DE3821577A1 - Verfahren und vorrichtung zur hinderniserkennung mit ultraschallentfernungsmessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur hinderniserkennung mit ultraschallentfernungsmessung

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DE3821577A1 DE19883821577 DE3821577A DE3821577A1 DE 3821577 A1 DE3821577 A1 DE 3821577A1 DE 19883821577 DE19883821577 DE 19883821577 DE 3821577 A DE3821577 A DE 3821577A DE 3821577 A1 DE3821577 A1 DE 3821577A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach den Ansprüchen.

Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung bei automatisch gesteuerten Fahrzeugen, bei denen es von erheblicher Bedeutung ist, rechtzeitig Hindernisse wahrzunehmen und entsprechende Konsequenzen daraus zu ziehen. Derartige Fahrzeuge finden beispielsweise im innerbetrieblichen Transport, bei der Materialzuführung in den Produktionsbereich Anwendung.

Ultraschallentfernungsmesser werden schon seit längerem für diesen Zweck verwendet. Bekannt sind auch Hindernismeß­ einrichtungen für die Rückraumüberwachung von Lastkraft­ wagen. Es werden bei diesen Meßeinrichtungen Ultraschall­ pulse ausgesendet und die Laufzeit bis zum Eintreffen einer Reflexion von einem Hindernis gemessen. Dabei werden bestimmten, zu überwachenden Raumwinkeln, einzelne Ultra­ schallsensoren zugeordnet.

Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, daß bei Ausrüstung von mehreren Fahrzeugen mit Ultraschall- Hindernismeßeinrichtungen (wie im innerbetrieblichen Transport meist erforderlich) diese Meßeinrichtungen sich gegenseitig stören können. So kann ein Sendepuls der Meß­ einrichtung des einen Fahrzeuges, von der Meßeinrichtung eines anderen Fahrzeuges als Echosignal von einem Hindernis angesehen werden. Die Folge wäre, daß die Fahrzeuge sich gegenseitig stoppen könnten, weil vermeintlich Hindernisse gesehen werden. Dieser Vorgang könnte längere Zeit dauern und damit den Transport zum Erliegen bringen.

Eine zweite Fehlerquelle sind Störgeräusche aus der Umgebung der Fahrzeuge. Auch diese müssen möglichst sicher unterdrückt werden.

Eine Methode die erste Störungsart zu unterdrücken besteht darin, die Ultraschallsensoren mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen arbeiten zu lassen und das Empfangssignal zu filtern, so daß ein Sensor nur Echos seines eigenen Sendepulses empfangen kann. Dieser Methode sind jedoch natürliche Schranken gesetzt, da einerseits der kurze Ultraschallpuls ein breites Frequenzspektrum enthält und andererseits direkt eingestrahlte Signal eines anderen Fahrzeuges sehr viel stärker sein können als das Echosignale eines kleinen Hindernisses. Aus diesem Grunde muß mit relativ großen Abständen in den Frequenzen gearbeitet werden, so daß die Zahl der Fahrzeuge, die gemeinsam ein Gebiet befahrenen, begrenzt ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem ohne großen Aufwand eine große Zahl von Fahrzeugen mit technisch gleichen Ultraschall-Hindernismeßeinrichtungen gemeinsam und ohne gegenseitige Beeinflussung operieren können und die Wirkung von Störgeräuschen unterdrückt wird.

Die erfinderische Lösung der Aufgabenstellung sieht vor, daß die ausgesandten Ultraschallpulse in einem für jedes Fahrzeug unterschiedlichen, zeitlichen Kode erfolgt. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems. Durch Vergleich von aufeinander folgenden Messungen werden Störpulse anderer Fahrzeuge und Störgeräusche ausgeschieden.

Der auf Hindernisse zu überwachende Bereich erstreckt sich üblicherweise bis zu 10 m in Fahrtrichtung und auch um das Fahrzeug, je nach der möglichen Bewegungsrichtung. Bei einer Entfernung von 10 m tritt eine Laufzeit für die Ultraschallpulse von ca. von 0,06 s auf. Die Senderate für die Ultraschallpulse wird also nicht viel schneller als ca. 13 Hz sein können.

Üblicherweise reicht eine Zeit von 0,2 bis 0,3 s für die Erkennung eines Hindernisses, weil die innerbetrieblichen Transportfahrzeuge nicht schneller als 1 bis 2 m/s fahren.

Folglich können mehrere aufeinanderfolgende Ultraschall­ pulse dafür verwendet werden, eine intelligente Auswertung durchzuführen.

Der zeitliche Kode für die Ultraschallpulse ist so konstruiert, daß viele Fahrzeuge störungsfrei miteinander operieren können. Dies wird wie folgt erreicht:

Wird ein Ultraschallpuls ausgesendet, so kommen je nach Art und Anzahl der Hindernisse Echosignale zurück. Die Echosignale für den Zeitraum der maximalen Laufzeit, also bei einer Entfernung von 10 m für 60 ms nach Aussendung der Pulses stellen eine Echosignalfolge dar. Diese Echosignalfolge wird digitalisiert und für die Zeit für die Echos von Interesse sind getaktet eingelesen.

Zwei Pulse, also zwei Echosignalfolgen werden separat gespeichert und über den ganzen Einlesezeitraum verglichen. Der Vergleich von zwei Echosignalfolgen ist eine Messung. Signale, die von einem Hindernis stammen, müssen mindestens in zwei aufeinanderfolgende Messungen ein übereinstimmendes Entfernungsergebnis haben.

Die Schärfe der übereinstimmung in der Entfernung kann mit derjenigen Zeit variieren, die durch die Bewegung der Fahrzeuge entsteht. Die Variation der Zeit zwischen zwei Pulsen muß so groß sein, daß der Störpuls eines anderen Fahrzeuges niemals bei zwei Messungen an der gleichen Stelle auftreten, sondern mindestens um eine minimale Zeitdifferenz verschoben ist. Diese minimale Zeitdifferenz muß größer sein als die maximale, durch die Bewegung vorgetäuschte Laufzeitdifferenz der Pulse eines anderen Fahrzeuges bei zwei aufeinanderfolgenden Pulsen.

Fahren zum Beispiel zwei Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s aufeinander zu, so ist bei einem maximalen Pulsabstand von 0,1 s der Laufzeitunterschied entsprechend 0,4 m also 2,4 ms. Die Unterschiede im Kode (die minimale Zeitdifferenz) müssen also mindestens diese 2,4 ms deutlich überschreiten um einen Störpuls eines anderen Fahrzeuges bei zwei Messungen eindeutig an einer anderen Stelle detektieren zu können und ihn als Echo von einem Hindernis eindeutig auszuscheiden zu können. Es können 4 ms als kleinste Zeitdifferenz angenommen werden. Dann ergibt sich für ein bestimmtes Anwendungsbeispiel folgender Kode, bei dem die beiden Zahlen jeweils die aufeinander folgenden Abstände von Pulsen in Milisekunden sind:

Fahrzeug 1: 80, 80,
Fahrzeug 2: 80, 84,
Fahrzeug 3: 80, 88,
. . .
Fahrzeug 9: 80, 112,
Fahrzeug 10: 84, 84,
Fahrzeug 11: 84, 88,
. . .
Fahrzeug 17: 84, 112,
Fahrzeug 18: 88, 88,
Fahrzeug 19: 88, 92,
. . .
Fahrzeug 24: 99, 120,
. . .
Fahrzeug 44: 108, 112,
Fahrzeug 45: 112, 112.

Die Gesamtzahl der Fahrzeuge, die auf diese Weise unterschiedlich kodiert werden können und die Meßpulse der anderen Fahrzeuge nicht als Echos von Hindernissen erkennen, beträgt, wenn das maximale Vielfache der minimalen Zeitdifferenz, wie im oben angeführten Beispiel, 8 ist, also 9 unterschiedliche Zeitdifferenzen verwendet werden:

n*(n+1)/2 = 45 für n=9.

Für n=11 ergibt sich schon 66 und für n=15 schon 120.

Man kann leicht erkennen, daß Pulse, die in diesem Schema zeitkodiert werden, niemals bei einem anderen Fahrzeug in zwei aufeinander folgenden Vergleichen gleiche Ergebnisse verursachen können. Damit können diese Pulse eindeutig ausgeschieden werden.

Auch zur Unterdrückung von durch Geräusche hervorgerufene Echosignale ist diese Methode gut geeignet.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Hinderniserkennung mit Ultraschallentfernungsmessung besteht nun darin, daß eine erhebliche Anzahl von Fahrzeugen gleichzeitig in einem Gebiet operieren können und die Ausrüstung sich jeweils nur im zeitlichen Kode unterscheidet. Jedes Gerät kann auf einen beliebigen Kode eingestellt werden bzw. kann über eine elektronische Schnittstelle auf einen bestimmten Kode eingestellt werden.

Damit ist erreicht, daß die zusätzliche Aufgabe im wesentlichen durch ein intelligentes Auswerteprogramm erzielt werden kann.

Ein typisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und zugehörige Vorrichtungen sind in den Fig. 1 bis 6 schematisch wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung als Blockdiagramm,

Fig. 1a den Überwachungsraum am Fahrzeug in Fahrt­ richtung und den Anbau der Ultraschallsensoren,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung als Blockdiagramm,

Fig. 3a und 3b Zeitdiagramme der Echosignalfolgen von zwei Fahrzeugen.

Die Grundkonfiguration eines typischen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Hinderniserkennung ist in Fig. 1 als Blockdiagramm dargestellt. Die Ultra­ schallsensoren 1 bis 5 sind über Kabelverbindungen mit der Auswerteeinheit 6 verbunden. Über eine Schnittstelle 6 werden die Ergebnisse der Auswertung dem Fahrzeugrechner oder der Fahrelektronik direkt gemeldet.

Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Überwachungs­ raum 8, den jeder Ultraschallsensor übernimmt. Die Sensoren 1 bis 4 sind an der Fahrzeugfront angebracht. Das Fahrzeug 7 fährt in Richtung Überwachungsraum.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung, bestehend aus dem Mikroprozessorsystem 9, dem Port 11, die gemeinsamen Triggerleitung 12 und die Signalleitungen auf denen die digitalisierten Echoausgänge 13 der Sensoren 1, . . . 2, 3 dem Port 11 zugeführt werden. Das Meßergebnis wird über die Schnittstellenelektronik 10 nach außen gemeldet.

Fig. 3a zeigt das zeitkodierte Signal von Fahrzeug n mit einer konstanten Zeit zwischen den Ultraschallpulsen 14 von 100 ms. Der Sensor empfängt die Ultraschallpulse des Fahrzeuges m die durch 16 a, 16 b, 16 c, 16 d sybolisiert sind. Ein Echo von einem wirklichen Hindernis 17 ist mit einem konstanten Abstand von 14 eingezeichnet.

Fig. 3b zeigt das zeitkodierte Signal von Fahrzeug m mit einer wechselnden Zeit zwischen je zwei Ultraschallpulsen 15 von 104 und 100 ms.

Die Auswertung der Signalfolgen von Fahrzeug n ergibt die Zeiten t 1, t 2, t 3, t 4. Es werden nun kontinuierlich zwei aufeinander folgende Vergleiche von Signalfolgen vorgenommen. Um ein Hindernis zu erkennen muß in beiden Vergleichen das gleiche Entfernungsergebnis oder die gleiche Zeit ti gemessen werden. Dies ist unmittelbar bei t 17 der Fall, die konstant immer wieder vorkommt. Dieses Signal wird als Echo von einem Hindernis erkannt. Die Signale 16 werden nur dann als Hindernis erkannt, wenn t 1 = t 2 = t 3 oder t 2 = t 3 = t 4 ist. (Mit einer vorgebbaren Toleranz, die wegen der Eigenbewegung der Fahrzeuge erforderlich ist.) Dies kann auf Grund der Kodierung nicht vorkommen. Sinngemäß könnte dies auch bei allen anderen Kodes nicht vorkommen. Die Störpulse eines anderen Fahrzeuges werden also herausgefiltert und nicht als Hindernis erkannt.

Die Auswertung der Signalfolgen von Fahrzeug m laufen parallel sind jedoch nicht dargestellt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Hindernismessung für mehrere Fahrzeuge mit mindestens einem Ultraschallsender/Empfänger und einer digitalen Signalauswerteeinrichtung pro Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsignalaussendung nach einem für jedes Fahrzeug unterschiedlichen zeitkodierten Schema erfolgt, die Echosignalfolgen der Ultraschallsensoren für die Zeit, die mindestens der zur Überwachungstiefe gehörigen Schalllaufzeit entspricht, getaktet eingelesen und gespeichert werden, der Einlesetakt zur zeitlichen Zuordnung der Echosignale und damit zur Entfernungsmessung der Objekte, die die Echosignale reflektieren, genutzt wird, die auftretenden Echos und Störsignale zeitlich zugeordnet werden, mindestens zwei aufeinander folgenden Echosignalfolgen pro Ultraschallsensor getrennt gespeichert werden und mindestens zwei aufeinander folgende derartige gespeicherte Echofolgen miteinander verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Schema der Zeitkodierung jedem Fahrzeug eine bestimmte Folge von unterschiedlichen Zeitdifferenzen zwischen je zwei Ultraschallpulsen zuordnet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens eine Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Ultraschallpulsen von drei aufeinander folgenden Ultraschallpulsen der Hindernis­ meßeinrichtung eines Fahrzeuges von den entsprechenden Zeitdifferenzen aller anderen Hinderniswarneinrichtungen der weiteren Fahrzeuge um ein Vielfaches einer minimalen Zeitdifferenz unterscheidet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß nur dann ein Hindernis als erkannt gilt, wenn bei zwei aufeianderfolgenden Vergleichen von Echosignalfolgen das Signal bis auf die zulässige Abstandsänderung durch die Bewegung der Fahrzeuge im gleichen Abstand festgestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschallsensoren gleichzeitig gezündet werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Hindernismessung für mehrere Fahrzeuge mit mindestens einem Ultraschallsender/Empfänger und einer digitalen Signalauswerteeinrichtung pro Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsignalaussendung nach einem für jedes Fahrzeug unterschiedlichen zeitkodierten Schema erfolgt, die Echosignalfolgen der Ultraschallsensoren für die Zeit, die mindestens der zur Überwachungstiefe gehörigen Schall­ Laufzeit entspricht, getaktet eingelesen und gespeichert werden, der Einlesetakt zur zeitlichen Zuordnung der Echo­ signale und damit zur Entfernungsmessung der Objekte, die die Echosignale reflektieren, genutzt wird, die auftretenden Echos und Störsignale zeitlich zugeordnet werden, mindestens zwei aufeinander folgenden Echosignal­ folgen pro Ultraschallsensor getrennt gespeichert werden und mindestens zwei aufeinander folgende derartige gespeicherte Echofolgen miteinander verglichen werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Analogausgangssignale der Ultraschallsensoren, die einen bestimmten Pegel überschreiten in ein logisches Signal umgeformt werden und die diesen Pegel nicht überschreiten in das invertierte logische Signal umgeformt werden und jedes Ausgangssignal der Ultraschallsensoren einem Porteingang eines Rechners zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Porteingängen anstehenden Signale getaktet von dem Rechner eingelesen und gespeichert werden.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei aufeinander folgende Echosignalfolgen in zwei Speicherbereichen gespeichert werden.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Echosignalfolgen auf Beginn und Ende von Echos von einzelnen Echosignalen durchsucht werden und jeweils Anfang und Ende gespeichert werden.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinander folgende Echosignal­ folgen verglichen werden und einzelne Echosignale, die nicht mit einer bestimmten zeitlichen Toleranz in gleichem Abstand auftreten, unterdrückt werden.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinander folgende Vergleiche von Echosignalfolgen verglichen werden und Echosignale, die bei beiden Vergleichen mit einer bestimmten Toleranz in gleichem Abstand auftreten als Hindernisse identifiziert werden.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ultraschallsensor bestimmte Raumwinkelbereiche zur Überwachung und Entfernungswerte zugeordnet werden, in denen gemessene Hindernisse zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit führen.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ultraschallsensoren zugeordneten Bereiche, in denen gemessene Hindernisse zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit führen, geschwindigkeitsabhängig sind.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ultraschallsensoren zugeordneten Entfernungwerte, in denen gemessene Hindernisse zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit führen, abhängig von örtlichen Bedingungen sind.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Ultraschallsensoren gleichzeitig gezündet werden und die jeweils nicht gezündeten zur Funktionsüberwachung der gezündeten verwendet werden.
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