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Die
Erfindung betrifft ein Ortungssystem mittels welchem eine relative
Position eines beweglichen Gegenstandes, beispielsweise eine Fahrzeuges,
zu einem festen Punkt mittels einer dreidimensionalen Ortung bestimmbar
ist.
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In
vielen Bereichen der modernen Industriegesellschaft besteht ein
stetig wachsender Bedarf nach autonomen Mobilsystemen. Als wesentliche Einsatzszenarien
derartiger Systeme sind Produktionsprozesse, Transportsysteme und
Serviceaufgaben zu nennen, die entweder aus ökonomischen Gründen
oder in für Menschen nicht zugänglichen bzw. hoch
gefährlichen Arbeitsgebieten einer Automation bedürfen.
Eine Schlüsselkomponente beim Einsatz autonomer Mobilsysteme
ist die Navigation, zu der sowohl die momentane Ortsbestimmung als auch
die Nachvollziehbarkeit des zurückgelegten Weges gehört.
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Um
die Position eines Gegenstandes dreidimensional bestimmen zu können,
ist es bei den bekannten Systemen notwendig, dass eine Entfernungsmessung
von mindestens drei Punkten eines Nutzraumes erfolgen muss. Ein
konventionelles Ortungssystem besteht daher aus mindestens drei
fest installierten Geräten bzw. fest installierten Einheiten und
einem mobilen Gerät bzw. mobilen Einheit.
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Ein
Nachteil dieses herkömmlichen Verfahrens mittels Triangulation
ist der hohe Installationsaufwand aufgrund der notwendigen drei
fest installierten Einheiten. Ein weiterer Nachteil besteht in der geringen
Reichweite der Positionierung von maximal 10 m pro Koordinate.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein Ortungssystem zur dreidimensionalen
Ortung einer Position eines Gegenstandes zur Verfügung
zu stellen, bei welchem der Installationsaufwand deutlich reduziert
werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Ortungssystem zur dreidimensionalen
Ortung einer Position eines Gegenstandes weist eine stationäre
oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit
und eine mobile Einheit auf, wobei die stationäre oder über
eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit als Sender und die
mobile Einheit als Empfänger oder die stationäre
oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit
als Empfänger und die mobile Einheit als Sender ausgebildet
ist, wobei der Sender und/oder der Empfänger angepasst
ist eine gerichtete Abstrahlung oder einen gerichteten Empfang auszuführen.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Ortungssystemen ermöglicht das
erfindungsgemäße Ortungssystem eine dreidimensionale
Positionsmessung mittels lediglich einer festen stationären
oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit bzw.
Gerät und einer mobilen Einheit bzw. Gerät. Demzufolge
sind hierbei nur zwei Geräte erforderlich, wodurch der
Installationsaufwand des Ortungssystems erheblich reduziert werden
kann. Die Positionsbestimmung erfolgt durch eine Kombination zweier Winkelmessungen
und einer Entfernungsmessung, was dadurch realisiert wird, indem
der Sender und/oder Empfänger angepasst ist eine gerichtete Abstrahlung
oder einen gerichteten Empfang auszuführen. Das erfindungsgemäße
Ortungssystem ist vorzugsweise dort einsetzbar, wo mit geringem
Installationsaufwand die relative Position eines beweglichen Gegenstandes
zu einem festen Punkt bestimmt werden soll. Dies können
zum Beispiel landwirtschaftliche Maschinen, Bau-/Bergbaumaschinen oder
Roboter sein, die an schwer zugänglichen oder gefährlichen
Stellen eingesetzt werden.
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Dadurch,
dass mit dem erfindungsgemäßen Ortungssystem eine
dreidimensionale Ortung stattfindet, ist eine der zu bestimmenden
Größe die Höhe, d. h. beispielsweise
der Abstand des Fahrzeuges zu dem Boden. Dies ist beispielsweise
dann sinnvoll, wenn der Verdichtungsgrad von Biomasse in einem Silo
bestimmt werden soll, wobei die Biomasse durch das Überfahren
mit einem Traktor verdichtet wird. Bei den bisher bekannten Ortungssystemen
kann der Fahrer des Traktors keine Informationen darüber
erhalten, wo innerhalb des Silos die Biomasse bereits ausreichend
verdichtet ist und wo nicht. Dies führt zwangsläufig
dazu, dass Stellen überfahren werden, an denen der Verdichtungsgrad
bereits das Maximum erreicht hat, während an anderen Stellen
zu wenig verdichtet wird. Mittels des erfindungsgemäßen Ortungssystems
ist es nun möglich dem Traktorführer die exakte
Position seines Fahrzeuges innerhalb des Silos einschließlich
der Höhe zu übermitteln, wobei die Höhe
im direkten Zusammenhang mit dem Verdichtungsgrad der Biomasse steht.
Das erfindungsgemäße Ortungssystem ermöglicht
hierfür eine genaue dreidimensionale Ortung des Traktors im
Sub-Zentimeterbereich.
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Dadurch,
dass das erfindungsgemäße Ortungssystem lediglich
zwei Einheiten bzw. Geräte benötigt, kann das
Ortungssystem schnell und einfach vor Ort aufgestellt und in Betrieb
genommen werden. Beispielsweise kann die stationäre oder über
eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit innerhalb oder in
der Nähe des Nutzraumes, z. B. an einem Mast befestigt
werden, und die mobile Einheit an dem Fahrzeug bzw. Traktor befestigt
werden. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße
Ortungssystem eine dreidimensionale Ortung mittels einer stationären Einheit
in dem Nutzraum und durch schnelle und einfache Installation und
Handhabung des Ortungssystems. Ferner sind die Investitionskosten
für ein solches Ortungssystem aufgrund der geringen Anzahl der
Geräte sehr gering und es ist eine Genauigkeit im Sub-Zentimeterbereich,
auch in der Höhenkoordinate, möglich. Mittels
des erfindungsgemäßen Ortungssystems ist vorzugsweise
eine Reichweite von mehr als 60 m möglich.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist für
die gerichtete Abstrahlung oder den gerichteten Empfang der Sender
und/oder der Empfänger mindestens zwei in einem bestimmten Abstand
zueinander angeordnete Strahler auf. In einem bestimmten Abstand
zueinander angeordnet bedeutet, dass der Abstand zwischen den Strahlern bekannt
und vorgegeben ist. Durch die gerichtete Abstrahlung bzw. den gerichteten
Empfang ist es möglich, dass die von den Strahlern ausgehenden
Schallwellen sich überlagern und somit durch Auslöschung bzw.
Verstärkung unter verschiedenen Winkeln zum Sender Schalldruckminima
und Schalldruckmaxima im Raum hervorrufen können.
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Die
Strahler sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
phasenversetzt ansteuerbar. Durch eine gezielte, phasenversetzte
Ansteuerung der Strahler lässt sich eine sehr scharfe Nullstelle
unter beliebigem Winkel im Raum erzeugen, die vom Empfänger
detektiert werden kann. Durch Bestimmung des Winkels der Schalldruck-Nullstelle zum
Sender ist in Kombination mit einer konventionellen Distanzmessung
die Position des beispielsweise mobilen Empfängers exakt
bestimmbar. Durch eine sich kontinuierliche ändernde phasenversetzte Ansteuerung
der Strahler kann die Nullstelle auf jeden beliebigen Winkel des
Nutzraumes geschwenkt werden, so dass der gesamte Nutzraum abgescannt werden
kann. Sie Strahler sind dabei einzeln für sich ansteuerbar.
Durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Strahler werden bei
der Schallabstrahlung bestimmte Richtfunktionen erzeugt, die aus
Schallbündeln und Nullstellen bestehen.
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Vorzugsweise
sind mehr als zwei Strahler vorgesehen, wobei die Strahler mit einem
bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Es können alle
Strahler mit dem gleichen Abstand zueinander angeordnet. Es ist
aber auch möglich, dass der Abstand zwischen einem ersten
Strahlerpaar und einem zweiten Strahlerpaar unterschiedlich groß ist.
Wichtig dabei ist lediglich, dass die Größe des
Abstands bekannt ist. Besonders bevorzugt sind mehr als 20 Strahler
in dem Sender und/oder Empfänger vorgesehen. Je größer
die Anzahl der Strahler ist, desto schärfer sind die Hauptmaxima
bzw. die Nullstelle.
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Der
Abstand der Strahler zueinander sollte dabei ferner vorzugsweise
kleiner als eine halbe Wellenlänge eines Übertragungssignals
sein.
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Die
Strahler weisen ferner bevorzugt eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik
auf, wodurch der Effekt der Interferenz auch unter großen
Winkeln ermöglicht werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass
die Strahler eine keulenförmige Abstrahlcharakteristik
aufweisen.
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Die
Anordnung der Strahler kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung äquidistant in einer Reihe erfolgen. Durch
Interferenz der Schallwellen, die von den einzelnen Strahlern einer
derartigen Reihe von Strahlern ausgesendet bzw. empfangen werden,
entstehen unter verschiedenen Abstrahlwinkeln Schalldruck-Minima
und Schalldruck-Maxima. Auf diese Weise lässt sich ein
Schallbündel erzeugen, dessen Amplitude der Summe der Einzelamplituden
aller Strahler entspricht. In Abhängigkeit der Anzahl der
Strahler können somit deutlich größere
Entfernungen überbrückt werden, als das mit herkömmlichen
Ortungssystemen möglich ist, wobei dafür möglichst
viele Strahler vorgesehen sind. Die Interferenz der phasenverschobenen Schallwellen
kann somit zu einer winkelabhängigen Verstärkung
bzw. Auslöschung des Schalls, im Falle der Verwendung von
Ultraschallsender und/oder Ultraschallempfänger, im Raum
führen.
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Die
Strahler können ferner vorzugsweise derart angeordnet sein,
dass eine gleichmäßige Schalldruckverteilung innerhalb
eines Nutzraumes möglich ist. Die Strahler können
dabei beispielsweise halbkreisförmig zueinander angeordnet
sein. Dabei werden vorzugsweise jeweils nur die Strahler angesteuert,
die den momentan abzudeckenden Winkelbereich betreffen.
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Weiter
kann nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen
sein, dass mindestens eine erste Reihe von mindestens zwei Strahlern
und mindestens eine zweite Reihe von mindestens zwei Strahlern vorgesehen
ist, wobei die Strahler der ersten Reihe versetzt zu den Strahlern
der zweiten Reihe angeordnet sind. Um Überlappungen der
Richtfunktionen im gesamten Winkelbereich von –90° ≤ υ ≤ +90° zu
vermeiden, sollte der Abstand der Strahler zueinander nicht größer
als die halbe Wellenlänge der größten
im Übertragungssignal vorkommenden Frequenz sein. Da der
Durchmesser der Ultraschallstrahler meist größer
als die kleinste Wellenlänge ist, ist es vorteilhaft, wenn
die Strahler versetzt zueinander angeordnet sind.
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Um
eine erste Winkel-Ortung einer Position eines Gegenstandes durchführen
zu können, kann nach einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ein Strahlungsmaximum, bei welchem die Summenstrahlung
aller einzelnen Strahler gebildet wird, herangezogen werden. Hiermit
ist eine grobe Ortung der Position des zu ortenden Gegenstandes
durchführbar.
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Um
eine genauere Ortung der Position eines Gegenstandes realisieren
zu können, kann nach einer weiter bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung eine Strahlungsnullstelle, welche durch die Differenzstrahlung
mindestens zweier Gruppen von einzelnen Strahlern gebildet wird,
herangezogen werden.
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Vorteilhafterweise
sind die von der stationären Einheit und/oder der mobilen
Einheit ausgesendeten Übertragungssignale kodiert und gefiltert.
Die Kodierung erfolgt vorzugsweise mittels Pulskompression und die
Filterung erfolgt vorzugsweise mittels eines Korrelationsverfahrens.
Nach der Kodierung werden die Übertragungssignale mit einer
geeigneten Korrelation festgelegt und die entsprechenden Korrelationsfilter
werden implementiert. Dabei werden vorzugsweise Barker-Codes verwendet.
Diese werden vorzugsweise mittels Frequenzmodulation oder Phasenmodulation übertragen.
Die Codierung und die Filterung der ausgesendeten Übertragungssignale
sind dabei vorzugsweise derart beschaffen, dass die Übertragungsbandbreite
der ausgesendeten Übertragungssignale minimiert wird. Ferner
ist die Codierung der ausgesendeten Übertragungssignale
derart beschaffen, dass die Entfernungsauflösungsgenauigkeit
bei der Ortung durch Einsatz von geeigneten Korrelationsverfahren
maximiert wird.
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Vorzugsweise
ist ferner eine Selbstkalibrierung der stationären oder über
eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit und der mobilen Einheit vorgesehen.
Die Selbstkalibrierung erfolgt dabei vorzugsweise für die
Entfernungsmessung und für die Winkelbestimmung. Mit Hilfe
zweier bekannter Positionen, die vom Nutzer beliebig vorgegeben
werden können, ist es dabei möglich, dass sich
das Ortungssystem selber kalibriert.
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Nach
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung arbeiten die
stationäre oder über eine vordefinierte Strecke
bewegliche Einheit und die mobile Einheit auf der Basis von Ultraschallwellen. Die
Strahler senden bzw. empfangen somit vorzugsweise Ultraschallwellen.
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Um
eine Kodierung bzw. Auswertung der Übertragungssignale
zu ermöglichen, weisen die stationäre oder über
eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit und/oder die mobile
Einheit einen Mikrocontroller (μC) und programmierbare
Logikbausteine (Field Programmable Gate Array = FPGA) auf. Die auf
Empfängerseite vorliegenden Daten können damit
beispielsweise an einen Personal Digital Assistent (PDA) weitergeleitet
und mitgeloggt werden, um sowohl eine unmittelbare Verwertung als
auch eine spätere statistische Auswertung zu ermöglichen.
Die FPGAs beinhalten vorzugsweise die Ansteuerung der Strahler bzw.
die Auswertung der empfangenen Übertragungssignale und
die μCs übernehmen vorzugsweise die Steuerung
des Ortungssystems sowie die Übertragung der Messdaten
zu einem Personal Computer (PC) und/oder einem PDA. Um Störeinflüssen
möglichst wirksam entgegenwirken zu können wird
vorzugsweise eine analoge Vorfilterung der Empfangssignale vorgenommen.
Eine analoge Addierer-Schaltung kann bereits vor der Digitalisierung die
Summe aus allen empfangenen Einzel-Signalen bilden. Da die mobile
Einheit und die stationäre oder über eine vordefinierte
Strecke bewegliche Einheit dieselbe Controller-Einheit verwenden
können, ist vorzugsweise ein modularer Aufbau vorgesehen,
d. h. die Controller-Einheit mit μC und FPGA kann auf einer
separaten, steckbaren Platine aufgebaut werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Ortungssystems;
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2 eine
schematische Darstellung der Bestimmung der Laufwege;
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3 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ortungssystems;
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4 eine
graphische Darstellung der berechneten Richtfunktion mit einem Schallbündel
bei 0°;
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4a eine graphische Darstellung einer berechneten
Richtfunktion ohne Phasenoffset,
-
4b eine
graphische Darstellung einer berechneten Richtfunktion mit Phasenoffset,
-
5 eine
schematische Darstellung eines Autokorrelationsverfahrens;
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6 eine
schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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7 eine
schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer
zweiten Ausführungsform; und
-
8 eine
schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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In 1 ist
eine mögliche dreidimensionale Positionsbestimmung mit
einer stationären Einheit A und einer mobilen Einheit B
gezeigt. Die stationäre Einheit A ist als Sender ausgebildet
und befindet sich an einem festen Ort im Nutzraum, dessen Position bekannt
ist. Die mobile Einheit B ist als Empfänger ausgebildet
und befindet sich auf dem zu ortenden Gegenstand. Die Bestimmung
der Position der mobilen Einheit B erfolgt mittels einer Kombination
aus einer klassischen Entfernungsmessung und zweier Winkelmessungen,
die auf zwei unterschiedliche Koordinaten, insbesondere Kugelkoordinaten,
bezogen sind.
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Die
stationäre Einheit A weist mehrere Ultraschallstrahler
10 auf,
welche äquidistant in einer Reihe angeordnet sind. Durch
Interferenz der Schallwellen, die von den einzelnen Strahlern
10 einer
derartigen Strahlerreihe ausgesendet bzw. empfangen werden, entstehen
unter verschiedenen Abstrahlwinkeln Schalldruck-Minima bzw. Schalldruck-Maxima.
Auf diese Weise lässt sich ein Schallbündel erzeugen, dessen
Amplitude der Summe der Einzelamplituden aller Strahler
10 entspricht.
Mit einer genügend hohen Anzahl an Strahlern
10 können
somit deutlich größere Entfernungen überbrückt
werden, als mit herkömmlichen Ultraschall-Systemen. Die
theoretischen Grundlagen hierfür liefert die sog. Punktstrahlersynthese.
Betrachtet man mehrere in gleichem Abstand d auf einer Linie liegende
Punktschallquellen, so ergibt sich, wie in
2 gezeigt,
der von allen Quellen w
i, erzeugte Gesamtschalldruck
an einem beliebigen Empfangspunkt AP als Summe der Einzelschalldrücke
in diesem Punkt. Im Fernfeld r >> d sind die einzelnen
Amplitudenwerte nahezu gleich. Aufgrund der unterschiedlichen Laufwege
r ergibt sich jedoch eine vom Winkel υ abhängige
Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Quellen. Die Interferenz
der phasenverschobenen Schallwellen führt folglich zu einer
winkelabhängigen Verstärkung bzw. Auslöschung
des Schalls im Raum. Dieser Sachverhalt wird mathematisch durch
die sogenannte Richtfunktion
beschrieben. Dabei geben
die komplexen Koeffizienten
S i = Si·ej·φ·i die
Belegung, d. h. die Ansteuerung, der Strahlerreihe in Amplitude
und Phase an. Durch unterschiedliche Belegungen lassen sich so zahlreiche
verschiedene Richtfunktionen synthetisieren. Steuert man z. B. alle
Strahler
10 der Reihe parallel, d. h. mit gleicher Amplitude
und Phase an, so entsteht ein absolutes Maximum bzw. ein Schallbündel
unter einem Winkel von 0°, wie dies in
4 gezeigt
ist.
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Teilt
man die Strahlerreihe in zwei Hälften, die gegenphasig
angesteuert werden, entsteht in der Mitte, d. h. unter einem Winkel
von 0°, eine scharfe Schalldruck-Nullstelle zwischen zwei
Schallbündeln (Hauptmaxima). Es folgt nun noch einen Phasenversatz
bzw. Phasenoffset für jeden einzelnen Strahler 10 in
Bezug auf seinen Nachbarn, wird die Nullstelle auf einen anderen
Abstrahlwinkel gedreht, was anhand der in 4a und 4b gezeigten
Richtfunktionen verdeutlicht ist, wobei 4a eine
berechnete Richtfunktion ohne Phasenoffset und 4b eine berechnete
Richtfunktion mit Phasenoffset zeigt.
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Durch
Ansteuerung der Zeile mit sich kontinuierlich ändernden
Phasenoffsets kann so die Nullstelle prinzipiell auf jeden beliebigen
Winkel des Nutzraumes geschwenkt werden, der gesamte Raum wird sozusagen „abgescannt”.
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Ein
Ultraschall-Empfänger B auf dem in 1 gezeigten
zu ortenden Fahrzeug kann die Nullstelle zwischen den Hauptmaxima
detektieren, womit der Winkel α (Azimuth) zwischen Sender
A und Empfänger B in einer Ebene bekannt ist. Zur Bestimmung des
zweiten Winkels β (Polarwinkel) ist vorzugsweise eine zweite
Strahlerreihe vorgesehen, die zu der ersten in einem Winkel von
90° angeordnet ist und auf dieselbe Weise angesteuert wird.
Mittels einer konventionellen Entfernungsmessung (A-B-Messung) wird
der Abstand d zwischen Sender A und Empfänger B ermittelt.
Damit ist die Position des Fahrzeugs in Form von Kugelkoordinaten
eindeutig bestimmbar. Werden Sender A und Empfänger B durch
ein externes Signal, z. B. mittels Funk, synchronisiert, kann das
Fahrzeug nach Detektion der Nullstelle kontinuierlich verfolgt werden.
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In 3 ist
ein Blockschaltbild für eine mögliche Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ortungssystems gezeigt mit
einer stationären Einheit A und einer mobilen Einheit B,
welche beide senden und empfangen können. Die Einheit A
und die Einheit B können jeweils vorzugsweise zwanzig Ultraschallstrahler
einzeln ansteuern. Demzufolge sind jeweils zwanzig voneinander unabhängige
Treiber für die Strahler vorgesehen. Weiterhin ist für
jedes Gerät ein FPGA sowie ein Micro Controller vorgesehen.
Die FPGAs beinhalten die Ansteuerung der Strahler bzw. die Auswertung
der empfangenen Übertragungssignale, während die μCs
die Steuerung des Ortungssystems sowie die Übertragung
der Messdaten zum PC bzw. PDA übernehmen. Um Störeinflüssen
möglichst wirksam entgegenzuwirken, ist eine analoge Vorfilterung
der Empfangssignale vorgesehen. Eine analoge Addierer-Schaltung
bildet bereits vor der Digitalisierung die Summe aus allen empfangenen
Einzel-Signalen. Ferner ist ein Datenaustausch zwischen der Einheit
A und der Einheit B vorgesehen, der dazu dient, die beiden Einheiten
A, B zu synchronisieren, was vorzugsweise über ein externes
Signal, welches vorzugsweise kein Ultraschallsignal ist, stattfindet.
Dazu ist eine 433 MHz-Funkstrecke vorgesehen. Da bei beiden Einheiten
dieselbe Controller-Einheit verwenden können, wird ein
modularer Aufbau bevorzugt, d. h. die Controller-Einheit mit μC und
FPGA wird auf einer separaten, steckbaren Platine aufgebaut. Die Übertragung
der Nutzdaten vom μC an den PC bzw. PDA erfolgt über
RS232-, USB- oder Ethernet-Schnittstellen. Dort findet eine Auswertung
hinsichtlich der gegenwärtigen Position sowie der vom jeweiligen
Fahrzeug bereits zurückgelegten Wege statt. Zu jeder X/Y-Position
wird zusätzlich die Höhe des Fahrzeugs angezeigt
bzw. abgespeichert. Um eine statistische Nachbearbeitung der Daten
zu ermöglichen, werden sämtliche Positionsdaten
eines Einsatzes geloggt.
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4 zeigt
eine berechnete Richtfunktion mit einem Schallbündel bei
0°. Zur Realisierung einer Formung der Richtfunktion ist
beispielsweise entweder eine gerichtete Abstrahlung mit einem kugelförmigen
Empfang oder eine kugelförmige Abstrahlung mit einem gerichteten
Empfang möglich.
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Bei
der gerichteten Abstrahlung und dem kugelförmigen Empfang
erfolgt die Formung der Richtfunktion durch den Sender, indem die
einzelnen Strahler zueinander phasenversetzt angesteuert werden.
Dazu wird jeder einzelne Strahler mit Pulsfolgen belegt, die mit
einem Variablen Phasenoffset zu den Pulsfolgen des jeweiligen Nachbar-Strahlers versehen
sind. Die Steuerung des Phasenoffsets übernimmt der μC,
der über eine Datenschnittstelle mit dem FPGA in Verbindung
steht. Das FPGA erzeugt die Pulsfolgen und leitet diese an die einzelnen Treiberstufen
der Strahler. Die Software des μC beinhaltet dabei vorzugsweise
die folgenden Abläufe:
- 1) Fang-Vorgang:
Die Position der mobilen Einheit ist zunächst unbekannt.
Der Sender lässt die Schalldruck-Nullstelle zunächst
schnell, in groben Schritten, durch den Raum schwenken, indem der Phasenoffset
zwischen den Einzelstrahlern schrittweise verändert wird.
Da die Richtfunktion mehrere Nullstellen aufweist, sollte darauf
geachtet werden, dass es sich um die Nullstelle zwischen den beiden
Hauptmaxima handelt. Diese sind vom Empfänger folglich
als Erstes zu detektieren. Sinkt der Schalldruck am Empfänger
unter einen bestimmten Pegel, wird dies über die 433 MHz-Funkstrecke
dem Sender übermittelt. Nun wird die Schrittweite des Phasenoffsets
verkleinert, bis die Nullstelle genau gefunden ist. Die entsprechenden
Daten werden abgespeichert. Bei dem Fang-Vorgang wird somit zunächst
eine grobe Ortung durch Erzeugung eines Strahlungsmaximums, bei
dem Summenstrahlung aller einzelnen Strahler gebildet wird, und
anschließend eine genauere Ortung durch Erzeugung einer
Strahlungsnullstelle, die durch die Differenzstrahlung mindestens
zweier Gruppen von einzelnen Strahlern gebildet wird, durchgeführt.
Durch Differenzstrahlung wird eine deutlich feinere Auflösung
erzielt. Die Nullstelle hat eine Empfindlichkeit von Γ(Δδ) ≈ Asin(k0Lsin(Δδ))wobei L
die Längenabmessung einer Strahlerteilgruppe ist. Bei kleiner
Winkelabweichung Δδ ist also die Strahlungsintensität Γ(Δδ)
proportional zu dieser Winkelabweichung.
- 2) Entfernungsmessung: Die Entfernungsmessung erfolgt dabei
vorzugsweise mittels aktiver Reflexion.
- 3) Nachführen: Bewegt sich das zu ortende Objekt aus
der Nullstelle heraus, wird dies vom Empfänger sofort erkannt
und der Sender veranlasst, den Phasenoffset entsprechend nachzuführen. Anschließend
erfolgt eine erneute Entfernungsmessung.
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Bei
der kugelförmigen Abstrahlung und dem gerichteten Empfang
bestimmt der Empfänger die Richtung zum Sender, indem es
die empfangenen Signale der einzelnen Strahler mit einem Phasenoffset versieht.
Sobald die Addition der Einzelsignale Null ergeben, ist die dem
Phasenoffset entsprechende Richtung ermittelt. Der prinzipielle
Ablauf entspricht dabei dem zuvor beschriebenen Ablauf bei einer
gerichteten Abstrahlung und einem kugelförmigen Empfang.
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Um
eine höhere Genauigkeit erzielen zu können und
um die Windrichtung kompensieren zu können, erfolgt die
Entfernungsmessung vorzugsweise nach dem Verfahren der aktiven Reflexion.
vorzugsweise mittels aktiver Reflexion.
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Es
existieren prinzipiell zwei unterschiedliche Methoden der Ultraschall-Entfernungsmessung, die
passive Reflexion sowie die A-B-Messung. Bei der Methode der passiven
Reflexion befinden sich Sender und Empfänger in einem Gerät
und es wird das vom Zielobjekt reflektierte Ultraschallsignal empfangen.
Bei der A-B-Messung werden von Gerät A ein Ultraschall-Signal
und ein Signal eines anderen Trägers (z. B. Funk) nach
Gerät B übertragen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeiten
beider Signale bekannt sind, kann aus der Laufzeitdifferenz die
Entfernung zwischen Gerät A und B bestimmt werden. Vorteil
der Methode der passiven Reflexion ist die Unempfindlichkeit gegen
Wind. Durch das hin- und rücklaufende Signal wird die Windgeschwindigkeit
kompensiert. Nachteile sind mögliche Uneindeutigkeiten des
Ergebnisses durch Mehrfachreflexion sowie die deutlich höhere
Signalabschwächung proportional zu 1/(4D2).
Die A-B-Messung dagegen hat den Nachteil der Windempfindlichkeit.
Außerdem wird hier ein externes Synchronisationssignal
benötigt.
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Um
die jeweiligen Nachteile der Messmethoden passive Reflexion und
A-B-Messung zu eliminieren, existiert eine Kombination beider Methoden,
die aktive Reflexion. Der Aufbau entspricht weitgehend der A-B-Messung
mit dem Unterschied, dass beide Geräte Senden und Empfangen
können. Dabei läuft die Messung wie folgt ab:
Gerät A sendet ein Signal SA aus
und startet gleichzeitig die Zeitmessung. Nach Eintreffen von SA bei Gerät B antwortet dieses mit dem
Signal SB. Bei Eintreffen von SB an
Gerät A wird die Zeitmessung gestoppt. Die Entfernung ergibt
sich aus der halben Laufzeit beider Signale abzüglich eines
konstanten Offsets.
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Die
jeweils von der stationären Einheit A und der mobilen Einheit
B ausgesendeten Übertragungssignale werden zur Entfernungsmessung
mittels Pulskompression kodiert. Beim Verfahren der Pulskompression
wird auf Senderseite ein kurzer Impuls in ein Signal mit einer geeigneten
Autokorrelation (z. B. Barker Code) umgewandelt. Auf Empfängerseite wird
das Übertragungssignal nur bei entsprechender Korrelation
wieder zurückgewandelt. Dadurch erreicht man neben dem
gewünschten kurzen Puls für eine gute Auflösung
auch die Möglichkeit der Kodierung verschiedener Signale
in parallel arbeitenden Systemen. Die Übertragungssignale
werden auf diese Weise mit einer geeigneten Korrelation festgelegt und
die entsprechenden Korrelationsfilter werden implementiert. Dafür
werden hierbei vorzugsweise Barker Codes verwendet, welche gute
Autokorrelationseigenschaften aufweisen. Ein Barker Code stellt
in der Digitaltechnik eine Sequenz von N Werten von 0 oder 1 dar,
bei der die Autokorrelation maximal 1 ist, wenn die Sequenzen nicht
verschoben sind. Diese werden mittels Frequenz- oder Phasenmodulation übertragen.
Dabei werden die binären Werte 0 und 1 jeweils zweier unterschiedlicher
Frequenzen bzw. Phasenlagen des Trägersignals zugeordnet.
Ein Übergang in der Bitfolge von 0 auf 1 oder umgekehrt erfolgt
somit durch einen Wechsel der Frequenz bzw. durch einen Phasensprung.
Die Übertragung frequenzmodulierter Signale ist in
6 schematisch dargestellt.
Hier wird die Bitfolge „0110” in Form zweier verschiedener
Ultraschall-Frequenzen gesendet. Das am Empfänger ankommende
Signal ist durch die Bandpasseigenschaft des Übertragungskanals
sowie durch Rauschen verzerrt. Beim Empfang des Signals wird dieses
durch das Korrelationsfilter gleichermaßen über
das gesendete Signal „herübergeschoben”.
Erst zum Zeitpunkt der Übereinstimmung (hier bei 440 μs
abzüglich der Laufzeit T) entsteht am Ausgang des Filters
ein absolutes Maximum. Nur wenn dieses Maximum detektiert wird,
gilt das Signal als korrekt empfangen. Der je nach verwendeten Ultraschall-Strahler
mehr oder weniger schmalbandige Übertragungskanal lässt
für die Kodierung der Bitfolge weit auseinanderliegende
Frequenzen nicht zu. Um dennoch sichere Empfangseigenschaften zu
gewährleisten, sollte das 1-Bit-Korrelationsverfahren in einem
schnellen FPGA implementiert werden. Dieser liefert eine genügend
hohe Auflösung, um zwei nahe beieinanderliegende Frequenzen
sicher unterscheiden zu können. Um harte Frequenz- und
Phasensprünge zu vermeiden und somit die Bandbreite des Systems
zu minimieren, wird ein geeignetes Signalverarbeitungsverfahren,
wie z. B. die „Tamed Frequency Modulation” wie
in der
DE 2 838 984 beschrieben,
angewendet.
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In
den 6 bis 8 sind mögliche Strahleranordnung
dargestellt.
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6 zeigt
eine mögliche Strahleranordnung mit insgesamt neun Strahlern,
welche in zwei Strahlerreihen mit einem gemeinsamen mittleren Strahler
angeordnet sind. In 7 sind die Strahler halbkreisförmig
angeordnet, wodurch erreicht werden kann, dass eine gleichmäßige Schalldruckverteilung
im Nutzraum vorliegt. 8 zeigt ferner eine mögliche
Strahleranordnung bei der die Strahler versetzt zueinander angeordnet
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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