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Verfahren zur Auswertung der Laufzeit von Ultraschall-
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Echosionalen Zusatz zum Patent . ... ... (P 33 35 421.9) Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Aus dem Stand der Technik (DE-OS 29 38 969, 31 38 723, 31 38 964,
31 38 965) sind variierte Verfahren zur Auswertung von Ultraschall-Echosignalen
zur Detektion eines Einbrechers bekannt. Es wird dort eine Echoprofilspeicherung
der auf den empfangenen Ultraschall-Echosignalen beruhenden elektrischen Signale
durchgeführt. Die fortlaufend empfangenen Echosignale eines jeweiligen Ultraschall-Sendeimpulses
werden dazu in zeitlich serieller Folge abgespeichert und es werden die korrespondierenden
Speicherergebnisse der zu aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen abgespeicherten Echosignale
miteinander verglichen. Dadurch, daß jeweils eine Differenzbildung durchgeführt
wird, werden die Empfangssignale eliminiert, die auf Ultraschallechos ruhender Objekte
beruhen. Die Echosignale eines sich im betreffenden zu überwachenden Raum bewegenden
Eindringlings werden dagegen registriert, weil sich fortlaufend unterschiedliche,
diesem sich bewegenden Objekt entsprechende,jeweils zu speichernde Echoprofile ergeben
und diese einzelnen Speicherungen bei der Differenzbildung sich nicht aufheben können.
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Bei diesen bekannten Verfahren erfolgt die Auswertung der Hüllkurve
der aufgrund der Ultraschall-Echosignale erhaltenen elektrischen Empfangssignale.
Insbesondere kann für
die Abspeicherung eine zuvor erfolgende Digitalisierung
des Signals der Hüllkurve vorgesehen sein, so daß die entsprechenden Digitalwerte
der Hüllkurve auf den einzelnen Speicherplätzen in serieller Folge abgespeichert
sind.
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In der nicht vorveröffentlichten älteren Patentanmeldung P 33 35 421.9
v. 29.9.83 (VPA 83 P 1762) ist ein Ultraschall-Ortungsverfahren beschrieben, bei
dem nach dem Prinzip der Echoprofilspeicherung ein von einem sich bewegenden Roboterarm
zu erfassendes,ruhendes Objekt lokalisiert wird.
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Es wird dort wieder die serielle Folge der auf Echos eines jeweiligen
Ultraschall-Sendeimpulses beruhenden Empfangssignale gespeichert, wobei ebenfalls
die Hüllkurve der Empfangssignale in digitale Werte umgesetzt wird. Die einzelnen
seriellen Speicherfolgen der Werte der digitalisierten Empfangssignal-Hüllkurven,
d.h. die digitalisierten Echoprofile derjeweiligen Ultraschall-Sendeimpulse werden
miteinander verglichen. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik werden
hier jedoch die jeweiligen Echoprofile der betreffenden Ultraschall-Sendeimpulse
zeitlich gegeneinander verschoben ,wobei für das Maß der Verschiebung diejenige
Relativgeschwindigkeit des Anbringungsortes des Ultraschallwandlers am Roboterarm
herangezogen wird, die in der Richtung vorliegt, in der jeweils im Augenblick eine
Objekterfassung durchgeführt werden soll. Beim Verfahren dieser älteren Anmeldung
ist Integration, d.h.
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Addition der einzelnen gespeicherten Echoprofile durchzuführen, womit
eine Anhebung des Echosignals aus dem Rauschen erreicht wird. Auch diesbezüglich
liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Verfahren des eingangs beschriebenen
Standes der Technik vor.
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Im Rahmen der Arbeiten, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben,
wurde erkannt, daß mit den Verfahren des
Standes der Technik und
der genannten älteren Anmeldung einwandfreie Objekterfassung solange durchgeführt
werden kann wie größere Abstände zwischen Ultraschallwandler und zu erfassendem
Objekt vorliegen, d.h. solange die Erfassungsweite eine gewisse Mindestgröße hat.
Den beschriebenen Verfahren ist eine gewisse Weitsichtigkeit immanent, d.h. in größerer
Nähe wird die Objekterkennung dann ungenau.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen zu den bekannten
Verfahren zu finden, mit denen die diesen Verfahren immanente Weitsichtigkeit behoben
werden kann, d.h. solche Verbesserungen anzugeben, mit denen auch auf kürzere Entfernung
hohe Genauigkeit der Detektionsempfindlichkeit erzielt ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des
Patentanspruchs 1 aufweist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für die Ultraschall-Ortung
in Luft eine alleinige Verbesserung hinsichtlich der eingesetzten Elektronik nicht
ausreichend ist, diese oben erwähnte Weitsichtigkeit wirksam beheben zu können.
Vielmehr bedarf es in Verbindung mit bestimmten Maßnahmen hinsichtlich der elektronischen
Auswertung der Empfangssignale auch einer wie im Anspruch angegebenen flaßnahme,
die sich auf den Ultraschall-Sendewandler, und zwar für den Sendebetrieb in Luft,
bezieht.
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Mit der Erfindung läßt sich dann eine exakte Objekterfassung bzw.
Entfernungsdetektion auch unterhalb einer Objektentfernung vom 200-fachen der Ultraschall-Wellenlänge
in Luft erzielen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand
der Figuren gegebenen Detail beschreibung hervor.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen Diagramme zur Signalform, zur Digitalisierung
und zur Integration.
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Figur 4 zeigt eine Greiferanordnung und Figur 5 und 6 betreffen einen
wichtigen Anwendungsfall.
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Figur 1 zeigt das Schaubild eines Sendeimpulses und eines Echo-Empfangsimpulses
mit der Zeit t als Abszisse und auf der Ordinate aufgetragener Schwingungsamplitude
für das Senden und aufgetragener elektrischer Spannung U für den Empfang. Wie ersichtlich
besteht der akustische Sendeimpuls aus einem sehr kurzen Wellenzug mit einer gewissen
Periodizität der Nulldurchgänge und abfallender Amplitude.
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Der Gesamtimpuls ist nur wenige Periodendauern lang, d.h.
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der Ultraschall-Sendeimpuls ist zeitlich äußerst kurz. Eine solche
für die Erfindung wichtige Sendeimpulsform erhält man durch die vorgesehene Verwendung
eines breitbandigen Ultraschallwandlers, der für dieses Aussenden mit jeweils einem
jeweils zeitlich kurzen Impuls angeregt wird. Der das Aussenden bewirkende Ultraschallwandler
wird also im wesentlichen nur angestoßen und schwingt stark gedämpft aus. Der Wandler
hat somit eine so große Bandbreite, die einen solchen Ultraschallimpuls auszusenden
gestattet. Mit 2 ist ein nach einer Zeitdauer (t - t ) zu empfangendes Echosignal
0 wiedergegeben, das im wesentlichen der Impulsform des Sendeimpulses 1 entspricht.
Für den Empfang kann vorteilhafterweise z.B. derselbe Ultraschallwandler verwendet
werden, der für das Aussenden benutzt wurde. Auch der Empfangswandler hat die große
Bandbreite, die den Empfang
des mit 2 dargestellten Analogsignals
ermöglicht. Wie in Figur 1 angedeutet, wird in zeitlichen Abständen A t voneinander
ein Abtasten der momentanen Werte des Empfangsimpulses 2 vorgenommen. Die in Figur
2 dargestellten, abgetasteten Analogwerte werden digitalisiert und abgespeichert.
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Dies erfolgt für (auf einem jeweiligen Sendeimpuls beruhende) jegliche
Empfangsimpulse, die qualitativ dem mit 2 bezeichneten Empfangsimpuls entsprechen
und entsprechend der jeweiligen UltraschallLaufzeit vom Sendewandler bis zum Empfangswandler
(beide Wandler können ein und derselbe Wandler sein) zu entsprechend verschiedenen
Zeiten t empfangen werden.
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Die Abtastung erfolgt mit dem Abtasttheorem entsprechend bemessenen
zeitlichen Abständen t t. Im seriellen Speicher sind digitalisiert die den Analogwerten
der Abtastung gemäß Figur 2 entsprechenden Werte in digitaler Form auf zugeordneten
Speicherplätzen abzuspeichern, wie dies Figur 3 zeigt.
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Je kürzer der ausgesandte Ultraschall-Wellenimpuls 1 ist, um so kürzer
ist der auf einem Echo an einem Objekt beruhende EmpfangsWellenzug 2. Verändert
sich jedoch der Ort des aussendenden Wandlers, der z.B. am Roboterarm befestigt
ist, gegenüber dem ruhenden Objekt, das z.B. das zu erkennende und später zu ergreifende
Werkstück ist, so verschieben sich die für den jeweiligen Sendeimpuls (der Aufeinanderfolge
von Sendeimpulsen) empfangenen Signalwerte nach Figur 2 bzw. Figur 3 -bezogen auf
den jeweiligen Sendezeitpunkt- zeitlich zueinander. Dies ist in der obengenannten
älteren Anmeldung ins Einzelne gehend bereits beschrieben. In Figur 3 ist dementsprechend
in der zweiten Zeile die Folge der einzelnen Signalwerte der betreffenden Abtastung
des Empfangs-Wellenzugs 2 des Echos von demselben Objekt jedoch für den folgenden
Sendeimpuls angegeben. Dabei ist in der Darstellung der Figur 3 bereits die der
Relativbewegung
des Sendewandlers entsprechende Zeitverschiebung
der Achse enthalten. Die wie beim Verfahren der älteren Anmeldung vorgenommene Integration
ist in der dritten Zeile der Figur 3 angegeben.
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Es sei hier nochmals hervorgehoben, daß bei der vorliegenden Erfindung
die Empfangssignal-Auswertung mit Abtastung, Speicherung und Integration auf das
jeweilige, nur wenige Wellenzüge andauernde Echosignal bezogen worden ist. Wegen
der kurzen Zeitdauer des jeweiligen Wellenzuges eines empfangenen Echosignals 2,
d.h. der direkten Auswertung der Empfangssignalschwingung (und nicht der Hüllkurve
eines zeitlich entsprechend längeren Empfangssignals) läßt sich mit der vorliegenden
Erfindung eine für industrielle Automation sehr gute Ortsauflösung erreichen. Dabei
beruht -dies sei nochmals hervorgehoben- die Kürze des Empfangssignals auf der entsprechenden
Kürze des Sendesignals und dessen Kürze wiederum auf der Verwendung eines wie anspruchsgemäß
ausgewählten Ultraschallwandlers für das Aussenden.
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Diese gute Ortsauflösung auch im Nahbereich unter dem 200-fachen der
Ultraschall wellenlänge ist auch bei Ultraschallaussendung in Luft erreichbar, nämlich
in dem Ausbreitungsmedium, das für die industrielle Automation, z.B.
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für den Roboterbetrieb als eine zwingende Voraussetzung zu berücksichtigen
ist. Der Betrieb in Luft stellt nämlich ganz besondere Anforderungen, die bei Ultraschallortung
innerhalb des Wassers oder eines hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit bzw. des
akustischen Wellenwiderstandes vergleichbaren Mediums wie Körpergewebe nicht auftreten.
Ein wie bei der Erfindung zu verwendender, anspruchsgemäß charakterisierter Ultraschallwandler
verbürgt eine hohe Effektivität der Schallübertragung in das Medium Luft.
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Ein für die vorliegende Erfindung zu verwendender Luft-
Ultraschallwandler
mit großer Bandbreite und mit trotzdem günstigem Ultraschall-Ubertragungsmaß zwischen
Wandler und Luft sind in den parallelen Patentanmeldungen VPA 84 P 1211 und 84 P
1220 vom gleichen Tage beschrieben.
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Im Zusammenhang mit der Darstellung der Figur 3 wurde die Integration
aufeinanderfolgender Empfangs-Echoimpulse behandelt. Eine solche der Erfindung gemäß
Variante ist vorzugsweise für die industrielle Automation und insbesondere für die
Steuerung eines Roboterarms, an dem sich der betreffende Ultraschallwandler als
Sensor befindet, zu empfehlen. Die Auswertung der integrierten, aus dem Rauschen
hervorgehobenen Empfangssignale lassen sich für sensorgesteuerten Betrieb des Roboters
verwenden.
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Statt der Integration nach Figur 3 kann auch eine Differenzbildung
der einzelnen digitalisierten Abtastwerte des jeweiligen Echosignal-Wellenzuges
2 zeitlich aufeinanderfolgender Sendeimpulse erfolgen, nämlich nach dem Prinzip
des eingangs beschriebenen Standes der Technik für Raumschutzgeräte, wo jedoch die
Empfangssignal-Hüllkurve ausgewertet wurde. Ein solches nach der Lehre der hier
vorliegenden Erfindung modifiziertes Gerät kann dann dazu verwendet werden, auch
auf kurze Entfernung zwischen bewegten und (nicht interessierenden) unbewegten Objekten,
d.h.
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unbewegtem Hintergrund zu unterscheiden. Ein solcher Anwendungsfall
ist z.B. die Überwachung des Transports von Teilen auf Förderbändern, wobei das
Förderband selbst mangels besonderer Konturen als ruhendes Objekt erscheint.
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Für den erfindungsgemäßen Luft-Ultraschallbetrieb eigenen sich besonders
gut Ultraschallfrequenzen im Bereich von 30 bis 500 KHz, insbesondere um 100 KHz.
Die entsprechende Luftwellenlänge l beträgt dann einige mm, d.h. für 100 KHz
ist
der Wert 200 x = 60 cm. Ein Entfernungsbereich unter z.B. 60 cm ist haben der wichtige
Bereich für die industrielle Automation, z.B. für die von einem Ultraschall-Sensorgerät
gesteuerte Führung eines Roboterarms.
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Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Anwendung der Erfindung
zur Sensorsteuerung des Greifers 20 eines Roboterarms. Mit 21 ist der erfindungsgemäß
zu verwendende, breitbandige, mit Impuls-Stoßanregung zur Aussendung eines kurzen
Wellenzuges 1 zu betreibende Wandler bezeichnet. Der Wandler 21 ist vorzugsweise
auch Empfangswandler. Mit 22 ist auf die Sendekeule der Ultraschall-Ausstrahlung
hingewiesen und mit 23 ist die zu derjenigen Relativgeschwindigkeit der Bewegung
des Greifers 20 gehörende Richtung angedeutet. Bei dieser Relativgeschwindigkeit
entsprechender Verschiebung der vor ihrer Summation miteinander jeweils abzuspeichernden
Empfangssignale (Zeilen 1 und 2 in Figur 3) ist maximale Signalanhebung (gemäß der
obengenannten älteren Patentanmeldung) zu erreichen. Mit 24 ist ein Werkstück bezeichnet.
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Die Erfindung ist auch vorteilhaft dazu zu verwenden, einen Vergleich
zwischen einer Ist-Situation und der Soll-Situation, und zwar insbesondere für den
Bereich nächster Nähe, durchzuführen. Es wird dabei der Unterschied, d.h.
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die Differenz der gespeicherten Werte einer momentanen Empfangssignalauswertung
gegenüber den gespeicherten Werten eines aufgenommenen Sollbildes festgestellt.
Bei einer Differenz 0 stimmen Ist-Situation und Soll-Situation überein. Auf diese
Weise kann vom Sensor (der z.B. am Roboterarm angebracht ist) festgestellt werden,
ob das richtige Werkstück vorliegt und/oder sich am richtigen Ort und/oder in richtiger
Lage befindet. Hierbei ist die Beherrschung geringster Distanzen von besonderer
Bedeutung, da es insbesondere
für die Beurteilung der Lage des
Werkstücks auf die Unterscheidung der Konturen des jeweiligen Werkstückes ankommt.
In entsprechender Variation der Auswertung kann nach diesem Prinzip auch eine qualitative
Unterscheidung verschiedener Werkstücke erfolgen, nämlich indem die Ist-Situation
mit einem Katalog der (Soll-)Bilder in Frage kommender Werkstücke verglichen wird.
Sind in einem solchen Katalog als Sollbilder unterschiedliche Ansichten eines betreffenden
Werkstückes gespeichert, so kann nach dem voranstehenden Prinzip die (oben schon
erwähnte) Lageerkennung hinsichtlich des jeweiligen Werkstücks durchgeführt werden.
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Wegen der mit der Erfindung möglichen Erfassung kürzester Distanzen
kann außer einer qualitativen auch eine quantitative Erfassung von Distanzabweichungen
durchgeführt werden.
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Die betreffende Distanzabweichung kann aus der für das Erreichen der
Deckung durchzuführenden gegenseitigen Verschiebung der jeweiligen seriellen Folgen
der gespeicherten Empfangssignale ermittelt werden (siehe Fig. 3 bzw. die Beschreibung
der obengenannten älteren Anmeldung).
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Weitere Erläuterungen zum Voranstehenden gehen auch aus den Figuren
5 und 6 hervor. Am Wandler 20 sind ein Ultraschall-Sendewandler 21 und symmetrisch
dazu (in einem Abstand von z.B. 20 mm voneinander) zwei Empfangswandler 121 und
221 angebracht. Die Schallfront des Sendewandlers 21 trifft auf das Werkstück 24
und von den Empfangswandlern 121 und 221 wird jeweils ein Echosignal empfangen.
Das Aussenden erfolgt aufgrund einer Impulsanregung aus dem Sender 51 und die Empfangssignale
der Empfangswandler 121 und 221 gehen beispielsweise über einen Umschalter 52 auf
einen Empfänger 53. Mit dem Analog-Digital-Wandler 54 erfolgt die Digitalisierung
der Empfangssignale, die in dem Auswertegerät 55 gespeichert und verglichen werden.
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Aufgrund der dargestellten unsymmetrischen Lage des Werkstücks
24
bezogen auf den Creifer 20 erfolgt der Empfang des jeweiligen Echosignals in den
Wandlern 121 und 221 etwas zeitverschoben gegeneinander. Figur 6 zeigt die beiden
Empfangssignale 121' und 221' der Empfangswandler 121 und 221. Dem der unsymmetrischen
Lage des Werkstücks entsprechenden Entfernungsunterschied gemäß sind die Empfangssignale
121' um das Maß dt etwa zeitverschoben gegeneinander. Aus diesem Maß dt ergibt sich
das Maß dx für den Distanzunterschied, d.h. für die unsymmetrische (unrichtige und
noch zu korrigierende) Lage von Werkstück 24 und Greifer 20 zueinander.
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Auch im vorliegenden Falle liegt die Bedeutung der Erfindung darin,
daß nicht die Hüllkurve des Empfangssignals, sondern der Schwingungsverlauf des
Empfangssignals unmittelbar ausgewertet wird. Da die Empfangssignale 121' , 221'
auf der Aussendung ein und desselben Sendewandlers 21 beruhen, ist auch die Form
der jeweiligen Wellenzüge der Empfangssignale 121', 221' praktisch identisch, so
daß ein nahezu beliebig kleines Zeitintervall dt erfaßt werden kann, das sogar um
ein Vieles kürzer als der Wellenzug des ausgesandten Ultraschallsignals bzw. der
Empfangssignale selbst sein kann.
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7 Patentansprüche 6 Figuren
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