korrelation der bei der Abtastung erhaltenen Abtastwerte mit einer aus einer Folge von Matrixwerten bestehenden Filtermatrix zur Generierung eines aus einer diskreten Folge von Empfangssignalwerten bestehenden gefilterten Empfangssignals, • Bewertung des gefilterten Empfangssignals mit wenigstens einem Schwellwert zur Generierung eines Objektfeststellungssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Empfangssignals in mehreren Abtastschritten erfolgt, wobei bei jedem Abtastschritt eine Teilfolge von jeweils um das Zeitraster Δt versetzten Abtastwerten ermittelt wird, deren Anzahl N der Anzahl der Matrixwerte entspricht, wobei durch Korrelation der jeweils bei einem Abtastschritt ermittelten Abtastwerte mit der Folge der Matrixwerte ein Empfangssignalwert des gefilterten Empfangssignals berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Empfangssignalwerts eine Linearkombination der Produkte der bei einem Abtastschritt ermittelten Folge von Abtastwerten und der Folge von Matrixwerten der Filtermatrix gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines Empfangssignalwerts zum Zeitpunkt t jeweils eine Anzahl von N/2 oder (N – 1)/2 Abtastwerten vor und nach dem Zeitpunkt t liegenden Abtastwerten herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folge von Abtastwerten eines Abtastschrittes um das Zeitraster Δt bezüglich der Folge der Abtastwerte des vorigen Abtastschrittes zeitlich versetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal von einer Folge von Einzel-Empfangssignalen mit jeweils einer Periodendauer T gebildet ist, und dass das Zeitraster Δt = T/4 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtermatrix eine Folge von vier Matrixwerten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Filtermatrix bildenden Matrixwerte von der Folge (1, 1, –1, –1) gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das gefilterte Empfangssignal mit wenigstens einem fest vorgegebenen Schwellwert bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das gefilterte Empfangssignal mit wenigstens einem aus dem Empfangssignal abgeleiteten, adaptiven Schwellwert bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert durch Mittelung über den Verlauf des Empfangsverlaufs ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem optischen Sensor zyklisch nacheinander mehrere Empfangssignale generiert werden, deren Verläufe abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert durch Mittelung über eine vorgegebene Anzahl von Empfangssignalverläufen erfolgt.
Optischer Sensor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–13, mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen (6) emittierenden Sender (7) und wenigstens einem Empfänger (10) zum Empfang der Sendelichtstrahlen (6), wobei in Abhängigkeit der auf den Empfänger (10) auftreffenden Sendelichtstrahlen (6) an dessen Ausgang ein Empfangssignal generiert wird, und mit einer Auswerteeinheit (13), umfassend eine Speichereinheit zur Speicherung des Verlaufs des Empfangssignals, eine Rechnereinheit zur Abtastung des Empfangssignals in einem vorgegebenen Zeitraster und zur Korrelation der bei der Abtastung erhaltenen Abtastwerte mit einer aus einer Folge von Matrixwerten bestehenden Filtermatrix zur Generierung eines aus einer diskreten Folge von Empfangssignalwerten bestehenden gefilterten Empfangssignals, und eine Schwellwerteinheit zur Bewertung des gefilterten Empfangssignals mit wenigstens einem Schwellwert zur Generierung eines Objektfeststellungssignals.
Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Lichtgitter (1) mit einer vorgegebenen Anzahl von Strahlachsen ausgebildet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlachse einen Sendelichtstrahlen (6) emittierenden Sender (7) und einen zugeordneten Empfänger (10) aufweist, wobei die Sender (7) und die Empfänger (10) der Strahlachsen zyklisch nacheinander aktiviert sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb eines Zyklus an den einzeln nacheinander aktivierten Empfängern (10) anstehenden Einzel-Empfangssignale den Verlauf des Empfangssignals bilden.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) einen digitalen Signalprozessor (14) aufweist.
Optischer Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem digitalen Signalprozessor (14) wenigstens ein Analog-Digital-Wandler (16) zugeordnet ist, mittels dessen die Einzel-Empfangssignale des Empfangssignals in Digitalsignale umgewandelt werden.
Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (16) im digitalen Signalprozessor (14) integriert ist.