Title:
Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Raumbereichs (40), insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage (14). Die Vorrichtung umfasst eine erste Beleuchtungseinrichtung (34), die dazu ausgebildet ist, zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich (40) zu senden und eine Bildaufnahmeeinheit (32), die dazu ausgebildet ist, ein Abbild des Raumbereichs (40) zu erstellen, wobei die Bildaufnahmeeinheit (32) einen Bildsensor (38) mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die eine Vielzahl von Raumbereichspunkten (44) abbilden. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (24) auf, die dazu ausgebildet ist, mittels Laufzeitmessung der Lichtsignale einen ersten Abstandswert (52) für zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen, sowie eine Steuereinheit (28), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ersten Abstandswerts (52) eine Sicherheitsfunktion auszulösen. Die erste Beleuchtungseinrichtung (34) und die Bildaufnahmeeinheit (32) sind in einer definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) angeordnet und die erste Beleuchtungseinrichtung (34) ist ferner dazu ausgebildet, ein optisches Muster (54) in den Raumbereich (40) zu projizieren, wobei die Auswerteeinheit (24) dazu ausgebildet ist, anhand des optischen Musters (54) und der definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) einen zweiten Abstandswert (74) für den zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen und mit dem ersten Abstandswert (52) zu korrelieren, um in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal zu erzeugen.





Inventors:
Barthe, Guillaume (73760, Ostfildern, DE)
Wendler, Martin (73760, Ostfildern, DE)
Application Number:
DE102016110514A
Publication Date:
12/07/2017
Filing Date:
06/07/2016
Assignee:
Pilz GmbH & Co. KG, 73760 (DE)
International Classes:
G01S7/497; F16P3/14; G01B11/24; G01B11/25; G01S17/89; G01V8/10
Domestic Patent References:
DE102005056265A1N/A2007-05-16
DE102015205927A1N/A
Foreign References:
EP1933167
WO2013127975A1
Attorney, Agent or Firm:
WITTE, WELLER & PARTNER Patentanwälte mbB, 70173, Stuttgart, DE
Claims:
1. Vorrichtung (10) zum Überwachen eines Raumbereichs (40), insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage (14), umfassend
eine erste Beleuchtungseinrichtung (34), die dazu ausgebildet ist, zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich (40) zu senden,
eine Bildaufnahmeeinheit (32), die dazu ausgebildet ist, ein Abbild des Raumbereichs (40) zu erstellen, wobei die Bildaufnahmeeinheit (32) einen Bildsensor (38) mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die eine Vielzahl von Raumbereichspunkten (44) abbilden,
eine Auswerteeinheit (24), die dazu ausgebildet ist, mittels Laufzeitmessung der Lichtsignale einen ersten Abstandswert (52) für zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen, und
eine Steuereinheit (28), die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ersten Abstandswerts (52) eine Sicherheitsfunktion auszulösen,
gekennzeichnet dadurch, dass
die erste Beleuchtungseinrichtung (34) und die Bildaufnahmeeinheit (32) in einer definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) angeordnet sind,
die erste Beleuchtungseinrichtung (34) ferner dazu ausgebildet ist, ein optisches Muster (54) in den Raumbereich (40) zu projizieren,
und die Auswerteeinheit (24) dazu ausgebildet ist, anhand des optischen Musters (54) und der definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) einen zweiten Abstandswert (74) für den zumindest einen Raumbereichspunkt (44) zu bestimmen und mit dem ersten Abstandswert (52) zu korrelieren, um in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die erste Beleuchtungseinrichtung (34) zumindest eine erste Lichtquelle (46) zum Erzeugen der Lichtsignale für die Laufzeitmessung aufweist, wobei die zumindest eine erste Lichtquelle (46) ferner so eingerichtet ist, dass sie das optische Muster (54) erzeugt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, dass die erste Beleuchtungseinrichtung (34) matrixförmig angeordnete Punktlichtquellen aufweist und so eingerichtet ist, dass sie den Raumbereich (40) direkt mittels der Punktlichtquellen beleuchtet, um das optische Muster (54) zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die erste Beleuchtungseinrichtung (34) dazu ausgebildet ist, die Lichtsignale temporär zu homogenisieren.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung ferner eine zweite Beleuchtungseinrichtung (68) mit einem transparenten Diffusor (78) zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Raumbereichs (40) aufweist, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, den Raumbereich (40) wahlweise mit der ersten oder der zweiten Beleuchtungseinrichtung (34, 68) zu beleuchten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch einen definierten Toleranzbereich und dadurch, dass die Auswerteeinheit (24) so ausgebildet ist, die Differenz des ersten und zweiten Abstandswertes (52, 74) zu bilden und zu bestimmen, ob diese Differenz in dem definierten Toleranzbereich liegt.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gekennzeichnet dadurch, dass die Auswerteeinheit (24) dazu ausgebildet ist, den ersten und zweiten Abstandswert (52, 74) zu mitteln, wenn die Differenz in dem definierten Toleranzbereich liegt, und die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des gemittelten Abstandswertes auszulösen.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, dass die Auswerteeinheit (24) dazu eingerichtet ist, für eine Vielzahl von Raumbereichspunkten (44) den ersten und zweiten Abstandswert (52, 74) zu bestimmen, und die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des zweiten Abstandswerts (74) auszulösen, wenn in einem definierten Bereich von Raumbereichspunkten (44) die Abstandswerte der Vielzahl von ersten Abstandswerten größer oder kleiner ist als die Abstandswerte der Vielzahl von zweiten Abstandswerten.

9. Verfahren zum Überwachen eines Raumbereichs (40), insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage (14), wobei eine erste Beleuchtungseinrichtung (34) zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich (40) sendet, eine Bildaufnahmeeinheit (32) mit einem Bildsensor (38) mit einer Vielzahl von Bildpunkten ein Abbild des Raumbereichs (40) aufnimmt, wobei mittels Laufzeitmessung ein erster Abstandswert (52) für ein im Raumbereich befindlichen Raumbereichspunkt (44) bestimmt und in Abhängigkeit von dem ersten Abstandswert (52) eine Sicherheitsfunktion ausgelöst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Beleuchtungseinrichtung (34) und die Bildaufnahmeeinheit (32) in einer definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) angeordnet sind,
die erste Beleuchtungseinrichtung (34) ein optisches Muster (54) in den Raumbereich (40) projiziert,
und die Auswerteeinheit (24) anhand des optischen Musters (54) und der definierten Aufnahmegeometrie (58, 60, B) einen zweiten Abstandswert (74) zu dem zumindest einen Raumbereichspunkt (44) bestimmt, und mit dem ersten Abstandswert (52) korreliert und in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal erzeugt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zweite Beleuchtungseinrichtung (68), die mit homogenisiertem Licht den Raumbereich (40) beleuchtet, wobei der Raumbereich (40) wahlweise mit der ersten oder der zweiten Beleuchtungseinrichtung (34, 68) beleuchtet wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass eine Beleuchtung des Raumbereichs (40) mit der ersten Beleuchtungseinrichtung (34) einen Testzustand definiert und eine Beleuchtung des Raumbereichs mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung (68) einen Normalzustand definiert, wobei periodisch zwischen dem Normalzustand und dem Testzustand gewechselt wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Periode die Dauer des Testzustands kleiner ist als die Dauer des Normalzustands, vorzugsweise kleiner ein Zehntel der Dauer des Normalzustands.

13. Verfahren gemäß einer der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass der erste und der zweite Abstandswert (52, 74) gemittelt werden, und die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des gemittelten Abstandswerts ausgelöst wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage, umfassend eine erste Beleuchtungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich zu senden, eine Bildaufnahmeeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Abbild des Raumbereichs zu erstellen, wobei die Bildaufnahmeeinheit einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die eine Vielzahl von Raumbereichspunkten abbilden, eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, mittels Laufzeitmessung der Lichtsignale einen ersten Abstandswert für zumindest einen Raumbereichspunkt zu bestimmen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des ersten Abstandswertes eine Sicherheitsfunktion auszulösen.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Raumbereichs, insbesondere zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage, wobei eine erste Beleuchtungseinrichtung zumindest temporär Lichtsignale in den Raumbereich sendet, eine Bildaufnahmeeinheit mit einem Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten ein Abbild des Raumbereichs aufnimmt, wobei mittels Laufzeitmessung ein erster Abstandswert für einen im Raumbereich befindlichen Raumbereichspunkt bestimmt wird und in Abhängigkeit von dem ersten Abstandswert eine Sicherheitsfunktion ausgelöst wird.

Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der DE 10 2005 056 265 A1 bekannt.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der DE 10 2005 056 265 A1 verwenden zur Überwachung des Raumbereichs Kamerasysteme mit Time-of-Flight-(TOF)-Messeinrichtungen. Diese sind dazu ausgebildet, neben einer zweidimensionalen Abbildung einer aufgenommenen Szene zusätzlich Tiefeninformation dieser Szene bereitzustellen. Time-of-Flight-(TOF)-Kameras erfassen somit eine Szene nicht nur zweidimensional, sondern dreidimensional.

Das Prinzip einer Time-of-Flight-Messeinrichtung ähnelt dem eines Laser-Radars. Ein Lichtimpuls bzw. eine periodische Folge von Lichtimpulsen wird von einem Sender in den Raumbereich gesendet und dort reflektiert. Eine Empfangsvorrichtung empfängt die Lichtimpulse und bestimmt anhand der Laufzeit die Entfernung zum Punkt der Reflektion. Gegenüber einem Laser-Radar weist eine Time-of-Flight-Kamera jedoch einen Bildsensor mit einer Vielzahl von Bildpunkten (auch Pixel genannt) auf und bestimmt für jeden dieser Bildpunkte die Laufzeit, so dass pro Zeiteinheit eine Vielzahl von Messungen durchgeführt wird. Pro Zeiteinheit wird somit ein dreidimensionales Abbild erzeugt, das zusätzlich zu oder statt der Erfassung von Intensitäten (Helligkeiten) und der Ausgabe von Grauwerten, Abstandsinformation oder Laufzeitinformation erfasst.

Der Begriff Abbildung im Sinne dieser Offenbarung ist somit nicht als eine Wahrnehmung durch das menschliche Auge zu verstehen, sondern eine technische Beschreibung einer Szene mit Daten, die neben den gewöhnlichen zweidimensionalen Bildwerten zusätzlich auch die Lage einer Oberfläche eines Objekts in einem Raumbereich beinhalten. Dreidimensionale Abbildung bzw. eine zeitliche Abfolge von dreidimensionalen Abbildungen können folglich durch geeignete Datenverarbeitungsverfahren, insbesondere Bildanalysealgorithmen segmentiert, kategorisiert und klassifiziert werden, wodurch einzelne Objekte wie Personen und Gegenstände freigestellt, identifiziert und unterschieden werden können.

Wie in der DE 10 2005 056 265 A1 beschrieben, ermöglicht eine dreidimensionale Erfassung eines Raumbereichs bessere Möglichkeiten, eine Gefahrensituation, beispielsweise das Eindringen einer Person in einen Gefahrenbereich, zu erkennen und zu beurteilen. Eine Überwachung mit Bildaufnahme- und Bildauswerteeinheiten ist darüber hinaus flexibler und einfacher an neue Umgebungsbedingungen anpassbar als starre, fest an einer Anlage montiere Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Lichtschranken oder Lichtgitter. Es ist somit wünschenswert, Systeme, die dreidimensionale Abbildungen erzeugen können, für die Überwachung von technischen Anlagen und Maschinen einzusetzen.

Aus der DE 10 2005 056 265 A1 ist ebenfalls bekannt, dass bei sicherheitskritischen Anwendungen hohe Anforderung an den überwachenden Sensor und die Zuverlässigkeit der vom Sensor erfassten Daten gestellt werden, so dass gewöhnliche Sensoren ohne zusätzliche Einrichtungen regelmäßig nicht für sicherheitskritische Anwendung verwendet werden können. Dies gilt auch für Time-of-Flight-Messeinrichtungen und von diesen erfasste Abstandswerte. Insbesondere können Objekte durch Mehrdeutigkeit aufgrund periodischer Modulation der Lichtsignale oder aufgrund von Umwegreflektionen an anderer Stelle erkannt werden als sie sich in Wirklichkeit befinden. Eine fehlerhafte Abstandsmessung hat jedoch zur Folge, dass gefährliche Situationen entstehen können, wenn beispielsweise ein Objekt, das sich im Gefahrenbereich befindet, von den Time-of-Flight-Kameras als außerhalb des Gefahrenbereichs befindlich beurteilt wird, oder zu einer unzureichenden Verfügbarkeit, beispielsweise einer Maschine im Gefahrenbereich, wenn sich ein Objekt außerhalb des Gefahrenbereichs befindet, dieses von den Time-of-Flight-Kameras jedoch aufgrund fehlerhafter Abstandsmessung als im Gefahrenbereich befindlich beurteilt wird, und die Maschine deshalb abgeschaltet wird.

Um diesem Problem zu begegnen, verfügen Sensoren im sicherheitskritischen Umfeld regelmäßig über Einrichtungen, mit denen sie die eigene Funktionsfähigkeit überprüfen und die erfassten Daten verifizieren können. Ein bekanntes Mittel ist eine redundante Auslegung der wesentlichen Elemente eines Sensors in Kombination mit einer Prüfeinrichtung, welche die vom Sensor erfassten Daten mit denen der redundanten Komponenten vergleicht und bei Abweichungen die Sicherheitsfunktion auslöst. Dieses Prinzip findet auch in der DE 10 2005 056 265 A1 Anwendung, indem zwei Abbildungen des Raumbereichs, vorzugsweise von zwei getrennten Time-of-Flight-Kameras, aufgenommen und bewertet werden, um so die oben genannten Fehler ausschließen oder zumindest beherrschen zu können.

Eine redundante Auslegung ist jedoch häufig teuer, insbesondere wenn, wie in der DE 10 2005 056 265 A1 vorgeschlagen, die Kameraeinheit des Sensors zweifach ausgelegt sein muss. Zudem lassen sich durch eine einfache Redundanz nicht alle Fehler erkennen. Insbesondere können Fehler mit gemeinsamer Ursache, auch ”common course failures” genannt, bei der Verwendung von baugleichen Komponenten nicht ausgeschlossen werden. So können beispielsweise verdeckte Konstruktions- oder Herstellungsfehler der redundanten Komponenten nicht erkannt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung und ein Verfahren zum Absichern eines Gefahrenbereichs einer automatisiert arbeitenden Anlage anzugeben, die bei geringem Aufwand insbesondere auch Fehler gemeinsamer Ursache aufdecken kann.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung eingangs genannter Art gelöst, wobei die erste Beleuchtungseinrichtung und die Bildaufnahmeeinheit in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet sind, die erste Beleuchtungseinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, ein optisches Muster in den Raumbereich zu projizieren, und die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, anhand des optischen Musters und der definierten Aufnahmegeometrie einen zweiten Abstandswert für den zumindest einen Raumbereichspunkt zu bestimmen und mit dem ersten Abstandswert zu korrelieren, um in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal zu erzeugen.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die erste Beleuchtungseinrichtung und die Bildaufnahmeeinheit in einer definierten Aufnahmegeometrie angeordnet sind, die erste Beleuchtungseinrichtung ein optisches Muster in den Raumbereich projiziert, und die Auswerteeinheit anhand des optischen Musters und der definierten Aufnahmegeometrie einen zweiten Abstandswert für den zumindest einen Raumbereichspunkt bestimmt und mit dem ersten Abstandswert korreliert und in Abhängigkeit der Korrelation ein Fehlersignal erzeugt.

Die oben genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.

Es sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Offenbarung der Gefahrenbereich einer automatisiert arbeitenden Anlage als der Bereich an oder vor einer technischen Anlage zu verstehen ist, in dem für eine Person oder ein Gegenstand eine Gefahr von der Anlage im Betrieb ausgeht. Bei einer automatisiert arbeitenden Anlage kann es sich beispielsweise um eine Presse oder einen Industrieroboter handeln. Unter einer Sicherheitsfunktion ist dementsprechend zu verstehen, die automatisiert arbeitende Anlage so anzusteuern, dass keine Gefahr mehr von dieser für eine Person oder ein Gegenstand ausgehen kann, beispielsweise indem die Stromzufuhr der Anlage unterbrochen wird. Es versteht sich, dass in anderen Fällen die Sicherheitsfunktion auch darin bestehen kann, die Anlage – ohne sie abzuschalten – in einen sicheren Zustand zu überführen.

Eine Beleuchtungseinrichtung im Sinne der Offenbarung ist eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Lichtstrahlen direkt oder indirekt in dem Raumbereich auszusenden. Die Bildaufnahmeeinheit wiederum ist dazu ausgebildet, das von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Licht, welches im Raumbereich reflektiert wird, zu erfassen. Der Begriff Bildaufnahmeeinheit ist in der vorliegenden Offenbarung allgemein zu verstehen. Unter einer Bildaufnahmeeinheit kann beispielsweise lediglich ein Bildsensor mit zugehöriger Optik zu verstehen sein, wie eine Digitalkamera mit einem optoelektronischen Bildsensor. Als Abstandswert wird im Sinne der vorliegenden Offenbarung die Entfernung von einem Punkt im Raumbereich, an dem das Licht der Beleuchtungseinrichtung reflektiert wird, bis zum Bildsensor bezeichnet. Es versteht sich, dass durch Kalibrierung auch ein anderer Bezugspunkt für die Abstandsmessung, beispielsweise die Vorderseite des Sensorgehäuses, verwendet werden kann.

Die Besonderheit der neuen Vorrichtung des neuen Verfahrens ist darin zu sehen, dass ein erster und ein zweiter Abstandswert für einen Raumbereichspunkt ermittelt werden, wobei für die Bestimmung unterschiedliche Messmethoden angewandt werden. Einerseits wird der erste Abstandswert mittels einer Laufzeitmessung bestimmt. Hierbei kann ein Pulslaufzeitverfahren oder ein Phasenlaufzeitverfahren angewandt werden. Andererseits wird ein zweiter Abstandswert mittels eines optischen Musters und trigonometrischer Berechnung ermittelt. Dies ist auch als Lichtschnittverfahren bekannt.

Das Pulslaufzeitverfahren und das Phasenlaufzeitverfahren beruhen beide auf dem Prinzip, dass bestimmt wird, wie lange ein ausgesandter Lichtstrahl benötigt, um von der Beleuchtungseinrichtung zum Objekt und wieder zurück zum Bildsensor zu gelangen.

Die Abstandsmessung basierend auf einem optischen Muster nutzt das Prinzip der Trigonometrie. Hierzu wird ein optisches Muster in den Raumbereich projiziert, dessen Abbildung durch die Bildaufnahmeeinheit sich ändert, wenn das optische Muster durch ein Objekt im Raumbereich ”verzehrt” wird. Ein optisches Muster kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Vorzugsweise ist ein optisches Muster im Sinne der vorliegenden Offenbarung jedoch ein Muster, das aus einzelnen Lichtflecken gebildet wird. Aus der Verzerrung des Musters und bei festgelegter Aufnahmegeometire können durch trigonometrische Berechnung Abstandswerte zu einer Oberfläche des im Raumbereich befindlichen Objekts bestimmt werden.

Unter Aufnahmegeometrie ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung die Anordnung der Beleuchtungseinrichtung, die das Muster erzeugt, und der Bildaufnahmeeinheit, die das Muster abbildet, zu verstehen. Für eine Abstandsmessung müssen mindestens die relative Lage der ersten Beleuchtungseinrichtung in Bezug auf die Bildaufnahmeeinheit und deren jeweilige Ausrichtung bekannt sein. Mit anderen Worten bezeichnet die Aufnahmegeometrie Ort und Lage der Beleuchtungseinrichtung und der Bildaufnahmeeinheit, die der Auswerteeinrichtung bekannt sein müssen, um einen Abstandswert berechnen zu können.

Ein Vorteil der neuen Vorrichtung und des neuen Verfahrens ist darin zu sehen, dass eine erste Abstandsmessung durch eine zweite Abstandsmessung verifiziert werden kann, wobei die zweite Abstandsmessung mittels einer anderen Methode durchgeführt wird und auf einem anderen Prinzip beruht. Insbesondere können so systematische Fehler bei der Messung des Abstandswerts ausgeschlossen werden. Die neue Vorrichtung ist zudem günstiger, da zumindest teilweise auf eine redundante Auslegung der wesentlichen Komponenten des Sensors verzichtet werden kann. Gleichwohl kann die Vorrichtung aufgrund des redundanten Messverfahrens vorteilhaft im industriellen Umfeld als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung verwendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist die erste Beleuchtungseinrichtung zumindest eine erste Lichtquelle zum Erzeugen der Lichtsignale für die Laufzeitmessung auf, wobei die zumindest eine erste Lichtquelle ferner so eingerichtet ist, das optische Muster zu erzeugen.

Indem eine einzige Lichtquelle sowohl zum Erzeugen der Lichtsignale für die Laufzeitmessung als auch für die Erzeugung des optischen Musters genutzt wird, kann die neue Vorrichtung besonders einfach und kostengünstig aufgebaut sein. Beide Messmethoden können somit mit einer einzigen Beleuchtungseinrichtung durchgeführt und kombiniert werden. Die Lichtquelle bestimmt dabei insbesondere die Struktur des optischen Musters. So kann beispielsweise durch die Anordnung der Lichtquellen eine Struktur vorgeben sein, die über eine Abbildungsoptik in den Raumbereich als optisches Muster projiziert wird.

Vorzugsweise weist die erste Beleuchtungseinrichtung matrixförmig angeordnete Punktlichtquellen auf und ist so eingerichtet, dass sie den Raumbereich direkt mittels der Punktlichtquellen beleuchtet, um das optische Muster zu erzeugen.

Die matrixförmig angeordneten Punktlichtquellen erzeugen somit Lichtflecken im Raumbereich, die der matrixartigen Anordnung der Punktlichtquellen entsprechen. Die matrixartig angeordneten Lichtflecken wiederum entsprechen dem optischen Muster, welches für die zweite Messmethode herangezogen wird. Dabei erzeugen Punktlichtquellen punktförmige Lichtflecken, die besonders einfach für eine Triangulationsmessung verwendet werden können, da ihr Mittelpunkt auf einfache Weise mit üblichen Bildverarbeitungsverfahren bestimmt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Beleuchtungseinrichtung dazu ausgebildet, die Lichtsignale temporär zu homogenisieren.

Durch das zeitweise Homogenisieren der Lichtsignale, die von der ersten Beleuchtungseinrichtung ausgesendet werden, kann der Raumbereich gleichmäßig ausgeleuchtet werden, wodurch eine einheitliche Abstandsbestimmung für jeden Bildpunkt des Bildsensors vorgenommen werden kann. Somit kann die Auflösung der Bildaufnahmeeinheit während der gleichmäßigen Ausleuchtung auf die durch die Anzahl der Pixel bestimmte maximale Auflösung erhöht werden.

Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine zweite Beleuchtungseinrichtung mit einem transparenten Diffusor zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Raumbereichs auf, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, den Raumbereich wahlweise mit der ersten oder der zweiten Beleuchtungseinrichtung auszuleuchten.

Die Vorrichtung weist in dieser Ausgestaltung somit zwei Betriebsarten auf, einen Normalbetrieb und einen Prüfbetrieb. Im Normalbetrieb wird der Raumbereich mit gleichmäßigem Licht ausgeleuchtet, so dass für alle Bildpunkte des Bildsensors ein Abstandswert ermittelt werden kann. Im Prüfbetrieb wird das optische Muster erzeugt, anhand dessen die Abstandsmessung für ausgewählte Punkte überprüfbar wird. Im Normalbetrieb kann somit ein Time-of-Flight-Abbild in voller Auflösung des Bildsensors erzeugt werden, das in bestimmten Intervallen durch den Prüfbetrieb verifiziert werden kann.

Es trägt weiter zur Vereinfachung bei, wenn ein Toleranzbereich definiert wird, in dem die erste Abstandsmessung und die zweite Abstandsmessung als gleich betrachtet werden, d. h. die Differenz des ersten Abstandswerts vom zweiten Abstandswert liegt unter einem definierten Schwellwert. Gelten der erste Abstandswert und der zweite Abstandswert als gleich, kann durch eine Ermittlung der beiden Werte ein gegenüber einer Einzelmessung präziserer Abstandswert bestimmt werden, der für die Beurteilung herangezogen werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den ersten und zweiten Abstandswert zu mitteln, wenn die Differenz in dem definierten Toleranzbereich liegt, und die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des gemittelten Abstandswerts auszulösen. Durch das Mitteln der gemessenen Abstandswerte kann auf besonders einfache Weise eine präzisiere Abstandsmessung erreicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, für eine Vielzahl von Raumbereichspunkten den ersten und zweiten Abstandswert zu bestimmen. Wenn die Abstandswerte für alle Raumbereichspunkte bzw. für eine bestimmte Gruppe von Raumbereichspunkten insgesamt größer oder insgesamt kleiner als die zweiten Abstandswerte sind, liegt ein systematischer Fehler vor, der von der Steuereinheit korrigiert werden kann, indem die Sicherheitsfunktion in Abhängigkeit des zweiten Abstandswerts ausgelöst wird. Vorteilhafterweise können somit systematisch bedingte Messfehler, wie sie beispielsweise durch Streulicht oder Temperatureffekte hervorgerufen werden, erkannt und beherrscht werden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1: eine vereinfachte Darstellung eines bevorzugten Anwendungsgebiets der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens,

2: eine vereinfachte Darstellung der neuen Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs,

3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß genutzten geometrischen Zusammenhänge,

4: einen Ausschnitt einer Szene mit einem darin befindlichen Objekt,

5: ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sensorteils der neuen Vorrichtung, und

6: ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung.

1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines bevorzugten Anwendungsgebiets der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die neue Vorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 ist hier im Deckenbereich einer Industriehalle angeordnet und überwacht einen Gefahrenbereich 12. Der Gefahrenbereich 12 hat eine dreidimensionale Ausdehnung und erstreckt sich somit in eine X, Y und Z-Richtung. Der Gefahrenbereich 12 ist hier entlang einer technischen Anlage 14 angeordnet, die durch einen Industrieroboter 16 angedeutet ist. Der Industrieroboter 16 hat einen Arm 18, von dessen Bewegung im Gefahrenbereich 12 eine Gefahr für eine Person 20 ausgehen kann.

Die neue Vorrichtung 10 ist, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, dazu ausgebildet, das Eintreten einer Person 20 in den Gefahrenbereich 12 zu detektieren und eine Sicherheitsfunktion auszulösen. Die Sicherheitsfunktion könnte darin bestehen, dass ein hier nicht dargestelltes Sicherheitsschaltgerät auf Aufforderungen der Vorrichtung 10 den Roboter 16 stromlos schaltet. Es versteht sich, dass die Sicherheitsfunktion auch darin bestehen könnte, den Roboterarm 18 von der Person wegzudrehen, ohne dass der gesamte Roboter 16 stromlos geschaltet wird.

In 1 ist ein gleichförmiger Gefahrenbereich dargestellt, der im Wesentlichen eine quaderförmige Ausdehnung aufweist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Bereich auch anders ausgedehnt, strukturiert oder sogar segmentiert sein. Da die Vorrichtung 10 dazu ausgebildet ist, ein dreidimensionales Abbild des Gefahrenbereichs 12 aufzunehmen, können durch eine effiziente Datenauswertung auch nur interessante Bereiche aus dem Gefahrenbereich aus dem Abbild extrahiert werden.

Es besteht somit die Möglichkeit, unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Gefahrenbereiches unterschiedliche Funktionen zuzuordnen. Beispielsweise könnte die Sicherheitsfunktion erst als letztes Mittel ausgelöst werden, wenn eine Person in einen kritischen Bereich des Gefahrenbereichs 12 eintritt, während beim Eintreten in die vor dem kritischen Bereich liegenden Bereichen lediglich eine Warnung ausgegeben wird.

Darüber hinaus bietet die neue Vorrichtung die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Objekten im Gefahrenbereich zu unterscheiden, so dass beispielsweise die Sicherheitsfunktion nur bei Eintreten einer Person 20 ausgelöst wird, nicht jedoch durch einen anderen Gegenstand, wie beispielsweise einen weiteren Roboter, der von der Oberflächengeometrie nicht einem Menschen entsprechen kann.

Es versteht sich, dass das in 1 gezeigte Anwendungsbeispiel nur exemplarisch zu verstehen ist. So kann die Vorrichtung in einem anderen Ausführungsbeispiel auch nur für die Überwachung eines kleinen Ausschnitts einer größeren Anlage verwendet werden, beispielsweise im Aufnahmebereich eine Presse. Hier kann die Vorrichtung beispielsweise auch an einem beweglichen Teil der Presse angeordnet sein.

2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der neuen Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung weist im Wesentlichen einen Sensorteil 22, eine Auswerteeinheit 24 mit einer Prüfeinrichtung 26, eine Steuereinheit 28 und eine Verbindungseinheit 30 auf. Die Auswerteeinheit 24, die Steuereinheit 28 und die Verbindungseinheit 30 sind hier exemplarisch als getrennte Einheiten gezeigt. In anderen Ausführungen können derer Aufgaben jedoch auch von einer einzelnen integrierten Einheit wahrgenommen werden.

Der Sensorteil 22 umfasst eine Bildaufnahmeeinheit 32 und eine erste Beleuchtungseinrichtung 34. Die Bildaufnahmeeinheit 32 weist eine Optik 36 und einen Bildsensor 38 mit einer Vielzahl von Bildpunkten (Pixeln) auf. Die Optik 36 bildet den vor dem Sensorteil 22 liegenden Raumbereich 40 auf dem Bildsensor 38 ab. Die Optik 36 kann weitere optische Elemente umfassen, wie beispielsweise Filter und Linsen. Vorzugsweise weist die Optik 36 einen Filter auf, der nur für Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässig ist. Ein solcher Filter ermöglicht es, die Abbildung der Bildaufnahmeeinheit 32 auf das Wesentliche zu reduzieren.

In 2 ist ein Erfassungsbereich der Bildaufnahmeeinheit 32 durch zwei strichpunktierte Linien angedeutet. Innerhalb des Erfassungsbereichs befindet sich ein Objekt 42, welches aufgrund seiner räumlichen Ausdehnung in der Regel auf mehrere Bildpunkte des Bildsensors 38 abgebildet wird. Um die Erläuterungen des erfindungsgemäßen Vorgehens zu vereinfachen, soll lediglich auf einen Punkt des Objekts eingegangen werden, der hier als Raumbereichspunkt mit der Bezugsziffer 44 angedeutet ist.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung 10 zur einfachen Montage in einem Gehäuse 45 angeordnet. Das Gehäuse 45 kann zum Schutz vor Verschmutzung vollständig geschlossen sein und weist vorzugsweise ausschließlich für die Optik der Bildaufnahmeeinheit 32 und die ersten Beleuchtungseinrichtung 34 Öffnungen auf. Besonders bevorzugt für die Verwendung in sicherheitskritischen Anwendungen im industriellen Umfeld ist das Gehäuse 45 ein Gehäuse, welches eine Schutzart von IP67 aufweist.

Über einen in der Regel mehrpoligen Anschlussstecker 47 am Gehäuse 45 ist die Vorrichtung von außen kontaktierbar, u. a. für die Stromversorgung. Ferner kann über die Verbindungseinheit 30 und den Anschlussstecker 47 die Sicherheitsfunktion zu einem Sicherheitsschaltgerät (hier nicht dargestellt) kommuniziert werden, welches die Sicherheitsfunktion umsetzt, indem es beispielweise die zu überwachende Maschine 14 abschaltet.

Über die Verbindungseinheit 30 können in einem anderen Ausführungsbeispiel auch das Fehlersignal oder die von dem Sensorteil 22 erfassten Abstandswerte übertragen werden, welche durch eine übergeordnet Steuereinheit ausgewertet werden. So können beispielsweise auch mehrere erfindungsgemäße Sensoren zusammenwirken, um einen komplexen Überwachungsbereich zu erzeugen. Ebenso kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in einem Verbund mit anderen Sensoren zusammen betrieben werden.

Die erste Beleuchtungseinrichtung 34 ist dazu eingerichtet, Licht in den vor dem Sensorteil 22 liegenden Raumbereich 40 zu senden. Vorzugsweise handelt es sich um Licht in einem für den Menschen nicht sichtbaren Wellenlängenbereich, wie beispielsweise Infrarotlicht. Infrarotlicht ist für den Menschen nicht sichtbar, für einen Bildsensor in CCD- oder CMOS-Technologie jedoch gut und effizient erfassbar.

Die erste Beleuchtungseinrichtung 34 weist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 46 mit matrixartig angeordneten LEDs 48 auf. Die LED-Matrix kann eine hier nicht dargestellte Abbildungsoptik umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Beleuchtungseinrichtung auch als Diaprojektor, als Punktlichtquelle mit Facettenspiegel oder als digital light processing(DLP oder DMP)-Projektor ausgebildet sein. Ebenso kann die Beleuchtungseinrichtung 34 als vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array ausgebildet sein. Eine VCSEL array hat den Vorteil, dass dieses sehr kleinbauend auf einem Chip angeordnet sein kann. So kann die aktive Fläche eines solchen array wenige Quadratmillimeter, bspw. 1,9 mm × 1,75 mm, umfassen, wobei auf dieser Fläche über 2000 einzelne VCSELs angeordnet sein können. Über eine entsprechende Abbildungsoptik können die VCSELs des array im Raum abgebildet werden.

Die erste Beleuchtungseinrichtung 34 beleuchtet den Raumbereich 40 und das darin liegende Objekt 42. Dabei wird auch ein Lichtstrahl 50 am Raumbereichspunkt 44 reflektiert, wobei ein Teil des reflektierten Lichts zur Bildaufnahmeeinheit 32 gelangt und durch die Optik 36 auf einem Bildpunkt des Bildsensors 38 abgebildet wird.

Die Bildaufnahmeeinheit 32 und die Auswerteeinheit 24 ermitteln über einen Abgleich mit dem ausgesandten Licht für jeden Bildpunkt die individuelle Laufzeit (Pulsdauer oder Phasenlaufzeit) und berechnen daraus den ersten Abstandswert, der hier durch den Pfeil 52 angedeutet ist und der Entfernung zwischen Raumbereichspunkt 44 und Bildsensor 38 entspricht. Es versteht sich, dass durch geeignete Kalibrierung für die Bestimmung der Entfernung auch ein anderer Bezugspunkt als der Bildsensor 38 gewählt werden kann, beispielsweise der Mittelpunkt 55 an der Vorderseite des Gehäuses 45.

Darüber hinaus ist die erste Beleuchtungseinrichtung 34 so ausgebildet, ein optisches Muster 54 in den Raumbereich 40 zu projizieren. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel setzt sich das optische Muster 54 aus einer Vielzahl von Lichtflecken 56 zusammen, wobei jedem Lichtfleck 56 hier eine LED 48 der Lichtquelle 46 zugeordnet ist. Die Lichtflecken 56 des optischen Musters 54 sind dementsprechend in gleicher Weise angeordnet, wie die LEDs 48 der Lichtquelle 46, also hier ebenfalls matrixartig. Es versteht sich, dass sich ein derartiges Muster 54 auch mit den alternativ genannten Beleuchtungseinrichtungen 34 erzeugen lässt.

Vorzugsweise ist das optische Muster 54 somit ein homogenes Punktmuster, d. h. die Lichtflecken 56 sind entlang zweier Hauptachsen periodisch und gleichmäßig verteilt. Die Struktur des optische Musters 54 ist vorteilhaft nur durch die Anordnung der Lichtquelle 46, also im vorliegenden Ausführungsbeispiel die (matrixartige) Anordnung der LEDs 48, bestimmt. So kann auf einfache Weise ein nutzbares matrixartiges Punktmuster 54 erzeugt und in den zu überwachenden Raumbereich 40 projiziert werden. Es versteht sich, dass zusätzlich eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Musters verwendet werden kann, wobei die Struktur des Musters erfindungsgemäß durch die Lichtquelle 46 bestimmt ist. Insbesondere kann eine Abbildungsoptik eine oder mehrere Sammellinsen aufweisen. Erfindungsgemäß wird jedoch dieselbe Lichtquelle 46 zum Aussenden der Lichtstrahlen für die Laufzeitmessung sowie zur Erzeugung des optischen Musters 54 verwendet.

Es versteht sich, dass bei der inhomogenen Ausleuchtung des Raumbereiches durch das optische Muster 54 nicht für alle Bildpunkte des Bildsensors 38 eine Laufzeitmessung durchgeführt werden kann. So ist eine Laufzeitmessung für die Bereiche zwischen den Lichtflecken 56 nicht möglich.

Für Sicherheitsanwendungen ist jedoch eine pixelgenaue Auflösung und Bestimmung der Abstandswerte nicht notwendig, da in der Regel von einer bestimmten Mindestobjektgröße der zu überwachenden Objekte ausgegangen wird. Es ist somit ausreichend, wenn das optische Muster 54 so ausgebildet ist, dass ein Objekt 42 mit der vorgeschriebenen Mindestobjektgröße mindestens von einem Lichtfleck 56 erfasst wird. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen zwei Punkten bei 5 bis 10 Pixeln. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird das Objekt 42 durch das optische Muster im Lichtfleck 56' beleuchtet.

Zur Bestimmung eines zweiten Abstandswerts durch Triangulationsmessung ist neben dem optischen Muster 54 eine genaue Kenntnis der Aufnahmegeometrie notwendig. Die definierte Aufnahmegeometrie wird mindestens durch die relative Lage der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 in Bezug auf die Bildaufnahmeeinheit 32 und deren jeweilige Ausrichtung definiert. In 2 ist die Lage der Bildaufnahmeeinheit 32 in Bezug zur ersten Beleuchtungseinrichtung 34 durch den Basisabstand B und die Ausrichtung durch die optischen Achsen 58, 60 angedeutet.

Die definierte Aufnahmegeometrie ist somit durch einen Satz an Parametern beschrieben, der durch den Aufbau des Sensorteils 22 vorgegeben ist. Bei einer starren Anordnung der Bildaufnahmeeinheit 32 und der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 kann dies ein festgelegter Satz an Parametern sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Parameter jedoch durch eine entsprechende Kalibrierung einstell- und anpassbar.

Aus der definierten Aufnahmegeometrie und dem aufgenommenen Bild des optischen Musters 54 bestimmt die Auswerteeinheit 24 einen zweiten Abstandswert durch Trigonometrie. Eine vorzugsweise in der Auswerteeinheit 24 integrierte Prüfeinrichtung 26 vergleicht für den Raumbereichspunkt 42 den ersten und den zweiten Abstandswert. Sind der erste und der zweite Abstandswert im Rahmen der Messgenauigkeit als gleich zu betrachten, so wurde der erste Abstandswert durch den zweiten bestätigt. Weichen der erste Abstandswert und der zweite Abstandswert voneinander ab, wird ein Fehlersignal erzeugt, welches die Abweichung widerspiegelt.

Als Reaktion auf das Fehlersignal sind verschiedene Aktionen möglich. In einem Ausführungsbeispiel kann unmittelbar durch das Fehlersignal die Sicherheitsfunktion ausgelöst werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine weitere Messung beispielsweise anhand weiterer Lichtflecken 56 des optischen Musters 54 vorgenommen werden. Ferner kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Fehlersignal zur weiteren Auswertung an eine übergeordnete Steuereinheit (hier nicht dargestellt) übertragen werden, welche eine Bewertung des Fehlersignals vornimmt.

Bei größeren Abweichungen der gemessenen Abstandswerte kann durch eine Kombination verschiedener Messungen mit den beiden Verfahren eine adäquate Lösung für eine Situation gefunden werden. Beispielsweise können die Abstandsmessungen mit anderen möglichen Punkten des optischen Musters wiederholt werden. Ferner können auch systematische Fehler (Streulicht, Temperatureffekte, etc.) aufgedeckt werden, beispielsweise wenn die Bestimmung der ersten Abstandswerte durch die Time-of-Flight-Messung stets zu Werten führen, die in allen oder zumindest in relevanten Teilbereichen größer sind als bei der entsprechenden Bestimmung mittels des optischen Musters 54. Vorteilhaft können somit Messfehler nicht nur erkannt, sondern teilweise auch behoben werden.

3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß genutzten geometrischen Zusammenhänge. 3 zeigt einen Sensorteil 22 mit einer Bildaufnahmeeinheit 32 und einer Beleuchtungseinrichtung 34 sowie ein in den Raumbereich projiziertes optisches Muster 54.

Das optische Muster 54 ist hier ein homogenes Punktmuster, d. h. die Lichtflecken 56 sind einzelne Punkte, die entlang zweier Hauptachsen 62, 64 periodisch und gleichmäßig verteilt sind. Die Hauptachsen 62, 64 sind hier lediglich zur Veranschaulichung eingezeichnet und finden sich in dem in der Praxis projizierten optischen Muster 54 nicht wieder. Die beiden Hauptachsen 62, 64, die hier senkrecht zueinander verlaufen, geben die beiden Richtungen der kleinsten Abstände der Lichtflecken 56 des optischen Musters 54 an.

In 3 ist das optische Muster 54 nur ausschnittweise mit 25 Lichtflecken gezeigt. In der Praxis kann das optische Muster 54 eine wesentlich höhere Anzahl an Lichtflecken 56 aufweisen. Der Abstand der einzelnen Lichtflecken bzw. der Zentren der einzelnen Lichtflecken beträgt vorzugsweise fünf bis zehn Pixeln des Bildsensors der Bildaufnahmeeinheit 32.

Es versteht sich, dass auch ein anderes Muster verwendet werden kann. Ein Punktmuster ist vorteilhaft, da es auf einfache Weise durch die erste Beleuchtungseinrichtung 34 wie zuvor beschrieben erzeugt werden kann.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das optische Muster 54 erzeugt, indem von einer gewöhnlichen Beleuchtungseinrichtung einer Time-of-Flight-Messeinrichtung mit matrixartig angeordneten Lichtquellen der gewöhnlich enthaltene Diffusor entfernt wird. Der Diffusor in einer gewöhnlichen Time-of-Flight-Messeinrichtung dient dazu, das Licht einer Lichtquelle zu homogenisieren, um eine gleichmäßige Ausleuchtung zu gewährleisten. Durch Weglassen des Diffusors und Einbringen einer entsprechenden Abbildungsoptik beleuchten die in der Beleuchtungseinrichtung vorhandenen Lichtquellen den Raumbereich direkt und erzeugen dabei vorzugsweise ein optisches Muster 54, welches für die Bestimmung des zweiten Abstandswerts herangezogen werden kann. Das optische Muster 54 lässt sich auf diese Weise besonders leicht erzeugen. Die erste Beleuchtungseinrichtung 34 entspricht in diesem Fall einem handelsüblichen Projektor für eine Time-of-Flight-Messeinrichtung mit einer strukturierten Lichtquelle, die nicht homogenisiert wird. Die Struktur der Lichtquelle bestimmt dabei die Struktur des optischen Musters 54. Die durch das Weglassen des Diffusors verringerte Auflösung wird durch eine höhere Reichweite und die Möglichkeit einer zweiten Abstandsmessung kompensiert.

In der 3 wird ein homogenes Punktmuster durch die Lichtquellen in der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 erzeugt. Das optische Muster 54 wird ohne dass es auf ein Objekt trifft in der 3 auf eine ebene Wand 66 projiziert. Sind die ebene Wand 66 und die Ebene, in der sich die Lichtquellen der ersten Beleuchtungseinrichtung erstrecken, parallel, so ist auch das dargestellte optische Muster homogen. Es versteht sich, dass für die Funktionsweise der neuen Vorrichtung des neuen Verfahrens eine ebene Wand 66 nicht notwendig ist und hier nur zur Verdeutlichung eingezeichnet ist.

Für die Lichtflecken 56 wird zunächst deren Entfernung zum Sensorteil 22 anhand einer Time-of-Flight-Messung bestimmt. Beispielhaft für die Time-of-Flight-Messung sind in 3 die Lichtstrahlen 68 und 70 hervorgehoben. Der erste Lichtstrahl 68 entspricht einem Lichtstrahl der Lichtquelle der ersten Beleuchtungseinrichtungen und der zweite Lichtstrahl entspricht einem Lichtstrahl, der aus der Reflektion des ersten Lichtstrahls 68 an der ebenen Wand 66 im Punkt 72 resultiert.

Die Time-of-Flight-Messung kann nach einem Pulslaufzeitverfahren oder einem Phasenlaufzeitverfahren erfolgen.

Beim Pulslaufzeitverfahren wird die Amplitude der Lichtwelle pulsförmig mit einem großen Puls-/Pausenverhältnis moduliert, also bei niedriger Modulationsfrequenz. Hierbei wird die Zeit ermittelt, die zwischen dem Aussenden und der Rückkehr des Lichtsignals (68, 70) am reflektierten Objekt, hier also dem Punkt 72 an der ebenen Wand 66, vergangen ist. Es ist grundsätzlich möglich, dass ein weit entferntes Objekt eine Reflektion erzeugt, die erst in einem späteren Messintervall empfangen wird. Diese Reflektion wird dann einem kürzeren Abstandswert fälschlicherweise zugeordnet und führt somit zu einer Mehrdeutigkeit aufgrund der periodischen Modulation.

Beim Phasenlaufzeitverfahren wird die Amplitude der Lichtwelle mit einer Frequenz im Hochfrequenzbereich moduliert. Die Laufzeitbestimmung des Messsignals erfolgt aus dem Phasenvergleich der Modulation der ausgesendeten Lichtwelle und der Modulation der einlaufenden Lichtwelle. Auch hier ist es aufgrund der maximalen Phasenunterschiede von 360° möglich, dass ein weit entferntes Objekt eine Reflektion erzeugt, die einem näheren Raumpunkt zugeordnet wird. Mit anderen Worten gibt es bei allen Laufzeitmessungen Mehrdeutigkeiten, die eine sichere Abstandsbestimmung gefährden können.

Erfindungsgemäß werden somit weitere Abstandsbestimmungen basierend auf einem anderen, von der Time-of-Flight-Messung grundsätzlich verschiedenen Prinzip durchgeführt. Die weitere Abstandsbestimmung kann für einen oder mehrere oder alle Lichtflecken 56 des optischen Musters 54 durchgeführt werden.

Für die weitere Abstandsbestimmung nach dem Prinzip der Triangulation müssen der Auswerteeinheit 24 das in den Raumbereich projizierte optische Muster 54 und die Aufnahmegeometrie des Sensorteils 22 bekannt sein. Die definierte Aufnahmegeometrie wird durch die Basisweite B, also die räumliche Anordnung der Bildaufnahmeeinheit 32 zur ersten Beleuchtungseinheit 34, und die jeweilige optischen Achsen 58 und 60 der Bildaufnahmeeinheit 32 und der ersten Beleuchtungseinheit 34 hinreichend bestimmt. Durch die Aufnahmegeometrie sind mindestens drei Größen eines Dreiecks bestehend aus dem Mittelpunkt eines Lichtflecks 56 sowie dem Ausgangspunkt des beleuchtenden Lichtstrahls und dem Ort des aufnehmenden Pixels bekannt, woraus sich die anderen Größen diese Dreiecks und damit auch der gesuchte zweite Abstandswert 74 rechnerisch bestimmen lassen.

4 zeigt zur Verdeutlichung des zweiten Messprinzips einen Ausschnitt des optischen Musters 54 in gegenüber 3 vergrößertem Maßstab und mit einem darin befindlichen Objekt 42, das hier vereinfacht als Quader dargestellt ist.

Vier Lichtflecken 56' des optischen Musters 54 sind nun auf die Oberfläche des Objekts 42 projiziert und damit näher an der Bildaufnahmeeinheit 32 als die übrigen Lichtflecken 56 des optischen Musters 54. Für die Bildaufnahmeeinheit 32 stellt sich das zuvor homogene Punktmuster im Bereich der Lichtflecken 56' als verzerrt dar. Mittels Lichtschnittverfahren kann aus der Verzerrung der Abstand der jeweiligen Punkte 56' zu der Bildaufnahmeeinheit 32 bestimmt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellen sich beispielsweise die durch die Punkte definierten Hauptachsen 62, 64 für die Bildaufnahmeeinheit als gerade Linien dar, während eine entsprechende Linie 76 parallel zu den Hauptachsen, die durch die Punkten 56' verläuft, nach dem Prinzip des stereoskopischen Sehens durch die Objektgeometrie der Bildaufnahmeeinheit 32 deformiert erscheinen. Die Abweichung von der Geradheit im Kamerabild ist ein Maß für die Objekthöhe, woraus sich ebenfalls ein zweiter Abstandswert 74 bestimmen lässt.

In Kombination mit der Time-of-Flight-Messung liegen somit ein erster und ein zweiter Abstandswert vor, auf deren Basis eine Beurteilung der aufgenommenen Szene erfolgen kann. Vorzugsweise werden zumindest für jeden Lichtfleck 56, 56' des optischen Musters 54 separate erste und zweite Abstandswerte 52, 74 bestimmt.

Die Auswerteeinheit ermittelt und verifiziert aus den beiden Abstandswerten, ob ein nicht erwartetes Objekt als im Raumbereich erkannt wird oder nicht und löst die entsprechende Sicherheitsfunktion aus, wodurch die zu überwachende Anlage in einen gefahrlosen Zustand überführt wird.

5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, wobei lediglich der Sensorteil 22 dargestellt ist. Im Übrigen entspricht die Vorrichtung der Vorrichtung gemäß 2.

Der Sensorteil 22 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Sensorteil 22 durch eine zusätzliche zweite Beleuchtungseinrichtung 68 neben der Bildaufnahmeeinheit 32 und der ersten Beleuchtungseinrichtung 34.

Wie die erste Beleuchtungseinrichtung 34 weist die zweite Beleuchtungseinrichtung 68 in diesem Ausführungsbeispiel matrixartig angeordnete LEDs 48 auf. Es versteht sich, dass als zweite Beleuchtungseinrichtung 68 auch die im Bezug zur ersten Beleuchtungseinrichtung erwähnten Alternativen in Betracht kommen.

Wie zuvor in Bezug auf 2 beschrieben, wird die Struktur der Lichtquelle 46 der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 als optisches Muster 54 in den Raumbereich 40 projiziert. Die Projektion erfolgt hier über eine Abbildungsoptik 79, die hier beispielhaft durch eine Sammellinse angedeutet ist.

Die zweite Beleuchtungseinrichtung 68 weist im Gegensatz dazu zusätzlich einen transparenten Diffusor 78 auf, der vor den Leuchtdioden 48 und somit zwischen der Lichtquelle 46 der zweiten Beleuchtungseinrichtung 68 und dem zu beleuchtenden Raumbereich 40 angeordnet ist. Der Diffusor 78 dämpft und streut das Licht der Lichtquelle 46, so dass der Raumbereich 40 gleichmäßig mit diffusem Licht ausgeleuchtet wird. Ein optisches Muster 54, wie es durch die Beleuchtung mit der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 entsteht, wird bei der Verwendung der zweiten Beleuchtungseinrichtung 68 nicht erzeugt. Mit anderen Worten die Struktur der Lichtquelle, also beispielweise die matrixartige Anordnung, wird nicht in den Raumbereich 40 abgebildet, so dass kein Muster entsteht. Es versteht sich, dass neben dem Diffusor 78 ebenfalls eine weitere Abbildungsoptik vorgesehen sein kann.

Vorteilhafterweise kann die neue Vorrichtung zwischen einer Beleuchtung mit der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 und der zweiten Beleuchtungseinrichtung 68 wechseln, wie hier schematisch durch einen Wechselschalter 80 angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Ansteuerung auch auf anderem Wege, beispielsweise durch eine direkte Ansteuerung durch die Steuereinheit (hier nicht dargestellt), erfolgen kann.

Durch die verschiedenen Beleuchtungsmöglichkeiten werden zwei Betriebsmodi der neuen Vorrichtung definiert. In einem Normalbetrieb wird der Raumbereich 40 mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung 68 und diffusem Licht gleichmäßig ausgeleuchtet. In einem Test-/Prüfmodus wird der Raumbereich 40 durch die Lichtquelle der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 direkt beleuchtet, so dass im Raumbereich das optische Muster 54 entsteht.

Im Normalbetrieb wird der Raumbereich 40 über die Optik 36 der Bildaufnahmeeinheit 32 auf den Bildsensor 38 abgebildet, wobei für jeden Bildpunkt des Bildsensors 38 ein erster Abstandswert ermittelt werden kann. Es ist somit möglich, ein Time-of-Flight-Abbild des Raumbereichs 40 in voller Auflösung des Bildsensors 38 zu erzeugen. Im Test-/Prüfmodus können diese Abstandswerte in ausgewählten Bereichen durch die Bestimmung zweiter Abstandswerte verifiziert werden können.

Im Test-/Prüfmodus ist die erste Beleuchtungseinrichtung 34 deaktiviert und die zweite Beleuchtungseinrichtung 68 aktiviert, sodass in dem Raumbereich 40 das zuvor beschriebene optische Muster 54 projiziert wird. Das optische Muster 54 wird von der Bildaufnahmeeinheit 32 aufgenommen und zweite Abstandswert nach dem Lichtschnittverfahren für ausgewählte Bereiche bestimmt. In den ausgewählten Bereichen bestimmen sich die ersten Abstandswerte somit aus einer Laufzeitmessung und die zweiten Abstandswerte durch eine Triangulationsmessung aus der jeweiligen Punktposition. Anhand der zweiten Abstandswerte kann somit eine Plausibilitätsprüfung der ersten Abstandswerte erfolgen.

Im Test-/Prüfmodus ist die Auflösung der Abbildung auf die Lichtflecken 56 des optischen Musters 54 beschränkt, während im Normalbetrieb die Auflösung durch die Anzahl der Pixel des Bildsensors 38 bestimmt wird. Vorzugsweise wird daher die Vorrichtung überwiegend im Normalbetrieb verwendet und nur ab und zu durch das mit der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 erzeugte optische Muster 54 überprüft. Die Überprüfung kann dabei beispielsweise in einem festgelegten Intervall erfolgen oder aber durch die Auswerteeinheit ausgelöst werden, wenn eine Veranlassung aus der ersten Messung heraus gegeben ist.

Es versteht sich, dass in einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels auch nur eine Beleuchtungseinrichtung verwendet werden kann, wobei der Diffusor 78 als variables Element ausgestaltet ist und wahlweise in den Lichtweg der einen Beleuchtungseinrichtung eingebracht werden kann.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung, die im Wesentlichen mit der Vorrichtung gemäß der 2 übereinstimmt. Zusätzlich weist die Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel jedoch eine weitere Bildaufnahmeeinheit 82 auf, welche ebenfalls den Raumbereich 40 abbildet. Die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 kann, wie hier dargestellt, eine separate Einheit sein. Alternativ kann die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 aber auch im Gehäuse 45 mit integriert sein. Die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 ist mit der Vorrichtung gekoppelt, wie es hier durch den Pfeil 84 angedeutet ist.

Die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 stellt somit eine weitere Abbildung des Raumbereichs 40 zur Verfügung, die zur Auswertung der Szene herangezogen werden kann. Bei der weiteren Bildaufnahmeeinheit 82 kann es sich um eine Standardkamera handeln oder aber um eine weitere ToF-Kamera. Je nachdem welche Art von Abbildung die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 bereitstellt, können zusätzliche Abstandsberechnungen durchgeführt werden, wodurch die Redundanz und die Diversität weiter erhöht wird. Vorzugsweise ist die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 in einer weiteren bestimmten Aufnahmegeometrie zu der ersten Beleuchtungseinrichtung 34 und/oder der ersten Bildaufnahmeeinheit 32 angeordnet, sodass zusätzliche Parameter für die Abstandsberechnung festgelegt sind.

Durch die weitere Bildaufnahmeeinheit 82 kann eine besonders sichere und präzise Überwachung des Raumbereichs 40 erfolgen.

Darüber hinaus sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. So sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die hier dargestellte Aufnahmegeometrie beschränkt. Ebenso ist das optische Muster 54 nur als exemplarisch zu betrachten und insbesondere ist das optische Muster nicht auf ein wie hier gezeigtes homogenes Punktmuster beschränkt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102005056265 A1 [0003, 0004, 0007, 0008, 0009, 0010]