DE10025968A1 - Distance determining method by the echo delay time principle, involves comparing received transmitted signal component with a first threshold value and with a second threshold value, exceeding the first - Google Patents

Distance determining method by the echo delay time principle, involves comparing received transmitted signal component with a first threshold value and with a second threshold value, exceeding the first

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Abstract

Distance measurement between a transmitter-receiver and a target object can be carried out more accurately and with reduced influence from the fluctuation of the signal slope on the reception side, by means of the echo delay time principle. Comparison of the received signal component (a1) of the transmitted signal pulse (a0) with a first threshold value (S1) and a second threshold value, higher than the first (S2 is greater than S1) is carried out. From the time-point (t0) of the emission of the signal pulse (a0) up to time-point (t11,t21) of the exceeding of the first threshold value (S1) by the received signal component (a1,a2) determines a first time duration (T1), and up to a time point (t12,t22) of the exceeding of the second threshold value (S2), determines a second time duration (T2). The two threshold values (S1,S2) and the two time durations (T1,T2) are used to ascertain the distance.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einer Sender- Empfänger-Einheit und einem Zielobjekt nach dem Echolaufzeitprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung.The invention relates to a method for measuring distance between a transmitter Receiver unit and a target object according to the echo delay principle according to the Preamble of claim 1 and a corresponding circuit arrangement.

Ein derartiges Verfahren kann beispielsweise der EP 0 857 980 A1 entnommen werden. Von der Sender-Empfängereinheit werden Signale vorgegebener Stärke in ein Zielgebiet emittiert. Als Wellen werden in diesem Fall Laserlichtimpulse ver­ wendet, wobei neben optischen Wellen auch akustische, insbesondere Ultra­ schallwellen oder elektromagnetische Wellen in Betracht kommen.Such a method can be found, for example, in EP 0 857 980 A1 become. The transmitter-receiver unit sends signals of a given strength in emitted a target area. In this case, laser light pulses are used as waves applies, in addition to optical waves also acoustic, especially Ultra sound waves or electromagnetic waves come into consideration.

Die vom Zielgebiet reflektierten Wellen werden gemessen und durch einen Vergleich mit einem vorgegebenen Schwellwert (Detektionsschwelle in Fig. 3 der EP 0 857 980 A1) eine Zeitdauer von der Emission bis zum Eintreffen der an dem Zielobjekt reflektierten Anteile der emittierten Wellen, also die Impulslaufzeit erfasst, die zur Entfernung proportional ist, so dass daraus die Entfernung unmittelbar (Entfernung = 1/2 . Impulslaufzeit . Lichtgeschwindigkeit) abgeleitet wird. Der Vergleich mit einem Schwellwert ist dabei erforderlich, um die auf die emittierten Wellen zurück­ gehenden Anteile von dem Umgebungsrauschen, also störendem Umgebungslicht, elektromagnetischer Strahlung ect. zu unterscheiden.The waves reflected from the target area are measured and, by comparing them with a predetermined threshold value (detection threshold in FIG. 3 of EP 0 857 980 A1), a time period from the emission to the arrival of the portions of the emitted waves reflected at the target object, that is to say the pulse transit time which is proportional to the distance, so that the distance from it immediately (distance = 1/2. pulse transit time. speed of light) is derived. The comparison with a threshold value is necessary in order to determine the proportions of the ambient noise, ie disturbing ambient light, electromagnetic radiation, which are due to the emitted waves. to distinguish.

Dadurch entsteht jedoch eine Abhängigkeit von der Flankensteilheit und Amplitudenhöhe des reflektierten Impulsanteils, wie in der Fig. 1 dargestellt ist. Aufgrund unterschiedlich starker Dämpfung der Impulse a1 und a2 ist die Zeitdauer bis zum Erreichen eines gleichen Schwellwertes, bspw. S1 oder S2 jedoch unterschiedlich (t11 < t21 und t12 < t22). Erkennbar wird in Fig. 1 bereits zudem, dass mit Vergrößerung des Wertes des Schwellwertes die Abhängigkeit von der Dämpfung des empfangenen Impulses noch zunimmt (t22 - t12 < t21 - t11). However, this creates a dependency on the slope and amplitude of the reflected pulse component, as shown in FIG. 1. Due to the different degrees of damping of the pulses a1 and a2, the time until a same threshold value is reached, for example S1 or S2, is different (t11 <t21 and t12 <t22). It can also be seen in FIG. 1 that as the value of the threshold increases, the dependence on the damping of the received pulse increases (t22-t12 <t21-t11).

Gerade im Bereich optischer Wellen sind die Dämpfungen der Sendeimpulse extrem stark schwankend aufgrund unterschiedlicher Sendeleistung der verwendeten Sender, deren Temperaturabhängigkeit und insbesondere aufgrund unter­ schiedlicher Reflexionseigenschaften des Zielobjekts. Berücksichtigt man weiterhin, dass für Entfernungsmessungen im Nahbereich, bspw. zwischen 1 und 10 Metern, die zu verarbeitenden Impulslaufzeiten im Nanosekundenbereich liegen, wird deutlich, dass die exakte Bestimmung des Zeitpunkts des Eintreffens des reflek­ tierten Anteils des Impulses erforderlich ist bzw. die Genauigkeit der Entfernungs­ messungen aufgrund der Abhängigkeit von der schwankende Steilheit der Flanke des empfangsseitig gemessenen Signals stark beeinträchtigt wird.In the area of optical waves in particular, the attenuation of the transmission pulses is extreme strongly fluctuating due to different transmission power of the used Transmitter, its temperature dependency and in particular due to below different reflection properties of the target object. If you also take into account that for distance measurements at close range, e.g. between 1 and 10 meters, the pulse transit times to be processed are in the nanosecond range clearly that the exact determination of the time of arrival of the reflec tied portion of the pulse is required or the accuracy of the distance measurements due to the dependence on the fluctuating slope of the flank of the signal measured at the receiving end is severely impaired.

Diese Problematik der unterschiedlichen Reflexionseigenschaften und der damit einhergehenden Abweichung der empfangenen Impulse ist auch aus der WO 99/34235 bekannt, wobei das dort vorgeschlagene Verfahren eine Integration des Helligkeitssignals über zwei sich sehr stark unterscheidende, jedoch in sich feste Integrationszeitfenster und ohne vorherigen Schwellwertvergleich des empfangenen Signals erfolgt, so dass eine Kompensation des Umgebungslichts zwingend erforder­ lich und der Aufwand des Verfahrens erheblich ist.This problem of the different reflection properties and thus accompanying deviation of the received pulses is also from WO 99/34235 known, the method proposed there an integration of Brightness signal over two very different, but fixed in itself Integration time window and without prior threshold comparison of the received Signal takes place, so that a compensation of the ambient light is imperative Lich and the effort of the procedure is considerable.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einer Sender-Empfänger-Einheit und einem Zielobjekt nach dem Echolaufzeitprinzip anzugeben, welches eine verbesserte Unabhängigkeit gegen schwankende Steilheit der Flanke des empfangsseitig gemessenen Signals aufweist. Außerdem wird eine besonders einfache Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß vorgestellt.The object of the invention is a method for measuring distance between a Transmitter-receiver unit and a target object based on the echo delay principle indicate which is an improved independence against fluctuating steepness the edge of the signal measured at the receiving end. In addition, one particularly simple circuit arrangement for performing the method according to presented.

Grundgedanke des Verfahrens ist der Vergleich des empfangenen Anteils des Impulssignals mit zwei unterschiedlich großen Schwellwerten. Aus den beiden Zeit­ punkten des Erreichens dieser zwei Schwellwerte beziehungsweise den Zeitdauern vom Aussenden des Impulses bis zum Empfang der Anteile in der Höhe dieser Schwellwerte kann der unterschiedlich steile Flankenanstieg bei der Zuordnung des Entfernungswerts eliminiert werden. Grundlage ist ein bei gleich weiter Entfernung des Zielobjektes von der Sender-Empfänger-Einheit theoretisch gleicher virtueller Anstiegspunkt des reflektierten Impulsanteils für alle Flanken, der nun aus diesen beiden Zeitdauern entweder direkt ermittelt oder inhärent berücksichtigt wird in einem Entfernungswert, der jeweils in Form von Wertepaaren oder Kennlinien den beiden gemessenen Zeitdauern bis zum Erreichen des ersten und zweiten Schwellwerts zugeordnet wird. The basic idea of the method is the comparison of the received portion of the Pulse signal with two differently large threshold values. From the two times points of reaching these two threshold values or the time periods from the transmission of the impulse to the receipt of the shares in the amount of these The differently steep slope increase when assigning the Distance value can be eliminated. The basis is an at the same distance of the target object from the transmitter-receiver unit theoretically the same virtual Rise point of the reflected pulse component for all edges, which now consists of these is either determined directly or is inherently taken into account in a distance value, each in the form of value pairs or characteristic curves two measured periods of time until the first and second are reached Threshold value is assigned.  

Außerdem wird eine besonders einfach zu realisierende Schaltungsanordnung zur Entfernungsmessung nach dem Echolaufzeitprinzip vorgestellt, die im Kern auf einer Zeitmessung durch Aufladung eines Kondensator mit einem Strom, vorzugsweise einem Konstantstrom beruht, wobei die Aufladung durch den Sendeimpuls gestartet und durch das Überschreiten des Schwellwerts durch das Empfangssignal gestoppt wird. Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt insbesondere darin, dass sich diese Schaltungsanordnung mit nur einer Sende- und Empfangseinheit in einfacher Weise für das vorliegende Verfahren anpassen lässt, indem zwei Kondensatoren gleichzeitig aufgeladen werden, wobei entsprechend dem Verfahren zwei unterschiedliche Schwellwerte zum Anhalten des Aufladens vorgesehen sind.In addition, a circuit arrangement that is particularly easy to implement is used Distance measurement according to the echo delay principle is presented, which is based on a Time measurement by charging a capacitor with a current, preferably is based on a constant current, the charging being started by the transmission pulse and stopped by the received signal exceeding the threshold value becomes. The particular advantage of this circuit arrangement lies in that this circuit arrangement with only one transmitter and receiver unit in can be easily adapted for the present method by two Capacitors are charged simultaneously, according to the procedure two different threshold values are provided for stopping charging.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:The invention is intended to be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and figures are explained. Brief description of the figures:

Fig. 1 Visualisierung des Einflusses der Flankensteilheit des empfangenen Impulssignals für die Erreichung des vorgegebenen Schwellwerts und der Eliminierung mittels des Zwei-Schwellen-Verfahrens Fig. 1 visualization of the influence of the slope of the received pulse signal for reaching the predetermined threshold and the elimination by means of the two-threshold method

Fig. 2 mögliche Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Fig. 2 possible circuit arrangement for performing the method

Fig. 3 Kennlinienfeld, in dem Wertepaaren der Zeitdauern T1 und T2 bzw. entsprechenden Spannungswerten U1 und U2 jeweils ein Entfernungswert zugeordnet ist Fig. 3 characteristic field, in which pairs of values of the time periods T1 and T2 or corresponding voltage values U1 and U2 are each assigned a distance value

Fig. 4 Ablauf des Verfahrens in einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 Fig. 4 sequence of the method in a circuit arrangement according to FIG. 2

Die Fig. 1 zeigt im Vergleich den Flankenverlauf zweier unterschiedlich stark gedämpft reflektierter Impulse (a1, a2), wobei der Zeitpunkt t0 der Aussendung des Impulses identisch ist. Wie bereits eingangs beschrieben, lässt sich deutlich die unterschiedliche Zeitdauer T1 bis zum Erreichen eines gleichen Schwellwertes S1 in t11 bzw. t21 erkennen. Mit Vergrößerung des Wertes des Schwellwertes nimmt die Abhängigkeit von der Dämpfung des empfangenen Impulses noch zu, wie anhand von S2 und dem Abstand von t12 zu t22 deutlich wird. Fig. 1 shows a comparison of the flank profile of two different strongly attenuated reflected pulses (a1, a2), wherein the time is identical to the transmission of the pulse t0. As already described at the beginning, the different time period T1 until the same threshold value S1 is reached in t11 or t21 can be clearly recognized. As the value of the threshold increases, the dependence on the damping of the received pulse increases, as can be seen from S2 and the distance from t12 to t22.

Bei gleich weiter Entfernung des Zielobjektes von der Sender-Empfänger-Einheit ergibt sich theoretisch jedoch ein gleicher virtueller Anstiegspunkt tx des reflektierten Impulsanteils, wie als tx skizzenhaft angedeutet. Der für alle Impulse einer Entfernung theoretisch gleiche virtuelle Anstiegspunkt tx des reflektierten Impulsanteils wird jedoch durch das Umgebungsrauschen überlagert und steht somit für die Auswertung nicht direkt messbar zur Verfügung. With the same distance from the target object from the transmitter-receiver unit theoretically, however, the same virtual rise point tx results reflected impulse component, as indicated as tx sketchy. The one for all impulses a distance theoretically the same virtual rise point tx of the reflected However, the impulse component is superimposed and stands by the ambient noise therefore not directly measurable for the evaluation.  

Erfasst man jedoch mittels zweier unterschiedlicher Schwellwerte (S1 < S2) die beiden Zeitdauern T1 und T2 vom Aussenden des Impulses in t0 bis zum Erreichen der beiden Schwellwerte S1 und S2, so kann daraus auf die Flankensteilheit und damit auf den virtuellen Anstiegspunkt tx geschlossen werden.However, one detects the using two different threshold values (S1 <S2) both time periods T1 and T2 from sending the pulse in t0 until reaching of the two threshold values S1 and S2, the slope and so that the virtual rise point tx can be concluded.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung werden durch die beiden gemessenen Punkte, also beispielsweise (S2, t12) und (S1, t11) Geraden in Richtung der Abszisse verlängert und der Schnittpunkt tx mit der Abszisse bestimmt, was für eine numerische Umsetzung einer Bestimmung des Anstiegs ((S2 - S1)/(t12 - t11)) bzw. der Geradengleichung ((S(t) - S1 = (t - t1) . (S2 - S1)/(t12 - t11 : t variabel) der sich bildenden Geraden durch diese Punkte und einer Bestimmung des Nulldurchgangs entspricht, wobei sich tx = t11 - s1 . (t12 - t11)/(S2 - S1) unter dem Ansatz S(tx): = 0 ergibt. Diese Gleichung kann ohne weiteres technisch umgesetzt, bspw. in einem Programm eines die Auswerteeinheit bildenden Mirkoprozessors programmiert werden und tx automatisch aus den gemessenen Werten von t11 und t12 bzw. analog dazu aus T1 und T2 Tx ermittelt werden. Aus tx ergibt sich die exakte Lauf­ dauer des Impulses als Zeitdauer Tx, der direkt ein Entfernungswert zugeordnet ist.In a particularly simple embodiment, the two are measured Points, for example (S2, t12) and (S1, t11) straight lines in the direction of Extends the abscissa and the intersection tx with the abscissa determines what numerical implementation of a determination of the increase ((S2 - S1) / (t12 - t11)) or the straight line equation ((S (t) - S1 = (t - t1). (S2 - S1) / (t12 - t11: t variable) which is straight lines through these points and a determination of the zero crossing corresponds, where tx = t11 - s1. (t12 - t11) / (S2 - S1) under the approach S (tx): = 0 results. This equation can easily be implemented technically, for example in one Program a microprocessor forming the evaluation unit and tx automatically from the measured values of t11 and t12 or analogously, T1 and T2 Tx can be determined. The exact run results from tx duration of the pulse as time period Tx, which is directly assigned a distance value.

Betrachtet man im Vergleich die zwei unterschiedlich stark gedämpften Impulse a1 und a2, so wird erkennbar, dass die so ermittelbare Zeitdauer Tx zumindest deutlich weniger abhängig von der Flankensteilheit und damit vom Reflexionsverhalten im Zielgebiet ist. Eine Zuordnung eines Entfernungswerts aufgrund dieser Zeitdauer nach dem Echolaufzeitprinzip ist somit deutlich weniger fehlerbehaftet.If we compare the two differently damped pulses a1 and a2, it can be seen that the time period Tx that can be determined in this way is at least clear less dependent on the slope and thus on the reflection behavior in the Target area is. An assignment of a distance value based on this time period According to the echo delay principle, there is therefore significantly less errors.

Fig. 2 zeigt nun zunächst eine bevorzugte Ausgestaltung einer Schaltungs­ anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Fig. 2 now shows a preferred embodiment of a circuit arrangement for performing the method.

Die Schaltungsanordnung basiert zunächst auf einem Sender S, der auf ein Trigger­ signal t0 hin einen Impuls ins Zielgebiet aussendet, hier mittels einer Laserdiode 1, die über ein auf das Triggersignal hin sich schließendes Schaltmittel T1, vorzugs­ weise einen schnellen Halbleiterschalter mit einer Versorgungsspannung Ub betrieben wird. Des weiteren ist ein Empfänger E0 bestehend aus einer vorzugs­ weise im Frequenzbereich exakt auf das ausgesandte Laserlicht ausgerichteten lichtempfindlichen Diode 2 vorgesehen, dessen sich helligkeitsabhängig ändernder Fotostrom über einen Widerstand R2 in ein Spannungssignal 3 umgewandelt wird. Der Kondensator C2 dient der Entkopplung, kann aber aufgrund von R2 und R4 auch entfallen. The circuit arrangement is initially based on a transmitter S, which emits a pulse to the target area upon a trigger signal t0, here by means of a laser diode 1 , which preferably operates a fast semiconductor switch with a supply voltage Ub via a switching means T1 which closes on the trigger signal becomes. Furthermore, there is provided a receiver E0 consisting of a light-sensitive diode 2 which is precisely aligned in the frequency range with the emitted laser light and whose light-dependent changing photocurrent is converted into a voltage signal 3 via a resistor R2. The capacitor C2 is used for decoupling, but can also be omitted due to R2 and R4.

Die Schaltungsanordnung in Fig. 2 besteht in einer besonders bevorzugten Weiterbildung aus zwei in sich grundlegend gleichen Auswerteteilen E1 und E2, die nun beide den Empfänger E0 gemeinsam nutzen und beide das Spannungssignal 3 auswerten, jedoch mit unterschiedlichen Schwellwerten.In a particularly preferred development, the circuit arrangement in FIG. 2 consists of two evaluation parts E1 and E2 which are fundamentally the same, which both now share the receiver E0 and both evaluate the voltage signal 3 , but with different threshold values.

Es soll jedoch zunächst nur als ein Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Schaltungsanspruch eine Ausgestaltung mit einem Auswerteteil E1 betrachtet werden. Das Spannungssignal 3 wird in diesem Auswerteteil E1 in einem ersten Komparator A1 permanent mit einem durch einen Spannungsteiler am Widerstand R3 einstellbaren Spannungswert verglichen, der dem Schwellwert S1 entspricht. Übersteigt das Spannungssignal 3 den Schwellwert S1, so erzeugt der Komparator A1 am Ausgang ein Schwellwertsignal 4.1.However, an embodiment with an evaluation part E1 should initially only be considered as an exemplary embodiment according to the first circuit claim. In this evaluation part E1, the voltage signal 3 is permanently compared in a first comparator A1 with a voltage value which can be set by a voltage divider at the resistor R3 and which corresponds to the threshold value S1. If the voltage signal 3 exceeds the threshold value S1, the comparator A1 generates a threshold value signal 4.1 at the output.

Der Auswerteteil E1 weist einen Kondensator C3 mit einer durch ein Schaltmittel T2 schaltbaren Verbindung zu einer Stromquelle, vorzugsweise einer Konstantstrom­ quelle Iconst1 auf, wobei das Schaltmittel T2, vorzugsweise wieder ein schnell schaltender Halbleiterschalter, auf das vorzugsweise über ein RS-Flip-Flop 5.1 zugeführte Triggersignal t0 geschlossen und auf das Schwellwertsignal 4.1 des Komparators A1 die Aufladung des C3 gestoppt wird. Nachfolgend wird der durch die Aufladung am Kondensator C3 erreichte Spannungswert U1 ausgelesen und der Kondensator C3 mittels eines parallelen Schalters T3 auf ein Clear-Signal hin wieder entladen, vorzugsweise sehr schnell, um einen neuen Impuls empfangen zu können. Die Zeitdauer zu dieser Entladung der Kondensatoren wird vorzugsweise zumindest einmal, eventuell zyklisch erfasst, um Veränderungen der Ladekennlinie der Kondensatoren festzustellen.The evaluation part E1 has a capacitor C3 with a connection to a current source, preferably a constant current source Iconst1, which can be switched by a switching means T2, the switching means T2, preferably again a fast-switching semiconductor switch, to which is preferably supplied via an RS flip-flop 5.1 Trigger signal t0 closed and on the threshold signal 4.1 of the comparator A1 the charging of the C3 is stopped. Subsequently, the voltage value U1 reached by the charging on the capacitor C3 is read out and the capacitor C3 is discharged again by means of a parallel switch T3 in response to a clear signal, preferably very quickly, in order to be able to receive a new pulse. The time period for this discharge of the capacitors is preferably recorded at least once, possibly cyclically, in order to determine changes in the charging characteristic of the capacitors.

Eine in Fig. 2 nicht dargestellte, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors mit einer das Verfahren umsetzenden Software ausgestalteten Auswerteeinheit kann grundsätzlich auch schon mit nur einem Schwellwert aus dieser am Kondensator erreichten und zur Entfernung proportionalen Spannung die Entfernung bestimmen. Besonders bevorzugt ist jedoch die Anwendung des bereits beschriebenen Zwei- Schwellen-Verfahrens, wozu ein zweiter grundsätzlich zum beschriebenen Auswerte­ teil E1 gleicher Auswerteteil E2 mit einem zweiten Kondensator C4, der wiederum auf das Triggersignal t0 hin aufgeladen wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Ein zweiter Komparator A2 vergleicht das Spannungssignal 3 mit einem zweiten, unterschied­ lichen Schwellwert S2 < S1, der wiederum durch einen Spannungsteiler an einem Widerstand R4 einstellbar ist. An evaluation unit, not shown in FIG. 2, for example in the form of a microprocessor with a software implementing the method, can in principle also determine the distance with only one threshold value from the voltage reached on the capacitor and proportional to the distance. However, the use of the two-threshold method already described is particularly preferred, for which purpose a second evaluation part E2, which is basically the same as the evaluation part E1 described, with a second capacitor C4, which in turn is charged in response to the trigger signal t0, as shown in FIG. 2. A second comparator A2 compares the voltage signal 3 with a second, different threshold value S2 <S1, which in turn can be set by a voltage divider across a resistor R4.

So kann diese Schaltungsanordnung durch einfache Ergänzung eines zweiten identischen Auswerteteils E2 und entsprechend abweichend eingestelltem Schwell­ wert S2 zur Durchführung des Verfahrens angepasst werden, wobei Sender und Empfänger (S, E0) gemeinsam genutzt werden.So this circuit arrangement can be made by simply adding a second one Identical evaluation part E2 and correspondingly different threshold set value S2 to be adapted to carry out the method, with transmitter and Receiver (S, E0) can be shared.

Selbstverständlich können eine ganze Reihe oder sogar ein zweidimensionales Array solcher Sender-Empfänger-Einheiten eingesetzt werden, um neben der Entfernung auch die Form von Objekten, bzw. Fahrbahnen, andere Fahrzeuge oder Fahrzeug­ insassen zu erfassen.Of course, a whole row or even a two-dimensional array such transceiver units can be used in addition to the distance also the shape of objects, or roadways, other vehicles or vehicle to capture occupants.

Die Schaltungsanordnung kann weitgehend in einen ASIC integriert werden und bedarf im Vergleich zur Zeitmessung mittels Zählern keiner hochfrequenten und damit EMV-kritischen Taktung.The circuit arrangement can be largely integrated into an ASIC and Compared to time measurement using counters, no high-frequency and thus EMC-critical clocking.

Vorzugsweise weisen die Kondensatoren C3 und C4 eine annähernd gleiche Ladekennlinie auf und sind zusammen mit den Konstantstromquellen so bemessen, dass in dem erwarteten Entfernungsbereich der lineare Arbeitsbereich der Kondensatoren C3, C4 nicht überschritten wird.The capacitors C3 and C4 preferably have approximately the same Charging characteristic and are dimensioned together with the constant current sources so that in the expected distance range the linear working range of the Capacitors C3, C4 is not exceeded.

Zumindest einmal während des Betriebs der Sender-Empfänger-Einheit (S, E), vorzugsweise jedoch zyklisch, werden die Schwellwerte S1, S2 der aktuell vor­ liegenden Umgebungsstrahlung angepasst, indem ohne Emission eines Impuls­ signals (a0) von der Sender-Empfängereinheit die Stärke der vom Zielgebiet empfangbaren Umgebungsstrahlung erfasst und der erste und zweite Schwellwert (S1, S2) entsprechend oberhalb dieser Umgebungsstrahlung eingestellt werden, beispielsweise als ein vorgegebener Faktor (< 1) der Umgebungsstrahlung.At least once during the operation of the transmitter-receiver unit (S, E), however, preferably cyclically, the threshold values S1, S2 become the current values lying ambient radiation adjusted by without emission of a pulse signals (a0) from the transceiver unit the strength of that from the target area receivable ambient radiation and the first and second threshold values (S1, S2) are set accordingly above this ambient radiation, for example as a predetermined factor (<1) of the ambient radiation.

Vorzugsweise wird ebenfalls zumindest einmal während des Betriebs der Sender- Empfänger-Einheit die Ladekennlinie der Kondensatoren C3, C4 geprüft, indem für eine vorgegebene Referenzzeitdauer die Kondensatoren C3, C4 aufgeladen werden und die dabei jeweils am Kondensator erreichte Spannung ausgewertet wird.Preferably, the transmitter is also at least once during operation. Receiver unit checked the charging characteristic of the capacitors C3, C4 by for a predetermined reference time the capacitors C3, C4 are charged and the voltage reached at the capacitor is evaluated.

Analog kann die Zeitdauer zur Entladung der Kondensatoren nach der Aufladung erfasst werden, wie bereits erwähnt. Ursache für Abweichungen von einem vor­ gegebenen Soll-Wert sind neben Exemplarstreuungen auch die Temperatureinflüsse und die Alterungserscheinungen der Kondensatoren. Verändert sich die für die Referenzzeitdauer gemessene Spannung, sinkt diese beispielsweise ab, so wird entweder die Kennlinie bzw. die hinterlegten Wertepaare angepasst oder ein Ab­ gleich des Ladestroms mittels der Konstantstromquellen Iconst1,2 vorgenommen. Auch dies kann vorzugsweise zyklisch, beispielsweise mittels eines Mikroprozessors während des Betriebs der Sender-Empfänger-Einheit automatisch vorgenommen werden.The time period for discharging the capacitors after charging can be analogous are recorded, as already mentioned. Cause of deviations from one before Given the target value, there are also temperature influences in addition to sample variations and the aging of the capacitors. Does that change for the Reference time period measured voltage, if it drops, for example, then either the characteristic curve or the stored value pairs adjusted or an Ab equal to the charging current by means of the constant current sources Iconst1.2. This can also preferably be cyclical, for example by means of a microprocessor  made automatically during operation of the transceiver unit become.

Fig. 3 zeigt ein Kennlinienfeld, in dem Wertepaaren der Zeitdauern T1 und T2 bzw. entsprechenden Spannungswerten U1 und U2 jeweils ein Entfernungswert zuge­ ordnet wird. Dabei wurden in Schritten Linien von Wertepaaren mit gleicher zu­ geordneter Entfernung dargestellt, wobei jede dieser Linien, bspw. ex begrenzt ist einerseits durch eine minimale Verzögerung ΔTmin(ex) zwischen T1 und T2 aufgrund der unterschiedlichen Schwellwerte S1 und S2 und andererseits durch eine maximal noch zur Verarbeitung vorgesehene Verzögerung ΔTmax(ex), die dann einer extrem flachen Impulsantwort entspräche, die gerade noch den zweiten Schwellwert S2 übersteigt. Die Grenzen werden für reale Anwendungen individuell eventuell noch enger festgelegt, um den für die Abspeicherung erforderlichen Speicherplatz gering zu halten. Letztlich kann innerhalb des zugelassenen Bereichs zwischen ΔTmin und ΔTmax jedem Wertepaar T1 /T2 bzw. U1/U2 ein Entfernungswert zugeordnet werden. Fig. 3 shows a characteristic diagram in which pairs of values of the time periods T1 and T2 or corresponding voltage values U1 and U2 respectively, a distance value is assigned. Lines of pairs of values with the same assigned distance were shown in steps, whereby each of these lines, e.g. ex is limited on the one hand by a minimal delay ΔTmin (ex) between T1 and T2 due to the different threshold values S1 and S2 and on the other hand by a maximum of Delay ΔTmax (ex) provided for processing, which would then correspond to an extremely flat impulse response which just exceeds the second threshold value S2. The limits may be set even more individually for real applications in order to keep the storage space required for storage low. Ultimately, a range value can be assigned to each pair of values T1 / T2 or U1 / U2 within the permitted range between ΔTmin and ΔTmax.

Bei Umsetzung dieses Kennfeldes in Form digital gespeicherter Tabellen wird die Anzahl der Wertepaare begrenzt, wobei eine Interpolation der nicht gespeicherten Wertepaare denkbar ist. Ansonsten kann auch eine Formel zur Berechnung des Entfernungswerts aus T1 und T2 bzw. U1 und U2 abgeleitet werden.When this map is implemented in the form of digitally stored tables, the The number of pairs of values is limited, with an interpolation of those not saved Pairs of values is conceivable. Otherwise, a formula for calculating the Distance value can be derived from T1 and T2 or U1 and U2.

Fig. 4 verdeutlicht den Ablauf des Verfahrens innerhalb der vorgestellten Schaltungsanordnung, wobei die Zeitdauern T31 und T32 bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts S1 und S2 durch die Aufladung der zwei möglichst kennlininiengleichen Kondensatoren realisiert wird. Bei nicht übereinstimmenden Kennlinien kann auch eine numerische Kalibrierung durch entsprechende Faktoren in der Auswerteeinheit vorgenommen werden. Die dabei erreichten Spannungswerte Uc1 und Uc2 können entweder mittels einer abgelegten Kondensatorkennlinie in die entsprechenden Zeitdauern umgerechnet oder diesen Wertepaaren der Spannung direkt eine Entfernung zugeordnet werden. Fig. 4 illustrates the sequence of the method within the featured circuit arrangement, wherein the time periods T31 and T32 to the exceeding of the first and second threshold value S1 and S2 is realized by charging the two possible kennlininiengleichen capacitors. If the characteristic curves do not match, a numerical calibration can also be carried out using appropriate factors in the evaluation unit. The voltage values Uc1 and Uc2 achieved in this way can either be converted into the corresponding time periods by means of a stored capacitor characteristic curve or a distance can be directly assigned to these voltage value pairs.

Aus den beiden Spannungswerten Uc1 und Uc2 bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts S1 und S2 wird in einem Ausführungsbeispiel zunächst eine Signalanstiegsgerade g(Uc) bestimmt, der Anfangszeitpunkt tx des Anstiegs als Zeitpunkt eines Schnittes dieser Signalanstiegsgerade g(Uc) mit einer Kennlinie der Kondensatoren f(c) bestimmt und die Entfernung ex aus dem entsprechenden Spannungswert U(tx) bzw. der zugehörigen Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt des Beginns der Emission und dem Zeitpunkt des Schnittes (tx) abgeleitet. From the two voltage values Uc1 and Uc2 until the first is exceeded and second threshold S1 and S2 is initially in one embodiment a signal rise line g (Uc) determines the start time tx of the rise as Time of intersection of this signal rise line g (Uc) with a characteristic of Capacitors f (c) are determined and the distance ex from the corresponding one Voltage value U (tx) or the associated time period between the time of the The beginning of the emission and the time of the cut (tx).  

Die Kondensatoren und der Ladestrom sind dabei so bemessen, dass für die üblicherweise zu erwartenden Entfernungen der Objekte im Zielgebiet die Aufladung innerhalb des linearen Kennlinienbereichs des Kondensators beendet werden kann. Zumindest für diesen linearen Zeitbereich der Aufladung der Kondensatoren wird die Kennlinie durch eine Gerade mit Anstiegswert und Anfangwert Null angenährt. Im linearen Arbeitsbereich der Kondensatoren entspricht der Schnittpunkt U(tx) der Signalanstiegsgerade g(Uc) (Fig. 4c) dem Schnittpunkt tx einer analog aus den Zeitdauern T1 und T2 gewonnenen Signalanstiegsgerade g(t).The capacitors and the charging current are dimensioned such that the charging within the linear characteristic range of the capacitor can be ended for the distances of the objects in the target area that are usually to be expected. At least for this linear time range of the charging of the capacitors, the characteristic curve is approximated by a straight line with an increase value and an initial value of zero. In the linear working range of the capacitors, the intersection U (tx) of the signal rise line g (Uc) ( FIG. 4c) corresponds to the intersection tx of a signal rise line g (t) obtained analogously from the time periods T1 and T2.

Die Nichtlinearität der Kondensatoren kann, wie bei fc in Fig. 4c angedeutet, durch eine zeitlich kalibrierte Ladekennlinie der Kondensatoren als Kennlinie oder bei der Umwandlung der Spannungswerte Uc1 und Uc2 in die Zeitdauern T1 und T2 berücksichtigt werden. Bei direkter Zuordnung mittels Kennlinienfeldern oder Tabellen von Wertepaaren können auch diese numerisch angepasst werden.The non-linearity of the capacitors, as indicated at fc in FIG. 4c, can be taken into account by a time-calibrated charging characteristic of the capacitors as a characteristic or when converting the voltage values Uc1 and Uc2 into the time periods T1 and T2. With direct assignment using characteristic curve fields or tables of value pairs, these can also be adjusted numerically.

Grundsätzlich ist auch eine Messung der Zeitdauern T1 und T2 mittels Zählern denkbar, die zwar teurer zu realisieren sind, jedoch über beliebig lange Zeitdauern linear arbeiten, so dass Kompensationen wie bei den Kondensatoren gänzlich entfallen können.A measurement of the time periods T1 and T2 by means of counters is also fundamentally conceivable, which are more expensive to implement, but over any length of time work linearly, so that compensation as with the capacitors entirely can be omitted.

Aus der zeitlichen Abfolge von Entfernungsmessungen kann auch die Relativ­ geschwindigkeit zwischen Sender-Empfänger-Einheit und Objekten im Zielgebiet abgeleitete werden.The relative can also be derived from the chronological sequence of distance measurements speed between the sender-receiver unit and objects in the target area be derived.

Claims (12)

1. Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einer Sender-Empfänger-Einheit und einem Zielobjekt nach dem Echolaufzeitprinzip,
  • a) wobei von der Sender-Empfängereinheit ein Impulssignal vorgegebener Stärke in ein Zielgebiet emittiert sowie dabei der vom Zielgebiet reflektierte Anteil des Impulssignals empfangen wird, und
  • b) eine Zeitdauer von der Emission des Impulssignals bis zum Empfang der an dem Zielobjekt reflektierten Anteile durch Vergleich des empfangenen Anteils des Impulssignals mit einem vorgegebenen Schwellwert erfasst wird, und
  • c) aus dieser zur Entfernung proportionalen Zeitdauer die Entfernung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) der empfangene Anteil (a1, a2) des ausgesendeten Impulssignals (a0) mit einem ersten Schwellwert (S1) und einem zweiten, gegenüber dem ersten höheren Schwellwert (S2 < S1) verglichen wird,
  • e) vom Zeitpunkt (t0) der Emission des Impulssignals (a0) bis zum Zeitpunkt (t11, t21) des Überschreitens des ersten Schwellwerts (S1) durch den empfangenen Anteil (a1, a2) eine erste Zeitdauer (T1) und bis zum Zeitpunkt (t12, t22) des Überschreitens des zweiten Schwellwerts (S2) eine zweite Zeitdauer (T2) bestimmt werden,
  • f) aus den beiden Schwellwerten (S1, S2) und den beiden Zeitdauern (T1, T2) die Entfernung (ex) ermittelt wird.
1. Method for measuring the distance between a transmitter-receiver unit and a target object according to the echo delay principle,
  • a) wherein the transmitter-receiver unit emits a pulse signal of a predetermined strength into a target area and the portion of the pulse signal reflected from the target area is received, and
  • b) a time period from the emission of the pulse signal to the reception of the portions reflected on the target object is detected by comparing the received portion of the pulse signal with a predetermined threshold value, and
  • c) the distance is determined from this time period proportional to the distance, characterized in that
  • d) the received portion (a1, a2) of the emitted pulse signal (a0) is compared with a first threshold value (S1) and a second, higher threshold value (S2 <S1),
  • e) from the time (t0) of the emission of the pulse signal (a0) to the time (t11, t21) of the first threshold value (S1) being exceeded by the received portion (a1, a2) a first time period (T1) and up to the time ( t12, t22) of exceeding the second threshold value (S2) a second time period (T2) are determined,
  • f) the distance (ex) is determined from the two threshold values (S1, S2) and the two time periods (T1, T2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Wertepaar aus erster und zweiter Zeitdauer (T1, T2) eines Impulssignals unter Verwendung von abgelegten Wertepaaren oder eines Wertepaarkennfeldes (Fig. 3) jeweils ein Entfernungswert (ex) zugeordnet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that a pair of values from the first and second time period (T1, T2) of a pulse signal using stored value pairs or a value pair map ( Fig. 3) is assigned a distance value (ex). 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den beiden Zeitdauern (T1, T2) bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts (S1, S2) eine Zeitdauer (Tx) vom Zeitpunkt (t0) der Emission des Impulssignals bis zu einem Anfangszeitpunkt (tx) des Anstiegs des empfangenen Anteils (a1, a2) des Impulssignals bestimmt und aus dieser Zeitdauer (Tx) die Ent­ fernung (ex) ermittelt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that from the two Time periods (T1, T2) until the first and second threshold values are exceeded (S1, S2) a time period (Tx) from the time (t0) of the emission of the pulse signal up to an initial time (tx) of the increase in the received portion (a1, a2) of the pulse signal determined and the Ent from this period (Tx) distance (ex) is determined. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) aus den beiden Zeitdauern (T1, T2) bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts (S1, S2) zunächst eine Signalanstiegsgerade (g(t) bzw. g(Uc)) bestimmt wird,
  • b) der Anfangszeitpunkt (tx) des Anstiegs als Zeitpunkt eines Schnittes dieser Signalanstiegsgerade mit einer vorgegebenen Kennlinie (fc) bestimmt wird und
  • c) die Entfernung (ex) aus der Zeitdauer (Tx) zwischen dem Zeitpunkt des Beginns der Emission (t0) und dem Zeitpunkt des Schnittes (tx) abgeleitet wird.
4. The method according to claim 2, characterized in that
  • a) a signal slope (g (t) or g (Uc)) is first determined from the two time periods (T1, T2) until the first and second threshold values (S1, S2) are exceeded,
  • b) the start time (tx) of the rise is determined as the time of an intersection of this straight line with a predetermined characteristic curve (fc) and
  • c) the distance (ex) is derived from the time period (Tx) between the time of the start of the emission (t0) and the time of the cut (tx).
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zeitdauern (T1, T2) bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts (S1, S2) durch Aufladung zweier Kondensatoren (C3, C4) mittels jeweils einer Konstantstromquelle (Iconst1,2) ab dem Zeitpunkt (t0) der Emission des Impulssignals (a0) bis zum Überschreiten des ersten und zweiten Schwellwerts (S1, S2) erfasst werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the two time periods (T1, T2) until the first and second threshold value (S1, S2) by charging two capacitors (C3, C4) by means of a constant current source (Iconst1,2) from the time (t0) of the Emission of the pulse signal (a0) until the first and second are exceeded Threshold value (S1, S2) are detected. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für den linearen Zeitbereich der Aufladung der Kondensatoren (C3, C4) die Kennlinie (fc) durch eine Gerade mit Anstiegswert und Anfangwert Null angenährt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that at least for the linear time range of charging the capacitors (C3, C4) the characteristic (fc) is approximated by a straight line with a rise value and an initial value of zero. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitlich kalibrierte Ladekennlinie der Kondensatoren als Kennlinie (fc) verwendet wird. 7. The method according to claim 5, characterized in that a temporal calibrated charging characteristic of the capacitors is used as the characteristic (fc).   8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einmal während des Betriebs der Sender-Empfänger-Einheit, vorzugsweise zyklisch, ohne Emission eines Impulssignals (a0) von der Sender- Empfängereinheit die Stärke einer vom Zielgebiet empfangbaren Umgebungs­ strahlung erfasst und der erste und zweite Schwellwert (S1, S2) entsprechend oberhalb dieser Umgebungsstrahlung angepasst werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least once during the operation of the transceiver unit, preferably cyclically, without emission of a pulse signal (a0) from the transmitter Receiver unit the strength of an environment that can be received by the target area radiation detected and the first and second threshold values (S1, S2) accordingly be adjusted above this ambient radiation. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest einmal während des Betriebs der Sender-Empfänger- Einheit, vorzugsweise zyklisch die Ladekennlinie der Kondensatoren (C3, C4) geprüft wird, indem
  • a) für eine vorgegebene Zeitdauer die Kondensatoren aufgeladen werden und jeweils die dabei am Kondensator erreichte Spannung ausgewertet wird oder
  • b) die Zeitdauer zur Entladung der Kondensatoren nach der Aufladung erfasst wird.
9. The method according to any one of the preceding claims 5 to 8, characterized in that at least once during the operation of the transmitter-receiver unit, preferably cyclically, the charging characteristic of the capacitors (C3, C4) is checked by
  • a) the capacitors are charged for a predetermined period of time and in each case the voltage reached on the capacitor is evaluated or
  • b) the period of time for discharging the capacitors after charging is recorded.
10. Schaltungsanordnung zur Entfernungsmessung zu einem Zielobjekt nach dem Echolaufzeitprinzip mit einer Sender-Empfängereinheit, die aufweist:
  • a) eine Steuereinheit zur Erzeugung eines Triggersignals (t0),
  • b) einen Sender (S) zur Emission von Impulssignalen (a0) vorgegebener Stärke in ein Zielgebiet auf das Triggersignal (t0) hin,
  • c) einen Empfänger (E0) zur Messung der vom Zielgebiet reflektierten Anteile der Impulssignale und zur Erzeugung eines dazu proportionalen Empfangssignals (3),
  • d) einem Komparator (A1), welcher ein Schwellwertsignal (4.1) setzt, wenn das Empfangssignal (3) einen vorgegebenen Schwellwert (S1) übersteigt,
  • e) zumindest einen Kondensator (C3) mit einer durch ein Schaltmittel (T2) schaltbaren Verbindung zu einer Konstantstromquelle (Iconst1), wobei das Schaltmittel (T2) auf das Triggersignal (t0) geschlossen und auf das Schwellwertsignal (4.1) des Komparators (A1) die Aufladung gestoppt wird,
  • f) und einer Auswerteeinheit, welche die am Kondensator (C3) erreichte Spannung (U1) bestimmt und aus dieser zur Entfernung proportionalen Spannung die Entfernung (ex) ermittelt.
10. Circuit arrangement for distance measurement to a target object according to the echo delay principle with a transmitter-receiver unit, which has:
  • a) a control unit for generating a trigger signal (t0),
  • b) a transmitter (S) for the emission of pulse signals (a0) of predetermined strength into a target area in response to the trigger signal (t0),
  • c) a receiver (E0) for measuring the portions of the pulse signals reflected from the target area and for generating a reception signal ( 3 ) proportional thereto,
  • d) a comparator (A1) which sets a threshold value signal ( 4.1 ) when the received signal ( 3 ) exceeds a predetermined threshold value (S1),
  • e) at least one capacitor (C3) with a switchable connection by a switching means (T2) to a constant current source (Iconst1), the switching means (T2) inferring the trigger signal (t0) and the threshold value signal ( 4.1 ) of the comparator (A1) charging is stopped,
  • f) and an evaluation unit which determines the voltage (U1) reached on the capacitor (C3) and uses this voltage, which is proportional to the distance, to determine the distance (ex).
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) zwei Kondensatoren (C3, C4) mit näherungsweise gleicher Ladekennlinie mit jeweils einer durch jeweils ein Schaltmittel (T2, T5) schaltbaren Verbindung zu jeweils einer Konstantstromquelle (Iconst1,2), wobei die Aufladung beider Kondensatoren gleichzeitig durch das Triggersignal (t0) gestartet wird,
  • b) zwei Komparatoren (A1, A2) vorgesehen sind, welche das Empfangssignal (3) mit einander abweichenden Schwellwerten (S1 < S2) vergleichen und bei Überschreitung des ersten Schwellwerts (S1) der erste Komparator (A1) ein erstes Schwellwertsignal (4.1) und der zweite Komparator (A2) bei Überschreitung des zweiten Schwellwerts (S2) ein zweites Schwellwertsignal (4.2) erzeugen,
  • c) wobei durch das erste Schwellwertsignal (4.1) die Aufladung des ersten Kondensators (C3) und durch das zweite Schwellwertsignal (4.2) die Aufladung des zweiten Kondensators (C4) gestoppt wird,
  • d) die Auswerteeinheit aus den an den Kondensatoren (C3, C4) erreichten zwei Spannungswerten (U1, U2) die Entfernung (ex) gemäß einer der vorangehenden Verfahren 1 bis 6 ermittelt.
11. Circuit arrangement according to claim 10, characterized in that
  • a) two capacitors (C3, C4) with approximately the same charging characteristic, each with a connection that can be switched by a switching means (T2, T5) to a constant current source (Iconst1,2), the charging of both capacitors being started simultaneously by the trigger signal (t0) becomes,
  • b) two comparators (A1, A2) are provided, which compare the received signal ( 3 ) with differing threshold values (S1 <S2) and, if the first threshold value (S1) is exceeded, the first comparator (A1) a first threshold value signal ( 4.1 ) and the second comparator (A2) generates a second threshold value signal ( 4.2 ) when the second threshold value (S2) is exceeded,
  • c) the charging of the first capacitor (C3) being stopped by the first threshold value signal ( 4.1 ) and the charging of the second capacitor (C4) being stopped by the second threshold value signal ( 4.2 ),
  • d) the evaluation unit determines the distance (ex) from the two voltage values (U1, U2) reached on the capacitors (C3, C4) according to one of the preceding methods 1 to 6 .
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (T2) durch ein Flip-Flop (5.1) angesteuert wird, welches durch das Triggersignal (t0) gesetzt und durch das Schwellwertsignal (4.1) rückgesetzt wird.12. Circuit arrangement according to claim 10 or 11, characterized in that the switching means (T2) is driven by a flip-flop ( 5.1 ) which is set by the trigger signal (t0) and is reset by the threshold value signal ( 4.1 ).
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