用于在过程自动化中确定位置的方法与流程

本发明涉及用于通过传感器确定物体位置的方法、计算单元、传感器、具有计算单元和传感器的系统以及计算单元在过程自动化、工厂自动化的系统中或在具有多个位置可变传感器的多传感器环境中的使用。

背景技术：

1、可以使用二维测量雷达系统来全局化安全或自动化技术领域的监测。此外，用于传送带的线扫描二维雷达系统是已知的，其检测传送带上运输的松散材料的量。上述系统的共同点在于，物体在监测区域中的位置根据它们的距离以及它们相对于传感器自身的角位置来确定，这也足以解决大量问题。尤其用于物位测量技术的三维测量系统也是已知的。在这种系统中，向容器中或露天存放的松散材料堆上的松散材料层施加雷达信号，并且根据雷达信号在介质上的反射计算出松散材料表面的拓扑，通过已知的变换，可以从该拓扑高精度地确定松散材料的体积，并且在已知密度的情况下，还可以高精度地确定松散材料的质量。

2、例如，用于过程或工厂自动化的传感器确定与相应传感器的相应位置有关的距离和角位置。因此，雷达传感器例如将与填充材料的距离确定为位于传感器中的参考点(零点)与填充材料表面之间的距离。除了距离值之外，用于过程和工厂自动化的传感器还能确定传感器与相应反射体之间的角度值。这些角度值也以与传感器自身上的现有平面或标记(“传感器参考平面”)有关的方式指定。上述方法的缺点是，服务技术人员不能从外部不能知晓填充材料或物体的位置或方位。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种克服这种缺陷的方法和系统。

2、该目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的实施例是从属权利要求、以下说明和附图的主题。

3、所描述的实施例类似地涉及用于通过传感器确定物体位置的方法、计算单元、传感器、具有计算单元和传感器的系统以及计算单元在过程自动化或工厂自动化的系统中或在具有多个位置可变传感器的多传感器环境中的使用。协同效应可由实施例的各种组合产生，尽管它们可能未被详细说明。

4、本领域技术人员通过研究附图、公开内容和所附权利要求，在实施要求保护的发明时可以理解和实施所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中列举的多个主题或步骤的功能。在相互从属的权利要求中说明特定措施的这一事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。

5、根据第一方面，提供了一种用于通过传感器确定物体的位置的方法。该方法包括以下步骤：设定(即，指定)本地传感器坐标系；设定全局目标坐标系；确定用于将本地传感器坐标系中的坐标变换为全局目标坐标系中的坐标的变换参数；获取物体的位置的本地坐标；并且将物体的位置变换为全局目标坐标系中的坐标。

6、因此提出了一种如下方法，在该方法中，诸如雷达传感器等多维测量传感器例如检测相对于物体的方向和距物体的距离，并且在全局坐标系中给定位置。因此，服务技术人员无需了解传感器的朝向即可知道物体所在的位置。

7、术语“传感器”例如对于过程自动化领域的技术人员而言是已知的。取决于类型和设计，这种传感器可例如包括天线、用于测量变量的检测器、用于对检测的信号镜像放大、处理和可能的数字化的电子器件、电源单元、用于外部的接口以及储能器。所列出的部件仅应理解为示例。传感器通常安装在壳体中。因此，也可以将其它单元(例如，其它传感器)集成到传感器中。为了对本发明中提到的这些其它传感器(例如，加速度传感器)进行区分，这些其它传感器被称为“附加传感器”。

8、“物体”例如是容器壁上不期望的材料积累物，或者例如是应确定和观察其在容器中的分布的松散材料。由于例如从雷达传感器的角度来看，雷达波在物体上反射，因此在本发明的示例中，术语“反射点”通常是指物体，或者更准确地说是指物体的位置。此外，物体也应理解为例如松散材料，该松散材料由于被放置到容器中而具有能由传感器检测的拓扑。

9、术语“位置”通常是指完整的坐标，而术语“方位”通常描述方向或朝向，根据上下文，方位可以是物体的朝向或者是在空间中相对于传感器朝向的方位。例如，可以通过将距离添加到与球面坐标系相关的方位信息而在球面坐标系中确定物体的位置。

10、术语“本地”是指传感器。另一方面，术语“全局”是指可能大规模的但仍有限的区域，例如通常为工业设施。在一些实施例中，全局坐标系的定义分量是重力方向。因此，如果坐标系的原点不是不同重力方向的交点(例如，地心坐标系)，则该区域的地理范围应限制在仍能够将重力方向视为“相同”以实现本发明目的的范围内。否则，例如可以使用全球大地测量坐标系作为全局坐标系。

11、方向最初与本地传感器坐标系相关，这将在以下实施例中更详细地说明。例如，本地传感器坐标系并不总是为服务技术人员所知。如果例如将本地坐标系中的位置传达给技术人员，则还必须确保在技术人员到达之前该位置不会例如由于移动而发生改变。尤其在具有大量传感器的系统中，技术人员仍需要为每个传感器重新定向。通过远程传输物体在全局目标坐标系中的坐标，可以将物体的位置在例如智能手机、计算设备或纸质打印件上以例如图形表示的形式提供给远程服务中心中或远程位置处的技术人员，并且也可以在现场显示。由此，服务明显更容易、更快速并且更不易出错，因此也更经济。在此，对传输的统一系统中坐标的评估并不复杂。

12、目标坐标系不一定是最终坐标系。可以继续将物体坐标变换到一个或多个其它坐标系。

13、根据一实施例，本地坐标系是球面坐标系或笛卡尔坐标系，并且设定本地坐标系的步骤包括将传感器平面定义为赤道平面或xy平面，将传感器平面的中心定义为坐标系的原点，并且将传感器平面外部的参考点定义为参考方向或定义为传感器平面中的其中一个轴从原点朝向参考点的方向。

14、因此，本地传感器坐标系例如是球面坐标系，其极轴是主方向，例如是雷达传感器的天线的中心发射和接收方向。极轴例如垂直于传感器的下侧面或下表面。在此，下侧面或下表面例如平行于容器的安装有传感器的表面。该表面(在本发明中也被称为传感器平面)可以充当赤道平面。坐标系的原点或中心点例如是被限制到传感器的区域内的传感器平面的中心点。方位角的参考方向例如可以是传感器平面上的标记或者使电缆在传感器平面中的出口点。例如，在笛卡尔传感器坐标系的情况下，如果原点相同，则方位角参考方向将对应于x轴，并且极点方向对应于z轴，并且相应地得出y方向。根据传感器的特性有利地选择基本传感器坐标系。如果传感器例如是用于测量距离和方向的雷达传感器，则优选地使用球面坐标系。由于从本领域技术人员的角度来看，从本地球面坐标系到相应的笛卡尔坐标系的变换是无关重要的问题，并且进一步的方法无需对其进行区分，因此在下文中基本省去了对两种坐标系的具体命名。因此，通过指定诸如仰角(elevation)、方位角和距离等信息，在这些相应的本地坐标系的情况下，本领域技术人员读取笛卡尔等价物，例如x和y方向上和/或xyz坐标上的斜率等。

15、根据一实施例，获取物体的位置的本地坐标的步骤包括确定相对于本地传感器坐标系的参考方向的仰角和方位角。仰角是相对于传感器球面坐标系的赤道平面的倾斜，而方位角是相对于参考方向的旋转。距离对于位置确定也是必需的。距离由传感器自身测量，因此很容易确定。如果本地传感器坐标系和全局目标坐标系具有相同的原点，则距离保持不变，因此不必进行平移。为了变换到目标坐标系，首先有利地将球面坐标变换为本地笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标。

16、根据另一实施例，全局目标坐标系是笛卡尔坐标系或大地坐标系，该笛卡尔坐标系的其中一个轴的朝向在罗盘方向上，而另一个其它轴的朝向在重力方向上。优选地，罗盘方向例如是向南或向北方向。通过选择重力方向作为其中一个轴，允许使用其测量原理基于重力的传感器以及下述的其它方法。诸如wgs84等大地坐标系的优点在于，其不受本地的限制并且一些卫星导航系统使用该系统。但是，这种换算相对复杂。

17、根据另一实施例，由作为法线的重力方向确定的平面位于与容器相关的高度处。换句话说，作为法向矢量的重力方向定义了一组平面。从中选择一个平面，该平面位于容器的恰当选择的高度处，例如位于或接近容器的底部。

18、根据另一实施例，变换参数为仰角，并且该仰角通过以下方法中一种或多种获得：第一种方法包括通过量角器或通过智能手机的仰角测量传感器检测仰角。第二种方法包括通过传感器中的倾斜和/或加速度传感器检测仰角。第三种方法包括通过传感器检测填充过程期间松散材料的下落方向作为重力方向并基于重力方向确定仰角。第四种方法包括检测容器壁的平坦表面的方向作为重力方向并基于重力方向确定仰角。在此，平坦表面是指例如矩形或圆柱形容器的例如垂直壁。如果本地坐标系是球面坐标系，则可以如上所述地进行变换，即在中间步骤中变换为本地笛卡尔坐标系，并且据此变换为笛卡尔目标坐标系。然而，本实施例中提到的仰角不应与物体相对于本地传感器球面坐标系的仰角相混淆。本实施例的仰角是指本地传感器系统和全局坐标系之间的关系，以确定变换参数仰角的值，例如极点方向相对于重力方向的倾斜。在此，传感器或本地坐标系的方位与全局坐标系有关。传感器的方位可以通过传感器中的可用于检测相对于重力方向的倾斜的附加传感器确定，或者可以在智能手机根据传感器或本地传感器球面坐标系的朝向或极点方向倾斜时通过位于智能手机中的附加传感器确定。也可以光学地确定仰角，例如通过诸如松散材料等介质的下落方向。

19、根据一实施例，另一变换参数是方位角或方位角度，并且变换参数仰角和方位角中的至少一者通过以下方法中的一种或多种获得：在第一种方法中，用智能手机或智能手机相机拍摄传感器和传感器的标记的图像，并且据此确定本地坐标系的参考方向；以及通过用智能手机罗盘测量地球磁场来确定罗盘方向，并且最后基于罗盘方向和参考方向确定方位角。在第二种方法中，智能手机具有可以测量倾斜(即，相对于重力方向的仰角)的附加传感器以及可以测量方位角的附加传感器。例如，该附加传感器(例如，陀螺仪)可以检测智能手机为了从标记方向移动到向南方向而旋转了多少度。在这种情况下，智能手机不必主动旋转，而是可以包含自动确定例如南极方向相对于当前朝向的偏移量的功能。另一种方法是通过扫描容器来检测容器形状，并且使用用于显示容器朝向和容器形状的设施布置图(anlageplans)来确定仰角和方位角。因此，在此通过设施布置图获得外部(即，全局)参考。例如，设施布置图可以存储在数据库或存储器中，以便可以自动访问和使用。

20、换句话说，根据该实施例，单独地确定方位角，或者同时确定方位角和仰角。对于方位角，例如可以将例如罗盘针的磁朝向与从原点到标记或重要点的线(即，参考方向)进行光学比较或测量。

21、根据一实施例，传感器中的附加传感器为以下设备中的一者或多者：罗盘、卫星导航接收器、加速度传感器、至少包括光学检测单元、日期检测单元和时间检测单元的天体观测单元。全局朝向也可以通过gps接收器的天线装置或者通过加速度传感器来确定。另一种可能的方法基于天体观测单元。例如，可以确定太阳的位置。例如，可以计算出在特定日期和特定时间时日落时的太阳位置，并且根据该位置与本地球面坐标系的参考方向的简单差值得出方位角。

22、根据一实施例，进一步通过用户定义的平移参数将目标坐标系中的坐标变换到用户定义的坐标系中。例如，轴具有相同的朝向，但将原点例如设置在诸如容器的底部平面的中心之类的点上。因此，用户定义的坐标系可以是具有全局坐标系朝向的另一传感器特定坐标系。因此，服务技术人员可以据此立即用容器信息或传感器id来识别容器并且还识别物体的位置。在这种情况下，他不必通过全局坐标例如根据布置图来确定容器或传感器。

23、根据一实施例，用户定义的坐标系的原点在容器的底部处，例如在底部平面的中心处。然而，原点也可被定义在角部点或顶部点处。另一合适的点是本地坐标系的原点。如果目标坐标系的原点未被设置在空间中的另一点处，则这将对应于平移0。在这种情况下，目标坐标系和用户定义的坐标系是相同的。

24、根据一实施例，该方法还包括将物体在目标坐标系或用户定义的坐标系中的坐标经由接口传输到数据获取单元的步骤。

25、坐标可以存储在本地，并且例如通过nfc(近场通信)现场传输到智能手机、平板电脑或服务设备。然而，这些坐标也可以经由使用现场总线的有线或无线连接、以太网/互联网连接或移动无线电连接传输到服务器、评估单元或云端。

26、此外，可以将诸如变换参数、图像数据、gps数据、雷达传感器测量数据、设施或容器的几何数据等测量的、确定的和/或配置的值、参数和数据发送到服务器、评估单元或云端，使得可以在传感器、服务器、评估单元和/或云端服务中部分或完全地执行这些步骤。相应的无线或有线传输路径(特别是过程自动化的传输路径)以及相应的接口对于本领域技术人员而言是已知的，并且在此不再进一步解释。

27、根据另一方面，提供了一种计算单元，该计算单元包括用于指示计算单元执行该方法的步骤的程序元件。例如，计算单元可以布置在服务器或评估单元中，和/或作为云端中的服务器。这意味着计算单元也可以是物理地分布在多个单元(例如，不同硬件单元)上的逻辑单元。

28、根据另一方面，提供了一种具有这种计算单元的传感器。传感器例如是雷达传感器、激光传感器、超声波传感器或可用于测量距离和方向的类似传感器。在此，“传感器”也可以理解为传感器组，传感器组作为一个这种传感器相互作用。在这种情况下，例如，传感器组中的一个传感器可以用作作为本地坐标系的参考的传感器。

29、根据另一方面，提供了一种系统，其包括计算单元和用于确定物体在本地坐标系中的位置的传感器。如上所述，传感器也可以是传感器组。计算单元可以是如上所述的处理单元，其将确定的位置或本地坐标系中的坐标变换为全局或用户定义的坐标系的坐标。

30、因此，提出了一种多维测量雷达系统，该雷达系统提供分别表征反射点的至少两个空间坐标。在此，空间坐标与全局固定点和/或用户指定的固定点固定地相关。

31、根据另一方面，提供了计算单元在过程自动化、工厂自动化或具有多个位置可变传感器的多传感器环境中的使用。

32、因此，通过使用所述系统和方法，多维测量的雷达系统可以向外部提供大量反射点的方位。因此，用于描述多个反射点的所述数据集可以有线或无线地、有效地传输和应用到诸如控制室或云端等远程设施。为了能够以统一的形式显示、评估和正确解释大量测量点的该传输数据，可以将传输的反射点的位置和与传感器安装位置无关的可全局确定的参考位置关联起来，且/或参阅它。