METHOD FOR THE EVALUATION OF ULTRASONIC ECHO SIGNALS

Abstract: 1. Process for the evaluation of echo signals in an arrangement in which a locating of objects is carried out with ultrasonic transmission and echo signals, this arrangement having a transmitter, a receiver, an analog/digital converter and a memory, and the signal values obtained in each case from a plurality of transmitting and receiving operations and stored being evaluated, characterized in that, for close-range detection in air in a distance range below approximately 200 times the ultrasonic wavelength, - one or more ultrasonic-transducers (21, 121, 221) are used, the bandwidth of which is dimensioned such that they transmit a decayed wave train (1; 2) only a few periods of oscillation long, - that the transmitting transducer (21) is fed with, in each case, one pulse (1) of short duration - that the amplitude of the receiving wave train is so frequently sampled and converted into a digital signal that the shape of the received wave train (2) is registered in these digital signals.

Description: Verfahren zur Auswertung der Laufzeit von Ultraschall Echosianalen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Aus dem Stand der Technik (DE-OS 29 38 969, 31 38 723, 31 38 964, 31 38 965) sind variierte Verfahren zur Auswertung von Ultraschall-Echosignalen zur Detektion eines Einbrechers bekannt. Es wird dort eine Echoprofilspeicherung der auf den empfangenen Ultraschall-Echosignalen beruhenden elektrischen Signale durchgeführt. Die fortlaufend empfangenen Echosignale eines jeweiligen Ultraschall-Sendeimpulses werden dazu in zeitlich serieller Folge abgespeichert und es werden die korrespondierenden Speicherergebnisse der zu aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen abgespeicherten Echosignale miteinander verglichen. Dadurch, dass jeweils eine Differenzbildung durchgeführt wird, werden die Empfangssignale eliminiert, die auf Ultraschallechos ruhender Objekte beruhen. Die Echosignale eines sich im betreffenden zu überwachenden Raum bewegenden Eindringlings werden dagegen registriert, weil sich fortlaufend unterschiedliche, diesem sich bewegenden Objekt entsprechende,jeweils zu speichernde Echoprofile ergeben und diese einzelnen Speicherungen bei der Differenzbildung sich nicht aufheben können. Bei diesen bekannten Verfahren erfolgt die Auswertung der Hüllkurve der aufgrund der Ultraschall-Echosignale erhaltenen elektrischen Empfangssignale. Insbesondere kann für die Abspeicherung eine zuvor erfolgende Digitalisierung des Signals der Hullkurve vorgesehen sein, so dass die entsprechenden Digitalverte der Hullkurve auf den einzelnen Speicherplätzen in serieller Folge abgespeichert sind. In der nicht vorveröffentlichten älteren Patentanmeldung P 33 35 421.9 tw 29.9.83 (VPA 83 P 1762) ist ein Ultra schall-0rtungsverfahren beschrieben, bei den nach dem Prinzip der Echoprofilspeicherung ein von einem sich bewegenden Roboterarm zu erfassendes,ruhendes Objekt lokalisiert wird. Es wird dort wieder die serielle Folge der auf Echos eines jeweiligen Ultraschall-Sendeiapulses beruhenden Empfangssignale gespeichert, wobei ebenfalls die Hüllkurve der Enpfangssignale in digitale Werte ungesetzt wird. Die einzelnen seriellen Speicherfolgen der Werte der digitalisierten Enpfangsstgnal-Hutlkurven, d.h. die digitalisierten Schoprofile derjeveiligen U7 traschall-Sendeimpulse werden niteinander verglichen. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik werden hier jedoch die jeweiligen Echoprofile der betreffenden Eltraschall-Sendeimpulse zeitlich gegeneinander verschoben wobei für das flass der Verschiebung diejenige Relativgeschwindigkeit des Anbringungsortes des Ultraschallwandlers am Roboterarm herangezogen wird, die in der Richtung vorliegt, in der jeweils im Augenblick eine Obiekterfassung durchgeführt werden soll. Beim Verfahren dieser älteren Anmeldung ist Integration, d.h. Addition der einzelnen gespeicherten Echoprofile durchzuführen, wouit-eine Anhebung des Echosignals aus dem Rauschen erreicht wird. Auch diesbezüglich liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber des Verfahren des eingangs beschriebenen Standes der Technik vor. Im Rahmen der Arbeiten, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, wurde erkannt, dass mit den Verfahren des Standes der Technik und der genannten älteren Anmeldung einwandfreie Objekterfassung solange durchgeführt werden kann wie grössere Abstände zwischen Ultraschallwandler und zu erfassendem Objekt vorliegen, d.h. solange die Erfassungsweite eine gewisse Mindestgrösse hat. Den beschriebenen Verfahren ist eine gewisse Weitsichtigkeit immanent, d.h. in grösserer Nähe wird die Objekterkennung dann ungenau. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen zu den bekannten Verfahren zu finden, mit denen die diesen Verfahren immanente Weitsichtigkeit behoben werden kann, d.h. solche Verbesserungen anzugeben, mit denen auch auf kürzere Entfernung hohe Genauigkeit der Detektionsempfindlichkeit erzielt ist. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die Ultraschall-Ortung in Luft eine alleinige Verbesserung hinsichtlich der eingesetzten Elektronik nicht ausreichend ist, diese oben erwähnte Weitsichtigkeit wirksam beheben zu können. Vielmehr bedarf es in Verbindung mit bestimmten Massnahmen hinsichtlich der elektronischen Auswertung der Empfangssignale auch einer wie im Anspruch angegebenen Massnahme, die sich auf den Ultraschall-Sendewandler, und zwar für den Sendebetrieb in Luft, bezieht. Mit der Erfindung lässt sich dann eine exakte Objekterfassung bzw. Entfernungsdetektion auch unterhalb einer Objektentfernung vom 200-fachen der Ultraschall-Wellenlänge in Luft erzielen. Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Detailbeschreibung hervor. Die Figuren 1 bis 3 zeigen Diagramme zur Signalform, zur Digitalisierung und zur Integration. Figur 4 zeigt eine Greiferanordnung und Figur 5 und 6 betreffen einen wichtigen Anwendungsfall. Figur 1 zeigt das Schaubild eines Sendeimpulses und eines Echo-Eipfangsinpulses mit der Zeit t als Abszisse und auf der Ordinate aufgetragener Schwingungsamplitude für das Senden und aufgetragener elektrischer Spannung U für den Empfang. Wie ersichtlich besteht der akustische Sendeimpuis aus einen sehr kurzen Wellenzug mit einer gewissen Periodizität der Julldurchgänge und abfallender Amplitude. Der Gesantinpuis ist nur wenige Periodendauern lang,, d.h. der Ultraschall-Sendeimpuls ist zeitlich äusserst kurz. Eine solche für die Erfindung wichtige Sendeimpulsform erhält nan durch die vorgesehene Verwendung. eines breitbandigen Ultraschallwandlers, der Sur dieses Aussenden mit jeweils einen jeweils zeitlich kurzen Impuls angeregt wird. Der das Aussenden bewirkende Ultraschallwandler wird also in wesentlichen nur angestossen und schwingt stark gedämpft aus. Der Wandler hat somit eine so grosse Bandbreite, die einen solchen Ultraschallinpuls auszusenden gestattet. Mit 2 ist ein nach einer Zeitdauer (t ¯ to) zu empfangendes Echosignal wiedergegeben, das im wesentlichen der Impulsform des Sendeispulses 1 entspricht. Für den Empfang kann vorteilhafterweise z.,B derselbe Ultraschallwandler verwendet werden, der fur das Aussenden benutzt wurde. Auch der Empfangswandler hat die grosse Bandbreite, die den Empfang des mit 2 dargestellten Analogsignals ermöglicht. Wie in Figur 1 angedeutet, wird in zeitlichen Abständen ss t voneinander ein Abtasten der momentanen Werte des Empfangsimpulses 2 vorgenommen. Die in Figur 2 dargestellten, abgetasteten Analogwerte werden digitalisiert und abgespeichert. Dies erfolgt für (auf einem jeweiligen Sendeimpuls beruhende) jegliche Empfangsimpulse, die qualitativ dem mit 2 bezeichneten Empfangsimpuls entsprechen und entsprechend der jeweiligen UltraschallLaufzeit vom Sendewandler bis zum Empfangswandler (beide Wandler können ein und derselbe Wandler sein) zu entsprechend verschiedenen Zeiten t empfangen werden. Die Abtastung erfolgt mit dem Abtasttheorem entsprechend bemessenen zeitlichen Abständen L t. Im seriellen Speicher sind digitalisiert die den Analogwerten der Abtastung gemäss Figur 2 entsprechenden Werte in digitaler Form auf zugeordneten Speicherplätzen abzuspeichern, wie dies Figur 3 zeigt. Je kürzer der ausgesandte Ultraschall-Wellenimpuls 1 ist, um so kürzer ist der auf einem Echo an einem Objekt beruhende EmpfangsWellenzug 2. Verändert sich jedoch der Ort des aussendenden Wandlers, der z.B. am Roboterarm befestigt ist, gegenüber dem ruhenden Objekt, das z.B. das zu erkennende und später zu ergreifende Werkstück ist, so verschieben sich die für den jeweiligen Sendeimpuls (er Aufeinanderfolge von Sendeimpulsen) empfangenen Signalwerte nach Figur 2 bzw. Figur 3 -bezogen auf den jeweiligen Sendezeitpunkt- zeitlich zueinander. Dies ist in der obengenannten älteren Anmeldung ins Einzelne gehend bereits beschrieben. In Figur 3 ist dementsprechend in der zweiten Zeile die Folge der einzelnen Signalwerte der betreffenden Abtastung des Empfangs-Wellenzugs 2 des Echos von demselben Objekt jedoch für den folgenden Sendeimpuis angegeben. Dabei ist in der Darstellung der Figur 3 bereits die der Rela tivbevegung des Sendewandlers entsprechende Zeitverschiebung der Achse enthalten. Die wie bein Verfahren der älteren Anmeldung vorgenoliene Integration ist in der dritten Zeile der Figur 3 angegeben. Es sei hier nochna%shervorgehoben, dass bei der vorliegenden Erfindung die Eipfangssignal-Auswertung mit Abtastung, Speicherung und, Integration auf das jeweilige, nur wenige vellenzüge sadauernde Echosignal bezogen worden ist. Wegen der kurzen Zeitdauer des jeweiligen Wellenzuges eines empfangenen Echosignais 2, d.h. der direkten Auswertung der Enpfangssignalsehwingung (und nicht der Hüllkurve eines zeitlich entsprechend längeren Empfangssignals) lässt sich mit der vorliegenden, Erfindung eine für industrielle Automation sehr gute Ortsauflösung erreichen. Dabei beruht -dies sei nochmals hervorgehoben- die Kürze des Empfangs signals auf der entsprechenden Kürze des Sendesignals und dessen Kürze wiederum auf der Verwendung eines wie anspruchsgemass ausgewählten Ultraschallwandlers für das Aussenden. Diese gute Ortsaufl,osung auch im Nahbereich unter dem 200-fachen der Ultraschallwellenlange ist auch bei Ultraschallaussendung in Luft erreichbar, nämlich in dem Aus breitungsiedium, das für die industrielle Automation, z.B. für den Roboterbetrieb als eine zwingende Voraussetzung zu berücksichtigen ist. Der Betrieb in Luft stellt nämlich ganz besondere Anforderungen, die bei Ultraschallortung innerhalb des Wassers oder eines hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit bzu, des akustischen Wellenwiderstandes vergleichbaren flediues wie Körpergewebe nicht auftreten. Ein wie bei der Erfindung zu verwendender, anspruchsgemäss charakterisierter Ultraschallwandler verbürgt eine hohe Effektivität der Schall übertragung in das Medium Luft. Ein für die vorliegende Erfindung zu verwendender Luft Ultraschallwandler mit grosser Bandbreite und mit trotzdem günstigem Ultraschall-Ubertragungsmass zwischen Wandler und Luft sind in den parallelen Patentanmeldungen VPA 84 P 1211 und 84 P 1220 vom gleichen Tage beschrieben. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Figur 3 wurde die Integration aufeinanderfolgender Empfangs-Echoimpulse behandelt. Eine solche der Erfindung gemäss Variante ist vorzugsweise für die industrielle Automation und insbesondere für die Steuerung eines Roboterarms, an dem sich der betreffende Ultraschallwandler als Sensor befindet, zu empfehlen. Die Auswertung der integrierten, aus dem Rauschen hervorgehobenen Empfangssignale lassen sich für sensorgesteuerten Betrieb des Roboters verwenden. Statt der Integration nach Figur 3 kann auch eine Differenzbildung der einzelnen digitalisierten Abtastwerte des jeweiligen Echosignal-Wellenzuges 2 zeitlich aufeinanderfolgender Sendeimpulse erfolgen, nämlich nach dem Prinzip des eingangs beschriebenen Standes der Technik für Raum schutz- geräte, wo jedoch die Empfangssignal-Hüllkurve ausgewertet wurde. Ein solches nach der Lehre der hier vorliegenden Erfindung modifiziertes Gerät kann dann dazu verwendet werden, auch auf kurze Entfernung zwischen bewegten und (nicht interessierenden) unbewegten Cbjekten, d.h. unbewegtem Hintergrund zu unterscheiden. Ein solcher Anwendungsfall ist z.B. die Uberwachung des Transports von Teilen auf Förderbändern, wobei das Förderband selbst mangels besonderer Konturen als ruhendes Objekt erscheint. Für den erfindungsgemässen Luft-Ultraschallbetrieb eigenen sich besonders gut Ultraschallfrequenzen im Bereich von 30 bis 500 KHz, insbesondere um 10C KHz. Die entsprechende Luftwellenlänge g beträgt dann einige mm, d.h. für 100 KHz ist der Wert 200 x = 60 ca. Ein Entfernungsbereich unter z.B. 60 cn ist aber der wichtige Bereich für die industrielle Automation, z.B. fur die von einem Ultraschall-Sensorgerät gesteuerte Führung eines Roboteraris. Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Anwendung der Erfindung zur Sensorsteuerung des Greifers 20 eines Roboterarms. Mit 21 ist der erfindungsgemäss zu verwendende, breit bandage, mit Impuls-tossanregung zur Aussendung eines kurzen Wellenzuges 1 zu betreibende Wandler bezeichnet. Der Wandler 21 ist vorzugsweise auch Empfangswandler. nit 22 ist auf die Sendekeule der Ultraschall-Ausstrahlung hinge wiesen und mit 23 ist die zu derjenigen Relativgeschwindig- keit der Bewegung des Greifers 20 gehörende Richtung angedeutet. Bei dieser Relativgeschwindigkeit entsprechender Verschiebung der vor ihrer Summation miteinander jeweils abzuspeichernden Empfangssignale (Zeilen 1 und 2 in Figur 3) ist naxisale Signalanhebung (gemäss der obengenannten älteren Patentanmeldung) zu erreichen. Mit 24 ist ein Werkstück bezeichnet. Die Erfindung ist auch vorteilhaft dazu zu verwenden, einen Vergleich zwischen einer Ist-Situation und der Soll Situation, und zwar insbesondere für den Bereich nächster Nahe, durchzuführen Es wird dabei der Unterschied, d.t. die Differenz der gespeicherten Werte einer momentanen Empfangssignalausvertung gegenuber den gespeicherten Werten eines aufgenommehen Sollbildes festgestellt. Bei einer Differenz 0 stimmen Ist-Situation und Soll-Situation überein. Auf diese Weise kann vom Sensor (der z.B. am Roboterarm angebracht ist) festgestellt werden, ob das richtige Werkstück vorliegt und/oder sich am richtigen Ort und/oder in richtiger Lage befindet. Hierbei ist die Beherrschung geringster Distanzen von besonderer Bedeutung, da es ins besondere für die Beurteilung der Lage des Werkstücks auf die Unterscheidung der Konturen des jeweiligen Werkstückes ankommt. In entsprechender Variation der Auswertung kann nach diesem Prinzip auch eine qualitative Unterscheidung verschiedener Werkstücke erfolgen, nämlich indem die Ist Situation mit einem Katalog der (Soll-)Bilder in Frage kommender Werkstücke verglichen wird. Sind in einem solchen Katalog als Sollbilder unterschiedliche Ansichten eines betreffenden Werkstückes gespeichert, so kann nach dem voranstehenden Prinzip die (oben schon erwähnte) Lageerkennung hinsichtlich des jeweiligen Werkstücks durchgeführt werden. Wegen der mit der Erfindung möglichen Erfassung kürzester Distanzen kann ausser einer qualitativen auch eine auantitative Erfassung von Distanzabweichungen durchgeführt werden. Die betreffende Distanzabweichung kann aus der für das Erreichen der Deckung durchzuführenden gegenseitigen Verschiebung der jeweiligen seriellen Folgen der gespeicherten Empfangssignale ermittelt werden (siehe Fig. 3 bzw. die Beschreibung der obengenannten älteren Anmeldung). Weitere Erläuterungen zum Voranstehenden gehen auch aus den Figuren 5 und 6 hervor. Am Wandler 20 sind ein Ultraschall Sendewandler 21 und symmetrisch dazu (in einem Abstand von z.B. 2G mm voneinander) zwei Empfangswandler 121 und 221 angebracht. Die Schallfront des Sendewandlers 21 trifft auf das Werkstück 24 und von den Empfangswandlern 121 und 221 wird jeweils ein Echosignal empfangen. Das Aussenden erfolgt aufgrund einer Impulsanregung aus dem Sender 51 und die Empfangssignale der Empfangswandler 121 und 221 gehen beispielsweise über einen Umschalter 52 auf einen Empfanger 53. Mit dem Analog-Digital-Wandler 54 erfolgt die Digitalisierung der Empfangssignale, die in dem Auswertegerät 55 gespeichert und verglichen werden. Aufgrund der dargestellten unsymmetrischen Lage des Werk stücks 24 bezogen auf den Greifer 20 erfolgt der Empfang des jeweiligen Echosignals in den Wandlern 121 und 221 etwas zeitsCrschobGn gegeneinander. Figur 6 zeigt die beiden Empfangssignale 121' und 221' der Enpfangswandler 121 und 221. Dem der unsymmetrischen Lage des Werkstücks entsprechenden Entfernungsunterschied gemäss sind die Espfangssignale 121' um das Mass dt etwa zeitverschoben gegeneinander. Aus diesel Mass dt ergibt sich das Mass dx für den Distanzunterschied, d.h. für die unsymmetrische (unrichtige und noch zu korrigierende) Lage von Werkstück 24 und Greifer 20 zueinander. Auch im vorliegenden Falle liegt die Bedeutung der Erfindung darin, dass nicht die Hüllkurve des Empfangssignals, sondern der Schwingungsverlauf des Empfangssignals unmittelbar ausgewertet wird. Da die Empfangssignale 12t' , 221' auf der Aussendung ein und desselben Sendewandlers 21 beruhen, ist auch die Form der jeweiligen Wellenzüge der Empfangssignale 121', 221 praktisch identisch, so dass ein nahezu beliebig kleines Zeitintervall dt erfasst werden kann, das sogar um ein Vieles kürzer als der Wellen zug des ausgesandten Ultraschallsignals bzw. der Empfangssignale selbst sein kann. 7 Patentansprüche 6 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Auswertung der Laufzeit von Echosignalen in einer Anordnung, in der mit Ultraschall-Sende- und -Echosignalen eine Ortung von Objekten vorgenommen wird, wobei diese Anordnung einen Sender, einen Empfänger, einen Analog-Digitaiwandler und einen Speicher besitzt, und wobei die aus jeweils mehreren Sende- und Empfangsvorgängen erhaltenen und gespeicherten Signalwerte ausgewertet werden, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass für Nahbereichsdetektion in Luft in einem Entfernungsbereich unterhalb etwa dem 200-fachen der Ultraschallwellenlänge -ein breitbandiger, mit jeweils einem Impuls zur Ultraschall-Impulsaussendung eines Wellenzuges (1) anzuregender Ultraschallwandler ( ) verwendet wird, -die Digitalisierung des Ultraschall-Echosignals auf den Wellenzug (2) des ultraschallfrequenten Empfangssignals angewendet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, dass der Nahdetektlonsbereich auf 100 . bemessen wird. 3. Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bei einem Verfahren mit Differenzbildung der Ultraschall-Echo Empfangssignale aufeinanderfolgender Sendevorgänge zur Detektion bewegter Objekte. 4. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bei einem Verfahren mit Integration aufgrund aufeinanderfolgender Sendevorgänge empfangener Echosignale, die eine der jeweiligen Relativgeschwindigkeit entsprechende Zeitverschiebung erfahren haben. ,. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für industrielle Automation. 6. Anwendung nacir Anspruch 5 für die Sensorsteuerung der Bewegung eines mit Ultraschallwandler (21) als Sensor ausgerusteten Roboterarms (20). 7. Anwendung nach Anspruch 5 für Identifizierung und/oder Lageerkennung eines Werkstücks (24) in bezug auf einen Roboterarm (20), der mit einem Ultraschallwandler (21) als Sensor ausgerustet ist.

Inventors: KLEINSCHMIDT, PETER, DIPL.-PHYS., MAGORI, VALENTIN, DIPL.-PHYS.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: G01B17
IPC codes: G01S15, G01S7, B25J19