JP6917497B2 - 距離計測監視センサを操作する方法及び距離計測監視センサ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも二次元の保護フィールド内で物体を検出して位置決定するための距離計測監視センサを操作する方法であって、前記監視センサが、前記保護フィールド内へ光パルスを送信するように構成される少なくとも１つの光送信器と、前記保護フィールド内に存在する可能性のある少なくとも１つの物体により反射又は転送される光パルスを受信光パルスとして受信するように構成される少なくとも１つの光受信器と、送信された前記光パルスで少なくとも前記保護フィールドを周期的に走査するように構成される偏向ユニットとを含み、前記少なくとも１つの物体の位置を、前記偏向ユニットの回転角度及び各受信光パルスの飛行時間に応じて決定された距離から決定することができる、方法に関する。

このような距離計測監視センサはスキャナとも呼ばれ、例えばレーザスキャナとして構成することができる。光送信器、例えばレーザ等により生成される送信光パルスが、偏向ユニットを介して監視されるべき保護フィールド内へ向けられ、そこで、存在する可能性のある物体により反射又は転送される。反射又は転送された光は監視センサに再度戻り、そこで、光受信器により検出される。光送信器により生成されるパルスが枢動運動又は回転運動に応じて保護フィールドの一部分を掃引するよう、偏向ユニットは枢動可能又は回転可能に通常は設計される。偏向ユニットは、特に、送信された光パルス及び場合によって受信された光パルスも所望の方向に迂回又は偏向させるミラー及び／又は光学系を含むことができ、各光パルスが送信され、場合によっては関連する受信光パルスが受信される方向が、現在の角度位置又は現在の回転角度により決定される。光受信器が、保護フィールドから１つ以上の受信光パルスを特定の送信光パルスに関連する受信信号として受信する場合、偏向ユニットの現在の角度位置又は現在の回転角度から、保護フィールド内の物体の角度位置についての結論を導くことができる。一般に、回転角度ごとに１つの光パルスが送信され１つの関連する受信信号が受信されるが、１つの回転角度につき複数の光パルスを送信することもできる。こうして、保護フィールドは、一連の離散的な回転角度に従い走査される。物体の監視センサからの距離は、光パルスの飛行時間に基づいて、即ち、光パルスの送信と光受信器による関連する受信光パルスの受信との間の持続時間に基づいて、決定することができる。その際、角度位置及び関連する距離から各物体の位置を決定することができる。

こうして、監視センサは、言わば、監視される保護フィールドの「像」を生成することができる。

被検出受信光パルスの更なる評価の助けを借りて、特に、保護フィールド内に無許可の物体が存在するか否かを判定することができる。

こうして、この部類の監視センサは、例えば、人や物が侵入してはいけない危険地帯を安全のためにその操作中に監視しなければならない固定式又は移動式の機械又は車両と共に使用される。危険地帯に無許可の物体、例えば操作者の手足が存在すると監視センサにより判定されると、例えば機械の停止や車両の停止等を起こすことができる物体検出信号を、監視センサにより出力することができる。

しかしながら、保護フィールド内に入る塵等の小さな粒子、飛び回る屑、雨滴、又は雪片が、不要又は不所望な機械や車両の停止をもたらし得る。このような偽陽性物体検出信号は、機械や車両の稼働性を下げる。

この欠点を回避するために、例えば、いわゆる多数評価の概念を使用することができる。この概念によれば、保護フィールドの２以上の連続的な走査周期が観察され、物体検出信号を引き起こすには、これらの走査周期の各々で同じ地点又は規定の環境内に物体が検出されなければならない。この点に関して、偽陽性物体検出信号を引き起こし得る物体は、比較的速く移動するため、観察される走査周期のうちの幾つかでしか検出されない及び／又は走査周期の全てで検出されるが互いから非常に遠く離れた位置にあると想定されている。

このような多数評価により、昆虫、雨滴、材料片、又は雪片等の小さな遮蔽物や粒子に基づく干渉に対するセンサの堅牢性が実際に増し、センサにより監視される機械の稼働性が増す。しかしながら、評価される走査周期の数に伴い、センサの応答時間も増加する。というのも、多数の走査は、これに応じてより多くの時間を要するからである。そして、応答時間が増加すると、例えば、監視される機械の作業速度を下げなければならないことがある。というのも、例えば物体（例えば、危険にさらされた人間）が機械に接近する前に又は機械（例えば、無人輸送システム）が危険にさらされた人間に接近する前に、安全な停止を確実にしなければならないからである。

異なる解決方法では、遮蔽粒子が存在する場合、各送信光パルスに対し、時間をおかずに次々と入射する複数の受信光パルスが受信されることもある、という事実が利用される。このことは、送信された光パルスが、初めに、光パルスの一部分のみを転送する小さな物体に入射し、光パルスの非転送部分は、監視センサからより遠い距離に位置する更なる物体に入射する可能性があり、この更なる物体により同じように転送される、ということに起因する。従って、監視センサは、特定の回転角度に対して、２つ又はそれより多い数の受信光パルスを受信する。これらの受信光パルスの各々に、特定の距離を関連させることができる。

上述の解決方法に基づく、EP 2 899 705 B1に記載の方法において、受信光パルスは、関連する受信光パルスの反射場所間の相対距離が決定されるように評価される。その上で、距離差が所定の距離値と比較される。距離差が予め決められた距離値以上であれば、距離データは第１のメモリ内にバッファリングされ、そうでなければ、距離データは一時的な第２のメモリ内にバッファリングされる。続いて、２つの一時的なバッファのが統計的に評価され、第１のバッファ内に保存された距離データに基づいて物体検出信号が生成されるのか、それとも、第２のバッファ内に保存された距離データに基づいて物体検出信号が生成されるのか、特定の基準により決められる。

EP 2 899 705 B1

本発明の目的は、偽陽性物体検出信号の生成を回避するために、被検出物体が安全上重要と見なされるべきかそうでないかを決めることを可能にする基準が調べられる、最初に述べた種類の方法を提供することである。

前記目的は、請求項１の特徴を有する方法により達成される。本発明に係る方法は、
ａ）前記光受信器により各回転角度に対して受信された受信信号の時間曲線を含む被検出信号を検出するステップと、
ｂ）各被検出信号に含まれる受信光パルスの数を決定し、最短の飛行時間を有する受信光パルスを第１受信光パルスとし、存在する可能性のあるより長い飛行時間を有する受信光パルスを第２受信光パルスとするステップと、
ｃ）検出された各物体に対して、該物体の決定された位置の情報を含む検出信号を生成するステップと、
を含み、
前記方法が、少なくとも次の３つの試験条件：
‐各受信信号中の受信光パルスの数が１に等しいか否かを確認する第１試験条件；
‐前記第１受信光パルスと同じ飛行時間又は少なくともほぼ（即ち、前記監視センサの計測精度の枠組み内で）同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する比較物体が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かを確認する第２試験条件；
‐前記第２受信光パルスと同じ飛行時間又は少なくともほぼ（即ち、前記監視センサの計測精度の枠組み内で）同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する反射器が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かを確認する第３試験条件；
を含み、前記試験条件のうちの少なくとも１つの論理的真理値に応じて前記位置及び前記距離が決定され、
前記第１試験条件が第１試験ステップで確認され、前記第２又は第３試験条件のいずれかが、実行される可能性のある第２試験ステップで確認され、未だ確認されていない前記第３又は第２試験条件が、実行される可能性のある第３試験ステップで確認され、
前記第１、第２、及び第３試験条件の真理値がいずれもＦＡＬＳＥであれば、前記第２受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて前記距離が決定され、そうでなければ、前記第１受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて前記距離が決定される。

本発明に係る方法では、特定の操作状況において、前記監視センサが、各回転角度に対して１つの受信光パルスを受信するだけでなく、２つ以上の受信光パルス又はエコーを受信することもある、という事実が利用される。例えば、雨滴や塵粒子を例とする安全上重要でない粒子により、第１受信光パルスが転送され得る一方で、前記保護フィールド内又は前記保護フィールドの境界にも存在する安全上重要な物体にて送信光パルスが転送されることにより、第２受信光パルスが生成され得る。

従って、前記被検出信号の評価を可能にするために、前記光受信器により各回転角度に対して受信される前記受信信号の時間曲線が適切な時間記録され、特に少なくとも一時的に保存される。関連する反射又は転送物体が互いから約１〜３ｍを超えて離れていれば、２つの受信光パルスの分離は通常は可能であるが、とりわけ厳密な分解能は、使用される信号処理部品の質（例えば、サンプリングレート）に依存する。前記偏向ユニットは、名目上の各回転角度での第１受信光パルスの検出と第２受信光パルスの検出の間も普通は回転し続けることから、２つの受信光パルスについての実際の回転角度は、飛行時間差に従い、互いに非常に僅かに相違し得る。もっとも、この時間差は数ナノ秒のオーダーであるため、名目上の各回転角度での受信イベント間の回転角度変化は無視することができる。

前記試験条件により、異なる基準が確認される。前記第１試験条件が確認される場合、各受信信号中の受信光パルスの数が１に等しいか否かが確認される。１に等しければ、前記第１試験条件の真理値はＴＲＵＥである。受信光パルスが２つ以上と決定された場合、この命題の真理値はＦＡＬＳＥである。理論上、特定の回転角度に対して受信光パルスが検出されなければ、真理値はＦＡＬＳＥであろう。もっとも、この場合、前記保護フィールド内に又は前記監視センサの範囲内に物体が存在せず、それ故、物体距離を決定するための受信信号のいかなる評価も可能でない、又は、狭い意味での被検出信号は存在しないと想定される。本発明に係る方法は、少なくとも１つの反射又は転送された受信光パルスの存在から物体が前記保護フィールド内にあることが明らかである場合に開始し、このような物体の距離を決定する役割を果たす。受信光パルスが受信されない限り、監視される保護フィールド内に、距離を決定すべき物体が存在しないと想定することができる。

前記第２試験条件により、前記第１受信光パルスとほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する比較物体が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かが確認される。この確認により、縁部衝突とも呼ばれるシナリオが存在するか否かが判定される。例えば、特定の断面を有する光パルスが物体の縁部領域を擦過することが考えられる。この場合、送信された光パルスの一部分が、その縁部に衝突を受けた物体により転送され、前記第１受信光パルスとして登録される。前記光パルスの非転送部分は、更なる物体によってやはりまだ転送される可能性があり、前記第２受信光パルスとして登録することができる。この場合、擦過するやり方で又はその縁部に衝突を受けた物体が安全上重要な物体であり低重要性の粒子ではない可能性がある以上、前記第２受信光パルスについて決定された飛行時間に基づいて前記距離が決定されることは防がなければならない。

前記第３試験条件により反射器が検出されたか否かの確認では、更なる潜在的に安全上重要なシナリオが存在するか否かが判定される。送信された光パルスが、この光パルスの強度の大部分を前記第１受信光パルスとして転送する、安全上重要な可能性のある物体に初めに入射するが、送信された光パルスのごく一部はこの物体を例えば散乱光の形態で通過することができる、ということが考えられる。散乱光の強度は、通常、レーザビームのスポットにおける強度の約０．１〜１％にしか達しない。この通過する散乱光が、反射器、特に逆反射器に入射すれば、被検出物体の幾何学的条件及び各表面特性に応じて前記第１受信光パルスと同等かそれより一層高い強度を間違いなく有し得る第２受信光パルスとして登録することができる。逆反射器はほぼ全ての光強度を指向的なやり方で反射することから、ここでは特に重要なものと考えなければならない。逆反射器の転送度は、黒色の物体の転送度よりも１０，０００倍又は１００，０００倍にまで高くなり得る。従って、例えば、潜在的に安全上重要な物体が低い転送度のためにこの強度のごく一部を転送するに過ぎなければ、送信された光パルスの大部分はこの物体に実際に入射するものの、これにより生成された第１受信光パルスは比較的低い強度を有し得る、それ故、第１及び第２受信光パルスが同等の強度を有する、ということが考えられる。このような反射器、特に逆反射器は、ビーム路内に偶然位置することがあり、或いは、例えば監視用に設けられた計測機構のために意図的に設けられることがある。

３つの前記試験条件全てについてそれぞれ真理値がＦＡＬＳＥである場合に限り、前記距離は、前記第２受信光パルスに対して決定された前記飛行時間に基づいて決定される。その際、前記第１受信光パルスは、原則として破棄される、即ち、距離決定のために使用されない。なぜなら、非常に高い確率で、前記第１受信光パルスは、遮蔽物体、即ち、塵、雨滴、又は雪片等の低重要性の粒子に起因すると想定できるためである。従って、前記試験条件のうちの少なくとも１つが真理値ＴＲＵＥを有せば即座に、第１受信光パルスも一般的に、潜在的に安全上重要な物体に由来し得る可能性がある。この場合、第２受信光パルスの飛行時間に基づいて距離を決定することは許容されない。そうでなければ、最悪の場合、偽陰性物体検出信号が生成され得る、即ち、前記保護フィールド内の少なくとも潜在的に安全上重要な物体が誤ってそうと認識されないからである。

前記第２及び第３試験条件による、縁部衝突が存在するか否か、或いは、（逆）反射器が衝突を受けたか否かの確認では、現在の回転角度で評価されるべき受信信号と１つ以上の隣接した回転角度で評価されるべき受信信号とを比較することに焦点が置かれる。隣接した回転角度は、考慮されるべき現在の回転角度に対して時間的に前又は後にサンプリング又は評価される回転角度とすることができる。この隣接した回転角度の比較評価は、直接隣接した回転角度に限定されなくてもよく、むしろ、複数の回転角度、例えば２つ、３つ、又は４つの最も近い回転角度を含むことができる。隣接した回転角度は、特に、最初に述べた一連の回転角度において連続する回転角度、即ち、通常は、現在の回転角度と特定の回転角度差を超えて相違しない回転角度と理解される。時間的に次々と決定される回転角度との比較がなされれば、現在の回転角度に対する試験ステップの実施は、必要に応じ、隣接した回転角度に対して対応する結果が存在するまで一旦停止することができる。

縁部衝突の存在に対する確認では、現在の回転角度で擦過するやり方でしか衝突を受けない物体は、隣接した回転角度では、送信された光パルスにより少なくともほぼ完全に衝突を受けると想定される。この隣接した回転角度の被検出信号中には、こうして普通は、現在の回転角度に対する被検出信号の問題の第１受信光パルスに対して決定された距離にその距離がほぼ（即ち、前記監視センサの計測精度の枠組み内で）等しい受信光パルスが存在する。

前記第３試験条件の確認では、同じ手順を対応するやり方で踏むことができる。ここでは再度、１つ以上の隣接した回転角度を考慮することもできる。現在の回転角度の問題の第２受信光パルスに対する距離と同じ距離が決定された反射器が、隣接した回転角度にて衝突を受けると、現在の回転角度の第２受信光パルスも同じく反射器での反射に起因すると想定される。この場合、第１受信光パルスの飛行時間に基づいて距離がここでは決定されることを確実にしなければならない。というのも、第１受信光パルスが、少なくとも潜在的に安全上重要な物体に由来し得るからである。隣接した回転角度での反射器の認識のために、例えば、対応する被検出信号の強度の評価を使用することができる。このことを、以下でより詳しく説明する。

本発明に方法によれば、塵粒子、破片、雨滴、又は雪片等の安全上重要でない遮蔽物体の存在に起因して偽陽性物体検出信号が生成される危険性を、潜在的に危険な機械や車両を監視する上での安全性を損なうことなく、こうして大幅に減らすことができる。安全上重要でない物体に由来すると想定することができる被検出信号又は受信光パルスが破棄される前に、各回転角度に対する被検出信号中の２つ以上の受信光パルスの存在が潜在的に安全上重要な状況に起因することもある複数のシナリオを除外することができなければならない。

ここで、実際に各受信光信号中の更なる受信光パルスの原因となるが、安全上はもともと低重要性でない物体又は粒子を、「遮蔽するもの」と称する。このような物体の蓄積物（例えば、塵雲）も、この名称により網羅されるべきである。

前記ステップに加えて、前記方法は、本発明に係るステップの前、ステップとステップの間、及び／又はステップ中に実行される更なるステップも含むことができる。特に、１つ以上の追加の試験条件が確認される被検出信号及び／又は検出信号の更なる評価を行うことができる。これらの試験条件は、例えば、受信光パルスの強度又は信号レベルの評価を含むことができる。更に、物体検出信号及び／又は警告信号が出力されるべきか否かを決定する基になる条件を確認することもできる。

一般に、個々の試験条件、特に第１試験条件は複数回確認することもできる。このことを、以下、実施形態の記載でより詳しく説明する。

前記試験ステップは、特にステップｃ）のサブステップと見なすことができ、好ましくは既に述べた順序で次々に実施される。特に、第２及び第３試験条件の試験順序は入れ替えることもできる。

この点、本発明に係る方法は、既に記載した試験条件と概ね同一であってただ表現が異なるだけの試験条件が確認される方法のバージョンも含むべきである。このような概ね同一の試験条件は、例えば、論理的に補完的なやり方で表現される試験条件、即ち、例えば否定により言い換えられ、相応に適合された（例えば、入れ替えられた）真理値を含む、確認されるべき命題である。この命題を特定の被検出信号に適用すると、明記した試験条件をこの被検出信号に適用するのと同じ結果が得られる。

前記方法の有利な実施形態によれば、既に確認された試験条件の真理値がＴＲＵＥであれば、前記した３つの試験条件のうちの更なる試験条件はもはや確認されない。前記試験条件のうちの１つが真理値ＴＲＵＥを有せば即座に、少なくとも３つの試験ステップの実施は終了することができる。第１試験条件がＦＡＬＳＥである場合に限り、第２（又は第３）試験条件が確認される。この試験条件もＦＡＬＳＥである場合に限り、未だ確認されていない第３（又は第２）試験条件が確認される。

別法として、前記第１、第２、及び第３試験ステップが初めに実行され、関連する試験条件の真理値が後続の評価ステップで評価され、前記真理値に対する条件を基に、前記第１受信光パルスの飛行時間に基づいて前記距離が決定されるのか、それとも、前記第２受信光パルスの飛行時間に基づいて前記距離が決定されるのか、判定されるようにすることもできる。言い換えれば、本発明に係る方法のこのような実施形態では、３つの試験条件全てが常に確認され、続いて、前記距離が第１受信光パルスの飛行時間に基づいて決定されなければならないのか、それとも、第２受信光パルスの飛行時間に基づいて決定されなければならないのかを決めるよう、各真理値は評価されるだけである。この変形例では、例えば、３つの試験条件の各々に対する真理値を表すフラグを各々の試験条件に対して設定することができる。これらのフラグは、例えば、被検出信号又は受信信号と共にバッファリングすることができる。３つのフラグ全てが真理値ＦＡＬＳＥを表す場合に限り、第２受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離が決定される。フラグのうちの１つ以上が真理値ＴＲＵＥを有せば、第１受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離は常に決定される。

有利な実施形態によれば、ステップａ）は、前記被検出信号の量子化を含むことができる。従って、被検出信号は、特定の周波数でサンプリングされ、その後、必要に応じてデジタル化される。このステップのために、例えば、いわゆるＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）を使用することができる。

少なくとも１つの検出信号が少なくとも１つの所定の警告条件を満たせば、警告信号又は停止信号をステップｃ）に続くステップｄ）で出力することができると有利である。この警告信号又は停止信号は、物体検出信号と見なすこともできる。少なくとも１つの所定の警告条件は、例えば、安全上重要な物体を識別することを可能にする追加の条件とすることができる。例えば、特定の（最小）‐複数の隣接した回転角度を評価することにより決定することができる‐寸法を有する物体が、特定の距離及び／又は特定の回転角度で検出されたか否かを判定することができる。

更なる有利な実施形態によれば、ステップｂ）における受信光パルスの数の決定は、前記被検出信号中に存在する１つ以上の極大に対して、受信光パルスとして識別するために必要な、所定の高さ、幅、及び／又はパルス形状を含む群から選択される１つ以上の基準が満たされるか否かの判定がなされることを含む。例えば復調及び／又はフィルタリングを含み得る受信信号の信号処理は、主として、受信光パルスの数が決定される前に行うこともできる。

（隣接した回転角度に対して反射器が検出されたか否かを確認する）前記第３試験条件は、前記少なくとも１つの隣接した回転角度に関連する受信光パルスの強度が評価される、好ましくは固定的又は動的に予め規定された強度閾値と比較されることを含むと有利である。この実施形態は、入射する光強度の一部分をもはや光受信器に到達できないように普通は吸収する又は拡散的に散乱させると通常予測される物体と比較して、反射器、特に逆反射器が遥かに高い反射性又は転送性を有するとの認識に基づく。これらの強度の比率は、間違いなく１：１０，０００まで達し得る。従って、固定的な強度閾値を、例えば、先行する学習過程で又は適切なパラメーター化により予め規定しておくことができる。例えば、反射器に由来しないと想定し得る複数の他の受信光パルスと比較することにより、強度閾値の動的に規定することができる。

本発明の更なる有利な実施形態によれば、前記監視センサは、１つ以上の走査面を監視するように適合されているレーザスキャナである。保護フィールドは、走査面内に広がり、例えば扇形（３６０°未満の走査角度）又は円形（３６０°に等しい走査角度）とすることができる。複数の走査面を有するレーザスキャナにより、三次元保護フィールドを走査することができる。この複数の走査面は、複数の平行で相互に離間した平面内に広がることができ、或いは、円錐角、特に異なる円錐角を有する円錐走査面として設計することができる。

本発明は、更に、装置の独立請求項の特徴を有する距離計測監視センサに関する。本発明に係る、少なくとも二次元の保護フィールド内の物体を検出して位置決定するための距離監視センサは、少なくとも１つの光送信器と、少なくとも１つの光受信器と、偏向ユニットと、制御ユニットとを含み、前記制御ユニットは、本発明に係る先の実施形態又は有利な実施形態の少なくとも１つに係る方法を実施するように適合されている。制御ユニットは、監視センサの部品を制御することに加えて、異なる評価ステップも実行することができるため、制御及び評価ユニットと称することもできる。制御ユニットは、こうして特に、被検出信号を検出し、各受信光信号中の受信光パルスの数を決定し、検出信号を生成し、少なくとも３つの試験条件を確認し、各受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離を決定するようにも構成される。第１受信光パルスの飛行時間に基づいて距離が決定されるのか、それとも、第２受信光パルスの飛行時間に基づいて距離が決定されるのかを決めることを既に確認された試験条件が許容することを専らの理由に、前記試験条件のうちの１つ以上がもはや確認されなくてよいとしても、制御ユニットは、一般に、３つの試験条件全てを確認することができる。このように、制御ユニットは構成される。

本発明の更なる有利な実施形態は、従属請求項、明細書、及び図面より導かる。本発明に係る方法に関して記載した有利な実施形態は、本発明に係る監視センサにも関係し、その逆もまた然りである。特に、本書に明記していない組み合わせを通じて有利な実施形態を組み合わせ、更なる有利な実施形態を形成することもできる。

本発明を、以下、実施形態及び図面を参照して記載する。

距離計測監視センサにより検出された被検出信号の図。 縁部衝突が存在する検出シナリオの略図。 物体に加えて反射器が検出された更なる検出シナリオの略図。 ５つの異なる検出シナリオの略図。 本発明の実施形態に係る方法のフローチャート。

図１は、距離計測監視センサの光受信器により各回転角度に対して受信された受信信号の時間曲線を表す被検出信号の図を示す。飛行時間は距離Ｄに変換された上で、図のｘ軸上に入力される。図のｙ軸は、任意の単位の強度を表す。

図１の図は、例えば受信信号をサンプリングした後に存在するような被検出生信号３０を一方で含む。他方の曲線は、被検出生信号３０の復調により生成された被検出信号３２を表す。被検出生信号３０又は被検出信号３２は２つの異なる受信光パルス２２、２４を有し、時間的に初めに検出されるより小さい（即ち、より小さい間隔の）受信光パルスは第１受信光パルス２２を表し、時間的に後に検出されるより大きい（即ち、より大きい間隔の）受信光パルスは第２受信光パルス２４を表す。

図１に示す被検出信号３０、３２は、特に、監視センサの光送信器により送信された光パルスが、遮蔽物体、例えば塵雲又は霧のベールに初めに入射し、この遮蔽物体が、送信された光パルスの一部分を監視センサの方向に転送するというシナリオを表す。この転送された光部分は、第１受信光パルス２２に対応する。送信された光の残りの部分は、より大きい距離でより大きい物体、例えば安全上重要な物体、例えば監視センサにより監視される機械の操作者の身体部分に入射する。この転送された光パルスの部分は、第２受信光パルス２４に対応する。

本発明に係る方法によれば、まずは第１試験条件により、被検出信号中に存在する受信光パルスの数が１に等しいか否かが確認される。この条件がＴＲＵＥであれば、各受信光パルスを転送した物体の位置が、偏向ユニットの現在の回転角度に基づいて及び各受信光パルスの飛行時間に基づいて決定される。１つの物体しか検出されなかった以上、更に追加の試験条件の確認は不要である。しかしながら、図１に示すように被検出信号が２つ（以上）の受信光パルスを有せば、第１試験条件の真理値はＦＡＬＳＥである。

現在の回転角度に対する距離が、第１受信光パルス２２に基づいて決定されるのか、それとも、第２受信光パルス２４に基づいて決定されるのかを決めることができる前に、異なるシナリオを表す１つ以上の更なる試験条件が確認されなければならない。

図２に、第１の例示的なシナリオを概略的に示す。そこでは、距離計測監視センサ１０の光送信器により送信された２つの送信された光パルス１８ａ、１８ｂが示される。光パルス１８ａが、専ら、監視センサ１０のより近くに配置された物体１２ａに入射するのに対して、隣接した光パルス１８ｂは、物体１２ａと、物体１２ａの後方に配置され監視センサ１０からは遠く離れている物体１２ｂの両方に入射する。光パルス１８ｂに関連する被検出信号は、図１の被検出信号に概ね対応し得る。そのため、第１受信光パルス２２が、低重要性の遮蔽物体に由来するのか、それとも、光パルス１８ｂの一部分がその縁部の領域において入射した、安全上重要な可能性のある、図２の物体１２ａに由来するのかは、被検出信号自体からは判らない。

ここで区別できるようにするため、第２試験条件により、第１受信光パルスとほぼ同じ飛行時間を有する関連する受信光パルスが比較物体が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かが確認される。図２の例では、物体１２ａで完全に転送された光パルス１８ａに対する飛行時間が相応に評価される。両方の光パルス１８ａ、１８ｂが同じ物体１２ａに入射する以上、図示した事例では、この確認の結果、光パルス１８ｂに適用される第２試験条件に対する真理値はＴＲＵＥとなる。そのため、（光パルス１８ｂに対応する）現在の回転角度に対する距離は、第１受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて決定されなければならない。こうして、物体１２ａが、誤って安全上重要でない遮蔽物体として扱われ、距離決定の際に考慮されないことが除かれる。

この種の縁部衝突が全く検出されなかった場合、図３の略図に表す第２の例示的なシナリオも確認されなければならない。図３は、正確な縮尺ではないが、その中心部に高強度を有し且つ大幅に低い強度を有する散乱光２０の円錐ジャケットにより包囲される、光パルス１８を示す。図３のシナリオでは、光パルス１８は物体１２にほとんど完全に入射し、そこで第１受信光パルス２２として監視センサ１０の方向に転送される。しかしながら、散乱光２０は、物体１２を通り過ぎることができ、監視センサ１０から見て物体１２の後方に位置する反射器１４、特に逆反射器に部分的に入射する。反射した散乱光は、第２受信光パルス２４を生成する。このシナリオでは、被検出信号は図１に示す被検出信号にも似ているが、２つの受信光パルス２２、２４の強度比率は異なってもよい。

従って、第３試験条件により、第２受信光パルス２４とほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する反射器が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かが確認されなければならない。図３に示すシナリオでは、破線の矢印で表す反射器に、対応する光パルスが対応する隣接した回転角度に対してほぼ完全に入射する。対応する受信光パルスは、第２受信光パルス２４と同じ飛行時間、従って同じ関連する距離を有する。この受信光パルスは、（逆）反射器での反射に起因して非常に高強度を有する以上、その強度を参照値と比較することにより、この受信光パルスが（逆）反射器に由来しなければならないと追加で判定することができる。その結果、考慮された第２受信光パルス２４も（逆）反射器に由来しなければならないということになる。そのため、ここで提示したシナリオについては、第３試験条件に真理値ＴＲＵＥを関連させることができる。結果として、ここでも、第１受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離は決定されなければならない。即ち、現在考慮されている回転角度に対して決定された距離は、物体１２の監視センサ１０からの距離に対応する。

図４では、例として、合計で５つの異なる検出シナリオを組み合わせた形で再度示し、１〜５の番号で印を付している。

監視センサ１０により監視される保護フィールド１１を、破線の境界線で示す。保護フィールド１１の後方に、背景物体１６が位置する。この背景物体１６は、例えば、監視される機械の静止した部品や壁を表すことができる。一方、雲、例えば塵雲として示す遮蔽物体１７ａ、１７ｂは、保護フィールド１１内に位置し、安全上重要でない物体又は粒子を含む。監視センサ１０から見て遮蔽物体１７ａ、１７ｂの後方に、２つの安全上重要な物体１２ａ、１２ｂが位置する。物体１２ａ、１２ｂ、１６、１７ａ、１７ｂにより生成された受信光パルス２２、２４をそれぞれ矢印で表す。矢印の線幅により受信光パルス２２、２４の強度を表す（矢印が太いほど強度が高い）。

シナリオ１では、送信された光パルス１８が遮蔽物体１７ａのみに入射し、これに応じて生成された被検出信号は単一の受信光パルス２２のみを有する。この場所は保護フィールド１１内にある以上、保護フィールド侵入が警告信号として出力される。

シナリオ２では、送信された光パルス１８が遮蔽物体１７ａに初めに入射する。この遮蔽物体は、光パルス１８の一部分を第１受信光パルス２２として転送し、物体１２ａにより転送される、光パルス１８の別の部分を第２受信光パルス２４として送信する。物体縁部と反射器のいずれも衝突を受けず、また、物体１２ａが保護フィールド１１内に位置することから、第２受信光パルス２４に対して保護フィールド侵入が検出される。

シナリオ３では、比較的弱い第１受信光パルス２２が遮蔽物体１７ａにより検出され、比較的強い第２受信光パルス２４が背景物体１６により決定される。しかしながら、背景物体１６が保護フィールド１１の外に位置する以上、保護フィールド侵入は決定されないい。

シナリオ４では、遮蔽物体１７ｂは比較的強い第１受信光パルス２２を生成し、背景物体１６は比較的弱い第２受信光パルス２４を生成する。遮蔽物体１７ｂが、比較的高い密度を有し、従って他方の遮蔽物体１７ａよりも低い透過性を有していたとしても、ここではこの透過性も認識され、第２受信光パルスに基づいて距離が決定される。第２受信光パルスが今度は背景物体１６に由来し、従って保護フィールドの外に配置されることから、保護フィールドは空いていると判定される。

最後に、シナリオ５では、監視センサ１０は、遮蔽物体１７ｂにより生成された比較的強い第１受信光パルス２２と、物体１２ｂにより生成された非常に弱い第２受信光パルス２４とを検出する。第２受信光パルス２４の強度は、絶対的に又は第１受信光パルス２２に対して相対的に余りに低いため、ここでは第１受信光パルス２２に基づいて距離が決定される。このことは、保護フィールド侵入が遮蔽物体１７ｂによる決定されるという結果をもたらす。このシナリオは、遮蔽物体１７ｂの透過性が非常に低く、遮蔽物体１７ｂの後方に配置された可能性のある物体１２ｂの信頼できる検出を確実にするのに十分な強度をもはや送信しない、という事実を考慮している。

このように、受信光パルス２２、２４の絶対強度又は相対強度を考慮し、各物体に対して決定された監視センサ１０からの距離を保護フィールド１１の所定の境界と比較することは、本発明に係る方法の枠組み内で追加で確認することのできる、更なる試験条件を表す。

今度は、本発明に係る方法の例示的な処理手順を、図５及びフローチャートを参照して、より詳しく説明する。

前記方法は、次々に実行される２つの方法ステップ１００、２００を含む。この点に関し、少なくとも１つの受信光パルスが受信信号中に特定の回転角度で存在し、その距離が決定される保護フィールド内の物体が想定され得る場合に、前記方法は開始する。

方法セクション１００のステップ１１０において、光受信器により各回転角度に対して受信された受信信号の時間曲線を表す被検出信号が、サンプリングされた形態で提供される。

次のステップ１２０において、被検出信号の第１受信光パルスに対する飛行時間又は対応する距離が決定され、計測データセット１５０に供給される。

更なるステップ１３０において、被検出信号が第２受信光パルスを有するか否かが確認される。この試験条件がＴＲＵＥであれば、更なるステップ１４０において、第２受信光パルスの飛行時間又は関連する距離が決定される。これらの決定される可能性にあるデータも同じように計測データセット１５０に供給され、必要に応じて、計測データセットを「透過性あり」と特徴付けるフラグを追加することができる。

第１方法セクション１００のステップ１１０〜１４０は、例えばＦＰＧＡで実施することができる。

続いて、計測データセット１５０が、第２方法セクション２００の枠組み内で更に処理される。この方法セクション２００は、少なくとも３つの試験ステップ２１０、２２０、２３０を提供し、各試験ステップで各試験条件が確認される又は確認されることがある。第２方法セクション２００は、例えば信号プロセッサで実行することができる。

第１試験ステップ２１０では、受信光パルスの数が１に等しいか否かが確認される。第１試験ステップ２１０で確認された第１試験条件がＴＲＵＥであれば、ステップ２４０へジャンプする。

ステップ２４０では、第１受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離が決定される。

第１試験ステップ２１０で確認された第１試験条件がＦＡＬＳＥであれば、第２試験ステップ２２０へジャンプする。

第２試験ステップ２２０では、第２試験条件により、第１受信光パルスとほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する比較物体が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かが確認される。言い換えれば、第２試験ステップでは、縁部衝突が存在するか否かが確認される。第２試験条件がＴＲＵＥであれば、ステップ２４０へジャンプする。

第２試験条件がＦＡＬＳＥであれば、第３ステップ２３０へジャンプする。

第３試験ステップ２３０では、第３試験条件により、第２受信光パルスとほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルスが有する反射器が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かが確認される。言い換えれば、ここでは、反射器、特に逆反射器が背景に存在するか否かが確認される。

第３確認条件がＴＲＵＥであれば、ステップ２４０へジャンプする。

第３確認条件がＦＡＬＳＥであれば、ステップ２５０へジャンプする。

ステップ２５０では、第２受信光パルスに対して決定された飛行時間に基づいて距離が決定される。

ステップ２４０及び２５０の後に、更なる方法ステップ、例えば、ステップ２４０又は２５０に従い決定された回転角度及び距離に基づいて被検出物体の各位置を決定すること、を続けることができる。

これに続いて、例えば、決定された位置が所定の保護フィールド内に位置するか否かという、更なる（試験）ステップを実行することができる。

図示しない変更態様によれば、第２試験ステップ２２０及び第３試験ステップ２３０で確認された試験条件の順序を入れ替えることもできる。即ち、第２試験ステップ２２０では反射器が背景に存在するか否かが確認され、第３試験ステップ２３０では縁部衝突が存在するか否かが確認される。

試験ステップ２１０における第１試験条件の確認は、計測データセット１５０を分析することにより行うことができる。計測データセット１５０では、第２受信光パルスの存在が（場合によっては２回目に）確認され、その関連する距離が決定されることがある。これとは別に又はこれに追加して、試験ステップ２１０における第１試験条件の確認は、透過性のフラグの存在について計測データセット１５０を評価することによっても行うことができる。

ＦＰＧＡ及び信号プロセッサは、距離計測監視センサ１０（図２〜図４）の制御ユニットに、或いは評価及び制御ユニットに、一体化することができる。

図示しない変更態様によれば、試験ステップ２１０〜２３０は、先行する試験ステップの出力に関係なく常に実行することができ、これらで確認された対応する真理値は、例えば、それぞれフラグの形態で計測データセット１５０内に保存することができる。その際、フラグの評価は、３つの試験ステップ２１０〜２３０の実施に続いて実行することができ、この評価に基づいてステップ２４０又はステップ２５０が実行されるか否かが決められる。ステップ２５０は、３つの真理値全てがＦＡＬＳＥである場合にのみ実行される。もっとも、真理値のうちの１つ以上がＴＲＵＥであれば、ステップ２４０が常に実行される。

１０ 監視センサ
１１ 保護フィールド
１２、１２ａ、１２ｂ 物体
１４ 反射器
１６ 背景物体
１７、１７ 遮蔽物体
１８、１８ａ １８ 送信された光パルス
２０ 散乱光
２２ 第１受信光パルス
２４ 第２受信光パルス
３０ 被検出生信号
３２ 被検出信号
１００ 第１方法セクション
２００ 第２方法セクション
１１０、１２０、１３０、１４０ 第１方法セクションのステップ
１５０ 計測データセット
２１０、２２０、２３０ 第２方法セクションの試験ステップ
２４０、２５０ 第２方法セクションの距離決定ステップ
Ｄ［ｍ］ メートルでの距離

Claims (9)

1. 少なくとも二次元の保護フィールド（１１）内の物体（１２、１２ａ、１２ｂ）を検出して位置決定するための距離計測監視センサ（１０）を操作する方法であって、
   前記監視センサ（１０）が、前記保護フィールド（１１）内へ光パルス（１８）を送信するように構成される少なくとも１つの光送信器と、前記保護フィールド（１１）内に存在する可能性のある少なくとも１つの物体（１２、１２ａ、１２ｂ）により反射又は転送される光パルスを受信光パルス（２２、２４）として受信するように構成される少なくとも１つの光受信器と、送信された前記光パルス（１８）で少なくとも前記保護フィールド（１１）を周期的に走査するように構成される偏向ユニットとを含み、
   前記少なくとも１つの物体（１２、１２ａ、１２ｂ）の位置を、前記偏向ユニットの回転角度及び各受信光パルスの飛行時間に応じて決定された距離から決定することができ、
   前記方法が、
   ａ）前記光受信器により各回転角度に対して受信された受信信号の時間曲線を含む被検出信号（３０、３２）を検出するステップと、
   ｂ）各被検出信号（３０、３２）に含まれる受信光パルス（２２、２４）の数を決定し、最短の飛行時間を有する受信光パルス（２２、２４）を第１受信光パルス（２２）とし、存在する可能性のあるより長い飛行時間を有する受信光パルス（２２、２４）を第２受信光パルス（２４）とするステップと、
   ｃ）検出された各物体（１２、１２ａ、１２ｂ）に対して、該物体（１２、１２ａ、１２ｂ）の決定された位置の情報を含む検出信号を生成するステップと、
   を含み、
   前記方法が、少なくとも次の３つの試験条件：
   ‐各受信信号中の受信光パルス（２２、２４）の数が１に等しいか否かを確認する第１試験条件；
   ‐前記第１受信光パルス（２２）と同じ飛行時間又は少なくともほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルス（２２、２４）が有する比較物体が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かを確認する第２試験条件；
   ‐前記第２受信光パルス（２２）と同じ飛行時間又は少なくともほぼ同じ飛行時間を関連する受信光パルス（２２、２４）が有する反射器が、少なくとも１つの隣接した回転角度に対して検出されたか否かを確認する第３試験条件；
   を含み、前記試験条件のうちの少なくとも１つの論理的真理値に応じて前記位置及び前記距離が決定され、
   前記第１試験条件が第１試験ステップで確認され、前記第２又は第３試験条件のいずれかが、実行される可能性のある第２試験ステップで確認され、未だ確認されていない前記第３又は第２試験条件が、実行される可能性のある第３試験ステップで確認され、
   前記第１、第２、及び第３試験条件の真理値がいずれもＦＡＬＳＥであれば、前記第２受信光パルス（２２、２４）に対して決定された飛行時間に基づいて前記距離が決定され、そうでなければ、前記第１受信光パルス（２２、２４）に対して決定された飛行時間に基づいて前記距離が決定される、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、既に確認された試験条件の真理値がＴＲＵＥであれば、前記した３つの試験条件のうちの更なる試験条件はもはや確認されない、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１、第２、及び第３試験ステップが初めに実行され、
   関連する試験条件の真理値が後続の評価ステップで評価され、
   前記真理値に対する条件を基に、前記第１受信光パルス（２２）の飛行時間に基づいて前記距離が決定されるのか、それとも、前記第２受信光パルス（２４）の飛行時間に基づいて前記距離が決定されるのか、判定される、
   方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法であって、ステップａ）が前記被検出信号（３０、３２）の量子化を含む、方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法であって、少なくとも１つの検出信号が少なくとも１つの所定の警告条件を満たせば、警告信号又は停止信号がステップｃ）に続くステップｄ）で出力される、方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法であって、ステップｂ）における受信光パルス（２２、２４）の数の決定が、前記被検出信号（３０、３２）中に存在する１つ以上の極大に対して、受信光パルス（２２、２４）として識別するために必要な、所定の高さ、幅、及び／又はパルス形状を含む群から選択される１つ以上の基準が満たされるか否かの判定がなされることを含む、方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法であって、隣接した回転角度に対して反射器（１４）が検出されたか否かを確認する前記第３試験条件が、前記少なくとも１つの隣接した回転角度に関連する受信光パルス（２２、２４）の強度が評価されることを含む、方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法であって、前記監視センサ（１０）が、１つ以上の走査面を監視するように適合されているレーザスキャナである、方法。
9. 少なくとも二次元の保護フィールド（１１）内の物体（１２、１２ａ、１２ｂ）を検出して位置決定するための距離計測監視センサ（１０）であって、前記監視センサ（１０）が、少なくとも１つの光送信器と、少なくとも１つの光受信器と、偏向ユニットと、制御ユニットとを含み、前記制御ユニットが請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実施するように適合されている、監視センサ。

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