DE19541459A1

DE19541459A1 - Method for determining the direction and distance of a measurement object with an ultrasonic transducer

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Publication number: DE19541459A1
Application number: DE1995141459
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1995-11-07
Publication date: 1997-05-15
Also published as: WO1997017624A3; EP0859966A2; WO1997017624A2; JPH11504430A

Abstract

The invention relates to a method for fixing the position, with respect to direction and range, of a target using an ultrasonic transducer. The advantage of this measuring method is that it operates using only one ultrasonic transducer. A directionally selective sensor system can be produced with a minimum amount of technical outlay by activating the transducer in different operating modes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur richtungs- und ent fernungsmäßigen Ortsbestimmung eines Meßobjekts mit einem Ul traschallwandler.The invention relates to a method for directional and ent distance determination of a measurement object with an ul sonic transducer.

Aus V. Mágori, H. Walker, Ultrasonic Presece Sensors with Wi de Range and High Local Resolution, IEEE Transactions on Ul trasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. UFFC- 34, Nr. 2, März 1987 ist bekannt, einen sogenannten RU 80 Ul traschallwandler als Näherungssensor zu verwenden. Typische Anwendungen hierfür sind Objektdetektion, Objekthöhenbestim mung, Überwachung von Fliesbändern, Kollisionskontrolle, Füllstandsmessung oder Erkennung der Anwesenheit von Perso nen. Für diese Anwendungsfälle ist ein sogenannter richt scharfer Ultraschallwandler, beispielsweise der in der Druck schrift beschriebene RU 80 Wandler geeignet. Typisch für die sen Wandler ist die schmale Hauptschallkeule von ca. 5°, wie sie aus Fig. 6 der Druckschrift zu entnehmen ist.From V. Mágori, H. Walker, Ultrasonic Presece Sensors with Wi de Range and High Local Resolution, IEEE Transactions on Ul trasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. UFFC-34, No. 2, March 1987 is known, a so-called RU 80 ultrasonic transducer to be used as a proximity sensor. Typical applications for this are object detection, object height determination, monitoring of assembly lines, collision control, level measurement or detection of the presence of people. For these applications, a so-called sharp ultrasonic transducer, for example the RU 80 transducer described in the publication, is suitable. Typical of these transducers is the narrow main sound lobe of approximately 5 °, as can be seen from Fig. 6 of the document.

Soll jedoch nicht nur die entfernungs- sondern auch die rich tungsmäßige Bestimmung des Orts des Meßobjekts erfolgen, so ist, wie in A. Macovski, "Ultrasonic Imaging Using Arrays", Proceedings of the IEEE, Vol. 67, Nr. 4, API, beschrieben, ein Ultraschallwandler-Array, wie beispielsweise in Fig. 1 der Druckschrift gezeigt, zu verwenden. Ein derartiges Array hat den Nachteil, daß es aus mehreren Einzelwandlern besteht, die getrennt betrieben werden müssen. Hierdurch ergibt sich neben dem hohen Kostenaufwand eine komplexe Ansteuerung und ein erhöhter Platzbedarf aufgrund der Bauform des Sensors. Die Montage ist komplizierter als die eines Einzelwandlersy stems. However, if the location of the measurement object is not only to be determined in terms of distance but also in terms of direction, then, as in A. Macovski, "Ultrasonic Imaging Using Arrays", Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 4, API, described to use an ultrasonic transducer array, such as shown in Fig. 1 of the document. Such an array has the disadvantage that it consists of several individual converters that have to be operated separately. In addition to the high cost, this results in complex control and an increased space requirement due to the design of the sensor. The assembly is more complicated than that of a single converter system.

Weiterhin ist ein Scan-System, das mechanisch bewegte Wandler verwendet aus E. Krestel, Bildgebende Systeme für die medizi nische Diagnostik, 2 ed. Berlin, München: Siemens AG, 1988, bekannt. Nachteilig ist hier neben dem Aufwand zur mechani schen Bewegung der Wandler, der Verschleiß und die damit ver bundene Störanfälligkeit bzw. der notwendige Wartungsaufwand.Furthermore, a scan system that uses mechanically moving transducers from E. Krestel, imaging systems for medical diagnostics, 2 ed. Berlin, Munich: Siemens AG, 1988, is known. In addition to the effort for mechanical movement of the transducers, the disadvantage here is the wear and the associated susceptibility to malfunction or the necessary maintenance.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur rich tungs- und entfernungsmäßigen Ortsbestimmung eines Meßobjek tes mit einem einzigen, stationären Ultraschallwandler anzu geben.The object of the invention is to provide a method for rich tion and distance location of a measurement object tes with a single, stationary ultrasonic transducer give.

Die Montage und Anordnung eines derartigen Systems kann vor teilhafter Weise prinzipiell gleichartig wie bei konventio nellen Ultraschall-Einzelwandlersystemen erfolgen.The assembly and arrangement of such a system can before in some cases basically the same as with konventio ultrasonic single transducer systems.

Im Gegensatz zu einem Phased-Array ist der Platzbedarf gerin ger und die Ansteurung einfacher.In contrast to a phased array, the space requirement is small and control is easier.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.The object is achieved by a method according to the patent claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.Advantageous further developments result from the Unteran sayings.

Wird gemäß Anspruch 2 ein breitbandiges Sendesignal benutzt, kann die Meßrate aufgrund der kurzen Signaldauer erhöht wer den.If a broadband transmission signal is used according to claim 2, the measurement rate can be increased due to the short signal duration the.

Es ist von Vorteil, zur Bestimmung der Ähnlichkeit des Ziel signals und des Filterausgangssignals die im Anspruch 5 ange gebenen Ähnlichkeitskriterien heranzuziehen, da diese durch elektronische Meßschaltungen (siehe z. B. U. Tietze und C. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Auflage Berlin, Hei delberg, New York: Springer-Verlag, 1990, S. 852-885) oder auch per Software einfach bestimmbar sind und eine hohe Aus sagekraft aufweisen. It is beneficial to determine the similarity of the target signals and the filter output signal in claim 5 given similarity criteria, since these are determined by electronic measuring circuits (see e.g. U. Tietze and C. Schenk, semiconductor circuit technology, 9th edition Berlin, Hei delberg, New York: Springer-Verlag, 1990, pp. 852-885) or can also be easily determined by software and a high level have sagacity.

Die im Anspruch 6 zur Bestimmung des dem Zielsignal am näch sten kommenden Filterausgangssignal herangezogene Fuzzy-Logik hat den Vorteil einer einfachen Adaptierbarkeit an die Umge bungsbedingungen. Weiterhin ist mit der Fuzzy-Logik eine hohe Flexibilität verbunden.The next in claim 6 to determine the target signal most upcoming fuzzy logic used has the advantage of being easily adaptable to the environment exercise conditions. Furthermore, the fuzzy logic is high Flexibility combined.

Das Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Neuronales Netz herangezogen wird, bietet den Vorteil, daß die Bewertungsre geln und Ähnlichkeitskriterien nicht explizit bekannt sein müssen, sondern in einer Trainingsphase vom Neuronalen Netz erlernt werden können.The method of claim 7, wherein a neural network is used, has the advantage that the valuation re and similarity criteria are not explicitly known but in a training phase from the neural network can be learned.

Die im Anspruch 10 zum Vergleich der Filtersignale herangezo gene Fuzzy-Logik hat den Vorteil einer einfachen Adaptierbar keit an die Umgebungsbedingungen. Weiterhin ist mit der Fuz zy-Logik eine hohe Flexibilität verbunden.The used in claim 10 to compare the filter signals Fuzzy logic has the advantage of being easily adaptable environmental conditions. Furthermore, with the Fuz zy logic connected a high flexibility.

Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein Neuronales Netz zum Vergleich der Filtersignale herangezogen wird, bietet den Vorteil, daß die Bewertungsregeln und Ähnlichkeitskriterien nicht explizit bekannt sein müssen, sondern in einer Trai ningsphase vom Neuronalen Netz erlernt werden können.The method of claim 11, wherein a neural network is used to compare the filter signals Advantage that the evaluation rules and similarity criteria do not have to be known explicitly, but in a trai can be learned from the neural network.

Schmalbandige Signalanteile mit verschiedenen Frequenzen, die sequentiell ausgesendet werden (vergleiche Anspruch 12), ha ben gegenüber dem breitbandigen Sendesignal den Vorteil, daß eine anschließende schmalbandige Filterung zur Zerlegung des breitbandigen Empfangssignals entfallen kann.Narrow-band signal components with different frequencies are sent out sequentially (compare claim 12), ha ben over the broadband broadcast signal the advantage that a subsequent narrowband filtering for the decomposition of the broadband received signal can be omitted.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to several figures explained. It shows

Fig. 1 die Abhängigkeit eines RU 80 Wandlers bezogen auf die Anregungsfrequenz und den Raumwinkel, Fig. 1 shows the dependence of a 80 RU converter based on the excitation frequency and the spatial angle,

Fig. 2 die spektrale Übertragungsfunktion des RU 80 Wandlers bei der Sende-/Empfangsrichtung 0°, Fig. 2 shows the spectral transfer function of the RU 80 converter at the transmit / receive direction of 0 °,

Fig. 3 die spektrale Übertragungsfunktion des RU 80 Wandlers bei einer Sende-/Empfangsrichtung von -3°, Fig. 3 shows the spectral transfer function of the RU 80 transducer at a transmission / reception direction of -3 °,

Fig. 4 die spektrale Übertragungsfunktion des RU 80 Wandlers bei einer Sende-/Empfangsrichtung von -6°, Fig. 4 shows the spectral transfer function of the RU 80 transducer at a transmission / reception direction of -6 °,

Fig. 5 die spektrale Übertragungsfunktion des RU 80 Wandlers bei einer Sende-/Empfangsrichtung von -10°. Fig. 5 shows the spectral transfer function of the RU 80 converter with a send / receive direction of -10 °.

Fig. 6 eine exemplarische Meßanordnung, Fig. 6 illustrates an exemplary measuring arrangement,

Fig. 7 oben die Impulsantwort des Wandlers im Zeitbereich, im zweiten Diagramm von oben die Repräsentation im Frequenzbereich, im dritten Diagramm von oben die Übertragungsfunktion des Wiener-Filters und unten das Empfangssignal nach Wiener-Filterung im Zeitbereich, Fig. 7 above, the impulse response of the transducer in the time domain, in the second diagram from the top representation in frequency domain, in the third diagram from the top, the transfer function of the Wiener filter and down the reception signal according to Wiener filtering in the time domain,

Fig. 8 die Richtcharakteristik des RU 80 Wandlers bei 75 kHz, Fig. 8, the directional characteristic of the transducer 80 RU at 75 kHz,

Fig. 9 die Richtcharakteristik des RU 80 Wandlers bei 80 kHz, Fig. 9, the directional characteristic of the transducer 80 RU at 80 kHz,

Fig. 10 die Richtcharakteristik des RU 80 Wandlers bei 91 kHz, Fig. 10 shows the directional characteristic of the transducer 80 RU at 91 kHz,

Fig. 11 vier Auswertungsergebnisse der Wiener-Filterung bei einer Stange als Meßobjekt, Fig. 11, four evaluation results of the Wiener filtering at a rod as a measurement object,

Fig. 12 vier Auswertungsergebnisse der Wiener-Filterung bei einer Platte als Meßobjekt. Fig. 12 four evaluation results of the Wiener filtering with a plate as a measurement object.

Fig. 13 beispielhaft die Form eines breitbandigen Sen designals, Fig. 13 in the form of an example of a broadband Sen designals,

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausgestaltungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens, und Fig. 14 is a block diagram of a possible Ausgestaltungs of the method according to the invention, and

Fig. 15 ein Blockschaltbild einer zweiten möglichen Ausge staltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 15 is a block diagram of a second possible Substituted staltungsform the inventive method.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten dreidimensionalen Diagramm sind auf den beiden Abszissen die Frequenz in kHz bzw. der Raumwinkel in Grad angegeben. Auf der Ordinate ist die Ampli tude angetragen.In the three-dimensional diagram shown in FIG. 1, the frequency in kHz and the solid angle in degrees are indicated on the two abscissas. The amplitude is plotted on the ordinate.

Das Diagramm bezieht sich auf einen richtscharfen Ultra schallwandler des Typs RU-80, wie er in dem Artikel V. Mágori et al, Ultrasonic Presence Sensors with Wide Range and High Local Resolution, IEEE Transactions and Ultrasonics, Ferro electrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34, Nr. 2, März 1987 beschrieben ist. Der RU-Wandler besteht aus einem Ver bund aus einer Piezokeramik und einem Material niedriger aku stischer Impedanz. Dieser Wandler ist so abgestimmt, daß die Radialresonanz der Piezokeramik mit der Dickenresonanz des Verbunds aus Keramik und Anpaßmaterial konstruktiv interfer riert. Durch Anbringung eines Aluminiumrings wird die Dicken resonanz über den Durchmesser der Piezokeramik hinaus fortge setzt. Durch den im Vergleich zur Wellenlänge großen Wandler durchmesser ist es möglich, eine sehr gute Richtwirkung des Ultraschallwandlers zu erreichen.The diagram refers to a razor-sharp Ultra type RU-80 transducers, as described in the article V. Mágori et al, Ultrasonic Presence Sensors with Wide Range and High Local Resolution, IEEE Transactions and Ultrasonics, Ferro electrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34, No. 2, March 1987 is described. The RU converter consists of a ver Bundle made of a piezoceramic and a material of low acu static impedance. This converter is tuned so that the Radial resonance of the piezoceramic with the thickness resonance of the Composite of ceramic and matching material constructively interfer riert. By attaching an aluminum ring the thickness resonance beyond the diameter of the piezoceramic puts. Due to the large converter compared to the wavelength diameter, it is possible to have a very good directivity of the To achieve ultrasonic transducer.

Aus dem Diagramm ist entnehmbar, daß der beschriebene Ultra schallwandler bei einem Raumwinkel von 0° und einer Resonanz frequenz von ca. 80 kHz das globale Maximum aufweist. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, weist der Wandler unterschied liche Eigenmoden auf, die durch die Überlagerung von Grund- und Oberschwingungen der Radial- und Dickenresonanzen be schrieben werden können. Der Wandler wurde so abgestimmt, daß sich auf der Nutzfrequenz eine Oberflächenauslenkung mit zum Rand hin leicht abfallender Amplitude und konstanter Phase ohne störende Überlagerungen mit Radialresonanzen ergab.From the diagram it can be seen that the Ultra described sound transducer with a solid angle of 0 ° and a resonance frequency of approx. 80 kHz has the global maximum. How from the converter shows a difference natural modes, which are caused by the overlay of basic and harmonics of the radial and thickness resonances can be written. The converter was tuned so that a surface deflection on the useful frequency with the Edge slightly decreasing in amplitude and constant phase without disturbing overlaps with radial resonances.

Üblicherweise wird der Wandler schmalbandig auf dem Nutzmode (79 kHz) betrieben, um ein definiertes nebenkeulenarmes Richtverhalten zu erlangen.The converter is usually narrow-band in the useful mode (79 kHz) operated to a defined side lobe arm To achieve straightening behavior.

Neben dem Nutzmode gibt es auch Schwingungsmodi, deren Ober flächenauslenkung sich grundlegend von den Schwingungsformen bei der Nutzfrequenz unterscheiden.In addition to the utility mode, there are also vibration modes, their upper Surface deflection is fundamentally different from the forms of vibration differentiate in the usable frequency.

Die sich aus den Oberflächenauslenkungen des Ultraschallwand lers ergebenden Richtdiagramme, vgl. Fig. 8, 9 und 10, sind somit stark abhängig von der Signalfrequenz. In den Diagram men Fig. 8, 9 und 10 ist auf dem Kreisumfang jeweils der Ab strahlwinkel und in radialer Richtung die Amplitude angetra gen. Bei einer Sendesignalfrequenz von 75 kHz ergibt sich das in Fig. 8 gezeigte Richtverhalten. Die Hauptkeule des ver messenen Ultraschallwandlers liegt bei ca. 3°. Weiterhin wer den zwei Nebenkeulen bei ca. 10 und 355° gebildet. Wird der Wandler bei 80 kHz betrieben, vgl. Fig. 9, so nehmen die Amplituden der Nebenmaxima zu. Die Richtcharakteristik nimmt ab. Wird der Ultraschallwandler bei 91 kHz betrieben, vgl. Fig. 10, so nimmt die Zahl der Nebenschallkeulen erheblich zu. Eine eindeutige Hauptschallkeule ist nicht mehr gegeben.The directional diagrams resulting from the surface deflections of the ultrasonic transducer, cf. Fig. 8, 9 and 10, are thus strongly dependent on the signal frequency. In the diagram men Fig. 8, 9 and 10 of the Ab is on the circumference of each gene angetra beam angles and in radial direction, the amplitude. At a transmission signal frequency of 75 kHz directivity shown in Fig 8 yields the.. The main lobe of the measured ultrasonic transducer is approx. 3 °. Furthermore, who formed the two side lobes at about 10 and 355 °. If the converter is operated at 80 kHz, cf. Fig. 9, the amplitude increase of the secondary maxima. The directional characteristic decreases. If the ultrasonic transducer is operated at 91 kHz, cf. Fig. 10, the number of sonic lobes increases significantly. A clear main sound lobe is no longer given.

In den Fig. 2 bis 5 ist das gemessene Spektrum des Ultra schallwandlers dargestellt, welches sich aus der Anordnung eines Reflektors unter einem Raumwinkel von 0, 3, 6 bzw. 10 Grad ergibt. Die gemessenen Spektren unterscheiden sich si gnifikant.In Figs. 2 to 5, the measured spectrum of the ultra sound transducer is shown, which results from the arrangement of a reflector with a solid angle of 0, 3, 6 and 10 degrees. The measured spectra differ significantly.

Die Kenntnis der aus unterschiedlichen Raumwinkeln erwarteten Übertragungsspektren wird zur Richtungsbestimmung verwendet. Mögliche Vorgehensweisen zur Selektion werden im folgenden beschrieben. Ein Reflektor R wird unter verschiedenen Raum winkeln (p bezogen auf den Ultraschallwandler USW positio niert, vergleiche Fig. 6. Die Signalanregung erfolgt durch einen Sinusburst mit einer über die Zeit kontinuierlich geän derter (= chirp) oder sprunghaft geänderter Frequenz (= fre quency Hop Codes). Ein Sinusburst mit sprunghaft geänderter Frequenz ist dann von Vorteil, wenn die Schwingungsmoden des Ultraschallwandlers weit auseinanderliegen. Der Energiever lust läßt sich dadurch verkleinern. Ein mögliches Anregungs signal ist in Fig. 13 gezeigt.Knowledge of the transmission spectra expected from different solid angles is used to determine the direction. Possible selection procedures are described below. A reflector R is angled at different spatial angles (p relative to the ultrasound transducer USW, see FIG. 6) . The signal is excited by a sine burst with a frequency that changes continuously over time (= chirp) or changes suddenly (= frequency hop) A sine burst with an abruptly changed frequency is advantageous if the oscillation modes of the ultrasonic transducer are far apart. The energy loss can be reduced as a result. A possible excitation signal is shown in FIG .

Ebenso kann der Wandler sequentiell mit einer Anzahl von n Sinusbursts unterschiedlicher Frequenz angeregt werden. Der Vorteil liegt hier darin, daß durch Auswertung und Vergleich der n sequentiellen Empfangssignalanteile unterschiedlicher Frequenz (die in Summe einem breitbandigen Signal entspre chen), auf den Raumwinkel der Reflexion geschlossen werden kann, sofern das frequenzabhängige Richtverhalten des Wandler bekannt ist.Likewise, the converter can be sequentially with a number of n Sine bursts of different frequencies can be excited. Of the The advantage here is that by evaluation and comparison of the n sequential received signal components of different Frequency (which corresponds to a broadband signal chen), the solid angle of the reflection can be concluded can, provided the frequency-dependent directional behavior of the converter is known.

Der Wandler vom Typ RU80 weist für den Frequenzbereich von 70 bis 90 kHz ein nutzbares Übertragungsverhalten auf. Seine Re sonanzfrequenz liegt bei 80 kHz.The RU80 converter has a frequency range of 70 a usable transmission behavior up to 90 kHz. His re the resonance frequency is 80 kHz.

Embodiment 1

Vergleiche hierzu die Fig. 14 und 15. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wie folgt:
Ein Referenzobjekt R wird gegenüber dem Ultraschallwandler USW an einem definierten Ort aufgestellt, d. h. die Entfernung des Referenzobjekts zum Ultraschallwandler USW und der Raum winkel ϕ sind bekannt. Nun wird der Ultraschallwandler USW mit einem breitbandigen Signal SS, auch Sendesignal genannt, angeregt und somit zur Abstrahlung von Ultraschallwellen ver anlaßt. Die Ultraschallwellen werden teilweise am Referenzob jekt R reflektiert und vom Ultraschallwandler USW wieder emp fangen. Dieses Empfangssignal, das auch als reflektiertes Re ferenzsignal SROn bezeichnet wird, wird zusammen mit dem Ort des Referenzobjekts gespeichert. Der oben beschriebene Vor gang wird für verschiedene Orte wiederholt. Somit ergeben sich n Referenzsignale SROn (n = Anzahl der gespeicherten Re ferenzsignale), die später zur Parameterwahl der Wiener- Filter herangezogen werden.Compare FIGS. 14 and 15. The method according to the invention works as follows:
A reference object R is placed opposite the ultrasonic transducer USW at a defined location, ie the distance of the reference object to the ultrasonic transducer USW and the spatial angle ϕ are known. Now the ultrasonic transducer USW is excited with a broadband signal SS, also called transmit signal, and thus causes ver to emit ultrasonic waves. The ultrasonic waves are partially reflected on the reference object R and received again by the ultrasonic transducer USW. This received signal, which is also referred to as a reflected reference signal SROn, is stored together with the location of the reference object. The process described above is repeated for different locations. This results in n reference signals SROn (n = number of stored reference signals), which will later be used to select the parameters of the Wiener filter.

Wird nun in den Strahlengang des Ultraschallwandlers USW ein Meßobjekt MO gebracht, dessen Ort noch unbekannt ist, wird der Ultraschallwandler USW wiederum mit dem breitbandigen Sendesignal SS dazu veranlaßt, Ultraschallwellen auszusenden, welche teilweise am Meßobjekt MO reflektiert und vom Ultra schallwandler USW empfangen werden. Dieses empfangene Ultra schallsignal SMO wird Wiener-Filtern WFn als Eingangssignal zugeführt. Die Übertragungsfunktionen der Wiener-Filter WFn sind durch die Referenzsignale SROn gekennzeichnet. Die An zahl n der Referenzsignale SROn bestimmt die Anzahl der Wie ner-Filter WFn, denen das Meßsignal SMO zugeführt wird.Will now be in the beam path of the ultrasonic transducer USW Measurement object MO is brought, the location of which is still unknown the ultrasonic transducer USW with the broadband Transmit signal SS causes ultrasonic waves to be emitted, which partly reflects on the measurement object MO and from the Ultra sound converter USW can be received. This received ultra Sound signal SMO becomes Wiener-Filter WFn as an input signal fed. The transfer functions of the Wiener filter WFn are characterized by the reference signals SROn. The An number n of the reference signals SROn determines the number of how ner filter WFn, to which the measurement signal SMO is fed.

Die an den Wiener-Filterausgängen anliegenden Filterausgangs signale SWFn werden anschließend mit einem Zielsignal W(ω), welches der Fensterfunktion entspricht (wird im folgenden noch näher erläutert) verglichen.The filter outputs connected to the Wiener filter outputs signals SWFn are then combined with a target signal W (ω), which corresponds to the window function (will be described in the following explained in more detail).

An Stelle des Vergleichs der Filterausgangssignale SWFn mit dem Zielsignal W(ω) können die Filterausgangssignale SWFn auch mit einem sogenannten Referenzfilterausgangssignal SARef verglichen werden. Dabei wird ein Referenzsignal SROn einem Wiener-Filter WFn zugeführt, dessen Übertragungsfunktion durch genau dieses Referenzsignal SROn vorgegeben ist. Alter nativ kann auch das Meßsignal SMO einem Wiener-Filter zuge führt werden, dessen Übertragungsfunktion durch dieses Meßsi gnal vorgegeben ist. Ziel hierbei ist grundsätzlich, ein Re ferenzausgangssignal SARef am Ausgang des Wiener-Filters zu erzeugen, mit dem die an den anderen Wiener-Filterausgängen anliegenden Filterausgangssignale SWFn verglichen werden kön nen. Instead of comparing the filter output signals SWFn with the target signal W (ω), the filter output signals SWFn also with a so-called reference filter output signal SARef be compared. A reference signal SROn is one Wiener filter WFn fed, its transfer function is specified by precisely this reference signal SROn. Dude The measurement signal SMO can also be supplied to a Wiener filter leads, its transfer function through this Meßsi gnal is specified. The basic goal here is to create a re Reference output signal SARef at the output of the Wiener filter with which the other Wiener filter outputs applied filter output signals SWFn can be compared nen.

Der Vergleich der Filterausgangssignale SWFn mit dem Zielsi gnal W(ω) bzw. dem Referenzausgangssignal SARef kann bei spielsweise mittels einer Fuzzy-Logik (vergleiche Fig. 14) oder einem neuronalen Netzwerk (vergleiche Fig. 15) erfol gen.The comparison of the filter output signals SWFn with the target signal W (ω) or the reference output signal SARef can be done for example by means of fuzzy logic (see FIG. 14) or a neural network (see FIG. 15).

Merkmale, die zum Vergleich des Zielsignals W(ω) bzw. des Re ferenzausgangssignales SARef mit den Filterausgangssignalen SWFn verwendet werden können, sind folgende:Features that are used to compare the target signal W (ω) or the Re Reference output signals SARef with the filter output signals SWFn can be used are the following:

1. Symmetry of the filter output signal SWFn, the Sym Metric axis in the main maximum of the filter output signal SWFn is to be laid.
2. Width of the filter output signal SWFn, but not for this the entire width of the filter output signal, but the Width of the main peak, which contains the global maximum is used.
3. The area under the envelope of the filter output signal SWFn.
4. The quotient from the area under the main peek to the rest the area of the filter output signal,
5. Evaluation in window areas with several reflectors,
6. The height and timing of additional secondary maxima in the filter signal,
7. mean value in the signal and noise range,
8. Average value for the entire received signal.

Mögliche Auswertestrategien sind eine geeignete Wichtung die ser Merkmale, eine kombinierte Auswertung mit nächster- Nach bar-Klassifikator bzw. Fuzzy-Regeln oder eine Zuordnung zu Objektklassen (Zugehörigkeitsklassen) in Neuronalen Netzen.Possible evaluation strategies are a suitable weighting this characteristics, a combined evaluation with next-after bar classifier or fuzzy rules or an assignment to Object classes (membership classes) in neural networks.

Die Merkmale, die zum Vergleich der Filterausgangssignale SWFn mit dem Zielsignal W(ω) bzw. dem Referenzausgangssignal SARef herangezogen werden können, sind auf den jeweiligen An wendungsfall zu beziehen. Je nach Anwendungsfall sind eventu ell weitere Merkmale heranzuziehen.The features used to compare the filter output signals SWFn with the target signal W (ω) or the reference output signal SARef can be consulted on the respective type application case. Depending on the application, eventu ell further features.

Das vorgeschlagene Wiener-Filter wirkt für große Signale wie ein matched Filter, für kleine Signale (Rauschen) wie ein Korrelationsfilter. Damit ergibt sich bei Übereinstimmung des Meßsignals SMO mit dem Referenzsignal SROn ein maximal schma les Ausgangssignal SWFn am Ausgang des Wiener-Filters.The proposed Wiener filter works like for large signals a matched filter, for small signals (noise) like a Correlation filter. Thus, if the Measuring signal SMO with the reference signal SROn a maximum schma les output signal SWFn at the output of the Wiener filter.

Über das Filterausgangssignal SWFn, das dem Zielsignal W(ω) bzw. dem Referenzausgangssignal SARef am nächsten kommt, wird auf das zur Erzeugung dieses Filterausgangssignals SWFn rele vante Referenzsignal SROn geschlossen. Da zu diesem Referenz signal SROn auch der Ort gespeichert ist, ist die Bestimmung des Ortes damit vollzogen.Via the filter output signal SWFn, which corresponds to the target signal W (ω) or comes closest to the reference output signal SARef to the rele to generate this filter output signal SWFn vante reference signal SROn closed. Because of this reference signal SROn the location is also stored, is the destination of the place.

Das Wiener-Filter besitzt folgende Übertragungsfunktion I(ω):The Wiener filter has the following transfer function I (ω):

wobei:
S(ω) = Frequenzantwort des Ultraschallwandlers,
Φ_s = spektrale Leistungsdichte des Signales,
Φ_n = spektrale Leistungsdichte des Rauschens,
S*(ω) = konjugiert komplexe Frequenzantwort des Wandlers,
W(ω) = Fensterfunktion = Zielfunktion.in which:
S (ω) = frequency response of the ultrasonic transducer,
Φ _s = spectral power density of the signal,
Φ _n = spectral power density of the noise,
S * (ω) = conjugate complex frequency response of the converter,
W (ω) = window function = target function.

Der Quotient Φ_s/Φ_n als Maß für das Signal-zu-Rauschverhältnis kann für den interessierenden Frequenzbereich, der durch die angepaßte Fensterfunktion W(ω) herausgeschnitten wird, als konstant angenommen werden.The quotient Φ _s / Φ _n as a measure of the signal-to-noise ratio can be assumed to be constant for the frequency range of interest that is cut out by the adapted window function W (ω).

In Fig. 7 sind die Signale, wie sie zeitlich aufeinanderfol gend erzeugt werden, dargestellt. In Fig. 7 oben ist die Im pulsantwort des Ultraschallwandlers USW im Zeitbereich und darunter im Frequenzbereich gezeigt. Wiederum darunter ist beispielhaft die Übertragungsfunktion des Wienerfilters dar gestellt. Sie ist durch das Referenzsignal SROn geprägt. Das unterste Diagramm zeigt das Filterausgangssignal SWFn im Zeitbereich nach der Wiener-Filterung.In Fig. 7, the signals as they are generated sequentially in time, are shown. In Fig. 7, above, including the frequency range shown in the impulse response of the ultrasonic transducer USW in the time domain. Again, the transfer function of the Wiener filter is shown as an example. It is characterized by the reference signal SROn. The bottom diagram shows the filter output signal SWFn in the time domain after the Wiener filtering.

Embodiment 2

Wie beim Ausführungsbeispiel 1 wird ein Referenzobjekt R ge genüber dem Ultraschallwandler USW an einem definierten Ort aufgestellt, d. h. die Entfernung des Referenzobjekts zum Ul traschallwandler USW und der Raumwinkel ϕ sind bekannt.As in embodiment 1, a reference object R ge compared to the ultrasonic transducer USW at a defined location set up, d. H. the distance of the reference object to the ul ultrasonic transducer USW and the solid angle ϕ are known.

Anders als beim Ausführungsbeispiel 1 wird nun der Ultra schallwandler USW mit einem schmalbandigen Signal SS, auch Sendesignal genannt, angeregt und somit zur Abstrahlung von Ultraschallwellen veranlaßt. Das heißt der Wandler sendet se quentiell eine Anzahl von n Sinusbursts unterschiedlicher Frequenz aus.Unlike in embodiment 1, the Ultra sound converter USW with a narrowband signal SS, too Transmission signal called, excited and thus for the emission of Ultrasound waves caused. That means the converter sends it a number of n sine bursts different Frequency off.

Die Ultraschallwellen werden teilweise am Referenzobjekt R reflektiert und vom Ultraschallwandler USW wieder empfangen. Das Empfangssignal weist C die in Summe einem breitbandigen Signal entsprechen, auf. Dieses Empfangssignal, das auch als reflektiertes Referenzsignal SROn bezeichnet wird, wird zu sammen mit dem Ort des Referenzobjekts gespeichert. Der oben beschriebene Vorgang wird für verschiedene Orte wiederholt. Somit ergeben sich n Referenzsignale SROn (n = Anzahl der ge speicherten Referenzsignale), die später zur Parameterwahl der Wiener-Filter herangezogen werden. The ultrasonic waves are partially on the reference object R reflected and received again by the ultrasonic transducer USW. The received signal has a broadband C in total Match signal on. This received signal, which is also called reflected reference signal SROn is called saved together with the location of the reference object. The one above The process described is repeated for different locations. This results in n reference signals SROn (n = number of ge stored reference signals), which later for parameter selection the Wiener filter can be used.

Wird nun in den Strahlengang des Ultraschallwandlers USW ein Meßobjekt MO gebracht, dessen Ort noch unbekannt ist, wird der Ultraschallwandler USW wiederum mit dem schmalbandigen Sendesignal SS dazu veranlaßt, Ultraschallwellen auszusenden, welche teilweise am Meßobjekt MO reflektiert und vom Ultra schallwandler USW empfangen werden. Dieses empfangene Ultra schallsignal SMO weist n sequentielle Empfangssignalanteile unterschiedlicher Frequenz auf.Will now be in the beam path of the ultrasonic transducer USW Measurement object MO is brought, the location of which is still unknown the ultrasonic transducer USW in turn with the narrow band Transmit signal SS causes ultrasonic waves to be emitted, which partly reflects on the measurement object MO and from the Ultra sound converter USW can be received. This received ultra Sound signal SMO has n sequential received signal components different frequency.

Zur Auswertung können direkt die Form des Meßsignals SMO und die Formen der Referenzsignale SROn verwendet werden. Ein Wiener-Filter ist nicht mehr notwendig. Anhand der Form des Referenzsignals SROn, die der Form des Meßsignals SMO am nächsten kommt, kann auf den Ort des Meßobjekts geschlossen werden.The form of the measurement signal SMO and the forms of the reference signals SROn are used. On Wiener filter is no longer necessary. Based on the shape of the Reference signal SROn, the shape of the measurement signal SMO on next comes, can be concluded on the location of the measurement object will.

Auswertungskriterien hierfür können sein:Evaluation criteria for this can be:

1. Difference in the magnitude spectrum between the reference signal SROn and measurement signal SMO.
2. Difference in characteristic amplitudes (for example the three most pronounced amplitudes caused by the Schwin mode of the ultrasonic transducer are given).
3. Signal width of the measurement signal SMO based on the signal widths of the reference signals SROn
4. Basically all characteristics that shape the Si describe gnale.

Embodiment 3

Es kann breitbandig gesendet und schmalbandig gefiltert wer den. Der Vorteil besteht darin, daß gegenüber dem Ausfüh rungsbeispiel 2 schneller gemessen werden kann, weil die Sen designaldauer kürzer wird. Allerdings ist eine schmalbandige Filterung zur Frequenztrennung notwendig. Die Anzahl der Fil ter hängt von der Anwendung ab.Broadband can be sent and narrowband can be filtered the. The advantage is that compared to the execution Example 2 can be measured faster because the sen design time becomes shorter. However, is a narrow band Filtering for frequency separation necessary. The number of fil ter depends on the application.

Erkannt werden können Einzelreflektoren in unterschiedlichen Winkeln.Individual reflectors in different can be recognized Angles.

Als Anwendungsfall ist ein intelligenter Ultraschall-Füll standssensor mit richtungsselektiver Echobewertung realisier bar. So können beispielsweise in einem Silo Festziele und Ab lagerungen an der Wand erkannt werden können.An intelligent ultrasonic fill is an application Realize level sensor with directional selective echo evaluation bar. For example, fixed goals and ab storage on the wall can be recognized.

Weiterhin ist das Verfahren in der Robotik, beispielsweise zur Hinderniserkennung in Fahrtrichtung und seitlich dazu, verwendbar.The method is also used in robotics, for example for obstacle detection in the direction of travel and to the side, usable.

Ebenso kann das Verfahren in der Verkehrstechnik bei Fahrzeu gen als Rückfahrschutz oder als Einparkhilfe eingesetzt wer den.The procedure can also be used in traffic engineering for vehicles used as reversing protection or as a parking aid the.

Auch zur Bestimmung der Lage eines Objekts auf einem Förder band kann das Verfahren herangezogen werden.Also for determining the position of an object on a conveyor The procedure can be used as a band.

Claims

1. Method for determining the direction and distance of a measurement object with an ultrasound transducer,

1.1 for the reference measurement
- 1.1.1 the ultrasonic transducer (USW) is excited with a transmission signal (SS),
- 1.1.2 a reference signal (SROn) reflected by a reference object (RO) is received at the ultrasound transducer (USW) and stored with the associated location,
- 1.1.3 steps 1.1.1 and 1.1.2 are repeated for different locations of the reference object (RO),
1.2 in which the ultrasound transducer (USW) is excited with the transmission signal (SS),
1.3 in which the measurement signal (SMO) reflected by the measurement object (MO) is received and stored on the ultrasound transducer (USW),
1.4 in which an evaluation of the shape of the measurement signal (SMO) and the shapes of the reference signals (SROn) is used to infer the direction and the distance.

2. The method according to claim 1, in which the transmission signal (SS) is a broadband signal.

3. The method according to claim 1 or 2, in which the evaluation of the shape of the measurement signal (SMO) and the shapes of the reference signals (SROn) is done in that the shape of the measurement signal (SMO) with the shapes of the reference signals (SROn) is compared.

4. The method according to claim 1 or 2, in which the evaluation of the shape of the measurement signal (SMO) and the shapes of the reference signals (SROn) takes place,

that filter output signals (SWFn) are formed by means of the measurement signal (SMO) which is supplied to Wiener filter (WFn), the transmission properties of which are predetermined by one of the reference signals (SROn),
- That about the reference signal (SROn), which corresponds to the filter output signal (SWFn) that comes closest to a target signal (W (ω)), is concluded on the location of the object under test (MO).

5. The method according to claim 4, in the next to determine the target signal (W (ω)) most upcoming filter output signal (SWFn) the symmetry the filter output signals (SWFn) to their maximum or / and the width of the output signals (SWFn) around their maximum or / and the area under the envelope of the output signal (SWFn) or / and the quotient of area below the maximum to the rest of the area of the output signals (SWFn) becomes.

6. The method according to claim 4 or 5, in which by means of fuzzy logic that the target signal (W (ω)) next coming filter output signal (SWFn) determined becomes.

7. The method according to claim 4 or 5, in which by means of a neural network that the target si signal (W (ω)) closest to the filter output signal (SWFn) is determined.

8. The method according to claim 2,

- in which the measurement signal (SMO) is filtered with several narrow-band filters and the filter signals (SMOn) are stored,
- in which the filter signals (SMOn) are related to one another and to the directional behavior of the transducer, in order to infer the location of the measurement object (MO).

9. The method according to claim 8, where the time to compare the filter signals (SMOn) che location and / or the amplitude and / or the area below the envelope of the measurement signal (SMO) is used.

10. The method according to claim 8 or 9, in which the filter is compared using fuzzy logic signals (SMOn) is carried out so as to determine the location of the measurement object (MO) to close.

11. The method according to claim 8 or 9, in which by means of a neural network the comparison of the Filter signals (SMOn) is carried out so as to locate it of the measurement object (MO).

12. The method according to claim 1 or 3-7, in which the transmission signal (SS) occurs sequentially has narrowband signal components, which are characterized by ih re distinguish frequency.