DE10113413A1

DE10113413A1 - Verfahren zur optoelektronischen Überwachung von Gefahrbereichen vor führerlosen, automatischen Transportsystemen

Info

Publication number: DE10113413A1
Application number: DE10113413A
Authority: DE
Inventors: Alfred Spitzley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zur optoelektronischen Überwachung von Gefahrbereichen vor führerlosen, automatischen Fahrzeugen bzw. Transportsystemen zur Kollisionsvermeidung mit zumindest einem digitalen Helligkeits- oder Bildsensor und einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei der Helligkeitssensor digital adressierbare Halbleitersensorelemente, der Bildsensor einen CCD-Arraysensor und die Auswerteeinheit zumindest einen Mikrocontroller und Speicherbausteine aufweisen. Die Auswerteeinheit überprüft die von dem Sensor gelieferten digitalen oder analogen Datenwerte auf Veränderungen, die auf eine Kollisionsgefahr mit dem Fahrzeug hinweisen. DOLLAR A Dazu wird als funktionsgebende Beleuchtungseinrichtung eine extrem gerichtete Lichtquelle, die eine linienförmige oder halbebenenförmige Beleuchtungsebene ausleuchtet, verwendet. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das optoelektronische Raumüberwachungssystem dadurch besonders sicher, da der Helligkeitssensor oder der CCD-Sensor und der sensitive Überwachungsbereich durch Formanpassung oder Fensterung an diesen Raum derart gestaltet werden kann, daß eine optimale und redundante Überwachung möglich ist. Des weiteren ist die optoelektronische Überwachung dadurch besonders sicher, daß der Sensor nur für die Strahlen der Lichtquelle sensibel ist und die Auswertesoftware die vom Sensor gelieferten Daten nach unterschiedlichen, voneinander unabhängigen Auswertealgorithmen bewerten kann. DOLLAR A Besonders vorteilhaft an dieser Erfindung ...

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zur optoelektronischen Überwachung von Gefahr bereichen vor fahrerlosen, automatischen Fahrzeugen und Transportsystemen (z. B. Schienenfahrzeu ge, Flurfahrzeuge, usw.) zur Kollisionsvermeidung mit zumindest einem digitalen Helligkeits- oder Bildsensor und einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei der Helligkeitssensor digital addressier bare Halbleitersensorelemente, der Bildsensor einen CCD-Arraysensor und die Auswerteeinheit zumindest einen Mikrocontroller und Speicherbausteine aufweisen. Desweiteren nutzt die Erfindung die von einer gerichteten Strahlquelle, wie z. B. einem Laser, ausgehende Strahlung und deren Refle xionen zur erfindungsgemäßen Auswertung. (Fig. 2 und Fig. 3) Die Auswerteeinheit überprüft die von dem Sensor gelieferten digitalen oder analogen Datenwerte auf Veränderungen, die auf eine Kollisi onsgefahr hinweisen, errechnet aus diesem Abgleich ein fehlersicheres Steuersignal und stellt dieses der Fahrzeugsteuerung zur Aktionssteuerung bereit. (Fig. 1)

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur optoelektronischen Überwachung des Freiraumes bzw. Gefahrbereiches vor Fahrzeugen bzw. ein optoelektronisches Überwachungssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem zum einen Personen oder Gegenstände (Fremdkörper) im Überwa chungsbereich erkannt werden können und äußerst zuverlässig und sicher der Fahrzeugsteuerung mit zuteilen. Je nach Art der Fahrzeugsteuerung (automatisch oder personengebunden) erfolgt die Signal übergabe elektronisch oder durch optische Signalschaltung.

Zur Lösung dieser Aufgabe mit dem eingangs genannten Verfahren wird die Empfindlichkeit des Sen sors so eingeengt, das außer der von der Strahlquelle kommenden Strahlung keine Strahlung erfasst wird. Die Sensoreinheit, bestehend aus Strahlquelle und Sensor, wird so am Fahrzeug montiert, das im bestimmungsmäßigen Betrieb der Sensor den Lichtstrahl nicht sehen kann. Infolgedessen erfasst der Sensor, da aus dem überwachten Raumbereich keine Strahlung, für die der Sensor empfindlich ist, zum Sensor rsflektiert, kein strukturiertes sondern ein gleichmäßig dunkles Helligkeitsmuster oder Bild. (Fig. 4).

Die Auswerteeinheit hat dieses Helligkeitsmuster pixelweise als Referenzprofil für einen fehlerfreien Überwachungsbereich hinterlegt. Objekte, die in den Überwachungsbereich eindringen werden von der Strahlquelle angestrahlt und reflektieren die Strahlung in die Optik des Sensors so, daß das aktuelle Helligkeitsprofil von dem Referenzprofil zumindest pixelweise abweicht. Im Überwachungs betrieb vergleicht die Auswerteeinheit die vom Sensor fortlaufend erfassten Helligkeitswerte mit den Referenzdaten so daß durch den pixelweisen Vergleich des fortlaufend erfassten Helligkeitsprofils mit dem Referenzprofil Abweichungen, die auf ein Hinderniss hindeuten eindeutig erkannt und detektiert werden (Fig. 5). Die minimale Größe der Objekte wird u. a. durch die physikalische Auflösung des Sensors, die verwendete Optik, die Einbauverhältnisse und die Größe des überwachten Raumbereichs bestimmt, wobei eine Auflösung von einigen Millimetern möglich ist.

Vorteilhafterweise erfolgt der Vergleich und die Auswertung zwischen dem aktuellem Helligkeitspro fil und dem Referenz-Helligkeitsprofil dadurch, daß die Differenz zwischen den Profilsegmenten gebildet wird. Überschreitet der Absolutbetrag dieser Differenz einen vorher eingestellten Schwell wert, so wird das dieser Messung zugrundeliegende Segment als fehlerhaft gewertet. In Abhängigkeit davon erzeugt die elektronische Auswerteeinheit dann ein fehlersicheres SPS-Signal. Liegt der Hel ligkeitswert unterhalb des Grenzwertes, so erzeugt die Auswerteeinheit ein "ok"-Signal, d. h. der über wachte Bereich ist leer. Liegt die Fehlergröße jedoch oberhalb des Grenzwertes, so wird ein "Alarm"- Signal erzeugt, d. h. ein Gegenstand, eine Person oder ein Teil einer Person befindet sich in dem über wachten Gefahrbereich. Durch den Vergleich der Helligkeitswerte der einzelnen Bereiche ist eine ein fache und schnelle aber dennoch sehr sichere Überwachung, möglich, da eine sehr feine Aufteilung des Überwachungsbereichs in viele - beispielsweise 200 - Profilsegmente möglich ist. Auch kann durch Fensterung des Überwachungsfeldes eine Anpassung des Sensors an die jeweiligen Erfordernis sen aus der Anwendung vorgenommen werden.

Vorzugsweise wird der zu überwachende Raumbereich durch eine Beleuchtungseinrichtung ausge leuchtet die strukturiertes Licht in Form einer Linie, einer Punktmenge, usw. abstrahlt. Durch diese Beleuchtungseinrichtung ist sichergestellt, daß bei eindringen einer Person oder eines Objektes in den Gefahrbereich immer ausreichende Helligkeit für eine sichere Sensorfunktion zur Verfügung steht, so daß die Überwachung, unabhängig von den im Einsatz sehr unterschiedlichen Lichtverhältnissen statt finden kann. Arbeitet die Beleuchtungseinrichtung mit Licht aus dem sichtbaren Wellenlängen bereich, so ist der überwachte Funktionsbereich für den Benutzer erkennbar. Arbeitet die Beleuch tungseinrichtung dagegen mit nicht sichtbarer Strahlung, so kann verhindert werden, daß durch Streu licht aus der Umgebung Fehlinformationen entstehen. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestal tung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach einer bestimmten Anzahl von aufeinanderfolgen den störungsfreien Auswertungen, ein Teilbereich des Referenzprofils neu errechnet, in das vorhan dene Referenzprofil eingefügt und gespeichert. Über einen, eine Vielzahl von Überwachungszyklen dauernden Zeitraum wird das Referenzmuster derart komplett erneuert, daß sich langsam ändernde Geamthelligkeiten nicht auf das Auswerteergebnis auswirken.

Bei dem eingangs beschriebenen Überwachungssystem ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufga be dadurch gelöst, daß ein CMOS-Sensor oder ein CCD-Sensor von dem zu überwachenden Bereich ein Helligkeitsprofil erfasst, die Auswerteeinheit das aktuelle Helligkeitsprofil mit einem Referenz muster vergleicht und die Differenz zwischen dem aktuellem Helligkeitsprofil und dem Referenzpro fil bewertet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems gilt, daß das Überwachungssystem einerseits ein Service-Interface zum Anschluß einer Parame triereinrichtung, beispielsweise eines Computers, aufweist und andererseits an eine Steuerung zur Sig nalweiterverarbeitung angeschlossen ist.

Durch die Parametriereinrichtung kann das Überwachungssystem vor Ort optimal an die gegebenen Anforderungen und Einsatzbedingungen angepaßt werden. So kann genau der Raumbereich ausge wählt werden, der überwacht werden soll, was beispielsweise durch die Einstellung, des richtigen Öff nungswinkels der Optik und eine Fensterung der Sensordaten geschieht. Ebenso kann ein Kennwert festgelegt werden, ab dem die Änderungen des aktuellen Helligkeitprofils als Fehler erkannt werden. Weiter kann die zulässige Fehlergröße eingestellt werden, ab der das optoelektronischen Überwa chungssystem ein Steuersignal erzeugt.

Vorzugweise ist eine Laserstrahlung aussendende Beleuchtungseinrichtung vorgesehen und der Sen sor wird auf diese Strahlung abgeglichen. Solche Abgleichmaßnahmen verhindern, daß durch Streu strahlung aus der Umgebung Fehlinformationen entstehen können und macht den Sensor dadurch sehr funktionssicher.

Bei Verwendung einer derartigen Beleuchtung können führerlose Transportsysteme (FTS) wie z. B. autonome Schienen- und Flurfahrzeuge auf unterschiedlichem Untergrund, wie z. B. Schotter, Asphalt, Teppichböden, Fliesen und Kunststoffböden sowie Hallenböden problemlos eingesetzt wer den.

Hindernisse auf der Fahrbahn werden von einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem in Funkti onsrichtung erkannt, wobei die Funktionsrichtung von der Installation des Systems am Fahrzeug abhängt und führen zum Stillstand des Fahrzeugs. Eine vorteilhafte Erweiterung der Systeminternen Software kann das Sensorsignal als Lenkungsgrundlage für ein autonomes sich kollisionsfrei bewe gendes FTS dienen.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren zur op toelektronischen Überwachung bzw. das erfindungsgemäße Überwachungssystem auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 7 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung, mit den Zeichnungen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optoelektronischen Überwachung eines Raumbereiches vor führerlosen Transportsystemen

Fig. 2 Seitenansicht eines führerlosen, automatischen Fahrzeugs mit einem optoelektronischen Sen sorsystem zur Kollisionsvermeidung

Fig. 3 Draufsicht eines führerlosen, automatischen Fahrzeugs mit einem optoelektronischen Sen sorsystem zur Kollisionsvermeidung

Fig. 4 Sensorbild von einem hindernisfreien Überwachungsbereich

Fig. 5 Sensorbild mit Hindernis im erkannten Hindernis im Überwachungsbereich und außerhalb des Bereiches

Anhand von Fig. 1 soll das erfindungsgemäße Verfahren zur optolelektronischen Überwachung, eines Raumbereiches vor führerlosen Transportsystemen und Schienenfahrzeugen erläutert werden, wobei hier insbesondere die Verfahrensweise einer Auswerteeinheit beschrieben wird:
Zunächst wird ein Referenz-Helligkeitsprofil der zu überwachenden Raumbereiche aus dem Sen sorsignal eines Hindernisfreien Bereiches (Fig. 4) errechnet und in einem digitalen Speicher (Memory) zwischengespeichert. Anschließend werden fortlaufend aktuelle Helligkeitsprofile erfaßt, zwischen gespeichert und mit dem Referenzprofil verglichen. Ergibt der Vergleich als Ergebnis eine Überein stimmung, so wird ein "ok"-Signal an die Fahrzeugsteuerung abgegeben. Anderenfalls wird ein Feh lersignal gesetzt.

Hierzu werden die Helligkeitswerte der zu vergleichenden Profilsegmente softwaremäßig bewertet und ein Kennwert gebildet. Unterscheidet sich der Kennwert des aktuellen Helligkeitsprofil vom vor her eingelernten Wert, so wird dies als Fehler gewertet und ein sicherer Fehlerausgang gesetzt. Die Fahrzeugsteuerung nimmt das Signal auf und reagiert darauf.

Das zuvor beschriebene Auswerten wiederholt sich fortlaufend. Ein solcher segmentweiser Vergleich von Referenzprofil und aktuellem Helligkeitsprofil dauert dabei lediglich ca. 50 ms, so daß durch ein von der Auswerteeinheit erzeugtes "Alarm"-Signal über einen Steuerimpuls innerhalb von Sekunden bruchteilen (< 100 ms) eine Reaktion veranlassen kann. Das Fahrzeug kann dann stoppen. (Ein Fahrzeug das mit v = 3 m/s fährt bewegt sich in dieser Zeit um 0,3 m weiter. Bei einem angenom menen Bremsweg von 2 Meter kann das Fahrzeug nach ca. 2,5 m stehen.)

Fig. 2 zeigt schematisch dargestellt die Seitenansicht und Fig. 3 zeigt die Draufsicht eines FTP (1) (z. B. Schienenfahrzeug) mit dem vorliegenden Raumbereich, ausgerüstet mit einem Sensorsystem zur Überwachung des Raumbereiches zwecks Kollisionsvermeidung mit Hindernissen. Die zu überwa chenden Bereiche sind exemplarisch grün (schraffiert) markiert. Der Sensor (2), die Beleuchtungsele mente (3) sind an der Frontseite des FTS (1) angebracht. Die Beleuchtungselemente strahlen einen gerichteten Lichtstrahl (4) der zu einer Linie aufgeweitet ist nach vorne ab. Der Lichtstrahl läuft paral lel zu den Schienen (6). Die Auswerteeinheit kann im Sensor integriert sein oder in einem vom Sensor abgesetzten Gehäuse irgendwo im FTS (1) untergebracht sein. Die Verbindung zwischen den Sen sorund Auswerteeinheit erfolgt direkt.

Die Anzahl der Auswerteeinheiten und der Sensoren kann beliebig, je nach der Größe bzw. der Anzahl des zu überwachenden Raumbereiches gewählt werden. An jede Auswerteeinheit wird dann direkt ein Helligkeitssensor angeschlossen. Über eine Schnittstelle können die Auswerteeinheiten miteinander sowie mit einer Stromversorgung, und einem Service-Interface verbunden sein. Die Verbindung zwi schen optoelektronischen Überwachungssystemen und der FTS-Steuerung erfolgt direkt oder über ein Interfacemodul. Ein Interface für Eingangssignale und ein Interface für Ausgangssignale ist vorgese hen. Ausgangssignale sind dabei durch ein "Alarm"-Signal oder ein "ok"-Signal ausgelöste doppelt fehlersichere Steuersignale. Ein Service-Interface dient zur Anpassung des optoelektronischen Über wachungssystems an die räumlichen Randbedingungen am Einsatzort.

Hier können eine Tastatur, ein Laptop und ein Kontrollmonitor für Servicearbeiten angeschlossen wer den. Diese werden jedoch für den normalen Betrieb nicht benötigt.

Fig. 4 zeigt das Sensorbild von einem Hindernisfreien Sensorbereich. In der Menüleiste wird dies durch einen "Ok" Button grün angezeigt. Mittels eines Einrichtemenüs kann die sensitiv Fläche (Über wachungsbereich) den Randbedingungen aus der Applikation angepasst werden.

Fig. 5 zeigt das Sensorbild von einem Sensorbereich, in welchem ein Hindernis (Objekt) erkannt wur de. In der Menüleiste wird dies durch einen "F" Button rot angezeigt. Ein Hindernis das ausserhalb des Überwachungsbereiches liegt wird vom System toleriert.

Claims

1. Verfahren zur optoelektronischen Überwachung von Raumbereichen, insbesondere der Raum- und Gefahr bereiche vor führerlosen Flur- und Schienenfahrzeugen, bei dem von dem Überwachungsbereich ein digita les Helligkeitsprofil erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Helligkeitsprofil continuierlich von einer elektronischen Auswerteeinheit auf Veränderungen, die durch Eindringen von Fremdkörpern in den Über wachungsbereich entstehen, gegenüber einem Sollzustand überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungsbereich durch eine gerichtete Strahlungsquelle derart beleuchtet wird, das sich zu erkennende Hindernisse vom Hintergrund deutlich abhe ben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung, das aktuelle Helligkeitspro fil des Überwachungsbereiches mit einem Referenzprofils von gegebenen Bereichen elektronisch bewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Absolutdifferenz der zu verglei chenden Helligkeitsmuster über bzw. unter einem bestimmten Kennwert liegt, dies per intelligenter Soft ware als Fehler erkannt wird und in Abhängigkeit von der Fehlererscheinung von der elektronischen Aus werteeinheit ein sicheres SPS-Signal erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung, durch eine Laser lichtquelle realisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung, nichtsichtbare elektromagnetische Strahlungen aussendet.

7. Optoelektronisches Überwachungssystem zur Erfassung von Raumbereichen, der Raum- und Gefahrberei che vor führerlosen Flur- und Schienenfahrzeugen, mit mindestens einem Helligkeitssensor und einer elek tronischen Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein Helligkeitsprofil mit einem Referenz-Helligkeitsprofil segmentweise vergleicht und auswertet.

8. Optoelektronisches Überwachungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswertesys tem einerseits ein Service-Interface zum Anschluß einer Parametriereinrichtung aufweist und andererseits an eine Steuerung angeschlossen werden kann.

9. Optoelektronisches Überwachungssystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, das eine nichtsichtbare Strahlung aussendende Beleuchtungseinrichtung, vorgesehen ist und der Helligkeitssensor auf diese Strahlung optimiert ist.

10. Optoelektronisches Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hellligkeitssensoren und Beleuchtungseinrichtungen in einer Halterung der Fahrzeuge eingebaut sind und die Helligkeitssensoren so ausgerichtet sind, daß der ganze Funktionsbereich überwacht wird.

11. Optoelektronisches Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Helligkeitssensor mit mehreren Optiken verschiedener Öffnungswinkel ausgestattet werden kann.

12. Optoelektronisches Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das der Helligkeitssensor einen CMOS- oder CCD-Arraysensor mit einer Auflösung, von mindestens 4 × 4 Pixel aufweist.

13. Optoelektronisches Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, das der Helligkeitssensor ein CMOS- oder CCD-Zeilensensorelement mit bis zu n linear angeordneten Pixel (n < 1000) aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein optoelektronisches Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Helligkeitssensoren einen Bereich überwachen und durch Vergleich der Auswerteergebnisse von den verschiedenen Sensoren gemachten Helligkeitsprofile des überwachten Bereichs eine Fehlerüberwachung der Sensoren erfolgt.

15. Verfahren nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung der Raum- und Gefahr bereiche vor führerlosen Flur- und Schienenfahrzeugen der Lenkung und der Kollisionsvermeidung mit Hindernissen dient.

16. Verfahren nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erfindungsgemäße Überwachungssys tem als Lenkhilfe an Fahrzeugen jeder Art dient.

17. Verfahren nach dem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß daß das erfindungsgemäße Überwachungs system als Lenkhilfe an Bewegungshilfsmittel für sehschwache oder blinde Menschen dient.