CN1215153A - 超声波范围监视设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波范围监视设备,带有多个超声波转换单元,每个超声波转换单元都用于定向辐射超声波场和接收反射的超声波,并带有一计算装置(1),该计算装置对由超声波转换单元接收到的反射超声波进行分析,检测出位于预定监视范围内的物体。依照本发明,超声波转换单元(W1至W12)彼此紧邻设置,从而使其辐射方向呈扇形向外伸展。同时,可以将转换单元例如分别呈半圆形设置在重叠的两个层面上。本发明的超声波范围监视设备例如用于监视机动车或静止机械环境内出现的物体。

Description

超声波范围监视设备

本发明涉及一种超声波范围监视设备，其带有多个超声波转换单元W1至W12，其中每个超声波转换单元都用于超声波场u1至U12的定向辐射和用于接收反射的超声波，并带有一个计算单元，该计算单元对由超声波转换单元接收到的反射超声波进行分析，检测出位于预定监视范围内的物体。迄今这种设备例如用于旨在检测出现障碍物的机动车周围环境的监视或用于旨在防盗的机动车内部的监视。

在公开说明书EP0326623A1中所述的这种范围监视设备中，在无人驾驶机动车上以直线并相互具有明显的间隔分布设置四个超声波转换单元，其定向辐射的超声波场形成波瓣状向前伸展的覆盖范围，由此可以检测到在机动车前方出现的障碍物。各个转换单元的辐射方向基本上是相互平行的，因而波瓣状的覆盖范围的宽度略大于外围转换单元的相互间距。

己知在监视半圆状范围的应用状态下，采用激光束范围监视设备，该监视设备利用一旋转的激光束对所需要的覆盖范围进行扫描。例如由洛伊莱(Leuze)电子公司投放市场的rotoscan RS3型设备。

本发明的技术任务在于提出一种本说明书引言部分中所述方式的超声波范围监视设备，用此监视设备尤其也可以较少的代价尽可能均匀地和无空白地监视半圆状的范围。

本发明通过提出一种具有下述特征的超声波范围监视设备解决了这项任务，在该设备中超声波转换单元被紧紧相邻地设置在一起，使其辐射方向成向外延伸的扇形。其中典型的是由辐射的超声波场搭接的覆盖范围是相邻的转换单元间隔的几倍并且远远大于外围转换单元的间隔。用此设备也可以可靠地监视半圆形的范围，而不需要旋转部件。可以将超声波转换单元非常紧凑地设置在一起，其中为实现扇形辐射方向而将各个转换单元相互倾斜和/或沿一条向外弯曲成拱形的线设置。

在依照权利要求2的本发明的进一步设计中，至少有一部分超声波转换单元设置在沿圆弧线，例如半圆线的面上，从而可以监视相应的扇形区。

在依照权利要求3进一步设计的设备中，超声波转换单元被设置在两个重叠的层面上，使一个层面上的某个转换单元的超声波场位于另一层面的两个相邻的转换单元的超声波场之间并与后者搭接。采用这种配置可以较为均匀和无空白地由各转换单元定向辐射的超声波场覆盖扇形区。当然，位于不同层面的相邻转换单元间的间隔如同在同一层面的相邻转换单元间的间隔，宜相对较小。

在依照权利要求4所述结构的有利配置中，一个层面的每个转换单元对应于配置的另一层面的转换单元围绕垂直轴偏转并且在必要时无错位定位，使其辐射方向分别在另一层面两个相邻的转换单元的辐射方向间的中间，从而实现超声波对检测范围的非常均匀和无空白的覆盖。

在一种依照权利要求5的设备中，为了对相对较小的间隔进行功能测试而为每个转换单元设置了一条基准线。另外还设置了计算单元，其用于识别由某些基准线转回的超声波。基准线波的存在是判定设备无故障工作的前提条件。采用此方式防止了诸如由于堵塞了转换单元出射范围而使设备不能工作等不希望出现的情况。另外利用己经存在的基准线波可精确地给出所设置的发射和接收电子装置的状况。

采用依照权利6进一步设计的设备在转换单元的超声波辐射保持不变的情况下通过下述方式可以非常简易地实现对不同的所需距离的监视，即大小不同的监视范围，在计算单元中可以可变地预先给出反射超声波的某个最大传播时间。对于在由转换单元发送超声波脉冲后的传播时间大于所配属的预先给定的可变最大传播时间的反射超声波而言，将不考虑范围监视或者在任何情况下将其传播时间小于所选定的最大传播时间的情况加以处理。必要时，用不同的监视或告警强度对多个监视范围加以定义，例如用较高的告警或保护强度表示近场范围并用较小的告警强度表示与近场外围连接的远场范围。

在附图中示出了本发明的一种优选实施方式，下面将对此实施方式加以说明。图中示出：

图1是带有12个设置在两个半圆层面上的、用于提供半圆形检测范围的超声波范围监视设备的示意性俯视图；

图2是图1所示超声波转换单元的变型配置的示意性局部侧视图；

图3是由图1的设备整体辐射出的超声波场的示意性俯视图。

图1中所示的超声波范围监视设备含有一个计算装置(1)和一个由12个超声波转换单元(W1至W12)构成的结构(2)，这12个声波转换单元成半圆形设置在两上层面上。特别是对该配置进行加下选配，在沿半圆线的下层面上实际无间隙地直接并列放置6个转换单元(W1、W3、W5、W7、W9、W11)，同时无错位地直接在下层面的所属的转换单元上方。沿一相应的半圆线在一位于上方的上层面上设置另外6个转换单元(W2、W4、W6、W8、W10、W12)。采用此方式非常紧凑地在所属直径平面(d)上实现了带有超声波转换单元(W1至W12)的结构(2)。半圆形的转换器结构(2)的直径例如可以仅有140mm至170mm长。每个转换单元(W1至W12)以通常的方式用于定向辐射波瓣形的超声波场和用于接收反射的超声波。为每个转换单元(W1至W12)都配备有一个固有的发射和接收电路。从而实现了所有转换单元(W1至W12)的并行工作，与串行工作相比这将大大缩短对出现的障碍物的反应时间。发射和接收电路通过连接线路(3)与计算装置(1)连接。通过此连接实现了对与发射超声波脉冲有关的超声波转换单元(W1至W12)的控制以及由转换单元接收的超声波向计算装置(1)的传输。

超声波转换单元(W1至W12)的设置应使其辐射方向呈从径向主分量向外延伸的扇形。为了用超声波达到尽可能均匀和无空白地覆盖半圆形的检测范围，每两个相互叠置的转换单元可以围绕与转换单元(W1至W12)的两个层面垂直、和在相互反转换方向上的公同垂直轴并以在半圆线上的共同正切面为基准翻转。

如图1所示以两个转换单元(W5、W6)为例，下层面上的转换单元的出射面与共同的半径射线(R)构成一小于90°的角(α)并且同样，上层面上的转换单元的出射面与共同的半径射线(R)构成一小于90°的夹角(β)。每两个相互叠置的转换单元的出射面因此构成一个偏转角180°-α-β。例如该偏转角约为15°。

这种设置将导致由上层面的一个超声波转换单元辐射的超声波位于设置由在其下面的转换单元和一个在下层面上与此转换单元相邻的转换单元辐射的超声波场之间。因此由上面的转换单元辐射的超声波场仅充满由下层面的转换单元辐射的超声波场的空白区，该空白区是由于在较大的距离内由一个层面的转换单元形成的辐射方向较分数和在较大距离内由每个转换单元辐射的超场波场的波瓣结构造成的。只要一方面下层面的转换单元的超声波场和另一方面上层面的转换单元的超声波场对一定的近场范围形成双重覆盖，就存在冗余，该冗余将提高设备对有关近场范围内的物体识别的可靠性和安全性。作为所述每两个叠置的超声波转换单元的翻转设置的替代例或附加特征还可以将沿一个半圆形层面的转换单元对应于另一层面的转换单元中心偏移设置并且采用此方式可实现使一个层面的转换单元的每个波瓣形超声波场的中心大致位于另一层面的两个转换单元的两个超声波场之间并且与后者在任何情况一在一定距离内部分重叠，从而使在该距离内的检测范围被毫无空白地覆盖。

该设备利用通用的学习程序在初始工作阶段学习由其环境造成的、未指示待检测物体的超声波反射并将此作为背景存储在计算装置(1)内，在随后的工作中将接收到的超声波反射与此背景进行比较，以进行物体识别。

对每个转换单元(W1至W12)设置一条基准线，其中仅以一条(4)为例示出。该基准线(4)分别位于在所属超声波转换单元出射面前小于30mm距离处，例如在20mm至25mm之间。由于选择这种大大小于转换器结构(2)直径的短距离，因而不会对其紧凑的结构造成不利的影响。计算装置(1)分别在设备接通时和每个测试周期前，以典型重复频率的数量级为每秒10次的测试周期，进行功能测试，在进行功能测试时每个超声波转换单元(W1至W12)产生一个超声波检测脉冲并由计算装置(1)确定是否每条基准线(4)都收到了一个相应的信号。如果例如由于一个或多个超声波单元(W1至W12)的出射面被非法地遮盖住或其中的一个转换单元失效，而不出现上述情况时，计算装置(1)判定出功能故障并发生相应的故障信息。在所述典型的重复频率为每秒10次时，基于在最不利的情况下大约在故障出现后的0.1秒后将发出故障信息。

由于某根基准线(4)距所属超声波转换单元(W1至W12)的距离(2)很小，故有时在事先由发射部分发射的超声波脉冲的残余振荡尚存在的时间范围内，转换单元的接收部分就己经接收到期待的基准线一超声波回声。实际上是不可能实现基准线一超声波回声与发射过程的残余振荡间的可靠的区分。所以依照本发明提出了一种方法，采用此方法在基准线(4)的预定小间(a)下可以实现可靠的功能检测。

本方法在于，两个相邻的、分别由两个叠置的转换器单元构成的转换器对顺序地交替作为接收器和发射器工作。在图1中形象地说明了这种功能检测的开始阶段并且在于，一个转换器对(W3、W4)发射一个短的超声波脉冲(S1)。这些波经过发射转换器对(W3、W4)对面的基准线(46)，根据折射定律产生扩散反射。一大约平行于发射转换对(W3、W4)表面的折射的波分量(S2)射到与发射转换器对(W3、W4)相邻的转换器对(W1、W2)对面的基准线(4a)。射到基准线(4a)上的波分量(S3)以大约90°折射，从而使其基本垂直地射到位于对面的接收转换单元(W1、W2)的表面上。所以由发射转换器对(W3、W4)的某个转换器发射的超声波的一定分量到达设在相邻的转换器对(W1、W2)下层面及上层面的转换器。接着，由计算单元(1)检验从转换器对(W3、W4)的某个转换器至另一转换器对(W1、W2)的位于同一层面的转换器的该脉冲发送效果，其中采用了专家熟悉的、在预定时窗分布的时间点上接收的回波包络曲线与在无干扰的工作情况下实验求出的基准回波包络曲线逐点比较的方法。在下一个方法步骤中将把发送和接收顺序倒置，即原来的接收转换器对(W1、W2)这时起着发送对的作用，同时原来的发送转换器对(W3、W4)起着接收对作用。此过程一直进行到用该方法完成所有转换器单元(W1至W12)作为发送器和接收器的功能检验。由于采用此方法时各超声波转换单元(W1至W12)不会同时作为发送器和接收器工作，故功能检测不会受到处于发送工作状态的转换器单元的残余振荡的不利影响。为能够进行尽可能有效的功能检验，选择的发送脉冲(Si)的振幅应使经两次基准线折射后的脉冲(S3)的振幅与在最大监视距离范围内的障碍物产生的回波脉冲振幅相同。

在图中2中示出了图1中转换器结构(2)的可能的改型截面。在此改型中与图1的结构(2)相同；图中仅举例示出4个超声波转换器单元(W13至W16)，它们分两层不加偏移地并且翻转地相互叠置并且在每一层面优选沿向外拱形线设置。而且在这种变型的转换器配置中，相互叠置的转换器单元(W13、W14；W15、W16)的相邻对相互反向对应于其所属的正切面翻转。这将导致如图1中所示的两个在图中下半部分示出的转换器单元(W13、W15)所夹的是一个钝角，同时与此相反，两个上面的转换器单元(W14、W16)所夹的是一个锐角。因此两个上面的转换单元(W14、W16)的超声波场覆盖中间部分并且两个下转换单元(W13、W15)的超声波场覆盖由这四个转换器单元覆盖范围内的两侧部分。

在图3中示出由图1的转换器结构(2)产生的用于范围监视的超声波场。从图中可以看出，每个转换器单元辐射一个波瓣状的超声波场(u1至u12)，这些超声波场在图3中包含在左侧的限界射线(L_L)和右侧的限界射线(L_R)之间，其中一条中间的纵向射线(L_M)用于标示某个辐射方向。其中超声波波瓣(u1至u12)的编号与图1中的转换器单元(W1至W12)的编号相应。这意味着由相邻的转换器单元产生相邻的超声波波瓣，相邻的转换器单元中的一个转换器位于转换器结构(2)的层面上而另一个转换至则处于另一个层面。定向辐射的超声波场(u1至u12)的波瓣形状是通过采用未进一步示出的、喇叭形的反射器结构实现的，该反射器结构位于转换器单元的出射面前。很显然，同样可以根据选择的反射器的喇叭形状调整超声波波瓣(u1至u12)在垂直于图3平面的竖轴方向的范围。如图3所示，在延伸到半圆限界线(K_G)的近场范围内，每个超声波波瓣的左半部分与和左侧邻接的超声波波瓣的右半部分完全重叠而其右半部分与和右侧邻接的超声波波瓣的左半部分完全重叠。这样该近场范围完全有冗余地被监视的超声波所覆盖，从而甚至在一个转换器单元工作不正常时，也能毫无空白地在此处进行物体识别。

近场范围优选是一个具有高极报警强度的保护区，即在识别出该近场范围内的一个物体时将发出相应的高电平优先的报警信号。如果将此设备与对所属机器的控制结合在一起加以应用，则可以通过高电平优先的报警信号例如经一安全开关实现该机器的安全断路。在与近场连接的、半环状的远场范围内，相邻超声波波瓣的相互重叠区径向向外逐渐减小，一直到远场结束线(K_A)不再存在重叠为止。如果监视范围延伸超过此范围，大多不再适宜，这是因为在相邻的超声波波瓣间出现了空白。当在此圆环状的远场范围内识别出一个物体时，则将发出一个低电平优先的报警信号，该报警信号例如不会导致机器保护断路。

对计算装置与此相适应进行设计，使其仅对那些被转换单元接收的、反射回的超声波进行物体识别计算，所述反射回的超声波应是在转换单元产生某一个超声波脉冲后的预定最大传播时间内到达的超声波。对近场范围和远场范围的最大传播时间的选定，应使正好在某有关范围内的某些物体被识别出。使用者可以在计算装置上可变地预定远场最大传播时间，从而在必要时将物体识别限制在一较小的有待监视的半圆范围内或者以出现一定的监视空白为代价将物体识别扩展到一大大向外延伸的监视范围上。同样也可以视需要采用变更所属近场最大传播时间的方法可变地调整高电平优先的监视近场与低电平优先的监视远场间的界限。除此方法外，还可以采用如下措施实现监视范围的变化，由计算装置控制超声波转换单元发射可变有效距离的超声波波瓣或通过不同的发射嗽叭小结构改变超声波转换单元的发射特性。

如图3所示，由近场和远场构成的检测范围的径向延伸是转换器结构(2)径向延伸的几倍。例如通常用直径约为140mm至170mm的转换器结构(2)可检测直径约为8m的半圆形的面积范围。除了该设备结构紧凑外，需要指出的其它优点是，不需要机械移动部件并且可以非常简单地对设备编程，实现可变的保护和报警场范围的确定。

Claims (6)

1．超声波范围监视设备，带有-多个超声波转换单元(W1至W12)，每个超声波转换单元用于定向辐射超声波场(u1至u12)并接收反射的超声波，-一个计算单元(1)，该计算单元用于对超声波转换单元接收的反射超声波进行分析，检测出预定监视范围内的物体，其特征在于：-超声波转换单元(W1至W12)彼此间紧邻装置，从而使其辐射方向(LM)呈扇形向外伸展。

2．依照权利要求1的超声波范围监视设备，其特征在于：至少有一部分(W1、W3、W5、W7、W9、W11)超声波转换单元(W1至W12)设置在一个沿向外成拱形的圆弧线的层面上。

3．依照权利要求2的超声波范围监视设备，其特征在于：将超声波转换单元(W1至W12)的第一部分(W1、W3、W5、W7、W9、W11)设置在第一层面上并且将超声波转换单元的第二部分(W2、W4、W6、W8、W10、W12)沿相应向外成拱形的圆弧线设置在位于第一层面之上的第二层面上，从而使由某一第二层面的超声波转换单元定向辐射的超声波场位于两个相邻的第一层面的超声波转换单元定向辐射的超声波场之间并与后者部分重叠。

4．依照权利要求3的超声波范围监视设备，其特征在于：第二层面的每个超声波转换单元设置在第一层面的每个超声波转换单元的上方，使其辐射方向对应于位于其下面的第一层面超声波转换单元的辐射方向并以两个层面的垂直轴为基准偏转一个预定角度。

5．依照权利要求1至4中任一项的超声波监视设备，其特征在于：每个超声波转换器单元(W1至W12)设有一个基准线(4)，该基准线位于所属转换器出口平面前少于30mm的距离处，其中在功能试验时由某一个转换单元发送的超声波(S1、S2、S3)顺序地分别被两条基准线折射并由某另一个转换单元接收，由计算装置(1)进行识别并在设备无故障工作的前提条件下加以评价。

6．依照权利要求1至5中任一项的超声波范围监视设备，其特征在于：为可变地调节一个或多个被监视范围的延伸，根据预先给定的可变反射超声波最大传番时间对计算装置进行设计，所述的反射超声波用于对有关范围内的物体进行识别。

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