DE9103030U1 - Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Baumaschine oder einer landwirtschaftlichen Maschine - Google Patents

Description

Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Baumaschine oder einer landwirtschaftlichen

Maschine

Beschreibung

Die vorliegende Neuerung betrifft eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Baumaschine oder einer landwirtschaftlichen Maschine, mit einem ersten Ultraschallsensor, einer Referenzechoeinrichtung und einer Meßschaltung zum Bestimmen des Abstandes zwischen dem Ultraschallsensor und einem Objekt aufgrund einer Objektecholaufzeit und einer Referenzecholaufzeit nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtungen werden seit geraumer Zeit für die Abstandsmessung und insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt. Grundsätzlich wird der zu messende Abstand zwischen einem Ultraschallsensor der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung und dem bezüglich seiner Lage zu bestimmenden Objekt aus der Laufzeit eines Ultraschallsignales oder Ultraschallpulses von dem Ultraschallsensor bis zu dem Meßobjekt und zurück zu dem Ultraschallsensor ermittelt. Wie gleichfalls bekannt ist, hängt die Laufzeit des Ultraschallsignales nicht nur von der durchlaufenen Strecke und somit von der Meßentfernung ab, sondern auch von weiteren Parametern, wie beispielsweise der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der Luftfeuchtigkeit, der Luftströmung und möglich Schallbeugungen aufgrund von Luftschichtungen mit verschiedenen Temperaturen.

Gleichfalls ist es bekannt, sich zur Kompensation derartiger Einflüsse einer Referenzechoeinrichtung zu bedienen, um die Ultraschallaufzeit über eine Bezugsstrecke zu messen, so daß die Objektentfernung von dem Ultraschallsensor weitgehend

befreit von den genannten Störungen aus dem Quotienten einer Objektecholaufzeit zu einer Referenzecholaufzeit ermittelt werden kann.

So zeigt beispielsweise die DE-OS 23 13 149 eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, die sowohl für eine Meßstrekke als auch für eine Referenzstrecke je einen Schallsender und einen Schallempfänger hat, wobei die von den Schallsendern ausgesandten Schallwellenzüge jeweils ohne Reflexion zu den entsprechenden, zugeordneten Schallempfängern gelangen. Bei der Meßstrecke ist der Schallempfänger am Ort des Meßobjektes angeordnet. Somit eignet sich diese Art einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nur für solche Anwendungsfälle, bei denen die direkte Anbringung eines Meßempfängers an einem Meßobjekt möglich ist. Für die Steuerung von landwirtschaftlichen Maschinen und Baumaschinen eignet sich diese bekannte Ultraschall-Abstandmeßeinrichtung schon aus den genannten Gründen nicht.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 87 13 874.3 der Anmelderin ist bereits eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung bekannt, die sich zur Steuerung von Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen eignet und die neben einem Ultraschallsensor und einer Meßschaltung zur Kompensation der oben beschriebenen Störeinflüsse eine Referenzeinrichtung aufweist. Bei dieser bekannten Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung hat die Referenzechoeinrichtung die Form eines Referenzechobügels, der in Meßrichtung gegenüber dem Ultraschallsensor versetzt ist und im wesentlichen in Richtung der Wellenfronten des Ultraschalls verlaufend angeordnet ist. Die erforderliche, erhebliche Beabstandung des Bügels gegenüber dem Ultraschallsensor führt zu einer sperrigen Bauweise der sich ergebenden Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, so daß diese bekannte Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nicht für alle Anwendungsfälle zu befriedigen vermag.

Aus der DE-PS 93 13 78 ist es bereits bekannt, bei einer Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung Schallwellen sowohl von

einem Schallsensor zu einer Meßfläche, deren Entfernung ermittelt werden soll, als auch zu einer Referenzreflexionsfläche auszusenden. Mittels eines von dem Schallsensor getrennt vorgesehenen Schallempfängers, der etwa im Bereich des Schallsensors angeordnet ist, werden nacheinander ein Referenzecho und ein Meßecho empfangen. Eine Zeitmeßvorrichtung mißt die Laufzeit des Meßechos. Ein Ansteuertakt der Zeitmeßvorrichtung wird proportional zur Referenzecholaufzeit nachgeführt, wodurch eine Kompensation von Laufzeitvariationen bewirkt wird. Diese bekannte Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung ist gleichfalls nur für solche Applikationen geeignet, bei denen der Einbauraum keinen starken Beschränkungen unterliegt.

Ausgehend von dem eingangs gewürdigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Neuerung die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung der oben genannten Art so weiter zu bilden, daß trotz hoher erzielbarer Meßgenauigkeit und relativ einfacher Struktur der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung besonders kompakte Abmessungen der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung gemäß Schutzanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird dadurch, daß der Ultraschallsensor zum Empfangen des Referenzechos nicht mit dem Ultraschallsensor zum Aussenden desselben identisch ist, die Gesamtlänge der Referenzechostrecke reduziert gegenüber Anwendungsfällen, bei denen ein und derselbe Ultraschallsensor sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen eines Referenzechopulses herangezogen werden muß, da die in diesem Fall zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Ultraschallpulses durch den gleichen Sensor erforderlichen Umschaltzeiten entfallen. Besondere Bedeutung kommt bei der erfindungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung der Tatsache zu, daß die Betriebssicherheit der beiden Sensoren überwacht werden kann, so daß bei einem Ausfall eines Sensors eine Alarmmeldung erzeugbar

ist oder das System deaktivierbar ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer besonders wichtigen Weiterbildung nach Anspruch 2 bedient sich die erfindungsgemäße UltraschallAbstandsmeßeinrichtung im Gegensatz zu den bekannten Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtungen nicht nur eines einzigen Reflexionsflächenelementes, durch das ein Teil der von einem Ultraschallsensor abgesandten Ultraschallstrahlung auf diesen selbst zurückgerichtet wird, sondern wenigstens zweier Reflexionsflächenelemente, durch die die von einem Ultraschallsensor ausgesandte Ultraschallstrahlung erst nach zumindest zweifacher Reflexion zu einem weiteren Ultraschallsensor zugeführt wird. Hierdurch wird die bei bekannten Ultraschallmeßeinrichtungen erforderliche erhebliche räumliche Erstreckung in Meßrichtung zum Aufbau der Referenzechostrekke ersetzt durch eine zweifach abgewinkelte Referenzecholaufstrecke, so daß schon aus diesem Grund ein erheblich kompakteres Design der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung ermöglicht wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung in Vertikalschnittdarstellung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Meßschaltung der Ausfüh-

rungsform gemäß den Fig. 1 und 2; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bestimmung der seitlichen Lage eines Meßobjektes bezogen auf die Hauptmeßrichtung durch Auswertung unterschiedlicher Signallaufzeiten.

Wie insbesondere in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2, welches eine Querwandung 3 umschließt. In der Querwandung sind symmetrisch zu einer Symmetrieachse 4 zwei Ultraschallsensoren 5, 6 angeordnet. Als Ultraschallsensoren 5, 6 kommen alle Arten von elektroakustischen Wandlerelementen in Betracht. Bei dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese elektroakustischen Wandlerelemte piezoelektrische Wandler. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand der beiden Ultraschallsensoren zwischen zwei und zwanzig Zentimeter, vorzugsweise ca. fünf Zentimeter.

Zwei um einen Winkel ß gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnete Reflexionsflächenelemente 7, 8 sind gleichfalls symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 4 angeordnet und sind einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet. Die Lage der Reflexionsflächenelemente 7, 8 ist zwei bis zwanzig Zentimeter, vorzugsweise vier bis fünf Zentimeter in Richtung der Symmetrieachse 4 gegenüber den Ultraschallsensoren 5, 6 in Meßrichtung versetzt.

Die Winkel ß, die die Neigung der Reflexionsflächenelemente 7, 8 gegenüber der Horizontalen bezeichnen, ist derart gewählt, daß ein kleiner Teil der von dem ersten Ultraschallsensor 5 ausgesandten Ultraschallstrahlung nach zweifacher Reflexion durch das erste und das zweite Reflexionsflächenelement 7, 8 auf den zweiten Ultraschallsensor 6 gerichtet wird. Hieraus ergibt sich der durch Pfeile angedeutete Weg

des Referenzechos, der sich zumindest teilweise senkrecht zu der Richtung der Symmetrieachse 4 und somit zu der Hauptmeßrichtung erstreckt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Anwendungsbeispiel dient die Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 1 zur Messung der Entfernung gegenüber einem Seil 9, welches zur Höhen- und Richtungssteuerung einer Baumaschine parallel zu einer zu fertigenden Oberfläche gespannt ist, und/oder zur Entfernungsmessung gegenüber dem Boden 10. Wie noch im einzelnen erläutert werden wird, eignet sich die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nicht nur zur fehlerkompensierten Bestimmung der Entfernung in der Hauptmeßrichtung, die der Symmetrieachse 4 entspricht, sondern auch zur Bestimmung der lateralen Lage eines Meßobjektes und somit zusätzlich zu der Höhensteuerung auch zu einer Seitensteuerung von beliebigen Maschinen, insbesondere jedoch einer Baumaschine oder landwirtschaftlichen Maschine. Bei der erfindungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung 1 kann die Betriebssicherheit der beiden Sensoren überwacht werden kann, so daß bei einem Ausfall eines Sensors eine Alarmmeldung erzeugbar ist oder das System deaktivierbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Meßschaltung 11 für die Ansteuerung und Signalauswertung der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 1. Die Meßschaltung 11 umfaßt einem Mikroprozessor 12, der über Sendegatter und Empfangsgatter 13, 14; 15, 16 mit den beiden Ultraschallsensoren 5, 6 in Steuerverbindung steht. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß durch diese Gatter 13 bis 16 angedeutet werden soll, daß die Ultraschallsensoren 5, 6 in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch den Mikroprozessor 12 entweder mit dem Ausgangssignal eines Leistungsoszillators beaufschlagt werden oder, in der Empfangsbetriebsart, an einen entsprechenden Eingang des Mikroprozessors 12 angelegt werden.

Der Mikroprozessor 12 erzeugt an Richtungssteuerausgängen 17, 18 Richtungssignale für die laterale Steuerung der Bau-

maschine. Über einen Digital-Analog-Wandler 19 ist der Mikroprozessor 12 mit einem Analogausgang 20 verbunden, an dem ein die Meßentfernung darstellendes Spannungssignal anliegt.

Der Mikroprozessor 12 ist mit einem elektrisch programmierbaren Festwertspeicher 21 (EPROM) und einem elektrisch programmierbar und elektrisch löschbarem Festwertspeicher (EEPROM) 22 versehen.

Ferner kann der Mikroprozesser ausgangsseitig an Schnittstellenschaltungen angeschlossen sein, wie beispielsweise die genormte, serielle Schnittstelle RS 485 im Falle der Schnittstellenschaltung 23 sowie das genormte CAN-Interface im Falle der Schnittstellenschaltung 24.

Ferner umfaßt die Meßschaltung 11 ein Netzteil 25 zur Spannungsversorgung der verschiedenen Komponenten innerhalb der Meßschaltung 11.

Nachfolgend wird das Meßverfahren, nach dem die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung arbeitet, unter Bezugnahme auf Fig. 4 noch näher erläutert. Der Mikroprozessor 12 steuert die beiden Ultraschallsensoren 5, 6 über die Gatter 13 bis 16 alternierend an. Dies bedeutet, daß jeweils nur einer der beiden Ultraschallsensoren 5, 6 von einem Sendepuls beaufschlagt wird. Neben den sich ergebenden Referenzechopulsen, deren Erzeugung bereits erläutert wurde, stehen vier verschiedene Meßsignale für die anschließende Signalverarbeitung zur Verfügung. Ein erstes Meßsignal ist vom ersten Ultraschallsensor 5 ausgesendet und von diesem selbst empfangen. Ein zweites Meßsignal ist vom ersten Ultraschallsensor 5 ausgesendet und wird vom zweiten Ultraschallsensor 6 empfangen. Ein drittes Meßsignal wird vom zweiten Ultraschallsensor 6 ausgesendet und wird vom ersten Ultraschallsensor 5 empfangen. Ein letztes, viertes Meßsignal wird vom zweiten Ultraschallsensor 6 ausgesendet und von diesem empfangen.

Aufgrund dieser Meßsignale können zwei Typen von Meßobjekten unterschieden werden:

Einerseits der Typ der ebenen Reflexionsfläche bis zu einer bestimmten Oberflächengenauigkeit. Derartige Flächen werden unter anderem durch Bodenflächen, Sandflächen, Straßendekken, Betonflächen, Kies- oder Schotterflächen bis zu einer gewissen Korngröße gebildet.

Der andere Typ kann als vorstehende Reflexionsfläche bezeichnet werden. Ein Beispielsfall ist eine Bordsteinkante oder ein gespanntes Draht- oder Kunststoffseil 9.

Ferner kann aus den vier Meßsignalen die seitliche Lage des Meßobjektes gegenüber der Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung 1 bestimmt werden. Dies bedeutet, daß die erfindungsgemäße Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung auch für die Seitensteuerung einer landwirtschaftlichen Maschine oder Baumaschine, beispielsweise längs eines Seiles 9 oder längs eines anderen Bezugsobjektes, verwendet werden kann.

Claims (7)

Schutzansprüche

1. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Baumaschine oder einer landwirtschaftlichen Maschine,

mit einem ersten Ultraschallsensor (5), einer Referenzechoeinrichtung und einer Meßschaltung (11) zum Bestimmen des Abstandes zwischen dem Ultraschallsensor (5) und einem Objekt (9, 10) aufgrund einer Objektecholaufzeit und einer Referenzecholaufzeit,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein zweiter Ultraschallsensor (6) vorgesehen ist, und

daß die Referenzechoeinrichtung wenigstens ein derart angeordnetes Reflexionsechoelement (7, 8) aufweist, daß ein Teil der von dem ersten Ultraschallsensor (5) ausgesandten Ultraschallstrahlung nach Reflexion an dem Reflexionsflächenelement (7, 8) von dem zweiten Ultraschal lsensor (6) empfangen werden kann.

2. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Referenzechoeinrichtung wenigstens zwei Reflexionsechoelemente (7, 8) aufweist, die derart angeordnet sind, daß ein Teil der von dem ersten Ultraschallsensor (5) ausgesandten Ultraschallstrahlung nach aufeinanderfolgende Reflexion an beiden Reflexionsflächenelementen (7, 8) von dem zweiten Ultraschallsensor (6) empfangen werden kann.

3. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Ultraschallsensoren (5, 6) symmetrisch bezüglich einer sich in Meßrichtung erstreckenden Achse (4) angeordnet sind.

4. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Referenzflächenelemente (7, 8) symmetrisch zu der Achse (4) angeordnet sind, so daß die Richtung der von einem Referenzflächenelement (7) zu dem anderen Referenzflächenelement (8) laufenden, reflektierten Ultraschallstrahlung senkrecht zu der Achse (4) ist.

5. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Meßschaltung (11; 12 bis 25) die beiden Ultraschallsensoren (5, 6) alternierend aktiviert.

6. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Meßschaltung (11) vier verschiedene Objektecholaufzeiten mißt, nämlich die Objektecholaufzeit eines von dem ersten Ultraschallsensor (5) abgegebenen und empfangenen Ultraschallsignales, die eines von dem zweiten Ultraschallsensor (6) abgegebenen und empfangenen Ultraschallsignales, die eines von dem ersten Ultraschal lsensor (5) abgegebenen und von dem zweiten Ultraschallsensor (6) empfangenen Signales sowie die eines von dem zweiten Ultraschallsensor (6) abgegebenen und von dem ersten Ultraschallsensor (5) empfangenen Signales, und daß die Meßschaltung durch Auswertung der vier Objektecholaufzeiten die laterale Lage eines Objektes (9), von dem das Echo stammt, ermittelt.

7. Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Meßschaltung (11; 12 bis 25) ein Richtungssteuersignal für die Richtungssteuerung der Maschine gegenüber dem als Bezugsrichtung dienenden Objekt (9) aus den vier Objektecholaufzeiten ableitet.