用于监视空间区域、特别是用于保护自动操作装置的危险区域的设备和方法

摘要

一种用于监视空间区域、特别是用于保护自动操作装置的危险区域的设备，包括至少暂时地向空间区域中发射光信号的照明装置。第一图像记录单元(22)用于记录空间区域的第一图像，所述图像记录单元(22)包括具有多个像素的图像传感器(26)。评估单元被设计成借助于传播类型测量来确定位于空间区域中并且在至少一个像素上成像的至少一个空间区域点(34)的距离值(d

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监视空间区域、特别是用于保护自动操作装置的危险区域的设备，包括至少暂时地向空间区域中发射光信号的照明装置，包括用于记录空间区域的至少一个第一图像的第一图像记录单元，该图像记录单元包括具有用于对多个空间区域点成像的多个像素的图像传感器，包括被设计成借助于传播时间测量来确定至少一个空间区域点的距离值的评估单元，并且包括根据该距离值启动安全功能的控制单元。

本发明亦涉及一种用于监视空间区域、特别是用于保护自动操作装置的危险区域的方法，其中照明装置至少暂时地向空间区域中发射光信号，其中包括具有多个像素的图像传感器的图像记录单元记录空间区域的图像，其中借助于传播时间测量来确定位于空间区域中的至少一个空间区域点的距离值，并且其中根据该距离值启动安全功能。

背景技术

从EP 1 065 522 B1中获知了一种此类设备和方法。

光障和光网格早就为人所知并且与机械障一样常常用来保护自动操作装置如自动操作机器人、冲压线、传送带的危险区域。光障和光网格在要保护的装置前方形成“光栅栏”。如果任何人穿过光栅栏，就被评估单元检测到并被信号通知控制单元。然后控制单元启动安全功能，如关断被保护装置或者以某种其它方式使之处于安全状态。另外，亦可发起警告消息、警报信号等。

很长时间以来，光障被证明适用于此目的。然而光障也有几个缺点。例如，光障的安装颇复杂，因为彼此相距一定距离的发射器和接收器必须精确对齐。此外，光障仅可实现直的“栅栏轮廓”。为了在多个侧或沿着弯曲周边保护装置的危险区域，需要多个光障或光网格系统。此外，应指出，为了可靠地检测小物体，需要大数目的光源和传感器。

为了克服这些缺点，人们长时间努力借助于图像记录和图像评估设备来保护自动操作装置的危险区域。在此情况下，空间区域由图像记录单元(常常只称为相机)光学监视。记录的图像被自动地且尽可能实时地评估，以便检测危险情况，例如有人进入该装置的危险区域。

从此角度讲，DE 199 38 639 A1提出了一种在规定目标与对该目标成像的图像记录单元之间伸展的光障。当图像记录单元可自由看见规定目标时获得的参考图像被存储在比较单元中。如果现在物体在图像记录单元与该目标之间穿过，则比较单元检测当前图像与先前存储的参考图像之间的差异。物体的进入根据此差异得以识别，且例如在危险区域中工作的机器被停机。与传统光障和光网格相比，此方法已经降低了保护扩展的危险区域或具有复杂形状的危险区域的复杂性。然而，仍然由很大程度上预定和固定的“栅栏”实现保护，即，围绕危险区域的动态边界仅在非常有限的程度上是可能的。

DE 100 33 608 A1提出了使用借助于光源产生的规定光信号形式的人造目标。在此情况下，光信号被投影到物体上或背景上。被指向人造目标的图像记录单元对该目标成像。同样在此情况下，当前图像与参考图像在比较单元中相比较，如果有差异则采取安全措施。

WO 99/34235公开了一种用于记录三维距离图像的方法和设备。在此情况下，图像记录单元被指向空间区域。空间区域被具有预定持续时间的至少一个光脉冲照亮。位于空间区域中的物体将光脉冲反射到图像记录单元。不同的传播时间导致不同的反射光脉冲强度，关于物体的距离值根据这些强度来确定。然后可使用已知参考距离值来确定是否另有物体进入了空间区域。然而，此设备和方法不适用于保护自动工作装置，因为距离值的确定可能受到不能检测到的误差的影响。

WO 2004/029502 A1提出了借助于两个图像记录单元立体地记录要监视的空间区域。第一图像记录单元和第二图像记录单元的图像使用两种算法上不同的三维场景分析方法来评估。如果其中一种方法得到物体位于危险区域中的结果，则被监视装置被关断。然而，三维场景分析方法需要进行高强度计算，使得实时实施是复杂和昂贵的。

开头援引的DE 42 17 423 A1和EP 1 065 522 B1提出了用于评估空间区域的图像的传播时间测量方法。与使用两个或更多图像记录单元的三角测量法相比，此方法具有仅需要一个图像记录单元的一般优点，使得不产生阴影区域且不发生不完整测量，因为发射器和接收器可以共线地布置。然而，由于光波的传播时间极短，这些方法具有如下缺点：对相关联电子电路中的信号处理和传播时间的稳定性有非常严格的要求，且必须通过连续校准来考虑电传播时间的变化，如温度影响和老化所导致的变化。如果传播时间差异借助于亮度差异来测量，则实际像素特征与所存储像素特征相比的任何变化都对测得的距离值产生可观的影响。然而，由于距离值对于物体识别很重要，所以像素特征的任何漂移都产生可观的效果。

直到现在都被忽视的、为安全应用所利用的一个重要方面是如下事实：传播时间方法所基于的脉冲传播时间或相移仅在特定限度内是唯一的。在脉冲传播时间方法的情况下，以具有高占空比(即具有低调制频率)的脉冲波形调制光波幅度。在此情况下，该过程确定光信号发射和光信号从反射物体返回之间经过的时间。在此情况下，原理上有可能的是，发生自远距离物体的反射直到下一测量间隔才被接收到。然后此反射将错误地与较短距离值相关联。在相位传播时间方法的情况下，以射频范围内的频率调制光波幅度。测量信号的传播时间根据发射光波的调制与到达光波的调制的相位比较来确定。同样在此情况下，360°的最大相位差意味着远距离物体可产生与较近空间点相关联的反射。换言之，所有传播时间测量都会遇到对可靠距离确定产生危害的模糊。

正确的距离确定特别是对于所谓回复反射器是关键的。当光从这样的回复反射器反射回到图像记录单元时，一方面，即使情况不危险，这也可能导致装置被关断。另一方面，在最坏情况下，这甚至可能导致不执行必要的关断，或者不在合适时间执行必要的关断。

发明内容

在此背景下，本发明的一个目的是提供一种用于保护自动操作装置的危险区域的设备和方法。特别而言，当传播时间测量被用于确定距离时，将以很小的复杂性实现提高的故障安全性。

根据本发明的一方面，此目的通过这样的设备来实现，该设备属于最初提到的类型，并且还包括被设计成将至少一个第一与一个第二图像彼此相比较以便识别错误的距离值的测试装置。

本发明的此目的亦通过这样的方法来实现，该方法属于最初提到的类型，其中至少一个第一与一个第二图像被记录并彼此相比较以便识别错误的距离值。

本发明的特别特征可体现自如下事实：至少一个第一和一个第二图像被记录了所监视空间区域，其中借助于传播时间方法确定的距离信息包含在至少第一图像中。然后在测试装置中对所有或一些所记录空间区域点执行一过程，来确定在第一图像中为相应空间区域点确定的(第一)距离值是否与基于第二图像为预定容差带内的同一空间区域点确定的(第二)距离值相匹配。换言之，本发明包括基于第二图像以及第二距离确定过程来检查根据传播时间信息获得的(第一)距离值，其中第二距离确定过程是基于第二图像针对同一空间区域点进行的。如果它们不匹配，则启动故障功能，并有利地启动安全功能，如关断被监视机器。如果与此相反发现了匹配，则距离测量被设想是正确的并可以进一步评估。如果评估指出物体位于被规定为不得进入的保护区域中，则控制单元以安全功能(如通过关断该装置)对此作出反应。这使得有可能基于传播时间测量的原理提供低成本设备和方法，同时确保较好的故障安全性。特别而言，这使得有可能消除传播时间测量所导致的模糊，以便以故障安全的方式确定到空间点的实际距离。

由此完全实现了上述目的。

应当指出，例如图像传感器或图像记录单元中的术语“图像”不应解释为仅意味着人眼的知觉。基于图像传感器的原理，这意味着图像传感器检测距离信息或传播时间信息而不只是检测强度(亮度)并发射灰度值，从而基于此信息产生图像(距离图像、传播时间图像)。

在本发明的细化中，测试装置被设计成校正错误的距离值和/或产生故障信号。

如果未对空间区域点获得匹配距离值，则原因可能是基于传播时间的距离测量的模糊，或者是故障。此细化有利地尝试寻找距离值彼此不同的原因并且消除模糊导致的任何不匹配，以便防止不必要地关断该装置。此细化因此具有如下优点：被监视装置可以以同等或更好的安全性更多产地工作。

在脉冲传播时间方法的情况下，不模糊范围由光在各脉冲之间的时间间隔的一半时间内行进的距离(必须考虑前向和返回路径)来限定。在相位传播时间方法的情况下，不模糊范围由光波经历至多360°相位改变所沿着的距离(仍然必须考虑前向和返回路径)的一半长度来限定。由此，任何模糊都可以借助于搜索过程(即，通过在设想空间区域点已超出对应于不模糊范围的距离时检查是否存在匹配距离值)非常容易地消除。将此认识纳入考虑范围，测试装置现在尝试确定匹配距离值(假定空间区域点在不模糊范围之外)。如果这是可能的，则可以设想已得到了实际距离值，即使其在不模糊范围之外。如果甚至考虑了模糊也未能发现匹配，则设想出现了故障。在此情况下，测试装置于是可以产生故障信号。

在又一细化中，该设备包括被设计成以至少一个第一调制频率和以不同于第一调制频率的第二调制频率调制光信号的调制装置。有利地，在以第一调制频率发射光时记录第一图像，而在以第二调制频率发射光时记录第二图像。

不同的调制频率导致不同的不模糊范围。如果选择调制频率使得所得到的不模糊范围彼此之间不是整数倍关系，则可以容易地消除潜在的模糊。优选地，第一调制频率在10MHz到20MHz之间选择，优选地在13MHz到17MHz之间选择，特别是选择为约15MHz。优选地，第二调制频率在8MHz到18MHz之间选择，优选地在11MHz到15MHz之间选择，特别是选择为约13MHz。

亦优选的是，使该设备具有用于产生第二图像的第二图像记录单元。

这允许同时记录第一和第二图像，从而允许实现更高的处理速度。另外，这样的细化允许借助于三角测量法基于第二图像进行距离确定，从而允许非常可靠地识别和消除传播时间测量的模糊。

由于最后提到的原因，亦有利的是，使第一和第二图像记录单元彼此平行地偏移规定的底宽，特别是以便产生立体图像。

在此细化中，两个图像记录单元之间存在规定的几何关系，使得两个图像(更精确地说，以图像表示的空间区域点)可以彼此适当地相关联。这允许相对容易地为所考虑空间点确定第二距离值。由于测量方法不同，此细化提供了特别良好的故障安全性。

在又一细化中，该设备具有用于将反射自空间区域点的光信号在第一与第二图像记录单元之间分裂的至少一个分束器。

在此布置中，两个图像记录单元对于要监视的空间区域具有相同的视点和相同的视向。因此，每个空间区域点在第一图像中和在第二图像中成像于相同的位置。第一和第二图像中空间区域点的关联因此特别简单。另外，阴影效应得以避免，即，两个图像记录单元都可以看见整个被监视空间区域。

在本发明的又一细化中，照明装置被设计成以至少两种不同波长发射光。此外，第一图像记录单元与具有第一通过波长的第一滤光器元件相联接，而第二图像记录单元与具有第二通过波长的第二滤光器元件相联接，其中第一通过波长基本上对应于发射光的第一波长，而第二通过波长基本上对应于发射光的第二波长。

因此，有可能使照明装置同时以两种波长发射光，然而使每个图像记录单元总是仅记录基于其中一种波长的图像信息。传播时间测量模糊可以由此容易地消除，即，通过用不同的调制频率发射两种波长来消除。代替使用滤光器元件，亦可使用波长选择性分束器，其将第一波长的光传到第一图像记录单元，而将第二波长的光传到第二图像记录单元。

在本发明的又一细化中，对第一图像记录单元中的至少一个第一像素和第二图像记录单元中的第二像素记录并比较灰度值。

检查第一像素与第二像素的关联的一种简单可行的方法是比较两个像素的灰度值。在此情况下，假定在第一和在第二图像中都用特定容差内的同一灰度值产生一个且同一个空间区域点。

不言而喻，在不背离本发明范围的情况下，上面提到的特征和将在下文中解释的特征不仅可以以分别规定的组合使用，而且可以以其它组合使用，或者可以独立地使用。

附图说明

本发明的示例实施例将在下面的描述中更详细地解释，并在附图中更具体地图示，在附图中：

图1示出了根据本发明的设备的简图。

图2示出了根据本发明使用的几何关系的示意图。

图3示出了从回复反射器反射的信号的处理的示意图。

图4示出了用以解释根据本发明的方法的一个优选应用的略图。

图5示出了根据本发明的又一设备的示意图。

具体实施方式

在图1中，根据本发明的设备的示例实施例整体上用标号10表示。

设备10包括传感器部件12、包括测试装置15的评估单元14、控制单元16和连接单元18。传感器部件12具有照明装置20、第一图像记录单元22和第二图像记录单元24。第一图像记录单元22包括第一图像传感器26，第二图像记录单元24包括第二图像传感器28，图像传感器26、28分别具有相对于彼此类似矩阵地布置的多个像素。另外，每个图像记录单元具有限定了光学覆盖范围的成像光学器件。第一和第二图像记录单元22、24的两个覆盖范围用点划线表示，两个图像记录单元的单独覆盖范围的交叠产生的公共覆盖范围30用双点划线象征性表示。物体32由于其物理范围而位于公共覆盖范围30内并典型地在图像传感器26、28的多个像素上成像。为了简化根据本发明的方法的解释，下文只考虑物体32上的一个空间区域点34。

照明装置20发射光并照亮位于传感器部件12前方的空间区域。用三个实线表示的光35尤其传到空间区域点34并从那里反射。反射光的一部分被传到第一图像记录单元22，反射光的另一部分被传到第二图像记录单元24。第一和第二图像记录单元22、24每个都设计成确定发射和反射光的传播时间(脉冲传播时间或相位传播时间)。第一和第二图像记录单元22、24将传播时间测量结果传到评估单元14，其中传播时间被用来确定可与在相应图像传感器26、28上成像的空间区域点34相关联的距离d_H、d_M。(亦有可能使评估单元14分别集成在图像记录单元22、24中，使得图像记录单元为所谓距离相机的形式并且分别产生范围测量值d_H、d_M。)这由此产生第一图像记录单元22与空间区域点34之间距离的第一距离值d_M以及第二图像记录单元24与空间区域点34之间距离的第二距离值d_H。所确定的距离值d_M、d_H由测试装置15检查可信度，这将在下文中更详细地解释。对图像传感器26、28的所有像素或一些像素执行该评估过程。

所得到的距离图像可以与先前存储的参考图像相比较。标称状态可以以这种参考图像的形式进行存储，该标称状态是启动自动操作装置的先决条件。例如，这种参考图像可以一次性存储或者可以在需要时再次确定。此外，可以在参考图像内规定不想要监视的一个或多个区域，使得图像此部分的变化被忽略并且不用来启动安全功能。相反，亦有可能精确规定想要监视的那些区域。

评估结果被发送到控制单元16，控制单元16根据该结果启动安全功能。控制单元16与自动工作装置之间的链接(这里未示出)借助于连接单元18(例如具有输出切换元件或总线耦合)提供。另外，应当指出，第一和第二图像记录单元22、24还可以检测被监视空间区域的灰度值，并由此可提供用于图像评估的附加信息。亦有可能以分离组件提供评估单元14和/或控制单元16。例如，控制单元16可以是安全控制单元，如本发明的申请人销售的商标名为的安全控制单元。

图2示出了第一和第二图像记录单元22、24的光学相关几何。第一和第二图像记录单元22、24的成像光学器件具有相应入口光瞳38a、38b、相应光轴40a、40b以及此情况下相同的焦距f。空间区域点34在第一图像传感器26上成像于距光轴40a距离h_M处。第二图像记录单元24的对应距离为h_H。第一和第二图像记录单元22、24的光轴40a、40b彼此平行地偏移规定的底宽b。入口光瞳38a、38b与空间区域点34之间的距离分别用d_M和d_H表示。这些距离值d_M、d_H由传播时间测量确定，然后使用三角测量法检查可信度。

基于三角测量的检查基于如下关系。一方面，光束集合导致如下关系：

$\frac{z_M}{f}=\frac{d_M}{y}$和$\frac{z_H}{f}=\frac{d_H}{x}---\left(1\right)$

其中z是图像记录单元与空间点34之间的垂直距离，d是图像记录单元的入口光瞳与空间点之间的斜距离，f是焦距，y是入口光瞳与空间点所成像于的图像点之间的斜距离。应用毕达哥拉斯定理，乘以焦距f并消去变量y，得到：

$z_M=f·\frac{d_M}{y}=f·\frac{d_M}{\sqrt{h_M^2+f^2}}---\left(2\right)$

两个图像记录单元22、24有利地设计成使得光轴40a、40b与平行于底宽b的平面成直角。因此z_M＝z_H＝z。另一方面，根据基本三角测量等式得到如下关系：

$\frac{z}{b}=\frac{f}{h_M-h_H}$和$z=f·\frac{b}{h_M-h_H}---\left(3\right)$

使等式(2)和(3)相等并求解h_H，得到：

$h_H=h_M-b\frac{\sqrt{h_M^2+f^2}}{d_M}---\left(4\right)$

现在可以根据几何关系计算标称距离值d_Hber，其必须与根据传播时间测得的距离值d_H相匹配。根据等式(1)和z_M＝z_H＝z得到如下关系：

$\frac{d_{\mathrm{Hber}}}{x}=\frac{d_M}{y}---\left(5\right)$

重新组织该等式并再次应用毕达哥拉斯定理后，得到如下标称距离值d_Hber：

$d_{\mathrm{Hber}}=d_M·\frac{\sqrt{h_H^2+f^2}}{\sqrt{h_M^2}+f^2}---\left(6\right)$

此关系用来通过将根据传播时间确定的第一距离值d_H与根据几何关系和第二距离值d_M计算的距离值d_Hber相比较来检查测得的第一距离值d_H的可信度。测得的第一距离值d_H和计算距离值d_Hber必须至少大体上相等。否则，测量是错误的，这例如在图3中示出。

图3示出了具有空间区域点34的物体32位于图像记录单元22、24的不模糊范围“e”之外的情况。不模糊范围e是每个图像记录单元前方的、距物体的距离可借助于传播时间测量不模糊地确定的空间区域。不模糊范围由时间测量周期界定，因为反射光束总是与当前测量周期相关联。因此，远处物体可能产生这样的反射光信号，其直到相关联测量周期已过去、并因此在又一测量信号的发射之后才到达图像记录单元。图像记录单元本身不能识别反射光信号源自于位置远得多的物体的事实，因此它错误地产生过短的距离。这在图3中示出。

在图3中，物体32被布置在不模糊范围e之外。从物体32反射的光信号在下一测量周期开始后才到达图像记录单元22、24，因为它是如此之远。因此，借助于第一图像记录单元22确定了与第一貌似物体42相关的第一距离值d_M，借助于第二图像记录单元24确定了与第二貌似物体44相关的第二距离值d_H。貌似物体42、44并不实际存在。它们仅由于传播时间测量的模糊而出现。

然而，如果现在使用等式(6)计算标称距离值d_Hber，则这个值与第二距离值d_H不同。此差异可能由设备10的故障造成，或者如设想的那样可能由模糊造成。在本发明的一个示例实施例中，可使用迭代搜索算法消除模糊，在迭代搜索算法中，在距物体的实际距离比首先根据传播时间测量确定的距离高出了不模糊范围的整数倍的假设下重复可信度检查。现在参考图4解释以此方式进行的模糊消除。

在第一步骤60中，在像素位置h_M测量传播时间，并确定对应的第一距离值d_M。在下一步骤62中，使用等式(4)确定像素位置为h_H的对应像素，并计算为该像素所期望的标称距离值d_Hber。在下一步骤64中，执行检查以确定在每种情况下分别与光轴40a、40b相关的像素位置h_M、h_H是否至少相差特定值，特别是至少相差半个像素。如果情况不是如此，则经由路径N跳跃。然后在步骤66中发现：要么相机系统中存在故障，要么空间区域点不处在公共覆盖范围30内。如果像素位置h_M、h_H彼此充分不同，则经由路径J跳跃至步骤68。在这里执行迭代检查，以确定标称距离值d_Hber是否有可能可以描述为第二距离值d_H与不模糊范围的倍数之和(d_H+n·e)。另外地或可替选地，有可能检查第一和第二图像记录单元22、24的像素的灰度值是否相同。如果情况不是如此，也就是说未能发现匹配，则经由路径N′跳跃至步骤70。现在第一距离值d_M在此递增不模糊范围e。然后在步骤62中继续该方法，其中启动新的尝试来产生匹配。如果已经在步骤68中发现了匹配，则经由路径J′跳跃至步骤72，在步骤72检查距离测量的可信度。然后所获得的距离信息可用来产生图像，以及用于与参考图像匹配。

可替选地或另外地，亦可通过使用以不同调制频率发射光的照明装置20来消除模糊。例如，如果以第一频率15MHz和第二频率13MHz发射光，则这分别导致10米和11.5米的不同不模糊范围。由于这两种频率的最小公倍数直到230米距离时才出现，所以不模糊距离信息可与高达230米距离处的物体相关联。

除了所述传播类型测量以外，亦在其它示例实施例中执行借助于立体方法的距离确定。由此获得的冗余距离信息意味着无需对超出不模糊范围的物体距离进行迭代计算。

图5示出了又一示例实施例。这里所示传感器部件12具有照明装置20、第一图像记录单元22和第二图像记录单元24。此情况下照明装置20包括第一光源46和第二光源48，分别发射不同波长的光。传感器部件12亦具有分束器50。第一滤光器元件52和第二滤光器元件54亦分别布置在图像记录单元22、24中。在此情况下滤光器元件52、54的通过频率设计成使得第一图像记录单元22主要接收从第一光源46发射并反射的光，而第二图像记录单元24主要接收从第二光源48发射并反射的光。为了完整起见，亦示出了透镜56。这是具有两个相机和不同波长的两个光源的布置，其中亦在此示例实施例中使用不同的调制频率。分束器50将入射光信号在两个图像记录单元22、24之间分裂。滤光器元件52、54分别阻挡图像记录单元24、22的光信号。此示例实施例允许将同一空间区域点34所成像于的第一和第二图像记录单元22、24中的像素直接关联。另外，可以将第一与第二距离值d_M、d_H直接相比较。可以基于不同的调制频率来消除潜在的模糊。由于且另外地，两个相机都透过同一透镜56观察，所以不存在阴影效应。

只要由于安全原因而绝对有必要正确操作距离测量图像记录单元，就会出现所述设备和所述方法的可能应用领域。这尤其包括用于监视危险机器和装置的系统、用于监视贵重物品的系统(物体保护、访问保护、保险室监视系统等)以及质量控制和质量保证领域的系统。