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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Schutzvorrichtung zur
Erfassung eines Objekts in einem Überwachungsbereich nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
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Schutzvorrichtungen
werden in vielfältigen Anwendungen
eingesetzt, um automatisiert Veränderungen
des überwachten
Bereiches festzustellen. Eine solche Anwendung ist die Absicherung
eines Gefahrenbereiches, bei der das Überwachungssystem das Eintreten
eines Objektes in den Gefahrenbereich erkennt und nach vorgegebenen
Regeln klassifiziert, ob wegen dieses Objekts ein Warnsignal erzeugt
oder beispielsweise eine geschützte
Maschine abgestellt werden soll. Eine derartige Zugangsabsicherung
wird derzeit hauptsächlich
mit Lichtgittern oder über
Laserscanner realisiert, kann aber auch durch eine Kamera erfolgen.
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Kern
einer Schutzvorrichtung ist ein optoelektronischer Sensor. Die Objekterkennung
erfolgt in einer großen
Klasse dieser Sensoren anhand der Beobachtung eines passiven Zieles,
das ein Kontrastmuster oder ein Reflektor sein kann. Ein Beispiel
für einen
derartigen Sensor ist eine Reflexionslichtschranke, bei der ein
Lichtsender einen Lichtstrahl über
den Überwachungsbereich
sendet, der auf der gegenüberliegenden
Seite reflektiert und von einem in der Nähe des Lichtsenders angeordneten
Lichtempfänger
detektiert wird. Eine Unterbrechung dieses Lichtstrahls signalisiert
die Anwesenheit eines Objekts.
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Eine
andere Möglichkeiten
sind kamerabasierte Systeme, die das Bild eines Kontrastmusters oder
Reflektors im Überwachungsbereich
aufnehmen und ein Objekt anhand einer Abschattung des Kontrastmusters
erkennen. Die indirekte Erkennung eines Objekts anhand der Abschattung
ist weniger aufwändig
und sicherer als eine unmittelbare digitale Bilderkennung. Damit
sowohl helle als auch dunkle Objekte erkannt werden können, enthält ein solches Grundmuster
zur ausreichenden Kontrastierung weiße und schwarze Bereiche. So
kann etwa dunkle Kleidung vor weißem Hintergrund, helle Kleidung oder
Reflexmarken auf Arbeitskleidung dagegen vor schwarzem Hintergrund
sicher erkannt werden.
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Wird
der Sensor in der Sicherheitstechnik verwendet, so muss eine Manipulation
des Kontrastmusters nach der zu Grunde liegenden Sicherheitsnorm
wie etwa der IEC 61496-4 (Entwurf) verhindert werden. Hierzu ist
beispielsweise aus der
DE
199 38 639 A1 bekannt, das Kontrastmuster mit Positionsmarken
zu versehen, deren Position und bekannter Abstand untereinander
sich bei einer Manipulation des Kontrastmusters verändert und
daher von einer Steuerung detektiert werden kann. Hierzu sind aber zunächst die
Positionsmarken auf dem Kontrastmuster notwendig, so dass dieses
Muster nicht einfach an beliebiger Stelle als Folie von einem Endlosband
abgeschnitten werden kann. Die Positionsmarken müssen von einer Steuerung auch
gelernt werden, vor allem aber muss verhältnismäßig aufwändig ausgewertet werden, um
die Lage der Positionsmarken zu überprüfen. Diese
Auswertung muss entwickelt werden, fehlersicher funktionieren und
kostet im Betrieb Rechenkapazität.
Dieselben Nachteile treten auch dann auf, wenn man statt expliziter
Positionsmarken bestimmte Merkmale eines Musters auswertet, die Rückschlüsse auf
den Abstand zwischen Muster und Sensor zulassen und damit eine Manipulationserkennung
ermöglichen.
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Ohne
irgendeinen Zusammenhang mit optoelektronischen Sensoren ist bekannt,
eine Folie auf einem Untergrund derart aufzubringen, dass sie nicht wieder
gelöst
werden kann, ohne dabei zerstört
zu werden. Ein Beispiel hierfür
ist die Autobahnvignette, die in der Frontscheibe eines Autos zwar
angebracht, aber nicht gelöst
und an einem anderen Auto angebracht werden kann. Dazu weist die
Vignette Schlitze und sonstige Öffnungen
als Sollreißstellen
auf, wobei die Verbindungsstellen an diesen Sollreißstellen schwächer sind
als die Klebkraft der Vignette auf dem Glas. Beim Versuch des Lösens der
Vignette wird diese deshalb zerstört. Ein ähnliches Verfahren ist von
Preisschilder im Supermarkt bekannt, die segmentiert sind, um ein
Lösen und Übertragen
auf einen anderen Artikel zu verhindern.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Manipulationssicherheit einer
optoelektronische Schutzvorrichtung mit passivem Ziel mit geringem
Aufwand zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die
Lösung
hat den Vorteil, dass bei der Auswertung nicht rechenzeitintensiv
auf den Abstand des Kontrastmusters geprüft werden muss. Indem sich
das Kontrastmuster selbst zerstört,
sind Manipulationsversuche per se ausgeschlossen, die eine Positionsveränderung
des Kontrastmusters beinhalten. Gegenüber einer Struktur im Kontrastmuster,
die ein Erkennen eines variierenden Abstands möglich macht, kann erfindungsgemäß das Kontrastmuster
sehr einfach und damit kostengünstiger
sein und kann auch schmaler ausgeführt werden, da in dieser Dimension
keine für
die Abstandsbestimmung notwendige Information codiert sein muss.
Schließlich
können
auch Anschlussstellen, an denen das Kontrastmuster verlängert werden soll,
leichter bearbeitet werden, weil das Muster einfacher aufgebaut
ist und sich somit problemlos anschließen lässt.
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Die
Erfindung geht also von dem Grundgedanken aus, eine rechenzeitintensive
Auswertung in einer Steuerung quasi durch eine Selbstkontrolle des Kontrastmusters
zu ersetzen. Dieses verhindert von sich aus Manipulationsversuche.
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Vorteilhafterweise
weist das Kontrastmuster reflektierende, insbesondere retroreflektierende
Bereiche auf. Damit sind die Kontraste besonders stark, und ein
Ausbleiben des reflektierten Lichtes wegen Abschattung durch ein
Objekt kann einfacher und sicherer erkannt werden.
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Bevorzugt
ist das Kontrastmuster auf einem Träger aufgebracht. Mittels dieses
Trägers
kann das Kontrastmuster am Einsatzort der Schutzvorrichtung angebracht
werden.
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Noch
bevorzugter ist der Träger
eine Folie. Diese kann aufgerollt und in dieser Form leicht transportiert
sowie in dem Überwachungsbereich
angebracht werden.
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Dabei
ist bevorzugt der Träger
dünn und/oder
weist eine geringe Reißfestigkeit
auf. Dadurch wird die Zerstörung
des Kontrastmusters bei einer versuchten Positionsänderung
zumeist schon allein durch diese beiden Eigenschaften bewirkt.
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Noch
bevorzugter ist der Träger
mit einem Haftmittel in dem Überwachungsbereich
angebracht, das insbesondere stärker
ist als die Reißfestigkeit. Das
Haftmittel stellt sicher, dass der einmal angebrachte Träger nicht
mehr mit intaktem Kontrastmuster aus dem Überwachungsbereich entfernt
werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der Träger
Sollreißstellen
auf, insbesondere Perforationen oder Schlitze. Durch diese Sollreißstellen
wird eine hinreichende Zerstörung
des Kontrastmusters bei einer versuchten Manipulation durch Entfernen des
Trägers
sichergestellt.
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Vorteilhafterweise
ist der Lichtempfänger
ein insbesondere matrixförmiger
Bildsensor oder eine Kamera. Die Verwendung eines Kontrastmusters
ist gerade im Zusammenhang mit einem derartigen Bildsensor vorteilhaft,
da die Bildauswertung erheblich beschleunigt und vereinfacht werden
kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gibt die Schutzvorrichtung bei einer Objekterfassung in vorgegebenen
Warnteilbereichen des Überwachungsbereichs
eine Warnung aus und/oder gibt in vorgegebenen Abschalt-Teilbereichen
ein Abschaltsignal an eine zu schützende Maschine ab. Die Schutzvorrichtung
ist somit in der Sicherheitstechnik eingesetzt, bei welcher der
Vorteil einer erfindungsgemäß erheblich
vereinfachten Manipulationserkennung besonders gut zum Tragen kommt.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug
auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Übersicht
zu der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung;
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2 eine
dreidimensionale Ausschnittsdarstellung der Übersicht gemäß der 1;
und
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3a-c
die Darstellung dreier Varianten eines sich bei Ablösen zerstörenden Kontrastmusters.
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1 zeigt
in einer schematischen Übersicht
eine Ausführungsform
der Erfindung. In einer Trennwand 1 befindet sich eine
Durchgangsöffnung 2,
die durch Randflächen 3a-3d begrenzt
ist. Eine Kamera 4 in einer Ecke der Durchgangsöffnung 2 nimmt
das Bild der beiden gegenüberliegenden Randflächen 3c, 3d auf.
Die Kamera 4 hat in der Darstellung einen größeren Öffnungswinkel
als 90° und sieht
daher auch noch Abschnitte der Randflächen 3a, 3b.
Um die Durchgangsöffnung 2 vollständig zu überwachen,
genügen
die Randflächen 3c, 3d als Überwachungsbereich.
Je nach Anwendung kann aber auch ein Teilabschnitt ausreichen.
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Die
Kamera 4 überwacht,
ob sich ein Objekt 5 in der Durchgangsöffnung 2 befindet.
Dieses Objekt 5 verändert
nämlich
das aufgenommene Bild der Kamera, das ohne das Objekt 5 den
nunmehr abgeschatteten Bereich 6 des Überwachungsbereichs ungestört gezeigt
hätte.
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Neben
der Kamera 4 sind zwei Beleuchtungseinrichtungen 7a, 7b angeordnet.
Obwohl grundsätzlich
jede Lichtquelle denkbar ist, eignen sich Halbleiterlichtquellen
besonders, die ein Lichtband gezielt aussenden. Wesentlich ist,
dass der von der Kamera 4 beobachtete Bereich ausgeleuchtet wird.
Die Beleuchtungseinrichtungen 7a, 7b sind in ihrer
Stärke
variabel.
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Die
Kamera 4 weist ein Objektiv 8 und einen ortsauflösenden Bildsensor 9 auf.
Der Bildsensor kann in CMOS- oder CCD-Technologie oder jeder anderen
bekannten Bauweise aufgebaut sein, die ein digitales Bild mit einzelnen
Pixeln zu liefern vermag. Das Bild wird mit der von der Anwendung
geforderten Wiederholungsfrequenz über eine Datenleitung 10 an
eine Auswertungseinheit 11 übertragen. Die Auswertungseinheit 11 ist
darüber
hinaus mit den Beleuchtungseinrichtungen 7a, 7b verbunden,
um deren Lichtstärke
zu steuern. Die Auswertungseinheit 11 hat Informationen über das
Bild der Kamera 4, wenn sich kein Objekt 5 in
der Durchgangsöffnung 2 befindet,
und kann aus der Veränderung
des Bildes durch das Objekt 5 dessen Anwesenheit erkennen.
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Die
Kamera 4 überwacht
somit die Durchgangsöffnung 2 gegenüber Objekten 5.
Eine denkbare Anwendung ist, dass hinter der Durchgangsöffnung 2 ein
Gefahrenbereich liegt, beispielsweise eine Presse oder sonst eine
Maschine, an der Personen verletzt werden können. Bei Eintritt in die Durchgangsöffnung 2 kann
dann ein Warnsignal gegeben oder die Maschine abgeschaltet werden.
Die Anwendung kann aber auch etwa eine Diebstahlsicherung sein,
bei der niemand unautorisiert den Bereich hinter der Durchgangsöffnung 2 betreten
soll, ohne dass er sich dort wie in der Anwendung als Schutzvorrichtung selbst
gefährdet.
Die Anwendungen sind auf diese Beispiele nicht beschränkt, die
Vorrichtung ist überall einsetzbar,
wo der Eintritt eines Objektes erkannt werden soll. Auch die besondere
Anordnung in einer Durchgangsöffnung 2 ist
beispielhaft zu verstehen; der Überwachungsbereich
muss nicht wie in 1 dargestellt die Hälfte einer
Durchgangsöffnung 2 sein,
sondern kann eine beliebige Fläche
an einem beliebigen Ort sein.
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2 zeigt
nochmals einen dreidimensionalen Ausschnitt der Vorrichtung. Die
Kamera 4 blickt wegen der veränderten Perspektive der Darstellung nunmehr
von rechts auf den Überwachungsbereich. Dieser Überwachungsbereich
ist mit einem Kontrastmuster 12 versehen, das hier in der
vereinfachten Darstellung einen mittigen hellen Teilbereich 13 bzw. einen
Reflektor als Streifen aufweist, der von zwei dazu parallelen dunklen
Teilbereichen 14 in Form von Streifen flankiert wird. Der
Helligkeitsverlauf entlang einer gedachten Schnittlinie senkrecht
durch die Streifen 13, 14 (in der 2 gestrichelt
dargestellt) kann der nur schematischen 2 nicht
entnommen werden und wird anhand der 3a-c genauer
erklärt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann anstelle einer Kamera mit einem pixelaufgelösten Bildsensor auch ein anderer
lichtempfindlicher Empfänger
wie eine Photodiode verwendet werden. Der typische Sensor wäre eine
Reflexionslichtschranke, bei der einem Sender auf der gegenüberliegenden Seite
des Überwachungsbereichs
ein Kontrastmuster oder ein Reflektor, der zur Verringerung von Streulicht
retroreflektierend sein kann, als passives Ziel zugeordnet ist.
Der Lichtstrahl des Senders trifft auf dieses passive Ziel und wird
in einen Empfänger zurückgeworfen,
der in der Nähe
des Senders angeordnet ist.
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Die 3a-c
zeigen unterschiedliche Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Kontrastmusters 12.
Das Kontrastmuster 12 ist auf einem Träger aufgebracht, über den
es in dem Überwachungsbereich 3 angebracht
werden kann. Dieser Träger
ist vorzugsweise eine dünne
Kunststofffolie, denkbar ist aber auch ein anderer Träger und
ein anderes Material, sofern es die noch folgenden Eigenschaften
erfüllen
kann. Der Träger 15 weist
Sollreißstellen
oder Perforationen auf, die bei schon relativ geringer Belastung
zu einer Zerstörung
führen.
Dazu ist der Träger
mit einem Haftmittel in dem Überwachungsbereich 3 angebracht,
mit dem die Folie zur vereinfachten Handhabung von vornherein beschichtet
sein kann. Die Klebkraft dieses Haftmittels ist zumindest so groß gewählt, dass
bei dem Versuch, den Träger zu
lösen,
zunächst
die Sollreißstellen
und erst dann das Haftmittel nachgeben werden.
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Es
ist somit nicht möglich,
das Kontrastmuster aus dem Überwachungsbereich 3 zu
lösen,
ohne es dabei zu zerstören.
Das zu Grunde liegende Prinzip ist dem Autofahrer von Autobahnvignetten
bekannt. Dabei kommt es zur Verwirklichung der Erfindungsidee nicht
auf die genaue Anordnung der Sollreißstellen oder Perforationen 15 an,
die als schräge oder
senkrechte Linien, aber auch durch Quadrate oder Rauten oder in
jeder weiteren denkbaren Form angeordnet sein können. Zumindest eine Periodizität des von
den Sollreißstellen 15 gebildeten
Musters bietet sich aber zur einfacheren Herstellung und Handhabung
an.
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Die
Auswertungseinheit 11 kennt die Struktur des Musters 12,
im dargestellten Beispiel eine Abfolge einer dunklen, hellen und
wiederum einer dunklen Linie. Dies kann in Form eines Referenzbild
abgespeichert sein, die Information kann aber auch komprimiert werden.
So genügt
es, bei dem dargestellten Muster die Koordinaten des jeweiligen
Beginns und Endes eines hellen und dunklen Teilabschnittes zu kennen.
Die Auswertungseinheit 11 muss nur genug Informationen über das
Muster 12 haben, um eine Abschattung durch ein Objekt der
gewünschten
Auflösung
sicher erkennen zu können.
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Dementsprechend
ist auch nicht erforderlich, dass sich das Kontrastmuster 12 bei
einem Versuch des Lösens
vollständig
zerstört.
Es reicht aus, wenn es sich dabei in einem Maße verändert, das sich in einem Unterschied
gegenüber
den der Auswertungseinheit 11 bekannten Informationen niederschlägt. Dann
ist die Auswertungseinheit 11 in der Lage, einen Manipulationsversuch
sicher zu erkennen, der auf eine Lageveränderung, insbesondere eine
Veränderung
des Abstandes, des Kontrastmusters 12 zielt. Die Anforderung
an den Grad der Zerstörung des
Kontrastmusters hängt
somit auch von dem verwendeten Bildsensor ab. Eine Kamera ist in
der Lage, wesentlich feinere Veränderungen
des Kontrastmusters 12 zu erkennen als eine Photodiode.
Dementsprechend genügt
für eine
Kamera, wenn das Kontrastmuster beispielsweise "verkrumpelt", während
gegenüber
einer Photodiode die Zerstörung
zumindest so weit gehen muss, dass sich die reflektierte Lichtmenge
deutlich verändert.
Ein hinreichender Grad der Zerstörung
während
des Ablösens
mit einer ausreichenden Veränderung
des Kontrastmusters 12 gegenüber den in der Auswertungseinheit 11 gespeicherten
bekannten Informationen über
das intakte Kontrastmuster 12 ist durch Wahl des Trägers und/oder
der Sollreißstellen 15 zu
gewährleisten.
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Die
erfindungsgemäße Lösung erkennt
in der Forderung des Normentwurfs zur IEC 61496-4 (kamerabasierte
Schutzeinrichtungen mit passiven Muster) sinngemäß, dass die Sicherheit hinreichend gewährleistet
ist, wenn das Muster dauerhaft mit dem Untergrund verbunden ist.
Eine Abstandüberwachung
in der Auswertungseinheit 11 auf das passive Muster ist
dann nicht mehr notwendig. Damit müssen auch die entsprechenden
Rechenkapazitäten
nicht bereitgestellt werden. Der Reflektor oder das Kontrastmuster 12 kann
einfacher und schmaler ausgeführt
werden, es genügt
ein dunkler und ein heller Streifen oder allein ein Reflektorstreifen.
Zwar ist eine direkte Überwachung
des Abstandes gegenüber
Manipulationen wie eine mit einem Reflektor auf einem Handschuh
oder das zusätzliche
Einlegen eines auf einem Brett aufgeklebten Reflektorbandes genauer, dies
ist aber gar keine nach einer Norm vorhersehbare Manipulation. Aber
selbst derartige gezielte Manipulationen können mit dem einfachen Muster,
das sich bei einem Versuch des Lösens
zur Positionsveränderung
zerstört,
zumindest mit einer Kamera ähnlich
sicher erkannt werden, da die Bildbewertung ein dynamischer Prozess
ist, bei dem während
der Manipulation lokale Kontrastverletzungen auftreten.
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Das
einfache Kontrastmuster 12 aus zwei dunklen und einem reflektierenden
Streifen kann eine Umspiegelung nicht sicher ausschließen. Da
es aber äußerst unwahrscheinlich
ist, eine spiegelnde Fläche
einzuführen,
ohne dass dieser Prozess von der Auswertungseinheit 11 bemerkt
würde,
ist bis ausschließlich
dem strengsten Typ 4 der genannten Norm eine hinreichende Umspiegelungssicherheit gewahrt.
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Erfindungsgemäß wird in
Zusammenfassung der Vorteile in der Auswertungseinheit 11 eine
geringere Rechenleistung erforderlich, wodurch sich die Kosten und
die Ansprechzeit verringern. Das schmalere Kontrastmuster 12 ermöglicht eine
höhere
Variabilität
bei der Montage und lediglich schmalere Trägerflächen. Das Kontrastmuster 12 ist
einfacher und kann somit leichter und kostengünstiger hergestellt werden.
Schließlich
ist die Montage wegen des problemlosen Anschließens an Übergangsstellen des einfachen
Kontrastmusters 12 erleichtert. Das Kontrastmuster 12 wacht
durch seine Selbstzerstörung bei
dem Versuch des Lösens
sozusagen passiv selbst über
Manipulationsversuche.