EP1421999A2 - Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, sowie ein Erkennungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, sowie ein Erkennungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens Download PDF

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EP1421999A2
EP1421999A2 EP03450254A EP03450254A EP1421999A2 EP 1421999 A2 EP1421999 A2 EP 1421999A2 EP 03450254 A EP03450254 A EP 03450254A EP 03450254 A EP03450254 A EP 03450254A EP 1421999 A2 EP1421999 A2 EP 1421999A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
objects
sorting
data
unit
classification
Prior art date
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Withdrawn
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EP03450254A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1421999A3 (de
Inventor
Christian Gurschler
Axel Kulcke
Raimund Leitner
Dr.Werner Scherf
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Titech Visionsort AS
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CTR Carinthian Tech Research AG
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Publication date
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Priority to EP09008037A priority Critical patent/EP2110187B1/de
Publication of EP1421999A2 publication Critical patent/EP1421999A2/de
Publication of EP1421999A3 publication Critical patent/EP1421999A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/36—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution
    • B07C5/363—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution by means of air
    • B07C5/367—Sorting apparatus characterised by the means used for distribution by means of air using a plurality of separation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/04—Sorting according to size
    • B07C5/10—Sorting according to size measured by light-responsive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07C—POSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00—Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34—Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342—Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour

Definitions

  • the invention relates to a method for identifying, classifying and sorting objects, objects and materials Detection system and an arrangement for performing this method.
  • Identification processes are used in a number of industrial processes or classification of objects, objects and materials an important instrument for process management and control.
  • an automated sorting process specified at which the identification of the to be sorted Objects is performed using spectral data analysis ever after activation of the scanning device upstream of the spectrometer during the identification process, the spectral data for a predetermined amount of objects to be sorted and determined for the subsequent classification is forwarded to a computer unit.
  • This process is complex in terms of apparatus technology, because such a recognition system from three subsystems, namely an image analysis system, a scanner and a NIR (near infrared) spectrometer exists.
  • Another well-known method for classifying objects, Objects and materials are the measurement of spectral properties on a measurement object in one or more optical wavelength ranges and the evaluation of the spectral absorption, Emission or reflection patterns. Set these procedures however, the measurement spot must be representative of the whole Target is. If this is not guaranteed, for example if there is a possibility that the object is made of other materials is contaminated or covered, is inhomogeneous, or if the Measurement objects have a relevant surface structure that is captured these methods are inadequate. For such Cases, the use of systems is required with which records the required spectral information in a spatially resolved manner can be.
  • filter systems in this area optionally discrete filters when observing fewer, more selected Wavelengths are used or where by using tunable optical filters a multispectral image, in Combination with a recording unit, usually a camera, is recorded.
  • a recording unit usually a camera
  • filter systems with more as an observed wavelength is that the measurement object not relative to the measuring device during the duration of the measurement allowed to move.
  • a series receive images that include individual images of the measurement object individual wavelengths, but in different positions, whereby a complete image of a moving measurement object is not obtained can be. Due to this limitation, the requirement of Measurement with high resolution in both flat dimensions and in Real time without interrupting the process of such systems not be met.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of Prior art methods for identifying and Classifying objects, objects and materials, while at the same time ensuring a simple procedure should be.
  • a method of the type mentioned at the beginning is proposed, which is characterized in that in one process step the spectral data, such as color information, chemical Properties and spatial data such as shape, size, location and / or Structure of moving or moving relative to the measuring unit Objects, objects and materials in both flat dimensions with high spatial and full spectral resolution in real time are determined and recorded.
  • the spectral data such as color information, chemical Properties and spatial data such as shape, size, location and / or Structure of moving or moving relative to the measuring unit Objects, objects and materials in both flat dimensions with high spatial and full spectral resolution in real time are determined and recorded.
  • the spectral ranges are preferably the following ranges and / or sub-areas of the areas and / or combinations of the areas for use: ultraviolet (UV, 200 - 380 nm), visible light (380 - 780 nm), near infrared (NIR, 780 - 2500 nm) and medium Infrared (> 2.5 ⁇ m).
  • UV, 200 - 380 nm ultraviolet
  • visible light 380 - 780 nm
  • NIR, 780 - 2500 nm near infrared
  • medium Infrared > 2.5 ⁇ m.
  • An exemplary application for the method according to the invention is the material or sorting of objects, Objects and materials, such as waste materials, but also processing of recycling materials. It is known to be of all kinds Items such as waste and recycled material by hand sort by. It is based on criteria such as color, shape and composition of the objects to be sorted. Although one Manual pre-sorting, such as with smaller amounts of waste is carried out in households, a relief for the further waste disposal is still manual sorting complex to carry out. To simplify the sorting or the Sorting of health-endangering or unhealthy The method according to the invention can enable substances here be used.
  • Another application example is the use of the invention Process for in-line quality control of products during the production process, for example surface coatings.
  • the use of the method according to the invention enables distribution, homogeneity control for this application and quality of a coating process in real time. additionally can be achieved by using image processing algorithms automated on the classification result and real-time statements, for example via the spatial and / or the size distribution of irregularities hit what as a rule and / or quality assurance parameter for the process control of essential Is important for efficient and trouble-free production.
  • the invention further relates to a detection system consisting of a detection unit for the simultaneous determination of the spatial resolved image and spectral data in real time, which is above the distributed on a transport system, preferably a conveyor track, positioned to classify and / or sort objects and a detection and identification connected to this unit Evaluation unit for evaluating the determined multispectral Image data.
  • a detection unit for the simultaneous determination of the spatial resolved image and spectral data in real time, which is above the distributed on a transport system, preferably a conveyor track, positioned to classify and / or sort objects and a detection and identification connected to this unit Evaluation unit for evaluating the determined multispectral Image data.
  • the detection unit moved on or by a single or multi-axis movement system with the test object in the rest position.
  • lines can cross the direction of the relative Movement of the objects to be classified through a gap in the Detection system are mapped.
  • this detection system from an imaging spectrograph in Combination with a recording unit.
  • This system is through it marked that lines which are transverse to the direction of relative movement run between measurement object and detection unit, with Mapped using a suitable, spectrally coordinated optics and fed to an imaging spectrograph via an entry slit with a wavelength-dispersive element is equipped for spectral decomposition of the lines, so that at the Exit side of the spectrograph the incoming light into the corresponding spectral ranges and disassembled on a recording unit is mapped.
  • the data determined as explained above are subsequently passed on to the evaluation unit, which advantageously consists of an electronic data processing system.
  • the one with high Speed transmitted data from the detection unit first with the help of an appropriate computer software program read.
  • the computer software includes for further processing a set of mathematical algorithms to work with Determined with the help of the recognition system / systems Data streams in real time.
  • this classification serves to assign the recognized ones Objects in groups with similar or comparable properties, as in the case according to the invention, shape, size, color, structure and / or chemical constitution, as well as combinations of these and / or similar parameters. Colors can also be used Hold on with the help of common color cameras, but these are on three color channels limited, so a color classification only with high technical effort or reduced precision can.
  • the method according to the invention enables spectral decomposition enables, which is typical for 100 to 200 wavelengths is so that it can be precisely identified and classified the objects to be sorted is guaranteed.
  • Detection units can either be shared or individual Detection and evaluation units are connected.
  • the invention further relates to an arrangement for performing the inventive method as an automated material sorting process, which essentially consists of a continuous conveyor track and a device that is actually connected to the detection system, preferably a row of nozzles.
  • an arrangement for performing the inventive method as an automated material sorting process which essentially consists of a continuous conveyor track and a device that is actually connected to the detection system, preferably a row of nozzles.
  • the objects, objects and materials to be sorted are in Direction of arrow 7 on the conveyor belt 4 of the device 1 well distributed applied. After a short acceleration distance these items arrive at a speed of typically 1 to 3 m / s to the detection unit 2, which is above the Conveyor belt is arranged.
  • the area of the conveyor belt to be considered is illuminated by at least one optical radiation source, which is preferably characterized by an over the observation area characterized spatially and spectrally homogeneous intensity distribution. In With this arrangement it is possible to create lines which run across the conveyor belt run through an optic 8 of the detection unit 2, as shown in 2 is to be detected.
  • This recording unit 12 is advantageously a two-dimensional array, such as a CCD (charge-coupled device) or CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) Camera or any other camera which is suitable for the respective Spectral range is particularly suitable.
  • CCD charge-coupled device
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • the data are transmitted to the evaluation unit 3 and there further processed.
  • the detection system defines two categories of data at the same time, namely on the one hand the spectral data for determining the color and / or the chemical Properties and on the other hand the image data for determining shape, Location, size and / or structure of the objects to be classified.
  • the shape of the objects is taken up by the lines across the conveyor belt with a typical resolution of between 128 Points and 1600 points are recorded and evaluated. Through the sequential recording of the lines arises from the aforementioned Lines a two-dimensional image. From this data set can be the geometric properties of the objects to be classified determine.
  • the data processing includes for typical, purely qualitative classification a dark current correction, a referencing against one Standard, a normalization of the spectra, a filter stage for Reduction of noise, the calculation of the 1st or 2nd derivative as well as the actual classification according to one on the respective Use case coordinated and optimized algorithm.
  • functions can be used to determine the center of gravity and / or the object or class edges and / or others Object properties by means of image processing algorithms. This makes it possible to precisely cut the objects to be separated recognize, classify in real time and further, for example make an appropriate sorting.
  • waste separation for example, is for recycling Plastic bottles, such as polyethylene terephthalate (PET) bottles, not just the classification according to material, components, but also by color and / or by the type of screw cap of the bottle for the further work advantageous.
  • Standard sorting criteria that with other classification methods Find use, such as length, width and shape or contour directly the data are extracted and used for sorting.
  • the data is the so-called Output data of the evaluation module are sent via a custom interface, another model of computer software, to the corresponding control components, for example a higher-level process control system or, as in this exemplary application, to a unit for automated sorting, such as controllable blow-out nozzles.
  • a unit for automated sorting such as controllable blow-out nozzles.
  • Sorting with the aid of a controllable one is particularly preferred Row of nozzles 5, in which air nozzles 14 are arranged such that the air flows generated thereby the objects to be sorted out Swirl diagonally to the side in the appropriate collection container so that these can be pulled off the conveyor belt 4.
  • the nozzle row 5 is, as can be seen from Figures 3 and 4, advantageously below arranged the dreams of the strips 13 carrying the objects.
  • Another preferred method is to use an additional one Cross conveyor belt 6, which is at a distance of, for example, 30 cm is attached across the conveyor belt 4.
  • the to be carried out Objects are in this embodiment by the Blow nozzles whirled onto this conveyor belt and then up transported away from the cross conveyor belt.
  • This sorting process will explained in more detail based on the representation according to FIG. 3. This is too can see that the conveyor belt 4 in the longitudinal direction from several of each other spaced, e.g. there are about 50 strips 13.
  • the row of nozzles 5 is mounted so that the individual nozzles 14 between the Strip 13 of the conveyor belt come into effect.
  • the objects to be sorted are placed under the Conveyor belt mounted, controllable row of nozzles 5, whereby by the special design of the conveyor belt in the form of the strips 13 no interruption of the tape and therefore no interruption in the Flow occurs.
  • the shape of the nozzles 14 and what is produced thereby Flow profiles are set so that the ones to be sorted out Objects according to their weight and the air flow generated on the cross conveyor belt 6 or in a side container (not shown) are whirled.
  • the special conveyor belt 4 for example a belt belt, and that Attaching the row of nozzles 5 under this band, those objects remain which are not yet sorted out in this separation stage, continue with the same position and location on the conveyor belt for the Transport to the next separation stage.
  • the method according to the invention for identifying, classifying and sorting objects is therefore feasible in a simple manner, because of one Unity simultaneously and with high spatial and spectral resolution real-time geometric and spectral data, for example regarding color and / or chemical properties of the considered Objects to be measured.
  • the method according to the invention is particularly relevant for measurement objects, which result from process engineering or other reasons relative to the recognition system in Movement.
  • the method according to the invention can in particular be using the detection system according to the invention from a unit for the simultaneous determination of image and Spectral data and an associated unit for evaluation perform the determined image and spectral data in a simple manner.

Landscapes

  • Sorting Of Articles (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, wobei in einem Verfahrensschritt die spektralen Daten, wie Farbe, chemische Eigenschaften, und räumlichen Daten, wie Form, Größe, Lage und/oder Struktur von relativ zur Messeinheit bewegten oder sich bewegenden Gegenständen, Objekten und Materialien in beiden ebenen Dimensionen mit hoher räumlicher und voller spektraler Auflösung in Echtzeit ermittelt und erfasst werden und wobei die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien anhand dieser Daten in Echtzeit klassifiziert und anschließend sortiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb in einfacher Weise durchführbar, da von einer Einheit simultan und mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung in Echtzeit geometrische sowie spektrale Daten, beispielsweise betreffend Farbe und/oder chemischer Eigenschaften der betrachteten Messobjekte erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders relevant bei Messobjekten, welche sich aus prozesstechnischen oder sonstigen Gründen relativ zum Erkennungssystem in Bewegung befinden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere mit Hilfe des erfindungsgemäßen Erkennungssystems, bestehend aus einer Einheit zum gleichzeitigen Ermitteln von Bild- und Spektraldaten und einer mit dieser verbundenen Einheit zum Auswerten der ermittelten Bild- und Spektraldaten in einfacher Weise durchführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, ein Erkennungssystem sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In einer Reihe von industriellen Prozessen sind Verfahren zur Identifikation bzw. Klassifikation von Gegenständen, Objekten und Materialien ein wichtiges Instrument zur Prozessführung bzw. -kontrolle.
So wird gemäß der DE-Al 19751862 ein automatisiertes Sortierverfahren angegeben, bei welchem die Identifikation der zu sortierenden Gegenstände mit Hilfe von Spektraldatenanalyse durchgeführt wird. Je nach Ansteuerung der dem Spektrometer vorgeschalteten Abtasteinrichtung beim Identifiziervorgang werden die Spektraldaten für eine vorgegebene Menge an zu sortierenden Gegenständen ermittelt und für die anschließende Klassifizierung an eine Rechnereinheit weitergeleitet. Dieses Verfahren ist in apparatetechnischer Hinsicht aufwendig, da ein derartiges Erkennungssystem aus drei Subsystemen, nämlich einem Bildanalysesystem, einer Abtasteinrichtung und einem NIR- (nahes Infrarot) Spektrometer besteht.
Eine weitere bekannte Methode zur Klassifizierung von Gegenständen, Objekten und Materialien ist die Messung von spektralen Eigenschaften an einem Messobjekt in einem oder mehreren optischen Wellenlängenbereichen und die Auswertung der so erhaltenen spektralen Absorptions-, Emissions- oder Reflektionsmuster. Diese Verfahren setzen allerdings voraus, dass der Messfleck repräsentativ für das gesamte Messobjekt ist. Wenn dies nicht gewährleistet ist, beispielsweise wenn die Möglichkeit besteht, dass das Objekt durch andere Materialien verunreinigt oder überdeckt wird, inhomogen ist, oder wenn die Messobjekte eine relevante Oberflächenstruktur aufweisen, die erfasst werden soll, so sind diese Methoden unzureichend. Für derartige Fälle ist die Verwendung von Systemen erforderlich, mit welchen die benötigte Spektralinformation ortsaufgelöst erfasst werden kann.
Es ist bekannt, in diesem Bereich Filtersysteme zu verwenden, wobei wahlweise diskrete Filter bei Beobachtung weniger, ausgewählter Wellenlängen eingesetzt werden oder wobei durch Verwendung von durchstimmbaren optischen Filtern ein multispektrales Bild, in Kombination mit einer Aufnahmeeinheit, üblicherweise einer Kamera, erfasst wird. Ein derartiges System unter Verwendung von akustisch durchstimmbaren optischen Filtern wird in US-A-5,216,484 beschrieben. Die Einschränkung bei Verwendung von Filtersystemen mit mehr als einer beobachteten Wellenlänge ist, dass sich das Messobjekt während der Dauer der Messung relativ zur Messeinrichtung nicht bewegen darf. Bei Auftreten einer Relativbewegung werden eine Reihe von Bildern erhalten, die einzelne Abbilder des Messobjektes bei einzelnen Wellenlängen, jedoch an unterschiedlichen Positionen sind, wodurch kein vollständiges Abbild eines bewegten Messobjektes erhalten werden kann. Durch diese Einschränkung kann die Anforderung der Messung mit hoher Auflösung in beiden ebenen Dimensionen und in Echtzeit ohne Unterbrechung des Prozesses von derartigen Systemen nicht erfüllt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren zum Identifizieren und Klassifizieren von Gegenständen, Objekten und Materialien zu beseitigen, wobei gleichzeitig eine einfache Verfahrensführung gewährleistet sein soll.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Verfahrensschritt die spektralen Daten, wie Farbinformation, chemische Eigenschaften und räumlichen Daten, wie Form, Größe, Lage und/oder Struktur von relativ zur Messeinheit bewegten oder sich bewegenden Gegenständen, Objekten und Materialien in beiden ebenen Dimensionen mit hoher räumlicher und voller spektraler Auflösung in Echtzeit ermittelt und erfasst werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
So kommen als Spektralbereiche vorzugsweise die folgenden Bereiche und/oder Subbereiche der Bereiche und/oder Kombinationen der Bereiche zur Anwendung: Ultraviolett (UV, 200 - 380 nm), sichtbares Licht (380 - 780 nm), nahes Infrarot (NIR, 780 - 2500 nm) und mittleres Infrarot (> 2,5 µm). Die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien können anhand dieser Daten in Echtzeit klassifiziert und anschließend beispielsweise automatisiert sortiert werden.
Ein beispielhafter Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Verfahren ist die material- bzw. sortenreine Sortierung von Gegenständen, Objekten und Materialien, wie Abfallstoffen, aber auch die Aufbereitung von Recycling-Materialien. Es ist bekannt, jegliche Art von Gegenständen, wie Abfallstoffe und Recycling-Material, per Hand zu sortieren. Dabei wird nach Kriterien wie Farbe, Form und Zusammensetzung der zu sortierenden Gegenstände vorgegangen. Obzwar eine Vorsortierung per Hand, wie dies beispielsweise bei kleineren Müllmengen in Haushalten durchgeführt wird, eine Erleichterung für die weitere Abfallentsorgung ist, sind dennoch manuelle Sortierverfahren aufwendig durchzuführen. Um die Sortierung zu vereinfachen bzw. die Sortierung von gesundheitsgefährdenden oder gesundheitsschädlichen Stoffen zu ermöglichen, kann hier das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur in-line Qualitätskontrolle von Produkten während des Produktionsprozesses, beispielsweise von Oberflächenbeschichtungen. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht für diese Anwendung die Kontrolle der Verteilung, Homogenität und Qualität eines Beschichtungsprozesses in Echtzeit. Zusätzlich lassen sich durch Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen auf das Klassifikationsergebnis automatisiert und in Echtzeit Aussagen, beispielsweise über die räumliche und/oder die Größenverteilung von Irregularitäten treffen, was als Regel- und/oder Qualitätssicherungsparameter für die Prozessführung von essentieller Bedeutung für eine effiziente und störungsarme Produktion ist. Gegenüber dem Stand der Technik, namentlich (i) off-line Stichprobenprüfungen, (ii) nicht-ortsaufgelösten on-line Summenprüfverfahren, im Anwendungsbeispiel Flächenwiderstand und/oder -kapazität, oder (iii) der, aus apparatetechnischer und finanzieller Hinsicht aufwendigen Verwendung mehrerer, über die Breite der Förderanlage verteilten Einzelmessköpfe, stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit einen signifikanten Fortschritt dar.
Die Erfindung betrifft weiters ein Erkennungssystem, bestehend aus einer Detektionseinheit zur simultanen Ermittlung der räumlichen aufgelösten Bild- und Spektraldaten in Echtzeit, welche oberhalb der auf einer Transportanlage, vorzugsweise einer Förderbahn, verteilten, zu klassifizierenden und/oder sortierenden Gegenständen positioniert ist, und einer mit dieser Einheit verbundenen Erkennungsund Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten multispektralen Bilddaten. Alternativ kann, insbesonders bei der Betrachtung von Oberflächen großer und/oder schwerer Objekte, die Detektionseinheit auf bzw. von einem ein- oder mehrachsigem Bewegungssystem bewegt werden, wobei sich das Messobjekt in Ruhestellung befindet.
In beiden Anordnungen können Linien quer zur Richtung der relativen Bewegung der zu klassifizierenden Gegenstände durch einen Spalt im Erkennungssystem abgebildet werden. Vorteilhafterweise besteht dieses Erkennungssystem aus einem bildgebendem Spektrographen in Kombination mit einer Aufnahmeeinheit. Dieses System ist dadurch gekennzeichnet, dass Linien, welche quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Messobjekt und Detektionseinheit verlaufen, mit Hilfe einer geeigneten, spektral abgestimmten Optik abgebildet und über einen Eintrittsspalt einem bildgebenden Spektrographen zugeführt werden, welcher mit einem wellenlängendispersiven Element zum spektralen Zerlegen der Linien ausgerüstet ist, so dass an der Austrittsseite des Spektrographen das eintretende Licht in die entsprechenden Spektralbereiche zerlegt und auf eine Aufnahmeeinheit abgebildet wird.
Die, wie vorstehend erläutert, ermittelten Daten werden in der Folge an die Auswerteeinheit weitergegeben, die vorteilhafterweise aus einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage besteht. Die mit hoher Geschwindigkeit übertragenen Daten von der Detektionseinheit werden zunächst mit Hilfe eines entsprechenden Computer-Softwareprogramms eingelesen. Zur Weiterverarbeitung umfasst die Computer-Software eine Reihe von mathematischen Algorithmen zur Bearbeitung der mit Hilfe des Erkennungssystems / den Erkennungssystemen ermittelten Datenströme in Echtzeit.
Bedingt durch die Relativbewegung werden sequentiell Linien aufgenommen und mittels Computersoftware zu einem multidimensionalen Informationsraum zusammengesetzt. Dieser besteht aus den beiden Ortskoordinaten in Längs- und Querrichtung zur Bewegungsrichtung sowie aus einer spektralen Dimension, welche die Spektralinformation als spektrale Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge beschreibt. Durch die Auswertung dieser Daten ist es möglich, sowohl Form, Größe und Lage der zu klassifizierenden Gegenstände als auch simultan dazu Farb- und/oder sonstige Materialeigenschaften, z.B. die chemische Zusammensetzung, zu bestimmen.
Allgemein dient diese Klassifikation der Zuordnung der erkannten Gegenstände zu Gruppen mit ähnlichen oder vergleichbaren Eigenschaften, wie im erfindungsgemäßen Fall, Form, Größe, Farbe, Struktur und/oder chemische Konstitution, sowie Kombinationen aus diesen und/oder ähnlichen Parametern. Zwar lassen sich Farben auch mit Hilfe von üblichen Farbkameras festhalten, jedoch sind diese auf drei Farbkanäle beschränkt, so dass eine Farbklassifikation nur mit hohem technischem Aufwand oder aber verminderter Präzision erfolgen kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch eine Spektralzerlegung ermöglicht, welche für 100 bis 200 Wellenlängen typisch ist, so dass ein präzises Identifizieren und Klassifizieren der zu sortierenden Gegenstände gewährleistet ist.
Durch die Beschränkung des mit einer Einheit erfassbaren Spektralbereiches kann es für spezifische Anwendungen vorteilhaft sein, das Gesamtsystem mit zwei oder mehr Detektionseinheiten, jeweils bestehend aus spektral abgestimmter Optik, bildgebendem Spektrographen und Kamera, auszustatten. Dadurch ist es möglich, die Informationsbasis der Klassifikation zu verbreitern und somit die Klassifikationszuverlässigkeit zu erhöhen. Die Detektionseinheiten werden dazu bevorzugt so in das Gesamtsystem integriert, dass sie synchron zueinander laufen und das selbe Beobachtungsfeld erfassen. Die Detektionseinheiten können wahlweise an eine gemeinsame oder individuelle Erkennungs- und Evaluationseinheiten angeschlossen sein.
Die Erfindung betrifft weiters eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens als automatisierter Materialsortierprozess, welche im wesentlichen aus einer durchgängigen Förderbahn und einer wirkmäßig mit dem Erkennungssystem verbundenen Einrichtung, vorzugsweise eine Düsenreihe, besteht. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Anordnung sind gemäß Unteransprüche geoffenbart.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert, wobei
  • Fig. 1 eine mögliche Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • Fig. 2 einen in dieser Vorrichtung vorgesehenen bildgebenden Spektrographen mit integrierter Aufnahmeeinheit;
  • Fig. 3 ein in dieser Vorrichtung vorgesehenes Förderband; und
  • Fig. 4 den Querschnitt dieses Förderbandes darstellen.
    • Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Anwendung als Erfassungs-, Klassifikations- und Steuersystem für die sortenreine Materialsortierung wird in der Folge anhand der beispielhaften Darstellungen gemäß Fig. 1 bis 4 näher erläutert:
    Die zu sortierenden Gegenstände, Objekte und Materialien werden in Richtung des Pfeils 7 auf das Förderband 4 der Vorrichtung 1 gut verteilt aufgebracht. Nach einer kurzen Beschleunigungsstrecke gelangen diese Gegenstände mit einer Geschwindigkeit von typischerweise 1 bis 3 m/s zur Detektionseinheit 2, welche oberhalb des Förderbandes angeordnet ist. Der zu betrachtende Bereich des Förderbandes ist durch wenigstens eine optische Strahlungsquelle beleuchtet, welche sich bevorzugt durch eine über den Beobachtungsbereich räumlich und spektral homogene Intensitätsverteilung auszeichnet. In dieser Anordnung ist es möglich, Linien, welche quer zum Förderband verlaufen, durch eine Optik 8 der Detektionseinheit 2, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, zu erfassen. Das von dieser Beobachtungslinie ausgehende Licht gelangt über den Eintrittsspalt 9 - siehe Figur 2 - in einen abbildenden Spektrographen 10, der mit einem wellenlängendispersiven Element 11, bevorzugt einem Transmissionsgitter, ausgerüstet ist, so dass an der Austrittseite des Spektrographen unter Erhalt der räumlichen Information der abgebildeten Linie die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt auf einer Aufnahmeeinheit 12 abgebildet werden. Diese Aufnahmeeinheit 12 ist vorteilhafterweise ein zweidimensionales Array, wie eine CCD-(charge-coupled device) oder CMOS- (complementary metal-oxide semiconductor) Kamera oder eine sonstige Kamera, welche für den jeweiligen Spektralbereich besonders geeignet ist.
    Die Daten werden an die Auswerteeinheit 3 übermittelt und dort weiterverarbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen Erkennungssystem werden gleichzeitig zwei Kategorien von Daten bestimmt, nämlich einerseits die Spektraldaten zum Bestimmen der Farbe und/oder der chemischen Eigenschaften und anderseits die Bilddaten zum Bestimmen von Form, Lage, Größe und/oder Struktur der zu klassifizierenden Gegenstände. Die Form der Gegenstände wird dadurch aufgenommen, dass die Linien quer zum Förderband mit einer typischen Auflösung von zwischen 128 Punkten und 1600 Punkten erfasst und ausgewertet werden. Durch die sequentielle Aufnahme der Linien entsteht aus den vorgenannten Linien ein zweidimensionales Bild. Aus diesem Datensatz lassen sich die geometrischen Eigenschaften der zu klassifizierenden Gegenstände bestimmen.
    Die Datenverarbeitung umfasst für typische, rein qualitative Klassifikation eine Dunkelstromkorrektur, eine Referenzierung gegen einen Standard, eine Normalisierung der Spektren, eine Filterstufe zur Reduktion des Rauschens, die Berechnung der 1. oder 2. Ableitung sowie die eigentliche Klassifikation nach einem auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmten und optimierten Algorithmus. Weitere Funktionen können beispielsweise die zur Bestimmung des Schwerpunktes und/oder der Objekt- bzw. Klassenkanten und/oder anderer Objekteigenschaften mittels Bildverarbeitungsalgorithmen sein. Dadurch ist es möglich, die zu trennenden Gegenstände präzise zu erkennen, in Echtzeit zu klassifizieren und im weiteren beispielsweise eine entsprechende Sortierung vorzunehmen.
    Im Falle von Mülltrennung ist beispielsweise für das Recycling von Kunststoffflaschen, wie Polyethylenterephthalat (PET) - Flaschen, nicht nur die Klassifikation nach Material, Komponenten, sondern auch nach Farbe und/oder nach Art der Schraubkappe der Flasche für die Weiterarbeitung vorteilhaft. Ebenso können Standard-Sortierkriterien, die bei anderen Klassifikationsverfahren Verwendung finden, wie Länge, Breite und Form bzw. Kontur direkt aus den Daten extrahiert und zur Sortierung herangezogen werden. Durch Kombination der benötigten Daten im softwareseitigen Evaluationsmodul, beispielsweise durch Vergleich mit hinterlegten Soll-Vorgaben, kann das Klassifikationsergebnis an die prozessspezifische Anforderung angepasst werden. Die Daten, das sind die sogenannten Output-Daten des Evaluationsmoduls, werden über eine benutzerdefinierte Schnittstelle, ein weiteres Modell der Computer-Software, an die entsprechenden Steuer komponenten, beispielsweise ein übergeordnetes Prozessleitsystem oder, wie in dieser beispielhaften Anwendung, an eine Einheit zur automatisierten Sortierung, etwa steuerbare Ausblasdüsen, weitergeleitet. Bei dieser Anwendung für die Materialsortierung kann somit nach dem Ermitteln der vorgenannten Daten eine automatisierte Sortierung, zum Beispiel durch Ausblasen oder mittels gesteuerter Klappen, erfolgen.
    Besonders bevorzugt ist die Sortierung mit Hilfe einer steuerbaren Düsenreihe 5, in welcher Luftdüsen 14 derart angeordnet sind, dass die dadurch erzeugten Luftströme die auszusortierenden Gegenstände schräg seitlich in entsprechende Auffangbehälter wirbeln, so dass diese vom Förderband 4 abgezogen werden können. Die Düsenreihe 5 ist, wie aus Figuren 3 und 4 ersichtlich, vorteilhafterweise unterhalb der die Gegenstände tragenden Trume der Streifen 13 angeordnet.
    Eine weitere bevorzugte Methode ist die Verwendung eines zusätzlichen Querförderbandes 6, das in einem Abstand von beispielsweise 30 cm quer über dem Transportförderband 4 angebracht ist. Die auszutragenden Gegenstände werden bei dieser Ausführungsform durch die Ausblasdüsen auf dieses Förderband gewirbelt und anschließend auf dem Querförderband abtransportiert. Dieser Sortiervorgang wird anhand der Darstellung gemäß Fig. 3 näher erläutert. Daraus ist zu ersehen, dass das Förderband 4 in Längsrichtung aus mehreren voneinander beabstandeten, z.B. etwa 50 Streifen 13 besteht. Die Düsenreihe 5 ist so angebracht, dass die einzelnen Düsen 14 zwischen den Streifen 13 des Förderbandes zur Wirkung kommen. An diesen Ausblasstationen werden die zu sortierenden Gegenstände über die unter dem Förderband montierten, steuerbaren Düsenreihe 5 geführt, wobei durch die besondere Ausführung des Förderbandes in Form der Streifen 13 keine Unterbrechung des Bandes und somit auch keine Unterbrechung im Förderstrom erfolgt. Die Form der Düsen 14 und das dadurch erzeugte Strömungsprofil sind so eingestellt, dass die auszusortierenden Gegenstände entsprechend ihrem Gewicht und dem erzeugten Luftstrom auf das Querförderband 6 oder in einen seitlichen Auffangbehälter (nicht dargestellt) gewirbelt werden. Durch die Verwendung des speziellen Förderbandes 4, beispielsweise einem Riemenband, und das Anbringen der Düsenreihe 5 unter diesem Band, verbleiben jene Gegenstände, welche in dieser Trennstufe noch nicht aussortiert werden, weiterhin mit gleicher Position und Lage auf dem Förderband für den Transport zur nächsten Trennstufe. Dadurch können je nach Anforderungsprofil auch mehrere Trennschritte durchgeführt werden. Dadurch wird das automatisierte Sortieren unterschiedlicher Gegenstände ermöglicht, so dass eine spezifische Sortierung nach Zusammensetzung, wie nach unterschiedlichen Kunststoffen, Metallen und dergleichen, aber auch nach Umweltschädlichkeit, Verkaufswert oder Brennwert ermöglicht ist.
    Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen deshalb in einfacher Weise durchführbar ist, da von einer Einheit simultan und mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung in Echtzeit geometrische sowie spektrale Daten, beispielsweise betreffend Farbe und/oder chemischer Eigenschaften der betrachteten Messobjekte erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders relevant bei Messobjekten, welche sich aus prozesstechnischen oder sonstigen Gründen relativ zum Erkennungssystem in Bewegung befinden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere mit Hilfe des erfindungsgemäßen Erkennungssystems, bestehend aus einer Einheit zum gleichzeitigen Ermitteln von Bild- und Spektraldaten und einer mit dieser verbundenen Einheit zum Auswerten der ermittelten Bild- und Spektraldaten in einfacher Weise durchführen.

    Claims (19)

    1. Verfahren zum Identifizieren, Klassifizieren und Sortieren von Gegenständen, Objekten und Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt die spektralen Daten, wie Farbe, chemische Eigenschaften, und räumlichen Daten, wie Form, Größe, Lage und/oder Struktur von relativ zur Messeinheit bewegten oder sich bewegenden Gegenständen, Objekten und Materialien in beiden ebenen Dimensionen mit hoher räumlicher und voller spektraler Auflösung in Echtzeit ermittelt und erfasst werden und dass die so erfassten Gegenstände, Objekte und Materialien anhand dieser Daten in Echtzeit klassifiziert und anschließend sortiert werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der spektral und zweidimensional räumlich hoch aufgelösten Spektralinformation in Echtzeit durch Beleuchtung und/oder Detektion im UV und/oder im sichtbaren und/oder im nahen Infrarot und/oder im mittleren Infrarot erfolgt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der räumlich aufgelösten Spektralinformation mit Hilfe einer Kombination aus einem bildgebenden Spektrographen (10) und einer Aufnahmeeinheit (12) erfolgt, welche mit einer Auswerteeinheit (3) verbunden ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der ermittelten Bild- und Spektralinformationen in Echtzeit mit Hilfe eines computerbasierten Klassifikationsprogrammes in der Auswerteeinheit (3) erfolgt.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Softwaremoduls die Sortierund/oder Klassifikationskriterien ausgewählt und/oder eingestellt werden.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einem Sortierkriterium entsprechenden Gegenstände mittels einer Sortiervorrichtung, bevorzugt mittels eines steuerbaren Luftstroms, ohne Unterbrechung des Gesamtprozesses aus dem Verfahrenskreislauf abgezogen werden.
    7. Erkennungssystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einer Detektionseinheit (2) zur simultanen Ermittelung von räumlichen aufgelösten Bild- und Spektraldaten in Echtzeit, welche oberhalb der auf einer Transportanlage, vorzugsweise einer Förderbahn (4), verteilten, zu klassifizierenden und/oder sortierenden Gegenständen positioniert ist, und einer mit dieser Einheit verbundenen Auswerteeinheit (3) zum Auswerten der ermittelten multispektralen Bilddaten.
    8. Erkennungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zu klassifizierende Gegenstand stationär ist und dass die Detektionseinheit (2) auf einem ein- oder mehrachsigen Bewegungssystem montiert ist und über den Gegenstand geführt wird.
    9. Erkennungssystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (2) ein bildgebender Spektrograph (10) in Kombination mit einer Aufnahmeeinheit (12) ist, wodurch Linien, welche quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem beobachteten Gegenstand, Objekt oder Material und der Detektionseinheit (2) verlaufen, mit Hilfe einer geeigneten, spektral abgestimmten Optik (8) abgebildet und über einen Eintrittsspalt (9) dem bildgebenden Spektrographen (10) zugeführt werden, welcher mit einem wellenlängendispersiven Element, bevorzugt einem Transmissionsgitter (11), zur Extraktion der Spektralinformation aus einem Lichtstrahl ausgerüstet ist, so dass an der Austrittseite des Spektrographen unter Erhalt der räumlichen Information der abgebildeten Linie die Lichtstrahlen der abgebildeten Linien spektral zerlegt und auf der Aufnahmeeinheit (12) abgebildet werden.
    10. Erkennungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Durchführung der verschiedenen mathematischen Algorithmen zur Vorverarbeitung, Klassifikation und Nachverarbeitung der multispektralen Bilddaten in Echtzeit ist.
    11. Anordnung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Übergabe der Klassifikations- und Bildverarbeitungsresultate der Auswerteeinheit (3) an ein übergeordnetes Prozessleitsystem, wie Prozessregelparameter, Parameter zur Überwachung des Prozesszustandes, Parameter zur Detektion von Betriebsstörungen und/oder fehlerhaften Objekten und/oder Fehlstellen an Objekten.
    12. Anordnung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine durchgängige Förderbahn (4) und wenigstens eine mit dem Erkennungssystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 wirkmäßig verbundene Einrichtung (5) zum Aussortieren von vom Erkennungssystem als den Sortierkriterien entsprechend erkannten Gegenständen, Objekten oder Materialien.
    13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussortieren mittels Computersoftware anhand der durch die Auswerteeinheit (3) ermittelten Daten gesteuert wird.
    14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Aussortieren eine Düsenreihe (5) und seitlich angebrachte Auffangbehälter umfasst.
    15. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Aussortieren eine Düsenreihe (5) und ein quer über die Förderbahn (4) positioniertes Querförderband (6) umfasst.
    16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderbahn (4) über die gesamte Anlage durchgängig ist.
    17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgängige Förderbahn (4) von mehreren parallelen Streifen (13) in Längsrichtung gebildet ist und dass die Düsenreihe (5) unterhalb der die Gegenstände tragenden Trume der Streifen (13) angeordnet ist.
    18. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die auszusortierenden Gegenstände mittels Ausblasung schräg seitlich aus dem Materialstrom entfernt werden.
    19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die auszusortierenden Gegenstände mittels Ausblasung auf ein über dem Transportband befindliches Querförderband (6) gewirbelt und damit aus dem Materialstrom entfernt werden.
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