DE10024474A1 - Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestimmung wenigstens eines Objektes - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und Lagebestimmung wenigstens eines Objektes 7, bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einer Abfragestation 14 ausgesendet wird, und am Objekt 7 energiespeichernde Sensorelemente 1 bis 3 vorgesehen sind, die das über Funk eingespeicherte Abfragesignal individuell modulieren und als codierte Antwortsignale zur Abfragestation 14 zurücksenden, in welcher zur Positions- oder Lagebestimmung aus den Zeit- und/oder Phasenlagen der jeweiligen Antwortsignale die Positions- und/oder Lagebestimmung durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Es ist bekannt, für ein Objekt oder für mehrere Objekte unter Zuhilfenahme von Reflexion elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise durch Bilderkennung, Radar und dergleichen, die Position bzw. Positionen zu bestimmen. Auch ist es be­ kannt, mit Hilfe von Neigungssensoren eine Lageerkennung durchzuführen. Hierzu ist jedoch eine bei Radar oder Bilder­ kennung direkte Sichtverbindung und bei Neigungssensoren eine Verkabelung des Objektes in aller Regel erforderlich.

Ferner sind z. B. aus der EP 0 619 906 B1 Sensorelemente in Form von Oberflächenwellen (OFW)-Bauelementen bekannt, welche ein Abfragesignal zwischenspeichern können, wobei das elek­ tromagnetische Abfragesignal bei der Zwischenspeicherung in ein akustisches Signal gewandelt und mit einer vorgegebenen Grundverzögerung und/oder Frequenz modifiziert werden kann. Das modifizierte akustische Signal wird in ein codiertes elektromagnetisches Antwortsignal umgewandelt und zu einer Abfragestation, welche das Abfragesignal ausgesendet hat, zur Gewinnung bestimmter Maßdaten zurückgesendet. Das OFW-Bauele­ ment arbeitet passiv, d. h. es benötigt keine eigene Energie­ quelle bzw. Stromversorgung. Der Energiebedarf wird über das durch Empfang eingespeicherte elektromagnetische Abfragesig­ nal gedeckt. Derartige als passive Transponder arbeitende OFW-Bauelemente können zu verschiedenen Meßzwecken bei der Temperatur-, Druck- oder Beschleunigungsmessung zum Einsatz kommen. Ferner können sie in Identifizierungssystemen zum Einsatz kommen, wobei zur Modulation des akustischen OFW-Sig­ nals unterschiedliche Reflektorstrukturen auf dem piezoelektrischen Substrat des OFW-Bauelements zum Einsatz kommen. Aus der EP 0 651 344 ist es beispielsweise bekannt, einen Spread- Spektrum-Reflektor auf dem Substrat des OFW-Bauelementes vor­ zusehen. Das OFW-Bauelement repräsentiert dann einen soge­ nannten ID-Tag, der als Identifizierungsmarke zum Einsatz kommen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestimmung eines oder mehrerer Objekte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die Positionierung und/oder die Lage auch unüber­ sichtlicher und schwer beobachtbarer Objekte bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird mit Hilfe wenigstens eines am Objekt vorgesehenen energiespeichernden Sensorelementes, welches passiv ohne eigene Energieversorgung arbeitet, das über Funk eingespeicherte Abfragesignal individuell moduliert und als codiertes Antwortsignal, dessen Zeit- und/oder Phasenlage bei der Positions- und/oder Lagebestimmung ausgewertet wird, zum Sendeort des Abfragesignals zurückgesendet. Die Zeit- und/oder Phasenlage des codierten Antwortsignals wird bezüg­ lich der Zeit- und/oder Phasenlage des Abfragesignals ausge­ wertet. Auf diese Weise gewinnt man zumindest bei Verwendung eines Sensorelements eine Bestimmung des Abstandes zwischen Objekt und Abfragestation, von welcher das Abfragesignal aus­ gesendet wurde. Zur Lagebestimmung des Objektes können am Ob­ jekt mehrere Sensorelemente insbesondere drei Sensorelemente vorgesehen sein. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Positionie­ rung am Objekt besitzen die Sensorelemente zur Abfragestation unterschiedliche Entfernungen. Hieraus resultieren bei den codierten Antwortsignalen Zeit- bzw. Phasendifferenzen der Signale untereinander und unterschiedliche Laufzeiten zwi­ schen der Abfragestation und den jeweiligen Sensorelementen.

Die Modulation im jeweiligen Sensorelement kann auf unter­ schiedlicher Verzögerung und/oder Frequenzbeeinflussung beru­ hen. In bevorzugter Weise sind die Sensorelemente als OFW- Bauelemente mit ID-Tag-Funktion ausgebildet. Eine in der Ab­ fragestation vorgesehene Auswerteeinrichtung erkennt aufgrund der unterschiedlichen Modulation bzw. Codierung der empfange­ nen Antwortsignale den jeweiligen Sensor, von welchem das Antwortsignal kommt. Hierdurch läßt sich der jeweils gemes­ sene Wert für die Laufzeit oder Phasenlage dem entsprechenden Sensorelement zuordnen.

Weitere Ausführungsbeispiele für das jeweilige Sensorelement sind OFW-Resonatoren, elektrische und mechanische Schwing­ kreise, wie beispielsweise Quarz-Volumenschwinger und LC- Schwingkreise.

Bei den zum Einsatz kommenden Energiespeichernden Sensorele­ menten besteht ein vorteilhaftes Merkmale darin, dass die Energie im Element so lange gespeichert wird, bis Umgebungs­ echos des Abfragesignals (Abfrageimpulses) soweit abgeklungen sind, dass die vom Sensorelement abgegebenen Antwortsignale relativ schwach sein können und dennoch detektiert werden können.

Über die Laufzeitdifferenzen der Antwortsignale, welche von den an verschiedenen Stellen des Objektes plazierten Sensor­ elementen kommen, ist es möglich, die Position und/oder Lage des Objektes im Raum bezüglich eines Referenzortes, insbeson­ dere bezüglich der Abfragestation zu bestimmen. Die Sensor­ elemente besitzen zum Objekt eine feste räumliche Beziehung, die in der Auswerteeinrichtung gespeichert ist. Die Anzahl der zum Einsatz kommenden Sensorelemente bestimmt die Freiheitsgrade, in denen die Messung durchgeführt werden kann, sowie die Meßgenauigkeit. Bei Anordnung von drei Sensorele­ menten an verschiedenen Orten des Objektes kann sowohl der Abstand des Objektes von der Abfragestation bzw. vom Refe­ renzort und die Lage des Objektes relativ hierzu bestimmt werden.

Durch die Erfindung wird mit einer passiven Sensoreinrichtung eine berührungslose Positions- und/oder Lagebestimmung eines oder mehrere Objekte erreicht. Die Messanordnung besitzt einen einfachen Aufbau, wobei zwischen der Abfragestation und dem Objekt keine direkte Sichtverbindung erforderlich ist. Vorzugsweise kann die Erfindung bei führungslosen Transport­ systemen, bei automatischer Positionierung von Objekten, bei der Positionierung unübersichtlicher oder schlecht beobacht­ barer Objekte und bei der Überwachung von Anlagen und Anla­ genteilen zum Einsatz kommen. Ferner eignet sie sich zur An­ wendung in Alarmanlagen, in Systemen zur Unterstützung Behin­ derter und in Sicherheits- und Komfortsystemen für Personen. Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Er­ findung noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Aus­ führungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Erläuterung zur Auswertung der von den Sensor­ elementen abgegebenen elektromagnetischen Antwort­ signalen und

Fig. 3 eine Ausführungsform für ein Sensorelement und eine Abfragestation, welche bei der Erfindung zum Ein­ satz kommen können.

In der Fig. 1 sind an einem Objekt 7 drei Sensorelemente 1, 2 und 3 an verschiedenen Orten des Objektes angeordnet. Ferner gehört zum dargestellten Positions- und Lagebestimmungssystem eine Abfragestation 14 mit einer Sende-/Empfangsantenne 15. Die Abfragestation 14 besitzt ferner einen Sender 12 und einen Empfänger 13, welche an die Sende-/Empfangsantenne 15 anschließbar bzw. angeschlossen sind (Fig. 3). Ferner kann die Abfragestation 14 eine Auswerteeinrichtung 5 aufweisen, in welcher die Auswertung der gesendeten und empfangenen Sig­ nale erfolgt. Eine derartige Abfragestation ist bekannt.

Die jeweiligen Sensorelemente 1 bis 3 bestehen bevorzugt aus OFW-Bauelementen bekannter Ausführungsform. Im wesentlichen besitzt jedes Sensorelement eine zugeordnete Empfangs-/Sen­ deantenne. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, besitzt das Sensor­ element 1 die zugeordnete Antenne 9, das Sensorelement 2 die zugeordnete Antenne 10 und das Sensorelement 3 die zugeord­ nete Antenne 11. Jede dieser Empfangs-/Sendeantennen ist am jeweiligen Sensorelement mit einem Interdigitalwandler 8 ver­ bunden. Durch den Interdigitalwandler 8 wird in einem piezo­ elektrischen Substrat 16 des OFW-Bauelements eine akustische Oberflächenwelle (OFW) erzeugt, die in einer Modulationsein­ richtung 6 moduliert wird. Die Modulationseinrichtung 6 kann aus unterschiedlichen Reflektor- oder durch Faltung gebilde­ ten Resonatorstrukturen bestehen. Man gewinnt hierdurch eine Modulation hinsichtlich Verzögerung und/oder Frequenz des akustischen Oberflächenwellensignals. Dieses modulierte Sig­ nal wird vom Wandler 8 in ein elektromagnetisches HF-Antwort­ signal zurückgewandelt und über die Empfangs-/Sendeantenne des jeweiligen Sensorelementes zur Abfragestation 14 zurück­ gesendet.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden somit die je­ weiligen Sensorelemente 1 bis 3 von der Abfragestation 14 mit einem Abfragesignal insbesondere mit einem gepulsten HF-Ab­ fragesignal, z. B. mit 2,45 GHz angeregt. Das durch die Modu­ lation codierte Antwortsignal wird mit der jeweiligen vom Sensorelement bewirkten zeitlichen Verzögerung von den jewei­ ligen zugeordneten Empfangs-/Sendeantennen 9, 10, 11 der Sen­ sorelemente abgestrahlt und über den Empfangsteil 13 der Ab­ fragestation 14 empfangen. Insbesondere die räumliche Anord­ nung der den jeweiligen Sensorelementen 1 bis 3 zugeordneten Empfangs-/Sendeantennen 9 bis 11 ist am Objekt 7 fest vorge­ sehen und in der Auswerteeinrichtung 5 gespeichert. Es ist beispielsweise möglich, die Sensorelemente 1 bis 3 in einer gemeinsamen Baueinheit bzw. einem gemeinsamen Baustein unter­ zubringen und sie mit den zugeordneten Antennen 9 bis 11 je­ weils zu verbinden. Die unterschiedlichen Entfernungen, wel­ che diese Antennen 9 bis 11 in Abhängigkeit von der Position und Lage des Objektes von der Sende-/Empfangsantenne 15 der Abfragestation 14 aufweisen, können aus den jeweiligen Lauf­ zeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale bestimmt wer­ den. Aus den unterschiedlichen Laufzeiten und Phasenlagen so­ wie Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Antwortsigna­ len lassen sich über die Lichtgeschwindigkeit die Wegdiffe­ renzen zwischen den einzelnen Antennen 9 bis 11 zur Antenne 15 der Abfragestation 14 ermitteln und daraus die Entfernung und/oder Lage des Objektes 7 bezüglich der Abfragestation oder einem anderen Referenzort nach bekannten trigonometri­ schen Beziehungen bestimmen. Dies wird aus der Fig. 2 deut­ lich. Da das System invariant gegen Drehung um die Abfrage­ station ist, kann eine zusätzliche Peileinrichtung oder eine zusätzliche Antenne an der Abfragestation 14 vorgesehen sein, so daß auch die Richtung, in welcher das Objekt 7 liegt, be­ stimmt werden kann.

Claims (11)

1. Verfahren zur drahtlosen Positions- und Lagebestimmung we­ nigstens eines Objektes, bei dem ein elektromagnetisches Ab­ fragesignal von einem bestimmten Sendeort zum Objekt ausge­ sendet wird und vom Objekt ein Antwortsignal zum Sendeort für die Positions- oder Lagebestimmung aus Zeit- oder Phasenpara­ metern der Signale zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigs­ tens einem am Objekt vorgesehenen energiespeichernden Sensor­ element das über Funk eingespeiste Signal individuell modu­ liert wird und als codiertes Ausgangssignal, dessen Zeit- oder Phasenlage bezüglich des Abfragesignals ausgewertet wird, zum Sendeort zurückgesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modula­ tion mit fest vorgegebener Verzögerung und/oder Frequenz er­ folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren insbesondere drei verschiedenen Stellen des Objektes das Abfragesignal mittels der Sensorelemente unter­ schiedlich moduliert wird, und von den Sensorelementen unter­ schiedlich codierte Antwortsignale an den Sendeort zurückge­ sendet werden und dass aus den Laufzeiten oder Phasenunter­ schieden bzw. -lagen der Antwortsignale die Position und/oder Lage des Objektes bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Funk in das jeweilige Sensorelement eingespeicherte elektro­ magnetische Signal in ein akustisches Signal gewandelt wird, wobei das akustische Signal moduliert wird, und dass das mo­ dulierte akustische Signal in das elektromagnetische Antwort­ signal, dessen Zeit- und Phasenlage für die Positions- und/oder Lagebestimmung ausgewertet wird, zum Sendeort zu­ rückgesendet wird.

5. Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestim­ mung wenigstens eines Objektes mit einer einen Sender und Empfänger aufweisenden Abfrageeinrichtung, einer mit der Ab­ frageeinrichtung verbundenen Auswerteeinrichtung und einer am Objekt vorgesehenen Sensoreinrichtung, welche in Abhängigkeit von aus der Abfrageeinrichtung ausgesendeten Abfragesignalen Antwortsignale zur Abfrageeinrichtung zurücksendet, in wel­ cher das Antwortsignal für die Positions- und/oder Lagebe­ stimmung ausgewertet wird, zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ob­ jekt (7) vorgesehene Sensoreinrichtung (4) wenigstens ein energiespeicherndes und an eine Empfangs-/Sendeantenne (9, 10, 11) angekoppeltes Sensorelement (1, 2, 3) aufweist, in welches eine individuelle Modulationseinrichtung (6) für das Abfragesignal zur Erzeugung eines codierten Antwortsignals integriert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor­ einrichtung (4) mehreren insbesondere drei Sensorelemente (1 bis 3) aufweist, deren zugeordnete Empfangs-/Sendeantennen (9 bis 11) an verschiedenen Stellen des Objektes (7) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modula­ tionseinrichtungen (6) der Sensorelemente (1 bis 3) sich von­ einander unterscheiden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Modula­ tionseinrichtung (6) hinsichtlich Verzögerung und/oder Fre­ quenz moduliert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modula­ tionseinrichtung (6) eine akustische Modulationseinrichtung ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Orte, an denen die den Sensorelementen (1 bis 3) zugeordneten Emp­ fangs-/Sendeantennen (9 bis 11) am Objekt (7) befestigt sind, in der Auswerteeinrichtung (5) gespeichert sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jewei­ lige Sensorelement (1 bis 3) als ID-Tag ausgebildet ist.