DE102011085286A1

DE102011085286A1 - Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102011085286A1
Application number: DE102011085286A
Authority: DE
Inventors: Thomas Treptow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-08-02
Also published as: FR2982034A1; GB2496296A; GB201219374D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs (1) mittels Ultraschall, wobei Ultraschallpulse (20, 30) ausgesendet und die an Objekten (16, 18) reflektierten Ultraschallechos (24, 34) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich (10) in mindestens zwei Entfernungsbereiche (12, 14) unterteilt ist, wobei die für die Erfassung im jeweiligen Entfernungsbereich verwendeten Ultraschallpulse (20, 30) voneinander unabhängig ausgesendet werden und durch verschiedene Frequenzen kodiert sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs mittels Ultraschall sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In Fahrzeugen werden verschiedene Fahrassistenzsysteme eingesetzt, um den Fahrer bei der Durchführung verschiedener Fahrmanöver zu unterstützen. Diese Fahrassistenzsysteme umfassen beispielsweise Einparkhilfen, welche selbständig Parklücken erkennen und das Fahrzeug in die Parklücke führen können. Ein weiteres Beispiel sind Rückfahrassistenten, die den Fahrweg während des Rückwärtsfahrens auf Hindernisse überprüfen. Den genannten Systemen gemeinsam ist das Erfordernis, mit Hilfe verschiedener Sensoren ein möglichst genaues Abbild der Umgebung zu erfassen. Üblicherweise kommen dafür Ultraschallsensoren zum Einsatz. Dabei wird von einem Ultraschallsensor ein Signal ausgesendet, dieses Ultraschallsignal wird von einem Hindernis reflektiert und von einem Empfänger am Fahrzeug wieder registriert. Aus der Zeit, die zwischen Aussenden und Empfangen des Signals vergangen ist und der bekannten Schallgeschwindigkeit kann der Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem Reflektor berechnet werden.
Aus DE 102 25 614 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Abstandssensors bekannt, bei der der Abstand eines Messobjekts aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmbar ist. Zur Steigerung der Messrate werden aufeinanderfolgende Ultraschallimpulse mit unterschiedlicher Frequenz ausgesendet. Zusätzlich wird der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Sendeimpulsen so gewählt, dass keine „blinde Zonen” entstehen. Dazu werden die Aussendezeitpunkte der Impulse mit unterschiedlicher Frequenz so gewählt, dass für jede Entfernung mindestens zwei Messungen pro Gesamtperiode vorliegen.
Aus DE 199 01 847 A1 ist ein Verfahren bekannt, in dem Abstandssensoren mit einer zeitlich veränderlichen Kennung betrieben werden, um Einflüsse anderer Quellen auf die Messgenauigkeit zu vermeiden. Zur Aufprägung der verschiedenen zeitlich veränderlichen Kennung wird das elektrische Signal zum Betreiben des Ultraschallsensors moduliert. Die Modulation kann beispielsweise als Frequenzmodulation über mehrere Wellenzüge ausgestaltet sein.
Für die Umfelderfassung ist eine hohe Abtastrate bei gleichzeitig hoher Reichweite gefordert. Die Abtastrate bestimmt beispielsweise bei einer Vorbeifahrt an einer Parklücke die Genauigkeit, mit der die Länge der Parklücke vermessen werden kann. Beispielsweise ergibt sich bei einer Abtastrate von 50 Hz ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Ultraschallpulsen von 20 ms. Ein Fahrzeug legt bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h in dieser Zeit eine Strecke von etwa 28 cm zurück, wodurch die Messauflösung begrenzt wird. Genauer kann eine Bestimmung der Parklückenlänge nicht erfolgen. Die Reichweite der Messeinrichtung wiederum begrenzt die Entfernung, in der Hindernisse und/oder eine Parklücke begrenzende Objekte wahrgenommen werden können.
Die bekannten Verfahren zur Abstandsmessung mittels Ultraschall, bei denen Ultraschallimpulse mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet werden, können gegenüber Verfahren, bei denen lediglich Impulse mit einer Frequenz eingesetzt werden, die Abtastrate steigern, jedoch lässt sich mit diesen Verfahren nicht die Reichweite erhöhen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs mittels Ultraschall vorgeschlagen, wobei Ultraschallpulse ausgesendet und die an Objekten reflektieren Ultraschallechos detektiert werden, wobei der Erfassungsbereich in mindestens zwei Entfernungsbereiche unterteilt ist und die für die Erfassung im jeweiligen Entfernungsbereich verwendeten Ultraschallpulse voneinander unabhängig ausgesendet werden und durch verschiedene Frequenzen kodiert sind und wobei dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit Ultraschallpulsen geringerer Energie abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug entfernt gelegene Entfernungsbereiche.
Der Erfassungsbereich ist dabei der Bereich in der Umgebung des Fahrzeugs, der mit einer auf Ultraschall basierenden Messeinrichtung abgedeckt wird. Wird dieser Erfassungsbereich, beispielsweise in zwei Entfernungsbereiche unterteilt, so werden für die Abtastung der Umgebung des Fahrzeugs Ultraschallpulse mit zwei verschiedenen Frequenzen verwendet.
Die beiden Ultraschallpulse für die jeweiligen Entfernungsbereiche werden unabhängig voneinander ausgesendet. Dies kann dabei mit demselben Ultraschallgeber oder über zwei verschiedene, getrennt angeordnete, Ultraschallgeber sowie gleichzeitig oder hintereinander geschehen. Da die beiden Ultraschallpulse jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen kodiert sind, können Echos der beiden Ultraschallpulse, die an einem Empfänger detektiert werden, eindeutig zugeordnet werden. Um die bei der Abtastung mittels Ultraschallpulsen erzielbare Reichweite zu erhöhen, wird der weiter vom Fahrzeug entfernt liegende Entfernungsbereich mit Ultraschallpulsen höherer Energie abgetastet, als der dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereich. Dadurch wird die mit zunehmender Entfernung zum Ultraschallgeber abnehmende Amplitude der Ultraschallpulse zumindest teilweise ausgeglichen, so dass sich auch Echos von weit entfernt liegenden Objekten detektieren lassen. Die Energie eines Ultraschallpulses kann durch Erhöhen der Amplitude und/oder durch Verlängern der Pulsdauer gesteigert werden. Auch eine Erhöhung der Frequenz kann die Energie eines Ultraschallpulses steigern, jedoch nimmt die Dämpfung des Ultraschallpulses bei der Ausbreitung in der Luft mit steigender Frequenz zu, so dass eine Erhöhung der Frequenz der Ultraschallpulse nicht in jedem Fall sinnvoll ist. Des Weiteren ist es auch wenig sinnvoll, durch Verlängern der Pulsdauer und/oder Erhöhen der Pulsamplitude die Leistung aller Ultraschallpulse ohne Rücksicht auf den bestimmten Entfernungsbereich zu steigern, da mit einer solchen Steigerung Nachteile in der erzielbaren Abtastrate verbunden sind. So lässt sich in der Zeit, in der ein Ultraschallpuls ausgesendet wird, in der Nähe des Ultraschallgebers kein Ultraschallecho detektieren, da die Amplitude des direkt empfangenen Ultraschallpulses wesentlich größer ist, als die eines Echos. Mit zunehmender Pulsdauer wächst demnach auch die Zeit an, in der das Messsystem keine Echos empfangen kann. Auch die Zunahme der Amplitude der Ultraschallpulse ist mit Nachteilen verbunden. So schwingen die Membranen der Ultraschallgeber und Empfänger nach dem Aussenden eines Ultraschallpulses eine gewisse Zeit lang nach. In der Zeit, in der die Membranen nachschwingen, ist ein Empfang von Ultraschallechos möglich, jedoch wird die Auswertung des Echos durch das Eigenschwingen der Membran erschwert bzw. verhindert.
Anstatt einer Unterteilung des Erfassungsbereiches in zwei Entfernungsbereiche kann auch eine Unterteilung in jede beliebige andere Anzahl von Entfernungsbereichen erfolgen. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Energie der Ultraschallpulse je nach benötigter Reichweite eingestellt werden. Da diese für jeden Entfernungsbereich getrennt erfolgt, werden Totzeiten, also Zeiten, in denen keine Ultraschallechos empfangen werden können, minimiert, wodurch sich die Abtastrate steigern lässt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Abtastrate für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen eingestellt werden.
Damit eine Bestimmung der Entfernung mittels Detektion eines Ultraschallechos eindeutig, ist, muss nach Aussenden eines Ultraschallpulses eine bestimmte Zeitspanne abgewartet werden, bevor der nächste Puls ausgesendet werden kann. Die Ultraschallpulse breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus, die bei 20°C etwa 343 m/s beträgt. Soll eine Objektentfernung von beispielsweise 5 m eindeutig zugeordnet werden können, muss zwischen der Aussendung zweier Pulse mindestens die Zeitspanne vergehen, die der Puls von der Schallquelle zum Objekt und zurück zum Empfänger benötigt. Bei einer maximalen Objektentfernung von 5 m muss der Schall 10 m zurücklegen, wofür er bei einer Geschwindigkeit von 343 m/s etwa 29 ms benötigt. Bei einer maximalen Objektentfernung von 1 m muss der Ultraschallpuls 2 m zurücklegen, wofür er etwa 6 ms benötigt. Aufgrund dieser Tatsache ist es bevorzugt, dass dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit einer höheren Rate abgetastet werden, als weiter von Fahrzeug entfernt gelegene Entfernungsbereiche.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Pulslänge für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen gewählt werden.
Wie bereits oben aufgeführt, kann durch Vergrößern der Pulslänge die Leistung eines Ultraschallpulses erhöht werden, wodurch sich ein Ultraschallecho auch bei größerer Objektentfernung noch zuverlässig detektieren lässt. Da dadurch auch die Totzeit, in der keine Ultraschallechos empfangen werden können, verlängert wird, ist es bevorzugt, dass dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit Pulsen einer kürzeren Länge abgetastet werden, als weiter vom Fahrzeug entfernt gelegene Entfernungsbereiche.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit Ultraschallpulsen einer niedrigeren Frequenz abgetastet, als weiter vom Fahrzeug entfernt gelegene Bereiche. Dadurch werden weiter entfernt gelegene Entfernungsbereiche mit Pulsen einer höheren Frequenz und damit einer höheren Energie abgetastet. Da jedoch die Dämpfung der Ultraschallpulse in der Luft mit zunehmender Frequenz ansteigt, ist es bevorzugt, bei Ultraschallmessverfahren, die generell höhere Frequenzen benutzen, umgekehrt zu verfahren und dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit Pulsen höherer Frequenz abzutasten.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die Pulsamplituden für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen einstellbar. Wie bereits oben erläutert, ist es aufgrund auftretender Totzeiten und der mit der vom Ultraschallpuls zurückgelegten Strecke abnehmenden Amplitude bevorzugt, dass dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche mit Pulsen geringerer Amplituden abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug entfernt gelegene Bereiche.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine Vorrichtung zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs nach dem soeben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst ein Steuergerät, mindestens einen Ultraschallgeber und mindestens einen Ultraschallempfänger, wobei der mindestens eine Ultraschallgeber eingerichtet ist mindestens zwei verschiedene Pulse gleichzeitig und/oder nacheinander bei jeweils unterschiedlicher Frequenz abzustrahlen und der mindestens eine Empfänger eingerichtet ist, gleichzeitig und/oder nacheinander Ultraschallechos mit verschiedenen Frequenzen zu detektieren.
Bevorzugt ist der mindestens eine Ultraschallgeber eingerichtet, jeden Ultraschallpuls mit einer verschieden wählbaren Amplitude, Frequenz und Pulslänge abzustrahlen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, durch Unterteilung des Erfassungsbereiches einer Vorrichtung zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs in mindestens zwei Entfernungsbereiche die für die Abtastung verwendeten Ultraschallpulse so zu optimieren, dass die maximale Entfernung, in der Objekte mittels Ultraschallechos detektiert werden können, erhöht werden kann, ohne die Abtastrate in dichter am Fahrzeug gelegenen Bereichen verschlechtern zu müssen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden in der Regel nur Komponenten benötigt, wie sie bei den gebräuchlichen Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs mittels Ultraschall bereits eingesetzt werden. Die Verbesserung der Reichweite des Messverfahrens ohne damit einhergehende Verschlechterung der Abtastung im Nahbereich kann somit leicht in bestehende Systeme integriert werden, beispielsweise durch ein entsprechendes Update der Software eines Steuergerätes.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Umgebung eines Fahrzeugs mittels Ultraschallpulsen abgetastet wird,
2 zeigt ein Diagramm, in dem die Ultraschallpulse für die Abtastung eines in zwei Entfernungsbereiche unterteilten Erfassungsbereichs skizziert sind.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Fahrzeug, welches seine Umgebung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung abtastet.
Das Fahrzeug 1 weist in seiner Front einen Ultraschallgeber 4 und einen Ultraschallempfänger 6 auf. Der Ultraschallgeber 4 und der Ultraschallempfänger 6 sind mit einem Steuergerät 2 verbunden. Mit dem Ultraschallgeber 4 und dem Ultraschallempfänger 6 wird ein Erfassungsbereich 10, der sich vordem Fahrzeug 1 befindet, abgetastet. Dieser Erfassungsbereich 10 ist in der gezeigten Ausführungsform in zwei Entfernungsbereiche unterteilt, einen Nahbereich 14 und einen Fernbereich 12. Über das Steuergerät 2 werden Ultraschallpulse 20, 30 generiert und vom Ultraschallgeber 4 abgestrahlt. Treffen die Ultraschallpulse 20, 30 auf ein Hindernis 16, 18 entsteht ein Ultraschallecho 24, 34 welches vom Ultraschallempfänger 6 aufgenommen wird und im Steuergerät 2 verarbeitet wird. Die Pulse 20 tasten den Fernbereich 12 ab und werden gegenüber den Impulsen 30, die den Nahbereich 14 abtasten mit einer höheren Energie und einer geringeren Wiederholrate abgestrahlt. Die Pulse 20 für den Fernbereich 12 werden mit einer anderen Frequenz abgestrahlt als die Pulse 30 für den Nahbereich 14. Dadurch können die eintreffenden Echos 24 eines fernen Hindernisses 18, welches den Ultraschallpuls 20 reflektiert, von Ultraschallechos 34 des Ultraschallpulses 30, der von einem nahem Hindernis 16 reflektiert wird, getrennt werden.
Neben der in 1 dargestellten Ausführungsform, bei der der Ultraschallgeber 4 und der Ultraschallempfänger 6 als getrennte Einheiten ausgeführt sind, sind auch Ausführungsformen möglich, in denen der Ultraschallgeber und der Ultraschallempfänger eine Einheit bilden. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, mehrere Ultraschallgeber 4 und Ultraschallempfänger 6 bzw. Kombinierte Ultraschallgeber und Ultraschallempfänger am Fahrzeug 1 anzuordnen, um die Umgebung hinter dem Fahrzeug 1 und/oder an den Seiten abzutasten.
2 zeigt ein Diagramm, in dem die Ultraschallpulse für die Abtastung eines in zwei Entfernungsbereiche unterteilten Erfassungsbereichs skizziert sind.
In dem Diagramm ist auf der vertikalen Achse die Pulsamplitude (A) und auf der horizontalen Achse die Zeit (t) aufgetragen. In dem Diagramm sind Ultraschallpulse 20, die für den fernen Erfassungsbereich bestimmt sind und mit einer Frequenz f1 ausgestrahlt werden sowie Ultraschallpulse 30, die für den Nahbereich bestimmt sind und mit einer Frequenz f2 ausgestrahlt werden, eingezeichnet. Die Pulse 20 und Pulse 30 werden in der in 2 dargestellten Ausführungsform mit gleicher Amplitude ausgestrahlt, die Pulse sind auf der vertikalen Achse lediglich versetzt dargestellt, um die Lesbarkeit zu verbessern. Wie aus 2 ersichtlich weisen die Ultraschallpulse 20 eine Pulsdauer 22 auf, die größer ist, als die Pulsdauer 32 der Pulse 30. Ebenso kann der Darstellung entnommen werden, dass die Zeitspanne 21 zwischen der Aussendung zweier Pulse 20 größer ist, als die Zeitspanne 31, die zwischen der Aussendung zweier Pulse 30 liegt.
Da die Energie eines Pulses mit der Pulsdauer ansteigt, folgt aus 2, dass die Pulse 20, die für den Fernbereich bestimmt sind, mit einer höheren Energie abgestrahlt werden, als die Pulse 30, die für den Nahbereich bestimmt sind. Ebenso folgt aus der 2, dass die Wiederholrate der Pulse und damit die Abtastrate für die Pulse 30 höher ist, als für die Pulse 20. Demnach wird der Nahbereich mit einer höheren Rate abgetastet als der Fernbereich.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10225614 A1 [0003]
DE 19901847 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs (1) mittels Ultraschall, wobei Ultraschallpulse (20, 30) ausgesendet und die an Objekten (16, 18) reflektierten Ultraschallechos (24, 34) detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich (10) in mindestens zwei Entfernungsbereiche (12, 14) unterteilt ist, wobei die für die Erfassung im jeweiligen Entfernungsbereich verwendeten Ultraschallpulse (20, 30) voneinander unabhängig ausgesendet werden und durch verschiedene Frequenzen kodiert sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dichter am Fahrzeug gelegene Entfernungsbereiche (12, 14) mit Ultraschallpulsen (20, 30) mit geringerer Energie abgetastet werden, als weiter vom Fahrzeug (1) entfernt liegende Entfernungsbereiche (12, 14).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche (12, 14) unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen (12, 14) wählbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dichter am Fahrzeug (1) gelegene Entfernungsbereiche (12, 14) mit einer höheren Rate abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug (1) entfernt gelegene Entfernungsbereiche (12, 14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge (22, 32) für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche (12, 14) unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen (12, 14) wählbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dichter am Fahrzeug (1) gelegene Entfernungsbereiche (12, 14) mit Ultraschallpulsen mit einer kürzeren Länge (22, 32) abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug (1) entfernt gelegene Entfernungsbereiche (12, 14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dichter am Fahrzeug (1) gelegene Entfernungsbereiche (12, 14) mit Ultraschallpulsen einer höheren/niedrigeren Frequenz abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug (1) entfernt gelegene Entfernungsbereiche (12, 14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsamplitude (A) für jeden der mindestens zwei Entfernungsbereiche (12, 14) unabhängig von den anderen Entfernungsbereichen (12, 14) wählbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dichter am Fahrzeug (1) gelegene Entfernungsbereiche (12, 14) mit Ultraschallpulsen geringerer Amplitude (A) abgetastet werden als weiter vom Fahrzeug (1) entfernt gelegene Entfernungsbereiche (12, 14).
Vorrichtung zur Erfassung der Umgebung eines Fahrzeugs (1) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Steuergerät (2), mindestens einen Ultraschallgeber (4) und mindestens einen Ultraschallempfänger (6), wobei der mindestens eine Ultraschallgeber (4) eingerichtet ist, mindestens zwei verschiedene Ultraschallpulse (20, 30) gleichzeitig und/oder nacheinander bei jeweils unterschiedlicher Frequenz abzustrahlen und der mindestens eine Ultraschallempfänger (6) eingerichtet ist, gleichzeitig und/oder nacheinander Ultraschallpulse (20, 30) mit verschiedenen Frequenzen zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallgeber (4) eingerichtet ist jeden Ultraschallpuls (20, 30) mit verschieden wählbarer Amplitude, Frequenz und Pulslänge abzustrahlen.