DE19933685A1

DE19933685A1 - Drahtlose Fernablesung von Sensordaten

Info

Publication number: DE19933685A1
Application number: DE1999133685
Authority: DE
Inventors: Dacfey Dzung
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-07-17
Filing date: 1999-07-17
Publication date: 2001-01-18

Abstract

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur drahtlosen Fernablesung eines Zustands von mindestens einem Sensor (1) weist mindestens einen Sensor (1) mit einer optischen Anzeige (2) zur Anzeige des in Form eines Musters codierten Zustands auf. Die Einrichtung weist weiter ein Bilderfassungsgerät (5) zum Erfassen eines Bildes dieser Anzeige (2) sowie ein Auswertegerät (6) zur Auswertung dieses Bildes und Rekonstruktion des Zustands auf. DOLLAR A Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Fernablesung von Schalterzuständen keine Verkabelung benötigt. Dadurch, dass die Anzeige (2) einen geringen Energieverbrauch aufweist, sind erfindungsgemäße Sensoren (1) auch nicht auf eine drahtgebundene Energieversorgung angewiesen und können gänzlich ohne Verkabelung eingesetzt und betrieben werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensortechnik. Sie bezieht sich auf eine Einrichtung zur drahtlosen Fernablesung von Sensordaten gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Sensoren zur Bestimmung von Betriebszuständen eines Prozesses werden in grosser Zahl in automatisierten Anlagen eingesetzt, beispielsweise in Robo terzellen, Fertigungsstrassen, Bestückungsautomaten oder Werkzeugma schinen. Oft werden dabei Näherungsschalter verwendet, welche die Anwe senheit eines Bauteils oder das Erreichen einer bestimmten Position durch ein Maschinenteil wie ein Roboterarm oder ein Lineartisch signalisieren. Zur Messung und Übermittlung der Betriebszustände wird Energie benötigt, die meist über Kabel übertragen wird. Die Übermittlung von Betriebszuständen oder Sensordaten an ein Steuergerät der Anlage kann zur Verminderung von Verkabelungen drahtlos erfolgen. Ein Sensor mit einer solchen drahtlosen Fernabfrage ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift EP 0 841 579 A1 bekannt. Um die Verkabelungen vollständig zu eliminieren, was grosse Vor teile bringt, wenn eine Anlage hunderte von Sensoren oder Schaltern auf weist, muss sichergestellt sein, dass ein Sensor äussert energiesparsam be trieben wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur drahtlosen Fern ablesung von Sensordaten der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine möglichst energiesparende Übermittlung von Sensordaten erlaubt.

Diese Aufgabe löst eine Einrichtung zur drahtlosen Fernablesung von Sen sordaten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur drahtlosen Fernablesung eines Zu stands weist mindestens einen Sensor mit einer optischen Anzeige zur An zeige des in Form eines Musters codierten Zustands auf. Die Einrichtung weist weiter ein Bilderfassungsgerät zum Erfassen eines Bildes dieser Anzei ge sowie ein Auswertegerät zur Auswertung dieses Bildes und Rekonstrukti on des Zustands auf.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Fernablesung von Schalterzuständen keine Verkabelung benötigt. Dadurch dass die optische Anzeige, beispiels weise eine Flüssigkristallanzeige, einen geringen Energieverbrauch aufweist, sind erfindungsgemässe Sensoren auch nicht auf eine drahtgebundene Energieversorgung angewiesen und können gänzlich ohne Verkabelung ein gesetzt und betrieben werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht einem binä ren Einzelzustand oder Schaltzustand eines schaltenden Sensors, das heisst eines Sensors, welcher nur zwei Zustände unterscheidet, eine vorgegebene Fläche auf der Anzeige, wobei die Fläche nach Massgabe des binären Einzel zustandes dunkel oder hell ist.

Vorteilhafterweise weist ein Sensor ein Identifikationsmittel zur visuellen Un terscheidung von anderen Sensoren auf. Dieses Identifikationsmittel ist bei spielsweise ein Strichcode.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist ein Sensor eine visu elle Abgrenzung zur Vereinfachung der Lokalisierung der Anzeige auf.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Aus führungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Einrichtung;

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Anzeigeeinheit gemäss der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivisch verzerrte Ansicht der Anzeigeein heit aus Fig. 2;

Fig. 4 Charakteristiken einer Kontur einer Ansicht gemäss Fig. 3; und

Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen einer Anzeige.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung oder ein System gemäss der Erfindung. Min destens ein Sensor 1, beispielsweise ein auf einem Roboterarm oder in einer Fertigungsanlage montierter Näherungsschalter oder Distanzmesser, weist eine optische Anzeige 2, ein Identifikationsmittel 3 und eine visuelle Abgren zung 4 auf, welche zusammen eine Anzeigeeinheit bilden. Der mindestens eine Sensor 1 befindet sich in einem Sichtbereich eines Bilderfassungsgerä tes 5, beispielsweise einer Videokamera. Das Bilderfassungsgerät 5 steht in Wirkverbindung mit einem Auswertegerät 6 zur Analyse von Bilddaten.

Im Betriebszustand der erfindungsgemässen Einrichtung weist ein Sensor 1 Sensordaten auf. Diese umfassen Messdaten, beispielsweise analoge oder digitale respektive binäre Daten, sowie Statusinformationen des Sensors 1. Messdaten repräsentieren beispielsweise eine Distanz zu einem Objekt oder das Vorhandensein eines Objektes. Statusinformationen repräsentieren bei spielsweise Funktionstüchtigkeit, Batteriezustand oder Kalibrierung. Diejeni gen Informationen, die übertragen werden sollen, werden im Folgenden kurz Zustand genannt. Falls nur wenige binäre Daten übertragen werden, werden diese auch binäre Einzelzustände genannt.

Zur Fernablesung respektive Übertragung eines Zustands wird ein dem Zu stand entsprechendes Muster auf der Anzeige 2 angezeigt, wobei die Anzei ge 2 vorteilhafterweise eine Flüssigkristallanzeige oder ein Satz von Leucht dioden mit geringem Energiebedarf ist. Diese Codierung eines Zustands als Muster kann in verschiedener Weise geschehen: Falls der Zustand nur wenig Information beinhaltet, beispielsweise den binären Zustand eines Nähe rungsschalters sowie ein Statussignal, welches die Funktionstüchtigkeit des Sensors 1 anzeigt, so werden zwei Flächen oder Segmente der Anzeige 2 in Abhängigkeit dieser binären Einzelzustände dunkel oder hell gesetzt. Mit ei ner Anzahl n von einzeln angesteuerten Flächen der Anzeige 2 können ma ximal 2ⁿ Zustände codiert werden. Falls der Zustand mehr Information bein haltet, beispielsweise Analogwerte des Sensors 1, so zeigt die Anzeige 2 beispielsweise ein Muster, welches den Zustand in Form eines Strichcodes codiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform zeigt die Anzeige 2 auch Sensordaten in einer durch Menschen lesbaren Form an, beispielsweise durch alphanumerische Zeichen.

Das Bilderfassungsgerät 5 erfasst ein Bild von einem oder mehreren Senso ren 1. Dabei ist es möglich, dass ein oder mehrere Sensoren 1 durch Spiegel gesehen werden, so dass sich nicht alle Sensoren 1 in einem direkten Sicht bereich des Bilderfassungsgerätes 5 befinden müssen. In Abhängigkeit von einer Sichtdistanz zu den Sensoren weist das Bilderfassungsgerät 5 ein Ob jektiv mit entsprechender Brennweite auf. Das Bilderfassungsgerät 5 über mittelt Bilddaten an das Auswertegerät 6.

Das Auswertegerät 6 wertet die Bilddaten aus und rekonstruiert daraus die Zustände der erfassten Sensoren 1. Dazu weist das Auswertegerät bekannte Mittel zur computergestützten Bildverarbeitung und -analyse auf. Die erfin dungsgemässe Einrichtung ist typischerweise Teil einer übergeordneten An lage. Deshalb weist das Auswertegerät vorteilhafterweise auch Mittel zur Übermittlung von rekonstruierten Zuständen an ein Steuergerät dieser Anla ge auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein Sensor 1 ein Identifikationsmittel 3 zur visuellen Unterscheidung von anderen Sensoren 1 auf. Dieses Identifikationsmittel 3 ist beispielsweise ein Strichcode. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Identität eines Sensors als Teil der Anzeige dargestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein Sensor 1 eine visuelle Abgrenzung 4 zur Vereinfachung der Lokalisierung der Anzeige 2 auf. Diese Abgrenzung 4 ist beispielsweise ein Rahmen oder eine Hintergrundfläche für die Anzeige 2 und eine eventuelles Identifikationsmit tel 3. Dabei ist eine Farbe der Abgrenzung 4 derart gewählt, dass sie für das Bilderfassungsgerät 5 einen hohen Helligkeits- und/oder Farbkontrast zur Umgebung der Abgrenzung 4 aufweist. Alternativ dazu weist die Abgren zung 4 selber ein Muster auf, beispielsweise in Form eines Rahmens, wel ches hohe Helligkeits- und/oder Farbkontraste aufweist. Dadurch vereinfacht sich die Auswertung der Bilddaten im Auswertegerät 6, indem zuerst nach den kontrastreichen Rahmen mit bekannten Eigenschaften wie Proportionen, Muster oder Farbe gesucht wird. Anschliessend ist eine erwartete Lage der Anzeige 2 und ihrer Elemente innerhalb dieser Rahmen bekannt, wodurch die weitere Bildanalyse sehr vereinfacht und beschleunigt wird. Bei fest in stallierten Sensoren, oder bei Sensoren an Robotern, die in zyklisch wieder kehrenden Positionen abgefragt werden, wird die Bildanalyse weiter be schleunigt, indem die Abgrenzung 4 respektive Anzeige 2 eines bestimmten Sensors 1 nur in einem kleinen Teil des Bildes gesucht wird, das heisst bei der erwarteten Position des Sensors 1 im Bild.

Vorteilhafterweise ist die Form der Abgrenzung derart, dass ein Bestim mungsverfahren für die erwartete Lage der Anzeige 2 und ihrer Elemente in nerhalb der Abgrenzung 4 invariant ist gegenüber perspektivischen Verzer rungen, die sich aus unterschiedlichen Positionen, das heisst Translationen und Rotationen des Sensors 1 gegenüber dem Bilderfassungsgerät 5 erge ben.

Beispielsweise ist die Abgrenzung 4 einer Anzeigeeinheit, wie in Fig. 2 un verzerrt und in Fig. 3 perspektivisch verzerrt gezeigt, rechteckig, wobei sich eine beispielsweise binäre Anzeige 2 des Sensorzustands in der Mitte einer ersten Hälfte des senkrecht zu seinen längeren Seiten geteilten Recht ecks befindet, und das Identifikationsmittel 3 in der Mitte einer zweiten Hälfte des Rechtecks. Fig. 4 zeigt eine Kontur 40 der verzerrten Abgren zung 4 aus Fig. 3, sowie aus dieser Kontur im Auswertegerät 6 berechnete Punkte. Elementare Operationen eines Bildverarbeitungssystems sind die Be stimmung eines Schwerpunkts S mit Koordinaten (Sx, Sy) und eines Hauptachsenwinkel α einer Kontur 40 in einem Koordinatensystem des Bild verarbeitungssystems, sowie der Längen der Hauptachsen (a1, a2), die in der Kontur 40 liegen. Unabhängig von der Position und Verzerrung des Recht ecks ergeben sich daraus angenäherte erwartete Positionen P1 und P2 mit Koordinaten (P1x, P1y) respektive (P2x, P2y) der Anzeige 2 und des Identifi kationsmittels 3 sofort als
P1 × = Sx - a2/2 sin(α)
Ply = Sy + a2/2 cos(α)
P2x = Sx + a1 /2 sin(α)
P2y = Sx - a1 /2 cos(α).

Die Zuordnung von Anzeige 2 und Identifikationsmittel 3 zu P1 resp. P2 ge schieht durch die weitere, von P1 und P2 ausgehende Bildanalyse.

In einer weiteren Variante der Form der Abgrenzung 4 ist diese derart ge formt, dass sie von einem Bildverarbeitungssystem auch in perspektivischer Verzerrung einfach identifizierbar ist. Beispielsweise befindet sich eine binä re Anzeige 2 im optischen Schwerpunkt der Kontur der Abgrenzung 4, und Markierungselemente 41 und ein Orientierungselement 42 sind um diesen Schwerpunkt herum angeordnet. Beispiele dafür sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt, wobei in Fig. 5 die Anzeige 2 dunkel und in Fig. 6 die Anzeige 2 hell ist. Das Orientierungselement 42 unterscheidet sich von den Markie rungselementen in einer visuell leicht bestimmbaren Art, beispielsweise durch seine Fläche. Bei der Bildanalyse durch das Auswertegerät 6 ist die er wartete Position der Anzeige 2 unabhängig von einer perspektivischen Ver zerrung des Bildes mindestens annähernd durch den Schwerpunkt der Kon tur der Abgrenzung 4 gegeben. Der Zustand des Sensors ist durch den hel len oder dunklen Zustand der Anzeige in einer näheren Umgebung dieses Schwerpunkts auf einfachste Weise bestimmbar. Das Identifikationsmittel 3 des Sensors 1 ist durch die Markierungselemente codiert, das heisst durch eine Kombination von vorhandenen und nicht vorhandenen Markierungsele menten. Dabei ist die Rotation des Sensors 1 durch die Lage des Orientie rungselements 42 bestimmbar, so dass die Codierung auch bei einer Ver drehung des Sensors eindeutig decodierbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung weist diese eine zusätzliche Beleuchtung zur Verbesserung der Sichtbarkeit von Anzeigen 2 und Identifikationsmitteln 3 auf.

Der Sensor ist vorzugsweise auf einen geringen Energieverbrauch ausgelegt und weist vorzugsweise eine autonome Energieversorgung, beispielsweise mittels Batterien, oder eine andere kabellose Energieversorgung auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist sie Teil einer übergeordneten Anlage, beispielsweise einer Automatisierungsanlage. Vorzugsweise weisen das Bilderfassungsgerät 5 und das Auswertegerät 6 Mittel zur Auswertung weiterer Bildinformationen auf, die für den Betrieb der übergeordneten Anlage verwendbar sind. Bei spielsweise dienen diese Mittel zur Messung von Werkstückpositionen und -dimensionen oder zur Identifikation von Werkstücken anhand von opti schen Markierungen.

Die einzelnen Merkmale der angegebenen Beispiele lassen sich im Sinne der Erfindung zu weiteren Ausführungsformen kombinieren.

Die erfindungsgemässe Einrichtung ersetzt eine drahtlose Datenübertragung über Funk, welche im allgemeinen einen relativ hohen Energiebedarf auf weist und die Batterielebensdauer eines autonomen Sensors signifikant ein schränkt. Die erfindungsgemässe Einrichtung führt dagegen zu einem we sentlich geringeren Energieverbrauch im Sensor.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Fernablesung von Schalterzuständen keine Verkabelung benötigt. Dadurch dass die Fernablesung einen geringen Energieverbrauch aufweist, sind erfindungsgemässe Sensoren 1 auch nicht auf eine drahtgebundene Energieversorgung angewiesen und können gänz lich ohne Verkabelung eingesetzt und betrieben werden.

Bezugszeichenliste

1

Sensor

2

3

Identifikationsmittel

4

(visuelle) Abgrenzung

5

Bilderfassungsgerät

6

Auswertegerät

40

Kontur

41

Markierungselement

42

Orientierungselement

Claims

1. Einrichtung zur drahtlosen Fernablesung eines Zustands, wobei die Ein richtung mindestens einen Sensor (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (1) eine optische Anzeige (2) zur Anzei ge des in Form eines Musters codierten Zustands aufweist, und dass die Einrichtung weiter ein Bilderfassungsgerät (5) zum Erfassen ei nes Bildes dieser Anzeige (2) sowie ein Auswertegerät (6) zur Auswertung dieses Bildes und Rekonstruktion des Zustands aufweist.

2. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sen sor (1) weiter ein Identifikationsmittel (3) zur visuellen Unterscheidung von anderen Sensoren aufweist.

3. Einrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Iden tifikationsmittel (3) aus einem Strichcode besteht.

4. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Anzeige (2) dargestellte Muster nach Massgabe von einem oder meh reren binären Einzelzuständen des Sensors (1) dunkle respektive helle Flächen aufweist.

5. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die An zeige (2) eine Flüssigkristallanzeige ist.

6. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sen sor (1) eine visuelle Abgrenzung (4) zur Vereinfachung der Lokalisierung der Anzeige (2) aufweist.

7. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bil derfassungsgerät (5) und/oder das Auswertegerät (6) Mittel zur Auswer tung weiterer Bildinformationen aufweisen, die für den Betrieb einer übergeordneten Anlage verwendbar sind.

8. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sen sor (1) eine kabellose Energieversorgung aufweist.

9. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sen sor (1) ein schaltender Sensor, insbesondere ein Näherungsschalter ist.

10. Sensor (1) zur Verwendung in einer Einrichtung gemäss einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine optische Anzeige (2) zur Anzeige eines in Form eines Musters codierten Zustands aufweist, wobei die Anzeige dergestalt ausgebildet ist, dass sie durch ein Bilderfassungsgerät (5) erfassbar und der Zustand durch ein Auswertegerät (6) rekonstruierbar ist.