AT407304B - Verbessertes verfahren zur messung des abstandes von objekten mittels ultraschall - Google Patents

Description

AT 407 304 B

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Messung des Abstandes von Objekten mittels Ultraschall-Laufzeitverfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Entfernung eines Objektes kann durch viele Verfahren ermittelt werden. Die aktiven Entfernungsmeßverfahren zeichnen sich durch die Energieabgabe der Entfernungsmeßeinrichtung aus, wobei derzeit Verfahren mit Radiowellen- (RADAR), Licht- (auch Laser) oder Ultraschallaussendung sehr weit verbreitet sind. Bei der Entfernungsmessung mit aktiver Ultraschallaussendung (siehe Figur 2) besteht die Meßeinrichtung aus einem Ultraschallsender (1), einem Ultraschallempfänger (2) sowie einer Auswerte- und Anzeigeeinheit (4). Das Verfahren dieser Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtung beruht auf der Laufzeitmessung des vom Sender (1) abgestrahlten (5), vom Meßobjekt (3) reflektierten und vom Empfänger (2) aufgenommenen Ultraschalisignales (6). Um die Entfernung auszurechnen, wird die so ermittelte Laufzeit mit der Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium multipliziert und anschließend halbiert, da das Ultraschallsignal die Entfernung zum Meßobjekt zweimal durchlaufen muß. Bei den derzeit verbreiteten Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtungen wird die Laufzeit zwischen dem ersten gesendeten und dem ersten empfangenen Impuls des Ultraschalisignales gemessen. Die häufigsten Anwendungen der Ultraschall-Entfernungsmessung liegen im Ausbreitungsmedium Luft (z.B. bei Polaroid-Sofortbild-kameras) und im Wasser (z.B. Echolot bei Schiffen und Unterseebooten).

In der Robotik bietet sich die Ultraschall-Entfernungsmessung aufgrund der Miniaturisierbar-keit, der relativen Genauigkeit und der Kostengünstigkeit an und hat vor allem bei den mobilen Robotern ein weites Einsatzgebiet zur Navigation und Kollissionsvermeidung (vgl. das Buch J.J. Leonard und H.F. Durrand-Whyte: "Directed Sonar Sensing for Mobile Robot Navigation", Kluwer Academic Publishers 1992). Durch Forschungen auf diesem Gebiet wird versucht die Nachteile des Ultraschall-Entfernungsmeßverfahrens wie z.B. die Störsicherheit zu beheben, aber auch eine Verbesserung bei der Genauigkeit zu erzielen. Andere Forschungen versuchen die Ultraschall-Methoden im Hinblick auf 3-dimensionale Abbildung (H. Akbarally und L. Kleeman: ”A Sonar Sensor for Accurate 3D Target Localisaton and Classification", IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, June 1995, pp 3003-3008) und Erkennung von Eigenschaften des Meßobjektes zu erweitern (B. Barshan und R. Kuc: "Different Sonar Reflections from Corner and Planes employing an Intelligent Sensor", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1990, 12(6), pp 560-566).

Die Störsicherheit und die Genauigkeit kann durch Verwendung eines, aus der Radartechnik bekannten, kontinuierlich frequenzmodulierten (Chirp-Signal) Ultraschall-Sendesignals extrem erhöht werden (G. Zimmermann: "Hochauflösende Ultraschall-Entfernungsmessung mit echtzeitfähiger digitaler Signalverarbeitung für den industriellen Einsatz", Dissertation TU-Wien 1992). Die Signalverarbeitung eines Chirp-Signales ist aber durch das Modulationsverfahren relativ aufwendig. Amplitudenmodulation des Ultraschall-Sendesignales wird eingesetzt, um Materialeigenschaften vom Meßobjekt zusätzlich zur Abstandsinformation zu bekommen. Aufgrund der laufzeit- und frequenzabhängigen Dämpfung im Ausbreitungsmedium ist die Information in der Signalamplitude nicht sehr zuverlässig und außerdem aufwendig in der Signalverarbeitung.

Das hier beschriebene Verfahren sendet ein zeitlich begrenztes Ultraschallsigna! bestehend aus mehreren Wellenpaketen unterschiedlicher aber fester Frequenz und unterscheidet sich von jenen Verfahren, welche ein kontinuierliches Ultraschallsignal aussenden und in gewissen Zeitabständen mit unterschiedlicher Dauer auf eine zweite bzw. dritte Frequenz umgeschalten (wie z.B. in DE 34 12 089 A1) oder periodisch die Frequenz des Ultraschalisignales geändern (wie z.B. in DE 38 00 800 A1).

In dem US-Patent Nr. 4,905,207 A wird ein Verfahren beschrieben, wobei Ultraschallsignale mit unterschiedlicher Frequenz aber (im Gegensatz zur gegenständlichen Patentanmeldung) mit einer Pause zwischen den einzelnen in sich selbst monofrequenten Wellenpaketen ausgesendet werden (siehe Figuren 2A und 3A des US-Patentes Nr. 4,905,207 A). Die Abstandsmessung basiert in diesem US-Patent auf der Messung des Phasenunterschiedes innerhalb der einzelnen monofrequenten Wellenpaketen zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal.

Das in der Offenlegungsschrift DE 38 06 847 A1 beschriebene Verfahren geht von einem Ultraschallsignal aus, welches (im Gegensatz zur gegenständlichen Patentanmeldung) Pausen zwischen den einzelnen in sich selbst monofrequenten Wellenpaketen aufweist (siehe Figuren 2 und 4 in DE 38 06 847 A1). Die Abstandsmessung basiert hier auf einer Laufzeitmessung 2

AT 407 304 B zwischen dem ersten gesendeten Impuls jedes einzelnen monofrequenten Wellenpaketes und dem Empfang des ersten Impulses vom Echo des Wellenpaketes mit der selben Frequenz.

Einen Kompromiß hinsichtlich dem Aufwand bei der Signalverarbeitung und der Störsicherheit bei gleichzeitig hoher Auflösung und zusätzlicher Kodierungsmöglichkeit der Sender bietet das hier vorgestellte Frequenzsprung-Verfahren. Dabei wird ein in der zeitlichen Dauer begrenztes Ultra-schall-Sendesignal aus zwei oder mehreren Wellenzügen {Wellenpaketen) unterschiedlicher aber fester Frequenz zusammengesetzt (siehe Figur 1 mit 3 Wellenpaketen mit 3 unterschiedlichen Frequenzen 7,8,9). Dadurch entstehen zwischen den Wellenpaketen Frequenzsprünge, die als Bezugspunkte für die Laufzeitmessung des Ultraschallsignales sehr wichtig sind. Die hohe Auflösung wird nämlich durch die Laufzeitmessung vom Senden eines beliebigen Frequenzsprunges bis zum Empfang desselben Frequenzsprunges erzielt. Die Laufzeitmessung basierend auf dem ersten gesendeten Impuls leidet an der Dämpfung im Ausbreitungsmedium und am Meßobjekt, wobei es durchaus Vorkommen kann, daß einige Anfangsimpulse sehr gedämpft und vom Empfänger nicht mehr registriert werden. Dadurch wird die Laufzeitmessung verfälscht, was durch Triggern auf einen markanten Punkt innerhalb des Ultraschallsignales (wie z.B. Frequenzsprung) nicht passieren kann. Durch die Frequenzsprünge kann mit diesem Verfahren eine Genauigkeit bei der Entfernungsmessung von mehr als 0,1 mm bei entsprechend genauer Ermittlung der Schallgeschwindigkeit erzielt werden.

Ein weiterer Vorteil des Frequenzsprung-Verfahrens ist die Möglichkeit die Sender zu kodieren. Dabei kann jedem Sender ein unterschiedliches Sendessignal zugeordnet werden und der Empfänger kann aufgrund des Signales die Herkunft genau bestimmen. Die Zuordnung der Sendesignale zu dem Sender ist die sogenannte Sendesignalkodierung. Beim Frequenzsprung-Verfahren ergeben sich durch die Möglichkeit mehrere unterschiedliche aber feste Frequenzen auf verschiedenen Positionen im Sendesignal zu verteilen eine sehr hohe Anzahl an unterschiedlichen Kodierungen. Wellenpakete mit derselben Frequenz können auch öfter als einmal im Ultraschallsignal Vorkommen, wobei es aber wichtig ist, daß benachbarte Wellenpakete nicht dieselbe Frequenz haben. Die Kodierung ermöglicht die gleichzeitige Verwendung mehrerer Ultraschall-Entfernungsmeßeinrichtungen im selben Raum oder relativ nahe zueinander wie z.B. bei kooperierenden Robotern bzw. bei autonomen, selbstfahrenden Transportwagen oder auch die Übertragung von Information.

Die Signalerzeugung beim Senden (siehe Figur 3) beschränkt sich auf die Einhaltung der Frequenzen bei den Wellenpaketen im Ultraschallsignal was z.B. durch einen parallel-zu-seriell-Wandler (11) der mit einer festen Taktrate die von einem Speicher (10) geladenen digitalen Werte in einen Bitstrom umwandelt, der das digitale Abbild des Ultraschall-Sendesignales darstellt. Abhängig von der Taktrate des parallel-zu-seriell-Wandlers bilden eine Anzahl von aufeinanderfolgenden 1-en die positive Halbwelle und eine Anzahl von aufeinanderfolgenden 0-en die negative Halbwelle einer Periode. Die Frequenz einer Periode des Ultraschall-Sendesignales kann durch die Anzahl der aufeinanderfolgenden 1-en und 0-en in Abhängigkeit von der Taktrate des Wandlers bestimmt werden. Über ein Tiefpaßfilter (12) und einen Verstärker (13) gelangt das elektrische Signal zum Ultraschall-Sender (1), wo es in das akustische Ultraschallsignal (5) umgewandelt wird. Das Tiefpaßfilter (12) unterdrückt die höheren Frequenzen des digitalen Rechtecksignales, sodaß daraus ein annähernd sinusförmiges Signal entsteht.

Die Ultraschall-Wandler die als Sender (1) oder Empfänger (2) eingesetzt werden, sollten eine gleichmäßige und hohe Bandbreite im Frequenzbereich der Ultraschallsignale aufweisen und müssen auf Frequenzänderungen sehr schnell reagieren. Dies ist notwendig damit die unterschiedlichen Frequenzen und die Frequenzsprünge gut übertragen werden können. Bei einer schlechten Übertragung eines Frequenzsprünges werden die einem Frequenzsprung nachfolgenden Perioden derart verfälscht, daß diese eine Frequenz haben die zwischen den urspünglich aufeinanderfolgenden festen Frequenzen liegt. Bei einer schlechten Frequenzsprung-Über-tragungscharakterisik benötigt der Wandler einige Perioden (mit sich ändernden Frequenzen) um sich auf die nächste Frequenz einzustellen. Da piezoelektrische Ultraschall-Wandler ausgeprägte Resonanzfrequenzen haben, werden sie bei Anregung in der Nähe dieser Resonanzen in diese Resonanzen hingezogen und sind deshalb für die Anwendung als Sender oder Empfänger bei dem hier vorgestellten Frequenzsprungverfahren ungeeignet. Die besten Ergebnisse auch hinsichtlich Übertragung des Frequenzsprunges wurden mit elektrostatischen Folien-Ultraschallwandlem (wie 3

AT 407 304 B z.B. jenen der Fa. Polaroid) erzielt.

Der Aufwand beim Empfänger (siehe Figur 3) ist bei der Verwendung des Frequenzsprung-Verfahrens ebenfalls gering. Der Ultraschall-Wandler (2) empfängt das vom Meßobjekt (3) reflektierte Sendesignal (6) und wandelt es in ein elektrisches Signal um, wobei vom Eingangsverstärker (17) die Amplitude des Signales verstärkt wird, um die Dämpfung im Medium und am Meßobjekt (3) zu kompensieren. Ein Bandpaßfilter (16) läßt nur die gewünschten Frequenzen passieren. Durch die unterschiedlichen Frequenzen ist nur eine 1-Bit Digitalisierung (Schmitt-Trigger) (15) notwendig, wobei die positiven Halbwellen in 1-en und die negativen Halbwellen in 0-en umgewandelt werden. Ein seriell-zu-parallel-Wandler (14) liest den seriellen Bitstrom mit einer gewissen Samplerate ein und konvertiert diesen in Worte die in (10) einem Mikrocomputer, einem Signalprozessorsystem oder mit einem Korrelator (wie in der Dissertation von Zimmermann beschrieben) ausgewertet werden können. Die Periodendauer der Frequenz kann durch einfaches Abzählen der aufeinanderfolgenden 1-en und 0-en und Multiplikation mit dem Sampie-Intervall erfolgen und damit kann der Sender bestimmt werden. Der Korrelator vergleicht bei jedem Sampie-Intervall das digitalisierte Empfangssignal mit dem digitalen Sendesignal und ermittelt eine Übereinstimmungswahrscheinlichkeit. Mit dieser Methode kann die Störsicherheit zusätzlich verbessert und eine höhere Auflösung erzielt werden.

Die Samplerate des Empfängers (und die Taktrate des Senders) bestimmt die erzielbare Auflösung des Verfahrens, die durch Multiplikation des Sample-intervalls mit der Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium berechnet werden kann. Die Samplerate (das Sampie-Intervall) des Empfängers und die Taktrate (die Taktperiode) des Senders muß an die Frequenzen (Periodendauer) des Ultraschallsignales und speziell an die Frequenzunterschiede (Unterschiede in der Periodendauer der einzelnen Frequenzen) angepaßt werden. Umgekehrt kann der Unterschied in der Periodendauer zwischen den einzelnen festen Frequenzen im Ultraschallsignal an die Sende-Taktperiode und an das Sampling-Intervall oder auf eine geforderte Auflösung hin angepaßt werden. Da die Verarbeitung der Signale sowohl beim Senden als auch beim Empfangen (in einem Mäkrocomputersystem) in den meisten Fällen im Zeitbereich erfolgt, ist es besser von der Periodendauer der einzelnen festen Frequenzen im Ultraschallsignal und vom Empfänger Sampling-Intervall bzw. von der Periode des Sende-Taktes zu sprechen. Der Unterschied in der Periodendauer der einzelnen festen Frequenzen im Ultraschallsignal sollte mindestens 6mal so groß wie das Empfänger-Sampling-Intervall sein. Aus Gründen der besseren Erkennung einer Frequenz (Periodendauer) z.B. aufgrund der Frequenzsprung-Übertragungscharakteristik der Ultraschall-Wandler sollte eine Toleranzbandbreite von +/- 1-2 Empfänger Sample-Intervallen vorgesehen werden.

Ultraschallsignale basierend auf Information in der Amplitude benötigen Mehrbit-Analog-Digital-Wandler und verursachen dadurch ein Mehrfaches an zu verarbeitenden Daten als bei Verfahren basierend auf Frequenzveränderungen und 1-Bit Wandlung. Weiters unterliegen Informationen in der Amplitude durch die laufzeit- und frequenzabhängige Dämpfung im Ausbreitungsmedium und bei der Reflexion am Meßobjekt unvorhersagbaren Schwankungen und sind deshalb störanfälliger als Informationen die mit der Frequenz transportiert werden.

Das hier vorgestellte Verfahren zur Ultraschall-Entfernungsmessung hat durch die Verwendung von zeitlich begrenzten Ultraschallsignalen bestehend aus mehreren Wellenpaketen unterschiedlicher aber fester Frequenz folgende Eigenschaften aufzuweisen: • Kodierungsmöglichkeit durch Verwendung verschiedener Frequenzen und unterschiedlicher Anordnung der Wellenpakete mit verschiedenen Frequenzen im Ultraschallsignal • Erhöhung der Auflösung der Entfernungsmessung durch Laufzeitmessung zwischen den Frequenzsprüngen • höhere Störsicherheit durch Transport der Information in der Frequenz • geringerer Signalverarbeitungsaufwand durch 1-Bit-Abtastung der Frequenz

Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Ultraschallsignales welches sich aus 3 Wellenpaketen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt, Figur 2 zeigt das Prinzip der Ultraschall-Entfernungsmessung und Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Blockschaltbildes der Signalverarbeitung für dieses Verfahren. 4

Claims (5)

1. AT 407 304 B Legende zu den Abbildungen: 1 Ultraschall-Sender 2 Ultraschall-Empfänger 5 3 Meßobjekt 4 Meßdatenverarbeitung und Anzeige 5 Sendesignal 6 am Meßobjekt reflektiertes Sendesignal 7 Wellenpaket 1 mit Frequenz f1 10 8 Wellenpaket 2 mit Frequenz f2 9 Wellenpaket 3 mit Frequenz f3 10 Mikrocomputer, Signalprozessorsystem oder Korrelator 11 parallel-zu-seriell-Wandler 12 Tiefpaßfilter 15 13 Sendeverstärker 14 seriell-zu-parallel-Wandler 15 1-Bit Digitalisierung (Schmitt-Trigger) 16 Bandpaßfilter 17 Empfangsverstärker 20 PATENTANSPRÜCHE: 25 30 35 40 45 50 1. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Objekten, wobei ein Ultraschallsignal von einem oder mehreren Sender ausgesendet wird, vom Objekt reflektiert und von einem oder mehreren Empfängern empfangen wird und die Entfernung zum Meßobjekt durch Messung der Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen unter Einbeziehung der jeweiligen Schallgeschwindigkeit des Ausbreitungsmediums ermittelt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Ultraschallsignal mit begrenzter zeitlicher Dauer ausgesandt wird und aus zwei oder mehreren zusammenhängenden Schwingungspaketen mit konstanter aber unterschiedlicher Frequenz zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Schwingungspakete auch eine unterschiedliche Anzahl an Schwingungsperioden aufweisen können.
2. 2. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Objekten durch Messung der Laufzeit eines Ultraschailsignales gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit zwischen denselben sich entsprechenden Frequenzänderungspunkten des Sendesignals und des Empfangssignals gemessen wird.
3. 3. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Objekten durch Messung der Laufzeit eines Ultraschailsignales gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Sender durch Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen und/oder deren unterschiedlicher Anordnung im Ultraschall-Sendesignal eindeutig kodiert werden können und durch die Frequenz- oder Periodendauermessung des Empfangssignales auf den Sender rückgeschlossen werden kann.
4. 4. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Objekten durch Messung der Laufzeit eines Ultraschailsignales gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenpakete mit unterschiedlicher aber fester Frequenz zur kodierten Informationsübertragung verwendet werden.
5. 5. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen Objekten durch Messung der Laufzeit eines Ultraschailsignales gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung vom analogen Empfangssignal in ein digitales Signal mittels 1-Bit-Wandlung erfolgt. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5 55