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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Freiraumerkennung mittels einer Echoimpulsauswertung, insbesondere einem Verfahren und einer Vorrichtung zur verbesserten Freiraumerkennung im Nahbereich eines Fahrzeugs bei Verwendung einer Sende- und Empfangseinrichtung, welche nach einem Aussenden eines Sendeimpulses ein zeitlich begrenztes Ausschwingverhalten zeigt.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Abstände zu Gegenständen dadurch zu ermitteln, dass mittels einer Sende- und Empfangseinrichtung, beispielsweise eines so genannten Ultraschallwandlers, einen Sendeimpuls auszusenden, welcher an Gegenständen in der Umgebung reflektiert wird. Die zu der Sende- und Empfangseinrichtung zurückreflektierten Echoimpulse werden empfangen und ein zeitlicher Abstand zwischen dem Empfang der Echoimpulse und dem Aussenden des Sendeimpulses ermittelt. Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendeimpulses und der Echoimpulse bekannt, so kann auf eine Entfernung eines Gegenstands geschlossen werden, der den Echoimpuls verursacht hat. Ein Abstand des Gegenstands von der Sende- und Empfangseinrichtung entspricht der Hälfte der Distanz, die der Sendeimpuls in der ermittelten Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses und dem Empfang des Echoimpulses zurückgelegt.
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Solche Systeme, insbesondere ultraschallbasierte Systeme, werden heutzutage vermehrt in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eine Umfelderfassung, insbesondere bei niedrigen Eigengeschwindigkeiten des Fahrzeugs, auszuführen, um beispielsweise bei Einparkvorgängen einen Fahrer vor einer Annäherung an ein Hindernis zu warnen oder halb- oder vollautomatisierte Einparkassistenzsysteme zu ermöglichen.
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Die Sende- und Empfangseinrichtung umfasst ein Schwingungselement, welches während des Aussendens des Sendeimpulses zu einer Schwingung angeregt wird. Dasselbe Schwingungselement wird anschließend zum Empfangen der Echoimpulse verwendet und hierbei durch die Echoimpulse in Schwingungen versetzt. Nach einem Beenden des Aussendens des Sendeimpulses schwingt dieses Schwingungselement nach. Wünschenswert ist es, dass dieses Ausschwingen oder Nachschwingen des Schwingungselements möglichst rasch nach dem Ende des Sendens des Sendeimpulses beendet ist. Hierfür wäre es vorteilhaft, das Schwingungselement mit einer hohen Dämpfung zu versehen. Eine solche führt jedoch dazu, dass eine Empfindlichkeit des Schwingungselements und hierüber der Sende- und Empfangseinrichtung stark reduziert wird. Darüber hinaus ist eine benötigte Energiemenge zum Aussenden des Sendeimpulses erhöht. Daher ist ein Kompromiss dahingehend zu finden, dass möglichst eine zügige Dämpfung des Nachschwingens bzw. Ausschwingens stattfindet und dennoch eine ausreichende Empfindlichkeit der Sende- und Empfangseinrichtung erhalten bleibt. Gegenwärtig im Fahrzeugbau eingesetzte Ultraschallwandler für Abstandsbestimmungen weisen eine so genannte Ausschwingzeitspanne von etwa 1 ms auf. Die Ausschwingzeitspanne ist jene Zeitspanne, innerhalb derer das Schwingungselement der Sende- und Empfangseinrichtung nach. dem Beenden des Aussendens eines Sendeimpulses ohne eine äußere Störung ausschwingt. Ungestört bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich im Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung keine Gegenstände befinden, die Echoimpulse erzeugen. Das Ausschwingen des Schwingungselements ist zu jenem Zeitpunkt beendet, an dem die an dem Schwingungselement abgeleitete empfangene Signalstärke sich von einem Untergrundrauschen nicht unterscheidet, welches mittels der Sende- und Empfangseinrichtung bereitgestellt wird, wenn zuvor kein Sendeimpuls ausgesandt wurde.
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Bei einer Schallausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 300 m/s entspricht eine Ausschwingzeitspanne von 1 ms einer zurückgelegten Wegstrecke eines Sendeimpulses von etwa 30 cm. Befindet sich vor der Sende- und Empfangseinrichtung somit ein Gegenstand in einem Abstand von weniger als 15 cm, so trifft ein Echoimpuls vor dem Ende der Ausschwingzeitspanne auf die Sende- und Empfangseinrichtung. Da eine Intensität des Echoimpulses in der Regel sehr viel schwächer als die Intensität des Sendeimpulses ist, ist eine durch das Ausschwingen verursachte Signalintensität im Empfangssignal fast bis zum Ende der Ausschwingzeitspanne größer als die durch das Echosignal verursachte Intensität im Empfangssignal. Daher kann ein Echoimpuls anhand der Intensität des Empfangssignals in der Regel nicht ermittelt werden oder zuverlässig von dem durch das Ausschwingen verursachten Signal separiert werden, um dessen zeitliches Eintreffen zu ermitteln.
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Aus der
DE 42 04 414 C1 ist eine Anordnung zur Impuls-Echo-Entfernungsmessung bekannt, die eine Messeinrichtung mit einem abwechselnd als Sendewandler zur Aussendung von Sendeimpulsen und als Empfangswandler der an einer Reflexionsebene reflektierten Echoimpulse betriebenen Wandler und einer elektrischen Auswerteschaltung zur Ermittlung des Abstands zwischen Wandler und Reflexionsebene aus der Laufzeit der Impulse umfasst. Die Auswertschaltung umfasst eine Mehrfachechoerkennungsschaltung, welche aus den unmittelbar nach Ausschwingen des Wandlers an den Wandler anliegenden mehrfach reflektierten Echoimpulsen die einfache Laufzeit eines Sende- und Empfangsimpulses ableitet und aus der einfachen Laufzeit der tatsächliche Abstand des Sende-Empfangswandlers von der Reflexionsebene ermittelt.
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Aus der
EP 0 705 444 B1 ist ein Verfahren zur Messung des Abstands eines Objekts von einer Ultraschall-Sende-Empfangseinheit bekannt. Dort wird ein Verfahren zur Messung des Abstands eines Objekts von einer Ultraschall-Sende-Empfangseinheit vorgeschlagen, bei dem die Ultraschall-Sende-Empfangseinheit zur Abstrahlung eines Ultraschallimpulses veranlasst wird und der Zeitpunkt t
E1 des Empfangssignals eines ersten Ultraschallechos registriert wird und der Zeitpunkt t
E2 des Empfangs eines dem ersten Echo nachfolgenden zweiten Echos registriert und die Zeitdifferenz t
E2 – t
E1 zur Bestimmung des Abstands herangezogen wird, sofern das erste Echo nicht innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nach der Abstrahlung des Ultraschallimpulses auftritt.
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Aus der
DE 10 2006 020 425 sind ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Fahrzeug und einem Gegenstand mittels wenigstens eines Ultraschall aussendenden Sensors und eine Sensoreinrichtung hierfür bekannt. Beschrieben ist ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Fahrzeug und einem Gegenstand bei Annäherung des Fahrzeugs an den Gegenstand, wobei zur Abstandsbestimmung das erste Echosignal, das aus einem von einem Sensor ausgesendeten, am Gegenstand reflektierten Ultraschallsignal resultiert, berücksichtigt wird, wobei zusätzlich zum ersten Echosignal oder anstelle des ersten Echosignals ein zweites bzw. ein weiteres Echosignal, welches aus dem am Fahrzeug einmal oder weitere Male reflektierten ersten Echosignal und dem insgesamt zweimal bzw. weitere Male am Gegenstand reflektierten Ultraschallsignal resultiert, berücksichtigt wird.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beruhen auf einer Annahme, dass bei einem Gegenstand im unmittelbaren Nahbereich der Sende- und Empfangseinrichtung das zu der Sende- und Empfangseinheit zurückreflektierte Echosignal ein- oder mehrfach an der Sende- und Empfangseinrichtung und erneut an dem Gegenstand reflektiert wird. Im Empfangssignal treten somit in äquidistanten Zeitabständen, hinsichtlich der Intensität in der Regel schwacher werdende, Mehrfachechos auf, deren zeitliche Position im Empfangssignal mit dem Abstand des Gegenstands von der Sende- und Empfangseinrichtung korreliert sind und somit relativ zueinander feste Zeitabstände aufweisen. Hierüber wird versucht, auf ein möglicherweise während des Abschwingens des Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung auf die Sende- und Empfangseinrichtung auftreffenden ersten Echosignal zurückzuschließen.
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Insbesondere für moderne Assistenzsysteme, beispielsweise Ein- und Ausparkassistenzsysteme, ist es von großem Interesse zu wissen, ob sich im unmittelbaren Nahbereich des Fahrzeugs, an dem eine Sende- und Empfangseinrichtung einer mit einer Impulsechoauswertung arbeitenden Vorrichtung angeordnet ist, ein Gegenstand befindet. Bei einem Einparkszenario nähert sich das Fahrzeug den Objekten an, so dass diese in der Regel auch nachverfolgt werden können, wenn sie in den Nahbereich eindringen, in dem anhand der Impulsechoauswertung des einfach reflektierten Echoimpulses keine zuverlässige Abstandsbestimmung mehr möglich ist. Insbesondere für Ausparkvorgänge ist es jedoch von besonderem Interesse, zuverlässig feststellen zu können, dass sich keine Gegenstände im Nahbereich des Fahrzeugs befinden, den ein Fahrzeug beispielsweise zum Ausparken aus einer Parklücke durchfahren würde. Da in Parksituationen die eine Parklücke begrenzenden Gegenstände, beispielsweise beim Parallelparken am Fahrbahnrand, häufig aus anderen beweglichen Gegenständen, nämlich beispielsweise anderen abgestellten Kraftfahrzeugen, bestehen, können weder eine Existenz der Gegenstände noch Abstände zu diesen Gegenständen anhand der beim Einparkvorgang ermittelten Informationen als gegeben angenommen werden. Beispielsweise ist es möglich, dass ein anderes Fahrzeug auf Kontakt oder quasi auf Kontakt vor oder hinter dem Fahrzeug abgestellt worden ist. Um dennoch eine zuverlässige Unterstützung bei Ausparkvorgängen durch Assistenzsysteme zu ermöglichen, vorzugsweise ein vollautomatisiertes Unterstützungssystem zu ermöglichen, ist eine zuverlässige Freiraumerkennung im Nahbereich notwendig.
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Aus der
DE 10 2010 062 983 A1 , die nach dem Prioritätstag und dem Anmeldetag dieser Anmeldung veröffentlicht wurde, ist ein Verfahren zur akustischen Abtastung eines Bereichs bekannt. Ein akustischer Sendepulses wird in den Bereich mittels eines akustischen Wandlers gesendet und ein Empfangssignals wird mittels des Wandlers erfasst, um den von dem Bereich zurückgeworfenen Sendepuls zu empfangen. Innerhalb einer Nachschwingzeit des Wandlers, die sich an das Aussenden des Sendepulses unmittelbar anschließt, wird der Ist-Phasenverlauf des Empfangssignals erfasst. Bei einer Abweichung des Ist-Phasenverlaufs gegenüber einem vorgegebenen Soll-Phasenverlauf wird ein Objekt innerhalb des Bereichs detektiert. Ferner ist eine Vorrichtung zur akustischen Abtastung eines Bereichs beschrieben, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.
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Der Erfindung liegt daher allgemein die Aufgabe zugrunde, eine Objekt- und/oder Freiraumerkennung zu verbessern, insbesondere eine verbesserte zuverlässige Detektion von Gegenständen im unmittelbaren Nahbereich einer Sende- und Empfangseinrichtung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass als Sendesignal ein Sendeimpuls verwendet wird, welcher periodische Schwingungen umfasst. Tritt eine Reflexion des Sendeimpulses an einem Gegenstand im unmittelbaren Nahbereich der Sende- und Empfangseinrichtung auf, welche zu einem Eintreffen eines Echoimpulses an der Sende- und Empfangseinrichtung zu einem Zeitpunkt führt, an dem ein Ausschwingen eines Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung noch nicht beendet ist, so weist dieser Echoimpuls dennoch eine ausreichende Intensität auf, dass die Schwingung des Schwingungselements durch den auftreffenden Echoimpuls gegenüber einem ungestörten Ausschwingen modifiziert wird. Auch der Echoimpuls weist periodische Schwingungen wie der Sendeimpuls auf. Befinden sich die Sende- und Empfangseinrichtung sowie der Gegenstand relativ zueinander in Ruhe, so weisen die Schwingungen des Sendeimpulses und des Echoimpulses dieselbe Frequenz auf. Die Bewegung des Schwingungselements kann als eine Überlagerung eines durch das Ausschwingen bedingten Signalanteils mit einem durch einen Echoimpuls verursachten Empfangsanteil als auch in dem Fall, in dem das Empfangssignal ausschließlich durch das Ausschwingen bedingt ist, jeweils ein oszillierendes Signal ist. Wertet man dieses oszillierende Signal dahingehend aus, dass man die Phasenlagen bezüglich eines periodischen Referenzsignals auswertet, so zeigt es sich, dass die erwarteten Phasenlagen, welche sich bei einem ungestörten Ausschwingen ergeben, von den Phasenlagen abweichen, die sich ergeben, wenn während des Ausschwingvorgangs ein Echoimpuls empfangen wird. Daher wird zur Freiraumerkennung vorgeschlagen, die Phasenlagen des Empfangssignals bezogen auf ein periodisches Referenzsignal zu ermitteln und die Phasenlagen in einem vorbestimmten Zeitbereich auf Abweichungen von erwarteten Phasenlagen auszuwerten, wobei eine Abweichung der Phasenlagen von den erwarteten Phasenlagen als ein Vorhandensein eines Gegenstands in dem Umfeld aufgefasst wird. Tritt hingegen keine Abweichung im Signal der Phasenlagen auf, so kann im Umkehrschluss darauf geschlossen werden, dass im Nahbereich kein Gegenstand vorhanden ist, welcher einen Echoimpuls verursacht, der während des Ausschwingvorgangs von der Sende- und Empfangseinrichtung empfangen wird.
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Als periodisch wird ein Signal angesehen, das sich im zeitlichen Verlauf regelmäßig wiederholende Signalabschnitte aufweist. Beispielsweise wird ein Signal s(t) als periodisch angesehen, auch wenn dieses beispielsweise nur aus wenigen Schwingungen einer beispielsweise sinusförmigen Funktion vom Typ s(t) = A·sin(ωt) besteht. Ein periodisches Referenzsignal weist eine Periodizität zumindest über einen Zeitraum auf, der sich von dem Sendezeitpunkt des Sendeimpulses bis über den Empfangszeitraum erstreckt, in dem Echoimpulse in dem empfangenen und ausgewerteten Empfangssignal erwartet und/oder ausgewertet werden. Diese bedeutet, dass das Referenzsignal von dem Beginn des Sendens eines Sendeimpulses einen im zeitlichen Verlauf regelmäßig wiederkehrenden Signalabschnitt zumindest bis zu einem Zeitpunkt aufweist, an dem eine Auswertung der Phasenlagen bezogen auf die Phasenlagen der Schwingungen des vorausgehenden Sendeimpulses beendet wird. Werden iterativ Sendeimpulse nacheinander erzeugt und eintreffende Echoimpulse ausgewertet, so kann sich das Referenzsignal für eine Auswertung des auf einen der Sendeimpulse folgenden Empfangssignals von dem Referenzsignal oder den Referenzsignalen unterscheiden, der oder die für die Auswertung der auf die übrigen Sendeimpulse folgenden Empfangssignale genutzt wird oder werden. Dieses bedeutet, das ein periodisches Referenzsignal eine Zeitbasis für die Ermittlung der Phasenlagen nur relativ zu einem entsprechenden Sendeimpuls bieten muss und nur eine Beziehung zu der Periodizität der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses bekannt sein muss, dessen nachfolgendes Empfangssignal anhand dieses Referenzsignals hinsichtlich der Phasenlagen ausgewertet wird. Dieses bedeutet auch dass die periodischen Schwingungen nacheinander erzeugter Sendeimpulse zueinander keine vorgegebene Phasenbeziehung aufweisen müssen. Ferner wird ein Signal auch als periodisch angesehen, wenn beispielsweise bei einem aus weinigen Schwingungen bestehenden Signal die Amplituden der Schwingungen nicht alle identisch sind, beispielsweise eine erste Schwingung eine geringere Signalamplitude aufweist. Da das Referenzsignal in erster Line eine Zeitbasis bereitstellt, ist in erster Näherung nur ein regelmäßig wiederkehrender Signalwert, beispielsweise eine regelmäßiger Pegeldurchgang, insbesondere Nulldurchgang wichtig, unabhängig von dem übrigen Signalverlauf zwischen diesen Pegeldurchgängen, solange der Pegel des Signals von des Pegeldurchgangs verschieden ist. Vorzugsweise wird auch ein Referenzsignal vollständig aus sich regelmäßig in zeitlichen Abständen wiederholenden Signalabschnitten bestehen und beispielsweise durch eine Sinus- oder Cosinus-Funktion zumindest in dem relevanten Zeitabschnitt darstellbar sein.
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Ein periodische Schwingungen umfassendes Signal s(t) besteht aus im zeitlichen Verlauf auftretenden und sich regelmäßig wiederholenden gleichartigen Schwankungen. Ein periodische Schwingungen umfassendes Signal s(t) stellt beispielsweise ein Signal s(t) dar, das für Zeitpunkte t mit t1 < t < t2 durch die Funktion s(t) = A·sin(ωt) und ansonsten durch die Funktion s(t) = 0 gegeben ist, wobei ω eine Konstante ist, die mit der Zeitdauer T (Periode) einer gesamten Schwingung über folgende Beziehung verknüpft ist ω = 2·π/T ist, und wobei ferner gilt t2 – t1 > T, vorzugsweise t2 – t1 > 2·T.
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Insbesondere wird somit ein Verfahren zur Freiraumerkennung mittels einer Impulsechoauswertung vorgeschlagen, welches die Schritte umfasst: Erzeugen eines periodische Schwingungen umfassenden Sendeimpulses und Aussenden des Sendeimpulses mit einer Sende- und Empfangseinrichtung, Empfangen von (gegebenenfalls vorhandenen) an Gegenständen durch Reflexion aus dem Sendeimpuls erzeugten Echoimpulsen mit der Sende- und Empfangseinrichtung, die ein Empfangssignal bereitstellt und Auswerten des Empfangssignals, um ein Vorhandensein ein oder mehrerer Gegenstände im Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung zu überprüfen, der oder die ursächlich für eine Erzeugung der entsprechenden Echoimpulse sind, wobei Phasenlagen des Empfangssignals bezogen auf ein periodisches Referenzsignal ermittelt werden und die Phasenlagen in einem vorbestimmten Zeitbereich auf Abweichungen von erwarteten Phasenlagen ausgewertet werden, wobei eine Abweichung der Phasenlagen von den erwarteten Phasenlagen als ein Vorhandensein mindestens eines Gegenstands in dem Umfeld aufgefasst wird.
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Eine entsprechende Vorrichtung zur Freiraumerkennung mittels einer Impulsechoauswertung umfasst somit eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Aussenden eines periodische Schwingungen umfassenden Sendeimpulses und Empfangen von an Gegenständen durch Reflexion aus dem Sendeimpuls erzeugten Echoimpulsen und Bereitstellen eines Empfangssignals sowie eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Empfangssignals, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, das Empfangssignal auszuwerten, um ein Vorhandensein von ein oder mehreren Gegenständen in einem Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung zu überprüfen, der oder die ursächlich für eine Erzeugung der entsprechenden Echoimpulse sind, wobei die Auswerteeinrichtung eine Phasenermittlungseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, Phasenlagen des Empfangssignals bezogen auf ein periodisches Referenzsignal zu ermitteln und in einem vorgegebenen Zeitbereich auf Abweichungen von erwarteten Phasenlagen auszuwerten, wobei eine Abweichung von Phasenlagen von den erwarteten Phasenlagen als Vorhandensein eines Gegenstands in dem Umfeld aufgefasst wird.
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Bei der Überlagerung zweier periodischer Schwingungen mit derselben oder nahezu derselben Frequenz entstehen zusätzlich harmonische Oberschwingungen. Es hat sich gezeigt, dass eine Abweichung in der erwarteten Phasenlage besonders gut im Signal der höheren Harmonischen, insbesondere der ersten Harmonischen, der Grundschwingung der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses zu beobachten ist.
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Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Hochpassfilterung vorzunehmen und die Phasenlagen der Schwingungen des Empfangssignals zu ermitteln, die hinsichtlich ihrer Frequenz im Wesentlichen mit der Frequenz der höheren harmonischen der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses übereinstimmen. Hierfür ist es vorgesehen, das Empfangssignal auf einen Hochpassfilter zu führen.
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Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bieten den Vorteil, dass ein während des Ausschwingvorgangs eintreffender Echoimpuls zuverlässig ermittelt werden kann, obwohl eine Intensität des Echoimpulses geringer als eine Intensität im Empfangssignal ist, die durch den Ausschwingvorgang eines Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung verursacht ist, welche zum Aussenden und Empfangen verwendet wird. Wird beispielsweise ein ultraschallbasiertes Verfahren verwendet, so umfasst eine Sende- und Empfangseinrichtung ein zum Senden und Empfangen verwendetes Schwingungselement, welches beispielsweise als Membran ausgebildet ist, welche eine endliche Ausschwingzeitspanne aufweist, innerhalb derer das Schwingungselement nach einem Beenden des Aussendens des Sendeimpulses, ohne eine äußere Störung gedämpft ausschwingt, wobei dieser Vorgang als Ausschwingvorgang bezeichnet wird. Ohne eine äußere Störung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich im Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung keine Gegenstände befinden, die das Sendesignal reflektieren und hierdurch Echoimpulse zu der Sende- und Empfangseinrichtung zurücksenden. Mittels einer Ermittlung der Phasenlagen kann ein Echoimpuls zuverlässig erfasst werden.
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Der vorbestimmte Zeitbereich wird bei einer bevorzugten Ausführungsform so festgelegt, dass dieser zumindest einen Zeitbereich einer Ausschwingzeitspanne eines Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung umfasst, vorzugsweise vollständig in der Ausschwingzeitspanne liegt, wobei die Ausschwingzeitspanne jene Zeitspanne ist, innerhalb derer das Schwingungselement der Sende- und Empfangseinrichtung nach dem Beenden des Aussendens eines Sendeimpulses ohne eine äußere Störung ausschwingt. Dies bedeutet, dass die Ausschwingzeitspanne jene Zeitspanne ist, innerhalb derer das Empfangssignal auf ein Hintergrundrauschen abfällt, welches an der Sende- und Empfangseinrichtung empfangen wird, sofern kein Echoimpuls zu der Sende- und Empfangseinrichtung nach dem Aussenden eines Sendeimpulses zurückgesandt wird. Als Schwingungselement kann beispielsweise eine Membran verwendet werden, welche vorzugsweise mit einem Piezokristall gekoppelt ist, welcher zur Anregung, Schwingungsmessung und Signalwandlung verwendet wird.
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Eine besonders einfache Auswertung erhält man dann, wenn die Schwingungen des Sendeimpulses als sinusförmige Schwingungen erzeugt werden. Zum einen sind solche Schwingungen besonders gut an das Schwingungsverhalten der meisten Schwingungselemente, welche verwendbar sind, angepasst, zum andern lassen sich die einer trigonometrischen Funktion gehorchenden Sendeimpulse und das sich daraus ergebende Ausschwingen sowie die empfangenen Echoimpulse auf einfache Weise mathematisch auswerten.
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In der Regel ist es nicht möglich, die Anregung des Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung genau mit der Eigenfrequenz des Schwingungselements vorzunehmen. Diese ist u. a. häufig von Umwelteinflüssen, beispielsweise einer Temperatur oder Ähnlichem, abhängig. Daher erfolgt eine Anregung meist bei einer Frequenz, die eine leichte Abweichung von der Resonanzfrequenz aufweist. Bei Kraftfahrzeugen werden beispielsweise als Frequenzen für den Sendeimpulse Impulse mit einigen Schwingungszyklen verwendet, denen eine Grundfrequenz von beispielsweise 50 kHz zugeordnet werden kann. Eine Resonanzfrequenz des Schwingungselements kann sich hiervon beispielsweise um 1 kHz unterscheiden. Nach dem Beenden des Aussendens des Sendeimpulses, d. h. nach dem Beenden der aktiven Anregung, schwingt das Schwingungselement der Sende- und Empfangseinrichtung aus. Hierbei findet im ungestörten Zustand eine kontinuierliche Änderung der Schwingungsfrequenz hin zu der Resonanzfrequenz des Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung statt. Der durch Reflexion an einem Gegenstand erzeugte Echoimpuls weist hingegen dieselbe Frequenz wie der ursprüngliche Sendeimpuls auf. Trifft der Echoimpuls während des Ausschwingvorgangs auf die Sende- und Empfangseinrichtung, so überlagern sich somit die durch das Ausschwingen bedingte periodische Schwingung und die durch den Echoimpuls verursachte periodische Schwingung, welche nicht mehr exakt dieselbe Frequenz und zusätzlich gegeneinander aufgrund der Laufzeitunterschiede einen Phasenversatz aufweisen, miteinander. Der Frequenzunterschied bewirkt in der Überlagerung eine Modulation der sich ergebenden Amplitude, welche sich auch in dem Phasenlagensignal bemerkbar macht.
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Als periodisches Referenzsignal eignen sich besonders die periodischen Schwingungen oder höhere Harmonische der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses, so dass bevorzugt die periodischen Schwingungen oder höhere Harmonische der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses als Referenzsignal zur Ermittlung der Phasenlagen herangezogen werden. Eine besonders einfache Auswertung wird möglich, wenn man das Empfangssignal mit einer Frequenz abtastet, die einem ganzzahligen Vielfachen einer Frequenz des periodischen Referenzsignals entspricht, insbesondere beispielsweise einem Vierfachen der Frequenz der periodischen Schwingungen des Referenzsignals. In einem solchen Fall können die so ermittelten digitalisierten Abtastwerte unmittelbar als Werte für eine IQ-Demodulation verwendet werden. Die nacheinander erfassten digitalisierten Werte sind in diesem Fall jeweils um 90° bzw. Viertel der Wellenlänge der periodischen Referenzschwingung zueinander versetzt, wie dies für die IQ-Demodulation erforderlich ist. Somit kann der aktuelle Abtastwert jeweils mit dem vorausgegangenen Abtastwert zur Ermittlung einer Phasenlage verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die periodischen Schwingungen oder höhere Harmonische der periodischen Schwingungen des Sendeimpulses als Referenzsignal zur Ermittlung der Phasenlagen herangezogen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf mehrere Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Freiraumerkennung;
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2a das reellwertige Empfangssignal für den Fall, dass sich kein Gegenstand im Nahbereich befindet;
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2b einen hochpassgefilterten Phasenanteil des komplexwertigen Analogsignals zu dem Signal nach 2a;
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2c der Betrag des Phasenanteils des hochpassgefilterten komplexwertigen Analogsignals nach 2a und 2b;
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3a, 3b vergrößerte Ausschnitte der Darstellungen der 2a und 2c, welche das analoge Signal eines ungestörten Ausschwingvorgangs (3a) und den Betrag, des komplexwertigen Phasenanteils des hochpassgefilterten Analogsignals (3b) zeigen;
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4a, 4b das Analogsignal und der Betrag des hochpassgefilterten komplexen Phasenanteils für den Fall, dass sich ein Objekt im Abstand von 5 cm vor der Sende- und Empfangseinrichtung befindet;
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5a, 5b das Analogsignal sowie den Betrag des hochpassgefilterten Phasenanteils des komplexen Analogsignals für den Fall, dass sich ein Gegenstand im Abstand von 2 cm vor der Sende- und Empfangseinrichtung befindet; und
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6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Freiraumerkennung.
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In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Freiraumerkennung mittels einer Impulsechoauswertung dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Sende- und Empfangseinrichtung 2, welche ein Schwingungselement 3 umfasst. Dieses wird in Schwingungen versetzt, um einen Sendeimpuls 4 auszusenden. Wie mittels eines Pfeils 5 angedeutet ist, breitet sich der Sendeimpuls 4 aus und wird, sofern er auf einen Gegenstand 6 trifft, an diesem zumindest teilweise reflektiert, so dass ein Echoimpuls 7 entsteht, der, wie mittels des Pfeils 8 angedeutet ist, zu der Sende- und Empfangseinrichtung 2 zurückreflektiert wird und dort das Schwingungselement 3 in Schwingungen versetzt und diese in ein Empfangssignal 9 gewandelt werden. Das Empfangssignal 9 wird mittels einer Auswerteeinrichtung 10 ausgewertet. Sowohl der Sendeimpuls 4 als auch der Echoimpuls 7 legen jeweils einmal eine Strecke 12 zurück, welche dem einfachen Abstand der Sende- und Empfangseinrichtung 2 von dem Gegenstand 6 entspricht. Eine Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses 4 und einem Empfangen des Echoimpulses 7 entspricht somit unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendeimpulses bzw. Echoimpulses der doppelten Strecke 12.
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In 2a ist schematisch ein Empfangssignal grafisch dargestellt. Gezeigt ist eine Signalintensität 21 aufgetragen gegen die Zeit t für den Fall, dass sich kein Gegenstand im Nahbereich der Sende- und Empfangseinrichtung befindet. Deutlich zu erkennen ist, dass das Empfangssignal ein oszillierendes Signal ist. Ein Zeitbereich, der sich von etwa 1 bis 1,5 ms gemessen ab einem Beginn eines Aussendens des Sendeimpulses erstreckt, ist durch einen Kasten 22 grafisch hervorgehoben. In diesem vorbestimmten Zeitbereich findet ein ungestörtes Ausschwingen des Schwingungselements der Sende- und Empfangseinrichtung statt, mit der der Sendeimpuls ausgesandt wird.
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In 2b ist ein hochpassgefilteter Phasenanteil φ eines komplexwertigen Analogsignals grafisch dargestellt. Derselbe Zeitabschnitt ist hier ebenfalls durch einen Kasten 22 grafisch hervorgehoben. Gut zu erkennen ist, dass der ebenfalls oszillierende Phasenanteil in diesem Zeitbereich einen charakteristischen Verlauf aufweist.
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Um eine Auswertung zu erleichtern, wird der Absolutbetrag des Phasenanteils |φ| gebildet, welcher exemplarisch in 2c aufgetragen ist. Erneut ist ein vorbestimmter Zeitbereich durch einen Kasten 22 hervorgehoben. Gut zu erkennen ist, dass der Phasenanteil in diesem Zeitbereich nahezu konstant ist, sofern ein ungestörtes Ausschwingen stattfindet.
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In 3a und 3b sind Vergrößerungen der Darstellungen nach 2a und 2c dargestellt. Gut zu erkennen ist die oszillierende Schwingung des analogen Empfangssignals in 3a. Ebenfalls gut zu erkennen ist, dass der Phasenanteil |φ| des komplexwertigen Empfangssignals vom Betrag her in dem hervorgehobenen Zeitbereich nahezu konstant ist.
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In 4a und 4b sind die mit 3a und 3b korrespondieren Signale dargestellt, die sich für den Fall ergeben, dass sich in einem Abstand von 5 cm vor der Sende- und Empfangseinrichtung ein Gegenstand befindet, der einen Echoimpuls zu der Sende- und Empfangseinrichtung zurückwirft. Im reellen Analogsignal, welches in 4a dargestellt ist, sind Modulationen der Schwingungsamplitude zu erkennen. Im Betrag des Phasenanteils |φ| des hochpassgefilterten komplexen Empfangssignals sind in dem hervorgehobenen Zeitbereich, der durch den Kasten 22 hervorgehoben ist, deutlich Einbrüche der Amplitude des Betrags des Phasenanteils zu erkennen. Hieran kann festgestellt werden, dass sich in dem Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung ein Gegenstand befindet, der einen Echoimpuls zu der Sende- und Empfangseinrichtung zurückreflektiert hat.
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Ein ebensolches Verhalten ist zu beobachten, wenn sich ein Gegenstand in nur 2 cm Abstand zu der Sende- und Empfangseinrichtung befindet. Dieser Fall ist in den 5a und 5b dargestellt. Zwar sind im vergrößert dargestellten reellen Analogsignal in diesem Fall keine Amplitudenschwankungen in dem relevanten Zeitbereich, welcher erneut durch einen Kasten 22 hervorgehoben ist, zu beobachten, jedoch zeigt sich in dem Betrag des Phasenanteils |φ| des hochpassgefilterten komplexen Empfangssignals erneut ein Amplitudeneinbruch, so dass zuverlässig auf einen Gegenstand in dem Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung geschlossen werden kann. Bei den dargestellten Beispielen wurde jeweils der Phasenanteil des hochpassgefilterten komplexen Empfangssignals betrachtet. Ein solcher Effekt lässt sich jedoch auch im nicht hochpassgefilterten Phasenanteil des komplexen Empfangssignals beobachten. Da die Signatur des Signals, d. h. die charakteristischen Unterschiede, jedoch im hochpassgefilterten Signal deutlicher und einfacher feststellbar sind, wird dieses vorzugsweise verwendet.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Signalerzeugungseinrichtung 31, welche die Sende- und Empfangseinrichtung zum Aussenden des periodische Schwingungen umfassenden Sendeimpulses 4 veranlasst. Die Auswerteeinrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass diese im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Hochpassfilter 32 umfasst Mittels einer Abtasteinrichtung 33 wird das hochpassgefilterte Empfangssignal digitalisiert. Dies erfolgt vorzugsweise so, dass die Zeitintervalle zwischen benachbarten Abtastzeitpunkten einem Vierfachen der Referenzfrequenz, einer Frequenz eines Referenzsignals, entsprechen. Somit sind die einzelnen abgetasteten. Signalwerte des Empfangssignals jeweils um eine viertel Wellenlänge des Referenzsignals gegeneinander versetzt. Das Referenzsignal wird vorzugsweise aus dem von der Signalerzeugungseinrichtung bereitgestellten Signal abgeleitet, welches die Frequenz des Sendeimpulses festlegt. In einer Phasenermittlungseinrichtung 34 wird der Phasenanteil eines komplexen Abtastsignals beispielsweise mittels einer IQ-Demodulation ermittelt. Sind die Abtastzeitpunkte geschickt gewählt, so können die abgetasteten Signalwerte unmittelbar als I- und Q-Wert zum Berechnen der Phasenlage und somit des Phasenanteils verwendet werden. Hierbei werden jeweils zwei Abtastwerte zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten verwendet, da diese bei der geeigneten Wahl der Abtastfrequenz genau einen Phasenversatz von 90° bezogen auf das Referenzsignal aufweisen. Eine Vergleichseinheit prüft dann, ob eine Abweichung in dem vorbestimmten Zeitbereich, während dessen ein Ausschwingen des Schwingungselements 3 zu erwarten ist, von einem erwarteten Phasenlagensignal ermittelt werden kann. Ist dieses so, so wird dieses als ein Vorhandensein eines Gegenstands in dem Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung 2 aufgefasst. Andernfalls existiert ein Freiraum in der unmittelbaren Umgebung der Sende- und Empfangseinrichtung 2. Um eine Berechnung der Phasenlage möglichst einfach zu gestalten, ist es möglich, eine Division mit zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten auszuführen und anhand des Ergebnisses in einer Nachschlagetabelle den zu dem Ergebnis zugehörigen Phasenwert bzw. den Betrag der Phase zu ermitteln.
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Die Abweichung der Phasenlagen von den erwarteten Phasenlagen kann bei einer Ausführungsform durch ein Vergleichen mit einer Schwellenwertbedingung ermittelt werden. Unterschreitet der Betrag des Phasenanteils einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird dieses als Abweichung von der erwarteten Phasenlage erkannt und somit ein Gegenstand in dem Umfeld als vorhanden angenommen.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung mit der Steuereinrichtung 11 integriert und ganz oder teilweise mittels einer programmierbaren Schaltung umgesetzt. Hierbei kann es sich um eine programmgesteuerte Schaltung handeln, die eine Recheneinheit aufweist, die ein in einem Speicher abgelegtes Programm ausführt. Alternativ ist es möglich, eine dedizierte Schaltung zu nutzen, die fest verdrahtet ausgebildet ist.
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In 6 ist exemplarisch ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Freiraumerkennung schematisch dargestellt. Zunächst wird ein Sendeimpuls erzeugt und ausgesandt 41. Von der Sende- und Empfangseinrichtung werden gegebenenfalls ein oder mehrere Echoimpulse empfangen und in jedem Fall ein Empfangssignal bereitgestellt 42. Dieses wird anschließend ausgewertet 43. Hierzu ist es bei einigen Ausführungsformen vorgesehen, eine Hochpassfilterung vorzunehmen 44. Anschließend werden die Phasenlagen beispielsweise mittels einer IQ-Demodulation ermittelt 45. Vorzugsweise wird eine digitale IQ-Demodulation durchgeführt und hierfür das gegebenenfalls hochpassgefilterte Empfangssignal entsprechend digitalisiert (nicht dargestellt). Die ermittelten Phasenlagen werden mit erwarteten Phasenlagen verglichen 46. Tritt keine Abweichung von der erwarteten Phasenlage auf, so ist das Umfeld frei 47. Andernfalls ist das Umfeld belegt 48. Gegebenenfalls werden weitere Impulsechoauswertungen des Signals vorgenommen 49, beispielsweise Abstandsermittlungen oder Untersuchungen auf einen Phasensprung, welcher ebenfalls auf ein Eintreffen eines Echoimpulses während oder unmittelbar nach dem Aussenden des Sendesignals hindeutet. Anhand eines ermittelten Phasensprungs ist auch eine zeitliche Aussage über ein Eintreffen des Echoimpulses und somit eine Abstandsermittlung möglich ist. Diese alternativen zusätzlichen Informationen müssen jedoch nicht ermittelt werden. Das Ergebnis der Auswertung wird ausgegeben 50 und das Verfahren iterativ ausgeführt, so dass es mit dem Erzeugen und Aussenden des Sendepulses 41 fortgesetzt wird.
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Es versteht sich, dass lediglich eine beispielhafte bevorzugte Ausführungsform beschrieben ist und die einzelnen beschriebenen Merkmale in beliebiger Kombination zur Umsetzung der Erfindung kombiniert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Sende- und Empfangseinrichtung
- 3
- Schwingungselement
- 4
- Sendeimpuls
- 5
- Pfeil
- 6
- Gegenstand
- 7
- Echoimpuls
- 8
- weiterer Pfeil
- 9
- Empfangssignal
- 10
- Auswerteeinrichtung
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Strecke
- 21
- Signalintensität Phasenanteil
- 22
- Kasten
- |φ|
- Absolutbetrag des Phasenanteils
- 31
- Signalerzeugungseinrichtung
- 32
- Hochpassfilter
- 33
- Abtasteinrichtung
- 34
- Phasenermittlungseinrichtung
- 35
- Vergleichseinrichtung
- 41
- Aussenden eines Sendeimpulses
- 42
- Bereitstellen eines Empfangssignals
- 43
- Auswerten des Empfangssignals
- 44
- Hochpassfilter
- 45
- Ermitteln der Phasenlagen
- 46
- Abfrage auf Vorliegen von Phasenlagenabweichungen
- 47
- Umfeld frei
- 48
- Umfeld belegt
- 49
- gegebenenfalls weitere Impulsechoauswertung
- 50
- Ausgabe des Ergebnisses
