Richtungsempfindliche Zähl- und Schaltvorrichtung
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Richtungss.elektive Zähl- und Schaltvorrichtungen liefern werden zum Zählen von sich in unterschiedlichen Richtungen bewegenden oder bewegten Personen und/oder Objekten einge-
setzt. Sie liefern eine zusätzliche Information, welche Aufschluß über die Bewegungsrichtungen der erfaßten Perso¬ nen und/oder Objekte gibt.
Nach dem Stand der Technik ist das Zählen und das Bestim¬ men der Richtung bewegter Personen/Objekte bisher fol¬ gendermaßen realisiert:
Bei der Verwendung von Lichtschranken werden mindestens jeweils zwei Strahlungssender und -empfänger an dem zu überwachenden Ort angebracht. Eine genaue Erfassung von bewegten Objekten/Personen ist nur möglich, wenn sie diese nacheinander durchqueren.
Bei der Verkehrsüberwachung wird häufig die Schleifentech¬ nik eingesetzt. Dafür werden Induktionsschleifen in allen Fahrbahnen verlegt. Nachteilig sind die hohen Installati¬ onskosten und die während der Verlegung ^er Induktions- schleifen auftretenden Verkehrsbeeinträchtigungen.
Für das zahlen- und richtungsgemäße Erfassen bewegter Ob¬ jekte sind auch Bildverarbeitungsgeräte geeignet. Da diese Geräte aber die Signale bewegter und unbewegter Objekte aufnehmen, ist der rechentechnische Aufwand zur Bildverar- beitung sehr hoch und die Geräte deswegen relativ teuer.
In der EP-PS 0 287 827 ist ein richtungsselektiver Pyrode- tektor beschrieben, der aus einem Sensor mit wenigstens zwei Sensorelementen für unterschiedliche Detektionsrich- tungen besteht und zur Detektion und Geschwindigkeits- messung sich bewegender Objekte eingesetzt wird. Da neben-
einander fahrende Fahrzeuge nich einzeln aufgelöst werden, ist eine exakte Zählung hier aber nicht möglich.
Eine weitere - in der EP-PS 0 245 242 beschriebene Lösung - sieht vor, daß ein einem sphärisch-parabolisch geformten Spiegel mehrere pyroelektrische Sensorelemente angeordnet sind und somit bewegungs- und richtungsbhängiges Detektie- ren möglich wird. Nachteilig ist, daß sich nebeneinander bewegende Objekte nicht einzeln erfaßt werden, der kompli- zierte Spiegel für viele Anwendungsfälle zu teuer ist und der häufigen Forderung nach kleinen unauffälligen Meldean¬ lagen nicht entspricht.
Durch zwei sich gegenseitig zumindestens teilweise um- schließende Infrarotsensoren, die eine strahlungsempfind¬ liche Fläche entsprechend der Form des gewünschten Ge¬ sichtsfeldes aufweisen, läßt sich gemäß der DE-PS 3 407 462 beispielsweise ein Türöffner realisieren, der an der Tür vorbeigehende Personen nicht registriert und nur auf die Tür direkt zugehende Personen anspricht. Somit ist der Türöffner nur in einer Richtung richtungsselektiv.
Aus der DE-OS 32 25 264 ist ferner ein Infrarotbewegungs¬ melder bekannt, der die Beleuchtung von Fluren, Durch- gangsräumen usw. für eine vorgegebene Zeit einschaltet, wenn sich Personen durch den Erfassungsbereich des Bewe¬ gungsmelders bewegen. Die Anwendung dieser Lösung bei¬ spielsweise als Lichtschalter in Wohnungen ist nicht mög¬ lich, da zwar beim Eintreten einer Person in ein Zimmer die Beleuchtung in ihm eingeschaltet wird, diese sich aber nach Ablauf der vorgegebenen Zeit wieder ausschaltet, wenn sich die im Zimmer befindliche Person nicht weiter bewegt.
Mit der in der DE-PS 36 23 792 beschriebenen Einrichtung ist durch Verwendung mehrerer Infraroteinzelsensoren, die in Durchgangsrichgung hintereinander und quer zur Durch¬ gangsrichtung nebeneinander angebracht sind, das Feststel- len der Personenzahl und -richtung innerhalb eines zu überwachenden Raumes oder einer Durchgangsschleuse mög¬ lich. Da die Einzelsensoren sehr große Gesichtsfelder besitzen, ist diese Vorrichtung in Fällen, wo nur sehr schmale oder sehr kleine Gesichtsfelder realisierbar sind, nicht einsetzbar. Außerdem läßt sich durch die Verwendung von Einzelsensoren diese Vorrichtung nicht miniaturi¬ sieren.
In öffentlichen Verkehrsmitteln wird das Fahrgastaufkommen vor allem durch Lichtschranken, Drucksensoren und empfind¬ liche Trittbretter analysiert.
Bei der Verwendung von Lichtschranken werden an den Türen der öffentlichen Verkehrsmittel jeweils 2 Strahlungssender und -empfänger installiert. Das aufeinanderfolgende Durch¬ queren beider Lichtschranken löst eine der Bewegungsrich¬ tung des Fahrgastes entsprechenden Zählvorgang aus. Da aber dicht nebeneinander gehende Personen nicht sicher einzeln erfaßt und von Fahrgästen mitgeführte Gegenstän- de, wie Regenschirme und Taschen, häufig mitgezählt wer¬ den, ist die genaue Bestimmung des Fahrgastaufkommens nicht möglich.
In Bussen ist die Verwendung von Drucksensoren an den Stoßdämpfern bekannt. Da aus dem Gewicht des Busses und der Passagiere deren Anzahl bestimmt wird, ist die Erfas-
sung der Fahrgastanzahl nicht sehr genau. In Straßenbah¬ nen und Zügen können die Drucksensoren wegen des hohen Eigengewichts der Fahrzeuge nicht eingesetzt werden.
Aus der DE-OS 38 32 428 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden jedoch nicht ausschließlich bewegliche Objekte oder Perso¬ nen, sondern auch unbewegliche Ziele im Erfassungsbereich ausgewertet, so daß die Ergebnisse ungenau sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Personen und/oder Objekte mit hoher Genauigkeit voneinander und nach ihren Bewegungsrichtungen unterscheidet, zählt und/oder Schaltvorgänge auslöst, die kostengünstig her¬ stellbar ist und unauffällig und ohne wesentliche bauliche Veränderungen installiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß eine richtungssensitive Objekt- oder Personenerfassung dann mit großer Genauigkeit möglich ist, wenn Signale ausgewertet werden, welche lediglich Informationen über Änderungen im Erfassungsbereich beinhalten. Durch die Verwendung pyro- elektrischer Detektoren," besteht hier die vorteilhafte Mög¬ lichkeit mit einer wenige Sensorelemente aufweisenden Er- fassungsmatrix eine zuverlässig arbeitende richtungsabhän- gige Detektoreinrichtung zu schaffen.
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Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft in öffentlichen Verkehrsmitteln auch bei hohem Fahrgastauf¬ kommen verwendbar.
Bevorzugt besteht die erfindungsgemäße Lösung aus einem passiven Infrarotdetektor, der aus mehreren pyroelektri- schen Elementen in Form einer oder mehrerer Doppelzeilen ausgebildet ist, hinter einer Sammellinse, wodurch das Ge¬ sichtsfeld der richtungsselektiven Zähl- und Schaltvor- richtung vor der Sammellinse, entsprechend der Anzahl, Geometrie und Anordnung der Mehrelementesensoren in mehre¬ re kleinere Gesichtsfelder unterteilt wird, und die Aus- werteschaltung einen Zähl- und/oder Schaltvorgang auslöst, wenn eine, auf die Bewegung von Personen und/oder Objekten im Gesichtsfeld der richtungsselektiven Zähl- und Schalt¬ vorrichtung deutende Signalfolge vorliegt. Die Mehrelemen¬ tesensoren stellen Strahlungsempfänger zur Aufnahme der von Personen und/oder Objekten emittierter?. Wärmestrahlung dar. Die pyroelektrischen Sensoren, können zudem kosten- günstig hergestellt und ohne zusätzliche Kühlung betrieben werden.
Die bevorzugte Verwendung einer Sammellinse ermöglicht die Fokussierung der einfallenden Wärmestrahlung auf die Mehr- ele entesensoren und außerdem die wesentliche Miniaturi¬ sierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Geräten.
Durch die zentrische Anordnung einer Lochblende vor der Sammellinse werden der Einfall von flachen Strahlen und Streulicht auf die Linse sowie Totalreflexionen innerhalb der Linse vermieden.
Die Gesichtsfelder der richtungsselektiven Zähl- und Schaltvorrichtung sind bevorzugt derart dimensioniert, daß zu detektierende Personen und/oder Objekte sicher erfaßt werden. Die an den Mehrelementesensoren auftretenden Si- gnale werden in den dazugehörigen Vorverstärkern vestärkt, in A/D-Wandler digitalisiert und in der Auswerteschaltung verarbeitet. Aus der Signalfolge unterschiedlichen Zeilen zugehörender Mehrelementesensoren wird die Bewegungsrich¬ tung der das Gesichtsfeld der richtungsselektiven Zähl-und Schaltvorrichtung durchquerenden Personen und/oder Objekte bestimmt.
Da zur Detektion einer Bewegung im Erfassungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine definierte Signalfolge vorliegen muß, sind Fehlfunktionen mit hoher Wahrschein¬ lichkeit auszuschließen. Die Verwendung eines Interferenz¬ filters vor der Sammellinse verhindert zudem, daß Stör¬ strahlung, wie beispielsweise Strahlung de«£ Sonne oder von Autoscheinwerfern, auf die Mehrelementesensoren fallen kann.
Anwendungen bestehen beispielsweise bei der Besetzungsgrad¬ erfassung in öffentlichen Verkehrsmitteln, bei der Ana¬ lyse von Verkehrsströmen, bei der Steuerung verschiedener Gebäudeeinrichtungen, als Türöffner und Personenzähler so¬ wie in der Anwendung bewegungsabhängiger Schalter.
Die Erfindung wird bevorzugt realisiert durch eine Anord¬ nung, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip, mit min- destens einer Doppelzeile empfindlicher Elemente, einer analogen Signalvorverarbeitung, einer digitalen Signalver-
arbeitung zur Mustererkennung und einem optisch abbilden¬ den System, beispielsweise einer Sammellinse.
Infolge des pyroelektrischen Sensorprinzips wird nur eine Bewegung von Objekten, wenn sie mit einem Wärmekontrast verbunden ist, detektiert. Damit kann der Ablauf einer Be¬ wegung einer Person mit einfachen Mitteln verfolgt werden. Für die in einem Signalprozessor ablaufende Musterer¬ kennung ist es bedeutsam, daß der konstante Hintergrund keine detektierbaren Signale liefert. Somit ist die Erfas¬ sung einer Bewegung einer Person oder eines bewegten Ob¬ jektes durch die Unterdrückung der Informationen über den Hintergrund im Unterschied zu einer herkömmlichen Videoka¬ mera stark vereinfacht. In der hier beschriebenen Erfin- d ng hat der Signalprozessor nur die Signale von bewegten Objekten, die über einen Wärmekontrast zur Umgebung verfü¬ gen in Form einer Musterfolge zu analysieren.
«^ Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Mehrelementesensoren eines Ausführungsbei- spiels in einer Doppelzeile,
Figur 2 -eine prinzipielle Schnittdarstellung des Ausfüh- rungsbeispiels mit den dazugehörigen Gesichtsfeldern,
Figur 3 eine weitere prinzipielle Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß Figur 2 bei der die Ansicht um 90° ge¬ dreht dargestellt ist,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung zur Besetzungsgraderfassung in öffentlichen Verkehrsmitteln in Frontalansicht,
Figur 5 eine weitere günstige Anordnung eines Ausführungs- beispiels eines Mehrelementesen sors in mehreren Doppel¬ zeilen,
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung einer Lichtsi- gnalanlage an einem Fußgängerübergang,
Figur 7 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich Signal¬ verarbeitung sowie
Figur 8 eine schematische Darstellung der sich bei der Vorrichtung gemäß Figur 7 ergebenden Eingangssignale.
In Figur 1 ist der Detektor 1, bestehend aus fünfzehn wechselseitig in einer Doppelzeile angeordneten Mehrele¬ mentesensoren 1.1 bis 1.15, dargestellt. Jedem Mehrelemen- tesensor ist ein Gesichtsfeld zugeordnet. Die einzelnen Elemente sind als pyroelektrische Sensorelemente ausgebil¬ det und gegeneinander versetzt angeordnet. Jedes Sensore- lement erfaßt einen Teilbereich des Gesichtsfeldes und gibt ein Signal ab, wenn hier eine Änderung vorkommt. Auf
diese Weise werden unbewegliche Objekte oder Personen schon bei der Erfassung ohne elektronischen Mehraufwand ausgeblendet. Es müssen lediglich die Ausgangssignale der einzelnen Sensorelmente getrennt verstärkt und nachverar¬ beitet werden. Die Geometrie und Anordnung der Mehrelemen¬ tesensoren entspricht der Geometrie und Anordnung der ge¬ wünschten Gesichtsfelder, wird aber auch wesentlich von der Form und dem Brechungsindex der Linse, und vom Abstand der Mehrelementesensoren zur Linse bestimmt.
Die Figuren 2 und 3 zeigen die Vorder- und Seitenansichten der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihrem Gesichtsfeld 4. Die Erfassungssektoren der einzelnen Sensoren sind strahlenförmig angeordnet. Die Anzahl der quer zur Durch- trittsrichtung angeordneten Sensoren ist dabei derart ge¬ wählt, daß der zu erfassende Bereich abgedeckt ist, hängt also von der Durchgangsbreite ab. In Durchtrittsrichtung sind dagegen nur wenige Sensoren (minimal Zwei) erforder¬ lich, da hier lediglich die zeitliche Folge der erfaßten Änderungen ausgewertet werden muß. (Vorverstärker, Multi- plexer, Analog/Digital-Wandler und Auswerteschaltung sind hier nicht dargestellt und werden weiter unten näher be¬ schrieben.
In der Brennebene einer halbkugelförmigen Linse 2 befindet sich der Detektor 1. Vor der planen Seite der Linse ist eine Lochblende 3 zentrisch angeordnet, die flache Strah¬ len und Streulicht von der Linse fernhält und das Auftre¬ ten -von Totalreflexionen in der Linse verhindert. (Bei ei- ner hier nicht dargestellten weiteren Ausführung der Er¬ findung ist im Bereich der Lochblende ein zusätzliches In-
terferenzfilter zur Herabsetzung von störender Lichtein¬ strahlung vorgesehen. ) Das gesamte Gesichtsfeld der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung, welches einen Winkelbereich von 120° parallel zur Doppelzeile und einen Winkelbereich von 16° senkrecht zur Doppelzeile umfaßt, besteht aus fünfzehn kleinen (Teil-)Gesichtsfeldern 4.1 bis 1.15, die jeweils einen Öffnungswinkel von 8° besitzen, und abwechselnd zu beiden Seiten einer durch den Linsenmittelpunkt und zwi¬ schen den Mehrelementesensoren längs der Doppelzeile ver- laufenden Ebene, angeordnet sind.
Figur 4 zeigt, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 zur Besetzungsgraderfassung in einem öffentlichen Verkehrsmit¬ tel 6 eingesetzt werden kann.
Die richtungsselektive Zähl- und Schaltvorrichtung wird mittig oberhalb der Türen so installiert, daß sich der be¬ gehbare Türbereich in ihrem Gesichtsfeld^befindet. Beim Ein- bzw. Aussteigen von Passagieren durchqueren diese mehrere Gesichtsfelder der erfindungsgemäßen Vorrichtung und lösen dabei einen Zählvorgang aus.
In Figur 5 ist ein aus mehreren Mehrelementesensoren be¬ stehender Detektor 7 in Form mehrerer Doppelzeilen darge- stellt, die ein Gebiet als Gesichtsfeld vollständig um¬ schließen, so daß erfaßt werden kann, ob Personen oder Ge¬ genstände in das überwachte Gebiet hinein oder aus diesem heraus gelangen. Eine derartige Anordnung ist beispiels¬ weise zur Steuerung einer Lichtsignalanlage geeignet.
Figur 6 zeigt einen Fußgängerüberweg 8, die Lichtsignalan¬ lage 9 und den von dem Gesichtsfeld 10 der hier nicht dar-
gestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung umschlossenen Fußgängererfassungsbereich 11. Durch die Verwendung der richtungsselektiven Zähl- und Schaltvorrichtung kann die Lichtsignalanlage so gesteuert werden, daß sie nur "grün" anzeigt, wenn wirklich Fußgänger an dieser Stelle die Straße überqueren wollen. Auf diese Weise kann der Vekehr flüssiger gestaltet werden, da nicht erforderliche Grün¬ phasen der Lichtsignalanlage für die Fußgänger entfallen.
In der Figur 7 ist der Informationsfluß bei einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung darge¬ stellt. Die Infrarotstrahlung wird von einer Objektebene 21 mittels einer Linse 22 auf die sich in der Brennpunkte¬ bene befindliche pyroelektrische Matrix 23 abgebildet. An den empfindlichen Elementen, auf die sich zeitlich verän¬ dernde Wärmestrahlung fällt, entsteht ein Spannungssignal. Nach einer analogen Signalverstärkung 24 wandelt ein Mul- tiplexer 25 die an den einzelnen Elementen anliegende Spannung in eine serielle Signalfolge um. Diese Folge ana- loger Signale wird am A/D-Wandler 26 in eine digitalisier¬ te Signalfolge umgesetzt. Im Signalprozessor 27 wird dann mittels einer Software entsprechend der ursprünglichen Pi¬ xelgeometrie ein Grauwertmuster erstellt. Aus diesem Mu¬ ster geht hervor, in welchem Abschnitt des Erfassungsbe- reichs der Objektebene in einem vorbestimmten Zeitfenster eine Bewegung stattfand.
Das aufgenommene Grauwertmuster, wie es nach der entspre¬ chenden Signalverarbeitung in digitalisierter Form vorhan- den ist, ist in den Figuren 8a bis d dargestellt. Die in den Figuren 8a bis d wiedergegebenen Muster wurden zu un-
terschiedlichen Zeiten in einem Zeitraster, welches dem zu erwartenden Durchqueren eines Objektes oder einer Person durch den Erfassungsbereich angepaßt ist, aufgenommen. Der Zeitablauf ist durch die Richtung des Pfeils t bezeichnet und entspricht der Reihenfolge der Figurenbezeichnungen.
Die einzelnen Sensorelemente der Matrix sind durch Kombi¬ nationen von Buchstaben und Ziffern bezeichnet. In dem Speicher des Signalprozessors werden die Muster in ent- sprechend codierter Form abgelegt. Die Art der Signalver¬ arbeitung und Speicherorganisation ist dabei von dem ver¬ wendeten Prozessortyp abhängig und braucht hier daher nicht näher beschrieben zu werden, da sie aus den entspre¬ chenden Systemhandbüchern hervorgeht.
Nach der Ablage der aufeinanderfolgenden Muster im Spei¬ cher erfolgt die Musteranalyse durch den Vergleich zeit¬ lich aufeinanderfolgender Muster. ^
Es ist ersichtlich, daß sich bei den Darstellungen gemäß Figuren 8a bis d ein Objekt von der Ecke AI in die Ecke D4 bewegt hat. Die Ermittlung von bewegten Objekten in nach ihrer Richtung erfolgt nun dadurch, daß die Signaldiffe¬ renzen in benachbarten Felder zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten im Zeitraster miteinander verglichen werden. Jede Signalzu- oder -abnähme die im Vergleich zu einem be¬ nachbarten Element zu einen späteren Zeitpunkt erfolgt werden als Bewegung des Elements in Richtung zu dem Ele¬ ment gewertet, bei dem die Änderung später eintrat (beispielsweise Elemente D2/D3 in den Figuren 8a und b) . Dabei erfolgt eine Mitteilung und Zusammenfassung für be-
nachbarte Sensoren, in denen in zeitlicher Nachbarschaft Signaländerungen ermittelt wurden, so daß die Erfassung für das betreffende Objekt nur einen Registriervorgang in einem entsprechenden nachgeschalteten Zähler in Zuordnung zu der jeweiligen Richtung auslöst. Wenn also bei der Dar¬ stellung gemäß Figuren 8a bis 8d verschiedene kleinere Ob¬ jekte erfaßt werden, erfolgt eine Registrierung in unter¬ schiedlichen Zählern entsprechend der Bewegungsric tung. Dabei kann auch eine zusätzliche Klassifizierung nach der Ob ektgröße erfolgen.
Es ist ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung durch Verwendung von pyroelektrischen Sensorelementen le¬ diglich Signaländerungen - also bewegte Objekte - erkannt werden, während gleichzeitig im Erfassungsbereich befind¬ liche ruhende Objekte die SignalVerarbeitung nicht beein¬ flussen. Damit entfällt ein großer Teil von störenden Si¬ gnalen von vorn herein und braucht nichts in aufwendiger Weise im Rahmen einer Störbeseitigung eliminiert zu er- den.
Infolge des Mustervergleichs kann damit die geometrische Grosse, die Richtung und die Zahl der bewegten Objekte je nach Anwendungszweck erkannt werden.
Durch die Erfindung wurde eine Vorrichtung geschaffen, die Personen und/oder Objekte mit hoher Genauigkeit voneinan¬ der und nach ihren Bewegungsrichtungen unterscheidet, zählt und/oder Schaltvorgänge auslöst, wesentlich kleiner als bekannte Infrarotbewegungsmelder ist, kostengünstig hergestellt und ohne wesentliche bauliche Veränderungen installiert werden kann.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei- spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.