EP3271745A1 - Verfahren und vorrichtung zur 3d-positionsbestimmung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur 3d-positionsbestimmung

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EP3271745A1
EP3271745A1 EP16704804.0A EP16704804A EP3271745A1 EP 3271745 A1 EP3271745 A1 EP 3271745A1 EP 16704804 A EP16704804 A EP 16704804A EP 3271745 A1 EP3271745 A1 EP 3271745A1
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EP
European Patent Office
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transmitter
signal
receiver
receivers
plane
Prior art date
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Pending
Application number
EP16704804.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander RUDOY
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Meysens GmbH
Original Assignee
Toposens GmbH
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Filing date
Publication date
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    • G01S2015/465—Indirect determination of position data by Trilateration, i.e. two transducers determine separately the distance to a target, whereby with the knowledge of the baseline length, i.e. the distance between the transducers, the position data of the target is determined

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for three-dimensional positioning of a reflecting or diffusing object using at least three receivers and at least one transmitter.
  • WO 2006/130004 A1 describes a radar system for an aircraft in order to detect at least one further flying object in a region surrounding the aircraft during operation, the system comprising at least one subsystem comprising at least one transmitter for emitting an electromagnetic measurement signal and an in phase arranged array of receivers for simultaneously receiving reflections of the transmitted measurement signal and for generating received signals, each having a received reflection of the
  • the subsystem further comprises a signal processing unit for processing each of the received signals to obtain information about a detected flying object in the region surrounding the aircraft.
  • the signal processing unit is configured to determine the direction relative to the aircraft, of which the
  • Signal processing unit is configured to perform a fast Fourier transform with respect to a received signal.
  • US 2013/0172739 A1 describes a nuclear probe and an ultrasonic transducer which are connected to each other.
  • the connection aligns the coordinate systems in a known spatial relationship.
  • the ultrasound data is used to determine an offset of the Transducer or to detect a position change of the transducer without using a tracking sensor.
  • the present invention is based on the object, a method and a
  • Another object of the present invention is to provide a method and apparatus that overcomes one or more of the above-mentioned problems of the known systems.
  • an apparatus for determining the three-dimensional position of an object comprises at least one transmitter which is suitable for emitting a signal and at least three receivers, wherein the at least three receivers and the at least one transmitter are preferably arranged substantially within a first plane, a first receiver and a second receiver preferably are arranged substantially along a first straight line, preferably spaced from each other, and a third receiver is preferably arranged at a distance from the first straight line. Furthermore, the at least one transmitter which is suitable for emitting a signal and at least three receivers, wherein the at least three receivers and the at least one transmitter are preferably arranged substantially within a first plane, a first receiver and a second receiver preferably are arranged substantially along a first straight line, preferably spaced from each other, and a third receiver is preferably arranged at a distance from the first straight line. Furthermore, the at least three receivers and the at least one transmitter are preferably arranged substantially within a first plane, a first receiver and a second receiver preferably are arranged substantially along a first
  • the inventive apparatus includes a processor configured to determine at least three run times, wherein the processor is further configured to determine the three-dimensional position of the object from the determined transit times as well as the location of the transmitter and the receivers.
  • the device according to the invention is also suitable for
  • the at least one transmitter and the at least three receivers are not mounted within a plane, a position error occurs in the algorithm. However, the issued positions still have the right tendency.
  • the offset of the sensors from the plane is expressed by a shorter or longer term and thus in an imaginary offset position of the object. As described above by the term "spaced", the two receivers should be spaced apart to create a plane through the two receivers and the object, the distance being infinitesimally small, and the same for the distance between the first straight line and the third receiver.
  • this can also be the determination of the position in a half-space (for example z> 0).
  • the transit time is preferably determined as a time difference between the time at which a signal reflected and / or scattered by the object is detected at a receiver and the time at which the transmitter has sent the signal corresponding to the received signal.
  • the preset arrangement of the transmitter and the receiver for example, can be stored in the processor (or an associated memory) or can be determined metrologically, as described in more detail below.
  • the transmitter is arranged on the first straight line between the first and second receiver, for example centrally.
  • the position of the transmitter may be substantially identical to the position of one of the at least three receivers. This can be realized, for example, by one of the three receivers simultaneously serving as a transmitter.
  • the transmitter may be a stand-alone unit that is only suitable for transmitting a signal.
  • the transmitter can also be integrated into a receiver.
  • a receiver with transmit and receive functionality in a unit can also be called a sensor. However, it may be sufficient to arrange a transmitting and a receiving unit next to each other. Furthermore, the transmitter can also be arranged at a predetermined distance perpendicular to the first straight line. In other words, the starting point of the signal can be offset perpendicular to the straight line and / or perpendicular to the plane by a predetermined distance.
  • the transmitter may preferably be capable of distributing the signal isotropically in all
  • the center of the half-circle transmitter is preferably in the first Plane and on the first straight, so that the signal has its starting point on a semicircle with a distance (radius of the semicircle) from the first straight line.
  • the processor may be further configured to determine from a first delay, which requires the signal from the transmitter via the object to the first receiver, within a second plane, a first elliptical or a first elliptical orbit and a second delay, the signal from the transmitter via the object to the second receiver is required to determine within the second plane a second ellipse path or a second half ellipse path, wherein the position of the object in three-dimensional space is calculated by using the position of the intersection of the two elliptical or semi-elliptic paths in the second plane.
  • the x-coordinate may be defined as a coordinate along the first straight line.
  • the y-coordinate may be a coordinate perpendicular to the x-coordinate, with the x and y coordinates defining the first plane.
  • the z-coordinate is a coordinate that passes vertically through the first plane.
  • the origin of coordinates is placed on the position of the transmitter.
  • the position of the coordinate system has no influence on the measurement principle and can be chosen freely.
  • the first focus of the first ellipse trajectory coincides with the second focus of the first ellipse trajectory and the first focal point of the second ellipse trajectory coincides with the second focus of the second ellipse
  • Elliptical path coincides. In this case, it is a circle (as a special case of an ellipse).
  • the processor is further configured to determine an angle between the first and second planes from a third delay that requires the signal from the transmitter via the object to the third receiver.
  • the location of the second level (compared to the first level) is determined over the third term.
  • the third runtime creates a path that determines the angle or tilt between the two levels.
  • the three-dimensional position i. e.g. the x, y, z coordinates of the position of the object in the case of a Cartesian coordinate system
  • the correct of the two points of intersection selected.
  • the x-coordinate may be defined as a coordinate along the first straight line.
  • the y-coordinate may be a coordinate perpendicular to the x-coordinate, with the x and y coordinates defining the first plane.
  • the z-coordinate is a coordinate that passes vertically through the first plane.
  • the origin of coordinates is placed on the position of the transmitter.
  • the position of the coordinate system has no influence on the measurement principle and can be chosen freely.
  • a tilting of the semi-elliptical paths may result.
  • the respective elliptical orbit in each case two
  • Semi-elliptical paths are divided along the first straight line and tilted at an angle with respect to the first plane in the positive and negative directions. This method can be used, for example, when the signal source corresponds to a half-circle transmitter or even if the signal source has an extension that is opposite to the emitted one
  • Radiation is large and thus approximately corresponds to an offset perpendicular to the first straight line.
  • an apparatus as described above, the apparatus comprising a processor configured to shape out of shape and / or travel time one or more signals received from one or more of the at least three receivers and / or to determine the size and / or texture of the surface of the object.
  • a signal source which emits a plurality of short pulses to allow the object to be represented as a point cloud and thus better the
  • the method comprises transmitting a signal from a transmit position that is at least partially reflected and / or scattered by an object and receiving the at least partially reflected and / or scattered signal at at least three receive positions, wherein the at least three receive positions are preferably substantially within one arranged first level with the transmission position, wherein a first reception position and a second
  • Receiving position preferably substantially along a first straight line, preferably spaced from each other, are arranged and a third receiving position is preferably arranged at a distance from the first straight line.
  • the method further comprises determining at least three run times, the respective run time being a time which requires the signal from the transmit position over the object to the respective receive position and the determination of the three-dimensional position of the object using the determined run times and the arrangement of the objects Transmission position and the reception positions.
  • the transmission position can be arranged along the first straight line, preferably between the first and second reception position, or also with one of the at least three
  • Receiving positions is substantially identical.
  • the determination of a first coordinate of the three-dimensional position of the object can take place on the basis of a first and second transit time, which the signal from the transmitter via the object to the first or second receiver requires, and the distances of the first and the second receiving position to the transmission position, wherein the first coordinate defines the position of the object along the first straight line.
  • the determination of the position of the object in three-dimensional space is performed using an intersection of a first and a second elliptical or a first and a second elliptical orbit within a second plane, wherein a first transit time, the signal from the transmitter over the object to the first Required receiver, the first elliptical or the first Halbellipsenbahn defined in the second plane and a second transit time, the signal from the transmitter on the object to the second
  • Required receiver defines the second elliptical or the second half ellipse path in the second plane.
  • a y and z coordinate exemplary coordinate system as described above
  • the x Coordinate coordinate along the first straight line
  • the second level is defined by the first straight line and the object. In other words, the second level is a level defined by the first receiver, the second receiver and the object.
  • the first focal point of the first elliptical orbit may coincide with the second focal point of the first elliptical orbit and the first focal point of the second elliptical orbit coincide with the second focal point of the second elliptical orbit to define a circular path.
  • the calculation of the position of the object in three-dimensional space is performed using an angle between the first and second planes, wherein the third delay that the signal requires from the transmitter via the object to the third receiver defines the angle.
  • the angle defines a possible tilting of the first level against the second level (see also explanations above).
  • the method may include a step of calculating the distances of the
  • Receiving positions to the sending position wherein the calculation of the distances based on a transit time of a transmitted directly from the sending position to the respective receiving position signal, using a predetermined propagation speed based.
  • the distances can be determined on the basis of the transit times of the signals measured directly by the transmitter to the respective receiver with the aid of the method according to the invention.
  • a determination of the distances between the receivers or between the receivers and the transmitter prior to use could be omitted.
  • This could allow, for example, a flexible attachment of the receiver and transmitter, ie a fixed attachment of the elements with predetermined Distances would not be necessary.
  • This could also lead to lower manufacturing costs and more flexible application areas, eg the receivers and the transmitter could be stored independently and depending on the situation on an existing level (eg a building wall, a bumper of a car, etc.) are attached without determining the distances exactly to have to.
  • the receivers and the transmitter could be removed from the plane and reassembled at another level.
  • the position of the individual receivers could be determined to the sensor and the algorithm of
  • Tolerance deviation of each individual sensor can be adjusted.
  • the method may include a step for calculating a
  • Propagation speed of the transmitted signal wherein the calculation of the propagation velocity based on the signal transmitted directly from the transmission position to one of the at least three receiving positions, using a predetermined distance between the transmission position and the one of the at least three receiving positions.
  • the propagation speed of the signal transmitted directly from the transmission position to one of the at least three reception positions can be determined with the aid of the present invention. This is advantageous in order to provide a calibration of the device before the position determination. Furthermore, the propagation speed may change as a function of the situation (for example due to a temperature change of the environment, use in different propagation media). Thus, a calibration prior to each measurement could, among other things, improve measurement accuracy.
  • the method of the present invention is carried out repeatedly, while the transmission position is varied and preferably between two or more receiving positions. Thereby, e.g. the measuring accuracy can be increased.
  • the present invention is further directed to the use of the apparatus and method described above for one or a combination of the following applications: gesture recognition (gesture control), person recognition, Position detection of objects (persons, objects, etc.), speed measurement of objects (persons, objects, etc.), room surveillance (alarm system,
  • Presence detection Presence detection
  • volume detection detection of geometries (3D scanner)
  • creation of a 3D color image sensor + camera
  • non-destructive material testing body scanning (eg organ, tissue and bone scan), fish finder, scanning of water bottoms, microscopy, cartography, Display of temperature and gas flow, environment detection (eg for autonomous vehicles, drones), soil scanner for raw material search and / or detection of ground infrastructure, navigation, illumination of objects (detection of internal structure), security applications (eg at the airport), detection of moving objects .
  • meteorological observations use for controlling machines, use in the military sector (for example, minesweepers), level measurement, height control, presence control,
  • Collision protection for path detection, distance measurement, and / or classification.
  • the present invention is basically applicable to any type of wave, as long as corresponding transmitters and receivers for such waves can be constructed, and in particular comprises electromagnetic waves, e.g. Radio waves, microwaves,
  • Heat radiation, light, X-radiation, gamma radiation Heat radiation, light, X-radiation, gamma radiation; Pressure waves e.g. acoustic waves, shock waves; gravitational waves; Radiation such as Particle radiation and
  • Wave radiation Plasma waves; Matter waves; Bending waves; seismic waves; magnetic waves; electric waves.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a sensor arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic 3 D view of the geometric construct for three
  • Fig. 3a is a schematic plan view of the geometric construct for three
  • 3b is a schematic geometric construct of two auxiliary lines according to the first embodiment of the invention
  • 4 shows a schematic representation of a transit time measurement with two receivers according to the first embodiment of the invention
  • 5a shows a schematic geometric structure for two transit time measurements by reflection according to the first embodiment of the invention
  • 5b is a schematic representation for determining the positions of the object on two elliptical orbits according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a schematic view of a possible structure of a half-circle transmitter according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 7 is a schematic 3D view of the geometric construct for three
  • Fig. 8 a is a schematic plan view of the geometric construct for three
  • Fig. 8b is a schematic representation of the geometric construct of two
  • FIG. 9 is a schematic representation of the transit time measurement with two receivers and a half-circle transmitter according to the second embodiment of the invention.
  • 10a is a schematic representation of the geometric construct for two
  • 10b is a schematic representation of the possible positions of the object on four tilted Halbellipsenbahnen according to the second embodiment of the invention.
  • Fig. 11 is a schematic plan view of a sensor arrangement according to the third
  • Fig. 12 is a schematic 3D view of the geometric construct for three
  • FIG. 13a is a schematic plan view of the geometric construct according to FIG. 12 according to the third embodiment of the invention.
  • FIG. 13b is a schematic representation of the geometric construct of FIG. 12 according to the third embodiment of the invention.
  • FIG. 14 shows a schematic illustration for transit time measurement with two receivers according to the third embodiment of the invention
  • FIG. 15a is a schematic representation of the geometric construct for two transit time measurements by reflection according to the third embodiment of the invention
  • 15b is a schematic representation of the possible positions of the object on two circular paths according to the third embodiment of the invention.
  • 16 is a schematic diagram for switching the transmission functionality of the sensors according to the third embodiment of the invention.
  • FIG. 19 shows a schematic representation of the signals received by the two objects according to FIG. 18,
  • FIG. 20 shows a schematic representation of the signals received by the two objects according to FIG. 18, FIG.
  • 21 is a schematic representation of the reflection on two extended objects.
  • Fig. 22 is a schematic representation of a rough surface.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a first embodiment of the present invention with a first receiver 10, a second receiver 20, a third
  • Receiver 30 and a transmitter 40.
  • the relationships between the individual components are also shown and explained in more detail below.
  • the first receiver 10 has a distance 2fi from the transmitter 40 and the second one
  • Receiver 20 also has a distance 2f 2 from the transmitter 40.
  • the receiver 30 may be the distance b in the x direction and the distance a from the y direction
  • Coordinate origin O (here the position of the transmitter 40).
  • the distances a and b can assume any value.
  • a should preferably be non-zero, ie the third receiver should preferably not be arranged on the x-axis.
  • the receiver 30 should preferably be spaced apart from the first x-axis.
  • Positioning of the individual system components has an influence on the accuracy of the determined position, so the position of an object can still with
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the first embodiment in a
  • FIG. 2 shows the transmitter 40, the receivers 10, 20, 30 and the object 50 schematically. Furthermore, FIG. 2 shows the distance s, which travels the signal from the transmitter 40 to the object 50. The routes ei, ⁇ 2, e 3 as shown in FIG. 2, the distances traveled by the reflected light from the object 50 signal to the respective receivers are. The others
  • Plotted distances ⁇ 2D, y2D, d, r, a, b are used and described in more detail below.
  • the three transit time measurements are performed by means of the transmitter 40 and the three receivers 10, 20, 30.
  • the transmitter 40 generates a signal (distance s denotes the path of the fastest signal from the transmitter 40 to the object 50, ie theoretically a wave or a particle current is emitted.)
  • the distance s shows the shortest transit time and thus the first reflected signal at the object. ), which propagates in three-dimensional space until it encounters an object 50 and is partially reflected and / or scattered at it.
  • the reflected or scattered portions of the signal strike the three receivers 10, 20, 30 (along the distances ei, ⁇ 2, ej). This results in the three runtimes that arise from the transit time from the transmitter 40 to the object 50 together with the transit time from the object 50 to the individual receivers 10, 20, 30 (transit time measurement).
  • FIGS. 3 a and 3 b show the geometric construct viewed from above (FIG. 3 a:
  • FIG. 3b Top view of the z-axis
  • FIG. 3b top view of the x-axis
  • Fig. 3b shows additional auxiliary lines q, y and the coordinate z.
  • the two auxiliary lines y 2D and d are always perpendicular to the x-axis and are connected to the top of the object. Together with the distance ⁇ , these form a triangular construction (see FIGS. 3a and 3b).
  • the routes U sel , U se2 and U se3 are routes that arise through the running time (sum of the distance s and the respective distance e n ). These routes are over the
  • U s. en C tn (5)
  • auxiliary lines ⁇ ⁇ and y 2D mentioned in the above equations are the x and y coordinates of the object 50 during the position determination of the object 50 in the two-dimensional space (possibly in the second plane).
  • Invention requires a transmitter 40 and two receivers 10, 20 of the three receivers 10, 20, 30. This is shown schematically in FIG. In this arrangement, the geometric construct shown in Fig. 5a arises. Two run-time paths ej and e ⁇ give rise to two
  • Equation 13 the equation 13 for the x-component in the two-dimensional space corresponds to the equation of the x-component (equation 4) in three-dimensional space. If the equations for x 2D and y 2D for the positive half ellipse path (+) are transformed into Eqs. (2) for the three-dimensional z-coordinate and in Eq. (6) is used for the three-dimensional y-coordinate, Eq. (14) and Eq. (15):
  • the processor is preferably configured to determine, within a second level, a first ellipse path or a first half ellipse path from a first transit time, which requires the signal from the transmitter via the object to the first receiver, and a second transit time, which derives the signal from Transmitter on the object to the second receiver needed to determine within the second level a second elliptical or a second half elliptical, wherein the position of the object in
  • the preferred embodiment discussed above is based on the assumption that the transmitter 40 emits a signal substantially isotropically.
  • other transmitters e.g. the half-circle transmitter 60 shown in FIG. 6 is used.
  • the half-circle transmitter 60 according to a second embodiment of the present invention has a main body 62 through which a slot 61 (also referred to as an opening or a column) extends on its peripheral side of the main body 62. Starting from the slot 61, a signal is transmitted to propagate from there in three-dimensional space. It can thus be achieved that a signal has a defined starting point on a semicircle, i. the signal exits the half-circle transmitter 60 through the slot 61 and then propagates in three-dimensional space above the half-circle transmitter 60.
  • a half-circle transmitter 60 is a transmitter with a signal source in the form of a half-circle column 61. From the signal source, the signal is emitted simultaneously into the three-dimensional half-space.
  • Fig. 7 shows a three-dimensional representation of the situation according to the second embodiment of the present invention.
  • the signal emitted by the half-circle transmitter 60 is reflected by the object 50 to be detected in the three receivers 10, 20, 30.
  • the arrangement of the receivers 10, 20, 30 and the transmitter, here the half-circle transmitter 60 is preferably analogous to the arrangement as shown in Fig. 1. It should be noted that when using a half-circle transmitter 60, the mid-point of the semicircle corresponds to the position of the transmitter 40 shown in FIG.
  • the center of the semicircle preferably lies on the one hand within a plane with the receivers 10, 20, 30 and on the other hand on a straight line with the receivers 10, 20.
  • the signal origin lies at a predetermined distance h (radius of the half-circle transmitter 60) from the origin of the receiver Coordinate system (see Fig. 7).
  • the three transit time measurements are performed by means of the half-circle transmitter 60 and the three receivers 10, 20, 30.
  • the half-circle transmitter 60 emits a signal as described above, which propagates in three-dimensional space until it encounters an object 50 (distance s) and is partially reflected.
  • the reflected portions of the signal strike the three receivers 10, 20, 30 (stretches e h e 2 , e 3 ).
  • the three receivers 10, 20, 30 and the center of the semicircle (radius origin) are preferably arranged or fixed in one plane (at the same height).
  • the receiver 10 and the receiver 20 are preferably positioned on a straight line with the half-circle transmitter 60 (preferably on the dashed line), thus preferably directly on the x-axis.
  • the receiver 30 may have the distance b in the x-direction and the distance a from the coordinate origin O in the y-direction.
  • the distances a and b may take any value.
  • a should be non-zero.
  • Fig. 8a shows the geometric construct of Fig. 7 viewed from above (top view of the z-axis) and Fig. 8b shows the geometric construct of Fig. 7 viewed from the side (top view of the x-axis).
  • the two auxiliary lines J ⁇ ⁇ and d are always perpendicular to the x-axis and are connected to the top 50 with the object. Together with the route a these form one
  • the determination of the x-coordinate of the object 50 in three-dimensional space takes place via Eqs. and Eq. (20).
  • the Gl. gives the x coordinate of the object 50 for a runtime distance at U sel > U se2 and Eq. (20) the x-coordinate for a runtime distance at U sel ⁇ U se2 .
  • U sel > U se2 and U sel ⁇ U se2 can just as well be U sel > U se2 and U sel ⁇ U se2 .
  • the routes U sel , U se2 and U se3 are routes which arise through the running time (sum of the distance s and the respective distance e n ). These routes are over the
  • Propagation speed c of the signal and the transit times t 1? t 2 and t 3 of the signal are determined as follows:
  • the Eqs. (22) has a positive sign at y> q- ⁇ a ⁇ and ⁇ > 0 for the y-coordinate in three-dimensional space, and at y ⁇ q- ⁇ a ⁇ and ⁇ ⁇ 0. For all other value ranges, Eq. (22) a negative sign.
  • FIG. 9 shows a half-circle transmitter 60 and two receivers 10, 20.
  • the position of the object 50 lies at the intersection of the two elliptical orbits (semi-elliptical orbits). From the condition that the signal of the half-circle transmitter propagates above the plane, the point of intersection which determines the position of the object 50 is also arranged above the two-dimensional construct (above the x 2D -axis) according to FIG. It is clear that the
  • Semicircular transmitter 60 can radiate in any other direction than in this Example. In any case, it is clear that due to the limited transmission range of the half-circle transmitter 60, the relevant point of intersection of the object is determined.
  • Fig. 11 shows a third embodiment of the present invention with three sensors 100, 200, 300.
  • the sensors 100, 200, 300 can each be a component having both transmit and receive functionality.
  • at least three sensors 100, 200, 300 with receiving functionality are to be provided, and at least one of the at least three sensors 100, 200, 300 may be equipped with additional transmitting functionality.
  • all of the at least three sensors 100, 200, 300 may also be equipped with transmitting and receiving functionality, for example in order to obtain e.g. allow the system to send from different send positions (either simultaneously or with a time delay).
  • the determination of the three-dimensional position of an object 50 may be performed on the basis of three propagation time measurements.
  • the three transit time measurements are performed according to the third embodiment by means of three sensors 100, 200, 300, whereby at least one sensor (e.g., sensor 100) can transmit and receive. It is also possible that a separate transmitting and receiving device are installed close to each other to send and receive more or less from the same position.
  • a sensor 100, 200, 300 may each consist of two separate transmitting and receiving devices, which are arranged in close proximity to each other.
  • a signal is emitted by the sensor 100, which propagates in three-dimensional space until it encounters an object 50 (distance s) and is partially reflected.
  • the reflected portions of the signal strike the three sensors 100, 200, 300 (paths e / , ⁇ 2, ei). This results in the three transit times that arise from the transit time from the sensor 100 to the object 50 together with the transit time from the object 50 to the individual sensors 100, 200, 300 (transit time measurement).
  • the three sensors 100, 200, 300 are preferably arranged in one plane (i.e., at the same height).
  • the sensor 300 may be the distance b in the x direction and the y direction in the y direction
  • the distances a and b may each Assume value, wherein the distance a is preferably not equal to zero.
  • the coordinate origin 0 is preferably located on a straight line which preferably extends between the sensor 100 and 200. It will be understood, however, that the location of the origin O does not affect the feasibility of the present invention.
  • the geometric construction according to FIG. 12 is viewed from above (top view of the z-axis), the geometric construction according to FIG. 13 a results together with the auxiliary lines. If the geometric construct according to FIG. 12 is viewed from the side (top view of the x-axis), then the geometric construction according to FIG. 13b results together with the auxiliary lines.
  • the two auxiliary lines y 2D and d are always perpendicular to the x-axis and are connected at the top to the object 50. Together with the route a these form one
  • Equation for the z-coordinate of the object 50 in three-dimensional space Equation for the z-coordinate of the object 50 in three-dimensional space:
  • the Eq. (29) has a positive sign at a> 0 and a negative sign at a ⁇ 0 (for the upper position of the object 50). For the lower position, the sign is reversed.
  • the routes U sel , U se2 and U se3 are routes that arise through the running time (sum of the distance s and the respective distance e n ). These routes are over the
  • Propagation speed c of the signal and the transit times t l3 1 2 and t 3 of the signal determined as follows:
  • auxiliary lines x 2D and y 2D mentioned in the above equations are the x and y coordinates of the object 50 when determining the position of the object 50 in two-dimensional space (possibly in the second plane).
  • Two-dimensional space requires a transmitter 100 and two receivers 100, 200 (see Fig. 14). From Fig. 14 follows the geometric construct of FIG. 15a. Wherein, according to FIG. 15b, two circular paths or semicircular paths are formed by the two propagation paths. The positive result of equation (37) and equation (38) for the circular paths describes the upper semicircular path and the negative one the lower one.
  • the two elliptical or semi-elliptical orbits created by the two transit times can both be replaced by ellipsoids.
  • the object is somewhere on the path, which is created by the two intersecting ellipsoids. Accordingly, even in the case of the circular path, the circular paths or semicircular paths, which arise through the two transit times, are both replaced by balls. The object will then be somewhere on the path created by the two intersecting spheres.
  • the third runtime then produces a third ellipsoid / sphere which intersects with the orbit (which results from cutting the first two ellipsoids / spheres). There are two intersections at the top in the positive and negative in the bottom, which correspond to the three-dimensional position of the object. Then, e.g. be selected by the directivity of the transmitter and / or the receiver of one of the two points as the correct position of the object.
  • Semi-elliptical paths / semicircular path then intersects with the ellipsoid / ball, creating two points of intersection in the second plane (in which the elliptical path / circular path or semi-elliptic path lies).
  • the intersection or the intersections, above in the positive and below in the negative range at transmitters and receivers which can send and capture 360 °
  • the second plane which by the one elliptical orbit / orbit
  • An ellipsoid / sphere may also be created by the third transit time, which intersects with the intersection (or intersections, see above) in the second plane, thereby determining the three-dimensional position.
  • the sensor 16 shows, by way of example, the above-mentioned possibility of switching through the transmission functionality of the various sensors 100, 200, 300.
  • the sensor 200 assumes the transmission and reception functionality, the sensors 100, 300 acting merely as receivers.
  • the sensor 100 takes over the transmission and
  • Receive functionality and the sensors 200, 300 act exclusively as receivers.
  • the sensor 300 takes over the transmission and reception functionality and the sensors 100, 200 act exclusively as receivers. It may be beneficial if this functionality can be controlled as needed, ie at each new measurement, another sensor 100, 200, 300 could act as a transmitter and at the same time as a receiver.
  • Fig. 17 schematically shows an exemplary signal measured at one of the receivers.
  • a synchronization pulse square wave signal at the beginning of the pulse sequence in FIG. 17
  • Fig. 17 shows a first signal 1 (t 1, Pl ) which is the direct radiation
  • the subsequent pulses 2-5 are the signals reflected from different objects 1-n.
  • the pulse height (amplitude) and the measured propagation time (t 1> p 2 , t 1 > p3 , t ljp4 , t 1, Pn ,) how large the object is.
  • the signals 2 and 5 are compared with one another, it can be seen, inter alia, that the two signals have substantially the same amplitude, but that the signal 5 has a significantly longer transit time (t 1 pn > t 1, P2 ). From this it can be concluded that the nth object must be larger than the first object.
  • the width of the signal can be used to determine the extent of the object. The wider (longer) the signal, the wider the object. Consider, e.g. the signal 3, it can be seen that this is much wider than the other signals. It can
  • the second object has a larger extent than the other objects.
  • the second object could e.g. a tube (small reflection surface, larger extent).
  • This embodiment of the present invention may, among other things, be configured to control the signals, preferably the wider signals, e.g. to represent the signal 3 by several short pulses (by appropriate evaluation algorithms and hardware). This allows the object to be represented as a point cloud so as to better capture the object geometry.
  • a speed determined by the Doppler effect of the individual objects or dots can be determined.
  • the 3D position / position of the object or several objects, the nature of the object or objects, the speed of the object or objects and / or the individual points (point cloud) can be determined simultaneously (from a measurement).
  • the wave impinges on the extended object as a spherical wave (electromagnetic waves, e.g., radio waves, microwaves, heat radiation, light, X-rays, gamma rays, pressure waves, e.g., acoustic waves, shock waves, gravitational waves, radiation, e.g.
  • a spherical wave electromagnetic waves, e.g., radio waves, microwaves, heat radiation, light, X-rays, gamma rays, pressure waves, e.g., acoustic waves, shock waves, gravitational waves, radiation, e.g.
  • Particle radiation and wave radiation Plasma waves; Matter waves; Bending waves; seismic waves; magnetic waves; electric waves).
  • a surface is thus first scanned in the middle and then at the edges.
  • FIG. 18 further shows by way of example two surfaces 51, 52 (extended objects) which reflect a signal emitted from the sensor unit 100 (transmitter and receiver). For the sake of clarity, only the reflected signals are shown in FIG.
  • the surface 51 is located to the left of the sensor unit 100, and therefore reflects the signal on the right side (solid line) first. Finally, the left side (dashed line) of surface 51 reflects the signal back to sensor 100.
  • the surface 52 is in this example below the sensor unit 100, slightly offset to the left and reflects the first signal (solid line) out of the surface 52.
  • the reflected signal of the right side of the surface 52 arrives a little later on the sensor 100, so it takes a longer time (dotted line).
  • the left side (dashed line) of the surface 52 reflects the signal back to the sensor 100.
  • the surfaces 51, 52 reflect the signal over the entire surface. However, only individual reflected signals have been shown in FIG. 18 for a better overview.
  • FIG. 19 shows the time profile of the received signal reflected at the areas 51, 52 (at one of the receivers, eg sensor 100 from FIG. 18).
  • the reflected signals from the individual surfaces 51, 52 have a temporal extension t pn compared to the reflected signals (signals 1 to 5 from FIG. 17) at the individual point objects. Due to the pulse height (amplitude) and / or the area below the waveform (integrated over the waveform), the measured transit time t n and / or pulse duration t pn , the size and / or the reflectance of a
  • the solid line corresponds to the signal in a first receiver
  • the dashed line corresponds to the signal in a second receiver
  • the finer dashed line corresponds to FIG Signal in a third receiver
  • the signals In the signal profile to the reflection at the first surface 51 it can be seen that the reflected signals, due to the receiver arranged in the space, arrive with a time delay.
  • the signal to the reflection on the second surface 52 shows that the reflected signals strike the individual receivers at the same time, since the signal is first reflected just below the transmitter and the receivers, in this example, have the same distance to the transmitter ,
  • the signals stop timing, because the surface 52 is not exactly below the sensor unit 100 but is slightly shifted to the left.
  • the position is determined from the transit time t n , one obtains the position of the point on the surface 51, 52 from which the signal was first reflected. If the position is measured from the time to the end of the signal (transit time t n + pulse duration t pn ), one obtains the position of the point on the surface 51, 52 from which the signal was last reflected. From these two position values, for areas 51, 52 which are not located below the transmitter 100, one obtains the starting position and the end position of the surface 51, 52 and thus the position and the extent of an extended object in space.
  • the beginning and end point of the surface 51, 52 e.g. either the measurement is performed again with a transmitter that is not above the surface 51, 52 (the transmitter must be more than one wavelength away from the other (first) transmitter) or e.g.
  • the individual reflection signals can be assigned to the individual surfaces 51, 52.
  • Reflection signals may e.g. above:
  • Reflection signals generated by the spatial distribution of the sensors the similar waveforms (each reflected signal has a, by the object, specific waveform with which at least three signals reflected on the same object can be assigned to each other)
  • the duration of the reflection (the duration of reflection depends on the extent of the object and can therefore be assigned to the objects of different sizes, the duration of the reflection being longer, especially in the case of surfaces
  • the received signals must not be superimposed. This means that the individual surfaces 51, 52 should have a minimum distance of more than one wavelength from one another in order to be recognized as two individual surfaces 51, 52 (if the surfaces 51, 52 are at a distance of one wavelength or less from each other, they become recognized as a contiguous area 51, 52).
  • a special case are two objects / surfaces 53, 54 which have the same distance ( ⁇ one wavelength) to the sensor 100 but are offset in different directions (see FIG. 21).
  • the reflected signals would be superimposed and could not be assigned to the individual areas.
  • this may e.g. either by a repeated measurement with a transmitter which is not located exactly between the surfaces 53, 54 (the transmitter must have a distance of more than one wavelength to the position of the other (first) transmitter) or e.g. the procedure whereby all three sensors are transmitted with different keys (different frequencies or encrypted signal) and then applied to received (the individual sensors should be spaced more than one wavelength apart).
  • Fig. 22 shows a schematic representation of a rough surface.
  • the roughness consists of points and points.
  • the position of each peak and area can, as described above, and thereby the nature and in particular the surface condition (3D scan of the surface / point cloud of the surface) of an object are determined.
  • the wavelength also determines the resolution limit of the roughness of the surface to be examined.
  • the above-described methods may e.g. also in vacuum, in gases (e.g., air), in liquids (e.g., water), in solids (e.g., iron under standard conditions), or in plasma environments.
  • gases e.g., air
  • liquids e.g., water
  • solids e.g., iron under standard conditions
  • plasma environments e.g. also in vacuum, in gases (e.g., air), in liquids (e.g., water), in solids (e.g., iron under standard conditions), or in plasma environments.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Sender, der dazu geeignet ist, ein Signal abzustrahlen; mindestens drei Empfänger, wobei die mindestens drei Empfänger und der mindestens eine Sender vorzugsweise innerhalb einer ersten Ebene angeordnet sind, wobei ein erster Empfänger und ein zweiter Empfänger vorzugsweise entlang einer ersten Geraden angeordnet sind und ein dritter Empfänger von der ersten Gerade vorzugsweise beabstandet angeordnet ist; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, mindestens drei Laufzeiten zu ermitteln, wobei die jeweilige Laufzeit eine Zeit ist, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum jeweiligen Empfänger benötigt, und wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus den ermittelten Laufzeiten sowie der Anordnung des Senders und der Empfänger die dreidimensionale Position des Objekts zu bestimmen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur 3D-Positionsbestimmung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines reflektierenden oder streuenden Objekts unter Verwendung von mindestens drei Empfängern und mindestens einem Sender.
Aus dem Stand der Technik sind Techniken bekannt, welche den Abstand eines Objekts zu einer Signalquelle aufgrund eines reflektierten Signals relativ zu der Signalquelle bestimmen können, wie z.B. die Abstandsmessung bei einem Fahrzeug. Diese Systeme messen somit lediglich die Entfernung zu einem vor dem System liegenden Objekt. Demnach kann mit diesen bekannten Methoden keine Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum bestimmt werden.
Zur Positionsbestimmung (Ortung) von Objekten im dreidimensionalen Raum gibt es verschiedene Lösungen, wie z.B. die GPS-Ortung oder GSM-Ortung. Allerdings verlangen alle diese Verfahren und ihre verschiedenen Varianten ein Objekt, welches aktiv ein Signal aussendet. Somit kann ein passives Objekt, welches nicht aktiv ein Signal sendet, mit den bestehenden Lösungen nicht geortet werden.
Die WO 2006/130004 AI beschreibt ein Radarsystem für ein Flugzeug, um bei Betrieb mindestens ein weiteres Flugobjekt in einer das Flugzeug umgebenden Region zu erfassen, wobei das System mindestens ein Untersystem umfasst, welches mindestens einen Sender zum Aussenden eines elektromagnetischen Messsignals und ein in Phasen angeordnetes Array aus Empfängern zum gleichzeitigen Empfangen von Reflexionen des ausgesendeten Messsignals und zum Erzeugen von Empfangssignalen, die jeweils eine empfangene Reflexion des
Messsignals darstellen aufweist. Das Untersystem weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von jedem der Empfangssignale auf, um Informationen über ein erfasstes Flugobjekt in der das Flugzeug umgebenden Region zu erhalten. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgestaltet, um die Richtung relativ zu dem Flugzeug zu bestimmen, von der die
empfangenen Reflexionen ausgehen, und wobei, um diese Richtung zu bestimmten, die
Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, um eine schnelle Fouriertransformation bezüglich eines Empfangssignals durchzuführen.
Die US 2013/0172739 AI beschreibt eine Nuklearsonde und einen Ultraschallwandler, die miteinander verbunden sind. Die Verbindung richtet die Koordinatensysteme in einer bekannten räumlichen Beziehung aus. Die Ultraschalldaten werden verwendet, um einen Versatz des Wandlers oder eine Positionsänderung des Wandlers zu erfassen ohne einen Verfolgungssensor zu verwenden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die eine Positionsbestimmung eines Objekts im
dreidimensionalen Raum erlaubt, wobei sich das Objekt an jeder beliebigen Stelle im Raum befinden kann und dabei nicht aktiv ein Signal senden muss. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die ein oder mehrere der oben erwähnten Probleme der bekannten Systeme beseitigt.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter anderem aus der nachfolgenden Beschreibung.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Aspekte der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Sender, der dazu geeignet ist, ein Signal abzustrahlen und mindestens drei Empfänger, wobei die mindestens drei Empfänger und der mindestens eine Sender vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb einer ersten Ebene angeordnet sind, wobei ein erster Empfänger und ein zweiter Empfänger vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer ersten Geraden, bevorzugt beabstandet voneinander, angeordnet sind und ein dritter Empfänger vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist. Ferner umfasst die
erfindungsgemäße Vorrichtung einen Prozessor, der konfiguriert ist, mindestens drei Laufzeiten zu ermitteln, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus den ermittelten Laufzeiten sowie der Anordnung des Senders und der Empfänger die dreidimensionale Position des Objekts zu bestimmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch dazu geeignet, die
Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts zu bestimmen, indem die dreidimensionale Position vieler ein Objekt bildender Punkte (Punktewolke) bestimmt wird. Auf diese Weise kann nicht nur die makroskopische Form eines dreidimensionalen Objekts, sondern auch dessen
mikroskopische Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) bestimmt werden.
Sind der mindestens eine Sender und die mindestens drei Empfanger nicht innerhalb einer Ebene angebracht, so entsteht im Algorithmus ein Positionsfehler. Die ausgegebenen Positionen weisen aber immer noch die richtige Tendenz auf. Der Versatz der Sensoren von der Ebene äußert sich durch eine kürzere bzw. längere Laufzeit und dadurch in einer imaginär versetzten Position des Objekts. Wie oben durch den Begriff„beabstandet" beschrieben, sollten die beiden Empfänger einen Abstand zueinander aufweisen, um eine Ebene durch die zwei Empfänger und das Objekt zu erzeugen. Der Abstand kann dabei infinitesimal klein sein. Äquivalentes gilt auch für den Abstand zwischen der ersten Geraden und dem dritten Empfänger.
Unter der Bestimmung der dreidimensionalen Position des Objekts im Raum wird dabei die Bestimmung aller Koordinaten (z.B. x-, y- und z-Koordinate in einem kartesischen
Koordinatensystem) des Objekts, beispielsweise seines Schwerpunkts, in Bezug auf die
Anordnung von Sender und Empfängern verstanden. In einigen Ausfuhrungsformen kann es sich hierbei auch um die Bestimmung der Position in einem Halbraum (z.B. z > 0) handeln.
Die Laufzeit wird dabei bevorzugt als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem ein vom Objekt reflektiertes und/oder gestreutes Signal an einem Empfänger detektiert wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Sender das dem empfangenen Signal korrespondierende Signal gesendet hat, ermittelt.
Für die Ermittlung der Position kann die beispielsweise voreingestellte Anordnung des Senders und der Empfänger im Prozessor (oder einem zugehörigen Speicher) gespeichert sein oder aber messtechnisch bestimmt werden, wie nachfolgend näher beschrieben.
Vorzugsweise ist der Sender auf der ersten Gerade zwischen dem ersten und zweiten Empfänger, beispielsweise mittig, angeordnet. Alternativ kann die Position des Senders mit der Position eines der mindestens drei Empfänger im Wesentlichen identisch sein. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass einer der drei Empfänger gleichzeitig auch als Sender dient. Mit anderen Worten kann der Sender eine eigenständige Einheit sein, die ausschließlich zum Senden eines Signals geeignet ist. Der Sender kann aber auch in einen Empfänger integriert sein. Somit kann die Position des Senders und des Empfängers im
Wesentlichen identisch sein. Ein Empfänger mit Sende- und Empfangsfunktionalität in einer Einheit kann auch als Sensor bezeichnet werden. Es kann allerdings ausreichend sein, eine Sende- und eine Empfangseinheit nebeneinander anzuordnen. Ferner kann der Sender auch mit einem vorbestimmten Abstand senkrecht zu der ersten Geraden angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Ausgangspunkt des Signals senkrecht zur Geraden und/oder senkrecht zur Ebene um einen vorbestimmten Abstand versetzt sein.
Es können auch in allen drei Empfängern drei Sender integriert sein, die z.B. alle gleichzeitig oder zeitversetzt (verschieden modulierte Signale) senden können.
Der Sender kann vorzugsweise dazu geeignet sein, das Signal isotrop in alle
Raumrichtungen oder zumindest in einem Halbraum abzustrahlen, oder ein Halbkreissender sein. In letzterem Fall befindet sich der Mittelpunkt des Halbkreissenders vorzugsweise in der ersten Ebene und auf der ersten Geraden, sodass das Signal seinen Ausgangspunkt auf einem Halbkreis mit einem Abstand (Radius des Halbkreises) von der ersten Geraden hat. Dies soll im Kontext der Erfindung jedoch so verstanden werden, dass der Halbkreissender innerhalb der ersten Ebene angeordnet ist.
Der Prozessor kann ferner konfiguriert sein, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Ellipsenbahn oder eine erste Halbellipsenbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Ellipsenbahn oder eine zweite Halbellipsenbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird.
Beispielsweise kann die x-Koordinate als eine Koordinate entlang der ersten Geraden definiert werden. In diesem beispielhaften Koordinatensystem kann die y-Koordinate eine Koordinate senkrecht zur x-Koordinate sein, wobei die x- und y-Koordinaten die erste Ebene definieren. Somit ist die z-Koordinate eine Koordinate, die senkrecht durch die erste Ebene verläuft. Vorzugsweise wird der Koordinatenursprung auf die Position des Senders gelegt. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatensystems keinen Einfluss auf das Messprinzip hat und frei gewählt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls möglich, dass der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfallt und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten
Ellipsenbahn zusammenfällt. In diesem Fall handelt es sich um einen Kreis (als Spezialfall einer Ellipse). Mit anderen Worten ist es gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Kreisbahn oder Halbkreisbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Kreisbahn oder Halbkreisbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird.
Vorzugsweise ist der Prozessor ferner konfiguriert, aus einer dritten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfänger benötigt, einen Winkel zwischen der ersten und zweiten Ebene zu bestimmen. Mit anderen Worten, die Lage der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) wird über die dritte Laufzeit bestimmt. Ohne die dritte Laufzeit ist nur die Bestimmung der Position innerhalb der zweiten Ebene möglich. Durch die dritte Laufzeit entsteht eine Strecke, welche den Winkel bzw. die Kippung zwischen den zwei Ebenen bestimmen lässt.
Somit kann aus dem Schnittpunkt der beiden Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene und der Lage/Winkel/Kippung der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) die dreidimensionale Position, d.h. z.B. die x-, y-, z-Koordinaten der Position des Objekts im Falle eines kartesischen Koordinatensystem, im dreidimensionalen Raum bestimmt werden. Da es genaugenommen zwei Schnittpunkte von zwei sich schneidenden Ellipsen gibt, wird bevorzugt anhand der Kenntnis der Anordnung des System (beispielsweise anhand der Annahme, dass der Sender nur Signale in einem Halbraum aussendet oder ein Objekt aus geometrischen Gründen lediglich an einem der beiden Schnittpunkte präsent sein kann), der korrekte der beiden Schnittpunkte ausgewählt.
Beispielsweise kann die x-Koordinate als eine Koordinate entlang der ersten Geraden definiert werden. In diesem beispielhaften Koordinatensystem kann die y-Koordinate eine Koordinate senkrecht zur x-Koordinate sein, wobei die x- und y-Koordinaten die erste Ebene definieren. Somit ist die z-Koordinate eine Koordinate, die senkrecht durch die erste Ebene verläuft. Vorzugsweise wird der Koordinatenursprung auf die Position des Senders gelegt. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatensystems keinen Einfluss auf das Messprinzip hat und frei gewählt werden kann.
Bei Verwendung eines Halbkreissenders, sodass das Signal seinen Ausgangspunkt auf einem Halbkreis mit einem Abstand (Radius h des Halbkreises) von der ersten Geraden hat entsteht eine Verkippung der Halbellipsenbahnen. Diese Verkippung entsteht durch den Abstand (Radius) h des Ausgangssignals des Halbkreissenders. Das Signal wird um den Radius h (in der zweiten Ebene) höher ausgestrahlt als bei einem Verfahren ohne den Halbkreissender. Dadurch werden die zwei Brennpunkte der beiden Halbellipsenbahnen um den Abstand h angehoben und die oberen (positiven) Halbellipsenbahnen werden nach oben verkippt und die unteren
(negativen) Halbellipsenbahnen nach unten verkippt.
Daraus kann, wie nachstehend weiter unten näher beschrieben, eine Verkippung der Halbellipsenbahnen entstehen. Vorzugsweise bei einem Winkel ungleich null (bzw. oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes) kann die jeweilige Ellipsenbahn in jeweils zwei
Halbellipsenbahnen entlang der ersten Geraden aufgeteilt werden und unter dem Winkel in Bezug auf die erste Ebene in positiver bzw. in negativer Richtung verkippt werden. Dieses Verfahren kann z.B. Anwendung finden wenn die Signalquelle einem Halbkreissender entspricht oder auch wenn die Signalquelle eine Ausdehnung hat, die gegenüber der ausgesandten
Strahlung groß ist und somit näherungsweise einem Versatz senkrecht zur ersten Geraden entspricht.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß der vorhergehenden Beschreibung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen Prozessor aufweist, der konfiguriert ist, aus der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einem oder mehreren der mindestens drei Empfängern empfangener Signale die Ausdehnung und/oder die Größe und/oder die Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts zu ermitteln. Wobei
vorzugsweise eine Signalquelle genutzt wird, die mehrere kurze Impulse aussendet um zu ermöglichen, dass das Objekt als eine Punktewolke darzustellen ist um somit besser die
Objektgeometrie zu erfassen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Senden eines Signals von einer Sendeposition, das zumindest teilweise von einem Objekt reflektiert und/oder gestreut wird und das Empfangen des zumindest teilweise reflektierten und/oder gestreuten Signals an mindestens drei Empfangspositionen, wobei die mindestens drei Empfangspositionen vorzugsweise im Wesentlichen innerhalb einer ersten Ebene mit der Sendeposition angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsposition und eine zweite
Empfangsposition vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer ersten Geraden, bevorzugt voneinander beabstandet, angeordnet sind und eine dritte Empfangsposition vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen von mindestens drei Laufzeiten, wobei die jeweilige Laufzeit eine Zeit ist, die das Signal von der Sendeposition über das Objekt bis zur jeweiligen Empfangsposition benötigt und das Ermitteln der dreidimensionalen Position des Objekts unter Verwendung der bestimmten Laufzeiten sowie der Anordnung der Sendeposition und der Empfangspositionen.
Die Sendeposition kann entlang der ersten Geraden angebracht sein, bevorzugt zwischen der ersten und zweiten Empfangsposition, oder auch mit einer der mindestens drei
Empfangspositionen im Wesentlichen identisch ist.
Die Ermittlung einer ersten Koordinate der dreidimensionalen Position des Objekts kann auf der Basis einer ersten und zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten bzw. zweiten Empfänger benötigt, und der Abstände der ersten und der zweiten Empfangsposition zur Sendeposition erfolgen, wobei die erste Koordinate die Position des Objekts entlang der ersten Geraden definiert. Vorzugsweise wird die Ermittlung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Schnittpunktes einer ersten und einer zweiten Ellipsenbahn oder einer ersten und einer zweiten Halbellipsenbahn innerhalb einer zweiten Ebene durchgeführt, wobei eine erste Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, die erste Ellipsenbahn oder die erste Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert und eine zweite Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten
Empfänger benötigt, die zweite Ellipsenbahn oder die zweite Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert. Unter Verwendung des Schnittpunktes der ersten und der zweiten Ellipsenbahn oder der ersten und der zweiten Halbellipsenbahn innerhalb der zweiten Ebene kann nicht nur eine y- und z-Koordinate (beispielhaftes Koordinatensystem wie oben beschrieben) des Objekts im dreidimensionalen Raum bestimmt werden, sondern auch die x-Koordinate (Koordinate entlang der ersten Geraden) des Objekts im dreidimensionalen Raum. Die zweite Ebene wird dabei durch die erste Gerade und das Objekt definiert. Mit anderen Worten, die zweite Ebene ist eine Ebene, die durch den ersten Empfänger, den zweiten Empfänger und das Objekt definiert ist.
Wie oben bereits beschrieben kann der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfallen und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn zusammenfallen um eine Kreisbahn zu definieren.
Vorzugsweise wird die Berechnung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Winkels zwischen der ersten und zweiten Ebene durchgeführt, wobei die dritte Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfänger benötigt, den Winkel definiert. Der Winkel definiert dabei eine mögliche Verkippung der ersten Ebene gegen die zweite Ebene (siehe auch Erläuterungen oben).
Ferner kann das Verfahren einen Schritt zur Berechnung der Abstände der
Empfangspositionen zu der Sendeposition aufweisen, wobei die Berechnung der Abstände auf einer Laufzeit eines direkt von der Sendeposition zur jeweiligen Empfangsposition übertragenen Signals, unter Verwendung einer vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit, beruht.
Ist mit anderen Worten die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bekannt, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abstände auf der Basis der direkt vom Sender zum jeweiligen Empfänger gemessenen Laufzeiten der Signale bestimmt werden. Somit könnte eine Bestimmung der Abstände zwischen den Empfängern bzw. zwischen den Empfängern und dem Sender im Vorfeld der Benutzung entfallen. Dies könnte z.B. eine flexible Anbringung der Empfänger und Sender ermöglichen, d.h. eine feste Anbringung der Elemente mit vorbestimmten Abständen wäre nicht zwingend nötig. Dies könnte auch zu geringeren Herstellungskosten und flexibleren Anwendungsgebieten führen, z.B. könnten die Empfänger und der Sender unabhängig voneinander aufbewahrt werden und je nach Situation an einer vorhandenen Ebene (z.B. einer Gebäudewand, einer Stoßstange eines Autos etc.) angebracht werden, ohne die Abstände genau bestimmen zu müssen. Nach Verwendung könnten die Empfänger und der Sender von der Ebene abgenommen werden und an einer anderen Ebene neu angebracht werden. Als weiteres Beispiel könnte im Produktionsprozess des Sensorsystems die Position der einzelnen Empfänger zum Sensor bestimmt werden und der Algorithmus der
Toleranzabweichung jedes einzelnen Sensors angepasst werden.
Alternativ kann das Verfahren einen Schritt zur Berechnung einer
Ausbreitungsgeschwindigkeit des gesendeten Signals aufweisen, wobei die Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem direkt von der Sendeposition zu einer der mindestens drei Empfangspositionen übertragenen Signals, unter Verwendung eines vorgegebenen Abstands zwischen der Sendeposition und der einen der mindestens drei Empfangspositionen, beruhen.
Sind mit anderen Worten die Abstände zwischen den Empfängern und dem Sender bekannt, kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Ausbreitungsgeschwindigkeit des aus dem direkt von der Sendeposition zu einer der mindestens drei Empfangspositionen übertragenen Signals bestimmt werden. Dies ist vorteilhaft, um eine Kalibrierung der Vorrichtung vor der Positionsbestimmung bereitzustellen. Ferner kann sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit situationsbedingt ändern (z.B. durch eine Temperaturänderung der Umgebung, Einsatz in verschiedenen Ausbreitungsmedien). Somit könnte eine Kalibrierung vor jedem Messvorgang unter anderem die Messgenauigkeit verbessern.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren wie oben beschrieben bereitgestellt sein und zusätzlich einen Schritt zum Berechnen der Ausdehnung und/oder der Größe und/oder der Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts unter Verwendung der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einer oder mehreren der drei
Empfangspositionen empfangener Signale aufweisen.
Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung wiederholt ausgeführt wird und dabei die Sendeposition variiert wird und bevorzugt zwischen zwei oder mehreren Empfangspositionen wechselt. Dadurch kann z.B. die Messgenauigkeit erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung bzw. des oben beschriebenen Verfahrens für eine oder eine Kombination der folgenden Anwendungen: Gestenerkennung (Gestensteuerung), Personenerkennung, Positionserkennung von Objekten (Personen, Gegenstände, usw.), Geschwindigkeitsmessung von Objekten (Personen, Gegenstände, usw.), Raumüberwachung (Alarmanlage,
Präsenzerkennung), Volumenerkennung, Erkennung von Geometrien (3D-Scanner), Erzeugen eines 3D-Farbbildes (Sensor + Kamera), zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Körperscan (z.B. Organ-, Gewebe- und Knochenscan), Fischfinder, Scannen von Gewässerböden, Mikroskopie, Kartographie, Darstellung von Temperatur- und Gasfluss, Umgebungserkennung (z.B. für autonome Fahrzeuge, Drohnen), Bodenscanner zur Rohstoffsuche und/oder Erkennung der Bodeninfrastruktur, Navigation, Durchleuchten von Objekten (Erkennung der inneren Struktur), Sicherheitsanwendungen (z.B. am Flughafen), Erkennung von bewegten Objekten,
meteorologische Beobachtungen, Einsatz zur Steuerung von Maschinen, Einsatz im militärischen Bereich (z.B. Minensucher), Füllstandmessung, Höhenkontrolle, Anwesenheitskotrolle,
Kollisionsschutz, Wegerfassung, Entfernungsmessung, und/oder Klassifizierung.
Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf jede Art von Welle anwendbar, sofern entsprechende Sender und Empfänger für derartige Wellen konstruiert werden können, und umfasst insbesondere elektromagnetische Wellen wie z.B. Radio wellen, Mikrowellen,
Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung; Druckwellen z.B. akustische Wellen, Stoßwellen; Gravitationswellen; Strahlung wie z.B. Teilchenstrahlung und
Wellenstrahlung; Plasmawellen; Materiewellen; Biegewellen; seismische Wellen; magnetische Wellen; elektrische Wellen.
Merkmale, die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben sind, können selbstverständlich auch entsprechenden Eigenschaften der entsprechenden Einrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen. Entsprechend können Merkmale der beschriebenen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Verfahrensmerkmalen entsprechen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematisches 3 D- Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei
Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 a eine schematische Draufsicht auf das geometrische Konstrukt für drei
Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3b ein schematische geometrisches Konstrukt aus zwei Hilfsstrecken gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Laufzeitmessung mit zwei Empfängern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5a ein schematisches geometrisches onstrukt für zwei Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5b eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Positionen des Objekts auf zwei Ellipsenbahnen gemäß der ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine schematisches Ansicht eines möglichen Aufbaus eines Halbkreissenders gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische 3D-Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei
Laufzeitmessungen durch Reflexion mit einem Halbkreisender gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 a eine schematische Draufsicht auf das geometrische Konstrukt für drei
Laufzeitmessungen durch Reflexion mit einem Halbkreissender gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8b eine schematische Darstellung des geometrischen Konstrukts aus zwei
Hilfsstrecken gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Laufzeitmessung mit zwei Empfängern und einem Halbkreissender gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10a eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts für zwei
Laufzeitmessungen durch Reflexion mit Halbkreissender gemäß der zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 10b eine schematische Darstellung der möglichen Positionen des Objekts auf vier gekippten Halbellipsenbahnen gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 11 eine schematische Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß der dritten
Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 12 eine schematisches 3D-Ansicht des geometrischen Konstrukts für drei
Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 13a eine schematische Draufsicht des geometrische Konstrukts gemäß Fig. 12 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 13b eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts gemäß Fig. 12 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Laufzeitmessung mit zwei Empfängern gemäß der dritten Ausf hrungsform der Erfindung, Fig. 15a eine schematische Darstellung des geometrisches Konstrukts für zwei Laufzeitmessungen durch Reflexion gemäß der dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 15b eine schematische Darstellung der möglichen Positionen des Objekts auf zwei Kreisbahnen gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 16 eine schematische Darstellung zum Durchschalten der Sendefunktionalität der Sensoren gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 17 eine schematische Darstellung der empfangenen Signale gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 18 eine schematische Darstellung der Reflexion an zwei ausgedehnten Objekten,
Fig. 19 eine schematische Darstellung der von den beiden Objekten gemäß Figur 18 empfangenen Signale,
Fig. 20 eine schematische Darstellung der von den beiden Objekten gemäß Figur 18 empfangenen Signale,
Fig. 21 eine schematische Darstellung der Reflexion an zwei ausgedehnten Objekten, und
Fig. 22 eine schematische Darstellung einer rauen Oberfläche.
Fig.1 zeigt den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Empfänger 10, einem zweiten Empfänger 20, einem dritten
Empfänger 30 und einem Sender 40. Die Beziehungen zwischen den einzelnen Komponenten sind ebenfalls gezeigt und nachstehend genauer erklärt.
Der Sender 40 und die drei Empfänger 10, 20, 30 sind gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise auf gleicher Höhe (d.h. vorzugsweise innerhalb einer ersten Ebene, die hier durch z=0 charakterisiert ist) angeordnet. Der Empfänger 10 und der Empfänger 20 sind vorzugsweise in einer Reihe (d.h. vorzugsweise entlang einer ersten Geraden) mit dem Sender 40 positioniert (vorzugsweise auf der gestrichelte Linie), also hier vorzugsweise auf der x- Achse (d.h. y=0 und z=0). Der erste Empfanger 10 hat einen Abstand 2fi von dem Sender 40 und der zweite
Empfänger 20 hat ebenfalls einen Abstand 2f2 von dem Sender 40. Die Abstände können sowohl unterschiedlich groß sein, d.h. 2fj φ 2f2, als auch gleich groß sein, d.h. 2fi = 2f2. Der Empfänger 30 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die Entfernung a vom
Koordinatenursprung O (hier die Position des Senders 40) aufweisen. Dabei können die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen. Allerdings sollte a bevorzugt ungleich null sein, d.h. der dritte Empfänger sollte bevorzugt nicht auf der x- Achse angeordnet sein. Mit anderen Worten, der Empfänger 30 sollte vorzugsweise zur ersten x- Achse beabstandet angeordnet sein. Auch wenn in Fig. 1 von einer mathematisch korrekten Positionierung innerhalb einer Ebene bzw. entlang einer Geraden ausgegangen wird, wird dem Fachmann klar sein, dass kleine Abweichungen hiervon, die sich bereits aus Fertigungstoleranzen etc. ergeben können, nicht aus dem Schutzumfang der Erfindung herausführen können. Auch wenn die Exaktheit der
Positionierung der einzelnen Systemkomponenten einen Einfluss auf die Genauigkeit der ermittelten Position hat, so lässt sich die Position eines Objekts auch dann noch mit
hinreichender Genauigkeit bestimmten, wenn die Komponenten 10, 20, 30 und 40 im
Wesentlichen innerhalb einer Ebene angeordnet sind und/oder wenn die Komponenten 10, 20 und 40 im Wesentlichen entlang einer Gerade angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform in einer
dreidimensionalen Ansicht. Gemäß Fig. 2 sind der Sender 40, die Empfänger 10, 20, 30, sowie das Objekt 50 schematisch gezeigt. Ferner zeigt Fig. 2 die Strecke s, die das Signal vom Sender 40 zum Objekt 50 zurücklegt. Die Strecken ei, β2, e3 gemäß Fig. 2 sind die Strecken, die das am Objekt 50 reflektierte Signal zu den jeweiligen Empfängern zurücklegt. Die weiteren
eingezeichneten Strecken \2D, y2D, d, r, a, b werden nachstehend verwendet und näher beschrieben.
Für die Bestimmung der dreidimensionalen Position des Objekts 50, werden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drei Laufzeitmessungen durchgeführt. Die drei Laufzeitmessungen werden mittels des Senders 40 und der drei Empfänger 10, 20, 30 durchgeführt. Durch den Sender 40 wird ein Signal (Strecke s bezeichnet den Weg des schnellsten Signals vom Sender 40 zum Objekt 50, d.h. es wird theoretisch eine Welle oder ein Teilchenstrom ausgestrahlt. Die Strecke s zeigt die kürzeste Laufzeit und somit das erste reflektierte Signal am Objekt.) ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft und teilweise reflektiert und/oder an diesem gestreut wird. Die reflektierten bzw. gestreuten Anteile des Signals treffen auf die drei Empfänger 10, 20, 30 (entlang der Strecken ei, β2, ej). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Sender 40 zum Objekt 50 zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zu den einzelnen Empfängern 10, 20, 30 entstehen (Laufzeitmessung).
Betrachtet man die Strecke .y die das Signal vom Sender 40 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt und die einzelnen Strecken ei, e2 und e3, die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 zurücklegen, so erhält man das in Fig. 2 gezeigte,
dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den Hilfsstrecken X2D, y2D, d, r, a, b.
Figuren 3 a und 3b zeigen das geometrische Konstrukt von oben betrachtet (Fig. 3 a:
Draufsicht auf die z- Achse) bzw. von der Seite betrachtet (Fig. 3b:Draufsicht auf die x- Achse). Fig. 3b zeigt zusätzliche Hilfsstrecken q, y und die Koordinate z. Die zwei Hilfsstrecken y2D und d stehen immer senkrecht zu der x-Achse und sind oben mit dem Objekt verbunden. Zusammen mit der Strecke α bilden diese eine Dreieckskonstruktion (siehe Fig. 3a und 3b).
Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:
Wird die Gl. (1) für die Strecke a nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:
V2y2 2 Da2 - y2 4 D - rf4 + 2d2y D + 2d2a2 - a4
a
Wobei die Gl. (2) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives
Vorzeichen besitzt (für die obere Position des Objekts 50, d.h. oberhalb der Ebene, in der sich die Empfänger 10, 20, 30 und der Sender 40 befinden). Befindet sich das Objekt 50 unterhalb der Ebene, in der sich die Empfänger 10, 20, 30 und der Sender 40 befinden, wird das Vorzeichen umgekehrt.
Die Hilfsstrecke d in der Gl. (2) entspricht der folgenden Gleichung:
d = Use3 l2D + y z> ) - 0 - *2D)2 (3)
Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:
= 1 -4/2 2t/sel + 4A2E/se2 - Use2 s 2 el + UselU e2
Die Strecken Usel, Use2 und Use3 sind Strecken, die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke en). Diese Strecken werden über die
Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten t , t2 und t3, die das Signal vom Sender 40 bis zum jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 benötigt, wie folgt bestimmt: U s. en = C t n (5)
Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:
Wobei die Gl. (6) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positives
Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (6) ein negatives Vorzeichen.
Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:
Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken χ Ώ und y2D sind die x und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum (ggf. in der zweiten Ebene)
Für die Bestimmung der x und y-Koordinate (x2D und y2D) des Objekts 50 im
zweidimensionalen Raum werden gemäß der ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden
Erfindung ein Sender 40 und zwei Empfänger 10, 20 der drei Empfänger 10, 20, 30 benötigt. Dies ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei dieser Anordnung entsteht das in Fig. 5a gezeigte geometrische Konstrukt. Durch die zwei Laufzeitstrecken ej und e^ entstehen zwei
Ellipsenbahnen (siehe Fig. 5b). Die Position des Objekts 50 liegt gemäß Fig. 5b im Schnittpunkt der zwei Ellipsenbahnen. Die beiden ersten Brennpunkte der zwei Ellipsenbahnen fallen dabei genau an der Position des Senders 40 (Ursprung der Strecke s) zusammen.
Aus den geometrischen Konstrukten gemäß den Figuren 5 a und 5b ergeben sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (Usel und Use2)
und yio + xw + }yh + (2 2 + *2D) (9)
Wird die Gl. (8) für die Laufzeitstrecke Usel nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
4/i2 + UjeiX-Usex + 4*2 2 D + 4Λ2 - 8A»2D) (10)
Wird die Gl. (9) für die Laufzeitstrecke Use2 nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
Die Gleichungen, mit einem positiven Vorzeichen, für die Halbellipsenbahnen (10) und (11) werden gleichgesetzt und nullgesetzt:
Nach dem Umstellen der Gl. (12) nach x2D ergibt sich unter anderem die folgende Gleichung:
- fjUsel + Vissel ~ Use2 Ull + ^1^2
Es ist zu erwähnen, dass die Gleichung 13 für die x-Komponente im zweidimensionalen Raum der Gleichung der x-Komponente (Gl. 4) im dreidimensionalen Raum entspricht. Werden die Gleichungen für x2D und y2D für die positive Halbellipsenbahn (+) in die Gl. (2) für die dreidimensionale z-Koordinate und in die Gl. (6) für die dreidimensionale y-Koordinate eingesetzt, so ergibt sich die Gl. (14) und die Gl. (15):
N
+1 Selbstverständlich stellt die hier im Detail diskutierte bevorzugte Ausfuhrungsform lediglich eine exemplarische Art der Berechnung der Koordinaten dar. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf dieses Beispiel beschränkt. Vielmehr lassen sich aus der geometrischen
Situation, die in den Figuren dargestellt ist, auch andere Gleichungen ableiten, mit Hilfe derer der Fachmann die einzelnen Koordinaten der Objektposition berechnen kann. Lediglich beispielhaft sei erwähnt, dass sämtliche Gleichungen in einem Polarkoordinatensystem völlig anders aussehen. Der Erfindung liegt jedoch unter anderem der allgemeine Gedanke zugrunde, dass zwei der ermittelten drei Laufzeiten zwei sich schneidende Ellipsenbahnen definieren, wie dies in Fig. 5b gezeigt ist. Demensprechend ist der Prozessor bevorzugt dazu konfiguriert, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Ellipsenbahn oder eine erste Halbellipsenbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfänger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Ellipsenbahn oder eine zweite Halbellipsenbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im
dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden
Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird, ohne dass die Erfindung auf eine bestimmte Art der Berechnung beschränkt wäre.
Die oben diskutierte bevorzugte Ausführungsform basiert auf der Annahme, dass der Sender 40 ein Signal im Wesentlichen isotrop aussendet. Allerdings können stattdessen auch andere Sender wie z.B. der in Fig. 6 gezeigte Halbkreissender 60 verwendet werden. Der Halbkreissender 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Hauptkörper 62 auf, durch den ein Schlitz 61 (auch als Öffnung oder Spalte bezeichnet) auf seiner Umfangsseite des Hauptkörpers 62 verläuft. Ausgehend von dem Schlitz 61 wird ein Signal ausgesendet, um sich von dort aus im dreidimensionalen Raum auszubreiten. Damit kann erreicht werden, dass ein Signal einen definierten Startpunkt auf einem Halbkreis hat, d.h. das Signal tritt durch den Schlitz 61 aus dem Halbkreissender 60 aus und breitet sich daraufhin im dreidimensionalen Raum oberhalb des Halbkreissenders 60 aus.
Mit anderen Worten, bei einem Halbkreissender 60 handelt es sich um einen Sender mit einer Signalquelle in Form einer Halbkreisspalte 61. Aus der Signalquelle wird das Signal gleichzeitig in den dreidimensionalen Halbraum ausgesendet. Die Halbkreisform der
Signalquelle ermöglicht dabei eine Objekterfassung oberhalb des Halbkreissenders 60, d.h. für z > 0 (vgl. Fig. 7). Es sind selbstverständlich auch Variationen des Halbkreissenders 60 möglich, bei denen die Signalquelle kleiner oder größer als 180 Grad ist. Fig. 7 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Situation gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das vom Halbkreissender 60 ausgesendete Signal wird durch das zu detektierende Objekt 50 in die drei Empfänger 10, 20, 30 reflektiert.
Zusätzlich zu den aus Fig. 2 bekannten Strecken s, eL e2, e3, d, a, b, r, y2D, X2D ist in Fig. 7 der Radius h des Halbkreissenders 60 gezeigt.
Die Anordnung der Empfänger 10, 20, 30 und des Senders, hier der Halbkreissender 60, ist vorzugsweise analog zur Anordnung wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Zu beachten ist, dass bei Verwendung eines Halbkreissenders 60 der Mittelpunkt des Halbkreises der Position des Senders 40 gemäß Fig. 1 entspricht, d.h. der Mittelpunkt des Halbkreises liegt vorzugsweise zum einen innerhalb einer Ebene mit den Empfängern 10, 20, 30 und zum anderen auf einer Geraden mit den Empfängern 10, 20. Somit liegt der Signalursprung in einem vorgegebenen Abstand h (Radius des Halbkreissenders 60) vom Ursprung des Koordinatensystems (vgl. Fig. 7).
Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden für die
Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objekts 50 drei Laufzeitmessungen durchgeführt. Die drei Laufzeitmessungen werden mit Hilfe des Halbkreissenders 60 und der drei Empfänger 10, 20, 30 durchgeführt. Durch den Halbkreissender 60 wird ein Signal wie oben beschrieben ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft (Strecke s) und teilweise reflektiert wird. Die reflektierten Anteile des Signals treffen auf die drei Empfänger 10, 20, 30 (Strecken eh e2, e3). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Halbkreissender 60 zum Objekt 50 (Zeit die das Signal für die Strecke s benötigt) zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zum einzelnen Empfänger 10, 20, 30 (Zeit die das Signal für die jeweilige Strecke ej, e2, e3 benötigt) entstehen
(Laufzeitmessung) .
Die drei Empfänger 10, 20, 30 und der Mittelpunkt des Halbkreises (Radiusursprung) sind vorzugsweise in einer Ebene (auf gleicher Höhe) angeordnet oder befestigt. Der Empfänger 10 und der Empfänger 20 sind vorzugsweise auf einer Geraden mit dem Halbkreissender 60 positioniert (vorzugsweise auf der gestrichelten Linie), also vorzugsweise direkt auf der x- Achse. Der Empfanger 30 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die Entfernung a vom Koordinatenursprung O aufweisen. Dabei darf die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen. Vorzugsweise sollte a ungleich null sein.
Betrachtet man die Strecke s, die das Signal vom Halbkreissender 60 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt und die einzelnen Strecken e1; e2 und e3, die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Empfänger 10, 20, 30 zurücklegen, so erhält man das in Fig. 7 gezeigte,
dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den eingezeichneten Hilfsstrecken. Fig. 8a zeigt das geometrische Konstrukt von Fig. 7 von oben betrachtet (Draufsicht auf die z- Achse) und Fig. 8b zeigt das geometrische Konstrukt von Fig. 7 von der Seite betrachtet (Draufsicht auf die x- Achse).
Die zwei Hilfsstrecken J^Ö und d, stehen immer senkrecht zu der x- Achse und sind oben mit dem Objekt 50 verbunden. Zusammen mit der Strecke a bilden diese eine
Dreieckskonstruktion gemäß den Fig. 8a und 8b.
Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:
Wird die Gl. (16) für die Strecke a nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:
Wobei die Gl. (17) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives
Vorzeichen besitzt (für die obere Position des Objekts 50). Für die untere Position wird das Vorzeichen umgekehrt. Obere Position bedeutet, dass sich das Objekt 50 oberhalb der durch die drei Empfänger 10, 20, 30 definierte Ebene befindet. Untere Position bedeutet dementsprechend, dass sich das Objekt 50 unterhalb der durch die drei Empfänger 10, 20, 30 definierte Ebene befindet.
Die Hilfsstrecke d in der Gl. (17) entspricht der Folgenden Gleichung:
Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die Gl. und Gl. (20). Die Gl. gibt die x-Koordinate des Objekts 50 für eine Laufzeitstrecke bei Usel > Use2 und die Gl. (20) die x-Koordinate für eine Laufzeitstrecke bei Usel < Use2. Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass es genauso gut Usel > Use2 und Usel < Use2 heißen kann. o
Die Strecken Usel, Use2 und Use3 sind Strecken die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke en). Diese Strecken werden über die
Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten t1? t2 und t3 des Signals wie folgt bestimmt:
Usen = C tn (21)
Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung:
Wobei, die Gl. (22) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positives Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (22) ein negatives Vorzeichen.
Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:
Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken X2D un y2o sm(i d e x- und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum.
Für die Bestimmung der x und y-Koordinate {x2D und y2o) des Objekts 50 im
zweidimensionalen Raum zeigt Fig. 9 einen Halbkreissender 60 und zwei Empfänger 10, 20.
Aus Fig. 9 kann das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 10a aufgestellt werden. Durch diese Anordnung entstehen ferner vier Halbellipsenbahnen gemäß Fig. 10b, die sich miteinander schneiden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere der zweiten Ausführungsform, liegt die Position des Objekts 50 im Schnittpunkt der zwei Ellipsenbahnen (Halbellipsenbahnen). Aus der Bedingung, dass sich das Signal des Halbkreissenders oberhalb der Ebene ausbreitet, ist der Schnittpunkt, der die Lage des Objekts 50 bestimmt, ebenfalls oberhalb des zweidimensionalen Konstrukts (oberhalb der x2D- Achse) gemäß Fig. 9 angeordnet. Es ist klar, dass der
Halbkreissender 60 auch in eine andere beliebige Richtung abstrahlen kann als in diesem Beispiel. In jedem Fall ist klar, dass aufgrund des limitierten Sendebereichs des Halbkreissenders 60 der für die Lage des Objekts relevante Schnittpunkt festgelegt ist.
Aus dem geometrischen Konstrukt ergeben sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (Usel und Use2):
U s. ei (24) und uSe2 = (25)
Wird die Gl. (24) für die Laufzeitstrecke Usel nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
Wird die Gl. (25) für die Laufzeitstrecke Use2 nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
Werden die Gl. (26) und Gl. (27) , mit positiven Vorzeichen, gleichgesetzt, nullgesetzt und nach x2D umgestellt, so erhält man die Gleichung für die x2D -Koordinate. Diese ist die Gleiche wie die für die x-Koordinate und entspricht somit der Gl. und Gl. (20). Für die zweite Ausführungsform wird auf das Einsetzen der einzelnen Ergebnisse aufgrund der Komplexität der Ausdrücke verzichtet. Es ist dem Fachmann klar, dass dies im Wesentlichen analog zu der Art und Weise wie schon anhand des ersten Ausfuhrungsbeispiels beschrieben ausgeführt werden kann, um eine„Endgleichung" für die Koordinaten des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum zu erhalten. Es wird aber auch ausdrücklich daraufhingewiesen, dass es nicht zwingend notwendig ist, die„Endgleichungen" aufzustellen, da eine sukzessive
Berechnung der oben beschriebenen Rechenschritte ausreicht, um die Position des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.
Fig. 11 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit drei Sensoren 100, 200, 300. Die Sensoren 100, 200, 300 können jeweils ein Bauteil sein, das sowohl Sendeais auch Empfangsfunktionalität besitzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollen mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 mit Empfangsfunktionalität bereitgestellt werden und mindestens einer der mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 kann mit zusätzlicher Sendefunktionalität ausgestattet sein. Es können aber auch alle der mindestens drei Sensoren 100, 200, 300 mit Sende-und Empfangsfunktionalität ausgestattet sein, um z.B. dem System zu ermöglichen, von verschiedenen Sendepositionen zu senden (entweder gleichzeitig oder zeitversetzt).
Gemäß der dritten Ausführungsform kann die Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objekts 50 auf der Basis von drei Laufzeitmessungen durchgeführt werden. Die drei Laufzeitmessungen werden gemäß der dritten Ausführungsform mittels drei Sensoren 100, 200, 300 durchgeführt, wobei mindestens ein Sensor (z.B. Sensor 100) senden und empfangen kann. Möglich ist ebenfalls, dass eine separate Sende- und Empfangsvorrichtung nah beieinander verbaut werden, um mehr oder weniger von der gleichen Position aus zu senden und zu empfangen. Mit anderen Worten, ein Sensor 100, 200, 300 kann auch jeweils aus zwei getrennten Sende- und Empfangsvorrichtungen bestehen, welche in direkter Nähe zueinander angeordnet sind.
Gemäß Fig. 12 wird durch den Sensor 100 ein Signal ausgestrahlt, welches sich im dreidimensionalen Raum ausbreitet, bis es auf ein Objekt 50 trifft (Strecke s) und teilweise reflektiert wird. Die reflektierten Anteile des Signals treffen auf die drei Sensoren 100, 200, 300 (Strecken e/, β2, ei). Dadurch ergeben sich die drei Laufzeiten, die aus der Laufzeit vom Sensor 100 zum Objekt 50 zusammen mit der Laufzeit vom Objekt 50 zu den einzelnen Sensoren 100, 200, 300 entstehen (Laufzeitmessung).
Die drei Sensoren 100, 200, 300 sind vorzugsweise in einer Ebene (d.h. auf gleicher Höhe) angeordnet. Der Sensor 300 kann in x-Richtung die Entfernung b und in y-Richtung die
Entfernung a vom Koordinatenursprung 0 aufweisen. Dabei darf die Entfernungen a und b jeden Wert annehmen, wobei der Abstand a vorzugsweise ungleich null ist. Der Koordinatenursprung 0 befindet sich dabei vorzugsweise auf einer Geraden die vorzugsweise zwischen dem Sensor 100 und 200 verläuft. Es ist allerdings klar, dass die Lage des Koordinatenursprungs O keinen Einfluss auf die Durchführbarkeit der vorliegenden Erfindung hat.
Betrachtet man die Strecke s, die das Signal vom Sensor 100 bis zu dem Objekt 50 zurücklegt, und die einzelnen Strecken ex, e2 und e3, die das Signal vom Objekt 50 bis zu dem jeweiligen Sensoren 100, 200, 300 zurücklegen, so erhält man das in der Fig. 12 gezeigte, dreidimensionale geometrische Konstrukt zusammen mit den gezeigten Hilfsstrecken (X2D, >2D, a, b, r, d).
Wird das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 12 von Oben betrachtet (Draufsicht auf die z- Achse), so ergibt sich zusammen mit den Hilfsstrecken die geometrische Konstruktion gemäß Fig. 13 a. Wird das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 12 von der Seite betrachtet (Draufsicht auf die x-Achse), so ergibt sich zusammen mit den Hilfsstrecken die geometrische Konstruktion gemäß Fig. 13b.
Die zwei Hilfsstrecken y2D und d, stehen immer senkrecht zu der x-Achse und sind oben mit dem Objekt 50 verbunden. Zusammen mit der Strecke a bilden diese eine
Dreieckskonstruktion gemäß den Figuren 13a und 13b.
Aus dem geometrischen Konstrukt ergibt sich die folgende Gleichung:
Wird die Gl. (28) für die Strecke α nach z umgestellt, so ergibt sich die folgende
Gleichung für die z-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum:
1 V2y2 2 0a2 - y2 4 D - rf4 + 2d2yjD + 2d2a2 - a4 (29) ~ 2 a
Wobei die Gl. (29) bei a > 0 ein positives Vorzeichen und bei a < 0 ein negatives Vorzeichen besitzt(für die obere Position des Objekts 50). Für die untere Position wird das Vorzeichen umgekehrt.
Die Hilfsstre
Die Bestimmung der x-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung: l - + f22 + UselUse2 - UL2
X = ( 5 1 )
2 A + /2
Die Strecken Usel, Use2 und Use3 sind Strecken, die durch die Laufzeit entstehen (Summe aus der Strecke s und der jeweiligen Strecke en). Diese Strecken werden über die
Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals und die Laufzeiten tl3 12 und t3 des Signals wie folgt bestimmt:
U sen C (32)
Die Bestimmung der y-Koordinate des Objekts 50 im dreidimensionalen Raum erfolgt über die folgende Gleichung: y = ^yw - (33)
Wobei die Gl. (33) für die y-Koordinate im dreidimensionalen Raum ein positiv
Vorzeichen bei y > q— \a\ und α > 0, sowie bei y < q— \a\ und α < 0 besitzt. Bei allen anderen Wertebereichen hat die Gl. (33) ein negatives Vorzeichen.
Die bei der Fallunterscheidung genannte Hilfsstrecke q berechnet sich wie folgt:
q = y d2— z2 (34)
Die in den oberen Gleichungen erwähnten Hilfsstrecken x2D und y2D sind die x und y- Koordinate des Objekts 50 bei der Positionsbestimmung des Objekts 50 im zweidimensionalen Raum (ggf. in der zweiten Ebene).
Für die Bestimmung der x und y-Koordinate (X2D und y2D) des Objekts 50 im
zweidimensionalen Raum werden ein Sender 100 und zwei Empfänger 100, 200 benötigt (siehe Fig. 14). Aus Fig. 14 folgt das geometrische Konstrukt gemäß Fig. 15a. Wobei gemäß Fig. 15b zwei Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen durch die zwei Laufzeitstrecken entstehen. Dabei beschreibt das positive Ergebnis der Gleichung (37) und der Gleichung (38) für die Kreisbahnen die obere Halbkreisbahn und das negative die untere.
Die Position des Objekts 50 liegt im Schnittpunkt der zwei Kreisbahnen. Aus dem geometrischen Konstrukt (Fig. 15b) ergibt sich die folgenden Gleichungen für die zwei Laufzeitstrecken (Usel und Use2):
und Wird die Gl. (35) für die Laufzeitstrecke Usel nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
1
= + - -4xfD + U el - 4 + 8flX2D (37)
~ 2 -
Wird die Gl. (36) für die Laufzeitstrecke Use2 nach y2D umgestellt, so ergibt sich die folgende Gleichung:
(3 yzo = ± \ J-4/2 2 + U*el - 4UselUse2 + 4i/ e2 - 8f2x2D - 4x 22D
8)
Die Gleichungen für die positiven (+) Halbkreisbahn (37) und (38) werden gleichgesetzt und nullgesetzt:
Nach dem umstellen der Gl. (39) nach x2D ergibt sich die folgende Gleichung:
X2D - " 2 ÄTf2 (40)
Werden die Gleichungen für x2D und y2D für die positive Halbellipsenbahn in die Gl. (29) für die dreidimensionale z-Koordinate und in die Gl. (33) für die dreidimensionale y-Koordinate eingesetzt, so ergibt sich die Gl. (41) und die Gl. (42): (M
Ö
'— \
+
£5
I
CM
00
+
+1
N
+
s?
I
+
I
Ί I CO
+1 Die zwei Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, können auch beide durch Ellipsoide ersetzt werden. Das Objekt befindet sich dabei irgendwo auf der Bahn, die durch die zwei sich schneidenden Ellipsoide entsteht. Entsprechend können auch für den Fall der Kreisbahn die Kreisbahnen oder Halbkreisbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, beide durch Kugeln ersetzt werden. Das Objekt befindet sich dann irgendwo auf der Bahn, die durch die zwei sich schneidenden Kugeln entsteht.
Durch die dritte Laufzeit entsteht dann ein(e) dritte(s) Ellipsoid/Kugel, welche(s) sich mit der Bahn (die durch das Schneiden der beiden ersten Ellipsoide/Kugeln entsteht) schneidet. Es entstehen zwei Schnittpunkte oben im positiven und unten im negativen Bereich, die der dreidimensionalen Position des Objekts entsprechen. Dann kann z.B. durch die Richtwirkung des Senders und/oder der Empfänger einer der beiden Punkte als richtige Position des Objekts gewählt werden.
Es kann auch nur eine der beiden Ellipsenbahnen/Kreisbahnen oder
Halbellipsenbahnen/Halbkreisbahnen, die durch die zwei Laufzeiten entstehen, durch ein(e) Ellipsoid/Kugel ersetzt werden. Die Ellipsenbahn/Kreisbahn oder
Halbellipsenbahnen/Halbkreisbahn schneidet sich dann mit dem/der Ellipsoid/Kugel wodurch in der zweiten Ebene (in der die Ellipsenbahn/Kreisbahn oder Halbellipsenbahn liegt) zwei Schnittpunkte entstehen. Durch die Lage des Schnittpunktes (oder der Schnittpunkte, oben im positiven und unten im negativen Bereich bei Sender und Empfängern die 360° senden und erfassen können) in der zweiten Ebene (die durch die eine Ellipsenbahn/Kreisbahn oder
Halbellipsenbahn/Halbkreisbahn entsteht) und die Lage/Winkel/Kippung der zweiten Ebene (im Vergleich zu der ersten Ebene) im dreidimensionalen Raum, welche aus der dritten Laufzeit entsteht, kann somit auch die dreidimensionale Position des Objekts bestimmt werden.
Es kann auch durch die dritte Laufzeit ein(e) Ellipsoid/Kugel entstehen, welche(r) sich mit dem Schnittpunkt (oder Schnittpunkten, siehe oben) in der zweiten Ebene schneidet und dadurch die dreidimensionale Position bestimmt wird.
Fig. 16 zeigt beispielhaft die oben schon erwähnte Möglichkeit des Durchschaltens der Sendefunktionalität der verschiedenen Sensoren 100, 200, 300. Im dargestellten Fall 1 übernimmt der Sensor 200 die Sende- und Empfangsfunktionalität, wobei die Sensoren 100, 300 lediglich als Empfänger fungieren. Im Fall 2 übernimmt der Sensor 100 die Sende- und
Empfangsfunktionalität und die Sensoren 200, 300 fungieren ausschließlich als Empfänger. Im Fall 3 übernimmt der Sensor 300 die Sende- und Empfangsfunktionalität und die Sensoren 100, 200 fungieren ausschließlich als Empfänger. Es kann von Vorteil sein, wenn diese Funktionalität je nach Bedarf gesteuert werden kann, d.h. bei jeder neuen Messung könnte ein anderer Sensor 100, 200, 300 als Sender und gleichzeitig als Empfänger fungieren.
Fig. 17 zeigt schematisch ein beispielhaftes Signal, welches an einem der Empfänger gemessen wurde. Dabei kann ein Synchronisationspuls (Rechtecksignal am Anfang der Pulsfolge in Fig. 17) zur Synchronisation vorgeschaltet sein, um eine genaue Messung der Laufzeiten zu gewährleisten. Fig. 17 zeigt ein erstes Signal 1 (t1;Pl), welches der Direkteinstrahlung
(ausgestrahltes Signal vom Sender auf direkten Weg zum Empfänger), darstellt. Die darauf folgenden Pulse 2-5 sind die von unterschiedlichen Objekten 1-n reflektierten Signale.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch die Impulshöhe (Amplitude) und die gemessene Laufzeit (t1>p2, t1>p3, tljp4, t1;Pn,) bestimmt werden, wie groß das Objekt ist. Je größer die Amplitude und je kleiner die Laufzeit, desto größer das Objekt.
Werden die Signale 2 und 5 miteinander verglichen, so erkennt man unter anderem, dass die zwei Signale im Wesentlichen die gleiche Amplitude haben, aber dass das Signal 5 eine deutlich längere Laufzeit (tl pn > t1;P2) aufweist. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass das n- te Objekt größer sein muss als das erste Objekt.
Durch die Breite des Signals kann die Ausdehnung des Objekts bestimmt werden. Je breiter (länger) das Signal, desto ausgedehnter das Objekt. Betrachtet man z.B. das Signal 3, so erkennt man, dass dieses deutlich breiter als die anderen Signale ist. Daraus kann
geschlussfolgert werden, dass das zweite Objekt eine größere Ausdehnung als die anderen Objekte besitzt. Das zweite Objekt könnte z.B. ein Rohr (kleine Reflexionsfläche, größere Ausdehnung) sein.
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann unter anderem konfiguriert werden um die Signale, vorzugsweise die breiteren Signale, wie z.B. das Signal 3 durch mehrere kurze Impulse darzustellen (durch entsprechende Auswertealgorithmen und Hardware). Dies ermöglicht das Objekt als eine Punktewolke darzustellen, um somit besser die Objektgeometrie zu erfassen.
Ferner kann in der vorliegenden Erfindung, eine durch den Dopplereffekt bestimmte Geschwindigkeit, der einzelnen Objekte oder Punkte bestimmt werden. Die 3D-Position/Lage des Objekts oder mehrerer Objekte, die Beschaffenheit des Objekts oder der Objekte, die Geschwindigkeit des Objekts oder der Objekte und/oder der einzelnen Punkte (Punktewolke) kann dabei gleichzeitig (aus einer Messung) bestimmt werden.
Auch wenn der Algorithmus der bevorzugten Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung der Übersichtlichkeit halber und zum einfachen Verständnis anhand eines kleinen bis punktförmigen Objekts beschrieben wurde ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Nachstehend werden dazu beispielhaft Verfahren zur Positionsbestimmung eines ausgedehnten Objekts beschrieben.
Die Welle trifft als Kugelwelle auf das ausgedehnte Objekt auf (elektromagnetische Wellen z.B. Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung; Druckwellen z.B. akustische Wellen, Stoßwellen; Gravitationswellen; Strahlung wie z.B.
Teilchenstrahlung und Wellenstrahlung; Plasmawellen; Materiewellen; Biegewellen; seismische Wellen; magnetische Wellen; elektrische Wellen). Eine Fläche wird somit zuerst in der Mitte und anschließend an den Rändern abgetastet.
Fig. 18 zeigt ferner beispielhaft zwei Flächen 51, 52 (ausgedehnte Objekte) die ein Signal, welches aus der Sensoreinheit 100 (Sender und Empfänger) ausgestrahlt wird, reflektieren. In Fig. 18 sind der Übersichtlichkeit halber nur die reflektierten Signale gezeigt.
Die Fläche 51 befindet sich links von der Sensoreinheit 100 und reflektiert deshalb das Signal auf der rechten Seite (durchgezogene Linie) zuerst. Zum Schluss reflektiert die linke Seite (gestrichelte Linie) der Fläche 51 das Signal zurück zum Sensor 100.
Die Fläche 52 befindet sich in diesem Beispiel unterhalb der Sensoreinheit 100, leicht nach links versetzt und reflektiert das erste Signal (durchgezogene Linie) aus der Fläche 52 heraus. Das reflektierte Signal der rechten Seite der Fläche 52 kommt etwas später am Sensor 100 an, braucht also eine längere Zeit (gepunktete Linie). Zum Schluss reflektiert die linke Seite (gestrichelte Linie) der Fläche 52 das Signal zurück zum Sensor 100. Die Flächen 51, 52 reflektieren das Signal auf der gesamten Oberfläche. Es wurden aber zur besseren Übersicht in Fig. 18 nur einzelne reflektierte Signale dargestellt.
Fig. 19 zeigt den zeitlichen Verlauf des empfangenen, an den Flächen 51, 52 reflektierten Signals (an einem der Empfänger, z.B. Sensor 100 aus Fig. 18). Im Vergleich mit der Fig. 17 erkennt man, dass die reflektierten Signale von den einzelnen Flächen 51, 52, im Vergleich zu den reflektierten Signalen (Signale 1 bis 5 aus Fig. 17) an den einzelnen Punktobjekten, eine zeitliche Ausdehnung tpn aufweisen. Durch die Impulshöhe (Amplitude) und/oder die Fläche unterhalb des Signalverlaufs (Integriert über den Signalverlauf), die gemessene Laufzeit tn und/oder Impulsdauer tpn können die Größe und/oder der Reflexionsgrad einer
Oberfläche/Objekts bestimmt werden. Mit anderen Worten, die einzelnen an der Oberfläche reflektierten Signale überlagern sich und es entsteht ein ausgedehntes Signal.
Betrachtet man die in Fig. 20 gezeigten Signalverläufe von drei Empfängern (die durchgezogene Linie entspricht dabei dem Signal in einem ersten Empfänger, die gestrichelte Linie dem Signal in einem zweiten Empfänger, und die feinere gestrichelte Linie entspricht dem Signal in einem dritten Empfänger), so erkennt man die einzelnen, zeitversetzten reflektierten Signale.
Bei dem Signalverlauf zu der Reflexion an der ersten Fläche 51 erkennt man, dass die reflektierten Signale, auf Grund der im Raum angeordneten Empfänger, zeitversetzt eintreffen. Bei dem Signalverlauf zu der Reflexion an der zweiten Fläche 52 erkennt man, dass die reflektierten Signale zeitgleich auf die einzelnen Empfänger auftreffen, da das Signal zuerst genau unterhalb des Senders reflektiert wird und die Empfänger, in diesem Beispiel, die gleiche Entfernung zu dem Sender aufweisen. Am Ende des Signalverlaufs an der zweiten Fläche 52 hören die Signale zeitversetz auf, da die Fläche 52 sich nicht genau unterhalb der Sensoreinheit 100 befindet sondern leicht nach links verschoben ist.
Wird die Position aus der Laufzeit tn bestimmt, so erhält man die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuerst reflektiert worden ist. Wird die Position aus der Zeit bis zum Ende des Signals gemessen (Laufzeit tn + Impulsdauer tpn), so erhält man die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuletzt reflektiert worden ist. Aus diesen beiden Positionswerten erhält man für Flächen 51, 52, die sich nicht unterhalb des Senders 100 befinden, die Anfangsposition und die Endposition der Fläche 51, 52 und somit die Lage und die Ausdehnung eines ausgedehnten Objekts im Raum.
Befindet sich die Fläche 51, 52 unterhalb des Senders, so kann wie oben beschrieben die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuerst reflektiert worden ist und die Position des Punktes an der Fläche 51, 52 von dem das Signal zuletzt reflektiert worden ist bestimmt werden. Um aber den Anfangs- und Endpunkt der Fläche 51, 52 bestimmen zu können sollte z.B. entweder die Messung nochmal mit einem Sender der nicht oberhalb der Fläche 51, 52 liegt durchgeführt werden (wobei der Sender einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu der Position des anderen (ersten) Senders haben muss) oder z.B. das Verfahren bei dem alle drei Sensoren mit verschiedenen Schlüsseln (verschiedene Frequenzen oder verschlüsseltes Signal) senden und dann auf empfangen gestellt angewendet werden (dabei sollte der Abstand zwischen zwei Sensoren größer als die Ausdehnung der Fläche 51, 52 sein, damit es gewähreistet werden kann, dass einer der Sensoren sich zu keiner Zeit über der Fläche 51, 52 befindet.)
Aus Fig. 20 ist auch ersichtlich, dass die einzelnen Reflexionssignale den einzelnen Flächen 51, 52 zuordenbar sind. Die Zuordnung der zu einem Objekt gehörenden
Reflexionssignale kann z.B. über:
die zeitliche Nähe zueinander (den Zeitversatz zwischen den einzelnen
Reflexionssignalen, der durch die räumliche Verteilung der Sensoren entsteht) die ähnlichen Signalverläufe (jedes reflektierte Signal hat ein, durch das Objekt, spezifischen Signalverlauf mit dem die mindestens drei am gleichen Objekt reflektierten Signale zueinander zugeordnet werden können)
die ähnlichen Amplituden (Jedes Objekt hat auf Grund seiner Größe, Geometrie und
Reflexionsgrad eine andere Amplitude aus der die einzelnen von dem Objekt reflektierten Signale zueinander zugeordnet werden können)
die Reflexionsdauer (die Reflexionsdauer ist von der Ausdehnung des Objekts abhängig und aus diesem Grund den einzelnen verschieden großen Objekten zuordenbar; die Reflexionsdauer kann insbesondere bei Flächen die eine größere
Ausdehnung als eine Wellenlänge aufweisen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden)
Werden diese Kriterien auf die empfangenen Signale angewendet, so können diese den einzelnen Objekten (Flächen 51, 52) zugeordnet werden.
Die empfangenen Signale dürfen sich dabei aber nicht überlagern. Das bedeutet, dass die einzelnen Flächen 51, 52 einen Mindestabstand von mehr als einer Wellenlänge voneinander haben sollten um als zwei Einzelflächen 51, 52 erkannt zu werden (sollten die Flächen 51, 52 einen Abstand von einer Wellenlänge oder kleiner zueinander haben, so werden diese als eine zusammenhängende Fläche 51, 52 erkannt).
Einen Sonderfall bilden zwei Objekte/Flächen 53, 54 die den gleichen Abstand (± eine Wellenlänge) zum Sensor 100 aufweisen aber in verschieden Richtungen versetzt sind (siehe Fig. 21).
In diesem Fall würden die reflektierten Signale sich überlagern und nicht den einzelnen Flächen zugeordnet werden können. Dies kann wie oben bereits erwähnt z.B. entweder durch eine wiederholte Messung mit einem Sender der nicht genau zwischen den Flächen 53, 54 liegt durchgeführt werden (wobei der Sender einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu der Position des anderen (ersten) Sender haben muss) oder z.B. das Verfahren bei dem alle drei Sensoren mit verschiedenen Schlüsseln (verschiedene Frequenzen oder verschlüsseltes Signal) senden und dann auf empfangen gestellt angewendet werden (Die einzelnen Sensoren sollten dabei einen Abstand von mehr als einer Wellenlänge zu einander aufweisen).
Dies gilt analog auch für einzelne Objekte/Punkte (punktförmige Objekte). Diese sollten vorzugsweise auch einen Mindestabstand von mehr als einer Wellenlänge von einander aufweisen um eindeutig als zwei Objekte/Punkte (punktförmige Objekte) erkannt zu werden.
Fig. 22 zeigt eine schematische Darstellung einer rauen Oberfläche. Die Rauigkeit besteht aus Spitzen (Punkten) und Flächen. Die Position der einzelnen Spitzen und Flächen kann, wie oben beschrieben, bestimmt werden und dadurch die Beschaffenheit und insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit (3D-Scan der Oberfläche / Punktewolke der Oberfläche) eines Objekts bestimmt werden. Die Wellenlänge bestimmt auch hier die Auflösungsgrenze der Rauigkeit der zu untersuchenden Oberfläche.
Die oben beschriebenen Verfahren können z.B. auch im Vakuum, in Gasen (z.B. Luft), in Flüssigkeiten (z.B. Wasser), in Festkörpern (z.B. Eisen unter Standardbedingungen) oder auch in Plasma Umgebungen eingesetzt werden.
Während die vorliegende Erfindung hier unter Bezug auf ihre bevorzugten
Ausfuhrungsformen beschrieben und dargestellt wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Auf diese Weise ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung abdeckt, sofern sie in den Schutzbereich der beigefugten Patentansprüche und ihrer Äquivalente fallen. Ferner sind Merkmale, die in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben wurden, nicht ausschließlich in Verbindung mit anderen Merkmalen dieser Ausführungsform zu verstehen. Es ist vielmehr klar, dass eine Kombination von Merkmalen aus verschiedenen Ausführungsformen ebenfalls möglich ist. Auch ein in Verbindung mit einem anderen Merkmal beschriebenes Merkmal kann in einer möglichen Ausfuhrungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ohne das andere Merkmal vorhanden sein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes, wobei die Vorrichtung umfasst:
mindestens einen Sender, der dazu geeignet ist, ein Signal abzustrahlen; mindestens drei Empfänger, wobei die mindestens drei Empfanger und der mindestens eine Sender vorzugsweise innerhalb einer ersten Ebene angeordnet sind, wobei ein erster Empfanger und ein zweiter Empfänger vorzugsweise entlang einer ersten Geraden angeordnet sind und ein dritter Empfänger vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist; und
einen Prozessor, der konfiguriert ist, mindestens drei Laufzeiten zu ermitteln, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus den ermittelten Laufzeiten sowie der Anordnung des Senders und der Empfänger die dreidimensionale Position des Objekts zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sender vorzugsweise auf der ersten Gerade, bevorzugt zwischen dem ersten und zweiten Empfänger, angeordnet ist oder die Position des Senders mit der Position eines der mindestens drei Empfänger im Wesentlichen identisch ist, wobei bevorzugt einer der drei Empfänger auch als Sender dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sender dazu geeignet ist, das Signal isotrop in alle Raumrichtungen abzustrahlen oder der Sender ein Halbkreissender ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Prozessor konfiguriert ist, aus einer ersten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, innerhalb einer zweiten Ebene eine erste Ellipsenbahn oder eine erste Halbellipsenbahn zu bestimmen und aus einer zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum zweiten Empfanger benötigt, innerhalb der zweiten Ebene eine zweite Ellipsenbahn oder eine zweite Halbellipsenbahn zu bestimmen, wobei die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der Lage des Schnittpunktes der beiden Ellipsenbahnen oder Halbellipsenbahnen in der zweiten Ebene berechnet wird, wobei vorzugsweise der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfallt und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn zusammenfallt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus einer dritten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfanger benötigt, einen Winkel zwischen der ersten und zweiten Ebene zu bestimmen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, aus der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einem oder mehreren der mindestens drei Empfängern empfangener Signale die Ausdehnung und/oder die Größe und/oder die Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts zu ermitteln.
7. Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Objektes mit den Schritten:
Senden eines Signals von einer Sendeposition, das zumindest teilweise von einem Objekt reflektiert wird;
Empfangen des zumindest teilweise reflektierten Signals an mindestens drei Empfangspositionen, wobei die mindestens drei Empfangspositionen vorzugsweise innerhalb einer ersten Ebene mit der Sendeposition angeordnet sind, wobei eine erste Empfangsposition und eine zweite Empfangsposition vorzugsweise entlang einer ersten Geraden angeordnet sind und eine dritte Empfangsposition vorzugsweise von der ersten Gerade beabstandet angeordnet ist;
Bestimmen von mindestens drei Laufzeiten; und
Ermitteln der dreidimensionalen Position des Objekts unter Verwendung der bestimmten Laufzeiten sowie der Anordnung der Sendeposition und der Empfangspositionen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Sendeposition vorzugsweise entlang der ersten Geraden, bevorzugt zwischen der ersten und zweiten Empfangsposition, angeordnet ist oder mit einer der mindestens drei Empfangspositionen im Wesentlichen identisch ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ermittlung einer ersten Koordinate der dreidimensionalen Position des Objekts auf der Basis einer ersten und zweiten Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten bzw. zweiten Empfänger benötigt, und der Abstände der ersten und der zweiten Empfangsposition zur Sendeposition erfolgt, wobei die erste Koordinate die Position des Objekts entlang der ersten Geraden definiert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Ermittlung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Schnittpunktes einer ersten und einer zweiten Ellipsenbahn oder einer ersten und einer zweiten Halbellipsenbahn innerhalb einer zweiten Ebene durchgeführt wird, wobei eine erste Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, die erste Ellipsenbahn oder die erste Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert und eine zweite Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum ersten Empfänger benötigt, die zweite Ellipsenbahn oder die zweite Halbellipsenbahn in der zweiten Ebene definiert, wobei vorzugsweise der erste Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Ellipsenbahn zusammenfällt und der erste Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn mit dem zweiten Brennpunkt der zweiten Ellipsenbahn zusammenfällt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Berechnung der Position des Objekts im dreidimensionalen Raum unter Verwendung eines Winkels zwischen der ersten und zweiten Ebene durchgeführt wird, wobei die dritte Laufzeit, die das Signal vom Sender über das Objekt bis zum dritten Empfänger benötigt, den Winkel definiert.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Verfahren einen Schritt zur Berechnung der Abstände der Empfangspositionen zu der Sendeposition aufweist, wobei die Berechnung der Abstände auf einer Laufzeit eines direkt von der Sendeposition zur jeweiligen Empfangsposition übertragenen Signals, unter Verwendung einer vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit, beruht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Verfahren einen Schritt zur Berechnung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit des gesendeten Signals aufweist, wobei die Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem direkt von der Sendeposition zu einer der mindestens drei Empfangspositionen übertragenen Signals, unter Verwendung eines vorgegebenen Abstands zwischen der Sendeposition und der einen der mindestens drei Empfangspositionen, beruht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Verfahren einen Schritt zum Berechnen der Ausdehnung und/oder der Größe und/oder der Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts unter Verwendung der Form und/oder der Laufzeit eines oder mehrere von einer oder mehreren der drei Empfangspositionen empfangener Signale aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das Verfahren wiederholt ausgeführt wird und dabei die Sendeposition und/oder die Anzahl der Sendepositionen variiert wird und bevorzugt zwischen zwei oder mehreren Empfangspositionen wechselt.
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