DE102008002232A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es werden ein adaptives Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernung (d, da, db) und/oder Geschwindigkeit (v) eines Objektes (H) relativ zu einem Fahrzeug vorgeschlagen. Dabei werden Ultraschallpulse ausgesandt, von dem Objekt (H) reflektiert und als Echo wieder empfangen. Das Aussenden eines zweite Ultraschallpulses wird durch den Empfang des Echos eines zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses getriggert, wodurch in dynamischen Situationen wertvolle Zeit gewonnen wird.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Im Bereich Fahrerassistenzsysteme für Kraftfahrzeuge kamen in der Vergangenheit bevorzugt Ultraschallsensoren auf piezoelektrischer Basis zum Einsatz, allerdings fast ausschließlich in verschiedenen Einpark-Funktionen. Dabei wird mit einem Puls-Echo-Verfahren die Laufzeit von Ultraschallpulsen gemessen, die an Hindernissen im Detektionsbereich reflektiert werden. Die somit erhaltenen Informationen der vier bis sechs pro Stoßstange installierten Sensoren werden algorithmisch nach dem Triangulationsprinzip in einem zentralen Steuergerät ausgewertet, so dass der Abstand des Fahrzeugs zum nächstgelegenen Hindernis ermittelt werden kann. Dieses System aus bis zu zwölf Ultraschallsensoren und einem zentralen Steuergerät wird oft kurz als Ultraschall-System bezeichnet.
  • Bei konventionellen Ultraschall-Systemen, insbesondere bei konventionellen ultraschallbasierten Einparkhilfen (US-EPH), sind die wesentlichen Systemeigenschaften in jeder vorliegenden Situation gleich, nachdem einmalig vor Inbetriebnahme die Parameter des Ultraschall-Systems an die speziellen geometrischen Merkmale des Fahrzeugs angepasst wurden. Es findet zwar situationsbedingt im Steuergerät eine Zuordnung zu bestimmten Sonderfällen statt, jedoch haben sie keinen Einfluss auf die Systemeigenschaften, wie zum Beispiel die Zykluszeit, die zwischen zwei aufeinander folgenden Sendeimpulsen vergeht, oder auf die Länge bzw. die Amplitude des Sendepulses. Stattdessen findet in jeder vorliegenden Situation – vor einem drohenden Unfall genauso wie in jeder statischen Einparksituation – ein immer gleicher Sende-Empfangsbetrieb statt, der auf die Funktion „Einparken” optimiert ist.
  • Für den Einsatz in dynamischen Situationen, also im laufenden Verkehr, ist ein solches Ultraschall-System jedoch nicht ausreichend. Zwar ist auch mit Hilfe einer derartigen konventionellen US-EPH prinzipiell möglich, die Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Hindernis indirekt zu bestimmen, und zwar durch das Verfolgen der Veränderung mehrerer aufeinander folgender Abstandsinformationen. Hierbei tritt aber das Problem auf, dass die Geschwindigkeitsinformationen für die Anforderungen dynamischer Funktionen zu selten aktualisiert werden. Grund hierfür ist ein im Durchschnitt konstanter zeitlicher Abstand (PRI = Pulse Repetition Interval) zwischen zwei Sendepulsen. Das PRI hängt dabei in der Regel von der gewünschten Entfernungsabdeckung und von der Schallgeschwindigkeit bei der vorliegenden Temperatur ab. Dabei wird der im Durchschnitt konstante zeitliche Abstand zwischen zwei Sendepulsen deshalb gewählt, um mit jedem Impuls bis zum Ende des Messbereichs Hindernisse detektieren zu können. Mit einer konventionellen US-EPH ist also keine zufrieden stellende Beurteilung dynamischer Situationen möglich.
  • Einen gewissen Fortschritt konnte in dieser Hinsicht schon die in der DE 103 23 144 A1 beschriebene Vorrichtung zur Detektion von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs aufzeigen. Diese Vorrichtung ist speziell für die Detektion von Objekten im toten Winkel eines Fahrzeugs optimiert, wo dem Ultraschall-System auf Grund der Nähe des Objektes und der dynamischen Fahrsituation zur Warnung eines Fahrers im Falle einer bevorstehenden Kollision mit einem Objekt im toten Winkel nur eine geringe Reaktionszeit zur Verfügung steht. Bei dieser Vorrichtung wird die Häufigkeit, mit welcher Ultraschallpulse zur Abtastung der Umgebung des Fahrzeugs ausgesandt werden, also die Abtastrate, an den Abstand des Fahrzeugs zu einem Hindernis angepasst, welcher durch Empfangen eines bereits zuvor ausgesandten Ultraschallpulses bestimmt worden ist. Insbesondere werden umso mehr Ultraschallpulse pro Zeiteinheit ausgesandt, je geringer der Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem Hindernis ist. Durch die Vorrichtung der DE 103 23 144 A1 kann also die Zeitauflösung der Abstandsmessung bei geringer werdendem Abstand zwischen Fahrzeug und Hindernis erhöht werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die vorliegende Erfindung werden ein adaptives Verfahren und eine Vorrichtung zur beschleunigten und zuverlässigen Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug geschaffen, welche noch besser für den Einsatz in dynamischen Situationen geeignet sind. Dabei ist es insbesondere bei zunehmender Verkürzung des Abstandes zwischen Fahrzeug und Hindernis auf kleine Distanzen (z. B. auf unter 3 Meter) möglich, die Abtastrate auf optimale Weise zu erhöhen und gleichzeitig mit geringem schaltungstechnischen und softwaretechnischen Aufwand automatisch an die Hindernisdistanz anzupassen.
  • Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist ein event-getriggertes, also Ereignis-angestoßenes Aussenden von Ultraschallpulsen. Damit unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den eingangs beschriebenen Methoden, welche auf einem zeitlich getriggerten Aussenden von Ultraschallpulsen beruhen.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung dieses Grundgedankens wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem Ultraschallpulse ausgesandt werden, von dem Objekt reflektiert werden und als Echo wieder empfangen werden, wobei das Aussenden eines zweiten Ultraschallpulses durch den Empfang des Echos eines zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses getriggert wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Abtastrate automatisch an die Hindernisdistanz anzupassen, denn die Schalllaufzeit zwischen Fahrzeug und Hindernis (ausgesandter Ultraschallpuls) bzw. Hindernis und Fahrzeug (Echo) wird bei konstanter Schallgeschwindigkeit mit abnehmendem Abstand kleiner.
  • Vorzugsweise ist dabei der zuvor ausgesandte erste Ultraschallpuls der unmittelbar vor dem zweiten Ultraschallpuls ausgesandte Ultraschallpuls. Dadurch wird insbesondere ermöglicht, dass die Abtastrate automatisch an die Annäherungssituation des nächstgelegenen Hindernisses angepasst wird, da mit kürzer werdender Hindernisdistanz bei konstanter Schallgeschwindigkeit der Zeitraum zwischen dem Aussenden eines Ultraschallpulses und dem Empfang seines vom Hindernis reflektierten Echos kleiner wird.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aussenden des zweiten Ultraschallpulses zeitlich unmittelbar nach dem Empfang des Echos des zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses. Dadurch kann die Abtastrate bei kürzer werdender Hindernisdistanz optimal erhöht werden, da es zu keiner Verzögerung zwischen dem Empfang des Echos des zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses und dem Aussenden des zweiten Ultraschallpulses kommt.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch das Aussenden eines Ultraschallpulses, den Empfang seines Echos und die Auswertung dieses Echos mittels einer Auswerteeinheit in einem elektroakustischen Kreis ein Messzyklus mit einer Zykluszeit definiert, wobei ein aktuell laufender Messzyklus beim Empfang eines folgenden Echos unterbrochen wird und ein neuer Messzyklus gestartet wird. Vorzugsweise wird beim Starten des neuen Messzyklus ein weiterer Ultraschallpuls ausgesandt. Es ist aber genauso gut auch möglich, mehrere Echos abzuwarten, bevor ein neuer Messzyklus gestartet wird. Mit dieser Art der Triggerung wird die Zykluszeit automatisch an den Abstand des Hindernisses zum Fahrzeug angepasst. Diese sofortige Anpassung der Zykluszeit stellt außerdem eine optimal schnelle Reaktion auf die geänderten Umstände der dynamischen Situation dar. Im Vergleich dazu erfolgt bei den konventionellen zeitlich getriggerten Methoden unabhängig von der Laufzeit der Ultraschallpulse und deren Echos immer ein vollständiger Durchlauf eines Messzyklus. Außerdem erfolgt bei diesen konventionellen Systemen immer erst eine mittelbare Anpassung des nächst folgenden Messzyklus auf Grundlage der Ergebnisse der Abstandsmessung aus dem vorhergegangenen Messzyklus. Dadurch hinkt diese Messzyklus-Anpassung immer um die Dauer einer Zykluszeit hinterher, was zu einer insgesamt trägen Anpassung der Zykluszeit führt.
  • Vorzugsweise wird mit Ablauf einer vorbestimmten maximal zugelassenen Zykluszeit ein zeitlich getriggerter Ultraschallpuls ausgesandt, wenn bis dahin kein Echo empfangen wurde. Dies dient in vorteilhafter Weise der Absicherung des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fall eines Signalverlustes. Dabei wird nach Ablauf einer maximalen Zykluszeit ein zeitlich getriggertes Signal ausgesandt, wenn bis dahin kein Echo-Ereignis detektiert wurde. Dieser zeitliche Abstand definiert vorzugsweise die untere Grenzfrequenz des Systems, die im folgenden auch Leerlauf-Frequenz genannt wird. Im Falle eines Signalabbruchs, also des Ausfalls oder Nicht-Detektierens eines oder mehrerer Ultraschall-Echos, werden also Ultraschallpulse mit der Leerlauf-Frequenz, also mit einer minimalen Frequenz bzw. Häufigkeit des Aussendens, generiert, die leicht unterhalb der Umlauffrequenz des maximalen Detektionsabstandes liegt, um diese beiden Fälle voneinander unterscheiden zu können. Das System läuft dann zumindest im konventionellen, zeitlich getriggerten Modus.
  • Vorzugsweise wird die Häufigkeit des Aussendens von Ultraschallpulsen pro Zeiteinheit auch nach oben begrenzt. Dadurch kann eine maximale Umlauffrequenz festgesetzt werden, wodurch die Stabilität der Regelung der Zykluszeit besonders gut gewährleistet werden kann. Auf diese Weise werden sich aufschaukelnde Lawinen von Echos vermieden und die Verbreiterung des Echos bei zerklüfteten Hindernissen führt wunschgemäß nur zu einer einfachen Auslösung des nächsten Ultraschallpulses.
  • Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn die Signallänge und/oder die maximale Signalamplitude jedes auszusendenden Ultraschallpulses in Abhängigkeit von Eigenschaften des Echos eines zuvor ausgesandten Ultraschallpulses, wie zum Beispiel Echolaufzeit, Echolänge und/oder Echoamplitude, gewählt wird bzw. werden. Diese Anpassung der ausgesandten Ultraschallpulse durch Anpassung an die Reflexionseigenschaften und/oder an den Abstand zum nächstgelegenen Hindernis dient der Erhöhung der Signal-Zuverlässigkeit beim Empfang der vom Hindernis zurückreflektierten Echos.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Ultraschallsensor verwendet, der sowohl im Sendemodus als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wobei sich die von den verschiedenen Ultraschallsensoren ausgesandten Ultraschallpulse in der Modulation ihrer Sendefrequenz oder Sendeamplitude voneinander unterscheiden. Der gleichzeitige bzw. quasi-gleichzeitige Betrieb eines einzigen Ultraschallsensors als Sender und Empfänger wird bei Realisierung der Rückkopplung durch Software-Algorithmen möglich und stellt eine vorteilhafte Einsparung von Hardware dar, die speziell aufgrund der beengten Einbausituation in einer Fahrzeug-Stoßstange sinnvoll ist. Außerdem können die Ultraschallsensoren aufgrund der Unterscheidbarkeit ihrer ausgesandten Ultraschallpulse parallel, also gleichzeitig betrieben werden, was effektiv und zeitsparend ist. Bei sequentiellem Betrieb der Ultraschallsensoren steigt der Zeitbedarf proportional mit der Anzahl der Sensoren. D. h. bei einem typischen System mit vier Sensoren ist der Zeitbedarf daher etwa vier Mal so hoch.
  • Korrespondierend zur Ausgestaltung der Erfindung in Form eines Verfahrens wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend Mittel zum Aussenden von Ultraschallpulsen und zum Empfangen der von dem Objekt reflektierten Echos, wobei Mittel zur Steuerung (C) vorgesehen sind, welche eingerichtet sind, die Mittel zum Aussenden (S, S + E) von Ultraschallpulsen beim Empfang des Echos eines zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses zum Aussenden eines zweiten Ultraschallpulses zu triggern.
  • Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel zum Auswerten der empfangenen Echos innerhalb eines Messzyklus mit einer Zykluszeit, wobei die Mittel zur Steuerung eingerichtet sind, einen aktuell laufenden Messzyklus beim Empfang des nächsten Echos zu unterbrechen und einen neuen Messzyklus zu starten, in welchem vorzugsweise ein weiterer Ultraschallpuls ausgesandt wird.
  • Bezüglich der technischen Wirkungen und Vorteile der gegenständlichen Merkmale dieser Vorrichtung wird explizit auf die Ausführungen zum oben beschriebenen Verfahren verwiesen, welche vollumfänglich in Bezug genommen werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Es zeigen:
  • 1a und 1b eine schematische, beispielhafte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dynamischen Situation mit sich verringernder Distanz zu einem Hindernis;
  • 2 eine erste vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 4 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
  • Eine einfache und zugleich effiziente Realisierung einer event-getriggerten Messung, wie sie die vorliegende Erfindung vorschlägt, stellt ein sogenannter elektroakustischer Kreis mit einem Sender S und einem Empfänger E dar, wie er in 1 angegeben ist.
  • In den 1a und 1b ist schematisch die Situation für zwei verschiedene Hindernis-Abstände da und db abgebildet. Die Auswerteeinheit A und die Steuereinheit C steuern über einen Verstärker den Ultraschall-Sender S an. Der Sender S sendet als Folge der Ansteuerung einen Ultraschall-Impuls (Burst) aus, der im Abstand da auf ein Hindernis H trifft und dort reflektiert wird. Das Ultraschall-Echo trifft auf den Empfänger E. Dort wird es anschließend verstärkt und zur Auswerteeinheit A weitergeleitet, wo es weiter verarbeitet wird. Wenn das empfangene Echo die Plausibilisierung der Auswerteeinheit A erfolgreich durchlaufen hat, wird ein neuer Sendeimpuls ausgelöst und der Zyklus im elektroakustischen Kreis beginnt erneut. An der Auswerteeinheit A ist es möglich, die Laufzeit Ta zu messen, die ein Impuls im elektroakustischen Kreis benötigt. Diese Zeit Ta ist charakteristisch für die Objektdistanz da. In der 1b ist gezeigt, wie sich der Abstand da zum Hindernis H auf den Abstand db verringert hat. Für diese Objektentfernung ist die Laufzeit Tb charakteristisch.
  • Es wird eine optimale Anpassung oder Regelung des Pulse Repetition Interval (PRI) an den Objektabstand d erreicht, indem der aktuelle Messzyklus nach dem Eintreffen des ersten Echos unterbrochen wird, und ein neuer Messzyklus gestartet wird. Sollte der Basisabstand b zwischen Sender S und Empfänger E nicht zu vernachlässigen sein, so ist zu berücksichtigen, dass der Basisabstand b, die Entfernung zum Hindernis d und die durchlaufene Wegstrecke im Medium 2g (gestrichelte Linie) über die Gleichung d2 = g2 – b2/4 zusammenhängt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die anhand der 1 erläutert wird, ist in Verbindung mit den zuvor aufgeführten sowie auch mit den nachfolgend erläuterten adaptiven Prinzipien eine verbesserte Geschwindigkeitsmessung in dynamischen Situationen möglich. Dabei wird eine Variante gewählt, bei welcher der Messzyklus der Ultraschallsensoren bei Eingang eines Echos unterbrochen wird und unmittelbar danach ein neuer Sendeimpuls ausgesendet wird (event-getriggete Ansteuerung). Mit dieser Art der Triggerung wird die Zykluszeit T automatisch an den Abstand d des Hindernisses angepasst.
  • In der Auswerteeinheit A findet zum einen die oben bereits erwähnte Plausibilisierung statt, ob das empfangene Echo einem zuvor ausgesandten Ultraschallpuls entspricht, und ggf. mit welchem Ultraschallpuls das empfangene Echo genau korreliert (bei mehreren ineinander verschachtelt empfangenen Echos). Im Zuge der Plausibilisierug kann auch bestimmt werden, ob der gemessene Abstand einen realistischen Wert annimmt, z. B. durch den Vergleich des zuletzt gemessenen Abstandswerts mit einer vorangegangenen Historie, d. h. mit einer Entwicklung des Abstandswertes über mehrere Einzelmessungen. Dadurch können gestörte Messungen aufgrund externer Schallquellen ausgefiltert werden. Zum anderen wird die Umlauffrequenz f auf einen sinnvollen Bereich eingeschränkt. So sollen wie beim bekannten Sing-Around-Prinzip im Falle eines Signalabbruchs – also im Falle des über einen vorbestimmten Zeitraum nicht-mehr-Empfangens von Echos – Ultraschallpulse mit einer Leerlauf-Frequenz (minimale Frequenz bzw. Häufigkeit) ausgesandt werden, die leicht unterhalb der Umlauffrequenz des maximalen Detektionsabstandes dmax liegt. Außerdem ist es vorteilhaft, eine maximale Frequenz als obere Grenze einzuführen, die nicht überschritten werden darf. Um dies zu erreichen, kann die detektierte Umlauffrequenz durch eine Wartezeit in der Auswerteeinheit A vermindert werden. Der Vorteil des Festsetzens einer maximalen Umlauffrequenz liegt in einer erhöhten Stabilität der Regelung des Aussendens der Ultraschallpulse. Auf diese Weise werden sich aufschaukelnde Lawinen von Echos vermieden und die Verbreiterung eines Echos bei einem zerklüfteten Hindernis H führt in wünschenswerter Weise nur zu einer einfachen Auslösung des Signals.
  • Zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform die Anpassung der Sendeimpulslänge an die Hindernisdistanz d in zwei verschiedenen Stufen ober- und unterhalb eines definierten Grenzabstandes erfolgen. Hierbei werden längere Sendeimpulse für größere Abstände verwendet, um die größere atmosphärische Dämpfung bei weiteren Distanzen d auszugleichen. Die nachfolgend beschriebene Ausgestaltung eines ähnlichen adaptiven Prinzips dient ebenfalls der Erhöhung der Signal-Zuverlässigkeit, und zwar durch Anpassung der Sendeeigenschaften an Reflexionseigenschaften der empfangenen Echos und/oder an den Abstand d der Sensoreinrichtung zum nächstgelegenen Hindernis H. Mit diesen Informationen wird nun der neue Sendeimpuls generiert, und zwar mit einer bestimmten Signallänge und maximalen Signalamplitude. Je weiter das Hindernis H entfernt ist (je größer also d ist), desto mehr Signalintensität wird für ein qualitativ gutes Echo benötigt. Der Einfluss der Reflexionseigenschaften des Hindernisses H bestimmt Echolänge und Echoamplitude: Je länger und größer ein Echo ist, desto größer ist der Reflexionsquerschnitt des Hindernisses H und desto weniger Signalintensität wird für den nächsten Sendeimpuls benötigt. Eine ausgewogene Gewichtung dieser drei Parameter (Abstand d, Echolänge und Echoamplitude) dient also in vorteilhafter Weise zur Einstellung der Signalintensität der nachfolgend auszusendenden Ultraschallpulse. Das genaue Verhältnis dieser drei Parameter zueinander sollte im Einzelfall optimal bestimmt werden. Hierfür sind analytische Verfahren ebenso denkbar wie der Einsatz von fuzzy logic.
  • Die Relativgeschwindigkeit eines bewegten Hindernis H berechnet sich aus den detektierten Laufzeiten (und damit Abständen) mehrerer aufeinander folgender Messzyklen. Sie ergibt sich als die Steigung im Abstands-Zeit-Diagramm oder als die Ableitung des Abstands d nach der Zeit t. Die gesamte Zykluszeit T, die für einen Durchlauf im elektroakustischen Kreis benötigt wird, setzt sich aus den Teilen T1 und T2 zusammen: T = T1 + T2. Hierbei bezeichnet T1 die endliche Zeit, die für die Rückkopplung benötigt wird, also die Zeit, die systembedingt zwischen dem Empfangen des Echosignals und dem erneuten Aussenden des nächsten Ultraschallpulses vergeht. Hierzu gehören die Laufzeit des Auswertealgorithmus und die Zeit zur Übermittlung des Sendebefehls für den nächsten Ultraschallpuls. Es wird T1 als zeitlich konstant angenommen. T2 bezeichnet die Laufzeit des Ultraschallpulses im Medium (z. B. Luft) und berechnet sich nach T2 = 2d/c, unter der Annahme, dass der Basisabstand b zwischen Sender S und Empfänger E vernachlässigbar ist. Sollte der Basisabstand b zwischen Sender S und Empfänger E nicht zu vernachlässigen sein, so ist zu berücksichtigen, dass der Basisabstand b, die Entfernung zum Hindernis d und die durchlaufene Wegstrecke im Medium 2g (gestrichelte Linie) über die Gleichung d2 = g2 – b2/4 zusammenhängen.
  • Damit ergibt sich eine Abhängigkeit des Hindernis-Abstands d von der Zykluszeit T wie folgt:
    Figure 00070001
  • Durch das Bilden der Ableitung d(d) / dt kann die Geschwindigkeit ermittelt werden (T1 als zeitlich konstant angenommen):
    Figure 00080001
  • Hierbei bezeichnet v die Relativgeschwindigkeit zwischen Hindernis und Sensoreinrichtung, und c die Schallgeschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur.
  • Praktisch kann die Auswertung über die Differenzen mehrerer Abstandsinformationen realisiert werden, die sich wiederum aus den Schall-Laufzeiten berechnen, also aus den Zeitpunkten des Aussendens und des Empfangens eines Ultraschallsignals. Werden zur Geschwindigkeitsberechnung jeweils zwei Abstandswerte herangezogen, so ergibt sich folgende einfache Abhängigkeit der Geschwindigkeit von den Zeitpunkten t1 bis t4:
    Figure 00080002
  • Hierbei bezeichnen:
    • t1
    den Zeitpunkt des Aussendens des 1. Sendesignals,
    t2
    den Zeitpunkt des Empfangens des 1. Echos,
    t3
    den Zeitpunkt des Aussendens des 2. Sendesignals, und
    t4
    den Zeitpunkt des Empfangens des 2. Echos.
  • Es gilt im Allgemeinen t2 ≠ t3 aufgrund systeminterner Verzögerungen.
  • Werden entsprechend mehr als zwei Abstandswerte in die Berechnung mit einbezogen, so verschieben sich die Indizes der zuletzt aufgeführten Gleichung.
  • Um möglichst zuverlässige Resultate für den relativen Abstand und die relative Geschwindigkeit zu erhalten, bietet sich eine Glättung der Abstandswerte di sowie der Geschwindigkeitswerte vi an, wofür sich beispielsweise Kalman-Filter als geeignet erwiesen haben.
  • Außerdem ist es beim Fokus auf bewegte Hindernisse H vorteilhaft, Festziele zu unterdrücken. Bei dieser Vorgehensweise aus dem Bereich der Radartechnik wird als Kriterium für zu detektierende bewegte Ziele zu diesem Zweck eine Abstandsänderung zwischen zwei aufeinander folgenden Messzyklen gefordert, die einen kritischen, abstandsabhängigen Grenzwert übersteigt.
  • Nach der Beschreibung der Implementierung der vorliegenden Erfindung anhand der 1 werden nun weitere Geometrien erläutert, wie die Erfindung in ein Fahrzeug integriert werden kann. Die nachfolgenden Merkmale sind aber ebenso auch auf die oben im Zusammenhang mit der 1 erläuterte Implementierung anzuwenden.
  • Für Einpark-Funktionen werden üblicherweise vier bis sechs Sensoren pro Stoßstange im Fahrzeug verbaut, daher wird im Folgenden zur Verallgemeinerung beispielhaft von vier Sensoren ausgegangen. Als eine erste Alternative wird der gleichzeitige Betrieb eines einzigen Ultraschallsensors S + E als Sender S und Empfänger E vorgeschlagen, wie er in 2 schematisch dargestellt ist. Dieser Betrieb kann durch Realisierung der Rückkopplung mittels Software-Algorithmen ermöglicht werden. Es werden also nur sogenannte Direktechos des Hindernisses H im Abstand d ausgewertet. Hierbei ist das absolut gleichzeitige Senden und Empfangen zwar grundsätzlich nicht möglich, was aber beim Sing-Around-Verfahren auch gar nicht notwendig ist. Vielmehr kommt ein quasi-gleichzeitiges Senden und Empfangen zum Einsatz, bei dem sich Senden und Empfangen in sehr kurzen Zeitabständen abwechseln.
  • Vorteilhaft ist es, alle vier Sensoren einer Stoßstange im Modus der 2 zu betreiben. Der hierfür angewandte Parallelbetrieb der Sensoren S + E, wie er in 3 schematisch dargestellt ist, ist effektiv und zeitsparend bei der Informationsgewinnung. In der Sensorgeometrie der 3 ist es vorteilhaft, wenn bei Parallelbetrieb der Sensoren S + E die Sendepulse der einzelnen Sensoren voneinander unterscheidbar sind. Als Kriterium der Differenzierung bieten sich Modulationsverfahren der Sendefrequenz und/oder der Sendeamplitude sowie Codierungsverfahren an. Der in 3 dargestellte Betriebsmodus ist insbesondere für Precrash-Anwendungen optimal wegen der stark beschleunigten Informationsgewinnung bei gleichzeitiger Abdeckung der gesamten Fahrzeugbreite.
  • In 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dargestellt, die schematisch aufzeigt, wie das erfindungsgemäße event-getriggerte System unter Ausnutzung der beispielsweise vier vorhandenen Sensoren in ein Fahrzeug integriert werden kann. Hierbei wird event-getriggert zwischen dem linken und rechten in 4 dargestellten Modus umgeschaltet. Dabei dient entweder der obere oder der untere mittlere Sensor als Sender S und die beiden unmittelbar benachbarten Sensoren dienen jeweils als Empfänger E. Ein event bzw. Echo-Ereignis, das zur Umschaltung zwischen den beiden Modi führt, kann vorab in geeigneter Weise definiert werden, beispielsweise durch den Empfang von einem Direktecho und zwei Kreuzechos. Es sind aber ebenso gut andere Definitionen für ein solches Ereignis denkbar, die unter anderem von der Einbauposition der jeweiligen Sensoren im Fahrzeug abhängen können. Findet das vordefinierte Ereignis nicht statt, so wird nach Ablauf einer festgelegten Zeit ein zeitlich getriggerter Sendepuls auf dem anderen Sender ausgesandt. In diesem Zusammenhang wird auch noch einmal explizit Bezug genommen auf die Ausführungen oben zur Leerlauf-Frequenz. Der Vorteil des in 4 dargestellten Betriebsmodus liegt insbesondere in der Abdeckung der gesamten Fahrzeugbreite, ohne dass die Sendesignale der einzelnen Sensoren unbedingt voneinander unterscheidbar sein müssen. Zur Verbesserung der Eindeutigkeit der Echozuordnung ist natürlich auch in der Anordnung der 4 – in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben – eine Differenzierung der Sendesignale über Modulationsverfahren der Sendefrequenz und/oder der Sendeamplitude denkbar. Optional oder auch zusätzlich ist eine Codierung der beiden aktiven Sender S möglich. So würde die Situation ausgeschlossen werden, dass ein Echo aus einem „linken Zyklus” im folgenden „rechten Zyklus” ein Echosignal erzeugt, das aufgrund der fehlenden zeitlichen Synchronisation einem falschen Abstand zugeordnet würde.
  • Wie oben bereits beschrieben, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in ultraschallbasierten Sicherheitsfunktionen, bei denen die Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit eines Objektes relativ zu einem Fahrzeug eine Rolle spielt, durch Abbrechen des Messzyklus bei Detektion des ersten und damit nächstgelegenen Hindernisses H wertvolle Zeit gewonnen werden. Die somit geringere Reaktionszeit des Ultraschall-Systems ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den konventionellen Systemen und kann nützlich im Feld der aktiven und passiven Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden. Im Bereich der passiven Sicherheit beispielsweise sind Informationen über einen kurz bevorstehenden Zusammenprall wichtig für die Airbag-Auslösung, den Gurtstraffer u. ä. Insbesondere ist ein solches event-getriggertes System vorteilhaft für die frühzeitige Detektion eines seitlichen Aufpralls, da seitlich mit einem 1-Sensor-System wie in 2 gearbeitet werden kann.
  • Erfindungsgemäß werden durch die vorgeschlagenen adaptiven Maßnahmen die Trägheit und Unflexibilität der konventionellen Ultraschall-Systeme verringert bzw. beseitigt. Je nach momentanem Bedarf kann das erfindungsgemäße adaptive Ultraschall-System als Einparkhilfe oder als Precrash-Warn-System verwendet werden, indem zwischen verschiedenen Betriebs-Modi umgeschaltet wird. Für den Betrieb im Precrash-Modus werden verschiedene adaptive Maßnahmen kombiniert, unter anderem wird die Zykluszeit T durch eine event-Triggerung unmittelbar an die Objekt-Distanz d angepasst. Somit wird die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Hindernis H beschleunigt und es werden Möglichkeiten eröffnet, das Ultraschall-System für dynamische Zwecke optimal auszunutzen. Vorzugsweise kann also das Ultraschall-System auf verschiedene Betriebs-Modi umgeschaltet werden, z. B. Einparken, Precrash-Modus und Tote-Winkel-Detektion. Das Umschalten der Modi kann beispielsweise unter Berücksichtigung folgender Kriterien realisiert werden: Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs, oder das Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Schwelle für die nötige Bremsbeschleunigung, die eine Kollision bzw. einen drohenden Unfall gerade noch vermeiden würde.
  • In der gesamten Anmeldung und damit insbesondere auch in den Ansprüchen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung statt Ultraschallpulsen auch Pulse von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Radarwellen, einsetzbar. Die voranstehenden Erläuterungen gelten genauso auch für elektromagnetische Wellenpulse.
  • Die Bezugszeichen und Verweise auf Figuren in den nachfolgenden Patentansprüchen dienen ausschließlich der leichteren Orientierung in den Anmeldungsunterlagen und sind in keinem Fall in einer Weise zu verstehen, welche den Anspruchsgegenstand auf eine in den Figuren gezeigte oder in der Beschreibung dargelegte Ausführungsform beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10323144 A1 [0005, 0005]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Entfernung (d, da, db) und/oder Geschwindigkeit (v) eines Objektes (H) relativ zu einem Fahrzeug, bei dem Ultraschallpulse ausgesandt werden, von dem Objekt (H) reflektiert werden und als Echo wieder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden eines zweiten Ultraschallpulses durch den Empfang des Echos eines zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses getriggert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zuvor ausgesandte erste Ultraschallpuls der unmittelbar vor dem zweiten Ultraschallpuls ausgesandte Ultraschallpuls ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aussenden des zweiten Ultraschallpulses zeitlich unmittelbar nach dem Empfang des Echos des zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch das Aussenden eines Ultraschallpulses, den Empfang seines Echos und die Auswertung dieses Echos mittels einer Auswerteeinheit (A) in einem elektroakustischen Kreis ein Messzyklus mit einer Zykluszeit definiert wird, wobei ein aktuell laufender Messzyklus beim Empfang eines folgenden Echos unterbrochen wird und ein neuer Messzyklus gestartet wird, wobei vorzugsweise ein weiterer Ultraschallpuls ausgesandt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein aktuell laufender Messzyklus beim Empfang des nächsten oder des zweit-, dritt-, viert-, fünft-, sechst-, siebt-, acht-, neunt- oder zehntnächsten Echos unterbrochen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei mit Ablauf einer vorbestimmten maximal zugelassenen Zykluszeit ein zeitlich getriggerter Ultraschallpuls ausgesandt wird, wenn bis dahin kein Echo empfangen wurde.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Häufigkeit des Aussenden von Ultraschallpulsen pro Zeiteinheit nach oben begrenzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Signallänge und/oder die maximale Signalamplitude jedes auszusendenden Ultraschallpulses in Abhängigkeit von Eigenschaften des Echos eines zuvor ausgesandten Ultraschallpulses, wie zum Beispiel Echolaufzeit, Echolänge und/oder Echoamplitude, gewählt wird bzw. werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Ultraschallsensor (S + E) verwendet wird, der sowohl im Sendemodus als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wobei sich die von den verschiedenen Ultraschallsensoren (S + E) ausgesandten Ultraschallpulse in der Modulation ihrer Sendefrequenz oder Sendeamplitude voneinander unterscheiden.
  10. Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernung (d, da, db) und/oder Geschwindigkeit (v) eines Objektes (H) relativ zu einem Fahrzeug, umfassend Mittel zum Aussenden (S, S + E) von Ultraschallpulsen und zum Empfangen (E, S + E) der von dem Objekt reflektierten Echos, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung (C), welche eingerichtet sind, die Mittel zum Aussenden (S, S + E) von Ultraschallpulsen beim Empfang des Echos eines zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses zum Aussenden eines zweiten Ultraschallpulses zu triggern.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der zuvor ausgesandte erste Ultraschallpuls der unmittelbar vor dem zweiten Ultraschallpuls ausgesandte Ultraschallpuls ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Mittel zur Steuerung (C) eingerichtet sind, das Aussenden des zweiten Ultraschallpulses zeitlich unmittelbar nach dem Empfang des Echos des zuvor ausgesandten ersten Ultraschallpulses zu triggern.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend Mittel zum Auswerten (A) der empfangenen Echos innerhalb eines Messzyklus mit einer Zykluszeit, wobei die Mittel zur Steuerung (C) eingerichtet sind, einen aktuell laufenden Messzyklus beim Empfang des nächsten Echos zu unterbrechen und einen neuen Messzyklus zu starten, in welchem vorzugsweise ein weiterer Ultraschallpuls ausgesandt wird.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, umfassend zumindest einen Ultraschallsensor (S + E), der sowohl im Sendemodus als auch im Empfangsmodus betreibbar ist, wobei sich die von den verschiedenen Ultraschallsensoren (S + E) aussendbaren Ultraschallpulse in der Modulation ihrer Sendefrequenz oder Sendeamplitude voneinander unterscheiden.
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