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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schallerzeugung in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel und eine entsprechende Vorrichtung. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Empfangen von Schall und seine Wandlung in elektrische Signale. Auch zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine entsprechende Vorrichtung vorgeschlagen. Schließlich wird auch ein Fortbewegungsmittel, z.B. ein automatisches Transportmittel, vorgeschlagen, welches eine der genannten Vorrichtungen umfasst.
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Wird Schall oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs erzeugt, wird er als „Ultraschall“ bezeichnet. Seit vielen Jahren werden Ultraschallwandler zur Unterstützung bei Manövriervorgängen von Fortbewegungsmitteln verwendet. Insbesondere für die Erkennung von Umgebungsobjekten bei Einparkvorgängen bzw. bei der Parklückenvermessung und dem automatischen Einparken werden Ultraschallwandler verwendet. Dabei hat sich ein Konzept durchgesetzt, welches einen piezokeramischen Biegewandler enthält. Die zum Senden erforderliche Spannung wird durch einen Übertrager von einer Bordnetzspannung (z.B. 6V bis 24V) auf eine für den Betrieb des Ultraschallwandlers erforderliche Spannung von ca. 100V hochtransformiert. Der Übertrager ist ein recht kostspieliges Bauteil und benötigt zudem einen beachtlichen Bauraum. Mit diesem Prinzip ist es ebenso schwierig, eine Gleichspannung, die für andere Wandlerarten benötigt wird, zur Verfügung zu stellen. Wird eine Gleichspannung benötigt, so müssen zusätzliche Bauteile hinzugefügt werden, die ebenfalls Kosten verursachen.
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DE 10 2007 040 832 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Piezoelementes eines ultraschallbasierten Abstandssensors für ein Kraftfahrzeug. Eine herkömmliche Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs wird mittels eines Spannungswandlers in eine um ein Vielfaches höhere Ausgangsspannung transformiert.
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DE 10 2006 032 542 A1 offenbart ein Verfahren zur Abstandsmessung mittels eines Ultraschallsensors, wobei die Membran des Ultraschallsensors für den Sendebetrieb über ein Piezoelement angetrieben werden, welches mittels einer Transformationseinheit mit einer Hochspannung versorgt wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Stand der Technik bislang ungehobenes Verbesserungspotential zu nutzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ultraschallerzeugung in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel gelöst. Die Ultraschallerzeugung kann z.B. zur Abstandssensorik verwendet werden. Als „Hochspannungsbordnetz“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (z.B. ein PKW, ein Transporter, ein LKW, ein Gabelstapler, ein automatisierter fahrender Roboter) verstanden, welches eine Gleichspannung größer 80V aufweist. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt eine elektrische Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes in eine elektrische Wechselspannung gewandelt und der Ultraschallwandler mit der Wechselspannung zur Ultraschallerzeugung beaufschlagt. Mit anderen Worten wird die Hochspannung des Bordnetzes derart moduliert, dass das Modulationsergebnis zum Betrieb des Ultraschallwandlers bzw. zum Auslenken dessen Membran direkt verwendet werden kann. Bevorzugt wird ein Pegel der Gleichspannung lediglich verringert, um die Wechselspannung zu erzeugen, so dass sämtliche Pegel der Wechselspannung unterhalb des Gleichspannungsbetrags liegen. Somit ist keine Aufwärtstransformation einer Bordnetzspannung eines üblichen 12V-/24V-Bordsetzes auf eine solche Spannung erforderlich, welche zum Antreiben eines Piezowandlers zur Ultraschallerzeugung üblicherweise erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Nutzung des Hochspannungsbordnetzes kann die erforderliche Hardware kostengünstiger und mit einem geringeren Volumen ausgeführt werden, da große Bauteile wie Spulen und Übertrager entfallen können.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Ultraschallwandler kann insbesondere zur Aussendung von Ultraschallsignalen in die Umgebung des Fortbewegungsmittels eingerichtet sein. Bevorzugt ist derselbe Ultraschallwandler in einem zweiten Betriebsmodus eingerichtet, aus der Umgebung empfangene Ultraschallechos in elektrische Signale zu wandeln und einer hierfür vorgesehenen Auswerteeinheit zuzuführen. Dort angekommen, können die Signale zur Erkennung von Objekten und Ermittlung derer Abstände vom Fortbewegungsmittel verwendet werden. Solche Ultraschallwandler werden im Stand der Technik häufig in Stoßfänger oder (Heck-)Schürzen von Fortbewegungsmitteln integriert. Durch die direkte Verwendung des Hochspannungsbordnetzes können elektrische Verluste, welche üblicherweise in Übertragern auftreten, vermieden werden. Dadurch erhöhen sich der Gesamtwirkungsgrad und entsprechend auch die Reichweite elektrisch antreibbarer Fortbewegungsmittel.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Ultraschallerzeugung in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Eingang für eine Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes und einen mit dem Eingang gekoppelten Abwärtswandler zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der besagten Gleichspannung. Als „Abwärtswandler“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein solcher Vierpol bezeichnet, welcher aus einer höheren Eingangsgleichspannung eine niedrigere Ausgangsspannung (z.B. eine Wechselspannung) erzeugen kann. Solche Vierpole werden auch als „Tiefsetzsteller“ (englisch: step-down-converter, buck converter) oder als Abwärtsregler bezeichnet. Grundsätzlich unerheblich ist es hierbei, ob der Abwärtswandler selbst diejenige Wechselspannung erzeugt, welche zum Antrieb der Ultraschallwandlermembran erforderlich ist oder ob er nur eine geeignete Gleichspannung bereitstellt, welche anschließend zur Erzeugung eines Wandlereingangssignals moduliert wird. Ausgeschlossen sei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Wandlung von Hochspannung auf ein 12V- bzw. ein 25V-Niveau und eine anschließende Aufwärtstransformation für den Antrieb der Ultraschallwandlermembran. Das Hochspannungsbordnetz kann beispielsweise durch ein Traktionsenergiespeicher (ein Akkumulator und/oder eine Brennstoffzellenanlage o.ä.) mit elektrischer Energie versorgt. Ein Ultraschallwandler (z.B. umfassend ein Piezoelement zum Antreiben einer Membran) ist eingerichtet, im Ansprechen auf das Beaufschlagen mit der Wechselspannung Ultraschallsignale in seine Umgebung auszusenden. Es ergeben sich die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend denen des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der Abwärtswandler kann beispielsweise einen Spannungsteiler (z.B. mindestens zwei ohmsche Widerstände) aufweisen. Je nach dem, wie hoch die Differenz zwischen der Spannung des Hochspannungsbordnetzes und der Betriebsspannung des Ultraschallwandlers ist, kann so ein besonders einfacher, robuster und bauraumsparender Abwärtswandler realisiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Abwärtswandler steuerbare Widerstände aufweisen, welche beispielsweise als Transistoren ausgestaltet sind. Sind zwei Transistoren vorgesehen, kann einer von beiden als „pnp-Transistor“ und der andere von beiden „npn-Transistor“ ausgestaltet sein. Über eine analoge Ansteuerung der Transistoren können die Spannungssignale für den Betrieb des Ultraschallwandlers im Wesentlichen direkt erzeugt werden. In Abhängigkeit dieser Steuersignale kann somit auch eine Frequenz der Wechselspannung und/oder die Amplitude der Wechselspannung angepasst werden. Zusätzlich können weitere Informationen auf das Eingangssignal des Ultraschallwandlers moduliert werden. Solche Signale können beispielsweise beim Empfang des Ultraschallechos eine Identifikation eines zugehörigen Sendewandlers vereinfachen.
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Die vorgenannten erfindungsgemäßen Ausgestaltungen schließen sämtlich nicht aus, dass derselbe Ultraschallwandler auch zum Empfang der aus der Umgebung empfangenen Echos betrieben werden kann und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung hierzu weitere Komponenten aufweist. Beispielsweise kann ein Kondensator vorgesehen sein, der die am Wandler anliegenden Gleichanteile von einer Empfangsverstärkerschaltung fern hält. Über dieses Bauteil kann ein gegebenenfalls vorgesehener Empfangsverstärker angeschlossen sein, der während einer Sende-Periode vom Ultraschallwandler entkoppelt wird, um keinen Schaden zu nehmen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Empfangsverfahren zur Wandlung von Ultraschall in elektrische Signale in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Das Empfangsverfahren kann beispielsweise einen elektrostatischen Wandler verwenden, welcher über eine elektrische Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes vorgespannt wird. In Abhängigkeit der Höhe der elektrischen Gleichspannung kann die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers variieren. Indem der Ultraschallwandler mit der elektrischen Gleichspannung beaufschlagt wird, kann er Ultraschallsignale in elektrische Signale wandeln und diese einer Auswerteeinheit zuführen. Die Ultraschallsignale können beispielsweise Ultraschallechos sein, welche auf solchen Ultraschallsignalen basieren, welche von demselben Ultraschallwandler oder einem zusätzlichen, am Fortbewegungsmittel vorgesehenen, Ultraschallwandler in die Umgebung ausgesandt worden sind. Eine Verwendung von Elektretwandlern ermöglicht beispielsweise eine kostengünstige und robuste Alternative zu Piezowandlern.
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Eine weitere Möglichkeit wäre der Einsatz von Elektretwandlern, die bereits durch aufgebrachte Ladungen im Elektret elektrisch vorgespannt sind. Diese gespeicherte Ladung in dem Elektret wird mit der Zeit kompensiert, so dass hier eine abfallende Spannung zu erwarten ist. Die Bordnetzspannung kann nun für zwei Situationen hinzugezogen werden. Erstens kann zusätzlich zur Elektretspannung die Bordnetzspannung addiert werden, so dass die Empfangssensitivität wie auch der Sendeschalldruck steigen. Zweitens kann für den Fall, dass die Elektretspannung mit der Zeit abfällt, die Bordnetzspannung zur Kompensation genutzt werden und die Empfindlichkeit der Wandler bleibt auf diese Weise konstant.
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Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Empfangsverfahren ein Ermitteln eines geänderten Empfindlichkeitserfordernisses für den Ultraschallwandler umfassen. Mit anderen Worten wird festgestellt, dass eine gegenüber einem vorherigen Betriebszustand erhöhte oder verminderte Empfindlichkeit zweckdienlich wäre. Im Ansprechen darauf wird die elektrische Gleichspannung, mit welcher der Ultraschallwandler beaufschlagt wird, angepasst. Mit anderen Worten wird ein Arbeitspunkt für den Ultraschallwandler eingestellt, welcher die empfangenen Signale auf einem solchen elektrischen Spannungspegel wandelt, welcher von der anschließenden Signalverarbeitung besonders gut verarbeitet werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine laufzeitabhängige Verstärkung empfangener Ultraschallsignale realisiert werden, wodurch die Echodetektion verbessert werden kann.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Empfang von Ultraschall in elektrische Signale in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist beispielsweise zum Einbau in Straßenfahrzeuge vorgesehen. Sie umfasst einen Eingang für eine Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes des Fortbewegungsmittels und einen Ultraschallwandler (z.B. einen elektrostatischen Wandler), welcher eingerichtet ist, zum Empfang von Ultraschallsignalen mit der Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Wie in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Empfangsverfahren ausgeführt, kann die Beaufschlagung mit der Gleichspannung in Abhängigkeit eines erkannten Empfindlichkeitserfordernisses erfolgen, wodurch eine laufzeitabhängige Verstärkung realisiert werden kann. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen denen des vorstehend beschriebenen Empfangsverfahrens.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches beispielsweise ein Fahrzeug (z.B. ein PKW, ein Transporter, ein LKW, ein Luft- und/oder Wasserfahrzeug) sein kann. Das Fortbewegungsmittel umfasst eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten und/oder gemäß dem viertgenannten Erfindungsaspekt. Auf diese Weise ergeben sich auch für das erfindungsgemäße Fortbewegungsmittel die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1a eine Prinzipskizze eines Bordnetzabschnittes eines Fortbewegungsmittels gemäß dem Stand der Technik;
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1b eine Prinzipskizze eines Bordnetzabschnittes eines Fortbewegungsmittels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Empfang sowie zum Versand von Ultraschallsignalen;
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3 ein Spannungs-Zeitdiagramm, veranschaulichend eine Wandlung einer Hochspannungsgleichspannung in eine Hochspannungs-Wechselspannung;
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4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschallerzeugung;
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5 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfangsverfahrens; und
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6 eine Prinzipskizze veranschaulichend Komponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a zeigt ein Hochspannungsbordnetz 2 eines (nicht dargestellten) elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels. Die Traktionsmaschine M des Fortbewegungsmittels wird durch eine Gleichspannung U2 gespeist, welche einer Traktionsbatterie entstammt. Ein zur Umfelddetektion eingerichteter Ultraschallwandler 3 ist in bekannter Weise an ein 12V-Bordnetz 1 angeschlossen, welches parallel zum Hochspannungsbordnetz 2 vorgesehen ist. Ein Aufwärtswandler in Form eines Übertragers 6 wird über eine Gleichspannung U1 gespeist, welche einer Starterbatterie entstammt.
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1b zeigt eine erfindungsgemäße Abwandlung der in 1a dargestellten Anordnung. Der Ultraschallwandler 3 wird an einem Abwärtswandler 4 betrieben, welcher seine Energie aus dem Hochspannungsbordnetz 2 erhält. Zur Bestimmung der Parameter der Wechselspannung, welche der Abwärtswandler 4 an den Ultraschallwandler 3 anlegt ist ein Steuergerät 5 an den Abwärtswandler 4 angeschlossen, welches die Eingangsspannung des Abwärtswandlers 4 bedarfsgerecht moduliert und hinsichtlich seiner Frequenz und/oder seiner Amplitude anpasst. Auf diese Weise wird die Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes 2 in ein geeignetes und betriebssituationsgemäßes Wechselspannungssignal umgewandelt.
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2 zeigt ein Schaltbild zur Realisierung einer Sende- und Empfangseinrichtung mittels eines Ultraschallwandlers 3. Für den Sendebetrieb wird die Gleichspannung U2 des Hochspannungsbordnetzes 2 mittels zweier Transistoren T1, T2 in Abhängigkeit der Signale ihrer jeweiligen Signaleingänge 8, 9 moduliert. Der erste Transistor T1 ist im dargestellten Beispiel als pnp-transistor, der zweite Transistor T2 als npn-transistor ausgestaltet. Das zwischen den Transistoren T1, T2 abgegriffene Signal U3 dient als Eingangssignal des Ultraschallwandlers 3 im Sendebetrieb. Eine Kapazität C am Eingang des Empfangsverstärkers 7 sorgt für eine Unterdrückung eines Gleichanteils des Signals U3 im Sendebetrieb. Im Empfangsbetrieb hingegen lässt die Kapazität C die vom Ultraschallwandler 3 empfangenen Wechselsignale im Wesentlichen ungehindert an den Eingang des Empfangsverstärkers 7 passieren, von wo aus die verstärkten Empfangssignale einem Steuergerät 5 zur Auswertung zugeführt werden. Ermittelt das Steuergerät 5 das Erfordernis einer Anpassung der Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers 3, passt das Steuergerät 5 die Betriebsweise der Transistoren T1, T2 über deren Eingänge 8, 9 an. Über eine Anhebung eines Gleichspannungsanteils des Signals U3 kann beispielsweise die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers 3 während des Empfangs erhöht werden.
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3 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm veranschaulichend beispielhafte Zeitverläufe der Gleichspannung U2 und der Wechselspannung U3. Die Gleichspannung U2 ist ein typisches Beispiel einer Gleichspannung von 400V auf einem Hochspannungsbordnetz 2 eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels. Das Signal U3 wird durch Modulation der Spannung U2 gewonnen und stellt eine im Wesentlichen sinusförmige Wechselspannung mit einem Gleichanteil von ca. 200V und einer Amplitude von 180V dar. Auf diese Weise schwankt die Wechselspannung U3 zwischen 20V und 380V und eignet sich zur direkten Beaufschlagung eines Ultraschallwandlers 3 zur Umgebungssensorik.
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4 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschallerzeugung in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel. In einem ersten Schritt 100 wird eine elektrische Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes in eine elektrische Wechselspannung gewandelt. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Amplitude im Bereich zwischen 40V und 200V aufweisen. Insbesondere haben sich Amplituden zwischen 50V und 180V als geeignet (je nach Bauform des Ultraschallwandlers) herausgestellt. In Schritt 200 wird der Ultraschallwandler mit der Wechselspannung zur Ultraschallerzeugung beaufschlagt. Mit anderen Worten führt die elektrische Wechselspannung zur Schwingung eines Motors (z.B. ein Piezoelement) des Ultraschallwandlers, welcher zur Erzeugung von Ultraschall mit einer entsprechenden Membran gekoppelt ist. Ein Empfang von Ultraschallechos kann beispielsweise entsprechend dem Stand der Technik mit derselben Vorrichtung erfolgen. Hierbei werden in einem Empfangsfenster vom Ultraschallwandler empfangene Echos in elektrische Signale gewandelt und einer Auswerteeinheit (gegebenenfalls laufzeitabhängig verstärkt) zugeführt.
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5 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfangsverfahrens zur Wandlung von Schall und Ultraschall in elektrische Signale in einem über ein elektrisches Hochspannungsbordnetz antreibbaren Fortbewegungsmittel. In Schritt 1000 wird eine elektrische Gleichspannung des Hochspannungsbordnetzes in eine elektrische Eingangsspannung gewandelt. Die Eingangsspannung kann beispielsweise eine Gleichspannung sein, welche zur elektrischen Vorspannung eines elektrostatischen Wandlers vorgesehen ist. Anschließend wird in Schritt 2000 der elektrostatische Wandler mit der elektrischen Eingangsspannung beaufschlagt. In Schritt 3000 treffen Ultraschallechos auf den elektrostatischen Wandler, welcher Ultraschallsignale in elektrische Signale wandelt. Die elektrischen Signale können zur Erkennung von Umgebungsobjekten in der Umgebung des Fortbewegungsmittels verwendet werden und hinsichtlich eines aktuellen Abstandes von den Umgebungsobjekten ausgewertet werden. In Schritt 4000 wird ein geändertes Empfindlichkeitserfordernis für den Ultraschallwandler ermittelt, was beispielsweise durch Ablauf einer vordefinierten Zeitdauer zur Realisierung einer laufzeitabhängigen Verstärkung erkannt werden kann. Im Ansprechen darauf wird in Schritt 5000 die elektrische Eingangsspannung hinsichtlich ihres Gleichspannungspegels angepasst, mit welcher der Ultraschallwandler beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des Elektretwandlers als Ultraschallwandler angepasst.
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6 zeigt einen PKW 10 als Fortbewegungsmittel, in dessen vorderem Stoßfänger ein Ultraschallwandler 3 zur Umfelddetektion vorgesehen und an einen Abwärtswandler 4 angeschlossen ist. Der Abwärtswandler 4 bezieht seine elektrische Energie aus einem Hochspannungsbordnetz 2, welche auch für einen Antrieb von Radnabenmotoren M vorgesehen ist. Der Abwärtswandler 4 wird durch ein elektronisches Steuergerät 5 betrieben und kann somit Ausgangssignale unterschiedlicher Frequenz und Amplitude (Wechselsignale) erzeugen oder den Ultraschallwandler 3 (im Falle eines Elektretwandlers) mit Gleichspannungssignalen unterschiedler Pegel beaufschlagen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040832 A1 [0003]
- DE 102006032542 A1 [0004]
