DE3700276A1 - Sensor nach dem ultraschall-impuls-echoprinzip mit selbsttaetiger unterdrueckung von stoerzielen - Google Patents

Description

Es sind Ultraschallsensoren bekannt, bei denen durch Erzeugung eines Ultraschallimpulses und Auswertung der von Objekten zu­ rückgeworfenen Echos Schaltvorgänge bzw. Überwachungsaufgaben getätigt werden. Bei manchen dieser Sensoren ist nachteilig, daß statisch vorhandene Objekte in der Überwachungszone zu einem permanenten Auslösen führen. Als Beispiel sei die Situation be­ nannt, bei der der Sensor automatisch bei Annäherung von Personen das motorische Öffnen einer Tür veranlassen soll. In den seltesten Fällen wird der Raum vor der Tür ein absoluter Freiraum sein. Ge­ rade wenn man Objekte in Bodennähe ebenfalls beobachten will, kann es zu Reflektionen des Bodens kommen oder auch von Gegenständen, die in der Umgebung angeordnet sind, wie z.B. Blumenschmuck.

Diese Reflektionen werden ein Auslösen des Sensors zur Folge haben. Als Lösung konnte bislang lediglich die Empfindlichkeit des Sensors zurückgenommen werden oder der Überwachungsbereich eingegrenzt wer­ den.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Sen­ sor zu schaffen, der die Umgebung "lernt" und insofern in der Lage ist, zwischen statischen Zielen und neuen Zielen zu unterscheiden.

Vorteilhaft bei der Erfindung ist die Tatsache, daß in konventio­ neller Bauform ein nur geringer Bauteileaufwand notwendig ist, der die Kosten der Anordnung nicht nachhaltig erhöht.

Es ist weiterhin möglich, das Verfahren im ganzen in einen Mikro- Computer zu integrieren, wobei der Hardware-Aufwand natürlich nochmal verringert werden kann.

Im einzelnen macht sich die Erfindung die Tatsache zu Nutze, daß statische Echos stets in etwa auf der gleichen Position auf der Zeitachse auftreten. Das gehäufte Auftreten solcher regelmäßigen Informationen auf der Zeitachse führt erfindungsgemäß dazu, daß die Ansprechempfindlichkeit der Vorrichtung an genau dieser Position der Zeitachse partitiell zurück genommen wird. Diese Rücknahme kann soweit getrieben werden, daß ein statisches Echo restlos unterdrückt wird, also nicht mehr wahrgenommen wird. Vorteilhaft an der Erfindung ist ferner, daß damit - ohne Abgleichvorgang - die Überwachung eines Terrains möglich wird, in dem sich statische Hindernisse befinden.

Im einzelnen arbeitet die Erfindung wie folgt:

In einer Steuerlogik (3) werden alle Impulse und Zeiten generiert, die im Gerät benötigt werden.

Zum Zeitpunkt t= wird ein Sendeimpuls im Sender (2) erzeugt und ab­ gestrahlt. Gleichzeitig werden alle logischen Elemente der Schaltung, so die Auswertelogik (12) das Schieberegister (9) in die Ausgangs­ stellung gebracht.

Ein Echo wird von der Empfangskapsel (1) empfangen. Unter gewissen technischen Vorraussetzungen ist es möglich, daß die Empfangskapsel identisch mit der Senderkapsel ist. Das schwache Signal wird in einem Vorverstärker (4) verstärkt. Ein nachgeschalteter Multiplizierver­ stärker (5) verstärkt das Signal weiter, eine Demodulatorstufe (6) richtet den Impuls gleich und erzeugt eine Hüllkurve, die auf einen Komperator (7) gegeben wird. Das Signal am nicht invertierten Ein­ gang dieses Komperators entspricht im wesentlichen dem Signal am Ein­ gang B des Multiplizierers. Wie weiter unten stehend erläutert wird, ist zwangläufig zu Beginn des Vorgangs die Empfindlichkeit der An­ ordnung gegenüber Echos maximal. Am Ausgang des Komperators (7) wird auf denjenigen Positionen der Zeitachse ein digitales Signal erzeugt, an denen ein Echo gefunden wird. Dieses Signal wird in einen Subtrahierer/Addierer (8) eingelesen, von dem es als 8 Bit bzw. 4 Bit Wort in ein Schieberegister (9) eingelesen wird. Das Schieberegister wird mit einer Taktrate, die ein gradzahliges Vielfaches der Sender­ taktrate ist, wobei das gradzahlige Vielfache der Stufenzahl des Schieberegisters zu entsprechen hat, betrieben. Genau um eine Zyklus­ zeit versetzt erscheint das Signal am Ausgang des Schieberegisters (9) und wird von dem Digital/Analog-Wandler (10) in eine Korrek­ turspannung umgewandelt, die einerseits die Empfindlichkeit des Multiplizierers (5) herabsetzt, andererseits die Ansprechempfind­ lichkeit des Komperators (7) ebenfalls herabsetzt. Ist beim nächsten Zyklus das Echo immer noch vorhanden, wird ein weiteres Bit im Addierer (8) aufaddiert, die Empfindlichkeit der Anordnung weiter herabgesetzt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Empfindlichkeit an dieser Stelle der Zeitachse so herabgesetzt ist, daß das Echo ignoriert wird und der weiteren Auswertung entzogen ist. Die Auswertung erfolgt in einem Subtrahierer (11) indem die Korrekturspannung (16) und die Ausgangsspannung des Demodulators (6) von einander subtrahiert wird. Am Ausgang des Subtrahierers steht dann ein Signal, wenn es sich um ein dynamisches Ziel han­ delt, das noch nicht "gelernt" worden ist.

Ist ein statisches Ziel allerdings verschwunden, muß die Möglich­ keit bestehen, daß die Anordnung erneut "lernt", indem die par­ titielle Unempfindlichkeit aufgehoben wird. Dies erfolgt erfin­ dungsgemäß, indem die Logik (14) den Addierer/Subtrahierer (8) jetzt so betreibt, daß jeweils ein Bit aus dem Baustein herausge­ zählt wird. Das hat zur Folge, daß langsam die Empfindlichkeit dem Maximumwert angeglichen wird.

Die Lernrate, bzw. Lernzeit ist naturgemäß abhängig von der Abtast­ rate - die 10 bis 30 Hz betragen kann, und von der Wortbreite des Schieberegisters (9) und natürlich des Subtrahierers/Addierers (8). In der bevorzugten Ausführung werden zum lernen einer Situation 15-20 sek. benötigt. Ein Zeitschalter (13) veranlaßt nach jedem Einschaltvorgang, das zwangsweise über eine Zeit, die mindestens der Lernzeit entspricht, zwangsweise die Anordnung in der beschrie­ benen Weise arbeitet.

Die Auswertelogik (12) die bei Vorliegen eines Echoimpulses den Alarm auslöst, ist so ausgelegt, das im späteren Betrieb bei Vor­ handensein eines Zieles der Lernvorgang unterbrochen wird. Diese Maßnahme verhindert, daß das reale Vorhandensein von Zielen - z.B. in einer Sicherheitszone - zu einem nicht gewollten Inaktivieren des Sensors führt.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich vorgeschlagen, in die Auswertelogik (12) eine Zeitfunktion der Gestalt zu realisieren, daß der Lern­ vorgang lediglich für eine frei wählbare Zeit unterbrochen wird. Diese Zeit, die z.B. 2 Minuten betragen kann, dürfte in vielen Funktionen ausreichen, um Personen, die sich z.B. vor einer Tür befinden, sicher von einer neuen - z.B. Topfpflanze - zu unterscheiden.

Es sind Anordnungen vorstellbar, in denen der Lernvorgang nicht zum vollständigen Wegdrücken des Ziels benutzt werden soll, sondern lediglich zu einer partitiellen Empfindlichkeitsabsenkung führen soll. Zu diesem Zwecke wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, über eine Widerstandskombination (15) den Einfluß der Korrekturspannung (16) zu begrenzen. Erfindungsgemäß erfolgt dies, indem die Korrektur­ spannung im Verhältnis der Widerstände R 1 und R 2 wirksam werden kann, wobei die Widerstände deutlich hochohmiger sein müssen als der aus den Widerständen RT gebildete Spannungsteiler und der Innenwiderstand des D/A-Wandlers (10).

Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine sogenannte Lerntaste vorzusehen, die zwangsweise ein Lernen auch dann ermöglicht, wenn über die oben beschriebenen Signalverknüpfungen die Auswertelogik ein Lernen unterbindet (17).

Ergebnismäßig beschreibt die Erfindung eine relativ einfache An­ ordnung, die wirkungsvoll statische von dynamischen Echos unter­ scheidet und insofern Ultraschall-Impuls-Echo-Sensoren auch für Einsatzzwecke zugänglich macht, bei denen latent vorhandene Re­ flektoren den wirkungsvollen Einsatz unterbunden haben.

Claims (10)

1. Ultraschall-Impuls-Echo-Sensor zum Zwecke der Detektion von Objekten in einem frei festgelegten Überwachungsbezirk, da­ durch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit der Anordnung ausschließlich auf denjenigen Positionen der Zeitachse, in denen permanent Objekte erkannt werden, herabgesetzt wird, indem das durch den Echoimpuls ausgelöste digitale Signal am Ausgang eines Komperators (7) den Inhalt eines Subtrahierers/ Addierers jeweils um eine Stelle verändert, diesen Wert in einen Schieberegister (9) einlädt, wobei der Wert nach Zeit­ spanne, die exakt einem Meßzyklus entspricht, durch einen Digital/Analog - Wandler (10) in eine Korrekturspannung um­ gesetzt wird, die ihrerseits auf Stellglieder im Empfangs­ zweig arbeitet, wobei die Ausgangsdaten des Schieberegisters auf den Eingang zurückgeführt werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ wähnten Stellglieder ein im Verstärker eingefügter Multi­ plizierer (5) ist.

3. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung des Kom­ parators (7) als Stellglied benutzt wird, in dem die Korrek­ turspannung die Referenzspannung verändert.

4. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzsignal durch Subtraktion der Ausgangsspannung des Demodulators (6) durch die Korrek­ turspannung (16) gebildet wird.

5. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Korrekturspannung durch eine Widerstandskombination beeinflußt wird, sodaß der Korrekturwert auf einen beliebigen BNetrag durch Wahl der Widerstände (R 1/ R 2) begrenzt werden kann.

6. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Empfindlichkeit in der Zeit unterbleibt, in der die Auswertelogik (12) auf das Vorhandensein von Echoimpulsen angesprochen hat, in dem durch logische Verknüpfung das Verändern des Speicherinhalts im Subtrahierer/Addierer (8) unterbunden wird.

7. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitglied (13) mit der In­ betriebnahme des Gerätes ausgelöst wird, wobei innerhalb einer frei wählbaren Zeit nach Inbetriebnahme des Gerätes die in An­ spruch 6 beschriebene Unterbrechung der Anpassfunktion unter­ bunden wird, um zwangsweise direkt nach Start der Anordnung eine Anpassung auf statische Ziele zu ermöglichen.

8. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Anspruch 7 beschriebene Zeitglied durch einen externen Taster/Schalter (17) ausgelöst werden kann.

9. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 6 beschriebene Unterbrechung des Lernvorganges nach einer frei bestimmbaren Zeit aufgehoben werden kann, in dem mit Unterbrechung des Lern­ vorganges ein Zeitglied gestartet wird, das nach Ablauf der eingestellten Zeit den Signalweg wieder frei gibt.

10. Sensor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Schaltungselemente, die als Logikschaltelemente betrachtet werden können, in einem Mikro-Computer-Chip integriert werden können, wo­ bei in diesem Fall Teile der Hardware in Software überführt werden, der erfindungsgemäß Gedanke als solcher allerdings erhalten bleibt.