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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung geht aus von einer Anordnung, mit der die Zuverlässigkeit
bzw. die Funktion eines berührungslos
wirkenden Schutzsensors kontrolliert werden soll. Mit dem Schutzsensor
soll festgestellt werden, ob ein Objekt in den zu überwachenden Raum
eingedrungen ist. Bei dem Objekt kann es sich um eine Person handeln,
die dann vor der Kollision mit einem Fahrzeug oder einer Maschine
zu schützen
ist. Wenn ein Objekt in dem zu überwachenden Schutzraum
erkannt wird, kann das Fahrzeug oder die Maschine gestoppt werden,
bevor eine Kollision mit dem Objekt eintritt. In der Regel befindet
sich der Schutzsensor auf dem Fahrzeug bzw. auf der Maschine und
kann bei Gefahr die Antriebe mehr oder weniger direkt abschalten.
Seltener ist es der Fall, dass der Schutzsensor sich nicht auf dem
Fahrzeug oder auf der Maschine befindet. Bei Gefahr schaltet der
Schutzsensor dann die Antriebe indirekt über eine entsprechend längere Datenübertragung
ab.
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Die
bekannten Schutzsensoren arbeiten nach unterschiedlichen Verfahren.
So ist die Erkennung eines Objektes vor einem Fahrzeug durch Laser,
Ultraschall oder auch Radar möglich.
Insbesondere haben sich Laserscanner in der Praxis weit verbreitet,
weil sie Objekte nicht nur relativ zuverlässig, sondern auch relativ
genau in ihrer Position erkennen können.
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Die
Schutzsensoren sind für
unterschiedliche Schutzklassen entwickelt. Zum Teil ist es erforderlich,
dass eine häufige
oder auch permanente Überprüfung der
Funktion des Schutzsensors erfolgt. Es wird ein Referenzobjekt genutzt,
das in einer festen Verbindung mit dem Schutzsensor steht, also eine
bekannte konstante Position aus Sicht des Schutzsensors hat. Nachteilig
ist dabei jedoch, dass immer die gleichen Daten ermittelt werden,
somit also nur eine eingeschränkte Überprüfung vorliegt. Es
wird nicht der gesamte Erfassungsbereich überprüft, es könnte sogar sein, dass Abstandsdaten
ausgegeben werden, ohne dass überhaupt
eine Prüfung erfolgt.
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Anordnungen,
die Referenzen mit veränderbaren
Positionen in Bezug auf den Schutzsensor nutzen, sind in diesem
Zusammenhang nicht bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zur Überprüfung des Schutzsensors
mit veränderbaren
Referenzpositionen auszuführen.
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Die
Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch Veränderung der
Position der Referenz in Bezug auf den Schutzsensor die Funktion
umfangreicher überprüft wird. Wenn
sich der Schutzsensor auf einer sich bewegenden Maschine oder auf
einem Maschinenteil oder Fahrzeug befindet, wird sich die Lage des
Schutzsensors sowohl bei translatorischer als auch bei rotatorischer
Bewegung verändern.
Dadurch ändert
sich auch, aus Sicht der Schutzsensors, die Position der Referenz,
d. h. der Schutzsensor wird neue sog. Istdaten für die Richtung und/oder Entfernung
der Referenz ermitteln. Durch eine Erfassung der Lageänderung
des Schutzsensors lassen sich neue Daten für die zu erwartende Position
der Referenz berechnen. Diese Solldaten werden dann mit den Istdaten überprüft. Bei
zu großen
Differenzen könnte
ein Fehler im System vorliegen.
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Bei
bekannten Prüfungen
verwendet der Schutzsensor eine Referenz, die immer in der gleichen
Position in Bezug auf den Schutzsensor steht. Damit sind dann die
Referenzdaten immer gleich. Tatsächlich
hat man dadurch keine vollständige
Kontrolle und weiß nicht,
ob die Referenzdaten wirklich ermittelt werden. Außerdem erfolgt
der Test immer nur an einem bestimmten Punkt im Überwachungsbereich. Mit der
Erfindung ist die Kontrolle des Schutzsensors vollständiger.
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Nach
Anspruch 2 wird die Lage des Schutzsensors durch einen Eingriff
gezielt geändert.
Dies kann dadurch geschehen, dass der Schutzsensor speziell für diese
Aufgabe durch einen eigenen Motorantrieb in seiner Position verschoben
oder verdreht wird.
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Mit
Anspruch 3 ist die interessante Anwendung für die Überwachung des Schutzraumes
vor einem Fahrzeug dargestellt. Als Referenz dient die Fahrbahn.
Der Abstand zwischen der Fahrbahn und dem Schutzsensor kann bspw.
dadurch geändert werden,
dass das Fahrzeug gezielt zum Bremsen gebracht wird. Durch das Nicken
des Fahrzeugs reduziert sich der Abstand zwischen Schutzsensor und Referenz.
Dieser gezielte Vorgang muss dann auch von dem Schutzsensor festgestellt
werden. Geeignete Schutzsensoren für diese Anwendung sind z. B. Laserscanner
und dreidimensionale Kamerasysteme.
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Eine Änderung
in der Position der Referenz liegt auch dann vor, wenn die Fahrbahn
eine Steigung oder ein Gefälle
aufweist. Das Prüfgerät erwartet
diese Fahrbahnmerkmale, wenn es auf einer bekannten Route fährt und
z. B. durch Sensoren die Lage des Fahrzeugs bzw. die Lage des Schutzsensors
bekannt ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung bietet sich an, dass Landmarken wie
Pfosten, Mauern, Ecken, auch Bordsteine oder Gullydeckel als Referenz
genutzt werden. Die Daten der Landmarken müssen sich dann während der
Fahrt ändern.
Besonders deutlich ist meistens die Abstandsänderung zwischen Landmarke
und Schutzsensor. Dazu sind in einer Bahnkarte die charakteristischen
Daten und insbesondere die Koordinaten der Landmarken hinterlegt.
Landmarken werden häufig
zur Navigation benutzt. Sie unterscheiden sich in der Regel gut
von der Umgebung. Geeignete Schutzsensoren können deshalb sowohl zur Hinderniserkennung,
als auch zur Erkennung von Landmarken zur Navigation verwendet werden.
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Nach
Anspruch 5 kann die Funktion eines Schutzsensors durch einen anderen
Schutzsensor überprüft werden.
Wenn die Schutzsensoren die gleiche Referenz betrachten, werden
vergleichbare Referenzdaten erzeugt. Durch das Prüfgerät werden
die Daten der verschiedenen Schutzsensoren miteinander verglichen.
Bei ausreichender Übereinstimmung kann
das Fahrzeug dann wie gewohnt weiterfahren. Es ist auch hierbei
möglich,
Referenzdaten aus einer Bahnkarte mit diesen neuen Daten zu vergleichen. Das
Prüfgerät muss beachten,
dass die Schutzsensoren die Referenz aus unterschiedlichen Positionen betrachten.
Es ist also eine Umrechnung durchzuführen, damit die Referenzdaten überhaupt
vergleichbar sind.
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Nach
Anspruch 6 ist es vorteilhaft, dass zwei optische Sensoren, z. B.
Kameras, mit Abstand übereinander
eingesetzt werden. Abgesehen davon, dass hiermit quasi auch ein
Stereoeffekt genutzt werden kann, um z. B. die Lage von Objekten
im Raum besser zu erkennen, hat diese Maßnahme speziell bei fahrerlosen
Transportfahrzeugen oder im Einsatz als Assistenzsystem den Vorteil,
dass z. B. auf einer nassen Fahrbahn spiegelnde Sonnenstrahlen nicht
beide optischen Sensoren gleichzeitig stören. Zumindest für den Nahbereich
vor dem Fahrzeug kann dann einer der beiden optischen Sensoren noch
zuverlässig
arbeiten.
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Falls
Unterschiede in den Referenzdaten der Schutzsensoren bzw. in einem
Vergleich mit einer Bahnkarte etc. auftreten und die Unterschiede
außerhalb
einer zulässigen
Toleranz liegen, kann das Fahrzeug in einer weiteren Ausgestaltung
in der Geschwindigkeit reduziert werden oder sogar gestoppt werden.
Bei einer solchen Fehlerdetektion ist es evtl. sinnvoll oder sogar
notwendig, die Ursache des Fehlers bzw. der zu großen Abweichung
festzustellen. Möglicherweise
ist dann ein Schutzsensor defekt und muss ausgetauscht werden, bevor
das Fahrzeug wieder in Betrieb gesetzt werden kann. Bei geringen Abweichungen
kann es ausreichend sein, dass vorsichtshalber die Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechend reduziert wird. Bei schlechten Witterungsbedingungen,
z. B. Schneefall, treten bei optischen Schutzsensoren gelegentlich
Erkennungsfehler auf. In einem solchen Fall kann dann die Geschwindigkeit vorübergehend
reduziert werden. Das gleiche gilt bei Beeinträchtigung durch störendes Sonnenlicht
usw..
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Die
Verwendung mehrerer Schutzsensoren führt allgemein zu einer Verbesserung
der Qualität
in der Erkennung von Objekten in dem zu überwachenden Raum. Dies gilt
nach Anspruch 8 insbesondere in Verbindung mit der Erfindung, weil
auch die Referenz dann zuverlässiger
erkannt wird. Bei ungünstigen
Witterungsbedingungen, wie Schneefall, Regen usw. wird die Erkennung
von Referenzen unsicher. Objekte und Referenzen werden unter Umständen nur
noch erahnt. Wenn mehrere Sensoren zwar verrauschte Signale, aber
doch vergleichbare Mittelwerte liefern, steigt die Qualität in der
Aussage des Prüfgerätes. Bei
Verwendung mehrerer Schutzsensoren, die einen gewissen Abstand zueinander
haben, könnten
Objekte besser hinterleuchtet werden. Mit mehreren 2D-Kameras kann
man dann einen Stereoeffekt erzielen. Auch die Aussage von Radarsensoren
u. ä. wird
wesentlich verbessert, wenn eine Sensorfusion genutzt wird. Referenzen
bzw. Landmarken lassen sich dadurch zuverlässiger erkennen.
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Nach
Anspruch 9 wird zur Überprüfung der Schutzsensoren
die Referenz mit einem Testsignal bestrahlt. Bei einem optischen
Schutzsensor, z. B. einer Kamera, kann mit einem Laserstrahl oder
einem Lichtblitz ein bestimmter Bereich auf einer Referenzfläche bestrahlt
werden. Dieser Bereich muss dann zum Messzeitpunkt heller erscheinen.
Optische und Radarsysteme lassen sich in der Regel nicht so leicht bündeln, aber
auch hier wäre
es möglich,
durch eine Leistungsveränderung
eine Amplitudenänderung
im Empfang zu überprüfen. Bei
gepulsten Verfahren, z. B. Ultraschall, Laser, Radar, lässt sich
auch durch Veränderung
des Zeitpunkts der Abstrahlung oder durch Ausfall oder mehrfaches
Abstrahlen eine entsprechende Änderung
oder Irritation in der Auswertung erzwingen. Das Prüfgerät muss dann
feststellen, dass die gemessenen Daten nicht mit den üblichen
Daten übereinstimmen.
Bei Verwendung von mehreren Schutzsensoren kann u. U. auch die Signalabstrahlung
des ersten Schutzsensors zur Auswertung an einem weiteren Schutzsensor
genutzt werden bzw. umgekehrt. Auch dieses dient zur Überprüfung der
Funktion der Schutzsensoren.
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Leider
ist keine Schutzsensortechnologie für alle Anforderungen ideal.
Daher ist es nach Anspruch 10 sinnvoll, verschiedene Sensortechnologien
zu verwenden. Mit Stereokameras erreicht man mit Tageslicht ohne
künstliche
Beleuchtung große
Reichweiten. Allerdings ist der Rechenaufwand in der Bildauswertung
sehr umfangreich und die Ergebnisse sind nicht zuverlässig, wenn
eindeutige Kontraste fehlen. Bei der sogenannten PMD-Technik (Photonic Mixer
Device) wird, ähnlich
wie bei einem Laser, ein Lichtblitz oder moduliertes Licht ausgestrahlt.
Daher ist diese Technologie eigentlich nur für den Nahbereich geeignet.
Grundsätzlich
haben diese und andere optische Systeme bei ungünstigen Witterungsbedingungen
Probleme. Im Vergleich dazu sind Laser und Ultraschall relativ unanfällig bei
Regen, Schnee und Nebel. Sie haben aber eine schlechte Auflösung und
können
Objekte somit nicht genau erkennen. In der Kombination der Sensoren
können
diese Probleme zum großen
Teil behoben werden. Wenn z. B. mit optischen Systemen bei schlechter
Witterung nicht mehr schnell gefahren werden kann, bietet es sich auch
an, die Geschwindigkeit zu reduzieren und mit einer Radar- oder
Ultraschalltechnologie weiterzufahren. Des weiteren kann man aber
auch relativ verrauschte Signale der einen Technologie durch eine andere
Technologie unterstützen.
Durch Erfassung der gleichen Referenz lässt sich dann eine Aussage über die
Funktionsqualität
ermitteln. Wenn bspw. bei Schneefall optische Systeme die Referenz
nur verrauscht erkennen, aber ein Radarsensor die Referenz noch
erkennt, kann ggf. festgestellt werden, dass der optische Sensor
noch prinzipiell funktioniert, aber aufgrund der störenden Schneeflocken
vorübergehend
nicht die gewünschte
Signalqualität
hat. Man kann also erwarten, dass der Sensor nach dem Schneefall
wieder einwandfrei funktioniert. Der optische Schutzsensor muss
also nicht ausgetauscht werden.
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Auch
hier ist es von Bedeutung, dass sich die Position der Referenz verändern kann,
damit tatsächlich
auch überprüft wird,
dass die Positionsermittlung tatsächlich auch durchgeführt wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen
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1 eine
Anordnung mit Prüfgerät und Schutzsensor
für eine
Fahrzeuganwendung
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2 ein
Fahrzeug mit zwei Schutzsensoren und Prüfgerät
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Ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
der Überprüfung eines
Schutzsensors (1) zeigt 1. Dieser
Schutzsensor (1) arbeitet optisch. Er könnte im Prinzip ein Laserscanner,
eine Stereokamera oder auch eine sog. PMD-Kamera sein und besteht
u. a. aus: Einem Bildauswerterechner (2), dem optischen Empfänger (3),
z. B. einer Kamera und einer Beleuchtung (4). Das Prüfgerät (7)
zeigt hier den Prüfrechner
(8) mit einem Bahnkartenspeicher (9). Sowohl Prüfgerät (7)
als auch Schutzsensor (1) können den Antriebsstrang (5)
eines Fahrzeugs stoppen, sodass das Rad (6) zum Stehen
kommt. Zur Erfassung des zurückgelegten
Weges wird hier u. a. ein Inkrementalgeber (16) eingesetzt.
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Speziell
sog. Fahrerlose Transportfahrzeuge fahren in der Regel festgelegte
Wegstrecken. Bestimmte Merkmale, wie z. B. Veränderungen in der Steigung der
Fahrbahn, Gullydeckel, Bordsteine, Gebäude am Fahrbahnrand, Pfosten
usw. sind immer an der gleichen Stelle zu erwarten. Die Daten für diese
Merkmale sind im Bahnkartenspeicher (9) hinterlegt. Wenn
das Fahrzeug einen bestimmten Ort erreicht hat prüft das Prüfgerät (7),
ob dieses Merkmal, das als Referenz (11) benutzt wird,
auch an der richtigen Stelle erscheint. Damit ist dann die Funktion des
Schutzsensors (1) nachgewiesen und der Antriebsstrang (5)
darf weiter laufen. Während
der Bewegung des Fahrzeugs ändert
sich der Abstand (20) bzw. die Position zur Referenz (11).
Für eine
zusätzliche
Prüfung
kann das Prüfgerät (7) über den Prüfrechner
(8) in dem Schutzsensor (1) gezielt die Beleuchtung
(4) manipulieren. Ein entsprechender Lichtblitz muss dann über den
optischen Empfänger (3)
und den Bildauswerterechner (2) in dem betreffenden Bildbereich
festgestellt werden. Auch ein Unterdrücken eines vom Bildauswerterechner
(2) gesteuerten Blitzes kann ebenfalls festgestellt werden. Entsprechendes
gilt für
Radar- und Ultraschallgeräte. Auch
hier können
die Impulse manipuliert werden.
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2 zeigt
ein Fahrzeug (12) in der Seitenansicht. Hier wird verständlich,
dass bei einem gefederten Fahrzeug (12) bei gezieltem Abbremsen
die Schutzsensoren (1, 10) durch das Fahrzeugnicken (19)
näher an
den Fahrbahnabschnitt, der als Referenz (11) definiert
ist, herankommen. Das Prüfgerät (7)
hat durch Datenaustausch mit dem Fahrzeug (12) erfahren,
dass eine Bremsung vorliegt oder hat selber eine Bremsung ausgelöst. So erwartet
es dann eine entsprechende Abstandsverringerung zur Referenz (11).
Es wird aus der Seitenansicht auch deutlich, dass bei einer Veränderung
der Fahrbahnsteigung ebenfalls eine Veränderung des Abstandes zur Referenz
(11) eintreten muss.
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Am
Fahrbahnrand befindet sich eine sog. Landmarke (13), d.
h. ein bestimmtes Merkmal, das von den Schutzsensoren (1, 10)
erkannt wird. Auch diese Landmarke (13) wird von dem Prüfgerät (7)
an seinem bekannten Ort erwartet. Die Landmarke (13) dient
also ebenso wie bspw. ein bestimmter Abschnitt auf der Fahrbahn
als Referenz (11).
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Bei
Verwendung von mind. zwei Schutzsensoren (1, 10),
die sich in einem ausreichenden Abstand übereinander befinden, kann
man im Nahbereich, also einige Meter vor dem Fahrzeug (12),
Probleme mit dem Sonnenlicht (15) beheben. Die Sonne (14)
spiegelt sich auf der Referenzfläche
(11) derart, dass nur einer von den beiden Schutzsensoren
(1, 10) geblendet ist. Damit ist die Funktion
durch den anderen der beiden Schutzsensoren (1, 10)
weiterhin gegeben. Wenn es sich bei dem Fahrzeug (12) um
einen LKW handelt und der erste Schutzsensor (1) befindet
sich etwa in einer Höhe
von 1 m und der zweite Schutzsensor (10) in einer Höhe von 3
m, kann der zu schützende
Raum vor dem Fahrzeug (12) mehr als 4 m weit überwacht
werden. Damit kann das Fahrzeug (12) bei Auftreten eines
Hindernisses auch bei 15 km/h noch sicher abgebremst werden.
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Es
ist auch verständlich,
dass durch Nutzung von mehreren Schutzsensoren (1, 10)
die an beabstandeten Orten am Fahrzeug (12) befestigt sind,
der zu überwachende
Raum vor dem Fahrzeug (12) besser überprüft wird, als wenn nur ein Schutzsensor
(1, 10) verwendet wird. Nicht nur durch die höhere Anzahl,
sondern auch durch die unterschiedliche Position der Schutzsensoren
(1, 10), ist die Überprüfung der Referenz (11)
in besserer Qualität
gewährleistet. In
der Regel wird durch den Einsatz mehrerer Schutzsensoren auch eine
mehrkanalige Hinderniserkennung erreicht.
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In
der Praxis sind die Schutzsensoren (1, 10) auf
einen definierten Raum vor dem Fahrzeug (12) ausgerichtet.
Der Fahrbahnabschnitt, der als Referenz (11) dient, oder
eine Landmarke (13) sind in ihrer Ausdehnung durch Referenzpunkte
(17, 18) definiert. Sie werden von den Schutzsensoren
(1, 10) natürlich
mit unterschiedlichen Positionsdaten gemessen. Jeder Schutzsensor
(1, 10) ermittelt andere Daten. Das Prüfgerät (7)
muss die Daten transformieren, damit die Gleichheit der Referenzpunkte
(17, 18) festgestellt werden kann.