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WO2001088563A1 - Verfahren und vorrichtung zur drahtlosen positions- und/oder lagebestimmung wenigstens eines objektes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur drahtlosen positions- und/oder lagebestimmung wenigstens eines objektes Download PDF

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WO2001088563A1
WO2001088563A1 PCT/DE2001/001632 DE0101632W WO0188563A1 WO 2001088563 A1 WO2001088563 A1 WO 2001088563A1 DE 0101632 W DE0101632 W DE 0101632W WO 0188563 A1 WO0188563 A1 WO 0188563A1
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WO
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signal
interrogation
sensor elements
sensor
modulation
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PCT/DE2001/001632
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Inventor
Franz Dollinger
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G01S13/755—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal using delay lines, e.g. acoustic delay lines
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    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 and a device according to the preamble of patent claim 5.
  • SAW surface waves
  • the OF component works passively, i.e. it does not require its own energy source or power supply. The energy requirement is covered by the electromagnetic interrogation signal stored by reception.
  • Such OF components which operate as passive transponders, can be used for various measurement purposes in temperature, pressure or acceleration measurement. They can also be used in identification systems for
  • the object of the invention is to provide a method and a device for wirelessly determining the position and / or position of one or more objects of the type mentioned in the introduction, in which the positioning and / or the position of objects which are also difficult to see and difficult to observe can be determined.
  • This task is performed in the process by the identifying
  • the radio-stored query signal is individually modulated and as a coded response signal, the time and / or phase position of which is evaluated when determining the position and / or position , sent back to the sending location of the query signal.
  • the time and / or phase position of the coded response signal is evaluated with respect to the time and / or phase position of the interrogation signal.
  • a determination is made of the distance between the object and the interrogation station from which the interrogation signal was sent.
  • several sensor elements in particular three sensor elements, can be provided on the object. Due to their different positioning on the object, the sensor elements have an interrogation station different distances. In the case of the coded response signals, this results in time or phase differences between the signals and different transit times between the interrogation station and the respective sensor elements.
  • the modulation in the respective sensor element can be based on different delays and / or frequency influences.
  • the sensor elements are preferably designed as SAW components with an ID tag function.
  • An evaluation device provided in the interrogation station recognizes, on account of the different modulation or coding of the response signals received, the respective sensor from which the response signal comes. As a result, the respectively measured value for the transit time or phase position can be assigned to the corresponding sensor element.
  • SAW resonators electrical and mechanical resonant circuits, such as, for example, quartz volume oscillators and LC resonant circuits.
  • An advantageous feature of the energy-storing sensor elements used is that the energy is stored in the element until environmental echoes of the interrogation signal (interrogation pulse) have decayed to such an extent that the response signals emitted by the sensor element can be relatively weak and yet be detected can.
  • the position and / or position of the object in space with respect to a reference location, in particular with respect to the interrogation station by means of the running time differences of the response signals which come from the sensor elements placed at different locations on the object.
  • the sensor elements have a fixed spatial relationship to the object, which is stored in the evaluation device.
  • the number of sensor elements used determines the free degrees in which the measurement can be carried out, as well as the measurement accuracy. If three sensor elements are arranged at different locations on the object, both the distance of the object from the interrogation station or from the reference location and the position of the object relative to this can be determined.
  • the invention achieves non-contact position and / or position determination of one or more objects with a passive sensor device.
  • the measuring arrangement has a simple structure, whereby no direct line of sight is required between the interrogation station and the object.
  • the invention can preferably be used in guideless transport systems, in the automatic positioning of objects, in the positioning of obscure or poorly observable objects and in the monitoring of plants and plant parts. It is also suitable for use in alarm systems, in systems to support the disabled and in safety and comfort systems for people.
  • Fig. 1 shows schematically the basic structure of an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment for a sensor element and an interrogation station, which can be used in the invention.
  • three sensor elements 1, 2 and 3 are arranged on an object 7 at different locations on the object.
  • an interrogation station 14 with a transmission / reception antenna 15 belongs to the position and position determination system shown.
  • the interrogation station 14 also has a transmitter 12 and a receiver 13, which can be connected or connected to the transmission / reception antenna 15 (FIG. 3).
  • the interrogation station 14 can have an evaluation device 5, in which the transmitted and received signals are evaluated. Such an interrogation station is known.
  • the respective sensor elements 1 to 3 preferably consist of SAW components of a known embodiment.
  • each sensor element has an assigned receiving / transmitting antenna.
  • the sensor element 1 has the assigned antenna 9, the sensor element 2 the assigned antenna 10 and the sensor element 3 the assigned antenna 11.
  • Each of these receive / transmit antennas is connected to an interdigital transducer 8 on the respective sensor element ,
  • the interdigital transducer 8 generates an acoustic surface wave (SAW) in a piezoelectric substrate 16 of the SAW component, which is modulated in a modulation device 6.
  • the modulation device 6 can consist of different reflector structures or resonator structures formed by folding.
  • a modulation with regard to the delay and / or frequency of the surface acoustic wave signal is obtained in this way.
  • This modulated signal is converted back by the converter 8 into an electromagnetic HF response signal and sent back to the interrogation station 14 via the receive / transmit antenna of the respective sensor element.
  • the respective sensor elements 1 to 3 are thus from the interrogation station 14 with an interrogation signal, in particular with a pulsed RF interrogation signal, e.g. B. excited with 2.45 GHz.
  • the response signal coded by the modulation is with the respective from Sensor element caused time delay emitted by the respective assigned receive / transmit antennas 9, 10, 11 of the sensor elements and received via the receiving part 13 of the interrogation station 14.
  • the spatial arrangement of the receive / transmit antennas 9 to 11 assigned to the respective sensor elements 1 to 3 is permanently provided on the object 7 and stored in the evaluation device 5.
  • the different distances that these antennas 9 to 11 have as a function of the position and location of the object from the transmitting / receiving antenna 15 of the interrogation station 14 can be determined from the respective transit times and / or phase positions of the response signals. From the different transit times and phase positions as well as transit time differences between the individual response signals, the path differences between the individual antennas 9 to 11 to the antenna 15 of the interrogation station 14 and the distance and / or position of the object 7 with respect to the interrogation station or another can be determined via the speed of light Determine the reference location according to known trigonometric relationships. This is clear from Fig. 2. Since the system is invariant against rotation around the interrogation station, an additional direction finder or an additional antenna can be provided on the interrogation station 14, so that the direction in which the object 7 lies can also be determined.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und Lagebestimmung wenigstens eines Objektes (7), bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einer Abfragestation (14) ausgesendet wird, und am Objekt (7) energiespeichernde Sensorelemente (1 bis 3) vorgesehen sind, die das über Funk eingespeicherte Abfragesignal individuell modulieren und als codierte Antwortsignale zur Abfragestation (14) zurücksenden, in welcher zur Positions- oder Lagebestimmung aus den Zeit- und/oder Phasenlagen der jeweiligen Antwortsignale die Positions- und/oder Lagebestimmung durchgeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestimmung wenigstens eines Objektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Es ist bekannt, für ein Objekt oder für mehrere Objekte unter Zuhilfenahme von Reflexion elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise durch Bilderkennung, Radar und dergleichen, die Position bzw. Positionen zu bestimmen. Auch ist es be-. kannt, mit Hilfe von Neigungssensoren eine Lageerkennung durchzuführen. Hierzu ist jedoch eine bei Radar oder Bilderkennung direkte Sichtverbindung und bei Neigungssensoren eine Verkabelung des Objektes in aller Regel erforderlich.
Ferner sind z. B. aus der EP 0 619 906 Bl Sensorelemente in Form von Oberflächenwellen . (OFW) -Bauelementen bekannt, welche ein Abfragesignal Zwischenspeichern können, wobei das elektromagnetische Abfragesignal bei der Zwischenspeicherung in ein akustisches Signal gewandelt und mit einer vorgegebenen Grundverzögerung und/oder Frequenz modifiziert werden kann. Das modifizierte akustische Signal wird in ein codiertes elektromagnetisches Antwortsignal umgewandelt und zu einer Abfragestation, welche das Abfragesignal ausgesendet hat, zur Gewinnung bestimmter Maßdaten zurückgesendet. Das OF -Bauele- ment arbeitet passiv, d.h. es benötigt keine eigene Energie- quelle bzw. Stromversorgung. Der Energiebedarf wird über das durch Empfang eingespeicherte elektromagnetische Abfragesignal gedeckt. Derartige als passive Transponder arbeitende OF -Bauelemente können zu verschiedenen Meßzwecken bei der Temperatur-, Druck- oder Beschleunigungsmessung zum Einsatz kommen. Ferner können sie in Identifizierungssystemen zum
Einsatz kommen, wobei zur Modulation des akustischen OFW-Sig- nals unterschiedliche Reflektorstrukturen auf dem piezoelekt- rischen Substrat des OFW-Bauelements zum Einsatz kommen. Aus der EP 0 651 344 ist es beispielsweise bekannt, einen Spread- Spektrum-Reflektor auf dem Substrat des OF -Bauelementes vorzusehen. Das OF -Bauele ent repräsentiert dann einen soge- nannten ID-Tag, der als Identifizierungsmarke zum Einsatz kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestimmung eines oder mehrerer Objekte der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen die Positionierung und/oder die Lage auch unübersichtlicher und schwer beobachtbarer Objekte bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird beim Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei der Erfindung wird mit Hilfe wenigstens eines am Objekt vorgesehenen energiespeichernden Sensorelementes, welches passiv ohne eigene Energieversorgung arbeitet, das über Funk eingespeicherte Abfragesignal individuell moduliert und als codiertes Antwortsignal, dessen Zeit- und/oder Phasenlage bei der Positions- und/oder Lagebestimmung ausgewertet wird, zum Sendeort des Abfragesignals zurückgesendet. Die Zeit- und/oder Phasenlage des codierten Antwortsignals wird bezüg- lieh der Zeit- und/oder Phasenlage des Abfragesignals ausgewertet. Auf diese Weise gewinnt man zumindest bei Verwendung eines Sensorelements eine Bestimmung des Abstandes zwischen Objekt und Abfragestation, von welcher das Abfragesignal ausgesendet wurde. Zur Lagebestimmung des Objektes können am Ob- jekt mehrere Sensorelemente insbesondere drei Sensorelemente vorgesehen sein. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Positionierung am Objekt besitzen die Sensorelemente zur Abfragestation unterschiedliche Entfernungen. Hieraus resultieren bei den codierten Antwortsignalen Zeit- bzw. Phasendifferenzen der Signale untereinander und unterschiedliche Laufzeiten zwischen der Abfragestation und den jeweiligen Sensorelementen.
Die Modulation im jeweiligen Sensorelement kann auf unterschiedlicher Verzögerung und/oder Frequenzbeeinflussung beruhen. In bevorzugter Weise sind die Sensorelemente als OFW- Bauele ente mit ID-Tag-Funktion ausgebildet. Eine in der Ab- fragestation vorgesehene Auswerteeinrichtung erkennt aufgrund der unterschiedlichen Modulation bzw. Codierung der empfangenen AntwortSignale den jeweiligen Sensor, von welchem das Antwortsignal kommt. Hierdurch läßt sich der jeweils gemessene Wert für die Laufzeit oder Phasenlage dem entsprechenden Sensorelement zuordnen.
Weitere Ausführungsbeispiele für das jeweilige Sensorelement sind OFW-Resonatoren, elektrische und mechanische Schwingkreise, wie beispielsweise Quarz-Volumenschwinger und LC- Schwingkreise.
Bei den zum Einsatz kommenden Energiespeichernden Sensorelementen besteht ein vorteilhaftes Merkmale darin, dass die Energie im Element so lange gespeichert wird, bis Umgebungs- echos des Abfragesignals (Abfrageimpulses) soweit abgeklungen sind, dass die vom Sensorelement abgegebenen AntwortSignale relativ schwach sein können und dennoch detektiert werden können.
Über die LaufZeitdifferenzen der Antwortsignale, welche von den an verschiedenen Stellen des Objektes plazierten Sensorelementen kommen, ist es möglich, die Position und/oder Lage des Objektes im Raum bezüglich eines Referenzortes, insbesondere bezüglich der Abfragestation zu bestimmen. Die Sensor- elemente besitzen zum Objekt eine feste räumliche Beziehung, die in der Auswerteeinrichtung gespeichert ist. Die Anzahl der zum Einsatz kommenden Sensorelemente bestimmt die Frei- heitsgrade, in denen die Messung durchgeführt werden kann, sowie die Meßgenauigkeit. Bei Anordnung von drei Sensorelementen an verschiedenen Orten des Objektes kann sowohl der Abstand des Objektes von der Abfragestation bzw. vom Refe- renzort und die Lage des Objektes relativ hierzu bestimmt werden.
Durch die Erfindung wird mit einer passiven Sensoreinrichtung eine berührungslose Positions- und/oder Lagebestimmung eines oder mehrere Objekte erreicht. Die Messanordnung besitzt einen einfachen Aufbau, wobei zwischen der Abfragestation und dem Objekt keine direkte Sicht erbindung erforderlich ist. Vorzugsweise kann die Erfindung bei führungslosen Transportsystemen, bei automatischer Positionierung von Objekten, bei der Positionierung unübersichtlicher oder schlecht beobachtbarer Objekte und bei der Überwachung von Anlagen und Anlagenteilen zum Einsatz kommen. Ferner eignet sie sich zur Anwendung in Alarmanlagen, in Systemen zur Unterstützung Behinderter und in Sicherheits- und Komfortsystemen für Personen.
Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 eine Erläuterung zur Auswertung der von den Sensor- elementen abgegebenen elektromagnetischen Antwortsignalen und
Fig. 3 eine Ausführungsform für ein Sensorelement und eine Abfragestation, welche bei der Erfindung zum Ein- satz kommen können. In der Fig. 1 sind an einem Objekt 7 drei Sensorelemente 1, 2 und 3 an verschiedenen Orten des Objektes angeordnet. Ferner gehört zum dargestellten Positions- und Lagebestimmungssystem eine Abfragestation 14 mit einer Sende-/Empfangsantenne 15. Die Abfragestation 14 besitzt ferner einen Sender 12 und einen Empfänger 13, welche an die Sende-/Empfangsantenne 15 anschließbar bzw. angeschlossen sind (Fig. 3) . Ferner kann die Abfragestation 14 eine Auswerteeinrichtung 5 aufweisen, in welcher die Auswertung der gesendeten und empfangenen Sig- nale erfolgt. Eine derartige Abfragestation ist bekannt.
Die jeweiligen Sensorelemente 1 bis 3 bestehen bevorzugt aus OFW-Bauelementen bekannter Ausführungsform. Im wesentlichen besitzt jedes Sensorelement eine zugeordnete Empfangs-/Sen- deantenne. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, besitzt das Sensorelement 1 die zugeordnete Antenne 9, das Sensorelement 2 die zugeordnete Antenne 10 und das Sensorelement 3 die zugeordnete Antenne 11. Jede dieser Empfangs-/Sendeantennen ist am jeweiligen Sensorelement mit einem Interdigitalwandler 8 ver- bunden. Durch den Interdigitalwandler 8 wird in einem piezoelektrischen Substrat 16 des OFW-Bauelements eine akustische Oberflächenwelle (OFW) erzeugt, die in einer Modulationseinrichtung 6 moduliert wird. Die Modulationseinrichtung 6 kann aus unterschiedlichen Reflektor- oder durch Faltung gebilde- ten ResonatorStrukturen bestehen. Man gewinnt hierdurch eine Modulation hinsichtlich Verzögerung und/oder Frequenz des akustischen Oberflächenwellensignals. Dieses modulierte Signal wird vom Wandler 8 in ein elektromagnetisches HF-Antwortsignal zurückgewandelt und über die Empfangs-/Sendeantenne des jeweiligen Sensorelementes zur Abfragestation 14 zurückgesendet.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden somit die jeweiligen Sensorelemente 1 bis 3 von der Abfragestation 14 mit einem Abfragesignal insbesondere mit einem gepulsten HF-Abfragesignal, z. B. mit 2,45 GHz angeregt. Das durch die Modulation codierte Antwortsignal wird mit der jeweiligen vom Sensorelement bewirkten zeitlichen Verzögerung von den jeweiligen zugeordneten Empfangs-/Sendeantennen 9, 10, 11 der Sensorelemente abgestrahlt und über den Empfangsteil 13 der Abfragestation 14 empfangen. Insbesondere die räumliche Anord- nung der den jeweiligen Sensorelementen 1 bis 3 zugeordneten Empfangs-/Sendeantennen 9 bis 11 ist am Objekt 7 fest vorgesehen und in der Auswerteeinrichtung 5 gespeichert. Es ist beispielsweise möglich, die Sensorelemente 1 bis 3 in einer gemeinsamen Baueinheit bzw. einem gemeinsamen Baustein unter- zubringen und sie mit den zugeordneten Antennen 9 bis 11 jeweils zu verbinden. Die unterschiedlichen Entfernungen, welche diese Antennen 9 bis 11 in Abhängigkeit von der Position und Lage des Objektes von der Sende-/Empfangsantenne 15 der Abfragestation 14 aufweisen, können aus den jeweiligen Lauf- zeiten und/oder Phasenlagen der AntwortSignale bestimmt werden. Aus den unterschiedlichen Laufzeiten und Phasenlagen sowie Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Antwortsignalen lassen sich über die Lichtgeschwindigkeit die Wegdifferenzen zwischen den einzelnen Antennen 9 bis 11 zur Antenne 15 der Abfragestation 14 ermitteln und daraus die Entfernung und/oder Lage des Objektes 7 bezüglich der Abfragestation oder einem anderen Referenzort nach bekannten trigonometrischen Beziehungen bestimmen. Dies wird aus der Fig. 2 deutlich. Da das System invariant gegen Drehung um die Abfrage- Station ist, kann eine zusätzliche Peileinrichtung oder eine zusätzliche Antenne an der Abfragestation 14 vorgesehen sein, so daß auch die Richtung, in welcher das Objekt 7 liegt, bestimmt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur drahtlosen Positions- und Lagebestimmung wenigstens eines Objektes, bei dem ein elektromagnetisches Ab- fragesignal von einem bestimmten Sendeort zum Objekt ausgesendet wird und vom Objekt ein Antwortsignal zum Sendeort für die Positions- oder Lagebestimmung aus Zeit- oder Phasenparametern der Signale zurückgewonnen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in wenigs- tens einem am Objekt vorgesehenen energiespeichernden Sensorelement das über Funk eingespeiste Signal individuell moduliert wird und als codiertes Ausgangssignal, dessen Zeitoder Phasenlage bezüglich des Abfragesignals ausgewertet wird, zum Sendeort zurückgesendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Modulation mit fest vorgegebener Verzögerung und/oder Frequenz erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren insbesondere drei verschiedenen Stellen des Objektes das Abfragesignal mittels der Sensorelemente unterschiedlich moduliert wird, und von den Sensorelementen unter- schiedlich codierte Antwortsignale an den Sendeort zurückgesendet werden und dass aus den Laufzeiten oder Phasenunterschieden bzw. -lagen der Antwortsignale die Position und/oder Lage des Objektes bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das durch Funk in das jeweilige Sensorelement eingespeicherte elektromagnetische Signal in ein akustisches Signal gewandelt wird, wobei das akustische Signal moduliert wird, und dass das mo- dulierte akustische Signal in das elektromagnetische Antwortsignal, dessen Zeit -und Phasenlage für die Positions- und/oder Lagebestimmung ausgewertet wird, zum Sendeort zurückgesendet wird.
5. Vorrichtung zur drahtlosen Positions- und/oder Lagebestim- ung wenigstens eines Objektes mit einer einen Sender und
Empfänger aufweisenden Abfrageeinrichtung, einer mit der Abfrageeinrichtung verbundenen Auswerteeinrichtung und einer am Objekt vorgesehenen Sensoreinrichtung, welche in Abhängigkeit von aus der Abfrageeinrichtung ausgesendeten Abfragesignalen Antwortsignale zur Abfrageeinrichtung zurücksendet, in welcher das Antwortsignal für die Positions- und/oder Lagebestimmung ausgewertet wird, zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die am Ob- jekt (7) vorgesehene Sensoreinrichtung (4) wenigstens ein energiespeicherndes und an eine Empfangs-/Sendeantenne (9, 10, 11) angekoppeltes Sensorelement (1, 2, 3) aufweist, in welches eine individuelle Modulationseinrichtung (6) für das Abfragesignal zur Erzeugung eines codierten Antwortsignals integriert ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensoreinrichtung (4) mehreren insbesondere drei Sensorelemente (1 bis 3) aufweist, deren zugeordnete Empfangs-/Sendeantennen (9 bis 11) an verschiedenen Stellen des Objektes (7) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Modulationseinrichtungen (6) der Sensorelemente (1 bis 3) sich voneinander unterscheiden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jede Modulationseinrichtung (6) hinsichtlich Verzögerung und/oder Frequenz moduliert.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Modulationseinrichtung (6) eine akustische Modulationseinrichtung ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Orte, an denen die den Sensorelementen (1 bis 3) zugeordneten E p- fangs-/Sendeantennen (9 bis 11) am Objekt (7) befestigt sind, in der Auswerteeinrichtung (5) gespeichert sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das jewei- lige Sensorelement (1 bis 3) als ID-Tag ausgebildet ist.
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