DE102009040992A1

DE102009040992A1 - Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung von Ultraschallsensoren

Info

Publication number: DE102009040992A1
Application number: DE102009040992A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jung; Christian Frischmann; Sebastian Neft; Anton Lill
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: DE102009040992B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung einer Umwelteinflüssen ausgesetzten, durch Anregung mit einer vorgegebenen Anregefrequenz Ultraschallwellen aussendende Membran eines Ultraschallsensors beschrieben, bei welchem vorgesehen ist, die Ausschwingfrequenz im Anschluss an eine Anregung (01) zu beobachten und durch Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran festzustellen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung von Ultraschallsensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Umfelderkennung von Kraftfahrzeugen, kurz Fahrzeuge, wie etwa zur Abstandsmessung zu beispielsweise während eines Einparkvorgangs vor und/oder seitlich neben und/oder hinter einem Fahrzeug befindlichen Objekten, sind Ultraschallsensoren hinlänglich bekannt. Sie weisen mindestens eine mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende, auch als aktive Oberfläche bezeichnete Membran eines Ultraschallvibrators auf, über die durch Anregung mittels eines mit der Membran verbundenen Aktors des Ultraschallvibrators mit einer vorgegebenen Anregefrequenz Ultraschallwellen ausgesendet, sowie bei manchen Ausführungen zum Teil auch deren von Objekten reflektierte Echos empfangen werden. Um eine zuverlässige Abstandsmessung zu ermöglichen, darf sich zwischen der Membran und dem Objekt nichts befinden, was unmittelbar zur Folge hat, dass die Membran Witterungs- und Straßenbedingungen, kurz unter dem Begriff Umwelteinflüsse zusammengefasst, ausgesetzt ist.
Allgemein bekannt ist beispielsweise die mit ihrer Membran erkennbare Anordnung von Ultraschallsensoren, mit denen Abstände zu vor oder hinter einem Fahrzeug befindlichen Objekten gemessen werden sollen, in der vorderen bzw. hinteren Stoßstange von Fahrzeugen angebracht werden.
Ein Problem bei der Erfassung von Objekten mittels Ultraschallsensoren stellt eine durch Vereisung und/oder mit zunehmender, beispielsweise durch Staub, Schlamm, Schnee, etc. verursachter Verschmutzung des Ultraschallsensors bzw. eine abnehmende Genauigkeit, Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der solchen Umwelteinflüssen ausgesetzten Membran des Ultraschallsensors dar.
Durch JP 42 42 189 A ist ein Ultraschallsensor bekannt, der zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zum Empfang von Ultraschallechowellen mit einem ausgeprägten Nachhall ausgebildet ist. Ein Ultraschallvibrator überträgt Ultraschallimpulse einer mittels einer Wechselfrequenzeinrichtung vorgegebenen Frequenz. Ebenso empfängt der Ultraschallvibrator die von Objekten in der Umgebung reflektierten Echos der ausgesendeten Ultraschallwellen, kurz Echowellen. Eine Beurteilungseinrichtung nimmt die von dem Ultraschallvibrator empfangenen Echowellen in einen Echoverstärker und in einen Echodetektor durch einen Echokomparator und beurteilt die Echowellen. Ein Resonanz- und Anti- bzw. Parallelresonanz-Frequenz-Detektor gibt die Echowellen in einen Wellenwandler ein, um die Resonanz- und Anti- bzw. Parallelresonanz-Frequenz des Ultraschallvibrators zu erhalten, und um das Frequenzband in eine Vielzahl von Frequenzbereichen abzutrennen. Ein Nachhallzeiteinrichter bestimmt in jedem Frequenzbereich das Ende der Nachhallzeit. Die Beurteilungseinrichtung kann anhand des Endes der Nachhallzeit unterscheiden, ob die Echowelle auf den Nachhall hin fortdauert, oder nicht.
Durch die DE 101 42 075 A1 ist ein Ultraschallsensor mit einem Ultraschallvibrator und mit einer Schneeerfassungsfunktion bekannt, bei dem die Umgebungstemperatur des Ultraschallvibrators überwacht wird. Fällt die Umgebungstemperatur unter eine vorbestimmte Temperatur, bei der normalerweise mit Schneefall zu rechnen ist, wird ein Verhältnis einer Zeitdauer einer Nachschwingung des Ultraschallvibrators, der sogenannten Ausschwingzeit, in Bezug auf eine vorbestimmte Zeitdauer im Anschluss an eine Ultraschallwellenaussendung berechnet und eine Verschmutzung verursacht durch eine Ansammlung von Schnee bestimmt, wenn das berechnete Verhältnis ein vorbestimmtes Zeitverhältnis übersteigt. Die daraus resultierende Abnormität bzw. eingeschränkte Zuverlässigkeit bzw. Funktion des Ultraschallsensors kann beispielsweise in Form einer Meldung ausgegeben werden.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann es daher angesehen werden, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Vereisung und/oder Verschmutzung eines Ultraschallsensors bzw. dessen Umwelteinflüssen ausgesetzter Membran zuverlässig erkannt werden kann, beispielsweise um die so gewonnene Erkenntnis in eine an einen Fahrer eines Fahrzeugs ausgebbare Warnmeldung einfließen zu lassen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Demnach kennzeichnet sich erfindungsgemäß ein Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung einer Umwelteinflüssen ausgesetzten, durch Anregung mit einer vorgegebenen Anregefrequenz Ultraschallwellen aussendenden Membran eines Ultraschallsensors in vorteilhafter Weise dadurch aus, dass die Ausschwingfrequenz im Anschluss an eine Anregung beobachtet, und durch Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz auf eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran rückgeschlossen wird.
Die Ausschwingfrequenz stellt sich typischerweise mit der Resonanzfrequenz der Umwelteinflüssen ausgesetzten und damit unverschmutzten oder verschmutzten und/oder vereisten Membran ein. Die Anregefrequenz wird beispielsweise bevorzugt so vorgegeben bzw. eingestellt, dass sie der Resonanzfrequenz der unvereisten und/oder unverschmutzten Membran entspricht. Befindet sich beispielsweise durch eine Verschmutzung zusätzliche Masse auf der Membran, verändert sich deren Resonanz- bzw. Ausschwingfrequenz gegenüber der Anregefrequenz. Verändert sich beispielsweise durch eine Vereisung die Biegesteifigkeit der Membran, verändert sich deren Resonanz- bzw. Ausschwingfrequenz ebenfalls gegenüber der Anregefrequenz.
Nach diesem Prinzip wird eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran vorzugsweise dann erkannt, wenn die Ausschwingfrequenz von der Anregefrequenz abweicht.
Besonders bevorzugt wird auf eine Vereisung rückgeschlossen, wenn die Ausschwingfrequenz höher als die Anregefrequenz ist. Alternativ oder zusätzlich kann auf eine Verschmutzung rückgeschlossen werden, wenn die Ausschwingfrequenz niedriger als die Anregefrequenz ist. Befindet sich beispielsweise Wasser oder eine andere, keine biegesteife Schicht bildende Substanz, wie etwa Staub oder Schlamm auf der Membran, sinkt die Ausschwingfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz aufgrund der höheren Masse der verschmutzten Membran. Beispielsweise sinkt die im unverschmutzten Zustand einer Resonanzfrequenz von 51,2 kHz entsprechende Ausschwingfrequenz auf ca. 41–45 kHz in verschmutztem Zustand.
Falls die Ausschwingfrequenz und die Anregefrequenz mehr als um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander abweichen, kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, ein Warnsignal beispielsweise an einen Fahrer eines mit Ultraschallsensoren ausgestatteten Fahrzeugs auszugeben.
Zum Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz bzw. deren Abweichung voneinander wird bevorzugt die Differenz zwischen der Anregefrequenz und der Ausschwingfrequenz gebildet.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anregung bereits vor Beginn der Beobachtung der Ausschwingfrequenz für eine vorgegebene Zeit ausgesetzt wird. Hierdurch wird die Qualität der Erkennung einer Vereisung und/oder Verschmutzung verbessert, da sich während der Aussetzung die Resonanzfrequenz der Membran einstellen kann und so unerwünschte Einflüsse der Anregungsfrequenz vor der Beobachtung ausklingen können.
Beispielsweise kann die Zeit einer Aussetzung der Anregung vor der Beobachtung bis zu 1 ms, besonders bevorzugt 0,5 ms betragen.
Zur Beobachtung der Ausschwingfrequenz und/oder der Anregefrequenz kann beispielsweise ein Analogsignal des Ultraschallsensors ausgewertet werden.
Beispielsweise kann anhand eines Analogsignals die Ausschwingfrequenz bestimmt werden, indem die Ausschwingzeit des Analogsignals gemessen sowie die Anzahl der Nulldurchgänge des Analogsignals während der Ausschwingzeit gezählt und die Anzahl der Nulldurchgänge durch die Ausschwingzeit dividiert wird. Selbstverständlich kann die Beobachtung auch nur für eine vorgegebene Zeitdauer während der Ausschwingzeit erfolgen, wobei dann die Nulldurchgänge innerhalb der Zeitdauer gezählt und durch die Zeitdauer dividiert werden, um die Ausschwingfrequenz zu erhalten. Wichtig ist hierbei lediglich, dass sichergestellt ist, dass die Membran während der Zeitdauer nicht zum Stillstand kommt, also nicht vollständig ausschwingt. Ebenfalls ist denkbar, die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen des Analogsignals zu messen, um die Ausschwingfrequenz zu bestimmen. In diesem Fall wäre der Kehrwert der gemessenen Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen des Analogsignals die Ausschwingfrequenz. Dieser Vorgang der Messung der Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen des Analogsignals könnte während der Ausschwingzeit mehrmals wiederholt werden, beispielsweise für eine statistische Auswertung, zur Bestimmung, ob die Membran bereits zum Zeitpunkt der ersten Messung mit ihrer Resonanzfrequenz schwingt, sowie beispielsweise zur Entkopplung von kurzzeitigen Einflüssen, beispielsweise durch Mittelwertbildung sämtlicher Einzelmessungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Amplitude-Zeit-Diagramms eines Analogsignals eines Ultraschallsensors mit einer unverschmutzten Membran des Ultraschallsensors.
2 Eine schematische Darstellung eines Amplitude-Zeit-Diagramms eines Analogsignals eines Ultraschallsensors mit einer verschmutzten Membran des Ultraschallsensors.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung einer Umwelteinflüssen ausgesetzten, durch Anregung mit einer vorgegebenen Anregefrequenz Ultraschallwellen aussendenden Membran eines Ultraschallsensors ist allgemein dargestellt so ausgestaltet, dass die Ausschwingfrequenz im Anschluss an eine in 1 gezeigte Anregung 01 beobachtet und durch Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran festgestellt wird.
Beim Ausführungsbeispiel wird ausgenutzt, dass sich die Ausschwingfrequenz typischerweise mit der Resonanzfrequenz der Umwelteinflüssen ausgesetzten und damit unverschmutzten oder verschmutzten und/oder vereisten Membran einstellt. Die Anregefrequenz wird beispielsweise bevorzugt so vorgegeben bzw. eingestellt, dass sie der Resonanzfrequenz der unvereisten und/oder unverschmutzten Membran entspricht. Befindet sich beispielsweise durch eine Verschmutzung zusätzliche Masse auf der Membran, verändert sich deren Resonanz- bzw. Ausschwingfrequenz gegenüber der Anregefrequenz. Verändert sich beispielsweise durch eine Vereisung die Biegesteifigkeit der Membran, verändert sich deren Resonanz- bzw. Ausschwingfrequenz z. B. gegenüber der mit der Resonanzfrequenz der unverschmutzten Membran gewählten Anregefrequenz dahingehend, dass die Ausschwingfrequenz höher ist, als die Resonanzfrequenz im unverschmutzten Zustand der Membran. Befindet sich beispielsweise Wasser oder eine andere, keine biegesteife Schicht bildende Substanz, wie etwa Staub oder Schlamm auf der Membran, sinkt die Ausschwingfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz aufgrund der höheren Masse der verschmutzten Membran. Beispielsweise sinkt die im unverschmutzten Zustand einer Resonanzfrequenz von 51,2 kHz entsprechende Ausschwingfrequenz auf ca. 41–45 kHz in verschmutztem Zustand.
Zum Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz kann beispielsweise die Differenz zwischen der Anregefrequenz und der Ausschwingfrequenz gebildet werden. Anhand des Vorzeichens des Ergebnisses der Differenz kann dann auf eine Vereisung oder Verschmutzung rückgeschlossen werden. Auch ist denkbar, den Betrag der Differenzbildung auszuwerten, beispielsweise um durch Vergleich mit einem vorgebbaren Schwellenwert, oberhalb dem, beispielsweise durch Versuchsreihen festgestellt, die Zuverlässigkeit der Umfelderfassung des Ultraschallsensors eingeschränkt ist, ein Warnsignal auszugeben.
Die 1 zeigt dazu beispielhaft ein Amplitude-Zeit-Diagramm 07 eines Analogsignals 04 eines Ultraschallsensors mit einer Umwelteinflüssen ausgesetzten, unverschmutzten Membran. Auf der Abszisse 09 ist hierbei die Zeit in μs und in ms angegeben, auf der Ordinate 10 die dimensionslose Amplitude des Analogsignals 04. Die Membran wird für die Dauer einer Anregung 01 mit einer der Resonanzfrequenz der unverschmutzten Membran entsprechenden Anregefrequenz angeregt. Während einer an die Anregung 01 anschließenden Aussetzung 02 findet keine Anregung der Membran mehr statt und die Membran schwingt unangeregt weiter. Die Aussetzung 02 dient dabei einer Entkopplung der Beobachtung der Ausschwingfrequenz während der an die Aussetzung 02 anschließenden Ausschwingung 03.
In 1 ist weiterhin zu erkennen, dass die Ausschwingfrequenz durch die Anzahl der Nulldurchgänge 06 des Analogsignals 04 durch die Abszisse 09 des Amplitude-Zeit-Diagramms 07, des Ultraschallsensors mit unverschmutzter Membran gekennzeichnet ist, wobei die Resonanzfrequenz der unverschmutzten Membran der vorgegebenen Anregefrequenz entspricht.
Anders verhält es sich bei einem Analogsignal 04 eines Ultraschallsensors mit einer durch Umwelteinflüsse verschmutzten Membran, dessen Amplitude-Zeit-Diagramm 08 in 2 gezeigt ist. Auf der Abszisse 09 ist hierbei wiederum die Zeit in μs und in ms angegeben, auf der Ordinate 10 die dimensionslose Amplitude des Analogsignals 04. Auch hier wird die Membran für die Dauer einer Anregung 01 mit einer der Resonanzfrequenz der unverschmutzten Membran entsprechenden Anregefrequenz angeregt. Während einer an die Anregung 01 anschließenden Aussetzung 02 findet keine Anregung der Membran mehr statt und die Membran schwingt unangeregt weiter. Damit die Membran nicht ausschwingt, aber dennoch genügend Zeit verstreicht, damit sich die Resonanzfrequenz der verschmutzten Membran während der Aussetzung 02 bis zur an die Aussetzung 02 anschließenden Ausschwingung 03 einstellen kann, ist auch hier die Dauer der Aussetzung mit 0,5 ms gewählt.
In 2 ist ferner zu erkennen, dass die Ausschwingfrequenz durch die Anzahl der Nulldurchgänge 06 des Analogsignals 04 durch die Abszisse 09 des Amplitude-Zeit-Diagramms 08 gekennzeichnet ist, wobei hier die Resonanzfrequenz Ultraschallsensors mit verschmutzter Membran kleiner ist, als die mit der Resonanzfrequenz der unverschmutzten Membran vorgegebene Anregefrequenz.
Die Ausschwingfrequenz des Analogsignals 04 kann bestimmt werden, indem die Dauer der Ausschwingung 03 bzw. die Ausschwingzeit 05 des Analogsignals 04 im Anschluss an die Aussetzung 02 gemessen sowie die Anzahl der Nulldurchgänge 06 des Analogsignals 04 während der Dauer der Ausschwingung 03 bzw. der Ausschwingzeit 05 gezählt und die Anzahl der Nulldurchgänge 06 durch die Dauer der Ausschwingung 03 bzw. Ausschwingzeit 05 dividiert wird. Selbstverständlich kann die Beobachtung auch nur für eine vorgegebene Zeitdauer während der Ausschwingung 03 erfolgen, wobei dann die Nulldurchgänge 06 innerhalb der Zeitdauer gezählt und durch die Zeitdauer dividiert werden, um die Ausschwingfrequenz zu erhalten. Ebenfalls ist denkbar, die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen 06 des Analogsignals 04 zu messen, um die Ausschwingfrequenz zu bestimmen. In diesem Fall wäre der Kehrwert der gemessenen Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen 06 des Analogsignals 04 die Ausschwingfrequenz. Dieser Vorgang der Messung der Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen 06 des Analogsignals 04 kann während der Ausschwingung 03 bzw. während der Ausschwingzeit 05 mehrmals wiederholt werden.
Die Anregefrequenz kann, sofern sie nicht ohnehin bekannt ist, prinzipiell auf die gleiche Weise z. B. anhand des Analogsignals ermittelt werden, wie zuvor beschrieben die Ausschwingfrequenz.
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich einer Verwendung von Straßen- und Witterungseinflüssen ausgesetzten Ultraschallsensoren gewerblich anwendbar, wie etwa von für Fahrzeuge vorgesehenen Ultraschallsensoren zur Umfelderfassung, wie z. B. zur Abstandsmessung zu Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs während eines Einparkvorgangs.
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

JP 4242189 A [0005]
DE 10142075 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Vereisungs- und Verschmutzungserkennung einer Umwelteinflüssen ausgesetzten, durch Anregung mit einer vorgegebenen Anregefrequenz Ultraschallwellen aussendenden Membran eines Ultraschallsensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschwingfrequenz im Anschluss an eine Anregung (01) beobachtet, und durch Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Anregefrequenz auf die Resonanzfrequenz der unvereisten und/oder unverschmutzten Membran eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vereisung und/oder Verschmutzung der Membran festgestellt wird, wenn die Ausschwingfrequenz von der Anregefrequenz abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vereisung festgestellt wird, wenn die Ausschwingfrequenz höher als die Anregefrequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschmutzung festgestellt wird, wenn die Ausschwingfrequenz niedriger als die Anregefrequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn Ausschwingfrequenz und Anregefrequenz mehr als um einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander abweichen, ein Warnsignal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich der Anregefrequenz mit der Ausschwingfrequenz die Differenz zwischen der Anregefrequenz und der Ausschwingfrequenz gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung (01) vor Beginn der Beobachtung der Ausschwingfrequenz für eine vorgegebene Zeit (02) ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit (02) einer Aussetzung der Anregung (01) vor der Beobachtung bis zu 1 ms, besonders bevorzugt 0,5 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zur Beobachtung der Ausschwingfrequenz ein Analogsignal (04) des Ultraschallsensors ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Ausschwingfrequenz die Ausschwingzeit (05) des Analogsignals (04) gemessen sowie die Anzahl der Nulldurchgänge (06) des Analogsignals (04) während der Ausschwingzeit (05) gezählt und die Anzahl der Nulldurchgänge (06) durch die Ausschwingzeit (05) dividiert wird.