DE102007059908A1

DE102007059908A1 - Sensorfunktion zur Ansteuerung mit variabler Sendefrequenz zum Zwecke der Verschmutzungserkennung

Info

Publication number: DE102007059908A1
Application number: DE102007059908A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Peter Preissler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US8750071B2; WO2009074369A1; US20100329080A1; EP2223151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors sowie ein Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug mit Funktionsprüfung und ein Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung, wobei die Frequenz zur Anregung eines Schwingbauteils zur Erzeugung eines Schwingungspulses variiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug mit Funktionsprüfung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 und ein Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Stand der Technik
Sensorsysteme zur Entfernungsmessung von Hindernissen, insbesondere mittels Ultraschallsensoren sind beispielsweise aus der DE 10 2005 057 973 als auch aus der US 6,040,765 bekannt. Bei derartigen Systemen wird vom Sensor ein Schallpuls erzeugt, welcher sich mit der im Medium (normalerweise Luft) gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Sensor entfernt, von einem Hindernis reflektiert wird, und die Reflexion sodann vom Sensor detektiert wird, wonach aus der entstandenen Laufzeit und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung zum Hindernis errechnet werden kann. Diese Abstandsmessung nach dem sogenannten Puls-Echo-Verfahren bedarf einer periodischen Anregung eines Schwingbauteils eines Schwingungssensors. Vornehmlich wird die Anregung einer Membran genutzt, auf der ein Piezobauteil aufgebracht ist, wobei das Anregungssignal die Frequenz des abgestrahlten Signalpulses bestimmt. Der reflektierte Puls wird sodann mittels des selben Sensors oder eines anderen Sensors detektiert, so dass die Laufzeitbestimmung aus der Zeitdauer zwischen dem Absenden des Pulses und der Detektion des reflektierten Pulses ermittelt werden kann.
Derartige Messsysteme weisen grundsätzlich das Problem auf, dass kein reflektiertes Signal an die Sensoreinheit zurückgesandt wird, wenn sich keine Hindernisse im Signalweg befinden. Eine Selbsttestroutine für solche Systeme ist somit von großer Relevanz, damit die Funktion der Abstandsbestimmung bzw. der Hindernisdetektion gewährleistet werden kann.
Aus dem Stand der Technik, der DE 10 2005 057 973 A1 , sind Selbsttestroutinen für Ultraschall-Entfernungssensoren bekannt, bei welchen Referenzhindernisse, wie beispielsweise der Untergrund, zur Generierung von Selbsttestsignalen genutzt werden. Problematisch hierbei ist, dass sich die entsprechenden Referenzhindernisse stetig ändern können, so dass keine eindeutig reproduzierbaren Referenzsignale zur Auswertung vorliegen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Referenztestsignalen ist die Auswertung eines Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors, wie in der US 6,040,765 beschrieben.
Ein erfindungsgemäßer Schwingungssensor stellt mit seinem Schwingbauteil einen harmonischen Oszillator dar, welcher mittels eines periodischen Anregungssignals zu einer erzwungenen gedämpften mechanischen Schwingung mit der Frequenz des Anregungssignals und vorzugsweise einer definierten Amplitude angeregt wird. Ein harmonischer Oszillator weist, entsprechend seiner mechanischen Vorgaben, eine Resonanzfrequenz auf, bei welcher, wenn diese als Anregungsfrequenz genutzt wird, die maximale Amplitude bei im Verhältnis zur Anregungsamplitude, erreicht wird. Die Resonanzfrequenz eines mechanischen harmonischen Oszillators skaliert dabei reziprok zur Wurzel der Masse des Schwingbauteils. Zur Erzielung einer hohen Signalstärke ist es somit vorteilhaft einen harmonischen Oszillator, hier also das Schwingbauteil des Schwingungssensors, mit einer Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators anzuregen.
Wird das periodische Anregungssignal eines harmonischen Oszillators abgeschaltet, so wird die im Oszillator gespeicherte Schwingungsenergie durch die Dämpfung kompensiert, derart dass die Oszillatorschwingung über einen Ausschwingvorgang abnimmt. Dieser Ausschwingvorgang, dessen Ende die Schwingungsamplitude Null zur Folge hat, wird im Folgenden näher erläutert.
Beim Ausschwingvorgang schwingt der harmonische Oszillator frei, d. h. ohne Anregung zu einer erzwungenen Schwingung durch ein Anregungssignal, was zur Folge hat, dass der harmonische Oszillator mit seiner Schwingungsfrequenz während des Ausschwingvorgangs sich an die mechanisch vorgegebene Resonanzfrequenz des freien harmonischen Oszillators annähert. Dieser Ausschwingvorgang wird als Nachschwinger bezeichnet und kann direkt vom Schwingungssensor detektiert werden, so dass eine Kontrolle über die Funktion des Schwingungssensors, insbesondere über die Funktion des ausgesendeten Schwingungspulses erhalten werden kann. Dies ist dadurch bedingt, dass die Realisierung derartiger Schwingungssensoren vornehmlich mittels Piezo-Ultraschallsensoren erfolgt, so dass ein Schwingungsbauteil gleichzeitig als Sender wie auch als Empfänger für einen entsprechenden Schwingungspuls eingesetzt werden kann. Somit kann direkt nach Abschalten des Anregungssignals der Sensor in den Detektionsmodus geschaltet werden, so dass das Nachschwingsignal direkt als Messsignal am Sensor abgegriffen werden kann.
Derartige Schwingungssensoren liefern zwar eine direkte Rückmeldung über deren Funktion bzw. über die erfolgte Aussendung eines Schallpulses, sie liefern jedoch keinerlei Aussage über die Güte des harmonischen Oszillators oder über eine eventuelle Veränderung im Betriebszustand über das grundsätzliche Senden eines Pulses hinaus.
Aufgabe der Erfindung ist nunmehr, eine Selbsttestroutine bzw. ein Messsystem zur Hinderniserkennung mit einer Selbsttestroutine zur Verfügung zu stellen, welche im Rahmen eines Selbsttest detaillierte Informationen über den Zustand des Schwingbauteils bzw. des Schwingungssensors liefert.
Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 oder des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Erweiterungen sowie Ausführungsbeispiele sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, nutzt die Auswertung des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors in Abhängigkeit von einer Variation der Anregungsfrequenz, vorzugsweise bei gleicher Anregungsamplitude, zur Erzeugung eines Schwingungssignals. Nach Abschalten der Anregung schwingt das Schwingbauteil noch nach. Wird nun die Anregungsfrequenz variiert, wird sie also näher an dem Bereich der Resonanzfrequenz oder entfernter vom Bereich der Resonanzfrequenz gewählt als die übliche Arbeitsanregungsfrequenz, so ist ein unterschiedliches Verhalten des Nachschwingvorgangs zu erwarten, welcher einer genaueren Analyse unterzogen werden kann.
Die Resonanzfrequenz eines harmonischen Oszillators verhält sich, wie bereits erwähnt umgekehrt proportional zur Wurzel dessen Masse, was bedeutet, dass durch zusätzliche Massenbestandteile, wie beispielsweise Verschmutzungen oder Eis auf dem Schwingungssensor eine Verstimmung des harmonischen Oszillators (Schwingbauteil) erfolgt und sich somit die Resonanzfrequenz abweichend von der ursprünglich unbeeinflussten Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators einstellt. Bestimmte Verschmutzungen können, trotz einer Massenerhöhung, eine Eigenschaftsänderung der Membran dahingehend bewirken, dass die Resonanzfrequenz ansteigt, wenn beispielsweise die elastischen Eigenschaften des Schwingbauteils durch die Verschmutzung beeinflusst werden. Hierbei ist diese Verschmutzung von einer reinen Massenzunahme zu unterscheiden. Eine derartige Veränderung kann beispielsweise bei einem bestimmten Grad der Vereisung vorkommen. Auch eine Alterung des Schwingbauteils, beispielsweise die Alterung der Schwingungsmembran eines Piezo-Schwingbauteils, hat ähnliche Effekte auf die Resonanzfrequenz und die Ausbildung des Nachschwingvorgangs.
Kern der Erfindung ist die Realisierung einer Sensorselbsttestfunktion, welche es ermöglicht, den Schwingungssensor mit verschiedenen Frequenzen zu periodischen Schwingungen anzuregen, und in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz eine Analyse des Nachschwingvorgangs durchzuführen.
In einer besonderen Ausgestaltung wird aufgrund einer vorher bestimmten Resonanzfrequenz des Schwingungssensors die Variation des periodischen Anregungssignals im Bereich der Eigenfrequenz, also der Resonanzfrequenz des Schwingbauteils, durchgeführt.
Die Selbsttestroutine des Schwingungssensors kann bei variierender Anregungsfrequenz sowohl im normalen Betrieb, also entweder zwischen den Abstandsmessroutinen oder im Rahmen einer Abstandsmessroutine, durchgeführt werden, als auch außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem speziellen Testmodus für den Schwingungssensor.
Die Analysedaten, welche sich aus der Analyse des Nachschwingvorgangs ergeben können, sind insbesondere die Dauer des Nachschwingvorgangs und die Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs. Weiterhin besteht die Möglichkeit, aus dem Nachschwingvorgang die aktuelle, eventuell veränderte Eigenfrequenz des Schwingbauteils zu bestimmen. Aus der Analyse der Eigenfrequenz, also der Resonanzfrequenz der freien gedämpften Schwingung lassen sich Informationen über eine eventuelle Massenzunahme aufgrund von Verschmutzungen etc. oder Informationen über eine verbesserte Möglichkeit der Anregung erhalten, da bei der Anregung eines harmonischen Oszillators mit dessen Resonanzfrequenz die größte mögliche Schwingungsamplitude, und somit das stärkste Signal im Verhältnis zur Anregung erzielbar ist. Zur Ermittlung der Resonanzfrequenz ist eine Fourier Analyse des Schwingungsverlaufs des Nachschwingers notwendig. Auch die Analyse der Dauer und des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs geben Aufschluss über das Verhältnis der Amplitude des Anregungssignals zur Amplitude der freien Schwingung, wodurch beispielsweise Information über die Effizienz der Anregung erhalten werden kann. Die Dauer des Nachschwingvorgangs gibt Aufschluss über die Trägheit des Schwingbauteils, welche wiederum auch Rückschlüsse auf Veränderungen am Schwingbauteil zulassen.
Zusätzlich zum Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors ist auch ein Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, welches die im vorangegangen beschriebenen Verfahren genutzten Effekte zur Funktionsprüfung des Messsystems nützt.
Grundsätzlich ist auch von einem Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung auszugehen, bei welchem das komplette Puls-Echo-Verfahren zur Abstandsmessung mit variierenden periodischen Anregungsfrequenzen für die Schwingungssensoren betrieben wird.
Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors soll anhand der folgenden 1 und 2 und den darin gezeigten Beispielen erläutert werden.
1 zeigt den Amplitudenzeitverlauf eines Schwingungspulses eines Schwingbauteils des Schwingungssensors, wobei die Auslenkung Y des Schwingbauteils aus seiner Ruhelage (1) über der Zeitachse (2) als Signalverlauf (3) aufgetragen wurde. Der Amplitudenzeitverlauf ist in die Bereiche der Anregung (4) und den Bereich des Nachschwingvorgangs (5) unterteilt. Das Schwingbauteil wird mittels eines periodischen Anregungssignals der Periodendauer (6) zur erzwungenen Schwingung mit gegebener gleichbleibender Amplitude angeregt. Hierbei schwingt der harmonische Oszillator, also das Schwingbauteil mit der Frequenz des Anregungssignals (Kehrwert der Periodendauer der Anregung) und führt somit eine gedämpfte mechanische Schwingung aus.
Nach dem Abschalten des Anregungssignals, also zum Zeitpunkt (7) schwingt der harmonische Oszillator frei. Während des Nachschwingvorgangs (5) nimmt aufgrund der gegebenen Dämpfung die Schwingungsamplitude entlang des Bereichs (8) ab, bis am Ende des Bereichs (8) die Schwingungsamplitude auf Null abgefallen ist. Die Einhüllende des Nachschwingvorgangs (9) gibt den Amplitudenverlauf des Nachschwingvorgangs wieder, was wiederum Rückschlüsse auf die vorhandene Dämpfung des Oszillators zulässt. Aus der Periodendauer (10) der freien Schwingung des Nachschwingvorgangs kann mittels Analyse, beispielsweise mittels Fourier Transformation, die Frequenz des Nachschwingvorgangs ermittelt werden, welche der Eigenfrequenz des freien harmonischen Oszillators entspricht.
Zur Detektion des Nachschwingvorgangs zum Zeitpunkt der Abschaltung des Anregungssignals (7) kann bei einem Piezo-Ultraschallsender direkt piezoelektrische Spannung analysiert werden, welche aufgrund der Trägheit des Schwingbauteils vom Piezo-Kristall erzeugt wird.
Figur zwei zeigt zwei Resonanzkurven, bei welchen die erzielte Schwingungsamplitude des Schwingbauteils (20) in Abhängigkeit der genutzten Anregungsfrequenz (21) aufgetragen wurde. Stellvertretend für die möglichen Anregungsfrequenzen sind in 2 fünf Anregungsfrequenzen gezeigt (22)–(26) welche unterschiedliche Schwingungsamplituden zur Folge haben.
2a zeigt die Resonanzkurve des harmonischen Oszillators ohne zusätzliche Masse (27) dessen Resonanzfrequenz bei der Anregungsfrequenz (25), hier gestrichen dargestellt, gegeben ist. Würde dieser Oszillator mit den Frequenzen (24) oder (26) angeregt, so wäre im Nachschwingvorgang kein Unterschied zwischen der Anregung (24) und der Anregung (26), jedoch ein Unterschied zur Anregung (25) zu erkennen. Bei einer Anregung mit den Frequenzen (22) oder (23) wäre jedoch eine deutliche Abnahme der erzeugten Schwingungsamplitude zu verzeichnen, was einer Entfernung von der vom System vorgegebenen Resonanzfrequenz entspricht.
In 2b ist die Resonanzkurve des Schwingbauteils mit zusätzlicher Masse gezeigt (28), wobei sich die Resonanzfrequenz des Schwingbauteils nunmehr zu einer Frequenz (24) hin verschoben hat. Wird dieser Oszillator mit den Frequenzen (23) oder (25) angeregt, so befindet sich die gegebene Resonanzfrequenz dazwischen. Über eine Anregung mit den Frequenzen (22) oder (26) können auch im Fall der 2b ebenso Informationen über den Zustand des harmonischen Oszillators gewonnen werden.
Können nunmehr die ermittelten Resonanzfrequenzen und das Schwingungsverhalten der verschiedenen Oszillatorzustände bei verschiedenen Anregungsfrequenzen aus 2a und 2b miteinander verglichen werden, so lässt dies Rückschlüsse auf eventuelle Veränderungen des Schwingbauteils des harmonischen Oszillators zu, wobei im Falle der 2b beispielhaft die Veränderung aufgrund einer Massenzunahme gezeigt wird. Auswertungen von anderen Informationen aus dem Nachschwingvorgang, wie beispielsweise die Einhüllende des Amplitudenverlaufs (9) oder die Länge des Nachschwingvorgangs (8) können ebenso Aufschluss über Veränderungen des Schwingbauteils des Sensors geben, so dass beispielsweise eine Alterung oder andersartige Verstimmung des harmonischen Oszillators erkannt werden, und gegenüber der Regelung zur Erzeugung und Auswertung des Messsignals berücksichtigt werden können. Zusätzlich können auch im Falle einer Funktionsstörung Meldungen oder Warnhinweise an den Benutzer des Systems ausgegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005057973 [0002]
- US 6040765 [0002, 0005]
- DE 102005057973 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, wobei ein Schwingungssignal mittels eines periodischen Anregungssignals am Schwingbauteil des Schwingungssensors erzeugt wird, und nach Abschalten des Anregungssignals ein Nachschwingvorgang des Schwingbauteils des Schwingungssensors analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des periodischen Anregungssignals variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Frequenz des periodischen Anregungssignals im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingbauteils des Schwingungssensors liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während des normalen Betriebs des Schwingungssensors ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem Testmodus, des Schwingungssensors ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse der Eigenfrequenz des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse der Dauer des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils des Schwingungssensors ausgeführt wird.
Messsystem zur Hinderniserkennung an einem Kraftfahrzeug mit Funktionsprüfung, welches mindestens eine Sensoreneinheit, vorzugsweise eine Ultraschallsensoreneinheit, und Mittel zur Erzeugung eines periodischen Signals, insbesondere Funktionsprüfungssignal als Signal für ein Schwingbauteil der Sensoreinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprüfungssignal in seiner Frequenz variabel ist.
Messsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Frequenz des Funktionsprüfsignals im Bereich der Eigenfrequenz des Schwingbauteils der Sensoreinheit liegt.
Messsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung während des normalen Betriebs der Sensoreinheit ausgeführt wird.
Messsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung außerhalb des normalen Betriebs, insbesondere in einem Testmodus, der Sensoreinheit ausgeführt wird.
Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse der Eigenfrequenz des Schwingbauteils der Sensoreinheit ausgeführt wird.
Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse der Dauer des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils der Sensoreinheit ausgeführt wird.
Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfung unter Analyse des Amplitudenverlaufs des Nachschwingvorgangs des Schwingbauteils der Sensoreinheit ausgeführt wird.
Messsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Funktionsprüfung gewonnene Analysewert zur Regelung des periodischen Anregungssignals genutzt wird.
Distanzmesssystem zur Hinderniserkennung welches einen Sender, vorzugsweise einen Ultraschallsender und einen Empfänger, vorzugsweise einen Ultraschallempfänger, und Mittel zur periodischen Anregung des Senders und Mittel zur Auswertung des Signals des Empfängers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Anregung des Senders mit variablen Frequenzen erfolgt.