CN101688914A - 用于检测周围环境的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

在用于在脉冲－回波方法中借助由至少一个换能器(1，2，3，4，5，20)发送的发送脉冲形式的载波及这些脉冲的反射信号的检测来检测周围环境的方法及装置，根据本发明，如下地实现更大的测量密度及测量结果的质量改善，即，一个换能器或多个同时工作的换能器的发送脉冲能通过信号的各体的调制被区分。

Description

用于检测周围环境的方法及装置
技术领域
本发明涉及传感装置领域，确切地涉及空间中的三维物体检测的领域。这里，相应的物体可以被探测及其相对一个中心地点的位置被记录或相应的距离被确定。
背景技术
这种检测系统可在多方面应用，尤其通过使用超声波应用在汽车技术中，以确定从几厘米至几米范围中的距离。
公知的应用为距离警报系统，停车位检测装置及泊车辅助装置。
用于距离测量及周围环境检测的相应系统已在现有技术中以不同的构型公知。
由DE 102005033403 A1一般地公知了一种用于测量距离的方法，它例如借助雷达，激光雷达或声波来测量，其中对回波传播时间进行测量及分析。为了精确地确定回波传播时间，反射并检测到的信号通过相关性分析使用一个“匹配滤波器”与一个配置给发送信号的参考信号进行比较。
由DE 19744185 A1公知了用于机动车的一种超声波距离测量装置，其中使用了多个超声波换能器。通过利用相应的波幅值的重叠及相加来使用超声波脉冲的同时发送，以便达到更高的发送强度及由此达到更大的作用范围。
由GB 2352294 A公知了一种用于机动车的超声波距离测量系统，其中一些换能器相继地以不同的频率工作，以便通过在不同频率上的工作可校正在确定频率上可偶尔出现的信号干扰或的抵消。
由DE 19963755 A1公知了一种用于机动车的距离测量装置，其中设有多个距离传感器，它们可用不同的工作模式工作，以便改善测量质量。
DE 102004038496 A1公开了一种用于机动车的距离测量的装置及方法，其中测量对信号传播具有影响的机动车的周围环境条件，例如在使用超声波信号时检测空气的温度及水蒸汽的含量。在回波信号分析时对这些量加以考虑。
发明内容
基于现有技术的背景，本发明的任务在于，提供用于检测周围环境的方法及装置，其中，在脉冲-回波方法中借助由至少一个换能器发送的载波及发送出的载波的反射信号的检测来提高测量速率及改善数据质量。
根据本发明该任务将通过权利要求1的特征来解决。
本发明基于一个构思，即由一个换能器来发送各在一个用于一个脉冲长度的载波上的不同脉冲，由此可以辨别这些不同脉冲，其方式是进行载波的调制，该调制允许区分各个脉冲。
由此以各不相同的调制产生第一类脉冲、第二类脉冲及必要时其它类型的脉冲。
如果例如由单个换能器相继地发送了同类型的脉冲，则通常必需在发送一个约300微秒的脉冲后等待一个测量间隔的期满，以便保证：当存在一个可检测的物体时，相应的反射信号返回到一个换能器。
如果致力于约5米的测量范围，则在假定声波速度为每秒343米时需要30毫秒的等待时间，以保证在一个物体位于检测范围内的情况下可能反射的信号到达一个换能器。仅在此后才可由一个换能器发送一个新脉冲，这时该脉冲不会与第一脉冲混淆。本发明对此这样地进行补救：在测量间隔期间就由同一换能器或由另一换能器发送一个第二类型的脉冲，其中该第二类型的脉冲通过调制可与该第一类型的脉冲相区分。
由换能器接收的反射信号可根据调制相区分及对应到各自的发送时刻。以此方式，脉冲总地能比根据现有技术大得多的频率被发送，由此使测量速率增高。例如可在从第一类型的一个脉冲发送时开始测量的测量间隔经过期间附加地发送一个第二类型的脉冲及一个第三类型的脉冲。
除区分在不同的时刻由单个换能器发送的不同的脉冲外，根据本发明还可以借助由不同的换能器发送的脉冲的调制来区分这些换能器。
如果各个同类的换能器这样地工作，以致它们的信号或脉冲的反射信号可相互干扰，则在此情况下原则上在一个第一脉冲发送后必需等待，直到它的反射信号必要时已到达。在该时间期间，相邻的换能器仅可在一定条件下工作。如果来自不同换能器的脉冲借助不同的调制可被区分，则不同的换能器也可同时地或以短的时间差发射相应的脉冲。
在此情况下总是由发送相应脉冲的换能器或由另一换能器、如紧相邻的换能器来探测反射信号。视所使用的技术而定可使用同一换能器来发送及接收脉冲，这例如对于超声波换能器是公知的。
发送脉冲的反射信号也可选择地通过多个换能器并行地探测，以便达到高的检测可靠性，或以便除距离测量外得到用于一个被检测物体的精确定位的附加的信息。
通过各个脉冲的可区分性例如还可保证：一个基于位于计划的检测范围以外的物体而沿迟到达的回波脉冲不会被错误地对应给一个较迟发送的脉冲。在此，在根据现有技术的相应检测方法的周期性工作时将出现假波意义上的系统的错误检测。而借助本发明方案可以防止该情况。
原则上，根据本发明，为了区分脉冲，可进行个体的模拟或数字的幅值调制或模拟的或数字的角度调制。
在此情况下，可借助公知的模拟的幅值调制将一个适合的信号调制在一个载波上。信息内容及由此不同脉冲的可区分性基本上与载波的带宽及发送脉冲的长度相关。因此，高频载波比低频载波允许更好的可区分性或更多可区分的不同脉冲。
此外可这样地进行数字的幅值调制，即在分立的步骤中调制幅值或在载波上施加确定的周期的或非周期的编码。
角度调制例如包括公知的在无线电领域中所熟悉的频率调制及相位调制。
数字式角度调制也可与幅值调制相组合及通常包括多个已知的编码。
这里尤其要强调由通信技术已知的对出错不太敏感的编码，例如所谓的汉明码(Hamming Codes)，它即使在稍微有错的传送时也能使信号校正及由此提供高传送可靠性。
对于专门考虑信号相位的码应强调所谓的曼彻斯特码(ManchesterCodes)，它例如还允许一个信号的脉冲复原。
原则上也可考虑模拟的与数字的调制的组合及也考虑不同的载波的组合，这些载波附加地使得可区分各个脉冲。尤其应提及的是脉冲调制，在该脉冲调制中，一个连续的模拟量信号转换成一个时间上离散的信号序列，其中可设有脉冲宽度调制，脉冲幅值调制或脉冲频率调制及脉冲相位调制。
因此有多种调制方法可供使用，借助它们可使大数目的脉冲变得可以区分。可区分性的前提是，相应的换能器在接收时可区分反射信号。对此已公知了各种数字的和/或模拟的滤波技术及相关性技术，它们在实施本发明时可被使用。
根据本发明的一个专门的方案，可使用超声波作为用于此方法的载波。可提供相应的换能器及它们已在汽车技术中广泛使用。但原则上在本发明的范围中也可变换地或附加地考虑例如使用微波换能器。
当本发明使用在机动车中时，不管在距离警报系统、停车位检测系统还是泊车辅助系统中，通常在机动车上分布地设有多个换能器。例如可并行地使用至少三个，尤其多于四个的超声波换能器，它们例如可沿机动车的前部的和/或后部的保险杠分布。各个换能器的发送方向及接收方向可以不同，以致对各个换能器可配置重叠的或不重叠的空间角。
此外本发明还涉及根据本发明的用于检测周围环境的装置，它设有：至少一个用于发送脉冲的超声波换能器；一个中央单元，在该中央单元中将不同的调制配置给不同的发送时刻和/或换能器；一个用于检测反射信号的超声波换能器；一个分析处理单元，用于在考虑到不同调制及考虑这些调制所对应的换能器和/或发送时刻的情况下对反射信号时间进行分析。
这种装置不仅能发送不同类型的脉冲而且能区分同时或以小的时间差发送的脉冲及其反射信号及将同时或以小的时间差发送的脉冲对应给确定的发送时刻及由此对同时或以小的时间差发送的脉冲及其反射信号进行管理。在此情况下，中央单元可对一个或多个换能器预给定用于区分的确定的调制或原则上可以对每个换能器从一开始就预给定一个确定的模式或一个确定的调制，其中，相应的换能器在发送一个信号时对中央单元发出一个关于发送及所使用的调制的信息。
然后在分析处理单元中计算各个脉冲的各自的传播时间及由此推导出距离值。这些距离值可被相互比较及组合，以便产生例如一个机动车的周围环境的虚拟图象或在最简单的情况下当离障碍物的距离太小时发出警报。
当使用在停车位传感器的范围中时，除主要涉及停车位的深度的距离检测外，还需要检测停车位的长度，例如通过不同换能器的测量值的组合或通过在停车位测量期间机动车经过的路程的测量来检测停车位的长度。
以下将借助附图中所示的实施例来详细地描述本发明。
附图说明
图1：机动车上的换能器的概要俯视图；
图2：一个载波的示意图；
图3：一个幅值调制的载波；
图4：一个频率调制的载波；
图5：一个数字的幅值调制的载波；
图6：一个具有比图5中调制度小的数字的幅值调制的载波；
图7：曼彻斯特编码的多个码；
图8：图7中以曼彻斯特编码的具有更小调制度的码；
图9：在交叠的测量间隔中的、具有不同调制的脉冲的分布；
图10：根据现有技术的一组换能器的工作图；
图11：根据本发明的换能器的工作图；
图12：在停车位检测时机动车的交通状况的概要俯视图；
图13a，b：根据本发明的装置的结构示意图。
具体实施方式
图1概要表示具有在其上设有超声波换能器1，2，3，4，5的保险杠7的机动车6的一部分的俯视图。在该机动车6上概要表示出轮胎8。
附加地在机动车前面置有一个待借助超声波换能器检测的物体9。这里该物体例如可涉及一个交通障碍物，一个铲斗，一个道路牌或一个路灯或涉及其它的机动车。
与换能器3相关地表示出一个发送锥束10及一个指示发送方向的方向箭头11。可以看出，发送锥束10涵盖待检测的物体9，以致该脉冲部分地由该物体在向着换能器3的方向上以一个第二发送锥束12反射。
换能器3记录该反射信号，该装置总地记录发送脉冲的发送与反射信号的接收之间经过的时间t。
在已知信号速度，例如每秒343米的超声波速度的情况下，能由所经过的时间计算出物体9到换能器3的距离。
在可影响信号速度、例如声波速度的不同的周围环境条件下，这些周围环境条件可借助另外的未示出的传感器来检测及在计算时被加以考虑。为此例如可考虑检测空气温度。
此外在图1中可看到，反射的发送锥束12不仅可射中换能器3而且可射中相邻的换能器2及4，它们也记录反射信号。此外这些换能器2，4也如其余的换能器1，5那样发送自己的脉冲形式的超声波信号，它们监测其反射信号。产生的问题是，相应的脉冲不仅由发送的换能器或为探测其反射信号所设置的换能器记录，而且也由相邻的换能器记录。
如果这些信号不能被区分，则得到多义性及错误地对应的或错误计算的到物体的距离。
一旦由换能器以过短的时间间隔发送相继的发送脉冲的话，即使当仅单个换能器3工作时也可产生此问题。在理想情况下，在发送一个例如300微秒长的脉冲后应等待整个测量间隔的度过，在该时间间隔中要等待位于该检测装置的检测范围内的物体9的反射信号。这个检测范围例如在停车位检测时可包括约5米的距离，以致所述测量间隔至少为30毫秒。
如果要在该测量间隔内发送另外的脉冲，则这些脉冲必需可相互区分。
本发明就是要通过发送脉冲的载波的相应调制来解决该问题。
图2概要地表示一个近似正弦波的载波，该载波例如可通过一个超声波换能器来产生。这里在横坐标上记录时间。但除正弦波外还可考虑其它的周期振荡波。
图3中表示一个与图2中类似的、幅值调制的信号，这也由无线电领域所公知。
图4表示一个频率调制的振荡信号，它在原理上也由现有技术公知。
图5中表示一个数字的幅值调制的信号，在该信号中载波以阶跃函数被调制，其中在各个发送脉冲之间的信号强度为零。
与此相对地，图6表示一个具有较小调制度的信号，其中也是以阶跃函数被调制，载波的信号在一个全幅值及一个半幅值之间交替地转换。
相应的数字的调制可用来发送数字码，它们例如由线路编码所公知。在相应的数字编码的情况下也可使用容错的码或自校正的或可校正的码如汉明码。
图7表示一个借助曼彻斯特编码的4位(Bit)长的密码的示图，以作为一个相位调制的码的例子。它在一个脉冲开始时设置一个起动位，对于随后的位，通过相继的电压边沿的时间顺序来表示。在该示图中，水平方向总是表示时间变化，其中一个起动位标记开始及垂直的虚线总是标记所述四个位的第一位的开始或最后位的结束。一个位周期开始时的上升沿标记为1，无边沿或一个下降沿标记为0。
因此在三个子示图的上面那个中，位序列为0000，中间的那个的位序列为0101及下面的那个的位序列为1111。
图8中表示也是借助曼彻斯特编码的同样的位序列，但具有较小的调制度。
图9以一个由上方开始的垂直序列表示用于借助相应的换能器来检测物体的或测量距离的测量过程，其中，在左半图中详细表示根据现有技术的方案，在右半图中详细表示根据本发明的方案。
这里假定：测量间隔约为30毫秒，由此根据左半图，当t＝0毫秒时发送一个脉冲(tx＝发送x)及在0与30毫秒之间等待反射信号并借助一个换能器来监测。为了不致混淆，在该时间中不再发送其它的发送脉冲。仅在30毫秒期满后，如果在此期间未等待到来自约5米的检测范围内的物体的反射信号，才发送下个脉冲，余此类推，以致在150毫秒内能发送5个脉冲及能等待它们的反射信号。
在该图的右半部中表示：在同一时间过程中，例如在头30毫秒期间可发送3个脉冲，即脉冲1，2，3各具有约10毫秒的时间差。相应的反射信号被个体地等候，即在发送相应的脉冲后等候各等待30毫秒。在此情况下这些测量间隔可重叠，因为各个发送脉冲通过调制可以被区分。
在该图中表示：提供了三个换能器R1，R2，R3，以便探测反射信号。但该探测也可通过一个公用的换能器或通过多于三个的换能器来实现。故得到：与根据现有技术的相比，在同样的150毫秒的时间中总共发送了及探测了三倍数目的脉冲。由此可获得用于检测该测量装置或该机动车的周围环境的显著增多的测量点。因此可大大改善测量质量。通过脉冲更好的可区分性，也可改善误对应，该误对应例如是一个较早的脉冲的反射的回波脉冲的较迟探测及由此也改善了各个脉冲回波测量的质量。
因此借助根据本发明的检测方法以较小的成本得到了功能的实质性改善。
图10表示多个换能器共同及同时的工作，在该例中，一个表中给出六个换能器S1至S6。该时间过程开始于该表的第一行及结束于最后一行。在左列中以毫秒表示连续经过的测量时间。在最右面的列中表示对应于各个测量的循环时间或测量间隔，在本例中各为35毫秒。
原则上根据现有技术，如图10中所示地，在两个紧相邻的换能器上如S1与S2或S3与S4或S2与S3上的同时发送工作一定伴随缺点。就此而言表中相邻的列也代表在测量装置中位置上紧相邻的换能器。
例如当第一周期期间S1作为发送器工作，S2保持不工作，S3作为发送器工作及因此S4作为S3的紧相邻者可不作为发送器而作为接收器来工作。S5作为S6的紧相邻者也不作为发送器来工作。
作为发送器工作的各个换能器可在测量间隔的经过中附加地作为接收器来使用。
在下一个的测量间隔中S3与S4互换其功能，以致这次S4作为发送器及接收器工作，而S3仅作为接收器工作。
通过发送组的这种划分将保证：没有两个紧相邻的换能器同时地以发送工况工作，因为否则只要发送的脉冲、尤其超声波脉冲是不可区分的，将导致测量的干扰。
与图10中不同地，图11中表示根据本发明的发送组图，其中该图表在结构上类似于根据图10的图表。
但与现有技术不同，相邻的换能器S1，S2，S3，S4，S5，S6也可在不同地调制时同时地工作在发送工况中。这发生在四个测量间隔的每个中。在各对应于测量间隔的开始的行之间设有空行13，14，15，通过这些空行若表示：在0与35毫秒之间的、35与70毫秒之间的及70与105毫秒之间的同一测量间隔中可通过换能器S1至S6发送附加的脉冲，只要这些附加脉冲通过调制可与分别通过一个换能器已发送的脉冲相区分。
因此概括地表明了，根据本发明，不仅多个换能器可同时地亦彼此相邻地简单地工作，而且发送脉冲所用的频率相对现有技术可明显提高。
图12中概要地表示具有多个机动车情况下的一个停车位寻找过程的概要俯视图。机动车16在行驶中，为了寻找一个停车位，而停靠的机动车17，18已占据了停车位并在它们之间空着一个停车位19。该机动车具有至少一个传感器/换能器20，它向着垂直于行驶方向的侧面发送超声波脉冲，如通过发送锥束21所表示的。该换能器的检测范围最大地设定在约5米上，由此在超声波脉冲发送后没有反射信号意味着：在该机动车旁侧面5米以内不存在障碍物。如果该机动车在箭头22的方向上运动，则借助车轮上的滚动角度传感器可测量出直到换能器20探测到在该机动车16旁边停靠的机动车18及由此标记该停车位的终端时所移动的距离。因而通过该移动的距离的计算，除检测到的深度外还可对停车位的长度进行记录及分析。该停车位的长度在图12中用l指示。
图13a、b概要地表示一个用于实施根据本发明的检测周围环境的方法的装置，它具有与一个中央单元23通信的超声波换能器1，2，3，5。中央单元23例如也可以一个微控制器的形式设置在一个换能器上。但该中央单元的功能也可被组合在机动车中一个原本设有的处理器中。
该中央单元可控制各个换能器1，2，3，5，由此使它们发送不同地被调制的超声波脉冲。在此情况下这些调制已在各换能器本身中被确定或也通过中央单元23来确定。为此中央单元23设有输入/输出单元24，该输入/输出单元也具有相应的分析装置，以便可将反射的并由换能器1，2，3，5探测到的回波脉冲与一个确定的调制相对应。
在一个在图13b中再次被放大地表示的存储器单元25中，各个发送换能器SNR及各调制类型Mod NR与各个脉冲的相应发送时间相对应。在后面通过分析处理单元26的分析时，将收到的回波脉冲数据与在存储器单元25中存储的数据相比较，以便必要时能将反射信号及反射信号的到达时间对应于每个被调制的发送脉冲。在分析处理单元中将由此确定脉冲传播时间及由该传播时间再确定出距离。这些值被传送到一个图象显示单元27上，它由各个检测到的距离值产生出周围环境的、例如一个机动车的周围环境的虚拟图象。
原则上可通过脉冲的调制/编码来校正测量误差及由此各个测量可更可靠。为了进一步减小测量误差，不同的换能器的测量周期可系统地或偶尔地相互稍稍推延，以便减小信号的串扰，或使外来信号的反射信号的错误对应变得更不可能。

Claims (16)

1.用于在脉冲-回波方法中借助由至少一个换能器(1，2，3，4，5，20)发送的载波及该被发送的载波的反射信号的检测来检测周围环境的方法，其中，借助一用于一脉冲长度的载波由一个第一换能器(1，2，3，4，5，20)发送一第一类型的脉冲，其特征在于：
接着由该第一换能器或一另外的换能器发送一第二类型的脉冲，该第一类型的脉冲与该第二类型的脉冲通过它们的相应载波的调制来相互区分，能借助所述不同的调制来区分该第一类型的脉冲的反射信号与该第二类型的脉冲的反射信号。
2.用于检测周围环境的方法，其中，在发出一个脉冲后，最早在一确定的测量间隔期满后进行同一类型的另外一脉冲的发送，在该确定的时间间隔内要在一换能器上等待该一个脉冲的反射信号的到达，其特征在于：在该测量间隔期间发送一个第二类型的脉冲，该第二类型的脉冲与该第一类型的脉冲通过调制相区分。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：在所述测量间隔期满前发送至少一个第三类型的脉冲，该第三类型的脉冲与所述第一及第二类型的脉冲通过调制相区分。
4.根据权利要求1，2或3的方法，其特征在于：由同一换能器(1，2，3，4，5，20)发送不同类型的脉冲。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于：由不同的换能器(1，2，3，4，5，20)发送不同类型的脉冲。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于：总是由发送一脉冲的同一换能器检测该脉冲的反射信号。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于：附加地由至少一个相邻的换能器检测所述反射信号。
8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于：所述调制为一模拟的或数字的幅值调制。
9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于：所述调制为一模拟的或数字的角度调制。
10.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于：以一编码的形式进行所述数字的调制。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述数字的调制使用汉明编码。
12.根据权利要求9的方法，其特征在于：所述调制使用曼彻斯特编码。
13.根据权利要求1至12之一的方法，其特征在于：能附加地通过使用不同的载波来区分不同的脉冲。
14.根据权利要求1至13之一的方法，其特征在于：使用超声波作为载波。
15.根据权利要求1至14之一的方法，其特征在于：并行地使用至少三个、尤其是多于四个超声波换能器。
16.用于检测周围环境的装置，设有：
至少一个用于发送脉冲的超声波换能器(1，2，3，4，5，20)；
一中央单元(23)，在该中央单元中对不同的发送时刻和/或换能器配置了不同的调制；
一用于检测反射信号的超声波换能器；
一分析处理单元(26)，用于在考虑不同的调制及这些调制所属的换能器和/或发送时刻的情况下分析处理反射时间。
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