DE102018128504A1

DE102018128504A1 - Ultraschallsensor für ein Fahrzeug zur Bereitstellung von Sensorsignalen mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren, Fahrerassistenzsystem sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102018128504A1
Application number: DE102018128504.3A
Authority: DE
Inventors: Paul-David Rostocki; Heinrich Gotzig
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-14
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: DE102018128504B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (4) für ein Fahrzeug (1) mit einem Schallwandlerelement (10) zum Bereitstellen eines Rohsignals beim Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich (9) des Fahrzeugs (1) und mit einer Recheneinrichtung (11) zum Verstärken des Rohsignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, wobei die Recheneinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zum Bereitstellen eines ersten Sensorsignals (S1) das Rohsignal mit dem ersten Verstärkungsfaktor zu verstärken und zum parallelen Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals (S2) das Rohsignal mit dem zweiten Verstärkungsfaktor zu verstärken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für ein Fahrzeug mit einem Schallwandlerelement zum Bereitstellen eines Rohsignals beim Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich des Fahrzeugs und mit einer Recheneinrichtung zum Verstärken des Rohsignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrerassistenzsystem mit zumindest einem solchen Ultraschallsensor. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Ultraschallsensoren für Fahrzeuge. Diese Ultraschallsensoren werden insbesondere zur Erfassung von Objekten sowie zur Distanzmessung verwendet. Die Ultraschallsensoren werden in Fahrerassistenzsystemen, beispielsweise in Parkhilfesystemen, eingesetzt. Die Ultraschallsensoren umfassen üblicherweise eine Membran, an dem ein Schallwandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, angeordnet ist. Zum Aussenden eines Ultraschallsignals wird das Schallwandlerelement zum Schwingen angeregt, wobei diese Schwingungen auf die Membran übertragen werden. Wenn das ausgesendete Ultraschallsignal in einem Umgebungsbereich des Fahrzeugs, beispielsweise an einem Objekt, reflektiert wird, gelangt dies wieder zu dem Ultraschallsensor zurück. Durch das reflektierte Ultraschallsignal beziehungsweise das Echo des Ultraschallsignals wird die Membran zum Schwingen angeregt. Diese Schwingung der Membran kann dann mit Hilfe des Schallwandlerelements erfasst werden und in Form eines Rohsignals beziehungsweise einer elektrischen Spannung ausgegeben werden.
Bei heutigen Parkhilfesystemen wird die Distanzmessung durch einen Vergleich eines Rohsignals mit einer Schwellwertkurve beziehungsweise einer Referenzspannung ermittelt. Ein Anteil des Rohsignals, der die Schwellwertkurve überschreitet, kann einem Objekt in dem Umgebungsbereich zugeordnet werden. Dabei kann der Datenaustausch zwischen dem Ultraschallsensor und einem Steuergerät digital erfolgen und lediglich beschreiben, ob das Rohsignal die Schwellwertkurve überschreitet oder nicht. Der radiale Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt kann anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt reflektierten Ultraschallsignals bestimmt werden.
Unter bestimmten widrigen Bedingungen, beispielsweise Störungen durch Pressluft, den Fahrtwind oder Störsignale von anderen Ultraschallsensoren kann die Detektion nicht sicher erfolgen, da Signalanteile in dem Rohsignal, welche von diesen Störungen stammen, über der Schwellwertkurve liegen. Nachteilig hierbei ist, dass nicht unterschieden werden kann, ob der Anteil des Rohsignals, der die Schwellwertkurve überschreitet, von einem realen Objekt oder von einer Störung stammt. Außerdem erfolgt der Abgleich der Schwellwertkurve der Parameter des Ultraschallsensors, welche beispielsweise den Sendeschallpegel und die Empfindlichkeit beschreiben, meist bei einer Geschwindigkeit von 10 km/h. Wenn Ultraschallsensoren dann bei höheren Fahrtgeschwindigkeiten eingesetzt werden, können zudem Probleme auftreten. Dies gilt beispielsweise für den Fall, dass die Ultraschallsensoren für die Überwachung eines Totwinkelbereichs genutzt werden sollen, ergibt sich zudem der Nachteil, dass hier der Ultraschallsensor sehr empfindlich ist, da dabei bewegte Luft beziehungsweise der Fahrtwind an der Membran zu Störsignalen führt.
Hierzu beschreibt die DE 39 37 585 A1 eine Einrichtung zur Abstandsmessung, bei der ein Wandler sowohl zum Aussenden eines Ultraschallsignals als auch zum Empfangen des Echosignals ausgenutzt wird. Dabei wird das von dem Wandler empfangene Echosignal nach entsprechender Verstärkung an einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen, der von einem ersten, hohen und zeitunabhängigen Wert zu einem bestimmten Umschaltzeitpunkt auf einen kleineren, zeitabhängigen Wert umgeschaltet wird. Ferner kann es vorgesehen sein, dass ein Umschaltzeitpunkt bestimmt wird, an dem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf einen höheren Wert umgeschaltet wird.
Darüber hinaus offenbart die EP 2 535 736 B1 ein Verfahren zum Verstärken eines zur Fahrzeugumfelddetektion geeigneten Echosignals, bei welchem das analoge Echosignal mit einer von der Laufzeit des Echosignals abhängigen Verstärkung verstärkt wird. Insbesondere kann das analoge Echosignal mittels eines Verstärkers mit einer Vielzahl von Ausgängen mit unterschiedlichen Verstärkungen verstärkt werden. Zur Erzeugung einer zeitabhängigen Verstärkung des analogen Echosignals wird mindestens ein Eingang eines Analog-Digital-Wandlers nacheinander mit mehreren oder allen Ausgängen des Verstärkers verbunden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie ein Ultraschallsensor für ein Fahrzeug unabhängig von äußeren Einflüssen auf einfache Weise zuverlässig betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallsensor, durch ein Fahrerassistenzsystem sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor für ein Fahrzeug umfasst ein Schallwandlerelement zum Bereitstellen eines Rohsignals beim Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich des Fahrzeugs. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor eine Recheneinrichtung zum Verstärken des Rohsignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor. Dabei ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, zum Bereitstellen eines ersten Sensorsignals das Rohsignal mit einem ersten Verstärkungsfaktor zu verstärken und zum parallelen Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals das Rohsignal mit dem zweiten Verstärkungsfaktor zu verstärken.
Der Ultraschallsensor kann beispielsweise in einem Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, eingesetzt werden. Der Ultraschallsensor kann eine Membran aufweisen, die beispielsweise topfförmig ausgebildet sein kann und aus einem Metall, insbesondere Aluminium, gefertigt sein kann. Diese Membran kann mit dem Schallwandlerelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Element, zu mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt werden. Auf diese Weise kann ein Ultraschallsignal beziehungsweise ein Ultraschallpuls ausgesendet werden. Dieses ausgesendete Ultraschallsignal wird in dem Umgebungsbereich des Fahrzeugs, beispielsweise an einem Objekt, reflektiert und gelangt wieder zu dem Ultraschallsensor zurück. Durch das reflektierte Ultraschallsignal wird die Membran zum Schwingen angeregt, wobei die Schwingung mittels des Schallwandlerelements erfasst werden kann. Mit dem Schallwandlerelement kann dann das Rohsignal ausgegeben werden, welches den zeitlichen Verlauf des reflektierten Ultraschallsignals beschreibt. Insbesondere kann das Rohsignal in Form einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung ausgegeben werden. Dieses Rohsignal kann nun mit der Recheneinrichtung des Ultraschallsensors verarbeitet werden. Diese Recheneinrichtung kann beispielsweise durch ein Steuergerät (ECU, Electronic Control Unit) des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass es sich bei der Recheneinrichtung um eine sensorinterne Recheneinrichtung handelt. Diese Recheneinrichtung kann beispielsweise durch die Sensorelektronik bereitgestellt werden. Mit der Recheneinrichtung kann das Rohsignal beziehungsweise die zeitlich veränderliche elektrische Spannung zunächst verstärkt werden. Zudem kann das verstärkte Rohsignal mit einem Analog-Digital-Wandler entsprechend abgetastet werden. Ferner kann das abgetastete Signal dann mit einer Schwellwertkurve verglichen werden, um anhand des Rohsignals Objekte in dem Umgebungsbereich erkennen zu können.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der Recheneinrichtung das erste Sensorsignal und parallel dazu das zweite Sensorsignal bereitgestellt werden. Das erste Sensorsignal wird dadurch erzeugt, dass das Rohsignal mit dem ersten Verstärkungsfaktor verstärkt wird. Das zweite Sensorsignal wird dadurch erzeugt, dass das Rohsignal mit dem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt wird. Dabei unterscheidet sich der erste Verstärkungsfaktor von dem zweiten Verstärkungsfaktor. Aus dem Rohsignal wird also sowohl das erste Sensorsignal als auch das zweite Sensorsignal erzeugt. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal den gleichen zeitlichen Abschnitt des Rohsignals beschreiben. Durch das Bereitstellen des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals kann das Rohsignal mit unterschiedlicher Verstärkung ausgewertet werden. Dabei kann der erste Verstärkungsfaktor höher als der zweite Verstärkungsfaktor gewählt werden. Wenn das Fahrzeug beispielsweise unterhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit, beispielsweise unterhalb einer Geschwindigkeit von 10 km/h oder 30 km/h bewegt wird und keine Störungen vorhanden sind, können die relevanten Informationen aus dem ersten Sensorsignal ermittelt werden. Falls das Fahrzeug mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt wird und/oder Störungen vorhanden sind, können die relevanten Informationen aus dem zweiten Sensorsignal ermittelt werden. In diesem Fall würde das erste Sensorsignal übersteuert sein, wodurch beispielsweise Signalanteile, die von einem Objekt stammen, nicht von Signalanteilen, die von einer Störung stammen, unterschieden werden können. Es ist vorgesehen, dass zur Objekterfassung beziehungsweise zur Überwachung des Umgebungsbereichs sowohl das erste Sensorsignal als auch das zweite Sensorsignal ausgewertet werden. Somit kann auf einfache Weise ein zuverlässiger Betrieb des Ultraschallsensors unabhängig von den Umgebungsbedingungen und/oder Betriebsbedingungen des Fahrzeugs betrieben werden.
Bevorzugt stellt die Recheneinrichtung für die gesamte Zeitdauer eines Messzyklus des Ultraschallsensors zum Empfangen des Ultraschallsignals sowohl das erste Sensorsignal als auch das zweite Sensorsignal bereit. Der Ultraschallsensor kann in einem Messzyklus betrieben werden, bei dem das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal empfangen wird. Zudem kann es vorgesehen sein, dass mit dem Ultraschallsensor während des Messzyklus auch das Ultraschallsignal selbst ausgesendet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Ultraschallsensor in dem Messzyklus das von einem anderen Ultraschallsensor ausgesendete Ultraschallsignal empfängt. Während der gesamten Zeitdauer des Messzyklus werden parallel das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal bereitgestellt. Das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal beschreiben insbesondere den gleichen zeitlichen Abschnitt des Rohsignals beziehungsweise der Schwingung der Membran. Insbesondere unterscheiden sich das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal lediglich bezüglich der Verstärkung voneinander. Aus den Sensorsignalen können je nach Geschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder äußeren Einflüssen die relevanten Informationen zur Überwachung des Umgebungsbereichs ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Recheneinrichtung einen ersten Signalpfad zum Verstärken des Rohsignals mit dem ersten Verstärkungsfaktor und einen zu dem ersten Signalpfad parallelen, zweiten Signalpfad zum Verstärken des Rohsignals mit dem zweiten Verstärkungsfaktor auf. Das Rohsignal, das mit dem Schallwandlerelement bereitgestellt wird, kann also auf die zwei parallelen Signalpfade aufgeteilt werden. In dem ersten Signalpfad wird das Rohsignal mit dem ersten Verstärkungsfaktor verstärkt und in dem zweiten Signalpfad wird das Rohsignal mit dem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt. Am Ende des ersten Signalpfads kann dann das erste Sensorsignal abgegriffen werden und am Ende des zweiten Signalpfads kann das zweite Sensorsignal abgegriffen werden. Die jeweiligen Signalpfade können durch entsprechende Teile einer Schaltung der Recheneinrichtung beziehungsweise der Sensorelektronik realisiert werden. Somit können mit geringem technischen Aufwand das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal bereitgestellt werden.
Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Signalpfad eine erste Verstärkereinheit und eine zweite Verstärkereinheit umfasst und dass der zweite Signalpfad die erste Verstärkereinheit umfasst. Mit den jeweiligen Verstärkereinheiten kann das Rohsignal entsprechend verstärkt werden. Die jeweiligen Verstärkereinheiten können Verstärker beziehungsweise Operationsverstärker sein, mit denen das Rohsignal, welches als zeitlich veränderliche elektrische Spannung vorliegt, verstärkt werden kann. In dem ersten Signalpfad kann also eine Reihenschaltung aus der ersten Verstärkereinheit und der zweiten Verstärkereinheit vorgesehen sein. Hierbei wird das Rohsignal zunächst mit der ersten Verstärkereinheit und anschließend mit der zweiten Verstärkereinheit verstärkt, wodurch sich insgesamt der erste Verstärkungsfaktor ergibt. Der zweite Signalpfad umfasst lediglich die erste Verstärkereinheit. Der zweite Signalpfad kann also einen Abschnitt aufweisen, durch welchen die zweite Verstärkereinheit überbrückt wird. Somit kann mit einer geringen Anzahl von Bauteilen und somit mit einem geringen Kostenaufwand die Recheneinrichtung bereitgestellt werden.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Verstärkungsfaktor und/oder der zweite Verstärkungsfaktor einstellbar sind. Beispielsweise können die erste Verstärkereinheit und/oder die zweite Verstärkereinheit mittels eines entsprechenden Steuersignals angesteuert werden, um den Verstärkungsfaktor der jeweiligen Verstärkereinheiten einstellen zu können. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Einstellung der Verstärkungsfaktoren vor einem Betrieb des Ultraschallsensors durchgeführt wird. Somit kann der Ultraschallsensor entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann der Ultraschallsensor an die Assistenzfunktion, welcher der Ultraschallsensor zugeordnet ist, angepasst werden.
In einer Ausführungsform weist die Recheneinrichtung einen ersten Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des ersten Sensorsignals und einen zweiten Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des zweiten Sensorsignals auf. Dem ersten Signalpfad kann der erste Analog-Digital-Wandler zugeordnet sein und dem zweiten Signalpfad kann der zweite Analog-Digital-Wandler zugeordnet sein. Mit dem ersten Analog-Digital-Wandler kann das erste Sensorsignal gewandelte beziehungsweise abgetastet oder digitalisiert werden. In gleicher Weise kann mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler das zweite Sensorsignal gewandelt werden. Da die jeweiligen Sensorsignale das Rohsignal mit unterschiedlichen Verstärkungen beschrieben, können die jeweiligen Analog-Digital-Wandler beziehungsweise der erste und der zweite Analog-Digital-Wandler mit einer geringen Auflösung gewählt werden. Beispielsweise können der erste Analog-Digital-Wandler und der zweite Analog-Digital-Wandler jeweils eine Auflösung von 8 Bit aufweisen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Bereitstellung der Recheneinrichtung. Zudem können die Datenmengen der abgetasteten Sensorsignale reduziert werden. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallsensoren wird üblicherweise nur ein Verstärkungsfaktor gewählt und somit nur ein Sensorsignal bereitgestellt. Um hier eine vergleichbare Auswertung bei den unterschiedlichen Einflüssen gewährleisten zu können, ist ein Analog-Digital-Wandler mit einer deutlich höheren Auflösung, beispielsweise einer Auflösung von 16 Bit erforderlich. Dies würde aber deutlich höhere Kosten mit sich bringen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsweise weist die Recheneinrichtung einen Analog-Digital-Wandler und einen Multiplexer, mittels welchem dem Analog-Digital-Wandler das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zuführbar sind, auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Recheneinrichtung einen einzigen Analog-Digital-Wandler aufweist, dem ein Multiplexer vorgeschaltet ist. Mittels des Multiplexers kann entweder das erste Sensorsignal oder das zweite Sensorsignal ausgewählt und an den Analog-Digital-Wandler durchgeschaltet werden. Beispielweise können dem Analog-Digital-Wandler alternierend jeweilige Abschnitte des erstes Sensorsignals und des zweite Sensorsignals zugeführt werden. Auf diese Weise können Bauteile eingespart werden und somit Kosten reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, zum Erkennen eines Objekts in dem Umgebungsbereich des Fahrzeugs das erste Sensorsignal mit einer ersten Schwellwertkurve zu vergleichen und das zweite Sensorsignal mit einer zweiten Schwellwertkurve zu vergleichen. Um Objekte in dem Umgebungsbereich erkennen zu können, können sowohl das erste Sensorsignal als auch das zweite Sensorsignal mit einer jeweiligen Schwellwertkurve verglichen werden. Dabei kann der Anteil des jeweiligen Sensorsignals, der die jeweilige Schwellwertkurve überschreitet, einem Objekt zugeordnet werden. Durch den Vergleich mit der entsprechenden Schwellwertkurve kann das erste und/oder das zweite Sensorsignal in Abschnitte eingeteilt werden, die ein Objekt beschreiben und in Abschnitte, die kein Objekt beschreiben. Somit kann eine binäre Information bereitgestellt werden, welche beispielsweise dann an ein Steuergerät eines Fahrerassistenzsystems des Fahrzeugs übertragen werden kann. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die erste Schwellwertkurve von der zweiten Schwellwertkurve unterscheidet. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die erste Schwellwertkurve und/oder die zweite Schwellwertkurve einstellbar beziehungsweise anpassbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Recheneinrichtung eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung umfasst. Eine derartige anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit) ist ein integrierter Schaltkreis, der auf einem entsprechenden Chip vorgesehen ist. Auf dieser anwendungsspezifischen integrierten Schaltung können die Signalpfade und die Verstärkereinheit realisiert sein. Zudem können die Analog-Digital-Wandler Teil der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung sein. Diese Schaltung kann mit einem geringen Bauraum bereitgestellt werden und somit in einem Gehäuse des Ultraschallsensors angeordnet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, zum parallelen Bereitstellen zumindest eines dritten Sensorsignals das Rohsignal mit einem dritten Verstärkungsfaktor zu verstärken. Mit anderen Worten können zusätzlich zu dem ersten Signalpfad und zu dem zweiten Signalpfad auch weitere Signalpfade vorgesehen sein, um zumindest ein drittes Sensorsignal bereitstellen zu können.
Ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor. Bevorzugt umfasst das Fahrerassistenzsystem eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren. Ferner kann das Fahrerassistenzsystem ein entsprechendes Steuergerät aufweisen, welches mit den Ultraschallsensoren zur Datenübertragung verbunden ist. Somit können Daten von den jeweiligen Ultraschallsensoren an das Steuergerät übertragen werden. Dieses Fahrerassistenzsystem kann bevorzugt dazu ausgebildet sein, das Fahrzeug in Abhängigkeit von den Daten der Ultraschallsensoren zumindest semi-autonom zu manövrieren. Bei dem Fahrerassistenzsystem kann es sich um ein Parkhilfesystem, einen Totwinkelassistent, einen Spurhalteassistenz, einen Spurwechselassistent, einen Notbremsassistent oder dergleichen handeln.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Fahrerassistenzsystem. Das Fahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeug als Nutzfahrzeug ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Ultraschallsensors eines Fahrzeugs. Hierbei wird bei Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich des Fahrzeugs ein Rohsignal mittels eines Schallwandlerelements des Ultraschallsensors bereitgestellt. Darüber hinaus wird das Rohsignal mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt. Hierbei wird das Rohsignal zum Bereitstellen eines ersten Sensorsignals mit dem ersten Verstärkungsfaktor verstärkt und zum Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals mit dem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt. Hierbei werden das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal parallel bereitgestellt.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrerassistenzsystem, für das erfindungsgemäße Fahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Fahrzeug, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist;
2 eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors, welcher ein Schallwandlerelement sowie eine Recheneinrichtung gemäß dem Stand der Technik aufweist;
3 eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Sensorsignal, welches anhand eines ersten Rohsignals bestimmt wird sowie eine Schwellwertkurve;
5 ein erstes Sensorsignal, welches durch die Verstärkung eines weiteren Rohsignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor bestimmt wird; und
6 ein zweites Sensorsignal welches durch die Verstärkung des weiteren Rohsignals mit einem zweiten Verstärkungsfaktor bestimmt wird.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Fahrzeug 1, welches vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet ist, in einer Draufsicht. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, welches dazu dient, einen Fahrer beim Führen des Fahrzeugs 1 zu unterstützen. Das Fahrerassistenzsystem 2 kann beispielsweise als Parkhilfesystem ausgebildet sein, mittels welchem ein Fahrer beim Einparken des Fahrzeugs 1 in eine Parklücke und/oder beim Ausparken aus der Parklücke unterstützt werden kann.
Das Fahrerassistenzsystem 2 weist ferner eine Ultraschallsensorvorrichtung 3 auf. Die Ultraschallsensorvorrichtung 3 umfasst zumindest einen Ultraschallsensor 4. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung 3 zwölf Ultraschallsensoren 4, von denen sechs in einem Frontbereich 6 des Fahrzeugs 1 und sechs in einem Heckbereich 7 des Fahrzeugs 1 angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren 4 können beispielsweise an den Stoßfängern des Fahrzeugs 1 montiert sein. Dabei können die Ultraschallsensoren 4 zumindest bereichsweise in entsprechenden Ausnehmungen beziehungsweise Durchgangsöffnungen der Stoßfänger angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ultraschallsensoren 4 verdeckt hinter den Stoßfängern angeordnet sind. Grundsätzlich können die Ultraschallsensoren 4 auch an weiteren Verkleidungsteilen oder Bauteilen des Fahrzeugs 1 angeordnet sein. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren 4 an oder verdeckt hinter den Türen des Fahrzeugs 1 angeordnet sein.
Mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 können Objekte 8 in einem Umgebungsbereich 9 des Fahrzeugs 1 erfasst werden. Vorliegend ist schematisch ein Objekt 8 in dem Umgebungsbereich 9 gezeigt. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst ferner ein elektronisches Steuergerät 5, welches zur Datenübertragung mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 verbunden ist. Eine Datenleitung beziehungsweise ein entsprechender Datenbus ist vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht darstellt. Von dem elektronischen Steuergerät 5 können Daten von den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 empfangen werden und auf Grundlage der Daten das Objekt 8 in dem Umgebungsbereich 9 erkannt werden. Diese Information kann dann von dem Fahrerassistenzsystem 2 dazu genutzt werden, eine Ausgabe an den Fahrer des Fahrzeugs 1 auszugeben. Zudem kann es vorgesehen sein, dass das Fahrerassistenzsystem in eine Lenkung, ein Bremssystem und/oder einen Antriebsmotor des Fahrzeugs 1 eingreift, um das Fahrzeug 1 zumindest semi-autonom zu manövrieren. Mittels des Fahrerassistenzsystems 2 kann also die Längsführung und/oder die Querführung des Fahrzeugs 1 übernommen werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 4 gemäß dem Stand der Technik. Der Ultraschallsensor 4 umfasst ein Schallwandlerelement 10, welches beispielsweise durch ein piezoelektrisches Element gebildet sein kann. Dieses Schallwandlerelement 10 kann zudem mit einer entsprechenden und vorliegend nicht dargestellten Membran zur Schwingungsübertragung verbunden sein. Wie vorliegend schematisch dargestellt, kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Schallwandlerelements 10 das Ultraschallsignal ausgesendet werden und das in dem Umgebungsbereich 9 beziehungsweise an dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal wieder empfangen werden. Beim Empfangen des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals kann mittels des Schallwandlerelements 10 ein Rohsignal in Form einer zeitlich veränderlichen Spannung ausgegeben werden.
Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 eine Recheneinrichtung 11, welche beispielsweise durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung bereitgestellt werden kann. Die Recheneinrichtung 11 umfasst eine Verstärkereinheit 12 zum Verstärken des Rohsignals. Beispielsweise kann die Verstärkereinheit 12 derart ausgebildet sein, dass das Rohsignal mit einem Faktor 30 verstärkt wird. Dieses verstärkte Rohsignal kann dann einer Auswerteeinheit 13 zugeführt werden, mittels welcher das verstärkte Rohsignal entsprechend abgetastet und ausgewertet werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall weist die Recheneinrichtung 11 eine erste Verstärkereinheit 14 und eine zweite Verstärkereinheit 15 auf. Dabei ist ein erster Signalpfad 16 vorgesehen, welcher die erste Verstärkereinheit 14 und die zweite Verstärkereinheit 15 umfasst. Parallel zu dem ersten Signalpfad 16 ist ein zweiter Signalpfad 17 vorgesehen, der nur die erste Verstärkereinheit 14 umfasst. Die erste Verstärkereinheit 14 kann beispielsweise einen Verstärkungsfaktor von 10 aufweisen und die zweite Verstärkereinheit kann einen Verstärkungsfaktor von 3 aufweisen. In dem ersten Signalpfad 16 wird ein erstes Sensorsignal S1 bereitgestellt, welches mit einem ersten Verstärkungsfaktor verstärkt wird. Der erste Verstärkungsfaktor ergibt sich aus der Reihenschaltung der ersten Verstärkereinheit 14 und der zweiten Verstärkereinheit 15 und weist in diesem Beispiel den Wert 30 auf. An dem zweiten Signalpfad 17 wird ein zweites Sensorsignal S2 bereitgestellt, welches durch die Verstärkung des Rohsignals mit einem zweiten Verstärkungsfaktor von der ersten Verstärkereinheit 14 erzeugt wird. Hier wird das Rohsignal also mit dem Verstärkungsfaktor 10 verstärkt. Das erste Sensorsignal S1 und das zweite Sensorsignal S2 können der Auswerteeinheit 13 zugeführt werden. Innerhalb der Auswerteeinheit 13 können für die jeweiligen Signalpfade 16, 17 jeweilige Analog-Digital-Wandler vorgesehen sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 13 einen einzigen Analog-Digital-Wandler umfasst, dem mit Hilfe eines Multiplexers alternierend das erste Sensorsignal S1 und das zweite Sensorsignal S2 zugeführt wird. Die abgetasteten Sensorsignale können dann mit einer Schwellwertkurve 18 verglichen werden.
Hierzu zeigt 4 ein erstes Sensorsignal S1 in Abhängigkeit von der Zeit t. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate eine Amplitude A aufgetragen. Darüber hinaus ist eine erste Schwellwertkurve 18 dargestellt, mittels welcher das erste Sensorsignal S1 verglichen wird. das Sensorsignal S1 kann beispielsweise während einer Bewegung des Fahrzeugs 1 mit einer Geschwindigkeit von maximal 30 km/h bereitgestellt werden. Hierbei ergeben sich Signalanteile 20, welche von Störungen stammen, mit einer verhältnismäßig geringen Amplitude A. Diese Signalanteile 20 sind eindeutig von einer Signalspitze 21 beziehungsweise einem Peak des ersten Sensorsignals S1 zu unterscheiden, der das von Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal beschreibt.
5 zeigt ein weiteres erstes Sensorsignal S1, welches von einem weiteren Rohsignal stammt. Beispielsweise kann das Rohsignal im Betrieb des Fahrzeugs 1 bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h bereitgestellt werden. Dabei ergeben sich Signalanteile 20 beziehungsweise ein Rauschen, welche beziehungsweise welches durch den Fahrtwind verursacht sind. Diese Signalanteile 20 überschreiten die erste Schwellwertkurve 18 und sind von der Signalspitze 21, die von der Reflektion des Ultraschallsignals an dem Objekt 8 stammt, nicht zu unterscheiden. In diesem Fall könnte die Signalspitze 21 auch durch eine Anpassung der ersten Schwellwertkurve 18 nicht erkannt werden.
Im Vergleich hierzu zeigt 6 einen zeitlichen Verlauf des zweiten Sensorsignals S2, welches von dem weiteren Rohsignal stammt, das mit dem geringen, zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt wurde. Das zweite Sensorsignal S2 wurde anhand des weiteren Rohsignals bestimmt, anhand dessen auch das in 5 gezeigte erste Sensorsignal S1 bestimmt wurde. Bei dem zweiten Sensorsignal S2 sind die Signalanteile 20, welche von Störungen beziehungsweise von dem Fahrtwind stammen, und die Signalspitze 21, die von dem Objekt 8 stammt, deutlich voneinander zu unterscheiden. Hier können also die relevanten Anteile des zweiten Sensorsignals S2 erkannt werden. Vorliegen wird das zweite Sensorsignal S2 mit einer zweiten Schwellwertkurve 19 verglichen, um die Signalspitze 21 beziehungsweise die Signalanteile, die von dem Objekt 8 stammen, erkennen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3937585 A1 [0005]
EP 2535736 B1 [0006]

Claims

Ultraschallsensor (4) für ein Fahrzeug (1) mit einem Schallwandlerelement (10) zum Bereitstellen eines Rohsignals beim Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich (9) des Fahrzeugs (1) und mit einer Recheneinrichtung (11) zum Verstärken des Rohsignals mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zum Bereitstellen eines ersten Sensorsignals (S1) das Rohsignal mit dem ersten Verstärkungsfaktor zu verstärken und zum parallelen Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals (S2) das Rohsignal mit dem zweiten Verstärkungsfaktor zu verstärken.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) für eine gesamte Zeitdauer eines Messzyklus des Ultraschallsensors (4) zum Empfangen des Ultraschallsignals sowohl das erste Sensorsignal (S1) als auch das zweite Sensorsignal (S2) bereitstellt.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) einen ersten Signalpfad (16) zum Verstärken des Rohsignals mit dem ersten Verstärkungsfaktor und einen zu dem ersten Signalpfad (16) parallelen, zweiten Signalpfad (17) zum Verstärken des Rohsignals mit dem zweiten Verstärkungsfaktor aufweist.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalpfad (16) eine erste Verstärkereinheit (14) und eine zweite Verstärkereinheit (15) umfasst und dass der zweiter Signalpfad (17) die erste Verstärkereinheit (14) umfasst.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärkungsfaktor und/oder der zweite Verstärkungsfaktor einstellbar sind.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) einen ersten Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des ersten Sensorsignals (S1) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler zum Wandeln des zweiten Sensorsignals (S2) aufweist.
Ultraschallsensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) einen Analog-Digital-Wandler und einen Multiplexer, mittels welchem dem Analog-Digital-Wandler das erste Sensorsignal (S1) und das zweite Sensorsignal (S2) zuführbar ist, aufweist.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zum Erkennen eines Objekts (8) in dem Umgebungsbereich (8) des Fahrzeugs (1) das erste Sensorsignal (S1) mit einer ersten Schwellwertkurve (18) zu vergleichen und das zweite Sensorsignal (S2) mit einer zweiten Schwellwertkurve (19) zu vergleichen.
Ultraschallsensor (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Schwellwertkurve (18) von der zweiten Schwellwertkurve (19) unterscheidet.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung umfasst.
Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zum parallelen Bereitstellen zumindest eines dritten Sensorsignals das Rohsignal mit dem dritten Verstärkungsfaktor zu verstärken.
Fahrerassistenzsystem (2) für ein Fahrzeug (1) mit zumindest einem Ultraschallsensor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (4) eines Fahrzeugs (1), bei welchem bei Empfangen eines Ultraschallsignals aus einem Umgebungsbereich (9) des Fahrzeugs (1) ein Rohsignal mittels eines Schallwandlerelements (10) des Ultraschallsensors (4) bereitgestellt wird und das Rohsignal mit einem ersten Verstärkungsfaktor und mit einem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohsignal zum Bereitstellen eines ersten Sensorsignals (S1) mit dem ersten Verstärkungsfaktor verstärkt wird und zum Bereitstellen eines zweiten Sensorsignals (S2) mit dem zweiten Verstärkungsfaktor verstärkt wird, wobei das erste Sensorsignal (S1) und das zweite Sensorsignal (S2) parallel bereitgestellt werden.