DE19508397C2 - Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von Marken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent P 44 24 008.

Dort sind an einem Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet, in deren Konstrast­ mustern die Positionen der Referenz-Marken kodiert sind. Wird ein Objekt, auf dem die optoelektronische Vorrichtung installiert ist, an dem Zielobjekt vorbei­ bewegt, trifft der Sendelichtstrahl der Vorrichtung auf die Referenz-Marken. In der Auswerteeinheit wird die in den Empfangssignalen enthaltene Ortsinforma­ tion über die Referenz-Marken dekodiert und zur Positionierung des Objekts relativ zum Zielobjekt verwendet.

Auf diese Weise können mit der optoelektronischen Vorrichtung nicht nur Ob­ jekte identifiziert, sondern auch relativ zu Zielobjekten ausgerichtet werden. Durch eine geeignete Ausbildung der Referenz-Marken kann diese Positionie­ rung sehr genau erfolgen. Zudem kann in den Referenz-Marken deren Absolutort kodiert sein. Dadurch kann ein fortlaufendes Ausrichten des Objekts bezüglich eines vorgegebenen Fixpunktes vermieden werden.

Die Referenz-Marken können ohne großen Aufwand an den Zielobjekten ange­ bracht werden. Bei Bedarf können die Referenz-Marken einfach ausgetauscht oder versetzt werden. Dies gewährleistet eine hohe Flexibilität und einfache Handhabbarkeit beim Installieren der Vorrichtung. Zudem sind die Referenz-Marken kostengünstig herstellbar.

Mittels der Vorrichtung erfolgt eine Positionierung in einer vorgegebenen Raum­ richtung.

Der Erfindung liegt in Weiterbildung des Gegenstands des Hauptpatentes die Auf­ gabe zugrunde, eine Positionierung der Vorrichtung relativ zu einem Zielobjekt in zwei Raumrichtungen zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-7 beschrieben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipaufbau der optoelektronischen Vorrichtung,

Fig. 2 eine auf einem Regalbediengerät angeordnete optoelektronische Vorrichtung vor einem Regallager,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Referenz-Marke,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zweier in einem Rahmen angeordneter Testmarken.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken dargestellt. Die Marken können beliebige Folgen und Formen von aneinander angrenzenden Hell-Dunkelflächen, vorzugsweise Schwarz-Weiß-Flächen, aufweisen. Insbeson­ dere können die Marken von Barcodes 2 gebildet sein. Die Barcodes 2 bestehen im wesentlichen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichelementen 2a, b definierter Länge und Breite.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sende­ element 3, einem Empfangselement 4 sowie einer Auswerteeinheit 5. Das Sende­ element 3 besteht aus einem Sender 6, vorzugsweise einer Laserdiode, sowie aus einer dem Sender 6 vorgeschalteten Sendeoptik 7 zur Fokussierung des Sende­ lichtstrahls 8. Der fokussierte Sendelichtstrahl 8 wird über eine Ablenkeinheit 9, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem rotierenden Polygon­ spiegelrad gebildet ist, abgelenkt und über den zu detektierenden Barcode 2 geführt. Die Drehachse des Polygonspiegelrads ist senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Äquatorialebene des Polygonspiegelrads angeordnet.

Der vom Barcode 2 reflektierte Empfangslichtstrahl 10 wird über das Polygon­ spiegelrad zum Empfangselement 4 geführt. Das Empfangselement 4 besteht aus einer Photodiode 11, in der der Empfangslichtstrahl 10 in ein elektrisches Empfangssignal gewandelt wird, und einem dieser nachgeschalteten Verstärker 12. Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit ist dem Empfangselement 4 eine Empfangsoptik 13 vorgeschaltet.

Das am Ausgang des Empfangselements 4 anstehende Empfangssignal wird der Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die Auswerteeinheit 5 weist eine Schwellwertein­ heit auf, mittels derer die Empfangssignale der Hellflächen von den Empfangs­ signalen der Dunkelflächen der Marken getrennt werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 an einem be­ weglichen Objekt, das als Regalbediengerät 14 ausgebildet ist. Das Regalbedien­ gerät 14 wird vorzugsweise auf nicht dargestellten Schienen an einer Regalwand 15 vorbeibewegt. Das Regalbediengerät 14 muß möglichst exakt vor einem be­ stimmten Regalfach 16 der Regalwand 15 positioniert werden, damit anschließend mit dem Regalbediengerät 14 selbsttätig Werkstücke aus dem Regalfach 16 entnommen bzw. in das Regalfach 16 eingelagert werden können. Hierzu weist das Regalbediengerät 14 nicht dargestellte Greifarme auf. Die Greifarme sind mit der Vorrichtung 1 starr verbunden und höhenverstellbar am Regalbediengerät 14 gelagert. Die geforderte Genauigkeit, mit der das Regalbediengerät 14 vor den einzelnen die Zielobjekte bildenden Regalfächern 16 positioniert werden muß, beträgt typischerweise ± 1 mm.

Die Positionierung des Regalbediengerätes 14 erfolgt mittels der optoelektroni­ schen Vorrichtung 1. Deren Sendelichtstrahl 8 ist auf die Regalwand 15 gerich­ tet. Während der Vorbeifahrt des Regalbediengerätes 14 an der Regalwand 15 wird der Sendelichtstrahl 8 über Referenz-Marken 17a, b geführt, die an den ein­ zelnen Regalfächern 16 angebracht sind.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei unterschiedliche Typen von Referenz-Marken 17a, b verwendet, nämlich Referenz-Marken zur Grob- 17a bzw. Feinpositionierung 17b des Regalbediengerätes 14 vor einem Regalfach 16.

Die Regalfächer 16 der Regalwand 15 sind identisch ausgebildet und in horizon­ taler und vertikaler Richtung aneinandergereiht. Ihre Frontseiten weisen recht­ eckige Querschnitte auf. Zur Unterscheidung der Regalfächer 16 sind diese in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils mit einer fortlaufenden Nummer ge­ kennzeichnet.

Die Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung sind als Referenz-Barcodes ausgebildet. In den Strichmustern der Referenz-Barcodes sind die Nummern der Regalfächer kodiert. Vorzugsweise wird eine vierstellige Dezimalzahl zur Kenn­ zeichnung der Regalfächer 16 verwendet, wobei die ersten beiden Ziffern die Numerierung der Regalfächer 16 in vertikaler und die letzten beiden Ziffern die Numerierung in horizontaler Richtung beinhalten.

Die Referenz-Barcodes sind an einem seitlichen Rand sowie am unteren Rand eines jeden Regalfaches 16 angeordnet. Dabei sind die Strichmuster der Refe­ renz-Barcodes senkrecht zur Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls 8 ange­ ordnet. Im vorliegenden Fall erfolgt die Abtastung der Referenz-Marken 17a, b durch einen in vertikaler Richtung verlaufenden Sendelichtstrahl 8. Bei dieser Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 werden lediglich die an den unteren Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Referenz-Marken 17a, b zur Positionierung verwendet. Dieser Fall soll im folgenden betrachtet werden. Alter­ nativ kann die Abtastebene des Sendelichtstrahls 8 um 90° gedreht sein, so daß der Sendelichtstrahl 8 in horizontaler Richtung geführt wird. In diesem Fall wer­ den die an den seitlichen Rändern der Regalfächer 16 angeordneten Referenz-Marken 17a, b zur Positionierung verwendet.

Die Kontrastmuster der Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung weisen in Längsrichtung eine eindeutige Ortsabhängigkeit auf. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Die Referenz-Marke 17b ist in Längsrichtung in mehrere Seg­ mente unterteilt, wobei jedes der Segmente nur einmal im Kontrastmuster vor­ kommt. Die Segmente selbst bestehen aus einer Folge von schwarzen und weißen Strichelementen unterschiedlicher Breite. Der Sendelichtstrahl 8 ist durch die Ablenkeinheit 9 zur Längsachse der Referenz-Marke 17b geführt. Um dies zu gewährleisten wird die Vorrichtung 1 von Inbetriebnahme justiert.

Die Breiten der Segmente nehmen zum Mittelpunkt der Referenz-Marke 17b ab. Die Anzahl und Breiten der Segmente sind symmetrisch zum Mittelpunkt der Referenz-Marke 17b. Die Breite des zentralen Segments ist an die geforderte Ortsauflösung angepaßt. Für eine geforderte Ortsauflösung von ± 1 mm beträgt die Breite des zentralen Segments 2 mm.

Die Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung sind jeweils zwischen zwei Re­ ferenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet.

Anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden die Positionierung des vom Regalbediengerät 14 gebildeten Objekts relativ zu den von den Regalfächern 16 gebildeten Zielobjekten beschrieben. Die Aufgabe bei der Positionierung besteht darin, das Regalbediengerät 14 mit hoher Genauigkeit zu einem Regalfach 16 mit vorgegebener Nummer zu positionieren. Dabei wird zunächst die Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 erläutert.

Während einer ersten Phase wird das Regalbediengerät 14 mit relativ hoher Ge­ schwindigkeit an den Regalfächern 16 vorbeibewegt. Die optoelektronische Vor­ richtung 1 registriert fortlaufend die von den Referenz-Marken 17a, b stam­ menden Empfangssignale und übermittelt die Positionsdaten an eine nicht darge­ stellte zentrale Rechnereinheit im Regalbediengerät 14, vorzugsweise eine SPS-Steuerung.

Während dieser Phase werden allein die von den Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung stammenden Daten in der Rechnereinheit ausgewertet. An­ hand der registrierten Nummern der Regalfächer 16 kann erkannt werden, wie weit sich das Regalbediengerät 14 dem Zielobjekt genähert hat.

Sobald das letzte Regalfach 16 vor dem das Zielobjekt bildenden Regalfach 16 erreicht ist, wird die Geschwindigkeit des Regalbediengeräts 14 drastisch redu­ ziert.

In der nun beginnenden zweiten Phase wird das Regalbediengerät 14 auf das Zielobjekt exakt ausgerichtet. Hierfür werden vorrangig die von den Referenz-Marken 17b zur Feinpositionierung stammenden Signale benötigt. Der anzusteu­ ernde Zielort ist dann erreicht, wenn die optoelektronische Vorrichtung 1 auf das Zentrum der Referenz-Marke 17b in dem Regalfach 16 mit der als Zielgröße vorgegebenen Regalfach-Nummer ausgerichtet ist.

Da beidseits der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung Referenz-Marken 17a zur Grobpositionierung angeordnet sind, wird unabhängig von der Fahrtrich­ tung des Regalbediengeräts 14 in jedem Fall die Referenz-Marke 17a zur Grob­ positionierung am Zielobjekt gelesen, bevor der Sendelichtstrahl 8 auf die Refe­ renz-Marke 17b zur Feinpositionierung trifft. Dadurch ist eine sichere Zuordnung der Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung zur betreffenden Nummer des Regalfaches 16 gewährleistet.

Nachdem durch die Fahrbewegung des Regalbediengerätes 14 der Sendelicht­ strahl 8 die Referenz-Marke 17a zur Grobpositionierung passiert hat und die ent­ sprechende Regalfachnummer in der Rechnereinheit registriert wurde, trifft der Sendelichtstrahl 8 auf die Referenz-Marke 17b zur Feinpositionierung.

Bei vorgegebener Fahrgeschwindigkeit verweilt der Sendelichtstrahl 8 für vor­ gegebene Zeitintervalle auf den einzelnen Segmenten. Diese Werte sind zweck­ mäßigerweise in Form eines Kennfelds als Sollwerte in der Rechnereinheit abgespeichert.

Da sich die Segmente in eindeutiger Weise voneinander unterscheiden, ist eine räumliche Zuordnung des Sendelichtstrahls 8 relativ zur Referenz-Marke 17b durch die Auswertung der Empfangssignale möglich.

Je weiter der Sendelichtstrahl 8 zum Zentrum der Referenz-Marke 17b vordringt, desto stärker wird die Geschwindigkeit des Regalbediengerätes 14 reduziert. Wird schließlich das Muster des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b registriert, wird das Regalbediengerät 14 angehalten, da es seine Zielposition erreicht hat.

Durch Vorgabe der Breite des zentralen Segments der Referenz-Marke 17b kann die Genauigkeit der Positionierung auf einfache Weise vorgegeben werden.

Zusätzlich zur Positionierung in Fahrtrichtung des Regalbediengeräts 14 kann die Vorrichtung 1 zusammen mit den Greifarmen des Regalbediengeräts 14 senk­ recht zur Fahrtrichtung positioniert werden. Hierzu ist die Vorrichtung 1 höhen­ verstellbar am Regalbediengerät 14 angeordnet.

Zur Bestimmung der Sollhöhe der Vorrichtung 1 ist, wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, an einer Halterung 18 ein Rahmen 19 befestigt. Der Rahmen 19 weist in der Mitte eine Öffnung 20 auf, durch die der Sendelichtstrahl 8 hin­ durch tritt. Die Öffnung 20 ist in Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 so groß gewählt, daß der durch die Öffnung 20 tretende Sendelichtstrahl 8 die an der Re­ galwand 15 angeordneten Referenz-Marken 17a, b vollständig erfaßt.

Auf den Rahmen 19 sind zwei Testmarken 21, 22 aufgebracht. Die Testmarken 21, 22 sind in einer Ebene senkrecht zur Abtastebene, in der der Sendelichtstahl 8 verläuft angeordnet. Die Strichelemente der Testmarken 21, 22 verlaufen senk­ recht zur Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 in horizontaler Richtung. Vor­ zugsweise befinden sich die Testmarken 21, 22 in einem Abstand von ca. 50-100 cm zur Vorrichtung 1.

Das Funktionsprinzip der Positionierung ist insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich. Der Sendelichtstrahl 8 wird bei einer Abtastung zuerst über die Testmarke 21 geführt und tritt dann durch die Öffnung 20. Dabei erfaßt er die am Regalfach 15 angeordnete Referenz-Marke 17b. Schließlich trifft der Sendelichtstrahl 8 auf die Testmarke 22.

Vorteilhafterweise sind die Breiten der Strichelemente der Testmarken 21, 22 in der Auswerteeinheit 5 abgespeichert. Somit kann durch Erfassen der Zeitpunkte der Detektion der Testmarken 21, 22 der momentane Absolutort des Sende­ lichtstrahls 8 bestimmt werden.

Nach einer Abtastung werden die Abstände d₁, d₂ der Referenz-Marke 17b zu den Testmarken 21, 22 bestimmt. Die Testmarken 21, 22 sind bezüglich des Sendelichtstrahls 8 so angeordnet, daß die Vorrichtung 1 relativ zur Referenz-Marke 17b dann richtig postitioniert ist, wenn die Abstände d₁ und d₂ gleich groß sind.

Sind die Abstände d₁ und d₂ unterschiedlich, so wird die Differenz der Abstände an die zentrale Rechnereinheit weitergegeben. Über die zentrale Rechnereinheit wird ein Motor zur Höhenverstellung der Greifarme, die mit der Vorrichtung 1 verbunden sind, angesteuert, bis die Abstände d₁ und d₂ denselben Wert annehmen.

Die Richtung der Höhenverstellung ergibt sich aus dem Vorzeichen der Diffe­ renz d₁-d₂. Hierzu müssen in der Vorrichtung 1 die Abstandswerte d₁ und d₂ unterschieden werden können. Dies kann zum einen durch die Abtastrichtung des Sendelichtstrahls 8 ermittelt werden. Wenn die Testmarke 21 vom Sende­ lichtstrahl 8 zuerst abgetastet wird, wird der Abstand d₁ vor dem Abstand d₂ er­ mittelt, so daß hierdurch eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Testmarken 21, 22 unterschiedliche Strichmuster auf, so daß durch die Detektion der unterschied­ lichen Testmarken 21, 22 eine Unterscheidung von d₁ und d₂ ermöglicht wird.

Die vertikale Positionierung kann immer dann erfolgen, wenn eine der Referenz-Marken 17a, 17b durch die Öffnung 20 des Rahmens 19 hindurch erfaßt wird. Die vertikale Postitionierung kann demzufolge während der Grob- und der Feinpositionierung in horizontaler Richtung erfolgen.

Claims (7)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kon­ trastmustern versehenen Marken mit einem Sendeelement und einem Empfangselement, wobei an einem relativ zur Vorrichtung beweglichen Zielobjekt Referenz-Marken angeordnet sind, in deren Kontrastmustern die Positionen der Referenz-Marken kodiert sind, welche von der optoelek­ tronischen Vorrichtung zu deren Positionierung relativ zum Zielobjekt gelesen und in einer Auswerteeinheit durch Vergleich mit Sollwerten ausgewertet werden, wobei in Längsrichtung, in welcher die Bewegung der Vorrichtung relativ zum Zielobjekt erfolgt, am Zielobjekt drei Referenz-Marken mit in Längsrichtung verlaufenden, die Kontrastmuster bildenden Strichelementen vorgesehen sind, welche von einem vom Sendeelement emittierten, senkrecht zur Bewegungsrichtung geführten Sendelichtstrahl abgetastet werden, wobei den Kontrastmustern der beiden äußeren Referenz-Marken die Absolut-Positionen der Referenz-Marken kodiert sind, wobei bei der Positionierung eine der Referenz-Marken zur Grobpositionierung der Vorrichtung zum Zielobjekt abgetastet wird, wobei das Kontrastmuster der mittleren Referenz-Marke in Bewegungsrichtung eine vom Ort eindeutige funktionale Abhängigkeit aufweist, welche die Zielposition, auf die die Vorrichtung auszurichten ist, beinhaltet und wobei anschließend an die Grobpositionierung zur Feinpositionierung auf die Zielposition die Kontrastmarke von der Vorrichtung abgetastet wird nach Patent 44 24 008, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenem Abstand zur Vorrichtung (1) in Bewegungsrichtung des Sendelichtstrahls (8) in Abstand zueinander zwei Testmarken (21, 22) so angeordnet sind, daß mittels des zwischen den Testmarken (21, 22) durchtretenden Sendelichtstrahls (8) die Referenz-Marken (17a, b) erfaßbar sind, wobei die Abstände (d1, d2) der Referenz-Marken (17a, b) zu den Testmarken (21, 22) zur Positionierung der Vorrichtung (1) in der Auswerteeinheit (5) aus­ gewertet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese starr mit Greifarmen verbunden ist, welche höhenverstellbar an einem das Objekt bildenden Fahrzeug angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziel­ objekte von in einer Regalwand (15) angeordneten Regalfächern (16) ge­ bildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug von einem in definiertem Abstand zur Regalwand (15) bewegten schienengebundenen Regalbediengerät (14) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Strichelemente der Testmarken (21, 22) in der Aus­ werteeinheit (5) abgespeichert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Testmarken (21, 22) unterschiedliche Strichmuster aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem Abstand von 50-100 cm von den Testmarken (21, 22) angeordnet ist.