CN101779142A - 距离传感器和用于确定距离的方法 - Google Patents

Abstract

一种距离传感器具有一个超声波发射器和接收器(21，22)，用于发射超声波脉冲(13)和接收从物体反射的超声波脉冲。设有鉴频器单元(23)，其被设计用来确定接收到的反射超声波脉冲的重心(t5)，该重心的确定是基于接收到的反射超声波脉冲超过第一阈值和随后低于第二阈值。设有飞行时间评价装置(24)，其被设计用来基于确定的重心(t5)来确定到物体的距离。

Description

距离传感器和用于确定距离的方法

技术领域

本发明涉及一种距离传感器和一种确定距离的方法，尤其是涉及一种带有所述距离传感器的机动车以及用于基于所述确定距离方法的停车辅助装置的方法。

背景技术

传统的停车辅助装置确定机动车与在其周围环境中的物体的距离。通过声学方式借助显示器将确定的距离告知机动车的驾驶员。比如，在DE 4335728A1中公开了这种停车辅助装置。

一种用于确定距离的方法采用超声波脉冲的脉冲-回波-方法(渡越时间测量)。在此，机动车和物体之间的距离被确定为声波在空气中的传播速度与在发射出超声波脉冲到接收到该超声波脉冲的反射分量之间的时间间隔的乘积。所述时间间隔通过一个计时器确定，该计时器通过超声波脉冲的发射而启动，并且在接收器接收到超过预设信号电平的超声波信号的时刻停止。

发明内容

依据本发明，按照权利要求1设计了一种距离传感器，其具有超声波发射器和接收器、鉴频器单元以及飞行时间评价装置。所述超声波发射器和接收器用于发射超声波脉冲和接收从物体反射的超声波脉冲；所述鉴频器单元被设计用来确定接收到的反射超声波脉冲的重心，该重心的确定是基于由接收到的反射超声波脉冲超过第一阈值和随后低于第二阈值；所述飞行时间评价装置被设计用来基于确定的重心来确定到物体的距离。

此外，设计了一种通过反射超声波脉冲的渡越时间测量来确定到物体的距离的方法。在此，所述渡越时间测量的结束是通过反射超声波脉冲的重心来确定。

本发明的一个方面是考虑反射超声波脉冲的重心，以确定超声波脉冲的渡越时间。已被认识到，这样进行的渡越时间测量与环境影响例如环境温度、空气湿度、气压和风等无关。

附图说明

下面将依据优选的实施方式和附图解释本发明。附图中：

图1示出了由超声波接收器检测到的信号强度的时间曲线示例；

图2示出了用于说明一种实施方式的由超声波接收器检测到的信号强度的时间曲线示例；

图3a示出了用于说明一种设计方案的信号噪声图；

图3b示出了另一种设计方案的信号噪声图；

图4示出了另一种实施方式的几何考虑因素；

图5示出了所述另一种实施方式的几何考虑因素；

图6示出了脉冲宽度tb和物体高度的关系图；

图7示出了脉冲宽度tb和物体高度的动态关系图；

图8示出了接收到的来自不同物体的超声波脉冲图；

图9示出了在一排汽车上多次反射的概率与到这排机动车的距离的相关性；

图10示出了在矮树篱上多次反射的概率与距矮树篱的距离的相关性；

图11示出了与物体高度相关的确定距离的统计分布；以及

图12示出了距离传感器的框图；

具体实施方式

借助于图1示例性地诠释了一种用于确定到物体的距离的方法的工作原理。图1示出了距离传感器的超声波接收器的典型或者说示例性的信号1。

在时刻t0和t1之间由超声波发射器发射超声波脉冲。在发射期间，有利地使超声波接收器禁用。然后，超声波接收器接收由所述已发射出的超声波脉冲在物体上反射而产生的超声波脉冲。

所述超声波接收器还会接收在最后发射出的超声波脉冲之前就已经被发射出的超声波脉冲的反射分量。这部分反射分量通常具有很小的强度I，并且可以借助一条适当选取的阈值曲线2将其消隐。所述阈值曲线2可以是如图1所示的时间t的双曲线函数。或者是另一种合适的阈值曲线2，该阈值曲线的阈值在超声波脉冲发射出之后随时间推移而减小。

计时器检测在发射超声波脉冲的时刻t0和反射超声波脉冲的信号强度超过阈值曲线2的阈值4的时刻t2之间的时间间隔tL。该时间间隔tL约相当于超声波发射器和接收器之间的渡越时间的两倍。但是，如通过对比示出的阈值曲线3所示，确定的渡越时间与阈值曲线2的选取有关。当选择的阈值曲线2具有相比而言较大的阈值时，确定的渡越时间会比较长。同样地，当环境对超声波脉冲的阻尼较大时，会导致确定的渡越时间较长。超声波脉冲的阻尼特别地受空气湿度、环境温度、气压和风况影响。

在方法的第一种实施方式中，反射脉冲的脉冲宽度tb是在预设的信号强度I1下确定的(图2)。脉冲宽度tb相当于在第一次超过第一阈值的时刻t3和随后的第一次低于第二阈值的时刻t4之间的时间间隔，所述第一阈值相应于预设的信号强度I1，所述第二阈值在所述实施例中同样选取为预设的信号强度I1。

为了确定渡越时间tL，反射超声波脉冲的信号峰值Ip被考虑。所述信号峰值近似地被确定为时刻t3和时刻t4之间的重心t5。如从图1中清楚地看到，重心t5与信号峰值Ip出现的时刻tI的偏差小于比阈值曲线2，3与反射信号1的强度特性曲线I的交点4，5与强度最大值Ip的相应的时间偏差。

重心t5可以被确定，作为脉冲宽度tb的中心。在另一种设计方案中，重心t5通过依据关系式：t5＝(1/2-a)t4+(1/2+a)t3取加权平均值来确定，在此参数a可以在-1/2和1/2之间选择。

预设的信号强度I1可以基于所采用的超声波发射器和采用的超声波接收器的信号噪声来确定。所述方法的一种设计方案规定，在第一步中确定信号噪声。在图3a中，通过任意单位示例性地示出了接收到的反射超声波脉冲6的强度I。所述信号噪声IG在此大约是80mV。噪声分析装置借助于统计分析方法确定所述信号噪声。所述预设的信号强度I1，或者所述第一阈值被确定为大约为所述确定的信号噪声IG的两倍。在其他的实施方式中，确定为与两倍不同的范围在1.5倍至5倍之间的另一倍数。所述重心t5的确定如在第一实施例中描述的那样进行。

所述噪声随着温度变化。因此，在一种设计方案中，所描述的方法在运行过程中有规律地，比如说在确定的超声波脉冲达到预设数目之后，测量所述信号噪声，并重新确定预设信号强度I1。

在前面的设计方案中，所述第一阈值和第二阈值是根据预设的信号强度I1进行确定。在另外一种设计方案中，依据所述信号噪声IG确定一条阈值曲线7(图3b)。所述阈值曲线7可以呈现出阈值与从超声波脉冲发射之后的时间间隔的双曲线相关性。反射的超声波脉冲6的强度I与阈值曲线7比较。相应地，通过超声波脉冲6的强度I来确定时刻t3和t4，即时刻t3为第一次超过阈值曲线7的时刻，时刻t4为随后的第一次低于阈值曲线7的时刻。重心t5根据上述描述过的实施方式进行确定。

在图4中，示意性示出了超声波发射器/接收器10，其在立体角11的范围内发射超声波脉冲并从这些方向接收超声波脉冲。所述超声波发射/接收器10距离地面一个垂直距离h1地被安装。在所示例子中，具有较低高度h2的物体12，比如路边石，反射超声波脉冲13。物体12的高度h2小于垂直距离h1，也就是说，所述超声波发射/接收器安置在物体12上方。

对于停入停车位起决定性作用的是在地平面中测得的距离d，在下文中被称作侧面距离d。从超声波脉冲13的渡越时间中确定的距离大于所述侧面距离d。从渡越时间测量中确定的距离和所述侧面距离d之间的偏差对于其高度h2小于超声波发射/接收器10的安装高度h 1的物体12来说是重要的。

第二种实施方式校正从超声波脉冲13的渡越时间测量中测得的距离。所述超声波脉冲13的渡越时间可以按照第一种实施方式确定。估计装置基于反射的超声波脉冲13估计物体12的高度h2。校正装置依据毕达哥拉斯定理从垂直距离h1与物体高度h2的差值以及从超声波13的渡越时间确定所述物体12的侧面距离d(参见图5)。

所述估计装置使用一个或者多个反射的超声波脉冲的特征，以由此确定物体12的高度h2。尤其，所述估计装置可以分析反射的超声波脉冲13的平均脉冲宽度tb。图6示出了一系列测量结果h3-h7，以对于不同高度的物体12确定侧面距离d、脉冲宽度的相关性。所述测量结果h3是在最矮的物体上进行的，h7是在最高的物体上进行的。可以看出，所述脉冲宽度tb随着物体高度h2的增加而增加。在所述估计装置中存储特性曲线族，该特性曲线族将物体12的高度h2分配给脉冲宽度。所述特性曲线族此外还可以考虑到脉冲宽度tb与到物体的距离之间的相关性，用于确定高度h2。

此外，所述估计装置还可以估计一个物体对停车辅助装置是否重要。高度h2非常小的物体12将通过很小的脉冲宽度tb被识别。如果所述脉冲宽度tb位于一个阈值s或一条阈值曲线下方，则所述估计装置通知所述距离传感器，消隐相应的超声波脉冲。

用来估计高度h2的另一个特征将通过在距离传感器运动时连续测量脉冲宽度tb获得。在停入停车位或者离开停车位期间，对于不同物体由随侧面距离d变化的脉冲宽度tb得出独特的特性曲线族。通过对物体(比如路边石k1，栅栏k2，矮树篱k3和墙k4)的认识，可以推导出物体的高度。图7中绘出了对于不同物体的脉冲宽度tb与距离的相关性。相应的特性曲线族存储在所述估计装置中，以用于分析。

用于区别物体大小的另一个特征是在物体上的反射次数。图8示例性示出当带有距离传感器的汽车平行于屋墙和路边石行驶时的一系列测量数据。从相距1.8m的路边石总是接收到的唯一一种反射超声波脉冲p1。但是，从屋墙处接收到的有3种反射超声波脉冲p2，p3，p4。

此外，在图9中尤其对于一排汽车和在图10中尤其对于矮树篱示出了对出现多次反射的概率的分类评价。图中示出了随距离d变化的出现第二次反射的概率r2，出现第三次反射的概率r3，出现第四次反射的概率r4，出现第五次反射的概率r5。所述估计装置对反射的超声波脉冲进行统计分析，以此为相应的多次反射的出现确定所给出的比率。将所述比率或者所述比率随着到物体的距离的变化与存储的用于出现多次反射的概率的特性曲线族进行比较，以确定所述物体的高度。

用于区别不同高度物体的另一特征由脉冲宽度tb的统计分布给出。图11示例性示出了对五个物体进行的一系列测量数据。通过y轴示出了确定的到各个物体的侧面距离d。测量点集o1对应低物体，测量点集o2，o3，o4对应高物体。可见，确定的距离d的分散情况和所述物体的高度存在相关性。在已经从对确定的距离的统计评价结果中确定这些距离的分散情况之后，所述估计装置利用该相关性根据已存储的特性曲线族确定物体的高度。

图12示出了用于机动车20的距离传感器的一种实施方式。超声波脉冲发射器21用于在向预设的空间角中发射超声波脉冲13。所述超声波脉冲13从物体反射回来的分量14由超声波接收器22检测。鉴频器单元23根据预设的阈值来确定反射的超声波脉冲14的重心。评价装置24根据所述重心和超声波脉冲13的发射时刻来确定超声波脉冲13到物体的渡越时间。噪声分析装置25分析接收到的超声波信号的信号噪声和接收器22的信号噪声。阈值确定装置26对确定的信号噪声作出反应，确定用于所述鉴频器单元23的阈值。估计装置27可以集成到所述距离传感器中，以从所述超声波信号和/或所述确定的距离中确定反射超声波的物体的高度。将所述确定的高度以及从渡越时间测量中确定的距离传递到校正装置28，以确定所述侧面距离。

Claims (10)

1.一种距离传感器，其具有超声波发射器和接收器(21，22)、鉴频器单元(23)以及飞行时间评价装置(24)，所述超声波发射器和接收器(21，22)用于发射超声波脉冲(13)和接收从物体反射的超声波脉冲，所述鉴频器单元(23)被设计用来确定接收到的反射超声波脉冲的重心(t5)，该重心的确定是基于接收到的反射超声波脉冲超过第一阈值和随后低于第二阈值，所述飞行时间评价装置(24)被设计用来基于确定的重心(t5)来确定到物体的距离。

2.按照权利要求1所述的距离传感器，其特征在于，该距离传感器带有噪声分析装置(25)和阈值确定装置(26)，所述噪声分析装置用于确定所述超声波发射器和接收器(21，22)的信号噪声(IG)，所述阈值确定装置(26)用于将所述第一阈值和第二阈值确定为确定的信号噪声的倍数。

3.按照权利要求1或者2所述的距离传感器，其特征在于，该距离传感器带有估计装置(27)和校正单元(28)，所述估计装置用于基于反射超声波脉冲的脉冲宽度(tb)、反射超声波脉冲的个数和已发射出的超声波脉冲的个数之比和/或物体的反射超声波脉冲重心的分布来估计所述物体(12)的高度，所述校正单元被设计用于依据所述估计的高度来校正由所述飞行时间评价装置确定的距离。

4.一种通过反射超声波脉冲的渡越时间测量来确定到物体的距离的方法，其特征在于，所述渡越时间测量的结束是通过反射超声波脉冲的重心来确定。

5.按照权利要求所述4的方法，其特征在于，所述重心被确定为一个时刻，该时刻位于超声波脉冲超过第一阈值时的第一时刻和随后的超声波脉冲低于第二阈值时的第二时刻之间。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述重心被确定为所述第一时刻和所述第二时刻的加权平均值。

7.按照权利要求4到6中任意一项所述的方法，其特征在于，估计所述物体的高度基于多个反射超声波脉冲，并依据估计的物体高度来校正通过渡越时间测量而确定的距离。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述物体的高度的确定是基于反射超声波脉冲的脉冲宽度(tb)、反射超声波脉冲的个数和已发射出的超声波脉冲的个数之比和/或由多个反射超声波脉冲产生的通过渡越时间测量而确定的距离的分布。

9.按照权利要求4到8中任意一项所述的方法，其特征在于，确定信号噪声，并将所述第一阈值和所述第二阈值确定为所述信号噪声的倍数。

10.按照权利要求4到9中任意一项所述的方法，所述第一阈值和所述第二阈值是依据环境温度来确定的。

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