DE10313194B4

DE10313194B4 - Optoelektronische Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels eines optischen Sensors

Info

Publication number: DE10313194B4
Application number: DE10313194A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brunner
Original assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Lumiflex GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: DE10313194A1

Abstract

Optischer Sensor mit einem Distanzsensorelement bestehend aus einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, mit einer Ablenkeinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen periodisch innerhalb eines einen Überwachungsbereich definierenden Winkelbereichs geführt sind, und mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich in eine vorgegebene Anzahl von Winkelsegmenten unterteilt ist, wobei für jedes Winkelsegment in der Auswerteeinheit (8) aus den Empfangssignalen jeweils wenigstens ein Distanzwert abgeleitet wird, dass in der Auswerteeinheit (8) wenigstens ein Schutzfeld (16) und der Durchmesser eines Referenzobjekts abgespeichert sind, dass in der Auswerteeinheit (8) winkelabhängige Auflösungsbereiche vorgegeben sind, deren Größen jeweils dem Ausschnitt des Winkelbereichs entsprechen, über welchen sich das dort am Schutzfeldrand liegende Referenzobjekt erstrecken würde, und dass in der Auswerteeinheit (8) nur dann eine Objektmeldung generiert wird, wenn in sämtlichen Winkelsegmenten wenigstens eines Auflösungsbereiches innerhalb des Schutzfelds (16) liegende Distanzwerte registriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor sowie ein Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels eines optischen Sensors.

Ein derartiger optischer Sensor ist aus der DE 19 917 509 C1 bekannt. Dieser optische Sensor dient zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist einen Distanzsensor mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Eine Auswerteeinheit dient zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale. Weiterhin ist eine Ablenkeinheit vorgesehen, an welcher die Sendelichtstrahlen abgelenkt werden, sodass diese periodisch den Überwachungsbereich überstreichen. In der Auswerteeinheit sind die Abmessungen verschiedener Schutzfelder abgespeichert. Über eine Anordnung von Schaltern kann selektiv eines dieser Schutzfelder ausgewählt werden, sodass die Objekte innerhalb dieses Schutzfeldes erfasst werden.

Bei derartigen optischen Sensoren werden für die jeweils aktuellen Ablenkpositionen der Sendelichtstrahlen die Distanzen eines Objektes zu dem optischen Sensor bestimmt. Wird für eine Distanzmessung ein Distanzwert registriert, der innerhalb des Schutzfeldes liegt, so erfolgt unmittelbar die Generierung einer Objektmeldung. Damit können Objekte innerhalb des Schutzfeldes schnell, d.h. mit geringen Ansprechzeiten detektiert werden.

Derartige optische Sensoren werden insbesondere im Bereich des Personenschutzes eingesetzt. Beispielsweise wird mit dem optischen Sensor das Vorfeld eines Arbeitsgerätes wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine oder einer Presse überwacht. Um Gefährdungen von Personen auszuschließen wird das Arbeitsgerät durch die Generierung einer Objektmeldung deaktiviert, d.h. abgeschaltet. Dadurch wird gewährleistet, dass eine Person, die in das Vorfeld der Maschine eingreift, keinen Gefährdungen ausgesetzt ist.

Im Vorfeld derartiger Arbeitsgeräte können je nach den Bearbeitungsprozessen, die mit den Arbeitsgeräten durchgeführt werden, kleine Objekte wie zum Beispiel Späne oder Kleinteile in den vom optischen Sensor überwachten Bereich eindringen. Treffen die Sendelichtstrahlen auf derartige innerhalb des Schutzfeldes angeordnete kleine Objekte werden diese als innerhalb des Schutzfelds liegend erkannt, d.h. es wird eine Objektmeldung generiert, die zum Abschalten des Arbeitsgeräts führt, obwohl keine Person oder ein zu schützendes Objekt in das Schutzfeld eingedrungen ist.

Durch derartige Abschaltvorgänge wird die Verfügbarkeit des Arbeitsgerätes in unerwünschter Weise herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor bereitzustellen, mit welchem eine möglichst sichere und störungsunempfindliche Detektion von Objekten ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Ansprüche 1 und 8 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße optische Sensor weist ein Distanzsensorelement mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Weiterhin weist der optische Sensor eine Ablenkeinheit auf, mittels derer die Sendelichtstrahlen periodisch innerhalb eines einen Überwachungsbereich definierenden Winkelbereichs geführt sind. Zudem ist eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale vorgesehen. Der Winkelbereich ist in eine vorgegebene Anzahl von Winkelsegmenten unterteilt, wobei für jedes Winkelsegment in der Auswerteeinheit aus den Empfangssignalen jeweils wenigstens ein Distanzwert abgeleitet wird. In der Auswerteeinheit sind wenigstens ein Schutzfeld und der Durchmesser eines Referenzobjekts abgespeichert. Weiter sind in der Auswerteeinheit winkelabhängige Auflösungsbereiche vorgegeben deren Größen jeweils dem Ausschnitt des Winkelbereichs entsprechen, über welchen sich das dort am Schutzfeldrand liegende Referenzobjekt erstrecken würde. In der Auswerteeinheit wird nur dann eine Objektmeldung generiert wenn in sämtlichen Winkelsegmenten wenigstens eines Auflösungsbereiches innerhalb des Schutzfelds liegende Distanzwerte registriert werden.

Die DE 199 17 509 C1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Distanzsensor, welcher einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger aufweist, einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale und einer Ablenkeinheit, an welcher die Sendelichtstrahlen abgelenkt werden, so dass diese periodisch den Überwachungsbereich überstreichen. In der Auswerteeinheit sind die Abmessungen verschiedener Überwachungsbereiche abgespeichert. Mehrere Schalter sind über jeweils eine Zuleitung an einen Eingang der Auswerteeinheit angeschlossen, wobei jedem Eingang ein abgespeicherter Überwachungsbereich zugeordnet ist. Durch Betätigen eines Schalter steht am zugeordneten Eingang ein vorgegebener Signalwert an, welcher einer Aktivierung des Eingangs entspricht. Dadurch wird der zugeordnete abgespeicherte Überwachungsbereich aktiviert, wodurch die Objekte in diesem Überwachungsbereich erfasst werden. Zu Testzwecken ist über einen Ausgang der Auswerteeinheit auf die Zuleitungen jeweils ein vorgegebener Signalwert ausgebbar, welcher im fehlerfreien Fall an dem entsprechenden Eingang der Auswerteeinheit ansteht.

Die DE 44 05 376 C1 betrifft ein Verfahren zum Erfassen von in einem zu überwachenden Bereich befindlichen oder in diesen Bereich eindringenden Objekten mittels einer Vorrichtung mit wenigstens einem Sender, wenigstens einem Empfänger und einer Auswerteeinheit, wobei ein vom Sender emittierter Sendestrahl innerhalb des Bereichs zur Ermittlung der Positionen der Objekte geführt wird und diese Positionsmesswerte in der Auswerteeinheit abgespeichert sind. Zur Erfassung von eine bestimmte Kontur aufweisenden Objekten werden die Positionsmesswerte für das entsprechende Objekt mit Sollwerten verglichen, die in der Auswerteeinheit aus der Kontur des Objekts bei vorgegebener Position in dem zu überwachenden Bereich berechnet werden. Ein die bestimmte Kontur aufweisendes Objekt gilt als erkannt wenn eine Mindestanzahl N der Positionsmesswerte innerhalb wenigstens eines Toleranzbandes T um die Sollwerte fällt, wobei die Mindestanzahl N der Positionswerte und die Breite des Toleranzbandes T in der Auswerteeinheit in derselben Größenordnung wie die Streuung der Positionsmesswerte gewählt wird. Zur Erkennung eine Objektes, das im Strahlengang des Sendestrahls vor einem eine bestimmte Kontur aufweisenden Referenzobjekt angeordnet ist, wird ein statisches Auswerteverfahren angewendet. Hierzu werden Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ im zu überwachenden Bereich definiert werden, wobei die Formen der Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ an die Kontur des Referenzobjekts angepasst sind.

Die Anzahl der Positionsmesswerte, die in die einzelnen Toleranzbänder T₁, T₂, T₃ fallen, werden in der Auswerteeinheit gespeichert.

Das Objekt vor dem Referenzobjekt gilt als erkannt, wenn die Anzahl der Positionsmesswerte in einem Toleranzband T₁ kleiner ist als die Mindestanzahl N für die Erkennung des Referenzobjekts, jedoch größer als eine Mindestanzahl M ist, wobei M < N ist, und wenn die Summe der Positionsmesswerte in den anderen Toleranzbändern T₂ oder T₃ größer als die Mindestanzahl N für die Erkennung des Referenzobjekts ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Vorgabe der winkelabhängigen Auflösungsbereiche derart, dass deren Größe jeweils dem Ausschnitt des Winkelbereichs entspricht, über welchen sich ein dort am Rand des Schutzfeldes angeordnetes Referenzobjekt vorgegebener Breite erstreckt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, dass durch die Definition der auf ein vorgegebenes Referenzobjekt am Schutzfeldrand bezogenen Auflösungsbereiche nur Objekte mit einer vorgegebenen Mindestgröße erfasst werden.

Das Referenzobjekt besteht dabei vorzugsweise aus einem zylindrischen Körper, dessen Durchmesser in Relation zu den typischen Abmessungen eines menschlichen Beines steht.

Durch diese Definition des Referenzobjekts eignet sich der erfindungsgemäße optische Sensor besonders für Einsätze im Bereich des Personenschutzes. Insbesondere eignet sich dabei der erfindungsgemäße optische Sensor für Anwendungen der Bereichsüberwachung an gefahrbringenden Arbeitsgeräten wie zum Beispiel Werkzeugmaschinen und Pressen. Mit dem optischen Sensor wird dann das Eindringen von Personen und Objekten in ein Schutzfeld überwacht, dessen Abmessungen an den Gefahrenbereich vor dem Arbeitsgerät angepasst sind.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Objektmeldung durch den optischen Sensor, die zu einem Abschalten des Arbeitsgeräts führt, nur dann, wenn für sämtliche innerhalb eines Auflösungsbereichs liegende Winkelsegmente ein innerhalb des Schutzfelds liegender Distanzwert ermittelt wird.

Die Auflösungsbereiche sind dabei winkelabhängig definiert, d.h. die Größen der Auflösungsbereiche hängen von der Winkelposition, bei welcher das jeweilige Objekt erfasst wird, ab.

Dabei ist vorzugsweise für jedes Winkelsegment die Größe des Auflösungsbereichs individuell vorgegeben. Die Definition des Auflösungsbereichs für ein Winkelsegment erfolgt in Abhängigkeit der Lage des Randes des Schutzfelds in diesem Winkelbereich, der vorzugsweise als Distanz-Grenzwert in der Auswerteeinheit des optischen Sensors abgespeichert ist. Aus diesem Distanz-Grenzwert und der vorgegebenen Breite des Referenzobjektes wird dabei in der Auswerteeinheit errechnet, über wie viele Winkelsegmente sich ein dort am Schutzfeldrand angeordnetes Referenzobjekt erstreckt. Die so ermittelte Zahl der Winkelsegmente entspricht der Größe des Auflösungsbereichs. Auf diese Weise werden für die einzelnen Winkelsegmente die Größen der Auflösungsbereiche definiert.

Die so ermittelten Auflösungsbereiche sind umso kleiner, je größer der Distanz-Grenzwert für das jeweilige Winkelsegment ist. Die führt zu einer winkelabhängigen, von der jeweiligen Lage des Schutzfeldrandes abhängigen Definition der Auflösungsbereiche und damit der Mindestgrößen von Objekten, deren Erfassung zu einer Objektmeldung führt.

Wird ein Objekt in einem Ausschnitt des von den Sendlichtstahlen überstrichenen Winkelbereichs erfasst, in welchem ein großer den Schutzfeldrand reprä sentierender Distanz-Grenzwert vorliegt, so ist der Auflösungsbereich entsprechend klein. Dies bedeutet, dass die Zahl der in den Auflösungsbereich fallenden Winkelsegmente entsprechend klein ist. Dies wiederum bedeutet, dass in diesem eine geringe Anzahl von Objektdetektionen in diesen Winkelsegmenten ausreicht, um eine Objektmeldung zu generieren.

Dementsprechend ist in Winkelsegmenten des Überwachungsbereichs, in welchen kleine Werte für die Distanz-Grenzwerte vorliegen, der Auflösungsbereich entsprechend größer. Demzufolge müssen dort innerhalb einer großen Anzahl aufeinanderfolgender Winkelsegmente, die den jeweiligen Auflösungsbereich bilden, Objekteingriffe in das Schutzfeld registriert werden, um eine Objektmeldung auszulösen.

Durch diese winkelabhängige Vergabe der Auflösungsbereiche ist einerseits gewährleistet, dass überall im Schutzfeld Objekte deren Breiten größer oder gleich der Breite des Referenzobjektes sind, sicher erfasst werden.

Weiterhin ist durch die winkelabhängige Vorgabe der Auflösungsbereiche gewährleistet, dass diese Auflösungsbereiche abhängig von der Lage des Schutzfeldrandes die geringst mögliche Ausdehnung aufweisen um sicherheitskritische Objekte, dessen Breiten größer oder gleich dem Referenzobjekt sind, sicher zu erfassen.

Dadurch wird erreicht, dass im Schutzfeld angeordnete Kleinpartikel nicht zu einer unnötigen Generierung einer Objektmeldung und damit zu einem unnötigen Abschalten des Arbeitsgeräts führen.

Somit wird mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor eine gleichermaßen sichere und störungsunempfindliche Objektdetektion gewährleistet.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des optischen Sensors.
2: Schematische Darstellung eines mittels des optischen Sensors gemäß 1 überwachten Schutzfelds.
3: Detaillierte Darstellung des Schutzfelds gemäß 2 mit einem Auflösungsbereich.
4: Schematische Darstellung der Objektdetektion mittels des optischen Sensors in dem Schutzfeld gemäß 3.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 zum Erfassen von Objekten. Der optische Sensor 1 weist ein Distanzsensorelement mit einem Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf. Der Sender 3 besteht vorzugsweise aus einer Laserdiode, welcher zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 2 eine Sendeoptik 6 nachgeordnet ist. Der Empfänger 5 ist beispielsweise von einer Phototdiode gebildet, welcher eine Empfangsoptik 7 vorgeordnet ist.
Die Distanzmessung kann zum einen nach dem Prinzip der Phasenmessung erfolgen. In diesem Fall wird die Laserdiode im CW-Bereich betrieben, wobei den Sendelichtstrahlen 2 eine Amplitudenmodulation aufgeprägt ist. Empfangsseitig wird die Distanzinformation durch einen Vergleich der Phasenlagen der emittierten Sendelichtstrahlen 2 und der von einem Objekt zurückreflektierten und auf den Empfänger 5 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 4 ermittelt.
Diese Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit 8, an welche der Sender 3 und der Empfänger 5 über nicht dargestellte Zuleitungen angeschlossen sind. Die Auswerteeinheit 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Mikrocontroller gebildet.
Alternativ kann die Distanzmessung auch nach der Impulslaufzeitmethode erfolgen. In diesem Fall werden vom Sender 3 kurze Sendelichtimpulse emittiert. Die Distanzinformation wird in diesem Fall durch direkte Messung der Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Objekt und zurück zum Empfänger 5 gewonnen.
Die Sende- 2 und Empfangslichtstrahlen 4 sind über eine Ablenkeinheit 9 geführt. Die Ablenkeinheit 9 weist einen Ablenkspiegel 10 auf, welcher auf einem drehbaren, über einen Motor 11 angetriebenen Sockel 12 aufsitzt. Der Ablenkspiegel 10 rotiert dadurch mit einer vorgegebenen Drehzahl um eine vertikale Drehachse D. Im vorliegenden Fall rotiert der Ablenkspiegel 10 mit einer konstanten Drehzahl. Der Sender 3 und der Empfänger 5 sind in der Drehachse D oberhalb des Ablenkspiegels 10 angeordnet.
Der Ablenkspiegel 10 ist um 45° gegenüber der Drehachse D geneigt, sodass die am Ablenkspiegel 10 reflektierten Sendelichtstrahlen 2 in horizontaler Richtung verlaufend aus dem optischen Sensor 1 geführt sind. Dabei durchdringen die Sendelichtstahlen 2 ein Austrittsfenster 13, welches in der Frontwand des Gehäuses 14 des optischen Sensors 1 angeordnet ist. Das Gehäuse 14 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei sich das Austrittsfenster 13 über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. Dementsprechend wird, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, mit den Sendelichtstrahlen 2 eine halbkreisförmige ebene Fläche abgetastet, welche einen Überwachungsbereich 15 bildet, innerhalb dessen Objekte detektierbar sind. Der Überwachungsbereich 15 ist dabei durch die mittels des Distanzsensorelements erfassbare Maximaldistanz begrenzt. Die von den Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 durchsetzen in horizontaler Richtung verlaufend das Austrittsfenster 13 und werden über den Ablenkspiegel 10 zum Empfänger 5 geführt.
Zur Erfassung der Positionen der Objekte wird mittels eines nicht dargestellten, an die Auswerteeinheit 8 angeschlossenen Winkelgebers fortlaufend die aktuelle Winkelposition der Ablenkeinheit 9 erfasst. Aus der Winkelposition und dem in dieser Winkelposition registrierten Distanzwert wird in der Auswerteeinheit 8 die Position eines Objektes bestimmt.
Derartige optische Sensoren 1 werden insbesondere auch im Bereich des Personenschutzes eingesetzt, wobei zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Anforderungen die Auswerteeinheit 8 einen redundanten Aufbau aufweist.
Bei derartigen sicherheitstechnischen Anwendungen erfolgt typischerweise die Erfassung von Objekten und Personen nicht innerhalb der gesamten von den Sendelichtstrahlen 2 überstrichenen Fläche, sondern innerhalb eines begrenzten Schutzfelds 16. Ein Beispiel für einen derartigen Überwachungsbereich 15 ist in 2 dargestellt. In diese Fall ist das Schutzfeld 16 von einer rechteckigen ebenen Fläche gebildet. Sobald ein Objekt oder eine Person in dieses Schutzfeld 16 eindringt, erfolgt eine Objektmeldung. Diese Objektmeldung kann beispielsweise zum Abschalten einer Maschine, deren Vorfeld mittels des optischen Sensors 1 überwacht wird, verwendet werden.
Die Abmessungen des Schutzfeldes 16 sind in der Auswerteeinheit 8 als Parameterwerte abgespeichert. Dabei ist das Schutzfeld 16 durch seine Randkontur eindeutig definiert, welche in einem Einlernvorgang vorgebbar ist oder als fest vorgegebener Parametersatz in die Auswerteeinheit 8 einlesbar ist.
Wie aus 2 ersichtlich erstreckt sich der Überwachungsbereich 15 über einen Winkelbereich von 180°. Die Positionsbestimmung von Objekten im Überwachungsbereich 15 erfolgt dadurch, dass für vorgegebene Winkelpositionen der Ablenkeinheit 9 und damit der Sendelichtstrahlen 2 jeweils die Distanz eine Objektes zum optischen Sensor 1 ermittelt wird. Dabei erfolgt die Distanzbestimmung in Abhängigkeit der Winkelpositionen nicht kontinuierlich sonder mit einer im Wesentlichen durch die jeweiligen Messzeiten vorgegebenen, begrenzten Winkelauflösung. Dementsprechend ist der Überwachungsbereich 15 bildende Winkelbereich wie in 3 dargestellt in diskrete Winkelsegmente w_i gleicher Größe untereilt. Entsprechend dieser Einteilung ist auch die Randkontur des Schutzfelds 16 als diskreter Polygonzug über die Winkelsegmente w_i definiert. Dabei wird jedem Winkelsegment w_i ein Distanz-Grenzwert D_i zugeordnet. Wie aus 3 ersichtlich, wird im vorliegenden Fall jeweils dem Anfang eines Winkelsegments w_i ein Distanz-Grenzwert D_i zugeordnet. In Form dieses Kennfelds ist die Randkontur des Schutzfelds 16 in der Auswerteeinheit 8 abgespeichert.
Zur Erfassung von in das Schutzfeld 16 eindringenden Personen oder Objekten werden während des Betriebs des optischen Sensors 1 die in den aktuellen Winkelsegmenten w_i aktuell ermittelten Distanzwerte d_i mit den jeweiligen den Schutzfeldrand definierenden Distanz-Grenzwerten D_i verglichen. Im vorliegenden Fall wird jeweils nur am Anfang eines Winkelsegments w_i ein Distanzwert d_i ermittelt. Bei einem Eingriff in das Schutzfeld 16 wird in dem entsprechenden Winkelsegment w_i ein unterhalb des Distanz-Grenzwerts D_i liegender aktueller Distanzwert d_i registriert.
Prinzipiell könnte in der Auswerteeinheit 8 bereits dann eine Objektmeldung generiert werden, wenn während einer Abtastperiode der Sendelichtstrahlen 2 in einem Winkelsegment w_i ein Objekteinriff registriert wird.
Zur Vermeidung unnötiger Objektmeldungen und damit verbundener Abschaltungen der Maschine, deren Vorfeld mit dem optischen Sensor 1 überwacht wird, wird in der Auswerteeinheit 8 nur bei der Detektion von Objekten oder Personen mit einer vorgegebenen Mindestgröße eine Objektmeldung generiert.
Für den Einsatz im Bereich des Personenschutzes ist es zur Einhaltung des erforderlichen Sicherheitsniveaus erforderlich, dass mit dem optischen Sensor 1 ein zylindrischer Körper mit vorgegebenem Durchmesser und definierter Oberflächenbeschaffenheit innerhalb des gesamten Schutzfeldes 16 sicher erfasst wird.
Zur Erfüllung dieser Anforderung sind die Daten des Körpers, insbesondere dessen Durchmesser als Referenzobjekt in der Auswerteeinheit 8 des optischen Sensors 1 abgespeichert. Das so definierte Referenzobjekt wird in der Auswerteeinheit 8 zur Definition von Auflösungsbereichen A_i in Abhängigkeit der Randkontur des Schutzfeldes 16 verwendet.
Die Vorgabe der Auflösungsbereiche A_i ist in 4 veranschaulicht. Vorteilhafterweise wird für jedes Winkelsegment w_i ein Auflösungsbereich A_i in Abhängigkeit des zugeordneten Distanz-Grenzwerts D_i, welcher der Lage des Schutzfeldrandes in diesem Winkelsegment w_i entspricht, definiert.
Aus dem Distanz-Grenzwert D_i eines Winkelsegments w_i und dem bekannten Durchmesser des Referenzobjekts wird in der Auswerteeinheit 8 berechnet, über wie viele Winkelsegmente sich ein in diesem Winkelsegment w_i am Schutzfeldrand liegendes Referenzobjekt erstrecken würde. Die Anzahl der so von dem Referenzobjekt abgedeckten Winkelsegmente definiert die Größe des Auflösungsbereichs A_i. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der dem Winkelsegment w_i zugeordnete Auflösungsbereich A_i drei Winkelsegmente w_i. Dabei ist im vorliegenden Fall der dem Winkelsegment w_i zugeordnete Auflösungsbereich A_i so definiert, dass dieser in Abtastrichtung S der Sendelichtstrahlen 2 die Winkelsegmente w_i, w_i+1, w_i+2 und damit die in diese Winkelsegmente fallenden Distanzwerte d_i, d_i+1, d_i+2 bzw. die diesen zugeordneten Distanz-Grenzwerte D_i, D_i+1, D_i+2 umfasst. Jedoch sind auch andere Relativlagen des Auflösungsbereichs A_i zum Winkelsegment w_i möglich. Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist nicht maßstabsgetreu und dient lediglich zur Veranschaulichung der Definition der Auflösungsbereiche A_i. Die Winkelsegmente w_i sind typischerweise an die Auflösung der Distanzmessung angepasst. Bei einem Durchmesser des Referenzobjekts von typischerweise 70 mm, umfasst ein Auflösungsbereich A_i daher bei Schutzfeldgrenzwerten im Bereich einiger Meter eine entsprechende Anzahl von Winkelsegmenten w_i.
Vorteilhaft besteht jeder Auflösungsbereich A_i aus einer ganzen Zahl von Winkelsegmenten w_i, w_i+1, ....
Wie in 4 veranschaulicht werden zur Objektdetektion jeweils die in den einzelnen Winkelsegmenten w_i, w_i+1, ... eines Auflösungsbereichs A_i registrierten Distanzwerte d_i ausgewertet. Dabei wird in der Auswerteeinheit 8 dann eine Objektmeldung, die zum Abschalten der Maschine führt, generiert, wenn in sämtlichen Winkelsegmenten w_i eines Auflösungsbereichs A_i der jeweils registrierte aktuelle Distanzwert d_i unterhalb des Distanz-Grenzwerts D_i liegt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass Objekte, deren Größen größer oder gleich der Größe des Referenzobjekts sind an beliebigen Orten des Schutzfelds 16 sicher definiert wird. Gleichzeitig werden Objektmeldungen bei der Detektion von Objekten, die kleiner sind als das Referenzobjekt, unterdrückt, sodass durch Störeinflüsse bedingte Schutzfeldverletzungen nicht zu einem Abschalten der Maschine führen, wodurch deren Verfügbarkeit erhöht wird.
Dabei sind die maximalen Größen der Objekte, für welche eine Objektmeldung unterdrückt wird, abhängig von deren Positionen im Schutzfeld 16 und insbesondere abhängig von der Lage des Schutzfeldrandes.
Dies ist anhand der in 4 schematisch dargestellten Detektion eines Gegenstandes G und eines zweiten Gegenstandes G' veranschaulicht. Die Gegenstände G, G' weisen dieselbe Breite auf, welche zudem kleiner als die Breite des Referenzobjekts ist. Damit handelt es sich bei den Gegenständen G, G' um nicht sicherheitskritische Objekte, deren Detektion nicht zur Generierung einer Objektmeldung führen soll.
Wie aus 4 ersichtlich, wird in Abtastrichtung S der Sendelichtstrahlen 2 während einer Abtastperiode der Gegenstand G erstmals im Winkelsegment w_i detektiert. Entsprechend dem Distanz-Grenzwert D_i ist diesem Winkelsegment w_i ein Auflösungsbereich A_i zugeordnet. Zwar ist der Gegenstand G kleiner als das Referenzobjekt. Da dieser Gegenstand G jedoch weit vor der Schutzfeldgrenze liegt, wird allen drei Winkelsegmenten w_i, w_i+1, w_i+2, die zum Auflösungsbereich A_i gehören, der Gegenstand G detektiert, d.h. in allen drei Winkelsegmenten w_i, w_i+1, w_i+2 liegen die dort registrierten aktuellen Distanzwerte d_i, d_i+1, d_i+2 unterhalb der Distanz-Grenzwerte D_i, D_i+1, D_i+2. Daher wird bei der Detektion des Gegenstandes G in der Auswerteeinheit 8 eine Objektmeldung generiert.
Demgegenüber führt die Detektion des Gegenstandes G' nicht zu einer Objektmeldung, obwohl dieser dieselbe Breite wie der Gegenstand G aufweist.
Wie aus 4 ersichtlich liegt der Gegenstand G' vor dem seitlichen Bereich des Schutzfeldrands, der wesentlich dichter an dem optischen Sensor 1 liegt wie der frontseitige Rand des Schutzfeldrands.
Daher umfasst der Auflösungsbereich A_j, der ausgehend von dem Winkelsegment w_j definiert ist, in welchem der Gegenstand G' zum ersten Mal detektiert wird, eine größere Anzahl von Winkelsegmenten w_j, w_j+1, ... als der Auflösungsbereich A_i.
Dies beruht darauf, dass dem Winkelsegment w_j ein Distanz-Grenzwert D_j zugeordnet ist, der erheblich kleiner ist als der dem Winkelsegment w_i zugeordnete Distanz-Grenzwert D_i. Demzufolge umfasst der Auflösungsbereich A_j größere Anzahl von Winkelsegmenten w_i, w_i+1, ... als der Auflösungsbereich A_i. Im vorliegenden, wiederum nicht maßstäblichen Beispiel umfasst der Auflösungsbereich A_i fünf Winkelsegmente w_j, w_j+1, ..., w_j+4 während der Auflösungsbereich A_i nur drei Winkelsegmente w_i, w_i+1, w_i+2 umfasst.
Wie aus 4 ersichtlich liegt der Gegenstand G' relativ dicht vor der Schutzfeldgrenze. Dementsprechend wird der Gegenstand G' nicht in sämtlichen Winkelsegmenten des Auflösungsbereichs A_j erfasst. Die Detektion des Gegenstandes G' führt daher nicht zu einer Objektmeldung.

1: Optischer Sensor
2: Sendelichtstrahlen
3: Sender
4: Empfangslichtstrahlen
5: Empfänger
6: Sendeoptik
7: Empfangsoptik
8: Auswerteeinheit
9: Ablenkeinheit
10: Ablenkspiegel
11: Motor
12: Sockel
13: Austrittsfenster
14: Gehäuse
15: Überwachungsbereich
16: Schutzfeld

Claims

Optischer Sensor mit einem Distanzsensorelement bestehend aus einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, mit einer Ablenkeinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen periodisch innerhalb eines einen Überwachungsbereich definierenden Winkelbereichs geführt sind, und mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich in eine vorgegebene Anzahl von Winkelsegmenten unterteilt ist, wobei für jedes Winkelsegment in der Auswerteeinheit (8) aus den Empfangssignalen jeweils wenigstens ein Distanzwert abgeleitet wird, dass in der Auswerteeinheit (8) wenigstens ein Schutzfeld (16) und der Durchmesser eines Referenzobjekts abgespeichert sind, dass in der Auswerteeinheit (8) winkelabhängige Auflösungsbereiche vorgegeben sind, deren Größen jeweils dem Ausschnitt des Winkelbereichs entsprechen, über welchen sich das dort am Schutzfeldrand liegende Referenzobjekt erstrecken würde, und dass in der Auswerteeinheit (8) nur dann eine Objektmeldung generiert wird, wenn in sämtlichen Winkelsegmenten wenigstens eines Auflösungsbereiches innerhalb des Schutzfelds (16) liegende Distanzwerte registriert werden.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinheit (9) einen um eine Drehachse rotierenden Ablenkspiegel (10) aufweist.
Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Winkelgeber zur Erfassung der aktuellen Winkelpositionen des Ablenkspiegels (10) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkspiegel (10) mit einer konstanten Drehzahl rotiert.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich in Winkelsegmente gleicher Größe unterteilt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Winkelsegment ein dem Rand des Schutzfelds (16) entsprechender Distanz-Grenzwert zugeordnet ist, mit welchem der in dem Winkelsegment ermittelte aktuelle Distanzwert verglichen wird.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Auflösungsbereich eine ganze Zahl von Winkelsegmenten umfasst.
Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels eines optischen Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend folgende Verfahrensschritte: Bestimmung von Distanzen von Objekten mittels eines Distanzsensorelements, bestehend aus einem Sendelichtstrahlen (2) emittierenden Sender (3) und einem Empfangslichtstrahlen (4) empfangenden Empfänger (5), in Abhängigkeit der Winkelpositionen einer Ablenkeinheit (9), mittels derer die Sendelichtstrahlen (2) periodisch innerhalb eines einen Überwachungsbereich (15) definierenden Winkelbereichs geführt sind, Unterteilen des Winkelbereichs in eine vorgegebene Anzahl von Winkelsegmenten, wobei in einer Auswerteeinheit (8) für jedes Winkelsegment aus den Empfangssignalen am Ausgang des Empfängers (5) jeweils wenigstens ein Distanzwert abgeleitet wird, Vorgabe eines innerhalb des Überwachungsbereichs (15) liegenden Schutzfeldes (16), Vorgabe des Durchmessers eines Referenzobjektes, Vorgabe von winkelabhängigen Auflösungsbereichen, welche jeweils dem Ausschnitt des Winkelbereichs entsprechen, über welchen sich das dort am Rand des Schutzfelds (16) angeordnete Referenzobjekt erstrecken würde, Generierung einer Objektmeldung, falls in sämtlichen Winkelsegmenten wenigstens eines Auflösungsbereiches innerhalb des Schutzfelds (16) liegende Distanzwerte registriert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Schutzfeldes (16) in Form eines Kennfelds in der Auswerteeinheit (8) abgespeichert wird, bei welchem jedem Winkelsegment des Winkelbereichs ein dem Rand des Schutzfeldes (16) entsprechender Distanz-Grenzwert zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Winkelsegmenten in Abhängigkeit der Distanz-Grenzwerte Auflösungsbereiche zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (8) für ein Winkelsegment die Größe eines Auflösungsbereiches daraus berechnet wird, dass aus dem diesem Winkelelement zugeordneten Distanz-Grenzwert und der Breite des Referenzobjekts die Anzahl der Winkelsegmente berechnet wird, über welche sich das in der dem Distanz-Grenzwert entsprechenden Distanz zum optischen Sensor (1) angeordnete Referenzobjekt erstreckt.