DE102015014853B3 - Device and method for distance determination in ultrasonic sensor systems - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsensorsystem zur Erfassung eines räumlichen Abstands oder der Laufzeit eines Ultraschallsignals. Sie umfasst einen Ultraschallsender, einen Ultraschallsensor, der ein Echosignal und/oder Empfangssignal erzeugt, und eine Teilvorrichtung, die dieses Echosignal und/oder Empfangssignal mit einem Schwellwert und/oder Schwellwertsignal oder dem aktuellen Wert einer Schwellwertkurve vergleicht. Sie zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass der Wert der Ausgabe eines zeitlichen oder räumlichen Abstandswertes in Abhängigkeit von einem Zeitpunkt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt wird, zudem die zeitliche Ableitung des Echosignals und/oder Empfangssignals letztmalig eine positive zweite Ableitung und eine erste Ableitung kleiner oder gleich Null aufweist, bevor der Wert des Echo- oder Empfangssignals (EK) den Wert einer Schwellwertkurve und/oder einen Schwellwert kreuzt.The invention relates to an ultrasonic sensor system for detecting a spatial distance or the transit time of an ultrasonic signal. It comprises an ultrasound transmitter, an ultrasound sensor that generates an echo signal and / or a received signal, and a subsystem that compares this echo signal and / or received signal with a threshold value and / or threshold signal or the current value of a threshold curve. It is distinguished from the prior art by the fact that the value of the output of a temporal or spatial distance value is determined as a function of a time by the inventive device or the inventive method, also the time derivative of the echo signal and / or received signal for the last time positive second derivative and a first derivative less than or equal to zero before the value of the echo or receive signal (EK) crosses the value of a threshold curve and / or a threshold value.
Description
Einleitungintroduction
Die Patentanmeldung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen einem Ultraschallsensorsystem und einem Hindernis. In dem Ultraschallsensorsystem wird ein Burstsignal generiert, das durch einen Transducer ein Ultraschallsignal typischerweise in Form eines Ultraschall-Bursts erzeugt. Ein etwaiges Hindernis vor dem Ultraschallsensorsystem reflektiert das Ultraschallsignal. Das reflektierte Ultraschallsignal wird von dem Transducer und/oder einem anderen geeigneten Ultraschallsensor aufgenommen und der weiteren Signalverarbeitung im Ultraschallsensorsystem als Empfangssignal zugefügt. In einer Komparatorstufe innerhalb des Ultraschallsensorsystems wird der aktuelle Wert des Empfangsignals mit einem für den jeweiligen Messzeitpunkt vorgegebenen Schwellwert aus einer zeitabhängigen Schwellwertkurve verglichen. Steigt der Wert des Empfangssignals über den aktuellen Wert der resultierenden Schwellwertkurve, so wird der Start eines Echos identifiziert. Sinkt der Wert des Empfangssignals unter den Wert der Schwellwertkurve, so wird das Ende eines Echos identifiziert. Aus der Zeit zwischen dem Aussenden des Ultraschall-Bursts und dem Erkennen eines Starts eines Echos kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit auf die Entfernung zwischen Ultraschallsensorsystem und Hindernis geschlossen werden. (Siehe auch
Ein Verfahren aus dem Stand der Technik umfasst daher als ersten Schritt das Aussenden eines Ultraschallsignals. Dieser Aussendezeitpunkt, typischerweise der Beginn einer Folge von Ultraschallpulsen, kurz Burst genannt, bildet den Referenzpunkt für die Messung der Flugzeit des Ultraschallimpulses von seiner Aussendung durch den Ultraschalltransducer (TR) bis zum Wiedereintreffen einer Reflexion desselben.A method from the prior art therefore comprises, as a first step, the emission of an ultrasound signal. This emission time, typically the beginning of a sequence of ultrasound pulses, called burst for short, forms the reference point for measuring the time of flight of the ultrasound pulse from its emission through the ultrasound transducer (TR) until reentry thereof returns.
In einem zweiten Schritt wird der so ausgesendete Ultraschallburst durch das Hindernis (H) reflektiert. Ziel des Verfahrens aus dem Stand der Technik ist es dabei, den Abstand zu diesem Hindernis (H) zu bestimmen.In a second step, the ultrasound burst thus emitted is reflected by the obstacle (H). The aim of the method of the prior art is to determine the distance to this obstacle (H).
Der so reflektierte Ultraschallburst läuft zumindest teilweise zum Ultraschalltransducer zurück und wird dort in einem dritten Verfahrensschritt durch einen Sensor oder den Transducer selbst empfangen.The ultrasound burst reflected in this way at least partially returns to the ultrasound transducer and is received there by a sensor or the transducer itself in a third method step.
Der Ultraschallsensor als Sensorsystem wandelt das empfangene reflektierte Ultraschallsignal, den Ultraschallburst, wieder in ein Empfangssignal um und vergleicht den Wert dieses Empfangssignals in einem vierten Schritt des Verfahrens mit einem Schwellwert, wobei dieser Schwellwert typischerweise von der seit der Aussendung des Ultraschallbursts vergangen Zeit, der Flugzeit TOF, abhängt. Der zeitabhängige Schwellwert ist somit ein Punkt einer Schwellwertkurve (SWK). Eine Teilvorrichtung des Ultraschallsensorsystems (US) führt diesen Vergleich durch. Es kann sich beispielsweise um einen Komparator (CMP) handeln. Diese Teilvorrichtung im Ultraschallsensorsystem führt als Komparator einen Vergleich des Werts des Empfangssignals mit dem zugehörigen Wert aus der Schwellwertkurve für diesen Messzeitpunkt bezogen auf die Aussendung des Ultraschallbursts durch.The ultrasonic sensor as sensor system converts the received reflected ultrasonic signal, the ultrasonic burst, back into a received signal and compares the value of this received signal in a fourth step of the method with a threshold value, this threshold typically from the time since the transmission of the ultrasonic burst, the time of flight TOF, depends. The time-dependent threshold is thus a point of a threshold curve (SWK). A sub-device of the ultrasonic sensor system (US) performs this comparison. It may, for example, be a comparator (CMP). This sub-device in the ultrasonic sensor system performs as a comparator, a comparison of the value of the received signal with the associated value from the threshold curve for this measurement time based on the transmission of the ultrasonic burst.
In einem fünften Schritt wird das Übersteigen des aktuellen Wertes der Schwellwertkurve durch den Wert des Empfangssignals als Beginn des Echos bewertet.In a fifth step, the exceeding of the current value of the threshold curve is evaluated by the value of the received signal as the beginning of the echo.
In einem sechsten Schritt wird das Unterschreiten des aktuellen Wertes der Schwellwertkurve durch den Wert des Empfangssignals als Ende des Echos bewertet.In a sixth step, the undershooting of the current value of the threshold curve is evaluated by the value of the received signal as the end of the echo.
Es folgt dann als siebter Schritt eine Berechnung der Flugzeit mit Hilfe des bekannten Aussendezeitpunktes des Ultraschallbursts als Startpunkt und den beiden gemessenen Zeitpunkte, dem Beginn des Echos und dem Ende des Echos. Ggf. kann der Aussendezeitpunkt auch aus mehreren Daten wie beispielsweise Anfang, Mitte und Ende der Aussendung bestehen.It then follows as the seventh step, a calculation of the flight time using the known emission time of the ultrasonic burst as the starting point and the two measured times, the beginning of the echo and the end of the echo. Possibly. the time of transmission can also consist of several data such as the beginning, middle and end of the transmission.
Aus diesen Daten kann beispielsweise der zeitliche Abstand im Stand der Technik dann so berechnet werden, dass im einfachsten Fall der Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallbursts von dem Beginn des Echos abgezogen wird.From this data, for example, the time interval in the prior art can then be calculated so that in the simplest case, the time of transmission of the ultrasonic burst is subtracted from the beginning of the echo.
Die Erkennung der Flugzeit im fünften Schritt hat den Nachteil, dass dieser Wert und damit die im siebten Schritt ermittelte Entfernung zum Hindernis von zwei Faktoren abhängt:
- 1. der Höhe der Schwellwertkurve (SWK) und
- 2. der Steilheit der Signalflanke.
- 1. the level of the threshold curve (SWK) and
- 2. the steepness of the signal edge.
Aus der
Die Druckschrift
Aus der
Alle diese Schriften lösen das oben beschriebene Problem nicht.All of these fonts do not solve the problem described above.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens den Abstand zwischen Sensor und einem gegebenen Hindernis unabhängig von der konkreten Konfiguration des Sensors zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren soll den TOF-Wert, also die Flugzeit, für den Startpunkt eines Echos somit nicht aus der Zeitinformation des Schnittpunktes des Empfangssignals mit der Schwellwertkurve festlegen, sondern weitere Signalinformationen auswerten, die zu einem präziseren Ergebnis führen.It is the object of the method according to the invention to determine the distance between the sensor and a given obstacle independently of the specific configuration of the sensor. The method according to the invention is therefore not intended to determine the TOF value, ie the time of flight, for the starting point of an echo from the time information of the point of intersection of the received signal with the threshold curve, but to evaluate further signal information which leads to a more precise result.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und Verfahren nach den Ansprüchen 3, 7 und 8 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and method according to claims 3, 7 and 8.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Der wahre Abstand zwischen Sensor und Hindernis ist gegeben durch die Zeit zwischen dem Beginn der Aussendung des Ultraschall-Burstes und dem Beginn des Empfangs des zugehörigen Echosignals am Sensor. Diese Zeit wird im Folgenden als Flugzeit bezeichnet und damit gegenüber dem Stand der Technik präzisiert. Der Beginn des Empfangs lässt sich mit ausreichender Genauigkeit als der Zeitpunkt identifizieren, an dem ein Anstieg im empfangenen Ultraschallsignal festgestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren legt die Flugzeit, den TOF-Wert, eines Echos als den Zeitpunkt des letzten lokalen Minimums fest, bevor das Ultraschallsignal die Schwellwertkurve überschreitet. Damit wird allerdings tendenziell ein etwas zu kleiner TOF-Wert, also eine zu kleine Flugzeit, gemessen. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde aber erkannt, dass diese Verringerung in den wichtigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Nutzung des Ultraschallsensors als Einparkhilfesensor, auch englisch „park distance sensor” oder kurz PDC-Sensor genannt, irrelvant oder zu vernachlässigen ist, da der TOF-Wert, also die gemessene Flugzeit zur „sicheren Seite” hin beeinflusst wird. Ein Hindernis erscheint näher, als es tatsächlich ist, womit der Fahrer früher anhält als notwendig, was somit unkritisch für den Anwendungsfall ist. Weiterhin wirkt die Definition des Echo-Beginns in der erfindungsgemäßen Weise als den Zeitpunkt des letzten lokalen Minimums zusätzlich eventuellen Signalverzögerungen im Empfangsteil des Sensors entgegen.The true distance between the sensor and the obstacle is given by the time between the beginning of the transmission of the ultrasonic burst and the beginning of the reception of the associated echo signal at the sensor. This time is referred to below as flight time and thus more precise compared to the prior art. The beginning of the reception can be identified with sufficient accuracy as the time at which an increase in the received ultrasound signal can be detected. The inventive method determines the time of flight, the TOF value, of an echo as the time of the last local minimum before the ultrasonic signal exceeds the threshold curve. However, this tends to measure a TOF value that is a bit too small, ie a too short flight time. In the preparation of the invention but it was recognized that this reduction in the important applications, such as in the use of the ultrasonic sensor as a parking assist sensor, also called "park distance sensor" or short PDC sensor, is irrelevant or negligible, since the TOF Value, ie the measured flight time is influenced to the "safe side". An obstacle appears closer than it actually is, with which the driver stops earlier than necessary, which is therefore not critical for the application. Furthermore, the definition of the echo onset in the manner according to the invention counteracts any possible signal delays in the receiving part of the sensor as the time of the last local minimum.
Um bei ungünstigen Signalsituationen, beispielsweise bei einem niedrigen Signal in einem verrauschtem Signalumfeld, nicht einen TOF-Wert, also eine Flugzeit, zu erhalten, der zu weit vor dem Schnittpunkt zwischen Signal und Schwellwertkurve liegt, wird vorzugsweise ein Maximalwert eingeführt, auf den der vom Ultraschallsensorsystem ausgegebene TOF-Wert, also die Flugzeit, vor diesem Zeitpunkt des Schnittpunkts liegen darf. Wird der Maximalwert überschritten, wird als TOF-Wert, also als Flugzeit, der Zeitpunkt des Schnittpunktes zwischen Signal und Schwellwertkurve verringert um den gegebenen Maximalwert ausgegeben. Der Maximalwert kann entweder fest im Verfahren implementiert sein, oder konfigurierbar sein.In case of adverse signal situations, such as a low signal in one Noise signal environment, not a TOF value, ie to obtain a flight time, which is too far in front of the intersection between the signal and threshold curve, a maximum value is preferably introduced, to which the output from the ultrasonic sensor system TOF value, ie the flight time, before this Time of the point of intersection may be. If the maximum value is exceeded, the point in time of the intersection between the signal and the threshold curve reduced by the given maximum value is output as the TOF value, ie as flight time. The maximum value can either be fixedly implemented in the method, or be configurable.
Es verbleibt die Frage, wie der Zeitpunkt des letzten lokalen Minimums, bevor das Ultraschallsignal die Schwellwertkurve überschreitet, festgestellt wird.The question remains as to how the time of the last local minimum, before the ultrasonic signal exceeds the threshold curve, is determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher die Schritte, die vorzugsweise periodisch und/oder aperiodisch wiederholt werden:The method according to the invention therefore comprises the steps which are preferably repeated periodically and / or aperiodically:
Schritt 1: Aussenden mindestens eines Ultraschallpulses;Step 1: emitting at least one ultrasonic pulse;
Schritt 2: Reflektion des ausgesendeten Ultraschallpulses an mindestens einem Hindernis;Step 2: Reflection of the emitted ultrasonic pulse on at least one obstacle;
Schritt 3: Empfang des ausgesendeten und reflektierten Ultraschallpulses durch mindestens einen Sensor und/oder mindestens einen Transducer und Wandlung in ein Empfangssignal;Step 3: Reception of the emitted and reflected ultrasonic pulse by at least one sensor and / or at least one transducer and conversion into a received signal;
Schritt 4: Diskretes Abtasten des Empfangssignals zu aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten und Erzeugung eines zeitlich diskreten Abtastsignals aus zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastwerten, die jeweils den Wert des Empfangssignals zu den besagten aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten repräsentieren;Step 4: discreetly sampling the received signal at successive sampling instants and generating a temporally discrete sampled signal from successive samples each representing the value of the received signal at said successive sampling instants;
Schritt 5: Abspeichern des aktuellen Abtastzeitpunkts als potenzieller Echo-Startzeitpunkt, wenn der aktuelle Abtastwert zum aktuellen Abtastzeitpunkt kleiner oder gleich im Vergleich zu einem gespeicherten Abtastwert eines vorausgehenden Abtastzeitpunktes ist, der vorzugsweise der unmittelbar vorausgehende Abtastzeitpunkt ist. Als gespeicherter Abtastwert wird jeweils zu Beginn der Aussendung eines Ultraschall-Bursts vorzugsweise ein Vorgabewert, der fest vorgegeben sein kann oder einstellbar oder programmierbar sein kann, verwendet.Step 5: Store the current sample time as a potential echo start time if the current sample at the current sample time is less than or equal to a stored sample of a previous sample time, which is preferably the immediately preceding sample time. As a stored sample, a default value, which may be fixed or may be adjustable or programmable, is preferably used in each case at the beginning of the emission of an ultrasound burst.
Schritt 6: Abspeichern des aktuellen Abtastwertes für eine dementsprechende Bewertung zu einem nachfolgenden Abtastzeitpunkt, der vorzugsweise der unmittelbar folgende Abtastzeitpunkt ist.Step 6: Storing the current sample for a corresponding evaluation at a subsequent sampling time, which is preferably the immediately following sampling time.
Schritt 7: Ausgabe eines zeitlichen oder räumlichen Abstandswertes in Abhängigkeit von dem gespeicherten potenziellen Echo-Startzeitpunkt, wenn der Wert des Empfangssignals (EK) den Wert der Schwellwertkurve kreuzt. Dieser Zeitpunkt wird im Folgenden als Kreuzungszeitpunkt bezeichnet. Ein typisches Kriterium für das Kreuzen des Werts des Empfangssignals (EK) mit dem Wert der Schwellwertkurve wäre beispielsweise das positive Ergebnis einer Überprüfung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, ob der aktuelle Abtastwert des Empfangssignals größer als der dem aktuellen Abtastzeitpunkt zugehörige Schwellwert der Schwellwertkurve ist und der – typischerweise unmittelbar – vorausgehende Abtastwert des Empfangssignals kleiner ist als der diesem vorausgehenden Abtastzeitpunkt zugehörige vorausgehende Schwellwert der Schwellwertkurve. Ein versierter Fachmann wird natürlich bei zumindest einer dieser Bedingungen auch eine Gleichheit zulassen.Step 7: Output of a temporal or spatial distance value as a function of the stored potential echo start time, when the value of the received signal (EK) crosses the value of the threshold curve. This point in time is referred to below as crossing time. A typical criterion for crossing the value of the received signal (EK) with the value of the threshold curve would be, for example, the positive result of a check by the device according to the invention, if the current sample value of the received signal is greater than the threshold value of the threshold value curve associated with the current sampling time, and typically immediately preceding sample of the received signal is less than the preceding threshold of the threshold curve associated with that previous sampling instant. An accomplished expert will of course also allow for equality in at least one of these conditions.
In einer Variante der Erfindung wird zur Fehlervermeidung der zeitliche Abstand, im folgenden Vorlaufabstand genannt, als Betrag der Differenz zwischen dem gespeicherten potenziellen Echo-Startzeitpunkt und dem Kreuzungszeitpunkt auf einen vorgegebenen und/oder einstellbaren und/oder programmierbaren maximalen Wert des Vorlaufabstands begrenzt. Ist der Vorlaufabstand kleiner als der maximale Wert des Vorlaufabstands, so ändert sich das Verhalten des Ultraschallsensorsystems gegenüber dem zuvor beschriebenen Verhalten nicht. Ist der Vorlaufabstand aber größer als der maximale Wert des Vorlaufabstands, so wird an Stelle des potenziellen Echo-Startzeitpunkts für die Ausgabe der korrigierte Echo-Startzeitpunkt verwendet, der sich als zeitliche Differenz aus dem Kreuzungszeitpunkt minus dem maximalen Wert des Vorlaufabstands ergibt. Es erfolgt dann anstelle der Ausgabe eines zeitlichen oder räumlichen Abstandswertes in Abhängigkeit von dem gespeicherten potenziellen Echo-Startzeitpunkt in Schritt 7 die Ausgabe eines zeitlichen oder räumlichen Abstandswertes in Abhängigkeit von dem korrigierten Echo-Startzeitpunkt in Schritt 7.In a variant of the invention, the time interval, referred to in the following flow distance, is limited to a predetermined and / or adjustable and / or programmable maximum value of the flow distance as an amount of the difference between the stored potential echo start time and the crossing time. If the flow distance is smaller than the maximum value of the flow distance, then the behavior of the ultrasonic sensor system does not change with respect to the behavior described above. If, however, the lead spacing is greater than the maximum value of the lead gap, then instead of the potential echo start time for the output, the corrected echo start time is used, which is the time difference from the crossing time minus the maximum value of the lead gap. Then, instead of outputting a temporal or spatial distance value as a function of the stored potential echo start time in step 7, the output of a temporal or spatial distance value is effected as a function of the corrected echo start time in step 7.
Ein erfindungsgemäßes System zeichnet sich also dadurch aus, dass die Ausgabe eines zeitlichen oder räumlichen Abstandswertes in Abhängigkeit von einem Zeitpunkt erfolgt, zudem die zeitliche Ableitung des Echosignals oder Empfangssignals letztmalig eine positive zweite Ableitung und eine negative erste Ableitung aufwies, wobei letztere auch nahezu Null sein kann, bevor der Wert des Echo- oder Empfangssignals (EK) den Wert einer Schwellwertkurve und/oder einen Schwellwert kreuzt.A system according to the invention is therefore distinguished by the fact that the output of a temporal or spatial distance value takes place as a function of a time, in addition the time derivative of the echo signal or received signal for the last time had a positive second derivative and a negative first derivative, the latter also being almost zero can before the value of the echo or receive signal (EK) crosses the value of a threshold curve and / or a threshold value.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der wesentliche wirtschaftlich verwertbare Vorteil der Erfindung ist die erhöhte Präzision der Bestimmung von Abständen zu Hindernissen unabhängig von der Schwellwertkurve und der Flankensteilheit des Signals.The main economically viable advantage of the invention is the increased precision of the determination of distances to obstacles independent of the threshold curve and the slope of the signal.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
- CMPCMP
- Komparator oder Komparatorfunktion, die von einer entsprechenden Teilvorrichtung der Vorrichtung ausgeführt wird.Comparator or comparator function performed by a corresponding sub-device of the device.
- EIEGG
- Echoinformation, die in einer Teilvorrichtung der Vorrichtung abgelegt ist.Echo information stored in a sub-device of the device.
- EKEK
- Echo-Kurve oder Verlauf des EmpfangssignalsEcho curve or course of the received signal
- HH
- Hindernisobstacle
- SWKSWK
- als Konfigurationsparameter abgelegte SchwellwertkurveThreshold curve stored as configuration parameter
- TOFTOF
- Time of Flight oder auch Flugzeit genannt: Das ist die Zeit die zwischen dem Aussenden des Ultraschall-Bursts, also einer Ultraschallpulssequenz, und dessen Wiedereintreffen am Transducer vergangen ist.Time of Flight or Flight Time: This is the time that elapsed between the transmission of the ultrasonic burst, ie an ultrasonic pulse sequence, and its return to the transducer.
- TRTR
- Transducertransducer
- USUS
- Ultraschallsensor bzw. UltraschallsensorsystemUltrasonic sensor or ultrasonic sensor system
- USBUSB
- UltraschallburstgenerierungUltrasonic burst generation
Claims (8)
Priority Applications (1)
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DE102015014853.2A DE102015014853B3 (en) | 2015-11-10 | 2015-11-10 | Device and method for distance determination in ultrasonic sensor systems |
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Publications (1)
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DE (1) | DE102015014853B3 (en) |
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