【発明の詳細な説明】
超音波変換器による測定対象物の方向及び距離に関する位置測定方法
本発明は超音波変換器による測定対象物の方向および距離に関する位置測定の
ための方法に関する。
High Resolution（広い範囲および高い分解能を有する超音波式存在センサ）”
、米国電気電子学会論文集・超音波、強誘電体および周波数制御編、第ＵＦＦＣ
‐３４巻、第２号（１９８７年３月）から、いわゆるＲＵ８０超音波変換器を近
接センサとして使用することは公知である。その典型的な応用は対象物検出、対
象物高さ測定、ベルトコンベアーの監視、衝突管制、充満度測定または人の存在
の認識である。これらの応用例に対していわゆる方向鋭敏性の超音波変換器、た
とえば上記文献に記載されているＲＵ８０変換器が適している。これらの変換器
に特徴的なことは、上記文献の第６図に示されているように、約５°の狭い主超
音波ローブを有することである。
しかし、対象物の位置の距離だけでなく方向に関する測定も行われるべきであ
れば、A.Macovski“Ultrasonic Imaging Using Array（超音波撮像に使用するア
レイ）”、米国電気電子学会雑誌、第６７巻、第４号、ＡＰＩ、に記載されてい
るように、例えばこの文献の第１図中に示されているように、１つの超音波変換
器アレイを使用しなければならない。この種のアレイは、別々に作動しなければ
ならない複数の個別変換器から成っているという欠点を有する。それにより高い
費用とならんで、センサの構成形態に基づく複雑な操作および大きい占有場所が
必要である。その組立は１つの個別変換器システムの組立よりも複雑である。
さらに、E.Krestel“Bildgebende Systeme fuer die medizinische Diagnosti
k（医学診断用の撮像システム）”、第２版、ベルリン、ミュンヘン：シーメン
ス株式会社（１９８８年）から、機械的に動かされる変換器を使用する走査シス
テムが知られている。このシステムの欠点は、変換器を機
械的に動かすための費用とならんで、磨耗およびそれと結び付く故障の可能性な
らびに必要な保守費用である。
本発明の課題は、単一の固定された超音波変換器により測定対象物の方向およ
び距離に関する位置測定のための方法を提供することである。
このようなシステムの取付および配置は有利な仕方で従来通常の超音波個別変
換器システムの際と原理的に等しい仕方で行われ得る。
位相調整アレイと対照的に占有場所がより小さく、また駆動がより簡単である
。
この課題は請求項１による方法により解決される。
有利な実施形様は従属請求項にあげられている。
請求項２に示すように広帯域の送信信号が使用されるならば、短い信号継続時
間に基づいて測定レートが高められ得る。
目標信号およびフィルタ出力信号の類似性を決定するために、請求項５にあげ
られている類似性規範を利用することは有利である。なぜならば、これは電子的
測定回路（たとえばU.TietzeおよびC.Schenk著、Halbleiter-Schaltungustechni
k（半導体回路技術）、第９版、ベルリン、ハイデルベルグ、ニューヨーク、シ
ュプリンガー出版、１９９０年、第８５２〜８８５頁参照）またはソフトウェア
により簡単に決定可能であり、また高い的中率を有するからである。
請求項６で目標信号のすぐ次に到来するフィルタ出力信号を決定するために利
用されるファジー論理は、周囲条件への簡単な適応可能性という利点を有する。
さらに、ファジー論理と高いフレキシビリティが結び付けられている。
１つのニューラル・ネットが利用される請求項７による方法は、評価規則およ
び類似性規範が明示的に知られていなくてよく、ニューラル・ネットの訓練段階
で学習され得るという利点を提供する。
請求項１０でフィルタ信号の比較のために利用されるファジー論理は、周囲条
件への簡単な適応可能性という利点を有する。さらに、ファジー論理と高いフレ
キシビリティが結び付いている。
ニューラル・ネットがフィルタ信号の比較のために利用される請求項１１によ
る方法は、評価規則および類似性規範が明示的に知られていなくてよく、ニュー
ラル・ネットの訓練段階で学習され得るという利点を提供する。
順次に送り出される種々の周波数を有する狭帯域の信号成分（請求項１２を参
照）は、広帯域の送信信号にくらべて、広帯域の受信信号を分解するための続い
ての狭帯域のフィルタリングが省略され得るという利点を有する。
以下、本発明を複数の図面により一層詳細に説明する。
図１は励起周波数および立体角度へのＲＵ８０変換器の依存性を示す図、
図２は送信／受信方向０°におけるＲＵ８０変換器のスペクトル伝達関数を示
す図、
図３は−３°の送信／受信方向におけるＨＵ８０変換器のスペクトル伝達関数
を示す図、
図４は−６°の送信／受信方向におけるＲＵ８０変換器のスペクトル伝達関数
を示す図、
図５は−１０°の送信／受信方向におけるＲＵ８０変換器のスペクトル伝達関
数を示す図、
図６は典型的な測定装置を示す図、
図７は上から１番目の図に時間領域での変換器のパルス応答を、上から２番目
の図に周波数領域でのその表示を、上から３番目の図にウィーナー・フィルタの
伝達関数を、最も下の図に時間領域でウィーナー・フィルタリングの後の受信信
号を示す図、
図８は７５ｋＨｚにおけるＲＵ８０変換器の指向特性図、
図９は８０ｋＨｚにおけるＲＵ８０変換器の指向特性図、
図１０は９１ｋＨｚにおけるＲＵ８０変換器の指向特性図、
図１１は測定対象物としての１つの棒におけるウィーナー・フィルタリングの
４つの評価結果を示す図、
図１２は測定対象物としての１つの板におけるウィーナー・フィルタリングの
４つの評価結果を示す図、
図１３は例として１つの広帯域の送信信号の形態を示す図、
図１４は本発明による方法の１つの可能な実施形態のブロック回路図、
図１５は本発明による方法の第２の可能な実施形態のブロック回路図であ
る。
図１中に示されている三次元の図では両横座標にｋＨｚを単位とする周波数、
度を単位とする立体角度がとられている。縦座標には振幅がとられている。
Range and High Local Resolution（広い範囲および高い分解能を有する超音波
式存在センサ）”、米国電気電子学会論文集・超音波、強誘電体および周波数制
御編、第ＵＦＦＣ‐３４巻、第２号（１９８７年３月）に記載されているように
、形式ＲＵ８０の方向鋭敏な超音波変換器に関するものである。このＲＵ変換器
は圧電セラミックスおよび低い音響インピーダンスの材料から成る結合体から成
っている。この変換器は、圧電セラミックスの放射状共振がセラミックスおよび
整合材料から成る結合体の厚み共振と構造的に干渉するように調整されている。
アルミニウムリングの取付により厚み共振が圧電セラミックスの直径を越えて続
けられる。波長に比較して大きい変換器直径により、超音波変換器の非常に良好
な指向作用を得ることができる。
図からわかるように、説明される超音波変換器は０°の立体角度および約８０
ｋＨｚの共振周波数においてグローバルな極大を有する。図から明らかなように
、放射状反射および厚み共振の基本振動および高調波振動の重畳により記述され
得る相異なる固有モードを有する。変換器は、利用周波数で縁に向かって軽く低
下する振幅および一定の位相を有する表面振れが放射状共振の有害な重畳なしに
生ずるように調整された。
通常、変換器は、１つの画定されたサイドローブの少ない指向特性を得るため
、狭帯域に利用モード（７９ｋＨｚ）で作動させられる。
利用モードとならんで、その表面振れが根本的に利用周波数における振動形式
と相違する振動モードも存在する。
こうして、超音波変換器の表面振れから生ずる指向特性図（図８、９および１
０参照）は信号周波数に強く関係している。図８、９および１０には円
周上にそれぞれ放射角度が、また半径方向に振幅がとられている。７５ｋＨｚの
送信信号周波数では図８に示されている指向特性が生ずる。測定された超音波変
換器の主ローブは約３°に位置している。さらに２つのサイドローブが約１０お
よび３５５°において形成される。変換器が８０ｋＨｚにおいて作動させられる
と（図９参照）、最大サイドローブの振幅は増大する。指向特性は減少する。超
音波変換器が９１ｋＨｚにおいて作動させられると（図１０参照）、サイドロー
ブの数が著しく増大する。明白な主ローブはもはや与えられていない。
図２ないし５には、０、３、６または１０度の立体角度のもとでの反射器の配
置から生ずる超音波変換器の測定されたスペクトルが示されている。測定された
スペクトルは有意に異なっている。
相異なる立体角度から期待される伝達スペクトルの知識が方向決定のために使
用される。選択のための可能な措置は以下に説明される。反射器Ｒが超音波変換
器ＵＳＷに関して種々の立体角度φのもとに置かれる（図６参照）。信号励起は
時間的に連続的に変更される周波数を有するサインバースト（＝チャープ）周波
数または跳躍的に変更される周波数を有するサインバースト（＝周波数ホップコ
ード）により行われる。その場合に、跳躍的に変更される周波数を有するサイン
バーストは、超音波変換器の振動モードが離れ離れに位置しているときに有利で
ある。エネルギー損失がそれにより減ずる。１つの可能な励起信号は図１３に示
されている。
同じく変換器は相異なる周波数の数ｎのサインバーストにより順次に励起され
得る。その利点は、相異なる周波数のｎの順次の受信信号成分（総和として広帯
域の信号に相当する）の評価および比較により、変換器の周波数に関係する指向
特性が知られているかぎり、反射の立体角度が推定され得ることにある。
形式ＲＵ８０の変換器は７０ないし９０ｋＨｚの周波数範囲に対して利用可能
な伝達特性を有する。その共振周波数は８０ｋＨｚにある。
実施例１：
これについては図１４および１５を参照されたい。本発明による方法は下
記のように動作する：
１つの参照対象物Ｒが超音波変換器ＵＳＷに対して定められた位置に置かれる
、すなわち超音波変換器ＵＳＷに対する参照対象物の距離および立体角度φは知
られている。いま超音波変換器ＵＳＷは送信信号とも呼ばれる広帯域の信号ＳＳ
により励起され、従って超音波を放射するべく始動される。超音波は部分的に参
照対象物Ｒにおいて反射され、超音波変換器ＵＳＷにより再び受信される。反射
された参照信号ＳＲＯｎとも呼ばれるこの受信信号は参照対象物の位置と共に記
憶される。上記の過程が種々の位置に対して繰り返される。こうして、ｎ個の参
照信号ＳＲＯｎ（ｎ＝記憶される参照信号の数）が生じ、これらの参照信号は後
でウィーナー・フィルタのパラメータ選択のために利用される。
いま超音波変換器ＵＳＷの放射路のなかに、その位置をまだ知られていない１
つの測定対象物ＭＯが持って来られると、超音波変換器ＵＳＷは再び広帯域の信
号ＳＳにより超音波を送り出すべく始動され、これらの超音波が部分的に測定対
象物ＭＯにおいて反射され、超音波変換器ＵＳＷにより受信される。この受信さ
れた超音波信号ＳＭＯはウィーナー・フィルタＷＦｎに入力信号として供給され
る。ウィーナー・フィルタＷＦｎの伝達関数は参照信号ＳＲＯｎにより特徴付け
られている。参照信号ＳＲＯｎの数ｎは、測定信号ＳＭＯが供給されるウィーナ
ー‐フィルタＷＦｎの数を決定する。
ウィーナー・フィルタの出力端に生ずるフィルタ出力信号ＳＷＦｎは続いて、
窓関数（後でなお詳細に説明される）に相当する目的信号Ｗ（ω）と比較される
。
フィルタ出力信号ＳＷＦｎと目的信号Ｗ（ω）との比較の代わりに、フィルタ
出力信号ＳＷＦｎはいわゆる参照フィルタ出力信号ＳＡＲｅｆとも比較すること
ができる。その際に参照信号ＳＲＯｎがウィーナー・フィルタＷＦｎに供給され
、このフィルタの伝達関数は正確にこの参照信号ＳＲＯｎにより予め与えられて
いる。それとは異なり測定信号ＳＭＯもウィーナー・フィルタＷＦｎに供給する
ことができ、このフィルタの伝達関数はこの測定信号により予め与えられている
。その際に目的は基本的に、参照出力信号ＳＡＲ
ｅｆをウィーナー・フィルタの出力端に発生し、それと他のウィーナー・フィル
タの出力端に生じているフィルタ出力信号ＳＷＦｎが比較され得るようにするこ
とである。
フィルタ出力信号ＳＷＦｎと目的信号Ｗ（ω）または参照出力信号ＳＡＲｅｆ
との比較は、例えばファジー論理（図１４参照）またはニューラル・ネット（図
１５参照）を用いて行うことができる。
目的信号Ｗ（ω）または参照出力信号ＳＡＲｅｆとフィルタ出力信号ＳＷＦｎ
との比較のために使用され得る特徴は下記の特徴である。
１．フィルタ出力信号ＳＷＦの対称性、その際対称軸線はフィルタ出力信号ＳＷ
Ｆの主極大のなかに置かなければならない。
２．フィルタ出力信号ＳＷＦの幅、その際フィルタ出力信号の全体の幅ではなく
、グローバルな極大が含んでいる主ピークの幅が利用される。
３．フィルタ出力信号ＳＷＦｎの包絡線の下の面積。
４．主ピークの下の面積とフィルタ出力信号の面積の残りとの比。
５．複数の反射体における窓範囲の評価。
６．フィルタ出力信号の他の副極大の高さおよび時間的位置。
７．信号および雑音範囲の平均値。
８．すべての受信信号に対する平均値。
可能な評価ストラテジーはこれらの特徴の適切な重み付け、すぐ次の‐隣接‐
分類子またはファジー規則による組み合わされた評価またはニューラル・ネット
のなかの対象物分類（所属分類）への対応付けである。
目的信号Ｗ（ω）または参照出力信号ＳＡＲｅｆとフィルタ出力信号ＳＷＦｎ
とを比較するために利用され得る特徴はそのつどの応用例に関係する。用途に応
じて場合によっては他の特徴を利用する必要がある。
提案されているウィーナー・フィルタは大きい信号に対しては整合されたフィ
ルタのように、また小さい信号（雑音）に対しては相関フィルタのように作用す
る。それによって測定信号ＳＭＯと参照信号ＳＲＯｎとの合致の際に最大の狭い
出力信号ＳＷＦｎがウィーナー・フィルタの出力端に生ずる。
目的信号Ｗ（ω）または参照出力信号ＳＡＲｅｆのすぐ次に現れるフィル
タ出力信号ＳＷＦｎを介して、このフィルタ出力信号ＳＷＦｎを発生するために
重要な参照信号ＳＲＯｎが推定される。この参照信号ＳＲＯｎに位置も記憶され
ているので、それによって位置の決定が行われている。
ウィーナー‐フィルタは下記の伝達関数Ｉ（ω）を有する。
ここに、
Ｓ（ω）＝超音波変換器の周波数応答、
Φs＝信号のスペクトルパワー密度、
Φn＝雑音のスペクトルパワー密度、
Ｓ*（ω）＝変換器の共役複素周波数応答、
Ｗ（ω）＝窓関数＝目的関数
信号対雑音比に対する尺度としての比Φs／Φnは、適合された窓関数Ｗ（ω）
により摘出される関心のある周波数範囲に対して、一定とみなされ得る。
図７には、信号がどのように時間的に相続いて発生されるかが示されている。
図７において上から１番目の図には時間領域での超音波変換器ＵＳＷのパルス応
答が、その下の図には周波数領域でのそれが示されている。さらにその下の図に
は例としてウィーナー・フィルタの伝達関数が示されている。それは参照信号Ｓ
ＲＯｎにより特徴付けられている。最も下の図は時間領域でウィーナー・フィル
タリングの後の受信信号ＳＷＦｎを示す。
実施例２：
実施例１の際のように参照対象物Ｒが超音波変換器ＵＳＷに対して１つの定め
られた位置に置かれる、すなわち超音波変換器ＵＳＷに対する参照対象物の距離
および立体角度φは知られている。
実施例１の際と異なり、いま超音波変換器ＵＳＷは送信信号とも呼ばれる狭帯
域の信号ＳＳにより励起され、従って超音波を放射するべく始動される。すなわ
ち、変換器は相異なる周波数の数ｎのサインバーストを連続的に送り出す。
超音波は部分的に参照対象物Ｒにおいて反射され、超音波変換器ＵＳＷにより
再び受信される。受信信号は、和として広帯域信号に相当するＣを有する。反射
された参照信号ＳＲＯｎとも呼ばれるこの受信信号は参照対象物の位置と共に記
憶される。上記の過程が種々の位置に対して繰り返される。こうして、ｎ個の参
照信号ＳＲＯｎ（ｎ＝記憶される参照信号の数）が生じ、これらの参照信号は後
でウィーナー・フィルタのパラメータ選択のために利用される。
いま超音波変換器ＵＳＷの放射路のなかに、その位置をまだ知られていない測
定対象物ＭＯが持って来られると、超音波変換器ＵＳＷは再び狭帯域の信号ＳＳ
により超音波を送り出すべく始動され、これらの超音波が部分的に測定対象物Ｍ
Ｏにおいて反射され、超音波変換器ＵＳＷにより受信される。この受信された超
音波信号ＳＭＯは相異なる周波数のｎの順次の受信信号成分を有する。
評価のために直接に測定信号ＳＭＯの形態および参照信号ＳＲＯｎの形態が使
用され得る。ウィーナー・フィルタはもはや必要でない。測定信号ＳＭＯの形態
が最も近く来る参照信号ＳＲＯｎの形態を用いて、測定対象物の位置を推定する
ことができる。
そのための評価基準は下記のものであってよい。
１．参照信号ＳＲＯｎと測定信号ＳＭＯとの間の大きさスペクトルの差。
２．特徴的な振幅（たとえば、超音波変換器の振動モードにより与えられている
３つの最も特徴的な振幅）の差。
３．参照信号ＳＲＯｎの信号幅に関連する測定信号ＳＭＯの信号幅。
４．信号の形態を記述する基本的にすべての特徴。
実施例３：
広帯域で送られた信号が狭帯域にフィルタされ得る。その利点は、実施例２に
くらべて、送信信号継続時間が短くなるので、速く測定され得ることにある。も
ちろん、周波数分離のために狭帯域のフィルタリングが必要である。フィルタの
数は応用に関係する。
相異なる角度にある個別反射体が認識され得る。
応用として方向選択性のエコー評価を有するインテリジェント超音波式レベル
センサが実現可能である。たとえば、サイロのなかで固定目標および壁への堆積
物が認識され得る。
さらに、本方法は走行方向およびそれに対して横方向の障害物認識のためロボ
ット技術に応用可能である。
同じく、本方法は後退保護として、または割り込み駐車の助けとして車両にお
ける運行技術に使用され得る。
ベルトコンベア上の対象物の位置を決定するためにも本方法は利用され得る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for position measurement with respect to the direction and distance of an object to be measured by an ultrasonic transducer. High Resolution (ultrasonic presence sensor having a wide range and high resolution) ", Proceedings of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Ultrasound, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34, No. 2, March 1987 ), It is known to use so-called RU80 ultrasonic transducers as proximity sensors, whose typical applications are object detection, object height measurement, belt conveyor monitoring, collision control, fullness measurement or human measurement. A so-called direction-sensitive ultrasonic transducer, such as the RU80 transducer described in the above-mentioned document, is suitable for these applications. Have a narrow main ultrasound lobe of about 5 °, as shown in Figure 6 of the above document, but measurements should be taken not only of distance but also of direction of the object. Then, as described in A. Macovski "Ultrasonic Imaging Using Array (array used for ultrasonic imaging)", Journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Vol. 67, No. 4, API, One ultrasonic transducer array must be used, as shown in Figure 1. Such an array consists of a plurality of individual transducers that must be operated separately. It has disadvantages, which, along with its high cost, necessitates complex operation and a large occupancy based on the configuration of the sensor, the assembly of which is more complicated than the assembly of one individual converter system. .Krestel "Bildgebende Systeme fuer die medizinische Diagnosti k (imaging system for medical diagnosis)", 2nd edition, Berlin, Munich: mechanically driven variable from Siemens KK (1988) Scanning systems are known which use a transducer, the disadvantages of which are the costs of mechanically operating the transducer, as well as the potential for wear and associated failures and the required maintenance costs. It is an object of the present invention to provide a method for position measurement with respect to the direction and distance of an object to be measured by means of a single fixed ultrasonic transducer. It can be carried out in principle in the same way as in a conventional ultrasonic individual transducer system, in contrast to a phased array, occupies less space and is simpler to drive. Is solved by Advantageous embodiments are given in the dependent claims. If a wideband transmission signal is used as shown in claim 2, the measurement rate can be increased based on the short signal duration. It is advantageous to use the similarity criterion recited in claim 5 to determine the similarity between the target signal and the filter output signal. This is because electronic measuring circuits (for example, U. Tietze and C. Schenk, Halbleiter-Schaltungustechnik (semiconductor circuit technology), 9th edition, Berlin, Heidelberg, New York, Springer Press, 1990, 852-885. Page) or software, and has a high accuracy. The fuzzy logic used in claim 6 to determine the filter output signal arriving immediately after the target signal has the advantage of simple adaptability to ambient conditions. Furthermore, fuzzy logic is linked to high flexibility. The method according to claim 7, wherein one neural net is utilized, offers the advantage that the evaluation rules and the similarity criterion need not be explicitly known and can be learned during the training phase of the neural net. The fuzzy logic used for comparing the filter signals in claim 10 has the advantage of simple adaptability to ambient conditions. In addition, fuzzy logic is linked to high flexibility. 12. The method according to claim 11, wherein a neural net is used for the comparison of the filter signals, the advantage that the evaluation rules and the similarity criterion are not explicitly known and can be learned during the training phase of the neural net. I will provide a. Narrowband signal components having different frequencies that are sent out sequentially (see claim 12) are omitted from subsequent narrowband filtering to decompose the wideband received signal as compared to the wideband transmitted signal. It has the advantage of gaining. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the dependence of the RU80 converter on the excitation frequency and the solid angle, FIG. 2 shows the spectral transfer function of the RU80 converter in the transmit / receive direction 0 °, and FIG. FIG. 4 shows the spectral transfer function of the HU80 converter in the receive direction, FIG. 4 shows the spectral transfer function of the RU80 converter in the transmit / receive direction of −6 °, and FIG. 5 shows the RU80 in the transmit / receive direction of −10 °. FIG. 6 shows a typical measurement device, FIG. 7 shows a pulse transfer of the converter in the time domain in the first diagram from the top, and FIG. 6 shows the pulse response of the transducer in the second diagram from the top. Its representation in the frequency domain, the transfer function of the Wiener filter in the third figure from the top, the received signal after Wiener filtering in the time domain in the lowest figure, and FIG. 8 at 75 kHz. FIG. 9 is a diagram showing the directivity of the RU80 converter at 80 kHz, FIG. 10 is a diagram showing the directivity of the RU80 converter at 91 kHz, and FIG. 11 is a diagram illustrating the Wiener filtering of one rod as a measurement object. FIG. 12 is a diagram showing four evaluation results, FIG. 12 is a diagram showing four evaluation results of Wiener filtering on one plate as a measurement target, FIG. 13 is a diagram showing a form of one wideband transmission signal as an example, 14 is a block circuit diagram of one possible embodiment of the method according to the invention, and FIG. 15 is a block circuit diagram of a second possible embodiment of the method according to the invention. In the three-dimensional view shown in FIG. 1, a frequency in kHz and a solid angle in degrees are shown on both abscissas. The ordinate is the amplitude. Range and High Local Resolution (ultrasonic presence sensor having a wide range and high resolution) ", Proceedings of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Ultrasound, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34, No. 2 (1987) (March), relates to a directionally sensitive ultrasonic transducer of the type RU 80. This RU transducer consists of a combination of piezoelectric ceramics and a low acoustic impedance material. The transducer is tuned such that the radial resonance of the piezoelectric ceramics structurally interferes with the thickness resonances of the combined body of ceramics and matching material The thickness resonances continue beyond the diameter of the piezoelectric ceramics due to the mounting of the aluminum ring Due to the large transducer diameter compared to the wavelength, a very good directing action of the ultrasonic transducer can be obtained. As can be seen, the described ultrasonic transducer has a global maximum at a solid angle of 0 ° and a resonance frequency of about 80 kHz, and as can be seen, the fundamental and harmonics of radial reflection and thickness resonance. The transducer has different eigenmodes which can be described by the superposition of wave oscillations.The transducer is such that surface waviness with an amplitude and a constant phase that decreases slightly towards the edge at the frequency of use occurs without detrimental superposition of the radial resonance. Normally, the transducer is operated in the use mode (79 kHz) in a narrow band in order to obtain a single defined low side lobe directional characteristic. There is also a vibration mode that is different from the vibration type at the frequency used. , 9 and 10) are strongly related to the signal frequency.The radiation angles and the radial amplitudes are respectively shown on the circumference in FIGS. 8, 9 and 10. The transmission signal frequency of 75 kHz 8 results in the directional characteristic shown in Fig. 8. The measured main lobe of the ultrasonic transducer is located at about 3 ° and two more side lobes are formed at about 10 and 355 °. When the transducer is operated at 80 kHz (see FIG. 9), the amplitude of the maximum side lobe increases, the directional characteristic decreases, and when the ultrasonic transducer is operated at 91 kHz (see FIG. 10), the number of side lobes is increased. The apparent main lobe is no longer provided. Figures 2 to 5 show an ultrasonic transducer resulting from the placement of a reflector under a solid angle of 0, 3, 6 or 10 degrees. The measured spectrum of is shown. The measured spectra are significantly different. Knowledge of the transfer spectrum expected from different solid angles is used for direction determination. Possible actions for selection are described below. The reflector R is placed at various solid angles φ with respect to the ultrasonic transducer USW (see FIG. 6). The signal excitation is performed by a sine burst (= chirp) frequency having a frequency that is continuously changed in time or a sine burst (= frequency hop code) having a frequency that is changed abruptly. In that case, a sine burst having a frequency which changes exponentially is advantageous when the vibration modes of the ultrasonic transducer are located far apart. Energy losses are thereby reduced. One possible excitation signal is shown in FIG. Similarly, the transducer can be excited sequentially by a number n of sine bursts at different frequencies. The advantage is that the evaluation and comparison of n successive received signal components at different frequencies (corresponding to a wideband signal in total) allows the three-dimensional reflection to be known as long as the directional characteristics related to the frequency of the transducer are known. The angle can be estimated. Transducers of the type RU80 have transfer characteristics available for the frequency range of 70 to 90 kHz. Its resonance frequency is at 80 kHz. Example 1: See FIGS. 14 and 15 for this. The method according to the invention operates as follows: One reference object R is placed in a defined position with respect to the ultrasound transducer USW, ie the distance and the solid angle of the reference object with respect to the ultrasound transducer USW. φ is known. Now the ultrasonic transducer USW is excited by the broadband signal SS, also called the transmission signal, and is therefore started to emit ultrasonic waves. The ultrasound is partially reflected off the reference object R and is received again by the ultrasound transducer USW. This received signal, also called the reflected reference signal SROn, is stored with the position of the reference object. The above process is repeated for various locations. Thus, n reference signals SROn (n = number of stored reference signals) are generated, which are later used for parameter selection of the Wiener filter. Now, when one measuring object MO whose position is not yet known is brought into the radiation path of the ultrasonic transducer USW, the ultrasonic transducer USW sends out an ultrasonic wave again by the broadband signal SS. The ultrasonic waves are partially reflected from the object to be measured MO and received by the ultrasonic transducer USW. The received ultrasonic signal SMO is supplied as an input signal to the Wiener filter WFn. The transfer function of the Wiener filter WFn is characterized by the reference signal SROn. The number n of reference signals SROn determines the number of Wiener-filters WFn to which the measurement signal SMO is supplied. The filter output signal SWFn resulting at the output of the Wiener filter is subsequently compared with a target signal W (ω) corresponding to a window function (which will be explained in more detail later). Instead of comparing the filter output signal SWFn with the target signal W (ω), the filter output signal SWFn can also be compared with a so-called reference filter output signal SARef. The reference signal SROn is then supplied to the Wiener filter WFn, the transfer function of which is exactly given by the reference signal SROn. Alternatively, the measurement signal SMO can also be supplied to the Wiener filter WFn, the transfer function of which is given by the measurement signal. The purpose here is basically to generate a reference output signal SAR ef at the output of a Wiener filter so that it can be compared with the filter output signal SWFn occurring at the output of another Wiener filter. It is. The comparison between the filter output signal SWFn and the target signal W (ω) or the reference output signal SARef can be performed using, for example, fuzzy logic (see FIG. 14) or a neural net (see FIG. 15). Features that can be used for comparison between the target signal W (ω) or the reference output signal SARef and the filter output signal SWFn are as follows. 1. The symmetry of the filter output signal SWF, the axis of symmetry of which must be located within the main maximum of the filter output signal SWF. 2. The width of the filter output signal SWF, not the entire width of the filter output signal, but the width of the main peak contained by the global maximum is used. 3. Area under the envelope of the filter output signal SWFn. 4. The ratio of the area under the main peak to the rest of the area of the filter output signal. 5. Evaluation of window area for multiple reflectors. 6. The height and temporal position of the other submaxima of the filter output signal. 7. Average signal and noise range. 8. Average value for all received signals. Possible evaluation strategies are the appropriate weighting of these features, the combined evaluation by the next-adjacent-classifier or fuzzy rules or the mapping to the object classification (affiliation classification) in the neural net. The features that can be used to compare the target signal W (ω) or the reference output signal SARef with the filter output signal SWFn relate to the respective application. Other features may need to be utilized depending on the application. The proposed Wiener filter acts like a matched filter for large signals and like a correlation filter for small signals (noise). As a result, the maximum narrow output signal SWFn is produced at the output of the Wiener filter when the measurement signal SMO and the reference signal SROn match. Through the filter output signal SWFn that appears immediately after the target signal W (ω) or the reference output signal SARef, the reference signal SROn important for generating this filter output signal SWFn is estimated. Since the position is also stored in the reference signal SROn, the position is determined based on the position. The Wiener-filter has the following transfer function I (ω). Where S (ω) = frequency response of ultrasonic transducer, Φ s = spectral power density of signal, Φ n = spectral power density of noise, S * (ω) = conjugate complex frequency response of transducer, W ( ω) = window function = objective function The ratio Φ s / Φ n as a measure for the signal-to-noise ratio is considered constant for the frequency range of interest extracted by the fitted window function W (ω). obtain. FIG. 7 shows how the signals are generated successively in time. In FIG. 7, the first diagram from the top shows the pulse response of the ultrasonic transducer USW in the time domain, and the diagram below it in the frequency domain. Further below, the transfer function of the Wiener filter is shown by way of example. It is characterized by a reference signal S ROn. The bottom diagram shows the received signal SWFn after Wiener filtering in the time domain. Example 2: As in example 1, the reference object R is placed at one defined position with respect to the ultrasound transducer USW, ie the distance and the solid angle of the reference object with respect to the ultrasound transducer USW φ is known. Unlike in the first embodiment, the ultrasonic transducer USW is now excited by the narrow-band signal SS, also called the transmission signal, and is therefore started to emit ultrasonic waves. That is, the converter continuously sends out a number n of sine bursts of different frequencies. The ultrasound is partially reflected off the reference object R and is received again by the ultrasound transducer USW. The received signal has C corresponding to a wideband signal as a sum. This received signal, also called the reflected reference signal SROn, is stored with the position of the reference object. The above process is repeated for various locations. Thus, n reference signals SROn (n = number of stored reference signals) are generated, which are later used for parameter selection of the Wiener filter. Now, when a measuring object MO whose position is not yet known is brought into the radiation path of the ultrasonic transducer USW, the ultrasonic transducer USW again sends out an ultrasonic wave by the narrow band signal SS. When activated, these ultrasonic waves are partially reflected at the object to be measured MO and received by the ultrasonic transducer USW. The received ultrasonic signal SMO has n successive reception signal components of different frequencies. The form of the measurement signal SMO and the form of the reference signal SROn can be used directly for the evaluation. The Wiener filter is no longer needed. The position of the measurement target can be estimated by using the form of the reference signal SROn that comes closest to the form of the measurement signal SMO. The following evaluation criteria may be used. 1. The magnitude spectrum difference between the reference signal SROn and the measurement signal SMO. 2. Differences in characteristic amplitudes (eg, the three most characteristic amplitudes provided by the vibration modes of the ultrasonic transducer). 3. The signal width of the measurement signal SMO related to the signal width of the reference signal SROn. 4. Basically all features that describe the form of the signal. Embodiment 3: A signal transmitted in a wide band can be filtered to a narrow band. The advantage is that the transmission signal duration is shorter than in the second embodiment, so that the measurement can be performed faster. Of course, narrow band filtering is required for frequency separation. The number of filters depends on the application. Individual reflectors at different angles can be recognized. As an application, an intelligent ultrasonic level sensor with direction-selective echo evaluation is feasible. For example, fixed targets and deposits on walls may be recognized in the silo. Further, the method is applicable to robot technology for obstacle recognition in the direction of travel and transverse thereto. Also, the method can be used in driving techniques in vehicles as back-up protection or as an aid to interrupt parking. The method can also be used to determine the position of an object on a belt conveyor.
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(72)発明者 ルーザー、ハインリッヒ
ドイツ連邦共和国 デー−80801 ミュン
ヘン ゲオルゲンシュトラーセ 62
(72)発明者 フォシーク、マルチン
ドイツ連邦共和国 デー−80789 ミュン
ヘン アーデルハイトシュトラーセ 10────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Luther, Heinrich
Germany Day-80801 Mün
Hen Georgenstrasse 62
(72) Inventor Fosseek, Martin
Germany Day-80789 Mün
Hen Adelheidstrasse 10