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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Trägerteil zur Aufnahme von Ultraschallsensoren zur Ortung von vor diesen befindlichen Gegenständen durch Empfang von an diesen Gegenständen reflektierten, von zumindest einem der Ultraschallsensoren abgegebene Ultraschallsignalen.
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Es ist bereits ein Abstandserfassungssystem für eine autonom arbeitende Vorrichtung, und zwar insbesondere für einen Staubsammelroboter bekannt (
DE 697 06 935 T2 ), auf dessen Außenseite ein Ultraschallsender in Form eines streifenförmigen Ultraschallwandlerteiles angeordnet ist. Dieses Ultraschallwandlerteil ist horizontal in der frontseitigen Umfangsfläche des Staubsammelroboters positioniert und es sendet Ultraschallwellen mit geringer vertikaler Verteilung in einem breiten horizontalen Sektor aus. Zum Empfang der von dem Ultraschallwandlerteil abgegebenen Ultraschallwellen, die von verschiedenen Gegenständen vor dem betreffenden Staubsammelroboter reflektiert werden, sind in dem betreffenden Staubsammelroboter Empfängermikrofone in einer Mehrzahl vorgesehen. Diese Mikrofone sind in den Schall leitenden Hohlleitern vorgesehen, um das Richtwirkungsmuster des jeweiligen Mikrofons zu verbessern. Über die Beseitigung oder zumindest eine Verringerung eines gegebenenfalls auftretenden Totzonenproblems, gemäß dem innerhalb eines gewissen Nahbereichs von etwa 10 cm vor einem Ultraschallwellen abgebenden bzw. aufnehmenden Ultraschallwandler vorhandene Hindernisse nicht richtig oder überhaupt nicht erkannt werden können, ist in diesem Zusammenhang allerdings nichts bekannt.
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Es ist auch schon ein Führungs- und Navigationssystem für einen mobilen Roboter bekannt (
US 5 165 064 ), bei dem der Roboter zumindest eine Reihe von Ultraschallwandlern enthält, die jeweils einen eigenen Sektor eines Roboter-Arbeitsraumes überwachen. Über das Vorhandensein einer Totzone, wie sie zuvor erwähnt worden ist, vor den betreffenden Ultraschallwandlern und über eine Überwindung des damit verbundenen Totzonenproblems bei der Ermittlung von Hindernissen bzw. Gegenständen im Nahbereich des Staubsammelroboters ist auch in diesem Zusammenhang nichts bekannt.
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Es ist ferner ein Verfahren zum Bestimmen von Entfernungsdaten in einem System bekannt, in welchem von einem fahrbaren Gerät Ultraschallsignale ausgesendet und als Reflexionen empfangen werden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass sich die Strahlungskeulen von unmittelbar einander benachbarten Ultraschallsensoren überlappen und damit zu einem so genannten Übersprechen führen, durch das der Störabstand zwischen unmittelbar einander benachbarten Ultraschallsensoren verschlechtert ist. Um eine Verbesserung dieses Störabstands zu erreichen, ist bei dem betreffenden bekannten Verfahren vorgesehen, in Verbindung mit den einzelnen Ultraschallsensoren Einrichtungen zur Änderung der Empfindlichkeitsgröße vorzusehen. Dies bedingt jedoch einen unverhältnismäßig hohen Schaltungsaufwand, um das erwähnte Übersprechen zu reduzieren. Andererseits ist dadurch das oben erwähnte Totzonenproblem nicht gelöst, das im Nahbereich von Ultraschallsensoren existiert und das auf ein Übersprechen zwischen einander benachbarten Ultraschallsensoren zurückgeht. Dieses Übersprechen resultiert aus dem direkten Empfang eines von einem Ultraschallsensor abgegebenen und nach Reflexion von einem dem betreffenden einen Ultraschallsensor benachbarten Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignals und aus dem Empfang von von dem genannten einen Ultraschallsensor abgegebenen so genannten Ausschwingsignalen (englisch „Ringing”) durch den betreffenden benachbarten Ultraschallsensor.
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In der
DE 31 37 745 A1 ist ein Sensor zur Durchführung von Distanzmessungen nach dem Ultraschallprinzip offenbart. Dazu lehrt die
DE 31 37 745 A1 den Einsatz von Dämpfungsmaterialien auf der Innenseite des Topfwandlers, in welchem, die jeweiligen Ultraschallsignalgeber angeordnet sind. Zur Entkoppelung benachbarter Sensoren lehrt die
DE 31 37 745 A1 weiter die Ausbildung einer querverlaufenden Rinne zwischen den Mulden, in welchen die benachbarten Sensoren angeordnet sind.
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Auch die
DE 39 16 632 C2 offenbart einen Ultraschallsensor und ein System mit einer Vielzahl von Ultraschallsensoren. Dieser Ultraschallsensor weist eine Vielzahl von Räumen, die jeweils als Druckkammern ausgebildet sind, um eine geeignete Formung der Schallkeule bereitzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art auf relativ einfache Weise eine Totzone, also der Nahbereich vor der mit Ultraschallsignalen arbeitenden Vorrichtung zur Ermittlung von vor der betreffenden Vorrichtung befindlichen Gegenständen eliminiert, zumindest aber wirksam verkleinert werden kann.
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Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die erwähnte Totzone wirksam beseitigt ist, so dass dadurch bereits im Nahbereich, das heißt unmittelbar vor der Vorrichtungsaußenseite befindliche Gegenstände mittels Ultraschallsignalen sicher geortet werden können. Darüber hinaus bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil mit sich, dass auch ein zu Fehlauswertungen führendes störendes Übersprechen zwischen unmittelbar einander benachbarten Ultraschallsensoren gänzlich aufgehoben ist.
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Vorzugsweise ist das jeweilige Schallleitteil zu der Außenseite des betreffenden Trägerteiles hin zu einem trichter- oder trompetenförmigen Schallkanal erweitert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die von dem jeweiligen Ultraschallsensor abgegebenen Ultraschallsignale in einer gewünschten Richtung gebündelt werden können und dass die von dem jeweiligen Ultraschallsensor zu empfangenden Ultraschallsignale in einer bestimmten Richtung bevorzugt empfangen werden können. Dies ist für eine Ortung von Hindernissen vor der die betreffenden Ultraschallsensoren enthaltenden Vorrichtung von besonderer Bedeutung.
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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung weist der Austritts- bzw. Eintrittsbereich des jeweiligen Schallkanal-Aufnahmeteiles eine schlitzförmige Schallaustritts- bzw. Schalleintrittsöffnung auf. Diese schlitzförmige Schallaustritts- bzw. Schalleintrittsöffnung ist dabei vorzugsweise horizontal oder vertikal ausgerichtet. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass Ultraschallsignale in jeweils festgelegter Ebene bevorzugt abgegeben bzw. empfangen werden können.
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Erfindungsgemäß weist die jeweilige schlitzförmige Schallöffnung zumindest vor dem jeweiligen, als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensor abgerundete Öffnungskanten auf. Auf diese Weise lässt sich das Übersprechen zwischen in der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehenen Ultraschallsensoren noch weiter verringern, indem die Erzeugung von ebenfalls für das erwähnte Übersprechen verantwortlichen Nebenkeulen der jeweils abgegebenen Ultraschallwellen vermieden ist.
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Gelöst wird die oben angegebene Aufgabe der Erfindung ferner durch einen eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art gemäß der vorliegenden Erfindung enthaltenden selbständig verfahrbaren Roboter. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass auch ein mit einer solchen Vorrichtung versehener selbständig verfahrbarer Roboter, insbesondere ein Staubsammelroboter mit Ultraschallsensoren ausgestattet sein kann, ohne dass dabei die oben erwähnten Übersprech- und Totzonenprobleme auftreten.
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Vorzugsweise weist der vorstehend genannte Roboter in horizontaler Ebene nebeneinander angeordnete, als Ultraschallsender bzw. als Ultraschallempfänger betreibbare Ultraschallsensoren auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass trotz der Anordnung von als Ultraschallsender bzw. als Ultraschallempfänger betreibbaren Ultraschallsensoren diese in relativ geringem Abstand nebeneinander angeordnet sein können, ohne dass es zu den oben erwähnten Übersprech- und Totzonenproblemen kommt. Dies ermöglicht somit erhebliche bauliche Freiheitsgrade hinsichtlich der Anordnung der als Ultraschallsender bzw. als Ultraschallempfänger betreibbaren Ultraschallsensoren in einem Roboter der erwähnten Art zu erzielen.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Reihe von nebeneinander angeordneten Ultraschallsensoren.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorderansicht der in 1 schematisch dargestellten Vorrichtung.
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In 1 ist in einer ausschnittweisen schematischen Draufsicht ein Trägerteil TR einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit insgesamt fünf nebeneinander angeordneten Ultraschallsensoren US1, US2, US3, US4 und US5 veranschaulicht. Bei dem Trägerteil TR kann es sich beispielsweise um ein Gehäuseteil der erwähnten Vorrichtung handeln, die z. B. in einem selbständig verfahrbaren Roboter, insbesondere in einem Staubsammelroboter untergebracht sein kann, in welchem eine Erkennung von Hindernissen mittels Ultraschallsignalen ermöglicht ist, die von den betreffenden Ultraschallsensoren US1 bis US5 abgegeben und die nach Reflexion an den betreffenden Hindernissen von der betreffenden Vorrichtung wieder empfangen werden.
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Von den vorzugsweise in einer horizontalen Ebene nebeneinander angeordneten Ultraschallsensoren US1 bis US5 sind im vorliegenden Fall beispielsweise die Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 als Ultraschallsender betreibbar, und die Ultraschallsensoren US2 und US4 sind als Ultraschallempfänger betreibbar. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass grundsätzlich auch eine andere Aufteilung des Betriebs der betreffenden Ultraschallsensoren als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger möglich ist und dass überdies auch sämtliche Ultraschallsensoren US1 bis US5 jeweils sowohl als Ultraschallsender wie auch als Ultraschallempfänger im schnellen Wechsel (Zeitmultiplexbetrieb) betreibbar sind.
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Die Ultraschallsensoren US1 bis US5 sind, wie aus 1 klar hervorgeht, von der in 1 unten dargestellten Außenseite des Trägerteiles TR zum Vorrichtungsinnenraum (in 1 ist dies der obere Bereich) hin versetzt, beispielsweise um 2 cm bis 6 cm, jeweils von einem rohrförmigen Schallleitteil ST1, ST2, ST3, ST4 bzw. ST5 aufgenommen. Grundsätzlich genügt es, die als Ultraschallsender oder als Ultraschallempfänger jeweils betriebenen Ultraschallsensoren in der zuvor betrachteten Weise von der Vorrichtungsaußenseite und damit von der Außenseite des Trägerteiles TR zum Vorrichtungsinnenraum hin versetzt anzuordnen, um das eingangs erwähnte Totzonenproblem und den Effekt des Übersprechens zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger bezogen auf den Fall möglichst zu eliminieren, zumindest aber zu verringern, dass die jeweiligen Ultraschallsensoren unmittelbar an der Vorrichtungsaußenseite und damit an der Außenseite des Trägerteiles TR angeordnet wären. Durch die so erzielte Verlängerung des Schallweges von einem als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensor zu einem als Ultraschallempfänger betriebenen Ultraschallsensor ist somit auf relativ einfache Weise das sonst auftretende Übersprechen zwischen derartigen Ultraschallsensoren zumindest weitgehend eliminiert. Dadurch wird zugleich auch erreicht, dass im nahen Bereich unmittelbar vor der erwähnten Vorrichtungsaußenseite bzw. von der Außenseite des Trägerteiles TR bis etwa 10 cm befindliche Hindernisse mittels der Ultraschallwellen sicher detektiert werden können, die von den Ultraschallsensoren, wie den Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 ausgesendet werden und deren Reflexionen von den Ultraschallsensoren, wie den Ultraschallsensoren US2 und US4 empfangen werden. Durch die versetzte Anordnung der Ultraschallsensoren US1 bis US5 von der Vorrichtungsaußenseite und damit von der Außenseite des Trägerteiles TR zum Vorrichtungsinnenraum hin ist nämlich auch die bei Ultraschallsensoren üblicherweise vorhandene so genannte Totzone – das ist der im Zentimeterbereich vor den Ultraschallsensoren liegende Bereich, innerhalb dessen normalerweise keine Hindernisse detektiert werden können – eliminiert, so dass auch unmittelbar vor der Vorrichtung bzw. dem Trägerteil TR befindliche Hindernisse sicher detektiert werden können.
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Wie aus der Darstellung in 1 hervorgeht, sind die rohrförmigen Schallleitteile ST1 bis ST5 zur Außenseite des genannten Trägerteiles TR hin zu einem trichter- oder trompetenförmigen Schallkanal erweitert. Auf diese Weise ergibt sich im Falle der als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensoren, wie der Ultraschallsensoren US1, US3 und US5, eine wünschenswerte gleichmäßige laminare Strömung von Ultraschallwellen, und im Falle der als Ultraschallempfänger betriebenen Ultraschallsensoren, wie der Ultraschallsensoren US2 und US4 ergibt sich eine wünschenswerte Bündelung der jeweils empfangenen Ultraschallwellen. Überdies ergibt sich hierdurch eine Reduzierung der Impedanz des jeweiligen Ultraschallsensors An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass unter einem trichterförmigen Schallkanal ein Schallkanal verstanden wird, der sich entsprechend einer linearen Funktion zur Außenseite des Trägerteiles TR hin erweitert, und dass unter einem trompetenförmigen Schallkanal ein solcher verstanden wird, dessen Kontur sich entsprechend einem nichtlinearen Verlauf zur Außenseite des Trägerteiles TR erweitert.
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In der in 1 ausschnittweise gezeigten Darstellung des Trägerteiles TR sind noch auf dessen Außenseite Blenden BL1, BL2, BL3, BL4 bzw. BL5 vor den Schallleitteilen ST1, ST2, ST3, ST4 und ST5 angeordnet. Die Formen dieser Blenden BL1 bis BL5 sind aus der in 2 gezeigten schematischen Darstellung der Vorderansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung näher ersichtlich. Wie aus 2 hervorgeht, sind die Blenden BL1 bis BL5 jeweils schmal ausgebildet, und sie weisen jeweils eine in horizontaler Richtung verlaufende schlitzförmige Schallöffnung SL1, SL2, SL3, SL4 bzw. SL5 auf. Durch diese Formgebungen der schlitzförmigen Schallöffnungen treten die von den im vorliegenden Fall beispielsweise als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 jeweils abgegebenen, die oben genannten Ultraschallsignale bildenden Ultraschallwellen UW mit einer starken Bündelung in horizontaler Richtung aus den Blenden BL1, BL3 bzw. BL5 aus. Damit ist auch durch diese Schallbündelung das oben betrachtete Problem des Übersprechens und auch der Totzone zwischen einem als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensor und einem benachbarten Ultraschallsensor, der als Ultraschallempfänger betrieben wird, wie beispielsweise zwischen den Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 einerseits und den Ultraschallsensoren US2 und US4 andererseits zumindest weitgehend verringert. Zum anderen ist durch diese starke Bündelung der von den als Ultraschallsendern betriebenen Ultraschallsensoren, wie den Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 jeweils abgegebenen Ultraschallwellen UW eine gezielte Ultraschallwellenabgabe innerhalb eines relativ schmalen Sektors ermöglicht, was zur verbesserten Hindernisdetektierung beiträgt. Es sei hier noch angemerkt, dass die erwähnten schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 prinzipiell auch in dem Trägerteil TR selbst, also generell in der Vorrichtung vorgesehen sein können. Ferner sind die Ultraschallsensoren US1 bis US5 durch die vor ihnen befindlichen schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 besser vor dem Eindringen von Fremdkörpern in die die rohrförmigen Schallleitteile ST1 bis ST5 geschützt als in dem Fall, dass keine schlitzförmigen Schallöffnungen vorhanden wären. Überdies verleihen die betreffenden schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 der gesamten Vorrichtung ein gutes ästhetisches Aussehen.
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Um das erwähnte Übersprechen zwischen den als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensoren, wie den Ultraschallsensoren US1, US3 und US5 einerseits, und den als Ultraschallempfänger betriebenen Ultraschallsensoren, wie den Ultraschallsensoren US2 und US4 andererseits, und damit das Totzonenproblem noch weiter zu verringern, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, der schlitzförmigen Schallöffnung zumindest vor dem jeweiligen, als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensor abgerundete Öffnungskanten zu geben. Im vorliegenden Fall weisen jedoch, wie aus 2 hervorgeht, die schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 sämtlicher Blenden BL1 bis BL5 jeweils abgerundete Öffnungskanten auf. Der Grund dafür liegt neben der Vereinheitlichung und damit Vereinfachung der Herstellung der betreffenden Blenden aber auch darin, dass wie oben erwähnt, die hinter den betreffenden Blenden BL1 bis BL5 befindlichen Ultraschallsensoren US1 bis US5 in durchaus unterschiedlicher Weise jeweils als Ultraschallsender und/oder als Ultraschallempfänger betreibbar sind. Durch die erwähnten abgerundeten Öffnungskanten der betreffenden schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 ist in dem Fall, dass der hinter der jeweiligen Blende BL1 bis BL5 angeordnete Ultraschallsensor als Ultraschallsender betrieben wird, sichergestellt, dass die von diesem Ultraschallsensor erzeugte Ultraschallwelle UW lediglich mit einer Hauptkeule auftritt und dass keine störenden Nebenkeulen erzeugt werden, die sonst zu einem Übersprechen von einem als Ultraschallsender betriebenen Ultraschallsensor zu einem als Ultraschallempfänger betriebenen, insbesondere dem erstgenannten Ultraschallsensor unmittelbar benachbarten Ultraschallsensor führen würden.
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Abschließend sei noch angemerkt, dass in Abweichung von den vorstehend an Hand der Zeichnung erläuterten Verhältnisse die schlitzförmigen Schallöffnungen SL1 bis SL5 bedarfsweise auch in anderer Richtung als in der dargestellten horizontalen Richtung ausgerichtet sein können, wie insbesondere in vertikaler Richtung. In diesem Fall wäre die Bündelung der durch eine solche schlitzförmige Schallöffnung austretenden Ultraschallwelle bezogen auf die in 2 dargestellten Verhältnisse um 90° gedreht, so dass eine starke Bündelung in vertikaler Richtung vorläge.
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Bezugszeichenliste
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- BL1, BL2, BL3, BL4, BL5
- Blende
- SL1, SL2, SL3, SL4, SL5
- schlitzförmige Öffnung
- ST1, ST2, ST3, ST4, ST5
- Schallleitteil
- TR
- Trägerteil
- US1, US2, US3, US4, US5
- Ultraschallsensor
- UW
- Ultraschallwelle
