DE19601661C1 - Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich - Google Patents
Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem ÜberwachungsbereichInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 44 05 376 C1 bekannt.
Mittels einer optoelektronischen Vorrichtung werden die Positionen von Objek
ten in einem Überwachungsbereich erfaßt. In der Auswerteeinheit der Vor
richtung sind Konturen von definierten Referenz-Objekten abgespeichert. Dabei
kann es sich insbesondere um relativ zur Vorrichtung stationär angeordnete Ob
jekte handeln oder um Objekte, die sich entlang einer vorgegebenen Bahn im
Überwachungsbereich bewegen. Der letztere Fall ist beispielsweise bei Vorrich
tungen, die auf spurgeführten Fahrzeugen montiert sind, realisiert. Die Objekte
sind dann beispielsweise von Wandelementen oder Wänden gebildet, an denen
sich das Fahrzeug vorbeibewegt.
Während einer Abtastung überstreichen der Sendestrahl oder gegebenenfalls
mehrere Sendestrahlen verschiedener Sender den Überwachungsbereich. Dabei
ist der Sendestrahl entsprechend der Ausdehnung des zu detektierenden Objekts
mehrfach auf das Objekt gerichtet. Die dabei am Empfänger registrierten Positi
onsmeßwerte werden in der Auswerteeinheit mit den Sollwerten für die Kontur
des Objekts verglichen. Hierzu wird wenigstens ein Toleranzband definiert, wo
bei die Breite des Toleranzbandes abhängig von der Streuung der Meßwerte ge
wählt wird; vorzugsweise liegt die Breite des Toleranzbandes in der Größenord
nung der Standardabweichung der Positionsmeßwerte am Rand des Überwa
chungsbereichs, d. h. an der Stelle, die am weitesten von der Vorrichtung ent
fernt ist.
Ein Objekt mit der genannten Kontur gilt dann als erkannt, wenn eine vorgege
benen Mindestanzahl von Positionsmeßwerten innerhalb des Toleranzbandes re
gistriert wird.
Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, daß zur Bewertung, ob ein Objekt
mit der bekannten Kontur vorliegt, nicht einzelne Positionsmeßwerte, sondern
mehrere über einen Raumbereich verteilte Postionsmeßwerte herangezogen
werden.
Für die Erkennung eines Objekts wird lediglich gefordert, daß eine Mindestan
zahl von Positionsmeßwerten innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.
Demzufolge kann das Objekt auch dann erkannt werden, wenn einzelne Meß
werte fehlerhaft sind. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die mit diesem Verfahren
erzielte Detektionssicherheit geringer ist als bei einer Einzelmessung.
Dadurch ist die Detektionssicherheit bei geeigneter Wahl des Toleranzbandes
beträchtlich größer als bei einer Einzelmessung.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß eine vollständige Information
über die Geometrie der im Überwachungsbereich befindlichen Referenz-Objekte
vorliegen muß. Entsprechend den Geometriedaten der Referenz-Objekte sind die
in der Auswerteeinheit abgespeicherten Toleranzbänder zu dimensionieren.
Demzufolge ist dieses Verfahren auf die Fälle beschränkt, in welchen die Be
schaffenheit der Referenz-Objekte bekannt ist und sich diese nicht zeitlich
ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das eingangs genannte Verfahren da
hingehend zu verbessern, daß es unabhängig von der Beschaffenheit der Refe
renz-Objekte einsetzbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-14 beschrieben.
Erfindungsgemäß werden im Überwachungsbereich stationär angeordnete Refe
renz-Objekte mittels des Sendestrahls in mehreren aufeinanderfolgenden Abtast
ungen vermessen. Durch Mittelung der so ermittelten Postitionswerte wird die
Referenzkontur der Referenz-Objekte in der Auswerteeinheit berechnet und ab
gespeichert. Durch die Mehrfachabtastung wird die Meßsicherheit bei der Er
mittlung der Referenzkontur erhöht.
Zur Erfassung von in den Überwachungsbereich eindringenden Objekten, insbe
sondere für den Fall daß diese vor den Referenz-Objekten angeordnet sind,
werden die Differenzen der aktuellen Positionsmeßwerte, die bei einer Abtast
ung ermittelt werden, und den jeweiligen Referenz-Postionswerten, welche die
Referenzkontur bilden, in der Auswerteeinheit berechnet.
Diese Differenzwerte werden mittels zweier Toleranzbänder bewertet. Das erste
Toleranzband geht von einem Fixpunkt aus, welche von dem kleinsten Diffe
renzwert gebildet ist und erstreckt sich in Richtung größerer Differenzwerte. An
das erste Toleranzband schließt das zweite Toleranzband in Richtung größerer
Differenzwerte an.
Die Anzahl der in die Toleranzbänder fallenden Differenzwerte wird in der Aus
werteeinheit ausgewertet. Ist die Anzahl der in das erste Toleranzband fallenden
Differenzwerte größer als die Anzahl der Differenzwerte im zweiten Toleranz
band, so ist kein Objekt im Überwachungsbereich angeordnet. Im umgekehrten
Fall befindet sich ein Objekt im Überwachungsbereich.
Ebenso wie bei dem in der DE 44 05 376 C1 beschriebenen Verfahren wird die
Detektionssicherheit bei der Erfassung von Objekten dadurch erhöht, daß zur
Entscheidung, ob ein Objekt im Überwachungsbereich angeordnet ist, nicht Ein
zelmessungen herangezogen werden sondern eine Vielzahl von Meßwerten. Für
detaillierte Ausführungen zu den Vorteilen, die sich durch die Auswertung der
Meßwerte mittels verschiedener Toleranzbänder ergeben wird auf die
DE 44 05 376 C1 verwiesen, deren Inhalt somit in die Offenbarung dieser An
meldung miteinbezogen wird.
Im Gegensatz zu dem dort beschriebenen Verfahren werden erfindungsgemäß
die Differenzwerte der aktuellen und der Referenz-Positionswerte mittels zweier
Toleranzbänder bewertet. Ein wesentlicher Vorteil dieses Vorgehens besteht
darin, daß diese Differenzwerte unabhängig von den Geometrien der Referenz-Ob
jekte sind. Demzufolge können die Geometrien der Toleranzbänder unabhängig
von den Geometrien der Referenz-Objekte gewählt werden. Vorteilhafterweise
sind die Breiten der Toleranzbänder über den gesamten Überwachungsbereich
konstant.
Somit sind zu Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens keine Vor
kenntnisse über die Geometrie der im Überwachungsbereich befindlichen Refer
enz-Objekte erforderlich. Dies erhöht die Flexibilität und Verfügbarkeit des Ver
fahrens beträchtlich.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der
Fixpunkt, von dem das erste Toleranzband ausgeht, von dem kleinsten Differenz
wert eines Satzes von Differenzwerten ausgeht. Die Differenzwerte sind defin
iert als Differenz zwischen dem jeweiligen aktuellen Positionswert und dem ent
sprechenden Referenz-Positionswert. Die Differenzwerte sind demzufolge nega
tiv, falls ein Objekt vor einem Referenz-Objekt angeordnet ist. Je größer die Ab
weichung eines aktuellen Meßwerts von dem Referenz-Positionswert ist, desto
wahrscheinlicher ist es, daß dieser Meßwert nicht von dem Referenz-Objekt
sondern von dem Objekt stammt.
Durch die Wahl des kleinsten Differenzwerts als Fixpunkt ist mit der größt
möglichen Wahrscheinlichkeit der von einem Objekt stammende Meßwert im
ersten Toleranzband. Dadurch wird die Detektionssicherheit bei der Erfassung
von Objekten weiter erhöht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden bei der Berechnung
der Differenzwerte die Differenzen von aktuellen und Referenz-Positionswerten
mit Gewichtungsfaktoren gewichtet, welche proportional zu den Streuungen der
Positionswerte, die zur Berechnung der Referenzkontur verwendet werden, sind.
Dadurch können Unterschiede in der Materialbeschaffenheit der Referenz-Ob
jekte ausgeglichen werden. Je nach Materialbeschaffenheit der Referenz-Objekte
sind die Streuungen der entsprechenden Positionswerte unterschiedlich groß.
Durch Gewichtung der Differenzwerte mit zu den Streuungen proportionalen
Gewichtungsfaktoren wird erreicht, daß die Quotienten der Differenzen der
Positionswerte und der Gewichtungsfaktoren nahezu unabhängig von der Mate
rialbeschaffenheit der Referenz-Objekte sind. Dies hat den Vorteil, daß die
Breiten der Toleranzbänder nicht an die verschiedenen Streuwerte der Ober
flächen der einzelnen Referenz-Objekte angepaßt werden müssen.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen von Objekten,
Fig. 2 Vorrichtung nach Fig. 1 mit dem von der Vorrichtung überwach
ten Bereich,
Fig. 3 Positionswerte Pi in Abhängigkeit des Winkels i,
Fig. 4 Referenzkontur R in Abhängigkeit des Winkels i,
Fig. 5 Referenzkontur R gemäß Fig. 4 nach erfolgter Kantenkorrektur,
Fig. 6 Referenzkontur R gemäß Fig. 5 sowie aktuelle Positionswerte Ai
in Abhängigkeit des Winkels i,
Fig. 7 Differenzen Ai-Ri der aktuellen und Referenz-Postitionswerte Ri
sowie Gewichtungsfaktoren Gi in Abhängigkeit des Winkels i,
Fig. 8 Differenzwerte Di in Abhängigkeit des Winkels i falls kein Objekt
im Überwachungsbereich angeordnet ist,
Fig. 9 Differenzwerte Di gemäß Fig. 8 falls ein Objekt im Überwa
chungsbereich angeordnet ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten 2 dargestellt. Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 als eine einen Sender 3
und einen Empfänger 4 aufweisende optoelektronische Vorrichtung 1 ausgebil
det. Prinzipiell braucht die Vorrichtung 1 nicht als optoelektronische Vorrich
tung 1 ausgebildet sein, so daß der Sender 3 Sendestrahlen 5 emittiert, die bei
spielsweise von Ultraschallstrahlbündeln oder Mikrowellenstrahlen gebildet sind.
Der Sender 3 emittiert im vorliegenden Ausführungsbeispiel Sendelichtstrahlen
5, die mittels einer Sendeoptik 6 fokussiert werden. Der Sender 3 ist zweckmäß
igerweise als Laserdiode ausgebildet. Das fokussierte Sendelicht 5 wird über
eine Ablenkvorrichtung 7 abgelenkt. Die Ablenkvorrichtung 7 ist von einem
über einen Motor 8 angetriebenen, rotierenden Drehspiegel 9 ausgebildet, der
den Sendelichtstrahl 5 über den Überwachungsbereich 10, der in diesem Fall die
Form einer Ebene aufweist, führt. Durch die Rotation der Ablenkvorrichtung 7
wird der zu überwachende Bereich 10 periodisch abgetastet.
Während einer Abtastung, d. h. während einer Umdrehung der Ablenkvorrich
tung 7, wird der in Fig. 1 dargestellte halbkreisförmige Überwachungsbereich
10 einmal vom Sendelichtstrahl 5 vollständig überstrichen.
Der Sendelichtstrahl 5 trifft auf das Zentrum des Drehspiegels 9 und wird vom
Drehspiegel 9 auf das Objekt 2 geführt. Die von einem Objekt 2 diffus reflek
tierten Empfangslichtstrahlen 11 werden vom Randbereich des Drehspiegels 9
über eine Empfangsoptik 12 dem Empfänger 4 zugeführt. Der Empfänger 4 ist
vorzugsweise als Fotodiode ausgebildet.
Alternativ zur Ablenkvorrichtung 7 können mehrere jeweils nebeneinander lie
gend angeordnete Sender 3 und Empfänger 4 zur Überwachung des Bereichs
eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Vorrichtung 1 zweckmäßigerweise als
Lichtgitter ausgebildet.
Zur Bestimmung der Position der Objekte 2 im Überwachungsbereich 10 wird
mit der Vorrichtung 1 die Distanz des Objekts 2 zur Vorrichtung 1 bestimmt.
Die Entfernungsmessung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Phasenmeßprin
zip.
Das Sendelicht wird über einen Oszillator 13 mit einer Frequenz f amplituden
moduliert. Zur Bestimmung der Distanz des Objekts 2 von der Vorrichtung 1
wird die Phasendifferenz zwischen dem Sendelichtstrahl 5 und dem vom Objekt
2 reflektierten Empfangslichtstrahl 11 gemessen und in einen Entfernungswert
umgerechnet.
Dem Empfänger 4 ist ein Phasendetektor 14 nachgeschaltet. Dort wird das vom
Oszillator 13 zum Sender 3 geführte Sendesignal und das am Ausgang des
Empfängers 4 anstehende Empfangssignal in Signale umgesetzt, die die Phasen
differenz zwischen Sende- und Empfangssignal enthalten.
Hierzu werden die Sende- und Empfangssignale auf phasenempfindliche Gleich
richter 15, 16 geführt. Die Signale an den Ausgängen der phasenempfindlichen
Gleichrichter 15, 16 enthalten jeweils einen Faktor, der die Phasendifferenz ent
hält, sowie einen Amplitudenfaktor, der ein Maß für die Empfangslichtintensität
ist.
Zur Elimination der Amplitudenfaktoren wird das Empfangssignal jeweils einem
dem Gleichrichter 15, 16 nachgeschalteten Tiefpaß 17, 18 zugeführt, wobei die
Gleichrichter 15, 16 über einen Phasenschieber 19 um π/2 phasenversetzt sind.
An den Ausgängen der Tiefpässe 17, 18 liegen Signale der Form A · sin Δ ϕ
und A · cos Δ ϕ an, wobei A der Amplitudenfaktor und Δ ϕ die Phasendiffe
renz von Sende- und Empfangssignal darstellt. In einer Auswerteeinheit 20, die
eine Rechnereinheit, vorzugsweise einen Microcontroller, aufweist,wird der
Quotient tan Δ ϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A
eliminiert wird. Anschließend wird aus der Phasendifferenz Δ ϕ der Entfer
nungswert bei bekannter Modulationsfrequenz f berechnet.
Der Entfernungswert wird zusammen mit einem mittels an der Ablenkvorrich
tung 7 angeordneten, in den Zeichnungen nicht dargestellten Winkelgeber ermit
telten Winkel, unter dem das Sendelicht ausgesendet wird, in der Auswerteein
heit 20 gespeichert. Dieser Winkel ergibt zusammen mit dem Entfernungswert
die Absolutposition des Objekts 2 im Überwachungsbereich 10.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 2 darge
stellten Anwendungsbeispiels erläutert.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist am Rand des Überwachungsbereiches
10 ortsfest angeordnet. Durch die Ablenkvorrichtung 7 werden die Sendelicht
strahlen 5 entlang einer Halbebene geführt. Im dargestellten Anwendungsbei
spiel ist der Überwachungsbereich 10 von einer Kreislinie begrenzt, die in vor
gegebenem Abstand zur Vorrichtung 1 verläuft.
Innerhalb des Überwachungsbereiches 10 sind zwei Referenz-Objekte 2′ statio
när angeordnet. Die Referenz-Objekte 2′ können von Maschinen oder derglei
chen gebildet sein.
Zur Erfassung der Konturen der Referenz-Objekte 2′ werden diese mit der Vor
richtung 1 mehrfach abgetastet, wobei kein Objekt 2 im Überwachungsbereich
10 angeordnet ist. Die Anzahl der Abtastungen ist über die Auswerteeinheit 20
vorgegebbar und liegt typischerweise in der Größenordnung von 30-100 Ab
tastungen. Bei jeder Abtastung werden die Postitionwerte Pi der Referenz-
Objekte 2′ wie in Fig. 3 dargestellt ermittelt.
Aus den verschiedenen Sätzen dieser Postitionswerte Pi wird in der Auswerte
einheit 20 durch Mittelwertbildung die Referenzkontur R, welche sich aus ein
zelnen Referenz-Positionswerten Ri zusammensetzt, berechnet. Diese Referenz
kontur R ist in Fig. 4 dargestellt.
Je größer die Winkelauflösung der Vorrichtung 1 ist, desto mehr Referenz-Posi
tionswerte Ri werden ermittelt und desto genauer ist die Erfassung der Referenz
kontur R.
Zweckmäßigerweise werden aus den verschiedenen Sätzen der Postitionsmeß
werte Pi auch deren Steuungen σi berechnet, wobei σi die Streuung des Refe
renz-Positionswerts Ri bei der Winkelposition i darstellt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, erstrecken sich die Referenz-Objekte 2′ nicht über
den gesamten Überwachungsbereich 10. Daher trifft in bestimmten Winkelposi
tionen der Sendelichtstrahl 5 auf keines der Referenz-Objekte 2′, was einem
Entfernungswert unendlich oder zumindest außerhalb des Überwachungsbereichs
10 entspricht. Zweckmäßigerweise wird in diesem Fall der Positionswert Pi auf
den Wert des Randes des Überwachungsbereichs 10 gesetzt. Dessen Entfernung
zur Vorrichtung 1 in Abhängigkeit der Winkelposition des Sendelichtstrahl 5 ist
in der Auswerteeinheit 20 abgespeichert.
Die dem freien Strahlengang entsprechenden Positionswerte Pi sind in Fig. 4 ab
gesetzt von der Referenzkontur R und ergänzen diese so, daß sich die Referenz
kontur R über die gesamte Breite des Überwachungsbereichs 10 erstreckt.
Zwischen den Teilstücken der Referenzkontur R, welche dem freien Strahlen
gang entsprechen, und dem Rest der Referenzkontur R entsteht ein unstetiger
Übergang, welcher der Position der Kanten der Referenz-Objekte 2′ entspricht.
Insbesondere durch mechanische Ungenauigkeiten der Ablenkvorrichtung 7
kann bei verschiedenen Abtastungen die Kante eines Referenz-Objekts 2′ in un
terschiedlichen Winkelstellungen erfaßt werden. Dadurch können sich einzelne
Positionswerte Pi sprunghaft ändern, da unter dem entsprechenden Winkel i ein
mal eine Kante eines Referenz-Objekts 2′ einmal erfaßt und dann einmal nicht
mehr erfaßt wird.
Um derartige Meßfehler bei der Auswertung zu unterdrücken wird der Wert des
Referenz-Positionswerts Ri, welcher einer Kante eines Referenz-Objekts ent
spricht, auch für den benachbarten Referenz-Positionswert Referenz-Positions
wert Ri+1 bzw. Ri-1 übernommen, welcher bereits der dem freien Strahlengang
entspräche. Durch diese Kantenkorrektur wird die in Fig. 5 dargestellte Refe
renzkontur R erhalten.
Zweckmäßigerweise wird in der Auswerteeinheit 20 eine Referenzkontur R ver
worfen, wenn sie von weniger als einer Mindestanzahl von N Referenz-Posi
tionswerten Ri gebildet ist, wobei N im Bereich 15-30 liegt. Diese Begrenzung
ist deshalb erforderlich, weil während des Arbeitsbetriebes vorwiegend Objekte
2 erkannt werden sollen, die vor der Referenzkontur R angeordnet sind. Um
eine möglichst hohe Detektionssicherheit zu erhalten werden Meßwerte nicht nur
vom Objekt 2 sondern auch vom dahinter angeordneten Referenz-Objekt 2′ be
nötigt. Entsprechend der Orts- und Winkelauflösung der Vorrichtung 1 können
Objekte 2 nur dann erkannt werden, wenn sie einen Mindestdurchmesser auf
weisen. Bei Überwachungsbereichen 10, die typischerweise bis zu einer Distanz
von 5 m Abstand von der Vorrichtung 1 erstrecken, weisen die kleinsten auflös
baren Objekte 2 Durchmesser von der Größenordnung von 50 mm auf, wodurch
sich die Mindestgröße der Referenzkontur R und sich die Mindestanzahl N er
gibt.
Ebenso wird eine Objektmeldung als ungültig verworfen, wenn ein Objekt 2
nicht wenigstens mit einer vorgegebenen Anzahl M von Positionswerten Pi er
kannt wird. Zweckmäßigerweise liegt M im Bereich 2M5.
Die Ermittlung der Referenzkontur R kann zweckmäßigerweise vor Beginn des
eigentlichen Arbeitsbetriebs der Vorrichtung 1 , während dessen die Erfassung
von Objekten 2 im Überwachungsbereich 10 erfolgt, erfolgen.
Alternativ kann zu Zwecken der Nachkalibrierung der Vorrichtung 1 die Be
rechnung der Referenzkontur R in vorgegebenen Zeitabständen auch während
des Arbeitsbetriebs wiederholt werden.
Voraussetzung hierfür ist, daß während der Zeitintervalle, in denen die Be
rechnung der Referenzkontur R erfolgt, lediglich die Referenz-Objekte 2′, je
doch keine Objekte 2 im Überwachungsbereich 10 vorhanden sind.
Hierzu weist die Vorrichtung 1 zweckmäßigerweise eine Objektmeldungsein
richtung auf, welche anzeigt, ob sich ein Objekt 2 im Überwachungsbereich 10
befindet. Die Objektmeldungseinrichtung wird zweckmäßigerweise von der Aus
werteeinheit 20 angesteuert. Nur wenn keine Objektmeldung erfolgt, wird die
Berechnung der Referenzkontur R durchgeführt.
Zur Erfassung von Objekten 2 im Übewachungsbereich 10 wird dieser von der
Vorrichtung 1 fortlaufend abgetastet. Die Auswertung erfolgt mittels zweier
Toleranzbänder T₁, T₂ wie nachstehend ausführlich erläutert wird. Die während
einer Abtastung ermittelten aktuellen Positionswerte Ai werden fortlaufend mit
den jeweiligen Referenzpositionswerten Ri der Referenzkontur R in der Aus
werteeinheit verglichen (Fig. 6).
Alternativ können die aktuellen Positionswerte Ai über eine bestimmte Anzahl
von Abtastungen gemittelt werden. In diesem Fall werden die gemittelten
aktuellen Positionswerte Ai mit der Referenzkontur R verglichen.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die Streuungen der aktuellen Positions
werte Ai reduziert werden.
Zur Auswertung werden nicht die aktuellen Positionswerte Ai unmittelbar ausge
wertet, sondern die Differenzen der aktuellen Positionswerte Ai und der Refe
renz-Positionswerte Ri.
Im einfachsten Fall werden Differenzwerte Di gebildet, welche den Differenzen
Ai-Ri entsprechen:
Di = Ai-Ri.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die
Differenzen Ai - Ri mit Gewichtungsfaktoren Gi gewichtet, so daß gilt:
Di = (Ai-Ri)/Gi
Die Gewichtungsfaktoren Gi sind proportional zu den Streuungen σi der Refe
renz-Positionswerte Ri:
Gi = σi/K
K ist eine Konstante, die zweckmäßigerweise an die Breiten der Toleranzbänder
T₁, T₂ angepaßt ist. Zweckmäßigerweise liegt die Konstante K im Bereich 20-
40 mm.
Das erste Toleranzband T₁ geht vom Fixpunkt F aus, welcher von dem kleinsten
Differenzwert Di eines Satzes von Differenzwerten Di über den gesamten Win
kelbereich gewonnen wird (Fig. 8, 9).
Das erste Toleranzband T₁ erstreckt sich vom Fixpunkt F in Richtung größerer
Differenzwerte Di. An das erste Toleranzband T₁ schließt sich das zweite Tole
ranzband T₂ in Richtung größerer Differenzwerte Di an. Die Differenzwerte Di
sind unabhängig von den Geometrien der Referenz-Objekte 2′.
Sind im Überwachungsbereich 10 keine Objekte 2 sondern lediglich Referenz-
Objekte 2′ vorhanden, so schwanken die Differenzwerte Di entsprechend der
Streuungen σi um den Wert Null. Größere Abweichungen entstehen lediglich
durch die Kantenkorrekturen der Referenzkontur R, wodurch sich größere Ab
weichungen in Richtung positiver Differenzwerte ergeben. In Fig. 8 und Fig. 9
sind jeweils drei derartige Abweichungen erkennbar. Diese sind jedoch unkri
tisch, da die Abweichungen in Richtung größerer Distanzwerte gehen und bei
der Auswertung nicht zu einem gefahrbringenden Zustand führen. Die aktuellen
und Referenzpositionswerte Ai, Ri für die Bereiche, in welchen die Sendelicht
strahlen 5 auf kein Referenzobjekt 2′ treffen werden jeweils auf den Wert des
Randes des Überwachungsbereichs 10 gesetzt, so daß die entsprechenden Differ
enzwerte Di exakt den Wert Null annehmen.
Falls die Differenzwerte Di mit den Gewichtungsfaktoren Gi gewichtet sind,
sind diese nicht nur unabhängig von den Geometrien der Referenz-Objekte 2′
sondern auch weitgehend unabhängig von deren Materialbeschaffenheit, da die
oberflächenbedingten Unterschiede der Streuungen der Referenz-Positionswerte
Pi durch die Gewichtungsfaktoren Gi, welche proportional zu den Streuungen σi
sind, kompensiert werden.
Aufgrund dessen kann die Dimensionierung der Toleranzbänder T₁, T₂ unab
hängig von deren Materialbeschaffenheit und Geometrie gewählt werden.
Zweckmäßigerweise sind die Breiten beider Toleranzbänder T₁, T₂ über den ge
samten Überwachungsbereich 10 konstant (Fig. 8, 9).
Die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ sind an die Mindestobjektgrößen sowie
die minimalen Distanzen der Objekte 2 zu den Referenz-Objekten 2′ angepaßt.
Zudem sind die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ an die Streuungen σi der ak
tuellen und Referenz-Positionswerte Ri angepaßt. Im vorliegenden Fall liegt die
Mindestobjektgröße in der Größenordnung von 50 mm und die kleinste Distanz
eines Objektes 2 zum Referenz-Objekt 2′ liegt im Bereich zwischen 10 und 30
mm. Da bei der Auswertung mittels der gewichteten Differenzwerte Di Quo
tienten Ri/Gi nahezu unabhängig von den Streuungen σi sind, sind in diesem Fall
die Toleranzbänder T₁, T₂ allein an die Streuungen σi der von den Objekten 2
stammenden aktuellen Positionswerte A₁ anzupassen.
Zweckmäßigerweise sind die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ größer als die
Streubreite der Positionswerte Ai, Pi, wobei der Absolutbetrag der Breiten der
Toleranzbänder T₁, T₂ davon abhängt, ob die Differenzwerte Di mit den Gewich
tungsfaktoren Gi gewichtet sind oder nicht.
Im vorliegenden Beispiel erweist es sich als zweckmäßig die Breiten der Toler
anzbänder T₁, T₂ im Bereich zwischen 40 und 200 mm zu dimensionieren.
Im vorliegenden Fall weist das erste Toleranzband T₁ eine Breite von 80 mm,
das zweite Toleranzband T₂ eine Breite von 160 mm auf.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel ist im Überwachungsbereich 10 kein
Objekt 2 angeordnet. Lediglich die beiden Referenz-Objekte 2′ befinden sich im
Überwachungsbereich 10. Der Fixpunkt F stammt daher von einem der Posi
tionswerte eines Referenz-Objektes 2′. Fig. 8 zeigt die während einer Abtastung
ermittelten Differenzwerte Di in Abhängigkeit der Winkelposition des Sende
strahls 5 sowie der Lage der Toleranzbänder T₁, T₂.
Da die Breite des ersten Toleranzbandes T₁ an die Streubreite der Positionswerte
Pi angepaßt ist, ist gewährleistet, daß entsprechend der Normalverteilung der
Streuung der Positionswerte P zumindest ca. 68% der Differenzwerte Di in das
erste Toleranzband T₁ fallen. Diesbezüglich wird auf den Inhalt der
DE 44 05 376 C1 verwiesen.
Somit liegen in jedem Fall beträchtlich mehr Differenzwerte innerhalb des ersten
Toleranzbandes T₁ als im zweiten Toleranzband T₂.
Bei dem in Fig. 9 dargestellten Beispiel ist im Überwachungsbereich 10 ein Ob
jekt 2 in Abstand vor einem Referenz-Objekt 2′ angeordnet, wobei die Ausdeh
nung des Objektes 2 beträchtlich kleiner als die Ausdehnung des Referenzobjek
tes 2′ ist.
In diesem Fall stammt der Fixpunkt F von einem Positionswert Pi des Objektes
2. Die Ausdehnung des Objektes 2 ist so gering, daß das Objekt 2 lediglich mit
zwei Messungen erfaßt wird, so daß außer dem Fixpunkt F selbst nur der in
Fig. 9 mit Dobj gekennzeichnete Differenzwert vom Objekt 2 stammt.
Da die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ sowohl an die Mindestabstände des
Objekts 2 zum Referenz-Objekt 2′ sowie in die Mindestgröße des Objekts 2 so
wie die Streubreiten der Differenzwerte Di angepaßt sind, fallen lediglich die
beiden vom Objekt 2 stammenden Differenzwerte Dobj und F in das erste Tole
ranzband T₁. Alle anderen Differenzwerte Di, nämlich die dem freien Strahlen
gang entsprechenden sowie die von den Referenz-Objekten 2′ stammenden,
fallen in das zweite Toleranzband T₂.
Somit kann in der Auswerteeinheit 20 auf einfache Weise unterschieden wer
den, ob sich ein Objekt 2 im Überwachungsbereich 10 befindet oder nicht.
Im Überwachungsbereich 10 ist kein Objekt 2 angeordnet, wenn in das erste
Toleranzband T₁ mehr Differenzwerte Di fallen als in das zweite Toleranzband
T₂. Fallen dagegen in das erste Toleranzband T₁ weniger Differenzwerte Di als
in das zweite Toleranzband T₂, so gilt ein Objekt 2 als erkannt.
Zusätzlich wird in der Auswerteeinheit 20 überprüft, ob die Bedingungen hin
sichtlich der geforderten Mindestgrößen M und N erfüllt sind.
Dieses Verfahren ist im allgemeinen selbst dann anwendbar, wenn das oder die
Objekte 2 eine vergleichbare Größe wie die Referenz-Objekte 2′ aufweisen.
Voraussetzung hierfür ist lediglich, daß der Abstand der Objekte 2 zu den Re
ferenz-Objekten 2′ so groß ist, daß diese mittels der Toleranzbänder T₁, T₂
unterscheidbar sind.
Problematisch wäre lediglich, wenn die Objekte 2 dieselben Konturen wie die
Referenz-Objekte 2′ selbst aufweisen, was jedoch im allgemeinen sehr unwahr
scheinlich ist.
Claims (14)
1. Verfahren zum Erfassen von in einen Überwachungsbereich (10) ein
dringenden Objekten (2) mittels einer Vorrichtung (1) mit wenigstens
einem Sender (3), wenigstens einem Empfänger (4) und einer Auswerte
einheit (20), wobei zur Erfassung der Positionen von Objekten (2) ein vom
Sender (3) emittierter Sendestrahl (5) den Überwachungsbereich (10) über
streicht und die Konturen von stationären Referenz-Objekten (2′) im Über
wachungsbereich (10) die Positionsmeßwerte für die entsprechenden Re
ferenz-Objekte (2′) in der Auswerteeinheit (20) als Referenz-Positionswerte
Ri abgespeichert sind, und wobei zur Erkennung eines Objektes (2), das
im Strahlengang des Sendestrahls (5) vor einem Referenz-Objekt (2′) an
geordnet ist, im Überwachungsgereich (10) von einem Fixpunkt F ausge
hend Toleranzbänder T₁, T₂definiert werden und die in die Toleranzbänder
T₁, T₂ fallenden Positionswerte in der Auswerteeinheit (20) ausgewertet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen der Referenz-Objekte
(2′) mehrfach von dem Sendestrahl (5) abgetastet werden und aus den so
ermittelten Sätzen von Positionswerten P die Mittelwerte ermittelt werden,
welche die die Referenzkontur R bildenden Referenz-Positionswerte Ri
bilden, daß nach Ermittlung der Referenzkontur R zur Erfassung der
Objekte (2) Differenzwerte Di der aktuellen Positionswerte Ai und der Re
ferenz-Positionswerte Ri
Di = (Ai-Rj)berechnet werden, daß der Fixpunkt F vom kleinsten der Differenzwerte
Di gebildet ist, daß das erste Toleranzband T₁ von dem Fixpunkt ausgeht
und sich in Richtung größerer Differenzwerte erstreckt, daß das zweite
Toleranzband T₂ sich an das erste Toleranzband T₁ Richtung größerer
Differenzwerte anschließt, und daß das Objekt (2) als erkannt gilt, wenn
die Anzahl der Differenzwerte Di in dem ersten Toleranzband T₁ kleiner
ist als die Anzahl der Differenzwerte Di in dem zweiten Toleranzband T₂.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung
der Objekte (2) gewichtete Differenzwerte Di mit
Di = (Ai-Ri)/Gigebildet werden, wobei die Gewichtungsfaktoren Gi proportional zu den
Streuungen σi der Positionsmeßwerte Pi sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewich
tungsfaktor Gi gleich dem Quotienten
Gi = σi/Kist, wobei K eine Kostante ist, welche an die Breiten der Toleranzbänder
T₁, T₂ angepaßt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante
K im Bereich 20-30 mm liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
bei freiem Strahlengang der Positionswert Pi bzw. der aktuelle Positions
wert Ai durch den dem Rand des Überwachungsbereichs (10) entsprechen
den Wert ersetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Referenzkontur R in der Auswerteeinheit (20) als ungültig verworfen
wird, wenn diese nicht von wenigstens N verschiedenen Referenz-Posi
tionswerten Ri gebildet ist, wobei N vorzugsweise im Bereich von 15-30
liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Objekterkennung in der Auswerteinheit (20) als ungültig verworfen
wird, wenn das Objekt (2) nicht wenigstens mit M verschiedenen aktuel
len Positionswerten Ai erfaßt wird, wobei M vorzugsweise im Bereich von
2-5 liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß
bei zwei aufeinanderfolgenden Referenz-Positionswerten Ri und Ri+1 bzw.
Ri-1, wobei der Referenz-Positionswert Ri der Kante eines Referenz-Ob
jekts (2′) entspricht und der Referenz-Positionswert Ri+1 bzw. Ri-1, dem
Wert bei freiem Strahlengang entspricht, der Referenz-Positionswert Ri+1
bzw. Ri-1 auf den Wert des ersten Referenz-Positionswertes Ri gesetzt
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ konstant sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ von der gleichen Größenordnung
wie die kleinste Objektgröße und die kleinste Distanz eines Objektes (2)
zur Referenzkontur R sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ an die Streuungen σi der aktuellen
Ai und Referenz-Positionswerte Ri angepaßt sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Breiten der Toleranzbänder T₁, T₂ im Bereich von 40-200 mm lie
gen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1- 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktuellen Positionswerte Ai über mehrere Abtastungen ermittelt werden
und aus den bei den einzelnen Abtastungen ermittelten Werten die Mittel
werte gebildet werden, welche zur Differenzbildung mit den Referenz-
Positionswerten Ri herangezogen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Berechnung der Referenzkontur R in vorgegebenen Zeitabständen wie
derholt wird.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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