Bewegungsmelder

Ein Bewegungsmelder ist ein elektrisches Gerät, das mithilfe eines Sensors Bewegungen in der Nähe erkennt ( Bewegungserkennung ). Solche Geräte sind häufig Bestandteil von Systemen, die automatisch Aufgaben ausführen oder den Benutzer über Bewegungen in einem bestimmten Bereich informieren. Sie sind ein wichtiger Bestandteil von Sicherheitssystemen, automatisierter Lichtsteuerung , Hausautomation, Energieeffizienzsystemen und anderen nützlichen Systemen. Die Bewegungserkennung kann mechanisch oder elektronisch erfolgen . ^{[ 1 ]} Wenn sie von natürlichen Organismen durchgeführt wird, spricht man von Bewegungswahrnehmung .

Ein aktiver elektronischer Bewegungsmelder enthält einen optischen, Mikrowellen- oder akustischen Sensor sowie einen Sender. Ein passiver Bewegungsmelder hingegen besitzt nur einen Sensor und erfasst lediglich die Signale des sich bewegenden Objekts durch Emission oder Reflexion. Veränderungen des optischen, Mikrowellen- oder akustischen Feldes in der Nähe des Geräts werden von der Elektronik mithilfe verschiedener Technologien interpretiert. Die meisten kostengünstigen Bewegungsmelder erfassen Bewegungen in einer Entfernung von etwa 4,6 Metern. Spezialisierte Systeme sind zwar teurer, bieten aber entweder eine höhere Empfindlichkeit oder eine deutlich größere Reichweite. Tomografische Bewegungsmelder können wesentlich größere Bereiche abdecken, da die von ihnen erfassten Radiowellen Frequenzen aufweisen, die die meisten Wände und Hindernisse durchdringen und an mehreren Stellen gleichzeitig detektiert werden.

Bewegungsmelder finden breite Anwendung im gewerblichen Bereich. Ein gängiges Beispiel ist die Aktivierung von automatischen Türöffnern in Geschäftsgebäuden und öffentlichen Einrichtungen. Bewegungsmelder werden auch häufig anstelle von Präsenzmeldern eingesetzt, um Straßenlaternen oder die Innenbeleuchtung in Durchgängen wie Eingangshallen und Treppenhäusern zu steuern. In solchen intelligenten Beleuchtungssystemen wird Energie gespart, indem die Beleuchtung nur für die Dauer eines Timers eingeschaltet wird, nach dessen Ablauf die Person den Bereich vermutlich verlassen hat. Ein Bewegungsmelder kann auch Teil einer Alarmanlage sein , die den Hausbesitzer oder den Sicherheitsdienst alarmiert, sobald sie die Bewegung eines möglichen Eindringlings erkennt. Ein solcher Melder kann zudem eine Überwachungskamera auslösen , um den möglichen Einbruch aufzuzeichnen.

Bewegungscontroller werden auch für Videospielkonsolen als Gamecontroller verwendet . Eine Kamera ermöglicht die Steuerung durch von außen sichtbare Körperbewegungen, wie beispielsweise bei den Systemen Wii und Kinect .

Bewegung kann durch die Überwachung von Veränderungen in folgenden Bereichen erkannt werden:

• Infrarotlicht (passive und aktive Sensoren)
• Sichtbares Licht (Video- und Kamerasysteme)
• Hochfrequenzenergie (Radar, ^{[ 2 ]} Mikrowellen und tomographische Bewegungserkennung)
• Ton (Mikrofone, andere akustische Sensoren)
• Kinetische Energie ( triboelektrische , seismische und Trägheitsschaltersensoren)
• Magnetismus (Magnetsensoren, Magnetometer )
• Wi-Fi-Signale ( WiFi-Erkennung )

Verschiedene Arten der Bewegungserkennung sind weit verbreitet:

Passive Infrarotsensoren (PIR-Sensoren) reagieren auf die Hauttemperatur einer Person durch die von ihr abgegebene Schwarzkörperstrahlung im mittleren Infrarotbereich , im Gegensatz zu Objekten bei Raumtemperatur. Der Sensor selbst emittiert keine Energie, daher der Name „passives Infrarot“ . ^{[ 3 ]} Dies unterscheidet ihn beispielsweise von der Lichtschranke (die üblicherweise nicht als Bewegungsmelder gilt ), bei der das Vorbeigehen einer Person oder eines Fahrzeugs einen sichtbaren oder infraroten Lichtstrahl unterbricht. Diese Geräte können Objekte, Personen oder Tiere erkennen, indem sie deren Infrarotstrahlung erfassen. ^{[ 4 ]}

Die einfachsten Formen der mechanischen Bewegungserkennung nutzen einen Schalter oder Auslöser. Beispielsweise verwenden die Tasten einer Schreibmaschine eine mechanische Methode zur Bewegungserkennung: Jede Taste fungiert als Schalter, der entweder ein- oder ausgeschaltet ist, und jeder erscheinende Buchstabe ist das Ergebnis der Tastenbewegung.

Diese Geräte erfassen Bewegungen mithilfe des Doppler-Radar- Prinzips und ähneln einem Radargeschwindigkeitsmessgerät . Es wird eine kontinuierliche Mikrowellenwelle ausgesendet, und Phasenverschiebungen der reflektierten Mikrowellen aufgrund der Bewegung eines Objekts auf den Empfänger zu (oder von ihm weg) führen zu einem Überlagerungssignal im niedrigen Audiofrequenzbereich .

Ein Ultraschallwandler sendet Ultraschallwellen (Schall mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs) aus und empfängt Reflexionen von Objekten in der Nähe. ^{[ 5 ]} Genau wie beim Doppler-Radar zeigt die Überlagerungsdetektion des empfangenen Feldes Bewegung an. Die detektierte Dopplerverschiebung liegt ebenfalls im niedrigen Audiofrequenzbereich (für Gehgeschwindigkeiten), da die Ultraschallwellenlänge von etwa einem Zentimeter den Wellenlängen von Mikrowellen-Bewegungsmeldern ähnelt. Ein potenzieller Nachteil von Ultraschallsensoren besteht darin, dass sie Bewegungen in Bereichen erfassen können, in denen die Erfassung unerwünscht ist, beispielsweise durch Schallwellenreflexionen um Ecken. ^{[ 6 ]} Eine solche erweiterte Erfassung kann für die Lichtsteuerung wünschenswert sein, da hier die Anwesenheit von Personen in einem Bereich erfasst werden soll. Für das Öffnen einer automatischen Tür ist jedoch beispielsweise ein Sensor, der selektiv auf Personen im Weg zur Tür reagiert, besser geeignet.

Diese Systeme erfassen Störungen von Funkwellen, die sich von Knoten zu Knoten eines Mesh-Netzwerks ausbreiten. Sie können große Bereiche vollständig erfassen, da sie durch Wände und andere Hindernisse hindurchsehen können. RF-tomographische Bewegungserkennungssysteme können spezielle Hardware, andere drahtlosfähige Geräte oder eine Kombination aus beidem nutzen. Andere drahtlosfähige Geräte können nach einem Software-Update als Knoten im Mesh-Netzwerk fungieren. ^{[ 7 ]}

Mit der zunehmenden Verbreitung kostengünstiger Digitalkameras mit Videofunktion lässt sich die Bewegungserkennung im Sichtfeld einer solchen Kamera softwareseitig nutzen . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Diese Lösung ist besonders attraktiv, wenn Videos bewegungsgesteuert aufgezeichnet werden sollen, da außer Kamera und Computer keine weitere Hardware benötigt wird. Da das Beobachtungsfeld normal beleuchtet sein kann, handelt es sich hierbei um eine passive Technologie. Sie kann jedoch auch in Kombination mit Nahinfrarotbeleuchtung eingesetzt werden, um Bewegungen im Dunkeln zu erkennen , also mit Beleuchtung in einem für das menschliche Auge unsichtbaren Wellenlängenbereich.

Komplexere Algorithmen sind erforderlich, um Bewegungen zu erkennen, wenn die Kamera selbst schwenkt oder wenn die Bewegung eines bestimmten Objekts in einem Umfeld mit anderen, irrelevanten Bewegungen erfasst werden muss – beispielsweise ein Gemälde, das in einer Kunstgalerie von Besuchern umgeben ist . Bei einer schwenkenden Kamera werden Modelle auf Basis des optischen Flusses verwendet, um zwischen der scheinbaren Hintergrundbewegung, die durch die Kamerabewegung verursacht wird, und der Bewegung unabhängig voneinander bewegter Objekte zu unterscheiden. ^{[ 10 ]}

Fotodetektoren und Infrarotbeleuchtungselemente können digitale Bildschirme unterstützen, um mithilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens Handbewegungen und Gesten zu erkennen . ^{[ 11 ]}

Viele moderne Bewegungsmelder nutzen Kombinationen verschiedener Technologien. Die Kombination mehrerer Sensortechnologien in einem Melder kann zwar Fehlalarme reduzieren, geht aber mit einer geringeren Erkennungswahrscheinlichkeit und erhöhter Anfälligkeit einher. Beispielsweise vereinen viele Dual-Tech-Sensoren einen PIR-Sensor und einen Mikrowellensensor in einem Gerät. Damit eine Bewegung erkannt wird, müssen beide Sensoren gleichzeitig auslösen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms, da Wärme- und Lichtveränderungen den PIR-Sensor (passives Infrarot) auslösen können, nicht aber den Mikrowellensensor, oder sich bewegende Äste den Mikrowellensensor, nicht aber den PIR-Sensor, aktivieren können. Gelingt es einem Eindringling jedoch, entweder den PIR-Sensor oder den Mikrowellensensor zu täuschen, wird er nicht erkannt.

PIR-Technologie wird häufig mit einem anderen Sensor kombiniert, um die Genauigkeit zu maximieren und den Energieverbrauch zu senken. PIR-Sensoren verbrauchen weniger Energie als Mikrowellensensoren, daher sind viele Sensoren so kalibriert, dass beim Auslösen des PIR-Sensors ein Mikrowellensensor aktiviert wird. Erkennt dieser ebenfalls einen Eindringling, wird der Alarm ausgelöst.

• Dämmerungsschalter , der eine Lampe einschaltet, wenn es dunkel wird, und ausschaltet, wenn es hell wird.
• Wärmemelder , wärmeempfindliches Bauteil, das auf konvektive Wärmeenergie reagiert, beispielsweise zur Brandwärmeerkennung.
• Bewegungserfassung , Verfolgung von Bewegungen und Umwandlung in ein digitales Format
• Bewegungssteuerung für Videospielkonsolen
• Tonabnehmer (Musiktechnik) , Wandler, der die von Musikinstrumenten erzeugten mechanischen Schwingungen aufnimmt.
• Näherungssensor , Sensor zur Erkennung der Anwesenheit von Objekten in der Nähe ohne physischen Kontakt
• Fernkamera , eine Kamera, die in einem Bereich platziert wird, in dem sich der Fotograf nicht aufhält.
• Rauchmelder , ein Gerät, das Rauch erkennt, typischerweise als Indikator für ein Feuer

• Relationale Bewegungserkennung
• www.cs.rochester.edu/~nelson/research
• Bewegungserkennungsalgorithmen in der Bildverarbeitung
• Forschung zur Bewegungserkennung und -klassifizierung
• Anwesenheits- und Abwesenheitserkennung erklärt
• Beispiel eines Realisierungsalgorithmus für die Bewegungserkennung (Video)