DE4407456A1 - Ultraschall-Entfernungsmesser hoher Empfindlichkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Ausbreitungspfades eines modulier­ ten Ultraschallsignals, die insbesondere freifahrenden fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) die Bestimmung ihrer absoluten Position im Raum und ihres Abstandes untereinander ermöglicht.

Für die Ortsbestimmung von FTF ist eine Anordnung zur Entfernungsmessung mittels Ultra­ schall bekannt [1]. Diese Anordnung bestimmt den Laufzeitunterschied zwischen einem Schall- und einem elektromagnetischen Signal, die gleichzeitig abgestrahlt werden, wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Schall und elektromagnetischen Wellen aber nacheinander ankommen.

In einer seiner Ausführungen sendet das System gem. [1] Ultraschall-Pulse, die den Empfängern durch elektromagnetische Startsignale angekündigt werden.

Entfernungsauflösung und Reichweite von Ultraschall-Entfernungsmessern mit Pulsen sind begrenzt, weil eine feine Entfernungsauflösung kurze Pulse erfordert, während kurze Pulse weniger Energie vom Sender zum Empfänger übertragen als längere.

Die Bandbreite des Empfängers muß dem Pulsspektrum angepaßt sein. Da kurze Pulse eine hohe Bandbreite haben, steigt die Störempfindlichkeit des Empfängers an.

Beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer FTF mit Ultraschall-Entfernungsmessern wurden erhebliche gegenseitige Störungen registriert, die noch zunehmen und sogar die Betriebssicherheit beeinträchtigen können, wenn die FTF zusätzlich mit Ultraschall-Detektoren zum Erkennen von Hindernissen ausgestattet sind.

Es ist daher notwendig, die Funktion der verschiedenartigen Entfernungsmesser und Hinder­ nisdetektoren, die Ultraschall einsetzen, miteinander zu harmonisieren.

Für eine hohe Wirtschaftlichkeit der FTF werden geringe Herstellungskosten, geringes Einbau­ volumen und hohe Zuverlässigkeit gefordert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Entfernungsmessung mittels Ultra­ schall aufzuzeigen, die sowohl empfindlicher als bekannte Anordnungen ist und auch in Ge­ genwart starker Störsignale funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem Entfernungsmesser laut Hauptanspruch gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Steigerung der Empfindlichkeit und Störsi­ cherheit durch Anwendung eines Korrelators im Empfänger, der das gestörte Schallsignal mit einem identischen, aber ungestörten Referenzsignal korreliert, wobei die mit dem Referenzsi­ gnal inkohärenten Störsignale unterdrückt werden. Dieses Referenzsignal wird mit einer elektromagnetischen Welle übertragen.

Da eine Entfernungsmessung allein zur Positionsbestimmung nicht ausreicht, müssen FTF den Abstand zu mehreren Schallgebern messen, die sich in verschiedenen Richtungen befinden.

Hierzu kann ein einzelner Entfernungsmesser mit einem omnidirektionalen Schallaufnehmer verwendet werden oder ein Schallaufnehmer mit einem rotierenden Richtdiagramm.

Weil Schallaufnehmer mit Richtdiagramm weniger Störsignale aus der Umgebung aufnehmen, steigern sie die Empfindlichkeit und damit die Reichweite ihres Empfängers.

In [2] ist ein Kommunikationssystem gezeigt, mit dem FTF untereinander kommunizieren können, obwohl sie mit Richtantennen für Sender und Empfänger ausgestattet sind, indem alle Richtantennen winkelsynchron rotieren, wobei die Richtkeulen für Sendung und Empfang um 180° gegeneinander versetzt sind.

Dies Prinzip ist auch für die Entfernungsmessung mit Ultraschall vorteilhaft anwendbar.

Der Schallgeber mit dem rotierenden Richtdiagramm läßt sich gleichzeitig auch zur Hindernis­ detektion verwenden, indem er mit einem weiteren Schallaufnehmer kombiniert ist, der die Reflektionen dieses Schallgebers aufnimmt.

Hat das Referenzsignal eine digitale Form, lassen sich die Bauelemente für seine Übertragung gleichzeitig auch zur Übertragung von Nachrichten einsetzen.

Die synchrone Rotation der Richtdiagramme minimiert die Einstrahlung eines Hindernisdetek­ tors in den Hindernisdetektor eines anderen FTF und erhöht damit die Betriebssicherheit.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Hier wird das Signal des Oszillators 1 durch den digitalen Rauschgenerator 2 im Modulator 3 in der Phase um 0°/180° moduliert, bevor es auf den Schallgeber 4 gegeben wird, die auf den Sensorkopf 8 montiert ist, der um die vertikale Achse 9 rotiert.

Ein Datensignal vom Rechner 5 wird zusammen mit dem Kode des digitalen Rauschgenera­ tors 2 im Multiplexer 6 im Zeitmultiplex auf die Leuchtdiode 7 gegeben.

Die Technik des Multiplexens und Demultiplexens digitaler Datenströme ist so bekannt, daß auf eine Erklärung dieses Prozesses verzichtet werden kann.

Der Schallaufnehmer 10 nimmt das entsprechende Signal einer anderen Einrichtung gleicher Anordnung auf und leitet es über das schmalbandige Filter 11 auf den A/D-Wandler 12, der es digitalisiert und dann auf den einen Kanal des Korrelators 13 gibt.

Die Photodiode 14 empfängt den digitalen Datenstrom, der zum vom Schallaufnehmer 10 empfangenen Schallsignal gehört und leitet ihn über das Filter 15 zum Komparator 16, der die digitale Form wiederherstellt und ihn über den Demultiplexer 17 zum Rechner 5 führt.

Im Demultiplexer 17 wird das im digitalen Datenstrom enthaltene Referenzsignal wiederher­ gestellt und dem Korrelator 13 zugeführt. Zur Überbrückung von kurzfristigen Unterbrechun­ gen des elektromagnetischen Ausbreitungsweges ist es dabei sinnvoll, wenn der Demultiple­ xer 17 den zyklischen Kode zwischenspeichert und ununterbrochen phasenrichtig wiederholt.

Der Korrelator 13, realisiert mit einem digitalen Signalprozessor, führt die Funktion

aus, wobei
u_τ: Betrag der Korrelationsfunktion,
u_S: Signal des Schallaufnehmers,
u_R: Referenzsignal bedeuten.

Der zeitliche Verlauf von u_τ weist dabei ein Maximum auf, wenn τ der Laufzeit des direkten Ausbreitungsweges zwischen Schallgeber 4 und Schallaufnehmer 10 entspricht, während gleichzeitige Ausbreitungswege, die durch Reflektion entstehen, zeitlich nachfolgende Nebenmaxima erzeugen. Das stets vorhandene stärkste Nebenmaximum ist durch Reflektion auf dem Boden zu erwarten, die unvermeidbar ist, da sich sowohl Schallgeber 4 als auch Schallaufnehmer 10 über dem Boden befinden.

Der Detektor 18 erkennt das Maximum und die Nebenmaxima von u_τ und meldet die entspre­ chenden Entfernungen und Beträge dem Rechner 5.

Ein weiterer Schallaufnehmer 19 zur Detektion von Hindernissen nimmt Reflektionen des Schalls auf den der Schallgeber 4 abgestrahlt hat. Ein weiteres Filter 20, ein A/D-Wandler 21, ein Korrelator 22 und ein Detektor 23 werten die Echos aus und melden sie dem Rechner 5. Der Korrelator 22 korreliert dabei das Echo mit dem Kode des ausgestrahlten Schallsignals.

Anhand der Abstände zu Schallgebern 4 in unterschiedlichen Richtungen bestimmt der Rech­ ner 5 seine Position nach den bekannten Verfahren der Hyperbelnavigation.

Der Rechner 5 steuert den Schrittmotor 24 zum Drehen des Sensorkopfes, wobei er zur Ein­ haltung der Synchronisation mehrere Schallgeber 4 in unterschiedlichen Richtungen peilt, in­ dem er jeweils den Verlauf des Betrages von u_τ beobachtet und prüft, ob der Betrag von u_τ wirklich in dem Moment maximal ist, wo der Schallaufnehmer auf den entsprechenden Schall­ geber ausgerichtet sein sollte, oder ob zu früh oder zu spät das Maximum erreicht.

Fig. 2 zeigt in Aufsicht mehrere FTF 25, 26, 27 und ortsfeste Baken 28, 29 mit den rotierenden Richtdiagrammen ihrer Schallgeber und Schallaufnehmer, wobei 30 sowohl die Sendekeule für den Schallgeber 4 wie auch für die Leuchtdiode 7 anzeigt, 31 die gepunktet gezeichnete Emp­ fangskeule für den Schallaufnehmer 19 zur Detektion von Hindernissen bezeichnet und 32 die Empfangskeule des Schallaufnehmers 10 sowie der Leuchtdiode 14.

Der digitale Rauschgenerator 2 in jedem FTF 19, 20, 21 und in jeder Bake 22, 23 erzeugt ei­ nen individuellen Kode. An den Ausstrahlungen beispielsweise der Bake 28 synchronisieren sich alle FTF und die andere Bake 29.

Es ist deutlich zu erkennen, daß die synchrone Rotation der Richtdiagramme zu maximalen Nebenzipfeldämpfungen für direkte Einstrahlungen und zu maximal langen Wegen für uner­ wünschte Reflektionen führt, woraus die erwünschte hohe Kompatibilität und Funktionssi­ cherheit resultiert.

Die Verwendung von Bauelementen für mehrere gleichzeitige Aufgaben wie Übertragung von Referenz- und Datensignal oder Aussendung zur Entfernungsmessung und zur Hinderniswar­ nung senkt die Herstellungskosten und steigert die Zuverlässigkeit.

Literatur
[1]: P. Rapps et.al.: "Verfahren und Ortungseinrichtung zur Ortung von Fahrzeugen fahrerloser Transportsysteme", DE 40 36 022 und EP 0 485 879 A2;
[2]: W. Horn: "Kommunikationssystem für insbesondere fahrerlose Fahrzeuge", DE 43 08 254.8.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Messung der Entfernung zwischen einem Sender und einem Empfänger für modulierte Schallwellen, wobei ein Meßsignal über eine Schallstrecke und ein Refe­ renzsignal über eine elektromagnetische Strecke übertragen werden, gekennzeichnet durch einen Korrelator, der das Schallsignal mit dem Referenzsignal korreliert und aus der Zeitdifferenz zwischen Schall- und Referenzsignalen die Entfernung ermittelt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger für das Schall- und das elektromagnetische Referenzsignal rotierende Richtdiagramme aufwei­ sen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Sender für das Schall- und das elektromagnetische Referenzsignal vorhanden sind, deren Richtdia­ gramme ebenfalls rotieren, wobei die Richtdiagramme der Sender gegenüber denen der Empfänger um 180° versetzt sind und eine Einrichtung zur winkelgenauen Synchronisa­ tion der Rotation mit anderen Einrichtungen nach diesem Anspruch vorhanden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung zum Detektieren von Hindernissen anhand Reflektionen derjenigen Schallwellen vorhan­ den ist, die von dem ortsgleichen Schallsender abgestrahlt wurden.