DE102009021818A1 - Three-dimensional tracking unit of a moving object has a transmission unit with spaced transmitters and a receiver at the moving object - Google Patents

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Abstract

The system for three-dimensional tracking has a static or moving transmission unit (A) with transmitters (10) to locate a moving object (B) as a receiver. Alternatively, the moving object can be the transmitter. The transmitter has an aligned transmission and/or the receiver has an aligned reception. The transmitters, at defined intervals, have a phase shift control.

Description

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.The The invention relates to a location system by means of which a relative Position of a movable object, for example a vehicle, determinable to a fixed point by means of a three-dimensional location is.

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.In There are many areas of modern industrial society steadily growing demand for autonomous mobile systems. As essential application scenarios such systems are production processes, transport systems and Call service tasks, either for economic reasons or in inaccessible or high for people dangerous areas of work require automation. A key component in the use of autonomous mobile systems is the navigation to which both the current location and the traceability of the path covered belongs.

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.Around to determine the position of an object three-dimensionally, It is necessary in the known systems that a distance measurement of at least three points of a usable space. One Conventional location system therefore consists of at least three permanently installed devices or permanently installed units and a mobile device or mobile unit.

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.One Disadvantage of this conventional method by means of triangulation is the high installation effort due to the necessary three permanently installed units. Another disadvantage is the low Range of positioning of a maximum of 10 m per coordinate.

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.It Therefore, an object of the invention is a location system for three-dimensional Locating a position of an object available to provide, in which the installation costs significantly reduced can be.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The Solution of the problem is carried out according to the invention by the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

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.The Inventive positioning system according to the invention for three-dimensional Locating a position of an object has a stationary or via a predefined route mobile unit and a mobile unit, wherein the stationary or over a predefined route mobile unit as a transmitter and the mobile unit as a receiver or the stationary one or via a predefined route mobile unit designed as a receiver and the mobile unit as a transmitter is, wherein the transmitter and / or the receiver adapted shall be directional radiation or directional reception.

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.in the Contrary to the known locating systems that allows Locating system according to the invention a three-dimensional Position measurement by means of only one fixed stationary or via a predefined route movable unit or Device and a mobile unit or device. As a result, Here are only two devices required, causing the Installation effort of the positioning system can be significantly reduced can. The position is determined by a combination of two angle measurements and a distance measurement, which is realized by the transmitter and / or receiver is adapted to directional radiation or to perform a directed reception. The invention Location system is preferably used where low Installation effort the relative position of a moving object to be determined to a fixed point. This can for example, agricultural machinery, construction / mining machinery or Be robots that are inaccessible or dangerous Jobs are used.

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.Thereby, that with the locating system according to the invention a Three-dimensional positioning takes place is one of the to be determined Size the height, d. H. for example the distance of the vehicle to the ground. This is for example then makes sense if the degree of compaction of biomass in a silo should be determined, the biomass by driving over is compacted with a tractor. In the previously known location systems the driver of the tractor can not provide information about it where the biomass is already sufficient within the silo is compacted and where not. This inevitably leads for passing over places where the degree of compaction already reached the maximum while elsewhere is compressed too little. By means of the locating system according to the invention Now it is possible for the tractor driver to find the exact one Position of his vehicle inside the silo including to convey the height, with the height directly related to the degree of compaction of the biomass. The location system according to the invention allows For this purpose, an accurate three-dimensional location of the tractor in Sub-centimeter range.

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.Due to the fact that the locating system according to the invention requires only two units or devices, the locating system can be set up quickly and easily on site and put into operation. For example, the stationary or movable over a predefined distance unit within or in the vicinity of the usable space, for. B. be attached to a mast, and the mobile unit to be attached to the vehicle or tractor. So he the location system according to the invention enables a three-dimensional location by means of a stationary unit in the work space and by quick and easy installation and handling of the location system. Furthermore, the investment costs for such a location system due to the small number of devices are very low and it is a precision in the sub-centimeter range, even in the altitude coordinate, possible. By means of the locating system according to the invention, a range of more than 60 m is preferably possible.

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.To a preferred embodiment of the invention has for the directional radiation or the directional reception of the transmitters and / or the receiver at least two at a certain distance mutually arranged radiator. At a certain distance arranged one another means that the distance between the emitters known and is given. By the directional radiation or the directed Reception, it is possible that the emanating from the emitters Sound waves overlap and thus by extinguishing or Gain at different angles to the transmitter Sound pressure minima and sound pressure maxima in the room.

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.The Emitters are according to an advantageous embodiment of the invention out of phase controlled. Through a targeted, phase-shifted Control of the spotlights can be a very sharp zero at any angle in the room, that of the receiver can be detected. By determining the angle of the sound pressure zero point for Transmitter is in combination with a conventional distance measurement the position of the example mobile receiver exactly determinable. Due to a continuously changing phase-shifted control the emitter can be the zero point at any angle of the Nutzraumes are pivoted so that the entire usable space can be scanned can. They emitters are individually controllable for themselves. The targeted control of the individual spotlights are at the sound radiation generates certain directional functions, the off Sound bundles and zeros exist.

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.Preferably are more than two spotlights provided, the spotlights with a are arranged at a certain distance from each other. It can all Spotlights with the same distance from each other. It is but also possible that the distance between a first Pair of emitters and a second radiator pair is different sizes. The important thing is that the size of the Distance is known. Particularly preferred are more than 20 radiators provided in the transmitter and / or receiver. The bigger the number of radiators is the sharper the main maxima or the zero point.

Der Abstand der Strahler zueinander sollte dabei ferner vorzugsweise kleiner als eine halbe Wellenlänge eines Übertragungssignals sein.Of the Distance of the radiators to each other should also preferably less than a half wavelength of a transmission signal be.

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.The Emitters also preferably have a spherical radiation characteristic on, causing the effect of interference even under large Angles can be made possible. However, it is also possible that the spotlights a club-shaped radiation characteristic exhibit.

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.The Arrangement of the radiator can according to an advantageous embodiment the invention equidistantly in a row. By Interference of the sound waves emitted by the individual emitters such a series of emitters are emitted or received, arise under different radiation angles sound pressure minima and sound pressure maxima. In this way one can Generate sound beams whose amplitude is the sum of the individual amplitudes all radiator corresponds. Depending on the number of Spotlights can thus significantly larger Distances are bridged than that with conventional Locating systems is possible, with as possible many spotlights are provided. The interference of the phase-shifted sound waves can thus lead to an angle-dependent amplification or extinguishing the sound, in the case of using Ultrasonic transmitter and / or ultrasonic receiver, in the room to lead.

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.The Emitters may further preferably be arranged such that a uniform sound pressure distribution within a usable space is possible. The spotlights can in this case, for example, arranged semicircular to each other be. In this case, preferably only the radiators are driven, which concern the currently covering angle range.

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.Further can be provided according to a preferred embodiment of the invention be that at least a first row of at least two emitters and at least a second row of at least two radiators provided is, with the emitters of the first row offset to the emitters the second row are arranged. To overlaps the Straightening functions over the entire angular range of -90 ° ≤ υ ≤ + 90 ° Avoid, the distance of the radiators to each other should not be greater as half the wavelength of the largest be occurring in the transmission signal frequency. Since the Diameter of the ultrasonic radiator usually larger as the smallest wavelength is, it is advantageous if the radiators offset from one another.

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.In order to carry out a first angular location of a position of an object, according to a preferred embodiment of the invention, a radiation maximum at which the sum radiation of all individual emitters is formed, are used. This is a rough location of the position of the object to be located feasible.

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.Around realize a more accurate location of the position of an object can, according to a further preferred embodiment the invention, a radiation zero, which by the difference radiation at least two groups of individual radiators is formed, be used.

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.advantageously, are those of the stationary unit and / or the mobile Unit transmitted transmission signals encoded and filtered. The coding is preferably carried out by means of pulse compression and the Filtering is preferably carried out by means of a correlation method. After encoding, the transmission signals with a set appropriate correlation and the corresponding correlation filter are implemented. In this case, preferably Barker codes are used. These are preferably transmitted by means of frequency modulation or phase modulation. The coding and the filtering of the transmitted transmission signals are preferably such that the transmission bandwidth the transmitted transmission signals is minimized. Further is the coding of the transmitted transmission signals such that the distance resolution accuracy in locating by using suitable correlation methods is maximized.

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.Preferably is also a self-calibration of stationary or over a predefined route mobile unit and the mobile unit provided. The self-calibration is preferably carried out for the Distance measurement and for angle determination. With help two known positions, which are arbitrarily specified by the user it is possible for that to happen calibrated the positioning system itself.

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.To a further preferred embodiment of the invention, the work stationary or via a predefined route mobile unit and the mobile unit based on ultrasonic waves. The Emitters thus preferably transmit or receive ultrasonic waves.

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.Around a coding or evaluation of the transmission signals allow the stationary or over a predefined route mobile unit and / or the mobile Unit a microcontroller (μC) and programmable Logic modules (Field Programmable Gate Array = FPGA). The on Receiver can present data with it for example, to a personal digital assistant (PDA) forwarded and be logged to both an immediate recovery as to allow a later statistical evaluation. The FPGAs preferably include the control of the radiator or the evaluation of the received transmission signals and the μCs preferably take over the control of the locating system as well as the transmission of the measured data to a personal computer (PC) and / or a PDA. To disturbing influences will be able to counteract as effectively as possible preferably made an analog prefiltering of the received signals. An analog adder circuit can already before digitizing the Sum of all received single signals. Because the mobile Unit and the stationary or via a predefined Track moving unit using the same controller unit can, is preferably provided a modular structure, d. H. the controller unit with μC and FPGA can work on one be built separate plug-in board.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.following the invention will be with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ortungssystems; 1 a schematic representation of the locating system according to the invention;

2 eine schematische Darstellung der Bestimmung der Laufwege; 2 a schematic representation of the determination of the routes;

3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ortungssystems; 3 a block diagram of the locating system according to the invention;

4 eine graphische Darstellung der berechneten Richtfunktion mit einem Schallbündel bei 0°; 4 a graphical representation of the calculated directivity with a beam at 0 °;

4a eine graphische Darstellung einer berechneten Richtfunktion ohne Phasenoffset, 4a a graphic representation of a calculated directivity without phase offset,

4b eine graphische Darstellung einer berechneten Richtfunktion mit Phasenoffset, 4b a graphical representation of a calculated straightening function with phase offset,

5 eine schematische Darstellung eines Autokorrelationsverfahrens; 5 a schematic representation of an autocorrelation method;

6 eine schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform; 6 a schematic representation of a radiator arrangement according to a first embodiment;

7 eine schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und 7 a schematic representation of a radiator assembly according to a second embodiment; and

8 eine schematische Darstellung einer Strahleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform. 8th a schematic representation of a radiator arrangement according to a third embodiment.

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.In 1 a possible three-dimensional position determination with a stationary unit A and a mobile unit B is shown. The stationary unit A is designed as a transmitter and is located at a fixed location in the work space whose position is known. The mobile unit B is designed as a receiver and is located on the object to be located. The determination of the position of the mobile unit B by means of a combination of a classical distance measurement and two angle measurements, which are based on two different coordinates, in particular spherical coordinates.

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 wi, 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

Figure 00100001
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.The stationary unit A has a plurality of ultrasonic radiators 10 on which are arranged equidistantly in a row. By interference of the sound waves coming from the individual emitters 10 emitted or received such a series of radiators, arise at different angles of radiation sound pressure minima and sound pressure maxima. In this way, a sound beam can be generated whose amplitude is the sum of the individual amplitudes of all radiators 10 equivalent. With a sufficient number of spotlights 10 Thus, significantly longer distances can be bridged, as with conventional ultrasonic systems. The theoretical basis for this is provided by the so-called spot-beam synthesis. If one considers a plurality of point sound sources lying at the same distance d on a line, the result is, as in FIG 2 shown, from all sources w i , generated total sound pressure at any receiving point AP as the sum of the individual sound pressures in this point. In the far field r >> d, the individual amplitude values are almost identical. Due to the different paths r, however, there is a dependent on the angle υ phase shift between the individual sources. The interference of the phase-shifted sound waves thus leads to an angle-dependent amplification or extinction of the sound in the room. This fact becomes mathematically by the so-called Richtfunktion
Figure 00100001
described. At the same time give the complex coefficients S i = S i · e j · φ · i the occupation, ie the control, of the row of emitters in amplitude and phase. Different assignments make it possible to synthesize numerous different straightening functions. If you control z. B. all emitters 10 parallel to the row, ie with the same amplitude and phase on, this results in an absolute maximum or a sound beam at an angle of 0 °, as in 4 is shown.

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.Dividing the radiator series in two halves, which are controlled in opposite phase, creates in the middle, ie at an angle of 0 °, a sharp sound pressure zero point between two sound beams (main maxima). This is followed by a phase offset or phase offset for each individual radiator 10 with respect to its neighbor, the zero point is turned to a different beam angle, which is based on the in 4a and 4b shown straightening functions is clarified, wherein 4a a calculated directional function without phase offset and 4b shows a calculated directional function with phase offset.

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”.By Control of the line with continuously changing Phase offsets can thus zero in principle to any Angle of the usable space are pivoted, the entire room is "scanned" so to speak.

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.An ultrasonic receiver B on the in 1 shown to be located vehicle can detect the zero point between the main maxima, whereby the angle α (azimuth) between transmitter A and receiver B in a plane is known. In order to determine the second angle β (polar angle), a second row of radiators is preferably provided which is arranged at an angle of 90 ° to the first and is driven in the same way. By means of a conventional distance measurement (AB measurement), the distance d between transmitter A and receiver B is determined. Thus, the position of the vehicle in the form of spherical coordinates can be determined uniquely. Are transmitter A and receiver B by an external signal, eg. B. by radio, synchronized, the vehicle can be tracked continuously after detection of the zero point.

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.In 3 Figure 4 is a block diagram of one possible embodiment of the location system according to the invention, shown with a stationary unit A and a mobile unit B, both of which can transmit and receive. The unit A and the unit B can each drive preferably twenty ultrasonic radiators individually. Accordingly, each twenty independent drivers for the radiators are provided. Furthermore, an FPGA and a Micro Controller are provided for each device. The FPGAs include the control of the emitters or the evaluation of the received transmission signals, while the μCs take over the control of the positioning system and the transmission of the measured data to the PC or PDA. To counteract interference as effectively as possible, an analog prefiltering of the received signals is provided. An analog adder circuit already forms the sum of all received individual signals before the digitization. Further, a data exchange between the unit A and the unit B is provided, which serves to synchronize the two units A, B, preferably via an external signal, which is preferably not an ultrasonic signal takes place. For this purpose, a 433 MHz radio link is provided. Since both units can use the same controller unit, a modular design is preferred, ie the controller unit with μC and FPGA is built on a separate, pluggable board. The transmission of the user data from the μC to the PC or PDA takes place via RS232, USB or Ethernet interfaces. There is an evaluation of the current position as well as the distance traveled by each vehicle. For each X / Y position, the height of the vehicle is also displayed or saved. In order to enable a statistical post-processing of the data, all position data of an insert are logged.

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. 4 shows a calculated directional function with a sound beam at 0 °. To realize a shaping of the directional function, for example, either a directed radiation with a spherical reception or a spherical radiation with a directed reception is possible.

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.
In the directional radiation and the spherical reception, the shaping of the directional function is performed by the transmitter by the individual radiators are driven out of phase with each other. For this purpose, each individual radiator is assigned to pulse sequences which are provided with a variable phase offset to the pulse sequences of the respective neighboring radiator. The phase offset is controlled by the μC, which is connected to the FPGA via a data interface. The FPGA generates the pulse sequences and forwards them to the individual driver stages of the emitters. The software of the μC preferably contains the following processes:
  • 1) Catching: The position of the mobile unit is initially unknown. The sender first lets the sound pressure zero point swiftly pass through the room in coarse steps by stepwise changing the phase offset between the individual emitters. Since the directional function has several zeros, care should be taken that it is the zero between the two main maxima. These are therefore the first to be detected by the receiver. If the sound pressure at the receiver drops below a certain level, this is transmitted to the transmitter via the 433 MHz radio link. Now the increment of the phase offset is reduced until the zero is found exactly. The corresponding data are stored. In the capture process, therefore, a coarse detection is first carried out by generating a radiation maximum, in which total radiation of all the individual radiators is formed, and then a more accurate location by generating a radiation zero point, which is formed by the difference radiation of at least two groups of individual radiators. Differential radiation achieves a significantly finer resolution. The zero has a sensitivity of Γ (Δδ) ≈ Asin (k 0 L sin (Δδ)) where L is the length dimension of a radiator subgroup. With small angular deviation Δδ, therefore, the radiation intensity Γ (Δδ) is proportional to this angular deviation.
  • 2) Distance measurement: The distance measurement is preferably carried out by means of active reflection.
  • 3) Tracking: If the object to be located moves out of the zero position, the receiver immediately recognizes this and causes the transmitter to adjust the phase offset accordingly. Subsequently, a renewed distance measurement takes place.

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.at the spherical radiation and the directed reception the receiver determines the direction to the transmitter by provides the received signals of the individual radiators with a phase offset. As soon as the addition of the individual signals yields zero, the Phase offset corresponding direction determined. The principal Process corresponds to the procedure described above with a directed radiation and a spherical reception.

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.Around to achieve a higher accuracy and in order to compensate for the wind direction, the Distance measurement preferably according to the method of active reflection. preferably by means of active reflection.

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.In principle, there are two different methods of ultrasonic distance measurement, passive reflection and AB measurement. In the passive reflection method, the transmitter and receiver are in one device, and the ultrasonic signal reflected from the target object is received. In the AB measurement, device A transmits an ultrasonic signal and a signal from another carrier (eg radio) to device B. Since the propagation speeds of both signals are known, the distance between device A and B can be determined from the transit time difference. Advantage of the method of passive reflection is the insensitivity to wind. The signal traveling back and forth compensates the wind speed. Disadvantages are possible ambiguities of the result due to multiple reflection as well as the significantly higher signal attenuation proportional to 1 / (4D 2 ). The AB measurement, however, has the disadvantage of wind sensitivity. In addition, an external synchronization signal is required here.

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.To the respective disadvantages of Messmetho To eliminate passive reflection and AB measurement, there exists a combination of both methods, active reflection. The structure corresponds largely to the AB measurement with the difference that both devices can send and receive. The measurement proceeds as follows: Device A sends out a signal S A and simultaneously starts the time measurement. After arrival of S A at device B this answers with the signal S B. When S B arrives at device A, the time measurement is stopped. The distance results from half the running time of both signals minus a constant offset.

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.The transmission signals transmitted by the stationary unit A and the mobile unit B are encoded for range finding by means of pulse compression. In the process of pulse compression, a short pulse is converted on the transmitter side into a signal with a suitable autocorrelation (eg Barker code). On the receiver side, the transmission signal is converted back again only with appropriate correlation. As a result, in addition to the desired short pulse for a good resolution and the possibility of encoding various signals in parallel systems. The transmission signals are thus set with a suitable correlation and the corresponding correlation filters are implemented. For this purpose, preferably Barker codes are used, which have good autocorrelation properties. A Barker code represents in digital technology a sequence of N values of 0 or 1, in which the autocorrelation is a maximum of 1 if the sequences are not shifted. These are transmitted by means of frequency or phase modulation. In this case, the binary values 0 and 1 are respectively assigned to two different frequencies or phase positions of the carrier signal. A transition in the bit sequence from 0 to 1 or vice versa thus takes place by a change of frequency or by a phase jump. The transmission of frequency modulated signals is in 6 shown schematically. Here the bit sequence "0110" is sent in the form of two different ultrasonic frequencies. The incoming signal at the receiver is distorted by the bandpass characteristic of the transmission channel as well as by noise. Upon receipt of the signal, it is "pushed over" by the correlation filter equally via the transmitted signal. Only at the time of the match (here at 440 microseconds minus the time T) at the output of the filter is an absolute maximum. Only if this maximum is detected, the signal is considered correctly received. The more or less narrow-band transmission channel, depending on the ultrasound emitter used, does not permit far apart frequencies for the coding of the bit sequence. However, to ensure secure reception, the 1-bit correlation method should be implemented in a fast FPGA. This provides a sufficiently high resolution to be able to reliably distinguish two frequencies lying close to one another. In order to avoid hard frequency and phase jumps and thus to minimize the bandwidth of the system, a suitable signal processing method, such as. As the "Tamed Frequency Modulation" as in the DE 2 838 984 described, applied.

In den 6 bis 8 sind mögliche Strahleranordnung dargestellt.In the 6 to 8th possible emitter array are shown.

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. 6 shows a possible radiator arrangement with a total of nine radiators, which are arranged in two rows of radiators with a common central radiator. In 7 the radiators are arranged semicircular, which can be achieved that a uniform sound pressure distribution in the work space is present. 8th further shows a possible radiator arrangement in which the radiators are offset from one another.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 2838984 [0049] - DE 2838984 [0049]

Claims (17)

Ortungssystem zur dreidimensionalen Ortung einer Position eines Gegenstandes, umfassend eine stationäre oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) und eine mobile Einheit (B), wobei die stationäre oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) als Sender und die mobile Einheit (B) als Empfänger oder die stationäre oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) als Empfänger und die mobile Einheit (B) als Sender ausgebildet ist, wobei der Sender und/oder der Empfänger angepasst ist eine gerichtete Abstrahlung oder einen gerichteten Empfang auszuführen.Location system for the three-dimensional location of a Position of an object comprising a stationary one or via a predefined route mobile unit (A) and a mobile unit (B), where the stationary or over a predefined route mobile unit (A) as transmitter and the mobile unit (B) as a receiver or the stationary one or via a predefined route moving unit (A) as a receiver and the mobile unit (B) designed as a transmitter is, wherein the transmitter and / or the receiver adapted shall be directional radiation or directional reception. Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die gerichtete Abstrahlung oder den gerichteten Empfang der Sender und/oder der Empfänger mindestens zwei in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnete Strahler (10) aufweist.Positioning system according to claim 1, characterized in that for the directional radiation or the directed reception of the transmitter and / or the receiver at least two at a certain distance from each other arranged radiator ( 10 ) having. Ortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (10) phasenversetzt ansteuerbar sind.Positioning system according to claim 2, characterized in that the radiators ( 10 ) are phase-shifted controllable. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Strahler (10) vorgesehen sind, wobei die Strahler (10) mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.Positioning system according to one of claims 2 or 3, characterized in that more than two radiators ( 10 ) are provided, wherein the radiator ( 10 ) are arranged at a certain distance from each other. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Strahler (10) zueinander kleiner als eine halbe Wellenlänge eines Übertragungssignals ist.Positioning system according to one of claims 2 to 4, characterized in that the distance of the radiator ( 10 ) is smaller than half a wavelength of a transmission signal to each other. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (10) eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik aufweisen.Positioning system according to one of Claims 2 to 5, characterized in that the radiators ( 10 ) have a spherical radiation characteristic. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (10) äquidistant in einer Reihe angeordnet sind.Positioning system according to one of Claims 2 to 6, characterized in that the radiators ( 10 ) are arranged equidistantly in a row. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (10) derart zueinander angeordnet sind, dass eine gleichmäßige Schalldruckverteilung innerhalb eines Nutzraumes ermöglicht ist.Positioning system according to one of Claims 2 to 7, characterized in that the radiators ( 10 ) are arranged to each other such that a uniform sound pressure distribution within a usable space is made possible. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Reihe von mindestens zwei Strahlern (10) und mindestens eine zweite Reihe von mindestens zwei Strahlern (10) vorgesehen ist, wobei die Strahler (10) der ersten Reihe versetzt zu den Strahlern (10) der zweiten Reihe angeordnet sind.Positioning system according to one of claims 2 to 8, characterized in that at least one first row of at least two radiators ( 10 ) and at least a second row of at least two radiators ( 10 ) is provided, wherein the radiator ( 10 ) of the first row offset to the radiators ( 10 ) of the second row are arranged. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungsmaximum zur ersten Winkel-Ortung einer Position eines Gegenstandes vorgesehen ist.Location system according to one of the claims 1 to 9, characterized in that a radiation maximum for first angular location of a position of an object provided is. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsnullstelle zur zweiten Winkel-Ortung einer Position eines Gegenstandes vorgesehen ist.Location system according to one of the claims 1 to 10, characterized in that a radiation zero provided for the second angular location of a position of an object is. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der stationären oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) und/oder der mobilen Einheit (B) ausgesendeten Übertragungssignale kodiert und gefiltert sind.Location system according to one of the claims 1 to 11, characterized in that the stationary or via a predefined route mobile unit (A) and / or the mobile unit (B) transmitted transmission signals encoded and filtered. Ortungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung und die Filterung der ausgesendeten Übertragungssignale derart beschaffen ist, dass die Übertragungsbandbreite der ausgesendeten Übertragungssignale minimierbar ist.Location system according to Claim 12, characterized that the coding and filtering of the transmitted transmission signals such that the transmission bandwidth the transmitted transmission signals can be minimized. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung der ausgesendeten Übertragungssignale derart beschaffen ist, dass die Entfernungsauflösungsgenauigkeit bei der Ortung durch Einsatz von geeigneten Korrelationsverfahren maximierbar ist.Location system according to one of Claims 11 or 12, characterized in that the coding of the transmitted transmission signals such that the distance resolution accuracy in locating by using suitable correlation methods is maximizable. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbstkalibrierung der stationären oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) und der mobilen Einheit (B) vorgesehen ist.Location system according to one of the claims 1 to 14, characterized in that a self-calibration of stationary or via a predefined route mobile unit (A) and the mobile unit (B) is provided. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) und die mobile Einheit (B) auf der Basis von Ultraschallwellen arbeiten.Location system according to one of the claims 1 to 15, characterized in that the stationary or over a predefined route mobile unit (A) and the mobile Work unit (B) on the basis of ultrasonic waves. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre oder über eine vordefinierte Strecke bewegliche Einheit (A) und/oder die mobile Einheit (B) einen Mikrocontroller (μC) und einen Field Programmable Gate Array (FPGA) aufweist.Location system according to one of the claims 1 to 16, characterized in that the stationary or over a predefined route mobile unit (A) and / or the mobile Unit (B) a microcontroller (μC) and a field Programmable Gate Array (FPGA).
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