DE102013210874B4 - Sound transducer array with broadband reception elements - Google Patents

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Abstract

Sensorsystem (1) eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, mit wenigstens – einem Sendeelement (2), wobei das wenigstens eine Sendeelement (2) eine Bandbreite mit einer Sendefrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale mit der Sendefrequenz auszusenden, und einem von dem wenigstens einen Sendeelement (2) funktional getrenntem Empfangselement (3), wobei das wenigstens eine Empfangselement (3) eine Bandbreite mit einer Mittenfrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale zu empfangen, die an den das Fahrzeug umgebenden Objekten reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Empfangselements größer als die Bandbreite des Sendeelements ist, wobei sich die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) von der Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements (3) um mindestens 500 Hz unterscheidet.Sensor system (1) of a vehicle for locating objects which are located in the vicinity of the vehicle, comprising at least - a transmitting element (2), wherein the at least one transmitting element (2) has a bandwidth with a transmitting frequency and is configured to carry ultrasonic signals the transmitting frequency, and one of the at least one transmitting element (2) functionally separated receiving element (3), wherein the at least one receiving element (3) has a bandwidth with a center frequency and is adapted to receive ultrasonic signals to the vehicle surrounding the Objects are reflected, characterized in that the bandwidth of the receiving element is greater than the bandwidth of the transmitting element, wherein the transmission frequency of the at least one transmitting element (2) from the center frequency of the bandwidth of the at least one receiving element (3) differs by at least 500 Hz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten mit wenigstens einem Sendeelement und wenigstens einem Empfangselement, wobei Empfangselement und Sendeelement funktional voneinander getrennt sind.The invention relates to a sensor system of a vehicle for localizing objects with at least one transmitting element and at least one receiving element, wherein receiving element and transmitting element are functionally separated from each other.

Stand der TechnikState of the art

Ultraschallsensorsysteme zur Lokalisierung von Objekten im Fahrzeugumfeld bestehen aus mehreren einzelnen am Fahrzeug verteilt angeordneten Ultraschallwandlern. Diese Ultraschallwandler übernehmen sowohl die Funktion des Ultraschallsenders als auch die des Ultraschallempfängers. Sie sind als sogenannte Biegewandlerelemente realisiert. Das Design der Biegewandlerelemente erfolgt auf die Art und Weise, dass die zur Erzeugung und Detektion des Ultraschallsignals genutzte Schwingungsmode der Mittenfrequenz des Ultraschallsystems entspricht. Eine Frequenzverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Ultraschallsignal, wie sie durch eine Relativbewegung zwischen dem Sensorsystem und dem reflektierenden Objekt aufgrund des Dopplereffekts entsteht, kann nur bis zu einer begrenzten Relativgeschwindigkeit innerhalb der Frequenzbandbreite der Wandlerelemente ermittelt werden. Diese Frequenzbandbreite kann durch Dämpfungsmaßnahmen erhöht werden. Das reduziert allerdings die Empfindlichkeit des Gesamtsystems. Mit solchen Ultraschallsystemen kann über eine Laufzeitmessung eine Abstandsermittlung von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs erfolgen. Eine Erweiterung der Funktionalität ergibt sich beim Einsatz der sogenannten Array-Technologie. Hier sind mehrere Ultraschallwandlerelemente im Verbund angeordnet und ermöglichen über die Berücksichtigung unterschiedlicher Phasenlagen der Empfangssignale an den einzelnen Elementen auch die Bestimmung der Richtungsinformation von Objekten.Ultrasonic sensor systems for localizing objects in the vehicle environment consist of several individual ultrasonic transducers distributed on the vehicle. These ultrasonic transducers perform both the function of the ultrasonic transmitter and that of the ultrasonic receiver. They are realized as so-called bending transducer elements. The design of the flexural transducer elements is performed in such a way that the vibration mode used to generate and detect the ultrasound signal corresponds to the center frequency of the ultrasound system. A frequency shift between transmitted and received ultrasound signal, as produced by a relative movement between the sensor system and the reflecting object due to the Doppler effect, can only be determined up to a limited relative speed within the frequency bandwidth of the transducer elements. This frequency bandwidth can be increased by attenuation measures. However, this reduces the sensitivity of the overall system. With such ultrasound systems, a distance measurement of objects in the surroundings of the vehicle can take place over a propagation time measurement. An extension of the functionality results when using the so-called array technology. Here, a plurality of ultrasound transducer elements are arranged in a composite and also allow the determination of the direction information of objects by taking into account different phase positions of the received signals at the individual elements.

In der Schrift EP 1231 481 A2 ist ein Ultraschallmultisensor-Array für Einparkhilfen beschrieben, das Sende- und Empfangseinheiten umfasst. Dabei werden die Trägersignale für die einzelnen, zeitgleich betriebenen Sendeeinheiten unterschiedlich frequenzmoduliert und mit weiteren Mitteln durch die Empfangseinheit decodiert.In Scripture EP 1231 481 A2 a multi-sensor ultrasonic array for parking aids is described which comprises transmitting and receiving units. In this case, the carrier signals for the individual, simultaneously operated transmitting units are frequency-modulated differently and decoded by further means by the receiving unit.

Aus der Schrift DE 10 2011 077 352 A1 ist eine Sensoranordnung für ein Fahrzeug bekannt, die zumindest ein Sendeelement und wenigstens ein von dem zumindest einen Sendeelement funktional getrenntes Empfangselement aufweist. Insbesondere sind das Sendeelement und das Empfangselement als Dickenschwinger ausgelegt. Durch die funktionale Trennung des Sende- und des Empfangselementes ist eine unterschiedliche Verschaltung der beiden Empfangselemente besonders einfach zu realisieren.From the Scriptures DE 10 2011 077 352 A1 a sensor arrangement for a vehicle is known, which has at least one transmitting element and at least one of the at least one transmitting element functionally separate receiving element. In particular, the transmitting element and the receiving element are designed as a thickness oscillator. Due to the functional separation of the transmitting and the receiving element, a different interconnection of the two receiving elements is particularly easy to implement.

Aus der Schrift US 5530678 A ist ein akustisches Array zur Verwendung in einem Aktiv-Sonar bekannt, das piezoelektrische Elemente zum Senden und/oder Empfangen, sowie Elementen zugeordnete PVDF-Folien, die zum Senden und/oder Empfangen verwendet werden können, aufweist. Die PVDF-Folie hat dabei die Eigenschaft, dass sie eine höhere Bandbreite aufweist als typische Keramiktransducer, die in dem Array verwendet werden. Die PVDF-Folie kann dabei auch als zusätzlicher Empfänger verwendet werden, um das Array als multispektralen Sonar-Empfänger zur Analyse von Zielobjekten zu betreiben.From the Scriptures US 5530678 A For example, an acoustic array is known for use in an active sonar having piezoelectric elements for transmitting and / or receiving as well as elements associated with PVDF films that can be used for transmission and / or reception. The PVDF film has the property of having a higher bandwidth than typical ceramic transducers used in the array. The PVDF film can also be used as an additional receiver to operate the array as a multispectral sonar receiver for target analysis.

Die Schrift DE 2708226 A1 zeigt einen Ultraschall-Sende-/Empfangswandler, der einen Ultraschallwandler aus Piezokeramik als Sender und ein Elektret-Mikrofon als Empfänger aufweist, um ein Ultraschallmessungssystem für kurze und lange Entfernungen zu realisieren.The font DE 2708226 A1 shows an ultrasonic transmitting / receiving transducer having a piezoelectric ceramic transducer as a transmitter and an electret microphone as a receiver to realize an ultrasonic measurement system for short and long distances.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das Sensorsystem eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, weist wenigstens ein Sendeelement auf, wobei das wenigstens eine Sendeelement eine Bandbreite mit einer Sendefrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale mit der Sendefrequenz auszusenden. Desweiteren weist das Sensorelement ein von dem wenigstens einen Sendeelement funktional getrenntes Empfangselement auf, wobei das wenigstens eine Empfangselement eine Bandbreite mit einer Mittenfrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale zu empfangen, die an den das Fahrzeug umgebenden Objekten reflektiert werden. Erfindungsgemäß ist die Bandbreite des Empfangselements größer als die Bandbreite des Sendeelements, wobei sich die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendelemements von der Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements um mindestens 500 Hz unterscheidet.The sensor system of a vehicle for locating objects which are located in the surroundings of the vehicle has at least one transmitting element, wherein the at least one transmitting element has a bandwidth with a transmitting frequency and is configured to emit ultrasonic signals at the transmitting frequency. Furthermore, the sensor element has a receiving element functionally separated from the at least one transmitting element, wherein the at least one receiving element has a bandwidth with a center frequency and is configured to receive ultrasonic signals which are reflected at the objects surrounding the vehicle. According to the invention, the bandwidth of the receiver element is greater than the bandwidth of the transmitter element, wherein the transmission frequency of the at least one transmitter element differs from the center frequency of the bandwidth of the at least one receiver element by at least 500 Hz.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist, dass das Sendelement und das Empfangselement funktional voneinander getrennt sind und somit eine optimale schwingungsmechanische Auslegung des Sende- und Empfangselements vorliegt. Insbesondere können die genutzten Frequenzbandbreiten unabhängig voneinander auf die Sende- bzw. Empfangsfunktion hin optimiert werden, was bei einem einzigen Sensorelement, das im Sende- und Empfangsbetrieb arbeitet nicht möglich ist.The advantage of the sensor system according to the invention is that the transmitting element and the receiving element are functionally separated from each other and thus an optimal vibration mechanical design of the transmitting and receiving element is present. In particular, the frequency bandwidths used can be optimized independently of one another for the transmission or reception function, which is not possible with a single sensor element which operates in the transmission and reception mode.

Die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements kann gleich der Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements sein oder sich erfindungsgemäß um einen bestimmten Frequenzbetrag unterscheiden, nämlich um mindestens 500 Hz.The transmission frequency of the at least one transmitting element may be equal to the center frequency of Bandwidth of the at least one receiving element or according to the invention differ by a certain frequency amount, namely by at least 500 Hz.

Vorteilhaft an dem Unterschied von mindestens 500 Hz zwischen Sendefrequenz des Sendeelements und Mittenfrequenz des Empfangselementes ist, dass sich die Empfindlichkeit des Empfangssystems bei einer Relativbewegung des Fahrzeuges zu umgebenden Objekten verbessert, da die Verschiebung der Sendefrequenz das durch die Dopplerverschiebung entstehende Empfangssignal in den optimalen Frequenzbereich des Empfangselements transferiert.An advantage of the difference of at least 500 Hz between the transmission frequency of the transmitting element and the center frequency of the receiving element is that the sensitivity of the receiving system in a relative movement of the vehicle to surrounding objects improves, since the shift of the transmission frequency resulting from the Doppler shift received signal in the optimum frequency range of the Received elements transferred.

In einer Weiterbildung weist die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendelements eine Differenz zur Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements im Bereich von 500 Hz–20 kHz auf.In a development, the transmission frequency of the at least one transmission element has a difference to the center frequency of the bandwidth of the at least one reception element in the range of 500 Hz-20 kHz.

In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements der Resonanzfrequenz des wenigstens einen Sendeelements.In a further refinement, the transmission frequency of the at least one transmission element corresponds to the resonance frequency of the at least one transmission element.

Der Vorteil hierbei ist, dass die Reichweite des Systems erhöht wird. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass das Sendeelement mit hoher Güte und damit mit einem erhöhten Schalldruck abgestrahlt wird. Somit ergibt sich ein energieeffizienter Betrieb.The advantage here is that the range of the system is increased. It is also advantageous that the transmitting element is radiated with high quality and thus with an increased sound pressure. This results in an energy-efficient operation.

In einer Weiterbildung ist die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements kleiner als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements.In a development, the transmission frequency of the at least one transmission element is smaller than the center frequency of the bandwidth of the at least one reception element.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Objekte, die sich auf das Fahrzeug zubewegen vom Sensorsystem besser ausgewertet werden können.The advantage here is that the objects that move to the vehicle can be better evaluated by the sensor system.

In einer Weiterbildung ist die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements größer als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements.In a development, the transmission frequency of the at least one transmission element is greater than the center frequency of the bandwidth of the at least one reception element.

Vorteilhaft ist hierbei, dass die Objekte, die sich vom Fahrzeug entfernen vom Sensorsystem besser ausgewertet werden können.The advantage here is that the objects that are removed from the vehicle can be better evaluated by the sensor system.

In einer weiteren Ausgestaltung weist das wenigstens eine Empfangselement eine relative Bandbreite von mehr als 10 auf.In a further embodiment, the at least one receiving element has a relative bandwidth of more than 10.

In einer Weiterbildung ist das wenigstens eine Empfangselement ein Dickenschwinger.In a development, the at least one receiving element is a thickness oscillator.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Sendeelement ein Biegeschwinger.In a further embodiment, the transmitting element is a bending oscillator.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und den beschriebenen Zeichnungen.Further advantages will become apparent from the embodiments and the drawings described.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigt:The present invention will be explained below with reference to preferred embodiments and accompanying drawings. It shows:

1a eine Sensoranordnung mit einem Sendelement und mehreren Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind, 1a a sensor arrangement having a transmitting element and a plurality of receiving elements, wherein the receiving elements are arranged in an array,

1b eine Sensoranordnung mit zwei Sendeelementen und mehreren Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind, 1b a sensor arrangement with two transmitting elements and a plurality of receiving elements, wherein the receiving elements are arranged in an array,

1c eine Sensoranordnung mit einem Sendeelement und mehreren Empfangselementen, wobei die Empfangselemente in einem Array angeordnet sind und sich das Sendeelement innerhalb des Arrays befindet, 1c a sensor arrangement having a transmitting element and a plurality of receiving elements, wherein the receiving elements are arranged in an array and the transmitting element is located within the array,

2a Frequenzverläufe des Sendeelements und der Empfangselemente zur Erläuterung von Begrifflichkeiten und 2a Frequency characteristics of the transmitting element and the receiving elements to explain terms and

2b Frequenzverläufe des Sendeelements und der Empfangselemente bei Verwendung der Sensoranwendung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs. 2 B Frequency characteristics of the transmitting element and the receiving elements when using the sensor application for detecting the surroundings of a vehicle.

1a zeigt eine Sensoranordnung 1 zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs mit einem Sendelement 2 und mehreren Empfangselementen 3. Die Empfangselemente 3 sind geometrisch in einem Array 4 angeordnet. Sowohl das Sendeelement 2, als auch die Empfangselemente 3 befinden sich auf derselben Trägerstruktur 5. Die Sensoranordnung 1 ist dabei nicht auf ein Sendeelement 2 beschränkt. 1a shows a sensor arrangement 1 for detecting the surroundings of a vehicle with a transmitting element 2 and several receiving elements 3 , The reception elements 3 are geometrically in an array 4 arranged. Both the transmitting element 2 , as well as the reception elements 3 are on the same support structure 5 , The sensor arrangement 1 is not on a transmitting element 2 limited.

In 1b ist eine weitere Sensoranordnung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs gezeigt. Sie umfasst zwei Sendeelemente 2, die mit einem vertikalen Versatz zueinander auf einer Linie angeordnet sind und unterschiedliche geometrische Abmessungen aufweisen. Des Weiteren weist die Sensoranordnung ein Array 4 mit mehreren Empfangselementen 3 auf.In 1b a further sensor arrangement for detecting the surroundings of a vehicle is shown. It comprises two transmission elements 2 , which are arranged with a vertical offset to each other on a line and have different geometric dimensions. Furthermore, the sensor arrangement has an array 4 with several receiving elements 3 on.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Sendeelemente 2 einen horizontalen Versatz zueinander aufweisen.In an embodiment, not shown, the two transmitting elements 2 have a horizontal offset from each other.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können mehrere Sendeelemente 2 vorhanden sein, die horizontal und vertikal zueinander versetzt angeordnet sind.In an embodiment, not shown, multiple transmitting elements 2 to be available, which are arranged horizontally and vertically offset from each other.

Die Sendeelemente 2 befinden sich auf einer Trägerstruktur 7 und das Array 4 auf einer anderen Trägerstruktur 6.The transmission elements 2 are on a support structure 7 and the array 4 on another carrier structure 6 ,

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich die Sendeelemente 2 und das Array 4 auf einer gemeinsamen Trägerstruktur.In an embodiment, not shown, are the transmitting elements 2 and the array 4 on a common support structure.

1c zeigt eine weitere Sensoranordnung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs mit einem Sendeelement 2 und mehreren Empfangselementen 3. Die Empfangselemente 3 sind geometrisch in einem Array 4 angeordnet und das Sendeelement 2 befindet sich innerhalb des Arrays 4. Das Sendeelement 2 ist im gezeigten Beispiel zentral in der Mitte angeordnet und von mehreren Empfangselementen umgeben. Das Sendeelement 2 kann sich aber auch außerhalb der Mitte des Arrays 4 befinden. In beiden Fällen befinden sich das Sendeelement 2 und die Empfangselemente 3 auf derselben Trägerplatte. Diese Sensoranordnung kann auch mehrere Sendeelemente 2 aufweisen. 1c shows a further sensor arrangement for detecting the surroundings of a vehicle with a transmitting element 2 and several receiving elements 3 , The reception elements 3 are geometrically in an array 4 arranged and the transmitting element 2 is inside the array 4 , The transmitting element 2 is centrally located in the middle and surrounded by several receiving elements in the example shown. The transmitting element 2 But it can also be outside the middle of the array 4 are located. In both cases, the send element is located 2 and the receiving elements 3 on the same carrier plate. This sensor arrangement can also have several transmission elements 2 exhibit.

Als Trägerstruktur können entweder feste oder flexible Trägerplatten verwendet werden.As a support structure either solid or flexible support plates can be used.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Sendeelement 2 als Biegewandler realisiert. Der Biegewandler umfasst eine Metallmembran, die an den kurzen Seiten der Metallmembran eingespannt ist. Unterhalb der Membran ist ein piezoelektrisches Element angebracht, beispielsweise eine Piezokeramik. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Piezokeramik wird im Sendeelement 2 ein sogenannter Biegemode angeregt. In diesem Biegemode wird das Sendeelement 2 senkrecht zu seiner Einspannung ausgelenkt.In one embodiment, the transmitting element is 2 realized as a bending transducer. The bending transducer comprises a metal diaphragm which is clamped on the short sides of the metal diaphragm. Below the membrane, a piezoelectric element is attached, for example, a piezoceramic. When applying an AC voltage to the piezoceramic is in the transmitting element 2 a so-called bending mode excited. In this bending mode, the transmitting element 2 deflected perpendicular to its restraint.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Biegewandlerelement eine Querabmessung von einigen Millimetern auf. Die Dicke der Metallmembran ist kleiner als ein Millimeter. Die Piezokeramik weist ebenfalls eine Dicke kleiner als einen Millimeter auf.In one embodiment, the bending transducer element has a transverse dimension of a few millimeters. The thickness of the metal membrane is less than one millimeter. The piezoceramic likewise has a thickness of less than one millimeter.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Empfangselemente als Dickenschwinger realisiert. Die Dickenschwinger basieren auf dünnschichtigen Folienwandlern. Es handelt sich dabei um ein- oder mehrschichtige Wandler aus Polymerfolien, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder auch geschäumte oder anderweitig mit Hohlräumen versehene Strukturen, beispielsweise aus Polypropylen, mit metallisierten Elektroden. Das Funktionsprinzip basiert dabei entweder auf einem piezoelektrischen Verhalten der Polymerschichten, da diese durch das Einbringen elektrischer Ladungen ein piezoelektrisches Verhalten annehmen können oder auf einem elektrostatischen Prinzip, bei dem die Polymerschichten lediglich als Elektret bzw. Abstandshalter zwischen zwei Elektrodenflächen wirken. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden der Folienwandler wird in den Empfangselementen ein Mode angeregt, der die Dicke der Polymerschicht verändert.In one embodiment, the receiving elements are realized as a thickness oscillator. The thickness oscillators are based on thin-film film transducers. These are single-layer or multi-layered transducers made of polymer films, for example polyvinylidene fluoride (PVDF), or foamed or otherwise provided with cavities structures, for example of polypropylene, with metallized electrodes. The functional principle is based either on a piezoelectric behavior of the polymer layers, since they can assume a piezoelectric behavior by the introduction of electrical charges or on an electrostatic principle in which the polymer layers act only as electret or spacers between two electrode surfaces. When an alternating voltage is applied to the electrodes of the film transducers, a mode is excited in the receiving elements, which changes the thickness of the polymer layer.

In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der einzelnen Polymerschichten einige Mikrometer, im Wesentlichen 150 μm.In one embodiment, the thickness of the individual polymer layers is a few microns, substantially 150 microns.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung wird im Wesentlichen zur Bestimmung des Abstandes und der Relativgeschwindigkeit eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs verwendet. Mit Hilfe der Sensoranordnung kann zusätzlich die Position des Objekts bestimmt werden. Von besonderer Bedeutung sind dabei Objekte, die sich auf das Fahrzeug zubewegen, da diese eine potentielle Gefahr für eine Kollision mit dem Fahrzeug darstellen. Die Sensoranordnung findet nicht nur Anwendung im automobilen Umfeld, sondern auch in autonomen Systemen wie Robotern oder Arbeitsmaschinen, beispielsweise Gabelstapler.The sensor arrangement according to the invention is used essentially for determining the distance and the relative speed of an object in the surroundings of a vehicle. With the aid of the sensor arrangement, the position of the object can additionally be determined. Of particular importance are objects that move towards the vehicle, as these represent a potential danger for a collision with the vehicle. The sensor arrangement is not only used in the automotive environment, but also in autonomous systems such as robots or work machines, such as forklifts.

Zur Erläuterung der im Folgenden verwendeten Begrifflichkeiten zeigt 2a die Frequenzverläufe des Sendeelements und der Empfangselemente. Die Frequenz f0 beschreibt dabei in diesem Beispiel sowohl die Mittenfrequenz der Empfangselemente als auch die Mittenfrequenz des Sendeelements, da die Mittenfrequenzen zu Erläuterungszwecken den gleichen Wert aufweisen. Im Weiteren wird die Mittenfrequenz f0 anhand der Empfangselemente erläutert. Die Mittenfrequenz f0 ist das geometrische Mittel zwischen der unteren und der oberen Grenzfrequenz des Frequenzbandes 8 in dem die Empfangselemente ein Ultraschallsignal empfangen können. Die absolute Bandbreite der Empfangselemente ergibt sich aus einer Differenz der oberen und der unteren Grenzfrequenz.To illustrate the terminology used below 2a the frequency characteristics of the transmitting element and the receiving elements. In this example, the frequency f0 describes both the center frequency of the receiving elements and the center frequency of the transmitting element, since the center frequencies have the same value for explanatory purposes. In the following, the center frequency f0 is explained on the basis of the reception elements. The center frequency f0 is the geometric mean between the lower and upper cutoff frequencies of the frequency band 8th in which the receiving elements can receive an ultrasonic signal. The absolute bandwidth of the reception elements results from a difference between the upper and lower limit frequencies.

Die absolute Bandbreite der Empfangselemente der Sensoranordnung ist anwendungsbedingt größer als die absolute Bandbreite des Sendeelements der Sensoranordnung. Der Grund dafür ist, dass das Sendeelement im Wesentlichen mit einer Sendefrequenz f1 betrieben wird, die seiner Resonanzfrequenz entspricht und somit die gesamte Sendeleistung auf ein schmales Frequenzband 9 verteilt ist. Dadurch weist die Sensoranordnung eine hohe Sendeleistung auf. Die Empfangselemente der Sensoranordnung sind in einem Ausführungsbeispiel passiv, d. h. sie empfangen Signale in einem Frequenzband 8. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Empfangselemente aktiv, d. h. es findet ein Frequenzsweep in einem Frequenzband 8 statt und sobald ein Empfangssignal auftritt, das einer Frequenz aus dem Frequenzsweep entspricht, ergibt sich eine Schwingung, die erfasst wird. Die Empfangselemente weisen prinzipbedingt einen breitbandigen Charakter auf.The absolute bandwidth of the receiving elements of the sensor arrangement is application-dependent greater than the absolute bandwidth of the transmitting element of the sensor arrangement. The reason for this is that the transmitting element is operated essentially with a transmission frequency f1 which corresponds to its resonance frequency and thus the total transmission power to a narrow frequency band 9 is distributed. As a result, the sensor arrangement has a high transmission power. The receiving elements of the sensor arrangement are passive in one embodiment, ie they receive signals in a frequency band 8th , In a further embodiment, the receiving elements are active, ie there is a frequency sweep in a frequency band 8th instead, and as soon as a received signal that corresponds to a frequency from the frequency sweep occurs, there is a vibration that is detected. The reception elements have a broadband character in principle.

2b zeigt die Frequenzverläufe des Sendeelements und der Empfangselemente wie sie zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit eines Objekts gemäß der Erfindung in der Umgebung eines Fahrzeugs verwendet werden. Wie bereits erwähnt, sind die Objekte von besonderer Bedeutung, die sich auf das Fahrzeug zubewegen. Die Relativgeschwindigkeit des Objekts wird mit Hilfe der Dopplerverschiebung bestimmt. Aufgrund der Tatsache, dass sich Fahrzeug und Objekt aufeinander zubewegen, kommt es durch den Dopplereffekt zu einer Verschiebung der Frequenz des Empfangssignals zu höheren Frequenzen. Daher befindet sich die Sendefrequenz f1 des Sendeelements vorzugsweise unterhalb der Mittenfrequenz f0 der Empfangselemente, damit die Verschiebung der Frequenz des Empfangssignals im Frequenzband 8 der Empfangselemente liegt. Je höher die Differenz zwischen Sendefrequenz f1 des Sendeelements und Mittenfrequenz f0 der Empfangselemente, desto höhere Relativgeschwindigkeiten können ermittelt werden. 2 B shows the frequency characteristics of the transmitting element and the receiving elements as they are used to determine the relative speed of an object according to the invention in the environment of a vehicle. As already mentioned, the objects that are moving toward the vehicle are of particular importance. The relative velocity of the object is determined by means of the Doppler shift. Due to the fact that vehicle and object move towards each other, the Doppler effect results in a shift of the frequency of the received signal to higher frequencies. Therefore, the transmission frequency f1 of the transmitting element is preferably below the center frequency f0 of the receiving elements, thus the shift of the frequency of the received signal in the frequency band 8th the receiving elements is located. The higher the difference between the transmission frequency f1 of the transmitting element and the center frequency f0 of the receiving elements, the higher relative speeds can be determined.

In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Mittenfrequenz f0 des Empfangselements ungefähr 50 kHz. In einem Ausführungsbeispiel weist die Sendefrequenz f1 eine Differenz zu dieser Mittenfrequenz f0 von bis zur Hälfte dieser Mittenfrequenz f0 auf, im vorliegenden Beispiel 25 kHz, sodass sich die Sendefrequenz noch im Frequenzband des Empfangselements befindet. Vorzugsweise umfasst die Differenz einen Bereich von 1–20 kHz.In one embodiment, the center frequency f0 of the receiving element is approximately 50 kHz. In one embodiment, the transmission frequency f1 has a difference to this center frequency f0 of up to half of this center frequency f0, in the present example 25 kHz, so that the transmission frequency is still in the frequency band of the receiving element. Preferably, the difference comprises a range of 1-20 kHz.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Sendefrequenz eine Differenz zu dieser Mittenfrequenz f0 von mehr als der Hälfte dieser Mittenfrequenz f0 auf, im vorliegenden Beispiel mehr als 25 kHz, sodass sich die Sendefrequenz f1 außerhalb des Frequenzband des Empfangselements befindet. Dadurch können höhere Relativgeschwindigkeiten gemessen werden, da das Empfangssignal durch die Dopplerverschiebung in den optimalen Frequenzbereich der Empfangselemente verschoben wird und sich durch die Verschiebung nicht schon außerhalb des Frequenzbandes der Empfangselemente befindet, wie es der Fall wäre, wenn die Sendefrequenz f1 größer wäre.In one embodiment, the transmission frequency has a difference to this center frequency f0 of more than half of this center frequency f0, in the present example more than 25 kHz, so that the transmission frequency f1 is outside the frequency band of the receiver element. As a result, higher relative speeds can be measured, since the received signal is shifted by the Doppler shift in the optimum frequency range of the receiving elements and is not already outside the frequency band of the receiving elements by the shift, as it would be the case if the transmission frequency f1 would be greater.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Sendefrequenz f1 größer als die Mittenfrequenz f0. Durch die Verschiebung der Sendefrequenz zu höheren Frequenzen, können Objekte, die sich vom Fahrzeug wegbewegen vom Sensorsystem 1 besser erfasst werden, denn die Frequenz des Empfangssignals wird aufgrund des Dopplereffekts zu tieferen Frequenzen verschoben. Dies ist vor allem bei autonomen Systemen wie beispielsweise bei Robotern wichtig, da neben den sich annähernden auch die sich entfernenden Objekte erfasst werden sollen.In one embodiment, the transmission frequency f1 is greater than the center frequency f0. By shifting the transmit frequency to higher frequencies, objects moving away from the vehicle may be moved by the sensor system 1 be detected better because the frequency of the received signal is shifted to lower frequencies due to the Doppler effect. This is especially important in autonomous systems such as robots, since in addition to the approaching and the distant objects to be detected.

In einem Ausführungsbeispiel sind zwei Sendeelemente vorhanden. Die Bandbreite der Sendeelemente und die Bandbreite der Empfangselemente sind aufeinander abgestimmt. Ein Sendeelement weist eine Sendefrequenz f1 innerhalb des Frequenzbands der Mittenfrequenz f0 des Empfangsarrays auf und das andere Sendeelement eine Sendefrequenz f1 außerhalb des Frequenzbands der Mittenfrequenz f0 des Empfangsarrays. Die Sendesignale sind beispielsweise frequenzmoduliert oder pulsmoduliert. Auf diese Weise können verschiedene Relativgeschwindigkeiten verschiedener Objekte gleichzeitig erfasst werden.In one embodiment, two transmit elements are present. The bandwidth of the transmitting elements and the bandwidth of the receiving elements are coordinated. A transmitting element has a transmitting frequency f1 within the frequency band of the center frequency f0 of the receiving array and the other transmitting element has a transmitting frequency f1 outside the frequency band of the center frequency f0 of the receiving array. The transmission signals are for example frequency-modulated or pulse-modulated. In this way, different relative speeds of different objects can be detected simultaneously.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Empfangsarray eine relative Bandbreite von mehr als 10% auf. Die relative Bandbreite ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Bandbreite zur Mittenfrequenz f0.In one embodiment, the receive array has a relative bandwidth of more than 10%. The relative bandwidth results from the ratio of the bandwidth to the center frequency f0.

Claims (8)

Sensorsystem (1) eines Fahrzeugs zur Lokalisierung von Objekten, die sich in der Umgebung des Fahrzeugs befinden, mit wenigstens – einem Sendeelement (2), wobei das wenigstens eine Sendeelement (2) eine Bandbreite mit einer Sendefrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale mit der Sendefrequenz auszusenden, und einem von dem wenigstens einen Sendeelement (2) funktional getrenntem Empfangselement (3), wobei das wenigstens eine Empfangselement (3) eine Bandbreite mit einer Mittenfrequenz aufweist und dazu ausgestaltet ist, Ultraschallsignale zu empfangen, die an den das Fahrzeug umgebenden Objekten reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Empfangselements größer als die Bandbreite des Sendeelements ist, wobei sich die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) von der Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements (3) um mindestens 500 Hz unterscheidet.Sensor system ( 1 ) of a vehicle for locating objects which are located in the vicinity of the vehicle, having at least - a transmitting element ( 2 ), wherein the at least one transmitting element ( 2 ) has a bandwidth with a transmission frequency and is adapted to emit ultrasonic signals at the transmission frequency, and one of the at least one transmission element ( 2 ) functionally separate receiving element ( 3 ), wherein the at least one receiving element ( 3 ) has a bandwidth with a center frequency and is adapted to receive ultrasonic signals which are reflected at the vehicle surrounding objects, characterized in that the bandwidth of the receiving element is greater than the bandwidth of the transmitting element, wherein the transmission frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) from the center frequency of the bandwidth of the at least one receiving element ( 3 ) differs by at least 500 Hz. Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) eine Differenz von bis zu 20 kHz, insbesondere 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 5 kHz, 10 kHz oder 15 kHz, zur Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements (3) aufweist.Sensor system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the transmission frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) a difference of up to 20 kHz, in particular 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 5 kHz, 10 kHz or 15 kHz, to the center frequency of the bandwidth of the at least one receiving element ( 3 ) having. Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) der Resonanzfrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) entspricht. Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) of the resonant frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) corresponds. Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) kleiner als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements (3) ist.Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) smaller than the center frequency of the bandwidth of the at least one receiving element ( 3 ). Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz des wenigstens einen Sendeelements (2) größer als die Mittenfrequenz der Bandbreite des wenigstens einen Empfangselements (3) ist.Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission frequency of the at least one transmitting element ( 2 ) greater than the center frequency of the bandwidth of the at least one receiving element ( 3 ). Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Empfangselement (3) eine relative Bandbreite von mehr als 10% aufweist.Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one receiving element ( 3 ) has a relative bandwidth of more than 10%. Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Empfangselement (3) ein Dickenschwinger ist.Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one receiving element ( 3 ) is a thickness oscillator. Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sendeelement (2) ein Biegeschwinger ist.Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one transmitting element ( 2 ) is a bending vibrator.
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