WO2002029435A1

WO2002029435A1 - Verfahren und vorrichtung zur drahtlosen messung einer bewegung wenigstens eines objektes

Info

Publication number: WO2002029435A1
Application number: PCT/DE2001/003793
Authority: WO
Inventors: Franz Dollinger
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2002-04-11

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Messung einer Bewegung wenigstens eines Objektes 4, bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einem bestimmten Sendeort zu dem wenigstens einen Objekt 4 ausgesendet wird und von dem Objekt 4 Antwortsignale zurückgesendet und ausgewertet werden, wobei in wenigstens einem Objekt zugeordneten energiespeichernden Sensorelement 5, das über Funk eingespeiste Abfragesignal individuell moduliert und als codiertes Antwortsignal zum Sendeort zurückgesendet wird und aus den Unterschieden der Laufzeiten und/und Phasenlagen wenigstens zweier einem Objekt 4 zugeordneter Antwortsignale die Bewegung des Objektes 4 bestimmt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Messung einer Bewegung wenigstens eines Objektes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.

Es ist bekannt, die Position oder Bewegung eines oder mehrerer Objekte mit Hilfe von Neigungs- oder Beschleunigungssensoren auf Halbleiterbasis zu bestimmen. Hierzu ist für die Sensoren eine Stromversorgung und aufwendige Verkabelung erforderlich. Bei der Zuhilfenahme von Radar oder Reflexion e- lektromagnetischer Strahlung ist für die Bewegungserfassung eine direkte Sichtverbindung erforderlich.

Aus der Funksensorik sind Sensorelemente bekannt, welche ein elektromagnetisches Abfragesignal Zwischenspeichern und bei der Zwischenspeicherung in ein akustisches Signal in Form von Oberflächenwellen wandeln. Solche Bauelemente kommen in vielen Variationen als funkabfragbare oder selbstsendende Sensoren, Identifikationsmarken oder Filter zum Einsatz. Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sind zum Beispiel in DE 198 60 058 Cl, EP 0 746 775 Bl, EP 0 655 701 Bl, EP

0 651 344 Bl, EP 0 619 906 Bl, US 5 691 698, US 5 841 214, US

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6 084 503 offenbart.

Das akustische Signal kann mit einer vorgegebenen Grundverzögerung und/oder Frequenz individuell modifiziert werden. Das modifizierte Signal wird als codiertes elektromagnetisches -Antwortsignal zur -Abfragestation, welche das Abfragesignal gesendet hat, zurückgesendet.

Ein derartiges OF -Bauelement arbeitet passiv, d.h. es benötigt keine eigene Energiequelle bzw. Stromversorgung. Der E- nergiebedarf wird über das durch Empfang eingespeicherte e- lektromagnetische Abfragesignal gedeckt. Derartige als passive Transponder arbeitende OFW-Bauelemente können zu verschiedenen Messzwecken bei der Temperatur-, Druck- oder Beschleu- nigungsmessung zum Einsatz kommen. Zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals dienen unterschiedliche Reflektor- oder Resonatorstrukturen auf dem piezoelektrischen Substrat des OFW-Bauelements .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Messung der Bewegung eines oder mehrere Objekte, insbesondere der drahtlosen Messung von Relativbewegungen von wenigstens zwei Objekten mit Hilfe eines einfachen Messsystems zu erfassen.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird zur drahtlosen Messung einer Bewegung eines oder mehrerer Objekte ein elektromagnetisches Abfrage- signal von einem bestimmten Sendeort zu dem wenigstens einen Objekt ausgesendet. Dem jeweiligen Objekt ist wenigstens ein energiespeicherndes Sensorelement, in das über Funk das e- lektromagnetische Abfragesignal eingespeist werden kann, zugeordnet. Im Sensorelement wird das Abfragesignal individuell moduliert und als codiertes Antwortsignal zum Sendeort zurückgesendet. Aus dem Unterschied oder der Änderung der Laufzeiten- und/oder Phasenlagen von wenigstens zwei einem Objekt durch die Codierung zugeordneten AntwortSignalen wird die Bewegung des Objektes bestimmt. Aus dem Unterschied oder der Änderung der Laufzeiten- und/oder Phasenlage der Antwortsignale kann eine Entfernungsänderung bestimmt werden. Aus mehreren aufeinanderfolgenden Antwortsignalen mit gleicher Co- u> U. r r

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und kann eine hohe Wiederholrate aufweisen. Hierdurch lassen sich vorzugsweise Änderungen von Wegunterschieden erfassen. Ferner lassen, sich Messwerte für die Bewegungsgeschwindigkeit und -beschleunigung gewinnen.

Die energiespeichernden Sensorelemente können am jeweiligen Objekt angeordnet sein. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass sie eine feste räumliche Zuordnung zum Objekt aufweisen. Eine feste räumliche Zuordnung zum überwachten Objekt ist je- doch für die Empfangs- und Sendeantenne erforderlich, über welche das -Abfragesignal in das Sensorelement eingespeist wird und das codierte Antwortsignal zurückgesendet wird.

Mit der Erfindung wird ein System zur drahtlosen Messung von Bewegungen, insbesondere Relativbewegungen geschaffen, wobei über die Bestimmung der Laufzeit- und/oder Phasendifferenz der Antwortsignale Wegunterschiede und Änderungen von Wegunterschieden zwischen den überwachten Objekten bestimmt werden können. Das System arbeitet passiv und berührungslos und be- sitzt einen einfachen Aufbau. Eine direkte Sichtverbindung zu den Objekten, deren Bewegung erfasst werden soll, ist nicht erforderlich.

Die Erfindung kann zur Gestenerfassung (gesture recognition) von Personen zum Einsatz kommen. Beispielsweise eignet sie sich zur .automatischen Erkennung von Gesten Taubstummer. Hierzu kann beispielsweise eine Hand beispielsweise mittels eines Handschuhs an verschiedenen Stellen, z.B. an jedem Finger mit den energiespeichernden Sensorelementen ausgestattet werden. Die ermittelte Phasenlage bzw. Laufzeit des Antwortsignals gibt Aufschluss über die Stellung der Hand bzw. die Lage der Finger zueinander.

Ferner eignet sich die Erfindung für die Bildschirmeingabe oder zur Steuerung von Anlagen ohne Bedienelemente. Sie kann ferner zur Überwachung von Objekten, Anlagen und Anlageteilen sowie in Alarmanlagen zum Einsatz kommen. Die Anwendung in Sicherheits- und Komfortsystemen für Personen, beispielsweise bei der Ermittlung von Stellung und^'Abstand relativ zu gefährlichen Objekten, wie die KopfStellung eines Piloten in einem Kampfjet ist möglich. Ferner kann die Erfindung als Po- sitionierhilfe sowie bei Systemen zur Unterstützung behinderter Personen und führungsloser Transportsystem zum Einsatz kommen.

Ein Sensor kann nebenbei auch noch physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Identifikation sensieren. Muss aus Designgründen ein OFW-Substrat eingesetzt werden, das temperaturempfindlich ist (z.B. Litiumniobat) , dann führt auch Temperatur zu einer Phasenänderung Mitbestimmung der Temperatur aus den Sensorsignalen und Korrektur.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines

Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 2 eine Ausführungsform für ein Sensorelement und eine Abfragestation, welche bei der Erfindung zum Einsatz kommen können.

In der Fig. 1 sind zwei Objekte 4 dargestellt, welche zu einer -Abfragestation 1 unterschiedliche Entfernungen aufweisen. Jedem Objekt 4 ist ein Sensorelement 5 zugeordnet. Jedes Sensorelement 5 besitzt eine Empfangs-/Sendeantenne 6. Die Emp- fangs-/Sendeantennen 6 empfangen Abfragesignale (Abfrageimpulse) , welche von einer Sende-/Empfangsantenne 9 der Abfrageeinrichtung 1 ausgesendet werden. Die Abfragesignale insbe- sondere Abfrageimpulse werden in einem Sender 2 der Abfrage- einricht.ung 1 gebildet und von der Sende-/Empfangsantenne 9 ausgesendet. LO o r r F¹ F¹

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Da jedem Objekt 4 eine bestimmte Codierung des AntwortSignals zugeordnet ist, kann die Bewegung jedes Objektes 4 auf diese Weise erfasst werden. Aus den Bewegungsunterschieden zwischen den einzelnen Objekten lassen sich Relativbewegungen zwischen zwei und mehr Objekten bestimmen. Die Auswertung der Antwortsignale erfolgt in einer Auswerteeinrichtung 8, welche an den Empfänger 3 angeschlossen ist.

An jedem Objekt 4 können mehrere Sensorelemente 5 vorgesehen sein. Hierdurch können Eigenbewegungen des jeweiligen Objektes 4 oder Bewegungen mehrere Einzelteile des Objektes, beispielsweise bei der Gestenerfassung, in der Auswerteeinrichtung 8 ermittelt werden.

Es ist auch möglich, ein Sensorelement 5 oder wenigstens die dem einen Sensorelement zugeordnete Empfangs-/Sendeantenne 6 ortsfest bezüglich der Abfragestation 1 anzuordnen und die Relativbewegungen der Empfangs-/Sendeantennen 6 der anderen Objekte bezüglich dieses Referenzortes zu erfassen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur drahtlosen Messung einer Bewegung wenigstens eines Objektes, bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einem bestimmten Sendeort zu dem wenigstens einen Objekt ausgesendet wird und von dem Objekt Antwortsignale zurückgesendet und ausgewertet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem dem wenigstens einem Objekt zugeordneten energiespeichernden Sensorelement das über Funk eingespeiste Abfragesignal individuell moduliert wird und als codiertes Antwortsignal zum Sendeort zurückgesendet wird und aus den Unterschieden der Laufzeiten und/oder Phasenlagen wenigstens zweier einem Objekt zugeordneter AntwortSignale die Bewegung des Objektes bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus dem Unterschied der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale eine Entfernungsänderung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus mehreren aufeinanderfolgenden Antwortsignalen Geschwin- digkeit und/oder Beschleunigung der Bewegung des Objektes bestimmt wird bzw. werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bewegung wenigstens zweier Objekte gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Relativbewegung wenigstens zweier Objekte mittels durch unterschiedliche Codierung den jeweiligen Objekten zugeordneter Antwprtsignale gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c^'h n e t, dass von einem jeweiligen Objekt mehrere unterschiedlich codierte dem Objekt zugeordnete Antwortsignale zurückgesendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das durch Funk in das jeweilige Sensorelement eingespeicherte elektromagnetische Signal in ein akustisches Signal gewandelt wird, wobei das akustische Signal moduliert wird, und dass das modulierte akustische Signal in das elektromagnetische Antwortsignal gewandelt wird.

8. Vorrichtung zur drahtlosen Bewegungsmessung wenigstens ei- nes Objektes, gekennzeichnet durch

eine einen Sender (2) und Empfänger (3) für elektromagnetische Wellen aufweisende -Abfrageeinrichtung (1);

- wenigstens ein einem Objekt (4) zugeordnetes energie- speicherndes Sensorelement (5), in welches das elektromagnetische -Abfragesignal mittels einer Empfangs- /Sendeantenne (6) einleitbar ist; einer Modulationseinrichtung (7) im Sensorelement (5), welches das Abfragesignal individuell zur Bildung eines codierten -Antwortsignals moduliert, wobei

- das codierte Antwortsignal über die Empfangs- /Sendeantenne (6) zum Empfänger (3) zurückgesendet wird; und

- eine an den Empfänger (3) angeschlossene Auswerteein- richtung (8), welche aus wenigstens zwei codierten Antwortsignalen den Phasen- und/oder Laufzeitunterschied für die Bewegungsmessung des Objektes (4) bestimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 zur drahtlosen Messung der Re- lativbewegung wenigstens zweier Objekte, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedem Objekt (4) wenigstens ein Sensorelement (5) zugeordnet ist, und dass die Auswerteeinrichtung (8) Phasen- und/oder Laufzeitunterschiede zwischen den von den wenigstens zwei Sensorelementen (5) zurückgesendeten Antwortsignalen be- stimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Modulationseinrichtungen (7) der Sensorelemente (5) sich voneinander unterscheiden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jede Modulationseinrichtung (7) hinsichtlich zeitlicher Ver- zögerung und/oder Frequenz moduliert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Modulationseinrichtung (7) akustische Oberflächenwellen am Sensorelement (5) moduliert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Empfangs-/Sendeantenne (6) am jeweiligen Objekt (4) orts- fest befestigt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Empfangs-/Sendeantenne (6) eines Sensorelementes (5) ge- genüber der -Abfrageeinrichtung (1) eine gleichbleibende Position beibehält.