JP2022550993A - ３ｄ位置決定のためのデバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するための受信ユニット。受信ユニットは、各々が送信ユニットから波長λを有する超音波信号を受信するように構成された少なくとも３つの受信機であって、第１の受信機は、第２の受信機および第３の受信機から超音波信号の最大で２分の１波長λ／２の距離に配置され、少なくとも３つの受信機は、１つの平面内に配置される、少なくとも３つの受信機と；少なくとも３つの受信機の各々で受信された超音波信号からそれぞれの飛行時間を決定するように構成されたプロセッサであって、それぞれの飛行時間は、超音波信号が定義された開始時間に送信ユニットからそれぞれの受信機までに必要とする時間であり、プロセッサは、決定された飛行時間および少なくとも３つの受信機の配置から送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するようにさらに構成される、プロセッサとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、送信ユニットの３Ｄ位置決定および／または方向の決定のためのデバイスおよび方法に関する。

送信機の位置を決定することができる様々な技術が、当技術分野の背景技術から知られている。

欧州特許第０２１５９４０号明細書は、複数の標的の場所決定に関し、標的から反射された時間パルスが少なくとも３つのセンサによって検出される。

米国特許出願公開第２００７／０１９７２２９号明細書は、ワイヤレス通信デバイスに対する標的、オブジェクト、または場所の相対位置を決定するためのシステムに関する。

米国特許出願公開第２０１１／０１１１７５１号明細書は、ワイヤレスネットワーク内のオブジェクトを識別、追跡、および場所特定するためのシステムに関する。

国際公開第２０１０／０８５８７７号パンフレットは、１つまたは複数の受信機を使用する１つまたは複数の送信機の位置決定のためのシステムに関する。

米国特許出願公開第２０１８／０１４３２９２号明細書は、超音波信号を使用して３次元位置を決定するための方法に関する。

しかしながら、上述した刊行物は、位置決定の精度に関する欠陥を有するか、または複雑な手法に基づく。

例えば、既知の方法のいくつかにおいて、個々の飛行時間測定が次々に実行される。したがって、これらの方法は、比較的低い測定周波数を達成する。

欧州特許第０２１５９４０号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１９７２２９号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１１１７５１号明細書 国際公開第２０１０／０８５８７７号パンフレット 米国特許出願公開第２０１８／０１４３２９２号明細書

本発明は、３次元空間における送信機の位置決定を高精度かつ少ない労力で可能にする方法およびデバイスを提供することを目的とする。

この目的は、独立特許請求項の特徴によって達成される。従属請求項は、本発明のさらなる態様に関する。

本発明の一態様によれば、送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するための受信ユニットが提供される。受信ユニットは、各々が送信ユニットから波長λを有する超音波信号を受信するように構成された少なくとも３つ、好ましくは３つのみの受信機であって、第１の受信機は、第２の受信機および第３の受信機から超音波信号の最大で２分の１波長λ／２の距離に配置され、第１の受信機および第２の受信機は、第１の直線上に配置され、第１の受信機および第３の受信機は、第２の直線上に配置され、第１の直線および第２の直線は、互いに８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは本質的に９０°、特に９０°を形成し、少なくとも３つの受信機は、好ましくは１つの平面内に配置される、少なくとも３つの受信機と；少なくとも３つの受信機の各々で受信された超音波信号からそれぞれの飛行時間を決定するように構成されたプロセッサであって、それぞれの飛行時間は、超音波信号が定義された開始時間に送信ユニットからそれぞれの受信機までに必要とする時間であり、プロセッサは、決定された飛行時間および少なくとも３つの受信機の配置から送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するようにさらに構成される、プロセッサとを備える。

単一の超音波信号から異なる飛行時間を決定することにより、各飛行時間測定が次々に実行されるシステムと比較して、測定周波数を増加させることができる。換言すると、本発明によれば、飛行時間測定は「同時に」実行され、様々な飛行時間測定は、飛行時間の特定の差（信号が第１の受信機に到達する必要がある時間と第２の受信機に到達する必要がある時間との差）によってのみ分離される。

任意選択として説明される前述の受信機の配置が使用される場合、本発明の方法の精度は、第１の直線と第２の直線との間の９０°の角度で最も高い。しかしながら、この任意選択の配置は、９０°の厳密な値に限定されず、精度を犠牲にして、９０°の角度（直角）からの偏差もまた、上述の約９０°の範囲によって表されるように、使用可能な結果をもたらすことができる。

しかしながら、本発明は、任意選択として説明された受信機の上述の配置に限定されない。むしろ、受信機は、平面内に自由に配置することができる。所定の配置、例えば直角配置の場合、計算アルゴリズムはより単純になり、したがって必要な計算能力はより少なくなる。さらに、例えば、計算の複雑さがより低いために丸め誤差の量が減少するため、結果はより正確である。

製造プロセスの公差により、受信機は目標位置からオフセットして配置される可能性がある。この誤差は、較正（マイクロフォンの実際の位置の決定）および自由配置の計算アルゴリズムによって補正することができる。

受信機の自由な配置により、様々な設計を実施することができ、これは受信ユニットの設計におけるより高い柔軟性を意味する。

プロセッサは、好ましくは、受信ユニットの一体部分として設計される。

代替的に、プロセッサは、独立した構成要素として設計され、ケーブルを介してまたはワイヤレスで受信ユニットに接続され得る。

好ましくは、少なくとも３つの受信機はそれぞれマイクロフォンを備える。

受信ユニットはまた、受信された超音波信号を増幅するように構成された少なくとも１つの増幅ユニットおよび／または受信された超音波信号をフィルタリングするように構成された少なくとも１つのフィルタリングユニットを有することが好ましい。

増幅ユニットおよび／またはフィルタリングユニットは、受信された超音波信号を増幅することにより、または干渉信号をフィルタリングすることにより、受信された超音波信号の信号品質を改善することができる。これにより、干渉信号に対する実測信号の信号対雑音比を向上させることができ、位置決定の精度を向上させることができる。

好ましくは、受信ユニットは、送信ユニットによる超音波信号の送信を開始し、それぞれの飛行時間を決定するための開始時間を定義するために、超音波信号を受信する前に同期信号を送信するようにさらに構成される。

好ましくは、受信ユニットは、同期信号を送信するように構成された無線モジュールを有する。

好ましくは、プロセッサはまた、それぞれの飛行時間を決定するために、同期信号の送信時に少なくとも３つの受信機の各々のタイマを開始するように構成される。

信号が受信機の１つによって受信される場合、飛行時間はそれぞれのタイマによって決定され得る。換言すると、それぞれの飛行時間は、それぞれの信号が受信された時点の対応するタイマの時間に対応する。

上記のように同期信号を送信することにより、それぞれの飛行時間に対する定義された開始時間を決定することができる。

プロセッサは、飛行時間を決定するために、交差によって第１の受信機における超音波信号の受信時間を決定するようにさらに構成され得、交差は、受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点を通る多項式補間を含み、好ましくは、正の振幅のある特定の第１の限界値を超える変曲点のみが使用され、負の振幅のある特定の第２の限界値を下回る変曲点のみが使用され、第１の限界値は、好ましくは第２の限界値に等しい。

受信された超音波信号の過渡プロセスは、経時的に増加する受信された超音波信号の振幅の大きさとして定義することができ、振幅の正側の変曲点は、過渡プロセスにおける正の振幅のそれぞれの最大値であり、振幅の負側の変曲点は、過渡プロセスにおける負の振幅のそれぞれの最小値である。

本発明の別の態様によれば、送信機の方向を決定することができる。飛行時間の差は相対的であり、飛行時間測定の定義された開始時間に依存しないため、送信機の方向を決定することは、上述したように同期信号を必要としない。受信信号の飛行時間の差は、上述のように決定される。飛行時間の差は、受信機の平面に対する方位角または仰角を明確に示す。このようにして、送信機の方向を決定することができる。

好ましくは、プロセッサは、受信された超音波信号間の位相シフトに基づいてそれぞれの飛行時間を決定するようにさらに構成される。

好ましくは、プロセッサは、交差する円形経路に基づいて送信ユニットの３次元位置を決定するようにさらに構成される。

好ましくは、プロセッサは、それぞれの飛行時間に基づいて円形経路の半径を決定するようにさらに構成される。

好ましくは、受信された超音波信号間の位相シフトの決定は、第１の受信機で受信された超音波信号および第２の受信機で受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間、ならびに第１の受信機で受信された超音波信号および第３の受信機で受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間の位相シフトと、位相シフトのそれぞれの平均値の形成とを決定することを含み、それぞれの平均値は、好ましくは、それぞれの場合において第１の受信機での超音波信号の受信時間に加算されて、第２および第３の受信機までの超音波信号のそれぞれの飛行時間が決定される。

プロセッサは、受信された超音波信号の信号品質を決定するようにさらに構成され得、信号品質の決定は、好ましくは、第１の変曲点から第ｎの変曲点までの受信された超音波信号の連続変曲点間の第１の時間ｔ_ｆｎを決定することと；第１の変曲点と第３～第ｎの変曲点との間の第２の時間ｔ_ｐｎを決定することと；時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎをそれぞれの所定の目標値ｔ_{ｆｎ＿ｔａｒｇｅｔ}およびｔ_{ｐｎ＿ｔａｒｇｅｔ}と比較することによって信号品質を決定することとを含む。

プロセッサは、決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にあるか否かを決定し、決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にある場合、関連する変曲点を平均化に使用するか、または決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にある場合、変曲点を破棄するようにさらに構成され得る。

許容範囲は、所定の許容範囲とすることができる。

好ましくは、超音波信号は、２０ｋＨｚ～１ＧＨｚの範囲内、より好ましくは２０ｋＨｚ～５００ｋＨｚの範囲内、特に好ましくは３０ｋＨｚ～８０ｋＨｚの範囲内である。

上述した受信ユニットは、超音波信号を受信することに限定されない。受信ユニットはまた、少なくとも１つの送信ユニットを備えることができる。したがって、受信ユニットは、上述の受信機能と上述の送信ユニットの送信機能の両方を有することができる。換言すると、受信ユニットは、上述した送信ユニットの機能をさらに有することができる。

この構成は、例えば、２つの受信ユニットを有するシステムにおいて有利であり得、この場合、２つの受信ユニットのうちの少なくとも１つが送信ユニットの機能を有することもできる。

追加の送信ユニットを有する２つの受信ユニットが使用される場合、必要に応じて、受信ユニットのうちの１つは信号を受信するように構成され得、第２の受信ユニットは信号を送信するように構成され得る。この構成は、第１の構成において第１の受信ユニットが信号を送信し、第２の受信ユニットが信号を受信するように、また第２の構成において第１の受信ユニットが信号を受信し、第２の受信ユニットが信号を送信するように、必要に応じて変更することができる。

少なくとも１つの受信ユニットに送信ユニットを設けることは、受信ユニットが柔軟に使用されることを可能にし、対応するシステムにおいてさらなる冗長性をもたらす。

本発明のさらなる態様によれば、特に自動車分野において、ソケットに接続するためのコネクタが提供される。コネクタは、コネクタをソケットに接続するために上述の受信ユニットを有する。

本発明のさらなる態様によれば、特に自動車分野において、コネクタに接続するためのソケットが提供される。ソケットは、ソケットをコネクタに接続するために上述の受信ユニットを有する。

コネクタが受信ユニットを備える場合、対応するソケットは上述のように送信ユニットを有することを理解されたい。同様に、受信ユニットがソケットに設けられている場合、コネクタは上述のように対応する送信ユニットを有することを理解されたい。

本発明のさらなる態様によれば、特に自動車分野において、コネクタをソケットに接続するための、コネクタまたはソケットにおける上述の受信ユニットの使用が提供される。

本発明の位置決定により、コネクタおよびソケットは自動的に接続され得る。この目的のために、コネクタまたはソケットの位置は上述のように決定され、位置決定に基づいてコネクタおよびソケットが互いに位置合わせされる。

コネクタのソケットへの位置合わせまたはソケットのコネクタへの位置合わせは、好ましくは、反復的な位置決定によってチェックされる。

ソケットおよびコネクタを位置合わせするための位置決定の精度は、好ましくは、ソケットとコネクタとの間の距離に応じて調整され得る。

例えば、コネクタとソケットとの間の距離が大きい場合には、ソケットまたはコネクタの位置を大まかに決定し、コネクタとソケットとの間の距離が小さい場合には、位置決定をより正確に行うことが有利であり得る。したがって、必要な計算労力を低減することができる。コネクタまたはソケットを参照してここで説明されていることは、上記の受信ユニットおよび送信ユニット、ならびに以下に説明される本発明のシステムおよび方法にも同様に適用される。

本発明のさらなる態様によれば、送信ユニットの３次元位置を決定するシステムが提供される。システムは、波長λを有する超音波信号を送信するように構成された少なくとも１つの送信機を有する送信ユニットと、上述の受信ユニットとを備える。

送信ユニットは、好ましくは、受信ユニットから同期信号を受信するように構成される。

送信ユニットは、好ましくは、受信ユニットから同期信号を受信するように構成された無線モジュールを有する。

送信ユニットはまた、同期信号を受信した後に超音波信号を送信するように構成されることが好ましい。

本発明のさらなる態様によれば、特に自動車分野において、コネクタをソケットに接続するためのコネクタ－ソケットシステムが提供される。コネクタ－ソケットシステムは、上述のシステムを有する。受信ユニットはコネクタまたはソケットに設けられ、送信ユニットはその逆にソケットまたはコネクタに設けられる。

本発明のさらなる態様によれば、上述のシステムの使用は、特に自動車分野において、コネクタをソケットに接続するためのコネクタ－ソケットシステムにおいて提供される。

本発明のさらなる態様によれば、送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定する方法が提供される。方法は、受信ユニットの少なくとも３つ、好ましくは３つのみの受信機で送信ユニットから波長λを有する超音波信号を受信するステップであって、第１の受信機は、第２の受信機および第３の受信機から超音波信号の最大で２分の１波長λ／２の距離に配置され、第１の受信機および第２の受信機は、第１の直線上に配置され、第１の受信機および第３の受信機は、第２の直線上に配置され、第１の直線および第２の直線は、互いに８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは本質的に９０°、特に９０°を形成し、少なくとも３つの受信機は、好ましくは１つの平面内に配置される、ステップと；少なくとも３つの受信機の各々で受信された超音波信号からそれぞれの飛行時間を決定するステップであって、それぞれの飛行時間は、超音波信号が定義された開始時間に送信ユニットからそれぞれの受信機まで移動するのにかかる時間である、ステップと；決定された飛行時間および少なくとも３つの受信機の配置から送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するステップとを含む。

方法は、好ましくは、受信された超音波信号を増幅するステップ、および／または受信された超音波信号をフィルタリングするステップをさらに含む。

方法は、好ましくは、送信ユニットによる超音波パルスの送信を開始し、開始時間を定義するために、超音波信号を受信する前に受信ユニットから同期信号を送信するステップをさらに含む。

方法は、好ましくは、少なくとも３つの受信機の各々のタイマを開始して、同期信号の送信後のそれぞれの飛行時間を決定するステップを含む。

それぞれの飛行時間の決定は、交差による第１の受信機での超音波信号の受信時間の決定を含み得、交差は、受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点を通る多項式補間を含み、好ましくは、正の振幅のある特定の第１の限界値を超える変曲点のみが使用され、負の振幅のある特定の第２の限界値を下回る変曲点のみが使用され、第１の限界値は、好ましくは第２の限界値に等しい。

受信された超音波信号の過渡プロセスは、経時的に増加する受信された超音波信号の振幅の大きさとして定義することができ、振幅の正側の変曲点は、過渡プロセスにおける正の振幅のそれぞれの最大値であり、振幅の負側の変曲点は、過渡プロセスにおける負の振幅のそれぞれの最小値である。

好ましくは、送信ユニットの３次元位置の決定は、受信された超音波信号間の位相シフトに基づいて行われる。

好ましくは、送信ユニットの３次元位置の決定は、交差する円形経路に基づいて行われる。

好ましくは、円形経路の半径は、それぞれの飛行時間に基づいて決定される。

好ましくは、方法は、送信ユニットに設けられた送信機から超音波信号を送信するステップをさらに含む。

好ましくは、方法は、送信ユニットにおいて受信ユニットから同期信号を受信するステップをさらに含む。

好ましくは、方法は、同期信号を受信するステップの後に、送信ユニットによって超音波信号を送信するステップをさらに含む。

好ましくは、受信された超音波信号間の位相シフトの決定は、第１の受信機で受信された超音波信号および第２の受信機で受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間、ならびに第１の受信機で受信された超音波信号および第３の受信機で受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間の位相シフトと、位相シフトのそれぞれの平均値の形成とを決定することを含み、それぞれの平均値は、好ましくは、それぞれの場合において第１の受信機での超音波信号の受信時間に加算されて、第２および第３の受信機までの超音波信号のそれぞれの飛行時間が決定される。

方法はまた、受信された超音波信号の信号品質の決定を含んでもよく、信号品質の決定は、好ましくは、第１の変曲点から第ｎの変曲点までの受信された超音波信号の連続変曲点間の第１の時間ｔ_ｆｎを決定することと；第１の変曲点と第３～第ｎの変曲点との間の第２の時間ｔ_ｐｎを決定することと；時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎをそれぞれの所定の目標値ｔ_{ｆｎ＿ｔａｒｇｅｔ}およびｔ_{ｐｎ＿ｔａｒｇｅｔ}と比較することによって信号品質を決定することとを含む。

方法は、決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にあるか否かを決定し、決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にある場合、関連する変曲点を平均化に使用するか、または決定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にある場合、変曲点を破棄することをさらに含んでもよい。

許容範囲は、所定の許容範囲とすることができる。

本発明のさらなる態様によれば、コンピュータプログラム製品であって、プログラムがコンピュータによって実行されると、コンピュータに上述の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

上述のように、本発明は、自動車分野において特に有利である。

本発明は、車両のバッテリを充電するために車両に取り付けられたソケットにコネクタが自動的に挿入される電気自動車における位置決定に特に有利である。この目的のために、上述の受信ユニットは、コネクタまたはソケットに設けることができる。

受信ユニットがコネクタに設けられる場合、送信ユニットはソケットに設けられ、その逆も同様である。

換言すると、本発明は、特に、バッテリ充電システムまたはタンクシステムにおけるコネクタ－ソケットシステムの自動または手動ドッキングのためのセンサシステムを対象とする。

本発明のさらなる適用分野は、例えば倉庫内のロボット、人、または物品の位置を決定するためのセンサシステムである。

本発明はまた、例えば送信ユニットをユーザの手首に取り付けることによって、ジェスチャ制御および手追跡システムに使用することもできる。

本発明は、特に上述の技術分野において必要とされる送信ユニットの特に正確な位置決定を提供する。

本発明の好ましい特徴は、特に以下を含む。
● ２分の１波長以下の間隔で離間した少なくとも３つのマイクロフォン
● 追跡される音源（送信ユニット）は、（場合によっては同期信号を受信した後に）音波パルスを送信する。
● 超音波範囲（約３０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ）内の音波パルス
● 同期信号によってトリガされる音源の「ｘ，ｙ，ｚ」座標の決定
● トリガ（上述の通り）は、同期信号、例えば無線信号（またはフラッシュ光もしくは時間同期［タイマ］）を介して実行される。
● 記録された音響信号（ＡＤＣデータ）からの時間領域（ＦＦＴなし）における音波パルスの３つの飛行時間（３つのマイクロフォン）の決定
● アルゴリズム：２つの交差する円形経路およびベクトル計算

したがって、飛行時間の非常に正確な決定、ひいては送信ユニットの３Ｄ位置の非常に正確な決定が、本発明によって提供され得る。

本発明による方法に関して説明された特徴は、本発明によるデバイスの対応するデバイスの対応する特徴にも確かに対応し得る。これに対応して、本発明の説明されたデバイスの特徴は、方法の特徴に対応し得る。

本発明は、例示的な実施形態および以下の図面によってより詳細に説明される。

本発明の一実施形態による受信ユニットの概略図である。

本発明の一実施形態に従って受信ユニットが実行するステップを含むフローチャートである。

本発明の一実施形態による送信ユニットの概略図である。

本発明の一実施形態に従って送信ユニットが実行するステップを含むフローチャートである。

本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機の配置の概略図である。

本発明の図５に従う実施形態による送信ユニットのｘ座標を決定するための概略図である。

本発明の図５に従う実施形態による送信ユニットのｙ座標を決定するための概略図である。

本発明の図５に従う実施形態による送信ユニットのｚ座標を決定するための概略図である。

本発明のさらなる実施形態による送信ユニットの３つの受信機の配置の概略図である。

本発明の一実施形態による送信ユニットから受信ユニットへの信号の伝搬の概略図である。

本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における受信信号のエネルギー－時間図である。

本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。 本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。 本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。 本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。 本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。 本発明の一実施形態による受信ユニットの３つの受信機における信号処理の概略図である。

本発明の図９に従う実施形態による送信ユニットのｘ座標を決定するための概略図である。

本発明の図９に従う実施形態による送信ユニットのｙ座標を決定するための概略図である。

本発明の図９に従う実施形態による送信ユニットのｚ座標を決定するための概略図である。

図１は、第１の受信機１１０（「Ｍｉｃ１」とも呼ばれる）、第２の受信機１２０（「Ｍｉｃ２」とも呼ばれる）、および第３の受信機１３０（「Ｍｉｃ３」とも呼ばれる）を有する本発明の受信ユニット１００の概略構造を示す。

受信機１１０、１２０、１３０は、例えば、超音波信号を受信するためのマイクロフォンまたはセンサとして設計され得る。

受信ユニット１００はまた、増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１を有し、これらは各々、受信機１１０、１２、１３０の１つに接続されている。増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１は、それぞれの受信機１１０、１２０、１３０で受信された信号を受信し、それらを増幅またはフィルタリングするように構成される。

増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１は、特に、任意の干渉信号から実際の測定信号を増幅またはフィルタリングすることによって信号対雑音比を改善するように構成される。

図１では、増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１がそれぞれ１つのユニットとして示されているが、増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１は別個のユニットとして形成することもできる。

受信ユニット１００はまた、増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１に接続され、それぞれの増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１からの信号を受信して処理するように構成されたプロセッサ１４０を有する。

プロセッサ１４０は、受信ユニット１００のパラメータ設定等のさらなるデータを受信および処理することができる。

プロセッサ１４０は、特に、送信ユニットの位置を決定し（図３および図４を参照して以下でより詳細に説明される）、好ましくは、送信ユニットの対応する「ｘ，ｙ，ｚ」座標を出力するように構成される。送信ユニットの位置決定の実践は、図５～図１０を参照して以下でより詳細に説明される。

プロセッサ１４０のさらなる機能は、図２～図１４の以下の説明から明らかになる。

プロセッサ１４０は、無線モジュール１５０にさらに接続されている。無線モジュール１５０は、特に、同期信号を送信するように構成される。同期信号の送信は、例えば、以下でより詳細に説明される飛行時間測定のための定義された開始時間を提供するために、プロセッサ１４０によって開始され得る。

無線モジュール１５０は、プロセッサ１４０と通信し、同期信号の送信の成功をプロセッサ１４０に報告することができる。さらに、無線モジュール１５０は、送信ユニットから確認応答を受信することができ、確認応答は、同期信号の受信を確認する。

図２は、本発明の一実施形態に従って受信ユニット１００が実行するステップを含むフローチャートを示す。

ステップＳ１１０において、受信ユニット１００の無線モジュール１５０により同期信号が送信される。同期信号は、例えば、無線信号、フラッシュ光等であり得る。

ステップＳ１２０において、３つのタイマが開始され、それぞれの場合において受信機１１０、１２０、１３０の１つに１つのタイマが割り当てられる。好ましくは、タイマは、送信ユニットからそれぞれの受信機１１０、１２０、１３０への信号のそれぞれの飛行時間を決定するために、同期信号が送信されるのと本質的に同時に開始される。

ステップＳ１３０において、送信ユニットからの超音波信号が、各受信機１１０、１２０、１３０が受信した信号から検索される。換言すると、受信機１１０、１２０、１３０は入力超音波信号を受信し、これは後続の増幅およびフィルタリングユニット１１１、１２１、１３１を介してプロセッサ１４０に転送される。プロセッサ１４０は、信号を処理し、様々な信号の中から、それぞれの受信機１１０、１２０、１３０で直接送信ユニットから受信された信号を識別するように構成される。

可能な干渉信号は、例えば、送信ユニットによって送信された信号からの表面上で反射された信号に対応する反射信号に由来し得る。

ステップＳ１４０において、送信ユニットからそれぞれの受信機１１０、１２０、１３０への信号のそれぞれの飛行時間は、上述のタイマを使用してプロセッサ１４０によって決定される。それぞれの飛行時間は、送信ユニットによって送信された信号がそれぞれの受信機１１０、１２０、１３０に到達するのに必要な時間に対応する。

ステップＳ１５０において、送信ユニットの３Ｄ座標が、決定された３つの飛行時間に基づいてプロセッサ１４０によって決定される。決定された飛行時間に基づく３Ｄ座標の決定は、以下でより詳細に説明される。

ステップＳ１６０において、決定された３Ｄ座標がプロセッサ１４０によって出力され、方法が再び実行され得る。

図３は、本発明の一実施形態による送信ユニット２００の概略図を示す。送信ユニット２００は、送信機２１０、ドライバ段２２０、プロセッサ２３０および無線モジュール２４０を備える。

送信機２１０は、超音波信号を送信するように構成される。送信機は、送信機２１０を駆動するドライバ段２２０に接続されている。

プロセッサ２３０は、ドライバ段２２０に接続されている。プロセッサ２３０は、無線モジュール２４０に接続されている。プロセッサ２３０は、本質的に、送信ユニット２００の構成要素の制御を引き継ぐ。

無線モジュール２４０は、例えば無線信号またはフラッシュ光等の同期信号を受信し、同期信号の受信をプロセッサ２３０に報告するように構成される。

図４は、本発明の一実施形態に従って送信ユニット２００が実行するステップを含むフローチャートを示す。

ステップＳ２１０において、送信ユニット２００は、受信ユニット１００からの同期信号を待つ。これは待機モードと呼ぶことができ、送信機２１０はこのモードでは超音波信号を送信しない。

ステップＳ２２０において、無線モジュール２４０により同期信号が受信されたか否かが決定される。無線モジュール２４０で同期信号が受信されなかった場合、方法はステップＳ２１０に戻り、ステップＳ２１０およびＳ２２０を再び実行する。

ステップＳ２１０およびステップＳ２２０は、例えば、所定の間隔で繰り返し実行され得る。

無線モジュール２４０において同期信号が受信された場合、方法はステップＳ２３０に進む。

ステップＳ２３０において、送信機２１０により超音波信号が送信される。超音波信号が送信された後、方法はステップＳ２１０に戻り、上述のステップが再び実行され得る。

図５および図６を参照して、一実施形態による受信ユニット１００の受信機１１０、１２０、１３０の配置を以下でより詳細に説明する。

図５は、本発明の一実施形態による受信ユニット１００の３つの受信機１１０、１２０、１３０の配置の概略図を示す。

図５の概略図において、受信機１１０は、ｘ，ｙ，ｚ座標系の所定の座標原点（０，０，０）に対して点（ｓ，ｋ_Ｍｉｃ１，ｅ_１）に位置している。受信機１２０は、点（Ｍ_ｘ，ｋ_Ｍｉｃ２，ｅ_２）に位置している。受信機１３０は、距離Ｍｙ（ｋ_Ｍｉｃ３，Ｍ_ｙ，ｅ_３）に位置している。

受信機１１０、１２０、１３０間の距離は最大でλ／２に等しく、λは送信ユニット２００によって送信される信号の波長に対応し、すなわち以下が成り立つ。

前述の座標系の位置は自由に選択され得ることは、当業者に明らかであろう。以下の説明では、受信機１１０、１２０、１３０は１つの平面内に位置する、すなわちｅ_１＝ｅ_２＝ｅ_３＝０であることが仮定される。

送信ユニット２００からの信号の伝搬を図９に示し、３つの受信機１１０、１２０、１３０からの対応する受信信号を図１０に示す。図９および図１０は、さらなる例示的な実施形態に基づいて以下でより詳細に説明されるが、図５～図８を参照して本明細書で説明される例示的な実施形態と同等の様式で適用される。

図６～図８を参照して、送信ユニット２００の３Ｄ座標の計算が以下でより詳細に説明される。

図６は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｘ座標を決定するための概略図を示す。図７は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｙ座標を決定するための概略図を示す。図８は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｚ座標を決定するための概略図を示す。

図６は、受信機１１０（第１の受信機１１０とも呼ばれる）、受信機１２０（第２の受信機１２０とも呼ばれる）、および送信機２１０を示す。送信機２１０からそれぞれの受信機１１０、１２０への信号の予め決定された飛行時間Ｕ_１およびＵ_２は、図６に示されるように、それぞれの受信機１１０、１２０の周りの２つの円形経路Ｕ_１およびＵ_２の半径に対応する。

図６に示される円形経路Ｕ_１およびＵ_２の第１の受信機１１０の場所における座標原点に対応する座標方程式は、以下の通りである。

Ｍ_ｘｖは、第１の受信機１１０と第２の受信機１２０との間の距離を示す。Ｕ_１およびＵ_２は、円形経路のそれぞれの半径を示す。ｘｖは、送信機２１０のｘｖ座標を示し、ｚ_２Ｄは、ｘｖ，ｚ_２Ｄ座標系における送信機２１０のｚ成分を示し、ｘｖ軸は、第１の受信機１１０および第２の受信機１２０によって定義される。

上記の座標方程式は、ｚ_２Ｄを対象とするように再構成し、次いで等式化して、以下の式を得ることができる。

第１の受信機１１０と第２の受信機１２０との間の線分Ｍ_ｘｖは、以下のように計算される。

等式化された座標方程式は、ｘｖを対象とするように再構成することができ、Ｍ_ｘｖを挿入すると、以下のようになる。

したがって、送信機２１０のｘｖ座標は、ｘｖ，_Ｚ２Ｄ座標系で決定することができる。

図７は、受信機１１０（第１の受信機１１０とも呼ばれる）、受信機１２０（第２の受信機１２０とも呼ばれる）、受信機１３０（第３の受信機１３０とも呼ばれる）、および送信機２１０を示す。図９は、送信機２１０のｘ座標およびｙ座標の決定を示す。

まず、原点座標系に対する線分ｘｖの回転角αが、以下のように決定される。

回転角αを使用して、線分Ｍ_ｙｖおよび線分ｋｖ_Ｍｉｃ３が以下のように決定され得る。

それぞれの飛行時間Ｕ_１およびＵ_２の半径を有する球の球面の座標方程式は、以下の通りである。

および

座標方程式は、ｚを対象とするように再構成して等式化することができる。

等式化された座標方程式は、以下のようにｙｖを対象とするように再構成することができる。

ｘｖ座標およびｙｖ座標は、角度αを中心とした回転を使用して、対応するｘ座標およびｙ座標に遡ることができる。

図８は、受信機１１０と送信機２１０との間の線分Ｕ_１を示す。線分Ｕ_１は、以下のベクトル

として表現され得る。

ベクトル

の大きさは、信号の飛行時間に対応する。

この式は、ｚを対象とするように再構成することができ、その結果、送信機２１０のｚ座標について以下の式が得られる。

したがって、送信機２１０のｚ座標は、予め決定されたｘ座標およびｙ座標ならびに飛行時間Ｕ_１を使用して決定され得る。

上記の計算は、好ましくは、受信ユニット１００のプロセッサ１４０によって実行される。前述の計算は、送信機２１０に関連して説明された。前述の計算が送信機２１０を備える送信ユニット２００に関連することは、当業者には明らかである。

図９～図１１ａを参照して、受信ユニット１００の受信機１１０、１２０、１３０の配置、ならびにさらなる例示的な実施形態の信号の伝播および受信を、以下でより詳細に説明する。

図９は、本発明の一実施形態による受信ユニット１００の３つの受信機１１０、１２０、１３０の配置の概略図を示す。図１０は、本発明の一実施形態による送信ユニット２００から受信ユニット１００への信号の伝搬の概略図を示す。図１１ａは、本発明の一実施形態による受信ユニット１００の３つの受信機１１０、１２０、１３０における受信信号のエネルギー－時間図を示す。

図９の概略図において、受信機１１０は、「ｘ，ｙ，ｚ」座標系の原点（０，０，０）に位置している。受信機１２０は、受信機１１０から距離Ｍｘ（Ｍｘ，０，０）に位置している。受信機１３０は、受信機１１０から距離Ｍｙ（０，Ｍｙ，０）に位置している。受信機１１０、１２０、１３０間の距離ＭｘおよびＭｙは最大でλ／２に等しく、λは送信ユニット２００によって送信される信号の波長に対応する。したがって、受信機１１０、１２０、１３０は、一平面内に配置され、距離ＭｘおよびＭｙは、最大でλ／２に等しい。

さらに、受信機１１０および１２０は第１の直線上に配置され、受信機１１０および１３０は第２の直線上に配置され、第１の直線および第２の直線は互いに直角である。受信機１１０、１２０、１３０のこの直交配置によって、常に互いに直角である方位角および仰角を介して以下で説明される３つの座標の計算が可能となる。

前述の座標系の位置は自由に選択され得、以下の計算を説明するための単なる例としてここで選択されたことは、当業者に明らかであろう。送信ユニット２００からの信号の伝搬を図１０に示す。図１０に示されるように、受信ユニット１００の受信機１１０、１２０、１３０は、それらの空間的配置に起因して異なる時点で送信ユニット２００によって送信された信号を受信する。

３つの受信機１１０、１２０、１３０からの対応する受信信号を図１１ａに示す。受信機１１０、１２０、１３０を送信信号の最大で２分の１波長の距離に配置することにより、受信信号をそれぞれの受信機１１０、１２０、１３０に明確に割り当てることが可能である。

受信機１１０（Ｍｉｃ１）における飛行時間は、以下のように決定される。まず、包絡線の第１の変曲点が決定される。次いで、所定の検出閾値を超える信号の第１の極大値が決定される。これは、受信機１１０における信号の飛行時間である。

検出閾値は、好ましくは、実際の飛行時間測定の前に、受信された周囲／システム雑音の平均値として決定される。受信機（Ｍｉｃ３）１３０および１２０（Ｍｉｃ２）における飛行時間の精度または受信機１１０に対する飛行時間の差は、座標を決定する上で決定的である。異なる受信機の信号は均一に共振しない。受信機１２０（Ｍｉｃ２）および受信機１３０（Ｍｉｃ３）における飛行時間が受信機１１０の信号の最初の極大値に割り当てられた場合、３つの受信機の個々の信号の位相がまだ安定していないことが起こり得る。この割り当ては、次いで、受信機１３０（Ｍｉｃ３）および受信機１２０（Ｍｉｃ２）における飛行時間の準最適値、すなわちあまり正確でない値を提供する。このため、受信機１２０（Ｍｉｃ２）および受信機１３０（Ｍｉｃ３）における位相差または飛行時間の差が、受信機１２０および受信機１３０における信号を受信機１１０における第１の極大値の右側の極大値に割り当てることによって決定される場合、極大値が検出閾値に対するある特定のオフセット値を超える（純粋にヒューリスティックに決定される）と有利である。

受信機１２０（Ｍｉｃ２）および受信機１３０（Ｍｉｃ３）における「実際の」飛行時間は、好ましくは、飛行時間の差を受信機１１０における実際の飛行時間に加算することによって計算される。

換言すると、受信機１２０（Ｍｉｃ２）および受信機１３０（Ｍｉｃ３）における位相差または飛行時間差は、受信機１２０および受信機１３０における信号を、受信機１１０における第１の極大値の右側の極大値に割り当てることによって決定される。これは、受信機１１０における信号が検出閾値を超えた最初の時点で、信号の位相が安定していない可能性があるためである。受信機１１０から受信機１２０および受信機１１０から受信機１３０の位相または飛行時間の差を計算した後、これらは、受信機１１０において決定された信号の飛行時間に加算される。したがって、受信機１２０および１３０における信号の飛行時間もまた取得される。

換言すると、送信信号の最大で２分の１波長の距離に受信機１１０、１２０、１３０を配置することによって、信号の誤った割り当てが回避され得る。特に、位相または飛行時間の差の測定は相対的であり、個々のチャネルの実際の包絡線最大値とは無関係であることに留意されたい。例えば、厳密に同じ位相位置で少なくとも２つの異なる方向から信号を受信することが可能であるため、信号の明確な割り当ては、２分の１波長を超える距離で常に可能であるとは限らない。誤差に対するこの感受性は、本明細書で説明されるように、送信信号の最大で２分の１波長の距離に受信機１１０、１２０、１３０を配置することによって回避され得る。

図１１ｂ～図１１ｇを参照して、上記の信号処理を以下でより詳細に説明する。

図１１ｂは、第１の受信機１１０の飛行時間（ＴｏＦ）の所定の測定範囲を示す。この測定範囲において、送信ユニット２００により送信された音響パケット（信号）が検索され、マークされる。この目的のために、当技術分野の背景技術から知られている方法を使用することができる。

図１１ｂにおける飛行時間軸は、ＡＤＣサンプルで与えられる。これは、既知のサンプリングレート（１秒あたりのサンプル）を使用して飛行時間に変換することができる。

一実施形態によれば、所定の測定範囲は、本方法において事前定義／指定することができる。測定範囲は、個々の測定の前に再定義することもできる。例えば、ビーコン（超音波送信機）は最初の測定中に半径１ｍ～５ｍ以内で追跡されるべきであると指定することができる。２回目の測定については、例えば、７ｍ～１０ｍの範囲が追跡されるべきであると指定することができる。この方法により、測定範囲に対応する時間について音響信号が評価される。

代替の実施形態において、例えば、１つのビーコン（超音波送信機）のみを方法で使用することができ、測定は１つのビーコン（超音波送信機）の検出まで実行することができる。例えば、最大測定範囲は、０～１０ｍに設定することができる。ビーコンが４ｍで検出された場合、測定は終了および評価され、この測定の測定範囲は４ｍに動的に設定される。

測定範囲に関する上述の値は、一般的な方法を説明するための例として与えられているにすぎず、本発明がこれらの例示的な値に限定される程度に本開示の内容を限定することを意図するものではない。

図１１ｃによれば、音響パケットは過渡プロセスおよび減衰プロセスに分割され、それに応じてマークされる。過渡プロセスは、例えば、振動の振幅の大きさが増加する音響パケットの部分として定義することができる。それに応じて、減衰プロセスは、振動の振幅の大きさが減少する音響パケットの部分として定義することができる。したがって、最大振幅（振幅の大きさ）を有する振動は、過渡プロセスと減衰プロセスとの間の境界を画定することができる。それぞれの過渡または減衰プロセスの開始点または終了点は、最初または最後の振幅値≠０（または所定の限界値＞０）であり得る。

図１１ｄは、過渡プロセスの拡大断面を示す。音響信号の変曲点は、以前にマークされた過渡プロセスの領域で決定される。音響信号の変曲点の決定は、以前に定義された限界値（「雑音レベルの閾値」）を上回る（正の振幅）または下回る（負の振幅）変曲点に限定される。変曲点は、図１１ｄにおいて円でマークされ、それに応じて矢印で識別される。

図１１ｅに従って、正側および負側の変曲点を使用して多項式補間が実行される。２つの多項式関数の交点は、音響信号の開始点（最初）を規定する。これにより、送信ユニット２００から第１の受信機１１０への信号（音響パケット）の飛行時間を正確に決定することができる。

図１１ｆを参照して、位相差または飛行時間の差の決定を以下でより詳細に説明する。図１１ｆにおいて、チャネル１は第１の受信機１１０における信号を示し、チャネル２は第２の受信機１２０における信号を示し、チャネル３は第３の受信機１３０における信号を示す。

個々のチャネル、すなわち個々の受信機１１０、１２０、１３０の飛行時間（ＴｏＦ）を決定するために、チャネル間の位相（時間差）が決定される。これに関して、チャネル１（第１の受信機１１０における信号）が開始点を規定する。チャネル１のそれぞれの変曲点は、波長の２分の１以下である検索窓（図１１ｆにおける破線）の中心を規定する。したがって、チャネル１とチャネル２との間、およびチャネル１とチャネル３との間のそれぞれの時間差が決定され得る。

チャネル間の対応する時間差が複数（好ましくは所定数）の変曲点に対して決定され、平均値が、チャネル１とチャネル２との間およびチャネル１とチャネル３との間の時間差の平均値を決定するために形成される。次いで、チャネル２（第２の受信機１２０）およびチャネル３（第３の受信機１３０）の信号の飛行時間を計算するために、それぞれの平均値が上述のように決定されたチャネル１の飛行時間（第１の受信機１１０における音響パケットの開始時間）に加算され得る。

図１１ｇを参照して、それぞれの受信機１１０、１２０、１３０で受信された信号の信号品質の決定を以下でより詳細に説明する。

信号形状は、例えば、周波数を変化させ得る送信機、干渉信号、雑音、および伝送媒体によって乱される。これらの外乱は、位相差の計算に誤差をもたらし得る。信号品質を評価することができるようにするために、したがって誤差を検出することができるようにするために、図１１ｇにおいて特定される時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが決定され、目標値と比較される。

特定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが所定の許容範囲内にある場合、関連する変曲点が上記の平均化に使用され、そうでない場合、変曲点は破棄される。

特に、目標値（ｔ_{ｆｎ＿ｔａｒｇｅｔ}およびｔ_{ｐｎ＿ｔａｒｇｅｔ}）は、送信信号から決定されるか、または既知の理想信号（数学関数）から導出される。これにより、周波数符号化の形態で信号符号化を行うことができる。

信号品質を決定するために、例えば適切な一連の測定によって、許容範囲が事前に定義される。特定された時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎが許容範囲内にある場合、関連する変曲点がさらなる計算に使用され、そうでない場合、変曲点は破棄される。

さらなる計算に使用される変曲点の数は、信頼値／信頼度数値をもたらす。このようにして決定された信頼値／信頼度数値を利用して、方法の適用後に決定された信頼値／信頼度数値を使用してフィルタリング／分割／重み付けを行うこと、または１つもしくは複数の変曲点を完全に破棄すること、または決定の最後に座標を完全に破棄することも可能である。

信頼値／信頼度数値を決定し、（信頼値／信頼度数値の有無にかかわらず）座標を出力した後、または座標を破棄した後、センサシステムは新しい測定を実行する準備ができている。

図１２～図１４を参照して、図９～図１１に従う例示的実施形態の送信ユニット２００の３Ｄ座標の計算を、以下でより詳細に説明する。

図１２は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｘ座標を決定するための概略図を示す。図１３は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｙ座標を決定するための概略図を示す。図１４は、本発明の一実施形態による送信ユニットのｚ座標を決定するための概略図を示す。

図１２は、受信機１１０（第１の受信機１１０とも呼ばれる）、受信機１２０（第２の受信機１２０とも呼ばれる）、および送信機２１０を示す。送信機２１０からそれぞれの受信機１１０、１２０への信号の予め決定された飛行時間Ｕ_１およびＵ_２は、図１２に示されるように、それぞれの受信機１１０、１２０の周りの２つの円形経路Ｕ_１およびＵ_２の半径に対応する。

図１２に示される円形経路Ｕ_１およびＵ_２の対応する座標方程式は以下の通りである。

Ｍ_ｘは、第１の受信機１１０と第２の受信機１２０との間の距離を示す。Ｕ_１およびＵ_２は、円形経路のそれぞれの半径を示す。ｘは送信機２１０のｘ座標を示し、ｚ_２Ｄは送信機２１０のｚ成分を示す。

上記の座標方程式は、ｚ_２Ｄを対象とするように再構成し、次いで等式化して、以下の式を得ることができる。

この式はｘについて解くことができ、次の式が得られる。

したがって、送信機２１０のｘ座標は、２つの飛行時間Ｕ_１およびＵ_２、ならびに第１の受信機１１０と第２の受信機１２０との間の距離Ｍ_ｘを決定することによって決定され得る。

図１３は、受信機１１０（第１の受信機１１０とも呼ばれる）、受信機１３０（第３の受信機１３０とも呼ばれる）、および送信機２１０を示す。図１２と同様に、図１３は、送信機２１０のｙ座標の決定を示す。

送信機２１０からそれぞれの受信機１１０、１３０への信号の予め決定された飛行時間Ｕ_１およびＵ_３は、図１３に示されるように、それぞれの受信機１１０、１３０の周りの２つの円形経路Ｕ_１およびＵ_３の半径に対応する。

図１２に示される円形経路の対応する座標方程式は以下の通りである。

Ｍ_ｙは、第１の受信機１１０と第３の受信機１３０との間の距離を示す。Ｕ_１およびＵ_３は、円形経路のそれぞれの半径を示す。ｙは送信機２１０のｙ座標を示し、ｚ_２Ｄは送信機２１０のｚ成分を示す。

上記の座標方程式は、ｚ_２Ｄを対象とするように再構成し、次いで等式化して、以下の式を得ることができる。

この式はｙについて解くことができ、次の式が得られる。

したがって、送信機２１０のｙ座標は、２つの飛行時間Ｕ_１およびＵ_３、ならびに第１の受信機１１０と第３の受信機１３０との間の距離Ｍ_ｙを決定することによって決定され得る。

図１４は、受信機１１０と送信機２１０との間の線分Ｕ_１を示す。線分Ｕ_１は、以下のベクトル

として表現され得る。

ベクトル

の大きさは、信号の飛行時間に対応する。

この式は、ｚを対象とするように再構成することができ、その結果、送信機２１０のｚ座標について以下の式が得られる。

したがって、送信機２１０のｚ座標は、予め決定されたｘ座標およびｙ座標ならびに飛行時間Ｕ_１を使用して決定され得る。

上記の計算は、好ましくは、受信ユニット１００のプロセッサ１４０によって実行される。前述の計算は、送信機２１０に関連して説明された。前述の計算が送信機２１０を備える送信ユニット２００に関連することは、当業者には明らかである。

送信機の３次元位置に加えて、必要に応じて送信機の方向も決定することができる。飛行時間の差は相対的であり、飛行時間測定の定義された開始時間に依存しないため、送信機の方向を決定することは、上述したように同期信号を必要としない。受信信号の飛行時間の差は、上述のように決定される。飛行時間の差は、受信機の平面に対する方位角または仰角を明確に示す。このようにして、送信機の方向を決定することができる。

本明細書において、本発明をその好ましい実施形態を参照して説明および例示したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に含まれる限り、本発明に対する修正および変更を包含することが意図される。さらに、特定の実施形態に関連して説明される特徴は、その実施形態の他の特徴に関連して排他的に解釈されるべきではない。むしろ、異なる実施形態からの特徴の組み合わせも可能であることは明らかである。また、本発明による可能な実施形態において、別の特徴に関連して説明された特徴は、他の特徴なしで存在してもよい。

Claims (15)

1. 送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するための受信ユニットであって、
   各々が前記送信ユニットから波長λを有する超音波信号を受信するように構成された少なくとも３つの受信機であって、第１の受信機は、第２の受信機および第３の受信機から前記超音波信号の最大で２分の１波長λ／２の距離に配置され、前記少なくとも３つの受信機は、１つの平面内に配置される、少なくとも３つの受信機と；
   前記少なくとも３つの受信機の各々で受信された前記超音波信号からそれぞれの飛行時間を決定するように構成されたプロセッサであって、前記それぞれの飛行時間は、前記超音波信号が定義された開始時間に前記送信ユニットから前記それぞれの受信機までに必要とする時間であり、前記プロセッサは、前記決定された飛行時間および前記少なくとも３つの受信機の前記配置から前記送信ユニットの前記３次元位置および／または方向を決定するようにさらに構成される、プロセッサと
   を備える受信ユニット。
2. 前記受信ユニットが、前記送信ユニットによる前記超音波信号の送信を開始し、前記開始時間を定義するために、前記超音波信号を受信する前に同期信号を送信するようにさらに構成され、前記プロセッサが、好ましくは、前記それぞれの飛行時間を決定するために、前記同期信号の送信時に前記少なくとも３つの受信機の各々のタイマを開始するようにさらに構成される、請求項１に記載の受信ユニット。
3. 前記プロセッサが、前記それぞれの飛行時間を決定するために、交差によって前記第１の受信機における前記超音波信号の受信時間を決定するようにさらに構成され、前記交差は、前記受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点を通る多項式補間を含み、好ましくは、正の振幅のある特定の第１の限界値を超える変曲点のみが使用され、負の振幅のある特定の第２の限界値を下回る変曲点のみが使用され、前記第１の限界値は、好ましくは前記第２の限界値に等しい、請求項１または２に記載の受信ユニット。
4. 前記プロセッサが、前記受信した超音波信号間の位相シフトに基づいて前記それぞれの飛行時間を決定するようにさらに構成され、および／または前記プロセッサが、交差する円形経路に基づいて前記送信ユニットの前記３次元位置を決定し、好ましくは前記それぞれの飛行時間に基づいて前記円形経路の半径を決定するようにさらに構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の受信ユニット。
5. 前記受信された超音波信号間の前記位相シフトを決定することが、前記第１の受信機で受信された前記超音波信号および前記第２の受信機で受信された前記超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間、ならびに前記第１の受信機で受信された前記超音波信号および前記第３の受信機で受信された前記超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間の前記位相シフトと、前記位相シフトのそれぞれの平均値の形成とを決定することを含み、前記それぞれの平均値は、好ましくは、それぞれの場合において前記第１の受信機での前記超音波信号の受信時間に加算されて、前記第２および第３の受信機までの前記超音波信号のそれぞれの飛行時間が決定される、請求項４に記載の受信ユニット。
6. 前記プロセッサが、前記受信された超音波信号の信号品質を決定するようにさらに構成され、前記信号品質の決定は、好ましくは、
   第１の変曲点から第ｎの変曲点までの前記受信された超音波信号の連続変曲点間の第１の時間ｔ_ｆｎを決定することと；
   第１の変曲点と第３～第ｎの変曲点との間の第２の時間ｔ_ｐｎを決定することと；
   時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎをそれぞれの所定の目標値ｔ_{ｆｎ＿ｔａｒｇｅｔ}およびｔ_{ｐｎ＿ｔａｒｇｅｔ}と比較することによって前記信号品質を決定することと
   を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の受信ユニット。
7. 前記第１の受信機および前記第２の受信機が、第１の直線上に配置され、前記第１の受信機および前記第３の受信機は、第２の直線上に配置され、前記第１の直線および前記第２の直線は、互いに８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは本質的に９０°、特に９０°の角度を形成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の受信ユニット。
8. 送信ユニットの３次元位置および／または方向を決定するための方法であって、
   受信ユニットの少なくとも３つの受信機で前記送信ユニットから波長λを有する超音波信号を受信するステップであって、第１の受信機は、第２の受信機および第３の受信機から前記超音波信号の最大で２分の１波長λ／２の距離に配置され、前記少なくとも３つの受信機は、１つの平面内に配置される、ステップと；
   前記少なくとも３つの受信機の各々で受信された前記超音波信号からそれぞれの飛行時間を決定するステップであって、前記それぞれの飛行時間は、前記超音波信号が定義された開始時間に前記送信ユニットから前記それぞれの受信機まで移動するのにかかる時間である、ステップと；
   前記決定された飛行時間および前記少なくとも３つの受信機の配置から前記送信ユニットの前記３次元位置および／または方向を決定するステップと
   を含む方法。
9. 前記送信ユニットによる超音波パルスの送信を開始し、前記開始時間を定義するために、前記超音波信号を受信する前に前記受信ユニットから同期信号を送信するステップをさらに含み、好ましくは、前記同期信号の送信後に前記それぞれの飛行時間を決定するために、前記少なくとも３つの受信機の各々のタイマを開始するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記それぞれの飛行時間の決定が、交差による前記第１の受信機での前記超音波信号の受信時間の決定を含み、前記交差は、前記受信された超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点を通る多項式補間を含み、好ましくは、正の振幅のある特定の第１の限界値を超える変曲点のみが使用され、負の振幅のある特定の第２の限界値を下回る前記変曲点のみが使用され、前記第１の限界値は、好ましくは前記第２の限界値に等しい、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記送信ユニットの前記３次元位置の決定が、前記受信された超音波信号間の前記位相シフトに基づいて実行され、および／または前記送信ユニットの前記３次元位置の決定が、交差する円形経路に基づいて実行され、前記円形経路の半径は、好ましくは前記それぞれの飛行時間に基づいて決定される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記受信された超音波信号間の前記位相シフトを決定することが、前記第１の受信機で受信された前記超音波信号および前記第２の受信機で受信された前記超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間、ならびに前記第１の受信機で受信された前記超音波信号および前記第３の受信機で受信された前記超音波信号の振幅の過渡プロセスの正側および負側のそれぞれの変曲点の間の前記位相シフトと、前記位相シフトのそれぞれの平均値の形成とを決定することを含み、前記それぞれの平均値は、好ましくは、それぞれの場合において前記第１の受信機での前記超音波信号の受信時間に加算されて、前記第２および第３の受信機までの前記超音波信号のそれぞれの飛行時間が決定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記受信された超音波信号の信号品質を決定するステップであって、好ましくは、
    第１の変曲点から第ｎの変曲点までの前記受信された超音波信号の連続変曲点間の第１の時間ｔ_ｆｎを決定することと；
    第１の変曲点と第３～第ｎの変曲点との間の第２の時間ｔ_ｐｎを決定することと；
    時間ｔ_ｆｎおよびｔ_ｐｎをそれぞれの所定の目標値ｔ_{ｆｎ＿ｔａｒｇｅｔ}およびｔ_{ｐｎ＿ｔａｒｇｅｔ}と比較することによって前記信号品質を決定することと
    を含む、前記信号品質を決定するステップをさらに含む、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第１の受信機および前記第２の受信機が、第１の直線上に配置され、前記第１の受信機および前記第３の受信機は、第２の直線上に配置され、前記第１の直線および前記第２の直線は、互いに８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは本質的に９０°、特に９０°の角度を形成する、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. コンピュータプログラム製品であって、前記プログラムがコンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラム製品。
    
    

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