CN110073241A - 用于运行超声传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于运行超声传感器(1，2，3，4，5，6)的方法，其中，彼此相继地执行多个测量周期。在每个测量周期中，‑借助激励脉冲将超声传感器的电声转换器激励进行机械振动，由此，通过该转换器发送测量信号(11)，‑通过所述转换器接收回波信号(12)，‑由所述回波信号求取对象信息。在此根据本发明，在两个时间上彼此相继实施的测量周期中，所述激励脉冲的频率变化过程至少在所述激励脉冲的结束时不同。根据本发明，将来自至少两个测量周期的对象信息彼此进行比较，并且根据所述比较的结果识别干扰。在此，“干扰”尤其理解为通过寄生振动而引起的错误测量，该寄生振动又可能由制造公差和/或由将超声传感器(1，2，3，4，5，6)安装到支架中而引起。

Description

用于运行超声传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行超声传感器的方法，本发明还涉及一种具有按照根据本发明的方法运行的至少一个超声传感器的距离测量设备。
背景技术
基于超声的测量系统用于测量至处于超声传感器前方的对象的距离。所使用的传感器基于脉冲/回波方法。在这种运行中，超声传感器发送超声脉冲并且测量由对象引起的超声脉冲的反射(回波)。超声传感器与对象之间的距离通过所测量的回波运行时间和声速来计算。在此，超声传感器充当发送器和接收器。已知的应用例如是用于机动车的距离警报系统、停车位探测器和泊车辅助装置。
DE 10 2007 029 959 A1公开一种这样的用于检测周围环境的基于超声的测量系统。在此设置：可以借助超声波进行距离测量。为了能够区分彼此相继的脉冲，对这些脉冲进行频率调制。
在发送运行中，将超声传感器的转换器元件激励进行机械振动。在激励之后，在谐振的(即以谐振频率运行的)转换器的情况下产生机械振动幅度的指数衰减阶段。由于与所接收的回波幅度相比大得多的衰减幅度，所以在该时间范围内不探测回波。因此，该衰减时间也称为“死区时间”。
在实际情况中，在超声传感器中要么由制造决定地、要么由于安装到(例如用于保持在机动车上的)支架中而可能发生寄生振动，并且因此导致死区时间的延长。由此，近距离测量极限——即测量超声传感器前方的尽可能靠近的对象的能力——可能变差。
如果同时出现多个寄生振动，则由于干扰可能产生回响现象这被错误地解释为回波并且导致近区内的对象形成(假阳性)。
在此，近区尤其定义为传感器的周围环境中的如下区域：在该区域中，进行反射的对象导致回波脉冲的如此短的传播时间，使得在检测回波脉冲时，激励转换器的膜片之后的机械振动还未完全衰减——即衰减阶段还未结束。
发明内容
因此，本发明基于以下任务：说明一种用于运行超声传感器的方法，在该方法中，寄生振动的影响减小，从而实现超声传感器的改善的近距离测量能力，并且尤其在近区中减少错误测量(也称为“假阳性”)的出现。
本发明基于以下观察：寄生振动的特征表现取决于激励的类型——尤其取决于发送脉冲端的特征表现，并且寄生振动具有确定频率范围内的频率。
因此，本发明设置用于如此运行超声传感器，使得逐发地(von Schuss zuSchuss)如此改变激励模式(也作为“代码”)，使得在激励结束时——优选在激励脉冲的最后400μs——改变频率范围。
因此，提出一种用于运行超声传感器的方法，其中，彼此相继地执行多个测量周期。在每个测量周期中，
-借助频率调制的激励脉冲将超声传感器的电声转换器激励进行机械振动，由此，通过转换器发送测量信号，
-通过转换器接收回波信号，
-由回波信号求取对象信息。
在此根据本发明，在时间上彼此相继实施的测量周期中，激励脉冲的频率变化过程至少在频率变化过程的结束时不同。实施至少两个、优选至少四个测量周期。
根据本发明，将由至少两个测量周期所求取的对象信息彼此进行比较，并且根据该比较的结果识别干扰。在此，“干扰”尤其理解为由寄生振动引起的错误测量，该寄生振动又可以由制造公差和/或由将传感器安装到支架中而引起。
换句话说，因此根据本发明设置：借助特定代码来运行用于测量距离的超声传感器。每个代码相应于一种确定的激励模式，其中设置：在每个激励之后，使用另一激励模式或另一代码来重新进行激励。
以这种方式，可以减少由于衰减现象引起的死区时间。因此，由于不同的激励脉冲(代码)，潜在干扰分别表现出不同强度地施加。同时，真实对象在所有激励脉冲(代码)中导致稳定的回波并且因此导致一致的对象信息。因此，可以将干扰与真实对象可靠地区分开。
优选地，所述激励脉冲在相应激励脉冲的最后400μs内不同，其中，两个测量周期的(尤其两个直接彼此相继的测量周期的)激励脉冲的频率变化过程至少在相应激励脉冲的持续时间的最后400μs期间不同。在此，激励脉冲优选具有100μs至3000μs(优选1600μs)的总持续时间。完整的测量周期例如可以具有40ms的总持续时间。
在一种优选实施方案中，第一测量周期的第一激励脉冲的持续时间与第二测量周期的第二激励脉冲的持续时间不同，其中，第二测量周期在时间上跟随第一测量周期。在此，第二测量周期可以直接跟随第一测量周期。也就是说，在第一测量周期与第二测量周期之间不再发送另外的信号，然而，在第一测量周期与第二测量周期之间可以存在不进行激励的暂停。替代地，第二测量周期可以不直接跟随第一测量周期，而是在第一测量周期与第二测量周期之间进行另外的激励。
替代地或附加地，第一测量周期的第一激励脉冲的幅度可以与第二测量周期的第二激励脉冲的幅度不同。因此，导致相应的所发送的信号的声压不同。在此，第二测量周期可以直接跟随第一测量周期。也就是说，在第一测量周期与第二测量周期之间不发送另外的信号，然而在第一测量周期与第二测量周期之间可以存在不进行激励的暂停。替代地，第二测量周期可以不直接跟随第一测量周期，而是在第一测量周期与第二测量周期之间进行另外的激励。
激励脉冲优选实施为频率调制的脉冲。在本发明的意义上，频率调制的激励脉冲应理解其频率在脉冲持续时间期间变化的任何激励脉冲。在此，可以设置频率的连续的或/或不连续的变化。替代地或附加地，也可以使用具有连续恒定的激励频率的脉冲。
在本发明的一种优选实施方式中，尤其通过线性的频率变化过程(尤其40kHz至60kHz之间的频率范围内)对相应的激励脉冲进行调制。这意味着，相应的激励脉冲的频率从开始频率出发连续地并且尤其线性地上升或下降至结束频率。这种激励也称为“线性调频(Chirp)”。在此，优选从40kHz至60kHz的频率范围选择开始频率和结束频率。
在本发明的一种特别优选的实施方案中，借助匹配滤波器(也称为最佳滤波器或相关滤波器)对所接收的回波信号进行滤波。由此，可以有利地改善信噪比，其方式是：在选择滤波器时以已知的方式使用激励脉冲的已知的信号形状。根据滤波结果，以更高的准确度求取对象信息。
在本发明的一种特别优选的实施方案中，根据来自至少两个测量周期的对象信息的比较的结果，计算所检测的对象实际存在的概率或存在错误测量的概率。因此，可以在错误测量(“假阳性”)的意义上，尤其在近区内特别高效地对由传感器制造决定的和/或由支架决定的干扰进行抑制。
在本发明的一种优选实施方案中，在超声传感器的运行中设置至少四个测量周期，其中，这些测量周期中的一个具有带有恒定频率的激励脉冲。
根据本发明的第二方面，设置一种尤其用于机动车的距离测量设备，该机动车包括按照上述方法中任一项运行的至少一个超声传感器。
尤其设置一种距离测量设备，其具有按照上述实施的方法运行的多个超声传感器，其中，所述超声传感器在机动车的车身件上成排地布置。在此，如此运行超声传感器，使得彼此相邻布置的超声传感器具有在时间上不重叠的测量周期。
附图说明
图1示意性地示出具有多个根据本发明的实施方案的超声传感器的距离测量设备；
图2示出激励脉冲的可能的频率变化过程的四个曲线图；
图3示出距离测量设备的不同超声传感器的测量周期的序列的表格，该距离测量设备具有多个根据本发明的实施方案的超声传感器。
具体实施方式
在本发明的实施例的以下描述中，相同的元件以相同的附图标记标注，其中，必要时省去对这些元件的重复性描述。附图仅示意性地示出本发明的主题。
图1以俯视图示意性地示出具有保险杠7的机动车8的尾部，在该保险杠上成排地布置有超声传感器1、2、3、4、5、6。超声传感器1、2、3、4、5、6是用于检测机动车8的周围环境的距离测量设备的一部分。此外，在机动车8的周围环境中示出可以借助超声传感器检测的对象9。该对象例如可以涉及交通障碍物(例如桶、路牌或灯)以及也可以涉及另一车辆。
超声传感器1、2、3、4、5和6中的每个具有电声转换器，该电声转换器通过频率调制的激励脉冲激励进行机械振动，由此，通过转换器发送测量信号10。本发明不局限于如下情况：超声传感器布置在机动车8的尾部上。替代地或附加地，另外的超声传感器例如可以布置在车辆的前部区域中和/或机动车8的侧面上。
结合超声传感器3示例性地示出所发送的测量信号10的发送锥以及表示发送方向的方向箭头11。可以看出，发送锥到达对象9，从而测量信号10部分地由对象9在朝向超声传感器3的方向上以第二发送锥(回波)12反射。
超声传感器3记录该反射并且确定发送脉冲的发送与反射的接收之间的总经过时间。在已知信号速度(例如约343m/s的空气中的声速)的情况下，可以由经过时间计算出对象9与超声传感器3的距离。
对于其他的超声传感器1、2、4、5和6适用相同的测量原理。
现在，在超声传感器3中要么由制造决定地、要么由于将相应的超声传感器固定在保险杠7上(例如通过相应的支架)而可能导致寄生振动。通过这种振动，可能不再能够可靠地识别非常靠近超声传感器3的对象9，因为在所反射的测量信号12到达超声传感器3的时刻，电声转换器的振动由于寄生振动还未以足够的程度衰减。由此，近距离测量极限(即测量相应超声传感器前方的尽可能靠近的对象9的能力)变差。也可能同时出现多个寄生振动，并且由于干扰效应而导致所谓的回响现象，这种回响现象被错误地解释为回波，尽管根本不存在对象9(“假阳性”)。这种寄生振动对距离测量的影响程度取决于如下激励脉冲的形式：借助该激励脉冲激励超声传感器的电声转换器。
为了克服这些问题，如此运行超声传感器3，使得彼此相继地执行多个测量周期。在每个测量周期中，使用与之前测量周期中不同的激励脉冲来激励电声转换器。这些激励脉冲尤其分别在最后的400μs期间不同。
尤其可以将频率调制的激励脉冲(代码)选择成如下激励模式：该激励模式构造成所谓的“线性FM线性调频”。这意味着，激励频率在激励脉冲期间从开始频率线性地变化至目标频率。然而，本发明不局限于这种类型的频率调制，也可以设想其他的激励模式——例如在激励脉冲期间上升然后又下降的频率。此外，例如也可以使用至少区段式恒定的频率变化过程。为此，本领域技术人员已知各种其他的构型可能性。
根据本发明的一种优选实施方式，现在对超声传感器1、2、3、4、5和6中的每个逐发地如此改变激励模式(激励脉冲、代码)，使得在激励结束时——优选在激励脉冲的最后400μs——改变频率调制的频率范围。
在图2a)-d)中在曲线图20至23中示出频率调制的激励脉冲的示例性激励模式。在此，分别相对于时间(以μs为单位)绘制频率(以kHz为单位)。
在一种示例性的实施方案中设置：
-在第一周期中，将激励脉冲实施为具有1.6ms(＝1600μs)的持续时间的从54kHz至45kHz的线性调频。这意味着，最后400μs的频率范围相应于47.25kHz至45kHz的线性频率变化过程(参见图2c)中的曲线图22)。激励脉冲的这种形式在下面以符号C3标注。
-在第二周期中，激励脉冲实施为具有1.6ms的持续时间的从43.5kHz至52.5kHz的线性调频。这意味着，最后400μs的频率范围相应于50.25kHz至52.5kHz的线性频率变化过程(参见图2d)中的曲线图23)。激励脉冲的这种形式在下面以符号C4标注；
-在第三周期中，激励脉冲实施为具有0.4ms的持续时间的从60kHz至52kHz的线性调频。这意味着，最后400μs的频率范围相应于60kHz至52kHz的线性频率变化过程(参见图2b)中的曲线图21)。激励脉冲的这种形式在下面以符号C2标注；
-在另一周期中，在170μs的持续时间的情况下，设置激励脉冲的48kHz的恒定频率(参见图2a)中的曲线图20)。激励脉冲的这种形式在下面以符号C1标注。
现在可以在超声传感器中的每个中以确定的顺序实施这些周期，其中，根据本发明，在超声传感器中，时间上彼此相继的周期分别有所不同。
在图3中以表格形式示出超声传感器1、2、3、4、5和6的操控的时间变化过程的可能示例。在此，表格的行涉及可用于测量周期的时间区间。在这些时间区间中，不仅进行电声转换器的激励，而且进行所反射的超声信号的接收以及对象信息的求取。这些时间区间可以分别具有相等的长度，但是也可以设置不同的长度。
该表格的列分别涉及超声传感器1、2、3、4、5和6。
在该示例中，在距离测量设备的运行开始时，在相应于超声传感器1的第一测量周期的第一时间区间中，借助C3形式的激励脉冲对该超声传感器进行操控，即给超声传感器1的电声转换器加载相应的激励脉冲，并且发送相应的测量信号。同时，借助C4形式的激励脉冲对超声传感器5进行操控。超声传感器1和5彼此具有相对较大的空间距离的事实允许同时运行，这是因为通过超声传感器1和5的空间距离降低了相互干扰的概率。超声传感器1和5尤其彼此不相邻地布置。
在时间上紧接着第一时间区间，在第二时间区间中分别借助C1形式的激励脉冲对超声传感器2和6进行操控。如下情况同样适用于超声传感器2和6：由于超声传感器2和6的空间距离相对大，能够实现同时运行，因为降低了相互干扰的概率。
在时间上随后的第三时间区间中，仅借助C3形式的激励脉冲对超声传感器4进行操控。
在时间上随后的第四时间区间中，仅借助C1形式的激励脉冲对超声传感器3进行操控。
在时间上随后的第五时间区间中，分别借助C1形式的激励脉冲对超声传感器1和5进行操控。
在时间上随后的第六时间区间中，借助C4形式的激励脉冲对超声传感器2进行操控，并且借助C3形式的激励脉冲对超声传感器6进行操控。
在时间上随后的第七时间区间中，仅借助C1形式的激励脉冲对超声传感器4进行操控。
在时间上随后的第八时间区间中，仅借助C3形式的激励脉冲对超声传感器3进行操控。
在时间上随后的第九时间区间中，借助C4形式的激励脉冲对超声传感器1进行操控，并且借助C3形式的激励脉冲对超声传感器5进行操控。
在时间上随后的第十时间区间中，分别借助C2形式的激励脉冲对超声传感器2和6进行操控。
在时间上随后的第十一时间区间中，仅借助C4形式的激励脉冲对超声传感器4进行操控。
在时间上随后的第十二时间区间中，仅借助C2形式的激励脉冲对超声传感器3进行操控。
在时间上随后的第十三时间区间中，分别借助C2形式的激励脉冲对超声传感器1和5进行操控。
在时间上随后的第十四时间区间中，借助C3形式的激励脉冲对超声传感器2进行操控并且借助C4形式的激励脉冲对超声传感器6进行操控。
在时间上随后的第十五时间区间中，仅借助C2形式的激励脉冲对超声传感器3进行操控。
在时间上随后的第十六时间区间中，仅借助C4形式的激励脉冲对超声传感器3进行操控。
然后可以结束测量运行或者可以重复图3中所示的方案，或者可以以另一方案运行距离测量设备。
如果考虑超声传感器1、2、3、4和5的单个超声传感器，则由根据图3的表格清楚的是：每个超声传感器单独地观察逐发地(即在相应传感器的时间上彼此相继的测量周期中)改变其激励模式。因此，例如借助超声传感器1在第一时间区间中执行测量。因此，第一时间区间相应于超声传感器1的第一测量周期。在该第一测量周期中，借助具有C3形式的频率调制的激励脉冲将超声传感器1的电声转换器激励进行机械振动。在测量周期结束之后，超声传感器1保持无源，直至在第五时间区间中执行超声传感器1的第二测量周期。在该第二测量周期中，借助具有C1形式的频率调制的激励脉冲将超声传感器1的电声转换器激励进行机械振动。超声传感器1的第三测量周期发生在第九时间区间中。超声传感器1的第四测量周期发生在第十三时间区间中。因此，在每个测量周期中，频率调制的激励脉冲的频率变化过程不同。这也适用于所有其他的超声传感器2至6。
同样清楚的是：不同时运行相邻布置的传感器。
在来自每个测量周期的例如通过一个或多个匹配滤波器所滤波的接收数据中，现在潜在干扰在每个测量周期中表现出不同强度，或者对于一些激励模式而言根本不存在潜在干扰。与此相反，真实对象9在所有使用的激励模式(代码)中导致稳定的回波。因此，实际对象9的干扰(“真阳性”)例如可以通过相应的下游算法所分离，借助该算法检查：是否所使用的代码中的每个或多个都导致识别出对象。例如可以将对象/回波概率与代码确认的数量耦合，即由多个测量周期计算出所检测的对象实际存在的概率或存在错误测量的概率，其方式例如是：确定在多少个激励模式和哪些激励模式中已经识别出对象。

Claims (13)

1.一种用于运行超声传感器(1，2，3，4，5，6)的方法，其中，彼此相继地执行多个测量周期，其中，在每个测量周期中，
借助激励脉冲将所述超声传感器(1，2，3，4，5，6)的电声转换器激励进行机械振动，由此，通过所述转换器发送测量信号(11)，
通过所述转换器接收回波信号(12)，
由所述回波信号求取对象信息，
其中，在两个时间上彼此相继实施的测量周期中，所述激励脉冲的频率变化过程(20，21，22，23)至少在所述激励脉冲的结束时不同，其特征在于，将来自至少两个测量周期的对象信息彼此进行比较，并且根据所述比较的结果识别干扰。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个测量周期的——尤其两个直接彼此相继的测量周期的——激励脉冲的频率变化过程(20，21，22，23)至少在相应激励脉冲的持续时间的最后400μs期间不同。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激励脉冲具有100μs至3000μs——优选1600μs——的总持续时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，第一测量周期的第一激励脉冲的持续时间与第二测量周期的第二激励脉冲的持续时间不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，第一测量周期的第一激励脉冲的幅度与第二测量周期的第二激励脉冲的幅度不同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个激励脉冲实施为频率调制的激励脉冲。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，尤其通过线性的频率变化过程(20，21，22，23)在开始频率与结束频率之间对至少一个激励脉冲进行调制，其中，所述开始频率和所述结束频率选自40kHz至60kHz之间的频率范围。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，借助匹配滤波器对所述回波信号进行滤波，并且根据滤波结果求取对象信息。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，根据来自至少两个测量周期的对象信息的比较的结果，计算所检测的对象(9)实际存在的概率或存在错误测量的概率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，执行至少两个测量周期。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，设置四个或多个测量周期，其中，所述测量周期中的至少一个具有如下激励脉冲：所述激励脉冲具有恒定的频率。
12.一种尤其用于机动车(8)的距离测量设备，所述机动车包括按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法运行的至少一个超声传感器(1，2，3，4，5，6)。
13.一种距离测量设备，所述距离测量设备包括按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法运行的多个超声传感器(1，2，3，4，5，6)，其中，所述超声传感器(1，2，3，4，5，6)在机动车(8)的车身件(7)上成排地布置，其特征在于，如此运行所述超声传感器(1，2，3，4，5，6)，使得彼此相邻布置的超声传感器(1，2，3，4，5，6)具有在时间上不重叠的测量周期。
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