DE102005033462A1 - System zur Überwachung des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

System zur Überwachung des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs

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Abstract

Das erfindungsgemäße System zur Überwachung eines Nahbereiches, insbesondere des Außennahbereiches eines Kraftfahrzeugs, mittels der TOF-Methode auf Ultraschallbasis zeichnet sich durch einen Ultraschall-Sensor aus, welcher auszusendende Signale kodiert und empfangene Echosignale auf diese Kodierung hin überprüft, womit vorteilhaft eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit mit nur einem Sensortyp gestattet ist. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung gestattet erstmals unter Anwendung der bekannten TOF-Methode eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit bei Verwendung nur eines als Sender und Empfänger ausgebildeten Sensortyps. Sie eignet sich damit insbesondere für die Überwachung des Außennahbereiches eines Kraftfahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs auf Ultraschallbasis.
  • Auf die nahe und ferne Fahrumgebung eines Kraftfahrzeuges gerichtete Überwachungssysteme finden immer mehr Anwendung im Kraftfahrzeug der näheren Zukunft. Dabei sind verschiedentlich assistierende Systeme vorstellbar, welche dem Fahrer Unterstützung bieten. Als Beispiele können genannt werden: Blind-Spot-Sensierung, Spurerkennungs- oder -überwachungs-Anwendungen, Nachtsicht-Anwendungen, Hinderniswarnung, Pre-Crash-Sensierung, Automatische Geschwindigkeitsadaption, Stauassistent, Fußgänger- und Fahrradfahrerschutz, Verkehrszeichenerkennung, Einparkhilfe und dergleichen mehr.
  • Um Objekte wie andere Kraftfahrzeuge, Fahrradfahrer und/oder auch Fußgänger zu erkennen ist neben einem Kamerabild häufig auch ein den Abstand messendes System hilfreich, insbesondere auf Radar-, Lidar- oder Ultraschalltechnologien basierend.
  • Die Anforderungen an derartige Assistenzsysteme sind zum Teil sehr verschieden. Gemein ist ihnen, dass sie die Implementierung zusätzlicher Sensoren im bzw. am Kraftfahrzeug voraussetzen.
  • Bei Entfernungsmessungen mittels Ultraschall wird Mittels der sog. TOF (Time of flight) Methode normalerweise ein Sendeimpuls (sende-burst) mit der Resonazfrequenz des Ultraschallsenders ausgesendet und die Zeit gemessen, bis ein von einem Gegenstand reflektierter Echoimpuls (echo-burst) wieder empfangen wird. Diese Zeit ist proportional der Entfernung. Entfernungsmessungen mit Ultraschall-Sensoren sind daher im Vergleich zu PN bzw. FMCW Radar- oder Lidar-Sensorsysteme lang sam. Verursacht durch die langsame Schallgeschwindigkeit und der Wartezeit, bis ein ausgesendeter Impuls (burst) in der Amplitude klein genug ist, führt dies dazu, dass ein Empfänger das Echosignal nicht mehr detektieren kann. Die nächste Messung kann erst wieder gestartet werden, wenn alle Reflektionen, auch von weit entfernt liegenden Gegenständen, soweit abgeklungen sind, dass sie nicht mehr detektiert werden können. Diese Zeit bestimmt die maximale Messwiederholrate.
  • Zur Erhöhung der Messwiederholrate ist bereits bekannt, zwei Sensoren mit unterschiedlicher, sich nicht störender Frequenz zu verwenden. Nachteilig hierbei aber ist, dass zwei Sensortypen benötigt werden.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermieden. Insbesondere soll ein Überwachungssystem für einen definierten Nahbereich (z.B. von 4 m), insb. des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt werden, welches auf Ultraschallbasis mit nur einem Sensortyp eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit gestattet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
  • Das erfindungsgemäße System zur Überwachung eines Nahbereiches, insb. des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs, mittels der TOF-Methode auf Ultraschallbasis zeichnet sich durch einen Ultraschall-Sensor aus, welcher auszusendende Signal kodiert und empfangene Echosignale auf diese Kodierung hin überprüft, womit vorteilhaft eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit mit nur einem Sensortyp gestattet ist.
  • Vorzugsweise erfolgt die Kodierung mittels einer zur Frequenz des auszusendenden Signals abweichenden Frequenz und/oder mittels Frequenz- und/oder Phasensprüngen.
  • Alternativ oder kumulativ hierzu kann die Kodierung auch anderweitig modulierte Daten beinhalten.
  • Insbesondere wird die Kodierung des empfangenen Signals dahingehend überprüft, ob es zur Kodierung des ausgesendeten Signals passt.
  • Zweckmäßiger Weise werden zur Detektion der zur Kodierung verwendeten Frequenzen und/oder Frequenz- bzw. Phasensprünge FFT oder PLL Schaltungen verwendet oder bei verschiedenen Frequenzen Synchron Demodulatoren eingesetzt.
  • Schließlich sind bei Detektion eines Objektes im Nahbereich Ausgabemittel vorgesehen, welche ein visuelles, akustisches und/oder haptisches Warnsignal ausgeben.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet erstmals unter Anwendung der bekannten TOF Methode eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit bei Verwendung nur eines als Sender und Empfänger ausgebildeten Sensortyps. Sie eignet sich damit insbesondere für die Überwachung des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeuges
  • Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
  • Darin zeigen schematisch:
  • 1 das TOF Entfernungsmessprinzip einer Ultraschall-Entfernungsmessung nach dem Stand der Technik;
  • 2 wie die Messwiederholrate von der maximalen Entfernung abhängt, in der die Amplitude eines Hindernisses erkannt werden kann;
  • 3 ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;
  • 5 beispielhaft eine Phasencodierung;
  • 6 beispielhaft eine Frequenzcodierung;
  • 7 einen Phasen/Frequenz Detektor als Hardware Realisation;
  • 8 einen sog. FFT Kalkulator als Software Realisation; und
  • 9 einen Synchronous Demodulator.
  • 1 zeigt das TOF (Time of flight) Entfernungsmessprinzip einer Ultraschall-Entfernungsmessung nach dem Stand der Technik. Hierbei wird mit der TOF (Time of flight) Methode normalerweise ein burst mit der Resonazfrequenz ausgesendet und die Zeit gemessen, bis ein von einem Gegenstand reflektierter burst wieder empfangen wird. Diese Zeit ist proportional der Entfernung. Die nächste Messung kann erst wieder gestartet werden, wenn alle Reflektionen, auch von weit entfernt liegenden Gegenständen, soweit abgeklungen sind, dass sie nicht mehr detektiert werden können. Diese Zeit bestimmt die maximale Messwiederholrate.
  • Zwar wäre für kürzere Messdistanzen eine schnellere Messwiederholrate möglich – jedoch muss trotzdem diese burst-Abklingzeit abgewartet werden, bis eine neue Messung gestartet werden kann. Andernfalls könnten sonst Reflektionen von weit entfernten Gegenständen von dem vorhergehenden burst im neuen bzw. momentanen Messfenster empfangen werden und damit Fehlmessungen verursachen.
  • Wie in 2 verdeutlicht, hängt die Messwiederholrate von der maximalen Entfernung ab, in der die Amplitude eines Hindernisses erkannt werden kann. Will man kürzere Distanzen messen, so wären aus diesen kürzeren Distanzen eine schnellere Messwiederholrate theoretisch möglich, jedoch würden keine bursts von dem vorhergehenden Messfenster mehr erkannt werden. Würde man nun mit einer geringeren Amplitude oder Leistung die burst aussenden, um ein früheres Abklingen zur erreichen, so wären evtl. Gegenstände mit schlechtem Reflektionsverhalten nicht in allen Situationen erkennbar.
  • Dies sei ein einem Beispiel verdeutlicht: würde die Sendeleistung so eingestellt sein, dass ein Kunstoffrohr (schlechter Reflektor) in 4 m Entfernung detektiert werden kann (entspricht Messzeit von ca. 25ms), so kann eine Metallplatte (guter Reflektor) unter den gleichen Messbedingungen in bis zu 8 m erkannt werden (entspricht Messzeit von ca. 50ms). Obwohl nur 4 m mit einer Messzeit von 25ms gemessen werden sollen, muss 50 ms zugewartet werden, bis das nächste Messfenster startet werden kann, um Fehlmessungen zu vermeiden.
  • Hiervon ausgehend wird die Messwiederholrate oder Ausnutzung der maximal möglichen Wiederholrate nach der vorliegenden Erfindung durch Benutzung von verschiedenen und/oder kodierten Signalen von einer Messperiode zur nächsten erhöht, so dass die Empfangssignale unterschieden werden können. Abhängig von dem Ausgesendeten und Empfangenen Signal entscheidet im Sensor ein Mikroprozessor, ein logischer Schaltkreis oder der Demodulator über die Gültigkeit eines Empfangenen Signals.
  • Die Signale können beispielsweise kodiert werden mit:
    • – unterschiedlichen Frequenzen von einem Messfenster zum nächsten;
    • – einer sog. Frequenz Sprung Kodierung des Signals; und/oder
    • – einer sog. Phasen Sprung Kodierung des Signals.
  • Die kodierten Signale können auch verschiedene Frequenzen sein, oder ein oder mehrere Phasen bzw. Frequenz-Sprünge pro burst aufweisen. Auch kommt eine Modulation mit Datenfolgen oder kontinuierlicher Frequenzverschiebung in Frage.
  • Diesbezüglich zeigt 3 ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Innerhalb einer Sensorbandbreite (von etwa 1,5 kHz) kann mit zwei Frequenzen gearbeitet werden, wenn sie nicht zu weit von der Resonanzfrequenz entfernt sind, ohne zuviel an Sendeleistung zu verlieren. So weist z.B. das erste ausgesendete burst mit Änderung der Frequenz von einer Messperiode zur nächsten eine Frequenz f1 = 60kHz und das nächste burst eine Frequenz f2 = 60.5kHz auf.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung auf Basis unterschiedlicher Frequenzen von einer Messperiode zur nächsten. Deutlich erkennbar ist, wie der brust von der ersten Messperiode nicht detektiert wird, wenn er für diese Periode eine falsche Frequenz aufweist.
  • 5 zeigt beispielhaft eine Phasencodierung; 6 eine Frequenzcodierung. Alternativ oder kumulativ kann noch eine Modulation der Signale (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
  • Anders als die heutige Sensor Elektronik, muss diese erweitert werden, um die vorliegende Erfindung ausführen zu können. Insbesondere ist ein Schaltkreis vorzusehen, der das gesendete Signal einbezieht oder vergleicht mit dem empfangenen Signal. Ein solch erweiterter Schaltkreis gibt ein gültiges Signal zum uP oder ein Signal welches Anzeigt das es gültig ist.
  • 7 zeigt eine solche Hardware Realisation, nämlich einen sog. Phasen/Frequenz Detektor. Dabei vergleicht der Frequenz bzw. Phasen Detector oder ein Demodulator die Sende und Empfangsfrequenz und gibt ein Gültigkeits-Signal zum Mikroprozessor uP. Des Weiteren bedeuten:
  • US
    Ultrasonic;
    HW
    Hardware;
    SW
    Software;
    TOF
    Time of Flight;
    OSC
    Oscillator;
    VCO
    Voltage Controlled Oscillator;
    f
    Frequenz;
    d
    Distanz;
    ADC
    Analog Digital Konverter;
    uP
    Mikro Prozessor;
    FFT
    Fast Fourier Transformation.
  • Ebenso kann die Erweiterung mit Software Routinen, wie FFT realisiert werden.
  • 8 zeigt als Software Realisation einen sog. FFT Kalkulator. Die empfangene Frequenz wird über eine FFT (Fast Fourier Transformation) berechnet und der Mikroprozessor uP oder eine andere logische Schaltung vergleicht diese Frequenz mit der gesendeten Frequenz. Die FFT Berechnung kann dabei als Software im Mikroprozessor oder als separate Hardware-Logic ausgebildet sein. Ebenso kann auch der ADC (Analog Digital Konverter) im Mikroprozessor integriert sein oder als separate Hardware ausgeführt werden.
  • 9 schließlich zeigt einen Synchronous Demodulator. Der Synchron Demodulator oder Detektor gibt nur ein Ausgangssignal weiter, wenn die gesendete oder empfangene Frequenz gleich ist.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet erstmals unter Anwendung der bekannten TOF Methode eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit bei Verwendung nur eines als Sender und Empfänger ausgebildeten Sensortyps. Sie eignet sich damit insbesondere für die Überwachung des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeuges

Claims (7)

  1. System zur Überwachung eines Nahbereiches, insb. des Außennahbereichs eines Kraftfahrzeugs, mittels der TOF-Methode auf Ultraschallbasis, umfassend einen Ultraschall-Sensor, welcher auszusendende Signale kodiert und empfangene Echosignale auf die mitgegebene Kodierung hin überprüft.
  2. Überwachungssystem nach Anspruch 1, bei dem eine Kodierung durch Verwendung einer zur Frequenz des auszusendenden Signals abweichenden Frequenz erfolgt.
  3. Überwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Kodierung aufgrund von Frequenz- und/oder Phasensprüngen erfolgt.
  4. Überwachungssystem nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Kodierung modulierte Daten beinhaltet.
  5. Überwachungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kodierung der empfangenen Signale dahingehend überprüft werden, ob diese zur Kodierung der ausgesendeten Signale korrespondieren.
  6. Überwachungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zur Detektion der zur Kodierung verwendeten Frequenzen und/oder Frequenz- bzw. Phasensprünge FFT oder PLL Schaltungen Verwendung finden.
  7. Überwachungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem bei Detektion eines Objektes im Nahbereich ein visuelles, akustisches und/oder haptisches Warnsignal ausgegebenen wird.
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