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Dokumentenidentifikation DE19809059A1 09.09.1999
Titel Weckvorrichtung
Anmelder STN ATLAS Elektronik GmbH, 28309 Bremen, DE
Erfinder Hölscher, Ursula, Dipl.-Ing., 28203 Bremen, DE;
Hermstrüwer, Günther, Dipl.-Ing., 28832 Achim, DE;
Knötsch, Rainer, Dr., 28832 Achim, DE
DE-Anmeldedatum 04.03.1998
DE-Aktenzeichen 19809059
Offenlegungstag 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse G08B 13/16
IPC-Nebenklasse G01V 3/00   
IPC additional class // G01V 1/18  
Zusammenfassung Eine Weckvorrichtung, die auf von Fahrzeugen hervorgerufene Geräusche anspricht und ein die Anwesenheit solcher Fahrzeuge anzeigendes Wecksignal erzeugt, weist mindestens einen Sensor (10) zum Empfangen der Fahrzeuggeräusche und eine Signalverarbeitung (11) für die elektrischen Ausgangssignale des mindestens einen Sensors (10) auf. Zwecks Schaffung einer Weckvorrichtung mit großer Detektionsreichweite und hoher Detektionswahrscheinlichkeit bei geringer Falschalarmrate unter Verzicht auf eine aufwendige Signalverarbeitung weist die Signalverarbeitung mindestens zwei Signalverarbeitungskanäle auf, in denen aus den Ausgangssignalen des mindestens einen Sensors (10) Pegelsignale mit verschiedenen Signaleigenschaften abgeleitet werden und mittels Schätzfilter (16, 17) und Entscheidungslogiken (18, 19) physikalisch interpretierbare Merkmale aus den Pegelsignalen extrahiert und die Konfidenz der Extraktion bewertet wird. Mit den extrahierten Merkmalen und deren Konfidenzen werden die Schätzfilter (16) bezüglich der Funktionsweise, der einzustellenden Funktionsparameter sowie der Entscheidungsschwellen beeinflußt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Weckvorrichtung, die auf von Fahrzeugen hervorgerufenen Fahrgeräuschen anspricht und ein die Anwesenheiten solcher Fahrzeuge anzeigendes Wecksignal erzeugt, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Weckvorrichtungen dieser Art dienen dazu, autonome Systeme zur Überwachung von Geländebereichen auf und/oder zur Sicherung von Geländebereichen gegen das Eindringen von Objekten, hier Fahrzeugen, erst dann zu aktivieren (wecken), wenn einigermaßen sicher feststeht, daß solche Objekte im Überwachungsbereich auftauchen und/oder das sich es bei den auftauchenden Objekten auch um die überwachungsspezifischen Objekte und nicht um andere handelt. Dabei muß das Wecken mit möglichst geringer Falschalarmrate so rechtzeitig erfolgen, daß das Objekt sich noch innerhalb des Aktionsradius des Systems befindet. Da die Weckvorrichtung kontinuierlich arbeitet, darf sie nur einen geringen Energieverbrauch aufweisen, damit sie nach erstmaligem Auslegen eine recht große Lebensdauer besitzt.

Bei einer bekannten, auf Kettenfahrzeuge ansprechenden Weckvorrichtung (EP 0 375 872 E1) ist zur Erzielung einer niedrigen Falschalarmrate und zwecks kostengünstiger Fertigung ein Geophon als Sensor eingesetzt, dessen Ausgangssignal nach Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung an einen Komparator gelegt ist. Der Komparator vergleicht den Pegel des Ausgangssignals (Empfangspegel) mit einem Schwellwert und erzeugt bei dessen Überschreiten ein Wecksignal. Zur Erhöhung der Detektionssicherheit ist der Schwellwert so gelegt, daß er größer als der von Radfahrzeugen hervorgerufene Empfangspegel und kleiner als der von Kettenfahrzeugen hervorgerufene Empfangspegel ist, und wird zusätzlich so korrigiert, daß der Einfluß der am Ausbringungsort des Geophons herrschenden Bodenbeschaffenheit und/oder Hintergrundgeräusche auf die von Rad- und Kettenfahrzeugen hervorgerufenen Empfangspegel des Geophons wenigstens annähernd kompensiert ist. Das Ausgangssignal des Komparators bildet das Wecksignal.

Bei einer bekannten, auf Fußgänger ansprechenden Weckvorrichtung (DE 195 42 871 C1) werden als Sensoren ein Geophon und ein Mikrofon eingesetzt, denen jeweils ein separater Signalverarbeitungskanal nachgeordnet ist. In jedem Signalverarbeitungskanal werden die Ausgangssignale der Sensoren signaltechnisch geeignet aufbereitet und fortlaufend in vorgegebenen Zeitstücken der Ausgangssignale Signalspitzen oder/-impulse detektiert. Anschließend werden in dem Ausgangssignal des Geophons Signalspitzen oder/-impulse an denjenigen Stellen eliminiert, an denen in gleichen Zeitstücken des Mikrofonsausgangssignal Signalspitzen oder/-impulse auftreten. In den so bereinigten Zeitstücken des Mikrofonausgangssignals wird eine vorgegebene maximale Zahl größter Signalamplituden extrahiert und anhand dieser Zahl die Wahrscheinlichkeit einer Fußgängerdetektion bewertet und angezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf Fahrzeuge ansprechende Weckvorrichtung mit großer Detektionsreichweite und hoher Detektionssicherheit bei Verzicht auf eine aufwendige Signalverarbeitung zu schaffen.

Die Aufgabe ist bei einer Weckvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Weckvorrichtung hat den Vorteil einer sicheren Detektion von Bodenfahrzeugen, wie Rad- und Kettenfahrzeugen, oder Luftkissenfahrzeugen, wie Hubschrauber, bei einer niedrigen Falschalarmrate, da durch automatische Anpassung der Detektionsschwelle an das Hintergrundgeräusch und Eliminierung von kurzeitigen Störern, wie Knalle oder Windböen, die Schätzung von Signal- und Störanteil des wegen der notwendigerweise immer geforderten großen Detektionsreichweite sehr niedrigen Nutz-/Störverhältnisses bei erkannten Zielen verbessert wird. Die Weckvorrichtung kommt mit einem einzigen Sensor, vorzugsweise einem Mikrofon, aus, doch können zur Gewinnung weitere Informationen weitere Sensoren problemlos einbezogen werden. Die Signalverarbeitung ist wenig aufwendig und zeichnet sich aus durch die Verwendung von zwei zeitlichen Pegelsignalen mit verschiedenen Signaleigenschaften, die von den Ausgangssignalen mindestens eines Sensors gewonnen werden, der Extraktion von physikalisch interpretierbaren Merkmalen und deren Konfidenzbewertung und die Beeinflussung der Schätzfilter bezüglich ihrer Funktionsweise, der einzustellenden Funktionsparameter sowie der Entscheidungsschwellen in Abhängigkeit von den extrahierten Merkmalen und deren Konfidenz. Die niederfrequenten Pegelsignale können trotz der nach heuristischen Regeln arbeitenden Logiken und Konfidenzbewertung mit einem Mikrocontroller lückenlos in Echtzeit bearbeitet werden. Infolge der direkten, schnellen Beeinflussung von Funktionsweise und Funktionsparameter der Schätzfilter durch die auf physikalischen Gesetzen beruhenden heuristischen Regeln werden aufwendige adaptive Verfahren mit langer Einschwingzeit vermieden. Eine Änderung der Weckvorrichtung durch Ändern oder Ergänzen der Regeln ist einfach, der Aufwand für deren Implementation und der Tests ist gering.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Weckeinrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weitern Ansprüchen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein Blockschaltbild einer auf Fahrzeuggeräusche ansprechenden Weckvorrichtung.

Die in der Zeichnung im Blockschaltbild dargestellte Weckvorrichtung dient zum Aktivieren oder Wecken autonomer Systeme zur Überwachung von Geländebereichen bezüglich Eindringen von oder Überfahren durch Fahrzeuge aller Art, wobei das autonome System ein Aufklärungssystem zur Erfassung von Truppenbewegungen oder ein Bekämpfungssystem, z. B. ein Minensystem, zur Zerstörung aller oder selektierter Fahrzeuge sein kann. Die Weckvorrichtung arbeitet mit geringem Stromverbrauch kontinuierlich und schaltet das einen wesentlichen höheren Energieverbrauch aufweisende autonomische System kurzfristig bei der Detektion eines Fahrzeugs ein.

Die zusammen mit dem autonomen System im Gelände ausgebrachte Weckvorrichtung weist ein Mikrofon 10 sowie eine Signalverarbeitungseinheit 11 mit zwei getrennten Signalverarbeitungskanälen 111, 112 auf, in denen von dem Mikrofonausgangssignal zwei zeitabhängige Pegelsignale mit unterschiedlichen Signaleigenschaften abgeleitet und physikalisch interpretierbare Merkmale in den Pegelsignalen extrahiert und bewertet werden. Hierzu ist in jedem Kanal 111 bzw. 112 ein analoger Signalverarbeitungsmodul 12 bzw. 13, ein Analog-/ Digitalwandler (A/D-Wandler) 14 bzw. 15 sowie ein Schätzfilter 16 bzw. 17 und eine Logik 18 bzw. 19 vorhanden. In einer an den beiden Logiken 18, 19 angeschlossenen Wecklogik 20 wird ein Wecksignal zum Aktivieren des autonomen Systems generiert.

In jedem Signalverarbeitungsmodul 12 bzw. 13 wird das Ausgangssignal des Mikrofons 10 in einem Verstärker 21 bzw. 22 verstärkt, mittels eines Bandpasses 23 bzw. 24 gefiltert, in einem Gleichrichter gleichgerichtet und mit einem Integrator integriert. Gleichrichter und Integrator sind in einem Block 25 bzw. 26 zusammengefaßt. Die Parameter (Filterbereich, Integrationszeit) des ersten Moduls 12 ist an das Fahrzeuggeräusch und die Parameter (Filterbereich, Integrationszeit) des zweiten Moduls 13 an mindestens ein prädiktives Ereignis angepaßt, das erfahrungsgemäß im überwachten Geländeabschnitt auftritt und das Fahrzeuggeräusch zumindest teilweise überdeckt. Im speziellen Fall werden als solche Ereignisse Knalle oder Windböen betrachtet, die kurzzeitige Störungen des Mikrofonausgangssignals hervorrufen. Entsprechend ist in dem Modul 12 mit Modellannahme zur Bestimmung des Fahrzeuggeräusches der Bandpaß 23 typischerweise schmalbandig ausgelegt und die Zeitkonstante des Integrators groß gewählt, während in dem Modul 13 mit der Modellannahme zur Knall- und Windböenerkennung der Bandpaß 24 breitbandig ausgelegt ist und die Zeitkonstante des Integrators klein bemessen ist. Die große Zeitkonstante entspricht der Zeitbewertung FAST (F) und die kleine Zeitkonstante entspricht der Zeitbewertung IMPULS (1) oder kürzer gemäß DIN IEC 651. Die Bandbreite des Bandpasses 23 liegt im Frequenzbereich von Fahrzeuggeräuschen bei einem guten Nutz-/Störverhältnis (Signal Noise Ratio SNR) und die Bandbreite des Bandpasses 23 überspannt den Frequenzbereich, in dem die typischerweise von den prädiktiven Ereignissen hervorgerufenen schmalen Peaks liegen.

Das Schätzfilter 17 des zweiten Kanals 112 mißt einerseits den maximalen Pegel, auch Receiver Level (RL) genannt, und andererseits den Hintergrundpegel, auch Noise Level (NL) genannt, indem fortlaufend aus einem Zeitstück vorgegebener Dauer der maximale Pegelwert ermittelt wird. Aus einer vorgegebenen Anzahl solcher Zeitstücke ergibt das Maximum dieser Werte den Empfangspegel (RL) und das Minimum der Werte den Hintergrundpegel (NL). Auf Basis der so generierten beiden Pegelsignale wird in der Logik 19 im zweiten Kanal 112, im folgenden kurz Peak-Logik 19 genannt, die Detektion von Peaks zur Erkennung von Knallen und Windböen durchgeführt und die Konfidenz dieser Detektion bestimmt. Die Peakerkennung basiert auf der Differenz zwischen Empfangspegel (RL) und Hintergrundpegel (NL), und die Höhe der Peaks über vorgegebene Detektionsschwellen ergibt dann das Konfidenzmaß für die Peakdetektion. Das Konfidenzmaß, die sogenannte Peak- Konfidenz, gibt die Zuverlässigkeit an, mit der eine Signalspitze (peak) erkannt wird. Im einfachsten Fall nimmt die Peak-Konfidenz den Wert "1" oder "1" an.

Das Schätzfilter 16 im ersten Kanal 111 mißt ebenfalls den Eingangspegel (RL), allerdings hier durch Mittelung der Ausgangswerte des A/D-Wandlers 14, wobei die Mittelung mit einer zeitlichen Überlappung, z. B. von 0,5 bis 1s, erfolgt. Durch Rückkopplung der Peak-Logik 19 auf das Schätzfilter 16 beeinflußt die Peak-Konfidenz die Schätzung des Empfangspegels (RL), indem z. B. bei Peak-Konfidenz "1" der Pegelwert aus dem vorangegangenen Zeitstück als korrigierter Empfangspegel gehalten wird. Das Schätzfilter 16 im ersten Kanal 111 mißt darüberhinaus auch den Hintergrundpegel (NL) und benutzt dabei die korrigierten Pegelwerte des Empfangspegels (RL) als Eingangsdatum für die Schätzung. Bei der Schätzung des Hintergrundpegels (NL) wird zunächst davon ausgegangen, daß der Empfangspegel kein Nutzsignal sondern Hintergrundgeräusch, also Hintergrundpegel (NL), ist. Der neue NL-Schätzwert wird aus dem neuen Pegelwert und dem alten Pegelwert des Hintergrundpegels (NL) durch Mittelung berechnet, wobei die Mittelungszeitkonstante bei ansteigendem Hintergrundpegel (NL) groß und bei abfallendem Hintergrundpegel (NL) klein gemacht wird, was durch die Rückkopplung der Logik 18 für die Fahrzeugerkennung im ersten Kanal 111 im folgenden kurz Fahrzeug-Logik 18 genannt, ausgelöst wird.

Die Fahrzeugerkennung erfolgt in der Fahrzeug-Logik 18 aufgrund der Pegeldifferenz zwischen dem Empfangspegel (RL) und dem Hintergrundpegel (NL). Fahrzeug-Konfidenz liegt vor, wenn die Langzeit- oder Kurzzeitpegeldifferenzen vorgegebene Schwellwerte überschreiten. Bei Vorliegen von Fahrzeug- Konfidenz wird durch die Rückkopplung der Fahrzeug-Logik 18 auf das Schätzfilter 16 der NL-Schätzwert nicht verändert.

Wie in den vorstehenden Ausführungen dargelegt ist, beeinflußt die Peak-Logik 19 und die Fahrzeug-Logik 18 über ihre jeweilige Konfidenz das Verhalten des Schätzfilters 16 im ersten Kanal 111 aufgrund von Verhaltensregeln. Eine solche Beeinflussung besteht z. B. in der Einstellung der Zeitkonstanten für die NL-Schätzung in Abhängigkeit von dem Nutz-/Störverhältnis (Signal/Noise-Ratio SNR), sowie von An-Abfahrt von Fahrzeugen, Bewertungen aufgrund kurz- oder langzeitiger Pegelanstiege und Auslassung von Schätzungen bei erkannten Peaks. Diese Regeln für die Beeinflussung des Schätzfilters 16 können leicht geändert und problemlos implementiert werden.

Die Wecklogik 20 vereinigt in sich zwei wesentliche Funktionen. Zum einen sorgt sie durch Ausnutzung der Pausen zwischen den Peakereignissen dafür, daß die Fahrzeugerkennung weiterlaufen kann, um trotz Störungen durch zahlreiche Windböen ein schnelles Wecken zu erreichen. Zum anderen trifft sie unter Verwendung von Peak-Konfidenz und Fahrzeug-Konfidenz die Weckentscheidung. Die Weckentscheidung wird in mehreren Entscheidungsstufen getroffen, um bei aufgrund der großen Detektionsreichweite schlechtem SNR (z. B. 0 dB) die Falschalarmrate zu senken. Ein Beispiel für eine Weckbedingung besteht darin, daß ein langsam ansteigender Signalpegel und ein SNR größer als 3 dB vorliegen muß. Diese Weckbedingung muß zusätzlich dreimal in Folge vorhanden sein, bevor ein Wecksignal generiert wird. Wurde ein Wecksignal ausgegeben, so wird ein wiederholtes Wecken solange verhindert, bis das Fahrzeug nicht mehr detektiert wird.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel für eine Weckvorrichtung beschränkt. So können mehr als zwei Signalverarbeitungskanäle vorgesehen werden, so daß sich die Zahl der Pegelsignale mit verschiedenen Signaleigenschaften, die auf durch Ereignisprädiktion im Überwachungsgebiet angenommene, unterschiedliche, physikalisch interpretierbare Merkmale analysiert werden, erhöht und damit die Detektionssicherheit anwächst.

Des weiteren müssen nicht alle Signalverarbeitungskanäle an den gleichen Sensor angeschlossen werden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel kann jeder der beiden Signalverarbeitungskanäle mit einem eigenständigen Mikrofon verbunden sein. Anstelle der oder zusätzlich zu den Mikrofonen können andere, für den speziellen Einsatzzweck besonders geeignete Sensoren, z. B. Hydrophone, Magnetsensoren u. dgl. verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Weckvorrichtung, die auf von Fahrzeugen hervorgerufene Fahrgeräusche anspricht und ein die Anwesenheit solcher Fahrzeuge anzeigendes Wecksignal erzeugt, mit mindestens einem Sensor (10) zum Empfangen der Fahrzeuggeräusche und mit einer Signalverarbeitung (11) für die elektrischen Ausgangssignale des mindestens einen Sensors (10) , dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (11) mindestens zwei getrennte Signalverarbeitungskanäle (111, 112) aufweist, daß in jedem Kanal (111, 112) eine analoge Signalverarbeitung (12, 13) mit Bandpaß (20, 21), Gleichrichter und Integrator (25, 26), deren Parameter im ersten Kanal (111) an das Fahrzeuggeräusch und in dem mindestens einen zweiten Kanal (112) an ein das Fahrzeuggeräusch teilweise überdeckendes Ereignisgeräusch, wie Knalle, Windböen und dgl., angepaßt ist, ein Analog-/Digital-Wandler (14, 15) sowie ein Schätzfilter (16, 17) und eine Erkennungslogik (18, 19) mit Konfidenzbewertung vorhanden sind, daß die Entscheidungslogiken (18, 19) auf das Schätzfilter (16) im ersten Kanal (111) derart rückgekoppelt sind, daß sie dessen Funktionsweise sowie dessen eingestellte Funktionsparameter und Entscheidungsschwellen beeinflussen, und daß eine Wecklogik (20) vorgesehen ist, die durch Verwendung der von den Entscheidungslogiken (18, 19) ausgegebenen Konfidenzmaße das Wecksignal generiert.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (111, 112) an einem Sensor angeschlossen ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kanäle (111, 112) gemeinsam an einem einzigen Sensor (10) angeschlossen sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Mikrofon (10) ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandpaß (15) im zweiten Kanal (112) breitbandig ist und der Integrator (26) im zweiten Kanal (112) eine kleine Zeitkonstante aufweist und daß der Bandpaß (25) im ersten Kanal (111) schmalbandig ist und der Integrator (25) im ersten Kanal (111) eine große Zeitkonstante aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schätzfilter (17) des zweiten Kanals (112) den Empfangspegel (RL) und den Hintergrundpegel (NL) bestimmt und die Erkennungslogik (19) des zweiten Kanals (112) die Pegeldifferenz zwischen Empfangspegel und Hintergrundpegel bestimmt und aus dem Vergleich der Pegeldifferenz mit einem Schwellwert ein Konfidenzmaß für eine das Ereignis kennzeichnende Peakerkennung generiert.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schätzfilter (16) im ersten Kanal (111) den Empfangspegel (RL) und den Hintergrundpegel (NL) bestimmt und die Erkennungslogik (18) im ersten Kanal (111) die Pegeldifferenz zwischen Empfangspegel (RL) und Hintergrundpegel (NL) bestimmt und aus dem Vergleich der Pegeldifferenz mit einem Schwellwert ein Konfidenzmaß für die Fahrzeugerkennung ableitet.






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