DE10332457A1 - Verfahren und Anordnung zur Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts mit Hilfe einer automatischen Auswertung von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen. Hierbei wird von einem an dem bewegbaren Objekt angeordneten Sender ein Sendeburst mit Wellen gesendet. Gedämpfte Wellen des gesendeten Sendebursts werden dann von wenigstens zwei, in einer jeweils bekannten Position befindlichen Empfängern empfangen. Die empfangenen gedämpften Wellen werden in Abhängigkeit von einem Dämpfungsgrad der empfangenen gedämpften Wellen jeweils dynamisch verstärkt, um für die Laufzeitmessungen ein jeweiliges Stoppsignal für eine elektronische Zähleinrichtung zu erzeugen, so daß die elektronische Zähleinrichtung, welche als Reaktion auf das Senden des Sendebursts zum elektronischen Zählen angestoßen wurde, als Reaktion auf den Empfang des Stoppsignals angehalten wird.

Description

• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts mit Hilfe einer automatischen Auswertung von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen.
• Es ist bekannt, mit Hilfe von Laufzeitmessungen bei der räumlichen Ausbreitung von Wellen, insbesondere in Verbindung mit elektromagnetischen Wellen oder Ultraschallwellen, den Abstand zwischen einem Sender zum Aussenden der Wellen und einem Empfänger zum Empfangen der Wellen zu messen. Der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger wird hierbei aus der Laufzeit einer gesendeten Welle zwischen dem Sender und dem Empfänger unter Berücksichtigung der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle berechnet.
• Aus den Druckschriften DE 34 06 179 und DE 34 06 180 sind Vorrichtungen zum Messen der Lage und der Bewegung wenigstens eines Meßpunktes in drei Raumkoordinaten bekannt. Mit Hilfe von Laufzeitmessungen für Ultraschallwellen wird die Bewegung des wenigstens einen Meßpunktes in einem Koordinatensystem bestimmt. Ein oder mehrere Ultraschallsender werden an einem bewegbaren Objekt befestigt. Die Laufzeit für einen jeweiligen Ultraschallimpuls von den mehreren Ultraschallsendern werden nach dem Empfangen der Ultraschallimpulse durch mehrere raumfeste Ultraschallempfänger berechnet. Auf diese Weise können Lage und Bewegung des bewegbaren Objekts in dem Koordinatensystem rechnerisch ermittelt werden.
• Aus der Druckschrift DD 160330 ist eine starre Anordnung zur Positionsbestimmung im Raum mittels Ultraschall bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird eine Sendebaugruppe mit einem tastbaren Senderverstärker, einem Ultraschallsender und drei Empfängerbaugruppen genutzt, die jeweils zwei Zähler, einen Decoder, einen Ultraschallempfänger, logische Standardverknüpfungsschaltungen sowie zwei Komperatoren aufweisen. Am Beginn einer Laufzeitmessung werden Ultraschallimpulse von der Sendebaugruppe erzeugt und als Reaktion auf das Absenden der Ultraschallimpulse ein elektronischer Binärzähler gestartet. Mit Hilfe eines von den Empfängerbaugruppen generierten jeweiligen Stoppimpulses wird die Laufzeitmessung dann angehalten, so daß aus den Informationen der Laufzeitmessung eine. Positionsbestimmung im Raum automatisch ausgeführt werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zur Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts mit Hilfe einer automatischen Auswertung von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen anzugeben, die kostengünstig und in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden können, insbesondere auch bei größeren Abständen zwischen dem bewegbaren Objekt und den zur Laufzeitmessung genutzten Empfängern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Anordnung zur Positionsbestimmung nach dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst.
• Die Erfindung umfaßt den Gedanken, mit Hilfe einer automatischen Auswertung von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen die Position eines bewegbaren Objekts zu bestimmen, wobei von einem an den bewegbaren Objekt angeordneten Sender ein Sendeburst mit Wellen gesendet wird, gedämpfte Wellen des gesendeten Sendeburst von wenigstens zwei, in einer jeweils bekannten Position befindlichen Empfänger empfangen werden und die empfangenen gedämpften Wellen in Abhängigkeit von einem Dämpfungsgrad der empfangenen gedämpften Wellen jeweils dynamisch verstärkt werden, um für die Laufzeitmessungen ein jeweiliges Stoppsignal für eine elektronische Zähleinrichtung zu erzeugen, so daß die elektronische Zähleinrichtung, welche als Reaktion auf das Senden des Sendeburst zum elektronischen Zählen angestoßen wurde, als Reaktion auf den Empfang des Stoppsignals angehalten wird.
• Mit Hilfe der dynamischen Verstärkung der empfangenen gedämpften Wellen werden Fehler bei der Erzeugung des Stoppsignals vermieden. Die Dämpfung der Intensität der von dem Sender ausgesendeten Wellen nimmt stark mit der Entfernung zwischen Sender und Empfängern ab. Dieses führt dazu, daß von den Empfängern unterschiedlich gedämpfte Wellen empfangen werden. Mit Hilfe der dynamischen Verstärkung der empfangenen gedämpften Wellen werden diese jedoch auf ein Signalniveau verstärkt, bei dem eine zuverlässige Erzeugung des Stoppsignals möglich ist. Hierbei ist die Dämpfung der empfangenen Wellen um so größer, je länger die Laufzeit zwischen Sender und Empfänger ist. Die empfangenen gedämpften Wellen werden somit auch in Abhängigkeit der Laufzeit verstärkt. Mit der Zunahme der Laufzeit nimmt der Verstärkungsfaktor zu. Für die Erzeugung des Stoppsignals wird mittels der dynamischen Verstärkung ein Signalpegel zur Verfügung gestellt, der im wesentlichen unabhängig von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist. Dieses ermöglicht die Nutzung einfachster Schwellwertdetektion für die Erzeugung des Stoppsignals.
• Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens zur Positionsbestimmung sieht vor, daß der Sendeburst mittels einer Reflexion an einer an dem bewegbaren Objekt angeordneten Umlenkeinrichtung diffus bzw. omnidirektional abgestrahlt wird. Mit Hilfe der Umlenkeinrichtung kann sichergestellt werden, daß die um das bewegbare Objekt herum angeordneten Empfänger alle von dem ausgesendeten Sendeburst erfaßt werden, wobei die Empfänger ebenfalls eine Umlenkeinrichtung aufweisen. Mit Hilfe der Umlenkeinrichtung an dem bewegbaren Objekt werden auch die an den Empfängern reflektierten Strahlen omnidirektional empfangen.
• Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, daß mit Hilfe einer Temperatursensoreinrichtung während der Laufzeitmessungen eine Umgebungstemperatur erfaßt und die erfaßte Umgebungstemperatur bei der automatischen Auswertung der Laufzeitmessungen in Form einer temperaturabhängigen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
• Zur Vermeidung von Fehlern kann eine Weiterbildung der Erfindung vorsehen, daß ein Teil der Laufzeitmessungen für eine automatische Fehlerkorrektur verwendet werden.
• Zweckmäßig kann bei einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß als Wellen Ultraschallwellen verwendet werden, die mit Hilfe eines Ultraschall-Senders gesendet und mit Hilfe von Ultraschall-Empfängern empfangen werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit für Ultraschallwellen ist im Vergleich zu elektromagnetischen Wellen wesentlich geringer. Dieses führt dazu, daß die Laufzeiten bei den Laufzeitenmessungen zwischen dem Sender und den Empfängern länger sind, so daß der gerätetechnische Aufwand für das Detektieren der Laufzeiten im Fall der Verwendung von Ultraschallwellen wesentlich kleiner als bei Verwen dung von elektromagnetischen Wellen ist. Auf diese Weise kann das Verfahren mit Hilfe von Ultraschallwellen wesentlich kostengünstiger umgesetzt werden.
• Um eine Kollision des bewegbaren Objekts mit den Empfängern oder anderen im Bewegungsraum des bewegbaren Objekts befindlichen Gegenständen zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß mit Hilfe von an dem bewegbaren Objekt angeordneten Abstandssensoren Abstandsmessungen zur Umgebung des bewegbaren Objekts ausgeführt werden.
• Eine zuverlässige und mit geringem Kostenaufwand ausführbare Möglichkeit zur Abstandsmessung ist bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch geschaffen, daß die Abstandsmessungen mit Hilfe von Ultraschallwellen ausgeführt werden.
• Die in den abhängigen Ansprüchen der Anordnung zur Positionsbestimmung aufgeführten Merkmale von zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung weisen die im Zusammenhang mit den zugehörigen Verfahrensansprüchen genannten Vorteile entsprechend auf.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Sender und drei Empfängern zur Erläuterung eines Triangulationsverfahrens;
• 2 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung mit einem bewegbaren Objekt;
• 3 eine schematische Darstellung eines Meßaufbaus zur Positionsbestimmung;
• 4 eine schematische Darstellung eines Umlenkkegels; und
• 5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Trajektorie des bewegbaren Objekts.
• Im folgenden sollen unter Bezugnahme auf 1 zunächst die für die Positionsbestimmung für ein bewegbares Objekt mittels Laufzeitmessungen relevanten Grundlagen erläutert werden. Der Übersichtlichkeit halber wird die Bestimmungsgleichung für die Position eines bewegbaren Objekts 0 aus den drei Abständen zu bekannten Positionen von Empfängern E_i (i = 1,2,3) z_i in der komplexen Ebene hergeleitet. Der Punkt x = (a, b)^T im Navigationskoordinatensystem wird hierbei durch die Zahl z_x = a + j·b in der Gauß'schen Zahlenebene repräsentiert. Die Bestimmung der gesuchten Senderposition z_s = x_s + j·y_s, welche der gesuchten Position des bewegbaren Objekts entspricht, wenn der Sender auf diesem montiert ist, kann man sich als Schnittpunktbildung von drei Kreisen vorstellen, die ihren Ursprung in den bekannten Empfängerpositionen z_i = x_i + j·y_i haben und deren Radius der jeweils gemessenen Entfernung d_i entspricht (vgl. 1). Werden nur zwei der verfügbaren drei Kreise zum Schnitt (z.B. die von Empfänger E₁ und E₂ aufgespannten Kreise) gebracht, so ergeben sich zwei mögliche Senderpositionen

  

  aus denen die tatsächliche Senderposition zs durch Einschränkung des Operationsgebiets des Senders ausgewählt werden kann. Prinzipiell genügen unter Einschränkung der Bewegungsfreiheit des Senders zwei Empfänger E_1,2, die die benötigten Abstandsinformationen d_1,1 liefern. Die Verfügbarkeit eines dritten Empfängers E₃ kann als Redundanz zur Fehlerkorrektur verwendet werden.
• Es werden die Schnittpunkte z ij / s zs von zwei Kreisen e_i, e_j mit den Mittelpunkten z_i, z_j und den Radien d_i, d_j explizit berechnet. Da insgesamt drei Kreise e₁, e₂, e₃, die den drei Empfängern E₁, E₂, E₃ zugeordnet sind, zur Verfügung stehen, können auf diese Weise sechs Punkte ermittelt werden. Die drei Punkte

  

  mit dem gegenseitig geringsten Abstand stellen drei redundante Aussagen über die Position z_s des Senders dar und können etwa durch Mittelwertbildung weiterverarbeitet werden.
• Mit den gemessenen Entfernungen d₁, d₂, d₃ des Senders zu den Empfängern E₁, E₂, E₃ im Kreismittelpunkt z₁, z₂, z₃ läßt sich die Senderposition

  

  durch die Unbekannten α₁, α₂, α₃ parametrisieren. Subtraktion von Gleichung (1.3) und Gleichung (1.2) liefert

  

  mit den zu bestimmenden Parametern α 12 / 1 und α 12 / 2 und der offensichtlichen Lösbarkeitsbedingung d1 + d2 ≥ ∥z2 – z1∥ (1.5)
• Die Hochstellung ¹² weist darauf hin, daß die Kreise um e₁ und e₂ zum Schnitt gebracht werden. Betragsbildung und Quadrierung liefert die Beziehung ∥z2 – z1∥2 = d21 + d22 – 2d1d2 cos(α122 – α121 ), (1.6)woraus die Aussage

  

  für die Differenz Δα¹² = α 12 / 2 – α 12 / 1 gewinnen läßt. Umformung von Gleichung (1.4) unter Verwendung von Gleichung (1.6) liefert

  
• Daraus ergibt sich die Beziehung

  

  woraus in Verbindung mit Gleichung (1.7) und der bekannten Beziehung cos²(α) + sin²(α) = 1 unmittelbar

  

  folgt. Für die Schnittpunkte z 12 / s ergibt sich aus Gleichung (1.2) oder wahlweise aus Gleichung (1.3)

  

  auf analoge Art und Weise werden die Schnittpunkte z 13 / s der Kreise e₁, e₃ und z 23 / s der Kreise e₂, e₃ bestimmt, so daß die sechs Punkte

  

  zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.
• Drei der errechneten sechs Schnittpunkte beschreiben den Schnitt aller drei Kreise e₁, e₂, e₃ und sind damit Kandidaten für die Senderposition z_s, während die übrigen drei Punkte Schnitte von nur zwei der drei Kreise beschreiben. Um zu einer Aussage über zs zu gelangen, werden die drei im Sinne des Absolutbetrags ähnlichsten Punkte

  

  ausgesucht. Die gesuchte Senderposition z_s ergibt sich durch Mittelwertbildung

  
• Die zu bestimmenden Entfernungen d_i ergeben sich durch die Messung der Laufzeit t_i eines Ultraschallsignals mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit

  

  woraus di = cUS·ti (1.13)folgt. Wie aus Gleichung (1.13) ersichtlich ist, wird mit steigender Signalgeschwindigkeit die zu messende Laufzeit geringer. Bei zu messenden Abständen von bis zu 15m liegen die Ultraschalllaufzeiten bei ca. 45ms. Bei elektromagnetischen Wellen als Trägersignal liegen die zu messenden Laufzeiten bei ca. 59ns. Da eine Messung solch kleiner Laufzeiten sehr aufwendig und teuer ist, bietet das Ultraschallsignal eine brauchbare Alternative.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Positionsbestimmung für ein bewegbares Objekt 20, an dem ein Sender 21 zum Aussenden von Ultraschallimpulsen montiert ist. Die Ultraschallimpulse können als gedämpfte Ultraschallimpulse von drei Empfängern E₁, E₂, E₃ empfangen werden. Der Sender 21 strahlt zu festgelegten Zeitpunkten einen Ultraschallimpuls aus. Der (gedämpfte) Ultraschallimpuls wird von den Empfängern E₁, E₂, E₃ jeweils detektiert, und die Zeitdauer zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt wird gemessen. Hierbei können beispielsweise pro Sekunde zehn Abstandsmessungen durchgeführt werden. Bei dem bewegbaren Objekt handelt es sich um einen beliebigen verlagerbaren Gegenstand, beispielsweise um einen Laborroboter, der für Meßzwecke genutzt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform werden drei Empfänger E₁, E₂, E₃ genutzt. Das Verfahren zur Positionsbestimmung kann jedoch vorzugsweise mit zwei Empfängern ausgeführt werden, so daß die Meßanordnung möglichst einfach und kostengünstig gebildet ist. Bei Verwendung von drei Empfängern steht redundante Information zur Verfügung.
• 3 zeigt schematisch einen Meßaufbau zur Positionsbestimmung mittels Laufzeitmessungen in der Anordnung nach 2. Zur Ablaufsteuerung und zur Anbindung an einen Personalcomputer (PC) 30 wird ein Microcontroller 31 verwendet. Dieser sendet in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel alle 100ms einen Impuls, der die Messung initialisiert und eine Zeitmessung startet. Es wird im Sender 21 ein Sendeburst mittels eines Signalgenerators 32 generiert, der mit Hilfe eines Sendeverstärkers 33 noch verstärkt und dann über einen Ultraschallsender 34 ausgesendet wird. Wird das Signal von einem Ultraschallempfänger 35 detektiert, so wird nach erfolgter Vorverstärkung mittels eines Empfangsverstärkers 36 die Zeitmessung mit Hilfe einer Zähleinrichtung 37 gestoppt, indem in einer Detektionseinrichtung 38 ein Stoppimpuls erzeugt wird. Die Zeitmessung erfolgt digital und wird mittels des Microcontrollers 31 an den PC 30 übermittelt. Im PC 30 werden aus den gemessenen Laufzeiten die Entfernungen und daraus die Position zs des bewegten Objekts 20 bzw. des hieran montierten Senders 21 errechnet.
• Um die Signallaufzeit zu messen, werden während der Signallaufzeit die Perioden einer festfrequenten Rechteckschwingung mit Hilfe von Binärcountern in der Zähleinrichtung 37 gezählt. Beispielsweise kann eine Rechteckschwingung mit der Frequenz von 1MHz genutzt werden, um eine Genauigkeit von 1 μs zu erreichen. Wird die Messung vom Microcontroller 31 gestartet, so wird der Binärcounter mit der Rechteckschwingung beaufschlagt und fängt an zu zählen. Sendet dann die Detektionseinrichtung 38 das Stoppsignal, wird die Taktzählung gestoppt. Dieser Vorgang ist bei allen drei Empfängern E₁–E₃ gleich. Die binärcodierten Laufzeiten werden vom Microcontroller 31 eingelesen und über eine serielle Schnittstelle zum PC 30 geschickt.
• Der Microcontroller 31 steuert den Ablauf der Messungen und kann als PIC16F84 Microcontroller ausgeführt sein. Dieser Typ von Microcontroller ist weit verbreitet und sehr leicht programmierbar. Der Microcontroller 31 übernimmt die Meßsynchronisation und die Kommunikation mit dem PC 30, dem Sender 21 und den Empfängern E₁–E₃. Der Microcontroller 31 ist so programmiert, daß er alle 100ms eine Messung startet, dann die Signallaufzeit abwartet und anschließend die binärcodieren Laufzeiten aus den Empfängern E₁–E₃ einliest. Des weiteren sorgt er für das Rücksetzen der Binärzähler in der Zähleinrichtung 37, so daß diese für die nächste Messung bereitstehen. Die eingelesenen Laufzeitwerte werden zu einer 6Byte-Kette zusammengesetzt und mit einer Referenznummer versehen. So kann später eine Verfolgung der Bewegungsbahn des bewegbaren Objekts 20 anhand der Positionen gewährleistet werden. Die so entstandenen 8Byte-Datenpakete werden zum PC 30 übertragen.
• Aufgabe der Empfänger E₁–E₃ ist die Detektion des Ultraschallsignals von dem Sender 21 und die Ausgabe des Stoppsignals, das die Laufzeitmessung stoppt. Hierzu wird das empfangene Ultraschallsignal verstärkt, und beim Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts, also einer bestimmten Empfangsamplitude, wird das Stoppsignal in der Detektionseinrichtung 38 erzeugt und an die Zähleinrichtung 37 übermittelt. Da die Amplitude der mit Hilfe der Empfänger E₁–E₃ empfangenen Ultraschallimpulse mit zunehmender Entfernung zwischen Sender 21 und Empfängern E₁–E₃ abnimmt, ist kein statisch vorgegebener Schwellwert definiert. Es ist ein relativer Schwellwert vorgesehen. Um dies zu erreichen, wird die Maximalamplitude des Empfangssignals ermittelt. Ist diese bekannt, kann ein Schaltzeitpunkt zum Erzeugen des Stoppsignals in der Detektionseinrichtung 38 derart festgelegt werden, daß das Stoppsignal beim Erreichen von ca. 80% des Maximalwertes erzeugt und zum Stoppen der Laufzeitmessung übermittelt wird. Da aber zuvor erst der Maximalwert ermittelt werden muß, kann nur eine Detektion des Unterschreitens der Schaltwelle beim Abfallen des Empfangssignals erfolgen. Die Signalamplitude ändert sich exponentiell mit der Entfernung, so daß bei der Messung mit einem Überschreiten mehrerer Zehnerpotenzen umgegangen werden muß. Um dies zu berücksichtigen ist der Empfangsverstärker 36 als dynamischer Verstärker ausgeführt, der je nach Entfernung (Dämpfungsgrad) das empfangene Signal mehr oder weniger verstärkt, so daß ein im wesentlichen gleichbleibendes, d.h. von der Dämpfung im wesentlichen unabhängiges Signal an die Detektionseinrichtung 38 übertragen wird, was vorzugsweise nur noch im Bereich etwa einer Zehnerpotenz variiert.
• Aufgabe des Senders 21 ist es, die Schwingung, beispielsweise mit einer Frequenz von 40khz, zu erzeugen und diese verstärkt abzugeben. Bezüglich der Frequenz der Schwingung kann der Fachmann in Abhängigkeit vom Anwendungsfall eine geeignete Frequenz auswählen. Für die Anregung eines Ultraschallwandlers stellten sich etwa 15 Schwingungsperioden als zweckmäßig heraus. Das Anregungssignal wird mit Hilfe einer integrierten CMOS-Zeitgeberschaltung in dem Signalgenerator 32 generiert. Dieser erzeugt nach dem Ausführungsbeispiel ein 40Khz-Rechtecksignal, aus dem mit Hilfe eines Tiefpasses ein Sinussignal gefiltert wird. Ultraschallwandler lassen sich als PT₂-Glied modellieren. Sie haben ihre Resonanzfrequenz bei ca. 40khz, d.h. es genügt nicht, sie nur mir einem einzelnen Impuls anzure gen. Sie müssen mit der Resonanzschwingung (40khz) angeregt werden. Da der Ultraschallsender aber nach Anregung nur wenig gedämpft nachschwingt, muß die Schwingung wieder gegengedämpft werden. Als Dämpfungsperioden werden um 180° phasenverschobene Anregungsschwingungen benutzt. Diese werden mit Hilfe eines Invertierverstärkers erzeugt. Sowohl Anregungs- als auch Dämpfungssignale sind in Dauer und Amplitude einstellbar. Das erzeugte Anregungssignal wird mit Hilfe des Sendeverstärkers 33 verstärkt und auf den Ultraschallsender 34 gegeben.
• Ein Problem von Ultraschallwandlern ist deren ausgeprägte Richtcharakteristik. Um einen maximalen Signalpegel zu erreichen, müssen Sender und Empfänger direkt zueinander ausgerichtet sein. Da dies aber aufgrund der Meßanordnung nicht möglich ist, wird das vom Ultraschallsender erzeugte Signal derart umgelenkt werden, daß es omnidirektional gesendet bzw. empfangen werden kann. Hierzu wird ein Umlenkkegel 50, welcher in 4 schematisch dargestellt ist, genutzt. Der Umlenkkegel 50 reflektiert die ankommenden Ultraschallwellen in horizontaler Richtung. Die Empfänger E₁–E₃ verfügen über einen jeweiligen, in ähnlicher Weise ausgestalteten Umlenkkegel wie der Sender 21. Der Umlenkkegel 50 dient auch zum omnidirektionalen Empfangen der von den Empfängern E₁–E₃ reflektierten Wellen.
• Die Berechnung der Positionsdaten für das bewegbare Objekt 20 aus den gemessenen Laufzeiten wird mit Hilfe einer auf dem PC 30 implementierten Software ausgeführt, die die Trilaterationsberechnung umsetzt. Hierbei werden Daten für die Meßwerte über eine serielle Schnittstelle eingelesen, und es wird überprüft, ob die Daten in einem gültigen Bereich liegen. Anschließend werden die gemessenen Laufzeitwerte unter Berücksichtigung der bekannten Wellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit in Entfernungen umgerechnet. Mit Hilfe dieser Entfernungswerte und vorher einstellbarer Empfängerpositionen wird anhand des oben beschriebenen Triangulationsprinzips die aktuelle Position des bewegbaren Objekts 20 berechnet und ausgegeben. Des weiteren werden aus den aktuellen und vergangenen Positionsdaten sowohl ein aktueller Winkel als auch eine aktuelle Geschwindigkeit für das bewegbare Objekt 20 berechnet. Die Ausgabe dieser Werte erfolgt in Form eines Zahlenwerts und/oder als graphische Darstellung. Zu diesem Zweck werden die gesamte Meßumgebung, einschließlich um gebender Wände, der Empfängerposition und physikalischer Konstanten, beispielsweise die Schallgeschwindigkeit, maßstabsgetreu im PC 30 nachgebildet. Die so entstandenen Umgebungsprofile lassen sich elektronisch abspeichern und laden: So bietet sich die Möglichkeit, das Meßsystem schnell und einfach an verschiedene Umgebungsbedingungen anzupassen. Mit Hilfe des beschriebenen Meßverfahrens läßt sich die Bahn des bewegbaren Objekts 20 aufzeichnen sowie mit anderer Sensorik (z.B. robotereigene Odometrie, Gyroskope oder Korrelatoren) gemessene Positionswerte importieren und zu Vergleichszwecken in die gemessene Trajektorie einzeichnen. Die gemessenen Trajektorien können gespeichert, geladen und gedruckt werden.
• Um die Leistungsfähigkeit der beschriebenen Positionsermittlung zu testen, wurde eine exemplarische Trajektorie des bewegbaren Objekts 20 vermessen (vgl. 5). Dazu wurde der Sender 21 auf die angegebenen Koordinaten positioniert und anschließend die ermittelten Daten in die Tabelle 1 aufgenommen. Es ist zu erwähnen, daß aufgrund des von Hand vermessenen Bezugskoordinatensystems die vorgegebenen Positionen nur mit begrenzter Genauigkeit eingestellt werden können. Da die Position des bewegbaren Objekts 20 in einer Höhe von ca. 1200mm ermittelt, die Position des Objekts aber am Boden vorgegeben wird, entstehen durch Unebenheiten des Laborbodens sowie ungleichmäßige Beladung des Objekts 20 weitere Fehler, so daß davon ausgegangen werden kann, daß die wahre Senderposition durchaus um ±20mm in jeder Richtung vom Vorgabewert abweicht. Unter diesen Voraussetzungen läßt sich aus den aufgetragenen Meßwerten erkennen, daß bei dem Ausführungsbeispiel eine Genauigkeit von ca. ±13mm in jeder Richtung realisiert wurde. In Tabelle 1 sind die Meßwerte der exemplarischen Trajektorie dargestellt.
• Tabelle 1

  
• Nimmt man eine Mindestentfernung des bewegbaren Objekts 20 von etwa einem Meter von der gedachten Verbindungslinie zweier Empfänger E₁–E₃ an, so ergibt sich, daß die mittleren Abweichungen in x-Richtung –4,4mm (Standardabweichung 12,9mm) und in y-Richtung 5,4mm (Standardabweichung 10,3mm) betragen. Stellt man das bewegbare Objekt 20 an eine bestimmte Position und nimmt man dann einige Positionswerte auf, so lassen sich Rückschlüsse auf die Wiederholgenauigkeit des Systems ziehen. Beispielhaft wurde hier das bewegbare Objekt 20 auf die Koordinate 2000mm/2000mm (X/Y-Abschnitt) gestellt. Aus etwa 500 aufgenommenen Positionswerten ergibt sich ein Mittelwert von 2005mm in x- und 1997mm in x-Richtung. Die Standardabweichungen betragen in x-Richtung 2,59mm und in y-Richtung 4,67mm.
• Die Berechnung der Positionskoordinaten erfolgt bei dem oben beschriebenen Verfahren mit Hilfe des Trilaterationsverfahrens. Dazu werden die Entfernungen von wenigstens zwei bekannten Empfängern E₁–E₃ zum Meßobjekt 20 gemessen und daraus mit dem oben beschriebenen Verfahren berechnet. Um die Entfernung von den bekannten Empfängerpositionen zur gesuchten Senderposition zu ermitteln, wird die Laufzeit eines Ultraschallimpluses gemessen. Die Laufzeit des Ultraschallimpulses läßt sich dann mit Hilfe der Signalgeschwindigkeit in eine entsprechende Entfernung umrechnen: sse = c·tse + offset, (2.1)wobei s_se die Strecke vom Sender 21 zum Empfänger E₁–E₃, t_se die Ultraschalllaufzeit vom Sender 21 zum Empfänger E₁–E₃ (vgl. 2) und offset ein systemabhängiger Laufzeit-Offset sind. Es gilt weiterhin:

  

  wobei c die Schallgeschwindigkeit, ρ die Luftdichte und p der Luftdruck sind. Diese Signalgeschwindigkeit, nämlich die Schallgeschwindigkeit c, ist allerdings nicht konstant, sondern von der Umgebungstemperatur abhängig:

  

  wobei M die Molmasse der Luft und R die allgemeine Gaskonstante sind.
• Die mit Hilfe der Meßanordnung (vgl. 2 und 3) gemessenen Positionskoordinaten sind also nur dann genau, wenn die bei der Auswertung verwendete Signalgeschwindigkeit mit der wahren Schallgeschwindigkeit übereinstimmt. Die Signalgeschwindigkeit wird mit Hilfe eines Kalibrierungsprozesses gemessen. Dazu muß die Entfernung von Sender 21 zum Empfänger E₁–E₃ eingegeben und anschließend die Ultraschalllaufzeit gemessen werden. Daraus wird die Signalgeschwindigkeit berechnet, die dann zur Berechnung der Position herangezogen wird. Da aber wie bereits oben erwähnt, die Schallgeschwindigkeit nicht konstant ist, müßte das Meßsystem vor jeder Messung, bei der die Umgebungstemperatur nicht der Temperatur während der Kalibrierung entspricht, neu kalibriert werden:

  

  wobei c_k die Schallgeschwindigkeit während der Kalibrierung (diese wird gemessen) und c_m die Schallgeschwindigkeit während der Messung (zur Berechnung der Position benötigt) sind. Aus dem Gesetz von Gay-Lussac folgt unter annähernd isochoren Raumbedingungen PkTk = pmTm (2.5)

  

  wobei p_k der Umgebungsdruck während der Kalibrierung, p_m der Umgebungsdruck während der Messung, T_k die Umgebungstemperatur während der Kalibrierung und T_m die Umgebungstemperatur während der Messung sind. Die entstehenden Meßfehler bei einer Temperaturänderung um 10K liegen bei einer Meßstrecke von 10m schon im Bereich von 8cm.
• Deshalb werden die Umgebungstemperatur während der Kalibrierung T_k und die Temperatur während der Messung T_m mit einem Temperatursensor 40 (vgl. 3) erfaßt. Dies ist mit einem Widerstandsthermometer, zum Beispiel mit einem PT100 oder einem PT1000, mit geringem Aufwand zu realisieren. Die gemessene Temperatur kann dann mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und in einem mit dem PC 30 in Verbindung stehendem Speicher gespeichert werden. Da die Umgebungstemperatur nicht sprunghaft ansteigen kann, wird die Messung der Umgebungstemperatur etwa im Minutenabstand ausgeführt, was die Anforderungen an Sensor- und Wandlergeschwindigkeit begrenzt und somit die Kosten für diese zusätzliche Messung äußerst gering hält. Die Temperaturinformation aus dem Temperatursensor wird an den Microcontroller 31 (vgl. 3) übertragen und von dort in den Datenstrom zum PC 30 eingebunden. Die Kalibrierungstemperatur wird ebenso wie die Schallgeschwindigkeit und der Systemoffset in einer Datei zur weiteren Benutzung abgespeichert:

  
• So können dann die durch Temperaturschwankungen entstandenen Ultraschallgeschwindigkeitsabweichungen eliminiert werden und eine Kalibrierung des Systems ist nur einmal notwendig.
• Weitere Einflüsse wie Luftfeuchtigkeitsänderung haben in der Regel keinen relevanten Einfluß auf die Messung. Die Änderung des Luftdrucks hat Einfluß auf die Messung, ist aber direkt von der Temperaturänderung abhängig und somit durch die beschriebene Meßanordnung bereits kompensiert. Eine Messung des Luftdrucks zur Laufzeitfehlerkompensation kann ergänzend vorgesehen sein, hat aber im Vergleich zur Temperaturmessung den Nachteil von sehr geringen Schwankungen im mbar-Bereich, so daß die Messung sehr aufwendig und teuer im Vergleich zur Temperaturmessung wäre.
• Das beschriebene System zur Positionsbestimmung weist die folgenden Vorteile auf
• 1. Vollständige Lösung des planaren Lokalisierungsproblems: Die Position des bewegbaren Objekts innerhalb eines Arbeitsbereichs kann fortlaufend mit einer Genauigkeit ermittelt werden, die als Referenz tauglich ist.
• 2. Die Meßanordnung ist mit Hilfe von Standardbaugruppen ausbildbar, so daß die entstehenden Kosten gering sind.
• 3. Leichte Erweiterbarkeit: Generell ist mit der Meßanordnung auch die Synchronisierung von mehreren Sende-/Empfangsstrecken möglich. Dies befähigt das System auch zur 3D-Lokalisierung oder kann zur Genauigkeitssteigerung durch die Verwendung von Redundanzinformation verwendet werden.
• 4. Modularer, tragbarer Systemaufbau: Das System kann prinzipiell mit wenig Aufwand montiert und demontiert werden. Es umfaßt wenigstens zwei Empfänger, einen Sender und eine Auswerteeinrichtung, die ihr Meßergebnis einem PC, beispielsweise einem Notebook, zukommen läßt. Die Inbetriebnahme erfordert lediglich die Ausmessung der Senderpositionen und die Synchronisierung der Koordinatensysteme.
• Die beschriebene Meßanordnung zur Positionsbestimmung kann in sehr verschiedenen Einsatzgebieten verwendet werden, da die Positionsberechnung eines Zielobjekts innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs grundlegende Voraussetzung in vielen Anwendungsfällen autonomer oder teilautonomer Systeme ist. Inbesondere sind die folgenden zwei Einsatzszenarien der Meßanordnung vorgesehen:
• 1. Einsatz als tatsächliches Lokalisierungsmodul: Mobile Roboter werden heutzutage für Überwachungs- und Reinigungsaufgaben eingesetzt. Beide Aufgabenbereiche erfordern die routinemäßige Fortbewegung (Patrouille) des Systems in einem festgelegten Bereich (etwa einer Lagerhalle oder eines Rasengrundstücks). Die Lokalisierung des Roboters könnte mit Hilfe der vorgestellten Erfindung kostengünstig ausgeführt werden, ohne daß etwa eine Spurführung des Roboters notwendig wäre, die zum einen die Autonomie des Systems einschränkt und zum anderen (eventuell kostenintensive) bauliche Maßnahmen an der Einsatzumgebung voraussetzt.
• 2. Das Meßsystem kann für die Erzeugung von Referenzkoordinaten bei der experimentellen Erprobung von Navigationsfiltern eingesetzt werden. Als solches kann es in der Robotikforschung genutzt werden. Insbesondere für Forschungen auf dem Gebiet der mobilen Roboternavigation ist ein kostengünstiges System zur Referenzkoordinatenbestimmung interessant, anhand der die Leistungsfähigkeit der eigenen Lokalisierungsroutinen abgeschätzt werden kann.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (13)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts (20) mit Hilfe einer automatischen Auswertung von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen, bei dem von einem an dem bewegbaren Objekt (20) angeordneten Sender (21) ein Sendeburst mit Wellen gesendet wird, gedämpfte Wellen des gesendeten Sendebursts von wenigstens zwei, in einer jeweils bekannten Position befindlichen Empfängern (E₁, E₂, E₃) empfangen werden und die empfangenen gedämpften Wellen in Abhängigkeit von einem Dämpfungsgrad der empfangenen gedämpften Wellen jeweils dynamisch verstärkt werden, um für die Laufzeitmessungen ein jeweiliges Stoppsignal für eine elektronische Zähleinrichtung (37) zu erzeugen, so daß die elektronische Zähleinrichtung (37), welche als Reaktion auf das Senden des Sendebursts zum elektronischen Zählen angestoßen wurde, als Reaktion auf den Empfang des Stoppsignals angehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeburst mittels einer Reflexion an einer an dem bewegbaren Objekt (20) angeordneten Umlenkeinrichtung diffus abgestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Temperatursensoreinrichtung (40) während der Laufzeitmessungen eine Umgebungstemperatur erfaßt und die erfaßte Umgebungstemperatur bei der automatischen Auswertung der Laufzeitmessungen in Form einer temperaturabhängigen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Laufzeitmessungen für eine automatische Fehlerkorrektur verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellen Ultraschallwellen verwendet werden, die mit Hilfe eines Ultraschall-Senders gesendet und mit Hilfe von Ultraschall-Empfängern empfangen werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von an dem bewegbaren Objekt (20) angeordneten Abstandssensoren Abstandsmessungen zur Umgebung des bewegbaren Objekts ausgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmessungen mit Hilfe von Ultraschallwellen ausgeführt werden.
8. Anordnung zur Positionsbestimmung eines bewegbaren Objekts (20) mit einer Steuereinrichtung (30) zum automatischen Auswerten von Laufzeitmessungen bei einer räumlichen Ausbreitung von Wellen, einem an dem bewegbaren Objekt (20) angeordneten Sender (21) zum Senden eines Sendebursts von Wellen, wenigstens zwei, in einer jeweils bekannten Position befindlichen Empfängern (E₁, E₂, E₃) zum Empfangen gedämpfter Wellen des gesendeten Sendebursts, und einer elektronischen Zähleinrichtung (37), die zum Austauschen von elektronischen Daten mit der Steuereinrichtung (30) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Verstärkereinrichtung (36) zum jeweiligen dynamischen Verstärken der empfangenen gedämpften Wellen in Abhängigkeit von einem Dämpfungsgrad der empfangenen gedämpften Wellen, um für die Laufzeitmessungen ein jeweiliges Stoppsignal für die elektronische Zähleinrichtung (37), zu erzeugen, so daß die elektronische Zähleinrichtung (37), welche als Reaktion auf das Senden des Sendebursts zum elektronischen Zählen angestoßen werden kann, als Reaktion auf den Empfang des Stoppsignals angehalten werden kann.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum diffusen Abstrahlen des Sendebursts von Wellen und zum omnidirektionalen Empfangen reflektierter Wellen eine Umlenkeinrichtung vorgesehen ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Temperatursensoreinrichtung (40) zum Erfassen einer Umgebungstemperatur während der Laufzeitmessungen, so daß die erfaßte Umgebungstemperatur bei der automatischen Auswertung in Form einer temperaturabhängigen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden kann.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein Ultraschall-Sender zum Senden eines Sendebursts von Ultraschallwellen und die Empfänger Ultraschall-Empfänger zum Empfangen gedämpfter Ultraschallwellen des gesendeten Sendebursts sind.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem bewegbaren Objekt Abstandssensoren für Abstandsmessungen zur Umgebung des bewegbaren Objekts angeordnet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren Ultraschallsensoren sind.