AT413890B - Verfahren und sensorvorrichtung zur gewinnung von informationen über die position eines objekts mit einem ultraschallsensor - Google Patents

Description

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AT 413 890 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Objekts mit Hilfe eines Ultraschallsensors, der einen Ultraschallsender sowie einen Ultraschallempfänger aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders und -empfängers verschieden sind, bei welchen Verfahren mit Hilfe des Ultraschallsenders ein Ultraschall-5 Sendesignal abgestrahlt und ein vom Objekt reflektiertes Ultraschall-Signal mit Hilfe des Ultraschallempfängers empfangen und zur Gewinnung von Positionsinformationen ausgewertet wird.

Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Sensorvorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Objekts, mit einem Ultraschallsensor, der einen Ultraschallsender io sowie einen Ultraschallempfänger aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschallsenders und -empfängers verschieden sind, und wobei ein vom Ultraschallsender abgestrahltes, vom Objekt reflektiertes und mit Hilfe des Ultraschallempfängers empfangenes Ultraschall-Signal zum Gewinnen von Positionsinformationen ausgewertet wird. 15 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 20 ausgesendet. Das von einem Objekt reflektierte Signal wird z.B. mit Hilfe des Ultraschallempfängers wieder empfangen. Im Fall eines kombinierten Senders und Empfängers kommt es aufgrund der Länge des ausgesendeten Signals und der für das auftretende Ausschwingen der Umschaltung vom Sendebetrieb in den Empfangsbetrieb nötigen Zeit zu einem Blind bereich in der unmittelbaren Nähe vor dem Ultraschallsensor, der die Messung kurzer Distanzen verhin-25 dert. 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 Luft-30 dämpfung 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 führt.

Die Signalamplitude eines reflektierten Signals hängt insbesondere von folgenden Faktoren ab: 35 1) Entfernungsabhängige Luftdämpfung in der Übertragungsstrecke - hier versucht man, die entfernungsabhängige Signaldämpfung mit Hilfe einer laufzeitabhängigen Verstärkung des empfangenen Signals zu kompensieren. 2) Reflexionseigenschaften des Objektes, zu dem die Entfernung bestimmt wird - die Reflexi-40 onseigenschaften 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 45 Richtungen, allerdings mit deutlich kleinerer 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, so 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 55 abgestrahlt wird und die somit einen Blindbereich bewirkt, und sie steigt hierauf wieder bis zum 3

AT 413 890 B um etwa 17 dB kleineren Maximum der ersten Nebenkeule an, um über weitere Nullstellen zu den folgenden Nebenkeulen zu gelangen.

Die Fälle 2) und 3) stellen den klassischen Ultraschallsensor besonders dann vor Probleme, 5 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 Haupt-io keule erkannt. Am Rand dieser stark objektabhängigen Richtcharakteristik treten außerdem noch starke Messunsicherheiten auf.

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 15 Ultraschall-Sensorsystem bekannt, bei der ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger mit relativ zueinander divergierenden Achsen nebeneinander angeordnet sind, wobei weiters der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger jeweils mit L-förmigen Röhren zur Umlenkung des Ultraschalls ausgerüstet sind, um so einen nachteiligen Einfluss von Schmutz, Regen oder dergl. nach Möglichkeit zu vermeiden. Die eigentlichen Ultraschallwandler sitzen jeweils im 20 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 schmalbandi-ges bzw. monofrequentes Ultraschallsignal aus, und empfängerseitig wird eine Berechnung auf der Basis von Laufzeitunterschieden durchgeführt. Diese Ausbildung ist jedoch sichtlich auf-25 wendig, 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 30 einfache Weise eine verbesserte Ortung und in der Folge Distanzmessung mit Hilfe von Ultraschall, insbesondere von Objekten in Luft, ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren bzw. eine Sensorvorrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und 35 Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

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 40 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 zu-45 lässigen 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. so Zur Entfernungsmessung kann die Laufzeit eines zeitlich begrenzten Signals gemessen werden.

Im Hinblick darauf, dass ein Signal unterschiedlicher Frequenzen, d.h. ein breitbandiges Signal, verwendet wird, sind auch Ultraschallsender und -empfänger mit einer dem Signal entspre-55 chenden, ausreichend großen Bandbreite erforderlich. Die Auswertung des empfangenen Sig- 4

AT 413 890 B nals 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 5 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.

Die Phasenverschiebung des empfangenen Signals wird weiters dann im Wesentlichen allein io 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. 15 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 20 und so der Sende- und der Empfangsstrahl den gleichen Weg zurücklegen.

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-25 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 (Frequenzkomponenten) des Signals auf, so ergibt sich bei einer korrelativen Auswertung eine starke Abnahme des erreichten Korrelationsergebnisses, welches zur Signaldetektion 30 herangezogen 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 schar-35 fen 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. 40

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 45 Signals kann erforderlichenfalls auch eine Kompensation des Temperatureinflusses auf den festgelegten Messbereich des Ultraschallsensors erreicht werden.

Eine sukzessive Variation der Richtcharakteristik durch Änderung des abgestrahlten Signals ermöglicht die Suche nach einer Detektionsgrenze, außerhalb der keine Signaldetektion mehr so 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 Kegel-55 schalen, die mit Hilfe des Öffnungswinkels, der nun gleich der Abstrahlrichtung ist, beschrieben 5

AT 413 890 B werden können. Bei Verwendung eines Chirps mit linear steigender Frequenz als Sendesignal, wie dies bevorzugt wird, entsteht eine Variation der Richtcharakteristik des Ultraschallsenders 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.

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.

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.

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: Fig. 1 schematisch eine Anordnung eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers in einem Bezugskoordinatensystem sowie einen Reflexionspunkt (Objekt), der ein entlang eines Sendestrahles ausgesendetes Signal entlang eines Empfangsstrahles zum Ultraschallempfänger zurück reflektiert; 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; Fig. 3 in einem Diagramm: Signalamplitude A (normiert) über der Zeit t (in ps) 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°; Fig. 4 in einem Diagramm: relatives Korrelationsmaximum K (in %) über dem Abstrahlwinkel ß den Verlauf ermittelter Korrelationsmaxima, welche zur Detektion empfangener Ultraschallsignale herangezogen werden, in Abhängigkeit vom 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; Fig. 5 schematisch einen Ultraschallsensor in Verbindung mit 6

AT 413 890 B zwei reflektierenden Objekten, wobei schematisch der gesamte Abstrahlwinkelbereich und der erfindungsgemäß erhaltene definierte Detektionsbereich veranschaulicht sind; 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 5 Rundstab; und 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 (dem Abstrahlwinkel) des Ultraschallsensors veranschaulicht sind. io 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 15 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 6 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 20 Ultraschallsenders 2 sind die Abstrahleigenschaften des Sender-Wandlers bei gleichen Abstrahlwinkeln ß gleich.

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 unter-25 schiedliche Winkel α ergeben, zu unterschiedlichen Entfernungsmesswerten, da sich mit dem Winkel α 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 30 des Ultraschallsenders 2 und des Ultraschallempfängers 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.

Ein Ultraschallwandler kann meist mit Hilfe des Modells der Kolbenmembran beschrieben wer-35 den, 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 Amplituden-maxima, 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 40 (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 45 entsprechend der Frequenz des zum jeweiligen Zeitpunkt abgestrahlten Signalteils. Betrachtet man ein linear frequenzmoduliertes Signal 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 Richtcharakteristik die in Fig. 3 dargestellten Veränderungen: 50

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 55 Fig. 3 erreicht. Der folgende Bereich bzw. Signalanteil 22 wird über die erste Nebenkeule 16b 7

AT 413 890 B 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. 5 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 Original-Signal, also einem Signal ohne die Beeinflussung durch die Richtcharakteristik, entspricht) durchführt. Um ein amplitudenunabhängiges Verhalten zu bekommen, wird nur das Vorzeichen, nicht aber die io 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. 15 ein großes Korrelationsmaximum erhalten. Sobald jedoch höherfrequente Teile des Signals 5 bzw. 6 aufgrund der Übertragung durch die erste Nebenkeule 16b die erwähnte 180e-Pha-sendrehung 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 20 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. 25

In Fig. 4 sind sodann die Amplituden der Korrelationsmaxima K (in %, bezogen auf einen Maximalwert) in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel ß in Verbindung mit einer Detektionsschwelle - Schwellwert 25 - aufgetragen. Man erkennt einen flachen Bereich 26 bei kleinen Winkeln sowie einen steilen Abfall am Rand 27a bzw. 27b dieses flachen Bereichs 26. Die Einführung 30 der Detektionsschwelle erlaubt eine Bewertung der Korrelationsmaxima, so dass nur jene Korrelationsmaxima zur Entfernungsmessung herangezogen werden, deren Amplitude den definierten Schwellwert 25 überschreitet. Dieses Verfahren bewirkt einen eindeutigen und seitlich scharf begrenzten Detektionsbereich 26 (Abstrahlwinkelbereich) des Ultraschallsensors (2 in Fig. 1). 35

Eine Bewertung des Korrelationsergebnisses mit Hilfe einer Detektionsschwelle 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. Eine Änderung der Temperatur 40 führt zu einer Verschiebung der Nullstellen in der Richtcharakteristik und somit bei gegebenem Abstrahlwinkel zu einer Verschiebung der relativen Positionen 21a, 21b der Phasensprünge im empfangenen Chirp-Signal (vgl. Fig. 3). Da die Gesetzmäßigkeit für die Nullstellen-Ver-schiebung in Abhängigkeit von Temperatur bestens bekannt ist, ist eine Temperaturkompensation möglich. 45

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 Richtcharak-50 teristik des Ultraschallsenders 2 angestrahlt und reflektieren das jeweils eintreffende Signal zurück zum Ultraschallempfänger 3. Durch die aufgrund der beschriebenen Frequenzmodulation des Sendesignals 5 auftretende Phasenverschiebung bei größeren Abstrahlwinkeln erzeugt jedoch nur das von dem einen Objekt 31 reflektierte Signal 6 ein gutes Korrelationsergebnis, während das von dem anderen Objekt 32 reflektierte Signal aufgrund seines geringen Korrelati-55 onsergebnisses unabhängig von der Signalamplitude ignoriert wird.

Claims (16)

1. 8 AT 413 890 B Voraussetzung dafür ist eine ausreichend breite Richtcharakteristik des Ultraschallempfängers 3 des Ultraschallsensors 7 mit konstanter Phasenverschiebung. In Fig. 6 ist eine vergleichbare Messanordnung mit einem Ultraschallsensor 7 und mit zwei 5 Objekten 42, 43 gezeigt. In Fig. 7 sind sodann die Ergebnisse einer mit der in Fig. 6 gezeigten Anordnung durchgeführten Messung zu sehen. 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 Verschwen-io kung), 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 (Objekt 42) und zu einer glatten Ebene (Objekt 43). Aufgrund der ausschließlichen Schwenk- bzw. Drehbewegung des Ultraschallsensors 7 bleibt der Reflexionspunkt R der Ebene 43 stets in einer fixen Position. Der Winkel 44 zwischen den beiden Reflexionspunkten, 15 nämlich an der Ebene, Objekt 43, und am Rundstab, Objekt 42, beträgt 15°. In Fig. 7 sind die ermittelten Ergebnisse insofern zu ersehen, als über dem Abstrahlwinkel bzw. Achswinkel ε die ermittelten Distanzen 50 (zur Ebene, Objekt 43) und 51 (zum Rundstab, Objekt 42) aufgetragen sind. Bemerkenswert ist das gleichartige Ergebnis in Bezug auf den Win-20 kelbereich 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 Messfehler, wie sie bei einem klassischen Messverfahren zu erwarten wären. 25 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Position eines Objekts (4; 31, 32; 42, 30 43) mit Hilfe eines Ultraschallsensors (7), der einen Ultraschallsender (2) sowie einen Ult raschallempfänger (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 Ultraschallempfängers (3) empfangen und 35 zur Gewinnung von Positionsinformationen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die im Vergleich zur Richtcharakteristik des Ultraschallempfängers (3) schmale, frequenzabhängige Richtcharakteristik des Ultraschallsenders (2) durch Verwenden eines Ansteuersignals, das unterschiedliche Signalfrequenzen enthält, verändert wird, wobei beim frequenzbedingten Wechsel von einer Keule (15a) in der Richtcharakteristik zu einer 40 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.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein frequenzmoduliertes Sen designal (5) abgestrahlt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendesignal (5) mit ansteigender Frequenz abgestrahlt wird. 50
4. 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.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das empfan- 9 AT 413 890 B gene Signal (6) mit dem Referenzsignal in einem Kreuzkorrelationsverfahren verglichen wird, bei dem nur das Vorzeichen der Signale bewertet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung 5 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.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra- io schallsender (2) und -empfänger (3) gemeinsam verschwenkt werden, um im gegebenen Fall mehrere Abstrahlwinkelbereiche, entsprechend mehreren Objekten (31, 32; 42, 43) im Raum, vorab festzulegen.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tempera- 15 tureinfluss auf den ermittelten Abstrahlwinkelbereich (26) auf Basis der Messung der Um gebungstemperatur kompensiert wird.
9. 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 20 einen Ultraschallempfänger (3) aufweist, wobei die Richtcharakteristiken des Ultraschall senders und -empfängers verschieden sind, und wobei ein vom Ultraschallsender abgestrahltes, vom Objekt (4; 31, 32; 42, 43) reflektiertes und mit Hilfe des Ultraschallempfängers (3) empfangenes Ultraschall-Signal (6) zum Gewinnen von Positionsinformationen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) eine im Ver-25 gleich zur Richtcharakteristik des Ultraschallempfängers (3) schmale, frequenzabhängige 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 wobei das reflek-30 tierte, empfangene Ultraschall-Signal (6) mit einem gespeicherten Referenzsignal ver gleichbar ist, um einen für Positionsbestimmungen zu verwendenden Abstrahlwinkelbereich (26) des Ultraschallsenders (2) zu bestimmen.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) zum 35 Abstrahlen eines frequenzmodulierten Sendesignals ansteuerbar ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) zum Abstrahlen eines Sendesignals mit ansteigender Frequenz ansteuerbar ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra schallsender (2) zum Abstrahlen eines Sendesignals mit einer kontinuierlich, z.B. von 30 kHz auf 80 kHz, ansteigenden Frequenz ansteuerbar ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kor- 45 relationseinheit zum Vergleichen des empfangenen Signals mit dem Referenzsignal in einem Kreuzkorrelationsverfahren vorgesehen ist, bei dem nur das Vorzeichen der Signale bewertet wird.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur so 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.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultra- 55 schallsender (2) und -empfänger (3) gemeinsam verschwenkbar angeordnet sind. AT 413 890 B 1 0
16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (2) und -empfänger (3) konzentrisch angeordnet sind. 5 Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55