DE102012216968A1

DE102012216968A1 - Verfahren zur Auswertungsanpassung und Funktionsüberprüfung eines Ultraschallsensors sowie ein entsprechender Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102012216968A1
Application number: DE102012216968.7A
Authority: DE
Inventors: Sandipto Neogi; Thomas Treptow; Bjoern Herder; Dr. Richter Karl-Heinz; Albrecht Klotz; Philipp Mayer; Dirk Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-17
Also published as: GB201316837D0; FR2996006A1; GB2506992A; GB2506992B; FR2996006B1

Abstract

Es werden Verfahren sowie Vorrichtungen und Systeme im Bereich der Umfeldsensorik mittels Ultraschallwandlern vorgeschlagen, mittels welcher eine Erkennung von Fehlfunktionen sowie eine Quantifizierung von Fehlfunktionen zur Anpassung einer Auswertung eines Ultraschallwandlers ermöglicht werden. Dabei wird eine elektrische Impedanz eines Ultraschallwandlers durch ein Testsignal gemessen und Veränderungen der Impedanz über der Frequenz mit einer Referenz hinsichtlich im Impedanzverlauf vorhandener Extrempunkte verglichen. In diesem Rahmen werden unterschiedliche Untersuchungen der Extremwerte vorgeschlagen, um die Erkennung einer Fehlfunktion sowie ein Reagieren auf eine solche einfach und sicher zu gestalten.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertungsanpassung und Funktionsüberprüfung eines Ultraschallwandlers sowie einen Ultraschallwandler, ein Parkassistenzsystem und einen Einparkroboter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Auswertungsschritte zur Überprüfung eines Signals welches von einem Ultraschallsensor bzw. Ultraschallwandler stammt.
Fahrerassistenzfunktionen basierend auf Ultraschallsensoren sind seit langer Zeit bekannt und im Serieneinsatz. Dabei wird die klassische Einparkhilfe, also eine Abstandsmessung mit entsprechender Signalisierung an den Fahrer eines Fahrzeugs, zunehmend um komplexere Funktionen ergänzt, wie z.B. Ausparkunterstützung (semi-autonomes Einparken mit Eingriff in die Längs- und Querführung des Fahrzeugs, etc.). Bei solchen Systemen sendet ein Ultraschallsensor bzw. Ultraschallwandler ein Signal in die Fahrzeugumgebung aus und wandelt von Umgebungsobjekten reflektierte Signale in elektrische Signale um, welche von einer Auswerteeinheit hinsichtlich Laufzeit, Amplitude etc. ausgewertet werden. Aufgrund erhöhter Sicherheitsrelevanz solcher Funktionen ist es von zunehmender Bedeutung, verbesserte Verfahren zur Erkennung von Sensordegradation gegenüber dem aktuellen Stand der Technik zu entwickeln. Unter einer "Sensordegradation" werden Funktionseinbußen aufgrund von Alterungserscheinungen, Verschmutzungen, Vereisungen, Schneebelag, Schlamm- und Insektenablagerungen auf dem Wandler sowie Beschädigungen desselben, beispielsweise durch Steinschlag, Verkehrsunfälle, Vandalismus etc. verstanden. Die im Stand der Technik bekannten Verfahren bieten keine zufriedenstellenden Lösungsansätze, um einen Ultraschallwandler im laufenden Betrieb auf die vorgenannten Funktionsbeeinträchtigungen zu überprüfen. Überdies ist eine Quantifizierung der Funktionsbeeinträchtigung dahingehend wünschenswert, dass eine Anpassung von Auswertealgorithmen erfolgen kann, wenn bestimmte Funktionseinbußen sicher erkannt worden sind und eine (bedingte) Weiterverwendung der Ultraschallwandler auch trotz Funktionseinbußen möglich erscheint.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Bedürfnisse zu befriedigen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Des Weiteren wird die vorstehend genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 sowie ein Parkassistenzsystem oder einen Einparkroboter mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Entsprechend wird ein Verfahren zur Erkennung einer Fehlfunktion eines Ultraschallwandlers zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Zunächst wird der zu testende Ultraschallwandler mit einem Signal, bevorzugt einem elektrischen Testsignal, beaufschlagt, mittels welchem eine Impedanz des Ultraschallwandlers in einem vorbestimmten Frequenzbereich ermittelt werden kann. Als Impedanz kann dabei das Verhältnis eines komplexen Anregungssignals (elektrische Spannung) zu einer im Ansprechen auf die Beaufschlagung durch den Ultraschallwandler gezeigten Reaktionen (z.B. elektrischer Strom) ermittelt werden. Bevorzugt wird dabei lediglich der Betrag der Impedanz über der Frequenz ermittelt. Anschließend wird die Impedanz mit einer Referenz verglichen, wobei die Referenz eine vordefinierte Impedanzkurve sein kann, welche mit einem funktionstüchtigen bzw. unauffälligen Ultraschallwandler aufgenommen worden ist. Ebenfalls ist eine kontinuierliche Aktualisierung der Referenz in vordefinierten (Aktualisierungs-)Zeitintervallen möglich. Selbstverständlich kann die Referenz auch eine errechnete Größe oder ein errechneter Graph (bzw. frequenzabhängiger „Korridor“ um denselben) sein, der das "Mittel" einer Vielzahl von Impedanzkurven darstellt, welche von unauffälligen Ultraschallwandlern stammen. Erfindungsgemäß wird eine Fehlfunktion detektiert, wenn Frequenzen oder Amplituden charakteristischer Punkte der ermittelten Impedanz, welche beispielsweise Extremwerte der Impedanz sein können, und Frequenzen oder Amplituden entsprechender Punkte der abgespeicherten Referenz in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen. Somit werden die relativen Lagen aktuell ermittelter Kurvenpunkte der Impedanz mit zugehörigen Kurvenpunkten der Referenz verglichen und hinsichtlich vordefinierter Werte und/oder Wertescharen miteinander verglichen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Quotient eines Impedanzmaximums und eines Impedanzminimums der ermittelten Impedanz verwendet werden, wobei der Quotient um „1“ vermindert werden kann. Auf diese Weise wird eine normierte Einzahlkennzeichnung der ermittelten Impedanz gewonnen, welche mit einem entsprechenden Quotienten (Impedanzmaximum geteilt durch Impedanzminimum, vermindert um 1) der Referenz verglichen werden kann. Auch auf diese Weise wird somit ein vordefiniertes Verhältnis einer ermittelten Impedanz und der vordefinierten bzw. abgespeicherten Referenz ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Distanz zwischen einem normierten Schwerpunkt mehrerer Extremwerte der Impedanz und einem normierten Schwerpunkt mehrerer korrespondierender Extremwerte der Referenz dahingehend überprüft werden, ob sie in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen. Unter "Distanz" seien hierbei jegliche mathematisch und/oder graphisch ermittelbare Unterschiede der relativen Lage zweier Punkte zu verstehen. Weist eine Impedanzkurve beispielsweise zwei Maxima und ein zwischen den beiden Maxima liegendes Minimum auf, kann der normierte Schwerpunkt des durch die drei Extremwerte aufgespannten Dreiecks anhand bekannter mathematischer Verfahren ermittelt werden. Eine Normierung ist u.A. vorteilhaft, um einen einheitlichen Einflussfaktor der Frequenz- und Amplitudenanteile der Schwerpunkte zu erhalten. Selbiges kann für korrespondierende Extremwerte der Referenz durchgeführt werden, was eine Ermittlung der vorgenannten Distanz beider Schwerpunkte ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten der Impedanz und eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten der Referenz dahingehend überprüft werden, ob beide in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen. Weist beispielsweise eine Impedanzkurve zwei Maxima (max1 und max2) und ein zwischen beiden liegendes Minimum (min) auf, so können die Vektoren zwischen dem ersten Maximum (max1) und dem zweiten Maximum (max2) sowie zwischen dem ersten Maximum (max1) und dem Minimum (min) ermittelt und ihre Determinante bestimmt werden. Eine solche Abhängigkeit beschreibt beispielhaft die Gleichung Det = abs((f_min – f_max1)·(Z_max2 – Z_min) – (Z_min – Z_max1)·(f_max2 – f_min)), in welcher Det der Absolutwert der Determinante, Z der Betrag eines jeweiligen Impedanzpunktes und f die Frequenz eines jeweiligen Impedanzpunktes ist. Selbiges kann für entsprechende Kurvenpunkte der Referenz stattfinden, was eine Ermittlung des Verhältnisses beider Determinanten ermöglicht. Insbesondere hinsichtlich der Referenz ist es einleuchtend, dass die vorgenannten Auswertungsschritte bereits vorab vorgenommen und die Ergebnisse zusätzlich abgespeichert worden sein können. Mit anderen Worten muss nicht ein jeder Verfahrensschritt erst bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, so dass die erforderliche Rechenleistung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verringert werden kann. Sofern nun eine Auswertung eines oder einer Vielzahl der vorgenannten Kriterien, ggf. in Kombination, beispielsweise die Summe unterschiedlich gewichteter Kriterien, ergibt, dass eine Fehlfunktion eines Ultraschallwandlers vorliegt, kann eine Verifikation des Ergebnisses durch eine wiederholte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen werden und/oder eine Signalisierung an den Anwender des Verfahrens erfolgen, um diesem ein Einleiten entsprechender Maßnahmen zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich können Maßnahmen (wie z.B. ein Ausstoßen eines als "defekt" klassifizierten Ultraschallwandlers aus dem Sensorverbund) auch automatisch vorgenommen werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt kann das vordefinierte Verhältnis abhängig von einer Temperatur, insbesondere einer Umgebungstemperatur, definiert sein, so dass unterschiedliche Vergleichswerte für Temperaturen verwendet werden können, welche beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Umgebung des Ultraschallwandlers oder innerhalb desselben herrschen. Auf diese Weise können unterschiedliche Empfindlichkeiten und Impedanzkurven temperaturabhängig berücksichtigt werden, so dass eine Fehlfunktionserkennung des Ultraschallwandlers ohne Einfluss der jeweiligen Temperatur erfolgen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nicht eine Erkennung einer Fehlfunktion zur Verfügung gestellt, sondern ein Verfahren zur Anpassung einer Auswertung eines Ultraschallwandlers unabhängig von dem Vorliegen einer Fehlfunktion. Mit anderen Worten können beispielsweise Parameter und/oder Schwellwerte bei der Auswertung der Ultraschallwandlersignale verändert werden, wenn erkannt worden ist, dass die Funktionsweise des Ultraschallwandlers sich geändert hat, der Ultraschallwandler jedoch nach wie vor verwendet werden kann. Im Unterschied zum vorgenannten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Anpassung der Auswertung des Ultraschallwandlers überprüft, in welchem Verhältnis Frequenzen charakteristischer Punkte, insbesondere Extremwerte, der ermittelten Impedanz sowie Frequenzen entsprechender Punkte der (gespeicherte) Referenz zueinander stehen. Anhand hinterlegter Auswertungsparameterscharen kann im Ansprechen auf ein konkret ermitteltes Vergleichsergebnis die Auswertung des Ultraschallwandlers angepasst werden, um beispielsweise eine Veränderung in der Charakteristik des Ultraschallwandlers im Zuge einer Vereisung und/oder eines Belages auf demselben, beispielsweise durch Anpassen von Empfindlichkeitsschwellen oder Verwendung anderer Laufzeit-Distanz-Wertepaare zu modifizieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein Verhältnis eines Quotienten eines Impedanzmaximums und eines Impedanzminimums, vermindert um 1, der ermittelten Impedanz und ein Quotient eines Impedanzmaximums und eines Impedanzminimums, vermindert um 1 der gespeicherten Referenz, überprüft werden und im Ansprechen auf eine vorbestimmte Relation zwischen beiden die Auswertung von Abstandsmesssignalen des Ultraschallsensors modifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann überprüft werden, in welchem Verhältnis eine Distanz zwischen einem normierten Schwerpunkt mehrerer Extremwerte der Impedanz und einem normierten Schwerpunkt mehrerer korrespondierender Extremwerte der Referenz zueinander stehen, und im Ansprechen auf eine bestimmte Relation zwischen beiden die Anpassung der Auswertung des Ultraschallwandlers modifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann überprüft werden, in welchem Verhältnis eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten der Impedanz und eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten der Referenz zueinander stehen und im Ansprechen auf eine vorbestimmte Relation zwischen beiden eine Auswertung des Ultraschallwandlers modifiziert werden.
Bevorzugt kann die Auswertung gemäß beiden vorstehenden erfindungsgemäßen Aspekten in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses angepasst werden. Unabhängig von einer Erkennung eines Ultraschallwandlers als "defekt" können die Vergleichsergebnisse eine sinnvolle Reaktion auf einen aktuellen Zustand eines Ultraschallwandlers ermöglichen, wodurch der Einsatz des Ultraschallwandlers für einen jeweiligen Zweck sicherer gestaltet wird.
Weiter bevorzugt kann das Verhältnis eine Differenz und/oder ein Differenzbetrag sein, welche bzw. welcher einen vordefinierten maximalen Wert überschreitet oder unterschreitet. Dabei bildet eine Referenzermittlung eine einfache mathematische Operation, um die ermittelte Impedanz mit der abgespeicherten Referenz zu vergleichen. Anschließend kann die Differenz und/oder der Differenzbetrag hinsichtlich des vordefinierten Maximalwertes als Schwellwert verwendet werden, um entweder die Anpassung der Auswertung des Ultraschallsensors vorzunehmen oder den Ultraschallsensor als "defekt" zu klassifizieren. Dies bietet den Vorteil, dass das Bilden einer Differenz schaltungstechnisch sehr einfach möglich ist.
Weiter bevorzugt kann das Signal, welches zur Untersuchung der Impedanz des Ultraschallwandlers verwendet wird, mehrere Frequenzen umfassen, so dass auch sich lediglich in einem bestimmten Frequenzbereich auswirkende Funktionseinschränkungen sicher erkannt werden können. Hierzu kann das Signal, welches beispielsweise ein Wechselspannungssignal sein kann, ein "Sweep" umfassen, bei welchem Frequenzen in einem vorbestimmten Bereich kontinuierlich "durchfahren" werden. Auf diese Weise wird eine Funktionseinschränkung besonders sicher erkannt bzw. wird eine Auswertungsanpassung besonders exakt ermöglicht.
Bevorzugt kann das Referenzsignal in Abhängigkeit einer Temperatur hinterlegt sein oder in Abhängigkeit der Temperatur ausgewertet werden, wobei insbesondere eine Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Ultraschallwandlertemperatur möglich ist und eine temperaturunabhängige Fehlererkennung und Auswertungsanpassung ermöglicht.
Weiter bevorzugt wird das Signal, mittels welchem die Impedanz des zu untersuchenden bzw. zu klassifizierenden Ultraschallwandlers ermittelt wird, selbst nicht für eine Abstandsmessung mittels des Ultraschallwandlers verwendet. Mit anderen Worten ist das Testsignal nicht dazu vorgesehen, den Ultraschallwandler zu einem Senden von Schallsignalen in seine Umgebung anzuregen, deren Echos anschließend für eine Ermittlung des Abstandes des Ultraschallwandlers zu seinen Umgebungsobjekten verwendet werden. Hierzu können das erfindungsgemäße Signal und die herkömmlichen Signale zur Abstandsmessung unterschiedliche Amplituden, unterschiedliche Frequenzbereiche, unterschiedliche zeitliche Charakteristiken sowie eine Kombination von Unterschieden der vorgenannten Parameter aufweisen. Auf diese Weise wird es möglich, während des laufenden Betriebes eine Funktionsprüfung des Ultraschallwandlers parallel zu einer Abstandsmessung mittels desselben durchzuführen, d.h. Funktionspausen während des Testbetriebes werden umgangen, was eine kontinuierliche Sicherstellung verwendbarer Messergebnisse ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Abstandsmessung vorgeschlagen, welche einen Ultraschallwandler, eine Verarbeitungseinheit und ein Speichermittel zum Bereitstellen einer Referenz aufweist. Der Ultraschallwandler dient zur Abstandsmessung und wird erfindungsgemäß durch die Verarbeitungseinheit auf Funktion geprüft. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Auswertung der mittels des Ultraschallwandlers empfangenen Signale innerhalb der Verarbeitungseinheit angepasst. In beiden Fällen ist die in den Speichermitteln vorgehaltene Referenz dazu vorgesehen, gemäß den vorstehend diskutierten Verfahren durch die Verarbeitungseinheit verwendet zu werden. Die Vorteile der Vorrichtung korrespondieren dabei mit den jeweiligen in Verbindung mit den Verfahren Genannten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Parkassistenzsystem (auch park distance control oder Abstandswarnsystem) und ein Einparkroboter vorgeschlagen, welche jeweils eine Vorrichtung gemäß dem vorstehend genannten Aspekt umfassen. Mit anderen Worten wird die Vorrichtung zur Abstandsmessung innerhalb eines Fahrzeugs verwendet, um dem Anwender eine Rückmeldung zu Abständen seines Fahrzeugs hinsichtlich relevanter Umgebungsobjekte zur Verfügung zu stellen und alternativ oder zusätzlich auch ein automatisches Einparken des Fahrzeugs unter Verwendung der Vorrichtung zur Abstandsmessung zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Parkassistenzsystem sowie der erfindungsgemäße Einparkroboter zeichnen sich dabei durch eine erhöhte Funktionssicherheit durch Erkennung von Fehlfunktionen sowie eine Anpassung der Auswertung von Abstandsmesssignalen aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine Ansicht von Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung;
2 ein Impedanz-Frequenzdiagramm, welches eine ermittelte Impedanzkurve im Verhältnis zu einer Referenzkurve veranschaulicht;
3 eine Ansicht des in 1 dargestellten Ultraschallsensors mit einer alternativen Funktionseinschränkung;
4 ein Impedanz-Frequenzdiagramm, welches eine ermittelte Impedanzkurve im Verhältnis zu einer Referenzkurve veranschaulicht;
5 eine Darstellung durch Steinschlag verursachter Beschädigungen eines Ultraschallsensors;
6 eine Darstellung einer Impedanzkurve eines in seiner Funktion beeinträchtigten Ultraschallwandlers und einer Referenzkurve.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Übersicht von Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dieser ist ein Ultraschallwandler 1 mit einem Gehäuse 2 und einer Wandlermembran 3 dargestellt. Die Wandlermembran 3 weist eine Knetmasse als Verschmutzung V1 auf, welche eine Funktionsbeeinträchtigung des Ultraschallwandlers 1 simuliert. Über Anschlussleitungen 4, 5 ist der Ultraschallwandler 1 mit einem Prozessor 6 als Verarbeitungseinheit verbunden. Die Verarbeitungseinheit ist eingerichtet, eine Abstandsmessung mittels des Ultraschallwandlers 1 vorzunehmen sowie mit Hilfe des Speichers 7 als Speichermittel ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung einer Fehlfunktion des Ultraschallwandlers 1 bzw. zur Anpassung einer Auswertung des Ultraschallwandlers 1 durchzuführen, wobei eine Referenz aus dem Speicher 7 für die Impedanz des Ultraschallwandlers 1 abgerufen wird. Dem Fachmann ist dabei klar, dass in praktischen Anwendungsfällen häufig deutlich mehr als ein Ultraschallwandler 1 von der Verarbeitungseinheit 6 verwendet werden, um ein umfassenderes Abbild der Umgebung zu erzeugen.
2 zeigt ein Impedanz-Frequenzdiagramm, in welchem ein Ausschnitt zweier Impedanzkurven zwischen 38 kHz und 58 kHz für den in 1 dargestellten Ultraschallwandler 1 sowie eine Referenz dargestellt ist. Die Referenzkurve 10 weist ein erstes Maximum 11 und ein zweites Maximum 13 auf, zwischen welchen ein erstes Minimum 12 gelegen ist. Aufgrund der Verschmutzung V₁ (siehe 1) weicht die dargestellte Impedanz 20 sowie eine aus dieser ermittelte geglättete Kurve 24 von der Referenz 10 ab. Die geglättete Kurve 24 weist ein erstes Maximum 21 und ein zweites Maximum 23 auf, zwischen welchen ein erstes Minimum 22 angeordnet ist. Aufgrund der Verschmutzung V₁ sind die Extremwerte der geglätteten Kurve 24 gegenüber denen der Referenz 10 in Richtung niedrigerer Frequenzen verschoben. Erfindungsgemäß kann daher ein Vergleich der Frequenzlage einander zugehöriger Extremwerte der Referenz 10 und der Impedanz 20 bzw. der geglätteten Kurve 24 verwendet werden, um eine Fehlfunktion eines Ultraschallwandlers zu erkennen oder eine Auswertung der Signale des Ultraschallwandlers an einen geänderten Betriebszustand anzupassen.
3 zeigt einen Ultraschallwandler 1, welcher durch eine größerflächige Verschmutzung V₂ auf seiner Membran 3 stärker in seiner Funktion beeinträchtigt ist. Im Gegensatz zur in 1 dargestellten Verschmutzung V₁, welche ungefähr die Hälfte der Fläche der Membran 3 bedeckt, verbleibt in 3 lediglich ca. ein Viertel der Fläche der Membran 3 von der Verschmutzung V₂ unbedeckt.
4 zeigt eine analog zu 2 dargestellte Gegenüberstellung von Impedanz-Frequenz-Kurven, wie sie in Verbindung mit einer in 3 dargestellten Anordnung ermittelt bzw. verwendet werden können. Aufgrund der stärkeren Verschmutzung V₂ ist die Impedanz 20 sowie die korrespondierende geglättete Kurve 24 in 4 gegenüber der Referenz 10 erheblich verändert. Das erste Maximum 21 ist gegenüber dem ersten Maximum 11 der Referenz 10 um mehr als 3000 Hz gesenkt und die Impedanz an dieser Stelle um ein Drittel verringert. Der Frequenzabstand einander zugehöriger Maximalwerte hat sich also durch die Verschmutzung V₂ deutlich vergrößert. Auch das Minimum 22 der geglätteten Kurve 24 ist gegenüber dem korrespondierenden Minimum 12 der Referenz 10 in Richtung tieferer Frequenzen verschoben. Zudem ist der Betrag der Impedanz im Minimum 22 deutlich höher. Auf diese Weise sind das erste Maximum 21 und das Minimum 22 der geglätteten Kurve 24 sowohl dem Betrage der Impedanz nach als auch der Frequenz nach zueinander gerückt. Das zweite Maximum 23 der geglätteten Kurve 24 ist gegenüber dem zweiten Maximum 13 der Referenz 10 ebenfalls in Richtung tieferer Frequenzen verschoben, jedoch hat sich der Betrag der Wandlerimpedanz nicht wesentlich geändert. Aus 4 wird auch ersichtlich, dass nicht nur die relative Lage der Extrempunkte der geglätteten Kurve 24 gegenüber denen der Referenz 10 durch die Verschmutzung V₂ verschoben worden ist, sondern auch, dass sich die relative Lage der Impedanz-Extremwerte zueinander erheblich geändert hat. Aus dieser Erkenntnis lässt sich ableiten, dass ein Vergleich der Impedanz 20 mit einer vordefinierten Referenz 10 nicht notwendigerweise erforderlich ist. Im Rahmen praktischer Anwendungen wird ein solcher Vergleich jedoch stets von Vorteil sein, um eine geeignete Bezugsgröße zugrundezulegen und andererseits Langzeitveränderungen der Ultraschallwandler durch eine Anpassung der Referenzkurven über der Sensor-Lebensdauer zu berücksichtigen.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Membran 3 eines Ultraschallwandlers 1, welche durch Steinschlag erzeugte Dellen aufweist. Diese Dellen bewirken Verformungen, Risse und ein anderes Ansprechverhalten des Ultraschallwandlers, welche sich durch eine veränderte Impedanz über der Frequenz auswirken, wie dies in 6 veranschaulicht ist.
6 zeigt ein Impedanz-Frequenz-Diagramm, in welchem Impedanzverläufe zwischen einer Frequenz von 38 kHz und einer Frequenz von 58 kHz für zwei Kurven 40, 41 aufgetragen sind. Kurve 40 zeigt die Impedanz eines nicht in seiner Funktion beschränkten Ultraschallwandlers 1. Die Kurve ist geprägt durch zwei Maxima, welche durch ein deutliches Minimum zwischen den Maxima voneinander getrennt sind. Kurve 41 visualisiert die Impedanz des in 5 gezeigten, durch Steinschlag beschädigten, Ultraschallwandlers 1. Gegenüber der Kurve 40 ist ein zweites (bei einer höheren Frequenz) befindliches Maximum in einen Bereich tieferer Frequenz "gerutscht", während der Betrag der Impedanz sich in diesem Punkt nur wenig erhöht hat. Auch das Minimum der durch Steinschlag beeinflussten Wandlerimpedanz ist in Richtung niedrigerer Frequenzen verschoben worden, während der Betrag der Impedanz im Bereich des Minimums jedoch signifikant angestiegen ist. Es ist leicht vorstellbar, dass nicht jeder Steinschlag einen Austausch der Ultraschallwandler 1 erforderlich macht. Lediglich geringe Funktionseinschränkungen können mitunter ohne weiteres toleriert werden, ohne die Fahrsicherheit zu beeinträchtigen. Größere Funktionseinschränkungen bzw. Veränderungen des Impedanzverhaltens können gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anpassung der Auswerteschritte, wie beispielsweise ein Modifizieren von Schwellwerten, erforderlich machen. Erst wenn die Funktionseinschränkungen nicht auf die erfindungsgemäße Art und Weise gehandhabt werden können, so dass eine Weiterverwendung der Ultraschallwandler ohne Sicherheitseinschränkungen gewährleistet ist, kann erfindungsgemäß eine Messung der Impedanz dazu verwendet werden, einen Defekt eines Ultraschallwandlers als für einen sicheren Betrieb nicht tolerierbar zu klassifizieren. Ein solches Ergebnis kann dem Anwender eines Fahrzeugs bzw. eines Fahrsicherheitssystems entweder signalisiert werden oder automatisch durch ein System berücksichtigt werden, welches die Abstandsmessergebnisse eines erfindungsgemäß ausgestalteten Abstandsmesssystems verwendet.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, Funktionseinschränkungen eines Ultraschallwandlers zu erkennen und/oder auf veränderte Funktionsparameter eines Ultraschallwandlers zu reagieren, indem zunächst ein Testsignal auf den Ultraschallwandler gegeben wird, mittels welchem die elektrische Impedanz des Ultraschallwandlers über der Frequenz ermittelt werden kann. Aus der Lage von Extremwerten, insbesondere relativ zu einer Referenz, kann ermittelt werden, ob der Ultraschallwandler ohne Funktionseinschränkungen betreibbar ist. Eine Verschiebung der Extremwerte der Impedanz auf der Frequenzachse und/oder hinsichtlich des Impedanzbetrages kann verwendet werden, um Funktionseinschränkungen zu erkennen und eine Auswertung von Messungen mittels des Ultraschallwandlers anzupassen. Die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Vorgehensweisen bzw. Vorrichtungen und Systeme ermöglichen dabei eine besonders sichere Erkennung von Funktionseinschränkungen und insbesondere eine Quantifizierung von Funktionseinschränkungen, auf welche durch geänderte Auswertealgorithmen und/oder modifizierte Grenzwerte reagiert werden kann.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zur Erkennung einer Fehlfunktion eines Ultraschallwandlers (1), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Beaufschlagen des Ultraschallwandlers (1) mit einem Signal, Ermitteln einer Impedanz des Ultraschallwandlers (1) hinsichtlich des Signals, und Vergleichen der Impedanz (20) mit einer Referenz (10), wobei eine Fehlfunktion detektiert wird, wenn – a) Frequenzen charakteristischer Punkte, insbesondere Extremwerte (21, 22, 23), der Impedanz (20) und Frequenzen entsprechender Punkte (11, 12, 13) der Referenz (10) in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen, und/oder – b) ein Quotient eines Impedanzmaximums (23) und eines Impedanzminimums (22) vermindert um 1 der ermittelten Impedanz (20) und ein Quotient eines Impedanzmaximums (13) und eines Impedanzminimums (12) vermindert um 1 der Referenz (10) in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen, und/oder – c) eine Distanz zwischen einem normierten Schwerpunkt mehrerer Extremwerte (21, 22, 23) der Impedanz (20) und einem normierten Schwerpunkt mehrerer korrespondierender Extremwerte (11, 12, 13) der Referenz (10) in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen, und/oder – d) eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten (21, 22, 23) der Impedanz und eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten (11, 12, 13) der Referenz (10) in einem vordefinierten Verhältnis zueinander stehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das vordefinierte Verhältnis und/oder die Referenz (10) abhängig von einer Temperatur, insbesondere einer Umgebungstemperatur, definiert ist.
Verfahren zur Anpassung einer Auswertung eines Ultraschallwandlers (1), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Beaufschlagen des Ultraschallwandlers (1) mit einem Signal, Ermitteln einer Impedanz des Ultraschallwandlers (1) hinsichtlich des Signals, und Vergleichen der Impedanz (20) mit einer Referenz (10), wobei überprüft wird: – a) in welchem Verhältnis Frequenzen charakteristischer Punkte, insbesondere Extremwerte (21, 22, 23), der Impedanz (20) und Frequenzen entsprechender Punkte (11, 12, 13) der Referenz (10) zueinander stehen, und/oder – b) in welchem Verhältnis ein Quotient eines Impedanzmaximums (23) und eines Impedanzminimums (22) vermindert um 1 der ermittelten Impedanz (20) und ein Quotient eines Impedanzmaximums (13) und eines Impedanzminimums (12) vermindert um 1 der Referenz (10) zueinander stehen, und/oder – c) in welchem Verhältnis eine Distanz zwischen einem normierten Schwerpunkt mehrerer Extremwerte (21, 22, 23) der Impedanz (20) und einem normierten Schwerpunkt mehrerer korrespondierender Extremwerte (11, 12, 13) der Referenz (10) zueinander stehen, und/oder – d) in welchem Verhältnis eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten (21, 22, 23) der Impedanz (20) und eine Determinante von Vektoren zwischen den Extremwerten (11, 12, 13) der Referenz (10) zueinander stehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses die Auswertung des Ultraschallwandlers (10) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis eine Differenz und/oder ein Differenzbetrag ist, welche bzw. welcher einen vordefinierten Maximalwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Signal, insbesondere eine Wechselspannung, mehrere Frequenzen, insbesondere einen Sweep, umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenz (10) eine Temperaturabhängigkeit, insbesondere von der Umgebungstemperatur, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Signal nicht selbst für eine Abstandsmessung mit dem Ultraschallwandler (1) verwendet wird.
Vorrichtung zur Abstandsmessung umfassend: – einen Ultraschallwandler (1), – eine Verarbeitungseinheit (6), – ein Speichermittel (7) zum Bereitstellen einer Referenz (10), wobei die Verarbeitungseinheit (6) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.
Parkassistenzsystem oder Einparkroboter umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 9.