DE102011016287A1

DE102011016287A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011016287A1
Application number: DE102011016287A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Max Stephan; Claudia Prauße; Prof. Dr.-Ing. Vossiek Martin; Alexander Urban; Sergej Mamaschew
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: DE102011016287B4

Abstract

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Regeln der Betriebsfrequenz eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Ultraschallsensors, wobei der Ultraschallsensor Sendeimpulse vorgegebener Zeitdauer aussendet, umfasst die Schritte bzw. führt diese aus: – Bestimmen der Sendefrequenz des durch ein Anregungssignal mit vorgegebener Betriebsfrequenz erzeugten Sendeimpulses, – Bestimmen der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors aus dem Ausschwingverhalten des abklingenden Sendeimpulses nach Beendigung des Anregungssignals, und – Bestimmen einer Regelgröße aus der Sendefrequenz und der Resonanzfrequenz zur Regelung der Betriebsfrequenz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.
In heutigen Kraftfahrzeugen nimmt zur Erhöhung der Sicherheit und des Fahrkomforts die Verwendung von Sensoren zur Erfassung des Umfelds eines Kraftfahrzeugs immer mehr zu, deren Umfeldmessdaten in entsprechenden Fahrerassistenzsystemen einfließen und dort verarbeitet werden. In Applikationen, wie beispielsweise Einparkhilfen, unterstütztes oder automatisches Einparken, werden zur Vermessung und Bestimmung von Abständen zu Objekten im nahen Umfeld eines Kraftfahrzeugs üblicherweise Ultraschallsensoren eingesetzt. Bei derartigen Systemen wird vom Sensor ein Schallimpuls erzeugt, welcher sich mit der im Medium, mit anderen Worten der Umgebungsluft, gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Sensor entfernt, von einem Objekt in der Kraftfahrzeugumgebung reflektiert und die Reflektion anschließend von Sensor detektiert wird. Aus der gemessenen Laufzeit des Schallimpulses und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums kann dann der Abstand des Objekts zum Sensor bestimmt werden.
Zur Erzeugung des Ultraschallimpulses wird üblicherweise eine Membran mittels eines Piezoelement zu einer Schwingung angeregt, wobei die Frequenz des Anregungssignals die Frequenz des abgestrahlten Impulses bestimmt, mit andern Worten, es handelt sich um eine erzwungene harmonische Schwingung. Ein derartiger harmonischer Oszillator weist, entsprechend seiner mechanischen Vorgaben, eine Resonanzfrequenz auf, bei welcher die maximale Amplitude im Verhältnis zur Anregungsamplitude erreicht wird. Zur Erzielung einer hohen Signalstärke des Sendeimpulses ist es daher notwendig, den Oszillator mit einer Frequenz anzuregen, die mit der Resonanzfrequenz des harmonischen Oszillators im Wesentlichen übereinstimmt.
Der Oszillator oder Ultraschallwandler führt daher während der Anregung eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des Anregungssignals aus. Wird das periodische Anregungssignal abgeschaltet, so wird die im Wandler gespeicherte Schwingungsenergie durch die Dämpfung abgebaut, so dass die Oszillatorschwingung ausschwingt und die Amplitude bis auf Null abnimmt. Bei diesem Ausschwingvorgang schwingt aufgrund des Fortfalls des Anregungssignals der harmonische Oszillator nunmehr frei mit der mechanisch vorgegebenen Resonanzfrequenz.
Aus der DE 10 2007 059 908 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines mechanischen Schwingungssensors bekannt, bei dem aus dem Ausschwingverhalten die Resonanzfrequenz des Oszillators bestimmt und aus deren Lage auf eventuelle Änderungen des Oszillatorzustands geschlossen wird.
Die Druckschrift DE 10 2005 038 649 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, der Ultraschallwellen aussendet und empfängt. Dabei sieht das Verfahren eine Kalibrierung vor, bei welcher der Ultraschallwandler mit einem Anregungssignal für eine vorgegebene Ansteuerungszeit angesteuert wird, wobei das Anregungssignal eine vorgegebene Frequenz aufweist, die Ausschwingfrequenz ermittelt wird, mit welcher der Ultraschallwandler nach der Anregung zur Erzeugung des Anregungssignals ausschwingt, und eine Betriebsfrequenz in Abhängigkeit von der ermittelten Ausschwingfrequenz insbesondere für eine spätere Ansteuerung des Wandlers ermittelt wird.
Insbesondere Applikationen wie das automatische Parken stellen stets wachsende Anforderungen an die Umfeldsensorik. Um die Sensoren effizient zu betreiben, ist das Ausnutzen der Resonanzfrequenz des Wandlers enorm wichtig. Wird der Wandler außerhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben, sinkt der Wirkungsgrad des Wandlers stark, was wiederum die Reichweite der Sensorik deutlich reduziert, wie dies bereits erwähnt wurde. Insbesondere Wandler mit einer niedrigen Bandbreite sind davon betroffen.
Bei klassischen sichtbaren Ultraschallsensoren ist daher das Verhalten des Wandlers über der Temperatur genau bekannt. Sonstige Effekte, z. B. durch Einflüsse des Stoßfängers, sind durch speziell ausgeführte Entkopplungsringe vermieden worden. Daher wird lediglich eine Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz über die Temperatur im Vorfeld aufgenommen und als Korrekturfunktion im Betrieb verwendet.
Die Resonanzfrequenz von verdeckten Ultraschallsensoren ist deutlich stärker durch das Umfeld und die Umweltbedingungen beeinflussbar, wobei verdeckte Ultraschallsensoren beispielsweise an der Innenseite eines Stoßfängers angeordnete Ultraschallsensoren sind. In diesem Fall ist die Sensorik direkt an den Stoßfänger gekoppelt und Teile des Stoßfängers wirken als Membran. Da designbedingt der Stoßfänger in Abhängigkeit von dem Zielfahrzeug angepasst wird, ist der Einfluss des Stoßfängers stets unterschiedlich und müsste so separat für jede Verbauposition aufwendig erfasst und kalibriert werden, beispielsweise mit dem oben beschriebenen Kalibrierverfahren. Ferner beeinflussen Temperaturänderungen die Resonanzfrequenz des verdeckt eingebauten Ultraschallssensors, d. h. des schwindenden Systems bestehend aus Ultraschallsensor und Umgebungsmaterial, beispielsweise Stoßfänger, erheblich. Mit anderen Worten, die Resonanzfrequenz und damit die optimale Betriebsfrequenz ist in hohem Maße von der Umgebungstemperatur und damit von der Systemtemperatur abhängig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines schwingenden Systems, welches durch einen Ultraschallwandler und dem Material des Einbauortes gebildet wird, zu schaffen, so dass das schwingende System optimal betrieben wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Betriebsfrequenz eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Ultraschallsensors, der zusammen mit dem Material des Einbauorts ein schwingendes System bildet, wobei das schwingende System Sendeimpulse vorgegebener Zeitdauer aussendet, weist die folgenden Schritte auf:

– Bestimmen der Sendefrequenz des durch ein Anregungssignal mit vorgegebener Betriebsfrequenz erzeugten Sendeimpulses,
– Bestimmen der Resonanzfrequenz des schwingenden Systems aus dem Ausschwingverhalten des abklingenden Sendeimpulses nach Beendigung des Anregungssignals, und
– Bestimmen einer Regelgröße aus der Sendefrequenz und der Resonanzfrequenz zur Regelung der Betriebsfrequenz.

Durch diese Regelung wird ein automatisches Anpassen der Betriebsfrequenz des schwingenden Systems, bestehend aus dem im Kraftfahrzeug verbauten Ultraschallsensor und seiner Umgebung, beispielsweise der Stoßstange, an die Resonanzfrequenz des schwingenden Systems erreicht. Ferner passt das System automatisch die Betriebsfrequenz zum Betreiben des schwingenden Systems an die aktuelle Temperatur des Systems an, so dass eine separate Temperaturmessung zur Anpassung der Betriebsfrequenz überflüssig ist. Dies ist insbesondere wichtig für sogenannte verdeckte Ultraschallsensoren, unter denen an der Innenseite eines Stoßfängers angeordnete Ultraschallsensoren verstanden werden. Der üblicherweise aus Polypropylen, kurz PP, bestehende Stoßfänger bildet zusammen mit dem Ultraschallsensor ein schwingendes System, dessen Resonanzfrequenz stark vom Einbauort und der Temperatur des Stoßfängers abhängt. Durch die automatische Anpassung der Betriebsfrequenz wird immer eine optimale Abstrahlung des Sendeimpulses erreicht.
Vorzugsweise wird die Sendefrequenz durch die Analyse des angeregten Signalabschnitts des Sendeimpulses bestimmt. Dies kann durch eine direkte Messung der Sendefrequenz des mit der Betriebsfrequenz angeregten Signalabschnitts erfolgen oder durch Verwendung der aktuellen anregenden Betriebsfrequenz.
Weiter bevorzugt wird der angeregte Signalabschnitt des Sendeimpulses mit einer Fensterfunktion multipliziert und das mit der Fensterfunktion multiplizierte Signalabschnitt in den Frequenzraum zur Bestimmung der Sendefrequenz transformiert wird.
Ferner wird weiter bevorzugt das Abklingsignal des Sendeimpulses, d. h. der abklingende Abschnitt des Sendeimpulses, mit einer Fensterfunktion multipliziert und das mit der Fensterfunktion multiplizierte Abklingsignal in den Frequenzraum zur Bestimmung der Resonanzfrequenz transformiert wird. Als Fensterfunktionen kommen dabei die Üblicherweise in Zusammenhang mit der Fourier Transformation verwendeten Fensterfunktionen in Betracht, also beispielsweise Hamming-Fenster, Hanning–Fenster, Gauss'sches Fenster oder Blackmann-Fenster. Dabei ist die Aufzählung nicht abschließend zu verstehen.
Vorzugsweise erfolgt die Transformation in den Frequenzraum des angeregten Abschnitts bzw. des abklingenden Abschnitts durch eine Fouriertransformation, insbesondere eine FFT (Fast Fourier Transformation).
Weiter bevorzugt wird eine Regelgröße als Funktion der Differenz von Sendefrequenz und Resonanzfrequenz bestimmt. Diese Regelgröße kann dann zur kontinuierlichen Regelung der Betriebsfrequenz zum Anregen des schwindenden Systems im Sinne einer Rückkopplung verwendet werden, wodurch sich automatisch das Verhalten des schwingenden Systems an veränderte Umfeldbedingungen, Einbauort, Umgebungstemperatur oder Bauteiltoleranzen anpasst.
Es ist auch möglich, die Regelgröße in vorgegebenen Zeitabständen, insbesondere periodisch, zu ermitteln. Insbesondere kann jedoch die Regelgröße zur Verwendung als direkte Rückkopplung für jeden Sendeimpuls bestimmt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Regeln der Betriebsfrequenz eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Ultraschallsensors umfasst einen Ultraschallsensor mit einer mit einer Ansteuereinheit ansteuerbaren Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, wobei der Ultraschallsensor mit dem Material des Einbauortes des Kraftfahrzeugs einen gekoppelten Oszillator bildet, wobei die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zur Bestimmung der Sendefrequenz, eine Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des gekoppelten Oszillators und eine Einrichtung zur Bestimmung einer Regelgröße zur Regelung der Betriebsfrequenz des Ultraschallsensors aufweist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zur Aufzeichnung und Auswertung der ermittelten Resonanzfrequenzen auf. Mittels dieser Einrichtung lassen sich beispielsweise Schmutz- oder Eisablagerungen auf der Stoßstange anhand signifikanter Änderungen der Resonanzfrequenz ermitteln.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
1 den zeitlichen Verlauf einer Abstandsmessung mittels eines Ultraschallwandlers, und
2 die Ermittlung der Sende- und Resonanzfrequenz eines Ultraschallwandlers.
1 zeigt das Schema einer Abstandsmessung mittels Ultraschalls als zeitliches Diagramm, wobei der Ort der Signalausstrahlung bzw. des Signalempfangs betrachtet wird. Ein Ultraschallwandler erzeugt mit einem Anregungssignals mit bekanntem Anregebeginn und bekannter Anregedauer einen Sendeimpuls 1, welches aus einem angeregten Abschnitt 2 und einem Abklingsignal 3 besteht. Dabei verhält sich das schwingende System bestehend aus dem Ultraschallsensor und dem Material des Einbauort, beispielsweise der Stoßstange, als gekoppelter Oszillator, der über das Anregungssignal zu einer erzwungenen Schwingung angeregt wird, so dass sich der angeregte Abschnitt 2 des gekoppelten Oszillators, also des verdeckt eingebauten Ultraschallwandlers, ergibt. Nach Beendigung der Anregung baut das System die vorhandenen Schwingungsenergie über die Dämpfung des Systems ab und es ergibt sich das Abklingsignal 3 des nunmehr frei schwingenden Oszillators. Der ausgestrahlte Sendeimpuls wird an einem Objekt reflektiert und am Ort des Ultraschallsensors ist ein reflektiertes Signal 4 sichtbar. Aus der verstrichenen Zeit und der Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand des Objekts zu dem Sensor ermittelt werden. Nach dem eigentlichen Messsignal 4 können noch Echosignale 5 auftreten, die letztlich durch die Einstellung einer geeigneten Schwelle für die Empfangsamplitude gefiltert werden können.
2 zeigt die Ermittlung der Sende- und Resonanzfrequenz eines verdeckt eingebauten Ultraschallwandlers, d. h. eines mit der Einbauumgebung, wie beispielsweise einem Stoßfänger, gekoppelten Ultraschallwandlers. Im oberen Teil der 2 ist die Amplitude eines Sendeimpulses 1 als Funktion der Zeit t schematisch dargestellt. Dabei setzt sich der Sendeimpuls 1 aus einem ersten und einem zweiten Abschnitt zusammen, wobei der erste Abschnitt den angeregten Abschnitt 2 des Sendeimpulses 1 darstellt, und der zweite Abschnitt das Abklingsignal 3 des Sendeimpulses bildet. Dabei weist der angeregte Abschnitt 2 eine Sendefrequenz SF auf, die im Wesentlichen mit der Anregungsfrequenz eines Anregungssignals (nicht dargestellt), d. h. der Betriebsfrequenz, übereinstimmt, da das schwingende System eine erzwungene Schwingung ausführt. Das Abklingsignal 3 ergibt sich aus der freien abklingenden Schwingung des Oszillators mit der Resonanzfrequenz des schwingenden Systems RF.
Im Abschnitt I der 2 wird der angeregte Abschnitt (2) des Sendeimpulses (1) und parallel dazu in Abschnitt II das Abklingsignals (3) separat dargestellt. Der angeregte Abschnitt 2 des Sendeimpulses 1 oder ein geeigneter Teil davon wird in üblicher Weise mit einer geeigneten Fensterfunktion, beispielsweise einem Hamming-Fenster oder dergleichen multipliziert, so dass sich ein gefensterter angeregter Abschnitt 6 bzw. ein gefenstertes Abklingsignal 7 ergibt. Mittels einer Fast Fourier Transformation FFT wird die Sendefrequenz SF sowie die Resonanzfrequenz RF ermittelt, aus denen eine Regelgröße R, beispielsweise die Differenz von Sendefrequenz und Resonanzfrequenz, ermittelt wird.
Es wird daher eine direkte Messung der Sende- und Resonanzfrequenz im Sendebetrieb durchgeführt, um den Sensor stets mit der optimalen Frequenz zu betreiben, wobei die Frequenzbestimmung sowohl im angeregten Signalabschnitt, als auch im Abklingsignal durchgeführt wird. Dies lässt sich beispielsweise durchführen, wenn die Empfangseinheit unabhängig von der Ansteuerung der Sendeeinheit auslesen lässt.
Für die Resonanzfrequenzbestimmung im angeregten Signalabschnitt müssen Anregebeginn und Anregedauer des Anregungssignals bekannt sein, um den entsprechenden Signalabschnitt in den Frequenzraum zu transformieren und auf ein Maximum hin zu analysieren. Um Mehrdeutigkeiten der Transformation zu vermeiden, wird eine vorhergehende Multiplikation mit einer Fensterfunktion zur Unterdrückung von Unstetigkeiten und einer eventuell damit verbundenen Fehlbestimmung der Resonanzfrequenz durchgeführt. Direkt danach folgt der Signalabschnitt für die Resonanzfrequenzbestimmung im abklingenden Signal. Die Länge dieses Signalteils ist durch die ursprüngliche Anregedauer vorgegeben, da es im Allgemeinen nicht sinnvoll ist, die Anregung länger als die Ausschwingdauer zu wählen. Ein mögliches Echo im ausschwingenden Signal, d. h. Reflektion eines nahen Objektes, stellt für die Bestimmung der Resonanzfrequenz des Wandlers keine Störung dar, da es sich um eine phasenverschobene Schwingung derselben Frequenz handelt. Die derart ermittelten Resonanzfrequenzen können zur Nachführung der anregenden Elektronik oder zu Rückschlüssen über Umfeld und Umweltbedingungen eingesetzt werden.
Neben der optimalen Ausnutzung der Wandlerkennlinie hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass eine exakte Nachführung der anregenden Elektronik möglich ist, selbst wenn diese z. B. aufgrund von Bauteiltoleranzen oder durch Temperatureinfluss verstimmt worden ist. Auch zusätzliche Informationen wie z. B. Schmutz- oder Eisablagerungen auf der Stoßstange lassen sich anhand signifikanter Abweichungen der Resonanzfrequenz (im Sinne eines massensensitiven Sensors) ermitteln.
Bezugszeichenliste

1: Sendeimpuls
2: angeregter Abschnitt
3: Abklingsignal
4: Reflektion
5: Echo
6: angeregter Signalabschnitt mit Fensterfunktion
7: Abklingsignal mit Fensterfunktion
I: Behandlung des angeregten Signalabschnitts
II: Behandlung des Abklingsignals
A: Amplitude
t: Zeit
FFT: Fast Fourier Transformation
R: Regelgröße

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007059908 A1 [0005]
DE 102005038649 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Regeln der Betriebsfrequenz eines in einem Kraftfahrzeug verbauten Ultraschallsensors, der zusammen mit dem Material des Einbauorts ein schwingendes System bildet, wobei das schwingende System Sendeimpulse vorgegebener Zeitdauer aussendet, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen der Sendefrequenz (SF) des durch ein Anregungssignal mit vorgegebener Betriebsfrequenz erzeugten Sendeimpulses (1), Bestimmen der Resonanzfrequenz (RF) des schwingenden Systems aus dem Ausschwingverhalten des abklingenden Sendeimpulses (1) nach Beendigung des Anregungssignals, und Bestimmen einer Regelgröße (R) aus der Sendefrequenz (SF) und der Resonanzfrequenz (RF) zur Regelung der Betriebsfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz (SF) durch die Analyse des angeregten Signalabschnitts (2) des Sendeimpulses (1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der angeregte Signalabschnitt (2) oder ein Teil des Signalabschnitts (2) mit einer Fensterfunktion multipliziert und der mit der Fensterfunktion multiplizierte Signalabschnitt (6) in den Frequenzraum zur Bestimmung der Sendefrequenz (SF) transformiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abklingsignal (3) oder ein Teil des Abklingsignals (3) mit einer Fensterfunktion multipliziert und das mit der Fensterfunktion multiplizierte Abklingsignal (7) in den Frequenzraum zur Bestimmung der Resonanzfrequenz (RF) transformiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation durch eine Fourier Transformation, insbesondere eine Fast Fourier Transformation (FFT), erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (R) als Funktion der Differenz von Sendefrequenz (SF) und Resonanzfrequenz (RF) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (R) in vorgegebenen Zeitabständen, insbesondere periodisch, durchgeführt. wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (R) als Rückkopplung für jeden Sendeimpuls (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende System durch einen an der Innenseite eines Stoßfängers verbauten Ultraschallsensor und den Stoßfänger gebildet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Ultraschallsensor mit einer mit einer Ansteuereinheit ansteuerbaren Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, wobei der Ultraschallsensor mit dem Material des Einbauortes des Kraftfahrzeugs ein schwingendes System bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Sendefrequenz (SF) des schwingenden Systems, eine Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz (RF) des schwingenden Systems und eine Einrichtung zur Bestimmung einer Regelgröße (R) zur Regelung der Betriebsfrequenz zur Ansteuerung des Ultraschallsensors aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Aufzeichnung und Auswertung der ermittelten Resonanzfrequenzen (RF) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende System durch einen an der Innenseite eines Stoßfängers verbauten Ultraschallsensors gebildet wird.