WO2005083464A1 - Method and sensor device for detecting information on the position of an object by means of an ultrasound sensor - Google Patents

Method and sensor device for detecting information on the position of an object by means of an ultrasound sensor Download PDF

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WO2005083464A1
WO2005083464A1 PCT/AT2005/000064 AT2005000064W WO2005083464A1 WO 2005083464 A1 WO2005083464 A1 WO 2005083464A1 AT 2005000064 W AT2005000064 W AT 2005000064W WO 2005083464 A1 WO2005083464 A1 WO 2005083464A1
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WO
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ultrasound
signal
receiver
transmitter
ultrasonic
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PCT/AT2005/000064
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Herbert Schweinzer
Hannes Elmer
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Technische Universität Wien
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08Systems for measuring distance only
    • G01S15/10Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S15/102Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics
    • G01S15/104Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves using transmission of pulses having some particular characteristics wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/42Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining information about the position of an object with the aid of an ultrasound sensor which has an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver, the directional characteristics of the ultrasound transmitter and receiver being different, in which method an ultrasound transmitter signal is used with the aid of the ultrasound transmitter is emitted and an ultrasound signal reflected by the object is received with the aid of the ultrasound receiver and evaluated to obtain position information.
  • the invention relates to a sensor device for obtaining information about the position of an object, with an ultrasound sensor which has an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver, the directional characteristics of the ultrasound transmitter and receiver being different, and with an evaluation unit assigned to the ultrasound receiver Evaluation of an ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter, reflected by the object and received with the aid of the ultrasound receiver in order to obtain position information.
  • the classic ultrasonic sensor typically consists of a combined ultrasonic transducer, which allows a switch between transmit and receive operation. Because of the simple generation, narrow-band signals in the form of short bursts of constant frequency (for example 10-15 periods of a frequency between 50 kHz and 400 kHz) are generally used. This measurement signal is transmitted with an electrostatic or piezoelectric ultrasound transmitter. The signal reflected by an object is z. B. received again with the help of the ultrasound receiver.
  • a narrow band limitation in some of the available ultrasonic transducers and the frequency-dependent air damping result in the inevitable flattening of the rise in the envelope when transmitting ultrasonic signals, which in the case of a fixed threshold value and different reception amplitudes lead to large measurement uncertainties.
  • the signal amplitude of a reflected signal depends in particular on the following factors:
  • Reflection properties of the object to which the distance is determined mainly depend on the shape and orientation of the object.
  • a smooth, flat surface provides a strong reflection signal when the sensor axis is aligned approximately normally, but if the alignment is poor, it can also completely mirror the incoming signal so that no reflection signal is received at all.
  • a corner or edge does not reflect an incoming signal in one direction, but reflects it in several directions, but with a significantly smaller amplitude.
  • the amplitude of a reflected signal depends on the amplitude of the signal arriving at the object and thus on the position of the object within the radiation characteristic: the strongest level is in the middle of the When the main lobe is reached, the signal amplitude decreases with increasing radiation angle up to a zero point, in the direction of which no signal is emitted and which thus causes a blind area, and then rises again to the maximum of the first side lobe, which is about 17 dB smaller to reach the following side lobes via further zeros.
  • Cases 2) and 3) present problems for the classic ultrasonic sensor particularly when it comes to making statements as to whether an object is within a precisely defined area in front of the sensor: namely, while a well-aligned plane over a large angle is detected because the reflection properties are so good that even signals that are emitted via side lobes can be detected by the threshold value detector, a corner or edge is only recognized in a narrow area within the main lobe. At the edge of this strongly object-dependent directional characteristic, there are also strong measurement uncertainties.
  • JP 59-120875 A discloses an ultrasound sensor system in which an ultrasound sensor and an ultrasound receiver with axes that diverge relative to one another are arranged next to one another, the ultrasound sensor and the ultrasound receiver also being equipped with L-shaped tubes for deflecting the ultrasound, to avoid an adverse influence of dirt, rain or the like, if possible.
  • the actual ultrasonic transducers are located inside these L-shaped tubes.
  • a larger number of ultrasonic receivers are provided, the receivers being matched to a predetermined directional range.
  • the transmitter also sends out a narrow-band or monofrequency ultrasound signal, and a calculation is carried out on the receiver side on the basis of time difference.
  • this training is obviously complex, but the disadvantages explained above in connection with cases 2) and 3) still exist. It is an object of the invention to remedy this situation and to provide a method or a sensor device as stated at the outset, with which or in a comparatively simple manner improved locating and subsequently distance measurement with the aid of ultrasound, in particular of objects in Air.
  • the invention provides a method or a sensor device as defined in the following independent claims. Particularly advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.
  • the present invention is based on the use of separate ultrasonic transmitters and receivers, which differ by different directional characteristics, in particular both in amplitude and in phase, which result in different courses of the phase shifts over the radiation or reception angles of the ultrasonic wave .
  • the control of the ultrasound transmitter with signals of different frequencies allows the evaluation of these phase shifts in such a way that received signals can be assigned to precisely defined reflection areas according to their phase shifts.
  • the control signals are selected so that a range of permissible radiation and reception angles is made possible, in which valid measurements can be carried out. By specifically varying this angular range or by analyzing the phase shifts of the received signal, information about the directions of the reflected ultrasound waves can be obtained.
  • the runtime of a time-limited signal can be measured for distance measurement.
  • ultrasonic transmitters and receivers with a sufficiently large bandwidth corresponding to the signal are also required.
  • the received signal is evaluated using a correlative method which has high resolution, good interference suppression and good echo separation capability for detection of objects in close proximity. If the ultrasonic transmitter has a narrow, rotationally symmetrical main lobe with adjacent, generally likewise rotationally symmetrical side lobes, the effect of the phase shift of a radiated signal that occurs can be described solely by the radiation angle (angle between the sensor axis and the actual radiation direction).
  • the phase shift of the received signal is then essentially determined solely by the radiation angle if the ultrasound receiver has a significantly broader directional characteristic than the ultrasound transmitter with a constant phase shift in this area and its main lobe overlaps the main lobe and adjacent side lobes of the transmitter.
  • An ultrasound receiver that is laterally offset with respect to the ultrasound transmitter causes a certain asymmetry due to the different possible, differently long transmission and reception beams, which leads to a mathematically complex determination of the possible reflection areas.
  • a concentric arrangement of ultrasound transmitters and receivers can be provided so that their beam axes overlap and the transmission and reception beams travel the same way. In this case it makes sense to use an internal, e.g. circular, converter part to use, which can also be used as part of the transmitter converter in transmit mode.
  • the directional characteristic of an ultrasonic transducer is to be described here with the model of a piston membrane, which shows a strong dependence on the frequency of the emitted signal: the higher the signal frequency, the narrower the resulting main and side lobes in the directional characteristic.
  • the piston membrane model further shows that every second side lobe, starting with the first one, causes a phase shift of the transmitted or received signal of 180 °. If this phase shift occurs in parts (frequency components) of the signal, there is a strong decrease in the correlation result achieved in a correlative evaluation, which is used for signal detection - ⁇ - will. As long as a signal is emitted within the main lobe that results from the highest frequency occurring in the signal, a large, easily detectable correlation maximum is obtained.
  • the phase shift leads to a rapid deterioration of the correlation maximum and thus to a sharp limitation of the directional characteristic of the sensor.
  • the decrease in the correlation maximum occurs much earlier than a shift in the correlation maximum caused by the deterioration in the correlation, as a result of which measurement errors in the marginal region of the valid measuring range, as can be expected with classic ultrasonic sensors, can be excluded.
  • the directional characteristic also depends on the signal frequency. With an adaptation of the emitted signal based on measured values of the ambient temperature, it is also possible, if necessary, to compensate for the temperature influence on the defined measuring range of the ultrasonic sensor.
  • a successive variation of the directional characteristic by changing the emitted signal enables the search for a detection limit outside of which no signal detection takes place.
  • this detection limit supplies a family of possible radiation directions with the same phase shift, which, in conjunction with the distance measured value, give an estimate of possible positions of the reflection point.
  • these limits are concentric conical shells that can be described using the opening angle, which is now the same as the direction of radiation.
  • the determination of the transmitted beam direction to the reflection point is made possible directly by the signal evaluation of the received ultrasound signal.
  • the correlation process is not carried out over the entire signal, but continuously over part of the signal, starting at low frequencies.
  • the limit of the measuring range is recognized by the fact that the correlation result decreases from that part of the signal from which the signal is transmitted through side lobes.
  • the emission direction of the transmission signal is located in the transition between the main lobe and a side lobe of the directional characteristic of the highest signal frequency of the signal part currently used for the correlation. The angle of the direction of radiation thus results directly from the signal frequency.
  • the present technique is ideally suited for determining the position of objects in space by recording and evaluating series of measured values from different sensor positions whose position in the room is known become.
  • the use of classic ultrasonic sensors leads to ambiguous solutions that are difficult to control due to the ambiguous detection areas that depend on the object properties. If the position of the reflecting objects in the room is already known, the position of the objects in the room can be checked by evaluating individual measured values, and possible position deviations can also be determined.
  • the frequency can be increased from 30 kHz to 80 kHz, for example, a different form of the ultrasound transmission signal can also be provided, which is broadband, ie contains a corresponding number of frequency components.
  • the frequencies in the ultrasound transmission signal can be increased in steps, but in principle the frequencies can also be reduced (continuously or in steps) from the highest frequency to the lowest frequency.
  • twist or pivot the actual ultrasound sensor i.e. the ultrasound transmitter together with the ultrasound receiver to be able, whereby the transmission axis and the reception axis change together in their orientation in space.
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement of an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver in a reference coordinate system and a reflection point (object) which reflects a signal emitted along a transmission beam back along a reception beam to the ultrasound receiver;
  • FIG. 1A schematically, in the manner of a block diagram, a sensor device with an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver separated therefrom and associated electronic circuits;
  • FIG. 2 shows a schematic view of directional characteristics of a piston membrane for different frequencies, with the help of such a model the directional characteristics of many ultrasonic transducers can be described;
  • signal amplitude A normalized
  • t in ⁇ s
  • the influence of the directional characteristics shown in FIG. 2 on a broadband signal in this case on a linear frequency-modulated signal pulse or chirp with a length of 3 ms and with a frequency range from 30 kHz to 80 kHz, at a beam angle of 17 °;
  • FIG. 5 schematically shows an ultrasonic sensor in connection with two reflecting objects, the entire radiation angle range and the defined detection range obtained according to the invention being illustrated schematically;
  • FIG. 6 shows the basic structure of a concrete measuring arrangement, with a rotatably mounted ultrasonic sensor in association with two reflection objects, namely a smooth plane and a round rod;
  • Fig. 7 in a diagram: Distance (in m) over the sensor angle ⁇ the results obtained with the measuring arrangement shown in Fig. 6, the measured distances to the plane and the round bar above the orientation (the Beam angle) of the ultrasonic sensor are illustrated; and
  • 8A and 8B show two embodiments of concentric transducer arrangements in a schematic plan view.
  • FIG. 1 schematically shows a plate 1 on which an ultrasound transmitter 2 and an ultrasound receiver 3 are rigidly mounted. Furthermore, a coordinate system with coordinate axes x, y, z is illustrated, whereby the x and y axes are assumed to lie in the plane of the plate 1.
  • a transmission signal 5 emitted by the ultrasound transmitter 2 at angles ⁇ and ⁇ reaches an object 4, that is to say a reflection point, is reflected back by the latter to the ultrasound receiver 3 in accordance with a signal beam 6 and arrives there at angles ⁇ and ⁇ .
  • angles ⁇ and ⁇ denote the angle between the x-axis and the projection of the emitted beam 5 or the received beam ⁇ onto the base plane, ie the plate 1, whereas the angles ⁇ and ⁇ show the deviation of these beams 5, 6 from the Specify transmitter axis 12 or receiver axis 13.
  • the radiation properties of the Transmitter converter with the same beam angles ß the same.
  • transmitter 2 and receiver 3 can be obtained, for example, if the transmitter 2 e.g. surrounds the receiver 3 in a ring shape, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 8A and 8B.
  • FIG. 1A in addition to FIG. 1, a schematic of a structure of an ultrasound sensor device with the ultrasound sensor 2 and the ultrasound receiver 3 and associated control and evaluation units assigned to these transducers is shown.
  • the ultrasonic transmitter 2 is preceded by a control unit 8, in which the desired broadband transmission signal 5 'is formed with a defined length, as is shown by way of example in FIG. 1A.
  • the intended transmission signal i.e. in a control signal 5 'with a predetermined duration, e.g. a duration of 3 ms, the frequency increases continuously, the frequency increasing for example from 30 kHz to 80 kHz.
  • an ultrasound receiver 3 is followed by an evaluation unit, generally designated 9, which contains a correlator unit 9a and a reference pattern memory 9b.
  • the received ultrasound signal is in the correlator unit 9a 6, after its conversion into an electronic signal in the transducer of the ultrasound receiver 3 and after a sampling or digitization (not illustrated in any more detail), is correlatively compared with a reference signal stored in the reference signal memory 9b, the reference signal stored in the memory 9b being free of phase shifts as caused by the transmission of the transmission signal 5 with the aid of the ultrasound transmitter 2 with predetermined - relatively narrow - directional characteristics are introduced.
  • This correlation method will be explained in more detail below.
  • FIG. 1A a general control and data processing unit 10 is shown in FIG. 1A.
  • this unit 10 which also forms part of the evaluation unit 9 with regard to the data processing carried out in it, the transit time of a time-limited transmission signal 5 from the ultrasound transmitter 2 to the object 4 and the received signal 6 from the object 4 back to the ultrasound receiver 3 can also be determined to measure the distance from the ultrasonic sensor 7 to the object 4 after determining the angular orientation to the object 4.
  • An ultrasonic transducer can usually be described using the model of the piston membrane, the frequency-dependent directional characteristic of which can be seen in FIG. 2.
  • a constant frequency of the emitted signal for example 30 kHz
  • it consists of a main lobe 15a and side lobes 16a, 17a with decreasing amplitude maxima compared to the main lobe 15a, the lobes 15a, 16a, 17a being separated from one another by zeros.
  • Each side lobe 16a, 17a, starting with the first side lobe 16a also ideally (model case) produces a phase shift of 180 ° of the signal emitted by it.
  • both the associated main lobe 15b and 15c and the adjacent side lobes 16b and 16c; 17b and 17c narrower.
  • a frequency-modulated signal is emitted, the effective directional characteristic of the ultrasound transmitter is dynamically changed in accordance with the frequency of the signal part emitted at the respective time. If one considers a linear frequency-modulated signal (eg the signal 5 'in FIG.
  • the following area or signal component 22 is emitted via the first side lobe 16b, which ends again with a zero point 21b. This part of the signal experiences a phase shift (phase shift) of 180 °.
  • a correlative method is used to evaluate the received ultrasound signal (6 in FIG. 1), which involves a cross-correlation between the received signal 6 and a stored reference signal (ie a signal which generally corresponds to the control signal 5 ′, that is to say a signal without this influencing the directional characteristic, corresponds).
  • a stored reference signal ie a signal which generally corresponds to the control signal 5 ′, that is to say a signal without this influencing the directional characteristic, corresponds.
  • a stored reference signal ie a signal which generally corresponds to the control signal 5 ′, that is to say a signal without this influencing the directional characteristic, corresponds.
  • the evaluation of the maxima occurring in the cross-correlation allows, on the one hand, an assessment of the quality of the received signal 6 and, on the other hand, the exact determination of the position of the reference signal within the received signal.
  • This correlation technique can be exemplified with the help of Table 1 below, in which only the signs of signal values (samples) on the one hand of the reference signal (in the first line of the table) and on the other hand of the signal emitted by transmitter 2 and received by receiver 3 (in the second line of the table). Below, the correlation result is illustrated in the third line, whereby it can be seen that the correlation is excellent initially - before the first phase jump by 180 ° due to the radiation in the side lobe, with increasing frequency - see (,, + ⁇ - Character) .
  • An anti-correlation (cf. the "-" signs) can be found from the dashed line.
  • the amplitudes of the correlation maxima K are then plotted in FIG. 4 as a function of the radiation angle ⁇ .
  • a flat area 26 at small angles and a steep drop at the edge 27a or 27b of this area 26 can be seen.
  • the introduction of a detection threshold 25 permits an evaluation of the correlation maxima, so that only the correlation maxima are used for the distance measurement, the amplitude of which corresponds to the defined threshold value 25 exceeds. This procedure results in a clear and lent sharply delimited detection range 26 (radiation angle range) of the ultrasonic sensor (2 in FIG. 1, 1A).
  • An evaluation of the correlation result with the aid of a detection threshold 25 is functionally equivalent to a determination of the positions of the zeros (corresponding to the positions of the phase jumps) of the directional characteristic.
  • the phase jumps in turn take place in the zeros of the directional characteristic of the ultrasound transmitter 2, the radiation angle ⁇ n of which can be determined using the following equation:
  • ⁇ n the radiation angle of the zero point n (corresponds to the angle of the boundary between the side lobe n-1 and the side lobe n of the directional characteristic, where the side lobe 0 denotes the main lobe),
  • T is the absolute temperature
  • a change in the temperature leads to a shift in the zero points ⁇ n in the directional characteristic and thus, with a given radiation angle ⁇ , to a shift in the relative positions 21a, 21b of the phase jumps in the received chirp signal (see Table 1 and Fig. 3).
  • the method for determining the radiation angle ⁇ is based on the evaluation of the relative positions of the phase jumps, in particular the first, in the received signal 6.
  • Temperature compensation is thus possible in the form that by adapting the start and end frequency and by adapting the time course of the frequency in the transmission signal 5 (or the Control signal 5 ') is achieved in that the relative positions of the phase jumps, in particular of the first phase jump, remain the same in the received signal 6 at the radiation angles ⁇ to be determined.
  • An alternative to taking the influence of temperature into account is to mathematically correct the knife events on the receiver side.
  • the ultrasonic sensor 7 consisting of a combination of an ultrasonic transmitter 2 and receiver 3, is used to measure the distance to two reflecting objects 31 and 32. Both objects 31, 32 are illuminated due to the directional characteristics of the ultrasound transmitter 2 that are sufficiently wide for this purpose and reflect the respective incoming signal back to the ultrasound receiver 3. However, due to the phase shift occurring due to the frequency modulation of the transmission signal 5 at larger radiation angles, only the signal reflected by an object 31 is generated 6 shows a good correlation result, while the signal reflected by the other object 32 is ignored due to its low correlation result regardless of the signal amplitude. A prerequisite for this is a sufficiently broad directional characteristic of the ultrasound receiver 3 of the ultrasound sensor 7 with a constant phase shift.
  • FIG. 6 shows a comparable measuring arrangement with an ultrasonic sensor 7 and with two objects 42, 43. The results of a measurement carried out with the arrangement shown in FIG. 6 can then be seen in FIG. 7.
  • the ultrasonic sensor 7 can be rotated with its axis 12 about an axis running perpendicular to it (and to the plane of the drawing) (cf. also the axis 12 'after pivoting), with a correspondingly changing axis angle ⁇ , on a substructure (not shown in more detail) stored, and it measures the distance to the two objects 42, 43, namely to a round rod 42 and to a smooth plane 43. Because of the exclusive swivel or. Rotational movement of the ultrasonic sensor 7, the reflection point R of the plane 43 always remains in a fixed position. The angle 44 between the two reflection points, namely on the plane 43 and on the round rod 42, is 15 °.
  • the technique described is essentially based on the frequency dependence of the phase shift of ultrasound signals, and this effect is exploited by the use of a broadband ultrasound signal, the different frequency components of which are exposed to corresponding phase shifts so that they are - within one and the same signal - be moved relative to each other.
  • the phase shift changes at a constant frequency depending on the direction, whereby it typically remains approximately constant in the central region of the main lobe, whereas it changes rapidly in the edge region of the main lobe, or jumps by 180 ° in the piston membrane model in the zero crossing.
  • a lateral position of the ultrasound receiver 3 (with a negligible phase response) has no influence on the location information, but only on the measurement value; this influence can be neglected in some cases. But if you want to have a sensor that measures properly, there is a concentric arrangement of transmitter 2 and receiver 3, i.e. avoid lateral offset to be provided.
  • FIG. 8A and 8B schematically illustrate two embodiments for such a concentric arrangement of the ultrasonic sensor 2 and the ultrasonic receiver 3, the control of the ultrasonic transmitter 2 with the aid of the control unit 8 and the connection of the ultrasonic receiver 3 with the correlator unit 9a also being shown is; see. see also Fig. 1A.
  • FIG. 8A shows an ultrasound receiver 3 (reception transducer) which is circular in plan view and which is arranged within an annular transducer means of the ultrasound transmitter 2.
  • the transmitter 2 and the receiver 3 which again have different directional characteristics as set out above, are arranged and operated independently of one another, similar to the above-described side-by-side arrangements of transmitter 2 and receiver 3.
  • a switch 55 an electronic switch
  • Transducer means 2 is arranged to selectively switch between the control unit 8 and the correlator unit 9a.
  • the transducer of the “ultrasound receiver” 3 can be connected to the control unit 8 in transmission mode and thus additionally used as an ultrasound transmitter transducer means (cf. the dashed position of the switch 55 in FIG. 8B), whereas in a receiving mode in which the 8B occupies the position shown in full line in FIG. 8B, the transducer of the ultrasound receiver 3 is connected to the correlator unit 9a and thus acts as a receiver transducer, depending on the distance of the objects to be located and thus the transit time of the ultrasound signal 5-6 the switching takes place in accordance with time intervals in the order of magnitude of, for example, half a ms, a ms or a few ms.
  • the directional characteristic of the combined transmitter / transducer means 2 + 3 can certainly have a comparatively narrow form compared to the directional characteristic of the transducer of the ultrasound receiver 3 itself As a result, the Ef effects can be achieved by using the frequency dependence of the directional characteristic of the ultrasonic transmitter (2 + 3 combined).
  • the transducers of the ultrasound transmitter 2 and receiver 3 in the form of a circle or a ring; other geometric shapes such as ellipses, rectangles, in particular squares, etc. are also conceivable. For reasons of symmetry, however, a circular shape will generally be preferred.

Abstract

In order to detect information on the position of an object (4; 31, 32; 42, 43), an ultrasound transmitter signal (5) is emitted by means of an ultrasound emitter (2) and an ultrasound signal (6) which is reflected by an object (4; 31, 32; 42, 43) is received by means of an ultrasound receiver (3) and valued in order to obtained positional information. The invention is characterised in that a narrow, frequency-dependent directional characteristic of an ultrasound emitter compared to the directional characteristic of the ultrasound receiver (3) is dynamically modified using an emitter signal (5') containing different signal frequencies. When a lobe (15a) is changed in the directional characteristic to an adjacent lobe (16b), phase displacement takes place, and the reflected, received ultrasound signal is compared to a stored reference signal in order to determine a radiation angle area (26) of the ultrasound emitter (2) which is to be used for determine the position.

Description

Verfahren und Sensorvorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Obj ekts mit einem Ultraschallsensor Method and sensor device for obtaining information about the position of an object with an ultrasonic sensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Obj ekts mit Hilfe eines Ultraschallsensors , der einen Untraschallsender sowie einen Ultraschallempfänger aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders und -empfängers verschieden sind, bei welchen Verfahren mit Hilfe des Ultraschallsenders ein Ultraschall-Sendesignal abgestrahlt und ein vom Obj ekt reflektiertes Ultraschall-Signal mit Hilfe des Ultraschallempfangers empfangen und zur Gewinnung von Positions Informationen ausgewertet wird .The invention relates to a method for obtaining information about the position of an object with the aid of an ultrasound sensor which has an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver, the directional characteristics of the ultrasound transmitter and receiver being different, in which method an ultrasound transmitter signal is used with the aid of the ultrasound transmitter is emitted and an ultrasound signal reflected by the object is received with the aid of the ultrasound receiver and evaluated to obtain position information.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Sensorvorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Obj ekts , mit einem Ultraschallsensor, der einen Ultraschallsender sowie einen Ultraschallempfänger aufweist , wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders und -empfängers verschieden sind, und mit einer dem Ultraschallempfänger zugeordneten Auswerteinheit zur Auswertung eines vom Ultraschallsender abgestrahlten, vom Objekt reflektierten und mit Hilfe des Ultraschallempfangers empfangenen Ultraschall-Signals zum Gewinnen von Positionsinformationen .Furthermore, the invention relates to a sensor device for obtaining information about the position of an object, with an ultrasound sensor which has an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver, the directional characteristics of the ultrasound transmitter and receiver being different, and with an evaluation unit assigned to the ultrasound receiver Evaluation of an ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter, reflected by the object and received with the aid of the ultrasound receiver in order to obtain position information.
Der klassische Ultraschallsensor besteht typisch aus einem kombinierten Ultraschallwandler, der eine Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsbetrieb erlaubt . Aufgrund der einfachen Erzeugung werden in der Regel schmalbandige Signale in Form von kurzen Bursts konstanter Frequenz ( z . B . 10-15 Perioden einer Frequenz zwischen 50 kHz und 400 kHz ) verwendet . Dieses Messsignal wird mit einem elektrostatischen oder piezoelektrischen Ultraschallsender ausgesendet . Das von einem Obj ekt reflektierte Signal wird z . B . mit Hilfe des Ultraschallempfangers wieder empfangen . Im Fall eines kombinierten Senders und Empfängers kommt es aufgrund der Länge des ausgesendeten Signals und des für das auftretende Ausschwingen der Umschaltung vom Sendebetrieb in den Empfangsbetrieb nötigen Zeit zu einem „Blind"bereich in der unmittelbaren Nähe vor dem Ultraschall sensor, der die Messung kurzer Distanzen verhindert . Die Bestimmung des Empfangszeitpunktes erfolgt meist mit Hilfe eines Schwellwertdetektors , der die Amplitude des Empfangssignals auswertet. Die Genauigkeit der Detektion des Empfangszeitpunktes hängt bei dieser Technik stark von der Signalamplitude des reflektierten Signals und der Bandbreite des verwendeten Wandlers ab. Durch eine schmale Bandbegrenzung bei manchen verfügbaren Ultraschallwandlern und durch die frequenzabhängige Luftdämpfung kommt es bei der Übertragung von Ultraschallsignalen zu einer unvermeidbaren Abflachung des Anstiegs der Hüllkurve, die im Falle eines fixen Schwellwertes und von unterschiedlichen Empfangsamplituden zu großen Messunsicherheiten führen.The classic ultrasonic sensor typically consists of a combined ultrasonic transducer, which allows a switch between transmit and receive operation. Because of the simple generation, narrow-band signals in the form of short bursts of constant frequency (for example 10-15 periods of a frequency between 50 kHz and 400 kHz) are generally used. This measurement signal is transmitted with an electrostatic or piezoelectric ultrasound transmitter. The signal reflected by an object is z. B. received again with the help of the ultrasound receiver. In the case of a combined transmitter and receiver, there is a "blind" area in the immediate vicinity of the ultrasonic sensor, which is used to measure short distances, due to the length of the transmitted signal and the time required for the switchover from transmitter to receiver to occur The time of reception is usually determined with the aid of a threshold value detector, the evaluates the amplitude of the received signal. With this technique, the accuracy of the detection of the time of reception strongly depends on the signal amplitude of the reflected signal and the bandwidth of the transducer used. A narrow band limitation in some of the available ultrasonic transducers and the frequency-dependent air damping result in the inevitable flattening of the rise in the envelope when transmitting ultrasonic signals, which in the case of a fixed threshold value and different reception amplitudes lead to large measurement uncertainties.
Die Signalamplitude eines reflektierten Signals hängt insbesondere von folgenden Faktoren ab:The signal amplitude of a reflected signal depends in particular on the following factors:
1) Entfernungsabhängige Luftdämpfung in der Übertragungsstrecke - hier versucht man, die entfernungsabhängige Signaldämpfung mit Hilfe einer laufzeitabhängigen Verstärkung des empfangenen Signals zu kompensieren.1) Distance-dependent air damping in the transmission path - here one tries to compensate for the distance-dependent signal damping with the aid of a delay-dependent gain of the received signal.
2) Reflexionseigenschaften des Objektes, zu dem die Entfernung bestimmt wird - die Reflexionseigenschaften hängen hauptsächlich von der Form und Orientierung des Objektes ab. Eine glatte, ebene Oberfläche liefert bei näherungsweise normal dazu ausgerichteter Sensorachse ein starkes Reflexionssignal, kann aber bei schlechter Ausrichtung das eintreffende Signal auch völlig wegspiegeln, so dass überhaupt kein Reflexionssignal empfangen wird. Eine Ecke oder Kante spiegelt ein eintreffendes Signal nicht in eine Richtung, sondern reflektiert es in mehrere Richtungen, allerdings mit deutlich kleinerer Amplitude.2) Reflection properties of the object to which the distance is determined - the reflection properties mainly depend on the shape and orientation of the object. A smooth, flat surface provides a strong reflection signal when the sensor axis is aligned approximately normally, but if the alignment is poor, it can also completely mirror the incoming signal so that no reflection signal is received at all. A corner or edge does not reflect an incoming signal in one direction, but reflects it in several directions, but with a significantly smaller amplitude.
3) Position des Objektes innerhalb der Abstrahlcharakteristik des Sensors - die Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers kann nur in grober Näherung durch einen Kegel beschrieben werden. Im Falle eines elektrostatischen Wandlers (z.B. Serie 600 der Firma Polaroid) wird das Abstrahlverhalten im Wesentlichen durch das Modell der Kolbenmembran beschrieben, welches durch eine Hauptkeule und mehrere, kleiner werdende Nebenkeulen gekennzeichnet ist. Die Amplitude eines reflektierten Signals hängt von der Amplitude des auf das Objekt eintreffenden Signals und somit von der Position des Objektes innerhalb der Abstrahlcharakteristik ab: der stärkste Pegel wird in der Mitte der Hauptkeule erreicht, dann nimmt die Signalamplitude mit steigendem Abstrahlwinkel bis zu einer Nullstelle hin ab, in deren Richtung kein Signal abgestrahlt wird und die somit einen Blindbereich bewirkt, und sie steigt hierauf wieder bis zum um etwa 17 dB kleineren Maximum der ersten Nebenkeule an, um über weitere Nullstellen zu den folgenden Nebenkeulen zu gelangen.3) Position of the object within the radiation characteristic of the sensor - the radiation characteristic of an ultrasonic transducer can only be described in a rough approximation by a cone. In the case of an electrostatic converter (eg Series 600 from Polaroid), the radiation behavior is essentially described by the model of the piston membrane, which is characterized by a main lobe and a number of smaller and smaller side lobes. The amplitude of a reflected signal depends on the amplitude of the signal arriving at the object and thus on the position of the object within the radiation characteristic: the strongest level is in the middle of the When the main lobe is reached, the signal amplitude decreases with increasing radiation angle up to a zero point, in the direction of which no signal is emitted and which thus causes a blind area, and then rises again to the maximum of the first side lobe, which is about 17 dB smaller to reach the following side lobes via further zeros.
Die Fälle 2) und 3) stellen den klassischen Ultraschallsensor besonders dann vor Probleme, wenn es darum geht, Aussagen darüber zu treffen, ob sich ein Objekt innerhalb eines genau definierten Bereiches vor dem Sensor befindet: während nämlich eine gut ausgerichtete Ebene über einen großen Winkel detektiert wird, weil die Reflexionseigenschaften so gut sind, dass sogar Signale, die über Nebenkeulen abgestrahlt werden, vom Schwellwertdetektor detektiert werden können, wird eine Ecke oder Kante nur in einem schmalen Bereich innerhalb der Hauptkeule erkannt. Am Rand dieser stark objektabhängigen Richtcharakteristik treten außerdem noch starke Messunsicherheiten auf.Cases 2) and 3) present problems for the classic ultrasonic sensor particularly when it comes to making statements as to whether an object is within a precisely defined area in front of the sensor: namely, while a well-aligned plane over a large angle is detected because the reflection properties are so good that even signals that are emitted via side lobes can be detected by the threshold value detector, a corner or edge is only recognized in a narrow area within the main lobe. At the edge of this strongly object-dependent directional characteristic, there are also strong measurement uncertainties.
Die vorstehenden Nachteile treffen insbesondere auch auf die aus der JP 59-120875 A sowie aus der DE 3913049 A bekannten Ultraschall-Sensorsysteme zu. In der JP 59-120875 A ist ein Ultraschall-Sensorsystem bekannt, bei der ein Ultraschallsensor und ein Ultraschallempfänger mit relativ zueinander divergierenden Achsen nebeneinander angeordnet sind, wobei weiters der Ultraschallsensor und der Ultraschallempfänger jeweils mit L-förmigen Röhren zur Umlenkung des Ultraschalls ausgerüstet sind, umso einen nachteiligen Einfluss von Schmutz, Regen oder dergl. nach Möglichkeit zu vermeiden. Die eigentlichen Ultraschallwandler sitzen jeweils im Inneren dieser L-förmigen Röhren. Beim Ultraschall-Sensorsystem gemäß der DE 3913049 A ist eine größere Anzahl von Ultraschallempfängern vorgesehen, wobei die Empfänger auf einen vorgegebenen Richtungsbereich abgestimmt sind. Der Sender sendet weiters ein schmalbandiges bzw. monofrequentes Ultraschallsignal aus, und empfängerseitig wird eine Berechnung auf der Basis von Laufzeitunterschieden durchgeführt. Diese Ausbildung ist jedoch sichtlich aufwendig, wobei nichtsdestoweniger die vorstehend in Zusammenhang mit den Fällen 2) und 3) erläuterten Nachteile weiterhin gegeben sind. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren bzw. eine Sensorvorrichtung wie eingangs angegeben vorzusehen, mit dem bzw. mit der auf vergleichsweise einfache Weise eine verbesserte Ortung und in der Folge Distanzmessung mit Hilfe von Ultraschall, insbesondere von Objekten in Luft, ermöglicht wird.The above disadvantages apply in particular to the ultrasonic sensor systems known from JP 59-120875 A and from DE 3913049 A. JP 59-120875 A discloses an ultrasound sensor system in which an ultrasound sensor and an ultrasound receiver with axes that diverge relative to one another are arranged next to one another, the ultrasound sensor and the ultrasound receiver also being equipped with L-shaped tubes for deflecting the ultrasound, to avoid an adverse influence of dirt, rain or the like, if possible. The actual ultrasonic transducers are located inside these L-shaped tubes. In the ultrasonic sensor system according to DE 3913049 A, a larger number of ultrasonic receivers are provided, the receivers being matched to a predetermined directional range. The transmitter also sends out a narrow-band or monofrequency ultrasound signal, and a calculation is carried out on the receiver side on the basis of time difference. However, this training is obviously complex, but the disadvantages explained above in connection with cases 2) and 3) still exist. It is an object of the invention to remedy this situation and to provide a method or a sensor device as stated at the outset, with which or in a comparatively simple manner improved locating and subsequently distance measurement with the aid of ultrasound, in particular of objects in Air.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren bzw. eine Sensorvorrichtung wie in den nachfolgenden unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.To achieve this object, the invention provides a method or a sensor device as defined in the following independent claims. Particularly advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung getrennter Ultraschallsender und -empfänger, die sich durch unterschiedliche Richtcharakteristiken, insbesondere sowohl in der Amplitude als auch in der Phase, unterscheiden, wodurch sich unterschiedliche Verläufe der Phasenverschiebungen über den Abstrahl- bzw. Empfangswinkeln der Ultraschall-Welle ergeben. Die Ansteuerung des Ultraschallsenders mit Signalen unterschiedlicher Frequenzen erlaubt die Auswertung dieser Phasenverschiebungen derart, dass empfangene Signale entsprechend ihren Phasenverschiebungen exakt definierten Reflexionsbereichen zugeordnet werden können. Die Ansteuersignale werden so gewählt, dass die Festlegung eines Bereichs von zulässigen Abstrahl- und Empfangswinkeln ermöglicht wird, in dem gültige Messungen durchgeführt werden können. Durch gezielte Variation dieses Winkelbereichs bzw. durch Analyse der Phasenverschiebungen des Empfangssignals lassen sich Informationen über die Richtungen der reflektierten Ultraschall-Wellen gewinnen.The present invention is based on the use of separate ultrasonic transmitters and receivers, which differ by different directional characteristics, in particular both in amplitude and in phase, which result in different courses of the phase shifts over the radiation or reception angles of the ultrasonic wave , The control of the ultrasound transmitter with signals of different frequencies allows the evaluation of these phase shifts in such a way that received signals can be assigned to precisely defined reflection areas according to their phase shifts. The control signals are selected so that a range of permissible radiation and reception angles is made possible, in which valid measurements can be carried out. By specifically varying this angular range or by analyzing the phase shifts of the received signal, information about the directions of the reflected ultrasound waves can be obtained.
Zur Entfernungsmessung kann die Laufzeit eines zeitlich begrenzten Signals gemessen werden.The runtime of a time-limited signal can be measured for distance measurement.
Im Hinblick darauf, dass ein Signal unterschiedlicher Frequenzen, d.h. ein breitbandiges Signal, verwendet wird, sind auch Ultraschallsender und -empfänger mit einer dem Signal entsprechenden, ausreichend großen Bandbreite erforderlich. Die Auswertung des empfangenen Signals erfolgt mit einem korrelativen Verfahren, welches eine hohe Auflösung, eine gute Störunterdrückung sowie ein gutes Echoseparationsvermögen zur Erkennung von nahe hintereinander liegenden Objekten bietet. Weist der Ultraschallsender eine schmale, rotationssymmetrische Hauptkeule mit angrenzenden, im Allgemeinen ebenfalls rotationssymmetrischen Nebenkeulen auf, so kann der Effekt der auftretenden Phasenverschiebung eines abgestrahlten Signals allein durch den Abstrahlwinkel (Winkel zwischen der Sensorachse und der eigentlichen Abstrahlrichtung) beschrieben werden.In view of the fact that a signal of different frequencies, ie a broadband signal, is used, ultrasonic transmitters and receivers with a sufficiently large bandwidth corresponding to the signal are also required. The received signal is evaluated using a correlative method which has high resolution, good interference suppression and good echo separation capability for detection of objects in close proximity. If the ultrasonic transmitter has a narrow, rotationally symmetrical main lobe with adjacent, generally likewise rotationally symmetrical side lobes, the effect of the phase shift of a radiated signal that occurs can be described solely by the radiation angle (angle between the sensor axis and the actual radiation direction).
Die Phasenverschiebung des empfangenen Signals wird weiters dann im Wesentlichen allein durch den Abstrahlwinkel bestimmt, wenn der Ultraschallempfänger eine deutlich breitere Richtcharakteristik als der Ultraschallsender mit in diesem Bereich konstanter Phasenverschiebung aufweist und seine Hauptkeule die Hauptkeule und angrenzende Nebenkeulen des Senders überlagert.The phase shift of the received signal is then essentially determined solely by the radiation angle if the ultrasound receiver has a significantly broader directional characteristic than the ultrasound transmitter with a constant phase shift in this area and its main lobe overlaps the main lobe and adjacent side lobes of the transmitter.
Ein bezüglich des Ultraschallsenders seitlich versetzter Ultraschallempfänger bewirkt aufgrund der verschieden möglichen, unterschiedlich langen Sende- und Empfangsstrahlen eine gewisse Unsymmetrie, die zu einer mathematisch aufwändigeren Festlegung der möglichen Reflexionsbereiche führt. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann eine konzentrische Anordnung von Ultraschallsender und -empfänger vorgesehen werden, so dass sich ihre Strahl-Achsen überlagern und so der Sende- und der Empfangsstrahl den gleichen Weg zurücklegen. In diesem Fall bietet es sich an, als Empfänger einen inneren, z.B. kreisförmigen, Wandlerteil zu verwenden, welcher gegebenenfalls auch im Sendebetrieb als Teil des Senderwandlers eingesetzt werden kann.An ultrasound receiver that is laterally offset with respect to the ultrasound transmitter causes a certain asymmetry due to the different possible, differently long transmission and reception beams, which leads to a mathematically complex determination of the possible reflection areas. In order to remedy this, a concentric arrangement of ultrasound transmitters and receivers can be provided so that their beam axes overlap and the transmission and reception beams travel the same way. In this case it makes sense to use an internal, e.g. circular, converter part to use, which can also be used as part of the transmitter converter in transmit mode.
Die Richtcharakteristik eines Ultraschallwandlers soll hier mit dem Modell einer Kolbenmembran beschrieben werden, welches eine starke Abhängigkeit von der Frequenz des abgestrahlten Signals zeigt: je höher die Signalfrequenz ist, desto schmäler werden die resultierenden Haupt- und Nebenkeulen in der Richtcharakteristik. Das Kolbenmembranmodell zeigt im Weiteren, dass jede zweite Nebenkeule, beginnend mit der ersten, eine Phasenverschiebung des abgesendeten bzw. empfangenen Signals von 180° bewirkt. Tritt diese Phasenverschiebung bei Teilen (Frequenzko ponenten) des Signals auf, so ergibt sich bei einer korrelativen Auswertung eine starke Abnahme des erreichten Korrelationsergebnisses, welches zur Signaldetektion herangezogen - β - wird. Solange ein Signal innerhalb derjenigen Hauptkeule abgestrahlt wird, die sich aus der höchsten im Signal vorkommenden Frequenz ergibt, erhält man ein großes, gut detektierbares Korrelationsmaximum. Sobald aber Teile des Signals außerhalb der Hauptkeule, also durch die erste Nebenkeule, abgestrahlt werden, kommt es zufolge der Phasenverschiebung zu einer rasanten Verschlechterung des Korrelationsmaximums und somit zu einer scharfen Begrenzung der Richtcharakteristik des Sensors. Die Abnahme des Korrelationsmaximums tritt wesentlich früher auf als eine durch die Verschlechterung der Korrelation bedingte Verschiebung des Korrelationsmaximums, wodurch Messfehler im Randbereich des gültigen Messbereiches, wie sie bei klassischen Ultraschallsensoren zu erwarten sind, ausgeschlossen werden können.The directional characteristic of an ultrasonic transducer is to be described here with the model of a piston membrane, which shows a strong dependence on the frequency of the emitted signal: the higher the signal frequency, the narrower the resulting main and side lobes in the directional characteristic. The piston membrane model further shows that every second side lobe, starting with the first one, causes a phase shift of the transmitted or received signal of 180 °. If this phase shift occurs in parts (frequency components) of the signal, there is a strong decrease in the correlation result achieved in a correlative evaluation, which is used for signal detection - β - will. As long as a signal is emitted within the main lobe that results from the highest frequency occurring in the signal, a large, easily detectable correlation maximum is obtained. However, as soon as parts of the signal are emitted outside the main lobe, i.e. through the first side lobe, the phase shift leads to a rapid deterioration of the correlation maximum and thus to a sharp limitation of the directional characteristic of the sensor. The decrease in the correlation maximum occurs much earlier than a shift in the correlation maximum caused by the deterioration in the correlation, as a result of which measurement errors in the marginal region of the valid measuring range, as can be expected with classic ultrasonic sensors, can be excluded.
Aufgrund der relativ starken Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft kann es zu temperaturbedingten Änderungen der Richtcharakteristik von Ultraschallwandlern kommen. Wie erwähnt ist die Richtcharakteristik aber auch von der Signalfrequenz abhängig. Mit einer auf gemessenen Werten der Umgebungstemperatur basierenden Anpassung des abgestrahlten Signals kann erforderlichenfalls auch eine Kompensation des Temperaturein lusses auf den festgelegten Messbereich des Ultraschallsensors erreicht werden.Due to the relatively strong temperature dependence of the speed of sound in air, temperature-related changes in the directional characteristics of ultrasonic transducers can occur. As mentioned, the directional characteristic also depends on the signal frequency. With an adaptation of the emitted signal based on measured values of the ambient temperature, it is also possible, if necessary, to compensate for the temperature influence on the defined measuring range of the ultrasonic sensor.
Eine sukzessive Variation der Richtcharakteristik durch Änderung des abgestrahlten Signals ermöglicht die Suche nach einer Detek- tionsgrenze, außerhalb der keine Signaldetektion mehr stattfindet. Diese Detektionsgrenze liefert aufgrund ihrer zugehörigen Richtcharakteristik eine Schar möglicher Abstrahlrichtungen mit gleicher Phasenverschiebung, welche in Verbindung mit dem Entfernungsmesswert eine Schätzung möglicher Positionen des Reflexionspunktes ergeben. Im Fall eines rotationssymmetrischen Ultraschallsenders (d.h. eines Senders mit einer rotationssymmetrischen Richtcharakteristik) sind diese Begrenzungen konzentrische Kegelschalen, die mit Hilfe des Öffnungswinkels, der nun gleich der Abstrahlrichtung ist, beschrieben werden können. Bei Verwendung eines Chirps mit linear steigender Frequenz als Sendesignal, wie dies besonders bevorzugt wird, entsteht eine Variation der Richtcharakteristik des Ultra- schallsenders direkt mit dem Verlauf des Signals. Die Bestimmung der Sendestrahl-Richtung zum Reflexionspunkt wird dadurch direkt durch die Signalauswertung des empfangenen Ultraschallsignals ermöglicht. Dazu wird der Korrelationsvorgang nicht über das gesamte Signal, sondern fortlaufend über einen Teil des Signals, beginnend bei tiefen Frequenzen, durchgeführt. Die Grenze des Messbereiches wird dadurch erkannt, dass das Korrelationsergebnis ab jenem Teil des Signals abnimmt, ab dem das Signal durch Nebenkeulen übertragen wird. Die Abstrahlrichtung des Sendesignals befindet sich in diesem Fall im Übergang zwischen der Haupt- und einer Nebenkeule der Richtcharakteristik der höchsten Signalfrequenz des aktuell zur Korrelation herangezogenen Signalteils. Damit ergibt sich der Winkel der Abstrahlrichtung unmittelbar aus der Signalfrequenz.A successive variation of the directional characteristic by changing the emitted signal enables the search for a detection limit outside of which no signal detection takes place. On the basis of its associated directional characteristic, this detection limit supplies a family of possible radiation directions with the same phase shift, which, in conjunction with the distance measured value, give an estimate of possible positions of the reflection point. In the case of a rotationally symmetrical ultrasound transmitter (ie a transmitter with a rotationally symmetrical directional characteristic), these limits are concentric conical shells that can be described using the opening angle, which is now the same as the direction of radiation. When using a chirp with a linearly increasing frequency as the transmission signal, as is particularly preferred, there is a variation in the directional characteristic of the ultra- sound transmitter directly with the course of the signal. The determination of the transmitted beam direction to the reflection point is made possible directly by the signal evaluation of the received ultrasound signal. For this purpose, the correlation process is not carried out over the entire signal, but continuously over part of the signal, starting at low frequencies. The limit of the measuring range is recognized by the fact that the correlation result decreases from that part of the signal from which the signal is transmitted through side lobes. In this case, the emission direction of the transmission signal is located in the transition between the main lobe and a side lobe of the directional characteristic of the highest signal frequency of the signal part currently used for the correlation. The angle of the direction of radiation thus results directly from the signal frequency.
Durch den eindeutigen und scharf begrenzten Detektionsbereich sowie durch die Möglichkeit, den Einfallswinkel von Echos zu bestimmen, eignet sich die vorliegende Technik hervorragend zur Bestimmung der Lage von Objekten im Raum, indem aus unterschiedlichen Sensorpositionen, deren Lage im Raum bekannt ist, Messwertreihen aufgenommen und ausgewertet werden. Die Verwendung klassischer Ultraschallsensoren führt bei solchen Anwendungen aufgrund der uneindeutigen und von den Objekteigenschaften abhängigen Detektionsbereiche zu nur schwer beherrschbaren, vieldeutigen Lösungen. Ist die Lage der reflektierenden Objekte im Raum bereits bekannt, so kann durch Auswertung von einzelnen Messwerten die Lage der Objekte im Raum überprüft werden, und es können auch eventuelle Lage-Abweichungen ermittelt werden.Due to the clear and sharply delimited detection area and the possibility of determining the angle of incidence of echoes, the present technique is ideally suited for determining the position of objects in space by recording and evaluating series of measured values from different sensor positions whose position in the room is known become. In such applications, the use of classic ultrasonic sensors leads to ambiguous solutions that are difficult to control due to the ambiguous detection areas that depend on the object properties. If the position of the reflecting objects in the room is already known, the position of the objects in the room can be checked by evaluating individual measured values, and possible position deviations can also be determined.
Vorsorglich sei erwähnt, dass, auch wenn bevorzugt wird, ein frequenzmoduliertes Sendesignal mit insbesondere kontinuierlich ansteigender Frequenz abzustrahlen, wobei die Frequenz beispielsweise von 30 kHz auf 80 kHz erhöht werden kann, so doch auch eine andere Form des Ultraschall-Sendesignals vorgesehen werden kann, welches breitbandig ist, d.h. eine entsprechende Anzahl von Frequenzkomponenten enthält. So können beispielsweise die Frequenzen im Ultraschall-Sendesignal stufenweise erhöht werden, es kann jedoch auch im Prinzip eine Absenkung der Frequenzen (kontinuierlich oder stufenweise) von der höchsten Frequenz bis hin zur niedrigsten Frequenz vorgesehen werden. Um gegebenenfalls im zu messenden Raum mehrere exakt definierte Winkelbereiche für die Abstrahlung des Ultraschallsignals, entsprechend mehreren und verschiedenen Positionen von im Raum vorhandenen Objekten, festlegen zu können, ist es auch zweckmäßig, den eigentlichen Ultraschallsensor, d.h. den Ultraschallsender zusammen mit dem Ultraschallempfänger, verdrehen oder verschwenken zu können, wobei sich Sendeachse und Empfangsachse gemeinsam in ihrer Ausrichtung im Raum ändern.As a precaution, it should be mentioned that, even if it is preferred to emit a frequency-modulated transmission signal with a frequency that increases continuously, the frequency can be increased from 30 kHz to 80 kHz, for example, a different form of the ultrasound transmission signal can also be provided, which is broadband, ie contains a corresponding number of frequency components. For example, the frequencies in the ultrasound transmission signal can be increased in steps, but in principle the frequencies can also be reduced (continuously or in steps) from the highest frequency to the lowest frequency. Around If necessary, to be able to define several precisely defined angular ranges for the radiation of the ultrasound signal in the room to be measured, corresponding to several and different positions of objects present in the room, it is also expedient to twist or pivot the actual ultrasound sensor, i.e. the ultrasound transmitter together with the ultrasound receiver to be able, whereby the transmission axis and the reception axis change together in their orientation in space.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen:The invention is explained in more detail below on the basis of particularly preferred exemplary embodiments, to which, however, it should not be limited, and with reference to the drawing. The drawing shows in detail:
Fig. 1 schematisch eine Anordnung eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfangers in einem Bezugskoordinatensystem sowie einen Reflexionspunkt (Objekt) , der ein entlang eines Sendestrahles ausgesendetes Signal entlang eines Empfangsstrahles zum Ultraschallempfänger zurück reflektiert;1 schematically shows an arrangement of an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver in a reference coordinate system and a reflection point (object) which reflects a signal emitted along a transmission beam back along a reception beam to the ultrasound receiver;
Fig. 1A schematisch in der Art eines Blockschaltbildes eine Sensor-Vorrichtung mit einem Ultraschallsender und einem davon getrennten Ultraschallempfänger sowie zugehörige Elektronikkreise;1A schematically, in the manner of a block diagram, a sensor device with an ultrasound transmitter and an ultrasound receiver separated therefrom and associated electronic circuits;
Fig. 2 in einer schematischen Ansicht Richtcharakteristiken einer Kolbenmembran für verschiedene Frequenzen, wobei mit Hilfe eines solchen Modells die Richtcharakteristik vieler Ultraschallwandler beschrieben werden kann;2 shows a schematic view of directional characteristics of a piston membrane for different frequencies, with the help of such a model the directional characteristics of many ultrasonic transducers can be described;
Fig. 3 in einem Diagramm: Signalamplitude A (normiert) über der Zeit t (in μs) den Einfluss der in Fig. 2 gezeigten Richtcharakteristiken auf ein breitbandiges Signal, in diesem Fall auf einen linear frequenzmodulierten Signalimpuls oder Chirp mit einer Länge von 3 ms und mit einem Frequenzbereich von 30 kHz bis 80 kHz, und zwar unter einem Abstrahlwinkel von 17°;3 in a diagram: signal amplitude A (normalized) over time t (in μs) the influence of the directional characteristics shown in FIG. 2 on a broadband signal, in this case on a linear frequency-modulated signal pulse or chirp with a length of 3 ms and with a frequency range from 30 kHz to 80 kHz, at a beam angle of 17 °;
Fig. 4 in einem Diagramm: relatives Korrelationsmaximum K (in %) über dem Abstrahlwinkel ß den Verlauf ermittelter Korrelationsma- xi a, welche zur Detektion empfangener Ultraschallsignale herangezogen werden, in Abhängigkeit von Abstrahlwinkel des Sendesignals bei einem rotationssymmetrischen Ultraschallsender, somit den Verlauf der Abhängigkeit des Korrelationsmaximums von der Richtung der Position des Reflexionspunktes in Bezug auf den Ultraschallsender;4 in a diagram: relative correlation maximum K (in%) over the radiation angle β the course of determined correlation maxi a, which are used for the detection of received ultrasound signals, as a function of the radiation angle of the Transmission signal in a rotationally symmetrical ultrasound transmitter, thus the course of the dependence of the correlation maximum on the direction of the position of the reflection point in relation to the ultrasound transmitter;
Fig. 5 schematisch einen Ultraschallsensor in Verbindung mit zwei reflektierenden Objekten, wobei schematisch der gesamte Abstrahlwinkelbereich und der erfindungsgemäß erhaltene definierte Detektionsbereich veranschaulicht sind;5 schematically shows an ultrasonic sensor in connection with two reflecting objects, the entire radiation angle range and the defined detection range obtained according to the invention being illustrated schematically;
Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau einer konkreten Messanordnung, mit einem verdrehbar gelagerten Ultraschallsensor in Zuordnung von zwei Reflexions-Objekten, und zwar einer glatten Ebene und einem Rundstab;6 shows the basic structure of a concrete measuring arrangement, with a rotatably mounted ultrasonic sensor in association with two reflection objects, namely a smooth plane and a round rod;
Fig. 7 in einem Diagramm: Distanz (in m) über dem Sensor-Winkel ε die Ergebnisse, die mit der in Fig. 6 gezeigten Messanordnung erzielt werden, wobei im Diagramm die gemessenen Entfernungen zu der Ebene und zum Rundstab über der Orientierung (den Abstrahlwinkel) des Ultraschallsensors veranschaulicht sind; undFig. 7 in a diagram: Distance (in m) over the sensor angle ε the results obtained with the measuring arrangement shown in Fig. 6, the measured distances to the plane and the round bar above the orientation (the Beam angle) of the ultrasonic sensor are illustrated; and
die Fig. 8A und 8B zwei Ausführungsformen von konzentrischen Wandleranordnungen in schematischer Draufsicht.8A and 8B show two embodiments of concentric transducer arrangements in a schematic plan view.
In Fig. 1 ist schematisch eine Platte 1 gezeigt, auf der ein Ultraschallsender 2 und ein Ultraschallempfänger 3 starr montiert sind. Weiters ist ein Koordinatensystem mit Koordinatenachsen x, y, z veranschaulicht, wobei annahmeweise die x- und y- Achse in der Ebene der Platte 1 liegen. Ein vom Ultraschallsender 2 unter Winkeln α und ß abgestrahltes Sendesignal 5 erreicht ein Objekt 4, also einen Reflexionspunkt, wird von diesem zum Ultraschallempfänger 3 gemäß einem Signal-Strahl 6 zurückreflektiert und trifft dort unter Winkeln γ und δ ein. Die Winkel α und γ bezeichnen jeweils den Winkel zwischen der x- Achse und der Projektion des abgesendeten Strahls 5 beziehungsweise des empfangenen Strahls β auf die Grundebene, d.h. die Platte 1, wogegen die Winkel ß und δ die Abweichung dieser Strahlen 5, 6 von der Senderachse 12 bzw. der Empfängerachse 13 angeben. Im Fall einer rotationssymmetrischen Richtcharakteristik des Ultraschallsenders 2 sind die Abstrahleigenschaften des Sender-Wandlers bei gleichen Abstrahlwinkeln ß gleich.1 schematically shows a plate 1 on which an ultrasound transmitter 2 and an ultrasound receiver 3 are rigidly mounted. Furthermore, a coordinate system with coordinate axes x, y, z is illustrated, whereby the x and y axes are assumed to lie in the plane of the plate 1. A transmission signal 5 emitted by the ultrasound transmitter 2 at angles α and β reaches an object 4, that is to say a reflection point, is reflected back by the latter to the ultrasound receiver 3 in accordance with a signal beam 6 and arrives there at angles γ and δ. The angles α and γ denote the angle between the x-axis and the projection of the emitted beam 5 or the received beam β onto the base plane, ie the plate 1, whereas the angles β and δ show the deviation of these beams 5, 6 from the Specify transmitter axis 12 or receiver axis 13. In the case of a rotationally symmetrical directional characteristic of the ultrasonic transmitter 2, the radiation properties of the Transmitter converter with the same beam angles ß the same.
Im in Fig. 1 gezeigten Fall kommt es bei Anordnungen des Reflexionspunktes (Objekts) 4 mit konstanter Länge des Sendestrahls 5, die zwar den gleichen Abstrahlwinkel ß, aber unterschiedliche Winkel α ergeben, zu unterschiedlichen Entfernungsmesswerten, da sich mit dem Winkel auch die gemessene Entfernung ändert, die sich aus der Summe der Distanz des Reflexionspunktes 4 vom Ultraschallsender 2 und der Distanz vom Reflexionspunkt zurück zum Empfänger 3 zusammensetzt. Ein diesen - unter Umständen vernachlässigbaren - Effekt vermeidender, völlig rotationssymmetrischer Ultraschallsensor würde eine konzentrische Montage des Ultraschallsenders 2 und des Ultraschallempfangers 3 derart erfordern, dass sie eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen, d.h. die Achsen 12 und 13 fallen dann zusammen und es würden sich gleich große Distanzen zum Objekt 4 und von diesem zurück ergeben.In the case shown in FIG. 1, arrangements of the reflection point (object) 4 with a constant length of the transmission beam 5, which, although they have the same radiation angle β but different angles α, result in different distance measurements, since the angle also results in the measured distance changes, which is composed of the sum of the distance of the reflection point 4 from the ultrasonic transmitter 2 and the distance from the reflection point back to the receiver 3. A completely rotationally symmetrical ultrasound sensor which avoids this - which may be negligible - effect would require a concentric mounting of the ultrasound transmitter 2 and the ultrasound receiver 3 in such a way that they have a common axis of rotation, i.e. axes 12 and 13 then coincide and the distances to object 4 and back would be the same.
Eine solche konzentrische Anordnung von Sender 2 und Empfänger 3 kann beispielsweise erhalten werden, wenn der Sender 2 z.B. kreisringförmig den Empfänger 3 umgibt, wie dies nachstehend anhand der Fig. 8A und 8B noch näher erläutert wird.Such a concentric arrangement of transmitter 2 and receiver 3 can be obtained, for example, if the transmitter 2 e.g. surrounds the receiver 3 in a ring shape, as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 8A and 8B.
In Fig. 1A ist in Ergänzung zur Fig. 1 ein Schema eines Aufbaus einer Ultraschall-Sensor-Vorrichtung mit dem Ultraschallsensor 2 und dem Ultraschallempfänger 3 sowie zugehörigen, diesen Wandlern zugeordneten Ansteuer- und Auswerteinheiten gezeigt. Im Einzelnen ist dem Ultraschallsender 2 eine Ansteuereinheit 8 vorgeordnet, in der das gewünschte breitbandige Sendesignal 5' mit einer definierten Länge gebildet wird, wie dies in Fig. 1A beispielhaft eingezeichnet ist. Wie weiters ersichtlich ist, wird im vorgesehenen Sendesignal, d.h. in einem Ansteuersignal 5', mit vorgegebener Dauer, z.B. einer Dauer von 3 ms, die Frequenz kontinuierlich erhöht, wobei die Frequenz beispielsweise von 30 kHz auf 80 kHz ansteigt.In FIG. 1A, in addition to FIG. 1, a schematic of a structure of an ultrasound sensor device with the ultrasound sensor 2 and the ultrasound receiver 3 and associated control and evaluation units assigned to these transducers is shown. In particular, the ultrasonic transmitter 2 is preceded by a control unit 8, in which the desired broadband transmission signal 5 'is formed with a defined length, as is shown by way of example in FIG. 1A. As can also be seen, the intended transmission signal, i.e. in a control signal 5 'with a predetermined duration, e.g. a duration of 3 ms, the frequency increases continuously, the frequency increasing for example from 30 kHz to 80 kHz.
Dem Ultraschallempfänger 3 ist andererseits eine allgemein mit 9 bezeichnete Auswerteinheit nachgeordnet, die eine Korrelator- einheit 9a sowie einen Referenzmuster-Speicher 9b enthält. In der Korrelatoreinheit 9a wird das empfangene Ultraschallsignal 6, nach dessen Umwandlung in ein elektronisches Signal im Wandler des Ultraschallempfangers 3 und nach einer nicht näher veranschaulichten Abtastung bzw. Digitalisierung, mit einem im Referenzsignalspeicher 9b gespeicherten Referenzsignal korrelativ verglichen, wobei das im Speicher 9b gespeicherte Referenzsignal frei von Phasenverschiebungen ist, wie sie durch das Abstrahlen des Sendesignals 5 mit Hilfe des Ultraschallsenders 2 mit vorgegebener - relativ schmaler - Richtcharakteristik eingeführt werden. Dieses Korrelationsverfahren wird nachstehend noch näher erläutert werden.On the other hand, an ultrasound receiver 3 is followed by an evaluation unit, generally designated 9, which contains a correlator unit 9a and a reference pattern memory 9b. The received ultrasound signal is in the correlator unit 9a 6, after its conversion into an electronic signal in the transducer of the ultrasound receiver 3 and after a sampling or digitization (not illustrated in any more detail), is correlatively compared with a reference signal stored in the reference signal memory 9b, the reference signal stored in the memory 9b being free of phase shifts as caused by the transmission of the transmission signal 5 with the aid of the ultrasound transmitter 2 with predetermined - relatively narrow - directional characteristics are introduced. This correlation method will be explained in more detail below.
In Fig. 1A ist schließlich noch eine allgemeine Steuer- und Datenverarbeitungseinheit 10 gezeigt. Mit Hilfe dieser Einheit 10, die hinsichtlich der in ihr durchgeführten Datenverarbeitung auch einen Teil der Auswerteinheit 9 bildet, kann ferner die Laufzeit eines zeitlich begrenzten Sendesignals 5 vom Ultraschallsender 2 zum Objekt 4 sowie des empfangenen Signals 6 vom Objekt 4 zurück zum Ultraschallempfänger 3 bestimmt werden, um so, nach Festlegung der Winkelausrichtung zum Objekt 4, die Distanz vom Ultraschallsensor 7 zum Objekt 4 zu messen.Finally, a general control and data processing unit 10 is shown in FIG. 1A. With the help of this unit 10, which also forms part of the evaluation unit 9 with regard to the data processing carried out in it, the transit time of a time-limited transmission signal 5 from the ultrasound transmitter 2 to the object 4 and the received signal 6 from the object 4 back to the ultrasound receiver 3 can also be determined to measure the distance from the ultrasonic sensor 7 to the object 4 after determining the angular orientation to the object 4.
Ein Ultraschallwandler kann meist mit Hilfe des Modells der Kolbenmembran beschrieben werden, deren frequenzabhängige Richtcharakteristik in Fig. 2 zu sehen ist. Im Fall einer konstanten Frequenz des abgestrahlten Signals (z.B. 30 kHz) besteht sie aus einer Hauptkeule 15a sowie Nebenkeulen 16a, 17a mit im Vergleich zur Hauptkeule 15a abnehmenden Amplitudenmaxima, wobei die Keulen 15a, 16a, 17a durch Nullstellen voneinander getrennt sind. Jede Nebenkeule 16a, 17a, beginnend mit der ersten Nebenkeule 16a, erzeugt außerdem im Idealfall (Modellfall) eine Phasenverschiebung von 180° des durch sie abgestrahlten Signals. Bei Erhöhung der abgestrahlten Frequenz (z.B. auf 50 kHz bzw. auf 80 kHz gemäß Fig. 2) werden sowohl die zugehörige Hauptkeule 15b bzw. 15c als auch die angrenzenden Nebenkeulen 16b bzw. 16c; 17b bzw. 17c schmäler. Bei Aussendung eines frequenzmodulierten Signals erfolgt somit eine dynamische Veränderung der effektiven Richtcharakteristik des Ultraschallsenders entsprechend der Frequenz des zum jeweiligen Zeitpunkt abgestrahlten Signalteils. Betrachtet man ein linear frequenzmoduliertes Signal (z.B. das Signal 5' in Fig. 1A) konstanter Amplitude (Signallänge 3 ms, Frequenzbereich 30 kHz bis 80 kHz), das von einem Ultraschallsender 2 mit einer kolbenmembranartigen Richtcharakteristik unter einem Winkel von 17° abgestrahlt werden soll, so ergeben sich bei der Abstrahlung zufolge der Richtcharakterisitk die in Fig. 3 dargestellten Veränderungen: Signalanteile 20 tiefer Frequenzen (~30 kHz) werden ihrer Richtcharakteristik entsprechend über die Hauptkeule 15a abgestrahlt. Mit der Erhöhung der abgestrahlten Frequenz (z.B. auf ~50 kHz) verringert sich die Breite der Hauptkeule 15a (Fig. 2), bis sie die Breite des betrachteten Winkels von 17° erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Nullstelle 21a im Signalverlauf von Fig. 3 erreicht. Der folgende Bereich bzw. Signalanteil 22 wird über die erste Nebenkeule 16b abgestrahlt, die wieder mit einer Nullstelle 21b endet. Dieser Teil des Signals erfährt eine Phasenverschiebung (Phasendrehung) von 180°. Der restliche Signalanteil 23 (~f = 80 kHz) wird schließlich über die zweite Nebenkeule 17c abgestrahlt.An ultrasonic transducer can usually be described using the model of the piston membrane, the frequency-dependent directional characteristic of which can be seen in FIG. 2. In the case of a constant frequency of the emitted signal (for example 30 kHz), it consists of a main lobe 15a and side lobes 16a, 17a with decreasing amplitude maxima compared to the main lobe 15a, the lobes 15a, 16a, 17a being separated from one another by zeros. Each side lobe 16a, 17a, starting with the first side lobe 16a, also ideally (model case) produces a phase shift of 180 ° of the signal emitted by it. When the emitted frequency is increased (for example to 50 kHz or to 80 kHz according to FIG. 2), both the associated main lobe 15b and 15c and the adjacent side lobes 16b and 16c; 17b and 17c narrower. When a frequency-modulated signal is emitted, the effective directional characteristic of the ultrasound transmitter is dynamically changed in accordance with the frequency of the signal part emitted at the respective time. If one considers a linear frequency-modulated signal (eg the signal 5 'in FIG. 1A) of constant amplitude (signal length 3 ms, Frequency range 30 kHz to 80 kHz), which is to be emitted by an ultrasonic transmitter 2 with a piston-membrane-like directional characteristic at an angle of 17 °, so the radiation characteristics show the changes shown in Fig. 3: Signal components of 20 lower frequencies (~ 30 kHz) are emitted according to their directional characteristic via the main lobe 15a. With the increase in the emitted frequency (for example to ~ 50 kHz), the width of the main lobe 15a (FIG. 2) decreases until it reaches the width of the angle under consideration of 17 °. At this time, a zero point 21a is reached in the signal curve of FIG. 3. The following area or signal component 22 is emitted via the first side lobe 16b, which ends again with a zero point 21b. This part of the signal experiences a phase shift (phase shift) of 180 °. The remaining signal component 23 (~ f = 80 kHz) is finally emitted via the second side lobe 17c.
Zur Auswertung des empfangenen Ultraschallsignals (6 in Fig. 1) wird ein korrelatives Verfahren benutzt, welches eine Kreuzkorrelation zwischen dem empfangenen Signal 6 und einem abgespeicherten Referenzsignal (d.i. ein Signal, das im Allgemeinen dem Ansteuersignal 5', also einem Signal ohne diese Beeinflussung durch die Richtcharakterisitk, entspricht) durchführt. Um ein amplitudenunabhängiges Verhalten zu bekommen, wird nur das Vorzeichen, nicht aber die Amplitude der Signale bewertet. Die Auswertung der bei der Kreuzkorrelation auftretenden Maxima erlaubt einerseits eine Beurteilung der Qualität des empfangenen Signals 6 und andererseits die genaue Bestimmung der Position des Referenzsignals innerhalb des Empfangssignals. Solange alle Signalteile durch die Hauptkeule 15a der Richtcharakteristik übertragen werden, wird unabhängig von der Signalamplitude ein gutes Korrelationsergebnis auftreten, d.h. ein großes Korrelationsmaximum erhalten. Sobald jedoch höherfrequente Teile des Signals 5 bzw. 6 aufgrund der Übertragung durch die erste Nebenkeule 16b die erwähnte 180°-Phasendrehung erhalten, kommt es durch den Austausch der positiven und negativen Signalamplituden in diesem Bereich (da das Referenzsignal die genannte Phasenverschiebung nicht erfahren hat) zu einer Antikorrelation. Dies bedeutet, dass diese Signalabschnitte (siehe Signalanteil 22 in Fig. 3) den betragsmäßig gleich großen Beitrag, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen zum gesamten Korrelationsergebnis liefern und somit eine rasche Verkleinerung des Korrelationsmaximums verursachen. Bei 21b in Fig. 3 wird die nächste Nullstelle, d.i. der Übergang zur zweiten Nebenkeule (17c gemäß Fig. 2) erreicht, wobei für den Signalteil 23 ein neuerlicher 180°-Phasensprung erfolgt.A correlative method is used to evaluate the received ultrasound signal (6 in FIG. 1), which involves a cross-correlation between the received signal 6 and a stored reference signal (ie a signal which generally corresponds to the control signal 5 ′, that is to say a signal without this influencing the directional characteristic, corresponds). In order to obtain behavior that is independent of the amplitude, only the sign but not the amplitude of the signals is evaluated. The evaluation of the maxima occurring in the cross-correlation allows, on the one hand, an assessment of the quality of the received signal 6 and, on the other hand, the exact determination of the position of the reference signal within the received signal. As long as all signal parts are transmitted through the main lobe 15a of the directional characteristic, a good correlation result will occur regardless of the signal amplitude, ie a large correlation maximum will be obtained. However, as soon as higher-frequency parts of the signal 5 or 6 receive the aforementioned 180 ° phase rotation due to the transmission through the first side lobe 16b, the positive and negative signal amplitudes in this area are exchanged (since the reference signal has not undergone the phase shift mentioned). to an anti-correlation. This means that these signal sections (see signal part 22 in 3) provide the contribution of the same magnitude, but with the opposite sign to the overall correlation result and thus cause a rapid reduction in the correlation maximum. The next zero point, ie the transition to the second side lobe (17c according to FIG. 2), is reached at 21b in FIG. 3, with a new 180 ° phase jump taking place for the signal part 23.
Diese Korrelationstechnik kann beispielhaft mit Hilfe der nachfolgenden Tabelle 1 veranschaulicht werden, in der nur die Vorzeichen von Signalwerten (Abtastwerten) einerseits des Referenzsignals (in der ersten Zeile der Tabelle) sowie andererseits des -vom Sender 2 abgestrahlten und vom Empfänger 3 empfangenen Signals (in der zweiten Zeile der Tabelle) angegeben werden. Darunter ist in der dritten Zeile das Korrelationsergebnis veranschaulicht, wobei ersichtlich ist, das die Korrelation anfänglich - bevor der erste Phasensprung um 180° aufgrund des Abstrahlens in der Nebenkeule, bei ansteigender Frequenz, erfolgt - ausgezeichnet ist (vgl. die ,,+Λ-Zeichen) . Ab der gestrichelten Linie ist eine Anti-Korrelation (vgl. die „-"-Zeichen) festzustellen.This correlation technique can be exemplified with the help of Table 1 below, in which only the signs of signal values (samples) on the one hand of the reference signal (in the first line of the table) and on the other hand of the signal emitted by transmitter 2 and received by receiver 3 (in the second line of the table). Below, the correlation result is illustrated in the third line, whereby it can be seen that the correlation is excellent initially - before the first phase jump by 180 ° due to the radiation in the side lobe, with increasing frequency - see (,, + Λ - Character) . An anti-correlation (cf. the "-" signs) can be found from the dashed line.
Tabelle 1Table 1
+++-- -++- -+- -+- -++- -+- -+- -+- -+ -+-+- +++-- -++- -+- -+- -++- -+- -+- -+- -+ +-+-++++ - - ++ - - + - - + - - ++ - - + - - + - - + - - + - + - + - +++ - - ++ - - + - - + - - ++ - - + - - + - - + - - + + - + - +
++++ ++++++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++
In Fig. 4 sind sodann die Amplituden der Korrelationsmaxima K (in %, bezogen auf einen Maximalwert) in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel ß aufgetragen. Man erkennt einen flachen Bereich 26 bei kleinen Winkeln sowie einen steilen Abfall am Rand 27a bzw. 27b dieses Bereichs 26. Die Einführung einer Detektionsschwelle 25 erlaubt eine Bewertung der Korrelationsmaxima, so dass nur die Korrelationsmaxima zur Entfernungsmessung herangezogen werden, deren Amplitude den definierten Schwellwert 25 überschreitet. Dieses Verfahren bewirkt einen eindeutigen und seit- lieh scharf begrenzten Detektionsbereich 26 (Abstrahlwinkelbereich) des Ultraschallsensors (2 in Fig. 1, 1A) .The amplitudes of the correlation maxima K (in%, based on a maximum value) are then plotted in FIG. 4 as a function of the radiation angle β. A flat area 26 at small angles and a steep drop at the edge 27a or 27b of this area 26 can be seen. The introduction of a detection threshold 25 permits an evaluation of the correlation maxima, so that only the correlation maxima are used for the distance measurement, the amplitude of which corresponds to the defined threshold value 25 exceeds. This procedure results in a clear and lent sharply delimited detection range 26 (radiation angle range) of the ultrasonic sensor (2 in FIG. 1, 1A).
Eine Bewertung des Korrelationsergebnisses mit Hilfe einer De- tektionsschwelle 25 ist funktionell gleichzusetzen einer Bestimmung der Positionen der Nullstellen (entsprechend den Positionen der Phasensprünge) der Richtcharakteristik. Die Phasensprünge ihrerseits erfolgen in den Nullstellen der Richtcharakteristik des Ultraschallsenders 2, deren Abstrahlwinkel Θn sich mit Hilfe folgender Gleichung bestimmen lassen:An evaluation of the correlation result with the aid of a detection threshold 25 is functionally equivalent to a determination of the positions of the zeros (corresponding to the positions of the phase jumps) of the directional characteristic. The phase jumps in turn take place in the zeros of the directional characteristic of the ultrasound transmitter 2, the radiation angle Θ n of which can be determined using the following equation:
•VΓ sin(Θ„)=£„ — .• VΓ sin (Θ ") = £" -.
Hierbei bezeichnetInscribed here
Θn den Abstrahlwinkel der Nullstelle n (entspricht dem Winkel der Grenze zwischen der Nebenkeule n-1 und der Nebenkeule n der Richtcharakteristik, wobei die Nebenkeule 0 die Hauptkeule bezeichnet) ,Θ n the radiation angle of the zero point n (corresponds to the angle of the boundary between the side lobe n-1 and the side lobe n of the directional characteristic, where the side lobe 0 denotes the main lobe),
kn eine von der Nummer der Nullstelle n abhängige Konstante,k n a constant dependent on the number of the zero n,
T die absolute Temperatur undT is the absolute temperature and
f die Signalfrequenz.f the signal frequency.
Eine Änderung der Temperatur führt zu einer Verschiebung der Nullstellen Θn in der Richtcharakteristik und somit bei gegebenem Abstrahlwinkel Θ zu einer Verschiebung der relativen Positionen 21a, 21b der Phasensprünge im empfangenen Chirp-Signal (vgl. Tabelle 1 und Fig.3).A change in the temperature leads to a shift in the zero points Θ n in the directional characteristic and thus, with a given radiation angle Θ, to a shift in the relative positions 21a, 21b of the phase jumps in the received chirp signal (see Table 1 and Fig. 3).
Das Verfahren zur Bestimmung des Abstrahlwinkels Θ basiert auf der Auswertung der relativen Lagen der Phasensprünge, insbesondere des ersten, im Empfangssignal 6.The method for determining the radiation angle Θ is based on the evaluation of the relative positions of the phase jumps, in particular the first, in the received signal 6.
Eine Temperaturkompensation ist damit in der Form möglich, dass durch Anpassung der Start- und Endfrequenz sowie durch Anpassung des zeitlichen Verlaufs der Frequenz im Sendesignal 5 (bzw. des Ansteuersignais 5') erreicht wird, dass die relativen Lagen der Phasensprünge, insbesondere des ersten Phasensprungs, im Empfangssignal 6 bei den zu ermittelnden Abstrahlwinkeln Θ gleich bleiben.Temperature compensation is thus possible in the form that by adapting the start and end frequency and by adapting the time course of the frequency in the transmission signal 5 (or the Control signal 5 ') is achieved in that the relative positions of the phase jumps, in particular of the first phase jump, remain the same in the received signal 6 at the radiation angles Θ to be determined.
Die beschriebene Temperaturkompensation durch Anpassung des An- steuersignals 5' bietet den Vorteil eines gleich bleibenden Messbereichs für den Abstrahlwinkel, jedoch ist der Frequenzbereich zu ändern. Eine Alternative zur Berücksichtigung des Temperatureinflusses besteht darin, empfängerseitig die Messergehnisse rechnerisch zu korrigieren.The temperature compensation described by adapting the control signal 5 'offers the advantage of a constant measuring range for the radiation angle, but the frequency range must be changed. An alternative to taking the influence of temperature into account is to mathematically correct the knife events on the receiver side.
Die oben erläuterte Auswertung führt schließlich zu dem in Fig. 5 dargestellten Verhalten: der Ultraschallsensor 7, bestehend aus einer Kombination eines Ultraschallsenders 2 und -empfängers 3, wird zur Entfernungsmessung zu zwei reflektierenden Objekten 31 und 32 verwendet. Beide Objekte 31, 32 werden aufgrund der hiefür ausreichend breiten Richtcharakteristik des Ultraschallsenders 2 angestrahlt und reflektieren das jeweils eintreffende Signal zurück zum Ultraschallempfänger 3. Durch die aufgrund der Frequenzmodulation des Sendesignal 5 auftretende Phasenverschiebung bei größeren Abstrahlwinkeln erzeugt jedoch nur das von einem Objekt 31 reflektierte Signal 6 ein gutes Korrelationsergebnis, während das von dem anderen Objekt 32 reflektierte Signal aufgrund seines geringen Korrelationsergeb- nisses unabhängig von der Signalamplitude ignoriert wird. Voraussetzung dafür ist eine ausreichend breite Richtcharakteristik des Ultraschallempfangers 3 des Ultraschallsensors 7 mit konstanter Phasenverschiebung.The evaluation explained above finally leads to the behavior shown in FIG. 5: the ultrasonic sensor 7, consisting of a combination of an ultrasonic transmitter 2 and receiver 3, is used to measure the distance to two reflecting objects 31 and 32. Both objects 31, 32 are illuminated due to the directional characteristics of the ultrasound transmitter 2 that are sufficiently wide for this purpose and reflect the respective incoming signal back to the ultrasound receiver 3. However, due to the phase shift occurring due to the frequency modulation of the transmission signal 5 at larger radiation angles, only the signal reflected by an object 31 is generated 6 shows a good correlation result, while the signal reflected by the other object 32 is ignored due to its low correlation result regardless of the signal amplitude. A prerequisite for this is a sufficiently broad directional characteristic of the ultrasound receiver 3 of the ultrasound sensor 7 with a constant phase shift.
In Fig. 6 ist eine vergleichbare Messanordnung mit einem Ultraschallsensor 7 und mit zwei Objekten 42, 43 gezeigt. In Fig. 7 sind sodann die Ergebnisse einer mit der in Fig. 6 gezeigten Anordnung durchgeführten Messung zu sehen.6 shows a comparable measuring arrangement with an ultrasonic sensor 7 and with two objects 42, 43. The results of a measurement carried out with the arrangement shown in FIG. 6 can then be seen in FIG. 7.
Der Ultraschallsensor 7 gemäß Fig. 6 ist mit seiner Achse 12 um eine senkrecht dazu (und zur Zeichnungsebene) verlaufende Achse verdrehbar (vgl. auch die Achse 12' nach Verschwenkung) , mit einem sich entsprechend ändernden Achswinkel ε, auf einem nicht näher gezeigten Unterbau gelagert, und er misst die Entfernung zu den zwei Objekten 42, 43, nämlich zu einem Rundstab 42 und zu einer glatten Ebene 43. Aufgrund der ausschließlichen Schwenkbzw. Drehbewegung des Ultraschallsensors 7 bleibt der Reflexionspunkt R der Ebene 43 stets in einer fixen Position. Der Winkel 44 zwischen den beiden Reflexionspunkten, nämlich an der Ebene 43 und am Rundstab 42, beträgt 15°.The ultrasonic sensor 7 according to FIG. 6 can be rotated with its axis 12 about an axis running perpendicular to it (and to the plane of the drawing) (cf. also the axis 12 'after pivoting), with a correspondingly changing axis angle ε, on a substructure (not shown in more detail) stored, and it measures the distance to the two objects 42, 43, namely to a round rod 42 and to a smooth plane 43. Because of the exclusive swivel or. Rotational movement of the ultrasonic sensor 7, the reflection point R of the plane 43 always remains in a fixed position. The angle 44 between the two reflection points, namely on the plane 43 and on the round rod 42, is 15 °.
In Fig. 7 sind die ermittelten Ergebnisse insofern zu ersehen, als über dem Abstrahlwinkel bzw. Achswinkel ε die ermittelten Distanzen 50 (zur Ebene 43) und 51 (zum Rundstab 42) aufgetragen sind. Bemerkenswert ist das gleichartige Ergebnis in Bezug auf den Winkelbereich zwischen Grenzen 52a-52b bzw. 53a-53b, in dem die beiden, in ihren Reflexionseigenschaften stark unterschiedlichen Objekte 43, 42 detektiert wurden. Der Detektionsbereich beträgt in beiden Fällen ungefähr +10°, und wie zu ersehen ist gibt es an keinem der Bereichsenden 52a, 52b und 53a, 53b Mess- fehlex, wie sie bei einem klassischen Messverfahren zu erwarten wären .The results obtained can be seen in FIG. 7 insofar as the determined distances 50 (to plane 43) and 51 (to round rod 42) are plotted over the radiation angle or axis angle ε. The similar result is remarkable in relation to the angular range between boundaries 52a-52b or 53a-53b, in which the two objects 43, 42, which differed greatly in their reflection properties, were detected. The detection range is approximately + 10 ° in both cases, and as can be seen, there is no measurement error at any of the range ends 52a, 52b and 53a, 53b as would be expected with a conventional measurement method.
Wie aus den vorstehenden Darlegungen ersichtlich, beruht die beschriebene Technik im Wesentlichen auf der Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung von Ultraschallsignalen, und dieser Effekt wird durch die Verwendung eines breitbandigen Ultraschallsignals genützt, dessen unterschiedlichen Frequenzanteile entsprechenden Phasenverschiebungen ausgesetzt sind, so dass sie - innerhalb ein und desselben Signals - relativ zueinander verschoben werden. Im Weiteren ändert sich die Phasenverschiebung bei konstanter Frequenz richtungsabhängig, wobei sie im mittleren Bereich der Hauptkeule typisch annähernd konstant bleibt, wogegen sie sich im Randbereich der Hauptkeule rasch ändert, bzw. im Kolbenmembran-Modell im Nulldurchgang um 180° springt. Diese Effekte werden insofern ausgenützt, als ortsabhängig ein charakteristischer und eindeutiger Verlauf der Phasenverschiebung über der Frequenz auftritt, der als scharfe Begrenzung der Schallkeule und in diesem Bereich als Winkelinformation genützt wird. Dieser charakteristische Verlauf der Phasenverschiebung über der Frequenz ist nur von den Eigenschaften des elektro- akustischen Wandlers des Ultraschallsenders abhängig, und das reflektierte Signal weist in der Folge jenen Frequenzverlauf der Phasenverschiebung auf, der der örtlichen Lage des Reflektions- punktes, d.h. des Objekts im Raum, entspricht. Eine optimale Voraussetzung für die Bestimmung der Orts- bzw. Winkelinformation ist natürlich weiters eine möglichst Phasengang-freie Messung des reflektierten Ultraschallsignals im Ultraschallempfänger. Es kann aber auch mit einem Ultraschallempfänger, der einen definierten, richtungsabhängigen Phasengang aufweist, eine sinnvolle Messung ohne Weiteres durchgeführt werden. Ein vom Sender gesonderter Ultraschallempfänger mit unterschiedlichem Phasengang ist jedenfalls aber deshalb von Vorteil, da bei Verwendung von kombinierten Sende-Empfangs-Wandlern häufig Kompensationseffekte betreffend Phaseninformation auftreten.As can be seen from the above, the technique described is essentially based on the frequency dependence of the phase shift of ultrasound signals, and this effect is exploited by the use of a broadband ultrasound signal, the different frequency components of which are exposed to corresponding phase shifts so that they are - within one and the same signal - be moved relative to each other. Furthermore, the phase shift changes at a constant frequency depending on the direction, whereby it typically remains approximately constant in the central region of the main lobe, whereas it changes rapidly in the edge region of the main lobe, or jumps by 180 ° in the piston membrane model in the zero crossing. These effects are used to the extent that, depending on the location, a characteristic and unambiguous course of the phase shift occurs over the frequency, which is used as a sharp limitation of the sound lobe and in this area as angle information. This characteristic course of the phase shift over the frequency is only dependent on the properties of the electro-acoustic transducer of the ultrasound transmitter, and the reflected signal subsequently has the frequency course of the phase shift that corresponds to the local position of the reflection point, that is, the object in space. An optimal prerequisite for determining the location or angle information is, of course, a phase response-free measurement of the reflected ultrasound signal in the ultrasound receiver. However, a meaningful measurement can also be carried out easily with an ultrasound receiver that has a defined, direction-dependent phase response. An ultrasound receiver with a different phase response, which is separate from the transmitter, is in any case advantageous, since when using combined transmit / receive converters, compensation effects regarding phase information often occur.
Da die Orts- bzw. Winkelinformation primär als Eigenschaft des Ultraschallsenders 2, erhalten wird, hat eine seitliche Position des Ultraschallempfangers 3 (bei vernachlässigbarem Phasengang) keinen Einfluss auf die Ortsinformation, sondern nur auf den Ent ernungsmesswert; dieser Einfluss kann in manchen Fällen vernachlässigt werden. Will man aber auch hier einen einwandfrei messenden Sensor haben, so ist eine konzentrische Anordnung von Sender 2 und Empfänger 3, d.h. eine Vermeidung des seitlichen Versatzes, vorzusehen.Since the location or angle information is obtained primarily as a property of the ultrasound transmitter 2, a lateral position of the ultrasound receiver 3 (with a negligible phase response) has no influence on the location information, but only on the measurement value; this influence can be neglected in some cases. But if you want to have a sensor that measures properly, there is a concentric arrangement of transmitter 2 and receiver 3, i.e. avoid lateral offset to be provided.
Zwei Ausführungsformen für eine solche konzentrische Anordnung des Ultraschallsensors 2 und des Ultraschallempfangers 3 sind in den Fig. 8A und 8B schematisch veranschaulicht, wobei auch die Ansteuerung des Ultraschallsenders 2 mit Hilfe der An- steuereinheit 8 sowie die Verbindung des Ultraschallempfangers 3 mit der Korrelatoreinheit 9a gezeigt ist; vgl. hiezu auch Fig. 1A.8A and 8B schematically illustrate two embodiments for such a concentric arrangement of the ultrasonic sensor 2 and the ultrasonic receiver 3, the control of the ultrasonic transmitter 2 with the aid of the control unit 8 and the connection of the ultrasonic receiver 3 with the correlator unit 9a also being shown is; see. see also Fig. 1A.
Im Einzelnen zeigt Fig. 8A einen in Draufsicht kreisscheibenförmigen Ultraschallempfänger 3 (Empfangswandler) , der innerhalb eines kreisringförmigen Wandlermittels des Ultraschallsenders 2 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden der Sender 2 und der Empfänger 3, die wieder voneinander verschiedene Richtcharakteristiken wie vorstehend dargelegt aufweisen, unabhängig voneinander angeordnet und betrieben, ähnlich wie die vorstehend erläuterten Nebeneinander-Anordnungen von Sender 2 und Empfänger 3. Bei der Ausführungsform von Fig. 8B, die im Wesentlichen jener gemäß 8A entspricht, ist zusätzlich ein Schalter 55 (ein elektronischer Schalter) vorgesehen, der von der Steuereinheit 10 angesteuert wird, um einen elektrischen Anschluss des Ultraschallempfangers 3, der innerhalb von kreisringförmigen Ultraschallsender-Wandlermitteln 2 angeordnet ist, selektiv zwischen der Ansteuereinheit 8 und der Korrelatoreinheit 9a umzuschalten. Auf diese Weise kann im Sendebetrieb der Wandler des „Ultraschallempfangers" 3 mit der Ansteuereinheit 8 verbunden und so zusätzlich als Ultraschallsender-Wandlermittel eingesetzt werden (vgl. die gestrichelte Stellung des Schalters 55 in Fig. 8B) , wogegen in einem Empfangsbetrieb, in dem der Schalter 55 die in Fig. 8B in voller Linie gezeichnete Position einnimmt, der Wandler des Ultraschallempfangers 3 mit der Korrelatoreinheit 9a verbunden ist und somit als Empfänger-Wandler fungiert. Je nach Entfernung der zu ortenden Objekte und somit der Laufzeit des Ultraschallsignals 5-6 kann die Umschaltung dabei entsprechend Zeitintervallen in der Größenordnung von z.B. einer halben ms, einer ms oder einigen ms erfolgen. Die Richtcharakteristik des kombinierten Sender-Wandlermittels 2+3 kann dabei durchaus eine vergleichsweise schmale Form haben, verglichen mit der Richtcharakteristi des Wandlers des Ultraschallempfangers 3 selbst. Dadurch können auch hier die vorstehend erläuterten Effekte durch Nutzung der Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik des Ultraschallsenders (2+3 kombiniert) erzielt werden.In detail, FIG. 8A shows an ultrasound receiver 3 (reception transducer) which is circular in plan view and which is arranged within an annular transducer means of the ultrasound transmitter 2. In this exemplary embodiment, the transmitter 2 and the receiver 3, which again have different directional characteristics as set out above, are arranged and operated independently of one another, similar to the above-described side-by-side arrangements of transmitter 2 and receiver 3. In the embodiment of FIG. 8B, which essentially corresponds to that according to FIG. 8A, a switch 55 (an electronic switch) is additionally provided which is controlled by the control unit 10 in order to make an electrical connection of the ultrasound receiver 3 which is located within annular ultrasound transmitters. Transducer means 2 is arranged to selectively switch between the control unit 8 and the correlator unit 9a. In this way, the transducer of the “ultrasound receiver” 3 can be connected to the control unit 8 in transmission mode and thus additionally used as an ultrasound transmitter transducer means (cf. the dashed position of the switch 55 in FIG. 8B), whereas in a receiving mode in which the 8B occupies the position shown in full line in FIG. 8B, the transducer of the ultrasound receiver 3 is connected to the correlator unit 9a and thus acts as a receiver transducer, depending on the distance of the objects to be located and thus the transit time of the ultrasound signal 5-6 the switching takes place in accordance with time intervals in the order of magnitude of, for example, half a ms, a ms or a few ms. The directional characteristic of the combined transmitter / transducer means 2 + 3 can certainly have a comparatively narrow form compared to the directional characteristic of the transducer of the ultrasound receiver 3 itself As a result, the Ef effects can be achieved by using the frequency dependence of the directional characteristic of the ultrasonic transmitter (2 + 3 combined).
Es sei erwähnt, dass es im Prinzip nicht notwendig ist, die Wandler des Ultraschallsenders 2 und -empfängers 3 kreis- bzw. kreisringförmig auszubilden; es sind auch andere geometrische Formen, wie Ellipsen, Rechtecke, insbesondere Quadrate, usw. denkbar. Aus Symmetriegründen wird jedoch in der Regel eine Kreisform zu bevorzugen sein. It should be mentioned that, in principle, it is not necessary to design the transducers of the ultrasound transmitter 2 and receiver 3 in the form of a circle or a ring; other geometric shapes such as ellipses, rectangles, in particular squares, etc. are also conceivable. For reasons of symmetry, however, a circular shape will generally be preferred.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Objekts (4; 31, 32; 42, 43) mit Hilfe eines Ultraschallsensors (7), der einen Ultraschallsender (2) sowie einen Ultraschallempfänger (3) aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders (2) und -empfängers (3) verschieden sind, bei welchen Verfahren mit Hilfe des Ultraschallsenders (2) ein Ultraschall-Sendesignal (5) abgestrahlt und ein vom Objekt (4; 31, 32; 42, 43) reflektiertes Ultraschall-Signal (6) mit Hilfe des Ultraschallempfangers (3) empfangen und zur Gewinnung von Positionsinformationen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die im Vergleich zur Richtcharakteristik des Ultraschallempfangers (3) schmale, frequenzabhängige Richtcharakteristik des Ultraschallsenders (2) durch Verwenden eines Ansteuersignais (5'), das unterschiedliche Signalfrequenzen enthält, verändert wird, wobei beim frequenzbedingten Wechsel von einer Keule (15a) in der Richtcharakteristik zu einer benachbarten Keule (16b) eine Phasenverschiebung auftritt, und dass das reflektierte, empfangene Ultraschall-Signal (6) mit einem gespeicherten Referenzsignal verglichen wird, um einen für Positionsbestimmungen zu verwendenden Abstrahlwinkelbereich (26) des Ultraschallsenders (2) zu bestimmen.1. A method for obtaining information about the position of an object (4; 31, 32; 42, 43) with the aid of an ultrasonic sensor (7) which has an ultrasonic transmitter (2) and an ultrasonic receiver (3), the directional characteristics of the ultrasonic transmitter (2) and receiver (3) are different, in which method with the aid of the ultrasound transmitter (2) an ultrasound transmission signal (5) is emitted and an ultrasound signal reflected by the object (4; 31, 32; 42, 43) ( 6) received with the aid of the ultrasound receiver (3) and evaluated to obtain position information, characterized in that the frequency-dependent directional characteristic of the ultrasound transmitter (2), which is narrow in comparison to the directional characteristic of the ultrasound receiver (3), by using a control signal (5 '), which contains different signal frequencies, is changed, the frequency-related change from one lobe (15a) in the directional characteristic to an adjacent one Lobe (16b) a phase shift occurs and that the reflected, received ultrasound signal (6) is compared with a stored reference signal in order to determine a radiation angle range (26) of the ultrasound transmitter (2) to be used for position determination.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein frequenzmoduliertes Sendesignal (5) abgestrahlt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a frequency-modulated transmission signal (5) is emitted.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendesignal (5) mit ansteigender Frequenz abgestrahlt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a transmission signal (5) is emitted with increasing frequency.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendesignal (5) mit einer kontinuierlich, z.B. von 30 kHz auf 80 kHz, ansteigenden Frequenz abgestrahlt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a transmission signal (5) with a continuous, e.g. radiated from 30 kHz to 80 kHz, increasing frequency.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Signal mit dem Referenzsignal in einem Kreuzkorrelationsverfahren verglichen wird, bei dem nur das Vorzeichen der Signale bewertet wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the received signal is compared with the reference signal in a cross-correlation method in which only the sign of the signals is evaluated.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Distanz vom Ultraschallsensor (2) zum Objekt (4; 31, 32; 42, 43) die Laufzeit des zeitlich begrenzten Sendesignals vom Ultraschallsender (2) zum Objekt und zurück zum Ultraschallempfänger (3) bestimmt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for measuring the distance from the ultrasonic sensor (2) to the object (4; 31, 32; 42, 43) the transit time of the time-limited transmission signal from the ultrasonic transmitter (2) to the object and determined back to the ultrasonic receiver (3).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) gemeinsam verschwenkt werden, um im gegebenen Fall mehrere Abstrahlwinkelbereiche, entsprechend mehreren Objekten (31, 32; 42, 43) im Raum, vorab festzulegen.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) and receiver (3) are pivoted together, in the given case several radiation angle ranges, corresponding to several objects (31, 32; 42, 43) in Space to be determined in advance.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatureinfluss auf den ermittelten Abstrahlwinkelbereich (26) , vorzugsweise durch Anpassung des Ansteuerrsignals (5'), auf Basis der Messung der Umgebungstemperatur kompensiert wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the temperature influence on the determined radiation angle range (26), preferably by adapting the control signal (5 '), is compensated for on the basis of the measurement of the ambient temperature.
9. Sensorvorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Objekts (4; 31, 32; 42, 43), mit einem Ultraschallsensor (7), der einen Ultraschallsender (2) sowie einen Ultraschallempfänger (3) aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders und -empfängers verschieden sind, und mit einer dem Ultraschallempfänger (3) zugeordneten Auswerteinheit zur Auswertung eines vom Ultraschallsender abgestrahlten, vo Objekt (4; 31, 32; 42, 43) reflektierten und mit Hilfe des Ultraschallempfangers (3) empfangenen Ultraschall-Signals (6) zum Gewinnen von Positionsinformationen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) eine im Vergleich zur Richtcharakteristik des Ultraschallempfangers (3) schmale, frequenz abhängige Richtcharakteristik aufweist und zum Abstrahlen eines Sendesignals (5) , das unterschiedliche Signalfrequenzen enthält, ansteuerbar ist, wodurch seine Richtcharakteristik verändert wird, wobei beim frequenzbedingten Wechsel von einer Keule (15a) in der Richtcharakteristik zu einer benachbarten (16b) eine Phasenverschiebung auftritt, und dass die Auswerteinheit (9) zum Vergleichen des reflektierten, empfangenen Ultraschall-Signals (6) mit einem gespeicherten Referenzsignal eingerichtet ist, um einen für Positionsbestimmungen zu verwendenden Abstrahlwinkelbereich (26) des Ultraschallsenders (2) zu bestimmen.9. Sensor device for obtaining information about the position of an object (4; 31, 32; 42, 43), with an ultrasonic sensor (7), which has an ultrasonic transmitter (2) and an ultrasonic receiver (3), the directional characteristics of the ultrasonic transmitter and receiver are different, and with an evaluation unit assigned to the ultrasound receiver (3) for evaluating an ultrasound signal (object; 4; 31, 32; 42, 43) emitted by the ultrasound transmitter and reflected by the ultrasound receiver (3). 6) for obtaining position information, characterized in that the ultrasound transmitter (2) has a frequency-dependent directional characteristic which is narrow in comparison to the directional characteristic of the ultrasound receiver (3) and can be controlled for emitting a transmission signal (5) which contains different signal frequencies, so that its directional characteristic is changed, with the frequency-related change from a Keu le (15a) a phase shift occurs in the directional characteristic to an adjacent (16b), and that the evaluation unit (9) is set up to compare the reflected, received ultrasound signal (6) with a stored reference signal in order to determine a radiation angle range to be used for position determination (26) of the ultrasound transmitter (2) to determine.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) zum Abstrahlen eines frequenzmodulierten Sendesignals ansteuerbar ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) can be controlled to emit a frequency-modulated transmission signal.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) zum Abstrahlen eines Sendesignals mit ansteigender Frequenz ansteuerbar ist.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) for emitting a transmission signal with increasing frequency can be controlled.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) zum Abstrahlen eines Sendesignals mit einer kontinuierlich, z.B. von 30 kHz auf 80 kHz, ansteigenden Frequenz ansteuerbar ist.12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) for emitting a transmission signal with a continuous, e.g. from 30 kHz to 80 kHz, increasing frequency can be controlled.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (9) eine Korrelatoreinheit (9a) zum Vergleichen des empfangenen Signals mit dem Referenzsignal in einem Kreuzkorrelationsverfahren aufweist, bei dem nur das Vorzeichen der Signale bewertet wird.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the evaluation unit (9) has a correlator unit (9a) for comparing the received signal with the reference signal in a cross-correlation method, in which only the sign of the signals is evaluated.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinheit (9) zur Bestimmung der Laufzeit des zeitlich begrenzten Sendesignals vom Ultraschall- Sender (2) zum Objekt (4; 31, 32; 42, 43) und zurück zum Ultraschall-Empfänger (3) eingerichtet ist, um die Distanz vom Ultraschallsensor (7) zum Objekt (4; 31, 32; 42, 43) zu messen.14. Device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the evaluation unit (9) for determining the transit time of the time-limited transmission signal from the ultrasound transmitter (2) to the object (4; 31, 32; 42, 43) and back to the ultrasound receiver (3) is set up to measure the distance from the ultrasound sensor (7) to the object (4; 31, 32; 42, 43).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) gemeinsam verschwenkbar angeordnet sind.15. The device according to one of claims 9 to 14, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) and receiver (3) are arranged jointly pivotable.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) konzentrisch angeordnet sind.16. Device according to one of claims 9 to 15, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) and receiver (3) are arranged concentrically.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) Wandlermittel aufweist, von denen ein Teil als Ultraschallempfänger (3) schaltbar ist. 17. The device according to one of claims 9 to 16, characterized in that the ultrasonic transmitter (2) has transducer means, a part of which can be switched as an ultrasonic receiver (3).
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