DE19652441C2 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbeg­ riff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 41 19 797 C2 bekannt. Die dort be­ schriebene Vorrichtung wird zur Überwachung eines von einer Referenzfläche begrenzten Schutzfeldes eingesetzt. Die Referenzfläche, die aus beliebigem Mate­ rial mit beliebigem Reflexionsverhalten besteht, wird von der Vorrichtung wäh­ rend eines Teach-in-Vorgangs abgetastet. Die dabei ermittelten Distanzwerte und Signalpegel werden als Sollwerte abgespeichert. Zudem wird zu jedem der Soll­ werte jeweils eine untere und eine obere Toleranzgrenze berechnet und abgespei­ chert. In einer auf den Teach-in-Vorgang folgenden Arbeitsphase werden die Sollwerte mit den entsprechenden Istwerten verglichen. Stimmen die Istwerte innerhalb der Toleranzgrenzen mit den Sollwerten überein, so erfolgt eine Signal­ abgabe "Schutzfeld frei". Im anderen Fall erfolgt eine Signalabgabe "Schutzfeld nicht frei". Diese Signalabgabe erfolgt zum einen dann, wenn ein Gegenstand im Überwachungsbereich angeordnet ist. Sie erfolgt jedoch auch dann, wenn das Austrittsfenster verschmutzt ist und daher die Signalpegel am Empfangselement so reduziert sind, daß sie unterhalb der betreffenden unteren Toleranzgrenze lie­ gen.

Dies bedeutet, daß die Signalabgabe "Schutzfeld frei" keinem eindeutigen Sys­ temzustand zugeordnet werden kann. Dies ist insbesondere bei sicherheitstechni­ schen Applikationen von Nachteil, da in diesen Fällen mit einer hohen Zuverläs­ sigkeit eine Meldung erfolgen muß, ob ein Gegenstand oder eventuell eine Person in dem vom Schutzfeld gebildeten Überwachungsbereich angeordnet ist oder nicht.

Aus der DE 43 40 756 A1 ist eine Laserabstandsermittlungsvorrichtung bekannt, welche einen Impulslaser aufweist, der Lichtimpulse in einen Meßbereich abgibt.

Die von einem Objekt zurückgeworfenen Lichtimpulse trefen auf eine Photoemp­ fangsordnung. In einer Auswerteschaltung wird aus der Zeit zwischen Aussen­ dung und Empfang eines Lichtimpulses ein für den Abstand des Objekts charak­ teristisches Abstandssignal ermittelt. Zwischen dem Meßbereich und dem Im­ pulslaser ist eine Lichtablenkvorrichtung angeordnet, welche die aufeinanderfol­ genden Lichtimpulse unter sich zunehmend verändernden Winkeln in den Meß­ bereich lenkt. Dabei sind die Lichtimpulse durch eine Frontscheibe im Gehäuse der Laserabstandsermittlungsvorrichtung geführt. Die Frontscheibe weist einen abgewinkelten unteren Teil und einen schräg gestellten Hauptteil auf. Unterhalb der unteren Stirnseite der Frontscheibe sind über den Abtastwinkelbereich gleichmäßig verteilt mehrere Leuchtdioden angeordnet, welche jeweils einen Lichtschrankenstrahl nach oben aussenden, der einen abgewinkelten unteren Teil der Frontscheibe durchquert und dann durch den schräggestellten Hauptteil der Frontscheibe hindurch zu einem darüber angeordneten Photoempfänger gelangt. Mit diesen Lichtschrankenstrahlen ist überprüfbar, ob eine Verschmutzung der Frontscheibe vorliegt.

Zudem ist im Innern des Gehäuses außerhalb des Abtastwinkelbereichs ein Test­ körper vorgesehen, welcher zyklisch mit den Lichtimpulsen abgetastet wird. Aus den hierbei empfangenen Empfangssignalen lassen sich Aussagen über interne Gerätestörungen, wie beispielsweise eine Reduktion der Sendeleistung, ableiten. Da bei der Abtastung des Testkörpers die Lichtimpulse jedoch nicht über die Frontscheibe geführt werden, kann bei dieser Messung die Verschmutzung der Frontscheibe nicht erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß ein Gegenstand im Überwachungsbereich mit großer Zuverlässigkeit erfaßbar ist.

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

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich, welcher von einer Referenz­ fläche begrenzt ist. Die optoelektronische Vorrichtung weist ein Sendelichtstrahlen emittierendes Sendeelement und ein Empfangslichtstrahlen empfangendes Empfangselement auf, welche einen Distanzsensor bilden, an eine gemeinsame Auswerteeinheit angeschlossen sind und in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Die Sende- und Empfangslichtstrahlen überstreichen periodisch den Überwachungsbereich und durchdringen dabei ein Austrittsfenster in der Gehäusewand. Die dabei ermittelten Distanzwerte und Signalpegel am Ausgang des Empfängers werden zur Detektion der Referenzfläche und der Gegenstände in der Auswerteeinheit bewertet. Bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestpegels der Signalpegel erfolgt eine die Verschmutzung des Austrittsfensters signalisierende Signalabgabe, wobei zur Bestimmung dieses Mindestpegels ein Referenzgegenstand mit vorgegebener Oberflächenbeschaffenheit und in vorgegebenem Abstand zur Referenzfläche vermessen wird.

Durch diese Auswertung der Signalpegel können nicht nur Gegenstände im Überwachungsbereich von der Referenzfläche unterschieden werden. Zudem ist eine sichere Differenzierung zwischen einem von einem Gegenstand oder der Referenzfläche stammenden Signal einerseits und einer Verschmutzung des Austrittsfensters andererseits möglich.

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

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optoelek­ tronischen Vorrichtung

Fig. 2 Eine schematische Darstellung des von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erfassten Überwachungsbereichs.

Fig. 1 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 zum Erfassung von Gegen­ ständen oder Personen in einem Überwachungsbereich. Die Vorrichtung 1 weist ein in einem Gehäuse 2 integriertes Sendeelement 3 auf. Die vom Sendeelement 3 emittierten Sendelichtstrahlen 4 werden über eine Ablenkeinheit 5 periodisch abgelenkt und überstreichen dabei einen den Überwachungsbereich bildenden, vorgegebenen Winkelbereich Ω. Die im Überwachungsbereich geführten Sende­ lichtstrahlen 4 durchdringen dabei ein Austrittsfenster 6 in der Gehäusewand, wobei die Ausdehnung des Austrittsfensters 6 in Drehrichtung der Ablenkeinheit 5 die Größe des Winkelbereichs Ω definiert.

Der Winkelbereich Ω liegt vorzugsweise im Bereich 90° < Ω < 270°, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ω = 180° beträgt.

Das Gehäuse 2 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf und ist aus lichtundurchlässigem Kunststoff oder Metall gebildet. Das Austrittsfenster 6 be­ steht aus lichtdurchlässigem Kunststoff oder Glas und erstreckt sich entlang der Mantelfläche der Gehäuseoberfläche. Die Höhe des Austrittsfensters 6 ist über den gesamten Winkelbereich Ω konstant.

Die Strahlachse der über die Ablenkeinheit 5 abgelenkten Sendelichtstrahlen 4 liegt in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Drehachse D der Ablenkeinheit 5. Demzufolge wird mit den Sendelichtstrahlen 4 ein halbkreisförmiger, ebener Überwachungsbereich überstrichen.

Mittels der Vorrichtung 1 wird die Position der Gegenstände im Überwachungs­ bereich erfaßt. Hierzu ist an der Ablenkeinheit 5 ein nicht dargestellter Winkel­ geber vorgesehen, welcher die momentane Winkelposition der Ablenkeinheit 5 und damit der Sendelichtstrahlen 4 fortlaufend erfaßt. Die Signale des Winkel­ gebers werden in eine ebenfalls nicht dargestellte zentrale Auswerteeinheit ein­ gelesen. Die Auswerteeinheit kann von einem Microcontroller gebildet sein.

Zudem weist die Vorrichtung 1 einen Distanzsensor zur Bestimmung der Distanz eines Gegenstands zur Vorrichtung 1 auf. Der Distanzsensor besteht aus dem Sendeelement 3 und einem diesem zugeordneten Empfangselement 7.

Die Distanzmessung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Prinzip der Laufzeit­ methode. Das Sendeelement 3 weist vorzugsweise einen von einer Laserdiode gebildeten Sender 8 mit nachgeordneter Sendeoptik 9 auf. Das Empfangsele­ ment 7 besteht beispielsweise aus einem von einer pin Photodiode gebildeten Empfänger 10 und einer diesem vorgeordneten Empfangsoptik 11.

Die Meßmethode der Laufzeitmessung kann zum einen als Phasenmessung aus­ geprägt sein. In diesem Fall wird die Laserdiode im CW-Betrieb betrieben, wo­ bei den Sendelichtstrahlen 4 eine Amplitudenmodulation aufgeprägt ist. Emp­ fangsseitig wird die Distanzinformation durch einen Vergleich der Phasenlagen der emittierten Sendelichtstrahlen 4 und der auf den Empfänger 10 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 12 ermittelt.

Alternativ kann die Distanzmessung nach der Impulslaufzeitmethode erfolgen. In diesem Fall werden vom Sender 8 kurze Sendelichtimpulse emittiert. Die Distanzinformation wird in diesem Fall durch direkte Messung der Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Gegenstand und zurück zur Vorrichtung 1 gewonnen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Sende- 3 und das Empfangs­ element 7 ortsfest im Gehäuse 2 oberhalb der rotierenden Ablenkeinheit 5 ange­ ordnet. Dabei sind das Sende- 3 und Empfangselement 7 koaxial angeordnet, wobei das Empfangselement 7 oberhalb des Sendeelements 3 angeordnet ist. Der Querschnitt der Empfangsoptik 11 ist dabei erheblich größer als der Quer­ schnitt der Sendeoptik 9. Die Sende- 4 und Empfangslichtstrahlen 12 verlaufen koaxial.

Die vom Sender 8 emittierten Sendelichtstrahlen 4 treffen auf das Zentrum der Ablenkeinheit 5 und durchdringen das Austrittsfenster 6 in dessen Zentrum.

Diese von einem Gegenstand reflektierten Empfangslichtstrahlen 12 durchdrin­ gen das Austrittsfenster 6 in den Randbereichen und treffen demzufolge auch auf die Randbereiche der Ablenkeinheit 5. Von dort treffen sie auf die Randbe­ reiche der großflächigen Empfangsoptik 11, welche die Empfangslichtstrahlen 12 auf den Empfänger 10 fokussiert. Somit führt die Abschattung der Emp­ fangslichtstrahlen 12 durch das Sendeelement 3 nur zu einer geringen Ver­ minderung der auf den Empfänger 10 auftreffenden Empfangslichtmenge.

Die Ablenkeinheit 5 weist einen Drehspiegel 15 auf, auf welchen die Sende­ lichtstrahlen 4 und Empfangslichtstrahlen 12 auftreffen. Die Spiegelebene des Drehspiegels 15 ist um 45° bezüglich dessen Drehachse D geneigt.

Der Drehspiegel 15 sitzt auf einem rotierenden Sockel 19 auf, welcher mittels eines nicht dargestellten Motors angetrieben wird.

Der von den Sendelichtstrahlen 4 überstrichene Überwachungsbereich ist über den gesamten Winkelbereich Ω von einer Referenzfläche 16 begrenzt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 sind die Sendelichtstrahlen 4 in einer Ebene geführt. In diesem Fall ist die Vorrichtung 1 zweckmäßigerweise an der Frontseite einer Maschine 17 oder dergleichen in vorgegebenem Abstand oberhalb des Bodens eines Raumes angeordnet. Die Re­ ferenzfläche 16 ist dann von den Wänden des Raumes oder eventuell davor an­ geordneten stationären Gegenständen, wie zum Beispiel weiteren Maschinen, gebildet. Dieser Anwendungsfall ist in Fig. 2 dargestellt.

Alternativ kann die Vorrichtung 1 beispielsweise an der Frontseite eines Fahr­ zeuges oder einer stationären Maschine 17, in vorgegebenem Abstand oberhalb des Bodens angeordnet sein. Dabei ist in diesem Fall der Drehspiegel 15 der Vorrichtung 1 zum einen Winkel kleiner als 45° zur Drehachse D geneigt, so daß die Sendelichtstrahlen 4 bei Überstreichen des Überwachungsbereichs auf einer Kegelfläche geführt sind. In diesem Fall treffen die Sendelichtstrahlen 4 in vorgegebenem Abstand zur Vorrichtung 1 auf den die Referenzfläche 16 bildenden Boden.

Zur Erhöhung der Detektionssicherheit von Gegenständen im Überwachungsbe­ reich werden in der Auswerteeinheit nicht nur die Distanzinformation sondern auch die Signalpegel der am Ausgang des Empfangselements 7 anstehenden Empfangssignale ausgewertet.

Während einer Abgleichsphase wird bei freiem Strahlengang die Referenzfläche 16 von der Vorrichtung 1 vorzugsweise mehrfach abgetastet. Die auf diese Weise ermittelten Meßwerte liefern die Distanzwerte der Referenzfläche 16 zur Vorrichtung 1 sowie die entsprechenden Signalpegel. Zur Ermittlung dieser Meßwerte wird jeweils der Mittelwert der entsprechenden Einzelmessungen ge­ bildet. Aus den Streuungen der Meßwerte wird zu den Distanzmeßwerten und Signalpegelwerten in Abhängigkeit der Winkelposition jeweils eine obere und untere Toleranzgrenze berechnet. Die so ermittelten Meßwerte inklusive der hierzu berechneten Toleranzgrenzen werden in der Auswerteeinheit als Soll­ werte abgespeichert.

In der auf die Abgleichsphase folgenden Arbeitsphase wird zur Erfassung von Gegenständen der Überwachungsbereich periodisch abgetastet. Die dabei er­ mittelten, die Istwerte bildenden Distanzwerte und Signalpegel werden zyklisch mit den Sollwerten verglichen.

Stimmen im gesamten Winkelbereich Ω die Istwerte innerhalb der vorgegebe­ nen Toleranzgrenzen mit den Sollwerten überein, so stammen sämtliche Istwerte von der Referenzfläche 16 und es ist kein Gegenstand im Überwachungsbereich angeordnet.

Ist ein Gegenstand im Überwachungsbereich angeordnet, so liegen in dem be­ treffenden Winkelsegment, innerhalb dessen der Gegenstand detektiert wird, die Istwerte außerhalb der Toleranzgrenzen der Sollwerte. In diesem Fall erfolgt ein Gegenstandsfeststellungssignal, welches die Detektion des Gegenstandes anzeigt. Die Signalabgabe kann so gestaltet sein, dass die Position des Gegenstandes im Überwachungsbereich angezeigt wird.

Entsprechend der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere des Reflexionsver­ mögens wird von einem Gegenstand ein großer oder ein kleiner Teil der Sende­ lichtmenge zurück zur Vorrichtung 1 reflektiert. Zudem ist die Sendelichtmenge abhängig vom Abstand des Gegenstandes zur Vorrichtung 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 werden in der Auswerteeinheit die Signalpegel mit einem vorgegebenen Mindestpegel verglichen. Dieser Mindest­ pegel kann von einem einen Schwellwert generierenden Komparator erzeugt werden oder direkt über die Auswerteeinheit vorgegeben werden.

Die Höhe des Mindestpegels ist so gewählt, dass sämtliche von beliebigen Ge­ genständen im Überwachungsbereich stammenden Signalpegel oberhalb des Mindestpegels liegen. Hierzu wird ein Referenzgegenstand beispielsweise in geringem Abstand zur Referenzfläche 16 vermessen, wobei die Oberfläche des Gegenstandes von schwarzem Cordsamt gebildet ist. Von einem derartigen Referenzgegenstand wird im Vergleich zu andersartigen Gegenständen nur ein sehr geringer Teil des Sendelichts reflektiert.

Der von diesem Referenzgegenstand registrierte Signalpegel wird nochmals um einen gewissen Betrag, beispielsweise in der Größenordnung von 20%, reduziert und als Mindestpegel in der Auswerteeinheit abgespeichert.

Bei dem so definierten Mindestpegel kann mit großer Sicherheit davon ausge­ gangen werden, dass sämtliche von Gegenständen im Überwachungsbereich stammenden Signalpegel größer als der Mindestpegel sind. Zudem liegt dieser Mindestpegel signifikant unterhalb der unteren Toleranzgrenzen für die Signal­ pegel.

Dieser Mindestpegel wird zur Erkennung von Verschmutzungen des Austritts­ fensters 6 verwendet. Liegt keine Verschmutzung des Austrittsfensters 6 vor, so liegt bei jeder Winkelposition der Signalpegel oberhalb des Mindestwerts, da die Sendelichtstrahlen 4 entweder auf einen Gegenstand oder die Referenzfläche 16 treffen.

Liegt jedoch in einem Winkelsegment der Signalpegel unterhalb des Mindestpe­ gels, so tritt an dieser Stelle kein Sendelicht aus dem Austrittsfenster 6. In diesem Fall wird von der Auswerteeinheit eine die Verschmutzung des Aus­ trittsfensters 6 signalisierende Signalabgabe ausgelöst. Die Signalabgabe kann die Winkelposition, bei welcher die Verschmutzung registriert wurde, enthalten. Des weiteren kann die Signalabgabe entweder als Warnmeldung oder als die Vorrichtung 1 außer Betrieb setzende Störmeldung ausgebildet sein. Die Signal­ abgabe kann einerseits unmittelbar erfolgen, wenn die Verschmutzung registriert worden ist. Alternativ kann die Signalabgabe erst dann erfolgen, wenn die Ver­ schmutzung über einen bestimmten Zeitraum, vorzugsweise über eine vorgege­ bene Anzahl von Abtastperioden, in einem Winkelsegment registriert worden ist.

Dabei kann in der Auswerteeinheit für das Winkelsegment ein Mindestwert vor­ gegeben sein. Erstreckt sich die detektierte Verschmutzung nicht über ein Win­ kelsegment, welches größer als dieser Mindestwert ist, so erfolgt keine Signal­ abgabe.

Die Signalabgabe kann desweiteren an die Bedingung geknüpft sein, daß die Verschmutzung von einem Maximalwert im Zentrum der Verschmutzung nach außen kontinuierlich abnimmt. Dies kann auf einfache Weise durch eine kon­ tinuierliche Bewertung der Signalamplitude erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform können zur Bewertung, ob eine Ver­ schmutzung des Austrittsfensters 6 vorliegt, auch die Distanzwerte herangezo­ gen werden. In diesem Fall erfolgt eine die Verschmutzung signalisierende Signalabgabe, wenn bei einer Winkelposition der entsprechende Signalpegel unter­ halb des Mindestpegels und/oder der Distanzwert unterhalb eines Mindestwerts liegt. Der Mindestwert kann beispielsweise der Abstand des Austrittsfensters 6 zum Empfangselement 7 sein.

Eine Oder-Verknüpfung der beiden Bedingungen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund der Verschmutzungen auf dem Austrittsfenster 6 eine so große Sendelichtmenge vom Austrittsfenster 6 auf das Empfangselement 7 zurückge­ streut wird, daß der entsprechende Signalpegel oberhalb des Mindestpegels liegt. Zweckmäßigerweise wird dieser Fall durch eine geeignete Strahlführung der Sende- 4 und Empfangslichtstrahlen 12 im Innern des Gehäuses ausgeschlossen.

Claims (8)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich, welcher von einer Referenzfläche begrenzt ist, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sendeelement und einem Emp­ fangslichtstrahlen empfangenden Empfangselement, welche einen Distanz­ sensor bilden, an eine gemeinsame Auswerteeinheit angeschlossen sind und in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, wobei die Sende- und Emp­ fangslichtstrahlen periodisch den Überwachungsbereich überstreichen und dabei ein Austrittsfenster in der Gehäusewand durchdringen und die dabei ermittelten Distanzwerte und Signalpegel am Ausgang des Empfängers zur Detektion der Referenzfläche und der Gegenstände in der Auswerteeinheit bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestpegels der Signalpegel eine die Verschmutzung des Austrittsfensters (6) signalisierende Signalabgabe erfolgt, wobei zur Be­ stimmung dieses Mindestpegels ein Referenzgegenstand mit vorgegebener Oberflächenbeschaffenheit und in vorgegebenem Abstand zur Referenzflä­ che (16) vermessen wird.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verschmutzung des Austrittsfensters (6) signalisierende Signal­ abgabe erfolgt, wenn ein Distanzwert einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die von Gegenständen im Überwachungsbereich stammenden Distanzwerte oberhalb des Mindestwertes liegen.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Referenzfläche (16) stammenden Signalpegel und Distanzwerte jeweils innerhalb einer oberen und unteren Tole­ ranzgrenze mit in der Auswerteeinheit abgespeicherten Sollwerten überein­ stimmen.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte und die Toleranzgrenzen durch Abtasten der Referenz­ fläche (16) ermittelt werden, wobei die Toleranzgrenzen aus den Messwert­ streuungen der Sollwert-Messwerte berechnet werden.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die unteren Toleranzgrenzen für die Distanzwerte oberhalb des Mindestwerts und die unteren Toleranzgrenzen für die Signalpegel o­ berhalb des Mindestpegels liegen.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (16) von den Wänden eines ge­ schlossenen Raumes und davor angeordneten stationär angeordneten Ob­ jekten gebildet ist.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass diese an einem Fahrzeug oder einer Maschine (17) in vorgegebenem Abstand oberhalb des Bodens, auf welchem das Fahrzeug oder die Maschine (17) gelagert sind, angebracht ist und dass die von der Vorrichtung (1) emittierten Sendelichtstrahlen (4) in vorgegebenem Ab­ stand auf den die Referenzfläche (16) bildenden Boden treffen.