-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Bestimmen
einer durch Koordinaten in einem Koordinatensystem definierten Position
eines Gegenstandes in einem Raum. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
eine Detektionsvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens sowie einen
Datenträger
mit dem Computerprogramm.
-
Im
Stand der Technik sind derartige Verfahren und Vorrichtungen, zum
Beispiel Radarvorrichtungen, grundsätzlich bekannt. Zur Lokalisierung
des Gegenstandes wird bei den bekannten Systemen ein Sendesignal
von einer Sendeeinrichtung, die Teil der Detektionsvorrichtung ist,
in Richtung auf den Gegenstand ausgesendet. Die an dem Gegenstand
reflektierten Anteile des Sendesignals werden dann in Form eines
ersten Empfangssignals von einer Empfangseinrichtung, die ebenfalls
Teil der Detektionsvorrichtung ist, empfangen. Durch Auswerten des ersten
Empfangssignals kann die Laufzeit der reflektierten Anteile und
aus deren Laufzeit der Abstand zwischen der Detektionsvorrichtung
und dem Gegenstand unter Berücksichtigung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals berechnet werden. Der
auf diese Weise ermittelte Abstand der Detektionsvorrichtung zu
dem Gegenstand entspricht einer Koordinate zur Beschreibung der
Position des Gegenstandes in einem Koordinatensystem, in dessen Zentrum
vorzugsweise die Detektionsvorrichtung gedacht liegt.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein
alternatives Verfahren und Computerprogramm zum Bestimmen einer Koordinate
einer Position eines Gegenstandes in einem Koordinatensystem sowie
eine Detektionsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren
gelöst.
Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Empfangen
von mindestens einem zweiten Empfangssignal, welches zweite an dem
Gegenstand reflektierte Anteile des Sendesignals repräsentiert;
Ermitteln der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal
und Berechnen einer Koordinate der Position aus der Phasendifferenz.
-
Die
Phasendifferenz repräsentiert
im Vergleich zu der Laufzeit des reflektierten Anteils des Sendesignals
eine alternative physikalische Messgröße, aus der sich eine Koordinate
der Position des Gegenstandes in dem Koordinatensystem berechnen
lässt.
-
Weil
die Phasendifferenz eine Winkelgröße ist, ist es vorteilhaft,
wenn sie zur Berechnung der Koordinate in Form einer Winkelangabe
verwendet wird. Eine derartige Umrechnung ist vorteilhafterweise
mit einem einfachen Dreisatz möglich.
-
Für die Berechnung
der Phasendifferenz ist es erforderlich, dass zwei Empfangssignale
empfangen und ausgewertet werden. Zumindest eines dieser Empfangssignale
wird vorteilhafterweise weiterhin ausgewertet zur Ermittlung der
Laufzeit der reflektierten Sendesignalanteile, um aus deren Laufzeit eine
andere Koordinate der Position des Gegenstandes, insbesondere den
Abstand des Gegenstandes von der Detektionsvorrichtung, zu berechnen.
-
Es
ist vorteilhaft, dass aus den beiden zuvor berechneten Koordinaten
die genaue Position des Gegenstandes in dem Koordinatensystem mit
Hilfe des Verfahrens der Triangulation berechnet werden kann.
-
Die
oben genannte Aufgabe des Verfahrens wird weiterhin durch ein Computerprogramm
und eine Detektionsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie
einen Datenträger
mit dem Computerprogramm gelöst.
Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen
den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
-
Zum
Empfang der beiden Empfangssignale umfasst die Detektionsvorrichtung
zwei zueinander beabstandete Empfangseinrichtungen. Vorteilhafterweise
ist der Abstand zwischen diesen beiden Empfangseinrichtungen so
gewählt,
dass der differenzielle Abstand, das heißt die Differenz zwischen dem
Abstand Gegenstand-erste Empfangseinrichtung und dem Abstand Gegenstand-zweite
Empfangseinrichtung kleiner oder gleich der Wellenlänge des
Sendesignals ist. Eine derartige Wahl des Abstandes hat den Vorteil,
dass die dann aus den beiden Empfangssignalen ermittelte Phasendifferenz
nicht mehrdeutig, sondern eindeutig ist. Aufgrund der Eindeutigkeit werden
Fehler bei der Berechnung der Koordinate für den Gegenstand aus der Phasendifferenz
vermieden.
-
Wie
soeben beschrieben, sollte der Abstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen
zur Vermeidung einer Mehrdeutigkeit der gemessenen Phasendifferenz
einerseits möglichst
klein sein. Andererseits führt
ein großer
Abstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen vorteilhafterweise
zu wesentlich genaueren Berechnungsergebnissen für eine Koordinate. Es ist deshalb
empfehlenswert, den durch die Wellenlänge des Sendesignals repräsentierten
differenziellen Grenzabstand beziehungsweise einen dadurch repräsentierten
Grenzabstand zwischen den beiden Empfangseinrichtungen voll auszuschöpfen.
-
Diese
differenziellen Grenzabstände
sind jedoch vom Abstand der Detektionsvorrichtung zu dem detektierenden
Gegenstand abhängig.
Es ist deshalb vorteilhaft bei der Berechnung der Koordinaten von Gegenständen, die
von der Detektionsvorrichtung weiter entfernt sind als zum Beispiel
ein vorgegebener Grenzabstand in y-Richtung, die also in einem Fernbereich
der Detektionsvorrichtung liegen, eine andere Anordnung der Empfangseinrichtungen
zu verwenden, als bei der Berechnung von Koordinaten von Gegenständen im
Nahbereich der Detektionsvorrichtung. Für die Berechnung von Koordinaten
im Fernbereich empfiehlt sich zugunsten einer größeren Berechnungsgenauigkeit
ein größerer Abstand
zwischen den beiden Empfangseinrichtungen als bei der Berechnung
von Koordinaten von Gegenständen
im Fernbereich. Nach Maßgabe
durch den gewählten größeren Abstand
ist dann auch zumindest in einem Teil des Fernbereiches eine Eindeutigkeit
der Berechnungsergebnisse gewährleistet.
-
Zur
Vermeidung einer Mehrdeutigkeit in den Berechnungsergebnissen ist
lediglich ein Grenzabstand zwischen den Empfangseinrichtungen der
Detektionsvorrichtung, repräsentiert
durch die Wellenlänge
des Sendesignals, einzuhalten. Dieser Grenzabstand ist jedoch in
der Regel nicht so groß,
dass die beiden Empfangseinrichtungen nicht zusammen mit anderen
Komponenten der Detektionsvorrichtung in einem Gehäuse oder
sogar auf einem Chip zusammen integriert sein könnten.
-
Der
Beschreibung sind insgesamt sechs Figuren beigefügt, wobei
-
1 den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung;
-
2 eine
Ausgangssituation zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
3 einen
lateralen Fehler bei der Berechnung einer Koordinate der Position
des Gegenstandes in Abhängigkeit
des Abstandes der beiden Empfangseinrichtungen zueinander für unterschiedliche differenzielle
Abstände;
-
4 den
differenziellen Abstand für
den Gegenstand, wenn sich dieser in einem vorbestimmten Abstand
y0 an der Detektionsvorrichtung in der Position
x = 0 vorbeibewegt;
-
5 einen
Fehler in der berechneten x-Position des Gegenstandes für unterschiedliche
Abstände
y0 des Gegenstandes zu der Detektionsvorrichtung
bei einer angenommenen Messunsicherheit der Phasendifferenz von
10°;
-
6a ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung von Sende- und Empfangseinrichtungen innerhalb der Detektionsvorrichtung;
und
-
6b ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung der Sende- und Empfangseinrichtungen innerhalb der Detektionsvorrichtung;
veranschaulicht.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die genannten Figuren detailliert beschrieben.
-
1 zeigt
eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 100,
bei der es sich insbesondere um eine Radarvorrichtung handelt. Sie
umfasst eine Sendeeinrichtung 110 zum Aussenden eines Sendesignals
in den Detektionsbereich der Detektionsvorrichtung 100,
vorzugsweise in Richtung auf einen zu detektierenden Gegenstand 200 (siehe 2).
-
In 1 ist
weiterhin zu erkennen, dass die Detektionsvorrichtung 100 eine
erste Empfangseinrichtung 120-1 zum Empfangen eines ersten
Empfangssignals aufweist, welches erste, an dem Gegenstand 200 reflektierte
Anteile des Sendesignals repräsentieren
kann. Darüber
hinaus umfasst die Detektionsvorrichtung 100 mindestens
eine weitere zweite Empfangseinrichtung 120-2 zum Empfangen eines
zweiten Empfangssignals, welches zweite, an dem Gegenstand 200 reflektierte
Anteile des Sendesignals repräsentieren
kann. In
-
1 ist
die Mehrzahl der möglichen
Empfangseinrichtungen durch die Bezugszeichen 120-1...n...-n-1...-N
angedeutet. Jede dieser Empfangseinrichtungen 120-1...-N
umfasst eine Antenneneinrichtung 122-1...-N sowie ein der
jeweiligen Antenneneinrichtung nachgeschaltetes Empfangsteil 124-1...-N.
Die Empfangsteile 124-1...-N stellen jeweils die von den
Antenneneinrichtungen empfangenen Empfangssignale für eine nachgeschaltete
Phasendetektionseinrichtung 130 bereit. Die Phasendetektionseinrichtung 130 dient
zum Ermitteln der Phasendifferenz Δφ zwischen
jeweils zwei der bereitgestellten Empfangssignale, insbesondere
zwischen dem ersten und dem zweiten Empfangssignal. Schließlich umfasst
die Detektionsvorrichtung 100 eine Berechnungseinrichtung 140 zum
Berechnen einer Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in
einem Koordinatensystem auf Basis der Phasendifferenz Δφ.
-
Darüber hinaus
ist die Berechnungseinrichtung 140 auch ausgebildet, die
von den Empfangsteilen 124-1...-N jeweils bereitgestellten
Empfangssignale direkt zu empfangen und auszuwerten. Die Auswertung
dient insbesondere zur Berechnung der Laufzeit des reflektierten
Anteils des Sendesignals von dem Gegenstand zu der jeweiligen Antenneneinrichtung 122-1...-N.
Aus dieser Laufzeit berechnet die Berechnungseinrichtung 140 unter
Berücksichtigung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals, das heißt bei Radarsignalen
unter Berücksichtigung
der Lichtgeschwindigkeit, den direkten Abstand zwischen der jeweiligen
Empfangseinrichtung 120-1...-N und dem Gegenstand 200.
Diese direkten Abstände,
nachfolgend auch Radien genannt, sind in 2 mit den
Bezugszeichen r1 und r2 bezeichnet.
-
In 2 ist
der Abstand zwischen zwei Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 mit
dem Bezugszeichen Sep bezeichnet. Dieser Abstand beeinflusst die Berechnung
der Radien r1, r2 als einer Koordinate der Position des Gegenstandes
und damit auch den differenziellen Abstand zwischen den beiden Radien r1
und r2 bei der Detektion des Gegenstandes 200 in negativer
Weise. Dies ist in 3 veranschaulicht. Dort ist
zu erkennen, welcher (laterale) Fehler eL sich bei
der Berechnung der x0-Koordinate der Position des Gegenstandes 200 für unterschiedliche
Abstände
Sep ergibt, wenn sich der Gegenstand mit einem bekannten differenziellen
Abstand der in einem Abstand y0 = 10 m (vergleiche 2)
von der x-Achse des Koordinatensystems befindet. Gleichermaßen beeinflusst
der Abstand Sep auch die erfindungsgemäß berechnete Phasendifferenz Δφ zwischen
dem von den Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 bereitgestellten
ersten und zweiten Empfangssignal.
-
Die
gemessene Phasendifferenz wiederholt sich grundsätzlich periodisch, wenn sich
der Gegenstand 200 im Abstand y0 in x- Richtung an den beiden Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 vorbeibewegt (vergleiche 2).
Diese Periodizität
bedingt eine Mehrdeutigkeit der Phasendifferenz Δφ;
diese Mehrdeutigkeit ist für
die erfindungsgemäße Berechnung einer
Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in dem Koordinatensystem
XY unerwünscht,
weil sie zu einer nicht eindeutigen Berechnung der Koordinate auf
Basis der Phasendifferenz führen
würde.
In 2 ist diese Problematik veranschaulicht. So würde die
Berechnung der x-Koordinate auf Basis einer zweideutigen Phasendifferenz
sowohl die Koordinate X0 beziehungsweise φ, wie auch
die Koordinate X0', beziehungsweise φ' liefern. Diese Mehrdeutigkeit kann
dadurch vermieden werden, dass der Abstand Sep zwischen den beiden
Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2 so gewählt wird,
dass der differenzielle Abstand, das heißt die Differenz zwischen den
beiden Radien r1 und r2 kleiner oder gleich der Wellenlänge des
Sendesignals gewählt
wird, siehe auch 4.
-
Der
Wahl eines kleinen Abstandes Sep steht jedoch die Genauigkeit des
Messergebnisses entgegen, die umso besser wird, je größer dieser
Abstand ist. Es ist also in jedem Einzelfall ein Kompromiss zwischen
den beiden Erfordernissen Eindeutigkeit und Genauigkeit zu wählen. Grundsätzlich sollte
der Abstand Sep zur Erreichung einer maximalen Genauigkeit bei gleichzeitiger
Gewährleistung
der Eindeutigkeit des Berechnungsergebnisses deshalb so groß gewählt werden,
wie es die Wellenlänge λ des Sendesignals
zulässt.
-
Einer
bestimmten Wellenlänge
des Sendesignals ist jedoch nicht eindeutig ein maximal zulässiger differenzieller
Abstand r1–r2
zugeordnet, sondern vielmehr ist der Zusammenhang abhängig von
dem Abstand y0; er wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf 4 veranschaulicht.
-
In 4 ist
die Veränderung
des differenziellen Abstandes aufgezeigt, die sich ergibt, wenn
sich der Gegenstand 200 im Abstand y0 in
x-Richtung an der bei x = 0 gedachten Detektionsvorrichtung vorbeibewegt.
-
Es
ist zu erkennen, dass für
Abstände
y0 von einem oder drei Metern der differenzielle
Abstand – zumindest
in dem dort gezeigten Fenster von –200 cm bis + 200 cm in x-Richtung – nicht
größer als
eine beispielhaft angenommene Wellenlänge von λ = 1,25 cm wird. Anders ist
die Situation jedoch für
größere Abstände y0, beispielsweise für einen Abstand y0 von 10
m. Für
diesen Abstand von y0 = 10 m würde der differenzielle
Abstand dr der beiden Radien r1, r2 für Positionen des Gegenstandes 200 mit
x0-Koordinaten, die größer als cirka 75 cm sind, die
Wellenlänge λ = 1,25cm überschreiten
und damit mehrdeutig werden und zu mehrdeutigen Berechnungsergebnissen für die x0-Koordinate
führen.
-
In 5 sind
die Auswirkungen einer fehlerhaften Phasendifferenz auf die berechnete
x-Koordinate des Gegenstandes 200 nochmals veranschaulicht.
Für das
in 5 gezeigte Beispiel wurde wiederum angenommen,
dass sich der Gegenstand 200 in x-Richtung an der Position
x = 0 befindlichen Detektionsvorrichtung 100 vorbeibewegt.
Weiterhin wird für
das in 5 gezeigte Beispiel ein Abstand Sep von 2 cm zwischen
den beiden Empfangseinrichtungen 120-1, 120-2,
eine Frequenz des Sendesignals von 24 GHZ und eine Messunsicherheit
in der berechneten Phasendifferenz Δφ von 10° angenommen. Es ist in 5 zu
erkennen, dass der laterale Fehler bei der Berechnung der x-Koordinate
um so größer wird,
je größer der
Abstand y0 zwischen der x-Achse beziehungsweise
der Detektionsvorrichtung und dem Gegenstand 200 ist.
-
Umgekehrt
lehrt 5, dass eine vorgegebene gewünschte Messgenauigkeit und
ein gewünschter
maximaler lateraler Fehler für
die Bestimmung der Koordinate der Position des Gegenstandes 200 in
x-Richtung bei einem vorgegebenen Abstand Sep nur dann eingehalten
werden können,
wenn der Gegenstand 200 in y-Richtung nicht weiter von
der Detektionsvorrichtung 200 entfernt ist, als ein durch den
gewünschten
maximalen Fehler bedingter Grenzabstand y0Grenze dies
zulässt.
Die Messgenauigkeit kann jedoch wesentlich erhöht werden, das heißt der laterale
Fehler kann wesentlich minimiert werden, indem der Abstand Sep der
beiden Empfangseinrichtungen zueinander erhöht wird. Dabei ist jedoch zu
beachten, dass der differenzielle Abstand dr nicht mehrdeutig werden
darf. Dies wäre
dann der Fall, wenn der differenzielle Abstand dr = r1 – r2 größer als
die Wellenlänge
des Sendesignals werden würde.
-
Durch
die Wellenlänge
des Sendesignals wird also eine Grenze sowohl für den differenziellen Abstand
dr, wie auch für
den Abstand Sep definiert, die einzuhalten ist, wenn bei der Berechnung
der x-Koordinate die gewünschte
Fehlergenauigkeit nicht unterschritten und das Ergebnis gleichzeitig
auch eindeutig bleiben soll. Als Zwischenergebnis ist festzustellen,
dass für
die Einhaltung einer gewünschten Genauigkeit
bei der Berechnung der x-Koordinate des Gegenstandes 200 zum einen
ein Grenzabstand in y-Richtung y0Grenze und
zum anderen der indirekt durch die Wellenlänge repräsentierte Grenzabstand zwischen
den beiden Empfangseinrichtungen einzuhalten ist.
-
Für Gegenstände 200,
deren y-Koordinate kleiner als der Grenzabstand in y-Richtung ist,
das heißt
für Gegenstände im Nahbereich
der Detektionsvorrichtung, ist gewährleistet, dass sich deren x-Koordinate
mit mindestens der vorgegebenen gewünschten Genauigkeit berechnen
lässt.
-
Für Gegenstände 200
im Fernbereich der Detektionsvorrichtung, das heißt deren
Abstand in y-Richtung größer als
der Grenzabstand in y-Richtung ist, gilt dies bei Verwendung derselben
Detektionsvorrichtung deren Empfangseinrichtungen 120 insbesondere
denselben Abstand Sep aufweisen, nicht. Um auch für Gegenstände im Fernbereich
eine ausreichend große
Genauigkeit bei der Berechnung von deren x-Koordinate zu erzielen,
wird deshalb für den
Fernbereich eine andere Detektionsvorrichtung verwendet. Sie unterscheidet
sich von der Detektionsvorrichtung für den Nahbereich insbesondere
dadurch, dass der Abstand Sep-F zwischen den beiden Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 größer ist als
bei der Detektionsvorrichtung für
den Nahbereich.
-
6a zeigt
eine typische Anordnung von Sende- und Empfangseinrichtungen 110, 120-1, 120-2 für Gegenstände im Nahbereich
der Detektionsvorrichtung. Durch den Abstand Sep zwischen den beiden
Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 ist für eine vorgegebene
gewünschte
Messgenauigkeit bei der Berechnung der x-Koordinate des Gegenstandes 200 ein
Grenzabstand in y-Richtung definiert. Wenn der Gegenstand 200,
dessen Koordinaten zu berechnen sind, in y-Richtung weiter von der Detektionsvorrichtung
entfernt ist als der Grenzabstand in y-Richtung, dann weist das
Ergebnis der Berechnung eine schlechtere als die gewünschte Genauigkeit
auf.
-
Abhilfe
für dieses
Problem bietet die in 6b gezeigte Ausführung der
Detektionsvorrichtung 100. Die Empfangseinrichtungen 120-1 und 120-2 sind
grundsätzlich
identisch mit den in 6a gezeigten Empfangseinrichtungen;
ihr Abstand Sep-N zueinander definiert den Grenzabstand in y-Richtung, der gleichzeitig
die Grenze zwischen dem Nahbereich und dem Fernbereich in der Umgebung
der Detektionsvorrichtung definiert. Um auch bei der Berechnung
der Koordinaten für
Gegenstände
im Fernbereich eine gewünschte
Fehlergenauigkeit sicherzustellen, bietet die in 6 gezeigte
Detektionsvorrichtung die Möglichkeit,
von der zweiten Empfangseinrichtung 120-2 auf die dritte
Empfangseinrichtung 120-3 umzuschalten. Dies bedeutet,
dass zur Berechnung der Koordinaten für Gegenstände im Fernbereich die Phasendifferenz
zwischen dem von der ersten Empfangseinrichtung 120-1 und
dem von der dritten Empfangseinrichtung 120-3 bereitgestellten
Empfangssignal berechnet wird. Die Feststellung, ob ein Gegenstand
im Fernbereich oder im Nahbereich um eine Detektionsvorrichtung
positioniert ist, wird vorteilhafterweise durch einfache Auswertung
der Laufzeit von reflektierten Anteilen des Sendesignals in einem
der Empfangssignale vor der Berechnung der Phasendifferenz grob
abgeschätzt.
-
Vorteilhafterweise
sind sowohl die Sendeeinrichtung 10 wie auch alle Empfangseinrichtungen 120-1...-N
in dem Gehäuse
der Detektionsvorrichtung oder sogar auf einem Chip integriert.
Selbstverständlich
ist die Anzahl der Empfangseinrichtungen nicht auf die in 6b gezeigte
Anzahl von drei Empfangseinrichtungen begrenzt. Vielmehr können beliebig
viele Empfangseinrichtungen vorgesehen werden, die jeweils für bestimmte
Entfernungsbereiche in der Umgebung der Detektionsvorrichtung eine
gewisse Genauigkeit bei der Berechnung der Koordinaten der Position
des Gegenstandes 200 gewährleisten.