DE19824267A1 - Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren sowie Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos, bei welchem für Einzelechos ein Geschwindigkeitsmaß bestimmt wird, das die Änderung der Entfernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufener Echos pro Zeit repräsentiert. Die Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos werden miteinander verglichen und das Ergebnis des Vergleichs wird für eine Echobewertung herangezogen. Insbesondere wird ein Einzelecho mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet, wenn sein Geschwindigkeitsmaß als Summe gewichteter Geschwindigkeitsmaße von Einzelechos mit einem kleineren Entfernungsmaß darstellbar ist, wobei die Gewichtung mit einer beliebigen ganzen Zahl erfolgen kann. DOLLAR A Die Erfindung wird angewandt bei der berührungslosen Abstandsmessung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Nutz-
und Störechos im Empfangssignal von Abstandssensoren, welche
in einem Meßvorgang mit pulsförmigen oder frequenzmodulierten
Sendesignalen arbeiten und aus den Empfangssignalen Echo
profile bilden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter
hin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-OS 43 08 373,
der dazu korrespondierenden US-PS 5 587 969 sowie aus dem
Aufsatz "Evaluation of Ultrasonic Sensor Signals Using Fuzzy
Logic" zum Symposium on Acoustical Imaging, Firenze, Italy,
September 4-6, 1995, von M. Vossiek, P.-C. Eccardt und
V. Mégori bekannt. Abstandssensoren bilden ein sogenanntes
Echoprofil, welches die Stärke der Reflexionen zusammen mit
einem auf die Position des Sensors bezogenen Entfernungsmaß
darstellt, das in Abhängigkeit von der Laufzeit der Einzel
echos ermittelt wird. Das ist unabhängig davon, welche
Wellenart als Meßsignal bei dem Verfahren verwendet wird.
Beispielsweise sind akustische Wellen, insbesondere Ultra
schall, oder elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikro
wellen oder optische Signale, geeignet. Die Maxima in einem
Echoprofil können reflektierenden Objekten oder Reflektor
anordnungen zugeordnet werden, z. B. dem Füllstand bei einem
Füllstandssensor. Aus der Position des jeweiligen Maximums
können die Objektentfernung und aus Form und Amplitude des
Maximums die Reflexionseigenschaften des Objekts bestimmt
werden. Die Detektion der Maxima und ihrer Merkmale, ins
besondere Position, Amplitude und Form, kann durch analoge
oder digitale Schaltungen erfolgen, z. B. Schwellen- oder
Spitzenwertdetektoren, Komparatoren, Zähler, Filter oder
ähnliches, oder sie werden im Anschluß an eine digitale Auf
zeichnung des Empfangssignals durch eine Recheneinheit er
mittelt.
Die DE-OS 43 08 373, deren Inhalt durch Bezugnahme in den
Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen
sein soll, zeigt ein Verfahren, bei dem Nutz- und Störechos
im Empfangssignal von Abstandssensoren anhand charakteristi
scher Merkmale separiert werden. Mit Hilfe von Klassifizie
rungsverfahren werden Mehrfachechos unterdrückt und zeitliche
Fluktuationen oder die Übereinstimmung mit einer eingelernten
Situation bewertet. Als Klassifizierungsverfahren werden
u. a. Fuzzy-Algorithmen verwendet. Die im oben genannten
Stand der Technik beschriebenen Verfahren enthalten im
wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte:
- - Situationsangepaßte Einstellung von Auswerteparametern, beispielsweise von Schwellenwerten,
- - Bewertung von Echos anhand von Einzelmessungen durch Aus werten von Merkmalen eines oder mehrerer Echos, wobei die Merkmale in einer Einzelmessung gewonnen wurden, und
- - Bewertung von Echos anhand von zeitlichen Änderungen der Merkmale eines einzelnen Echos von Messung zu Messung.
Mit den bekannten Verfahren ist eine vergleichsweise zuver
lässige Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal
von Abstandssensoren möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Erkennung von Nutz- und Störechos im Empfangssignal von Ab
standssensoren zu finden sowie eine Anordnung zur Durchfüh
rung des Verfahrens zu schaffen, mit welchen eine weiter
erhöhte Meßsicherheit und eine weiterverbesserte Unter
drückung von Störsignalen erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der ein
gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An
spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Ansprüchen 2
bis 11 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens be
schrieben. Die Merkmale der neuen Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens sind in Anspruch 12 angegeben.
In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung ausgenutzt,
daß sich durch den Vergleich der zeitlichen Änderung von
Echomerkmalen mehrerer Echos umfangreiche Aussagen über eine
Meßsituation gewinnen lassen. Wichtige Applikationsgebiete
der Erfindung sind die berührungslose Distanzmessung, der
Kollisionsschutz oder die Füllstandsmessung. Je nach An
wendungsfall können aus einem Vergleich der Geschwindigkeits
maße verschiedener Einzelechos vielfältige Bewertungsaussagen
abgeleitet werden. Beispielsweise können Mehrfachechos zwi
schen Objekten, von denen zumindest eines beweglich ist,
zuverlässig erkannt werden, indem überprüft wird, ob das
Geschwindigkeitsmaß des jeweiligen Einzelechos zumindest
näherungsweise mit der Summe gewichteter Geschwindigkeitsmaße
von Einzelechos mit einem kleineren Entfernungsmaß als das
jeweils geprüfte Einzelecho übereinstimmt. Bei der Summen
berechnung kann die Gewichtung mit ganzzahligen Faktoren, die
auch negatives Vorzeichen haben können, erfolgen. Bei einer
Anwendung mit einem Füllstandssensor als Abstandssensor ist
in vorteilhafter Weise das Füllstandsecho detektierbar, indem
von den Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaß einen vorgeb
baren Grenzwert überschreitet, dasjenige Einzelecho mit einer
hohen Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, be
wertet wird, dessen Entfernungsmaß am geringsten ist.
In vorteilhafter Weise werden sehr zuverlässige Ergebnisse
bei der Echoverfolgung erzielt, wenn die Einzelechos des
zweiten Echoprofils den Einzelechos des ersten Echoprofils
nach mindestens einem, vorzugsweise nach allen der folgenden
Kriterien zugeordnet werden:
- - Die Differenz der Entfernungsmaße der Einzelechos eines Echopaares darf einen vorgebbaren Grenzwert nicht über schreiten,
- - jedes Einzelecho darf in nur einem Echopaar vorkommen,
- - die Anzahl der gebildeten Echopaare soll maximal sein und
- - die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße aller Echopaare soll minimal sein.
Zur Selektion von Einzel- und Mehrfachechos kann das jeweils
geprüfte Einzelecho mit einer um so höheren Wahrscheinlich
keit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet werden, je genauer
die Übereinstimmung des Geschwindigkeitsmaßes des jeweils
geprüften Einzelechos mit der berechneten Summe ist. Es kön
nen also je nach Übereinstimmungsgenauigkeit verschiedene
Einstufungen der Wahrscheinlichkeit getroffen werden. Dadurch
wird eine bessere Bewertungsaussage erreicht, die den vor
liegenden Gegebenheiten näherkommt.
Der Einfluß von Meßungenauigkeiten wird vorteilhaft redu
ziert, indem nur Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaße
einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten, in den Vergleich
einbezogen werden.
Um die Kombinationsmöglichkeiten bei den Berechnungen der
Summe für verschiedene Werte des Faktors a zu begrenzen und
in vorteilhafter Weise eine kürzere Rechenzeit zu erzielen,
kann der Betrag des ganzzahligen Faktors a auf einen vorgeb
baren Wert, vorzugsweise den Wert 2, begrenzt werden.
Zur Auswertung einer Vielzahl von Bewertungsaussagen, die aus
dem Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Echos
abgeleitet werden, sind in vorteilhafter Weise Fuzzy-Algo
rithmen anwendbar. Sie haben die Fähigkeit, eine Vielzahl
variabler Eingangssignale zu verarbeiten und Vergleiche der
Eingangssignale mit einem Wertebereich vorzunehmen. Zudem
kann a priori-Wissen über die jeweilige Anwendung in ein
facher Weise in Fuzzy-Algorithmen eingebracht werden. Auch
neuronale Netze oder Neuro-Fuzzy-Algorithmen, die ebenfalls
gleichzeitig mehrere Eingangssignale verarbeiten können, sind
mit Vorteil verwendbar. Die wesentliche Aufgabe der Signal
verarbeitung ist es, Nutz- und Störechos anhand geeigneter
Regeln zu unterscheiden. Da Fuzzy-Algorithmen es ermöglichen,
auch unscharfe Bewertungsaussagen durch Zugehörigkeitsfunk
tionen zu beschreiben und mit einem Regelwerk auszuwerten,
sind sie für das Erkennungsverfahren erheblich besser geeig
net als eine Boul'sche Algebra, die auf festen Entscheidungs
schwellen basiert und lediglich binäre Ja/Nein-Aussagen zu
läßt.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung
sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Entstehung von
Mehrfachechos,
Fig. 2 ein Diagramm zu Mehrfachechos bei mehreren bewegten
Reflektoren und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
Wie in der DE-OS 43 08 373 dargestellt wurde, führt ein Meß
vorgang zu einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. dem Zeitpunkt
T = Ta, zu einem Empfangssignal, aus welchem ein Satz von
Echos, beispielsweise der Anzahl Na, extrahierbar ist. Die
Echos Ea1 ... EaNa sind physikalisch Reflektoren oder Re
flektoranordnungen zuzuordnen. Die Echos können jeweils durch
P Merkmale beschrieben werden. Beispielsweise für das i-te
Echo Eai werden die Merkmale mit Ma1i, Ma2i ... MaPi bezeichnet.
Die Merkmale können in Form einer Echoliste folgendermaßen
aufgeschrieben werden:
Wichtige Merkmale eines Echos sind seine Position im Echo
profil, welche ein Entfernungsmaß des zugehörigen Reflektors
zum Abstandssensor repräsentiert, die Echoamplitude sowie die
Form des Echos. Bei den folgenden Ausführungen wird vor
wiegend das Entfernungsmaß d zur Echoerkennung herangezogen,
das den ersten Merkmalen der Echos entsprechen soll. Es soll
also gelten:
(Ma11, Ma12 . . . Ma1Na) = (da1, da2, . . . daNa)
Die Ausführungen sind aber auch auf andere Merkmale über
tragbar.
Wird ein weiterer Meßvorgang zu einem von Ta verschiedenen
Zeitpunkt T = Tb durchgeführt, so führt dieser Meßvorgang zu
einer Echoliste ELb. Die Echoliste ELb dieses Meßvorgangs
kann sich sowohl in den Werten der Echomerkmale Mbij als auch
in der Anzahl Nb der Echos von der Echoliste ELa des ersten
Meßvorgangs unterscheiden.
Bevor eine sinnvolle Bewertung der zeitlichen Änderung von
Echomerkmalen vorgenommen werden kann, müssen die Einzelechos
der Echoliste ELb des zweiten Meßvorgangs den Einzelechos der
Echoliste ELa des ersten Meßvorgangs plausibel zugeordnet
werden. Prinzipiell besteht die Aufgabe darin, diejenigen
Echos aus dem ersten und dem zweiten Meßvorgang zu Paaren
zusammenzufassen, die von demselben Reflektor hervorgerufen
wurden. Diese Zuordnung wird im weiteren Echoverfolgung ge
nannt. Bei einem Füllstandssensor besteht eine Möglichkeit
zur Echoverfolgung darin, die Zuordnung anhand von a priori-
Wissen über die jeweilige Anwendung vorzunehmen. Es kann
z. B. ausgenutzt werden, daß je nach Anwendungsfall des Ab
standssensors die maximal zu erwartende Positionsänderung
Δdmax eines Reflektors pro Zeit, die auch als Geschwindig
keitsmaß bezeichnet werden kann, begrenzt ist. Beispielsweise
ist bei einem Füllstandssensor diese Begrenzung durch die
maximale Geschwindigkeit gegeben, mit welcher der Vorrats
behälter befüllt oder entleert werden kann. Bei allen Echo
paaren (Eaj, Ebk), bei denen die Positionsdifferenz Δdjk zwi
schen den Echos Eaj und Ebk größer ist, als es die maximal
mögliche Positionsänderung während der Zeitdifferenz Tb - Ta
zuläßt, ist es nicht plausibel, daß die Einzelechos Eaj und
Ebk von demselben Reflektor verursacht wurden. Auf diese
Weise als nicht plausibel erkannte Echopaare können aus der
Liste gestrichen werden.
Die Menge der verbleibenden Echopaare, bei welchen das Ge
schwindigkeitsmaß kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist,
ist nicht zwangsläufig eindeutig. Es kann also ein Echo in
mehr als einem Echopaar vorkommen. Um die Echoverfolgung
weiter zu verbessern, werden zusätzliche Kriterien ange
wendet, die zur Auswahl der plausibelsten Echopaare geeignet
sind. Im einzelnen sind das die folgenden Kriterien:
- - Jedes Einzelecho darf höchstens in einem Echopaar vor kommen,
- - die Anzahl der ausgewählten Echopaare soll maximal sein und
- - die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße Δdjk der verbleibenden Echopaare soll minimal sein.
Ein funktionssicheres Verfahren zur Echoverfolgung ist sehr
vorteilhaft bei der Berechnung von zeitlichen Änderungen der
Echomerkmale, insbesondere bei der Berechnung der Geschwin
digkeitsmaße aller verfolgten Echos. Das dargestellte Ver
fahren zur Echoverfolgung kann in analoger Weise auch auf
mehr als zwei Meßvorgänge übertragen werden. Entsprechend
einer Anzahl n der Meßvorgänge werden dann statt der Paare
n-Tupel gebildet. In diesem Fall können Merkmalsänderungen,
beispielsweise innerhalb eines Beobachtungszeitfensters ΔT,
akkumuliert oder auch gemittelt werden. Grundlage einer Aus
wertung bilden auch hier Größen, welche die Änderung der
Merkmale pro Zeit beschreiben. Die bei der Echoverfolgung
bestimmten Werte zur Beschreibung der Änderungen der Echo
merkmale bilden selbst zusätzliche Merkmale eines Echos und
können daher in die entsprechende Echoliste aufgenommen wer
den. Vorzugsweise werden zeitliche Änderungen der Entfer
nungsmaße ausgewertet. Zudem können auch aus Korrelationen
zeitlicher Änderungen der Entfernungsmaße verschiedener Echos
Kriterien abgeleitet werden. Ein Beobachtungszeitfenster ΔT
sollte so gewählt werden, daß statistische Schwankungen der
Reflektorpositionen, beispielsweise aufgrund der stochasti
schen Meßunsicherheit des Abstandssensors, klein gegenüber
den tatsächlichen Positionsänderungen, denen der jeweiligen
Anwendung entsprechend eine typische Größenordnung zugewiesen
werden kann, sind.
Nach der Echoverfolgung liegt eine Liste von Zp Echos vor mit
zumindest jeweils einem zugehörigen Entfernungsmaß dr1, dr2,
... drZp, das die aktuelle Echoposition wiedergibt, und einem
Geschwindigkeitsmaß Δdr1, Δdr2, ..., ΔdrZp, das die Änderung der
Position des jeweiligen Echos und damit des jeweils zugehöri
gen Reflektors pro Zeit beschreibt.
Eine erste Echoklassifikation kann anhand der Geschwindig
keitsmaße Δdr1, Δdr2, ..., ΔdrZp, durchgeführt werden, indem ein
Echo einer Klasse ortsveränderlicher Echos zugeordnet wird,
dessen Entfernungsmaß größer als ein vorgebbarer Schwellen
wert ist. Alternativ zu dieser binären Klassenzuordnung sind
auch unscharfe Klassifizierungsverfahren, beispielsweise mit
Fuzzy-Algorithmen, vorteilhaft anwendbar. Dabei wird einem
Echo eine um so höhere Wahrscheinlichkeit zugeordnet, der
Klasse der ortsveränderlichen Echos anzugehören, je größer
sein Geschwindigkeitsmaß ist.
Weitere Klassifizierungen oder Bewertungen der Echos können
anhand eines Vergleichs der Geschwindigkeitsmaße verschiede
ner ortsveränderlicher Echos erhalten werden, beispielsweise
eine Erkennung von Mehrfachreflexionen oder eine Selektion
eines Füllstandsechos aus einer Menge von Störechos.
Einige Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos sollen an
hand der Fig. 1 und 2, in denen schematisch Verläufe eines
Sendesignals dargestellt sind, erläutert werden. Auf der Ab
szisse ist das Entfernungsmaß d aufgetragen, das einem Echo
in Abhängigkeit des zeitlichen Eintreffens eines Empfangs
signals bei einem Abstandssensor zugeordnet wird. An der
Ordinate ist die Zeit t eines Meßvorgangs aufgetragen.
In Fig. 1 ist jeweils durch einen dicken senkrechten Strich
die Lage eines Reflektors Rb und eines Reflektors Rg mar
kiert. Die Entfernungsmaße der beiden Reflektoren Rb und Rg
sind auf der d-Achse mit dRb bzw. dRg angegeben. In einem Meß
vorgang wird von einem Abstandssensor, der sich an der Posi
tion mit dem Entfernungsmaß d = 0 befindet, zum Zeitpunkt
t = 0 ein pulsförmiges oder frequenzmoduliertes Sendesignal,
beispielsweise ein Radarsignal, gesendet. Das Sendesignal
bewegt sich von der Sensorebene fort, wie es in Fig. 1 durch
einen Pfeil 1 markiert ist. Ein Teil des Sendesignals wird am
Reflektor Rb zurückgeworfen und wird als ein Echo zum Zeit
punkt t = tRb im Empfangssignal des Abstandssensors detek
tiert. Ein anderer Teil des Sendesignals gelangt zum Reflek
tor Rg, wird von diesem reflektiert und erzeugt im Echoprofil
ein Echo zum Zeitpunkt tRg, das dem Reflektor Rg zugeordnet
werden kann und dessen Entfernungsmaß dRg entspricht. Am Re
flektor Rb wird wiederum ein Teil des Sendesignals zum Re
flektor Rg zurückgeworfen und erzeugt nach Reflexion am Re
flektor Rg ein erstes Mehrfachecho zum Zeitpunkt t = tMFE1.
Das Entfernungsmaß, das diesem ersten Mehrfachecho zugeordnet
werden kann, ist auf der d-Achse als dMFE1 aufgetragen. Am Re
flektor Rb wird wiederum ein Teil des Sendesignals zum Re
flektor Rg und von diesem zum Abstandssensor reflektiert, so
daß ein zweites Mehrfachecho zum Zeitpunkt t = tMFE2 mit ge
ringerer Amplitude detektiert werden kann. Das dem zweiten
Mehrfachecho zugeordnete Entfernungsmaß beträgt dMFE2. Ein
Mehrfachecho ist also ein Echo, welches von einem ersten
Reflektor, hier dem Reflektor Rg, nicht direkt zum Abstands
sensor gelangt, sondern über mindestens eine weitere Re
flexion an mindestens einem weiteren Reflektor, hier am
Reflektor Rb, zurück zum ersten Reflektor, hier Rg, gelangt
und somit erst nach wiederholten Reflexionen am ersten Re
flektor vom Abstandssensor empfangen wird. Dieser Reflexions
vorgang kann sich auch mehrmals wiederholen. Je nach Anzahl
der Wiederholungen werden die detektierten Echos als Mehr
fachechos 1., 2., 3. oder höherer Ordnung bezeichnet. Mehr
fachechos täuschen Reflektoren im Meßraum vor, die aber tat
sächlich nicht vorhanden sind. In dem Diagramm nach Fig. 1
werden auf diese Weise ein Reflektor R1 mit dem Entfernungs
maß dMFE1 sowie ein Reflektor R2 mit dem Entfernungsmaß dMFE2
scheinbar detektiert.
Ändert sich nun von einem Meßvorgang zum nächsten die Posi
tion des Reflektors Rg um einen Betrag ΔRg zu einem neuen
Entfernungsmaß dRg' und bleibt die Position des Reflektors
Rb, der zur Mehrfachreflexion beiträgt, fest, so ändern sich
auch die Entfernungsmaße dMFE1 in dMFE1' und dMFE2 in dMFE2'. Das
bedeutet eine Verschiebung des scheinbar vorhandenen Reflek
tors R1 zu einem Reflektor R1' bzw. des Reflektors R2 zu
einem Reflektor R2'. In entsprechender Weise verschieben sich
auch die Zeitpunkte der Echodetektion von einem Zeitpunkt tR9
zu einem Zeitpunkt tRg', von einem Zeitpunkt tMFE1 zu einem
Zeitpunkt tMFE1 und von einem Zeitpunkt tMFE2 zu einem Zeit
punkt tMFE2. Die Beträge ΔdR1 und ΔdR2, welche die Änderung
der Entfernungsmaße des ersten bzw. des zweiten Mehrfachechos
wiedergeben, sind gleich dem zweifachen bzw. dem dreifachen
Betrag der Änderung ΔdRg des Entfernungsmaßes des Reflektors
Rg, wie aus Fig. 1 deutlich entnehmbar ist. Mit Berücksich
tigung der Zeit, die zwischen den beiden Meßvorgängen ver
gangen ist, geben die Beträge der Änderungen ΔdRg, ΔdR1 und
ΔdR2 der Entfernungsmaße die Geschwindigkeitsmaße der Einzel
echos an. Die Geschwindigkeitsmaße des ersten Mehrfachechos
und des zweiten Mehrfachechos haben also den doppelten bzw.
den dreifachen Wert des Geschwindigkeitsmaßes des Grundechos,
das die Bewegungsgeschwindigkeit des Reflektors Rg wieder
gibt. Anhand dieser Erkenntnis kann ein Kriterium zur Selek
tion von Mehrfachechos folgendermaßen formuliert werden: Die
Wahrscheinlichkeit, daß ein Echo der Klasse der Mehrfachechos
angehört, ist um so höher, je genauer sein Geschwindigkeits
maß dem ganzzahligen Vielfachen des Geschwindigkeitsmaßes
eines anderen Echos entspricht, das ein kleineres Ent
fernungsmaß besitzt.
Das beschriebene Kriterium zur Mehrfachechoerkennung kann wie
folgt erweitert werden: Einem Echo wird eine um so höhere
Wahrscheinlichkeit zugeordnet, der Klasse der Mehrfachechos
anzugehören, je genauer sein Geschwindigkeitsmaß der Summe
der Geschwindigkeitsmaße mindestens zweier anderer Echos
entspricht, deren Entfernungsmaße geringer sind. In dem ge
zeigten Ausführungsbeispiel ist das Geschwindigkeitsmaß ΔdR2
gleich der Stimme der Geschwindigkeitsmaße ΔdRg und ΔdR1. Bei
Mehrfachechos höherer Ordnung entspricht das Geschwindig
keitsmaß eines Mehrfachechos 4. Ordnung der Summe der Ge
schwindigkeitsmaße des Grundechos und des Mehrfachechos
3. Ordnung oder alternativ dazu der Summe der Geschwindig
keitsmaße des Mehrfachechos 1. Ordnung und des Mehrfachechos
2. Ordnung. Bei diesem Kriterium wirken sich Meßfehler nicht
so stark aus, wie bei der Berechnung eines Vielfachen des
Geschwindigkeitsmaßes nach dem vorhergehenden Kriterium.
Generell können die Geschwindigkeitsmaße der Echos nur mit
einer gewissen Meßunsicherheit behaftet erfaßt werden. Der
artige Meßfehler haben aber zur Folge, daß das Geschwindig
keitsmaß eines Mehrfachechos höherer Ordnung möglicherweise
nur ungenau dem Vielfachen des Geschwindigkeitsmaßes des
Grundechos entspricht. Bei dem zuletzt genannten Kriterium
wird daher eine größere Erkennungssicherheit erreicht.
Das beschriebene Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos
kann zudem dahingehend erweitert werden, daß nicht nur ein
Vergleich eines Geschwindigkeitsmaßes eines Echos mit den
Summen der Geschwindigkeitsmaße von Echos mit geringeren
Entfernungsmaßen durchgeführt wird, sondern auch Differenzen
bzw. Kombinationen aus Summen- und Differenzwerten in die
Betrachtung einbezogen werden. In den Kombinationen werden
also auch Summen und Differenzen der Geschwindigkeitsmaße
gebildet und das Geschwindigkeitsmaß des jeweils geprüften
Echos mit dem Ergebnis dieser Berechnung verglichen. Auf
diese Weise können vorteilhaft Mehrfachechos in Situationen
erkannt werden, bei denen mehr als ein Reflektor sein Ent
fernungsmaß geändert hat. Das so erweiterte Verfahren wird
anhand Fig. 2 verdeutlicht. Durch zwei dick gezeichnete,
senkrechte Linien ist wiederum die Position eines Reflektors
Rb bzw. eines Reflektors Rg mit einem Entfernungsmaß dRb bzw.
dRg symbolisch dargestellt. Bei einem ersten Meßvorgang wird
entsprechend einem Pfeil 2 ein Radarsignal in Richtung auf
die beiden Reflektoren Rb und Rg zum Zeitpunkt t = 0 von der
Sensorebene eines Abstandssensors abgestrahlt. Nach einer
Laufzeit tRb wird das am Reflektor Rb zurückgeworfene Signal
durch den Abstandssensor detektiert. Daraus kann das Ent
fernungsmaß dRb des Reflektors Rb ermittelt werden. Ein wei
teres Grundecho zum Zeitpunkt tRg wird durch die Reflexion
des Radarsignals am Reflektor Rg erzeugt. Ein Teil des am
Reflektor Rg reflektierten Signals wird wiederum vom Re
flektor Rb auf den Reflektor Rg zurückgeworfen und führt nach
einer weiteren Reflexion am Reflektor Rg zu einem ersten
Mehrfachecho zum Zeitpunkt tMFE1. Durch dieses Mehrfachecho
wird, wie bereits bei Fig. 1 geschildert, die Anwesenheit
eines Reflektors R1 mit einem Entfernungsmaß dMFE1 vorge
täuscht. In der Zeit zwischen dem bisher beschriebenen ersten
Meßvorgang und einem zweiten Vorgang verschiebt sich die Po
sition der beiden Reflektoren Rb und Rg in neue Positionen,
die durch gestrichelte, senkrechte Linien markiert sind. Die
beiden Reflektoren werden nun als Reflektor Rb' bzw. Reflek
tor Rg' bezeichnet. Das Entfernungsmaß dRb' ergibt sich aus
einer Laufzeit tRb' des Grundechos des Reflektors Rb' und
unterscheidet sich um den Betrag ΔdRb vom Entfernungsmaß dRb
des Reflektors Rb. In entsprechender Weise wird das Grundecho
des Reflektors Rg' zum Zeitpunkt tRg' mit einem Entfernungs
maß dRg' detektiert, das sich um den Betrag ΔdRg' vom Ent
fernungsmaß dRg des Reflektors Rg unterscheidet. Da das erste
Mehrfachecho nun zum Zeitpunkt tMFE1 detektiert wird, ändert
auch das Entfernungsmaß dMFE1 seinen Betrag zu einem neuen
Entfernungsmaß dMFE1' und erweckt den Anschein eines Reflek
tors R1' an dieser Position. Der Betrag der Änderung ΔdR1 des
Entfernungsmaßes dMFE1 vom ersten zum zweiten Meßvorgang kann,
wie in Fig. 2 deutlich zu erkennen ist, nach der Formel be
rechnet werden:
ΔdR1 = 2 . ΔdRg - ΔdRb.
Die Beträge der Änderungen der Entfernungsmaße können wie
derum bei Berücksichtigung der zwischen den beiden Meß
vorgängen vergangenen Zeit als Geschwindigkeitsmaße bezeich
net werden. Das Geschwindigkeitsmaß ΔdR1 ist also als Summen
ausdruck aus den beiden Geschwindigkeitsmaßen ΔdRb und ΔdRg
erhältlich, in welchem das Geschwindigkeitsmaß ΔdRg zweimal
mit positivem Vorzeichen und das Geschwindigkeitsmaß ΔdRb mit
negativem Vorzeichen enthalten sind.
In den Fig. 1 und 2 sind jeweils die Ergebnisse eines
ersten und eines zweiten Meßvorgangs dargestellt. Zwischen
den dargestellten Meßvorgängen können weitere nicht gezeigte
Meßvorgänge stattgefunden haben, welche die Echoverfolgung
wegen geringerer Änderungen der Entfernungsmaße von Meß
vorgang zu Meßvorgang erleichtern.
Das beschriebene Verfahren zur Erkennung von Mehrfachechos
soll im folgenden in einer allgemeineren Form dargestellt
werden. Gegeben sei als Ergebnis mindestens zweier Meß
vorgänge eine Echoliste EL mit Zp Echos, denen als Merkmale
jeweils zumindest ein Entfernungsmaß d und ein Geschwindig
keitsmaß Δd zugeordnet sind. Zur Vereinfachung der Darstel
lung sollen die Echos mit aufsteigendem Entfernungsmaß in die
Echoliste einsortiert vorliegen. D. h., das Echo mit dem ge
ringsten Entfernungsmaß erhält den Index 1, das Echo mit dem
größten Entfernungsmaß den Index Zp. Entsprechendes gilt für
die Indizierung der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmaße der
Echos. Die Echoliste kann also folgendermaßen geschrieben
werden:
Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, mit der ein Echo Ek,
k ∈ (1, ..., Zp), zur Klasse der Mehrfachechos gehört, werden
zunächst alle möglichen Summen und Differenzkombinationen
Δdkompk von Geschwindigkeitsmaßen Δdj wie folgt gebildet:
Die Anzahl verschiedener Geschwindigkeitsmaße Δdj , die in
dieser Summe vorkommen, ist maximal gleich k - 1, da nur
Echos mit einem geringeren Entfernungsmaß als dem Entfer
nungsmaß dk des Echos Ek sinnvoll kombiniert werden. Mit dem
ganzzahligen Wert Lmax wird eine definierte maximale Anzahl
vorgegeben, mit der sich ein Geschwindigkeitsmaß Δdj in dem
Summenausdruck wiederholen kann. Aus den verschiedenen Summen
und Differenzkombinationen Δdkompk, die sich durch Variation
des Vorzeichenfaktors aklj ergeben, wird anschließend die
jenige Kombination bestimmt, bei welcher der Wert Δdkompk am
genauesten mit dem Geschwindigkeitsmaß Δdk des Echos Ek über
einstimmt. Das Geschwindigkeitsmaß dieser optimalen Echo
kombination wird im folgenden mit Δdkompkopt bezeichnet. Um die
Anzahl der Summen und Differenzkombinationen zu begrenzen,
wird die Anzahl Lmax vorzugsweise auf 2 oder 3 gesetzt und
a priori-Informationen, die über den jeweiligen Anwendungs
fall vorliegen, werden ausgenutzt. Ist z. B. bekannt, daß nur
ein hinterer physikalischer Reflektor sein Entfernungsmaß di
ändern kann, so ist ein negatives Vorzeichen bei Δdi nicht
sinnvoll und der Faktor aklj ist für j = i aus der Menge
{0, 1} zu wählen. Zudem kann wegen der Entstehungsursache von
Mehrfachechos die Summe der Entfernungsmaße der zur Berech
nung von Δdkompk kombinierten Echos das Entfernungsmaß dk des
Echos Ek nur um ein begrenztes Maß überschreiten.
Die Abweichung des Geschwindigkeitsmaßes Δdk des jeweils
geprüften Echos Ek und der berechneten optimalen Echo
kombination mit dem Geschwindigkeitsmaß Δdkompkopt wird zur
Mehrfachecho-Klassifikation ausgewertet. Je kleiner die
Abweichung ist, d. h. je genauer die Übereinstimmung der
Geschwindigkeitsmaße Δdk und Δdkompkopt ist, desto größer ist
die Wahrscheinlichkeit, daß es sich bei dem Echo Ek um ein
Mehrfachecho handelt. Für eine derartige Auswertung kann in
vorteilhafter Weise eine Auswerteeinheit verwendet werden,
welche mit Fuzzy-Algorithmen arbeitet. Geeignete Verfahren
hierzu sind im eingangs genannten Stand der Technik be
schrieben. Prinzipiell ist aber auch eine Auswertung mit
binärer Logik möglich.
Bei Füllstandssensoren ist im allgemeinen davon auszugehen,
daß das Füllgut den einzigen Reflektor darstellt, der sich
physikalisch bewegen kann. Wie schon gezeigt wurde, täuschen
Mehrfachechos weitere bewegte Reflektoren, die jedoch immer
ein größeres Geschwindigkeitsmaß besitzen, vor. Zudem wurde
gezeigt, daß ein Mehrfachecho immer ein größeres Entfernungs
maß aufweist als das Grundecho eines beteiligten Reflektors.
Als Kriterium kann daraus abgeleitet werden, daß demjenigen
Echo eine höhere Wahrscheinlichkeit zuzuordnen ist, das Echo
des Füllstands zu sein, das kein Mehrfachecho ist und bei
einem Vergleich mit weiteren Echos, die ebenfalls keine Mehr
fachechos sind, das größere Geschwindigkeitsmaß aufweist. Die
Mehrfachechos können vorab, wie oben beschrieben, oder mit
einem aus dem genannten Stand der Technik bekannten Verfahren
selektiert werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Selektion des Füllstandsechos,
die sich durch eine sehr einfache Auswertung und eine gute
Zuverlässigkeit auszeichnet, besteht darin, demjenigen Echo
aus der Klasse der ortsveränderlichen Echos die größte Wahr
scheinlichkeit zuzuordnen, das Füllstandsecho zu sein, wel
ches das geringste Entfernungsmaß aufweist.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung ist
in Fig. 3 dargestellt. Ein Abstandssensor 3, der in einen
Meßraum Mikrowellensignale sendet und die Echos der Signale
empfängt, arbeitet vorzugsweise nach dem FMCW-Prinzip (Fre
quency Modulated Continous Wave). Das Sendesignal ist vor
zugsweise linear freguenzmoduliert. Elektrische Signale 4 des
Abstandssensors werden einem A/D-Wandler 5 zugeführt, der das
Empfangssignal des Abstandssensors 3 digitalisiert. Das digi
talisierte Empfangssignal 6 wird in einer Auswerteeinheit 7
weiterverarbeitet. Die Auswerteeinheit enthält eine Rechen
einheit, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem
Mikrocontroller 8, beispielsweise des Typs SAB80537, und
einem Fuzzy-Koprozessor 9, z. B. einem SAE811099A, besteht.
Zur weiteren Auswertung des Empfangssignals, insbesondere zur
Extraktion der Echomerkmale, wird das digitalisierte Emp
fangssignal in einem Datenspeicher 10 abgespeichert. Der
Datenspeicher 10 enthält auch das Auswerteprogramm für die
Recheneinheit. Zugehörigkeitsfunktionen und Regeln, welche
die Basis der Fuzzy-Algorithmen bilden, sind in einem Spei
cher 11 hinterlegt, auf welchen der Fuzzy-Koprozessor 9 zu
greifen kann. Für eine Kommunikation der Auswerteeinheit 7
mit einer in Fig. 3 nicht dargestellten, übergeordneten
Steuerung ist ein Interface 12 vorgesehen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Erkennung von Nutz- und Störechos im Emp
fangssignal von Abstandssensoren, welche in einem Meßvorgang
mit pulsförmigen oder frequenzmodulierten Sendesignalen
arbeiten und aus den Empfangssignalen Echoprofile bilden,
wobei einem in einem Empfangssignal detektierten Maximum ein
Einzelecho eines im Meßbereich befindlichen reflektierenden
Objekts zuordenbar ist, mit den folgenden Schritten:
- 1. aus einem ersten Echoprofil EPa eines ersten Meßvorgangs werden Na Einzelechos mit jeweils zugehörigen Entfernungs maßen da1, da2, ... daNa bestimmt, wobei die Anzahl Na minde stens 2 beträgt,
- 2. aus einem zweiten Echoprofil EPb eines zweiten Meßvorgangs werden Nb Einzelechos mit jeweils zugehörigen Entfernungs maßen db1, db2, ... dbNb bestimmt, wobei die Anzahl Nb minde stens 2 beträgt,
- 3. in einer Echoverfolgung werden Einzelechos des zweiten Echoprofils EPb den Einzelechos des ersten Echoprofils EPa zugeordnet, die von demselben reflektierenden Objekt her vorgerufen werden,
- 4. für Zp verfolgte Einzelechos wird ein Geschwindigkeitsmaß Δdr1, Δdr2, ..., ΔdrZp bestimmt, das die Differenz der Ent fernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufener Echos pro Zeit repräsentiert, wobei die Anzahl Zp minde stens 2 beträgt,
- - daß ein Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos durchgeführt wird und
- - daß das Ergebnis des Vergleichs für eine Echobewertung herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Echoverfolgung die Einzelechos des zweiten Echo
profils EPb den Einzelechos des ersten Echoprofils EPa nach
mindestens einem der folgenden Kriterien zugeordnet werden:
- 1. die Differenz der Entfernungsmaße der Einzelechos eines durch die Zuordnung gebildeten Echopaares darf einen vor gebbaren Grenzwert nicht überschreiten,
- 2. jedes Einzelecho darf in nur einem Echopaar vorkommen,
- 3. die Anzahl der gebildeten Echopaare soll maximal sein und/oder
- 4. die Summe der Beträge der Differenzen der Entfernungsmaße aller Echopaare soll minimal sein.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
- 1. daß nur Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaße einen vor gebbaren Grenzwert überschreiten, in den Vergleich ein bezogen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
- 1. daß zum Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos geprüft wird, ob ein Geschwindigkeitsmaß eines Einzelechos zumindest näherungsweise mit der Summe gewich teter Geschwindigkeitsmaße von Einzelechos mit einem klei neren Entfernungsmaß als das jeweils geprüfte Einzelecho übereinstimmt, wobei die Gewichtung der Geschwindigkeits maße mit einem ganzzahligen Faktor a ∈ {..., -2, -1, 0, 1, 2, ...} erfolgt, und
- 2. daß bei zumindest näherungsweiser Übereinstimmung das jeweils geprüfte Einzelecho als ein Echo mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß das jeweils geprüfte Einzelecho mit einer um so höhe ren Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird, je genauer die Übereinstimmung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet,
- 1. daß der Betrag des ganzzahligen Faktors a auf einen vor gebbaren Wert Lmax begrenzt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet,
- 1. daß das jeweils geprüfte Einzelecho mit einer um so höhe ren Wahrscheinlichkeit, ein Mehrfachecho zu sein, bewertet wird, je häufiger der Faktor a in dem Summenausdruck, für welchen zumindest näherungsweise eine Übereinstimmung er zielt wurde, gleich Null ist, wobei er jedoch mindestens einmal von Null verschieden ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
- 1. daß bei einem Füllstandssensor als Abstandssensor ein Einzelecho mit einer um so höheren Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, bewertet wird, je größer sein Ent fernungsmaß und je kleiner seine Wahrscheinlichkeit ist, ein Mehrfachecho zu sein.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
- 1. daß bei einem Füllstandssensor als Abstandssensor von den Einzelechos, deren Geschwindigkeitsmaß einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, dasjenige Einzelecho mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, das Füllstandsecho zu sein, bewertet wird, dessen Entfernungsmaß am geringsten ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
- 1. daß die Bewertung der Echos mit Fuzzy-Algorithmen erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet,
- 1. daß die Bewertung der Echos mit zumindest einem neuronalen Netz oder mit Neuro-Fuzzy-Algorithmen erfolgt.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß der Abstandssensor (3) als Radar nach dem FMCW-Prinzip ausgeführt ist,
- 2. daß ein A/D-Wandler (5) vorhanden ist, mit welchem ein Empfangssignal (4) digitalisierbar ist, und
- 3. daß eine Auswerteeinheit (7) vorhanden ist, die eine Recheneinheit (8, 9) und Speicher (10, 11) enthält, ins besondere für digitalisierte Meßwerte des Empfangssignals, für Echomerkmale und für ein Auswerteprogramm, derart, daß einem in einem Empfangsignal detektierten Maximum ein Einzelecho eines im Meßbereich befindlichen, reflektierten Objekts zugeordnet wird,
- 4. daß aus einem ersten Echoprofil EPa eines ersten Meß vorgangs Na Einzelechos mit den jeweils zugehörigen Ent fernungsmaßen da1, da2, ..., daNa bestimmt werden, wobei die Anzahl Na mindestens 2 beträgt,
- 5. daß aus einem zweiten Echoprofil EPb eines zweiten Meß vorgangs Nb Einzelechos mit den jeweils zugehörigen Ent fernungsmaßen db1, db2, ..., dbNb, bestimmt werden, wobei die Anzahl Nb mindestens 2 beträgt,
- 6. daß in einer Echoverfolgung Einzelechos des zweiten Echo profils (EPb) den Einzelechos des ersten Echoprofils (EPa) zugeordnet werden, die von demselben reflektierenden Ob jekt hervorgerufen werden,
- 7. daß für Zp verfolgte Einzelechos ein Geschwindigkeitsmaß Δdr1, Δdr2, ..., ΔdrZp bestimmt wird, das die Änderung der Entfernungsmaße zweier von demselben Objekt hervorgerufe ner Echos pro Zeit repräsentiert, wobei die Anzahl Zp min destens 2 beträgt,
- 8. daß ein Vergleich der Geschwindigkeitsmaße verschiedener Einzelechos durchgeführt wird und
- 9. daß das Ergebnis des Vergleichs für eine Echobewertung herangezogen wird.
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