-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung einer Entfernung zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt, mittels zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt übertragender elektromagnetischer Wellen.
-
Solche Systeme zur Bestimmung einer Entfernung zwischen einem ersten und einem zweiten Objekt sind aus dem Stand der Technik in verschiedener Ausgestaltung bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, ein von einem ersten Objekt ausgestrahltes und an einem zweiten Objekt reflektiertes Signal zu verwenden, um die Phasenverschiebung zwischen dem ausgestrahlten und dem empfangenen Signal zu analysieren, um daraus die Entfernung zu bestimmen. Des Weiteren ist es bekannt, von einem ersten Objekt ein erstes Signal abzustrahlen und an einem zweiten Objekt zu empfangen und ausgehend von diesem zweiten Objekt ein Signal abzustrahlen, dessen Phase in einer bestimmten Beziehung zu der Phase der am zweiten Objekt empfangenen Welle steht. Dieses zweite Signal wird dann wiederum am ersten Objekt empfangen und bezüglich der Phasendifferenz zur am ersten Objekt ausgestrahlten Welle analysiert. Daraus lässt sich dann die Entfernung zwischen den Objekten errechnen.
-
Diese Verfahren sind jedoch mit zahlreichen Nachteilen behaftet. So führt die Verwendung eines lediglich am zweiten Objekt reflektierten Signals dazu, dass nur eine sehr geringe Signalstärke der reflektierten Welle zur Verfügung steht und das aufgrund der Reflektion an verschiedenen Objekten zahlreiche unterschiedliche Reflektionen auszuwerten sind.
-
Wird ein Verfahren angewandt, bei dem am zweiten Objekt eine Welle abgestrahlt wird, deren Phase in einer festen Beziehung zu der Phase der am zweiten Objekt empfangenen ersten Weile steht, so besteht das Problem, dass am zweiten Objekt zeitgleich empfangen und gesendet wird. Dies führt zu zahlreichen Problemen, da sich die einzelnen Felder überlagern, was die Messung negativ beeinflusst beziehungsweise die Trennung der einzelnen Signale, die im gleichen Band liegen und zwar unter umständen mit deutlich unterschiedlicher Stärke (Unterschiede von bis zu 100 db sind keine Seltenheit), im Empfänger erschwert, teilweise sogar unmöglich macht. Des Weiteren ist die Erzeugung einer in der Phasenlage bestimmten Welle verhältnismäßig komplex und aufwendig.
-
Aus diesen Gründen wurden zahlreiche Verfahren entwickelt, die durch eine bestimmte Reihenfolge der Abstrahlung der verschiedenen Wellen versuchen, die Nachteile der einzelnen Verfahren möglichst gering zu haften. Dies führt jedoch im Allgemeinen zu einer größeren Komplexität der notwendigen Schaltungen und somit zu höheren Kosten und erhöhter Anfälligkeit bezüglich der Umwelteinflüsse wie beispielsweise Reflexionen an anderen Objekten.
-
Auch ist aus der
EP 1815267 A1 eine Abstandsbestimmung bekannt, die allein auf der Messung von Signalrundlaufzeiten (zwischen erstem und zweitem Objekt und zurück) aufbaut. Dazu wird von jedem Objekt aus mindestens ein Signalrundlauf initiiert. Diese Art der Abstandsbestimmung eignet sich auf Grund des vergleichsweise großen (absoluten) Fehlers insbesondere für Abstände von etwa 10 km und findet ihre Grenze der sinnvollen Anwendung im Bereich von einigen Metern. Darüber hinaus erfordert der zweite Signalrundlauf mehr Zeit und Energie als ein einzelner.
-
Aufgabe dieser Erfindung ist es somit, auf einfache Weise eine Entfernungsbestimmung zwischen zwei Objekten zu ermöglichen, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik vermeidet, insbesondere ohne Reflexion arbeitet, keine feste Phasenbeziehung zwischen ersten und zweiten Signalen und kein gleichzeitiges Senden und Empfangen erfordert und auch im cm-Abstandsbereich gute Auflösung ermöglicht.
-
Ein solches System basiert darauf, dass ein Signal vom ersten zum zweiten Objekt und ein Signal vom zweiten zum ersten Objekt gesendet wird. Dabei ist jedoch die Phasenbeziehung zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal vollkommen frei wählbar. Es ist lediglich erforderlich, dass diese Phasendifferenz ermittelt und zu der zur Bestimmung der Entfernung vorgesehenen Auswertungseinrichtung übermittelt wird. Dadurch ist es möglich, dieses System verhältnismäßig einfach zu realisieren. Denn die Ermittlung einer Phasendifferenz ist verhältnismäßig deutlich einfacher, als die Erzeugung eines Signals mit einer (relativ) vorbestimmten Phasenlage.
-
Des Weiteren ist es dadurch möglich, ein gleichzeitiges Vorhandensein des ersten und des zweiten Signals an einem Objekt zu verhindern, wodurch Überlagerung der einzelnen Felder vermieden wird und beim Empfang eine bessere Dynamik erzielt werden kann. Aus diesem Grund kann beispielsweise auf stark richtende Antennen verzichtet werden und eine Entfernungsmessung auch noch bei deutlich schwächeren oder abgeschwächten Signalen des anderen Objekts durchgeführt werden. Des Weiteren kann auch die Empfindlichkeit beziehungsweise die Dynamik der Empfangsvorrichtungen reduziert werden, was zu einem Kostenvorteil führt und auch Energie einzusparen hilft. Auch ermöglicht dies, die Fehleranfälligkeit zu reduzieren bzw. die Genauigkeit der Bestimmung der Entfernung zu erhöhen.
-
Dabei ist das empfindungsgemäße System keineswegs auf einen bestimmten Wellenlängenbereich oder eine Polarisation festgelegt. Viel mehr kann dieses System in einem beliebigen Wellenlängenbereich durch geführt werden. Auch kann die Übermittlung der mindestens einen zweiten Phasendifferenz zwischen je einem ersten Signal am zweiten Objekt und je einem zweiten Signal am zweiten Objekt an die Auswertungseinrichtung auf jede beliebige Art und Weise erfolgen. In Frage kommen beispielsweise eine Übertragung per Funk, Infrarot oder eine Verkabelung.
-
Durch unterschiedliche, insbesondere wechselnde, Ausrichtung der Antennen und insbesondere beim Einsatz von stark unterschiedlichen Frequenzen, kann es zu einer Beeinträchtigung des Messergebnisses durch eine Beeinflussung der Phasendifferenzbestimmung durch die Antennen kommen. Dieses Problem kann beispielsweise dadurch verringert beziehungsweise verhindert werden, dass die (relative) Ausrichtung der Antennen erfasst wird beziehungsweise konstant gehalten wird und/oder der Phasengang jeder verwendeten Antennen in Abhängigkeit von der Frequenz berücksichtigt werden.
-
Zur Erhöhung der Genauigkeit oder der Fehlertoleranz können die Schritte beliebig oft durchlaufen werden. Dabei kann die Wiederholung bei unterschiedlichen ersten und/oder zweiten Frequenzen durchgeführt werden, was die Eindeutigkeit bzw. die Genauigkeit weiter erhöht. Vorteilhafterweise werden genau so viele zweite Phasendifferenzen zwischen je einem ersten Signal am zweiten Objekt und je einem zweiten Signal am zweiten Objekt übertragen, wie die Häufigkeit der Durchläufe der Schritte beträgt.
-
Die Auswertungseinrichtung kann sowohl am ersten Objekt oder am zweiten Objekt oder an einem beliebigen anderen Ort angeordnet sein. Sie kann auch in einem der Objekte integriert sein. Auch kann die Auswertungseinrichtung in verschiedene Teile unterteilt werden und somit an unterschiedlichen örtlichen Positionen angeordnet werden. Dabei teilen sich dann die einzelnen Teile der Auswertungseinrichtung die Auswertungsschritte oder führen einige oder alle Auswertungsschritte mehrfach durch. Die Auswertung erfolgt nach bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Dabei wird in der Auswertungseinrichtung in der Regel zunächst die Signallaufzeit ermittelt, aus der dann verhältnismäßig einfach die Entfernung errechnet werden kann, wenn das Medium, in dem die Messungen durchgeführt worden sind bekannt ist.
-
Vorteilhafterweise wird die Bestimmung der Phasendifferenzen innerhalb in Bezug auf einen ersten Referenzpunkt vorbestimmten Zeiträumen durchgeführt. Dies ermöglicht es, eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Je kleiner diese Zeitintervalle bemessen sind, umso höher ist die erzielbare Genauigkeit, aus welchem Grund es besonders vorteilhaft ist, wenn diese Zeiträume als Zeitpunkte definiert werden.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn dieser Phasenfehler nicht größer ist als 0,04 und wenn insbesondere die Differenz zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Frequenz nicht größer ist als 0,0001 Promille in Bezug auf die erste Frequenz und insbesondere nicht größer ist als 500 Hz.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Signal erst gesendet wird, wenn das erste Signal am zweiten Objekt ausgeklungen ist, das heißt dessen Feldstärke also zumindest deutlich kleiner ist als die maximale Feldstärke des ersten Signals am zweiten Objekt, insbesondere nur noch weniger als 5% dieser maximalen Feldstärke aufweist.
-
Bei einer solchen Ausgestaltung wird eine Überlagerung der Felder des ersten und des zweiten Signals vermieden, was zu einer Erhöhung der möglichen Genauigkeit beziehungsweise zu der Möglichkeit der Reduktion der Empfängerdynamik und/oder -empfindlichkeit bzw. der Erhöhung der Empfangsempfindlichkeiten führt.
-
Bevorzugt wird es, wenn die Schritte n-mal durchlaufen werden, wobei n die Anzahl der Wiederholungen mindestens 2 beträgt. Vorteilerhafterweise werden diese Wiederholungen mit unterschiedlichen ersten und unterschiedlichen zweiten Frequenzen durchgeführt, wobei vorteilerhafterweise mindestens 2 zweite, insbesondere n-zweite, Phasendifferenzen zwischen je einem ersten Signal am zweiten Objekt und je einem zweiten Signal am zweiten Objekt ermittelt und an die Auswertungseinrichtung übertragen und bei der Ermittlung der Entfernung verwendet werden. Die Wiederholung der Schritte und die Übertragung von mehreren zweiten Phasendifferenzen führt zu einer Erhöhung der möglichen Genauigkeit. Dies beruht auf der Reduktion von Messfehlern durch statistische Auswertung beziehungsweise auf der Möglichkeit verschiedene Ausbreitungswege voneinander zu unterscheiden. Die lässt sich besonders gut realisieren, wenn bei den einzelnen Durchläufen unterschiedliche erste und unterschiedliche zweite Frequenzen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei genau so viele zweite Phasendifferenzen zu ermitteln und zu übertragen, wie die Schritte durchlaufen werden. Dies ermöglicht eine besonders gute Auswertung der Messergebnisse bezüglich der Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt.
-
Vorteilhaft ist es, wenn zur Ermittlung der Entfernung die Veränderung der Phasendifferenzen in Abhängigkeit von der Veränderung der Summe aus der entsprechenden ersten und zweiten Frequenz ermittelt wird.
-
Bevorzugt wird es, das Senden der ersten und/oder zweiten Signale innerhalb in Bezug auf einen zweiten Referenzzeitpunkt vorbestimmter Zeitintervalle, insbesondere Zeitintervalle von nicht mehr als 60 μs, zu beginnen. Die möglichst genaue Festlegung des Starts der Ausstrahlung der ersten und/oder zweiten Signale kann dazu verwendet werden, dass jeweils empfangende Objekt so einzustellen bzw. die dort empfangenen Daten so vor auszuwerten, dass eine besonders genaue Bestimmung der Parameter, wie beispielsweise der relativen Phasenlage, möglich ist. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung gesteigert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zeitintervalle, in der das Senden der ersten und/oder zweiten Signale begonnen wird auch in Bezug auf den Referenzzeitpunkt gemäß Anspruch 7 vorbestimmt sind. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung der Genauigkeit der Entfernungsbestimmung.
-
Vorteilhaft kann es sein, wenn die ersten und zweiten Signale zueinander am zweiten Objekt nicht phasengleich sind. Zunächst kann ein erfindungsgemäßes System auf die Phasenübereinstimmung ohne Einbußen bezüglich der Messgenauigkeit verzichten. Des Weiteren kann durch einen Verzicht auf die Phasenübereinstimmung eine deutliche Vereinfachung der Erzeugung des zweiten Signals erreicht werden. In diesem Fall kann es natürlich vorkommen, dass die Signale zufällig bezüglich der Phase übereinstimmen. Darüber hinaus können durch eine Vermeidung der Phasenübereinstimmung negative Beeinflussungen der beiden Signale untereinander verringert bzw. vermieden werden.
-
Vorteilerhafterweise wird die Auswertungselektronik am ersten Objekt angeordnet. Im erfindungsgemäßen System wird die Bestimmung der Entfernung durch das Senden vom ersten Objekt aus begonnen. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Auswertungseinrichtung am oder innerhalb des ersten Objektes anzuordnen. Bei einer solchen Anordnung kann die Bestimmung der Entfernung dann auf einfache Weise auch durch die Auswerteeinrichtung initiiert werden.
-
Vorteilehafterweise wird die Ermittlung der Frequenzdifferenz und das zur Verfügung stellen des Ergebnis an einer Auswertungseinrichtung am ersten Objekt durchgeführt. Zwar ist es generell möglich diesen Schritt an jedem oder an beiden Objekten durchzuführen, doch kann es besonders vorteilhaft sein, insbesondere dann, wenn auch die Auswertungseinrichtung am ersten Objekt angeordnet ist, diesen Schritt am oder im ersten Objekt durchzuführen. Dadurch kann es möglich sein, die Übertragung an die Auswerteeinrichtung zu vereinfachen oder gegen Umwelteinflüsse besser zu sichern.
-
Besonders vorteilhaft kann es sein, zu mindestens eine Amplitude mit der ein erstes Signal am zweiten Objekt bzw. mit der ein zweites Signal am ersten Objekt empfangen wird an die Auswerteeinrichtung zu übertragen. Dadurch kann es möglich sein, eine höhere Genauigkeit bezüglich der Bestimmung der Entfernung zu erzielen, wenn eine Signalausbreitung auf mehreren Wegen möglich ist. Dies kann beispielsweise durch Reflektionen an weiteren Objekten der Fall sein.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Übertragung an die Auswerteeinrichtung unabhängig von dem ersten und dem zweiten Signal geschieht. Durch eine solche Wahl der separaten Übertragung kann eine höhere Genauigkeit erzielt werden, da die Übertragung von Informationen die Genauigkeit der Analyse der Entfernung bzw. der einzelnen Signale beeinträchtigt. Besonders vorteilhaft kann es sein, die Übertragung an die Auswertungseinrichtung über elektromagnetische Wellen durchzuführen.
-
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Frequenz jeweils, also bei jedem Durchlauf der Schritte ungleich der jeweiligen zweiten korrespondierenden Frequenz ist. Dadurch lassen sich Umwelteinflüsse und die Beeinflussung der einzelnen Signale untereinander verringern.
-
Bevorzugter Weise werden die ersten und zweiten Frequenzen so gewählt, dass sie innerhalb eines Frequenzintervalls von 2000 MHz bis 3000 MHz und/oder van 4 GHz bis 6 GHz, insbesondere innerhalb von 2400 MHz bis 2483,5 MHz und/oder von 4,9 GHz bis 5,875 GHz liegen. Diese Bereiche sind besonders geeignet, für das erfindungsgemäße System. Des Weiteren sind in diesen Bereichen RFID-Anwendungen anzutreffen, bei denen eine Bestimmung der Entfernung zwischen einzelnen Objekten auf besonders einfache Weise von besonders hoher Bedeutung ist. Dies basiert darauf, dass in RFID häufig nur wenig Energie und wenig Raum zur Verfügung steht und die einzelnen Objekte verhältnismäßig einfach zu produzieren sein müssen. Eine Bestimmung der Entfernung zwischen den einzelnen RFID-Objekten ist darüber hinaus von großer Bedeutung, da dadurch Prozesse besonders effizient gesteuert werden können.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet ein erstes und zweites Objekt umfassend jeweils Mittel zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen und Steuervorrichtungen sowie mindestens eine Auswerteeinheit und Mittel zur Übertragung der an die Auswerteeinheit verfahrungsgemäß zu übertragenden Mess- und/oder Berechnungsergebnisse.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindungen sollen im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles geschildert werden. Das Ausführungsbeispiel ist jedoch rein schematisch und keineswegs beschränkend. Auch lassen sich weitere Ausführungsformen durch den Fachmann leicht auffinden und an die gegebenen Anforderungen anpassen.
-
Die Schilderung orientiert sich dabei an den rein schematischen und skizzenhaften Figuren. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1: schematische Darstellung des Ablaufs
-
2: schematischer Aufbau eines Objekts.
-
1 zeigt den schematischen Ablauf eines Teils der Schritte. Zunächst sendet das erste Objekt A ein Synchronisationssignal aus, das durch das erste auf der Achse vorhandene Kästchen gekennzeichnet ist. Die Synchronisation 9 dient dazu, einen Referenzzeitpunkt t0 zu definieren. Dieser wird in diesem Ausführungsbeispiel definiert durch das Ende des ersten Signals des ersten Objekts A. Zu einem in Bezug auf den Referenzzeitpunkt t0 festgelegten Zeitpunkt t1 beginnt das erste Objekt A mit einer Ausstrahlung eines ersten Signals zu einem wiederum relativ zu dem Referenzzeitpunkt t0 festgelegten Zeitpunkt t2 empfängt das Objekt B das erste Signal und wertet dies bezüglich einer Phasendifferenz aus. Zum Zeitpunkt t3 endet die Ausstrahlung des ersten Signals des ersten Objekts A. Zu einem nach dem Zeitpunkt t3 liegenden Zeitpunkt t4, der ebenfalls in Bezug auf den Referenzzeitpunkt t0 vordefiniert ist, beginnt das zweite Objekt B mit der Ausstrahlung eines zweiten Signals. Zu einem ebenfalls in Bezug auf den Referenzzeitpunkt t0 vorbestimmten Zeitpunkt t5 empfängt das erste Objekt A das zweite Signal und wertet dies bezüglich einer Phasendifferenz aus. Die Sendung des zweiten Signals endet mit dem Zeitpunkt t6. Dieser ist ebenfalls in Bezug auf den Referenzzeitpunkt t0 definiert. Die bis zum Zeitpunkt t6 oder im Anschluss daran ermittelten Frequenz-, Amplituden- und/oder Phasendifferenz-Werte werden nun an eine Auswertungseinheit übertragen. Im Anschluss daran findet eine Wiederholung 10 der Ausstrahlung von ersten und zweiten Signalen statt. Bei den ausgestrahlten ersten und zweiten Signalen handelt es sich um Wellen mit konstanter Frequenz und Amplitude.
-
In 2 ist der Aufbau eines ersten Objektes A gezeigt, wobei sich der Aufbau eines zweiten Objektes B genau so darstellen kann. Das gezeigte erste Objekt A beinhaltet einen Sendeteil A1 und einen Empfangsteil A2. Der Sendeteil A1 besteht aus einem ersten Oszillator 1, einem Verstärker 2 und einer Antenne 3.
-
Der Empfangsteil A2 beinhaltet einen zweiten Oszillator 11, einen Phasenmischer 6, einen Verstärker 4, eine zweite Antenne 5, einen A/D-Wandler 7 und einen Controller 8 darüber hinaus weist das Objekt A eine Kommunikationsvorrichtung, hier nicht gezeigt, auf, mit der das Objekt A mit einer Auswerteeinheit kommunizieren kann.
-
In Bezug auf das in 1 erzeugt der erste Oszillator 1 zunächst ein erstes Synchronisationssignal. Dieses Synchronisationssignal des ersten Oszillators 1 wird durch den ersten Verstärker 2 verstärkt und der Antenne 3 zu geleitet, durch die es dann abgestrahlt wird. Dieses erste Signal wird vom zweiten Objekt B empfangen.
-
Der Phasenvergleich wird dabei insgesamt dadurch erreicht, dass das durch den Doppelmischer 6 erzeugte Signal durch den Analog-Digital-Wandler 7 umgewandelt und vom Controller 8 erfasst wird. Die Messergebnisse werden dann an eine Auswertungseinheit übertragen. Dort wird dann auf Basis der Messergebnisse eine Auswertung durchgeführt, die dann zu der Ermittlung einer Entfernung zwischen dem ersten Objekt A und dem zweiten Objekt B führt.
-
Generell ist der Phasenjitter aller beteiligten Oszillatoren gering zu halten. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der maximale Phasenjitter zwischen ein und drei Grad. Wichtig ist des Weiteren, dass alle beteiligten Oszillatoren 1, 11 für den Messzeitraum, je als Messzeitpunkt t2, t5 dargestellt, auf einer konstanten Frequenz eine stabile Welle erzeugen. Auch können beispielsweise die Antennen 3, 5 zu einer Antenne zusammengefasst werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
