CN110291417B - 用于校准超声换能器的方法和用于执行该方法的布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校准超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的方法，其中，所述超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)彼此以已知的距离(a)或以所述距离(a)的已知比例关系优选布置在机动车的保险杠中，其中，使所述超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)中的一个在发射模式中运行，并且使至少一个另外的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)在接收模式中运行。

Description

用于校准超声换能器的方法和用于执行该方法的布置结构
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于校准超声换能器的方法。此外，本发明涉及一种用于执行根据本发明的方法的布置结构(Anordnung)。
背景技术
由申请人的DE 10 2014 224 509 B3已知一种根据权利要求1的前序部分的方法。从引用文献中已知的方法用于识别超声换能器在机动车的保险杠中的正确安装位置。在此意味着识别：设置用于保险杠中的确定安装位置的超声换能器是否实际上的确安装在该位置上。为此，使相关超声换能器运行在发射模式中，并且检测至相邻超声换能器的信号传播时间。将检测到的实际信号传播时间与期望信号传播时间进行比较，在超声换能器的正确布置下(该超声换能器布置在距运行在接收模式中的超声换能器的确定距离处)预期得到该期望信号传播时间。通过将至运行在接收模式中的超声换能器的不同信号传播时间进行比较，可以推断出各个超声换能器的正确的安装情况。在此重要的是，从引用文献中已知的方法仅用于识别超声换能器在保险杠中的正确安装位置，而无法检测和校正超声换能器的由制造决定的和/或由运行决定的测量不准确性，该测量不准确性尤其由于超声换能器的不同瞬态响应或者根据超声换能器的运行温度而产生。
为了在驾驶员辅助系统中进行对象测量，如在泊车操作中所使用的那样，使用三边测量法来确定对象位置。在此，至对象的所检测的距离的横向准确度取决于各个超声换能器之间的距离以及参与的超声换能器的回波距离测量的准确度。各个超声换能器之间的距离越大，则对象的横向定位就越准确。然而，如果在超声换能器的检测范围内存在多个对象，则会出现模糊性(Mehrdeutigkeit)，因为运行在接收模式中的超声换能器至各个对象的回波分配是未知的。因此，期望尽可能紧凑地布置超声换能器，以便因此减少提到的模糊性。此外，对于所检测的对象的高度分类而言，竖直的方向信息是期望的。通常，这种换能器称为角度编码的3D换能器。与在狭窄空间中具有多个换能器的所谓的超声阵列不同，如果期望使用常见的标准换能器(Standard-Wandler)，则超声换能器之间的距离减小(这导致在检测多个对象情况下的模糊性降低)却同时也导致对象的横向位置的更大不准确性。因此，期望实现尽可能高的测量准确度，以便能够使超声换能器以彼此尽可能小的距离布置。为此，通常需要1μs数量级的测量准确度。然而，当前的测量准确度约为60μs或更高。测量准确度的一个基本要素是超声换能器的瞬态响应，该瞬态响应由制造决定地随着不同的超声换能器而变动，并且该瞬态响应还取决于超声换能器的运行温度。
发明内容
用于校准具有权利要求1的特征的超声换能器的方法具有如下优点：可以增大超声换能器的测量准确度。根据本发明的方法尤其能够对通常布置在保险杠中的各个超声换能器之间的由制造决定的和/或由运行决定的差异进行检测和补偿。通过了解超声换能器的由制造决定的和/或由运行决定的个体化特性，可以由此相互平衡超声换能器的相对测量准确度，从而可以实现改善的并且更准确的对象距离测量。这又可以实现：使超声换能器彼此以相对较小的距离布置，从而可以特别好地区分不同的对象。
本发明基于以下构思：两个超声换能器之间的距离或至少三个超声换能器之间的距离比例关系是已知的，并且在检测运行在发射模式中的超声换能器的实际信号传播时间时，考虑已知的距离或已知的距离比例关系，从而(在已知超声换能器之间的距离或距离比例关系的情况下)在实际信号传播时间与期望信号传播时间存在偏差时，将相应的校正值赋予(belegen)所述信号或运行在接收模式中的超声换能器所检测的距离。优选地，超声换能器的校准与对象测量同时进行，从而不需要单独的校准模式。
在从属权利要求中列出根据本发明的用于校准超声换能器的方法的有利扩展方案。
为了能够补偿或考虑超声换能器的尤其在超声换能器的运行中变化的(例如在运行中产生的)温度，设置：在运行在发射模式中的超声换能器的每个发射周期中求取校正值。换句话说，这意味着持续地对运行在接收模式中的超声换能器的校正值进行匹配。由此，通过超声换能器实现特别准确的距离测量。
为了使所述布置结构中设置的超声换能器也能够用于对象测量，重要的是，还要知道首先仅在发射模式中运行的超声换能器的特性。因此，在本发明的能够节省超声换能器的数量的另一构型中设置：使首先在接收模式中运行的至少一个超声换能器随后在发射模式中运行，并且同时使首先在发射模式中运行的超声换能器随后在接收模式中运行，然后根据实际信号传播时间，将第一校正值赋予运行在接收模式中的超声换能器的信号。
参与距离测量的不同超声换能器的布置结构不局限于：各个超声换能器之间的距离分别相同。其实还能够想到：至少三个超声换能器之间的距离是不同大小的。在此，通过不同大小的期望信号传播时间来考虑不同的距离。
本发明还包括一种用于执行目前所述的根据本发明的方法的布置结构，其中，该布置结构的特征在于，该布置结构具有至少三个超声换能器，这三个超声换能器优选不布置在共同的轴线上或直线上。
第一具体布置结构设置：存在五个超声换能器，其中，两个超声换能器分别布置在中央超声换能器的两侧，其中，分别布置在中央超声换能器的两侧的这两个超声换能器处于如下轴线上：在该轴线上也布置有中央超声换能器。在这种布置结构中，可以使用中央超声换能器来校准其周围布置的超声换能器。此外，中央超声换能器还用于对象测量或距离测量。
为了能够减少所需的超声换能器的数量，一种替代的布置结构这样设置：设置四个超声换能器，其中，三个超声换能器布置在共同的(第一)轴线上，并且第四超声换能器布置在共同的(第一)轴线的上方或下方，其中，(第二)轴线被布置成与共同的(第一)轴线垂直，该(第二)轴线将第四超声传感器与布置在共同的(第一)轴线上的中间的超声传感器连接。在这种情况下设置，将布置在(第一)共同的轴线上的中间的(中央)超声传感器附加地运行在接收模式中，其中，然后例如使第四超声换能器运行在发射模式中。
当布置在(第一)共同的轴线上的三个超声换能器中的中间的超声换能器仅构造成发射器时，则可以实现超声换能器的更价格低廉的布置结构。在这种情况下，由如下要求得出传播时间的校正：在(第一)共同的轴线上，一个边缘侧超声换能器与中央超声换能器之间的方位角位置必须和中央超声换能器与另一边缘侧超声换能器之间的方位角位置大小相同。
当三个超声换能器布置在将它们连接起来的假想三角形的顶点上时，则通过仅使用三个超声换能器实现特别成本有利的布置，其中，该三角形是直角三角形——优选等腰直角三角形。在此要求：三个超声换能器中的两个不仅能够在接收模式中运行，而且也能够在发射模式中运行。
此外补充提及：超声换能器在水平轴线上或在竖直轴线上的布置不是强制性必须的。更确切的说，超声换能器的所检测的测量值的校正也可以在超声换能器的如下布置结构中进行：在所述布置结构中，超声换能器布置在旋转坐标系或非直角坐标系中。此外提及：传播时间校正或两个校正值的确定可以借助根据现有技术的相位分析处理、精确TOF(飞行时间Time of Flight)测量或者通过互相关法进行。
根据下述实施例以及根据附图得出本发明的其他优点、特征和细节。
附图说明
附图示出：
图1至图4分别以高度简化的示意图示出超声换能器的不同布置结构；
图5示出用于阐述根据本发明的校准方法的流程图。
相同的元素或具有相同功能的元素在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出五个超声换能器11至15的第一布置结构10，尤其示出这些超能换能器如何布置在机动车的保险杠区域中并且如何用于测量至对象的距离。超声换能器11至15根据现有技术构造，其中，在其结构和工作方式方面示例性地参考申请人的DE 10 2005052 633 A1，其就此而言应是本申请的一部分。此外，超声换能器11至15通过机动车的线缆束与控制装置(未示出)耦合。
在图1至图5中示出的五个超声换能器11至15的圆形或罐形的振荡膜片元件1在此以交叉的方式布置在两个轴线17、18上，这两个轴线示例性地彼此垂直布置。中央布置的超声换能器11在第一轴线17上在两侧由第二和第三超声换能器12和13包围。此外，第四和第五超声换能器14、15在竖直布置的第二轴线18上布置在中央超声换能器11的两侧。示例性地，超声换能器12至15的膜片元件1的中心与中央超声换能器11之间的距离a分别构造成大小相同。
补充地提及：超声换能器11至15之间的距离a也可以不同。重要的仅仅是：要么已知超声换能器11至15之间的相应的准确距离a，要么已知距离a的比例关系。
在检测对象或求取至对象的距离的情况下，围绕中央超声换能器11的四个超声换能器12至15具有由制造决定的(尤其由于超声换能器12至15的不同瞬态响应引起的，以及由于相应的超声换能器12至15的运行温度引起的)测量不准确性。
为了校准超声换能器12至15，如本身已知的那样，为了测量至对象的距离，可以使超声换能器首先分别在发射模式中运行并且然后在接收模式中运行，在下文中参考根据图5的流程图。用于检测和校正超声换能器12至15的个体化测量不准确性的校准方法设置：在第一步骤101中，使中央超声换能器11在发射模式中运行，并且使围绕中央超声换能器11的四个超声换能器12至15在接收模式中运行。随后，在通过中央超声换能器11发射超声脉冲之后，由四个超声换能器12至15检测四个实际信号传播时间t12实际至t15实际。信号传播时间t12实际至t15实际根据声速以及超声换能器11至15之间的距离a得出。
在此，假设存在如下声速：该声速在(室外)温度例如为15℃的情况下得出。替代地，还可以使用车载温度传感器等的测量值，以便可以更准确地确定现有的声速。
超声换能器12至15的由制造决定的或运行决定的个体化测量不准确性通常导致与期望信号传播时间t12期望至t15期望不同的实际信号传播时间t12实际至t15实际。随后在第三步骤103中，通过算法将个体化校正值k12至k15如此赋予在第二步骤102中检测到的实际信号传播时间t12实际至t15实际，使得在考虑校正值k12至k15的情况下，得到期望信号传播时间t12期望至t15期望。
在已知准确声速的情况下，则期望信号传播时间t12期望至t15期望是正确的。如果声速是未知的或声速的值是假设的，则该方法用于补偿各个超声换能器12至15之间的测量不准确性，其方式例如是：在超声换能器12至15之间的距离a分别相等的情况下如此计算校正值k12至k15，使得得到相同的信号传播时间t12实际至t15实际。相应地，即使不知道准确的距离a，在已知至少三个超声换能器12至15之间的距离a的比例关系的情况下也可以使用该方法，以便平衡超声换能器12至15的个体测量不准确性。在后者的情况下，不需要知道声速。
图2示出在使用四个超声换能器11a至14a的情况下的布置结构10a。在此，中央超声换能器11a在水平轴线17a上在两侧由两个超声换能器12a和13a包围，而超声换能器14a在竖直轴线18a上布置在中央超声换能器11a下方。在布置结构10a的情况下，也示例性地假设超声换能器11a至14a之间的距离a分别相同。布置结构10a与布置结构10的不同之处在于：中央超声换能器11a附加地也可以在接收模式中运行。在这种情况下，还必须知道中央超声换能器11a的特性或者将校正值k11赋予给它。为此，例如使超声换能器14a在发射模式中运行，而同时，使中央超声换能器11a在接收模式中运行。此外独立于此地，根据布置结构10，使中央超声换能器11a在发射模式中运行，并且使超声换能器12a至14a在接收模式中运行，以便通过校正值k12至k14校正超声换能器的个体测量不准确性。
根据图3的布置结构10b与根据图2的布置结构10a的不同之处在于：只有中央超声换能器11b在发射模式中运行，而其他三个超声换能器12b至14b分别(仅)在接收模式中运行，以便检测校正值k12至k14。当由超声换能器12b和13b求取的方位角位置与由超声换能器11b和12b求取的方位角位置大小相同时，则可以使用布置结构10b。
根据图4的布置结构10c仅具有三个超声换能器11c至13c。在此，超声换能器12c在水平轴线17c上布置在超声换能器11c左侧或者侧向地布置在超声换能器11c旁边，而超声换能器13c在竖直轴线18c上布置在中央超声换能器11c下方。在此，三个超声换能器11c至13c构成等腰直角三角形20的顶点，其中，第一超声换能器11c和另外两个超声换能器12c、13c中的一个分别不仅能够在发射模式中运行而且能够在接收模式中运行。在此，通过各个超声换能器11c至13c在发射模式或接收模式中交替运行来求取校正值k11至k13。

Claims (13)

1.一种用于校准超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的方法，其中，所述超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)彼此以已知的距离(a)或以所述距离(a)的已知比例关系布置，其中，使所述超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)中的一个在发射模式中运行，并且使至少一个另外的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)在接收模式中运行，其特征在于，
根据在所述发射模式中运行的与在所述接收模式中运行的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)之间的实际信号传播时间、已知的或假设的声速和已知的距离(a)或距离比例关系，推断出在所述接收模式中运行的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的由制造决定的和/或由运行决定的测量准确性，并且根据所述实际信号传播时间将校正值赋予运行在所述接收模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的信号，
其中，在考虑已知的声速的情况下计算所述校正值，使得得到正确的期望信号传播时间，或者
其中，在考虑假设的声速的情况下计算所述校正值，以便补偿各个超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)之间的测量不准确性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在运行在所述发射模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的每个发射周期中求取所述校正值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在运行在所述发射模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的两侧分别布置有运行在所述接收模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)，并且将运行在所述发射模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)两侧的两个运行在所述接收模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的实际信号传播时间进行比较并且在考虑所述距离(a)的情况下进行匹配。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使首先在所述接收模式中运行的至少一个超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)随后在所述发射模式中运行，并且同时使首先在所述发射模式中运行的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)随后在所述接收模式中运行，并且根据所述实际信号传播时间将所述校正值赋予运行在所述接收模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的信号。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在计算所述校正值时，考虑至少三个超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)之间的不同的距离(a)或距离比例关系。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了测量与对象的距离，使之前在所述接收模式中运行的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)随后在所述发射模式中运行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声换能器(11；15)布置在机动车的保险杠中。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在运行在所述发射模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的两侧，在竖直平面和/或水平平面中分别布置有运行在所述接收模式中的超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)。
9.一种用于校准超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)的布置结构，所述布置结构设置用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述布置结构具有彼此以已知的距离(a)或以已知的距离比例关系布置的至少三个超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)，其中，所述至少三个超声换能器(11；11a；11b；11c，12；12a；12b；12c，13；13a；13b；13c，14；14a；14b，15)不布置在共同的轴线(17；17a；17c，18；18a；18c)上。
10.根据权利要求9所述的布置结构，其特征在于，设置五个超声换能器，其中，两个超声换能器分别布置在中央超声换能器(11)的两侧，其中，布置在所述中央超声换能器(11)的两侧的这两个超声换能器处于如下轴线(17，18)上：在所述轴线上也布置有所述中央超声换能器(11)。
11.根据权利要求9所述的布置结构，其特征在于，设置四个超声换能器，三个超声换能器(11a；11b，12a；12b，13a；13b)布置在共同的第一轴线(17a)上，并且第四超声换能器(14a；14b)布置在所述共同的第一轴线(17a)的上方或下方，其中，第二轴线(18a)被布置成与所述共同的第一轴线(17a)垂直，所述第二轴线将所述第四超声换能器(14a；14b)与布置在所述共同的第一轴线(17a)上的超声换能器(11a；11b)中的中间的超声换能器连接。
12.根据权利要求9所述的布置结构，其特征在于，设置三个超声换能器(11c，12c，13c)，这些超声换能器布置在将所述三个超声换能器(11c，12c，13c)连接起来的假想三角形(20)的顶点上，并且所述三角形(20)是直角三角形(20)。
13.根据权利要求12所述的布置结构，其特征在于，所述三角形(20)是等腰直角三角形(20)。
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