-
Stand der Technik
-
Es sind akustische und elektromagnetische Pulsechoverfahren bekannt, die eine Umgebung mittels eines ausgesandten Pulses abtasten und anhand des zurückgeworfenen Pulses erfassen. Mit diesem Verfahren können Abstände zu einem Objekt erfasst werden, Objekte klassifiziert werden, oder Eigenschaften des Übertragungsmediums innerhalb der Umgebung ermittelt werden. Die Erfindung ist insbesondere für den letztgenannten Zweck geeignet, wobei als Umgebung ein Fluidkanal betrachtet wird, durch den ein Fluid, insbesondere eine Gas wie eine Luft-/Kraftstoffmischung, fließt, und als Eigenschaft mittels des Pulsechoverfahrens die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.
-
In der zum Prioritätszeitpunkt nicht veröffentlichten Anmeldung
DE 10 2009 046 562 betrifft eine Erfassung anhand eines Frequenzverlaufs, wobei dies jedoch einer signifikanten Frequenzmodulation zur präzisen Erfassung einer Zeitreferenz bedarf. Insbesondere betrachtet die dort beschriebene Verfahrensweise nur den zeitlichen Verlauf des Empfangssignals, das den zurückgeworfenen Puls wiedergibt und nicht vorangehende Rauschkomponenten.
-
Insbesondere auf dem Gebiet der Ultraschall-Luftmassenmesser ist bekannt, einen Übertragungsweg entlang des Kanals in beiden Richtungen zwischen zwei Wandlern abzutasten. Es werden Laufzeiten für die unterschiedlichen Richtungen ermittelt, aus denen die Strömungsgeschwindigkeit abgeleitet werden kann, wobei die Genauigkeit insbesondere davon abhängt, wie präzise der Pulsbeginn (oder eine andere Zeitmarke) in dem empfangenen Puls trotz Kanalverzerrung ermittelt werden kann. Gemäß dem Stand der Technik wird daher der Amplitudenverlauf des empfangenen Pulses genau betrachtet, um eine Vorabperiode, in der nur Rauschen vorzufinden ist, von einer Anfangsperiode des empfangenen Pulses zu trennen. Die Analyse des Amplitudenverlaufs zur Trennung von Rauschen und Signal erfordert jedoch gerade für den Pulsanfang, der aufgrund von Einschwingvorgängen eine geringe Signalstärke und eine starke Variation der Signaleigenschaften aufweist, eine aufwändige Wellenformbetrachtungen, die mit kostspieliger Berechnungshardware verknüpft ist, und dennoch eine beschränkte Präzision ermöglicht.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, mit dem bzw. der eine präzise Pulsechoabtastung ermöglicht wird, und die mit einfachen Mitteln umzusetzen ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird erfüllt durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung ermöglicht mit einfachen Mitteln eine präzise Ortung des Beginns des Empfangspulses. Insbesondere wird dies dadurch möglich, dass trotz einfachster Signalverarbeitung die Energie des gesamten oder eines großen Teils des Empfangspulses zur Auswertung verwendet wird, anstatt einzelne Halbwellen oder Perioden zu betrachten. Die Erfindung kann mit Mitteln umgesetzt werden, die in allen üblichen Mikroprozessoren vorhanden sind, und insbesondere durch Digitaltechnik. Die Umsetzung der Erfindung erfordert lediglich eine genaue Zeitnahme, die jedoch durch übliche Taktgeber preiswert zu realisieren ist, und erfordert eine Bearbeitung von Information, die mit einer Wortbreite von lediglich einem oder von zwei Bit ausgeführt werden kann. Insbesondere kann auf eine Amplitudenauflösung und somit auf kostspielige Präzisions-A/D-Wandler verzichtet werden, ohne auf Präzision bei der Erfassung des Zeitpunkts des Empfangspulsbeginns verzichten zu müssen.
-
Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept ist es, eine zeitliche Orientierung, d. h. eine Zeitreferenz wie der Beginn des Empfangspulses aus dem zeitlichen Muster der Nulldurchgänge abzuleiten wobei die Regelmäßigkeit der Nulldurchgänge darauf hinweist, ob nur Rauschen oder auch ein Trägerfrequenzsignal in dem Empfangssignal vorliegt. Abschnitte des Empfangspulses, d. h. Abschnitte, in denen das Empfangssignal den von der Umgebung zurückgeworfenen Sendepuls wiedergibt, weisen auch bei stärkerer Überlagerung durch Rauschen Nulldurchgänge mit einem zeitlichen Muster (d. h. Regelmäßigkeit), das der Trägerfrequenz des Sendepulses entspricht. Bei ausschließlichem Rauschen tritt jedoch kein regelmäßiges Zeitmuster in den Nulldurchgängen auf. Dadurch kann ein Abschnitt des Empfangssignals, der nur Rauschen aufweist, von einem Abschnitt des Empfangssignals unterschieden werden, der auch Komponenten des Empfangspulses aufweist. Dies ermöglicht die präzise Ermittlung des Zeitpunkts, an dem ein Abschnitt des Empfangssignals ohne Empfangspulskomponente an einen Abschnitt des Empfangssignals mit Empfangspulskomponente (d. h. der Empfangspuls) anstößt, wobei dieser Zeitpunkt als Zeitreferenz verwendet wird, um die seit dem Absenden verstrichene Laufzeit zu ermitteln. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß eine statistische Untersuchung der Nulldurchgänge des Empfangssignals ausgeführt, wobei ermittelt wird, ob in dem betreffenden Abschnitt des Empfangssignals die Nulldurchgänge mit einer bestimmten Regelmäßigkeit, insbesondere mit der Regelmäßigkeit der Nulldurchgänge in dem Sendepuls oder Empfangspuls, auftreten, oder nicht. Der Beginn des Auftretens ist der Beginn des Empfangspulses, der als Zeitreferenz zur Laufzeitermittlung dient. Die Zeitpunkte und gegebenenfalls die Übergangsrichtung der Nulldurchgänge sind die Größen, welche auf Regelmäßigkeit untersucht werden, d. h. anhand denen eine Regelmäßigkeitsgröße ermittelt wird. Die Regelmäßigkeitsgröße ist das Ergebnis der statistischen Auswertung der Regelmäßigkeit des Auftretens der Nulldurchgänge.
-
Die Auswertung kann insbesondere durch Korrelation der Abfolge der Nulldurchgänge mit sich selbst bei zeitlichen Verschiebung ungleich null vorgesehen werden. Die Autokorrelationsfunktion eines Rauschsignals weist geringe Werte bei zeitlicher Verschiebung τ ≠ 0 auf, wohingegen die Autokorrelationsfunktion der Abfolge der Nulldurchgänge des Empfangspulses bei zeitlicher Verschiebung τ ≠ 0 (periodisch auftretende) hohe Werte aufweist. Diese Werte bilden die Grundlage für die Unterscheidung des Empfangspulses von vorhergehenden Rauschabschnitten. Ein Übergang des Maximalwerts der Autokorrelationsfunktion bei Verschiebungen τ ≠ 0 auf einen hohen Wert gibt den Zeitpunkt des Beginns des Empfangspulses an. Eine weitere Möglichkeit ist die Korrelation mit einem zu erwartenden, vordefinierten Auftrittsmuster von Nulldurchgängen, die dem Auftreten der Nulldurchgänge in dem Sendepuls entsprechen. Eine einfache Implementierung wird ermöglicht, wenn angenommen wird, dass die Nulldurchgänge in dem Sendepuls mit konstanter Periodizität auftreten, wobei dann das Empfangssignal mit einem periodischen Nulldurchgangsmuster (wie das eines Sinussignals) korreliert wird. Die Erfassung des Beginns des Empfangspulses entspricht der Erfassung des Endes eines Abschnitts, der keine Empfangspulskomponente umfasst (d. h. nur Rauschen). Ebenso ist die Erfassung des Übergangs zwischen einem Abschnitt des Empfangssignals mit geringer oder keiner Regelmäßigkeit und einem Abschnitt des Empfangssignals mit signifikanter Regelmäßigkeit (d. h. der Beginn des Empfangspulses) als eine der vorgehend bezeichneten Erfassungen anzusehen. Die Bezeichnungen können daher gegeneinander ausgetauscht werden. Die Regelmäßigkeit bzw. deren Signifikanz wird durch ein Vergleich zwischen einer Regelmäßigkeitsgröße und einem Schwellwert ermittelt, wodurch auch der Zeitpunkt ermittelt wird, der den Beginn des Empfangspulses wiedergibt.
-
Die Erfindung wird daher vorgesehen von einem Verfahren zur Messung einer Laufzeit eines Pulses in einem Raumbereich. Ein Sendepulses wird in den Raumbereich gesendet, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Trägerfrequenz bzw. Periodizität, oder mit einem bekannten Frequenzverlauf; insbesondere mit einem Auftrittsmuster von Nulldurchgängen, das im Wesentlichen vorbestimmt ist. Der von dem Raumbereich zurückgeworfene (reflektierte, oder gebeugte oder allgemein übertragene) Sendepulses wird als Empfangspuls empfangen.
-
Die Laufzeit wird ermittelt, indem der Beginn des Empfangspulses erfasst wird durch Erfassen einer Regelmäßigkeitsgröße und durch Erfassung des Zeitpunkts, an dem diese ansteigt (oder einen hohen Wert aufweist). Die Regelmäßigkeitsgröße gibt eine Regelmäßigkeit des Auftretens von Nulldurchgängen in dem Empfangspuls wieder. Der Beginn des Empfangspulses gibt denjenigen Zeitpunkt wieder, an dem die erfasste Regelmäßigkeitsgröße oder deren zeitlicher Verlauf sich von einer sich durch Rauschen ergebenden Regelmäßigkeitsgröße oder deren zeitlichem Verlauf unterscheidet. Bei Rauschen ergibt sich mangels regelmäßigem Nulldurchgang nur eine geringe (d. h. nicht signifikante) Regelmäßigkeitsgröße bzw. keine signifikante Steigung der Regelmäßigkeitsgröße.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die erfasste Regelmäßigkeitsgröße die Regelmäßigkeit des Auftretens von Nulldurchgängen und dem zugehörigen Vorzeichen der Steigung im Nulldurchgang berücksichtigt. Die Regelmäßigkeitsgröße gibt daher nicht nur die Regelmäßigkeit des Auftretens von Nulldurchgängen (ohne Berücksichtigung der Übergangsrichtung) wieder, sondern gibt die Regelmäßigkeit wieder, mit der Nulldurchgänge mit positivem Übergang (von negativ nach positiv) und Nulldurchgänge mit negativem Übergang (von positiv nach negativ) auftreten. Insbesondere berücksichtigt die Regelmäßigkeitsgröße die Reihenfolge der Übergangsrichtungen sowie Auftrittszeitpunkte der Nulldurchgänge; das von den Nulldurchgängen dargestellte Muster, aus dem die Regelmäßigkeitsgröße ermittelt wird, ist daher gebildet aus den Zeitpunkten den Nulldurchgänge und deren Übergangsrichtung. In einer alternativen Ausführungsform, die einfacher umgesetzt werden kann, wird die Übergangsrichtung nicht berücksichtigt, die Regelmäßigkeit wird nur anhand der Auftrittszeitpunkte erfasst.
-
Nulldurchgänge ergeben sich aus den Vorzeichen aufeinanderfolgender Halbwellen, d. h. aus deren Wechsel. Da der Verlauf des Vorzeichens und der Verlauf der Nulldurchgänge die gleiche Information wiedergegen (und der Verlauf der Nulldurchgänge dem zeitlich differenzierten Verlauf des Vorzeichens entspricht), entsprechen diese beiden diskretisierten Signaldarstellungen einander und es können diese beiden Darstellungsoptionen gegeneinander ausgetauscht werden. Ebenso kann die Regelmäßigkeit der Nulldurchgänge genauso wie eines Vorzeichensignals betrachtet werden, das den Verlauf des Vorzeichens eines empfangenen Signals angibt.
-
Weiterhin ist vorgesehen, dass Regelmäßigkeitsgröße erfasst wird, indem die Zeitpunkte der Nulldurchgänge mit einem Soll-Zeitmuster des Auftretens der Nulldurchgänge korreliert werden. Die Regelmäßigkeitsgröße gibt das Ergebnis dieser Korrelation wieder. Das Soll-Zeitmuster gibt zeitliche Abstände zwischen Nulldurchgängen wieder, vorzugsweise einschließlich der Übergangsrichtung des Nulldurchgangs. Eine alternative Darstellung des Soll-Zeitmuster gibt den zeitlichen Verlauf des Vorzeichens des empfangenen Signals wieder. Das Soll-Zeitmuster weist keine absolute Zeitreferenz auf, sondern definiert lediglich eine relative zeitliche Signalabfolge. Ein Vergleich zwischen Soll-Zeitmuster und Abfolge der Nulldurchgänge bzw. der Vorzeichen ist ebenso nicht zeitlich absolut orientiert, beispielsweise können relative Maxima, die die Regelmäßigkeit wiedergeben, unabhängig von ihrer Phaseninformation betrachtet werden. Die Korrelation (allgemein: der Vergleich) zwischen Soll-Zeitmuster und empfangenen Signal, um Ähnlichkeiten festzustellen, kann eine zeitlich variable Verschiebung des Soll-Zeitmusters um einen Teil einer Periode, um eine Periode, um mehrere Perioden, oder ein Vielfaches (als reelle Zahl) einer Periode des Soll-Zeitmusters umfassen, um ein (relatives) Maximum an einer vorgegebenen zeitlichen Auswertungsstelle vorzusehen. Bei einem vorgegebenen, d. h. vordefinierten Soll-Zeitmuster (beispielsweise durch einen Signalgenerator oder ein gespeicherter Signalverlauf) kann die zeitliche Verschiebung (der zeitlichen Auswertungsstelle), d. h. der Korrelationsversatz, τ = 0 oder τ ≠ 0 betragen. Wenn als Soll-Zeitmuster das Zeitmuster des empfangenen, auszuwertenden Signals ist, dann ist der Korrelationsversatz τ ≠ 0, um die Übereinstimmung eines Rauschsignals mit sich selbst auszublenden. Der Korrelationsversatz τ kann insbesondere ein Vielfaches einer Halbwelle oder eine Schwingungsperiode des Sendepulses betragen, besonders bevorzugt genau eine Schwingungsperiode des Sendepulses.
-
Ein vordefiniertes Soll-Zeitmuster kann eine konstante Periodizität oder, bei komplexeren Umsetzungen, eine modulationsabhängige Periodizität aufweisen. Das Soll-Zeitmuster wird von einem Taktgenerator erzeugt, dessen Frequenz der Frequenz des Empfangspulses entspricht, gegebenenfalls verschoben um eine vorgegebene (beispielsweise abgeschätzte) Doppler-Frequenzverschiebung.
-
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass der zeitliche Verlauf der Regelmäßigkeitsgröße ermittelt wird, indem die Steigung der Regelmäßigkeitsgröße ermittelt wird. Die Steigung wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Hierzu wird die Regelmäßigkeitsgröße (über ein Zeitfenster) akkumuliert, d. h. integriert oder summiert. Vorzugsweise weist die Regelmäßigkeitsgröße positive Werte bei Übereinstimmung und negative Werte bei starker Unterschiedlichkeit auf, so dass zufällige Übereinstimmungen von Unähnlichkeiten statistisch zu null kompensiert werden. Mit anderen Worten hat bei Rauschen (ohne Empfangspulsanteil) die Regelmäßigkeitsgröße vorzugsweise einen Gleichanteil von null (der auch durch zeitliches Differenzieren erreicht werden kann). Der Beginn des Empfangspulses ergibt sich durch einen vorgegebenen zeitlichen Zusammenhang aus dem Zeitpunkt, an dem der vorgegebene Schwellwert überschritten wird. Dieser zeitliche Zusammenhang kann vorgesehen sein durch eine vorgebebene zeitliche Verschiebung, die einen systembedingten zeitlichen Versatz wiedergibt und kompensiert, beispielsweise eine Verzögerung durch Datenpufferung, Datenverarbeitung, Einschwingzeit oder eine schwellwertbasierte Auswertung, die die Erfassung einer Vielzahl von Empfangspulsperioden erfordert, bevor der Beginn des Empfangspulses valide erfasst wird.
-
Insbesondere bezugnehmend auf die im vorangehenden Absatz beschriebene Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der Regelmäßigkeitsgröße ermittelt wird, indem eine Korrelationsgröße (oder allgemein eine Regelmäßigkeits- oder Ähnlichkeitsgröße) zeitlich integriert oder aufsummiert wird. Der Zeitpunkt, an dem die sich ergebende Kumulationsgröße einen vorbestimmten Wert übersteigt, gibt den Beginn des Empfangspulses wieder. Dies ermöglicht eine gute Trennung von zufällig erhöhten Regelmäßigkeitswerten (die mit der Zeit wieder von geringen bzw. negativen Ähnlichkeits- bzw. Regelmäßigkeitswerten kompensiert werden) gegenüber hohen Regelmäßigkeitswerten, die auf einen Empfangspuls zurückgehen.
-
Hinsichtlich der Erfassung des Beginns des Empfangspulses kann dieser dem Zeitpunkt entsprechen, an dem die erfasste Regelmäßigkeitsgröße oder deren zeitlicher Verlauf sich von einer sich durch Rauschen ergebenden Regelmäßigkeitsgröße oder deren zeitlichem Verlauf unterscheidet, und somit eine Zeitinformation zur Laufzeiterfassung darstellen, die den Zeitpunkt des Erkennens des Beginns wiedergibt. Alternativ kann der Beginn des Empfangspulses, d. h. die Zeitinformation, die diesen wiedergibt, gegenüber diesem Zeitpunkt, an dem der Unterschied gegenüber dem Verhalten bei Rauschen ermittelt wird, zeitlich um eine vordefinierten Versatz verschoben sein. Die Entsprechung umfasst daher ferner einen zeitlichen Versatz. Dieser vordefinierte Versatz gibt insbesondere die Erkennungslatenzzeit wieder, um die der Zeitpunkt des erfassten Unterscheids entgegen dem zeitlichen Verlauf verschoben wird, um den Beginn des Empfangspulses vorzusehen. Der vordefinierte Versatz kompensiert daher den oben genannten systembedingten zeitlichen Versatz, der der Erkennungslatenzzeit entspricht.
-
Der Sendepuls und der Empfangspuls kann als akustischer oder elektromagnetischer Puls ausgesandt werden. Der Puls umfasst eine Vielzahl von Perioden einer Trägerfrequenz (insbesondere mehr als 10) und kann eine Hüllkurve mit stark schwankender Amplitude aufweisen (in Form eines Wellenpakets), wobei die Trägerfrequenz im Wesentlichen konstant ist, und (insbesondere nach einer Einschwingzeit des Wandlers) einer Resonanzfrequenz des (akustischen) Sendesystems entspricht. Die Trägerfrequenz des Sendepulses ist im Wesentlichen konstant, insbesondere mit einer Frequenzschwankung von weniger als 5% oder 1%.
-
Die Erfindung wird ferner realisiert durch ein Verfahren zur Erfassung einer Fluidströmung, wobei Laufzeiten ermittelt werden durch Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung einer Laufzeit. Der Raumbereich, in dem der Sendepuls ausgesendet wird, wird von einem Kanalabschnitt vorgesehen, durch den die Fluidströmung geleitet wird. Die Fluidströmung ist eine Gasströmung, insbesondere eine Strömung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs eines Verbrennungsmotors. Alternativ ist die Fluidströmung eine Flüssigkeitsströmung ist. Da die akustischen Eigenschaften der Gasströmung von dem Zustand der Gasströmung (d. h. des Gases) abhängen, kann eine Kompensation vorgesehen sein, insbesondere eine Kompensation der Abhängigkeit zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit innerhalb des Gases anhand eines vorgegebenen Zusammenhangs zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur (insbesondere als Proportionalität zwischen Schallgeschwindigkeit und Quadratwurzel der absoluten Temperatur).
-
Die Erfindung umfasst daher ferner ein Ultraschall-Luftmassenmessverfahren, das den Luftmassenfluss anhand von Laufzeiten (in zwei entgegengesetzten Übertragungswegen, die zumindest teilweise entlang der zu erfassenden Strömung verlaufen), wobei die Laufzeiten durch Ausführen des erfindungsgemäßem Verfahrens ermittelt werden. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, dass der Sendepuls als ein Ultraschallpuls von einem akustischen Wandler, insbesondere von einem Piezoelement (das den Wandler darstellt), abgegeben wird. Der zurückgeworfene Ultraschallpuls wird mit einem anderen akustischen Wandler, insbesondere einem Piezoelement, empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der andere akustische Wandler ist, bezogen auf den erstgenannten Wandler, stromabwärts (oder stromaufwärts) gemäß der Richtung der Strömung, in einem Kanal angeordnet, in dem die Strömung geführt wird.
-
Der zurückgeworfene Ultraschallpuls (d. h. der Empfangspuls) kann gleichermaßen von dem Wandler empfangen werden, der den Sendepuls abgibt. Die Erfindung kann ferner für fahrzeuggestützte Abstanderfassungseinrichtungen, beispielsweise Einparkassistenzsysteme, eingesetzt werden, bei deren Betrieb Sende- und Empfangswandler identisch sein können.
-
Zudem wird die Erfindung realisiert durch eine Vorrichtung zur Messung einer Laufzeit eines Pulses in einem Raumbereich. Die Vorrichtung umfasst eine elektrische Schnittstelle eingerichtet zum Anschluss mindestens eines Wandlers. Die Schnittstelle ist ferner eingerichtet zum Anlegen von Signalen an den mindestens einen Wandler und zum Empfangen von Signalen von dem mindestens einen Wandler. Die Schnittstelle ist eine kann als analoge oder digitale Ein-/Ausgabeschnittstelle ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall die Diskretisierung des empfangenen Signals an der Schnittstelle stattfindet (bsp. mittels eines Komperators zur Unterscheidung von negativen und positiven Signalen), und die Schnittstelle zur Anregung des Wandlers des durch binäre Pulse eingerichtet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine mit der Schnittstelle verbundene Empfangseinrichtung, die einen Diskretisierer umfasst, der das empfangene Signal in ein Vorzeichensignal diskretisiert, das nur einen Verlauf des Vorzeichens des empfangenen Signals wiedergibt. Im Falle einer digitalen Ein-/Ausgabeschnittstelle kann der Diskretisierer als eine Komponente der Empfangseinrichtung bzw. der Ein-/Ausgabeschnittstelle angesehen werden. Die Vorrichtung umfasst ferner eine mit der Empfangseinrichtung verbundene Korrelationseinrichtung, die einen Vorzeichenmustergenerator umfasst. Die Korrelationseinrichtung ist eingerichtet ist, ein von dem Vorzeichenmustergenerator erzeugtes Soll-Vorzeichensignal (oder Soll-Zeitmuster, das Nulldurchgänge wiedergibt, vorzugsweise einschließlich der zugehörigen Übergangsrichtung) mit dem von der Empfangseinrichtung abgegebenen Vorzeichensignal (bzw. einem entsprechenden Nulldurchgangssignal) zu korrelieren.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass Vorzeichenmustergenerator kein individuelles Signal erzeugt, sondern eingerichtet ist, ein Vorzeichenmuster (d. h. einen zeitlichen Ablauf von Vorzeichen oder von Nulldurchgängen als äquivalente Darstellung) anhand des an der elektrischen Schnittstelle vom Wandler empfangenen Signals ein Muster zu erzeugen. Der Vorzeichenmustergenerator kann in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Verzögerungseinrichtung umfassen, um das vom Wandler empfangene Signal oder das vom Diskretisierer empfangene Signal zu verzögern, vorzugsweise mit τ = 1/f, wobei f der Trägerfrequenz entspricht. In dieser Ausführungsform leitet der Vorzeichenmustergenerator lediglich ein Vorzeichenmuster aus dem empfangenen Signal ab durch verzögern. Der Vorzeichenmustergenerator entspricht in diesem Fall einer Komponente eines Autokorrelators mit τ ≠ 0, wobei die von dem Vorzeichenmustergenerator vorgesehene Komponente im Wesentlichen aus einem Verzögerungsglied (und entsprechenden Anschlüssen) besteht.
-
Die Vorrichtung sieht eine mit der Korrelationseinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung vor, die eingerichtet ist, aus dem Ausgangssignal der Korrelationseinrichtung einen Empfangszeitpunkt (d. h. Beginn des Empfangspulses) zu extrahieren, an dem das von dem Diskretisierer abgegebene Signal beginnt, eine Regelmäßigkeit aufzuweisen, die der Regelmäßigkeit des vom Vorzeichenmustergenerator erzeugten Vorzeichensignals oder Nulldurchgangssignals entspricht. Aufgrund der Entsprechung von Nulldurchgangssignal und Vorzeichensignal kann der Vorzeichenmustergenerator auch als Nulldurchgangssignalgenerator oder als Nulldurchgangsmustergenerator bezeichnet werden. Neben der oben beschriebenen Variante, gemäß der der Vorzeichenmustergenerator lediglich das Eingangssignal des Wandlers mittels eines Verzögerungsglieds umwandelt und kein eigenes Signal erzeugt, kann das Signal bzw. das Muster auch in dem Vorzeichenmustergenerator abgelegt sein oder kann vorzugsweise anhand eines Mechanismus, der das Signal bzw. Muster implementiert, von dem Vorzeichenmustergenerator erzeugt werden. Der dieser Ausführungsform Vorzeichenmustergenerator kann einen Eingang umfassen, mit dem die Phase des erzeugten Musters oder Signals (einschließlich eines Phasenversatzes von null) eingestellt werden kann. Dieser Eingang ist mit der Schnittstelle verbunden, so dass der Vorzeichenmustergenerator eingerichtet ist, von dem an der Schnittstelle empfangenen Signal getriggert zu werden. Dies entspricht einer Synchronisationsverbindung, die die Schnittstelle mit dem Generator verbindet, so dass der Generator nur zeitliche Abstände für die Signale vorsieht, und eine absolute Zeitreferenz (d. h. die Phasenlage) von der Schnittstelle vorgegeben wird.
-
Die Vorrichtung umfasst schließlich eine Zeiterfassungseinrichtung, die eingerichtet ist, eine Zeitdauer zwischen einem Sendezeitpunkt, an dem ein Signal an den Wandler angelegt wird, und dem Empfangszeitpunkt zu erfassen und die Laufzeit basierend auf dieser Zeitdauer vorzusehen und insbesondere an einem Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung abzugeben.
-
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung einen Integrator umfasst, der eingerichtet ist, das Ausgangssignal der Korrelationseinrichtung zu integrieren. Der Eingang des Integrators ist womit mit einem Ausgang der Korrelationseinrichtung verbunden. Die Auswerteeinrichtung umfasst ferner einen Vergleicher, der mit einem Ausgang des Integrators verbunden ist. Der Vergleicher ist eingerichtet, zu ermitteln, ob der Integrator einen Wert abgibt, der über einem vorgegebenen Schwellwert liegt. Der Schwellwert kann in dem Vergleicher vorgesehen sein, oder kann von einem individuellen Schnittstellengenerator der Vorrichtung vorgesehen werden. Der Vergleicher kann durch ein (höherwertiges) Bit n einer digitalen Integratorschnittstelle an einem Ausgang des Integrators vorgesehen sein, dessen Wert sich ändert (auf 1 schaltet), wenn der Wert 2n (oder ein anderer Schwellwert) erreicht wird. Der Vergleicher kann insbesondere von einer festverdrahteten Logik oder von einer programmierbaren vorgesehen sein, die an dem Ausgang des Integrators angeschlossen ist.
-
Die Erfindung wird zudem umgesetzt von einer Anordnung, die die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst sowie den zumindest einen Wandler, der an der elektrischen Schnittstelle angeschlossen ist. Der Wandler kann in einer Halterung angeordnet sein, die äußere Befestigungskomponenten umfasst, die zur Befestigung der Halterung in einer Außenseite eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eines PKW oder LKW eingerichtet sind. Der zumindest eine Wandler kann in einer Stoßstange eines Kraftfahrzeugs montiert sein und die erfindungsgenmäße Vorrichtung kann mit einem Einparkassistenzsystem verbunden sein, um diesem Daten über Umfeldabtastungen zu liefern, die auf den erfindungsgemäß erfassten Laufzeiten basieren. Grundsätzlich können die Nulldurchgänge bzw. das Vorzeichensignal binär oder ternär dargestellt werden.
-
Eine binäre Darstellung basiert auf zwei Werten. Zeitpunkte, die Nulldurchgänge aufweisen, werden mit ersten binären Werten versehen, und Zeitpunkte ohne Nulldurchgänge werden mit zweiten binären Werten versehen. Optional können die Zeitpunkte, die Nulldurchgänge aufweisen, mit einer zusätzlichen Information versehen werden, die die Richtung des Übergangs wiedergeben. Diese Information kann ebenso binär sein, d. h. unterschiedliche Übergangsrichtungen erhalten unterschiedliche binäre Werte. Wenn die zusätzliche Information bei der beschriebenen Nulldurchgangsdarstellung verwendet wird, können die Nulldurchgänge durch 2 Bit dargestellt werden. Bei der Darstellung eines Vorzeichensignals in binärer Form wird ein Signalwert über einem Schwellwert ein erster binärer Wert zugeordnet, und ein Signalwert, der nicht über dem Schwellwert liegt, wird ein zweiter binärer Wert zugeordnet. Der Schwellwert ist vorzugsweise null; die binären Werte entsprechen dann unmittelbar dem Vorzeichen des Signalwerts.
-
Eine ternäre Darstellung basiert auf drei Werten (die mit 2 Bit dargestellt werden können). Ein inneres Intervall der ternären Darstellung wird durch zwei Schwellwerte bestimmt, zwischen denen vorzugsweise null liegt. Zeitpunkte, die Nulldurchgänge von unterhalb des Intervalls in das Intervall hinein aufweisen, werden mit ersten ternären Werten versehen, Zeitpunkte, die Nulldurchgänge von oberhalb des Intervalls in das Intervall hinein aufweisen, werden mit zweiten ternären Werten versehen und Zeitpunkte ohne Intervallübergänge (insbesondere mit Signalwerten innerhalb des Intervalls) werden mit dritten ternären Werten versehen. Alternativ können Zeitpunkte, die Nulldurchgänge von innerhalb des Intervalls in einen Bereich unterhalb des Intervalls hinein aufweisen, mit den ersten ternären Werten versehen werden, und Zeitpunkte, die Nulldurchgänge von innerhalb des Intervalls in einen Bereich oberhalb des Intervalls hinein aufweisen, mit den zweiten ternären Werten versehen werden. Die ternäre Darstellung ermöglicht die Diskretisierung von Signalwerten nahe null (d. h. innerhalb des Intervalls) auf einen Null-Zustand, wodurch Grundrauschen bereits vor der Erfassung einer Regelmäßigkeit ausgeblendet wird. Die ternäre Darstellung der Nulldurchgänge kann in einer weiteren Alternative vorsehen, dass Zeitpunkte, bei denen der untere der Schwellwerte des Intervalls über- oder unterschritten wird, mit einem ersten ternären Wert versehen wird, Zeitpunkte, bei denen der obere der Schwellwerte des Intervalls über- oder unterschritten wird, mit einem zweiten ternären Wert versehen wird, und eine optionale zusätzliche Information gibt die Richtung des Übergangs wieder, d. h. in das Intervall hinein oder aus diesem heraus. Diese zusätzliche Information kann binär sein, d. h. unterschiedliche Übergangsrichtungen erhalten unterschiedliche binäre Werte. Bei der Darstellung eines Vorzeichensignals in ternärer Form wird ein Signalwert über dem oberen Schwellwert ein erster ternärer Wert zugeordnet, ein Signalwert unter dem oberen Schwellwert wird ein zweiter ternärer Wert zugeordnet und ein Signalwert innerhalb des Intervalls mit den beiden Schwellwerten als Grenzen wird ein dritter ternärer Wert zugeordnet. Auch hier wird Grundrauschen durch Diskretisierung unterdrückt, wenn der dritte ternäre Wert zugeordnet wird.
-
Die Erfindung kann durch eine festverdrahtete Schaltung (bsp. ein ASIC oder FPGA) oder durch eine zumindest teilweise programmierbare Schaltung (bsp. ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller) und einem zugehörigen Programm umgesetzt werden, das auf der programmierbaren Schaltung abläuft. Vorrichtungskomponenten und Verfahrensschritte können durch Programmteile und zugehöriger Hardware realisiert werden, wobei Schnittstellen und Übermittlungen vorgesehen werden durch Übergabeparameter innerhalb der Struktur des Programms.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die 1 zeigt eine schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle 10, an die mindestens eine Wandler 12, 14 angeschlossen werden kann. Die Schnittstelle kann durch eine elektrische Steckverbindung vorgesehen werden. Die Vorrichtung umfasst eine Empfangseinrichtung 20, die einen Diskretisierer 22 umfasst. Die Empfangseinrichtung 20 kann einem dem Diskretisierer 22 vorgeschaltetem A/D-Wandler umfassen, wobei jedoch vorzugsweise, wie dargestellt, der Diskretisierer 22 ein analoges Signal von der elektrischen Schnittstelle erhält, der dieses in ein binäres oder ternäres Signal wandelt. Der Diskretisierer 22 kann als (Fenster-)Komparator vorgesehen sein, kann jedoch auch von einem Komparator oder A/D-Wandler einer Digitalisierungsschnittstelle eines Prozessors vorgesehen sein, der auch anderen Komponenten der Vorrichtung vorsieht. In einer nicht dargestellten Ausführungsform umfasst die Empfangseinrichtung 20 die Schnittstelle 10 und den Diskretisierer 22. Ferner kann zwischen der Schnittstelle 10 und dem Diskretisierer ein analoges Filter (nicht dargestellt) zur Aufbereitung des Wandlersignals vorgesehen sein.
-
An dem Ausgang der Empfangseinrichtung 20, die das vom Wandler empfangene Signal als Nullstellen- oder Vorzeichenverlauf abgibt, vorzugsweise als ternäres Signal, ist eine Korrelationseinrichtung 30 angeschlossen. Diese umfasst einen Vorzeichenmustergenerator, der in der dargestellten Ausführungsform als Verzögerungsglied 32 umgesetzt ist, welches das Ausgangssignal von der Empfangseinrichtung erhält und verzögert abgibt, um dadurch das Vorzeichenmuster (als verzögertes, von der Empfangseinrichtung abgegebenes Vorzeichensignal) vorzusehen. Die Korrelationseinrichtung 30 umfasst einen Multiplikator 34, der als Kombinationselement arbeitet, welches das Empfangseinrichtung abgegebene Vorzeichensignal mit dem Signal des Vorzeichenmustergenerators (hier: das Verzögerungsglied 32 und deren Verbindung mit der Empfangseinrichtung) kombiniert. Die Kombination wird gemäß 1 als Multiplikation ausgeführt, wobei der Multiplikator als einfache AND-Verknüpfung vorgesehen werden kann. Die Korrelationseinrichtung 30 ist als Autokorrelationseinrichtung ausgeführt, wobei der zeitliche Versatz τ der Autokorrelation größer null ist und von dem Verzögerungsglied 32 definiert wird. Das Verzögerungsglied 32 sieht beispielsweise eine Verzögerung vor, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Länge einer Anregungsperiode des Empfangspulses entspricht. Wenn die Übergangsrichtung des Nulldurchgangs berücksichtigt wird (oder wenn das Vorzeichensignal auch die Polarität des Signals wiedergibt), beträgt die Verzögerung ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode des Empfangspulses. Wenn die Polarität bzw. die Übergangsrichtung nicht berücksichtigt wird, sonder nur der Zeitpunkt eines Nulldurchgangs bzw. die Änderung der Polarität, beträgt die Verzögerung ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Periode des Empfangspulses.
-
Mit dem Ausgang der Korrelationseinrichtung 30 ist eine Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die einen Integrator 42, einen Tiefpass 44 und einen Schwellwertvergleicher 46 umfasst. Der Integrator 42 integriert das von der Korrelationseinrichtung 30 abgegebene Autokorrelationssignal (mit τ > 0), um dadurch die Konstanz der erfassten Regelmäßigkeit zu ermitteln. Ist das Autokorrelationssignal nur kurzzeitig auf einem hohen Wert (beispielsweise eine kurze Folge von Einsen) aufgrund zufälliger Übereinstimmung zwischen Signal und verzögertem Signal, steigt der Integratorausgang nur auf einen geringfügigen Wert. Bei Erfassung eines regelmäßigen Signals steigt der Integratorausgang über längere Zeit kontinuierlich. Die Auswerteeinrichtung 40 umfasst einen dem Integrator 42 nachgeschalteten Tiefpass 44, um hochfrequente Schwankungen (erzeugt durch Rauschen) aus dem Autokorrelationssignal zu entfernen. An dem Tiefpass 44 ist der Schwellwertvergleicher angeschlossen, mit dem das vom Integrator akkumulierte Signal ausgewertet wird. Wurde ein hoher akkumulierter Wert erreicht, so kann von hoher Regelmäßigkeit ausgegangen werden und der Beginn des Empfangssignals wird detektiert. Um zu verhindern, dass zufällig akkumulierte Werte mit der Zeit ebenso einen hohen Wert erreichen, was der Fall sein kann, wenn die Korrelationseinrichtung nur nicht-negative Werte ausgibt, kann zwischen dem Integrator 42 und dem Schwellwertvergleicher 46, vorzugsweise zwischen Tiefpass 44 und Schwellwertvergleicher 46 ein Differentiator (oder ein anderer Hochpass) angeschlossen, der den Gleichanteil aus dem Signal des Integrators 42 entfernt. Dadurch werden hohe Werte nur erreicht, wenn der Integrator eine (kontinuierliche) wesentliche Steigung aufweist, die von einem Empfangspuls herrührt. Anstatt des Differentiators (nicht dargestellt) kann auch der Integrator 42 als Fensterintegrator ausgeführt werden, der nur ein gleitendes Zeitfenster berücksichtigt. Dadurch können sich ebenso keine hohen Werte durch Akkumulation einer Vielzahl von zufälligen, zeitlich beabstandeten hohen Werten ergeben.
-
Falls die Korrelationseinrichtung 42 eingerichtet ist, das Korrelationsergebnis mit beiden Polaritäten vorzusehen, ist eine Korrekturmassnahme wie sie der Differentiator darstellt, nicht notwendig, da durch die zufällige Verteilung der Korrelationwerte bei Rauschen sich automatisch ein Gleichanteil des aufsummierten Korrelationssignals von Null ergibt.
-
An die Auswerteeinrichtung 40 ist eine (optionale) Verschiebungseinrichtung 50 angeschlossen, die die Latenzzeit zwischen Auftreten und Erfassen des Beginns des Empfangspulses korrigiert. Die von der Verschiebungseinrichtung 50 vorgesehene Zeitinformation entspricht daher der Zeitinformation des Zeitpunkts, an dem der Schwellwertvergleicher 46 die Überschreitung des Schwellwerts anzeigt, vorgezogen um eine vordefinierte Zeitdauer, die systembedingte Verzögerungen wiedergibt, beispielsweise die Zeit, bis es dauert, dass der Integrator bei Empfang des Empfangspulses einen Wert vorsieht, der dem Schwellwert des Schwellwertvergleichers 46 entspricht. Ferner können Verzögerungen durch Datenpufferung in einem Register sowie Bearbeitungszeiten berücksichtigt werden.
-
An die Verschiebungseinrichtung 50 ist eine Zeiterfassungseinrichtung 60 angeschlossen, die von einer nicht dargestellten Startzeitvorgabeeinrichtung Information über den Zeitpunkt des Absendens des Pulses erhält, vergleiche gestrichelter Pfeil, und die die Zeitinformation der Verschiebungseinrichtung 50 erhält. Die Zeiterfassungseinrichtung 60 erzeugt die Zeitdifferenz und gibt diese als Laufzeit an einem Ausgang ab, dargestellt durch einen nach unten gerichteten Pfeil. Zeiterfassungseinrichtung 60 und Verschiebungseinrichtung 50 können miteinander integriert sein. Zur Erfassung der verstrichenen Zeit (bzw. zum erzeugen der Zeitinformation) kann die Vorrichtung eine Zeiterfassung aufweisen (bsp. einen Taktgenerator und einen Zähler).
-
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
-
