DE69932935T2

DE69932935T2 - Systeme und verarbeitungsalgorithmen für ultraschall-flugzeitdigitalisierungssysteme

Info

Publication number: DE69932935T2
Application number: DE69932935T
Authority: DE
Inventors: Zahi Zloter; Gideon Shenholtz; Ron Serber
Original assignee: Pegasus Technologies Ltd
Current assignee: Pegasus Technologies Ltd
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: ATE337593T1; CN1322337A; CN1122248C; EP1110194A4; WO2000016291A1; JP2002525583A; US6265676B1; DE69932935D1; JP4354650B2; AU5703999A; CA2343307A1; KR20010075027A; EP1110194A1; EP1110194B1

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Digitalumsetzer-Systeme, und betrifft insbesondere Verarbeitungsalgorithmen für Ultraschall-Flugzeit-Digitalumsetzer-Systeme und Systeme, welche solche Algorithmen anwenden.
Es ist bekannt, Ultraschall-Flugzeit-Messungen zu verwenden, um Abstände in einem zwei- oder dreidimensionalen Digitalumsetzer-System zu verwenden. Solche Systeme verwenden einen Sender, der Ultraschall-Pulse sendet, die von Empfängern an einer Anzahl von Positionen empfangen werden. Alternative Konfigurationen verwenden mehrere Sender mit einem einzelnen Empfänger. In beiden Fällen kann durch Messen der Flugzeit der Pulse vom Sender zu dem Empfänger der Abstand zwischen diesen berechnet werden. Eine Synchronisation des Senders und Empfängers kann entweder über eine fest verdrahtete Verbindung oder über eine drahtlose elektromagnetische Verbindung erreicht werden.
Die Identifizierung des Anfangs jedes empfangenen Ultraschallpulses ist nicht trivial. Das Reaktionsverhalten von Wandlerelementen (transducer), die üblicherweise verwendet werden, um die Pulse zu erzeugen, sowie die Dispersion des Signals während der Übertragung sorgen dafür, dass der Puls über eine Zahl von Zyklen ansteigt, bevor er seine maximale Amplitude erreicht. Als Ergebnis kann ein Schwellenwert, der festgelegt wird, um die Pulssignale zuverlässig von Hintergrundrauschen zu unterscheiden, in verschiedenen Phasen des Pulses ausgelöst werden. Abhängig vom Sender-Empfänger-Abstand und verschiedenen Umgebungsbedingungen kann der Schwellwert manchmal während des ersten Zyklus überschritten werden, manchmal während des zweiten, und manchmal während des dritten, was zu einer beträchtlichen Ungenauigkeit führt (siehe 1 und 2). Für eine typische Betriebsfrequenz von etwa 40 kHz und mit einer angenommenen Schallgeschwindigkeit von 330m/s entspricht jeder Zyklus einem Abstand von etwa 8mm. Ein solcher Fehlerbereich ist für typische Anwendungen wie Digitalumsetzer für Schreibgeräte, Computermäuse und ähnliches nicht akzeptabel.
Aus GB-A-2250093 ist bereits ein System zum Identifizieren der Position eines Senders eine gepulsten Druckwellen-Signals bekannt.
Herkömmliche Ultraschall-Digitalumsetzer-Systeme sind etwas unflexibel, was ihre Hardware-Konfiguration angeht. Typischerweise wird eine festgelegte Empfängeranordnung für jede vorgegebene Anwendung hergestellt. Die elektronischen Komponenten werden dann in einem Steuerkasten zusammengefasst. Solche Anordnungen lassen wenig oder keine Flexibilität zu, um Systeme auf Anwendungen mit größeren Dimensionen anzupassen.
Daher besteht Bedarf für Systeme und Verfahren, um Veränderungen eines Abstands genau zu verfolgen, der aus Flugzeitmessungen einer Abfolge von Pulsen einer Druckwelle von einem Sender zu einem Empfänger berechnet wurde. Es wäre ebenso äußerst vorteilhaft, ein modulares Empfängersystem bereitzustellen, bei dem die Anzahl von Empfängereinheiten erhöht werden kann, um jeden beliebigen Bereich abzudecken.
Aus US-5637839 und US-5750941 sind allgemeine Verfolgungsgeräte (tracking) bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein Verarbeitungsalgorithmus für Ultraschall-Flugzeit-Digitalumsetzer-Systeme, und ein System, das einen solchen Algorithmus anwendet.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, um Veränderungen eines Abstands D zu verfolgen, der aus Flugzeit-Messungen einer Abfolge von Pulsen einer Druckwellen-Oszillation von einem Sender zu einem Empfänger berechnet wird, wobei die Druckwellen-Oszillation eine vorgegebene Wellenlänge und Wellenperiode aufweist, wobei das Verfahren umfasst: (a) Identifizieren eines Zustands synchronen Betriebs durch Erlangen von mindestens zwei Flugzeitmessungen, die aus aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet wurden, welche vorgegebene Synchronitätskriterien erfüllen; (b) Überwachen aufeinanderfolgender Flugzeitmessungen, um eine verschobene Flugzeitmessung zu identifizieren, welche um mindestens die Hälfte einer Wellenperiode von einem vorhergesagten Flugzeitwert abweicht, der aus einer Anzahl vorhergehender Flugzeitmessungen berechnet wurde; (c) Identifizieren eines Verschiebungsfaktors, der einem ganzen Vielfachen der Wellenperiode entspricht, um welchen die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um eine korrigierte Flugzeitmessung zu erhalten, die in die Hälfte der Wellenperiode des vorhergesagten Flugzeit-Werts fällt; und (d) Korrigieren des Abstands D, der aus der verschobenen Flugzeitmessung berechnet wurde, um das Produkt aus dem Verschiebungsfaktor und der Druckwellen-Wellenlänge.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Flugzeitmessungen durch ein Verfahren ausgeführt, das eingerichtet ist, einen vorbestimmten Punkt innerhalb eines Zyklus zu identifizieren, wie zum Beispiel durch Identifizieren eines ersten Nulldurchgangs eines empfangenen Signals, nachdem das Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine verschobene Flugzeitmessung, für die der Verschiebungsfaktor einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet, typischerweise weniger als 3, verworfen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die korrigierte Flugzeitmessung als eine vorherige Flugzeitmessung für den Schritt des Überwachens verwendet, der an einer darauffolgenden Flugzeitmessung vorgenommen wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Zustand synchronen Betriebs identifiziert, indem mindestens drei Flugzeitmessungen erlangt werden, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet wurden, für welche aufeinanderfolgende Flugzeitmessungen um weniger als eine halbe Wellenperiode abweichen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Zustand synchronen Betriebs identifiziert, indem mindestens drei Flugzeitmessungen erhalten werden, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, welche im wesentlichen linear schwanken.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der vorhergesagte Flugzeit-Wert durch geometrische Extrapolation aus mindestens zwei vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet, und vorzugsweise durch Extrapolation einer polynomischen Anpassung zweiten Grades der vorhergehenden drei Flugzeitmessungen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein zusätzlicher Verschiebungstest durchgeführt, und der Schritt des Korrigierens wird wahlweise in Reaktion auf den zusätzlichen Verschiebungstest durchgeführt.
Der zusätzliche Verschiebungstest kann ein Bestimmen einer Reihenfolge einschließen, in der ein positiver und ein negativer Signalamplituden-Schwellwert überschritten werden, oder kann einschließen: (a) Bestimmen mindestens einer Scheitelwert-Signalamplitude, die auftritt, nachdem ein Signalamplituden-Schwellwert überschritten wurde; und (b) Berechnen, ob die Scheitelwert-Signalamplitude sich von der einer entsprechenden Scheitelwert-Signalamplitude eines vorhergehenden Pulses um mehr als ein vorbestimmtes Verhältnis unterscheidet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Sender mit einer Zeichnungseinrichtung verknüpft, welche einen Kontaktschalter einschließt, um funktionalen Kontakt zwischen der Zeichnungseinrichtung und einer Oberfläche zu identifizieren bzw. zu erkennen, wobei die Abfolge von Pulsen in Reaktion auf die Identifikation des funktionalen Kontakts eingeleitet wird, wobei das Verfahren weiter ein Fortführen der Übertragung der Abfolge von Pulsen für eine vorgegebene Verzögerungsperiode, typischerweise mindestens etwa ½ Sekunde, einschließt, nachdem der Kontaktschalter aufgehört hat, den funktionalen Kontakt anzuzeigen, um so den Zustand synchronen Betriebs während unterbrochenem Kontakt aufrecht zu erhalten.
Es wird außerdem gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ein System bereitgestellt zum Verarbeiten von Zeitablaufs-Informationen und eines empfangenen Signals, welches einer Abfolge von Pulsen einer Druckwellenoszillation entspricht, empfangen über einen Empfänger, um Veränderungen eines Abstands D, der aus Flugzeit-Messungen der Pulse bestimmt wird, zu verfolgen, wobei die Druckwellen-Oszillation eine vorgegebene Wellenlänge und Wellenperiode aufweist, wobei das System umfasst: (a) einen Signalprozessor zum Verarbeiten des empfangenen Signals, um eine effektive Ankunftszeit für jeden Puls abzuleiten; (b) ein Zeitablauf-Modul bzw. Zeitsteuerungsmodul, welches mit dem Signalprozessor verknüpft ist, wobei das Zeitsteuerungsmodul eingerichtet ist, eine Flugzeit für jeden Puls aus der Zeitablauf-Information und der effektiven Ankunftszeit zu abzuleiten; (c) ein Synchronbetriebs-Modul, das mit dem Zeitablauf-Modul verknüpft ist und eingerichtet ist, die Flugzeiten zu analysieren, um einen Zustand synchronen Betriebs zu identifizieren, wenn mindestens zwei aufeinanderfolgende Druckwellenpulse vordefinierte Synchronizitätskriterien erfüllen; (d) ein Überwachungsmodul, welches mit dem Zeitablauf-Modul verknüpft ist und eingerichtet ist, aufeinanderfolgende Flugzeit-Messungen zu überwachen, um eine verschobene Flugzeit-Messung zu identifizieren, welche um mindestens eine Hälfte der Wellenperiode von einem vorhergesagten Flugzeitwert abweicht, der aus einer Anzahl von vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet wird; (e) ein Verschiebungsfaktor-Modul, welches mit dem Überwachungsmodul verknüpft ist und eingerichtet ist, einen Verschiebungsfaktor zu identifizieren, der einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenperiode entspricht, um welche die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um eine korrigierte Flugzeitmessung zu erhalten, welche in der Hälfte der Wellenperiode des vorhergesagten Flugzeitwerts liegt; und (f) ein Korrekturmodul (112), welches mit dem Zeitablauf-Modul (104) verknüpft ist und eingerichtet ist, den Abstand D, der aus der verschobenen Flugzeitmessung berechnet wurde, durch das Produkt des Verschiebungsfaktors und der Druckwellen-Wellenlänge zu korrigieren.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung schließen die vorbestimmten Sychronitätskriterien ein, dass für erste, zweite und dritte Flugzeitmessungen, die jeweils aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten aufeinanderfolgenden Pulse berechnet wurden, ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Flugzeitmessung und ein Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Flugzeitmessung jeweils weniger als eine Hälfte der Wellenperiode sind, oder dass mindestens drei Flugzeitmessungen, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet wurden, im wesentlichen linear variieren.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Signalprozessor dazu eingerichtet, einen vorbestimmten Punkt innerhalb eines Zyklus als die effektive Ankunftszeit zu identifizieren. Dieser Punkt entspricht typischerweise einem ersten Nulldurchgang eines empfangenen Signals, nachdem das Signal einen gegebenen Schwellwert überschritten hat.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung führt der Signalprozessor mindestens einen zusätzlichen Verschiebungstest durch, wobei das Korrekturmodul eingerichtet ist, den Abstand D wahlweise in Reaktion auf den zusätzlichen Verschiebungstest zu korrigieren. Dieser Test kann ein Bestimmen einer Reihenfolge einschließen, in welcher ein positiver und ein negativer Signalamplituden-Schwellwert überschritten werden, oder kann einschließen: (a) Bestimmen mindestens einer Scheitelwert-Signalamplitude, die auftritt, nachdem ein Signalamplituden-Schwellwert überschritten wurde; und (b) Berechnen, ob die Scheitelwert-Signalamplitude sich von der einer entsprechenden Scheitelwert-Signalamplitude eines vorhergehenden Pulses um mehr als ein vorbestimmtes Verhältnis unterscheidet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung berechnet das Überwachungsrmodul den vorhergesagten Flugzeitwert durch geometrische Extrapolation aus mindestens zwei vorhergehenden Flugzeitmessungen, und typischerweise durch Extrapolation einer polynomischen Anpassung zweiter Ordnung der vorhergehenden drei Flugzeitmessungen.
Es wird außerdem gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung eine Sendervorrichtung zur Verwendung mit einem System zur Digitalisierung funktioneller Bewegungen eines handgehaltenen Zeichengeräts bereitgestellt, wobei das Zeichengerät einen Körper und eine funktionale Spitze aufweist, wobei die Sendervorrichtung umfasst: (a) ein Gehäuse mit einer Öffnung, wobei das Gehäuse eingerichtet ist, einen Teil des Körpers des Zeichengeräts aufzunehmen, mit seiner funktionalen Spitze durch die Öffnung reichend; (b) einen normalerweise geschlossenen Schalter, der so eingerichtet ist, dass er durch eine relative Bewegung zwischen dem Zeichengerät und dem Gehäuse geöffnet wird, die aus Druck resultiert, welcher auf die funktionale Spitze angewendet wird; und (c) eine erste Feder, die eingerichtet ist, das Zeichengerät in eine Vorwärtsposition vorzuspannen, in der der Schalter geschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird auch eine zweite Feder bereitgestellt, schwächer als die erste Feder, die eingerichtet ist, auf das Zeichengerät in eine Rückwärtsrichtung zu wirken, um das Zeichengerät in dem Gehäuse zu versenken.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird auch ein Zentrierelement bereitgestellt, welches mit der ersten Feder verknüpft ist und eine Anlagefläche bietet, die eingerichtet ist, ein hinteres Ende des Zeichengeräts mittig in dem Gehäuse auszurichten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird hierin nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein Schaubild einer Ultraschall-Signalamplitude gegen die Zeit für den Anfang eines Pulses ist, bei dem ein Schwellwert während eines zweiten Zyklus des Pulses überschritten wird;
2 ein Schaubild einer Ultraschall-Signalamplitude gegen die Zeit für den Anfang eines Pulses ist, bei dem ein Schwellwert während eines dritten Zyklus des Pulses überschritten wird;
3 ein Schaubild des Abstands gegen die Zeit für aufeinanderfolgende Pulse ist, der einen ersten Aspekt eines Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4A und 4B Schaubilder der Ultraschall-Signalamplitude gegen die Zeit für den Beginn zweier Pulse sind, welche die Verwendung eines Verfahrens mit einem positiven und einem negativen Schwellwert gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
5A und 5B Schaubilder der Ultraschall-Signalamplitude gegen die Zeit für den Beginn zweier weiterer Pulse sind, die eine Verfeinerung des Verfahrens aus 4A und 4B veranschaulichen, welche eine Scheitelwert-Amplituden-Detektion verwendet;
6 ein Blockdiagramm eines Empfängermoduls aus einem System ist, welches gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und funktioniert, zum Verfolgen von Änderungen eines Abstands D, der aus Flugzeitmessungen von Druckwellenpulse berechnet wird;
7 ein Blockdiagramm eines System einschließlich einiger der Module aus 6 ist; und
8 eine schematische Querschnittsansicht durch eine Sendervorrichtung ist, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und funktioniert, zur Verwendung mit einem System zum Digitalisieren funktionaler Bewegungen eines handgehaltenen Zeichengeräts.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist ein Verarbeitungsalgorithmus für ein Ultraschall-Flugzeit-Digitalisierungs-System, sowie ein entsprechendes System. Die Erfindung bietet auch ein einfaches Verfahren zum Codieren von Informationen in einem elektromagnetischen Synchronisationssignal.
Die Prinzipien und Funktionsweise der Systeme, Algorithmen und Verfahren gemäß der folgenden Erfindung können besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die zugehörige Beschreibung verstanden werden.
Bevor wir uns den Verfahren und Systemen der vorliegenden Erfindung zuwenden, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung auf jede Situation angewendet werden kann, in der ein Abstand von einem Sender zu einem Empfänger über die Flugzeit eines Druckwellen-Pulses gemessen wird. In einem minimalen Fall könnte dies ein einzelnes Sender/Empfänger-Paar sein. Typischerweise verwenden solche System jedoch mindestens zwei Empfänger für zweidimensionale Messungen, oder mindestens drei Empfänger für dreidimensionale Messungen. Alternativ können mehrere Sender zusammen mit einem einzelnen Empfänger verwendet werden. In jedem Fall beziehen sich die Verfahren der Erfindung hauptsächlich auf die Verarbeitung von Signalen, die von einem Empfänger empfangen wurden und von einem Sender stammen, was auf jedes Sender-Empfänger-Paar innerhalb des Systems angewendet werden kann.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen 1 und 2 die Anfänge zweier Ultraschallpulse, während die Amplitude über mehrere Zyklen ansteigt. Wie zuvor erklärt, kann ein festgesetzter Amplituden-Schwellwert in verschiedenen Phasen der Pulsamplituden-Einhüllenden überschritten werden. Im hier gezeigten Beispiel wird der Schwellwert während des zweiten Zyklus des Pulses in 1 überschritten, aber erst im dritten Zyklus des Pulses in 2. Übergänge zwischen Zyklen wie gezeigt verursachen häufig signifikante Unstetigkeiten oder „Sprünge" in der gemessenen Entfernung.
Um dieses Problem anzugehen, bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verfolgen von Änderungen eines Abstands D, der aus Flugzeitmessungen einer Abfolge von Pulsen einer Druckwellenoszillation von einem Sender zu einem Empfänger berechnet wird. Allgemein gesagt schließt das Verfahren das Identifizieren eines Zustands synchronen Betriebs ein, indem mindestens zwei Flugzeitmessungen erhalten werden, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulse abgeleitet sind, welche irgendwelche vorbestimmten Synchronitätskriterien erfüllen. Ein bevorzugter Satz von Synchronitätskriterien ist, dass mindestens drei Flugzeitmessungen von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, für welche aufeinanderfolgende Flugzeitmessungen um weniger als eine Hälfte der Wellenperiode k variieren. Damit wird, mit Bezug auf 3, die erste bei t₁ vorgenommene Flugzeitmessung 20 verwendet, um einen Bereich von ±k/2 um den gemessenen Wert zu definieren. Die darauffolgende Flugzeitmessung 22 bei t₂ wird dann mit diesem Bereich verglichen. Wenn zwei aufeinanderfolgende Messungen jeweils in diesen Bereich aus den vorhergehenden Messwerten fallen, wird der Systembetrieb als synchron definiert.
Es soll am Rande bemerkt werden, dass diese Kriterien für synchronen Betrieb weder absolut notwendig noch ausschließlich sind. Es kann somit zum Beispiel gewünscht sein, diese Kriterien zu unterstützen, indem alternative Kriterien zugelassen werden, die ebenfalls als „synchroner Betrieb" definiert werden. In einem Beispiel kann eine lineare Abweichung von D über drei aufeinanderfolgende Messungen hinweg als synchroner Betrieb betrachtet werden, selbst wenn die Änderung von D zwischen Messungen möglicherweise ±k/2 überschreitet.
Nach dem Eintritt in synchronen Betrieb werden aufeinanderfolgende Flugzeitmessungen überwacht, um die erste Flugzeitmessung zu identifizieren, die außerhalb des k/2-Bereichs eines vorhergesagten Flugzeitwerts liegt, der aus einer Anzahl von vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet wurde. In diesem Fall tritt die erste sogenannte „verschobene Flugzeitmessung" 26 bei t₄ auf. Der vorhergesagte Flugzeitwert kann auf verschiedene Arten berechnet werden. Vorzugsweise basiert die Berechnung auf einer geometrischen Extrapolation von mindestens zwei vorhergehenden Abstandsmessungen. In einer besonders wirkungsvollen Implementierung basiert die Extrapolation auf einer polynomischen Anpassung zweiten Grades der vorhergehenden drei Flugzeitmessungen.
Das Verfahren identifiziert dann einen Verschiebungsfaktor, der einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenperiode k entspricht, um welchen die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um einen korrigierten Flugzeitwert zu erhalten, der in die Hälfte der Wellenperiode von der vorhergehenden Flugzeitmessung aus fällt. In diesem Fall ist ein Verschiebungsfaktor von –1 erforderlich. Der Abstand D₁, der aus der verschobenen Flugzeitmessung berechnet wird, wird dann um das Produkt des Verschiebungsfaktors und der Druckwellenwellenlänge korrigiert, um die verschobene Flugzeitmessung 26 auf die korrigierte Messung 28 abzubilden bzw. zu übertragen. Es wird üblicherweise von der Annahme ausgegangen, dass darauffolgende Messungen ebenfalls um den gleichen Verschiebungsfaktor korrigiert werden sollten, bis ein neuer Unterschied bzw. eine Nichtübereinstimmung mit dem vorhergesagten Wert auftritt.
Es ist klar, dass der in diesem Verfahren verwendete Verschiebungsfaktor auf einen sinnvollen Wert beschränkt werden sollte. Es ist viel wahrscheinlicher, dass eine plötzliche unvorhergesehene Änderung des gemessenen Abstands von mehreren Wellenlängen von Schallstörungen oder einer vorübergehenden Fehlfunktion stammt, als von mehreren Verschiebungen des Detektionszyklus. Typischerweise wird eine Änderung von nur einem oder höchstens zwei Zyklen zwischen Detektionen erwartet.
Es sollte beachtet werden, dass der korrigierte Wert 28 dann bei der Vorhersage des darauffolgenden Flugzeitwerts verwendet wird. Die anfängliche Berechnung geht von demselben Verschiebungsfaktor aus, der für die vorherige Messung verwendet wurde. Wenn jedoch, wie hier gezeigt, die darauffolgende automatisch korrigierte Messung 32, die unter Verwendung desselben Verschiebungsfaktors berechnet wurde, um mehr als eine halbe Wellenlänge von dem vorhergesagten Wert entfernt liegt, wird ein umgekehrter Verschiebungsfaktor verwendet, um die Messung auf den vorhergesagten Wert 30 zurückzuführen.
Dem Konzept nach bietet dieses Verfahren eine besonders einfache Lösung für das Problem von Unstetigkeiten aufgrund von Übergängen zwischen Detektionszyklen. Unter der Annahme, dass die Periode zwischen Pulsen ausreichend klein ist, so dass zurückgelegte Entfernungen zwischen Pulsen immer weniger als k/2 sind, ist ein Sprung über k/2 ein starkes Anzeichen dafür, dass ein Übergang zwischen Detektionszyklen aufgetreten ist. Im Prinzip sollte eine kumulative Korrektur solcher Sprünge, um jeden Schritt innerhalb den erforderlichen Bereich der vorhergehenden Messung zu bringen, eine vollständige Lösung des Problems bieten. In der Praxis können gewisse Situationen wie eine extreme Beschleunigung der Sendereinheit zu fehlerhaften Korrekturen führen. Verschiedene Verfeinerungen bzw. Verbesserungen werden vorzugsweise bereitgestellt, um solche problematischen Fälle zu behandeln, wie nun beschrieben wird.
Die Verfeinerungen der vorliegenden Erfindung, um Probleme dieser Art anzugehen, kann in zwei Kategorien unterteilt werden. Zum ersten werden Schritte unternommen, um den Detektionsvorgang zu standardisieren und stabilisieren, wodurch der Anteil abweichender Messungen verringert wird. Zum zweiten kann als alternative oder vorzugsweise gleichzeitig die „Korrektur" von Messungen auf Grundlage des vorstehend beschriebenen Hauptalgorithmus abhängig von dem Ergebnis mindestens eines zusätzlichen Verschiebungstests gemacht werden, der dazu ausgelegt ist, die Korrektur zu verifizieren.
In Bezug auf die Standardisierung und Stabilisierung des Detektionsvorgangs werden Flugzeitmessungen gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise durch ein Verfahren vorgenommen, das eingerichtet ist, einen vorbestimmten Punkt innerhalb eines Zyklus zu erkennen. Das einfachste Verfahren dieser Art ist es, einen ersten Nulldurchgang des empfangenen Signals zu identifizieren, nachdem das Signal einen gegebenen Schwellwert überschritten hat.
Mit Bezug auf die zusätzlichen Verschiebungstests gibt es eine Reihe möglicher Ansätze, von denen jeder alleine oder in Kombination mit anderen verwendet werden kann.
Ein erster zusätzlicher Verschiebungstest wird in 4A und 4B veranschaulicht. 4A zeigt ein Signal, bei dem ein positiver Schwellwert 40 in dem ersten Zyklus bei Punkt 42 überschritten wird, während 4B ein Überschreiten im zweiten Zyklus bei Punkt 44 zeigt. Diese beiden Fälle werden gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise unterschieden, indem ein entsprechender negativer Schwellwert 46 hinzugefügt wird und eine Reihenfolge bestimmt wird, in welcher der positive und der negative Signalamplituden-Schwellwert überschritten werden. Somit wird in 4A der positive Schwellwert 40 überschritten, bevor der negative Schwellwert 46 bei Punkt 43 überschritten wird. In 4B dagegen wird der negative Schwellwert 46 zuerst bei Punkt 45 überschritten. Dieser Wechsel der Reihenfolge kann als Hinweis darauf verwendet werden, dass eine Änderung des Detektionszyklus aufgetreten ist.
5A und 5B zeigen dagegen, dass dieser letzte Ansatz alleine nicht immer ausreichend ist. Speziell zeigt 5A eine negative Detektion bei Punkt 48, auf die eine positive Detektion bei Punkt 50 folgt. 5B dagegen zeigt eine positive Detektion bei Punkt 52, auf die eine negative Detektion bei Punkt 54 folgt. In beiden Fällen wurde jedoch das Signal während des ersten Zyklus des Signals detektiert.
Um diese Lücke zu behandeln, schließt der mindestens eine zusätzliche Verschiebungstest als eine alternative zu oder als weitere Verfeinerung des reihenfolgen-basierten Algorithmus aus 4A und 4B ein Bestimmen mindestens einer Scheitelwert-Amplitude ein, die auftritt, nachdem ein Signalamplituden-Schwellwert überschritten wird, und ein Vergleichen dieser Scheitelwert-Amplitude mit einer entsprechenden Amplitude der vorherigen Detektion.
Wenn somit 5A und 5B als Detektionen aufeinanderfolgender Pulse angesehen werden, sind die Scheitelwert-Signalamplituden, die nach Detektion von A₁ bzw. A₂ gemessen wurden, von der Größe her relativ nahe beieinander. Bei den aufeinanderfolgenden Pulsen aus 4A und 4B dagegen ist die zweite Scheitelwert-Amplitude A₂ deutlich größer als A₁. Damit kann ein Verhältnis über einem vorgegebenen Wert zwischen Scheitelwert-Amplituden-Messungen aufeinanderfolgender Detektionen als Zeichen für eine Änderung des Detektionszyklus angesehen werden. Ein Doppelkriterium einer positiv/negativ-Schwellwertüberschreitung-Umkehr und einer signifikanten Variation der Scheitelwertamplitude nach Detektion kann, zusammen verwendet, einen besonders robusten Bestätigungsalgorithmus für vermutete Detektionszyklus-Übergänge bieten.
Wendet man sich nun 6 zu, so wird offensichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Algorithmen auf viele verschiedene Arten implementiert werden können. Das System der Erfindung besteht typischerweise aus mehreren Modulen, von denen jedes auf viele verschiedene Arten von Formen implementiert sein kann. Diese schließen Softwaremodule ein, die Softwareprogramme sind, welche die Funktionen des Systems wie nachstehend beschrieben ausführen. Diese Softwaremodule sollten in einer geeigneten Programmiersprache geschrieben sein, wie C oder C++, die mit dem Betriebssystem des Computers kompatibel ist, auf dem diese Module ausgeführt werden. Die genaue Auswahl einer solchen Programmiersprache kann von einem Durchschnittsfachmann leicht getroffen werden. Hierbei schließt der Begriff „Computer", ohne darauf beschränkt zu sein, Personalcomputer (PC) mit einem Betriebssystem wie DOS, Windows^TM, OS/2^TM oder Linux ein; Macintosh^TM-Computer; Computer mit einem JAVA^TM-OS als Betriebssystem; und graphische Arbeitsplätze wie die Computer von Sun Microsystems^TM und Silicon Graphics^TM, sowie andere Computer, die irgendeine Version des UNIX-Betriebssystems wie AIX oder SOLARIS^TM von Sun Microsystems^TM aufweisen; oder irgendein anderes bekanntes und verfügbares Betriebssystem, sowie jede andere geeignete Kombination von Computerhardware und einem Betriebssystem. Hierbei schließt der Begriff „Windows", ohne darauf beschränkt zu sein, Windows95^TM, Windows3.x^TM, wobei x eine Ganzzahl wie „1" ist, Windows NT^TM, Windows 98^TM, Windows CE^TM und jede neue oder aktualisierte Version dieser Betriebssysteme von Microsoft Inc. (Seattle, Washington, USA), sowie jedes andere Betriebssystem von Microsoft Inc.
Zusätzlich könnten die Module als reine Hardware implementiert werden, oder als eine Kombination von Hardware und Software, was als „Firmware" bekannt ist, was Software-Programmieranweisungen einschließt, die auf einen ROM (read only memory)-Chip gebrannt sind. Manche dieser Module können auch flüchtige oder nichtflüchtige Speicher einschließen, oder andere Speichervorrichtungen irgendeiner Art, wie erforderlich. Die genaue Ausführung kann leicht von einem Durchschnittsfachmann vorgenommen werden. In jedem Fall werden die Module hierin nach ihrer Funktion beschrieben anstelle als streng physisch getrennte Einheiten.
In einer besonders vorteilhaften Implementierung, die in 6 und 7 veranschaulicht wird, wird ein Digitalisierungssystem unter Verwendung mehrerer modularer Empfängereinheiten 100 implementiert, die in einer Reihe beliebiger Länge miteinander verbunden werden können, um einen gegebenen Bereich abzudecken. Typischerweise werden mindestens zwei Einheiten verwendet, und vorzugsweise mindestens vier. Es wurde außerdem als vorteilhaft befunden, eine gerade Anzahl von Einheiten zu verwenden, so dass Paare von Einheiten optimalerweise mit sich überschneidenden „Sichtfeldern" verwendet werden, um aus jedem Untergebiet des Bereichs zu empfangen.
Genauer ist, in der Implementierung aus 6, die Empfängereinheit 100 dazu eingerichtet, Veränderungen eines Abstands D zu verfolgen, der aus Flugzeitmessungen von Druckwellenpulsen gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung wie vorstehend beschrieben berechnet wird. Somit weist die Empfängereinheit 100 einen Signalprozessor 102 zum Verarbeiten des Signals von dem Ultraschallempfänger 103 auf, um eine effektive Ankunftszeit für jeden Puls abzuleiten, die typischerweise als ein erster Nulldurchgang des empfangenen Signals genommen wird, nachdem das Signal einen gegebenen Schwellwert überschritten hat. Ein Zeitablauf-Modul 104 leitet dann für jeden Puls aus der effektiven Ankunftszeit und der Puls-Zeit-Information, vorzugsweise abgeleitet von einer Zeit-Eingabe 105 die typischerweise von einem Infrarot-Empfänger stammt, eine Flugzeit ab. Die Flugzeitwerte werden dann von einem Synchronbetriebsmodul 106, einem Überwachungsmodul 108, einem Verschiebungsfaktormodul 110 und einem Korrekturmodul 112 verarbeitet, um Sprünge aufgrund von Änderungen des Detektionszyklus auszugleichen. Speziell analysiert das Synchronbetriebsmodul 106 die Flugzeiten, um einen Zustand synchronen Betriebs zu identifizieren, und das Überwachungsmodul 108 überwacht aufeinanderfolgende Flugzeitmessungen, um eine verschobene Flugzeitmessung zu identifizieren. Das Verschiebungsfaktormodul 110 identifiziert dann einen Verschiebungsfaktor, der einem ganzen Vielfachen der Wellenperiode entspricht, um welche die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um eine korrigierte Flugzeitmessung zu erhalten, die innerhalb eine Hälfte der Wellenperiode von der vorhergesagten Flugzeitmessung fällt. Typischerweise ist das Verschiebungsfaktormodul 110 dazu eingerichtet, jede verschobene Flugzeitmessung als fehlerhaft einzuordnen, für die der Verschiebungsfaktor zwei übersteigt, oder vorzugsweise eins. Das Korrekturmodul korrigiert entsprechend den Abstand D, der aus der verschobenen Flugzeitmessung berechnet wurde. Der korrigierte Wert von D wird dann vorzugsweise zurück in das Überwachungsmodul 108 gespeist, um als die vorherige Flugzeitmessung zum Überwachen einer darauffolgenden Flugzeitmessung verwendet zu werden.
In Bezug auf die zuvor beschriebenen zusätzlichen Verschiebungstests werden diese vorzugsweise als Teil des Signalprozessors 102 implementiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein gesondertes zusätzliches Verschiebungstestmodul 114 bereitgestellt sein.
Um die modulare Verbindung von Empfängereinheiten 100 wie oben erwähnt zu ermöglichen bzw. zu vereinfachen, wird die Übermittlung von Abstandsmessungen an eine externe Vorrichtung wie z.B. einen Computer vorzugsweise von einem Ausgabemodul 116 vorgenommen. Das Ausgabemodul 116 weist vorzugsweise Eingangs-, Ausgangs- und Reset-Triggerverbindungen auf, um eine Übertragungssequenz zu steuern, was es ermöglicht, dass eine große Anzahl von Einheiten an gemeinsame Datenleitungen angebunden werden, wie beschrieben werden wird. Das Ausgabemodul 116 bietet auch Datenausgangs- und optional Dateneingangs-Anschlüsse, die mit einem gewünschten Anschlussformat wie z.B. einer RS232-Schnittstelle implementiert werden können.
7 zeigt schematisch, wie eine Anzahl von Empfängereinheiten 100 in einem System 120 mit gemeinsamen Datenleitungen 122 und 124 verbunden sind. Der Triggerausgang jeder Einheit ist mit dem Triggereingang der nächsten verbunden, wobei der Triggereingang der ersten Einheit („Kanal 1") mit Masse verbunden ist. Die Ausgabe eines IR-Empfängers 126, die entlang einer IR-Synchr.-Leitung 128 an das IR-Signal-Zeit-Modul 105 jeder Einheit 100 geliefert wird, erzeugt einen Trigger-Reset. Dieser Trigger-Reset wirkt so, dass er die Einheit dafür vorbereitet, auf den nächsten empfangenen Druckwellenpuls zu warten und den Triggerausgang auf „high" bzw. „hoch" zu setzen. Nach dem Empfang eines Druckwellensignals und der Berechnung einer entsprechenden Abstandsmessung ist jede Empfängereinheit 100 eingerichtet, zu warten, bis der Triggereingang auf „low" bzw. „niedrig" geht (d.h. Masse), und dann die Abstandsmessungs-Daten zu übertragen. Sofort nach der Übertragung setzt sie ihren Triggereingang auf low. Als Folge wird eine Kettenreaktion erzeugt, in der jeder Kanal seine Daten überträgt und dann die Übertragung des nächsten Kanals auslöst bzw. triggert. Die externe Vorrichtung kann anhand der Reihenfolge der Übertragung, die durch die Verbindungen von Triggerausgängen und -Eingängen vorgegeben ist und immer bei dem Kanal beginnt, der dauerhaft mit der Masse verbunden ist, leicht identifizieren, welche Daten von welchem Empfänger kommen. Zusätzliche Identifikations-Informationen können ebenso in der Datenübertragung enthalten sein.
Es soll bemerkt werden, dass die beschriebene Struktur eine große strukturelle Flexibilität und Einfachheit bietet. Da jede Empfängereinheit 100 nur ihre eigenen, recht einfachen Signalverarbeitungen und Berechnungen ausführt, ist die innere Struktur der Einheiten einfach und kostengünstig zu implementieren. Darüber hinaus werden Produktionskosten minimiert, da alle Empfängereinheiten identisch sind.
Die modularen Eigenschaften des Systems gestatten eine Erweiterung des Systems, um große Bereiche abzudecken, ohne irgendeine strukturelle Änderung außer dem Hinzufügen von Empfängereinheiten. Die entsprechenden Modifikationen, die bei den Triangulationsalgorithmen erforderlich sind, welche von der externen Vorrichtung ausgeführt werden sollen, sind trivial. Wenn gewünscht, kann die externe Vorrichtung auch dazu programmiert werden, sich automatisch an die Anzahl der vorhandenen Empfänger anzupassen.
Wendet man sich schließlich 8 zu, zeigt diese einen bevorzugten Aufbau einer Sendervorrichtung 60 zur Verwendung mit einem System zum Digitalisieren funktioneller Bewegungen eines handgehaltenen Zeichengeräts 62. Die Sendervorrichtung 60 schließt ein Gehäuse 64 ein, das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil des Körpers des Zeichengeräts 62 aufzunehmen, mit dessen funktioneller Spitze durch eine Öffnung 66 ragend. Eine besondere Eigenschaft der Sendervorrichtung 60 ist, dass funktionaler Kontakt der Zeichengerät-Spitze gegen eine Oberfläche durch Verwendung eines normalerweise geschlossenen Schalters 68 identifiziert wird. Der Begriff „normalerweise geschlossener Schalter" wird verwendet, um eine Schaltstruktur zu bezeichnen, bei der eine Bewegung durch das Unterbrechen eines Schaltkreises detektiert wird, der normalerweise durch den Schalter vervollständigt ist. In diesem Fall wird der normalerweise geschlossene Schalter 68 so angewendet, dass er durch eine relative Bewegung zwischen dem Zeichengerät 62 und dem Gehäuse 64 geöffnet wird, die durch Druck verursacht wird, der auf die funktionelle Spitze ausgeübt wird. Eine erste Feder 70 wird angewendet, um das Zeichengerät 62 in eine Vorwärtsposition vorzuspannen, in der der Schalter 68 geschlossen ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroschaltern, die nach einer festgelegten zurückgelegten Entfernung schalten, bietet die Verwendung eines normalerweise geschlossenen Schalters eine sofortige Detektion des Kontakts mit einer Oberfläche, indem der Beginn der relativen Bewegung zwischen dem Zeichengerät und dem Gehäuse detektiert bzw. erfasst wird.
Vorzugsweise wird eine zweite Feder 72, schwächer als die erste Feder 70, angewendet, um auf das Zeichengerät 72 in eine Rückwärtsrichtung zu wirken, d.h. darauf zu wirken, den funktionellen Punkt zurück zu ziehen. Die Entgegenstellung und Ausrichtung von Federn 70 und 72 dient dazu, das Zeichengerät richtig in dem Gehäuse 64 auszurichten und gestattet es, dass in dem Gehäuse Zeichengeräte mit verschiedenen Längen aufgenommen werden können. Gleichzeitig stellt die stärkere erste Feder 70 sicher, dass der Schalter 68 in seinen geschlossenen Zustand zurückkehrt, wenn keine Kontaktkraft auf die funktionale Spitze des Zeichengeräts 62 angewendet wird.
Im hier gezeigten Beispiel wird ein normalerweise geschlossener Schalter 68 in einem abnehmbaren Abdeckteil 64a des Gehäuses 64 verwendet. Ein Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, dass alternative Ausführungsformen ebenso verwendet werden können, bei denen der Schalter 68 sich an anderen Positionen befindet, zum Beispiel in der Nähe der Öffnung 66.
Eine weitere bevorzugte Eigenschaft der Sendervorrichtung 60 ist ein Zentrierelement 74, welches typischerweise mit der ersten Feder 70 verbunden ist, das eine Anlagefläche 76 bereitstellt, die so geformt ist, dass sie ein hinteres Ende des Zeichengeräts 62 zentral innerhalb des zylindrischen Hohlraums des Gehäuses 64 ausrichtet. Dies stellt eine Ausrichtung von Zeichengeräten in dem Gehäuse 64 unabhängig von ihren äußeren Abmessungen sicher und verhindert einen reibenden Kontakt zwischen dem Zeichengerät und den Wänden des Gehäuses 64, der andernfalls die Funktion des Schalters 68 stören könnte. Vorzugsweise ist die Anlagefläche 76 mit einem sich verjüngenden Vorsprung 78 ausgebildet, der, unter der Wirkung der Federn 70 und 72, sich selbst in der axialen Aussparung zentriert, die dem hinteren Ende der meisten Marker-artigen Zeichengeräte gemeinsam ist.
In Bezug auf die Schaltungen der Sendereinheit ist dies typischerweise relativ einfach, da nur eine synchrone gepulste Übertragung der Druckwelle und elektromagnetische Sender erforderlich sind. Optional kann das elektromagnetische Signal zusätzliche Informationen tragen, wie eine Stiftfarbe und die Zustände von einem oder mehreren Schaltern.
Ein spezifisches Problem bei der Implementierung des Senders betrifft das Aufrechterhalten der Synchronität während kurzer funktioneller Bewegungen. Um eine verschwenderische Dauerübertragung zu vermeiden, verwenden Zeichengeräte wie Stifte oder Radierer typischerweise einen Kontaktschalter, um einen funktionalen Kontakt zwischen dem Zeichengerät und einer Oberfläche zu identifizieren. Die Sequenz von Ultraschallpulsen wird dann eingeleitet, wenn ein funktioneller Kontakt hergestellt wird. Da eine wirksame Funktion der vorliegenden Erfindung einen „synchronen Betrieb" erfordert, führt das wiederholte Anhalten und Starten des Ultraschallsenders, das normalerweise von kurzen Kontaktbewegungen verursacht wird, zu wiederholtem Verlust der Synchronität.
Um dieses Problem zu beheben, wird die Übertragung der Pulsfolge vorzugsweise für eine vorgegebene Verzögerungsperiode fortgesetzt, typischerweise mindestens etwa ½ Sekunde, nachdem der Kontaktschalter aufgehört hat, funktionellen Kontakt anzuzeigen. Auf diese Weise wird der Zustand synchronen Betriebs während unterbrochenem Kontakt beibehalten. Der Zustand des Kontaktschalters wird dann gesondert an die Basiseinheit übermittelt, entweder über eine fest verdrahtete Verbindung, wenn vorhanden, oder vorzugsweise über eine elektromagnetische Verbindung von der Sendereinheit zu einem zugehörigen elektromagnetischen Empfänger. In letzterem Fall werden die Übertragung sowohl des Druckwellensignals als auch des elektromagnetischen Signals während der Verzögerungsperiode fortgesetzt.

Claims

Verfahren zum Verfolgen von Veränderungen eines Abstands D, welcher aus Flugzeit-Messungen (20) einer Abfolge von Pulsen einer Druckwellenoszillation von einem Sender zu einem Empfänger (100) berechnet wird, wobei die Druckwellenoszillation eine gegebene Wellenlänge und Wellenperiode aufweist, wobei das Verfahren umfasst: a) Identifizieren eines Zustands synchronen Betriebs durch Erhalten von mindestens zwei Flugzeit-Messungen, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, welche vorgegebene Synchronizitäts-Kriterien erfüllen; b) Überwachen von aufeinanderfolgenden Flugzeit-Messungen, um eine verschobene Flugzeit-Messung zu identifizieren, welche um mindestens die Hälfte der Wellenperiode von einem vorhergesagten Flugzeit-Wert abweicht, der aus einer Anzahl vorhergehender Flugzeit-Messungen berechnet wurde; c) Identifizieren eines Verschiebungsfaktors, der einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenperiode entspricht, um welchen die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um eine korrigierte Flugzeitmessung (28) zu erhalten, welche innerhalb einer Hälfte der Wellenperiode von dem vorhergesagten Flugzeit-Wert liegt; und d) Korrigieren des Abstands D, der aus der verschobenen Flugzeitmessung berechnet wurde, durch das Produkt aus dem Verschiebungsfaktor und der Druckwellen-Wellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flugzeitmessungen durch ein Verfahren vorgenommen werden, welches so ausgelegt ist, dass ein vorbestimmter Punkt innerhalb eines Zyklus identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Flugzeitmessungen vorgenommen werden, indem ein erster Nulldurchgang eines empfangenen Signals, nachdem das Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Nicht-Berücksichtigen einer verschobenen Flugzeitmessung, für welche der Verschiebungsfaktor einen vorbestimmten maximalen Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte maximale Wert kleiner als 3 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die korrigierte Flugzeitmessung als eine vorhergehende Flugzeitmessung für den Schritt des Überwachens angewendet wird, der an einer darauffolgenden Flugzeitmessung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zustand synchronen Betriebs identifiziert wird, indem mindestens drei Flugzeitmessungen erhalten werden, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, wobei die aufeinanderfolgenden Flugzeitmessungen um weniger als eine Hälfte der Wellenperiode variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zustand synchronen Betriebs identifiziert wird, indem mindestens drei Flugzeitmessungen erhalten werden, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, die im Wesentlichen linear variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorhergesagte Flugzeit-Wert durch geometrische Extrapolation aus mindestens zwei vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorhergesagte Flugzeit-Wert durch Extrapolation einer polynomischen Anpassung zweiten Grades an die vorgehenden drei Flugzeit-Messungen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Ausführen von mindestens einer zusätzlichen Verschiebungsprüfung, wobei der Schritt des Korrigierens selektiv in Reaktion auf die zusätzliche Verschiebungsprüfung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine zusätzliche Verschiebungsprüfung ein Ermitteln einer Reihenfolge einschließt, in der ein positiver und ein negativer Signalamplituden-Schwellwert überschritten werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine zusätzliche Verschiebungsprüfung einschließt: a) Ermitteln mindestens einer Scheitelwert-Signalamplitude, die auftritt, nachdem ein Signalamplituden-Schwellwert überschritten wurde; und b) Berechnen, ob die Scheitelwert-Signalamplitude sich von der einer entsprechenden Scheitelwert-Signalamplitude eines vorhergehenden Pulses um mehr als ein vorbestimmtes Verhältnis unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sender mit einer Zeichnungseinrichtung verknüpft ist, welche einen Kontaktschalter einschließt, um funktionalen Kontakt zwischen der Zeichnungseinrichtung und einer Oberfläche zu identifizieren, wobei die Abfolge von Pulsen in Reaktion auf die Identifikation des funktionalen Kontakts eingeleitet wird, wobei das Verfahren weiter ein Fortführen der Übertragung der Abfolge von Pulsen für eine vorgegebene Verzögerungsperiode einschließt, nachdem der Kontaktschalter aufgehört hat, den funktionalen Kontakt anzuzeigen, um den Zustand synchronen Betriebs während unterbrochenem Kontakt aufrecht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die vorgegebene Verzögerungsperiode mindestens ½ Sekunde beträgt.
System zum Verarbeiten von Zeitablaufs-Informationen und eines empfangenen Signals, welches einer Abfolge von Pulsen einer Druckwellenoszillation entspricht, empfangen über einen Empfänger (103), um Veränderungen eines Abstands D, der aus Flugzeit-Messungen der Pulse bestimmt wird, zu verfolgen, wobei die Druckwellenoszillation eine vorgegebene Wellenlänge und Wellenperiode aufweist, wobei das System umfasst: (a) einen Signalprozessor (102) zum Verarbeiten des empfangenen Signals, um eine effektive Ankunftszeit für jeden Puls abzuleiten; (b) ein Zeitablauf-Modul (104), welches mit dem Signalprozessor (102) verknüpft ist, wobei das Zeitablauf-Modul eingerichtet ist, eine Flugzeit für jeden Puls aus der Zeitablauf-Information und der effektiven Ankunftszeit zu abzuleiten; (c) ein Synchronbetriebs-Modul (106), das mit dem Zeitablauf-Modul (104) verknüpft ist und eingerichtet ist, die Flugzeiten zu analysieren, um einen Zustand synchronen Betriebs zu identifizieren, wenn mindestens zwei aufeinanderfolgende Druckwellenpulse vordefinierte Synchronizitätskriterien erfüllen; (d) ein Überwachungsmodul (108), welches mit dem Zeitablauf-Modul (104) verknüpft ist und eingerichtet ist, aufeinanderfolgende Flugzeit-Messungen zu überwachen, um eine verschobene Flugzeit-Messung zu identifizieren, welche um mindestens eine Hälfte der Wellenperiode von einem vorhergesagten Flugzeitwert abweicht, der aus einer Anzahl von vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet wird; (e) ein Verschiebungsfaktor-Modul (110), welches mit dem Überwachungsmodul (108) verknüpft ist und eingerichtet ist, einen Verschiebungsfaktor zu identifizieren, der einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenperiode entspricht, um welche die verschobene Flugzeitmessung korrigiert werden muss, um eine korrigierte Flugzeitmessung zu erhalten, welche in der Hälfte der Wellenperiode des vorhergesagten Flugzeitwerts liegt; und (f) ein Korrekturmodul (112), welches mit dem Zeitablauf-Modul (104) verknüpft ist und eingerichtet ist, den Abstand D zu korrigieren, der aus der verschobenen Flugzeitmessung durch das Produkt des Verschiebungsfaktors und der Druckwellenwellenlänge berechnet wurde.
System nach Anspruch 16, wobei die vorbestimmten Synchronizitätskriterien einschließen, dass für erste, zweite und dritte Flugzeitmessungen, welche aus einem ersten, zweiten bzw. dritten aufeinanderfolgenden Puls berechnet werden, ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Flugzeitmessung und ein Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Flugzeitmessung jeweils weniger als eine Hälfte der Wellenperiode sind.
System nach Anspruch 16, wobei die vorbestimmten Synchronizitätskriterien einschließen, dass mindestens drei Flugzeitmessungen, die von aufeinanderfolgenden Druckwellenpulsen abgeleitet werden, im Wesentlichen linear variieren.
System nach Anspruch 16, wobei der Signalprozessor (102) eingerichtet ist, einen vorbestimmten Punkt innerhalb eines Zyklus als die effektive Ankunftszeit zu identifizieren.
System nach Anspruch 19, wobei der vorbestimmte Punkt einem ersten Nulldurchgang des empfangenen Signals entspricht, nachdem das Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat.
System nach Anspruch 16, wobei das Verschiebungsfaktormodul (110) eingerichtet ist, jede verschobene Flugzeitmessung als fehlerhaft einzuordnen, für die der Verschiebungsfaktor einen vorbestimmten maximalen Wert überschreitet.
System nach Anspruch 21, wobei der vorbestimmte maximale Wert kleiner als 3 ist.
System nach Anspruch 16, wobei das Überwachungsmodul (108) eingerichtet ist, die korrigierte Flugzeitmessung als die vorherige Flugzeitmessung zum Überwachen einer darauffolgenden Flugzeitmessung anzuwenden.
System nach Anspruch 16, wobei der Signalprozessor (102) eingerichtet ist, mindestens eine zusätzliche Verschiebungsprüfung durchzuführen, wobei das Korrekturmodul eingerichtet ist, den Abstand D selektiv in Reaktion auf den zusätzlichen Verschiebungstest zu korrigieren.
System nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine zusätzliche Verschiebungsprüfung das Bestimmen einer Reihenfolge einschließt, in der ein positiver und ein negativer Signalamplituden-Schwellwert überschritten wird.
System nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine zusätzliche Verschiebungsprüfung einschließt: (a) Bestimmen mindestens einer Scheitel-Signalamplitude, die auftritt, nachdem ein Signalamplitudenschwellwert überschritten wurde; und (b) Berechnen, ob die Scheitel-Signalamplitude von der einer entsprechenden Scheitel-Signalamplitude eines vorhergehenden Pulses um mehr als ein vorbestimmtes Verhältnis abweicht.
System nach Anspruch 16, wobei das Überwachungsmodul (108) den vorhergesagten Flugzeitwert durch geometrische Extrapolation aus mindestens zwei vorhergehenden Flugzeitmessungen berechnet.
System nach Anspruch 16, wobei das Überwachungsmodul (108) den vorhergesagten Flugzeitwert durch Extrapolation einer polynomischen Anpassung zweiten Grades an die vorgehenden drei Flugzeit-Messungen berechnet.