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WO2015192156A1 - Ultrasound sensor and method for locating objects - Google Patents

Ultrasound sensor and method for locating objects Download PDF

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Publication number
WO2015192156A1
WO2015192156A1 PCT/AT2015/050149 AT2015050149W WO2015192156A1 WO 2015192156 A1 WO2015192156 A1 WO 2015192156A1 AT 2015050149 W AT2015050149 W AT 2015050149W WO 2015192156 A1 WO2015192156 A1 WO 2015192156A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic
receivers
ultrasound
receiver
sensor
Prior art date
Application number
PCT/AT2015/050149
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Herbert Schweinzer
Christian Walter
Original Assignee
Technische Universität Wien
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Wien filed Critical Technische Universität Wien
Publication of WO2015192156A1 publication Critical patent/WO2015192156A1/en

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    • G01S7/526Receivers
    • G01S7/527Extracting wanted echo signals

Definitions

  • the invention relates to a method for locating objects in space with the aid of an ultrasound sensor and a corresponding ultrasound sensor having at least four ultrasound receivers, an ultrasound signal being radiated from an external transmitter or ultrasound sensor and each reflected by the ultrasound receivers in at least one associated reflection point Received ⁇ ultrasonic signal and evaluated to obtain at least one object position in an evaluation unit, which is connected to the Ultraschallemp ⁇ catchers.
  • the invention relates to an ultrasound sensor or a method implemented by the ultrasound sensor for reliable location of three-dimensional object positions (SD localization) relative to the position of the ultrasound sensor on the basis of three-dimensional reflection points in space by means of ultrasound.
  • the invention aims primarily at any non-concave objects.
  • Reflection point here is a point on an object to be located, at which the ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter is reflected, before it reaches one of the ultrasound receivers.
  • a reflection point is therefore the point on the surface of the object in which the reflection ⁇ onsbedingung for a particular ultrasonic transmitter and a particular, namely the associated ultrasonic receiver (ie, a particular transmitter-receiver pair) is met.
  • the ultrasonic sensor is designed to measure the transit times of an ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter and reflected in the reflection points and received by the ultrasound receivers. From the measured transit times, the distance between the ultrasound sensor and the reflection points, or, strictly speaking, the sum of the distances between the ultrasound transmitter and the reflection point and the reflection point and ultrasound receiver, can be derived at a known sound velocity.
  • the ultrasonic sensor can basically be used as an active sensor device with its own ultrasound sensor. traschallsender or be designed as a passive sensor device without its own ultrasonic transmitter.
  • the ultrasonic receiver or the ultrasonic transmitter are arranged not only for structural reasons, but also to achieve a corresponding spatial resolution, at intervals from each other.
  • different reflection points are therefore present in the case of several ultrasound transmitters and / or a plurality of ultrasound receivers for the same or the same object.
  • Each reflection point is associated with a specific transmitter-receiver pair, wherein for the sake of simplicity in a single transmitter can be spoken by an assignment to the receivers and vice versa.
  • sensor devices for the 3D location of objects with multiple transmitters and / or receivers have already been proposed.
  • To obtain the necessary direction information at least three running time measurements are required. Therefore, for example, sensor devices for gesture recognition by means of ultrasound, as have been proposed for mobile terminals, as a rule have a plurality of transmitters. For example, the shows
  • WO 2011/048433 AI a system with multiple transmitters and receivers to determine multiple echoes and to calculate the 3D position information of a hand movement. Furthermore, Kanaki et al. (Kaniak, G., Schweinzer, H., "A 3D Airborne Ultrasound Sensor for High-Precision Location Data Estimation and Conjunction," Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, 2008. IMTC 2008. IEEE, pp. 842, 847, 12-15 May 2008, doi: 10.1109 / IMTC.2008.4547154) already described a sensor device with four ultrasonic receivers (microphones) for locating the reflection points.
  • the known devices and methods have in common that they with multiple echoes and / or superimposed echoes, as well as with situations in which the ektpositionen significantly differ from the used in the location, ie in the calculation of the ektpositionen, models, not in an appropriate manner to be able to deal with.
  • Those objects that are farther apart than the maximum distance between two receivers may still be relatively easily separated, since the time differences between the echoes for a single object may not be greater than predetermined by the distance between the receivers.
  • the object position based on the reflection points can be relatively ge ⁇ accurately determined or made by the use of different reflection points error - depending on given Accuracy requirements and geometry of the objects (optimal are objects with flat or convex surfaces, whereas in concave surfaces with relatively larger errors must be expected) - neglected.
  • the Reflection ⁇ onsucc are on different objects, this can lead to incorrect object positions. This is because the individual run time measurements are just distance measurements and do not contain directional information. The direction information can only be derived from the deviations between the individual transit time measurements.
  • This object is achieved in a method of the initially mentioned type according to the invention, that in several object positions obtained in parallel these are selected according to a selection criterion, which is defined by the fact that the object position respectively associated at least four reflection points are approximately in a common plane in space.
  • a selection criterion which is defined by the fact that the object position respectively associated at least four reflection points are approximately in a common plane in space.
  • the approximation is particularly true when the deviations of the reflection points from a common plane are less than 5 mm, preferably less than 1 mm, in particular less than 400 ⁇ , less than 200 ⁇ , or less than 100 ⁇ .
  • distance-dependent limit values can also be used for previously known object geometries (eg in the case of a sphere, the farther the sphere is from the sensor is, all the reflection points closer together, since only a very small angle is necessary to reach the distance of the receiver / transmitter at a greater distance; accordingly, the deviation of the reflection points from a plane decreases with increasing distance). It is obvious to the person skilled in the art that, depending on the requirements of the particular application and accuracy of the components used and, if appropriate, on the distance and on the sensor dimensions, a correspondingly adapted tolerance range for the approximate criterion is selected.
  • the reflection points are in turn assigned to different transmitter-receiver pairs or-in the case of a single transmitter-to different receivers.
  • the reflection points themselves are not determined as the three-dimensional space ⁇ dots, but it is only checked whether for the reflection points corresponding measured transit times and a solution exists for the corresponding distances and taking into account the reflection condition, in which the characterized by the distances Reflection points lie in a plane. Since the selection criterion for moving objects (or a moving sensor) is generally met only at one point in time, it is essential, at least in these cases, for the measurements to be carried out at a time, ie simultaneously and simul taneously , so that the received and reflected for reconstructing an object position
  • the object stated above is according to the invention in a Ul ⁇ traschallsensor the initially defined type as ⁇ solved by that the evaluation unit comprises a selection module which is set at more gained parallel rotpositio ⁇ nen for determining that object positions in which the object position respectively associated at least four reflection points are approximately in a common plane in space.
  • the selection module implements the top of the to ⁇ connexion with the inventive method in detail explained selection criterion.
  • the fact that the evaluation unit is set up to obtain at least one object position from the received ultrasound signals means, among others, that in addition to the selection module, all elements necessary for evaluating the received ultrasound signals, such as typically a computing unit, a Memory and - in the case of a LaufTeit SMS - a timer includes.
  • the selection module may be realized and for example also be retrofitted to an appropriate sensor device or its evaluation as a separate Hardwareein ⁇ integral or, preferably, as a software module.
  • any type of device for the ultrasonic transmitter or the ultrasonic receiver can be used.
  • a broadband electrostatic transducer as an ultrasonic transmitter and four or more small non-directional MEMS micro ⁇ phone can be used as an ultrasonic receiver .
  • the present method does not aim to realize a flat surface, but on tune the position of the object or the position of an object corresponding to the equivalent reflection point on the surface of the object to be ⁇ . For this reason, the condition that all
  • the Ul ⁇ traschallsensor at least five ultrasound receiver, wherein the selection criterion is accordingly defined by the fact that the Whether ektposition each case at least associated five reflection points substantially in a common plane in space. Only with a fifth sensor can artifacts, which are not recognizable at certain symmetries with four sensors (for example, if in each case two reflection points lie on two different objects with parallel surfaces), be detected and avoided. Accordingly, it is also favorable in the present ultrasonic sensor if it has at least five ultrasonic receivers which are connected to the evaluation unit.
  • a simple, computationally efficient and thus particularly rapid selection can be achieved if an even number of ultrasound receivers are arranged in one plane and in at least two mirror-symmetrical pairs with respect to a common center, wherein the selection criterion is defined by the averaged flight time of the receiver pairs in the Wesent ⁇ union matches.
  • This criterion is of course equivalent to a comparison of the sums of maturities.
  • a so-called mid-criterion selection criterion can therefore be checked by a simple means ⁇ value calculation of the running time for each receiver pair and then comparing the resulting averages.
  • asymmetric arrangement of the receiver has the advantage that a He ⁇ recognition of artifacts in more situations than in a symmetrical construction is possible.
  • the selection criterion can thus be evaluated in a two-step process, wherein the above-described and efficient verifiable center criterion is turned on ⁇ in a first step and then only ene combinations of Reflection ⁇ tion points are taken into account, which are the center criterion fulfill.
  • the comparatively rchenaufwendigere review even the measured by the non-symmetrically arranged Ultraschallemp scavengers with the determined level consis tent, takes place only for a comparatively small, because already preselected number of combinations.
  • This method can be used in particular when using a fifth ultrasonic receiver together with four symmetrically arranged Ul traschallempfnature used.
  • a particularly efficient method for checking the Selekti ⁇ onskriteriums can be used when the receiver pairs have the same distance between the ultrasonic transmitter and ultrasonic receivers, with in particular the receiver in one of the number n of the ultrasonic receiver corresponding n-fold rotational symmetry are arranged, wherein an equivalent Reflection ⁇ onsyak is determined for all the receivers on the basis of values measured by the servablepaa ⁇ maturities and is checked for a second portion of ultrasonic receivers, which may not be symmetrical, whether these ultrasonic ⁇ receivers associated reflection points are consistent with the equivalent point of reflection, wherein otherwise the Selekti ⁇ onskriterium is generally not fulfilled.
  • the distance d Zvi ⁇ rule the ultrasound transmitter and the individual
  • the position of the equivalent reflection point can be calculated as follows:
  • the present method is particularly suitable for ene cases in which the ektpositionen of multiple objects from a single radiated ultrasonic signal (eg, from an ultrasonic sensor with a single ultrasonic transmitter) are determined.
  • a single radiated ultrasonic signal eg, from an ultrasonic sensor with a single ultrasonic transmitter
  • Such scene analysis are particularly affected by the problem of artifacts, so that the pre ⁇ troubled selection criterion enables significant improvements here.
  • the object positions are determined by forming all possible combinations of reflection points, each reflection point is associated with a different ultrasonic receiver.
  • the re ⁇ inflection points are not usually known as dreidimensiona ⁇ le points, but characterized only by their (measured) distance from the ultrasonic sensor.
  • FIG. 1A shows an example of an active ultrasonic sensor according to the prior art with only three ultrasonic receivers and FIG. 1B shows a time diagram of the ultrasonic signals detected by the three receivers;
  • FIG. 2 shows an application of an ultrasonic sensor according to FIG. 1 with objects arranged slightly offset;
  • FIG. 3 shows an active ultrasonic sensor with four ultrasonic receivers in an application according to FIG. 2;
  • FIG. 4A shows an active ultrasonic sensor with four ultrasonic receivers in an application according to FIG. 1A and FIG. 4B the associated time diagram, comparable to FIG. 1B;
  • FIG. 5 shows an active ultrasonic sensor with five ultrasonic receivers in an application according to FIG. 2;
  • FIG. 6 shows schematically an application of an active ultrasonic sensor with five ultrasonic receivers in an environment with retroreflectors
  • Fig. 8 is a schematic plan view of an active ⁇ Ultra sound sensor of FIG. 5;
  • FIG. 9 is a schematic block diagram of an ultrasonic sensor ⁇ .
  • FIG. 1A shows schematically an active ultrasonic sensor 1 with three ultrasonic receivers 2, 3, 4 and with an ultrasonic transmitter 5, wherein the ultrasonic receivers 2, 3, 4 and the ultrasonic transmitter 5 are arranged in a common plane 6.
  • the ultrasonic transmitter 5 is for locating the objects 7, 8 a short broadband ultrasonic signal 9, for example, a linearly frequency-modulated signal with a length of a few hundred microseconds and tuned to the transmitter bandwidth, eg 30 kHz from.
  • the emitted ultrasonic signal 9 is reflected on objects 7, 8 in the vicinity of the ultrasonic sensor 1.
  • the timing diagram 12 in Fig. 1B has three separate time axes 13, 14 , 15 for each ultrasonic receiver 2, 3, 4 corresponding to the three receiver channels.
  • the relevant for the location tracking time information of the individual ultrasonic receiver 2, 3, 4 and the corresponding distance information is obtained by correlation of the individual receiver channels based on vorge ⁇ said or learned correlation patterns.
  • the measured ultrasonic signals are grouped, each group 16 each consisting of a running time measurement t ⁇ from each receiver channel.
  • a group 16 In the case of n ultrasonic receivers or microphones, a group 16 consists of exactly n running time measurements t ⁇ , where t ⁇ represents a running time measurement of the channel i. In this case, only valid groups 16 are preferably formed, a group 16 then being valid only if the condition (t.-tj-c ⁇ d 13 V 1 ⁇ i, j is met ⁇ n (2) where c is the speed of sound of the ultrasonic receivers in the vicinity of the ultrasonic sensor 1 and d ⁇ j is the physical distance Zvi ⁇ rule i and j . in this case, a certain delay time measurements t ⁇ generally more groups belong.
  • a selection of a group used for the positioning of an object 16 may for example take place in that closely neighboring time signals are preferred.
  • This assignment is based basically on the assumption that different objects are arranged at a different distance from the ultrasonic sensor 1. However, since this does not apply in the case shown (see Fig. Fig. 1A), the assignment to the group 16 is false and the reconstructed from the mutually associated signals object positions are therefore also in error. the actual Po ⁇ Objects of the objects 7, 8 can not be recognized in such an assignment.
  • FIG. 2 shows a further potential error case which can not be detected or solved with the aid of only three ultrasonic receivers 2, 3, 4 on the basis of the measured transit times.
  • this case 17 has an object to a discontinuity 18 in the form ei ⁇ ner stage.
  • the transition at the point of discontinuity 18, ie in this case the height of the step, is smaller than the distance between the ultrasonic receivers 2, 3, 4, so that the condition (2) is fulfilled.
  • the individual ultrasonic receivers 2, 3, 4 associated reflection points 19, 20, 21 lying on both sides of the discontinuity 18, and therefore in various ⁇ which sections 22, 23 of the surface of the object 17.
  • Ultrasound sensor 1 is removed as the other two reflection points 19, 20. It is assumed that for locating the object 17 only the measured transit times corresponding to the three reflection points 19, 20, 21 are available. From the three transit times, that point in space can be calculated by trilateration, for which the distance from the three transmitter-receiver pairs formed with the ultrasound transmitter 5 and with one of the ultrasound receivers 2, 3, 4 corresponds to the measured transit times
  • the present invention relates insbeson ⁇ particular, the detection and elimination of this problem by the use of at least one ultrasonic receiver in the fourth Kom ⁇ bination with a specially tailored to ultrasonic sensors having four or more receivers locating method.
  • the present invention provides, firstly that the Refle ⁇ xions, lie on the same item to verify the assumption. This check can be carried out in particular by determining whether the (hypothetical) reflection points which correspond to the measured transit times lie in one plane. Based on this criterion, those groups of running time measurements t ⁇ , which withstand the review, are selected and the remaining groups can be discarded.
  • the ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30 are arranged in pairs 27, 28 and 29, 30 and mirror-symmetrically with respect to an intersection of the connecting lines of the individual pairs 27, 28 and 29, 30. The connecting lines therefore intersect exactly in their respective center.
  • the ultrasonic transmitter 31 is also in the center of the receiver, that is arranged exactly at the common intersection of the connecting lines.
  • the ultrasonic sensor 26 can be shown that the transit time measurements t ⁇ ⁇ must meet for the pairs of ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30 following condition:
  • the inaccuracy of an ultrasonic sensor with a receiver ⁇ distance of 80 mm to a distance of 1 m is less than 1 mm, so that all the groups which do not satisfy the condition (3) can be recognized as invalid and discarded. According to this method, the measurement shown in Fig. 3 can be recognized as invalid, so that at least no erroneous Whether ⁇ jektposition is detected.
  • FIGS. 4A and 4B the principle described above can also be used in the assignment of the running time measurements, as will be explained with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • two objects 7, 8 are shown here, which are responsible for two reflected ultrasonic signals 10, 11 or the corresponding running time measurements t ⁇ or t ⁇ 'of the here four receiver channels.
  • Ultrasonic sensor 37 to a fifth ultrasonic receiver 38 so that the distance between the ultrasonic sensor 37 and a fifth reflection point 39 on the object 17 can be measured by means of ultrasound.
  • the error can be recognized as follows: First, a provisional object position is determined based on the running time measurements of the four ultrasonic receivers 27, 28, 29 and 30, and in a second step it is checked whether the running time measurement of the fifth ultrasonic receiver 38, i. over a distance from the ultrasonic transmitter 31 to the reflection point 39 and back to the ultrasonic receiver 38, is consistent with this preliminary object position, e.g. the distance corresponding to the provisional object position is compared with the separately measured distance from the fifth ultrasonic receiver 38.
  • Ultrasonic receiver can be obtained, it is possible ent ⁇ speaking reference points 40 in space, not only the position of the ultrasonic sensor 37, but also the
  • the present invention can be applied not only to active ultrasonic sensors 26 and 37 having their own ultrasonic transmitters 31, but also to passive ultrasonic sensors 41 (see Fig. 7).
  • the ultrasonic signals 42 are radiated by external signal generators 43, which are arranged at known positions in space and therefore - as described above - can also be used as orientation points.
  • the ektpositionen Whether shorei ⁇ ger objects 44 can thereby using the measured in space
  • Running times of the ultrasonic signals 42 and the known Positio ⁇ nen the signal generator 43 are reconstructed.
  • the described selection criterion can additionally be used for the assignment of a plurality of running time measurements to an ultrasonic transmitter, ie in this example a signal generator 43.
  • an active ultrasonic sensor 37 has the advantage that the fixed distance d between the Ultra ⁇ sound transmitter 31 and the ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30, 38, for example, can be used for temperature compensation (see. Fig. 8).
  • the sound velocity c at the current ambient conditions is preferably measured on the basis of several running time measurements t and the known distance d, and the ultrasonic sensor 37 is calibrated in this way.
  • the accuracy of the measurement is limited only by the time resolution of the transit time measurement and the distance between transmitter 31 and receivers 27, 28, 29, 30, 38. At a distance of 4 cm between the transmitter 31 and the receivers 27, 28, 29, 30, 38 could
  • Sound velocity can be determined, for example, with an accuracy of about ⁇ 2 m / s.
  • FIG. 9 schematically shows an ultrasound sensor 45 with an ultrasound transmitter 46 and two (or more) ultrasound receivers 47 shown.
  • the ultrasonic transmitter 46 receives an ultrasonic signal to be transmitted from a drive unit 48, the signal being adjusted in an amplifier 49 to the requirements of the ultrasonic transmitter 46.
  • the ultrasound receivers 47 are set up to receive the reflected ultrasound signals and are connected to correlator units 50, which can correlate a received re flected ultrasonic signal with the transmitted Ultraschallallsi ⁇ signal.
  • the correlator units 50 are connected and synchronized with the drive unit 48 via synchronization connections 51 (dashed lines).
  • ⁇ jektortung is carried out based on the adjusted times, checked with a possible additional receiver for plausibility and output in the positive case in a locating module 54, which is connected to the selection module 53rd
  • the criterion - if available - is used with the additional (eg fifth) receiver and output after a positive check; object location is based on the measured transit times of the other receivers.
  • the ultrasound receivers 47 with the correlator units 50, the preselection module 52, the selection module 53 and the locating module 54 form an evaluation unit 55.
  • the prescience module 52, the selection module 53 and the locating module 5 can be used in practice as software modules on a common, in Ul ⁇ traschallsensor 45 integrated microprocessor platform (not shown) may be implemented.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to an ultrasound sensor (26, 37, 41) and to a method for locating objects (7, 8, 17) in space by means of such an ultrasound sensor (26, 37, 41), which ultrasound sensor comprises at least four ultrasound receivers (27, 28, 29, 30), wherein an ultrasound signal (42 or 9) is emitted by an ultrasound transmitter (43 or 41) that is external or that is comprised by the ultrasound sensor (26) and an ultrasound signal (11) reflected at at least one associated reflection point (33, 34, 35, 36) is received by the ultrasound receivers (27, 28, 29, 30) of the ultrasound sensor (26) and is evaluated in order to obtain at least one object position, characterized in that, in the case of a plurality of object positions obtained in parallel, the object positions are selected in accordance with a selection criterion, which is defined in that the at least four reflection points (33, 34, 35, 36) each associated with the object position lie approximately in a common plane in space.

Description

Ultraschallsensor und Verfahren zur Ortung von Objekten  Ultrasonic sensor and method for locating objects

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung von Objekten im Raum mit Hilfe eines Ultraschallsensors und einen entsprechenden Ultraschallsensor mit zumindest vier Ultraschallempfängern, wobei von einem externen oder von dem Ultraschallsensor umfassten Ultraschallsender ein Ultraschallsignal abgestrahlt wird und von den Ultraschallempfängern jeweils ein in zumindest einem zugeordneten Reflexionspunkt reflektiertes Ultraschallsignal empfan¬ gen und zur Gewinnung zumindest einer Objektposition in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird, welche mit den Ultraschallemp¬ fängern verbunden ist. The invention relates to a method for locating objects in space with the aid of an ultrasound sensor and a corresponding ultrasound sensor having at least four ultrasound receivers, an ultrasound signal being radiated from an external transmitter or ultrasound sensor and each reflected by the ultrasound receivers in at least one associated reflection point Received ¬ ultrasonic signal and evaluated to obtain at least one object position in an evaluation unit, which is connected to the Ultraschallemp ¬ catchers.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Ultraschallsensor bzw. ein von dem Ultraschallsensor implementiertes Verfahren für eine zuverlässige Ortung von dreidimensionalen Objektpositionen (SD- Ortung) relativ zur Position des Ultraschallsensors anhand von dreidimensionalen Reflexionspunkten im Raum mittels Ultraschall. Dabei zielt die Erfindung vor allem auf beliebige nicht konkave Objekte ab. Als Reflexionspunkt wird hier ein Punkt auf einem zu ortenden Objekt bezeichnet, an dem das vom Ultraschallsender abgestrahlte Ultraschallsignal reflektiert wird, bevor es zu einem der Ultraschallempfänger gelangt. Ein Reflexionspunkt ist daher jener Punkt auf der Oberfläche des Objekts, in dem die Reflexi¬ onsbedingung für einen bestimmten Ultraschallsender und einen bestimmten, nämlich den zugeordneten Ultraschallempfänger (d.h. ein bestimmtes Sender-Empfänger-Paar) erfüllt ist. Im Allgemei¬ nen sind daher die den Empfängern zugeordneten Reflexionspunkte nicht identisch bzw. gibt es pro Objekt so viele Reflexionspunkte wie Empfänger. Der Ultraschallsensor ist zur Messung der Laufzeiten eines vom Ultraschallsender abgestrahlten, in den Reflexionspunkten reflektierten und von den Ultraschallempfängern empfangenen Ultraschallsignals eingerichtet. Aus den gemessenen Laufzeiten lässt sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und den Reflexionspunkten, bzw. - genau genommen - die Summe der Abstände zwischen Ultraschallsender und Reflexionspunkt und Reflexionspunkt und Ultraschallempfänger, ableiten. Der Ultraschallsensor kann grundsätzlich als aktive Sensoreinrichtung mit einem eigenen Ul- traschallsender oder als passive Sensoreinrichtung ohne einen eigenen Ultraschallsender ausgeführt sein. Die Ultraschallempfänger bzw. die Ultraschallsender sind nicht nur aus konstruktiven Gründen, sondern auch um eine entsprechende Ortsauflösung zu erzielen, in Abständen voneinander angeordnet. Im Allgemeinen liegen daher bei mehreren Ultraschallsendern und/oder mehreren Ultraschallempfängern für dasselbe bzw. am selben Objekt verschiedene Reflexionspunkte vor. Jeder Reflexionspunkt ist dabei einem bestimmten Sender-Empfänger-Paar zugeordnet, wobei der Einfachheit halber bei einem einzigen Sender von einer Zuordnung zu den Empfängern gesprochen werden kann bzw. umgekehrt. In particular, the invention relates to an ultrasound sensor or a method implemented by the ultrasound sensor for reliable location of three-dimensional object positions (SD localization) relative to the position of the ultrasound sensor on the basis of three-dimensional reflection points in space by means of ultrasound. The invention aims primarily at any non-concave objects. Reflection point here is a point on an object to be located, at which the ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter is reflected, before it reaches one of the ultrasound receivers. A reflection point is therefore the point on the surface of the object in which the reflection ¬ onsbedingung for a particular ultrasonic transmitter and a particular, namely the associated ultrasonic receiver (ie, a particular transmitter-receiver pair) is met. Therefore, in ERAL ¬ nen the recipients associated reflection points are not identical and there are so many per object reflection points as receiver. The ultrasonic sensor is designed to measure the transit times of an ultrasound signal emitted by the ultrasound transmitter and reflected in the reflection points and received by the ultrasound receivers. From the measured transit times, the distance between the ultrasound sensor and the reflection points, or, strictly speaking, the sum of the distances between the ultrasound transmitter and the reflection point and the reflection point and ultrasound receiver, can be derived at a known sound velocity. The ultrasonic sensor can basically be used as an active sensor device with its own ultrasound sensor. traschallsender or be designed as a passive sensor device without its own ultrasonic transmitter. The ultrasonic receiver or the ultrasonic transmitter are arranged not only for structural reasons, but also to achieve a corresponding spatial resolution, at intervals from each other. In general, different reflection points are therefore present in the case of several ultrasound transmitters and / or a plurality of ultrasound receivers for the same or the same object. Each reflection point is associated with a specific transmitter-receiver pair, wherein for the sake of simplicity in a single transmitter can be spoken by an assignment to the receivers and vice versa.

Es ist hinlänglich bekannt, mittels Ultraschallsensoren die Laufzeit eines ersten reflektierten Ultraschallsignals (nachfol¬ gend auch kurz Echo genannt) zu messen und daraus unter der An¬ nahme, dass der Ursprung des Echos auf einer akustischen Achse des Sensors liegt, diesen Ursprung, welcher dem Reflexionspunkt des Echos entspricht, zu orten. Derartige Sensoren sind für eine echte dreidimensionale Ortung jedoch ungeeignet, da keine Infor¬ mation über die Richtung des Echos gewonnen wird. Zudem sind diese Sensoren typischer Weise auf ein sehr enges Sehfeld einge¬ schränkt (d.h. es werden Echos nur aus einem engen Raumwinkel empfangen) , um etwaige Fehler bei der Annahme, dass der Ursprung des Echos auf einer akustischen Achse des Sensors liegt, zu re¬ duzieren . It is well known, by means of ultrasonic sensors, the propagation time of a first reflected ultrasound signal (nachfol ¬ quietly also called short echo) to be measured and therefrom under An ¬ assumption that the origin of the echo is situated on an acoustic axis of the sensor, this origin, which corresponds to the Reflection point of the echo corresponds to locate. However, such sensors are unsuitable for a true three-dimensional positioning, as no infor ¬ mation is obtained about the direction of the echo. In addition, these sensors typically to a very narrow field of view are turned ¬ limits (that are received echo only from a narrow solid angle) to any errors in the assumption that the origin of the echo is situated on an acoustic axis of the sensor to re ¬ reduce.

Darüber hinaus wurden bereits Sensoreinrichtungen zur 3D-Ortung von Objekten mit mehreren Sendern und/oder Empfängern vorgeschlagen. Um die nötige Richtungsinformation zu erhalten, sind mindestens drei LaufZeitmessungen erforderlich. Daher weisen etwa Sensoreinrichtungen zur Gestenerkennung mittels Ultraschall, wie sie für mobile Endgeräte vorgeschlagen wurden, in der Regel mehrere Sender auf. Beispielsweise zeigt die In addition, sensor devices for the 3D location of objects with multiple transmitters and / or receivers have already been proposed. To obtain the necessary direction information, at least three running time measurements are required. Therefore, for example, sensor devices for gesture recognition by means of ultrasound, as have been proposed for mobile terminals, as a rule have a plurality of transmitters. For example, the shows

WO 2011/048433 AI ein System mit mehreren Sendern und Empfängern zur Ermittlung mehrerer Echos und zur Berechnung der 3D Positionsinformation einer Handbewegung. Weiters wurde von Kani- ak et al . (Kaniak, G.; Schweinzer, H., "A 3D Airborne Ultrasound Sensor for High-Precision Location Data Estimation and Conjunc- tion, " Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, 2008. IMTC 2008. IEEE, pp .842, 847, 12-15 May 2008, doi: 10.1109/IMTC.2008.4547154) bereits eine Sensoreinrichtung mit vier Ultraschallempfängern (Mikrophonen) zur Ortung der Reflexionspunkte beschrieben. WO 2011/048433 AI a system with multiple transmitters and receivers to determine multiple echoes and to calculate the 3D position information of a hand movement. Furthermore, Kanaki et al. (Kaniak, G., Schweinzer, H., "A 3D Airborne Ultrasound Sensor for High-Precision Location Data Estimation and Conjunction," Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, 2008. IMTC 2008. IEEE, pp. 842, 847, 12-15 May 2008, doi: 10.1109 / IMTC.2008.4547154) already described a sensor device with four ultrasonic receivers (microphones) for locating the reflection points.

Den bekannten Einrichtungen und Verfahren ist gemein, dass sie mit mehrfachen Echos und/oder überlagerten Echos, sowie mit Situationen bei denen die Ob ektpositionen deutlich von den bei der Ortung, d.h. bei der Berechnung der Ob ektpositionen, verwendeten Modellen abweichen, nicht in geeigneter Weise umgehen können. Insbesondere kommt es zu Schwierigkeiten, wenn die Lauf Zeitunterschiede zwischen zwei Echos an verschiedenen Objekten gering sind. Bei mehr als einem Objekt kann daher oft nicht meh eindeutig festgestellt werden, welche Echos zusammengehören und für die Berechnung der Objektposition kombiniert werden müssen. Jene Objekte, welche weiter als der maximale Abstand zwischen zwei Empfängern voneinander entfernt sind, können noch relativ leicht auseinander gehalten werden, da die Laufzeitunterschiede zwischen den Echos bei einem einzelnen Objekt nicht größer sein dürfen, als durch den Abstand zwischen den Empfängern vorgegeben. Wenn die Objekte allerdings näher beisammen liegen bzw. einen sehr ähnlichen Abstand von der Sensoreinrichtung haben, kann nur schwer festgestellt werden, welche Echos zusammengehö¬ ren, d.h. ihren Ursprung bzw. Reflexionspunkt am selben Objekt haben. Zur Umgehung dieses Problems wurden bereits aufwendige Verfahren vorgeschlagen, bei denen beispielsweise anhand der Phasen- und Amplitudeninformation des Echos eine Zuordnung rekonstruiert werden soll. Bei einfacheren Methoden werden lediglich solche Kombinationen verworfen, für die keine geometrische Lösung für eine entsprechende Objektposition vorliegt. Dadurch werden jedoch bei weitem nicht alle Mehrdeutigkeiten aufgelöst, insbesondere wenn mehr als drei LaufZeitmessungen vorliegen bzw kombiniert werden können. The known devices and methods have in common that they with multiple echoes and / or superimposed echoes, as well as with situations in which the ektpositionen significantly differ from the used in the location, ie in the calculation of the ektpositionen, models, not in an appropriate manner to be able to deal with. In particular, difficulties arise when the running time differences between two echoes on different objects are small. For more than one object, therefore, it can often not be clearly determined which echoes belong together and must be combined for the calculation of the object position. Those objects that are farther apart than the maximum distance between two receivers may still be relatively easily separated, since the time differences between the echoes for a single object may not be greater than predetermined by the distance between the receivers. If the objects are together but closer and have a very similar distance from the sensor device, it is difficult to determine which echoes zusammengehö ¬ ren, that have their origin or point of reflection on the same object. To circumvent this problem, elaborate methods have already been proposed in which, for example, an assignment is to be reconstructed on the basis of the phase and amplitude information of the echo. For simpler methods, only those combinations are rejected for which there is no geometric solution for a corresponding object position. However, this does not resolve all ambiguities, especially if more than three run time measurements are available or can be combined.

Solange die Ultraschallempfänger relativ nahe beisammen angeord net sind und alle Reflexionspunkte auf demselben Objekt liegen, kann die Objektposition anhand der Reflexionspunkte relativ ge¬ nau ermittelt werden bzw. kann der durch die Verwendung verschiedener Reflexionspunkte gemachte Fehler - je nach gegebenen Genauigkeitsanforderungen und Geometrie der Objekte (optimal sind Objekten mit ebenen oder konvexen Oberflächen, während bei konkaven Oberflächen mit vergleichsweise größeren Fehlern gerechnet werden muss) - vernachlässigt werden. Wenn die Reflexi¬ onspunkte jedoch auf unterschiedlichen Objekten liegen, kann dies zu falschen Objektpositionen führen. Dies liegt daran, dass die einzelnen LaufZeitmessungen lediglich Abstandmessungen sind und keine Richtungsinformation enthalten. Die Richtungsinformation kann erst aus den Abweichungen zwischen den einzelnen Laufzeitmessungen abgeleitet werden. As long as the ultrasound receivers are relatively close together angeord net and all reflection points are on the same object, the object position based on the reflection points can be relatively ge ¬ accurately determined or made by the use of different reflection points error - depending on given Accuracy requirements and geometry of the objects (optimal are objects with flat or convex surfaces, whereas in concave surfaces with relatively larger errors must be expected) - neglected. However, if the Reflection ¬ onspunkte are on different objects, this can lead to incorrect object positions. This is because the individual run time measurements are just distance measurements and do not contain directional information. The direction information can only be derived from the deviations between the individual transit time measurements.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die im Stand der Technik beobachteten Nachteile zu beheben und einen Ultraschallsensor bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ultraschallsensors zu schaf¬ fen, welcher genaue und zuverlässige dreidimensionale Ortungsda¬ ten (in Form von Objektpositionen) bereitstellt und somit die Verarbeitung und letztlich die praktische Verwendung der gewonnenen Ortungsdaten erleichtert. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, mit einem einzelnen Ultraschallsensor eine parallele Ortung von mehreren Objekten in einem möglichst weiten Raumwinkel bei zugleich weitgehender Vermeidung von Obj ektpositions- Artefakten (falsch erkannter Objektpositionen), welche insbesondere auf Unstetigkeitsstellen in den Objektoberflächen zurückzuführen sind, zu ermöglichen. It is an object to resolve the observed in the prior art disadvantages and provides an ultrasonic sensor and a method for operation of such an ultrasonic sensor to sheep ¬ fen, which is accurate, reliable three-dimensional Ortungsda ¬ th (in the form of object positions) of the invention, and thus the Processing and ultimately the practical use of the obtained location data. In particular, it is an object of the invention, with a single ultrasonic sensor parallel positioning of multiple objects in the widest possible solid angle while at the same time largely obj ektpositions- artefacts (incorrectly recognized object positions), which are due in particular to discontinuities in the object surfaces.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei mehreren parallel gewonnenen Objektpositionen diese nach einem Selektionskriterium selektiert werden, welches dadurch definiert ist, dass die der Objektposition jeweils zugeordneten zumindest vier Reflexionspunkte näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen. Die Näherung gilt insbesondere dann als eingehalten, wenn die Abweichungen der Reflexionspunkte von einer gemeinsamen Ebene weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 400 μπι, weniger als 200 μπι, oder weniger als 100 μπι betragen. Während die Abweichungen für ebene Oberflächen vom Abstand unabhängig sind, können bei vorbekannten Objektgeometrien auch abstandsabhängige Grenzwerte eingesetzt werden (z.B. liegen im Falle einer Kugel, je weiter die Kugel vom Sensor entfernt ist, alle Reflexionspunkte desto näher beisammen, da nur ein sehr kleiner Winkel notwendig ist um bei größerer Entfernung den Abstand des Empfängers/Senders zu erreichen; dementsprechend sinkt die Abweichung der Reflexionspunkte von einer Ebene mit zunehmendem Abstand) . Es ist dem Fachmann daraus unmittelbar ersichtlich, dass je nach Anforderungen der jeweiligen Anwendung und Genauigkeit der verwendeten Komponenten und gegebenenfalls abhängig vom Abstand und von den Sensorabmessungen ein entsprechend angepasster Toleranzbereich für das näherungsweise Kriterium gewählt wird. Die Reflexionspunkte sind dabei ihrerseits verschiedenen Sender-Empfänger-Paaren bzw. - bei einem einzigen Sender - verschiedenen Empfängern zugeordnet. Zur Selektion werden die Reflexionspunkte selbst nicht als dreidimensionale Raum¬ punkte ermittelt, sondern es wird lediglich überprüft, ob für die den Reflexionspunkten entsprechenden gemessenen Laufzeiten bzw. für die korrespondierenden Abstände und unter Berücksichtigung der Reflexionsbedingung eine Lösung existiert, bei der die durch die Abstände charakterisierten Reflexionspunkte in einer Ebene liegen. Da das Selektionskriterium bei bewegten Objekten (oder einem bewegten Sensor) im Allgemeinen nur zu einem Zeitpunkt erfüllt ist, ist es zumindest in diesen Fällen wesentlich, dass die Messungen zu einem Zeitpunkt, d.h. zugleich und simul¬ tan, durchgeführt werden, so dass die empfangenen und zur Rekonstruktion einer Objektposition assoziierten reflektierten This object is achieved in a method of the initially mentioned type according to the invention, that in several object positions obtained in parallel these are selected according to a selection criterion, which is defined by the fact that the object position respectively associated at least four reflection points are approximately in a common plane in space. The approximation is particularly true when the deviations of the reflection points from a common plane are less than 5 mm, preferably less than 1 mm, in particular less than 400 μπι, less than 200 μπι, or less than 100 μπι. While the deviations for plane surfaces are independent of the distance, distance-dependent limit values can also be used for previously known object geometries (eg in the case of a sphere, the farther the sphere is from the sensor is, all the reflection points closer together, since only a very small angle is necessary to reach the distance of the receiver / transmitter at a greater distance; accordingly, the deviation of the reflection points from a plane decreases with increasing distance). It is obvious to the person skilled in the art that, depending on the requirements of the particular application and accuracy of the components used and, if appropriate, on the distance and on the sensor dimensions, a correspondingly adapted tolerance range for the approximate criterion is selected. The reflection points are in turn assigned to different transmitter-receiver pairs or-in the case of a single transmitter-to different receivers. For selection, the reflection points themselves are not determined as the three-dimensional space ¬ dots, but it is only checked whether for the reflection points corresponding measured transit times and a solution exists for the corresponding distances and taking into account the reflection condition, in which the characterized by the distances Reflection points lie in a plane. Since the selection criterion for moving objects (or a moving sensor) is generally met only at one point in time, it is essential, at least in these cases, for the measurements to be carried out at a time, ie simultaneously and simul taneously , so that the received and reflected for reconstructing an object position

Ultraschallsignale auf ein uns dasselbe abgestrahlte Ultra¬ schallsignal zurückgehen. Das Erfordernis der Mindestanzahl von vier Messungen ergibt sich auf natürliche Weise, da es bei nur drei Messungen immer möglich ist, eine Ebene zu finden, welche die Reflexionsbedingung für die drei entsprechenden Reflexionspunkte erfüllt. Der Vorteil und Erfolg des vorgeschlagenen Se¬ lektionskriteriums liegt darin begründet, dass dieses zum Einen für die erkennbaren Objekte keine wesentliche Einschränkung darstellt, da die Reflexionspunkte aufgrund der Sensorgröße am Ob¬ jekt geometrisch so nahe beieinander liegen, dass bereits eine abschnittsweise annähernd ebene Oberfläche zur Erfüllung des Kriteriums ausreicht. Zum Anderen ist es zugleich höchst unwahr¬ scheinlich, dass die Reflexionspunkte verschiedener Objekte zu¬ fällig in einer gemeinsamen Ebene liegen. Aus diesen Gründen lassen sich mittels des angegebenen Selektionskriteriums z.B. Artefakte, welche aus einer Assoziation von Reflexionspunkten auf verschiedenen Objekten resultieren, erkennen und somit vermeiden. Das Ortungsverfahren wird dadurch insgesamt robuster gegenüber Verfälschungen in Form von falschen oder nur scheinbar plausiblen Ob ektpositionen. Ultrasound signals go back to us the same radiated ultrasonic ¬ sound signal. The requirement of the minimum number of four measurements arises naturally, since with only three measurements it is always possible to find a plane which satisfies the reflection condition for the three corresponding reflection points. The advantage and success of the proposed Se ¬ lesson criterion is based on the fact that this is the one for recognizable objects no significant limitation because the reflection points due to the sensor size on the Ob ¬ ject are geometrically so close together that even a partially approximately flat surface to Satisfying the criterion. It is also highly unlikely ¬ scheinlich On the other hand, that the reflection points of different objects are to ¬ due in a common plane. For these reasons, for example, by means of the specified selection criterion Recognize artifacts, which result from an association of reflection points on different objects and thus avoid. As a result, the positioning method becomes more robust as a whole than distortions in the form of false or only apparently plausible object positions.

Dementsprechend wird die oben angeführte Aufgabe bei einem Ul¬ traschallsensor der eingangs angeführten Art erfindungsgemäß da¬ durch gelöst, dass die Auswerteeinheit ein Selektionsmodul umfasst, welches bei mehreren parallel gewonnenen Objektpositio¬ nen zur Ermittlung jener Objektpositionen eingerichtet ist, bei denen die der Objektposition jeweils zugeordneten zumindest vier Reflexionspunkte näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen. Das Selektionsmodul implementiert das oben im Zu¬ sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Detail erläuterte Selektionskriterium. Dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, zumindest eine Objektposition aus den empfangenen Ultraschallsignalen zu gewinnen, bedeutet - für den Fachmann selbstverständlich - unter anderem, dass sie neben dem Selektionsmodul sämtliche zur Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale not¬ wendigen Elemente, wie z.B. typischer Weise eine Recheneinheit, einen Speicher und - im Fall einer LaufZeitmessung - einen Zeitgeber, umfasst. Das Selektionsmodul kann als eigene Hardwareein¬ heit oder vorzugsweise als Softwaremodul realisiert sein und beispielsweise auch nachträglich in eine geeignete Sensorvorrichtung bzw. deren Auswerteeinheit integriert werden. Es können grundsätzlich beliebige Gerätetypen für den Ultraschallsender oder die Ultraschallempfänger verwendet werden. Beispielsweise können ein breitbandiger elektrostatischer Wandler als Ultraschallsender und vier oder mehr kleine ungerichtete MEMS Mikro¬ phone als Ultraschallempfänger verwendet werden. Accordingly, the object stated above is according to the invention in a Ul ¬ traschallsensor the initially defined type as ¬ solved by that the evaluation unit comprises a selection module which is set at more gained parallel Objektpositio ¬ nen for determining that object positions in which the object position respectively associated at least four reflection points are approximately in a common plane in space. The selection module implements the top of the to ¬ connexion with the inventive method in detail explained selection criterion. The fact that the evaluation unit is set up to obtain at least one object position from the received ultrasound signals means, among others, that in addition to the selection module, all elements necessary for evaluating the received ultrasound signals, such as typically a computing unit, a Memory and - in the case of a LaufTeitmessung - a timer includes. The selection module may be realized and for example also be retrofitted to an appropriate sensor device or its evaluation as a separate Hardwareein ¬ integral or, preferably, as a software module. In principle, any type of device for the ultrasonic transmitter or the ultrasonic receiver can be used. For example, a broadband electrostatic transducer as an ultrasonic transmitter and four or more small non-directional MEMS micro ¬ phone can be used as an ultrasonic receiver .

Generell zielt das vorliegende Verfahren nicht darauf ab, eine ebene Oberfläche zu erkennen, sondern darauf, die Position des Objekts bzw. die Position eines dem Objekt entsprechenden äquivalenten Reflexionspunktes auf der Oberfläche des Objekts zu be¬ stimmen. Aus diesem Grund muss die Bedingung, dass alle In general, the present method does not aim to realize a flat surface, but on tune the position of the object or the position of an object corresponding to the equivalent reflection point on the surface of the object to be ¬. For this reason, the condition that all

Reflexionspunkte in einer Ebene liegen, auch nur näherungsweise erfüllt sein, da sie in der Praxis nur für bestimmte Objektgeo- metrien zutrifft: Reflection points in a plane, even if they are only approximately fulfilled, since in practice they only apply to certain object geometries. metric applies:

• im Fall einer ebenen Oberfläche ist sie klarerweise streng erfüllt ; • in the case of a flat surface, it is clearly strictly met;

• im Fall einer Kugeloberfläche ist sie im Allgemeinen nicht exakt, sondern nur näherungsweise erfüllt, wobei die (virtuelle) Ebene die Kugel schneidet; konvergiert die Kugel zu einem Punkt, ist die Bedingung ebenfalls erfüllt; In the case of a spherical surface, it is generally not exact, but only approximately fulfilled, with the (virtual) plane intersecting the sphere; if the ball converges to a point, the condition is also fulfilled;

• im Fall eines Zylinders können sich bei entsprechender Orientierung zwei Punkte wie bei einer Ebene verhalten. Die beiden weiteren Reflexionspunkte verhalten sich wie bei einer Kugel mit entsprechendem Radius; näherungsweise ist auch hier die Bedingung wieder erfüllt. • in the case of a cylinder, two points may behave as if they were at one level, given their orientation. The other two reflection points behave like a sphere with a corresponding radius; Approximately, the condition is met again here as well.

Um die Robustheit des vorliegenden Verfahrens noch weiter zu steigern, hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der Ul¬ traschallsensor zumindest fünf Ultraschallempfänger aufweist, wobei das Selektionskriterium dementsprechend dadurch definiert ist, dass die der Ob ektposition jeweils zugeordneten zumindest fünf Reflexionspunkte im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen. Erst mit einem fünften Sensor lassen sich auch Artefakte, welche bei bestimmten Symmetrien mit vier Sensoren nicht erkennbar sind (z.B. wenn jeweils zwei Reflexionspunkte auf zwei verschiedenen Objekten mit parallelen Oberflächen liegen) , erkennen und vermeiden. Dementsprechend ist es auch bei dem vorliegenden Ultraschallsensor günstig, wenn er zumindest fünf Ultraschallempfänger aufweist, welche mit der Auswerteeinheit verbunden sind. In order to increase the robustness of the present method even further, it has been found to be favorable if the Ul ¬ traschallsensor at least five ultrasound receiver, wherein the selection criterion is accordingly defined by the fact that the Whether ektposition each case at least associated five reflection points substantially in a common plane in space. Only with a fifth sensor can artifacts, which are not recognizable at certain symmetries with four sensors (for example, if in each case two reflection points lie on two different objects with parallel surfaces), be detected and avoided. Accordingly, it is also favorable in the present ultrasonic sensor if it has at least five ultrasonic receivers which are connected to the evaluation unit.

Um die weitere Verarbeitung der gewonnenen Ortungsdaten bzw. Objektpositionen zu erleichtern, ist es vorteilhaft, wenn Objektpositionen, für welche keine gemeinsame Ebene gefunden werden kann, als Artefakte erkannt und verworfen werden. Jene Objektpo¬ sitionen, bei denen keine gemeinsame Ebene für die (hypotheti¬ schen) Reflexionspunkte gefunden werden kann, erfüllen das In order to facilitate further processing of the acquired location data or object positions, it is advantageous if object positions for which no common level can be found are recognized as artifacts and discarded. Those Objektpo ¬ sitions where no common ground for the (hypothetical ¬ rule) reflection points can be found to meet the

Selektionskriterium nicht und es ist daher vorteilhaft, diese bereits frühzeitig, z.B. noch im Ultraschallsensor, zu filtern und nicht - wie die übrigen Ortungsdaten - z.B. über eine Datenschnittstelle auszugeben. Selection criterion not and it is therefore advantageous to filter them early, for example, still in the ultrasonic sensor and not - like the other location data - eg output via a data interface.

Eine einfache, rechnerisch effiziente und somit besonders rasche Selektion kann erzielt werden, wenn eine gerade Anzahl von Ultraschallempfängern in einer Ebene und in zumindest zwei bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunkts spiegelsymmetrischen Paaren angeordnet sind, wobei das Selektionskriterium dadurch definiert ist, dass die gemittelte Flugzeit der Empfängerpaare im Wesent¬ lichen übereinstimmt. Dieses Kriterium ist selbstverständlich äquivalent mit einem Vergleich der Summen der Laufzeiten. Das in diesem Fall auf ein so genanntes Mittenkriterium vereinfachte Selektionskriterium kann demzufolge durch eine einfache Mittel¬ wertberechnung der Laufzeit für jedes Empfängerpaar und anschließenden Vergleich der resultierenden Mittelwerte überprüft werden. Dementsprechend ist es im Zusammenhang mit dem vorlie¬ genden Ultraschallsensor besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Ultraschallempfänger in einer Ebene und in zumindest zwei bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunkts spiegelsymme¬ trischen Paaren angeordnet ist. Demgegenüber hat eine A simple, computationally efficient and thus particularly rapid selection can be achieved if an even number of ultrasound receivers are arranged in one plane and in at least two mirror-symmetrical pairs with respect to a common center, wherein the selection criterion is defined by the averaged flight time of the receiver pairs in the Wesent ¬ union matches. This criterion is of course equivalent to a comparison of the sums of maturities. The simplified in this case, a so-called mid-criterion selection criterion can therefore be checked by a simple means ¬ value calculation of the running time for each receiver pair and then comparing the resulting averages. Accordingly, it is particularly advantageous in connection with the vorlie ¬ constricting ultrasonic sensor when at least a portion of the ultrasonic receivers in a plane and in at least two relative to a common midpoint spiegelsymme ¬ trical pairs is arranged. In contrast, has a

asymmetrische Anordnung der Empfänger den Vorteil, dass eine Er¬ kennung von Artefakten in mehr Situationen als bei einer symmetrischen Konstruktion möglich ist. asymmetric arrangement of the receiver has the advantage that a He ¬ recognition of artifacts in more situations than in a symmetrical construction is possible.

In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig herausgestellt, wenn nach der Überprüfung des Selektionskriteriums anhand der Empfängerpaare eine Ebene auf Basis der von den Empfängerpaaren gemessenen Laufzeiten ermittelt wird und für einen zweiten Teil von Ultraschallempfängern, welche nicht in spiegelsymmetrischen Paaren angeordnet sein müssen, überprüft wird, ob die diesen Ul¬ traschallempfängern zugeordneten Reflexionspunkte in der ermittelten Ebene liegen, wobei andernfalls das Selektionskriterium insgesamt nicht erfüllt ist. Für den Fall, dass außer den symme¬ trisch angeordneten Empfängerpaaren weitere Empfänger vorgesehen sind, kann das Selektionskriterium somit in einem zweistufigen Prozess ausgewertet werden, wobei in einem ersten Schritt das oben geschilderte und effizient überprüfbare Mittenkriterium an¬ gewendet wird und anschließend nur ene Kombinationen von Refle¬ xionspunkten berücksichtigt werden, welche das Mittenkriterium erfüllen. Die vergleichsweise rechenaufwendigere Überprüfung, auch die von den nicht symmetrisch angeordneten Ultraschallemp fängern gemessenen Laufzeiten mit der ermittelten Ebene konsis tent sind, erfolgt dabei nur für eine vergleichsweise kleine, weil bereits vorselektierte Anzahl von Kombinationen. Dieses Verfahren kann insbesondere bei Verwendung eines fünften Ultra schallempfängers zusammen mit vier symmetrisch angeordneten Ul traschallempfängern zum Einsatz kommen. In this context, it has proved to be advantageous if, after checking the selection criterion based on the receiver pairs, a plane is determined based on the transit times measured by the receiver pairs and checked for a second part of ultrasound receivers which need not be arranged in mirror-symmetrical pairs whether these Ul ¬ traschallempfängern associated reflection points are located in the determined plane, otherwise the selection criterion is generally not fulfilled. In the event that further receivers are provided other than the sym ¬ trically arranged receiver pairs, the selection criterion can thus be evaluated in a two-step process, wherein the above-described and efficient verifiable center criterion is turned on ¬ in a first step and then only ene combinations of Reflection ¬ tion points are taken into account, which are the center criterion fulfill. The comparatively rchenaufwendigere review, even the measured by the non-symmetrically arranged Ultraschallemp scavengers with the determined level consis tent, takes place only for a comparatively small, because already preselected number of combinations. This method can be used in particular when using a fifth ultrasonic receiver together with four symmetrically arranged Ul traschallempfängern used.

Ein besonders effizientes Verfahren zur Überprüfung des Selekti¬ onskriteriums kann zur Anwendung kommen, wenn die Empfängerpaare den gleichen Abstand zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfängern aufweisen, wobei insbesondere die Empfänger in einer der Anzahl n der Ultraschallempfänger entsprechenden n-zähligen Drehsymmetrie angeordnet sind, wobei ein äquivalenter Reflexi¬ onspunkt für alle Empfänger auf Basis der von den Empfängerpaa¬ ren gemessenen Laufzeiten ermittelt wird und für einen zweiten Teil von Ultraschallempfängern, welche nicht symmetrisch angeordnet sein müssen, überprüft wird, ob die diesen Ultraschall¬ empfängern zugeordneten Reflexionspunkte mit dem äquivalenten Reflexionspunkt konsistent sind, wobei andernfalls das Selekti¬ onskriterium insgesamt nicht erfüllt ist. Mit dem Abstand d zwi¬ schen dem Ultraschallsender und den einzelnen A particularly efficient method for checking the Selekti ¬ onskriteriums can be used when the receiver pairs have the same distance between the ultrasonic transmitter and ultrasonic receivers, with in particular the receiver in one of the number n of the ultrasonic receiver corresponding n-fold rotational symmetry are arranged, wherein an equivalent Reflection ¬ onspunkt is determined for all the receivers on the basis of values measured by the Empfängerpaa ¬ maturities and is checked for a second portion of ultrasonic receivers, which may not be symmetrical, whether these ultrasonic ¬ receivers associated reflection points are consistent with the equivalent point of reflection, wherein otherwise the Selekti ¬ onskriterium is generally not fulfilled. With the distance d Zvi ¬ rule the ultrasound transmitter and the individual

Ultraschallempfängern kann die Position des äquivalenten Reflexionspunktes wie folgt berechnet werden:  For ultrasonic receivers, the position of the equivalent reflection point can be calculated as follows:

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2 2 2  2 2 2

z=V r —x —y wobei Ii jeweils der einer vom Ultraschallempfänger i gemessenen Laufzeit entsprechende Abstand ist. Da hiermit der äquivalente Reflexionspunkt bekannt ist, können die zu erwartenden Laufzei¬ ten für den oder die weiteren Ultraschallempfänger sofort berechnet werden. D.h. die Reflexionspunkte der weiteren Empfänger sind genau dann konsistent, wenn ihr Abstand näherungsweise dem Abstand des äquivalenten Reflexionspunktes entspricht. z = V r -x -y where Ii is in each case the distance corresponding to a transit time measured by the ultrasound receiver i. There being the equivalent reflection point is known, the expected Laufzei ¬ th for the one or more ultrasound receiver can be calculated immediately. That is, the reflection points of the other receivers are consistent if and only if their distance is approximately equal to the distance of the equivalent reflection point.

Das vorliegende Verfahren ist besonders für ene Fälle geeignet, bei denen die Ob ektpositionen mehrerer Objekte ausgehend von einem einzigen abgestrahlten Ultraschallsignal (z.B. von einem Ultraschallsensor mit nur einem einzigen Ultraschallsender) ermittelt werden. Derartige Szenenanalysen sind von dem Problem der Artefakte besonders stark betroffen, so dass das vorge¬ schlagene Selektionskriterium hier entscheidende Verbesserungen ermöglicht . The present method is particularly suitable for ene cases in which the ektpositionen of multiple objects from a single radiated ultrasonic signal (eg, from an ultrasonic sensor with a single ultrasonic transmitter) are determined. Such scene analysis are particularly affected by the problem of artifacts, so that the pre ¬ troubled selection criterion enables significant improvements here.

Aufgrund der hohen Aussagekraft des oben dargestellten Selekti¬ onskriteriums können bei dessen Verwendung beim Empfang von mehr als einem reflektiertem Ultraschallsignal in einem Empfänger, die Objektpositionen durch Bildung aller möglicher Kombinationen von Reflexionspunkten, wobei jeder Reflexionspunkt einem anderen Ultraschallempfänger zugeordnet ist, ermittelt werden. Die Re¬ flexionspunkte sind dabei in der Regel nicht als dreidimensiona¬ le Punkte bekannt, sondern lediglich durch ihren (gemessenen) Abstand vom Ultraschallsensor charakterisiert. Die naturgemäß große Anzahl von Kombinationen - welche mit der Anzahl der vorhandenen Objekte wesentlich steigt - kann alleine durch das Se¬ lektionskriterium auf die gültigen Kombinationen reduziert werden, d.h. es können weitere, wesentlich aufwendigere Selekti¬ onsmechanismen, wie z.B. unter Berücksichtigung der Richtcharakteristik bzw. der Amplitude und/oder Phase der empfangenen Due to the high significance of the illustrated above Selekti ¬ onskriteriums can during its use in receiving more than a reflected ultrasonic signal in a receiver, the object positions are determined by forming all possible combinations of reflection points, each reflection point is associated with a different ultrasonic receiver. The re ¬ inflection points are not usually known as dreidimensiona ¬ le points, but characterized only by their (measured) distance from the ultrasonic sensor. The naturally large number of combinations - which significantly increases with the number of existing objects - alone can be reduced by the Se ¬ lesson criterion on the valid combinations, ie, additional, much more complex Selekti ¬ mecha- nisms, such as taking into account the directivity or the amplitude and / or phase of the received

Echos, entfallen. Echoes, omitted.

Ganz allgemein und insbesondere im Zusammenhang mit der Kombinatorik aller Reflexionspunkte ist es günstig, wenn Objektpositio¬ nen, bei denen der maximale Abstand zwischen zwei jeweils zugeordneten Reflexionspunkten den maximalen Abstand zwischen zwei Ultraschallempfängern übersteigt, vor der Selektion verworfen werden. Da dieses Kriterium rechnerisch noch einfacher zu realisieren ist als selbst das oben dargestellte Mittenkriterium, sollte es gegebenenfalls vor allen anderen Selektionsschrit¬ ten überprüft werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen dabei im Einzelnen: In general, and particularly in the context of combinatorial all reflection points, it is favorable if Objektpositio ¬ NEN, in which the maximum distance between two respectively associated reflection points exceeds the maximum distance between two ultrasonic receivers are discarded prior to selection. Since this criterion is mathematically even easier to implement than even the central criterion shown above, it should be checked if necessary before all other selection steps . The invention will be explained below with reference to particularly preferred embodiments, to which it should not be limited, and with reference to the drawings. The drawings show in detail:

Fig. 1A ein Beispiel für einen aktiven Ultraschallsensor gemäß Stand der Technik mit nur drei Ultraschallempfängern und Fig. 1B ein Zeit-Diagramm der von den drei Empfängern erkannten Ultraschallsignale ;  1A shows an example of an active ultrasonic sensor according to the prior art with only three ultrasonic receivers and FIG. 1B shows a time diagram of the ultrasonic signals detected by the three receivers;

Fig. 2 eine Anwendung eines Ultraschallsensors gemäß Fig. 1 bei leicht versetzt angeordneten Objekten;  FIG. 2 shows an application of an ultrasonic sensor according to FIG. 1 with objects arranged slightly offset; FIG.

Fig. 3 einen aktiven Ultraschallsensor mit vier Ultraschallempfängern bei einer Anwendung gemäß Fig. 2 ;  3 shows an active ultrasonic sensor with four ultrasonic receivers in an application according to FIG. 2;

Fig. 4A einen aktiven Ultraschallsensor mit vier Ultraschallempfängern bei einer Anwendung gemäß Fig. 1A und Fig. 4B das zugeordnete Zeit-Diagramm, vergleichbar Fig. 1B;  4A shows an active ultrasonic sensor with four ultrasonic receivers in an application according to FIG. 1A and FIG. 4B the associated time diagram, comparable to FIG. 1B;

Fig. 5 einen aktiven Ultraschallsensor mit fünf Ultraschallempfängern bei einer Anwendung gemäß Fig. 2 ;  5 shows an active ultrasonic sensor with five ultrasonic receivers in an application according to FIG. 2;

Fig. 6 schematisch einen Anwendungsfall eines aktiven Ultraschallsensors mit fünf Ultraschallempfängern in einer Umgebung mit Retroreflektoren;  6 shows schematically an application of an active ultrasonic sensor with five ultrasonic receivers in an environment with retroreflectors;

Fig. 7 schematisch einen Anwendungsfall eines passiven Ultraschallsensors mit fünf Ultraschallempfängern in einer mit externen Ultraschallsendern versehenen Umgebung;  7 schematically shows an application of a passive ultrasonic sensor with five ultrasonic receivers in an environment provided with external ultrasonic transmitters;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen aktiven Ultra¬ schallsensor gemäß Fig. 5; und Fig. 8 is a schematic plan view of an active ¬ Ultra sound sensor of FIG. 5; and

Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild eines Ultraschall¬ sensors . 9 is a schematic block diagram of an ultrasonic sensor ¬ .

In Fig. 1A und 1B ist die grundsätzliche Schwierigkeit einer Zu¬ ordnung der Echos von zwei verschiedenen Objekten illustriert. Fig. 1A zeigt dabei schematisch einen aktiven Ultraschallsensor 1 mit drei Ultraschallempfängern 2, 3, 4 und mit einem Ultraschallsender 5, wobei die Ultraschallempfänger 2, 3, 4 und der Ultraschallsender 5 in einer gemeinsamen Ebene 6 angeordnet sind. Der Ultraschallsender 5 gibt zur Ortung der Objekte 7, 8 ein kurzes breitbandiges Ultraschallsignal 9, beispielsweise ein linear frequenzmoduliertes Signal mit einer Länge von einigen hundert Mikrosekunden und einer auf den Sender abgestimmten Bandbreite, z.B. 30 kHz, ab. Das abgegebene Ultraschallsignal 9 wird an Objekten 7, 8 in der Umgebung des Ultraschallsensors 1 reflektiert. Jene Punkte einer Ob ektoberfläche, welche die Re¬ flexionsbedingung für ein Sender-Empfänger-Paar des Ultraschallsensors 1 erfüllen, werden als Reflexionspunkte bezeichnet. D.h. das vom Ultraschallsender 5 abgestrahlte bzw. emittierte Ultra¬ schallsignal 9 wird in den Reflexionspunkten auf jeweils einen der Ultraschallempfänger 2, 3, 4 reflektiert. Die hier in der Umgebung des Ultraschallsensors 1 und in einem ähnlichen Abstand vom Ultraschallsensor 1 angeordneten Objekte 7, 8 sind kugelförmig bzw. annähernd punktförmig, so dass die drei Reflexionspunkte in diesem Fall im Wesentlichen in einem Punkt zusammenfallen und deshalb nicht separat dargestellt sind. Ein von dem Ultra¬ schallsender 5 abgestrahltes Ultraschallsignal 9 wird an den beiden Objekten 7, 8 jeweils im Wesentlichen in den gesamten dem Ultraschallsender 5 zugewandten Halbraum reflektiert. Somit erreichen jeden Ultraschallempfänger 2, 3, 4 jeweils sowohl ein von dem ersten Objekt 7 reflektiertes Ultraschallsignal 10 als auch ein von dem zweiten Objekt 8 reflektiertes Ultraschallsi¬ gnal 11. Das Zeit-Diagramm 12 in Fig. 1B weist drei separate Zeitachsen 13, 14, 15 für jeweils einen Ultraschallempfänger 2, 3, 4 auf, welche den drei Empfänger-Kanälen entsprechen. Auf den Zeitachsen 13, 14, 15 sind jeweils die beiden Zeitpunkte ti, t2, t3 des Empfangs der beiden reflektierten Ultraschallsignale 10, 11 eingezeichnet, wobei das vom ersten Objekt 7 reflektierte Ul¬ traschallsignal 10 als durchgezogene vertikale Linie und das vom zweiten Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal 11 als gestri¬ chelte vertikale Linie eingezeichnet sind. Die für die Ortung relevante LaufZeitinformation der einzelnen Ultraschallempfänger 2, 3, 4 bzw. die entsprechende Abstandsinformation wird durch Korrelation der einzelnen Empfänger-Kanäle anhand von vorherge¬ sagten oder erlernten Korrelationsmustern gewonnen. Dabei werden die gemessenen Ultraschallsignale gruppiert, wobei jede Gruppe 16 aus jeweils einer LaufZeitmessung t± aus jedem Empfänger-Kanal besteht. Im Fall von n Ultraschallempfängern bzw. Mikrophonen besteht eine Gruppe 16 aus genau n LaufZeitmessungen t±, wobei t± eine LaufZeitmessung des Kanals i repräsentiert. Dabei werden vorzugsweise nur gültige Gruppen 16 gebildet, wobei eine Gruppe 16 dann und nur dann gültig ist, wenn die Bedingung (t.-tj-c < d13 V 1 < i,j < n (2) erfüllt ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit in der Umgebung des Ultraschallsensors 1 und d±j der physikalische Abstand zwi¬ schen den Ultraschallempfängern i und j ist. Dabei kann eine bestimmte LaufZeitmessungen t± grundsätzlich mehreren Gruppen angehören. Eine Auswahl einer für die Ortung eines Objekts verwendeten Gruppe 16 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zeitlich nahe beisammen liegende Signale bevorzugt werden. Diese Zuordnung basiert im Grunde auf der Annahme, dass verschiedene Objekte in unterschiedlichem Abstand vom Ultraschallsensor 1 angeordnet sind. Da dies im gezeigten Fall (s. Fig. 1A) jedoch nicht zutrifft, ist die Zuordnung zur Gruppe 16 falsch und die aus den einander zugeordneten Signalen rekonstruierten Objektpositionen sind daher ebenfalls fehlerhaft. Die tatsächlichen Po¬ sitionen der Objekte 7, 8 können bei einer solchen Zuordnung nicht erkannt werde. In Fig. 1A and 1B, the fundamental difficulty to a ¬ order of the echoes from two different objects is illustrated. 1A shows schematically an active ultrasonic sensor 1 with three ultrasonic receivers 2, 3, 4 and with an ultrasonic transmitter 5, wherein the ultrasonic receivers 2, 3, 4 and the ultrasonic transmitter 5 are arranged in a common plane 6. The ultrasonic transmitter 5 is for locating the objects 7, 8 a short broadband ultrasonic signal 9, for example, a linearly frequency-modulated signal with a length of a few hundred microseconds and tuned to the transmitter bandwidth, eg 30 kHz from. The emitted ultrasonic signal 9 is reflected on objects 7, 8 in the vicinity of the ultrasonic sensor 1. Ektoberfläche those points a Ob, which satisfy the Re ¬ flexionsbedingung for a transmitter-receiver pair of the ultrasonic sensor 1, are referred to as reflection points. That is, the radiated from the ultrasonic transmitter 5 and emitted Ultra ¬ sound signal 9 of the ultrasonic receiver 2, 3, 4 is reflected in the reflection points in each case a. The here in the vicinity of the ultrasonic sensor 1 and at a similar distance from the ultrasonic sensor 1 arranged objects 7, 8 are spherical or approximately point-shaped, so that the three reflection points in this case substantially coincide in one point and are therefore not shown separately. A light emitted from the ultra-sonic transmitter ¬ 5 9 ultrasonic signal is reflected at the two objects 7, 8 are each substantially in the entire the ultrasonic emitter 5 facing half-space. Thus reach each ultrasonic receiver 2, 3, 4, respectively, both a light reflected from the first object 7 ultrasound signal 10 and an image reflected from the second object 8 Ultraschallsi ¬ gnal 11. The timing diagram 12 in Fig. 1B has three separate time axes 13, 14 , 15 for each ultrasonic receiver 2, 3, 4 corresponding to the three receiver channels. On the time axes 13, 14, 15 are each the two time points ti, t 2, t 3 of the reception of the reflected ultrasonic signals 10, located 11, wherein the first object 7 reflected Ul ¬ traschallsignal 10 as a solid vertical line and from the second Object 8 reflected ultrasonic signal 11 are shown as gestri ¬ smiled vertical line. The relevant for the location tracking time information of the individual ultrasonic receiver 2, 3, 4 and the corresponding distance information is obtained by correlation of the individual receiver channels based on vorge ¬ said or learned correlation patterns. In this case, the measured ultrasonic signals are grouped, each group 16 each consisting of a running time measurement t ± from each receiver channel. In the case of n ultrasonic receivers or microphones, a group 16 consists of exactly n running time measurements t ± , where t ± represents a running time measurement of the channel i. In this case, only valid groups 16 are preferably formed, a group 16 then being valid only if the condition (t.-tj-c <d 13 V 1 <i, j is met <n (2) where c is the speed of sound of the ultrasonic receivers in the vicinity of the ultrasonic sensor 1 and d ± j is the physical distance Zvi ¬ rule i and j . in this case, a certain delay time measurements t ± generally more groups belong. a selection of a group used for the positioning of an object 16 may for example take place in that closely neighboring time signals are preferred. This assignment is based basically on the assumption that different objects are arranged at a different distance from the ultrasonic sensor 1. However, since this does not apply in the case shown (see Fig. Fig. 1A), the assignment to the group 16 is false and the reconstructed from the mutually associated signals object positions are therefore also in error. the actual Po ¬ Objects of the objects 7, 8 can not be recognized in such an assignment.

In Fig. 2 ist ein weiterer potentieller Fehlerfall dargestellt, welcher sich mit nur drei Ultraschallempfängern 2, 3, 4 nicht anhand der gemessenen Laufzeiten erkennen oder lösen lässt. Dabei weist ein Objekt 17 eine Unstetigkeitsstelle 18 in Form ei¬ ner Stufe auf. Der Übergang an der Unstetigkeitsstelle 18, d.h. in diesem Fall die Höhe der Stufe, ist dabei kleiner als der Ab¬ stand zwischen den Ultraschallempfängern 2, 3, 4, so dass die Bedingung (2) erfüllt ist. Die den einzelnen Ultraschallempfängern 2, 3, 4 zugeordneten Reflexionspunkte 19, 20, 21 liegen auf beiden Seiten der Unstetigkeitsstelle 18 und daher in verschie¬ denen Abschnitten 22, 23 der Oberfläche des Objekts 17. Im gezeigten Fall ist ein Reflexionspunkt 21 weiter vom FIG. 2 shows a further potential error case which can not be detected or solved with the aid of only three ultrasonic receivers 2, 3, 4 on the basis of the measured transit times. In this case 17 has an object to a discontinuity 18 in the form ei ¬ ner stage. The transition at the point of discontinuity 18, ie in this case the height of the step, is smaller than the distance between the ultrasonic receivers 2, 3, 4, so that the condition (2) is fulfilled. The individual ultrasonic receivers 2, 3, 4 associated reflection points 19, 20, 21 lying on both sides of the discontinuity 18, and therefore in various ¬ which sections 22, 23 of the surface of the object 17. In the case shown, is a reflection point 21 further from

Ultraschallsensor 1 entfernt als die anderen beiden Reflexionspunkte 19, 20. Es wird angenommen, dass zur Ortung des Objekts 17 nur die den drei Reflexionspunkten 19, 20, 21 entsprechenden gemessenen Laufzeiten zur Verfügung stehen. Aus den drei Laufzeiten kann durch Trilateration jener Punkt im Raum berechnet werden, für den der Abstand von den drei mit dem Ultraschallsender 5 und jeweils einem der Ultraschallempfänger 2, 3, 4 gebildeten Sender-Empfänger-Paaren den gemessenen Laufzeiten Ultrasound sensor 1 is removed as the other two reflection points 19, 20. It is assumed that for locating the object 17 only the measured transit times corresponding to the three reflection points 19, 20, 21 are available. From the three transit times, that point in space can be calculated by trilateration, for which the distance from the three transmitter-receiver pairs formed with the ultrasound transmitter 5 and with one of the ultrasound receivers 2, 3, 4 corresponds to the measured transit times

entspricht (siehe z.B. Manolakis, D.E., "Efficient Solution and Performance analysis of 3-D position estimation by trilaterati- on, " Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on , vol.32, no.4, pp .1239, 1248 , Oct 1996 doi: 10.1109/7.543845) . Geometrisch kann man sich diese Berechnung damit veranschaulichen, dass für drei gedachte Sphären, deren Radien die jeweils den gemessenen Laufzeiten entsprechenden Abstände sind, eine gemeinsame Tangentialebene (nicht gezeigt) ermittelt wird, und dass als die gesuchte Ob ektposition jener Punkt in der Tangentialebene angenommen wird, welcher dem Ultraschallsender 5 am nächsten liegt. Grundsätzlich würde diese Rekonstruktionsmethode für eine 3D Ortung ausreichen, allerdings ist sie nicht robust gegenüber Messfehlern und gegenüber Fehler aufgrund der impliziten Annahmen betreffend die Objektgeometrie. Insbesondere impli¬ ziert diese Berechnung, dass alle Reflexionspunkte auf demselben Objekt liegen und dass die Form bzw. Art des Objekts vernachläs¬ sigt werden kann. In der in Fig. 2 gezeigten Situation schlägt diese Annahme jedoch fehl: aufgrund der verschiedenen Abstände der drei Reflexionspunkte 19, 20, 21 in Fig. 2 weist die ange¬ nommene Tangentialebene eine Neigung auf, welche nicht den rea¬ len Gegebenheiten entspricht, und die ermittelte Objektposition 25 ist fehlerhaft. Die vorliegende Erfindung betrifft insbeson¬ dere die Erkennung und Beseitigung dieses Problems durch die Verwendung zumindest eines vierten Ultraschallempfängers in Kom¬ bination mit einem speziell auf Ultraschallsensoren mit vier oder mehr Empfängern zugeschnittenen Ortungsverfahren. corresponds (see for example Manolakis, DE, "Efficient Solution and Performance analysis of 3-D position estimation by trilateration, "Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, vol.32, no.4, pp1239, 1248, Oct. 1996 doi: 10.1109 / 7.543845) illustrate this calculation with the fact that for three imaginary spheres whose radii are the respective distances corresponding to the measured transit times, a common tangent plane (not shown) is determined, and that the sought Ob ektposition that point in the tangent plane is assumed, which the ultrasonic transmitter 5 is closest. Basically, this method of reconstruction would be sufficient for a 3D positioning, but it is not robust to measurement errors and opposite errors due to the implicit assumptions regarding the object geometry. in particular impli ¬ grace this calculation that all the reflection points lie on the same object and that the can vernachläs ¬ shape or type of the object are SIGt. in the in Fig. 2 g However ezeigten situation suggests this assumption fails: due to the different distances of the three reflection points 19, 20, 21 in Figure 2, the attached ¬ made tangential plane an inclination, which does not meet the rea ¬ len circumstances, and the object position 25 determined is erroneous. , The present invention relates insbeson ¬ particular, the detection and elimination of this problem by the use of at least one ultrasonic receiver in the fourth Kom ¬ bination with a specially tailored to ultrasonic sensors having four or more receivers locating method.

In Fig. 3 ist ein Ultraschallsensor 26 mit vier Ultraschallempfängern 27, 28, 29, 30 in einer ähnlichen Situation wie in In Fig. 3, an ultrasonic sensor 26 with four ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30 in a similar situation as in

Fig. 2 dargestellt, d.h. es wird versucht, das Objekt 17 mit der Unstetigkeitsstelle 18 zu orten. Auch hier wird das Resultat fehlerhaft sein, wenn man versucht, aus den gemessenen Laufzei¬ ten mit den bekannten Verfahren eine Objektposition zu ermitteln. Um solche Fehler zu vermeiden, schlägt daher die 2, ie an attempt is made to locate the object 17 with the point of discontinuity 18. Again, the result will be incorrect if one tries to determine an object position from the measured Laufzei ¬ th with the known methods. To avoid such mistakes, therefore, proposes the

vorliegende Erfindung vor, zunächst die Annahme, dass die Refle¬ xionspunkte auf demselben Objekt liegen, zu überprüfen. Diese Überprüfung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass festgestellt wird, ob die (hypothetischen) Reflexionspunkte, die den gemessenen Laufzeiten entsprechen, in einer Ebene liegen. Anhand dieses Kriteriums können jene Gruppen von LaufZeitmessungen t±, welche der Überprüfung standhalten, selektiert werden und die übrigen Gruppen können verworfen werden. In dem in Fig. 3 gezeigten Fall sind die Ultraschallempfänger 27, 28, 29, 30 in Paaren 27, 28 bzw. 29, 30 und spiegelsymmetrisch bezüglich eines Schnittpunktes der Verbindungslinien der einzelnen Paare 27, 28 bzw. 29, 30 angeordnet. Die Verbindungslinien schneiden sich daher genau in ihrem jeweiligen Mittelpunkt. Der Ultraschallsender 31 ist zudem im Zentrum der Empfänger, d.h. exakt im gemeinsamen Schnittpunkt der Verbindungslinien angeordnet. Bei diesem Aufbau des Ultraschallsensors 26 lässt sich zeigen, dass die Laufzeit¬ messungen t± für die Paare von Ultraschallempfängern 27, 28, 29, 30 folgende Bedingung erfüllen müssen:

Figure imgf000017_0001
present invention provides, firstly that the Refle ¬ xionspunkte lie on the same item to verify the assumption. This check can be carried out in particular by determining whether the (hypothetical) reflection points which correspond to the measured transit times lie in one plane. Based on this criterion, those groups of running time measurements t ± , which withstand the review, are selected and the remaining groups can be discarded. In the case shown in FIG. 3, the ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30 are arranged in pairs 27, 28 and 29, 30 and mirror-symmetrically with respect to an intersection of the connecting lines of the individual pairs 27, 28 and 29, 30. The connecting lines therefore intersect exactly in their respective center. The ultrasonic transmitter 31 is also in the center of the receiver, that is arranged exactly at the common intersection of the connecting lines. In this construction, the ultrasonic sensor 26 can be shown that the transit time measurements t ¬ ± must meet for the pairs of ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30 following condition:
Figure imgf000017_0001

Die Ungenauigkeit eines Ultraschallsensors mit einem Empfänger¬ abstand von 80 mm auf eine Distanz von 1 m beträgt weniger als 1 mm, so dass sämtliche Gruppen, welche die Bedingung (3) nicht erfüllen, als ungültig erkannt und verworfen werden können. Nach diesem Verfahren kann die in Fig. 3 dargestellte Messung als ungültig erkannt werden, so dass zumindest keine fehlerhafte Ob¬ jektposition erkannt wird. The inaccuracy of an ultrasonic sensor with a receiver ¬ distance of 80 mm to a distance of 1 m is less than 1 mm, so that all the groups which do not satisfy the condition (3) can be recognized as invalid and discarded. According to this method, the measurement shown in Fig. 3 can be recognized as invalid, so that at least no erroneous Whether ¬ jektposition is detected.

Darüber hinaus kann das oben beschriebene Prinzip auch bei der Zuordnung der LaufZeitmessungen eingesetzt werden, wie anhand von Fig. 4A und 4B erläutert werden soll. Wie in Fig. 1A und 1B sind hier zwei Objekte 7, 8 dargestellt, welche für jeweils zwei reflektierte Ultraschallsignale 10, 11 bzw. die entsprechenden LaufZeitmessungen t± bzw. t± ' der - hier vier - Empfänger-Kanäle verantwortlich sind. Durch Überprüfung der Bedingung (3) für alle kombinatorisch möglichen Gruppen können die beiden korrekten Zuordnungen, welche den durchschnittlichen Laufzeiten t == (ti+t2)/2 *= (t3+t4)/2 bzw. t' == (t1'+t2')/2 *= (t3'+t4')/2 ent¬ sprechen, ermittelt und anhand der so gruppierten Messungen die beiden entsprechenden Objektpositionen berechnet werden. In addition, the principle described above can also be used in the assignment of the running time measurements, as will be explained with reference to FIGS. 4A and 4B. As in FIGS. 1A and 1B, two objects 7, 8 are shown here, which are responsible for two reflected ultrasonic signals 10, 11 or the corresponding running time measurements t ± or t ± 'of the here four receiver channels. By checking condition (3) for all combinatorially possible groups, the two correct assignments which correspond to the average transit times t == (ti + t 2 ) / 2 * = (t 3 + t 4 ) / 2 or t '== (t 1 '+ t 2 ') / 2 * = (t 3 '+ t 4 ') / 2 ent ¬ speaking, determined and calculated on the basis of the grouped measurements, the two corresponding object positions.

Allerdings existieren Spezialfälle, in denen auch ein Ultra¬ schallsensor mit vier symmetrisch angeordneten Ultraschallemp- fängern eine Unstetigkeit 18 nicht erkennen kann, wie in Fig. 5 gezeigt. Hierbei ist der Ultraschallsensor 37 bezüglich der Unstetigkeit 18 des Objekts 17 zufälliger Weise symmetrisch ange¬ ordnet, so dass für jedes Empfängerpaar 27, 28 bzw. 29, 30 jeweils ein Reflexionspunkt auf jeder Seite der Unstetigkeit 18 liegt und somit die Bedingung (3) erfüllt ist, obwohl jede aus den vier LaufZeitmessungen der beiden Empfängerpaare 27, 28 bzw. 29, 30 ermittelte Objektposition aus dem gleichen Grund fehlerhaft wäre, wie bereits anhand von Fig. 2 und 3 im Detail erläu¬ tert. Um auch diesen Spezialfall abzudecken, weist der However, special cases exist in which a ¬ Ultra sound sensor with four symmetrically arranged Ultraschallemp- catch a discontinuity 18 can not recognize, as shown in Fig. 5. In this case, the ultrasonic sensor 37 with respect to the discontinuity 18 of the object 17 is randomly symmetrical ¬ assigns, so that for each pair of receivers 27, 28 and 29, 30 each have a reflection point on each side of the discontinuity 18 and thus satisfies the condition (3) is, although each of the four running time measurements of the two receiver pairs 27, 28 and 29, 30 determined object position would be erroneous for the same reason, as already elucidated with reference to FIGS. 2 and 3 in detail ¬ tert. To cover this special case, the

Ultraschallsensor 37 einen fünften Ultraschallempfänger 38 auf, so dass der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 37 und einem fünften Reflexionspunkt 39 am Objekt 17 mittels Ultraschall messbar ist. Damit kann der Fehler folgendermaßen erkannt werden: zunächst wird anhand der LaufZeitmessungen der vier Ultraschallempfänger 27, 28, 29 und 30 eine vorläufige Objektposition ermittelt und in einem zweiten Schritt wird überprüft, ob die LaufZeitmessung des fünften Ultraschallempfängers 38, d.h. über eine Strecke vom Ultraschallsender 31 zum Reflexionspunkt 39 und zurück zum Ultraschallempfänger 38, mit dieser vorläufigen Objektposition konsistent ist, wobei z.B. der der vorläufigen Objektposition entsprechende Abstand mit dem separat gemessenen Abstand vom fünften Ultraschallempfänger 38 verglichen wird. Ultrasonic sensor 37 to a fifth ultrasonic receiver 38, so that the distance between the ultrasonic sensor 37 and a fifth reflection point 39 on the object 17 can be measured by means of ultrasound. Thus, the error can be recognized as follows: First, a provisional object position is determined based on the running time measurements of the four ultrasonic receivers 27, 28, 29 and 30, and in a second step it is checked whether the running time measurement of the fifth ultrasonic receiver 38, i. over a distance from the ultrasonic transmitter 31 to the reflection point 39 and back to the ultrasonic receiver 38, is consistent with this preliminary object position, e.g. the distance corresponding to the provisional object position is compared with the separately measured distance from the fifth ultrasonic receiver 38.

Aus Fig. 6 bis 8 sind weitere Vorteile im Zusammenhang mit der Verwendung des Ultraschallsensors 37 zur Ortung ersichtlich. Anhand der zusätzlichen Ortungsinformation, welche aus den Messungen des vierten und - gegebenenfalls - fünften From Fig. 6 to 8 further advantages in connection with the use of the ultrasonic sensor 37 for locating can be seen. Based on the additional location information, which from the measurements of the fourth and - optionally - the fifth

Ultraschallempfängers gewonnen werden kann, ist es mithilfe ent¬ sprechender Referenzpunkte 40 im Raum möglich, nicht nur die Position des Ultraschallsensors 37, sondern auch dessen Ultrasonic receiver can be obtained, it is possible ent ¬ speaking reference points 40 in space, not only the position of the ultrasonic sensor 37, but also the

Ausrichtung zu ermitteln. Dies kann beispielsweise mithilfe von passiven Orientierungspunkten, vorzugsweise in Form von Retrore- flektoren 40, (vgl. Fig. 6) geschehen. Es kann nachgewiesen werden, dass die oben beschriebenen Selektionskriterien auch bei an Retroreflektoren 40 (mehrfach) reflektierten Ultraschallsignalen gültig sind. Wenn drei derartige Orientierungspunkte vorhanden sind, deren Positionen im Raum bekannt sind, kann anhand ent¬ sprechender LaufZeitmessungen die Position und Ausrichtung des Ultraschallsensors 37 in einem globalen Koordinatensystem berechnet werden. Der Vorteil eines Retroreflektors 40 als Orien¬ tierungspunkt liegt darin, dass die für den Ultraschallsensor 37 „sichtbare" Position des Retroreflektors 40 unabhängig vom Ein¬ fallswinkel des Ultraschallsignals 9 und vom Abstand vom Ultra¬ schallsensor 37 ist. To determine alignment. This can be done, for example, by means of passive orientation points, preferably in the form of retroreflectors 40 (see FIG. It can be demonstrated that the selection criteria described above are also valid for ultrasound signals reflected on retroreflectors 40 (multiply). If three such landmarks are present, their positions in space are known, the position and orientation of the. Can be based on ent ¬ speaking running time measurements Ultrasonic sensor 37 are calculated in a global coordinate system. The advantage of a retro-reflector 40 as Orien ¬ tierungspunkt is that the "visible" for the ultrasonic sensor 37 position of the retroreflector 40 is independent of the incident angle A of the ultrasonic signal ¬ 9 and the distance from the ultra-sonic sensor ¬ 37th

Die vorliegende Erfindung kann zudem nicht nur bei aktiven Ultraschallsensoren 26 bzw. 37 mit eigenem Ultraschallsender 31, sondern auch bei passiven Ultraschallsensoren 41 (vgl. Fig. 7) angewendet werden. Bei solchen passiven Ultraschallsensoren 41 werden die Ultraschallsignale 42 von externen Signalgebern 43 abgestrahlt, welche an bekannten Positionen im Raum angeordnet sind und daher - wie oben beschrieben - zugleich als Orientierungspunkte verwendet werden können. Die Ob ektpositionen etwai¬ ger Objekte 44 im Raum können dabei anhand der gemessenen In addition, the present invention can be applied not only to active ultrasonic sensors 26 and 37 having their own ultrasonic transmitters 31, but also to passive ultrasonic sensors 41 (see Fig. 7). In such passive ultrasonic sensors 41, the ultrasonic signals 42 are radiated by external signal generators 43, which are arranged at known positions in space and therefore - as described above - can also be used as orientation points. The ektpositionen Whether etwai ¬ ger objects 44 can thereby using the measured in space

Laufzeiten der Ultraschallsignale 42 und der bekannten Positio¬ nen der Signalgeber 43 rekonstruiert werden. In diesem Fall kann das beschriebene Selektionskriterium zusätzlich für die Zuordnung mehrerer LaufZeitmessungen zu einem Ultraschallsender, d.h. in diesem Beispiel einem Signalgeber 43, verwendet werden. Running times of the ultrasonic signals 42 and the known Positio ¬ nen the signal generator 43 are reconstructed. In this case, the described selection criterion can additionally be used for the assignment of a plurality of running time measurements to an ultrasonic transmitter, ie in this example a signal generator 43.

Gegenüber passiven Sensoren 41 hat ein aktiver Ultraschallsensor 37 den Vorteil, dass der feste Abstand d zwischen dem Ultra¬ schallsender 31 und den Ultraschallempfängern 27, 28, 29, 30, 38 z.B. zur Temperaturkompensation verwendet werden kann (vgl. Fig. 8) . Dabei wird vorzugsweise anhand von mehreren LaufZeitmessungen t und des bekannten Abstandes d die Schallgeschwindigkeit c bei den aktuellen Umgebungsbedingungen gemessen und der Ultraschallsensor 37 auf diese Weise kalibriert. Die Genauigkeit der Messung ist lediglich durch die Zeitauflösung der Laufzeitmessung und den Abstand zwischen Sender 31 und Empfängern 27, 28, 29, 30, 38 limitiert. Bei einem Abstand von 4 cm zwischen dem Sender 31 und den Empfängern 27, 28, 29, 30, 38 konnte die Compared with passive sensors 41, an active ultrasonic sensor 37 has the advantage that the fixed distance d between the Ultra ¬ sound transmitter 31 and the ultrasonic receivers 27, 28, 29, 30, 38, for example, can be used for temperature compensation (see. Fig. 8). In this case, the sound velocity c at the current ambient conditions is preferably measured on the basis of several running time measurements t and the known distance d, and the ultrasonic sensor 37 is calibrated in this way. The accuracy of the measurement is limited only by the time resolution of the transit time measurement and the distance between transmitter 31 and receivers 27, 28, 29, 30, 38. At a distance of 4 cm between the transmitter 31 and the receivers 27, 28, 29, 30, 38 could

Schallgeschwindigkeit beispielsweise mit einer Genauigkeit von etwa ± 2 m/s ermittelt werden. Sound velocity can be determined, for example, with an accuracy of about ± 2 m / s.

In Fig. 9 ist schematisch ein Ultraschallsensor 45 mit einem Ultraschallsender 46 und zwei (oder mehr) Ultraschallempfängern 47 dargestellt. Der Ultraschallsender 46 erhält ein zu sendendes Ultraschallsignal von einer Ansteuereinheit 48, wobei das Signa in einem Verstärker 49 an die Anforderungen des Ultraschallsenders 46 angepasst wird. Die Ultraschallempfänger 47 sind zum Empfang der reflektierten Ultraschallsignale eingerichtet und mit Korrelatoreinheiten 50 verbunden, welche ein empfangenes re flektiertes Ultraschallsignal mit dem gesendeten Ultraschallsi¬ gnal korrelieren können. Um die korrekte zeitliche Korrelation zu ermitteln, sind die Korrelatoreinheiten 50 über Synchronisationsverbindungen 51 (gestrichelt) mit der Ansteuereinheit 48 verbunden und synchronisiert. Ausgehend von den aufgrund der Korrelationen ermittelten Laufzeiten werden diese in einem Vorselektionsmodul 52 auf die Bedingung (2), d.h. auf Basis der Sensorabmessungen, vorselektiert und ene Kombinationen verworfen, welche aufgrund der Sensorgeometrie physikalisch ausge¬ schlossen werden können. Anschließend wird in einem weiteren Selektionsmodul 53 das Mittelkriterium (3) auf die gemessenen und vorselektierten Laufzeiten angewendet und somit der Großtei an Artefakten entfernt. Schließlich wird in einem Ortungsmodul 54, welches mit dem Selektionsmodul 53 verbunden ist, die Ob¬ jektortung anhand der bereinigten Laufzeiten vorgenommen, mit einem etwaigen zusätzlichen Empfänger auf Plausibilität geprüft und im positiven Fall ausgegeben. D.h. nach der Objektortung wird das Kriterium - sofern vorhanden - mit dem zusätzlichen (z.B. fünften) Empfänger angewandt und nach positiver Prüfung ausgegeben; die Objektortung erfolgt dabei anhand der von den übrigen Empfängern gemessenen Laufzeiten. Zusammen bilden die Ultraschallempfänger 47 mit den Korrelatoreinheiten 50, den Vor selektionsmodul 52, dem Selektionsmodul 53 und dem Ortungsmodul 54 eine Auswerteeinheit 55. Dabei können insbesondere das Vorse lektionsmodul 52, das Selektionsmodul 53 und das Ortungsmodul 5 in der Praxis als Softwaremodule auf einer gemeinsamen, im Ul¬ traschallsensor 45 integrierten Mikroprozessor-Plattform (nicht gezeigt) implementiert sein. FIG. 9 schematically shows an ultrasound sensor 45 with an ultrasound transmitter 46 and two (or more) ultrasound receivers 47 shown. The ultrasonic transmitter 46 receives an ultrasonic signal to be transmitted from a drive unit 48, the signal being adjusted in an amplifier 49 to the requirements of the ultrasonic transmitter 46. The ultrasound receivers 47 are set up to receive the reflected ultrasound signals and are connected to correlator units 50, which can correlate a received re flected ultrasonic signal with the transmitted Ultraschallallsi ¬ signal. In order to determine the correct temporal correlation, the correlator units 50 are connected and synchronized with the drive unit 48 via synchronization connections 51 (dashed lines). Based on the calculated result of the correlations run times are those in a Vorselektionsmodul 52 on the condition (2), ie, pre-selected on basis of the sensor dimensions and discarded ene combinations which can be physically out ¬ closed due to sensor geometry. Subsequently, in a further selection module 53, the middle criterion (3) is applied to the measured and preselected transit times and thus the large part of artifacts is removed. Finally, the Whether ¬ jektortung is carried out based on the adjusted times, checked with a possible additional receiver for plausibility and output in the positive case in a locating module 54, which is connected to the selection module 53rd This means that after the object location, the criterion - if available - is used with the additional (eg fifth) receiver and output after a positive check; object location is based on the measured transit times of the other receivers. Together, the ultrasound receivers 47 with the correlator units 50, the preselection module 52, the selection module 53 and the locating module 54 form an evaluation unit 55. In particular, the prescience module 52, the selection module 53 and the locating module 5 can be used in practice as software modules on a common, in Ul ¬ traschallsensor 45 integrated microprocessor platform (not shown) may be implemented.

Claims

Ansprüche claims 1. Verfahren zur Ortung von Objekten (7, 8, 17) im Raum mit Hilfe eines Ultraschallsensors (26), der zumindest vier Ultra¬ schallempfänger (27, 28, 29, 30) aufweist, wobei von einem externen oder von dem Ultraschallsensor (26) umfassten 1. A method for locating objects (7, 8, 17) in space by means of an ultrasonic sensor (26) (27, 28, 29, 30), wherein (from an external or by the ultrasonic sensor at least four Ultra ¬ sound receiver 26) Ultraschallsender (43 bzw. 31) ein Ultraschallsignal (42 bzw. 9) abgestrahlt wird und von den Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30) des Ultraschallsensors (26) jeweils ein in zumindest einem zugeordneten Reflexionspunkt (33, 34, 35, 36) reflektiertes Ul¬ traschallsignal (11) empfangen und zur Gewinnung zumindest einer Objektposition ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren parallel gewonnenen Objektpositionen diese nach einem Selektionskriterium selektiert werden, welches dadurch definiert ist, dass die der Objektposition jeweils zugeordneten zumindest vier Reflexionspunkte (33, 34, 35, 36) näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen. Ultrasound transmitter (43 or 31) an ultrasonic signal (42 or 9) is emitted and from the ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) of the ultrasonic sensor (26) in each case one in at least one associated reflection point (33, 34, 35, 36 is received) reflected Ul ¬ traschallsignal (11) and evaluated for obtaining at least one object position, characterized in that at more gained parallel object positions, these are selected according to a selection criterion, which is defined in that the object position associated in each case at least four reflection points (33 , 34, 35, 36) are approximately in a common plane in space. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (37) zumindest fünf Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30, 38) aufweist, wobei das Selektionskriterium dementsprechend dadurch definiert ist, dass die der Objektposition je¬ weils zugeordneten zumindest fünf Reflexionspunkte (33, 34, 35, 36, 39) näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen . 2. The method according to claim 1, characterized in that the ultrasonic sensor (37) has at least five ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30, 38), wherein the selection criterion is accordingly defined by the fact that the object position depending ¬ Weil assigned at least five Reflection points (33, 34, 35, 36, 39) lie approximately in a common plane in space. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Objektpositionen, für welche keine gemeinsame Ebene gefun¬ den werden kann, als Artefakte erkannt und verworfen werden. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that object positions for which no common plane gefun ¬ can be recognized as artifacts and discarded. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30) in einer Ebene und in zumindest zwei bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunkts spiegelsymmetrischen Paaren (27, 28 bzw. 29, 30) angeordnet sind, wobei das Selektionskriterium dadurch definiert ist, dass die gemittelten Laufzeiten der Empfängerpaare (27, 28 bzw. 29, 30) im Wesentlichen übereinstimmen. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that an even number of ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) in a plane and in at least two relative to a common center mirror-symmetrical pairs (27, 28 and 29, 30), wherein the selection criterion is defined by the fact that the average transit times of the receiver pairs (27, 28 or 29, 30) are substantially identical. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Überprüfung des Selektionskriteriums anhand der Empfänger¬ paare (27, 28 bzw. 29, 30) eine Ebene auf Basis der von den Empfängerpaaren (27, 28 bzw. 29, 30) gemessenen Laufzeiten 5. The method according to claim 4, characterized in that after the checking of the selection criterion using the recipient ¬ couple (27, 28, 29, 30) has a plane on the basis of the receiver pairs (27, 28, 29, 30) measured transit times ermittelt wird und für einen zweiten Teil von Ultraschallempfängern (38), welche nicht in spiegelsymmetrischen Paaren angeordnet sein müssen, überprüft wird, ob die diesen is determined and for a second part of ultrasound receivers (38), which need not be arranged in mirror-symmetrical pairs, it is checked whether the latter Ultraschallempfängern (38) zugeordneten Reflexionspunkte (39) in der ermittelten Ebene liegen, wobei andernfalls das Selektions¬ kriterium insgesamt nicht erfüllt ist. Ultrasound receivers (38) associated reflection points (39) lie in the determined plane, otherwise the selection ¬ criterion is not met in total. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerpaare (27, 28 bzw. 29, 30) den gleichen Abstand zwischen Ultraschallsender (31) und Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30) aufweisen, wobei insbesondere die Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30) in einer der Anzahl n der Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30) entsprechenden n-zähligen Drehsymmetrie angeordnet sind, wobei ein äquivalenter Reflexionspunkt für alle Ul¬ traschallempfänger (27, 28, 29, 30) auf Basis der von den 6. The method according to claim 4, characterized in that the receiver pairs (27, 28 or 29, 30) have the same distance between the ultrasonic transmitter (31) and ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30), wherein in particular the ultrasonic receiver (27 , 28, 29, 30) are arranged in one of the number n of ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) corresponding n-fold rotational symmetry, wherein an equivalent reflection point for all Ul ¬ traschallempfänger (27, 28, 29, 30) on Base of the Empfängerpaaren (27, 28 bzw. 29, 30) gemessenen Laufzeiten ermittelt wird und für einen zweiten Teil von Ultraschallempfängern (38), welche nicht symmetrisch angeordnet sein müssen, überprüft wird, ob die diesen Ultraschallempfängern (38) zugeordneten Reflexionspunkte (39) mit dem äquivalenten Reflexions¬ punkt konsistent sind, wobei andernfalls das Selektionskriterium insgesamt nicht erfüllt ist. Receiver pairs (27, 28 and 29, 30) measured transit times is determined and for a second part of ultrasonic receivers (38), which need not be arranged symmetrically, it is checked whether the reflection points (39) associated with these ultrasonic receivers (38) with the equivalent reflection ¬ point are consistent, otherwise the selection criterion is not met in total. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ob ektpositionen mehrerer Objekte (7, 8) ausgehend von einem einzigen abgestrahlten Ultraschallsignal (9) ermittelt werden. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ob ektpositionen of several objects (7, 8) are determined starting from a single radiated ultrasound signal (9). 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfang von mehr als einem reflektiertem Ultraschallsignal (10, 11) in einem Empfänger (27, 28, 29, 30), die Objektpositionen durch Bildung aller möglicher Kombinationen von Reflexionspunkten (33, 34, 35, 36), wobei jeder Reflexionspunkt (33, 34, 35, 36) einem anderen Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30) zugeordnet ist, ermittelt werden. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that upon receipt of more than one reflected ultrasonic signal (10, 11) in a receiver (27, 28, 29, 30), the object positions by forming all possible combinations of reflection points (33, 34, 35, 36), each reflection point (33, 34, 35, 36) being associated with another ultrasonic receiver (27, 28, 29, 30). 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ob ektpositionen, bei denen der maximale Abstand zwischen zwei jeweils zugeordneten Reflexionspunkten (33, 34, 35, 36) den maximalen Abstand zwischen zwei Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30) übersteigt, vor der Selektion verworfen werden . 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that ektpositionen in which the maximum distance between two respective associated reflection points (33, 34, 35, 36) the maximum distance between two ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) is discarded prior to selection. 10. Ultraschallsensor (26, 37, 41, 45) zur Ortung von Objekten (7, 8, 17, 44) im Raum mit zumindest vier Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30; 47), welche eingerichtet sind, ein von einem externen oder dem Ultraschallsensor (26, 37, 45) zugeordneten Ultraschallsender (31, 43, 46) abgestrahltes und in zumindest einem Reflexionspunkt (33, 34, 35, 36) reflektiertes Ultra¬ schallsignal (9, 42 bzw. 10; 11) zu empfangen, und mit einer Auswerteeinheit (55), welche mit den Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30; 47) verbunden und eingerichtet ist, zumindest eine Objektposition aus den empfangenen Ultraschallsignalen (10, 11) zu gewinnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (55) ein Selektionsmodul (53) umfasst, welches bei mehreren par¬ allel gewonnenen Objektpositionen zur Ermittlung jener Objektpositionen eingerichtet ist, bei denen die der Objektposition jeweils zugeordneten zumindest vier Reflexionspunkte (33, 34, 35, 36) näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene im Raum liegen . 10. Ultrasonic sensor (26, 37, 41, 45) for locating objects (7, 8, 17, 44) in the room with at least four ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30, 47) which are arranged one of a external or to the ultrasonic sensor (26, 37, 45) associated with the ultrasonic transmitter (31, 43, 46) radiated and in at least one reflection point (33, 34, 35, 36) reflected Ultra ¬ sound signal (9, 42 or 10, 11) received, and with an evaluation unit (55), which is connected to the ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30, 47) and adapted to gain at least one object position of the received ultrasonic signals (10, 11), characterized in that the Evaluation unit (55) comprises a selection module (53) which is set up at several par ¬ allel object positions for determining those object positions in which the object position respectively associated at least four reflection points (33, 34, 35, 36) approximately in a common plane in the rough m lie. 11. Ultraschallsensor (37, 41) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest fünf Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30, 38; 47) mit der Auswerteeinheit (55) verbunden sind. 11. Ultrasonic sensor (37, 41) according to claim 10, characterized in that at least five ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30, 38, 47) are connected to the evaluation unit (55). 12. Ultraschallsensor (26, 37, 41) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ultraschall¬ empfänger (27, 28, 29, 30) in einer Ebene und in zumindest zwei bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunkts spiegelsymmetrischen Paaren (27, 28 bzw. 29, 30) angeordnet ist. 12. Ultrasonic sensor (26, 37, 41) according to claim 10 or 11, characterized in that at least a part of the ultrasonic ¬ receivers (27, 28, 29, 30) in a plane and in at least two with respect to a common center mirror-symmetrical pairs ( 27, 28 and 29, 30) is arranged. 13. Ultraschallsensor (26, 37, 41) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerpaare (27, 28 bzw. 29, 30) den gleichen Abstand zwischen Ultraschallsender (31) und Ultraschallempfängern (27, 28, 29, 30) aufweisen, wobei insbesondere die Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30) in einer der Anzahl n der Ultraschallempfänger (27, 28, 29, 30) entsprechenden n-zäh- ligen Drehsymmetrie angeordnet sind. 13. Ultrasonic sensor (26, 37, 41) according to claim 12, characterized in that the receiver pairs (27, 28 and 29, 30) have the same distance between the ultrasonic transmitter (31) and ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) in particular the ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) are arranged in one of the number n of the ultrasonic receivers (27, 28, 29, 30) corresponding n-zäh- ligen rotational symmetry.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109597083A (en) * 2017-05-29 2019-04-09 埃利斯塔有限公司,奥斯特菲尔登(德国),巴特拉加茨分公司 Device for monitoring the position of an object by means of sound waves

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113777612A (en) * 2021-08-13 2021-12-10 上海船舶工程质量检测有限公司 Space free scanning imaging system and method for phased array ultrasonic testing

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6482159B1 (en) * 1999-03-09 2002-11-19 Ge Medical Systems Kretztechnik Gmbh & Co Ohg Method for the examination of objects with ultrasound
WO2011048433A1 (en) 2009-10-23 2011-04-28 Elliptic Laboratories As Touchless interfaces
DE102012004396A1 (en) * 2012-03-03 2013-09-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Method and device for detecting objects in an environment of a vehicle

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7978091B2 (en) * 2006-08-24 2011-07-12 Navisense Method and device for a touchless interface
DE102007060346A1 (en) * 2007-12-14 2009-06-18 Hochschule Offenburg Delay measuring method for two dimensional or three dimensional-positioning of objects, involves evaluating correlation signal according to magnitude and phase for determining delay of ultrasonic pulse at transmission path

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6482159B1 (en) * 1999-03-09 2002-11-19 Ge Medical Systems Kretztechnik Gmbh & Co Ohg Method for the examination of objects with ultrasound
WO2011048433A1 (en) 2009-10-23 2011-04-28 Elliptic Laboratories As Touchless interfaces
DE102012004396A1 (en) * 2012-03-03 2013-09-05 Volkswagen Aktiengesellschaft Method and device for detecting objects in an environment of a vehicle

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KANIAK G ET AL: "A 3D Airborne Ultrasound Sensor for High-Precision Location Data Estimation and Conjunction", INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE PROCEEDINGS, 2008. IMTC 2008. IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 12 May 2008 (2008-05-12), pages 842 - 847, XP031274714, ISBN: 978-1-4244-1540-3 *
KANIAK, G.; SCHWEINZER, H.: "A 3D Airborne Ultrasound Sensor for High-Precision Location Data Estimation and Conjunction", INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE PROCEEDINGS, 12 May 2008 (2008-05-12), pages 842,847
MANOLAKIS, D.E.: "Efficient solution and performance analysis of 3-D position estimation by trilateration", AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS, IEEE TRANSACTIONS, vol. 32, no. 4, October 1996 (1996-10-01), pages 1239,1248

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109597083A (en) * 2017-05-29 2019-04-09 埃利斯塔有限公司,奥斯特菲尔登(德国),巴特拉加茨分公司 Device for monitoring the position of an object by means of sound waves

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