CN114467039A - 超声波传感器系统的计算背景噪声补偿 - Google Patents

超声波传感器系统的计算背景噪声补偿 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于以隐藏方式安装的超声波传感器系统(1)的计算噪声补偿方法，特别是用于具有壁材料(2)的车辆，包括以下步骤：使用超声波传感器系统(1)的超声波传感器(5)检测参考环境信息(100)，该参考环境信息包括与壁材料(2)相关的噪声信号信息(3)和/或空气传播声音信号信息(4)；存储参考环境信息(200)；使用超声波传感器(5)检测实时环境信息(300)，该实时环境信息包括与壁材料(2)相关的噪声信号信息(3)和/或空气传播声音信号信息(4)；以及使用计算单元(6)在参考环境信息和实时环境信息的多条环境信息(400)之间形成差异信号。本发明还涉及一种用于计算超声补偿的系统，该系统具有用于执行该方法的步骤的装置。本发明还涉及一种具有用于计算超声补偿的系统的车辆。本发明还涉及计算机程序、数据载体信号以及计算机可读介质。

Description

超声波传感器系统的计算背景噪声补偿
技术领域
本发明涉及一种用于以隐藏或未隐藏方式安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿方法，特别是用于车辆。
本发明还涉及一种计算噪声补偿系统，该系统具有用于执行该方法的步骤的装置。
本发明还涉及一种具有计算噪声补偿系统的车辆。
本发明还涉及一种包括命令的计算机程序，该命令在由计算机执行该计算机程序时使计算机执行该方法的步骤。
本发明还涉及一种承载计算机程序的数据载体信号。
本发明还涉及一种包括命令的计算机可读介质，该命令在由计算机执行时使计算机执行该方法的步骤。
背景技术
用于环境监测的超声波换能器或超声波传感器系统通常以未隐藏方式安装在车辆中，也就是说车辆的壁材料中的开口存在于超声波换能器的区域中。
超声波换能器或超声波传感器系统的隐藏安装(因此从外部看不到)在视觉上是优选的，但还没有在很大程度上得到认可，因为在紧邻的车辆结构中特别是在其壁材料中的寄生结构传播声音振幅(其因此在超声波信号传输操作期间出现并且在没有进一步措施的情况下仅缓慢衰减)显著地妨碍了对经由空气传播路径以回波形式耦合进来的超声波信号的可靠检测。
在这方面，例如在车辆的情况下，以隐藏方式安装的超声波传感器系统意味着一个或多个超声波传感器从外部是不可见的。由超声波传感器系统发射的超声波信号穿透布置有传感器的壁材料。在此过程中，超声波信号两次穿透壁材料以进行超声波检测，特别是在超声波信号由以隐藏方式安装的超声波传感器系统发射和接收的过程中。在此过程中，壁材料产生振动。这些振动持续共振如此长的时间，以至于它们干扰了回波飞行时间的测量。
从现有技术中已知使用机械装置来抑制这些振动，也称为结构传播声音。
然而，为了使用隐藏的超声波换能器进行环境检测，最新的现有技术公开了用于衰减所述超声波换能器的紧邻环境中的结构传播声音振幅的材料的附着。换句话说，在相应超声波换能器的邻接区域中的该结构以目标方式被阻尼，超声波换能器膜机械地耦合到该结构以发射和接收空气传播超声。
公开申请DE102017127587A1公开了一种由丁基橡胶制成的阻尼垫，其与纤维混合以增强阻尼效果并在更大的温度范围内实现阻尼效果。
公开申请DE102015116442A1公开了一种具有两种不同阻尼元件的阻尼装置，这两种阻尼元件在不同的温度下起作用。
这种阻尼装置的使用带来了多个问题，特别是高度依赖于温度的阻尼特性、复杂的安装过程、用于放置换能器的显著受限的空间、由于阻尼材料导致的额外质量、由于每辆车都需要单独的解决方案而在开发方面的巨大支出以及最终的额外成本。
根据现有技术，用于减少不期望的结构传播声音的另一种可能性是在超声波换能器或超声波传感器系统的紧邻处使用加强元件。因此，结构传播声波在其传播方面受到明显阻碍。
公开申请DE102012106700A1公开了一种旨在减少壁振动的加强元件。
这种方法与迄今为止还没有解决方案的问题相关，特别是视觉突出、安装期间增加的支出、用于放置超声波传感器系统的受限空间、由于加强材料导致的额外质量以及额外成本。
研究的另一个分支涉及阻止来自相邻传感器的超声波信号，这些信号在壁材料上传播。这是作为信号处理的一部分来完成的，例如通过调整阈值或封锁来自相邻传感器的这些干扰信号到达的时间窗口。然而，已经发现，尽管涉及巨大的支出，但该过程导致不准确的结果，因此不能排除事故。
先前提到的来自现有技术的示例表明，特别是结构传播声音以及一般噪声的补偿提出了仍有待解决的问题。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明因此基于规定克服上述缺点的用于可选地以隐藏或未隐藏方式安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿方法、计算超声补偿系统、车辆、计算机程序、数据载体信号和计算机可读介质的目的。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求中规定了本发明的有利实施例。
根据本发明，因此规定了一种用于安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿方法，特别是用于具有壁材料的车辆，包括以下步骤：
使用超声波传感器系统的超声波传感器检测参考环境信息，该参考环境信息包括与壁材料相关的噪声信号信息和/或空气传播声音信号信息；
存储参考环境信息；
使用超声波传感器检测实时环境信息，该实时环境信息包括与壁材料相关的噪声信号信息和/或空气传播声音信号信息；以及
使用计算单元在参考环境信息和实时环境信息的多条环境信息之间形成差异信号。
计算噪声补偿方法优选地是用于计算结构传播声音补偿的方法。
优选地，根据本发明的方法的最后步骤在车辆中执行。
本发明还规定了一种计算超声补偿系统，该系统具有用于执行该方法的步骤的装置。计算超声补偿系统可以是用于支持相应的自主或半自主车辆的自主或半自主驾驶的驾驶员辅助系统的一部分，或者是用于在各种驾驶情况下支持车辆驾驶员的驾驶员辅助系统的一部分。
本发明还规定了一种具有计算超声补偿系统的车辆。该车辆优选地是驾驶员的自我车辆。
本发明还规定了一种包括命令的计算机程序，该命令在由计算机执行该计算机程序时使计算机执行该方法的步骤。计算机程序是用于执行特定任务的指令的集合，该特定任务设计用于解决特定类别的问题。程序的指令设计为由计算机执行，其中，计算机必须能够执行程序以起作用。
本发明还规定了一种传输计算机程序的数据载体信号。
本发明还规定了一种包括命令的计算机可读介质，该命令在由计算机执行时使计算机执行该方法的步骤。
因此，本发明的基本概念例如不是机械地衰减壁材料的振动或噪声，特别是结构传播声音，而是作为信号处理操作的一部分考虑并滤除振动。在噪声的计算补偿期间，还可以考虑噪声中的温度相关变化。因此，这种方法允许通过超声波传感器系统进行可靠的检测，其中，例如安装在壁材料下面的超声波传感器系统可以具有大量的超声波传感器，它们可以同时且持久地进行检测，从而实现连续精确的检测结果。所介绍的方法允许显著降低设计和材料的费用，因此可以实现成本和重量的显著降低，而隐藏的超声波检测系统的性能相当或者甚至得到改善。这种用于补偿结构传播声音的方法也可以用在以隐藏方式安装的超声波检测系统中，其中，通过对每次测量的计算来去除由膜的混响产生且同样可被解释为结构传播声音的相应信号。在这种情况下，膜形成例如壁材料。在超声波换能器的未隐藏配置中，在小距离(例如接近10cm)处检测的检测结果的质量提高。
原则上，可以获得预存的参考环境信息，特别是噪声信号信息。这些检测可以例如通过使用声音吸收器来进行，例如在相应配置的声音工作室中。
超声被理解为频率高于人类可听频率范围的声音。因此，它优选包括从16kHz开始的频率。频率大约在1GHz以上的声音也称为超声。相比之下，低于人类可听频率范围的频率被称为次声。
在气体和液体中，超声以纵波的形式传播。在固体中，由于剪切应力，横波也会传播。从空气传播声音到固体的过渡(或反之亦然)出于效率的原因可以特别地使用具有适应的声阻抗和特定厚度的耦合介质来进行。
取决于障碍物的材料，超声被其反射、吸收、散射或透射。与其他波的情况一样，也发生折射、衍射和干涉，结果超声波系统具有高灵敏度设计。
空气表现出对超声的阻尼，其随着频率而强烈增加。相比之下，在液体中，超声以低阻尼传播。然而，阻尼通常也可以基于温度波动和/或湿度变化。
因此，该方法的第一步骤是检测参考环境信息。
本发明不要求在单条信息或多条信息之间进行区分，因为这样做无助于创造性步骤。此外，参考环境信息可以仅包括与壁材料相关的噪声信号信息和/或空气传播声音信号信息。
这里使用的壁材料是车辆的外壁，例如车身部件，或者用于滑动车顶的Gorilla玻璃。
噪声信号信息是指除了期望的声音检测之外出现并且可能干扰期望的声音检测的信号信息。想要补偿的正是这个信号信息。
空气传播声音信号信息是指位于壁材料外部的超声。
接下来，存储参考环境信息。该步骤可以进行一次，也可以根据定义的条件重复进行。对于执行该方法来说，重要的是在先前步骤中检测到的参考环境信息在稍后的时间是可检索的。
如果存储了参考环境信息，使得它是可检索的，则使用超声波传感器执行实时环境信息的检测，该实时环境信息包括壁材料的噪声信号信息特别是结构传播声音信号信息和/或空气传播声音信息。以这种方式，除了现有的参考信息之外，还检测其他实时信息。如果在不同检测的时间点之间，被检测物体的距离发生了变化，则这也被检测到。
最后，使用计算单元在参考环境信息和实时环境信息的多条环境信息之间形成差异信号。以这种方式，在时域中从后面的实时测量中减去参考测量。在这种情况下，可以从实时环境信息中减去参考环境信息，或者可以从参考环境信息中减去实时环境信息。这里应该注意，计算算法是统一设置的。
根据现有技术执行后续步骤，换句话说，如同安装在外部的超声波传感器的情况。例如，通常使用信号，在当前情况下是差异信号，以便例如检查阈值被超过的任何事件。
根据本发明的有利实施例，
车辆的壁材料具有至少0.1毫米的材料厚度。
根据本发明的有利实施例，
车辆的壁材料的材料厚度至多且包括3.0毫米。
根据有利实施例，本发明的特征在于对差异信号进行平滑和/或滤波。为后续计算过程准备的差异信号使得可以对车辆环境进行更可靠的检测或者更不易出错的检测。
根据本发明的有利实施例，
超声波传感器的频率为包括至少40kHz至包括80kHz。已经发现，可以容易地补偿该频率范围内的噪声，特别是结构传播声音，从而可以可靠地检测或不易出错地检测车辆环境。
根据本发明的有利实施例，
基于原始数据、包络和/或另一个滤波的接收信号，例如与超声波传感器的发射信号的相关性，形成多条环境信息之间的差异信号。原始数据只需要降低计算能力，从而加速数据利用。
根据本发明的有利实施例，
以定义的时间间隔重复参考环境信息的检测。原则上，任何检测到的参考环境信息也可以包含检测到的物体。为了使最可靠和最精确的检测成为可能，在一实施例中，参考环境信息的检测以规则的时间间隔进行。
根据上述实施例的有利实施例，
定义的时间间隔小于一分钟。用于使最可靠和最精确的检测成为可能的优选时间间隔尤其可以是至少10毫秒。
根据本发明的有利实施例，
以基于事件的方式重复参考环境信息的检测。这意味着作为事件的外部因素启动参考环境信息的检测。这减少了计算操作的数量。
根据上述实施例的有利实施例，
以基于事件的方式重复检测参考环境信息，使得温度变化和/或湿度变化触发参考环境信息的重复检测。已经发现，如果超过温度和/或湿度的定义的变化幅度，则作为事件的这些影响适于重复执行新的检测，使得可靠的检测成为可能。
根据本发明的有利实施例，
如果物体相对于车辆或相对于相应的超声波换能器改变了其位置，则借助于参考环境信息中的空气传播声音信号信息检测的至少一个物体的信号分量在差异信号中产生负信号。这种配置使得可以获得更多的数据，这些数据可以用于提高检测结果的精度和可靠性。特别地，可以基于振幅变化和/或相位变化来捕获负信号或物体。
根据上述实施例的有利实施例，
负信号被反向用作实时环境信息中的正信号，用于物体跟踪。所述负信号可以用于基于负信号的特征数据来跟踪物体，作为相对于先前已知的参考信号的正信号。
根据本发明的有利实施例，
计算单元是集成在超声波传感器系统中的专用电路。这使得可以在成本有效的结构单元中进行可靠的数据处理。专用集成电路ASIC是以集成电路形式实现的电子电路。因此，ASIC的功能不再是可变的，但生产成本更低，一次性成本更高。
根据本发明的有利实施例，所介绍的计算声音补偿方法还与未隐藏的超声波换能器结合使用，以便通过为每次测量计算出由壁材料的混响产生的信号来在超声波换能器的近距离内实现可能的改进的物体检测，所述壁材料为膜的形式，并且同样可解释为结构传播声音。
根据本发明的有利实施例，
该方法是用于计算结构传播声音补偿的方法，并且噪声信号信息是结构传播声音信号信息。结构传播声音信号信息是一种噪声信号信息，其中由超声波传感器检测的结构传播声音被认为是结构传播声音信号信息，其中这对应于壁材料的振动。这种应用特别适用于以隐藏方式安装的超声波换能器，例如安装在车辆上。
根据本发明的有利实施例，所介绍的计算声音补偿方法结合隐藏和/或未隐藏超声波换能器得到应用，以便以有针对性的方式阻挡来自周围环境的单个或多个不期望的空气传播声音信号，例如来自拖车联结器或自行车架的声音信号，并且还检测环境的回声场景中非常微小的变化，这在某些情况下可能是复杂的，例如用于通过位于车辆底部区域的超声波声音换能器来检测车辆下方的物体，和/或用于检测结构传播声音模式的任何变化，例如由于温度、污染、变形和/或损坏的变化。损坏可被认为是例如损坏的玻璃窗格。在此，至少一个超声波换能器可被附接到玻璃窗格并且测量其结构传播声音。如果玻璃窗格破裂，则检测到的结构传播信号会变化，这意味着可以推断出玻璃的损坏。结果，与初始噪声信号相比保持不变的噪声信号充当未破裂玻璃窗格的信号。
下面参照附图并基于优选实施例更详细地解释本发明。图示的特征可以单独或组合地代表本发明的一个方面。不同示例性实施例的特征可以从一个示例性实施例转移到另一个示例性实施例。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明优选实施例的超声波传感器系统的示意图，
图2示出了用于以隐藏方式安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿方法的流程图，以及
图3示出了用于安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿方法的示例性时域信号。
具体实施方式
图1示出了以隐藏方式安装的超声波传感器系统1，其具有超声波传感器5，超声波传感器5布置在车辆的壁材料2上，用于检测噪声信号信息3，特别是结构传播声音信号信息和空气传播声音信号信息4。作为特定优选示例性实施例的一部分，下文将假设噪声信号信息3是结构传播声音信号信息。本发明不限于以隐藏方式安装的超声波传感器5，尽管这些在示例性实施例中被用作解决特定问题的示例。
以隐藏方式安装意味着超声波传感器系统1包括车辆内的发射器和/或接收器，使得在视觉上从外部看不到。
结构传播声音信号信息和空气传播声音信号信息4的处理在计算单元6中进行。
在图1中，没有可以检测到的物体。然而，在根据图3a、3c和3d的超声图像的情况下，存在这样的物体。
图2示出了用于以隐藏方式安装的超声波传感器系统1的计算噪声或结构传播声音补偿方法的流程图，特别是用于具有壁材料2的车辆。该方法至少包括以下步骤：
使用超声波传感器系统1的超声波传感器5检测参考环境信息100，该参考环境信息包括与壁材料2相关的噪声信号信息或结构传播声音信号信息3和/或空气传播声音信号信息4；
存储参考环境信息200；
使用超声波传感器5检测实时环境信息300，该实时环境信息包括与壁材料2相关的噪声信号信息或结构传播声音信号信息3和/或空气传播声音信号信息4；以及
使用计算单元6在参考环境信息和实时环境信息的多条环境信息400之间形成差异信号。
根据图1的有利实施例，
计算单元6是集成在超声波传感器系统1中的专用电路。
图3a示出了现有技术中已知的未隐藏超声波传感器系统1或未隐藏超声波传感器5的发射和接收信号。这里，所示的空气传播声音信号信息4所发出的物体布置在检测区域中。由于超声波传感器5是未隐藏的，所以它不检测噪声或结构传播声音信号信息3。
图3b示出了根据本发明优选实施例的隐藏超声波传感器系统1或隐藏超声波传感器5的发射和接收信号。在这种情况下，没有物体布置在检测区域中，这意味着空气传播声音信号信息4不产生信号尖峰。因为超声波传感器5被隐藏，所以它检测噪声或结构传播声音信号信息3。因此，在没有物体的情况下检测参考环境信息100进行。
图3c示出了根据本发明优选实施例的隐藏超声波传感器系统1或隐藏超声波传感器5的发射和接收信号。在这种情况下，与图3b不同，物体布置在检测区域中，这意味着空气传播声音信号信息4产生信号尖峰。因为超声波传感器5被隐藏，所以它另外检测噪声或结构传播声音信号信息3。然而，这些叠加在一起，意味着该物体可能无法单独从该检测来识别。换句话说，与物体相关的信号被与结构传播声音或壁材料相关的信号覆盖。
图3d以示意性简化的方式示出了参考环境信息和实时环境信息的环境信息400之间的差异信号。
如果在物体位于检测区域中时执行参考测量，则所述物体一旦改变其相对于超声波换能器的位置，就在差异信号中变得可见。在这种情况下，如果物体即使在亚毫米范围内改变其相对于超声波换能器的位置，这就足够了。
根据本发明的有利实施例，
车辆的壁材料2具有至少0.1毫米的材料厚度。根据实施例，还优选的是，
车辆的壁材料2的材料厚度至多且包括3.0毫米。位于该范围内的结构传播声音在图3b中以示例的方式示出。
根据本发明的有利实施例，
对差异信号进行平滑和/或滤波。
根据本发明的有利实施例，
超声波传感器5的频率为包括至少40kHz至包括80kHz。以这样的频率发生的超声检测产生声音信号，如图3a和3d中的示例所示。
根据本发明的有利实施例，
基于原始数据、包络和/或另一个滤波的接收信号，例如与超声波传感器5的发射信号的相关性，形成多条环境信息400之间的差异信号。图3以象征性的方式举例说明了包络。这意味着超声波信号是通过包络来表示和处理的。
根据本发明的有利实施例，
以定义的时间间隔重复检测参考环境信息100。
根据前述实施例的一个有利实施例，定义的时间间隔小于一分钟，特别是至少10毫秒。
根据本发明的有利实施例，
以基于事件的方式重复检测参考环境信息100。
根据前述实施例的有利实施例，以基于事件的方式重复检测参考环境信息100，使得温度变化和/或湿度变化触发参考环境信息100的重复检测。
根据本发明的有利实施例，
如果物体相对于车辆或相对于相应的超声波换能器改变了位置，则借助于参考环境信息中的空气传播声音信号信息4检测的至少一个物体的信号分量在差异信号中产生负信号。
根据前述实施例的有利实施例，负信号被反向用作实时环境信息中的正信号，用于物体跟踪。
附图标记列表
1 超声波传感器系统
2 车辆的壁材料
3 噪声信号信息
4 空气传播声音信号信息
5 超声波传感器
6 计算单元
100 检测参考环境信息
200 存储参考环境信息
300 检测实时环境信息
400 形成多条环境信息之间的差异信号

Claims (19)

1.一种用于以隐藏或未隐藏方式安装的超声波传感器系统(1)的计算噪声补偿方法，特别是用于具有壁材料(2)的车辆，具有以下步骤：
-使用超声波传感器系统(1)的超声波传感器(5)检测参考环境信息(100)，该参考环境信息包括与壁材料(2)相关的噪声信号信息(3)和/或空气传播声音信号信息(4)；
-存储参考环境信息(200)；
-使用超声波传感器(5)检测实时环境信息(300)，该实时环境信息包括与壁材料(2)相关的噪声信号信息(3)和/或空气传播声音信号信息(4)；以及
-使用计算单元(6)在参考环境信息和实时环境信息的多条环境信息(400)之间形成差异信号。
2.根据权利要求1所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
车辆的壁材料(2)具有至少0.1毫米的材料厚度。
3.根据权利要求1或2所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
车辆的壁材料(2)的材料厚度至多且包括3.0毫米。
4.根据前述权利要求中任一项所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，对差异信号进行平滑和/或滤波。
5.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
超声波传感器(5)的频率为包括至少40kHz至包括80kHz。
6.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
基于原始数据、包络和/或另一个滤波的接收信号，例如与超声波传感器(5)的发射信号的相关性，形成多条环境信息(400)之间的差异信号。
7.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
以定义的时间间隔重复参考环境信息(100)的检测。
8.根据前一权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
定义的时间间隔小于一分钟且特别是至少10毫秒。
9.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
以基于事件的方式重复参考环境信息(100)的检测。
10.根据前一权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
以基于事件的方式重复检测参考环境信息(100)，使得温度变化和/或湿度变化触发参考环境信息(100)的重复检测。
11.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
如果物体根据差异信号改变了其位置，则借助参考环境信息中的空气传播声音信号信息(4)检测的至少一个物体的信号分量产生负信号。
12.根据前一权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
负信号被反向用作实时环境信息中的正信号，用于物体跟踪。
13.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，计算单元(6)是集成在超声波传感器系统1中的专用电路。
14.根据至少一个前述权利要求所述的计算噪声补偿方法，其特征在于，
该方法是用于计算结构传播声音补偿的方法，并且噪声信号信息(3)是结构传播声音信号信息。
15.一种计算超声补偿系统，具有用于以隐藏方式安装的超声波传感器系统的计算噪声补偿装置，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
16.一种具有根据前一权利要求所述的计算超声补偿系统的车辆。
17.一种包括命令的计算机程序，该命令在由计算机执行该计算机程序时使计算机执行根据至少一个前述权利要求所述的方法。
18.一种传输根据前一权利要求所述的计算机程序的数据载体信号。
19.一种包括命令的计算机可读介质，该命令在由计算机执行时使计算机执行根据至少一个前述权利要求所述的方法。
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