CN207457503U - 障碍物监测系统 - Google Patents

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T·萨奇
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Abstract

本实用新型公开了一种障碍物监测系统，所述障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于所述回波生成信号的换能器。所述系统还包括耦接到所述换能器的控制器，所述控制器基于所述换能器和耦接电路的频率响应被校准。所述系统还包括生成由所述控制器控制的阻尼电流的电路，所述阻尼电流减少或消除所述换能器的混响。

Description

障碍物监测系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月5日提交的名称为“Distance Measurement UsingUltrasonic Park Assist Sensors(使用超声波停车辅助传感器的距离测量)”的美国临时申请62/430,171的权益。
技术领域
本申请涉及一种障碍物监测系统。
背景技术
超声波距离检测的核心概念是在障碍物处传送超声波脉冲，并且测量多久接收到来自障碍物的回波，以便确定到障碍物的距离。具体地讲，脉冲的传送与回波的接收之间的时间与到障碍物的距离成线性比例。然而，振荡阻止使用与发射器和接收器两者相同的换能器，直到振荡已经减退到接收的波超过被发射的波的幅度的点。此类换能器不能有效地感测来自比距换能器的一些特定距离更靠近的障碍物的反射，这取决于振荡的量。因此，当需要感测比特定距离更靠近的障碍物的存在时，迄今为止的超声波系统需要使用成对的换能器，一个换能器用于发送并且另一个换能器用于接收。使用成对换能器的要求增加了系统的成本、复杂性和尺寸。
实用新型内容
因此，本文公开了用于减少或消除换能器混响的系统。障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于回波生成信号的换能器。系统还包括耦接到换能器的阻尼数字滤波器，所述阻尼数字滤波器基于换能器和耦接电路的频率响应被校准。系统还包括生成由阻尼数字滤波器控制的阻尼电流的电路，所述阻尼电流减少或消除换能器的混响。
障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于回波生成信号的换能器。该系统还包括控制器，该控制器以第一模式或第二模式驱动换能器。第一模式包括对于换能器和障碍物之间相对较长的距离以谐振频率驱动换能器。第二模式包括对于换能器和障碍物之间相对较短的距离以高于谐振频率的失谐频率驱动换能器，以减少或消除换能器的混响。
附图说明
本文公开了用于减少或消除换能器混响的系统和方法。在附图中：
图1为示出向障碍物发送脉冲并从障碍物接收回波的换能器的图；
图2为示出脉冲传送、混响和回波检测的图表；
图3为示出阻尼电路的电路图；
图4为示出阻尼电路的另一个电路图；并且
图5为示出用于减少或消除换能器混响的方法的流程图。
然而，应当理解，附图中给定的具体实施方案以及对它们的详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为普通技术人员提供了分辨替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式与给定实施方案中的一个或多个实施方案一起被包含在所附权利要求书的范围内。
符号和命名
在下面的说明书和权利要求书中通篇使用某些术语来指代特定的系统部件和构造。如本领域技术人员将理解的，公司可能利用不同的名称来指代部件。本文献并非旨在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“具有”和“包括”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于...”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的电连接或物理连接。因此，在各种实施方案中，如果第一器件耦接到第二器件，则该连接可能是通过直接电连接、通过经由其他器件和连接的间接电连接、通过直接物理连接，或者通过经由其他器件和连接的间接物理连接来实现的。
具体实施方式
为了清楚起见，本文使用的示例讨论停车辅助系统，然而本公开的概念可适用于对快速响应进行优先排序的任何类型的障碍物监测。由于换能器的谐振特性，换能器膜的混响在传送期间以及此后不久发生。混响有效地导致无法检测回波期间的死区时间，并且因此检测障碍物。因此，死区时间相当于传感器的最小检测距离。通过减少或消除混响和死区时间，传感器的最小检测距离也被减少或消除。因此，在有足够的时间执行校正动作或生成警报的情况下，可检测到紧密和/或快速移动的障碍物，所述障碍物先前在没有足够的时间执行校正动作或生成警报的情况下不可检测或可检测到。具体地讲，可使用数字滤波器来感测换能器电压，应用有限脉冲响应(“FIR”)滤波器并且控制减少或消除混响的阻尼电流来执行快速阻尼。例如，频率相关的导纳可与换能器并联放置，其中存在或不存在变压器，以产生高阻尼电阻，如附图所示和下文所述。图1中示出了常见的障碍物监测情景。
图1为示例性障碍物监测系统100的图，该障碍物监测系统包括向障碍物106发送脉冲108并且接收回波104的换能器102。换能器102与障碍物106之间的距离通过测量脉冲108的传送与回波104的接收之间的时间，并将该时间乘以空气中的声速来确定。在各种实施方案中，使用另一种材料中的声速。
系统100还包括脉冲发生器112和耦接到换能器102的传送驱动器110。发生器112可根据需要生成定制带宽、持续时间和中心频率的上啁啾，下啁啾，或可变啁啾。发生器112可基于来自先前测量的反馈来调整待由换能器102发送的脉冲108。例如，脉冲108可基于最小检测距离(随着增加的脉冲持续时间，最小距离减小)；信噪比和最大检测距离(随着增加的脉冲持续时间，信噪比和最大检测距离增加)；信道分离的可靠性(随着增加的脉冲持续时间，信道分离改善)；飞行时间精度和分辨率(更宽的带宽导致改善的精度和分辨率)；换能器带宽等等来调整。发生器112将生成的脉冲提供给传送驱动器110，该传送驱动器将脉冲转换成用于换能器102传送的适当信号。具体地讲，传送驱动器110将脉冲嵌入适当的载体内以在信道上传送脉冲。传送驱动器110将信号提供给换能器102，该换能器向障碍物传送脉冲108并接收回波104。
系统100还包括放大器114和控制器，其被分别配置为放大来自回波104的可用信号分量并且控制减少或消除换能器102的混响的阻尼电流。在各种实施方案中，控制器可为阻尼数字滤波器、模拟滤波器、相关器、积分器或微分器。为了清楚起见，在本文中使用数字阻尼滤波器116的示例。系统100还包括相关器118。相关器118被配置为确定脉冲108和回波104之间的相关性为最高的时间。通过将此类时间指定为回波104的接收时间，可以通过对传送时间和接收时间求差来确定脉冲108和回波104的飞行时间。因此，可通过将声速与飞行时间相乘来确定到障碍物106的距离。来自回波104的数据被提供为对频率脉冲发生器112的反馈，其可基于数据对未来脉冲进行调整。在没有阻尼数字滤波器116的情况下，混响干扰回波检测，如图2所示。
图2为换能器处的示例性传送(TX)、混响和回波幅度作为时间的函数的图表200。从最早时间开始，幅度的最左侧峰值示出脉冲向障碍物的传送。下一个峰值示出由脉冲传送引起的混响。如可以看出，在相当长(甚至比传送更长)的时间内，混响具有比由水平线表示的回波检测阈值更高的幅度。只有当混响幅度在回波检测阈值以下时才可以检测到回波。第三峰值示出在换能器处接收的回波。如果在混响超过阈值的时间期间接收到此类回波，则回波将不会被检测到或正确地解释为回波。因此，在该示例中，第三峰值可以是第二回波或第三回波(第一回波或第二回波被混响变得模糊)。通过减少或消除混响，例如通过使用图3所示的电路，可以检测到此类模糊回波。
图3示出能够减少和/或消除障碍物监测系统中的混响的电路300。具体地讲，阻尼电路302耦接到换能器电路304，以便减少或消除换能器(例如，压电换能器)上的混响。换能器电路304包括电容器Cs，电阻器Rs，以及形成用于换能器的等效谐振电路的电感器Ls。阻尼电路302包括电容器Cp+C0，电阻器Rp，以及形成等效调谐并联谐振电路的电感器Lp，该谐振电路对换能器电路302进行阻尼，其中C0表示寄生电容。换能器电路304的谐振频率由f＝1/(2π√(LsCs))给出。通过调整Lp、Rp和Cp中的一个或多个的值来将阻尼电路302调谐到相同的谐振频率。通过使阻尼电路302的电阻或阻抗最大化，而不产生电路抖动，也可以将换能器电路304的混响的减少最大化。
图4示出用于障碍物监测的系统400，其包括耦接到压电换能器402和任选变压器404的电路401。电路401包括接收放大器406、模拟-数字转换器(“ADC”)408、控制器、传送驱动器414、数字-模拟转换器(“DAC”)416、传送放大器418。在各种实施方案中，控制器可为阻尼数字滤波器、模拟滤波器、相关器、积分器或微分器。为了清楚起见，在本文中使用数字阻尼滤波器412的示例。另外，控制器可包括用以控制包括电路401的系统的操作的电路和/或传感器。
换能器402在障碍物处传送超声波脉冲并且从障碍物接收超声回波。在至少一个实施方案中，可监测障碍物直到距换能器402至少五厘米，并且换能器402可包括双销压电，不管是与变压器404一起使用还是在没有变压器404的情况下使用。接下来，换能器402基于回波生成信号，并且将信号提供给电路401。信号由接收放大器406处理以去除噪声和/或增加期望的信号分量。接下来，ADC 408对信号进行数字化和/或采样用于输入到数字阻尼滤波器412中。
数字阻尼滤波器412基于换能器402和电路401的频率响应来校准。例如，传送方波校准脉冲，并且通过在响应期间记录换能器电压来捕获对脉冲的脉冲响应。数字阻尼滤波器412控制减少或消除换能器402的混响的阻尼电流。例如，滤波器412控制开关420，该开关引入由提供阻尼电流的任何数量的电路元件组成的电路422。具体地讲，基于电路401对信号的频率响应，为数字阻尼滤波器412选择系数。具体地讲，系数确保宽带频率特性与高阻尼阻抗共存。在信号被DAC 416转换成模拟信号之后，被放大以便由传送放大器418进行传送。
数字阻尼滤波器412可在环境温度、换能器402或换能器特性变化时被重新校准。在至少一个实施方案中，数字创建的导纳可以在现场针对当前温度、压电、外部分量和其他性质进行校准。该校准过程可以是自动的，即可以在没有人为输入的情况下发生。由于现场校准，阻尼时间与温度，生产扩展和老化无关。因此，混响的减少或消除可在整个温度范围(例如，-40至85摄氏度)和换能器参数内进行。因此，电路401没有针对一个换能器进行微调，而是能够针对所有换能器进行微调。因此，在没有修改的情况下，电路401具有在不同环境和应用中使用的灵活性。
图5为用于障碍物监测的示例性方法500的流程图。在502处，传送宽带校准脉冲。例如，在障碍物处传送宽带超声波脉冲以产生超声回波。从障碍物接收超声回波，并且在504处，捕获对回波的脉冲响应。例如，基于回波生成表示脉冲响应的信号。
在506处，通过基于频率响应选择系数值来校准阻尼有限脉冲响应(“FIR”)滤波器。在各种实施方案中，校准滤波器以不同的方式完成。例如，校准滤波器可包括测量谐振频率并且基于如上所述的谐振频率来修改滤波器的系数。作为另一个示例，校准滤波器可包括测量结或传感器温度，并且基于结或传感器温度来修改滤波器的系数。在另一个实施方案中，校准滤波器可包括测量导致回波的传送的传送功率，并且基于传送功率来修改数字阻尼滤波器的系数。
在508处，通过引入由数字阻尼滤波器控制的阻尼电流来减少或消除混响。因此，可以预测混响幅度降到阈值以下的时间。因此，在幅度高于阈值的预测时间之后接收的信号可被解释为另一个回波，而不是解释为混响的延续。方法500还可包括确定从换能器到反射回波的障碍物的距离，以及在距离低于阈值的情况下生成警报。另外，如果距离低于阈值，则可执行校正动作，诸如向换能器位于其上的汽车施加制动力。最终，该方法可包括基于检测到的障碍物生成音频、视觉或视听警报。此类警报可通过显示器，扬声器等输出。
在本公开的另一个实施方案中，阻尼可通过驱动换能器失谐来实现。具体地讲，障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于回波生成信号的换能器。该系统还包括控制器，该控制器以第一模式或第二模式驱动换能器。第一模式包括对于换能器和障碍物之间相对较长的距离以谐振频率驱动换能器。第二模式包括对于换能器和障碍物之间相对较短的距离以高于谐振频率的失谐频率驱动换能器，以减少或消除换能器的混响。
在至少一个实施方案中，上述系统或方法在停车辅助系统中实现。例如，系统可包括汽车，该汽车容纳耦接到一个或多个处理器或控制器的计算机可读介质，所述处理器或控制器耦接到一个或多个换能器。非暂态计算机可读介质可包括当被执行时使得一个或多个处理器执行本公开中描述的任何适当动作的指令。例如，指令可位于用于实现车辆中的驾驶员辅助系统或其子系统，或用于驾驶员辅助功能的应用的模块上。指令可被存储在非暂态机器可读存储介质上，例如在永久或可重写的存储介质上，或与计算机设备(例如，可移除CD-ROM、DVD)相关联，或者在便携式移动存储介质(诸如存储卡或USB棒)上。出于停车辅助和/或碰撞避免目的，换能器可例如设置在汽车的前保险杠和/或后保险杠中。此类系统可例如被配置为检测汽车的部分周围环境。例如，用于检测汽车前方的周围环境的前方区域中的换能器，用于检测机动车辆的侧方区域的侧方区域中的换能器，和/或用于检测汽车后方区域的后方区域中的换能器可各自包括在系统中。此类系统可基于检测到的障碍物生成音频、视觉或视听警报，并且可通过显示器，扬声器等输出此类警报。
在一些方面，根据以下实施例中的一个或多个实施例提供用于障碍物监测的系统：
实施例1：障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于回波生成信号的换能器。系统还包括耦接到换能器的控制器，所述控制器基于换能器和耦接电路的频率响应被校准。系统还包括生成由控制器控制的阻尼电流的电路，所述阻尼电流减少或消除换能器的混响。
实施例2：障碍物监测系统包括从障碍物接收超声回波并基于回波生成信号的换能器。该系统还包括控制器，该控制器以第一模式或第二模式驱动换能器。第一模式包括对于换能器和障碍物之间相对较长的距离以谐振频率驱动换能器。第二模式包括对于换能器和障碍物之间相对较短的距离以低于或高于谐振频率的失谐频率驱动换能器，以减少或消除换能器的混响。
以下特征可被并入到上述各种实施方案中，此类特征单独地并入或结合其他特征中的一个或多个特征并入。阻尼数字滤波器可在环境温度变化时被重新校准。阻尼数字滤波器可在换能器或换能器特性变化时被重新校准。可监测障碍物直到距换能器至少五厘米。当与变压器一起使用或在没有变压器的情况下使用时，换能器可包括双销压电。系统也可包括换能器位于其上的汽车。换能器可位于汽车的保险杠上。换能器可在障碍物处传送超声波脉冲以产生回波。该方法还可包括预测当混响幅度降到阈值以下的时间，以及将在幅度高于阈值的预测时间之后接收的信号解释为另一个回波，而不是解释为混响的延续。校准电路也可包括测量谐振频率并且基于谐振频率来修改数字阻尼滤波器的系数。校准电路也可包括测量结或传感器温度，并且基于结或传感器温度来修改数字阻尼滤波器的系数。校准电路还可包括测量导致回波的传送的传送功率(压电电压)，并且基于传送功率(压电电压)来修改数字阻尼滤波器的系数。控制器可在障碍物处引起待传送的超声波脉冲以产生回波。控制器还可确定从换能器到障碍物的距离。如果距离低于阈值，则控制器还可生成警报。如果距离低于阈值，则控制器还可发出待执行的校正动作的信号。校正动作可能是向换能器位于其上的汽车施加制动力。
一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。

Claims (10)

1.一种障碍物监测系统，其特征在于，包括：
换能器，所述换能器从障碍物接收超声回波并基于所述回波生成信号；
耦接到所述换能器的控制器，所述控制器基于所述换能器和耦接电路的响应被校准；和
生成由所述控制器控制的阻尼电流的电路，所述阻尼电流减少或消除所述换能器的混响。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器选自：阻尼数字滤波器、模拟滤波器、相关器、积分器和微分器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器在环境温度变化时被重新校准。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器在所述换能器或换能器特性变化时被重新校准。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括汽车，所述换能器位于所述汽车上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器预测混响的幅度降到阈值以下的时刻，并且将在所述预测的时刻之后接收的幅度高于所述阈值的信号解释为另一个回波，而不解释为混响的延续。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器测量谐振频率，并且基于所述谐振频率来修改滤波器的系数。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器测量结或传感器温度，并且基于所述结或传感器温度来修改滤波器的系数。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器测量导致所述回波的传送的传送功率，并且基于所述传送功率来修改滤波器的系数。
10.一种障碍物监测系统，其特征在于，包括：
换能器，所述换能器从障碍物接收超声回波并基于所述回波生成信号；以及
控制器，所述控制器以第一模式或第二模式驱动所述换能器；
其中所述第一模式包括对于所述换能器和所述障碍物之间相对较长的距离以谐振频率驱动所述换能器；并且
其中所述第二模式包括对于所述换能器和所述障碍物之间相对较短的距离以低于或高于所述谐振频率的失谐频率驱动所述换能器，以减少或消除所述换能器的混响。
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