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Die Erfindung betrifft einen Sicherheitsscanner zur Absicherung und Unterstützung einer automatischen Navigation nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Sicherheitslaserscanner, wie sie beispielsweise aus
DE 43 40 756 A1 bekannt sind, werden zur Überwachung von Gefahrenquellen eingesetzt. In einem Sicherheitsscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Dabei sind zwei grundsätzliche Prinzipien bekannt, die Lichtlaufzeit zu bestimmen. Bei phasenbasierten Verfahren wird das Sendelicht moduliert und die Phasenverschiebung des empfangenen gegenüber dem gesendeten Licht ausgewertet. Bei pulsbasierten Verfahren, wie sie in der Sicherheitstechnik bevorzugt eingesetzt werden, misst der Laserscanner die Laufzeit, bis ein ausgesandter Lichtpuls wieder empfangen wird.
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Durch die Winkellage und den Abstand eines erfassten Objekts kennt der Sicherheitsscanner dessen Objektposition in zweidimensionalen Polarkoordinaten. Wenn auch eine Ablenkung in einer weiteren Dimension vorgesehen sind, stehen über den zweiten Ablenkwinkel vollständige dreidimensionale Raumkoordinaten in Kugelkoordinaten zur Verfügung. Auf Basis der zwei- oder dreidimensionalen Objektposition wird ein Schutzfeld überwacht, das von Personen oder anderen unzulässigen Objekten frei bleiben soll. Wird ein Schutzfeld verletzt, greift also eine Person oder ein Objekt unzulässig in ein Schutzfeld ein, so erfolgt eine Absicherung, beispielsweise ein Notstopp.
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In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
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Es ist bekannt, Sicherheitsscanner auch auf einem Fahrzeug zum Kollisionsschutz einzusetzen, etwa einem autonomen Fahrzeug oder einem führerlosen Transportsystem. Damit sollen in erster Linie Personen vor Kollisionen geschützt werden, indem das Fahrzeug rechtzeitig abgebremst wird. Zudem können die Abstandsinformationen des Sicherheitsscanners auch für Navigationsaufgaben genutzt werden, indem Reflektormarken als Orientierungspunkte genutzt werden. Diese Funktion ist aber nicht besonders zuverlässig, denn die Reflektormarken werden allein aufgrund ihrer hohen Remission identifiziert. Auch andere Reflektoren, beispielweise Fahrzeugreflektoren, werden daher fälschlich als Referenzmarken aufgefasst. Außerdem ist die Reflektormarkenerkennung undifferenziert. Es wird also bestenfalls erkannt, dass es sich um eine Reflektormarke handelt. Da der Laserscanner somit nicht erfährt, welche Referenzmarke aktuell angetastet wird, kann er seine Lage nur auf Basis von weiterem Vorwissen bestimmen.
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Aus der
DE 44 24 008 A1 ist eine optoelektronische Vorrichtung zum Erkennen von mit definierten Kontrastmustern versehenen Marken bekannt. Die Marken tragen eine Positionsinformation über die eigene Position und die Vorrichtung ist an einem relativ zu den Marken beweglichen Objekt angebracht. Allerdings bewegt sich dieses Objekt zwangsgeführt in nur einer Dimension. Eine Abstandsbestimmung zwischen Vorrichtung und Marke und damit eine Orientierung in der Fläche oder im Raum ist ebenso wenig vorgesehen wie eine Sicherheitsfunktion.
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Die
EP 0 652 530 A2 offenbart einen Laserscanner zum Lesen von optischen Codes auf einem Objekt. Der Laserscanner bestimmt mit der Codeinformation zugleich die Entfernung zwischen Laserscanner und Code mit einem phasenbasierten Lichtlaufzeitverfahren. Dabei ist der Laserscanner stationär montiert, so dass seine eigene Position im Gegensatz zu einer Navigation fix und vorparametriert ist. Die Codes enthalten keinerlei Positionsinformation. Eine Sicherheitsfunktion ist nicht vorgesehen und in den typischen Einsatzfeldern dieses Laserscanners, nämlich Paketverteilstationen, auch nicht notwendig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Navigationsunterstützung eines Sicherheitslaserscanners zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sicherheitsscanner zur Absicherung und Unterstützung einer automatischen Navigation gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die erfindungsgemäße Lösung von dem Grundgedanken aus, die Modulation des Taststrahls beziehungsweise des Empfangssignals durch das angetastete Objekt als Informationsquelle auszunutzen. Damit kann aus Referenzmarken zur Bestimmung der eigenen Position ein Navigationscode ausgelesen werden, dessen Informationsgehalt über das fehleranfällige und mehrdeutige Erkennen einer einfachen Reflektormarke hinausgeht.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Navigationscode Verwechslungen mit anderen Reflektoren ausschließt. Die Bestimmung der eigenen Position ist damit zuverlässiger. Außerdem können über den Navigationscode Zusatzinformationen übermittelt werden, welche eine schnellere oder genauere Bestimmung der eigenen Position ermöglichen.
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Der Navigationscode kann zusätzliche Steuerungsinformation enthalten. Beispielsweise kann der Zutritt zu bestimmten Gebieten verboten, eine Maximalgeschwindigkeit in einem Gebiet mitgeteilt oder eine andere, für die automatische Navigation erforderliche oder hilfreiche Anweisung erteilt werden. Die Referenzmarken sind damit in gewisser Weise ein Mittel, die Navigation von sämtlichen Sicherheitsscannern ohne Zugang zu deren Elektronik zu parametrieren.
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Der Navigationscode umfasst bevorzugt eine Zugehörigkeitsinformation zu dem Sicherheitsscanner. Anhand der Zugehörigkeitsinformation wird sichergestellt, dass es sich bei der angetasteten Referenzmarke tatsächlich um eine solche für die Navigationsunterstützung handelt. Dabei kann der Navigationscode allgemein eine Referenzmarke für die Navigationsunterstützung anzeigen, aber auch eine Referenzmarke spezifisch für gerade diesen Sicherheitsscanner.
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Der Lichtsender ist bevorzugt dafür ausgebildet, kurze Sendepulse insbesondere im Nanosekundenbereich auszusenden, wobei remittierte Empfangspulse in der Auswertungseinheit in einem in pulsbasiertes Lichtlaufzeitverfahren erfassbar sind. Der Sicherheitsscanner arbeitet also mit einem pulsbasierten Lichtlaufzeitverfahren. Phasenbasierte Lichtlaufzeitverfahren sind zwar für das Auslesen optischer Codes geeignet, erlauben jedoch keine sichere Schutzfunktion. In der Sicherheitstechnik werden üblicherweise sehr kurze Sendepulse von weniger als 10 ns, also beispielsweise 1–5 ns verwendet.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Zugehörigkeitsinformation als charakteristische Veränderung der Empfangspulse an der Referenzmarke auszulesen. Dies wird beispielsweise durch eine Fluoreszenz der Referenzmarke erreicht, welche durch kurzes Nachleuchten den Empfangspuls verbreitert. Ein normaler Reflektor oder allgemein eine Objektoberfläche, die nicht eigens für den Sicherheitsscanner mit den entsprechenden Fluoreszenzeigenschaften präpariert wird, kann deshalb nicht mit einer Referenzmarke verwechselt werden.
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Der Navigationscode umfasst bevorzugt eine Positionsangabe. Ohne Positionsangabe benötigt der Sicherheitsscanner zumindest zwei Referenzmarken zur Ermittlung der eigenen Position auf einer Ebene und sogar zumindest drei Referenzmarken für die allgemeine Bestimmung der Position im Raum. Ohne Vorwissen ist das dennoch nur eine relative Orientierung. Wenn dagegen aus der Referenzmarke deren Raumposition über den Navigationscode ausgelesen wird, genügt eine einzige angetastete Referenzmarke für eine vollständige Orientierung anhand des gemessenen Abstands und des Abtastwinkels bei einem zweidimensionalen oder beider Abtastwinkel bei dreidimensionalen Sicherheitsscannern. Die Positionsangabe kann unmittelbar in einem bekannten Koordinatensystem, aber auch indirekt codiert sein, beispielsweise durch eine Identifikationsnummer, der in einem Speicher des Sicherheitsscanners oder einer übergeordneten Steuerung eine Positionsangabe zugeordnet wird.
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Der Lichtsender ist bevorzugt dafür ausgebildet, Sendepulse mit einer hohen Winkelauflösung, insbesondere von höchstens einem zehntel, höchstens einem hundertstel Grad oder höchstens einem tausendstel Grad, und mit einem kleinen Tastfleck insbesondere entsprechend der Winkelauflösung auszusenden. Die erforderliche Auflösung hängt davon ab, in welcher Maximalentfernung Codes mit wie großen Strukturelementen noch gelesen werden sollen. Diese Anforderung ist jedenfalls in aller Regel schärfer als diejenige an die Auflösung für die Sicherheitsfunktion, bei der bloße Objekterkennung bei Objekten mit geforderten Mindestabmessungen ausreicht. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Tastflecks von gleicher Größenordnung wie das Winkelinkrement. Dabei werden beide Größen in Winkeln angegeben, so dass dies nicht von dem Abstand der Referenzmarke abhängt.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, über eine Vielzahl von Empfangspulsen zu mitteln, um einen Objektabstand zu bestimmen. Diese Mittelung erfolgt vorzugsweise während eines kontinuierlichen Abrasterns des Objekts aufgrund der Drehbewegung des Scanners. Dabei werden also in rascher Folge Sendepulse ausgesandt, wobei sich jeder einzelne Empfangspuls gar nicht unbedingt aus dem Rauschen heraushebt. Erst in einem Histogramm, also durch eine Pulsmittelung eine Vielzahl von beispielsweise 50, 100 oder 500 Empfangspulsen, entsteht ein auswertbares Empfangssignal. Die Pulsfolge muss hierbei im Verhältnis zur Bewegung der Ablenkeinheit hoch genug sein, dass die Sendepulse für jeweils ein solches Histogramm eine zumindest im Rahmen der geforderten Winkelauflösung der Objekterkennung annähernd stationäre Situation vorfinden.
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Vorteilhafterweise ist ein zusätzlicher Lichtsender vorgesehen, um einen Lesestrahl für den Navigationscode zu erzeugen, wobei insbesondere Sendelicht des zusätzlichen Lichtsenders ebenfalls an der Ablenkeinheit periodisch ablenkbar und in dem Lichtempfänger erfassbar ist. Damit werden die an sich widerstreitenden Anforderungen an die sicherheitstechnisch bedingten Eigenschaften des abstandsmessenden Sendestrahls und an die räumliche Auflösung des Lesestrahls für das Auslesen des Navigationscodes entkoppelt. Bei dieser Ausführungsform genügt es, wenn nur der zusätzliche Lichtsender eine hohe Winkelauflösung mit kurz aufeinanderfolgenden Sendepulsen und kleinen Tastflecken aufweist. Auch ein Dauerstrichbetrieb ist denkbar, weil der zusätzliche Lichtsender nicht für die Sicherheitsfunktion verwendet wird. Der zusätzliche Lichtsender verwendet insbesondere eine andere optische Frequenz, um das Empfangssignal anhand der optischen Frequenz aufzutrennen.
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Vorzugsweise ist eine Frequenzweiche vorgesehen, um den von dem Sendelicht des zusätzlichen Lichtsenders erzeugten Anteil des Empfangssignals für das Auslesen des Navigationscodes von dem Empfangssignal für die Bestimmung des Abstands mittels Lichtlaufzeitverfahren zu trennen. Die Frequenzweiche kann als analoger elektronischer Baustein, aber auch als Softwarefilter implementiert sein. Der abstandsmessende Sendestrahl für die Sicherheitsfunktion hat wegen seiner kurzen Nanopulse ein anderes Frequenzverhalten als der Lesestrahl für den Navigationscode und kann über eine Hochpassfunktion separiert werden.
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Bevorzugt ist ein zweiter Lichtempfänger für den Lesestrahl vorgesehen. Damit muss der Empfangsstrahl nicht optisch oder elektronisch aufgetrennt werden, sondern die beiden optischen Kanäle, also der abstandsmessende Taststrahl der Sicherheitsfunktion und der Lesestrahl für den Navigationscode, werden vervollständigt. Die beiden Lichtempfänger können in Form einer ortsauflösenden Photodiode oder eines pixelaufgelösten Zeilen- oder Matrixempfängers mit zwei unterschiedlichen Bereichen realisiert sein.
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Der erfindungsgemäße Sicherheitsscanner wird in vorteilhafter Weiterbildung zusammen mit einer Referenzmarke, die den Navigationscode trägt, zu einem sicheren Navigationssystem. Der Navigationscode ist bevorzugt als Strichcode ausgebildet, um von dem Taststrahl aus fast beliebigem Winkel auslesbar zu sein. Dabei ist ein Strichcode nicht nur ein Barcode im Sinne einschlägiger Normen, sondern jegliches Linienmuster, das durch eine Querlinie als Hell-Dunkel-Muster erfassbar ist. Beispielsweise lässt sich auch einem regelmäßigen Linienmuster zumindest eine Abstandsinformation entnehmen, die für eine Identifikation ausreichen kann. Der Navigationscode ist noch bevorzugter mit retroreflektierenden und dunklen Bereichen ausgebildet, damit die Unterschiede zwischen Hell und Dunkel eindeutig erfasst werden. Wegen dieses hohen Kontrastes wird der Navigationscode bereits bei einer erheblich kleineren Pulsmittelungszahl erkannt, als für eine sichere Objekterkennung erforderlich ist. Damit wird für das Lesen des Navigationscodes eine wesentlich höhere Winkelauflösung erreicht als für die sichere Objekterkennung.
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Die Referenzmarke trägt den Navigationscode bevorzugt mehrfach, insbesondere mehrfach nebeneinander, wobei der Referenzmarke ein Zylinderlinsenarray oder eine diffraktive Beschichtung zugeordnet ist. Die Zylinderlinsen oder die Beschichtung sorgt dafür, dass mit dem veränderten Abtastwinkel während der Scanbewegung unabhängig von der Sendelichtfleckgröße unterschiedliche Codebereiche erfasst werden, so dass insgesamt bei Überstreichen der Referenzmarke aus den diversen Wiederholungen der Navigationscode ausgelesen wird.
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Dabei ist das Zylinderlinsenarray oder die diffraktive Beschichtung besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass jeweils eine Zylinderlinse oder ein diffraktives Strukturelement einer oder mehreren Wiederholungen des Navigationscodes zugeordnet ist. Diese Zuordnung sorgt für eine effektive Raumausnutzung auf der Referenzmarke.
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Die Referenzmarke weist bevorzugt Fluoreszenzeigenschaften auf, die eine charakteristische Aufweitung eines von der Referenzmarke reflektierten Lichtpulses bewirken. An dieser charakteristischen Aufweitung unterscheidet der Sicherheitsscanner ihm zugeordnete Referenzmarken von anderen Reflektoren oder sonstigen Störsignalen. Die Fluoreszenz klingt bevorzugt im Nanosekundenbereich, insbesondere nach 1 bis 20 ns ab, damit die Referenzmarke nicht noch bei Auftreffen des nächsten Pulses nachleuchtet und somit die Empfangspulse so stark verbreitert, dass sie nicht mehr eindeutig auswertbar sind.
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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 den Abtaststrahl eines erfindungsgemäßen Sicherheitsscanners bei Auftreffen auf eine Referenzmarke bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 den Abtaststrahl eines erfindungsgemäßen Sicherheitsscanners bei Auftreffen auf eine Referenzmarke bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 mehrere Abtaststrahlen eines erfindungsgemäßen Sicherheitsscanners bei Auftreffen auf eine besondere Referenzmarke mit mehreren Wiederholungen eines Navigationscodes und einem vorgeordneten Zylinderlinsenarray; und
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines Sicherheitsscanners nach dem Stand der Technik.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Sicherheitsscanner 100 nach dem Stand der Technik. Ein von einem Lichtsender 12, beispielsweise einem Laser, erzeugter Lichtstrahl 14, der einzelne Lichtimpulse aufweist, wird über Lichtablenkeinheiten 16a–b in einen Überwachungsbereich 18 gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Das remittierte Licht 20 gelangt wieder zu dem Sicherheitsscanner 100 zurück und wird dort über die Ablenkeinheit 16b und mittels einer Empfangsoptik 22 von einem Lichtempfänger 24 detektiert, beispielsweise einer Photodiode.
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Die Lichtablenkeinheit 16b ist in der Regel als Drehspiegel ausgestaltet, der durch Antrieb eines Motors 26 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung der Lichtablenkeinheit 16b wird über einen Encoder 28 erfasst. Der von dem Lichtsender 12 erzeugte Lichtstrahl 14 überstreicht somit den durch die Rotationsbewegung erzeugten Überwachungsbereich 18. Wird ein von dem Lichtempfänger 24 empfangenes reflektiertes Lichtsignal 20 aus dem Überwachungsbereich 18 empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit 16b mittels des Encoders 28 auf die Winkellage des Objektes in dem Überwachungsbereich 18 geschlossen werden.
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Zusätzlich wird die Laufzeit der einzelnen Laserlichtpulse von ihrem Aussenden bis zu dem Empfang nach Reflexion an dem Objekt in dem Überwachungsbereich 18 ermittelt. Aus der Lichtlaufzeit wird unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung des Objektes von dem Sicherheitsscanner 100 geschlossen. Diese Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit 30, die dafür mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 24, dem Motor 26 und dem Encoder 28 verbunden ist. Somit stehen über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objekte in dem Überwachungsbereich 18 zur Verfügung. Erkennt die Auswertungseinheit 30 ein unzulässiges Objekt in einem Schutzfeld innerhalb des Überwachungsbereichs 18, so wird an einem sicheren Ausgang 32 ein Abschaltsignal ausgegeben.
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Alle genannten Funktionskomponenten sind in einem Gehäuse 34 angeordnet, das frontseitig, also im Bereich des Lichtaus- und Lichteintritts, eine Frontscheibe 36 aufweist. Die Frontscheibe 36 ist zur Vermeidung von direkten Reflexionen in den Lichtempfänger 24 schräg gestellt, so dass Lichtstrahl 14 und Frontscheibe 36 einen Winkel ungleich neunzig Grad einschließen.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung nur den Lichtsender 12 und den Abtaststrahl 38, also den Sendelichtstrahl 14 und das zugehörige remittierte Licht 20, eines Sicherheitsscanners 10 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sicherheitsscanner 10 ist nach dem soeben zu 4 erläuterten Prinzip aufgebaut und weist entsprechende Merkmale auf, die deshalb auch hier und im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zu dem herkömmlichen Sicherheitsscanner 100 hat die Auswertungseinheit 30 des erfindungsgemäßen Sicherheitsscanner 10 zusätzliche Funktionalität zum Auslesen eines Navigationscodes von einer Referenzmarke 40. Der Sicherheitsscanner 10 ist an einem Fahrzeug oder einem ähnlichen beweglichen Objekt angeordnet und unterstützt dessen Navigation durch eine Bestimmung der eigenen Position.
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Dazu weist die Referenzmarke 40 als Navigationsziel ein Substrat hoher Remission auf und ist mit einer Strichcodestruktur versehen, bei dem die Remission des Substrats durch den Strichcode moduliert wird. Wenn Winkelauflösung und Durchmesser des Abtaststrahls 38 hoch genug, die auf der Referenzmarke 40 entstehenden Tastflecken 42 also dicht und klein genug sind, um die Strichcodestruktur aufzulösen, so kann die Auswertungseinheit 30 den Strichcode unmittelbar aus dem Empfangssignal des Abtaststrahls 38 auslesen. Denn das Empfangssignal moduliert in seiner Intensitätsamplitude beim Überstreichen der Referenzmarke wie der Strichcode, so dass hieraus der Navigationscode ablesbar ist.
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Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Sicherheitsscanner 100 mit einer typischen Winkelauflösung von 0,5° wird deshalb in dem erfindungsgemäßen Sicherheitsscanner 10 ein Pulsmittelungsverfahren eingesetzt, bei dem mit einem wesentlich kleineren Winkelinkrement von beispielsweise nur 1/1000° gearbeitet wird. Dadurch wird der Überwachungsraum 18 sehr fein abgerastert und auch eine Referenzmarke 40 kleiner Abmessungen, beispielsweise nur einige Zentimeter, kann aus einer größeren Entfernung, beispielsweise mehreren oder sogar mehreren zehn Metern, gelesen werden.
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Bei dem Pulsmittelungsverfahren veranlasst die Auswertungseinheit 30 den Sender 12, für jeden Abstandsmesswert eine große Zahl von kurzen Pulsen in kurzen Abständen auszusenden. Jeder einzelne Puls auf einem in der Sicherheitstechnik relevanten Tastgut, beispielsweise Textilien, ist dabei relativ schwach, so dass der zugehörige einzelne Empfangspuls nicht unter allen realistischen Bedingungen sicher von einem Rauschen unterscheidbar ist. Durch Mittelung über die große Zahl entsteht ein Histogramm, welches eine verlässliche Lichtlaufzeitbestimmung ermöglicht. Zugleich bilden die Intensitätsamplituden der einzelnen empfangenen Pulse die Strichcodestruktur der Referenzmarke 40 ab, wie im untersten Abschnitt der 1 für einen idealisierten, rauschfreien Fall gezeigt. Die hellen Bereiche des Strichcodes können im Gegensatz zum textilen Tastgut auch ohne Mittelung oder zumindest schon nach Mittelung über nur sehr wenige Pulse erkannt werden, wenn der Kontrast hinreichend groß ist, wie beispielsweise bei einem retroreflektierenden Material.
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Die Auswertungseinheit 30 bestimmt somit zusätzlich zu dem Objektabstand und dem Winkel, unter dem das Objekt erfasst wird, auch den Navigationscode. Dieser Navigationscode ist beispielsweise eine eindeutige Identifikationsnummer, mit welcher der Sicherheitsscanner 10 erkennt, dass die Referenzmarke 40 ein ihm zugeordnetes Navigationsziel ist. Damit werden Verwechslungen mit anderen Reflektoren oder dergleichen ausgeschlossen. Enthält der Navigationscode sogar eine Positionsangabe, so kann die Auswertungseinheit aus der über Abstand und Winkel bekannten Position der Referenzmarke 40 gegenüber dem Sicherheitsscanner 10 auch eine eigene Position bezogen auf die Positionsangabe der Referenzmarke 40 berechnen. Es genügt dann also für eine vollständige Bestimmung der eigenen Position die Erfassung nur einer einzigen Referenzmarke 40. Dies gilt zumindest unter der Voraussetzung, dass auch der Winkel bekannt ist, unter dem die Referenzmarke 40 erfasst wurde, beziehungsweise wenn die Ausrichtung des Fahrzeugs bekannt ist. Andernfalls kann eine weitere erfasste Referenzmarke 40 für eine eindeutige Positionsbestimmung erforderlich sein.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Referenzmarke 40 als Navigationsziel verwendet, die in Folge einer geeigneten Fluoreszenz, also einem Nachleuchten im Bereich von 1–20 ns, eine charakteristische Verbreiterung der Echopulse bewirkt. Anhand der Echopulsbreite kann dann die Auswertungseinheit 30 erkennen, wenn eine Referenzmarke 40 angetastet wurde. Weitergehende Navigationsinformationen, also beispielsweise die Differenzierung verschiedener Navigationsziele oder eine absolute Positionsangabe, lassen sich auf diesem Wege im Gegensatz zu einem Strichcode nicht ohne Weiteres übertragen.
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2 zeigt analog der 1 in einer vereinfachten Darstellung die für die Erläuterung wesentlichen Elemente einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitsscanners 10. Dabei ist zusätzlich zu dem für die Abstandsbestimmung und die Sicherheitsfunktion verwendeten Abtaststrahl 38 des Lichtsenders 12 ein zusätzlicher Lichtsender 12a vorgesehen, der einen eigenen Lesestrahl 44 erzeugt. Dies ist vor allem in dem Fall nützlich, in dem die Tastflecken 42 des Abtaststrahls 38 nicht fein genug auflösen, um den Navigationscode der Referenzmarke 40 zu lesen. Der Lesestrahl 44 erzeugt dann hinreichend kleine Tastflecken 46. Da der Lesestrahl 44 für die Sicherheitsfunktion nicht genutzt wird, kann der Lichtsender 12a allein auf die Lesefunktion ausgerichtet sein und beispielsweise mit langen Pulsen statt Nanopulsen und sogar im Dauerstrichbetrieb arbeiten. Auch ist der Einsatz einer LED anstelle einer Laserlichtquelle möglich.
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Der Lesestrahl 44 wird durch die vorhandene Sendeoptik des Abtaststrahls 38 oder durch eine eigene Sendeoptik auf das Objekt abgebildet. Lesestrahl 44 und Abtaststrahl 38 sind nahe beieinander angeordnet und werden gemeinsam von der Ablenkeinheit 16a–b in den Überwachungsbereich 18 abgelenkt. In einer Ausführungsform wird der Lichtempfänger 24 genutzt, um sowohl den Abtaststrahl 38 als auch den Lesestrahl 44 zu erfassen. Zur getrennten Auswertung wird dann beispielsweise eine Frequenzweiche verwendet, welche die hochfrequenten Anteile der sehr kurzen Pulse des Abtaststrahls 38 von dem niederfrequenten Empfangssignal des Lesestrahls 44 separiert. Ist beispielsweise die Auswertungseinheit 30 auf einem FPGA implementiert, so können dessen Eingänge zur A/D-Wandlung des im Gegensatz zu einem herkömmlichen Sicherheitsscanner 100 zusätzlichen niederfrequenten Lesestrahls verwendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform werden für den Abtaststrahl 38 und den Lesestrahl 44 unterschiedliche optische Frequenzen verwendet, anhand derer die beiden Signalanteile durch optische oder elektronische Filter getrennt werden. Eine weitere Ausführungsform umfasst einen zusätzlichen zweiten Lichtempfänger für den Lesestrahl 44, der auch als Bereich eines gemeinsamen ortsauflösenden Lichtempfängers ausgebildet sein kann. Eine elektronische oder optische Trennung der Signalanteile ist dann nicht mehr erforderlich, da von Anfang an zwei Empfangssignale entstehen.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer Referenzmarke 40, deren Navigationscode auch mit einem Abtaststrahl 38a–b gröberer Auflösung lesbar ist. Dieses Navigationsziel ist nicht aufgrund seiner Oberflächenremission codiert, sondern weist bei kollimiertem Lichteinfall einen nach Einfallsrichtung unterschiedlichen Rückstrahlwert auf. Die Referenzmarke 40 ist eben und wird von dem Abtaststrahl 38 während des Überstreichens bei der Bewegung der Ablenkeinheit 16b beispielsweise in einem Winkelbereich von α = ±0,25° angetastet. Werden in diesem Bereich beispielsweise 500 Einzelpulse ausgesendet, insbesondere für ein Pulsmittelungsverfahren, trifft jeder Puls um 1/1000° winkelversetzt zu dem vorherigen Puls auf die Referenzmarke 40.
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Die Referenzmarke 40 weist ein Zylinderlinsenarray 48 aus zueinander identischen Einzelzylinderlinsen auf. Unter jeder Einzelzylinderlinse befindet sich in deren Brennebene ein zu der Zylinderrichtung parallel ausgerichteter Strichcode. Der Strichcode wird also innerhalb der Referenzmarke 40 so oft wiederholt, wie Einzelzylinderlinsen vorhanden sind. Der Abtaststrahl 38 wird durch die Zylinderlinsen auf den jeweiligen Strichcode fokussiert, so dass also auch größere Tastflecken 42, die auf das Zylinderlinsenarray 48 fallen, durch die Fokussierung die feinen Strukturelemente der Strichcodes erfassen können. Dadurch wird innerhalb des Winkelbereichs α der Strichcode abgerastert: Da ein späterer Abtaststrahl 38b unter einem anderen Winkel auftrifft als ein früherer Abtaststrahl 38a, werden unterschiedliche Teilbereiche der wiederholten Strichcodes erfasst. Der spätere Abtaststrahl 38b fällt in diesem Beispiel auf ein dunkles Strukturelement der fünften Wiederholung, der frühere Abtaststrahl 38a auf ein helles Strukturelement der zweiten Wiederholung des Stichcodes. Nach diesem Prinzip wird insgesamt der Navigationscode aus den verschiedenen Abtastungen verschiedener Wiederholungen des Strichcodes zusammengesetzt. In der 3 sind zur Vereinfachung nur ein sehr grober Strichcode mit wenigen Wiederholungen und ein Zylinderlinsenarray 48 mit entsprechend wenigen Einzelzylinderlinsen sowie ein sehr großes Winkelinkrement dargestellt.
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Abweichend von der Darstellung der 3 kann der Strichcode auch bereits unter einer Einzelzylinderlinse mehrfach wiederholt werden. Dadurch wird der komplette Strichcode unabhängig von α ausgelesen. Ebenso kann wie auch schon in früheren Ausführungsformen anstelle eines Strichcodes ein regelmäßiges Linienmuster verwendet werden, wobei dann die Identität der Referenzmarke in dem abgetasteten Winkelabstand der Linien codiert ist.
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Derartige Zylinderlinsenarrays 48 sind wegen ihrer Verwendung in 3D-Bildschirmen kommerziell verfügbar. Zur Herstellung der Referenzmarke 48 wird beispielweise der Strichcode auf eine Retroreflektorfolie aufgedruckt und anschließend das Zylinderlinsenarray auflaminiert. Alternativ zu einer Referenzmarke 40 mit Zylinderlinsenarray 48 ist auch eine reflektive diffraktive Folie einsetzbar, die aufgrund ihrer Strukturierung den beschriebenen winkelabhängigen Rückstrahl-Fingerabdruck besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4340756 A1 [0002]
- DE 4424008 A1 [0006]
- EP 0652530 A2 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN13849 [0004]
- EN61496 [0004]
