DE10333012B4 - Ultraschalltriangulationssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender und Verfahren hierzu - Google Patents

Abstract

Ultraschalltriangulationssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender (4), ortsfesten Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) und einer Ultraschall-Auswerteeinheit (10), welche aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen Ultraschallsender (4) und Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) aus den empfangenen elektrischen Signalen, welche von den Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) nach Empfang des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) abgegeben werden, die Laufzeiten des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) zu ermitteln imstande ist sowie mit einem Steuerungsrechner (1) zur Koordinierung und Steuerung des Ultraschalltriangulationssystems, wobei der Ultraschallsender (4) batteriegestützt ist und mobil kabellos zu arbeiten imstande ist, und das notwendig auf den Ultraschallsender (4) aufzugebende Triggersignal, welches sowohl zur Markierung des Beginns der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit (10) als auch zur Veranlassung des mobilen Ultraschallsenders (4) zum Senden eines Ultraschallsignals (18) dient, mittels einer Einrichtung (2) zur drahtlosen Signalübertragung, wie elektromagnetische Wellen (7) oder Ultraschallwellen, hin zum Ultraschallsender (4) übermittelbar ist, wobei zum Ansprechen mehrerer Ultraschallsender (4) das...

Description

• Technisches Gebiet:
• Die Erfindung betrifft ein Ultraschalltriangulationssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender, ortsfesten Ultraschallempfängern und einer Ultraschall-Auswerteeinheit. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren hierzu.
• Objekterkennungen, Objektidentifizierung und -lageerkennung mittels Messung von Laufzeitunterschieden von Ultraschallsignalen sind bekannt. Zum Beispiel beinhaltet die WO 9411753 ein Ultraschall-Inspektionsverfahren, das zur Objektidentifizierung und -lageerkennung, nämlich zur Erkennung von dreidimensionalen Mustern, aus den Zeitsignalen des Echos eines Referenzobjektes und eines Testobjektes sowohl die Kreuzkorrelationsfunktion als auch die Autokorrelationsfunktion bildet und zur Auswertung mehrere Merkmale der Korrelationsanalyse, wie Lage des Maximums verwendet, welche mittels Fuzzy-Logik verknüpft werden, wobei Referenzobjekt und Testobjekt miteinander korreliert werden. Die bekannten Ultraschall-Inspektionsverfahren erfordern allerdings einen erheblichen Hardware- und Rechenaufwand.
• Durch die DE 19 955 646 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt geworden, das dazu dient, die Position eines beweglichen Werkzeugs im Raum zu erkennen. Dazu ist an dem Werkzeug ein Ultraschallempfänger angebracht. Mehrere Ultraschallsender sind ortsfest in der näheren Umgebung angebracht, Ultraschallsender und -empfänger sind mit einer Ultraschall-Auswerteeinheit verbunden. Die Auswerteeinheit veranlasst jeweils einen Sender zum Senden. Nach dem Aussenden des Ultraschallimpulses breitet sich die Ultraschallwelle im Raum mit Schallgeschwindigkeit aus und trifft auf den Empfänger am Werkzeug. Das Signal wird verstärkt und als Impuls an die Ultraschall-Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Auswerteeinheit misst die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Senden und dem Eintreffen an dem Empfänger. Die Ultraschall- Auswerteeinheit steuert mehrere Sender zyklisch an und misst die jeweiligen Laufzeiten zu dem Empfänger. Aus der bekannten Position der ortsfesten Sender und der gemessenen Laufzeiten, lässt sich die Position des Empfängers bestimmen. Die Umrechnung der Laufzeiten in Abstände erfolgt mit der Formel s = c·t mit s = Abstand zwischen dem jeweiligen Sender und dem mobilen Empfänger, c = Schallgeschwindigkeit in Luft und t = Laufzeit zwischen dem jeweiligen Sender und dem mobilen Empfänger.
• Zur Bestimmung einer einzigen Koordinate z.B. entlang eines Montagebandes genügen zwei Sender. Zur Bestimmung der kompletten 3-D-Koordinaten werden mindestens 3 Sender benötigt, die nicht in einer Linie angeordnet sein dürfen. Die Ultraschall-Auswerteeinheit kann mehrere Sender ansteuern und mehrere Empfänger auswerten. Die Rollen von Sender und Empfänger sind vertauschbar. Bei diesem System sind sowohl Sender als auch Empfänger jeweils über eine Leitung mit der Ultraschall-Auswerteeinheit verbunden. Die Ultraschall-Auswerteeinheit startet intern die Zeitmessung und steuert zeitgleich über die Leitung zu den Sendern die Sendeelektronik an. Die Empfangssignale werden ebenfalls über Leitungen an die Auswerteelektronik geleitet, die beim Eintreffen der Signale die Schalllaufzeiten misst.
• In der DE 103 05 896 B3 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Objektes S im Raum mittels eines vom Objekt S ausgesendeten und von wenigstens vier beliebig positionierten Empfängern E1, E2, E3, E4, Ej empfangenen Signals vorgeschlagen, wobei die Position der Empfänger in einem gegebenen Koordinatensystem bekannt ist und die Empfänger zur Bestimmung der Ankunftszeit des jeweils von ihnen empfangenen Signals imstande sind. Zur Bestimmung der Koordinaten S(xs, ys, zs) des Objektes S im gegebenen Koordinatensystem wird als erster Empfänger E1 aus der Menge von Empfängern E1–Ej derjenige Empfänger definiert, welcher die kürzeste Laufzeit des von vier ausgewählten Empfängern E1, E2, E3, E4 empfangenen Signals misst und welcher damit dem Objekt S nächst benachbart ist, wobei der Ursprung des gegebenen Koordinatensystems in die Position dieses ersten Empfängers, E1, gelegt wird, der somit die Koordinaten E1(x1, y1, z1) = (0, 0, 0) aufweist. Die X-Achse des gegebenen Koordinatensystems wird durch die Position des zweiten ausgewählten Empfängers E2 gelegt, der somit die Koordinaten E2(x2, y2, z2) = (x2, 0, 0) aufweist. Die X-Y-Ebene des gegebenen Koordinatensystems wird durch die Position des dritten ausgewählten Empfängers E3 definiert, welcher nicht auf der Y-Achse liegen darf und welcher somit die Koordinaten E3(x3, y3, z3) = (x3, y3, 0) aufweist. Der vierte ausgewählte Empfänger E4 befindet sich im gegebenen Koordinatensystem an der Position E4 = (x4, y4, z4). Es werden die Laufzeitunterschiede t'₁, t'₂, t'₃, t'₄ zwischen den einzelnen vier ausgewählten Empfängern gemessen, wobei die Entfernungen des Objektes S von den einzelnen Empfängern E1, E2, E3, E4 durch die Raumdiagonalen beschrieben und die Koordinaten S(xs, ys, zs) des Objektes S sodann aus der Formel (xs – xi)² + (ys – yi)² + (zs – zi)² = (T'_i + T₀)² mit i = 1 – j errechnet und aus welcher vier Bestimmungsgleichungen abgeleitet werden und in welcher die unbekannte Größe T₀ den gesuchten Abstand des Objektes vom nächst benachbarten Empfänger E1 zum Objekt S definiert. T₀ wird aus dem Produkt aus der zeitlich unbekannten Signallaufzeit t₀ des vom Objekt S ausgesandten und vom nächst benachbarten Empfänger E1 empfangenen Signals sowie aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit VS des Signals gebildet.
• In dem vorstehend beschriebenen Verfahren der DE 19 955 646 A1 sind die Ultraschallempfänger mittels Kabel mit der Auswerteeinheit verbunden, damit diese sowohl den Zeitpunkt des Beginns des Sendens von Ultraschallsignalen wie auch den Start der Ultraschallempfänger synchronisieren kann. In vielen Applikation ist es jedoch gefordert, dass ein Teil, dessen Koordinaten ermittelt werden sollen, kabellos ausgeführt ist.
• Durch die JP 5-341031A ist ein Ultraschalltriangulationssystem bekannt geworden, bestehend aus einem beweglichen Ultraschallsender mit einem Ultraschallsendewandler und drei ortsfesten Ultraschallempfängern mit nachgeschalteter Auswerteelektronik, welche die Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen dem Sendewandler und den einzelnen Empfangswandlern auswertet und daraus die Position des Ultraschallsenders bestimmt. Zwischen dem Ultraschallsender und der Auswerteelektronik besteht eine Verbindung über die ein Triggersignal übermittelt werden kann, welches die Abstrahlung eines Sendeimpulses und den Beginn der Zeitmessung markiert. Die Verbindung kann mittels eins Kabels oder einer Funkverbindung oder einer optischen Verbindung realisiert werden. Des Weiteren ist durch die JP 4-218788A eine ähnliche Vorrichtung wie die hier beschriebene Vorrichtung der JP 5-341031A bekannt geworden.
• Technische Aufgabe:
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschalltriangulationssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender, ortsfesten Ultraschallempfängern sowie einer Auswerteeinheit der vorbeschriebenen Art sowie ein Verfahren hierzu dergestalt zu verbessern, dass der oder die Ultraschallsender, der bzw. die geortet werden sollen, ohne eine Kabelverbindung ausgeführt sein soll.
• Offenbarung der Erfindung sowie deren Vorteile:
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ultraschalltriangulationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Das erfindungsgemäße Ultraschalltriangulationssystem vorliegender Erfindung sowie das beschriebene Verfahren zur Ortsbestimmung eines Ultraschallsenders im Raum erfüllt in vorteilhafter Weise diese Anforderung. Der mobile Teil, dessen Koordinaten ermittelt werden sollen, also der Ultraschallsender oder die Ultraschallsender, ist kabellos ausgeführt, beispielsweise ist der mobile Teil ein Akkuschrauber mit Ultraschallsender als Teil des Ultraschalltriangulationssystems. Hierzu wird die Leitung, welche bei vergleichbaren Einrichtungen des Standes der Technik vorhanden ist, zwischen Ultraschall-Auswerteeinheit und Sender durch eine drahtlose Signalübertragung ersetzt, zum Beispiel ist diese drahtlose Signalübertragung eine Funkstrecke oder Infrarotstrecke oder ähnliches; der Ultraschallsender besitzt dazu eine Empfangs- und gegebenenfalls auch eine Sendeeinrichtung zum drahtlosen Empfang und gegebenenfalls Senden von elektro magnetischen Wellen. Dabei ist es wesentlich, dass die drahtlose Signalübertragung den zeitlichen Bezug zwischen den Sende- und Empfängersignalen nicht verfälscht. Bei der Übertragung des Triggerimpulses über die Funkstrecke entsteht normalerweise eine zusätzliche zeitliche Verzögerung. Diese zeitliche Verzögerung entsteht dadurch, dass ein serielles Datenpaket übertragen wird und für diese Übertragung Zeit benötigt wird. An die drahtlose Signalübertragung wird die Anforderung gestellt, dass diese zeitliche Verzögerung konstant ist. In diesem Fall kann dieser Fehlerbeitrag in der Ultraschall-Auswerteeinheit berücksichtigt werden. Damit ist eine Laufzeitmessung in Echtzeit möglich.
• Somit erfolgt die Übertragung des notwendigen Triggersignals, mit welchem in der Auswerteeinheit der Beginn der Zeitmessung markiert und synchron hierzu der mobile Ultraschallsender veranlasst wird, Ultraschallsignale zu den ortsfesten Ultraschallempfängern auszusenden, durch eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung, beispielsweise mittels elektromagnetischer Wellen, hin zum mobilen Ultraschallsender. Deshalb ist der Ultraschallsender kabellos ansteuerbar, weshalb derselbe mobil und und höchst flexibel in der Anwendung ist. Zum Ansprechen von mehreren Ultraschallsendern des Ultraschalltriangulationssystems ist vorgesehen, dass mehrere Ultraschallsender dadurch angesprochen werden, dass das Triggersignal über unterschiedliche Frequenzkanäle übertragen wird. Es können mehrere Ultraschallsender in weiterer Ausgestaltung dadurch angesprochen werden, dass das Triggersignal durch Übertragen einer Adresse übertragen wird.
• Die genannte Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung ist zum Beispiel eine stationäre Funkeinheit mit einer Schnittstelle zur Ultraschall-Auswerteeinheit oder auch gleichzeitig hin zu einer übergeordneten Systemsteuerung, wie Steuerungsrechner. Ein derartiger Steuerungsrechner koordiniert und steuert den gesamten Ablauf, die stationäre Funkeinheit wie auch die Ultraschall-Auswerteeinheit, wobei stationäre Funkeinheit und Ultraschall-Auswerteeinheit eine integrale Baueinheit darstellen können.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems sind die Rollen von Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern vertauschbar, wobei die Sender sequentiell angesteuert werden und jede Laufzeit einzeln ermittelt wird und dabei der bewegliche Empfänger in Ruhe ohne Bewegung bleibt. Der Grund ist, dass ein Empfänger nicht gleichzeitig mehrere Sender empfangen kann.
• In weiterer Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems besteht die auslösende elektromagnetische Funkstrecke aus einer Infrarotstrecke oder ähnliches; das drahtlose Übertragungssystem kann auch eine auslösende Ultraschallwelle sein.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems weisen die verwendeten Ultraschallwandler eine möglichst kugelförmige Abstrahlcharakteristik auf. Das ist für einen sicheren Betrieb vorteilhaft. In diesem Fall hat die räumliche Orientierung der Ultraschallwandler, Sender-Empfänger, gegeneinander keinen Einfluss auf die Reichweite und die Genauigkeit des Systems.
• Das System gestattet somit wenigstens zwei unterschiedliche Möglichkeiten, welche unterschiedliche Ebenen darstellen. Entweder misst die Ultraschall-Auswerteeinheit die Laufzeiten der Ultraschallsignale; daraus können extern in einem PC oder einer Recheneinheit, Steuerungsrechner, die Koordinaten berechnet werden. Oder die Auswerteeinheit ist rechenmäßig intelligent ausgerüstet und berechnet aus den Laufzeiten auch die Koordinaten. In einer dritten Ebene kann ein Vergleich der Koordinaten mit Sollpositionen, also eine Plausibilitätskontrolle, erfolgen.
• Oder es kann auch ein Teach-In-Verfahren zum Einlernen von gewünschten Koordinaten durchgeführt werden. Auch kann eine Visualisierung der Daten erfolgen, welche allerdings zur Verringerung des elektronischen Aufwandes und zur Unterdrückung von Störungen vorteilhafterweise drahtgebunden ist.
• Die Ultraschall-Auswerteeinheit übergibt die Laufzeiten der Ultraschallsignale der Ultraschallempfänger an den Steuerungsrechner, der aus den Laufzeiten die Koordinaten des Ultraschallsenders berechnet und gegebenenfalls in einer weiteren Ebene deren Plausibilität überprüft. Es ist aber auch möglich, dass die Ultraschall-Auswerteeinheit die Umrechnung der Laufzeiten in Koordinaten selbst durchführt und diese an ein übergeordnetes System, Steuerungsrechner, meldet. Wiederum können dort diese Koordinaten auf ihre Plausibilität überprüft werden.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können die Ultraschall-Auswerteeinheit und die ortsfeste Funkeinheit eine Einheit bilden. Ebenso können die Ultraschall-Auswerteeinheit und der Steuerungsrechner eine bauliche Einheit bilden.
• Zur Bestimmung nur einer Koordinate, X-Koordinate, werden in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems mindestens zwei Ultraschallempfänger verwendet. Zur Bestimmung der X, Y und Z-Koordinate werden mindestens drei Ultraschallempfänger verwendet. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems werden mehrere Ultraschallempfänger eingesetzt und aus vielen Laufzeiten redundante Koordinatensätze ermittelt, die einer Plausibilitätskontrolle und gegebenenfalls Mittelungsalgorithmen unterzogen werden.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ultraschalltriangulationssystems werden mehrere Punkte eines Objekts im Raum bestimmt und somit wird die Position sowie die Orientierung des Objekts im Raum ermittelt.
• In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung Teil der Ultraschall-Auswerteeinheit oder eine externe Einrichtung.
• Die Erfindung umfasst ebenso ein Verfahren zur Ultraschalltriangulation unter Verwendung eines Ultraschalltriangulationssystems mit wenigstens einem Ultraschallsender, ortsfesten Ultraschallempfängern und einer Ultraschall-Auswerteeinheit, welche aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen Ultra schallsender und Ultraschallempfänger aus den empfangenen elektrischen Signalen, welche von den Ultraschallempfängern nach Empfang des Ultraschallsignals des Ultraschallsenders abgegebenen werden, die Laufzeiten des Ultraschallsignals des Ultraschallsenders ermittelt sowie unter Verwendung eines Steuerungsrechners, welcher das Ultraschalltriangulationssystem koordiniert und steuert, wobei der Ultraschallsender batteriegestützt ist und mobil kabellos arbeitet und das notwendig auf den Ultraschallsender aufzugebende Triggersignal, welches sowohl zur Markierung des Beginns der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit als auch zur Veranlassung des mobilen Ultraschallsenders zum Senden eines Ultraschallsignals dient, mittels einer Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung, wie elektromagnetische Wellen oder Ultraschallwellen, hin zum Ultraschallsender übermittelt wird.
• Kurzbezeichnung der Zeichnung, in der zeigen:
• 1 ein patentgemäßes Ultraschalltriangulationssystem und
• 2 und 3 Ultraschalltriangulationssysteme des Standes der Technik.
• Die 2 und 3 zeigen Ultraschalltriangulationssysteme des Standes der Technik, wie sie beispielsweise hinsichtlich des Senders drahtgebunden der DE 19 955 646 A1 sowie nichtdrahtgebunden der DE 103 05 896 B3 entnehmen sind. 2 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild, welches aus der DE 19 955 646 A1 abgeleitet werden kann, wobei Sender wie auch Empfänger mit einer Ultraschall-Auswerteeinheit verkabelt sind. 3 zeigt, ebenfalls beispielhaft, die schematische Anordnung eines derartigen Systems. Darin sind die mit der Ultraschall-Auswerteeinheit verkabelten Empfänger in einer linearen Anordnung ortsfest an der Decke angebracht. In dieser Anordnung lässt sich nur eine Koordinate, X-Koordinate, bestimmen. D12 ... D42 sind die Abstände zwischen dem jeweiligen Sender und dem jeweiligen Empfänger.
• Die 1 zeigt demgegenüber ein patentgemäßes Ultraschalltriangulationssystem. Ein übergeordneter Steuerungsrechner 1 initialisiert über ein Kommando, welches über eine Schnittstelle 3 zu einer stationären Funkeinheit 2 übertragen wird und welches durch einen Dreifachpfeil 3 symbolisiert ist, eine Messung des Ultraschalltriangulationssystems. Das Kommando enthält mindestens die Information welcher mobile Ultraschallsender 4 bei einer Mehrzahl von Ultraschallsendern angesprochen werden soll; in 1 ist nur ein drahtloser Ultraschallsender 4 gezeigt. Ein Mikrokontroller 5 in der stationären Funkeinheit 2 übermittelt durch Ansteuern eines in die Funkeinheit 2 integrierten Funkmoduls 6 über eine Funkstrecke 7 den entsprechenden mobilen Ultraschallsender 4. Die Auswahl des Ultraschallsenders 4 kann sowohl über unterschiedliche Übertragungsfrequenzen, nämlich mittels eines Moduls 9 "Kanalwahl" in der stationären Funkeinheit 2 sowie eines Moduls 9' "Kanalwahl" in dem drahtlosen Ultraschallsender 4, oder aber auch durch Übertragung einer senderspezifischen Adresse mittels eines Moduls 8 "Adresswahl" aus der stationären Funkeinheit 2 hin zum drahtlosen Ultraschallsender 4 erfolgen, nämlich mittels eines Moduls 8' "Adresswahl" innerhalb des drahtlosen Ultraschallsenders 4.
• Die zeitliche Synchronisation zur Markierung des Beginns der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit sowie zur Veranlassung des drahtlosen Ultraschallsenders 4 zum Aussenden von Ultraschallimpulsen 18 mittels eines Ultraschallsendemoduls 13 erfolgt entweder 1) explizit oder 2) implizit:
• 1) Nach der bekannten Übertragungszeit des Signals der Funkstecke 7 gibt das stationäre Funkmodul 6 der stationären Funkeinheit 2 einen Impuls über die Schnittstelle 3 an eine Ultraschall-Auswerteeinheit 10, Ultraschallauswerteeinheit, aus, welche zeitgleich die Zeitmessung durch die Ultraschall-Auswerteeinheit 10 startet.
• 2) Die Ultraschall-Auswerteeinheit 10 startet mit Beginn der Signalübertragung die Zeitmessung, wobei die bekannte Übertragungszeit berücksichtigt wird.
• Der mobile Ultraschallsender 4 enthält ebenfalls einen Mikrokontroller 11, ein Funkmodul 12 und Module 8' und 9' zur Adress- bzw. Kanalwahl. Außerdem ist innerhalb des Ultraschallsenders 4 der eigentliche Ultraschallsendemodul 13 integriert.
• Zeitgleich zum Start der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit 10 wird aus dem mobilen Ultraschallsender 4 ein Ultraschallimpuls 18 gesendet.
• An die Ultraschall-Auswerteeinheit 10 sind verschiedene Ultraschallempfänger 14, 15, 16 und 17 angeschlossen. Diese geben beim Eintreffen der Ultraschallwelle 18 jeweils ein Signal an die Auswerteeinheit 10 ab, was im gezeigten Beispiel über Leitungen 19 geschieht. Auch hier allerdings ist eine drahtlose Übertragung der Signale an die Ultraschall-Auswerteeinheit denkbar. Die Ultraschall-Auswerteeinheit 10 misst die Laufzeiten der Ultraschallwelle 18 zwischen dem mobilen Ultraschallsender 4 und den ortsfesten Ultraschallempfängern 14, 15, 16 und 17 und gibt diese über die Schnittstelle 3 an den übergeordneten Steuerungsrechner 1 aus. Eine direkte Ausgabe der Koordinaten ist ebenfalls möglich.
• Der Steuerungsrechner 1 rechnet die Laufzeiten der Ultraschallsignale 18 mittels der Schallgeschwindigkeit in Abstände um. Dabei wird die bekannte Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit berücksichtigt. Diese kann beispielsweise durch eine – nicht dargestellte – Temperaturmessung und Umrechnung mit der Formel c = c0·(T/T0)0,5 erfolgen, wobei T die augenblickliche Temperatur in Kelvin und c₀ = 331,6 m/s die Schallgeschwindigkeit bei T₀ = 273,15 K bedeuten.
• Durch die gegebenen geometrischen Zusammenhänge zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfängern kann der Steuerungsrechner und bei ausreichender intelligenter Ausrüstung gegebenenfalls auch die Ultraschall-Auswerteeinheit die räumlichen Koordinaten des mobilen Ultraschallsenders ermitteln. Diese Koordinaten können dann applikationsspezifisch weiterverarbeitet werden. Die Ermittlung dieser Koordinaten kann zum Beispiel wie in der DE 103 05 896 B3 beschrieben erfolgen, welche hiermit einbezogen ist.
• Die Beschattung des gezeigten Aufbaus der 1 ist exemplarisch, weshalb andere gleichwertige Aufbauten möglich sind. Entscheidend ist die Übertragung des Triggersignals über eine Funkstrecke 7 mittels elektromagnetischer Wellen, Infrarotstrecke oder ähnliches sowie die Berücksichtigung der Übertragungszeit des Triggersignals bei der Zeitmessung durch die Empfänger.
• Gewerbliche Anwendbarkeit:
• Der patentgemäße Gegenstand ist insbesondere dort einsetzbar, wo in der Technik mittels eines Ultraschalltriangulationssystems die Ortung nach dreidimensionalen Koordinaten des mobilen Teils desselben, nämlich des drahtlosen Ultraschallsenders, mit einem oder mehreren Ultraschallempfängern erfolgt, beispielsweise beim Einsatz eines Akkuschraubers als Ultraschallsender zur Ortung desselben in einer Fertigungsstraße.

1

Steuerungsrechner

2

stationäre Funkeinheit

3

Dreifachpfeil

4

drahtloser Ultraschallsender

5

Mikrokontroller

6, 12

integrierte Funkmodule

7

Funkstrecke

8, 8'

Module "Adresswahl"

9, 9'

Module "Kanalwahl"

10

Ultraschall-Auswerteeinheit

11

Mikrokontroller

13

Ultraschallsendemodul

14, 15, 16, 17

Ultraschallempfänger

18

Ultraschallsignale bzw. -strecken

19

Leitungen

Claims (17)

1. Ultraschalltriangulationssystem mit wenigstens einem Ultraschallsender (4), ortsfesten Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) und einer Ultraschall-Auswerteeinheit (10), welche aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen Ultraschallsender (4) und Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) aus den empfangenen elektrischen Signalen, welche von den Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) nach Empfang des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) abgegeben werden, die Laufzeiten des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) zu ermitteln imstande ist sowie mit einem Steuerungsrechner (1) zur Koordinierung und Steuerung des Ultraschalltriangulationssystems, wobei der Ultraschallsender (4) batteriegestützt ist und mobil kabellos zu arbeiten imstande ist, und das notwendig auf den Ultraschallsender (4) aufzugebende Triggersignal, welches sowohl zur Markierung des Beginns der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit (10) als auch zur Veranlassung des mobilen Ultraschallsenders (4) zum Senden eines Ultraschallsignals (18) dient, mittels einer Einrichtung (2) zur drahtlosen Signalübertragung, wie elektromagnetische Wellen (7) oder Ultraschallwellen, hin zum Ultraschallsender (4) übermittelbar ist, wobei zum Ansprechen mehrerer Ultraschallsender (4) das Triggersignal entweder über unterschiedliche Frequenzkanäle (9, 9') übertragbar ist oder das Triggersignal durch Übertragen einer Adresse (8, 8') übertragbar ist.
2. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollen von Ultraschallsendern (4) und Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) vertauschbar sind, wobei die Sender sequentiell angesteuert werden und jede Laufzeit der Ultraschallsignale einzeln ermittelt wird und dabei der bewegliche Ultraschallempfänger in Ruhe ohne Bewegung bleibt.
3. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Funkstrecke eine Infrarotstrecke oder ähnliches ist.
4. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsender (4) eine möglichst kugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweisen.
5. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Ultraschall-Auswerteeinheit (10) die Laufzeiten der Ultraschallsignale (18) an den Steuerungsrechner (1) übergibt, welcher daraus die Koordinaten des Ultraschallsenders (4) errechnet.
6. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Auswerteeinheit (10) die Laufzeiten der Ultraschallsignale (18) an den Steuerungsrechner (1) übergibt, welcher daraus die Koordinaten des Ultraschallsenders (4) errechnet und deren Plausibilität überprüft.
7. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Auswerteeinheit (10) und der Steuerungsrechner (1) eine bauliche Einheit bilden.
8. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Auswerteeinheit (10) und die ortsfeste Funkeinheit (2) eine bauliche Einheit bilden.
9. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Auswerteeinheit (10), der Steuerungsrechner (1) sowie die ortsfeste Funkeinheit (2) eine bauliche Einheit bilden.
10. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung nur einer Koordinate, X-Koordinate, mindestens zwei Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) dienen.
11. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der X, Y und Z-Koordinate mindestens drei Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) verwendet werden.
12. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) eingesetzt werden und dass aus einer Mehrzahl von Laufzeiten mit einer Messung redundante Koordinatensätze ermittelt werden, welche einer Plausibilitätskontrolle und gegebenenfalls Mittelungsalgorithmen unterzogen werden.
13. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelung über eine Mehrzahl von Messungen bei stillstehendem Objekt erfolgt.
14. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten mehrerer Punkte eines Objekts im Raum bestimmt werden und somit die Position sowie die Orientierung des Objekts im Raum ermittelt wird.
15. Ultraschalltriangulationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dass die Einrichtung (2) zur drahtlosen Signalübertragung Teil der Auswerteeinheit (10) oder eine externe Einrichtung ist.
16. Ultraschalltriangulationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerrechner (1) imstande ist, aus den aus der Ultraschall-Auswerteeinheit (10) berechneten Laufzeiten die Koordinaten des Ultraschallsenders (4) zu berechnen und gegebenenfalls eine Plausibilitätskontrolle der Koordinaten durchzuführen.
17. Verfahren zur Ultraschalltriangulation unter Verwendung eines Ultraschalltriangulationssystems mit wenigstens einem Ultraschallsender (4), ortsfesten Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) und einer Ultraschall-Auswerteeinheit (10), welche aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen Ultraschallsender (4) und Ultraschallempfänger (14, 15, 16, 17) aus den empfangenen elektrischen Signalen, welche von den Ultraschallempfängern (14, 15, 16, 17) nach Empfang des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) abgegebenen werden, die Laufzeiten des Ultraschallsignals (18) des Ultraschallsenders (4) ermittelt sowie unter Verwendung eines Steuerungsrechners (1), der das Ultraschalltriangulationssystem koordiniert und steuert, wobei der Ultraschallsender (4) batteriegestützt ist und mobil kabellos arbeitet und das notwendig auf den Ultraschallsender (4) aufzugebende Triggersignal, das sowohl zur Markierung des Beginns der Zeitmessung in der Ultraschall-Auswerteeinheit (10) als auch zur Veranlassung des mobilen Ultraschallsenders (4) zum Senden eines Ultraschallsignals (18) dient, mittels einer Einrichtung (2) zur drahtlosen Signalübertragung, wie elektromagnetische Wellen (7) oder Ultraschallwellen, hin zum Ultraschallsender (4) übermittelt wird, wobei zum Ansprechen mehrerer Ultraschallsender (4) das Triggersignal entweder über unterschiedliche Frequenzkanäle (9, 9') übertragen wird oder das Triggersignal durch Übertragen einer Adresse (8, 8') übertragen wird.