DE3811479A1

DE3811479A1 - Verfahren zum identifizieren von objekten

Info

Publication number: DE3811479A1
Application number: DE19883811479
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr Keiper; Wolfgang Rottler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-04-06
Filing date: 1988-04-06
Publication date: 1989-10-19
Also published as: WO1989009941A1; ES2012703A6

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Identifizieren von Objekten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 33 35 421 ist ein Verfahren zur Signalauswertung von Ultraschall- Echosignalen bekannt, bei dem neben der Laufzeit der Echosignale die Amplitude der Echosignal-Hüllkurve ausgewertet wird. Das bekannte Verfahren findet insbesondere zur Bestimmung der relativen Lage und der Geschwindigkeit von Greifarmen eines Roboters bezüglich eines Objekts Anwendung.

Bei einer Bestimmung von Objektabständen aus Laufzeitmessungen muß die Temperatur des zwischen der Sende-Empfangseinrichtung und Objekt befindlichen Mediums bekannt sein. In Luft beispielsweise ändert sich die Laufzeit bei einer mittleren Temperatur von 20°C um etwa 0,17% pro Grad Temperaturänderung. Temperaturgradienten, die bei spielsweise durch Zugluft oder durch eine unterschiedliche Erwärmung der Objekte verursacht sind, müssen deshalb weitgehend unterdrückt werden.

Die absolute Signalhöhe der Echosignal-Hüllkurve ist ebenfalls von der Temperatur des Mediums zwischen der Sende-Empfangseinrichtung und dem Objekt sowie von der Objekttemperatur abhängig. Temperatur gradienten wirken wie akustische Linsen und beeinflussen die Signal höhe. Einen weiteren erheblichen Einfluß auf die Signalhöhe der Echosignal-Hüllkurve hat bereits eine leichte Verdrehung des Ob jekts gegenüber einer Normallage.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß die amplituden- und laufzeitunabhängige Signatur der Hüllkurve in einer signalverarbeitenden Anordnung ausgewertet wird. Ein Vergleich der ermittelten Signatur mit einer in einer Lernphase in einem Speicher der signalverarbeitenden Anordnung hinterlegten Soll-Signatur ermög licht die Identifizierung von Objekten weitgehend unabhängig von Störeinflüssen wie beispielsweise sich ändernde Umweltbedingungen oder ein geringes Verdrehen der zu identifizierenden Objekte aus ihrer Normallage.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen. In ei nem ersten Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der relativen Hüll kurven-Maxima und/oder der relativen Hüllkurven-Minima ermittelt. In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die Verhältnisse zwischen aufeinanderfolgenden relativen Hüllkurven-Maxima und/oder aufeinan derfolgenden Hüllkurven-Minima ermittelt.

In weiteren Ausführungsbeispielen werden Zeitverhältnisse ermittelt. Beispielsweise wird das Verhältnis der Laufzeit von aufeinanderfol genden relativen Hüllkurven-Maxima und/oder -Minima gebildet. Vor zugsweise werden die Abstände von aufeinanderfolgenden Maxima und/oder Minima ausgewertet. Ferner ist eine Objektidentifizierung durch Auswertung der Halbwertsbreite der Echosignal-Hüllkurve oder durch Ermitteln der Anstiegszeitkonstante zwischen einer ersten und zweiten relativen Amplitude der Hüllkurve möglich.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine selbständige Anpassung an unterschiedliche Echolaufzeit- und Echoamplitudenverhältnisse vorgesehen. In der Lernphase wird in der signalverarbeitenden Anord nung die ungefähre Echolaufzeit ermittelt, die bei der späteren Ob jektidentifizierung ausblendbar ist. Ebenfalls wird die Höhe der maximal zu erwartenden Echoamplitude ermittelt und über einen Regel verstärker so eingestellt, daß ein beispielsweise verwendeter Ana log-Digital-Wandler mit voller Ausnutzung der Quantisierungsstufen arbeitet. Mit diesen Maßnahmen wird die bestmögliche zeitliche und wertmäßige Auflösung des Ultraschall-Echosignals erreicht.

Die gemessenen Amplituden- und Laufzeitverschiebungen stehen auch für weitere Kontroll- oder Steuerungsaufgaben zur Verfügung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild von Sende-Empfangseinrichtungen und von einer signalverarbeitenden Anordnung und die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils einen Signalverlauf einer Echosignal-Hüllkurve.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein zu identifizierendes Objekt 10 gezeigt, das bei spielsweise auf einem Transportband 11 angeordnet ist. Von einer er sten und zweiten Ultraschall-Sendeeinrichtung 12, 13 werden Ultra schall-Signale 14, 15 in Richtung auf das Objekt 10 abgestrahlt. Vom Objekt 10 werden Echosignale 16, 17 reflektiert, die von einer er sten und zweiten Empfangseinrichtung 18, 19 aufgenommen werden. Die beiden Sendeeinrichtungen 12, 13 sind an einem Steuerteil 20 ange schlossen, das Zeitabschnitte zwischen den ausgesandten Ultra schall-Signalen und die Zeitdauer der Signale festlegt. Das Steuer teil gibt weiterhin Signale an eine signalverarbeitende Anordnung 21 ab. Die beiden Anfangseinrichtungen 18, 19 sind ebenfalls mit der signalverarbeitenden Anordnung 21 verbunden. In einer einfacheren Ausführung reicht bereits eine Sende- und Empfangseinrichtung aus. Eine Erweiterung durch weitere Sendeeinrichtungen mit den dazuge hörigen Empfangseinrichtungen ist ebenfalls möglich. Die Erweiterung ist in Fig. 1 mit den strichliniert eingetragenen Leitungen 22, 23 angedeutet. Die Verwendung von mehreren Sende- und Empfangseinrich tungen ergibt eine höhere Auflösung und vergrößert die Sicherheit bei der Identifizierung der Objekte 10, insbesondere dann, wenn die Signale 14, 15 mit unterschiedlichen Winkeln auf das Objekt 10 abge strahlt werden.

Die von den Empfangseinrichtungen 18, 19 aufgenommenen Echosignale gelangen über Regelverstärker 24 zu Digital-Analog-Wandler 25. Für jede Empfangseinrichtung 18, 19 ist ein separater Verstärker 24 und ein Analog-Digital-Wandler 25 vorgesehen. Die digitalisierten Signa le werden in einer Recheneinheit 26 geeignet umgeformt und weiter verarbeitet. Anhand von Vergleichsoperationen, die mit Daten durch geführt werden, die zuvor in einer Lernphase in einem Speicher 27 hinterlegt wurden, wird das Objekt 10 identifiziert. Eine Identifi zierung wird beispielsweise über eine Anzeige 28 ausgegeben. Die Re gelverstärker 24, die Analog-Digital-Wandler 25, die Recheneinheit 26 und der Speicher 27 sind in der signalverarbeitenden Anordnung 21 zusammengefaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Echosignal-Hüllkurven näher erläutert:

Die in Fig. 2 gezeigte Echosignal-Hüllkurve 30 entsteht beispiels weise durch Demodulation und anschließende Betragsbildung oder Quadrierung des von einer der Empfangseinrichtungen 18, 19 aufge nommenen Signals. Diese Signalvorverarbeitung ist beispielsweise in den Empfangseinrichtungen 18, 19 integriert. Der in Fig. 2 gezeigte kontinuierliche Signalverlauf wird im Analog-Digital-Wandler 25 an ausreichend vielen Stützstellen abgetastet und als Zahlenwerte in die Recheneinheit 26 abgegeben. In einer Lernphase, bei der ein be kanntes Objekt 10 mit bekannter Position vorgegeben ist, wird die Amplitude der Hüllkurve mittels der Regelverstärker 24 an den zu lässigen Eingangsspannungsbereich der Analog-Digital-Wandler ange paßt. Die Maximalamplitude 31 der Hüllkurve 30 wird auf einen Wert von 100% normiert. In der Recheneinheit 26 werden die Maxima 31-33 sowie die Minima 34, 35 der Hüllkurve 30 ermittelt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel werden als amplituden- und laufzeitunabhängige Signatur der Echosignal-Hüllkurve 30 die Anzahl der Maxima 31-33 und/oder der Minima 34, 35 bestimmt, die bereits eine Identifizierung von Objekten 10 ermöglicht. Als ein weiteres Auswertekriterium werden die Verhältnisse der relativen Amplituden von aufeinanderfolgenden Maxima 31, 32 bzw. 32, 33 und/oder die Ver hältnisse der relativen Amplitude von aufeinanderfolgenden Minima 34, 35 gebildet. Ferner ist es möglich, die Verhältnisse der rela tiven Amplituden von aufeinanderfolgenden Maxima und Minima 31, 34 bzw. 32, 35 und/oder die Verhältnisse der relativen Amplituden von aufeinanderfolgenden Minima und Maxima 34, 32 bzw. 35, 33 zu bilden. Unabhängig von der Auswertung des Signaturmerkmals der relativen Amplituden der Maxima und Minima kann zusätzlich eine Auswertung von Zeitverhältnissen vorgesehen sein, die anhand der Fig. 3 näher er läutert werden:

In Fig. 3 ist eine Hüllkurve 40 gezeigt, die beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten Hüllkurve 30 entspricht. Die relative Amplitude des Hauptmaximums 41 der Hüllkurve 40 ist normiert auf einen Wert von beispielsweise 100%. Neben dem Maximum 41 weist die Hüllkurve 40 weitere relative Maxima 42, 43 sowie relative Minima 44, 45 auf.

Ausgewertet werden die Verhältnisse der zeitlichen Abstände 46, 47 zwischen aufeinanderfolgenden Maxima 41, 42 bzw. 42, 43 sowie die Verhältnisse der Zeitabstände 48, 49 von aufeinanderfolgenden Maxima und Minima 41, 44 bzw. 42, 45 und/oder die Verhältnisse der Zeitab stände 50, 51 zwischen aufeinanderfolgenden Minima und Maxima 44, 42 bzw. 45, 43. Neben den aufgeführten Beziehungen sind weitere Ver hältnisbildungen von Zeitabständen möglich.

Unter Einbeziehung der Signallaufzeit 52 sind weitere Verhältnis bildungen von Zeiten möglich. Die Signallaufzeit 52 wird gerechnet vom Ende des von den Sendeeinrichtungen 12, 13 ausgesandten Ultra schall-Signals bis zum Beginn der Echosignal-Hüllkurve 40, die die erste Quantisierungsstufe 53 erreicht hat. Die Signalende-Informa tion gelangt von der Steuerschaltung 20 direkt in die signalverar beitende Anordnung 21. Wesentlich ist auch hier, daß der Absolut wert der Laufzeit nicht in das Ergebnis eingeht, da lediglich Zeit verhältnisse gebildet werden. Verhältnisse sind bildbar zwischen den Signallaufzeiten 54, 56, 58 zu den Maxima 41-43 und/oder zwischen den Signallaufzeiten 55, 57 zu den Minima 44, 45 sowie zwischen den Signallaufzeiten 54 bis 58 zu den Maxima 41-43 bzw. Minima 44, 45.

Ein weiteres Signaturmerkmal ist die Anstiegszeit der Echosignal- Hüllkurve 40 zwischen einem ersten relativen Amplitudenwert 60 und einem zweiten relativen Amplitudenwert 61.

Ferner ist es möglich, das Verhältnis des normierten Hauptmaximums 31, 41 der Hüllkurve 30, 40 und der normierten Fläche zwischen der Zeitachse T und der Hüllkurve 30, 40 als Signaturmerkmal zu verwen den.

Bei der Verarbeitung der Echosignal-Hüllkurve 30, 40 in der Rechen einheit 26 wird die in der Lernphase ermittelte Signallaufzeit 52 als Totzeit ausgeblendet. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt in einer Speicherplatzreduzierung, da die empfangene Hüllkurve 30, 40 vor den Auswerte- und Vergleichsoperationen in einen Zwischenspeicher geladen wird.

Unterschiede von Absolutlaufzeiten und Absolutamplituden der Ultra schallechos zwischen Arbeits- und Lernphase lassen unabhängig von der Objektidentifizierung Rückschlüsse auf Umgebungstemperatur und auf eine leichte Verdrehung der Objekte zu.

Claims

1. Verfahren zum Identifizieren von Objekten, wobei wenigstens eine Sendeeinrichtung nach vorgebbaren Zeitabständen Ultraschall-Signale mit vorgebbarer Zeitdauer abstrahlt und wenigstens eine Ultraschall- Empfangseinrichtung die von einem zu identifizierenden Objekt re flektierten Signale aufnimmt und mit einer der Empfangseinrichtung nachgeschalteten Anordnung, welche die empfangenen Signale verarbei tet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein amplituden- und laufzeitabhängiges Signaturmerkmal der Hüllkurve (30, 40) der von dem zu identifizierenden Objekt (10) reflektierten Signale (16, 17) in der signalverarbeitenden Anordnung (21) mit einem Signaturmerkmal verglichen wird, das während einer Lernphase in einem Speicher (27) hinterlegt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Hüllkurven-Maxima (31, 32, 33; 41, 42) und/oder die Anzahl der Hüllkurven-Minima (34, 35; 44, 45) als Signaturmerkmale verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver hältnisse der Amplituden von aufeinanderfolgenden Maxima (31, 32; 32, 33; 41, 44; 42, 43) und/oder von aufeinanderfolgenden Minima (34, 35; 44, 45) als Signaturmerkmale verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver hältnisse der Amplituden aufeinanderfolgender Maxima und Minima (31, 34; 32, 35; 41, 44; 42, 45) und/oder die Verhältnisse der Amplituden aufeinanderfolgender Minima und Maxima (34, 32; 35, 33; 44, 42; 45, 43) als Signaturmerkmale verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver hältnis der Laufzeiten von aufeinanderfolgenden Hüllkurven-Maxima (31, 32; 32, 33; 41, 42; 42, 43) und/oder Hüllkurven-Minima (34, 35; 44, 45) als Signaturmerkmale verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver hältnis der Laufzeiten von aufeinanderfolgenden Maxima und Minima (31, 34; 32, 35; 41, 44; 42, 45) und/oder von aufeinanderfolgenden Minima und Maxima (34, 32; 35, 33; 44, 42; 45, 43) als Signatur merkmale verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halb wertsbreite der Hüllkurve (30, 40) als Signaturmerkmale verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An stiegszeitkonstante der Hüllkurve (30, 40) zwischen einer ersten und zweiten Amplitude (60, 61) als Signaturmerkmal verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver hältnis des normierten Hauptmaximums (31, 41) der Hüllkurve (30, 40) und der normierten Fläche der Hüllkurve (30, 40) als Signaturmerkmal verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lernphase ermittelte Laufzeit als Totzeit von der signalverar beitenden Anordnung (21) ausgeblendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lernphase ermittelte maximale Amplitude des reflektierten Si gnals (16, 17) mit einem Regelverstärker (24) an den Arbeitsbereich eines Digital-Analog-Wandlers (25) angepaßt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sende- und Empfangseinrichtungen (12, 13; 18, 19) mit unterschied lichen Winkeln der abgestrahlten und empfangenen Signale (14, 15; 18, 19) zum Objekt (10) verwendet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Un terschieden von Absolutlaufzeiten und/oder Absolutamplituden der Ultraschallechos zwischen Arbeits- und Lernphase Rückschlüsse auf die Umgebungstemperatur gezogen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Un terschieden von Absolutlaufzeiten und/oder Absolutamplituden der Ultraschallechos zwischen Arbeits- und Lernphase Rückschlüsse auf eine leichte Verdrehung der Objekte (10) gezogen werden.