DE4405376C1 - Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 41 19 797 A1 ist eine Überwachungseinrichtung bekannt, bei der Objekte innerhalb eines zu überwachenden Bereichs berührungslos erfaßt wer­ den. Hierzu ist der zu überwachende Bereich durch eine aus beliebigem Materi­ al bestehende Referenzfläche begrenzt. Zur Überwachung des Bereichs, des sogenannten Schutzfeldes, wird eine einen Sender, einen Empfänger und eine Auswerteeinheit aufweisende Vorrichtung eingesetzt. Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung als Lichttaster ausgebildet, dessen Sendelichtstrahl über eine Ab­ lenkvorrichtung entlang des zu überwachenden Bereichs geführt wird. Mit dem Lichttaster wird die Distanz der Referenzfläche zur Vorrichtung gemessen. Der Distanzwert wird in der Auswerteeinheit mit einem Sollwert verglichen. Stimmt der Distanzwert innerhalb eines Toleranzbereichs mit dem Sollwert überein und übersteigt die am Empfänger anstehende Lichtleistung einen Mindestwert, er­ folgt eine Signalabgabe "Schutzfeld frei".

Bei Eintritt eines Objektes in den zu überwachenden Bereich wird der Strahlen­ gang zwischen der Vorrichtung und der Referenzfläche unterbrochen und in der Auswerteeinheit der Distanzwert des Objekts zur Vorrichtung registriert. Liegt der Distanzwert außerhalb des Toleranzbereichs oder unterschreitet die am Emp­ fänger anstehende Lichtleistung den Mindestwert, so erfolgt die Signalabgabe "Schutzfeld nicht frei".

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch Auswertung der Distanz­ meßwerte und der Signalpegel am Empfänger eine hohe Detektionssicherheit er­ zielt wird.

Jedoch stößt dieses Verfahren insbesondere dann an seine Grenzen, wenn Ob­ jekte sehr dicht vor der Referenzfläche angeordnet sind. In diesem Fall können aufgrund von Meßwertschwankungen die in der Vorrichtung registrierten Di­ stanzwerte für das Objekt bzw. die Referenzfläche gleich sein oder ggf. für das Objekt sogar größer als für die Referenzfläche sein, so daß das Objekt nicht mehr erkannt werden kann.

Die Meßwertschwankungen können durch Bauteilfehler, durch Alterung der Bauteile oder dergleichen hervorgerufen werden. Dieser Effekt wird noch ver­ stärkt, wenn das Objekt und die Referenzfläche nahezu dasselbe Reflexionsver­ mögen aufweisen, so daß die Empfangsamplituden nahezu identisch sind.

Aus der DE 39 33 437 C2 ist eine Rückstrahlortungsanlage mit einem Sender und einem Empfänger sowie einer Auswerteeinheit bekannt. Die Anlage tastet mit ihrem Sende- Empfangsstrahl einen Bereich ab und ermittelt über die Echo­ laufzeit für die jeweilige momentane Ortungsrichtung die Entfernung zu einem in diesem Bereich befindlichen Zielobjekt. Durch Verändern der Ortungsrich­ tung wird eine Folge von Entfernungsmeßwerten gemäß dem Profilverlauf (Kontur) des Objekts erzeugt, die in einen Signalprozessor übernommen und dort gespeichert werden. In diesem Signalprozessor erfolgt eine Weiterverarbei­ tung durch nähere Analyse objektspezifischer Signalinhalte zur Zielidentifika­ tion.

In der DE 36 22 421 ist ein Laserlichtsensor beschrieben, dessen Sendelicht­ strahl mittels optischer Einrichtungen innerhalb eines Raumbereichs zur Abta­ stung von Werkstücken und dergleichen geführt wird. Der Sendelichtstrahl wird in eine vorprogrammierbare Anzahl von Raumrichtungen gelenkt, für die jeweils ein vorbestimmtes, einem Objekt zugeordnetes Empfangssignal als Referenzwert abgespeichert wird. Zur Entscheidung, ob ein Objekt in einem bestimmten Raumbereich vorhanden ist, werden die aktuellen Empfangssignale mit den Re­ ferenzwerten verglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung von Objekten in einem zu überwachenden Bereich zu schaffen, das eine sichere De­ tektion selbst bei großen Schwankungen der Meßwerte für die Position des Ob­ jekts gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Zweckmäßige Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildun­ gen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-7 angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß zur Objekterfassung keine Bewertung von Einzelmessungen durchgeführt werden, sondern entsprechend den Konturen der zu vermessenden Objekte mehrere Positionsmeßwerte zur De­ tektion der Objekte herangezogen werden. Bei der Definition der Toleranzbän­ der werden bekannte Informationen über die Geometrie des Objekts verwertet.

Der zu überwachende Bereich wird vom Sendestrahl des Senders vorzugsweise periodisch abgetastet. Zur Auswertung der Positionsmeßwerte gemäß dem er­ findungsgemäßen Verfahren werden zweckmäßigerweise jeweils Positionsmeß­ werte innerhalb einer Periodendauer herangezogen. Eine Mitteilung der Posi­ tionsmeßwerte über mehrere Periodendauern ist nicht notwendig. Dies ist insbe­ sondere dann von Vorteil, wenn Objekte erfaßt werden müssen, die sich inner­ halb des zu überwachenden Bereichs bewegen.

In der Auswerteeinheit sind Konturen von definierten Objekten, die vorzugswei­ se als Referenzobjekte ausgebildet sind, abgespeichert. Dabei kann es sich ins­ besondere um relativ zur Vorrichtung stationär angeordnete Objekte handeln oder um Objekte, die sich entlang einer vorgegebenen Bahn im zu überwachen­ den Bereich bewegen. Der letztere Fall ist beispielsweise bei Vorrichtungen, die auf spurgeführten Fahrzeugen montiert sind, realisiert. Die Objekte sind dann beispielsweise von Wandelementen oder Wänden gebildet, an denen sich das Fahrzeug vorbeibewegt.

Während der Abtastung des zu überwachenden Bereichs wird der Sendestrahl oder gegebenenfalls mehrere Sendestrahlen verschiedener Sender über den zu überwachenden Bereich geführt. Dabei ist der Sendestrahl entsprechend der Ausdehnung des zu detektierenden Objekts mehrfach auf das Objekt gerichtet. Die dabei am Empfänger registrierten Positionsmeßwerte werden in der Auswer­ teeinheit mit den Sollwerten für die Kontur des Objekts verglichen. Hierzu wird wenigstens ein Toleranzband definiert, wobei die Breite des Toleranzbandes ab­ hängig von der Streuung der Meßwerte gewählt wird; vorzugsweise liegt die Breite des Toleranzbandes in der Größenordnung der Standardabweichung der Positionsmeßwerte am Rand des zu überwachenden Bereichs, d. h. an der Stelle, die am weitesten von der Vorrichtung entfernt ist.

Ein Objekt mit der genannten Kontur gilt dann als erkannt, wenn eine vorgege­ bene Mindestanzahl von Positionsmeßwerten innerhalb des Toleranzbandes registriert 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 Positionsmeßwerte herangezogen wer­ den. Würden jeweils einzelne Positionsmeßwerte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden, so könnten durch Meßwertschwankungen verursachte fehler­ hafte Einzelmessungen dazu führen, daß ein im Überwachungsbereich befindli­ ches Objekt nicht erkannt wird.

Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren lediglich gefordert, daß eine Mindestanzahl von Positionsmeßwerten innerhalb eines vorgegebenen Be­ reichs liegt. Demzufolge kann das Objekt auch dann erkannt werden, wenn ein­ zelne Meßwerte fehlerhaft sind. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die mit diesem Verfahren erzielte Detektionssicherheit geringer ist als bei einer Einzelmessung.

Vielmehr ist die Detektionssicherheit bei geeigneter Wahl des Toleranzbandes und der geforderten Mindestanzahl N der Positionsmeßwerte im Toleranzband beträchtlich größer.

Dies beruht darauf, daß sich die Detektionswahrscheinlichkeit für die Objekter­ kennung multiplikativ aus den Detektionswahrscheinlichkeiten für die Einzel­ messungen zusammensetzt. Demzufolge können bei einer hinreichend großen Anzahl von Meßwerten, die zur Erkennung des Objekts herangezogen werden, sehr geringe Fehlerraten, typischerweise kleiner als 10^-3 bei der Detektion er­ reicht werden.

Die Detektionswahrscheinlichkeit kann noch dadurch gesteigert werden, indem die Messung gemäß des erfindungsgemaßen Verfahrens über mehrere Perioden­ dauern wiederholt wird. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn stationä­ re Objekte in einem Bereich zu erfassen sind.

Vorteilhafterweise können die Positionswerte für die Toleranzbänder und damit auch für die Konturen der Objekte als räumlich und/oder zeitlich veränderliche Größen in der Auswerteeinheit abgespeichert sein. Damit können die entspre­ chenden Objekte auch an verschiedenen Positionen und bei verschiedenen Ori­ entierungen im zu überwachenden Bereich erkannt werden. Zur orts- und zeitab­ hängigen Wahl der Konturen werden zweckmäßigerweise die Geometriedaten der Kontur des Objekts in der Auswerteeinheit gespeichert. Der Absolutort und die Orientierung der Kontur dagegen sind von zeit- und ortsabhängigen Varia­ blen gebildet.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, daß Objekte, im folgenden Referenzobjekte genannt, deren Konturen in der Auswer­ teeinheit gespeichert sind, mit einer großen Detektionssicherheit von anderen Objekten, selbst wenn diese dicht vor den Referenzobjekten angeordnet sind, unterschieden werden können.

Dieses Verfahren kann besonders im Bereich des Personenschutzes vorteilhaft eingesetzt werden. Dort besteht oftmals die Aufgabe darin, mittels der Vorrich­ tung eine dicht vor einer Wand stehende Person sicher zu erkennen. Dieses Pro­ blem kann insbesondere mit dem in Anspruch 2 beschriebenen Verfahren gelöst werden.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zei­ gen

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 ein Ausführungsbeispiel für an die Konturen von Referenzobjekten angepaßte Toleranzbänder,

Fig. 4 Häufigkeiten der Meßwerte in den Toleranzbändern gemäß Fig. 3 beim Vermessen einer Wand,

Fig. 5 Häufigkeiten der Meßwerte in den Toleranzbändern gemäß Fig. 3 beim Vermessen eines vor einer Wand angeordneten Objektes.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten 2 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 als einen Sender 3 und einen Empfänger 4 aufweisende optoelektronische Vorrichtung 1 ausgebildet.

Der Sender 3 emittiert einen Sendelichtstrahl 5, der mittels einer Sendeoptik 6 fokussiert wird. Der Sender 3 ist zweckmäßigerweise als Laserdiode ausgebil­ det. Das fokussierte Sendelicht wird über eine Ablenkvorrichtung 7 abgelenkt. Die Ablenkvorrichtung 7 ist von einem über einen Motor 8 angetriebenen, rotie­ renden Drehspiegel 9 ausgebildet, der den Sendelichtstrahl 5 entlang des zu überwachenden Bereichs 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.

Innerhalb eines Scans, d. h. während einer Umdrehung der Ablenkvorrichtung 7, wird der zu überwachende Bereich 10 einmal vom Sendelichtstrahl 5 vollständig abgetastet.

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 zu überwachenden Bereich 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 Δϕ und A·cos Δϕ an, wobei A der Amplitudenfaktor und Δϕ die Phasendiffe­ renz von Sende- und Empfangssignal darstellt. In einer Auswerteeinheit 20, die eine Rechnereinheit, vorzugsweise einen Microcontroller, aufweist,wird der Quotient tan Δϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A eliminiert wird. Anschließend wird aus der Phasendifferenz Δϕ 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 zu überwachenden Bereich. Bei einer räumlichen Abtastung wird zusätzlich die Höhenlage des Sendelichtstrahls 5 in die Auswerteeinheit 20 eingelesen und dort abgespeichert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren für das in Fig. 2 dargestell­ te Ausführungsbeispiel erläutert. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist an die Stirnseite eines Fahrzeugs 21 montiert. Die Breite des Fahrzeugs beträgt b. Das Fahrzeug 21, das vorzugsweise als fahrerloses Transportfahrzeug ausgebildet ist, bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v beispielsweise in einer Fabrikhalle.

Zur Vermeidung von Kollisionen wird mittels der optoelektronischen Vorrich­ tung 1 ein ebener, rechteckförmiger Bereich 10 mit der Breite B und mit der Länge L vor dem Fahrzeug 21 überwacht. Die Breite B ist zweckmäßigerweise an die Fahrzeugbreite angepaßt, da Objekte 2, die neben dem Fahrzeug angeord­ net sind, nicht zu Kollisionen führen und daher nicht überwacht werden müssen.

Da jedoch die Meßwerte bei der Detektion von Objekten 2 im Bereich 10 auf­ grund systematischer Fehler in der Vorrichtung 1 eine bestimmte Streubreite aufweisen, ist die Breite B des zu überwachenden Bereichs 10 größer als die Fahrzeugbreite b. Dadurch wird erreicht, daß Objekte 2 im überwachenden Be­ reich 10 auch dann erfaßt werden, wenn die wahre Distanz des Objekts 2 zur Vorrichtung 1 senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 kleiner b/2 ist, aufgrund von Streuungen der Meßwerte jedoch eine Distanz, die größer als b/ 2 ist, gemessen wird.

Bei der Überwachung des Bereichs 10 vor dem Fahrzeug 21 sollen insbesondere Referenzobjekte 2′, die eine bestimmte Kontur aufweisen, von anderen Objekten 2 unterschieden werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Referenzobjekte 2′ von ebenen Wandelementen oder Wänden gebildet, die sich parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 erstrecken.

Zweckmäßigerweise bilden die Referenzobjekte 2′ stationäre Hindernisse, die bei geeigneter Vorgabe der Geschwindigkeit und der Richtung des Fahrzeugs 21 ohne Gefahr von Kollisionen umfahren werden können. Dies ist insbesondere beim Einsatz von spurgeführten fahrerlosen Transportfahrzeugen in Fabrikhallen der Fall. Derartige Referenzobjekte 2′ sind von anderen, üblicherweise nicht sta­ tionären Objekten 2, die bei Eindringen in den zu überwachenden Bereich 10 mit dem Fahrzeug 21 kollidieren können, zu unterscheiden. Insbesondere kön­ nen derartige Objekte 2 auch Personen sein, die sich innerhalb des Bereichs 10 bewegen.

Die Positionsmeßwerte der Referenzobjekte 2′, die eine bestimmte Kontur auf­ weisen, sind in der Auswerteeinheit 20 als Sollwerte abgespeichert. Für statische Anwendungen, d. h. für ein stehendes Fahrzeug 21 (v = 0) oder bei anderen Anwendungen, wie z. B. der Überwachung des Zugangs von Maschinen, können die Sollwerte an festen Orten im zu überwachenden Bereich 10 vorgegeben sein.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Referenzobjekte 2′ mit vor­ gegebenen Konturen aus Wandelementen, die sich parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 erstrecken. In diesem Fall sind die Position-Meßwerte, die in der Auswerteeinheit 20 gespeichert sind, zeitlich und räumlich veränderliche Größen.

Demzufolge werden die Sollwerte in der Auswerteeinheit 20 als Wandelemente einer bestimmten Länge L₀ und mit einer vorgegebenen Orientierung, nämlich parallel zur Fahrrichtung des Fahrzeugs 21 verlaufend, in der Auswerteeinheit 20 gespeichert, wobei Anfangs- und Endpunkt der Wandelemente Variablen sind. Zweckmäßigerweise wird von einer ebenen Oberfläche der Wandelemente ausgegangen, so daß die Kontur der Wandelemente die Form von Geraden der aufweist.

Zur Auswertung der Meßwerte werden die innerhalb eines Scans ermittelten Position-Meßwerte in der Auswerteeinheit 20 abgespeichert. Zur Unterscheidung der Referenzobjekte 2′ von anderen Objekten 2 werden in der Auswerteeinheit 20 Toleranzbänder T definiert, deren Form an die Kontur der Referenzobjekte 2′ angepaßt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Toleranzbänder T die Form von Rechtecken mit einer vorgegebenen Länge l₀ auf. Die Lage des Toleranzbandes T ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß in dessen Zentrum das Wandelement angeordnet ist.

Die Breite der Toleranzbänder T entspricht zweckmäßigerweise der Standardab­ weichung der Position-Meßwerte für die Wandelemente an dem der Vorrichtung 1 gegenüberliegenden Rand des zu überwachenden Bereichs 10.

Das Referenzobjekt 2′ gilt als erkannt, wenn eine Mindestanzahl N der Position- Meßwerte innerhalb eines Toleranzbandes T registriert wird. Im einfachsten Fall wird pro Referenzobjekt ein Toleranzband T definiert (Fig. 2). Die Anzahl N der Positionsmeßwerte innerhalb des Toleranzbandes T bestimmt sich aus der Dimension des Toleranzbandes T und der Ortsauflösung der Vorrichtung.

Ein Maßstab für die Ortsauflösung sind die Anzahl der Distanzmessungen pro Winkelsegment. Je mehr Messungen dieser Art durchgeführt werden, desto größer ist die Anzahl der Meßpunkte N₀, die auf das Wandelement fallen.

Da die Breite des Toleranzbandes T der Standardabweichung der Positionsmeß­ werte am Rand des zu überwachenden Bereichs 10 entspricht, fallen für hinrei­ chend große Werte von N₀ ca. 68% der Meßwerte, die auf das Referenzobjekt 2′ treffen, in das Toleranzband T. Demzufolge kann ein Referenzobjekt 2′ mit hinreichend großer Sicherheit als solches erkannt gelten, wenn beispielsweise mehr als 60% der Meßwerte N₀ für das Referenzobjekt 2′ in das Toleranzband T fallen. In diesem Fall beträgt die Mindestanzahl N für die Erkennung eines Referenzobjekts 2′ N - 0,6 N₀.

Die Wahrscheinlichkeit, daß ein einzelner Meßpunkt innerhalb des Toleranzban­ des liegt, ergibt sich aus dem Verhältnis der Standardabweichungen der Messun­ gen und der Breite des Toleranzbandes. Im vorliegenden Fall beträgt diese Wahrscheinlichkeit P₁ = 0,68.

Die Detektionswahrscheinlichkeit für das Wandelement berechnet sich aus der Bernoulli-Gleichung in die die Einzelwahrscheinlichkeiten P₁ eingehen, wobei zur Gesamtwahrscheinlichkeit alle Meßwertkombinationen beitragen, für die we­ nigstens 60% der Meßwerte in das Toleranzband fallen.

Durch die Vorgabe der Länge l₀ des Toleranzbandes T (Fig. 2) werden Wände oder Wandelemente als solche erkannt, wenn sie eine Mindestlänge 1₀ aufwei­ sen. Falls die Länge l eines Wandelements kleiner als l₀ ist, wird die Mindest­ anzahl N der Meßwerte nicht erreicht und das Objekt nicht als Wandelement erkannt. Typische Zahlenwerte für o. g. Parameter sind l₀ = 1 m und 30 < N < 60, wobei N von der Lage des Wandelements im Bereich abhängt.

Da beim Einlesen der Positionsmeßwerte in die Auswerteeinheit 20 die Absolut­ position des Referenzobjekts 2′ unbekannt ist, ist auch bei Beginn der Auswer­ tung die Position des Toleranzbandes T unbekannt. Demzufolge wird das Tole­ ranzband T während der Auswertung innerhalb des gesamten Bereichs 10 mit einer vorgegebenen Schrittweite, die kleiner als die Länge l₀ bzw. Breite des Toleranzbandes T ist, verschoben, bis das Wandelement im Toleranzband zen­ triert ist.

Dieses Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in dem zu überwa­ chenden Bereich 10 nur Referenzobjekte 2′ mit derselben Kontur überwacht werden müssen und die für die Auswertung zur Verfügung stehende Zeit hinreichend groß ist.

Für den Einsatz der optoelektronischen Vorrichtung 1 im Bereich des Personen­ schutzes besteht ein Problem oftmals darin, vor einer Wand angeordnete Perso­ nen mit einer hohen Detektionssicherheit möglichst schnell zu erkennen. Diese Problemstellung liegt insbesondere dann vor, wenn Fahrzeuge 21 in engen, durch ebene Wände begrenzten Gassen fahren, in die Personen eintreten können. Die Fahrzeuge 21 sind oftmals spurgeführt, so daß diese in engem Abstand die Wände passieren können. Eine vor der Wand angeordnete Person würde von dem Fahrzeug 21 erfaßt werden.

Bei derartigen Applikationen werden wiederum die Konturen der parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 angeordneten Wandelemente als Sollwerte in der Auswerteeinheit 20 gespeichert Zweckmäßigerweise wird als Referenzob­ jekt 2′ lediglich ein Wandelement mit vorgegebener Länge l₀ in der Auswerte­ einheit 20 abgespeichert.

In diesem Fall werden mehrere Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ definiert. Die Tole­ ranzbänder T₁, T₂, T₃ weisen die Form von Rechtecken auf (Fig. 3).

Zur Auswertung werden die Meßwerte, die innerhalb eines Scans aufgenommen werden, in der Auswerteeinheit 20 gespeichert. Um eine möglichst schnelle Auswertung gewährleisten, werden die Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ nicht über den gesamten Bereich 10 verschoben, sondern sie entspringen an einem defi­ nierten Fixpunkt F. Dieser Fixpunkt F wird vom Meßwert, dessen Abstand quer zur Fahrtrichtung am kleinsten ist, gebildet, da er die größte Gefahr einer Kolli­ sion darstellt. Da sich die Objekte 2 innerhalb des Bereichs 10 bewegen können, kann die Position des Fixpunktes F für verschiedene Scans unterschiedlich sein.

Da die Orientierung der Referenzobjekte 2′ gegeben ist, nämlich parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs verlaufende ebene Wände, werden die Toleranzbän­ der T₁, T₂, T₃ in derselben Richtung im Bereich 10 ausgerichtet, wobei wenig­ stens ein Toleranzband T₁, T₂, T₃ am Fixpunkt entspringt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind, wie in Fig. 3 - 5 dargestellt, drei rechteckige Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ vorgesehen, wobei die beiden ersten To­ leranzbänder T₁, T₂ aneinanderliegend innerhalb eines dritten Toleranzbandes T₃ liegend angeordnet sind. Das Toleranzband T₃ ragt quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 in Richtung des Sendelichtstrahls 5 über die beiden ersten Tole­ ranzbänder T₁, T₂ hinaus, wobei das erste und dritte Toleranzband T₁, T₃ am Fixpunkt F entspringen.

Die Form der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ sowie ein von einem Wandelement ge­ bildetes Referenzobjekt 2′ sowie ein vor der Wand angeordnetes Objekt 2 sind in Fig. 3 dargestellt.

In dem in Fig. 3 und Fig. 5 dargestellten Fall ist ein Objekt 2 vor dem Wande­ lement angeordnet, so daß der Fixpunkt F von einem vom Objekt 2 stammenden Positionsmeßwert gebildet ist. Dagegen ist in Fig. 4 lediglich ein Wandelement im zu überwachenden Bereich 10 angeordnet, so daß der Fixpunkt F von dem am nächsten zur Vorrichtung 1 gelegenen, vom Wandelement stammenden Posi­ tionsmeßwert gebildet ist.

Die Lage der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 21 wird wie folgt bestimmt. Ausgangspunkt ist die Lage des Fixpunktes F. Zuerst wer­ den die Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ in Richtung der Vorrichtung 1 solange er­ streckt, bis keine weiteren Meßwerte mehr in die Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ fal­ len, d. h. bis das Ende des Wandelements erreicht ist, oder bis die vorgegebene Länge l₀ der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ erreicht ist. Im ersten Fall werden an­ schließend die Länge der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ in der entgegengesetzten Richtung solange vergrößert, bis die Gesamtlänge l₀ erreicht ist.

Die Breite des ersten und zweiten Toleranzbandes T₁, T₂ entspricht im wesentli­ chen der Standardabweichung der Meßwerte am Rand des zu überwachenden Bereichs 10. Der Überstand des dritten Toleranzbandes T₃ über die beiden er­ sten Toleranzbänder T₁, T₂ ist von derselben Größenordnung.

Ein Wandelement gilt als erkannt, wenn in das dritte Toleranzband T₃ minde­ stens N Meßwerte fallen. Die Anzahl N wird zweckmäßigerweise wie bereits oben beschrieben gewählt, nämlich N = 0,6 N₀, wobei N₀ der Anzahl der auf das Wandelement auftreffenden Meßpunkte entspricht.

Aus der Anzahl der Meßwerte, die in das erste und zweite Toleranzband T₁, T₂ fallen, wird ein gegebenenfalls vor dem Wandelement angeordnetes Objekt 2 vom Wandelement unterschieden. Dabei sind die in Fig. 4 und 5 beschriebenen Fälle zu unterschieden.

In Fig. 4 ist der Fall dargestellt, daß kein Objekt 2 vor dem Wandelement an­ geordnet ist. In diesem Fall werden entsprechend der Streuung σ (w) der Meß­ werte des Wandelements im ersten Toleranzband T₁ bedeutend mehr Meßwerte registriert als im zweiten Toleranzband T₂.

In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, daß ein Objekt 2 vor dem Wandelement ange­ ordnet ist. Die Standardabweichung der Meßwerte für die Wand σ (w) ist relativ gering. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Wand eine das Sende­ licht gut reflektierende, homogene Oberfläche aufweist. Demgegenüber ist die Standardabweichung σ (o) des Objekts 2 sehr groß, d. h. die Oberfläche reflek­ tiert das Sendelicht nur zu einem geringen Prozentsatz. In diesem Fall fallen im wesentlichen nur die Meßwerte des Objekts 2, welches bedeutend kleiner als das Wandelement ist, in das erste Toleranzband T₁.

Dagegen fallen die Meßwerte des Wandelements in das zweite Toleranzband T₂. Somit ist die Anzahl der Meßwerte im zweiten Toleranzband T₂ erheblich größer als die Anzahl im ersten Toleranzband T₁.

Demzufolge kann allein aufgrund der Auswertung der Anzahlen der Meßwerte in den Toleranzbändern T₁, T₂ unterschieden werden, ob ein Objekt 2 vor dem Wandelement angeordnet ist.

Zur quantitativen Auswertung werden zweckmäßigerweise folgende Regeln definiert:

• 1) Wie bereits oben beschrieben, liegt ein Wandelement dann vor, wenn für die Anzahl A₃ der Meßwerte im dritten Toleranzband T₃ gilt A₃ N.Falls diese Regel nicht erfüllt ist, liegt ein vom Wandelement verschiede­ nes Objekt 2 vor.
• Um Einflüsse von Meßwertstreuungen zu vermeiden, kann für die Erken­ nung derartiger Objekte 2 gefordert werden: A₃ < M,wobei M an die Ausdehnung der Objekte 2 angepaßt ist. Bei der in Fig. 3 dargestellten Geometrie fallen beispielsweise bei der dargestellten Winkelauflösung der Vorrichtung 1 wenigstens zwei Meßpunkte auf das Objekt 2, so daß sinnvollerweise für M der Wert 2 gewählt wird.
• 2) Wenn die unter 1) aufgeführte Bedingung erfüllt ist, d. h. im dritten Tole­ ranzband T₃ ein Wandelement erkannt wurde, werden zur Unterscheidung des Wandelements von anderen Objekten 2 folgende Regeln definiert: A₁ < F₀·A₂A₁ M.

Ein Objekt vor einem Wandelement gilt als erkannt, wenn die Anzahl A₁ der Meßwerte im ersten Toleranzband T₁ kleiner das Produkt der Anzahl A₂ der Meßwerte im zweiten Toleranzband T₂ und einem Faktor F₀ ist, wobei F₀ zweckmäßigerweise im Bereich 1 F₀ 3 gewählt wird. Zweckmäßigerweise wird F₀ = 2 gewählt, so daß eine deutliche Differenz der Meßwerte in den Tole­ ranzbändern T₁ und T₂ zur Erkennung eines Objekts 2 gefordert wird.

Zudem muß wiederum für die Erkennung des Objekts 2 die Bedingung A₁ M erfüllt sein, damit Fehlmessungen aufgrund von Meßwertstreuungen ausge­ schlossen werden können.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß Objekte 2 vor einem Wandele­ ment selbst dann erkannt werden können, wenn, wie in Fig. 5 dargestellt, die Verteilungsfunktionen für die Meßwerte eines Objekts σ (o) und eines Wandele­ ments σ (w) überlappen (Fig. 5).

Dies bedeutet, daß mit einer gemäß den in Fig. 5 dargestellten Verteilungsfunk­ tionen der Streuungen der Meßwerte vorgegebenen Wahrscheinlichkeit bei einer Einzelmessung ein Objekt 2 irrtümlicherweise als im Wandelement oder umge­ kehrt identifiziert werden kann.

Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die Auswertung einer möglichst großen Anzahl von Meßwerten die Detektionssicherheit be­ trächtlich erhöht.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch eine geeignete Wahl der Parameter der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ bzw. der in den Regeln verwendeten Parameter die zu erzielende Detektionssicherheit eingestellt werden kann. Wird beispielsweise die Breite eines der Toleranzbän­ der T₁, T₂, T₃ entsprechend der Standardabweichung der Meßwerte eines Wand­ elements gewählt, fallen bei hinreichend großer Anzahl der auf ein Wandele­ ment auftreffenden Meßpunkte ca. 68% aller Meßwerte in das Toleranzband T₁, T₂, T₃. Wird die Breite des Toleranzbandes T₁, T₂, T₃ um das Dreifache erhöht, fallen bereits 99% aller Meßwerte in das Toleranzband T₁, T₂, T₃ , was die Detektionssicherheit entsprechend erhöht.

Jedoch können insbesondere das erste und zweite Toleranzband T₁, T₂ nicht be­ liebig breit gewählt werden. Die Obergrenze ist im wesentlichen durch den mi­ nimalen Abstand des Objekts 2 zum Wandelement gegeben.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erfassen von in einem zu überwachenden Bereich befindli­ chen oder in diesen Bereich eindringenden Objekten mittels einer Vorrich­ tung mit wenigstens einem Sender, wenigstens einem Empfänger und einer Auswerteeinheit, wobei ein vom Sender emittierter Sendestrahl in­ nerhalb des Bereichs zur Ermittlung der Positionen der Objekte geführt wird und diese Positionsmeßwerte in der Auswerteeinheit abgespeichert dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von eine bestimmte Kontur aufweisenden Objekten (2) die Positionsmeßwerte für das entsprechende Objekt (2) mit Sollwerten verglichen werden, die in der Auswerteeinheit (20) aus der Kontur des Objekts (2) bei vorgegebener Position in dem zu überwachenden Bereich (10) berechnet werden, und daß ein die bestimmte Kontur aufweisendes Objekt (2) als erkannt gilt, wenn eine Mindestanzahl N der Positionsmeßwerte innerhalb wenigstens eines Toleranzbandes T um die Sollwerte fällt, wobei die Mindestanzahl N der Positionswerte und die Breite des Toleranzbandes T in der Auswerteeinheit (20) in derselben Größenordnung wie die Streuung der Positionsmeßwerte gewählt wird. Und daß zur Erkennung eines Objektes (2), das im Strahlengang des Sen­ destrahls (5) vor einem eine bestimmte Kontur aufweisenden Referenz­ objekt (2′) angeordnet ist, wobei die Ausdehnung des Objekts (2) kleiner als die Ausdehnung des Referenzobjekts (2′) ist,

• - der bei Erfassung dieses Objekts (2) bezüglich einer vorgegebenen Raumrichtung am nächsten zur Vorrichtung (1) gelegene Posi­ tionsmeßwert als Fixpunkt F definiert wird,
• - vom Fixpunkt F zu größeren Distanzen von der Vorrichtung (1) hin Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ im zu überwachenden Bereich (10) definiert werden, wobei die Formen der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ an die Kontur des Referenzobjekts (2′) angepaßt sind,
• - die Anzahl der Positionsmeßwerte, die in die einzelnen Toleranz­ bänder T₁, T₂, T₃ fallen, in der Auswerteeinheit (20) gespeichert werden,
• - das Objekt (2) vor dem Referenzobjekt (2′) als erkannt gilt, wenn die Anzahl der Positionsmeßwerte in dem den Fixpunkt (7) auf­ weisenden Toleranzband T₁ kleiner ist als die Mindestanzahl N für die Erkennung des Referenzobjekts (2′), jedoch größer als eine Mindestanzahl M ist, wobei M < N ist, und wenn die Summe der Positionsmeßwerte in den anderen Toleranzbändern T₂ oder T₃ größer als die Mindestanzahl N für die Erkennung des Referenzob­ jekts (2′) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Aus­ werteeinheit (20) gespeicherten Sollwerte der Positionsmeßwerte für die Kontur des Objekts (2) bzw. des Referenzobjekts (2′) räumlich und/oder zeitlich veränderlich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen als ebene Fläche ausgebildeten zu überwachenden Bereich (10) und für ein Referenzobjekt (2′), das als senkrecht zum Bereich (10) stehendes, entlang einer Geraden verlaufendes Wandelement ausgebildet ist, die Toleranzbänder T, T₁, T₂, T₃ die Form von Rechtecken aufweisen, wobei die Längen l₀ der parallel zu dem Wandelement verlaufenden Seiten der Rechtecke an die Längen 1 des Wandelements angepaßt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung eines vor einem Wandelement angeordneten Objekts (2), insbesondere einer Person, drei rechteckige Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ vorgesehen sind, wobei die beiden ersten Toleranzbänder T₁, T₂ aneinander angrenzen und innerhalb des dritten Toleranzbandes T₃ angeordnet sind, und wobei das erste und das dritte Toleranzband T₁, T₃ am Fixpunkt F entspringen,.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandele­ ment als erkannt gilt, wenn die Anzahl der Positionsmeßwerte A₃ im dritten Toleranzband T₃ größer als die Mindestanzahl N für die Erkennung eines Referenzobjektes (2′) ist, und daß bei Erfüllung dieser Bedingung ein vor dem Wandelement angeordnetes Objekt (2) als erkannt gilt, wenn für die Anzahl der Positionsmeßwerte A₁ im ersten Toleranzband T₁ und für die Anzahl der Positionsmeßwerte A₂ im zweiten Toleranzband T₂ folgende Bedingungen erfüllt sind A₁ < F₀·A₂
A₁ Mwobei F₀ ein Zahlenfaktor im Bereich 1 F₀ 3 ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Toleranzbänder T, T₁, T₂, T₃ in der Größenordnung der Standardabweichung der Positionsmeßwerte der Objekte (2) am Rand des zu überwachenden Bereichs (10) liegen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der zu überwachende Bereich von Sendestrahl periodisch abgetastet wird, und daß die Auswertung der Positionsmeßwerte innerhalb einer Perioden­ dauer erfolgt.