CN102884443B - 用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置以应用在车辆的驾驶员辅助系统中的方法和装置 - Google Patents

用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置以应用在车辆的驾驶员辅助系统中的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定对象相对于车辆（1）、尤其是机动车的位置的方法和装置，应用在所述车辆（1）的驾驶员辅助系统中。在此，由设置在所述车辆（1）上的超声传感器（3；4）发射第一超声脉冲，其中，所述超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致所述超声传感器（3；4）的方向特征的变化。所发射的第一超声脉冲在所述对象上被反射并且作为第一回波脉冲由进行发射的超声传感器或者设置在所述车辆（1）上的另一超声传感器（3；4）重新接收。随后，确定所述第一回波脉冲的频谱以及根据所述第一回波脉冲的频谱和所述方向特征确定所述对象的相对偏差角度的第一绝对值。

Description

用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置以应用在车辆的驾驶员辅助系统中的方法和装置
技术领域
本发明描述了用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置的方法以及装置，应用在车辆的驾驶员辅助系统中。
背景技术
在机动车的驾驶员辅助系统的领域中过去优选使用超声传感器。但传统的超声传感器仅仅提供关于对象相对于超声传感器的位置的距离的信息，而不提供关于对象的相对偏差角度的信息。然而，对于不同的驾驶员辅助系统（例如泊车位测量系统或自动泊入/泊出系统），对象的相对位置——即除距离以外还有偏差角度具有决定性的意义。
由DE 40 23 538 A1公开了一种具有用于无触碰距离测量的装置的碰撞警告设备，其中至少两个超声传感器以预给定的间距设置并且设有用于分析处理分别发射一个超声信号与接收相应相同的和相应其他的超声传感器的反射的超声信号（交叉测量）之间的传播时间的装置。在此，利用用于分析处理传播时间的装置检查：分别由传播时间计算的距离服从多个预给定的数学关系中的哪一个，并且根据检查的结果使用多个预给定的等式中的一个来计算间距。以此方式可以推断出对象的类型和相对位置。
发明内容
本发明提供一种用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置的方法，应用在车辆的驾驶员辅助系统中，其中由设置在车辆上的超声传感器发射第一超声脉冲，其中超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致超声传感器的方向特征的变化。所发射的第一超声脉冲在对象上被反射并且作为第一回波脉冲由进行发射的超声传感器或设置在车辆上的另一超声传感器重新接收。接着，确定第一回波脉冲的频谱，以及根据第一回波脉冲的频谱和方向特征来确定对象的相对偏差角度的第一绝对值。
此外，本发明还提出一种用于确定对象相对于车辆、尤其是机动车的位置的装置，应用在车辆的驾驶员辅助系统中，所述装置具有用于发射至少一个超声脉冲的至少一个超声传感器，其中超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致超声传感器的方向特征的变化，并且所述装置具有用于接收在对象上被反射的回波脉冲的超声接收器。分析处理单元确定回波脉冲的频谱并且根据频谱和方向特征确定对象的相对偏差角度的绝对值。
有利地，在此发射频率调制的超声脉冲，尤其是以线性调频脉冲的形式。
在超声传感器中，方向特征取决于发射频率。如果发射频率改变，则方向特征也改变。方向特征描述所接收的信号或所发射的信号的强度的角度相关性。因此，在对象的方向上发射的超声脉冲的幅度和（因此）由在对象上的反射形成的回波脉冲的幅度取决于发射频率和对象的相对偏差角度。所述关系导致：发射频率的有针对性的改变导致回波脉冲根据对象的角度位置的典型频谱。如果各个发射频率的方向特征是已知的，则基于回波脉冲的频谱可以确定对象的相对偏差角度的绝对值。
与已知的三角测量方法相比，通过充分利用频谱与方向特征和对象的相对偏差角度的相关性可以借助于唯一的超声传感器来确定对象的相对偏差角度的绝对值。此外，避免了如在确定的条件下在使用已知的三角测量方法时尤其在同时确定多个对象的位置时出现的多值性。因此，根据本发明的方法和根据本发明的装置有助于显著地改进障碍物相对于车辆的位置确定的品质并且由此有助于提高驾驶员辅助系统的可靠性。
从确定的发射频率起，在超声传感器的方向特征中在主瓣与随后出现的旁瓣之间形成最小值，所述最小值的位置取决于相应的发射频率。所述最小值导致在与相应的角度值相对应的方向上仅仅发射具有非常小的幅度的发射信号。必然地，基于此的回波信号也仅仅具有非常小的幅度，这在回波信号的频谱中可明确地识别。由在回波信号的频谱中出现所述最小值的频率值可以在了解方向特征的情况下推断出对象的相对偏差角度的绝对值。因此，根据本发明的一种实施方式，使用频谱中的最小值来确定对象的相对偏差角度的绝对值。
因为在发射频率远高于超声传感器的谐振频率的情况下效率和所发射的功率急速下降，所以实践上不可能如此提高发射频率使得在主发射方向（辐射方向0°）附近的角度范围内在方向特征中以及在回波信号的频谱中出现最小值。然而，由于各个方向特征的不同形状、尤其是不同斜率，根据对象的偏差角度也在回波信号的频谱中形成相应典型的幅度变化曲线。在此，基本上，偏差角度越大，则幅度的梯度随着频率升高变得越大。因此，根据本发明的一种实施方式，作为最小值的分析处理的替代或附加也可以分析处理回波信号的频谱中的幅度梯度，以便确定对象的相对偏差角度的绝对值。
原则上存在如下问题，频谱的根据本发明的分析处理首先仅仅能够实现相对偏差角度的绝对值的确定。然而，根据本发明的一个实施方式，所述问题通过如下方式解决：借助于第二回波脉冲来确定实际偏差角度。为此，由设置在车辆上的超声传感器发射至少一个第二超声脉冲，其中所述第二超声脉冲也包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致超声传感器的方向特征的变化。所述第二超声脉冲也在对象上被反射并且作为第二回波脉冲由进行发射的超声传感器或设置在车辆上的另一超声传感器重新接收。接着，类似于第一回波脉冲的分析处理，确定所述第二回波脉冲的频谱以及根据所述第二回波脉冲的频谱和方向特征确定对象的相对偏差角度的绝对值。最后，通过偏差角度的第一绝对值和第二绝对值的三角测量可以确定实际的、即具有正负号的偏差角度。所述分析处理原则上基于来自改变的位置的第二测量。在此可以通过使用第二超声传感器和/或通过车辆的运动来实现位置改变。其中，在车辆运动时必须满足以下附加的前提条件：位置改变包含三角测量所需的基本间距改变，车辆侧向从旁驶过对象例如是这样的情况。
因此，根据本发明的一种实施方式，可以通过不同的超声传感器发射第一超声脉冲和第二超声脉冲，或者在车辆运动的情况下也通过相同的超声传感器来发射第一超声脉冲和第二超声脉冲。
如果对象是运动的对象，则基于所谓的多普勒效应接收频率相对于发射频率移动。因此，回波信号的整个频谱也相应地移动。根据本发明的一种实施方式，确定所接收的回波脉冲的频谱相对于所发射的超声脉冲的频谱的这种移动，并且在考虑所述移动的情况下确定绝对角度位置。以此方式可以补偿多普勒效应并且由此保证可靠的角度位置值。
在此，例如可以通过超声脉冲的最低发射频率和/或最高发射频率与回波脉冲的最低接收频率或者最高接收频率的比较来确定频谱的移动。
本发明的实施方式的其他特征和优点由以下参照附图的描述中得到。
附图说明
附图示出：
图1：具有根据本发明的用于确定对象的位置的装置的车辆的示意性俯视图，
图2：根据本发明的一种实施方式的方法的示意性流程图，
图3：超声传感器的取决于频率的方向特征的示意图，以及
图4：回波脉冲的频谱的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了机动车1，所述机动车配备有根据本发明的用于确定障碍物相对于机动车的位置的装置。所述装置具有两个设置在机动车左侧和两个设置在机动车右侧的超声传感器3。在机动车1的前部区域中以及在机动车1的尾部区域中设置有另外的超声传感器4。超声传感器3和4通过信号线路5与用于分析处理传感器信号的分析处理单元6连接，所述信号线路例如可以实施为CAN总线或点对点连接。未示出的上级控制单元控制借助于超声传感器3和4发射超声脉冲，其中分析处理单元6也可以集成在所述上级控制单元中。超声传感器例如分别具有压电元件，所述压电元件通过电激励来激励膜片发射超声。超声脉冲由可能位于车辆周围环境中的对象的表面反射并且作为回波脉冲又由超声传感器接收。上级控制单元为此可以将超声传感器3和4转换到接收模式中。在接收模式中，所反射的超声波激励超声传感器的膜片振动。所述振动可以通过压电元件转换成电信号。
除所描述的超声传感器3和4作为允许在发射运行与接收运行之间进行转换的超声转换器的实施方式以外，也可使用具有分离的超声发射器和超声接收器的超声传感器。分析处理电子装置（如所示出的那样）可以中央地设置或者至少部分分散地分配给各个超声传感器3和/或4。
在图2中示意性地以流程图的形式示出根据本发明的一种实施方式的方法的过程。在步骤S1中，发射两个超声脉冲，其中超声脉冲分别具有多个预给定的发射频率，其导致超声传感器的方向特征的变化。有利地，在此尤其是以线性调频脉冲的形式发射频率调制的超声脉冲。
在此可以顺序地由唯一的超声传感器3或4发射超声脉冲，或者替代地，也可以由两个不同的超声传感器、优选两个相邻的超声传感器发射超声脉冲。在此情况下，超声脉冲的发射也可以在时间上并行地或至少重叠地进行。
在步骤S2中，作为回波脉冲重新接收在对象上反射的超声脉冲。回波脉冲不仅可以由发射相关的超声脉冲的超声传感器接收而且可以由设置在机动车上的另一超声传感器接收。对于本发明的应用而言，两个回波脉冲由相同的超声传感器还是由两个不同的超声传感器接收是不重要的。对于借助于三角测量来确定对象的实际偏差角度而言仅仅重要的是：从两个不同的位置接收回波脉冲。
在步骤S3中确定回波脉冲的频谱。
在步骤S4中根据回波脉冲的频谱和方向特征分别确定对象的相对偏差角度的绝对值。以下借助图3和图4详细地阐述所述确定。
在步骤S5中通过偏差角度的第一绝对值和第二绝对值的三角测量来确定对象的实际偏差角度。
为了考虑所述方法的可能的不精确性，也可以以所确定的值周围的角度范围的形式说明所述偏差角度的所确定的值。
在超声传感器中，方向特征原则上与频率有关，即改变的发射频率改变超声传感器的方向特征。图3对于一些示例性选择的发射频率示出方向特征，如其例如在旋转活塞辐射器形式的超声发射器中出现的那样。方向特征在此描述所发射的超声脉冲的强度的角度相关性。如可以清楚地看到的那样，每一个方向特征具有一个典型形状，其使方向特征与其余方向特征相区别。
尤其是，从确定的发射频率起（在示例中从45kHz起）形成明显的最小值，其将在主发射方向上构造的主瓣与旁瓣分离。
例如，属于50kHz的发射频率的方向特征在接近60°的绝对发射角度处具有最小值。这导致超声传感器在以所述频率运行时在所述方向上仅仅发射具有非常小的幅度的信号。但这又导致，由对象恰好在偏差角度范围内反射的回波信号同样具有非常小的幅度。
根据本发明现在发射包括多个预给定的发射频率的超声脉冲。这例如可以通过如下方式来实现：例如在20kHz和70kHz之间的范围内调制发射频率。例如现在应假设：对象以接近60°的偏差角度相对于超声传感器定位。在此情况下，基于所发射的超声脉冲的回波脉冲的频谱具有如在图4中示意性示出的变化曲线。
所述频谱基本上具有斜坡状的变化曲线，其中幅度从起始频率fStart开始（在示例中从20kHz）朝着停止频率fStopp（在示例中70kHz）连续地减小。在50kHz的频率f1处，频谱具有明显的最小值。由此可以得出：待检测的对象一定具有如下相对偏差角度：在所述相对偏差角度处属于50kHz的发射频率的方向特征同样具有最小值。然而，因为各个预给定的发射频率的方向特征是已知的（参见图3），所以由此可以明确地导出：对象一定具有60°的绝对相对偏差角度，即+60°或-60°的实际相对偏差角度。在需要时，例如可以通过所描述的方式借助于三角测量消除不确定性。
然而，由于各个方向特征的不同形状、尤其是不同斜率，根据对象的偏差角度也得到回波信号的频谱中的相应典型的幅度变化曲线。在此，原则上，偏差角度越大，则幅度的梯度随着频率升高变得越大。即，偏差角度越大，则起始频率fStart和停止频率fStopp之间的频谱的下降斜坡越陡（参见图4）。在此，在具有接近60°的偏差角度的对象的示例中，不仅在所述频谱中形成最小值是典型的，而且在所述频谱中形成幅度梯度也是典型的。因此，在已知方向特征的情况下也可以通过分析处理幅度梯度来确定绝对偏差角度。
因为在发射频率远高于超声传感器的谐振频率的情况下效率以及所发射的功率急速下降，所以实践上不可能如此提高发射频率使得在主发射方向附近的角度范围内在方向特征中以及因此也在回波信号的频谱中出现最小值。对于在图3中示例性示出的方向特征，涉及-30°和+30°之间的角度范围。在所述角度范围内，由此特别有利的是，根据幅度梯度确定绝对偏差角度。但幅度梯度的分析处理不限于所述角度范围，而可以替代地或附加地也使于如下角度范围：在所述角度范围内在频率特征中形成最小值并且由此在回波信号的频谱中形成最小值。
如果待检测的对象是运动的对象，则由于所谓的多普勒效应，接收频率相对于发射频率移动。因此得到回波信号的相应移动的频谱。如果不补偿所述效应，则这在确定偏差角度时导致误差。因此提出，检测所接收的回波脉冲的频谱相对于所发射的超声脉冲的频谱的这种移动，并且在考虑所述移动的情况下确定绝对角度位置。在最简单的情况下，通过超声脉冲的最低发射频率和/或最高发射频率与回波脉冲的最低接收频率或者最高接收频率——即起始频率fStart或者停止频率fStopp的比较来确定这种移动。
除泊车位测量或自动泊入/泊出功能以外，根据本发明的方法和根据本发明的装置当然也可用于任意其他的驾驶员辅助系统，其中在车辆的周围环境中的对象的位置是重要的。例如可以通过使用根据本发明的方法显著地改善碰撞警告和/或碰撞结果最小化。

Claims (10)

1.用于确定对象相对于车辆(1)、尤其是机动车的位置的方法，应用在所述车辆(1)的驾驶员辅助系统中，用于实施所述车辆的泊车位测量和/或支持泊入功能/泊出功能，其中，
由设置在所述车辆(1)上的超声传感器(3；4)发射第一超声脉冲，其中，所述超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致所述超声传感器(3；4)的方向特征的变化，
所发射的第一超声脉冲在所述对象上被反射并且作为第一回波脉冲由进行发射的超声传感器或者设置在所述车辆(1)上的另一超声传感器(3；4)重新接收，
确定所述第一回波脉冲的频谱，以及
根据所述第一回波脉冲的频谱和所述方向特征确定所述对象的相对偏差角度的第一绝对值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，发射频率调制的超声脉冲、尤其是线性调频脉冲。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据所述频谱中的最小值确定所述相对偏差角度的绝对值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，根据所述频谱中的幅度梯度确定所述相对偏差角度的绝对值。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
由设置在所述车辆(1)上的超声传感器(3；4)发射至少一个第二超声脉冲，其中，所述第二超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致所述超声传感器(3；4)的方向特征的变化，
所发射的第二超声脉冲在所述对象上被反射并且作为第二回波脉冲由进行发射的超声传感器或设置在所述车辆(1)上的另一超声传感器(3；4)重新接收，
确定所述第二回波脉冲的频谱，以及
根据所述第二回波脉冲的频谱和方向特征来确定所述对象的相对偏差角度的第二绝对值，以及
通过所述偏差角度的第一绝对值和第二绝对值的三角测量来确定实际偏差角度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述车辆(1)运动的情况下通过相同的超声传感器(3；4)发射所述第一超声脉冲和所述第二超声脉冲。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过不同的超声传感器(3；4)发射所述第一超声脉冲和所述第二超声脉冲。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，确定所接收的回波脉冲的频谱相对于所发射的超声脉冲的频谱的移动，并且在考虑所述移动的情况下确定绝对角度位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述超声脉冲的最低发射频率和/或最高发射频率与所述回波脉冲的最低接收频率或者最高接收频率(fStart，fStopp)的比较来确定所述移动。
10.用于确定对象相对于车辆(1)、尤其是机动车的位置的装置，应用在所述车辆(1)的驾驶员辅助系统中，用于实施所述车辆的泊车位测量和/或支持泊入功能/泊出功能，所述装置具有：
用于发射至少一个超声脉冲的至少一个超声发射器(3；4)，其中，所述超声脉冲包括多个预给定的发射频率，所述发射频率导致所述超声发射器(3；4)的方向特征的变化，
用于接收在所述对象上被反射的回波脉冲的超声接收器(3；4)和用于确定所述回波脉冲的频谱和用于根据所述频谱和所述方向特征确定所述对象的相对偏差角度的绝对值的分析处理单元(6)。
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