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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen einer Frequenz für ein Anregungssignal, mit welchem ein Schwingelement (z. B. Membran) eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs zum Aussenden eines Sendeschalls zum Messen eines Abstandes angeregt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Fahrerassistenzeinrichtung, welche zum Durchführen eines solchen Verfahrens ausgebildet ist, wie auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Fahrerassistenzeinrichtung.
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Ultraschallsensoren für Kraftfahrzeuge sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Es geht hier insbesondere um Ultraschallsensoren, die in einem Kraftfahrzeug für die so genannte „Einparkhilfe” (Ultrasonic Park Assistent) eingesetzt werden. In der Regel werden die Ultraschallsensoren sowohl am vorderen Stoßfänger als auch am hinteren Stoßfänger angebracht. Es existieren derzeit Ultraschallsensoren, welche sichtbar im Stoßfänger verbaut sind. Bei derartigen sichtbaren Ultraschallsensoren ist die Membran schwingungstechnisch vom Stoßfänger bzw. von anderen Fahrzeugteilen vollständig entkoppelt und kann somit ungehindert schwingen. Die Membran kann somit in ihrer Schwingform sowie in der Frequenz durch den Membranboden und der immer gleichen Beschichtungsdicke genau auf eine Betriebsfrequenz ausgelegt werden. Die Membran kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass bei einer bestimmten Frequenz (+/–500 Hz) des Anregungssignals ein Schwingungsmaximum an der Stirnfläche der Membran auftritt.
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In der Regel wird die Membran über ein Piezoelement angeregt. Das Anregungssignal – etwa in Form von elektrischer Spannung – wird am Piezoelement angelegt, und die Membran wird somit durch das Piezoelement angeregt. Die Membran sendet dann den Sendeschall aus und empfängt einen von einem fahrzeugexternen Objekt reflektierten Schall. In Abhängigkeit von dem reflektierten Schall kann dann der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug und dem Objekt gemessen werden.
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Neben den oben genannten „sichtbaren” Ultraschallsensoren existieren im Stand der Technik auch solche Sensoren, die nicht mehr sichtbar im Stoßfänger verbaut sind. Bei derartigen Ultraschallsensoren gibt es einige große Veränderungen im Hinblick auf die Anordnung der Membran. Die Schwingung der Membran wird hier in den Stoßfänger eingeleitet, und der Stoßfänger muss den Sendeschall in die Luft einkoppeln. Dies bedeutet, dass der Stoßfänger ein Bestandteil des Schwingsystems wird. Die Einkopplung der Schwingung in den Stoßfänger kann nur unter der Voraussetzung geschehen, dass die Membran an den Stoßfänger so befestigt wird, dass die Schallwellen dort verlustfrei eindringen bzw. übertragen werden. Dazu wird ein Verbindungsmedium verwendet, etwa ein Kleber. Durch die Ankopplung der Membran an den Stoßfänger wird die Frequenz der gesamten Anordnung verändert. Aufgrund dieser Ankopplung entsteht ein Verbund aus der Membran, den Kleber und den Stoßfänger, und das Schwingungsmaximum verschiebt sich zu anderen Frequenzen hin. Die Frequenz der maximalen Amplitude des Sendeschalls wird in hohem Maß von den Materialeigenschaften und den Wandstärken bzw. der Schichtdicke des Klebers und des Stoßfängermaterials beeinflusst. Gerade die Materialeigenschaften des Stoßfängers – etwa aus Kunststoff – sind besonders temperaturabhängig. Die jeweils optimale Frequenz des Sendeschalls verändert sich somit in Abhängigkeit von der Temperatur und anderen materialspezifischen Parameter in einem relativ großen Frequenzbereich. Wird nun eine andere Frequenz des Anregungssignals als die Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz der gesamten Anordnung gewählt, so ist die Amplitude des Sendeschalls relativ gering, und der Ultraschallsensor erfüllt nicht mehr seine Funktion.
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Es treten durch die ständigen Frequenzverschiebungen über der Temperatur und Einbautoleranzen im Alltagsbetrieb so große Schwankungen auf, dass der Schalldruck und damit auch die Reichweite des Ultraschallsensors nachlassen. Eine Abhilfe schafft hier ein Verfahren, wie es im Dokument
US 7 607 352 B2 beschrieben ist. Es wird hier die Umgebungstemperatur erfasst und die jeweils optimale Frequenz des Anregungssignals und somit des Sendeschalls wird unter Berücksichtigung der gemessenen Temperatur festgelegt. Auf diese Weise wird die Temperaturabhängigkeit der gesamten Schwinganordnung kompensiert. Als nachteilig an diesem Stand der Technik ist der Umstand anzusehen, dass einerseits die Temperatur mithilfe eines aufwendigen Temperatursensors gemessen werden muss und andererseits andere Parameter, welche die Eigenfrequenz der Schwinganordnung beeinflussen, nicht berücksichtigt werden. Beispielsweise werden hier die Einbautoleranzen des Ultraschallsensors nicht berücksichtigt; genauso wenig werden die mechanischen Verformungen der Materialien berücksichtigt. Die Bestimmung der Sendefrequenz kann bei diesem Verfahren somit nur unzureichend erfolgen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung die jeweils optimale Frequenz für das Anregungssignal bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, durch eine Fahrerassistenzeinrichtung bzw. ein Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Festlegen bzw. Bestimmen der jeweils optimalen Frequenz für ein Anregungssignal ausgelegt, mit welchem ein Schwingelement – etwa eine Membran – eines Ultraschallsensors eines Kraftfahrzeugs zum Aussenden eines Sendeschalls angeregt wird, um einen Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und einem fahrzeugexternen Objekt zu messen. Das Schwingelement wird mit einem Prüfsignal angeregt, und es wird ein Antwortsignal erfasst, welches eine Schwingung des Schwingelements aufgrund der Anregung mit dem Prüfsignal charakterisiert. Die Frequenz für das Anregungssignal wird dann anhand des Antwortsignals festgelegt. Dann kann das Schwingelement mit dem vorher ermittelten Anregungssignal zum Aussenden des Sendeschalls angeregt werden.
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Mit anderen Worten besteht ein Kernstück der Erfindung darin, vor dem Aussenden des tatsächlichen Sendeschalls das Schwingelement zu einer – insbesondere sehr kurzen – Schwingung anzuregen und ein daraus resultierendes Antwortsignal des Schwingelements zu analysieren. In Abhängigkeit von dieser Analyse kann dann situationsabhängig die jeweils optimale Frequenz für das Anregungssignal bestimmt werden, so dass der Schalldruck und somit die Reichweite des Ultraschallsensors maximal sind. Es wird also quasi eine Impulsantwort des Ultraschallsensors gemessen, und die Sendefrequenz wird in Abhängigkeit von der Impulsantwort bestimmt. Aus der Anregung mit dem Prüfsignal und dem daraus resultierenden Antwortsignal lässt sich die jeweils optimale Sendefrequenz des Schwingelements ermitteln, welche durch die Umgebungsbedingungen, wie die Temperatur, mechanische Eigenschaften und Alterung der Bauteile vorgegeben wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik fließen hier alle Einflussparameter ein bzw. alle Einflussparameter, die die Frequenzeigenschaften des Ultraschallsensors beeinflussen, werden berücksichtigt. Die Sendefrequenz kann somit besonders präzise bestimmt werden, und der Ultraschallsensor kann stets bei einer maximalen Amplitude des Sendeschalls betrieben werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist außerdem kein Temperatursensor erforderlich, und es können die bereits vorhandenen Bauteile genutzt werden. Es können somit Kosten gespart werden, wie auch der wertvolle Bauraum.
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Das Antwortsignal ist also ein Signal – insbesondere in Form von elektrischer Spannung –, welches die Schwingung des Schwingelements nach der Anregung beschreibt. Das Antwortsignal ist somit unabhängig von fahrzeugexternen Hindernissen, sondern hängt alleine von der gesamten Anordnung einschließlich des Ultraschallsensors und gegebenenfalls eines Fahrzeugteils ab. Das Antwortsignal kann zum Beispiel an einem Piezoelement erfasst werden, mittels welchem das Schwingelement (Membran) zur Schwingung angeregt wird.
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Das Verfahren wird vorzugsweise auf einen Ultraschallsensor angewandt, welcher zu einer Einparkhilfe bzw. einer Fahrerassistenzeinrichtung gehört, mittels welcher der Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs in eine Parklücke unterstützt werden kann. Der Ultraschallsensor kann beispielsweise an einem Stoßfänger derart angeordnet sein, dass das Schwingelement (Membran) an den Stoßfänger angekoppelt ist und die Schwingung des Schwingelements somit in den Stoßfänger übertragen wird. Alternativ zu einem Stoßfänger kann der Ultraschallsensor an einem anderen beliebigen Fahrzeugteil bzw. Verkleidungsteil angebracht sein.
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Bevorzugt wird die Frequenz vor jedem Aussenden eines Anregungssignals jeweils neu festgelegt. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Prüfsignal vor jeder Aktivierung der Einparkhilfe erzeugt und somit auch die Frequenz vor jeder Aktivierung der Einparkhilfe festgelegt wird. Dann ist stets sichergestellt, dass der Ultraschallsensor bei der jeweils optimalen Frequenz betrieben wird und somit stets eine maximale Reichweite besitzt.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz für das Anregungssignal anhand eines Frequenzspektrums des Antwortsignals festgelegt wird. Es wird bei dieser Ausführungsform also eine Systemantwort bzw. ein Frequenzgang des Ultraschallsensors analysiert, und die jeweils optimale Frequenz für das Anregungssignal wird in Abhängigkeit von dem Frequenzgang bestimmt. Die Analyse des Frequenzspektrums hat gegenüber einer Analyse des Antwortsignals im Zeitbereich den Vorteil, dass sie ohne viel Aufwand und auf einfach zu implementierende Weise durchgeführt werden kann.
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Also kann das Antwortsignal einer Fourier-Transformation unterzogen werden. Insbesondere wird hier die so genannte Fast-Fourier-Transformation (FFT) angewandt, so dass das Antwortsignal besonders zeiteffizient bzw. rasch analysiert werden kann.
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Im Hinblick auf die Reichweite und den Wirkungsgrad des Ultraschallsensors erweist sich als vorteilhaft, wenn in dem Frequenzspektrum des Antwortsignals ein Frequenzwert ermittelt wird, bei welchem das Antwortsignal eine maximale Amplitude – gegebenenfalls +/–3 dB – aufweist. Dann wird dieser ermittelte Frequenzwert für das Anregungssignal verwendet bzw. das Anregungssignal wird mit diesem Frequenzwert erzeugt (das Anregungssignal ist in der Regel ein Sinussignal). Auf diese Weise wird erreicht, dass die Schwingungsamplitude des Schwingelements und somit auch der Schalldruck maximal sind. Auf diesem Wege gelingt es, die Reichweite des Ultraschallsensors, wie auch seinen Wirkungsgrad auf ein Maximum zu bringen.
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Wird das Schwingelement mit dem Prüfsignal angeregt, so schwingt es nicht nur für die Zeitdauer des Prüfsignals, sondern verbleibt auch für eine nachfolgende Ausschwingzeit in Schwingung. Das erfasste Antwortsignal charakterisiert somit die Schwingung des Schwingelements sowohl während der Zeitdauer des Prüfsignals als auch während der Ausschwingzeit, welche nach der Zeitdauer des Prüfsignals folgt. Mit anderen Worten besitzt das Antwortsignal einen Signalanteil, welcher dem Prüfsignal entspricht, wie auch einen darauf folgenden Ausschwinganteil. Weil das Prüfsignal vorzugsweise ein breitbandiges Signal ist, besitzt auch das gesamte Antwortsignal ein relativ flaches und breites Frequenzspektrum. Anhand dieses flachen Frequenzspektrums kann der jeweils optimale Frequenzwert für das Anregungssignal bzw. die Eigenfrequenz des gesamten Schwingsystems nicht oder nur mit einem relativ großen Aufwand ermittelt werden. Aus diesem Grund erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn das Frequenzspektrum ausschließlich aus dem genannten Ausschwinganteil des Antwortsignals erzeugt wird, welcher zeitlich nach dem Prüfsignal folgt. Man analysiert somit vorzugsweise lediglich das Ausschwingsignal, welches zeitlich unmittelbar nach dem Prüfsignal erfasst wird bzw. sich unmittelbar an das Prüfsignal anschließt und somit das Schwingverhalten des Schwingelements nach Wegnahme des Prüfsignals charakterisiert. Das Frequenzspektrum des Ausschwinganteils des Antwortsignals besitzt nämlich ein einfach zu ermittelndes Maximum, welches bei einem bestimmten Frequenzwert auftritt. Dieser Frequenzwert kann dann für das Anregungssignal verwendet werden. Die Eigenfrequenz des Ultraschallsensors kann somit besonders einfach bzw. ohne viel Rechenaufwand ermittelt werden. Bei einer Verwirklichung dieser Ausführungsform wird beispielsweise ein Zeitfenster – etwa ein rechteckförmiges Zeitfenster – über den zeitlichen Ausschwinganteil des Antwortsignals gelegt, so dass das Prüfsignal „weggeschnitten” wird. Der Ausschwinganteil des Antwortsignals kann dann der Fourier-Transformation unterzogen werden, und man erhält somit ein Frequenzspektrum mit einem gut erkennbaren Maximum, nämlich bei der Eigenfrequenz bzw. der Frequenz der höchsten Schwingungsamplitude. Es sind auch andere Formen des Zeitfensters möglich, etwa die Gauß-Funktion.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Fourier-Transformation beschränkt. So kann auch vorgesehen sein, dass in dem Ausschwinganteil die Zeitpunkte der Nulldurchgänge dieses Signals ermittelt werden und aus den Zeitabständen zwischen den Nulldurchgängen eine Periodendauer T bestimmt wird. Aus dem Kehrwert der Periodendauer T lässt sich dann auch die optimale Sendefrequenz bestimmen. Es gilt hier folgende Beziehung: f = 1/T, wobei f die gesuchte Frequenz für das Anregungssignal bezeichnet.
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Das Prüfsignal besitzt vorzugsweise eine gegenüber dem Anregungssignal deutlich größere Frequenzbandbreite. Auf diesem Wege gelingt es, die Eigenfrequenz des Ultraschallsensors auch bei relativ großen Frequenzverschiebungen bzw. Schwankungen zu bestimmen. Es kann auch vorgesehen sein, das die Frequenzbandbreite des Prüfsignals zumindest überwiegend eine Frequenzbandbreite bzw. eine Frequenzreserve eines Sendemodulators abdeckt, mittels welchem das Anregungssignal bzw. der Sendeschall moduliert bzw. die Frequenz des Anregungssignals eingestellt wird.
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Vorzugsweise wird als Prüfsignal ein Sinussignal erzeugt. Ein Sinussignal kann nämlich mit geringem technischem Aufwand bereitgestellt werden. Das Prüfsignal besitzt bevorzugt eine solche Anzahl von Sinushalbwellen, welche kleiner als 10, insbesondere kleiner als 4 ist. Besonders bevorzugt besitzt das Prüfsignal lediglich eine einzige Sinushalbwelle. Dann ist nämlich sichergestellt, dass das Prüfsignal eine besonders große Frequenzbandbreite aufweist, so dass das Maximum im Frequenzspektrum bzw. die Eigenfrequenz des Ultraschallsensors auch bei relativ großen Frequenzschwankungen des Systems ermittelt werden kann.
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Die Frequenz des Prüfsignals – insbesondere des Sinussignals – beträgt vorzugsweise 51,2 kHz. Diese Frequenz kann jedoch ganz allgemein in einem Wertebereich von 40 kHz bis 70 kHz, insbesondere in einem Wertebereich von 50 kHz bis 53 kHz, liegen. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der Ultraschallsensor alleine – wenn es noch nicht montiert ist – bevorzugt eine Eigenfrequenz von 51,2 kHz aufweist. Ist nun die mittlere Frequenz des Prüfsignals gleich der Eigenfrequenz des alleinstehenden Ultraschallsensors, so können sowohl positive als auch negative Frequenzverschiebungen kompensiert werden.
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Im Hinblick auf die große Bandbreite des Prüfsignals erweist sich als vorteilhaft, wenn eine Zeitdauer des Prüfsignals geringer als 40 μs, insbesondere geringer als 20 μs, ist. Beispielsweise kann diese Zeitdauer etwa 10 μs betragen.
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Bei einer Fahrerassistenzeinrichtung – etwa der Einparkhilfe – wird in der Regel nicht nur ein einziger Ultraschallsensor eingesetzt, sondern es werden eine Vielzahl von Ultraschallsensoren verwendet. In der Regel werden die Ultraschallsensoren an den Stoßfängern montiert. Ist nun eine Vielzahl von Ultraschallsensoren gegeben, so kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jedem Ultraschallsensor einzeln durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass auf die oben beschriebene Art und Weise die jeweiligen Eigenfrequenzen der Ultraschallsensoren separat ermittelt werden. Dann sind im Prinzip zwei verschiedene Ausführungsformen vorgesehen. Zum einen kann jeder Ultraschallsensor bei seiner individuellen Frequenz senden und empfangen – mit anderen Worten kann das jeweilige Anregungssignal mit der individuellen Eigenfrequenz des Ultraschallsensors erzeugt werden. Auf der anderen Seite kann auch vorgesehen sein, dass aus allen ermittelten Frequenzen ein Mittelwert berechnet wird und alle Ultraschallsensoren bei dem gemittelten Frequenzwert betrieben werden.
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Anhand des Antwortsignals kann auch festgestellt werden, ob der Ultraschallsensor einen Fehler aufweist oder nicht. Also kann anhand des Antwortsignals eine Fehlerdiagnose des Ultraschallsensors durchgeführt werden, und es kann beispielsweise eine Schneeerkennung bzw. eine Eiserkennung durchgeführt werden. Im Allgemeinen kann anhand des Antwortsignals ein blockierter Zustand des Ultraschallsensors festgestellt werden. Dies kann beispielsweise so aussehen, dass der Ultraschallsensor als blockiert dann eingestuft wird, wenn beispielsweise kein Maximum im Frequenzspektrum des Antwortsignals ermittelt werden konnte oder aber die Abweichung der ermittelten Eigenfrequenz von der Eigenfrequenz eines alleinstehenden Ultraschallsensors (51,2 kHz) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Erfindungsgemäß wird darüber hinaus eine Fahrerassistenzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welche einen Ultraschallsensor mit einem Schwingelement zum Aussenden eines Sendeschalls aufweist. Eine Steuereinrichtung ist zum Anregen des Schwingelements mit einem Anregungssignal ausgebildet, um den Sendeschall zum Messen eines Abstands auszusenden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, das Schwingelement mit einem Prüfsignal anzuregen, ein eine Schwingung des Schwingelements charakterisierendes Antwortsignal zu erfassen und eine Frequenz für das Anregungssignal anhand des Antwortsignals festzulegen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Fahrerassistenzeinrichtung.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Fahrerassistenzeinrichtung sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrerassistenzeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 in schematischer Darstellung eine Anordnung mit einem Ultraschallsensor der Fahrerassistenzeinrichtung und mit einem Fahrzeugteil, an welchem der Ultraschallsensor befestigt ist;
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3 einen zeitlichen Verlauf eines Prüfsignals und eines Antwortsignals;
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4 ein Frequenzspektrum des gesamten Antwortsignals;
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5 einen zeitlichen Verlauf eines Ausschwinganteils des Antwortsignals;
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6 das Frequenzspektrum des Ausschwinganteils; und
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7 den Frequenzgang des Ultraschallsensors, wobei die Frequenz der größten Amplitude mit der Frequenz der größten Amplitude eines alleinstehenden Sensors verglichen wird.
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Ein in 1 dargestelltes Kraftfahrzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug 1 beinhaltet eine Fahrerassistenzeinrichtung 2, welche im Ausführungsbeispiel eine Einparkhilfe ist. Die Fahrerassistenzeinrichtung 2 ist also ein Fahrerassistenzsystem, welches den Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 beim Einparken in eine Parklücke unterstützen kann. Dieses Unterstützen kann beinhalten, dass mithilfe von Ultraschallsensoren 3 Abstände zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und fahrzeugexternen Hindernissen erfasst und dem Fahrer angezeigt werden, etwa mithilfe einer optischen Anzeigeeinrichtung und/oder mithilfe eines Lautsprechers. Gegebenenfalls kann auch anhand von Messwerten der Ultraschallsensoren 3 eine Parklücke detektiert werden, und es kann eine Parkbahn berechnet werden, entlang welcher das Kraftfahrzeug 1 in die Parklücke automatisch oder halbautomatisch eingeparkt wird.
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Die Fahrerassistenzeinrichtung 2 beinhaltet außer den Ultraschallsensoren 3 auch eine Steuereinrichtung 4, welche die Ultraschallsensoren 3 ansteuert. Die Steuereinrichtung 4 empfängt auch Messsignale der Ultraschallsensoren 3 und kann aus diesen Messsignalen die jeweiligen Abstände zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und den Hindernissen bestimmen.
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Die Steuereinrichtung 4 kann beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen digitalen Signalprozessor beinhalten, wie auch einen Speicher.
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Die Ultraschallsensoren 3 sind einerseits am vorderen Stoßfänger und andererseits am hinteren Stoßfänger des Kraftfahrzeugs 1 angebracht. Dabei sind die Ultraschallsensoren 3 in der Weise angeordnet, dass jeweilige Membranen (Schwingelemente) an den Stoßfänger angekoppelt sind, so dass das jeweilige Schallsignal über den Stoßfänger ausgesendet wird.
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Eine beispielhafte Anordnung eines einzelnen Ultraschallsensors 3 an einem Fahrzeugteil 5 – etwa dem Stoßfänger oder einer Platte – ist in 2 dargestellt. Der Ultraschallsensor 3 ist dabei an einer Innenseite 6 des Fahrzeugteils 5 angeordnet, so dass der Schall über das Fahrzeugteil 5 nach außen ausgesendet wird. Eine Membran 7 (Schwingelement) des Ultraschallsensors 3 ist über einen Kleber mit dem Fahrzeugteil 5 verbunden bzw. liegt über die Kleberschicht am Fahrzeugteil 5 an.
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Aufgrund der Verbindung der Membran 7 mit dem Fahrzeugteil 5 schwingt beim Ansteuern des Ultraschallsensors 3 nicht nur die Membran 7 alleine, sondern es entsteht eine schwingende Anordnung, welche einerseits die Membran 7 und andererseits auch den Kleber und einen Bereich des Fahrzeugteils 5 beinhaltet. Die Eigenfrequenz dieser Anordnung ist nicht immer gleich der Eigenfrequenz des alleinstehenden Ultraschallsensors 3 (ohne das Fahrzeugteil 5), sondern verschiebt sich je nach Umgebungstemperatur, Einbautoleranzen, Alterung sowie mechanischen Verformungen der Anordnung. Die genannten Parameter beeinflussen also die Frequenzeigenschaften der gesamten schwingenden Anordnung aus dem Ultraschallsensor 3, dem Fahrzeugteil 5, wie auch dem Kleber. Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, wie die jeweils optimale Sendefrequenz für die einzelnen Ultraschallsensoren 3 ermittelt werden kann. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich dabei auf einen einzelnen Ultraschallsensor 3; jedoch kann das Verfahren selbstverständlich auch auf alle Ultraschallsensoren 3 der Fahrerassistenzeinrichtung 2 einzeln angewandt werden.
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Wie bereits ausgeführt, wird mit dem Ultraschallsensor 3 ein Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und einem Hindernis gemessen, dass sich in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 befindet. Um diesen Abstand zu messen, wird die Membran 7 mit einem Anregungssignal angeregt, welches in der Regel als Spannungssignal an einem Piezoelement zum Anregen der Membran 7 angelegt wird. Dieses Anregungssignal soll dabei mit der Eigenfrequenz der schwingenden Anordnung erzeugt werden. Diese Eigenfrequenz wird auf die nachfolgend näher beschriebene Art und Weise bestimmt:
Vor dem Erzeugen des eigentlichen Anregungssignals wird die Membran 7 mit einem kurzen und breitbandigen Prüfsignal angeregt, welches als Spannungssignal an dem Piezoelement angelegt wird. Das Prüfsignal wird in Form einer einzigen Sinushalbwelle erzeugt, nämlich mit einer Frequenz von beispielsweise 51,2 kHz. Es wird dann ein Antwortsignal (ebenfalls elektrische Spannung) erfasst, welches aufgrund des Prüfsignals an dem Piezoelement induziert wird und somit die Schwingung der gesamten Anordnung aufgrund der Anregung mit dem Prüfsignal beschreibt bzw. charakterisiert.
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Ein beispielhaftes Prüfsignal UP sowie ein beispielhaftes Antwortsignal UA sind in 3 dargestellt. Auf der x-Achse ist dabei die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Das Prüfsignal UP wird zum Zeitpunkt 0 ms angelegt und dauert bis zum Zeitpunkt 0,01 ms. Wie aus 3 hervorgeht, besitzt das Prüfsignal UP die Form einer einzigen Sinushalbwelle. Das Prüfsignal UP endet also zum Zeitpunkt 0,01 ms. Als Systemantwort wird das Antwortsignal UA erfasst, welches ebenfalls zum Zeitpunkt 0 beginnt, jedoch insgesamt eine längere Zeitdauer besitzt (etwa bis 0,1 ms). Das Antwortsignal UA besitzt somit einerseits einen Signalanteil 8, welcher dem Prüfsignal UP entspricht, und andererseits auch einen Ausschwinganteil 9, welcher zum Zeitpunkt 0,01 ms beginnt und somit nach dem Prüfsignal UP folgt bzw. erfasst wird. Der Ausschwinganteil 9 schließt sich also zeitlich unmittelbar an das Prüfsignal UP an. Das Antwortsignal UA – und insbesondere sein Ausschwinganteil 9 – stellt im Prinzip eine Impulsantwort der schwingenden Anordnung dar.
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Das Antwortsignal UA wird im Frequenzbereich analysiert, und in Abhängigkeit vom Frequenzspektrum des Antwortsignals UA wird die Eigenfrequenz der Anordnung und somit die Frequenz für das Anregungssignal bestimmt. Der Fourier-Transformation wird jedoch nicht das gesamte Antwortsignal UA unterzogen, sondern ausschließlich der Ausschwinganteil 9 des Antwortsignals UA. In 4 ist dabei ein Frequenzspektrum FA des gesamten Antwortsignals UA einschließlich des ersten Signalanteils 8 bzw. einschließlich der Sinushalbwelle dargestellt. Auf der x-Achse ist die Frequenz f aufgetragen. Wie aus 4 hervorgeht, besitzt das gesamte Antwortsignal UA ein relativ breites und flaches Frequenzspektrum. Es ist schwierig, die Eigenfrequenz der Anordnung anhand dieses in 4 dargestellten Frequenzspektrums zu bestimmen.
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Deshalb wird ein Zeitfenster über den Ausschwinganteil 9 gelegt, so dass der Signalanteil 8 „weggeschnitten” wird. Ein beispielhaftes Zeitfenster 10 ist in 5 dargestellt, wobei hier der Ausschwinganteil 9 vergrößert dargestellt ist. Es wird im Ausführungsbeispiel ein rechteckförmiges Zeitfenster 10 verwendet, es sind jedoch auch andere Formen denkbar. Wie aus 5 hervorgeht, besitzt der Ausschwinganteil 9 des Antwortsignals UA einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf. Der Ausschwinganteil 9 wird nun der Fourier-Transformation, insbesondere der FFT, unterzogen, und es wird das Frequenzspektrum des Ausschwinganteils 9 analysiert.
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Ein Frequenzspektrum FA' des zeitlichen Ausschwinganteils 9 ist in 6 dargestellt. Es wird nun ein Frequenzwert fmax ermittelt, bei welchem das Frequenzspektrum FA' eine maximale Amplitude besitzt bzw. bei welchem die Amplitude ein Maximum 11 aufweist. Gegebenenfalls kann das Maximum 11 mit einer Genauigkeit von +/–3 dB bestimmt werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Frequenzwert fmax der größten Amplitude etwa 43,25 kHz. Der Ultraschallsensor 3 wird nun bei diesem Frequenzwert fmax betrieben bzw. das Anregungssignal wird mit dem Frequenzwert fmax erzeugt.
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In 7 ist das Frequenzspektrum FA' gemäß 6 gegenübergestellt der Eigenfrequenz bzw. einem Frequenzwert der maximalen Amplitude bei einem freistehenden Ultraschallsensor 3. Während die Eigenfrequenz der Anordnung gemäß 2 etwa 43,2 kHz beträgt, liegt die Eigenfrequenz eines freistehenden Ultraschallsensors 3 bei etwa 51,2 kHz. Würde nun das Anregungssignal mit einer Frequenz von 51,2 kHz erzeugt, so wäre die Schwingungsamplitude deutlich geringer als bei 43,2 kHz, wie in 7 dargestellt, und der Ultraschallsensor 3 würde nur eine geringe Reichweite besitzen.
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Statt den Ausschwinganteil 9 der Fourier-Transformation zu unterziehen, können in dem Ausschwinganteil 9 auch die Zeitpunkte der Nulldurchgänge ermittelt werden. Dann kann anhand dieser Zeitpunkte eine Periodendauer T des Ausschwinganteils bestimmt werden. Der gesuchte Frequenzwert für das Anregungssignal kann dann als Kehrwert der Periodendauer T festgelegt werden: fmax = 1/T.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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