Общие разработки в области микроэлектроники и технологии датчиков дают основания надеяться, что повышение безопасности труда может быть достигнуто за счет наличия надежных, выносливых, неприхотливых и недорогих датчиков присутствия и приближения. В этой статье будут описаны сенсорные технологии, различные процедуры обнаружения, условия и ограничения, применимые к использованию сенсорных систем, а также некоторые завершенные исследования и работы по стандартизации в Германии.

Критерии детектора присутствия

Разработка и практическое испытание датчиков присутствия является одним из самых серьезных будущих вызовов для технических усилий по повышению безопасности труда и защиты персонала в целом. Датчики присутствия датчики, которые надежно и достоверно сигнализируют о вблизи присутствия или приближения человека. Кроме того, это предупреждение должно поступать быстро, чтобы уклонение, торможение или отключение неподвижной машины могли произойти до того, как произойдет предполагаемый контакт. Независимо от того, большие люди или маленькие, какова их поза или как они одеты, это не должно влиять на надежность датчика. Кроме того, датчик должен обладать надежностью функционирования, быть прочным и недорогим, чтобы его можно было использовать в самых сложных условиях, например, на строительных площадках и в мобильных приложениях, с минимальным обслуживанием. Датчики должны быть как подушка безопасности в том смысле, что они не требуют обслуживания и всегда готовы к работе. Учитывая нежелание некоторых пользователей обслуживать то, что они считают второстепенным оборудованием, датчики могут не обслуживаться годами. Еще одна особенность датчиков присутствия, которая, скорее всего, будет востребована, заключается в том, что они также обнаруживают препятствия, не являющиеся людьми, и вовремя предупреждают оператора о принятии защитных мер, что снижает затраты на ремонт и материальный ущерб. Это причина установки датчиков присутствия, которую нельзя недооценивать.

Приложения для детекторов

Бесчисленных несчастных случаев со смертельным исходом и серьезных травм, которые кажутся неизбежными, отдельными случайностями, можно избежать или свести к минимуму, если датчики присутствия станут более приемлемыми в качестве превентивной меры в области безопасности труда. Газеты слишком часто сообщают об этих авариях: здесь человек был сбит задним ходом погрузчика, там оператор не видел кого-то, кого задавило передним колесом экскаватора. Грузовики, движущиеся задним ходом по улицам, предприятиям и строительным площадкам, являются причиной многих несчастных случаев с людьми. Сегодняшние полностью рационализированные компании больше не предоставляют штурманов или других лиц, которые могли бы выступать в качестве проводников для водителя, который едет задним ходом. Эти примеры дорожно-транспортных происшествий можно легко распространить на другое мобильное оборудование, такое как вилочные погрузчики. Однако использование датчиков крайне необходимо для предотвращения аварий с участием полумобильного и чисто стационарного оборудования. Примером могут служить задние области больших погрузочных машин, которые были идентифицированы службой безопасности как потенциально опасные зоны, которые можно улучшить за счет использования недорогих датчиков. Многие варианты датчиков присутствия могут быть инновационно адаптированы к другим транспортным средствам и крупному мобильному оборудованию для защиты от типов аварий, обсуждаемых в этой статье, которые обычно приводят к значительным повреждениям и серьезным, если не смертельным, травмам.

Тенденция к более широкому распространению инновационных решений, по-видимому, обещает, что датчики присутствия станут стандартной технологией безопасности в других приложениях; однако нигде этого нет. Прорыв, мотивированный авариями и большим материальным ущербом, ожидается в мониторинге за фургонами и большегрузными автомобилями, а также в самых инновационных областях «новых технологий» — мобильных роботах будущего.

Разнообразие областей применения датчиков присутствия и изменчивость задач — например, допуск объектов (даже движущихся объектов при определенных условиях), которые принадлежат к области обнаружения и которые не должны вызывать срабатывание сигнала, — требуют датчиков, в которых « «интеллектуальная» технология оценки поддерживает механизмы сенсорной функции. Эта технология, которая является предметом будущего развития, может быть разработана на основе методов, основанных на области искусственного интеллекта (Шрайбер и Кун, 1995). На сегодняшний день ограниченная универсальность серьезно ограничивает текущее использование датчиков. Есть легкие шторы; световые полосы; контактные коврики; пассивные инфракрасные датчики; ультразвуковые и радарные датчики движения, использующие эффект Доплера; датчики, производящие измерения за истекшее время ультразвуковых, радиолокационных и световых импульсов; и лазерные сканеры. Обычные телевизионные камеры, подключенные к мониторам, в этот список не включены, поскольку они не являются датчиками присутствия. Однако включены те камеры, которые активируются автоматически при обнаружении присутствия человека.

Сенсорная техника

Сегодня основными задачами датчиков являются (1) оптимизация использования физических эффектов (инфракрасного, светового, ультразвукового, радиолокационного и т. д.) и (2) самоконтроль. Лазерные сканеры интенсивно разрабатываются для использования в качестве навигационных инструментов для мобильных роботов. Для этого должны быть решены две задачи, частично разные в принципе: навигация робота и защита присутствующих людей (и материалов или оборудования), чтобы их нельзя было ударить, наехать или схватить (Freund, Dierks and Rossman 1993). ). Будущие мобильные роботы не смогут сохранить ту же философию безопасности «пространственного разделения робота и человека», которая строго применяется к сегодняшним стационарным промышленным роботам. Это означает, что необходимо уделять большое внимание надежному функционированию используемого датчика присутствия.

Использование «новой технологии» часто связано с проблемами принятия, и можно предположить, что повсеместное использование мобильных роботов, которые могут перемещаться и захватывать людей на растениях, в местах общественного транспорта или даже в домах или зонах отдыха , будут приняты только в том случае, если они оснащены очень совершенными, сложными и надежными датчиками присутствия. Эффектных происшествий следует избегать любой ценой, чтобы не усугубить возможную проблему приемки. Текущий уровень затрат на разработку этого типа датчиков охраны труда и близко не подходит для учета этого соображения. Чтобы сэкономить много средств, датчики присутствия следует разрабатывать и тестировать одновременно с мобильными роботами и навигационными системами, а не после.

Применительно к автотранспортным средствам вопросы безопасности приобретают все большее значение. Инновационная безопасность пассажиров в автомобилях включает в себя трехточечные ремни безопасности, детские кресла, подушки безопасности и антиблокировочную тормозную систему, подтвержденную серийными краш-тестами. Эти меры безопасности составляют относительно растущую часть производственных затрат. Боковая подушка безопасности и системы радарных датчиков для измерения расстояния до впереди идущего автомобиля являются эволюционными разработками в области защиты пассажиров.

Повышенное внимание уделяется внешней безопасности автотранспортных средств, то есть защите третьих лиц. В последнее время требуется боковая защита, в первую очередь для грузовых автомобилей, чтобы исключить опасность попадания под задние колеса мотоциклистов, велосипедистов и пешеходов. Следующим логическим шагом будет мониторинг зоны позади больших транспортных средств с помощью датчиков присутствия и установка предупреждающего оборудования сзади. Положительным побочным эффектом этого будет обеспечение финансирования, необходимого для разработки, тестирования и предоставления максимально эффективных, самоконтролирующихся, не требующих обслуживания и надежно функционирующих недорогих датчиков для целей безопасности труда. Процесс испытаний, который будет сопровождаться широким внедрением датчиков или сенсорных систем, значительно облегчит инновации в других областях, таких как экскаваторы, тяжелые погрузчики и другие большие мобильные машины, которые в течение половины времени работают в резервном режиме. Эволюционный процесс от стационарных роботов к мобильным роботам является дополнительным путем развития датчиков присутствия. Например, можно было бы усовершенствовать датчики, которые в настоящее время используются в мобильных роботах-манипуляторах или «автономных фабричных тракторах», которые следуют по фиксированным траекториям и, следовательно, предъявляют относительно низкие требования к безопасности. Использование датчиков присутствия является следующим логическим шагом в повышении безопасности грузовых и пассажирских перевозок.

Процедуры обнаружения

Для оценки и решения вышеуказанных задач могут быть использованы различные физические принципы, доступные в связи с электронными методами измерения и самоконтроля и, в некоторой степени, высокопроизводительными вычислительными процедурами. Очевидно легкая и надежная работа автоматических машин (роботов), столь часто встречающаяся в научно-фантастических фильмах, возможно, будет реализована в реальном мире за счет использования методов визуализации и высокопроизводительных алгоритмов распознавания образов в сочетании с методами измерения расстояний, аналогичными тем используются лазерные сканеры. Необходимо признать парадоксальность ситуации, когда все, что кажется простым людям, для автоматов сложно. Например, такую ​​сложную задачу, как превосходная игра в шахматы (которая требует активности переднего мозга), легче смоделировать и выполнить с помощью автоматических машин, чем такую ​​простую задачу, как прямохождение или выполнение зрительно-моторной координации и другой координации движений (опосредованной средний и задний мозг). Некоторые из этих принципов, методов и процедур, применимых к датчикам, описаны ниже. В дополнение к ним существует большое количество специальных процедур для очень специальных задач, которые частично работают с комбинацией различных типов физических воздействий.

Светозащитные шторы и штанги. Среди первых датчиков присутствия были светозащитные шторы и решетки. У них плоская геометрия мониторинга; то есть тот, кто прошел барьер, больше не будет обнаружен. Рука оператора или наличие инструментов или деталей, которые держит оператор, например, могут быть быстро и надежно обнаружены с помощью этих устройств. Они вносят важный вклад в безопасность труда для машин (таких как прессы и штамповочные машины), которые требуют ручной загрузки материала. Статистическая надежность должна быть чрезвычайно высокой, потому что, когда рука достигает всего два-три раза в минуту, всего за несколько лет выполняется около миллиона операций. Взаимный самоконтроль компонентов отправителя и получателя был разработан на таком очень высоком техническом уровне, что представляет собой стандарт для всех других процедур обнаружения присутствия.

Контактные коврики (маты переключателей). Существуют как пассивные, так и активные (насосные) типы электрических и пневматических контактных матов и полов, которые изначально массово использовались в сервисных функциях (открыватели дверей), пока их не вытеснили датчики движения. Дальнейшее развитие происходит с использованием датчиков присутствия во всевозможных опасных зонах. Например, развитие автоматизированного производства с изменением функции рабочего — от управления машиной к строгому контролю за ее работой — вызвало соответствующий спрос на соответствующие детекторы. Стандартизация этого использования хорошо развита (DIN 1995a), а специальные ограничения (расположение, размер, максимально допустимые «мертвые» зоны) потребовали развития опыта для установки в этой области использования.

Интересные возможности использования контактных ковриков возникают в сочетании с несколькими роботизированными системами, управляемыми компьютером. Оператор переключает один или два элемента, чтобы датчик присутствия улавливал его точное положение и сообщал об этом компьютеру, который управляет системами управления роботами со встроенной системой предотвращения столкновений. В одном испытании, проведенном Немецким федеральным институтом безопасности (BAU), для этой цели под рабочей зоной робота-манипулятора был уложен контактный коврик, состоящий из небольших ковриков с электрическими переключателями (Freund, Dierks and Rossman, 1993). Этот датчик присутствия имел форму шахматной доски. Соответствующее активированное поле мата сообщало компьютеру положение оператора (рис. 1), и когда оператор подходил слишком близко к роботу, он удалялся. Без датчика присутствия роботизированная система не смогла бы определить положение оператора, и тогда оператор не мог бы быть защищен.

Рисунок 1. Человек (справа) и два робота в вычисляемых телах-обертках

Отражатели (датчики движения и датчики присутствия). Какими бы достойными ни были датчики, обсуждавшиеся до сих пор, они не являются датчиками присутствия в более широком смысле. Их пригодность — в первую очередь из соображений безопасности труда — для крупногабаритных транспортных средств и крупногабаритного мобильного оборудования предполагает две важные характеристики: (1) возможность наблюдения за территорией с одного места и (2) безошибочное функционирование без необходимости принятия дополнительных мер по часть — например, использование отражательных устройств. Обнаружение присутствия человека, входящего в контролируемую зону и остающегося остановленным до тех пор, пока этот человек не уйдет, также подразумевает необходимость обнаружения человека, стоящего абсолютно неподвижно. Это отличает так называемые датчики движения от датчиков присутствия, по крайней мере, в связи с мобильным оборудованием; Датчики движения почти всегда срабатывают, когда транспортное средство приводится в движение.

Датчики движения. Двумя основными типами датчиков движения являются: (1) «пассивные инфракрасные датчики» (PIRS), которые реагируют на наименьшее изменение инфракрасного луча в контролируемой области (наименьший обнаруживаемый луч составляет примерно 10^-9 W с диапазоном длин волн примерно от 7 до 20 мкм); и (2) ультразвуковые и микроволновые датчики, использующие принцип Доплера, который определяет характеристики движения объекта по изменению частоты. Например, эффект Доплера увеличивает для наблюдателя частоту гудка локомотива, когда он приближается, и уменьшает частоту, когда локомотив удаляется. Эффект Доплера делает возможным создание относительно простых датчиков сближения, поскольку приемнику нужно только контролировать частоту сигнала соседних частотных диапазонов для появления доплеровской частоты.

В середине 1970-х годов использование детекторов движения стало преобладать в сервисных приложениях, таких как открывание дверей, защита от кражи и защита объектов. При стационарном использовании обнаружения приближающегося человека к опасному участку было достаточно для своевременного предупреждения или выключения машины. Это послужило основой для изучения пригодности детекторов движения для их использования в целях безопасности труда, особенно с помощью PIRS (Mester et al., 1980). Поскольку одетый человек обычно имеет более высокую температуру, чем окружающая среда (голова 34°C, руки 31°C), обнаружить приближающегося человека несколько легче, чем обнаружить неодушевленные предметы. В ограниченной степени части машины могут перемещаться в контролируемой зоне без срабатывания детектора.

Пассивный метод (без передатчика) имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество состоит в том, что PIRS не создает проблем с шумом и электрическим смогом. Для защиты от кражи и защиты объектов особенно важно, чтобы детектор было нелегко найти. Однако датчик, который является только приемником, вряд ли может контролировать свою собственную эффективность, что очень важно для безопасности труда. Одним из способов преодоления этого недостатка было тестирование небольших модулированных (от 5 до 20 Гц) инфракрасных излучателей, которые устанавливались в контролируемой зоне и не вызывали срабатывания датчика, но чьи лучи регистрировались с фиксированным электронным усилением, настроенным на частоту модуляции. Эта модификация превратила его из «пассивного» датчика в «активный». Таким образом также можно было проверить геометрическую точность контролируемой области. Зеркала могут иметь слепые зоны, а направление пассивного датчика может быть сбито из-за грубой работы растения. На рис. 2 показан тестовый макет с ПИРС с контролируемой геометрией в виде мантии пирамиды. Благодаря большому радиусу действия пассивные инфракрасные датчики устанавливаются, например, в проходах стеллажей.

Рис. 2. Пассивный инфракрасный датчик как детектор приближения в опасной зоне

В целом испытания показали, что датчики движения не подходят для обеспечения безопасности труда. Пол ночного музея нельзя сравнивать с опасными зонами на рабочем месте.

Ультразвуковые, радиолокационные и светоимпульсные детекторы. Датчики, использующие принцип импульса/эха, т. е. измеряющие прошедшее время ультразвуковых, радарных или световых импульсов, имеют большой потенциал в качестве датчиков присутствия. С помощью лазерных сканеров световые импульсы могут проходить в быстрой последовательности (обычно вращательно), например, по горизонтали, а с помощью компьютера можно получить дальний профиль объектов на плоскости, отражающих свет. Если, например, требуется не только одна линия, но и все то, что находится перед мобильным роботом на высоте до 2 метров, то для изображения окружающего пространства необходимо обрабатывать большое количество данных. Будущий «идеальный» датчик присутствия будет состоять из комбинации следующих двух процессов:

1. Будет использоваться процесс распознавания образов, состоящий из камеры и компьютера. Последняя также может быть «нейронной сетью».
2. Кроме того, для измерения расстояний требуется процесс лазерного сканирования; это берет пеленг в трехмерном пространстве по ряду отдельных точек, выбранных в процессе распознавания образов, установленном для получения расстояния и движения по скорости и направлению.

На Рисунке 3 показано, из ранее упомянутого проекта BAU (Freund, Dierks and Rossman 1993), использование лазерного сканера на мобильном роботе, который также выполняет навигационные задачи (с помощью луча, определяющего направление) и защиту от столкновений с объектами в непосредственной близости. близость (через наземный измерительный луч для обнаружения присутствия). Учитывая эти особенности, мобильный робот имеет возможность активное автоматизированное свободное вождение (т.е. возможность объезжать препятствия). Технически это достигается за счет использования угла поворота сканера в 45° назад с обеих сторон (влево и вправо от робота) в дополнение к углу 180° вперед. Эти лучи связаны со специальным зеркалом, которое действует как световая завеса на полу перед мобильным роботом (обеспечивая линию обзора с земли). Если оттуда исходит лазерное отражение, робот останавливается. В то время как лазерные и световые сканеры, сертифицированные для использования в области безопасности труда, уже представлены на рынке, эти датчики присутствия имеют большой потенциал для дальнейшего развития.

Рис. 3. Мобильный робот с лазерным сканером для навигации и обнаружения присутствия

Ультразвуковые и радарные датчики, которые используют время от сигнала до отклика для определения расстояния, менее требовательны с технической точки зрения и, следовательно, могут производиться дешевле. Сенсорная область имеет булавовидную форму и имеет одну или несколько боковых бугорков меньшего размера, которые расположены симметрично. Скорость распространения сигнала (звук: 330 м/с; электромагнитная волна: 300,000 XNUMX км/с) определяет необходимую скорость используемой электроники.

Предупреждающие устройства задней зоны. На выставке в Ганновере в 1985 году BAU представила результаты первоначального проекта по использованию ультразвуковых датчиков для защиты территории позади больших транспортных средств (Langer and Kurfürst, 1985). Полноразмерная модель сенсорной головки, изготовленная из сенсоров Polaroid™, была установлена ​​на задней стенке грузового автомобиля. На рис. 4 схематично показано его функционирование. Большой диаметр этого датчика создает относительно малоугловые (приблизительно 18°), дальнодействующие булавовидные измеряемые области, расположенные рядом друг с другом и настроенные на разные максимальные диапазоны сигнала. На практике это позволяет задать любую желаемую контролируемую геометрию, которая сканируется датчиками примерно четыре раза в секунду на присутствие или вход людей. Другие продемонстрированные системы предупреждения о тыле имели несколько параллельных отдельных датчиков.

Рисунок 4. Расположение измерительной головки и контролируемой области на задней стороне грузовика

Эта яркая демонстрация имела большой успех на выставке. Он показал, что обеспечение безопасности тыла крупных транспортных средств и оборудования изучается во многих местах, например, специализированными комитетами отраслевых торговых ассоциаций. (Berufsgenossenschaften), муниципальные страховщики от несчастных случаев (которые отвечают за муниципальный транспорт), чиновники государственного отраслевого надзора и производители датчиков, которые больше думали об автомобилях как о служебных транспортных средствах (в смысле сосредоточения внимания на парковочных системах для защиты от повреждения кузова). Спонтанно был сформирован специальный комитет, составленный из групп по продвижению устройств оповещения в тылу, и в качестве первой задачи он взял на себя подготовку списка требований с точки зрения безопасности труда. Прошло десять лет, за это время многое было проработано в области контроля тыла — возможно, самой важной задачи датчиков присутствия; но большой прорыв все еще отсутствует.

Было проведено множество проектов с ультразвуковыми датчиками, например, на кранах для сортировки круглого леса, гидравлических экскаваторах, специальных коммунальных транспортных средствах и других коммунальных транспортных средствах, а также на вилочных погрузчиках и погрузчиках (Schreiber, 1990). Предупреждающие устройства в задней части особенно важны для крупной техники, которая большую часть времени движется задним ходом. Ультразвуковые датчики присутствия используются, например, для защиты специализированных беспилотных транспортных средств, таких как роботизированные погрузочно-разгрузочные машины. По сравнению с резиновыми бамперами эти датчики имеют большую зону обнаружения, что обеспечивает торможение до того, как машина соприкоснется с объектом. Соответствующие датчики для автомобилей являются соответствующими разработками и предъявляют значительно менее жесткие требования.

Тем временем Комитет по техническим стандартам транспортных систем DIN разработал стандарт 75031 «Устройства обнаружения препятствий при движении задним ходом» (DIN 1995b). Требования и испытания были установлены для двух диапазонов: 1.8 м для грузовиков снабжения и 3.0 м — дополнительная зона предупреждения — для более крупных грузовиков. Контролируемая область устанавливается посредством распознавания цилиндрических пробных тел. Диапазон 3 м также является пределом того, что в настоящее время технически возможно, поскольку ультразвуковые датчики должны иметь закрытые металлические мембраны, учитывая их тяжелые условия работы. Устанавливаются требования к самоконтролю сенсорной системы, так как требуемая контролируемая геометрия может быть достигнута только системой из трех и более сенсоров. На рис. 5 показано устройство оповещения сзади, состоящее из трех ультразвуковых датчиков (Microsonic GmbH, 1996). То же самое относится к устройству оповещения в кабине водителя и типу предупредительного сигнала. Содержание стандарта DIN 75031 также изложено в международном техническом отчете ISO TR 12155 «Коммерческие автомобили — Устройство обнаружения препятствий при движении задним ходом» (ISO 1994). Различные производители датчиков разработали прототипы в соответствии с этим стандартом.

Рис. 5. Грузовик среднего размера, оборудованный сигнальным устройством сзади (фото Microsonic).

Заключение

С начала 1970-х годов несколько организаций и производителей датчиков работали над разработкой и внедрением «детекторов присутствия». В специальном приложении «задние сигнальные устройства» есть стандарт DIN 75031 и отчет ISO TR 12155. В настоящее время Deutsche Post AG проводит серьезные испытания. Несколько производителей датчиков оснастили такими устройствами пять грузовиков среднего размера. Положительный результат этого теста во многом отвечает интересам охраны труда. Как было подчеркнуто в самом начале, датчики присутствия в необходимом количестве представляют собой серьезную проблему для техники безопасности во многих упомянутых областях применения. Поэтому они должны быть реализованы с низкими затратами, если ущерб оборудованию, машинам и материалам и, прежде всего, травмы людей, часто очень серьезные, должны быть оставлены в прошлом.

Назад