DE10221578A1

DE10221578A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Flächen- oder Raumbereiches

Info

Publication number: DE10221578A1
Application number: DE10221578A
Authority: DE
Inventors: Peter Mengel; Holger Waschke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Flächen- oder Raumbereiches, insbesondere eines Gefahrenbereiches, mit einer Lichtquelle und einem optischen Sensor. Eine Überwachungsvorrichtung, die für sehr viele unterschiedliche Überwachungsaufgaben geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle als Laserlichtquelle (4) und der optische Sensor als entfernungsmessender 3-D-CMOS-Sensor (6) mit Sensormatrix (7) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Flächen- oder Raumbereiches gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Absicherung eines Gefahrenbereiches werden als Lichtquelle vor allem Lichtgitter auf der Basis von Einzellichtschranken eingesetzt. Bei Eindringen einer Person oder eines Gegenstandes in den Überwachungsbereich werden die Lichtstrahlen unterbrochen, wodurch ein Schaltvorgang ausgelöst wird, beispielsweise ein Warnsignal oder eine Abschaltung einer Maschine. Um die Anordnung von hunderten einzelner Lichtschranken zu vermeiden, werden vorkonfektionierte Lichtgittersegmente mit mehreren Strahlengängen und einer festen Längsausdehnung verwendet. Damit bewegliche Teile der Maschine selbst nicht die nachgeschaltete Alarmfunktion auslösen, müssen die Lichtgittersysteme rechtzeitig deaktiviert werden. Dabei entstehen Überwachungslücken entsprechend der Längsausdehnung der Lichtgittersegmente. Nachteilig ist dabei die Lückenhaftigkeit der Überwachung bzw. der erhebliche Kostenaufwand zur Vermeidung derselben. Herkömmliche Lichtgitter erfordern die Installation eines Senders und eines Empfängers an den äußersten Grenzen des Zuganges zum Gefahrenbereich oder zumindest an einer Seite einen Spiegel und an der anderen Seite ein kombiniertes Sender-Empfänger-Modul. Außerdem ist es nur mit höherem Aufwand bei diesen Lichtgittern möglich, unterschiedliche Bereiche zu definieren, bei deren Verletzung unterschiedliche Systemreaktionen ausgelöst werden sollen.

Bekannt sind weiterhin Überwachungsgeräte auf der Basis von Laserscannern oder Schaltmatten.

Bei Laserscannern erfolgt die Ausblendung beweglicher Teile über eine Auswertesoftware, die die besondere Formgebung und Größe des beweglichen Teiles detektiert. Überwachungslücken treten bei geeigneter Anordnung nicht auf. Allerdings ist der Einsatz dieser optisch-feinmechanischen Geräte, die einen schnell rotierenden Spiegel oder ein schnell rotierendes Prisma aufweisen, bei Umgebungsbedingungen mit starken Vibrationen sehr problematisch.

Schaltmatten sind flächenförmige Schalter, die bei Betreten einen elektrischen Kontakt auslösen. Überwachungslücken oberhalb der Trittfläche lassen sich kaum vermeiden. Außerdem sind die Kosten für Material und Montage sehr hoch.

Eine besondere Schwierigkeit liegt in der Filterung von Kleinstobjekten, die keine Schaltreaktion auslösen sollen, und gegebenenfalls der Berücksichtigung von Umwelteinflüssen wie Regen, Schnee, Nebel, Laubfall und Anderem. Darüber hinaus besteht bei manchen Maschinen die Einschränkung, dass im Bereich der Maschine keine zusätzlichen Einbauten erfolgen sollen. Bei diesen Maschinen ist es daher schwierig, einen geeigneten Einbauplatz zu finden, der den Ansprüchen an Bedienbarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Unfallschutz ausreichend genügt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine zuverlässige Absicherung des flächigen oder räumlichen Gefahrenbereiches auf einfache Weise gestattet.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der 3D-CMOS-Sensor bietet gegenüber den konventionellen Sensoren den Vorteil, dass eine Detektion, die durch eine begleitende Videoüberwachung des Gefahrenbereiches nicht bestätigt werden kann, durch die zusätzliche Entfernungsinformation eine sichere Unterscheidbarkeit zwischen Defekt/Verschmutzung eines Sensormoduls und einer Person im Sicherheitsraum erlaubt. Wegen der Ausstattung der Überwachungsvorrichtung mit einer Laserlichtquelle, ist eine Beeinträchtigung durch Fremdlicht ausgeschlossen. Auch bei Nacht und Nebel ist die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung voll gegeben.

Ein 3D-CMOS-Sensor ist in der DE 197 57 595 A1, insbesondere für die Airbag-Steuerung, ausführlich beschrieben. Das Prinzip des 3D-CMOS-Sensors beruht darauf, dass der Laser und ein elektronischer Verschluss exakt synchronisiert sind. Der Verschluss öffnet exakt mit der Emission des Laserimpulses. Der extrem kurze Lichtimpuls beleuchtet ein Hindernis - sofern vorhanden - und der reflektierte Lichtimpuls trifft auf die 3D-CMOS-Bildwandler. Der Sensor registriert die Laufzeiten, die als Maß für die Entfernung und die Form des Hindernisses ausgewertet werden. Der 3D-CMOS-Sensor verfügt über eine starre Optik, beruht vollständig auf Halbleiterbauelementen und ist besonders robust und extrem schnell. Die Bildaufnahmegesamtauswertung benötigt weniger als 10 ms.

Falls ein Hindernis oder eine Person im Sicherheitsraum detektiert wurde, wird gemäß Anspruch 4 eine entsprechende Reaktion ausgelöst. Diese besteht vorzugsweise in einer Unterbrechung der Stromzufuhr. Da Lichtquelle und Sender gemäß Anspruch 2 kombiniert sind und die notwendige Reflexion durch das zu detektierende Objekt selbst erbracht wird, ist nur ein Einbauort, vorzugsweise außerhalb des Gefahrenbereiches erforderlich. Der Maschinenbereich kann problemlos von zusätzlichen Einbauten freigehalten werden. Durch die Laserlichtquelle und den 3D-CMOS-Sensor lässt sich die Überwachung einer Ebene oder eines Raumwinkels durch Entfernungsmessung quasi lückenlos realisieren. Die Ausdehnung des Überwachungsbereiches wird durch die Größe der Sensormatrix und die Wahl der Optik bestimmt.

Die Auswerteeinheit kann dabei insbesondere die in Anspruch 3 angebebenen Funktionen ausführen. Dazu gehören neben der Entfernungsberechnung die Unterdrückung irrelevanter Messwerte, die durch statische Hintergrundwerte oder Kleinstobjekte verursacht sind, die Unterscheidbarkeit verschiedener Überwachungsbereiche sowie die Ausblendung von Messwerten, welche einen im Überwachungsbereich erlaubten Gegenstand detektieren und folglich nicht alarmauslösend wirken dürfen. Die Ausblendung wird bei beweglichen Gegenständen sukzessive weiter ausgedehnt bzw. aufgehoben.

In Abhängigkeit von den Funktionen der Auswerteeinheit, die benötigt werden, um eine sicherheitsrelevante Reaktion auszulösen, können verschiedene Interfaceausführungen vorgesehen sein. So sind Relaisausgänge, Optokoppler, AS-Interface, I²C- Buskopplungen oder Industrial Ethernet möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten einer Überwachungsvorrichtung und
Fig. 2 eine Überwachungsvorrichtung als Maschinenschutzeinrichtung.
Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau einer Überwachungseinrichtung, wobei die Komponenten in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind und ein Modul 1 bilden. In dem Modul 1 sind eine Stromversorgung/Spannungsregelung 2, eine Laserpuls- und Shuttersteuerung 3, ein Laser 4 mit Zerstreuungsoptik 5, ein 3D-CMOS-Sensor 6 mit Sensormatrix 7 und Objektiv 8, eine Auswerteeinheit 9 und ein Interface 10 untergebracht. Je Raumwinkelelement, dessen Ausdehnung durch die Größe der Sensormatrix 7 und die Eigenschaften des Objektivs 8 definiert ist, erfolgen zwei Intensitätsmessungen, die aufintegriert in Form gespeicherter Ladungen vorliegen. Diese gespeicherten Ladungen werden durch die Auswerteeinheit 9 ausgelesen und verarbeitet. Die Auswerteeinheit 9 soll zur Erfüllung der Überwachungsaufgabe folgende Funktionen erfüllen:

A) Errechnung der Entfernung in jedem Raumwinkelelement durch das zugehörige Messwertepaar,
B) Hintergrundfilterung mittels der die Messwerte von einer Menge statischer Hintergrundwerte subtrahiert werden, um eine Änderung erfassen zu können. Das Hintergrundbild kann durch eine Nullmessung bei Inbetriebnahme oder durch Programmierung gespeichert werden.
C) Schwellwertfilterung zur Identifikation von Objekten oder Personen 11 in Fig. 2 in unterschiedlichen Annäherungszonen, dargestellt in Fig. 2 durch die schattierten Bereiche 12 und 13. Fig. 2 zeigt beispielhaft die Annäherung einer Person 11 an eine Maschine 14, die durch das Modul 1 überwacht wird.
D) Logische Verknüpfung der Einzelmessungen der Sensormatrix 7 zur näherungsweisen Erfassung der Objektgröße, z. B. zwecks Filterung von Kleinstgegenständen,
E) selektives Muting bei Annäherung eines Objektes entlang bestimmter Bahnen, basierend auf Objektausdehnung und räumlicher Position und/oder basierend auf Detektion in bestimmten Überwachungsbereichen 12, 13,
F) Bilderkennung, d. h. gezielte Auswertung des gesamten Entfernungsbildes zur Identifikation der Objektgeometrie, um z. B. bestimmten Objekten die Annäherung zu erlauben. Dazu können Bilderkennungsalgorythmen, wie aus der Videosensorik-Technologie bekannt, eingesetzt werden.

Die Schwellwertfilterung C) wäre beispielsweise erforderlich, wenn unterschiedliche Annäherungszonen 12, 13 an einen Gefahrenbereich definiert werden sollen, die unterschiedliche Systemreaktionen, beispielsweise Vorwarnung, Wartestellung oder Alarmstopp, auslösen sollen.
Muting E) und/oder Bilderkennung F) sind erforderlich, wenn bewegliche Gegenstände im Überwachungsbereich planmäßig vorgesehen sind. Das ist beispielsweise der Fall, wenn Gegenstände einer Fertigungsstraße zugeführt werden müssen.
Die Auswerteeinheit 9 in Fig. 1 ist über ein Interface 10 mit nicht dargestellten externen Schaltanlagen verbunden, die die Zustandsmeldungen der Maschinenschutzeinrichtung in eine bestimmte Schaltreaktion umsetzen, z. B. Unterbrechung der Stromversorgung der Maschine 14.
Für eine sicherheitsgerichtete Anwendung kann bei definierten Hintergrundeigenschaften, z. B. bei einer Wand, eine permanente Selbstüberwachung durch Vergleich mit programmierten Grunddaten erfolgen. Das Messprinzip selbst deckt in gewissen Grenzen bereits Pixelfehler oder ein Fehler des elektronischen Shutters 3 durch ungültige Messergebnisse ab.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung eines Flächen- oder Raumbereiches, insbesondere eines Gefahrenbereiches, mit einer Lichtquelle und einem optischen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle als Laserlichtquelle (4) und der optische Sensor als entfernungsmessender 3D-CMOS-Sensor (6) mit Sensormatrix (7) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (4) eine Zerstreuungsoptik (5) aufweist und mit einer Stromversorgung/Spannungsregelung (2) und einer Laserpuls- und Shuttersteuerung (3) verbunden ist, dass der 3D-CMOS-Sensor (6) ein Objektiv (8) aufweist und mit einer Auswerteeinheit (9) und einen Interface (10) verbunden ist und dass diese Komponenten ein Modul (1) bilden, das in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9)

A) Berechnungsmittel zur Berechnung der Entfernung

B) Filtermittel zur Unterdrückung irrelevanter Messwerte und/oder

C) Schwellwertfiltermittel zur Unterscheidung von Objekten bzw. Personen (11) in unterschiedlichen Überwachungsbereichen (12, 13) und/oder

D) Verknüpfungsmittel zur Erfassung der Objektgröße und/oder

E) Mutingmittel zur Ausblendung bestimmter Objekte und/oder

F) Identifikationsmittel zur Erfassung der Objektgeometrie umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Interface (10) mit einer externen Schaltanlage, insbesondere zur Unterbrechung der Stromversorgung und/oder Signalgebung und/oder Videoaufzeichnung, verbunden ist.