DE102018200686A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Auswerten von Ultraschallsignalen, Ultraschallmesssystem und Arbeitsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (T) zum Auswerten von Ultraschallsignalen, bei welchem ein analoges Ultraschallempfangssignal (E) analog-digital gewandelt (T3) und - zur Ableitung einer Hüllkurve (Eh) zur Bewertung des Ultraschallempfangssignals (E) - in digitaler Form einem signalangepassten Filtervorgang (T7) unterzogen wird, wobei das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal (Ed1) vor dem Filtervorgang (T7) komplex gemischt (T4) wird und der signalangepasste Filtervorgang (T7) komplex durchgeführt wird.

Description

• Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten von Ultraschallsignalen, ein Ultraschallmesssystem sowie eine Arbeitsvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Betriebsassistenz- und ein Fahrassistenzsystem für eine Arbeitsvorrichtung bzw. für ein Fahrzeug, sowie eine Arbeitsvorrichtung bzw. ein Fahrzeug als solche.
• Ultraschallmesssysteme werden im Zusammenhang mit Betriebsassistenzsystemen und insbesondere mit Fahrerassistenzsystemen bei Betriebsvorrichtungen bzw. bei Fahrzeugen vermehrt eingesetzt, um den Betrieb entsprechender Aggregate, zum Beispiel eines Antriebs, auf der Grundlage von auszuwertenden Ultraschallsignalen zu steuern.
• Mittels der auszuwertenden Ultraschallsignale kann insbesondere eine Umgebungssituation einer Betriebsvorrichtung und insbesondere eines Fahrzeugs analysiert werden. Problematisch bei herkömmlichen Ultraschallmesssystemen und entsprechend zu Grunde liegenden Bewertungsverfahren für Ultraschallsignale ist der häufig bestehende erhebliche Rechenaufwand zur Auswertung, der sich insbesondere in einem entsprechend hohen Flächenbedarf und Leistungsbedarf für die Implementierung und Durchführung der entsprechenden Operationen äußert.
• Offenbarung der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auswerten von Ultraschallsignalen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der operative Aufwand der einzelnen Arbeitsvorgänge und damit der apparative Aufwand hinsichtlich Flächenbedarf und elektrischer Leistung reduziert sind. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Auswerten von Ultraschallsignalen geschaffen wird, bei welchem ein analoges Ultraschallempfangssignal analog-digital gewandelt und - zur Ableitung einer Hüllkurve zur Bewertung des Ultraschallempfangssignals - in digitaler Form einem signalangepassten Filtervorgang unterzogen wird, wobei erfindungsgemäß das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal oder ein daraus abgeleitetes digitales Ultraschallempfangssignal vor dem Filtervorgang komplex gemischt und der signalangepasste Filtervorgang komplex durchgeführt wird. Durch die komplexe Mischung kann das Signalband des empfangenen Ultraschallsignals für eine effizientere digitale Verarbeitung in einem geeigneten Bereich verschoben werden, wodurch sich auf Grund eines reduzierbaren Rechenaufwands Möglichkeiten der Platz- und Leistungseinsparung bei den verwendeten Komponenten ergeben.
• Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das komplexe Mischen des analog-digital gewandelten Ultraschallempfangssignals mit einem Mischsignal mit einer Mischfrequenz, wobei die Mischfrequenz der Zentralfrequenz eines dem analogen Ultraschallempfangssignal zu Grunde liegenden Empfangsfrequenzbandes entspricht.
• Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem signalangepassten komplexen Filtern bei dem analog-digital gewandelten Ultraschallempfangssignal oder einem davon abgeleiteten digitalen Ultraschallempfangssignal die Abtastrate im Vergleich zu einer Abtastrate der Analog-Digital-Wandlung reduziert.
• Dies kann zum Beispiel mit einem bestimmten Faktor N erfolgen und/oder auf eine Abtastfrequenz f1 / N, ausgehend von einer zu Grunde liegenden Abtastfrequenz f1 der Analog-Digital-Wandlung.
• Dabei kann die ursprünglich zu Grunde liegende Abtastfrequenz f1 im Bereich von bis zu einigen 100 kHz liegen und/oder der Reduktionsfaktor im Bereich von 4 bis 64.
• Eine weitere Vereinfachung der Signalstruktur für die Auswertung ergibt sich, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Reduzieren der Abtastrate das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal zur Bandbegrenzung tiefpassgefiltert wird.
• Durch diese Maßnahmen wird insgesamt der Datenumfang zur Beschreibung des Ultraschallempfangssignals reduziert.
• Auf Grund der komplexwertigen Verarbeitung des Ultraschallempfangssignals ergeben sich besonders einfache Möglichkeiten der Ableitung der Hüllkurve zur Bewertung.
• So ist es gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, zum Ableiten der Hüllkurve das komplex signalangepasst gefilterte digitale Ultraschallempfangssignal einer Absolutwertbildung zu unterziehen.
• Eine vollständige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auswerten von Ultraschallsignalen weist - gegebenenfalls unter anderem - folgende Schritte auf:
• - Bereitstellen eines analogen und zu einem Ultraschallsendesignal korrespondierenden Ultraschallempfangssignals in einem Empfangsfrequenzband,
• - analog-digitales Wandeln des Ultraschallempfangssignals inklusive eines Abtastens mit einer Eingangsabtastfrequenz und dadurch Erhalten eines primären digitalen Ultraschallempfangssignals,
• - komplexes Mischen des primären digitalen Ultraschallempfangssignals mit einem Mischsignal mit einer Mischfrequenz, welche insbesondere der Zentralfrequenz des Empfangsfrequenzbandes entspricht, und dadurch
• Erhalten eines komplexen sekundären digitalen Ultraschallempfangssignals mit zu niedrigeren Frequenzen verschobenem Frequenzband,
• - Tiefpassfiltern zur Bandbegrenzung und Reduzieren der Abtastrate am sekundären digitalen Ultraschallempfangssignal und dadurch Erhalten eines finalen digitalen Ultraschallempfangssignals,
• - in Bezug auf das Ultraschallsendesignal signalangepasstes komplexes Filtern des finalen digitalen Ultraschallempfangssignals und dadurch Erhalten eines signalangepasst gefilterten digitalen Ultraschallempfangssignals,
• - Absolutwertbildung am signalangepasst gefilterten digitalen Ultraschallempfangssignal und dadurch Erhalten einer Hüllkurve zum Ultraschallempfangssignal und,
• - Bewerten der Hüllkurve und insbesondere Bereitstellen einer Liste von Maxima der Hüllkurve mit Lage und Amplitude und/oder von korrespondierenden Zielen mit Richtung und Entfernung.
• Das analoge Ultraschallempfangssignal kann aus einem Ultraschallmessvorgang und/oder einem Auslesen aus einem Messwertspeicher entstammen. Alternativ kann als Ausgangspunkt auch ein bereitgestelltes und schon analog-digital gewandeltes digitales Ultraschallempfangssignal bereitgestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren auch eine Vorrichtung zum Auswerten von Ultraschallsignalen.
• Diese ist zum Beispiel eingerichtet ist, erfindungsgemäßes Verfahren zum Auswerten von Ultraschallsignalen auszuführen.
• Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet,
• - ein analoges Ultraschallempfangssignal analog-digital zu wandeln,
• - das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal oder ein davon abgeleitetes digitales Ultraschallempfangssignal - zur Ableitung einer Hüllkurve zur Bewertung des Ultraschallempfangssignals - in digitaler Form einem signalangepassten Filtervorgang zu unterziehen,
• - das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal vor dem Filtervorgang komplex zu mischen und
• - den signalangepassten Filtervorgang - insbesondere auf der Grundlage eines komplexen signalangepassten Filters - komplex durchzuführen.
• Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Ultraschallmesssystem, welches eingerichtet ist, ein Ultraschallsendesignal zu erzeugen und auszusenden, ein dazu korrespondierendes Ultraschallempfangssignal zu empfangen und das empfangene Ultraschallempfangssignal mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit einer Vorrichtung zum Auswerten eines Ultraschallsignals auszuwerten.
• In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Ultraschallmesssystem als Betriebsassistenzsystem oder Fahrassistenzsystem einer Arbeitsvorrichtung oder eines Fahrzeugs oder als Teil davon ausgebildet.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug geschaffen.
• Diese sind erfindungsgemäß ausgebildet mit einem Aggregat und/oder einem Antrieb, einer Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs des Aggregats und/oder des Antriebs und mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallmesssystem.
• Die Steuereinrichtung kann mit dem Ultraschallmesssystem koppelbar ausgebildet und dazu eingerichtet sein, das Aggregat und insbesondere den Antrieb auf der Grundlage ausgewerteter Ultraschallsignale zu steuern.
• Figurenliste
• Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
• 1 und 3 erläutern schematisch nach Art eines Blockdiagramms bzw. Flussdiagramms ein Vorgehen zur Signalverarbeitung zur Bestimmung einer Hüllkurve, von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht.
• 2 und 4 erläutern schematisch nach Art eines Blockdiagramms bzw. Flussdiagramms Ausführungsformen für das erfindungsgemäße Vorgehen zur Signalverarbeitung zur Bestimmung einer Hüllkurve.
• 5 zeigt nach Art eines Flussdiagramms eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auswertung eines Ultraschallsignals.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
• Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
• Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
• 1 und 3 erläutern schematisch nach Art eines Blockdiagramms bzw. Flussdiagramms ein Verfahren U und eine Vorrichtung 100' zur Signalverarbeitung zur Bestimmung einer Hüllkurve, von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht. Diese werden nachfolgend als herkömmliches Verfahren U und als herkömmliche Vorrichtung 100' bezeichnet.
• Im Zusammenhang mit einem ersten Schritt U1 oder einer ersten Einheit wird ein Ultraschallsendesignal S - zum Beispiel in Form eines Sendepulses - erzeugt und ausgesandt.
• Im Zusammenhang mit einem nachfolgenden Schritt U2 oder einer nachfolgenden zweiten Einheit wird ein Ultraschallempfangssignal E - zum Beispiel in Form eines Empfangspulses - empfangen und nachfolgend im dritten Schritt U3 und im Zusammenhang mit einer dritten Einheit mit einer zu Grunde liegenden Abtastrate f1, die zum Beispiel im Bereich von einigen hundert kHz liegen kann, abtastend analog-digital gewandelt, so dass ein digitalisiertes Ultraschallempfangssignal Ed' in herkömmlicher Form vorliegt.
• Es schließt sich dann ein Schritt U7 oder eine entsprechende Einheit zur signalangepassten Filterung an, wobei für das Ultraschallsendesignal S maßgebliche Parameter an das Optimalfilter, welche dem Schritt U7 und der entsprechenden Einheit zu Grunde liegen, übergeben werden.
• Das Ergebnis Edf' des signalangepassten Filtervorgangs U7 wird im nachfolgenden Schritt U8 und einer entsprechenden Einheit durch Tiefpassfiltern zur Extraktion der herkömmlichen Hüllkurve Eh' behandelt.
• Die 2 und 4 erläutern schematisch nach Art eines Blockdiagramms bzw. eines Flussdiagramms Ausführungsformen für das erfindungsgemäße Verfahren T der Signalverarbeitung zur Bestimmung einer Hüllkurve Eh.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren T und der entsprechenden Vorrichtung 100 zum Auswerten von Ultraschallsignalen E ist folgendes Vorgehen zu Grunde gelegt:
• Nach der Erzeugung und Aussendung T1 des Ultraschallsendesignals S erfolgt die entsprechende Bereitstellung T2 des Ultraschallempfangssignals E, sowie dessen Analog-digital-Wandlung T3 und damit der Übergang vom analogen zum digitalen Signalschema.
• Im anschließenden Schritt T4 des Verfahrens T und der entsprechenden Einheit der Vorrichtung 100 erfolgt die erfindungsgemäß neu hinzukommende komplexe Mischung des primär anhaltenden digitalen Ultraschallempfangssignals Ed1. Durch diesen Vorgang wird das sekundäre digitale Ultraschallempfangssignal Ed2 im Schritt T4' des Verfahrens T und der entsprechenden Einheit der Vorrichtung 100 erhalten.
• Durch Tiefpassfiltern T5 zur Bandbegrenzung und Reduzieren T6 der Abtastrate wird im Schritt T6' das finale digitale Ultraschallempfangssignal Edfin erhalten, welches dann erfindungsgemäß dem komplexen signalangepassten Filtern T7 zugeführt wird, um im Schritt T7' das komplex signalangepasst gefilterte digitale Ultraschallempfangssignal Edf zu erhalten.
• Das komplex signalangepasst gefilterte digitale Ultraschallempfangssignal Edf wird im nachfolgenden Schritt T8 einer Absolutwertbildung unterzogen, woraus sich im nachfolgenden Schritt T8' die Hüllkurve Eh zum Ultraschallempfangssignal E zur weiteren Bearbeitung ergibt.
• Es ergibt sich folgender Vergleich des erfindungsgemäßen Vorgehens gemäß den 2 und 4 zum herkömmlichen Vorgehen gemäß den 1 und 3.
• Beim herkömmlichen Vorgehen mit einer ursprünglichen Abtastrate f1 und einem Zeitfenster tE, welches in etwa der Signalbreite des Sendesignals entspricht, ergibt sich eine Leistung des zu Grunde liegenden signalangepassten oder Optimalfilters U7 zu $${\text{I}}_{\text{FIR}}={\text{T}}_{\text{E}}\cdot \text{f}1.$$

  
• Die in diesem herkömmlichen Fall zur erforderlichen Rechenleistung repräsentative Größe R ergibt sich zu $$\text{R}={\text{I}}_{\text{FIR}}\cdot \text{f1}=\text{tE}\cdot \text{f}{1}^2.$$

  
• Da beim erfindungsgemäßen Vorgehen nach Tiefpassfilterung eine Dezimierung der Abtastfrequenz ursprünglichen Abtastfrequenz f1 um einen Faktor N zu berücksichtigen ist und also insbesondere die folgenden Relationen (3) $$\begin{array}{ccc}\text{f1}\text{'}=\text{f}1/\text{N}& \text{und}& {\text{I}}_{\text{FIR'}}=\text{tE}\cdot \text{f1}\text{'}=\text{tE}\cdot \text{f1}/\text{N}\end{array}$$

  

  gelten, ergibt sich erfindungsgemäß für die für die erforderliche Rechenleistung repräsentative Größe R' bei identischem Zeitfenster tE der folgende Zusammenhang (4) $$\text{R}\text{'}=4\cdot \text{f1}/\text{N}\cdot \text{tE}\cdot \text{f}1/\text{N}=4\cdot \text{R}/{\text{N}}^{\text{2}}.$$

  
• Das bedeutet, dass die erforderliche Rechenleistung R' mit dem Quadrat der Reduktion 1/N der Abtastfrequenz oder Abtastrate skaliert.
• 5 zeigt nach Art eines Flussdiagramms nochmals die im Zusammenhang mit den 2 und 4 beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens T bzw. der entsprechenden Vorrichtung 100 zur Auswertung eines Ultraschallempfangssignals E. Kern sind dabei wiederum die Schritte und Einheiten T1 bis T8'.

Claims (11)

1. Verfahren (T) zum Auswerten von Ultraschallsignalen, bei welchem ein analoges Ultraschallempfangssignal (E) analog-digital gewandelt (T3) und - zur Ableitung einer Hüllkurve (Eh) zur Bewertung des Ultraschallempfangssignals (E) - in digitaler Form einem signalangepassten Filtervorgang (T7) unterzogen wird, wobei: - das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal (Ed1) vor dem Filtervorgang (T7) komplex gemischt (T4) wird und - der signalangepasste Filtervorgang (T7) komplex durchgeführt wird.
2. Verfahren (T) nach Anspruch 1, bei welchem - das komplexe Mischen (T4) des analog-digital gewandelten Ultraschallempfangssignals (Ed1) mit einem Mischsignal mit einer Mischfrequenz erfolgt und - die Mischfrequenz der Zentralfrequenz eines dem analogen Ultraschallempfangssignal (E) zu Grunde liegenden Empfangsfrequenzbandes entspricht.
3. Verfahren (T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem vor dem signalangepassten komplexen Filtern (T7) bei dem analog-digital gewandelten Ultraschallempfangssignal (Ed1) oder einem davon abgeleiteten digitalen Ultraschallempfangssignal (Ed2) die Abtastrate im Vergleich zu einer Abtastrate der Analog-Digital-Wandlung (T3) reduziert (T6) wird.
4. Verfahren (T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem vor dem Reduzieren (T6) der Abtastrate das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal (Ed1) zur Bandbegrenzung tiefpassgefiltert wird (T5).
5. Verfahren (T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zum Ableiten der Hüllkurve (Eh) das komplex signalangepasst gefilterte digitale Ultraschallempfangssignal (Edfin) einer Absolutwertbildung (D8) unterzogen wird.
6. Verfahren (T) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten: - Bereitstellen (T2) eines analogen und zu einem Ultraschallsendesignal (S) korrespondierenden Ultraschallempfangssignals (E) in einem Empfangsfrequenzband, - analog-digitales Wandeln (T3) des Ultraschallempfangssignals (E) durch Abtasten mit einer Eingangsabtastfrequenz und dadurch Erhalten (T3') eines primären digitalen Ultraschallempfangssignals (Ed1), - komplexes Mischen (T4) des primären digitalen Ultraschallempfangssignals (Ed1) mit einem Mischsignal mit einer Mischfrequenz, welche insbesondere der Zentralfrequenz des Empfangsfrequenzbandes entspricht, und dadurch Erhalten (T4') eines komplexen sekundären digitalen Ultraschallempfangssignals (Ed2) mit zu niedrigeren Frequenzen verschobenem Frequenzband, - Tiefpassfiltern (T5) zur Bandbegrenzung und Reduzieren (T6) der Abtastrate am sekundären digitalen Ultraschallempfangssignal (Ed2) und dadurch Erhalten (T6') eines finalen digitalen Ultraschallempfangssignals (Edfin), - in Bezug auf das Ultraschallsendesignal (S) signalangepasstes komplexes Filtern (T7) des finalen digitalen Ultraschallempfangssignals (Edf) und dadurch Erhalten (T7') eines signalangepasst gefilterten digitalen Ultraschallempfangssignals (Edf), - Absolutwertbildung (T8) am signalangepasst gefilterten digitalen Ultraschallempfangssignal (Edf) und dadurch Erhalten (T8') einer Hüllkurve (Eh) zum Ultraschallempfangssignal (E), - Bewerten (T9) der Hüllkurve (Eh) und insbesondere Bereitstellen (T10) einer Liste von Maxima der Hüllkurve (Eh) mit Lage und Amplitude und/oder von korrespondierenden Zielen mit Richtung und Entfernung.
7. Verfahren (T) nach Anspruch 6, bei welchem das Bereitstellen (T2) des analogen Ultraschallempfangssignals (E) einen Ultraschallmessvorgang und/oder ein Auslesen aus einem Messwertspeicher aufweist.
8. Vorrichtung (100) zum Auswerten von Ultraschallsignalen, welche eingerichtet ist, insbesondere auf der Grundlage eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - ein analoges Ultraschallempfangssignal (E) analog-digital zu wandeln (T3), - das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal (Ed1) oder ein davon abgeleitetes digitales Ultraschallempfangssignal (Ed2, Edfin) - zur Ableitung einer Hüllkurve (Eh) zur Bewertung des Ultraschallempfangssignals (E) - in digitaler Form einem signalangepassten Filtervorgang (T7) zu unterziehen, - das analog-digital gewandelte Ultraschallempfangssignal (Ed1) vor dem Filtervorgang (T7) komplex zu mischen (T4) und - den signalangepassten Filtervorgang (T7) - insbesondere auf der Grundlage eines komplexen signalangepassten Filters - komplex durchzuführen.
9. Ultraschallmesssystem, welches eingerichtet ist, - ein Ultraschallsendesignal (S) zu erzeugen und auszusenden, - ein dazu korrespondierendes Ultraschallempfangssignal (E) zu empfangen und - das empfangene Ultraschallempfangssignal (E) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8 auszuwerten.
10. Ultraschallmesssystem nach Anspruch 9, welches als Betriebsassistenzsystem oder Fahrassistenzsystem einer Arbeitsvorrichtung oder eines Fahrzeugs oder als Teil davon ausgebildet ist.
11. Arbeitsvorrichtung oder Fahrzeug, mit: - einem Aggregat und/oder einem Antrieb, - einer Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs des Aggregats Betriebs und/oder des Antriebs und - einem Ultraschallmesssystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Steuereinrichtung mit dem Ultraschallmesssystem koppelbar und dazu eingerichtet ist, das Aggregat und/oder den Antrieb auf der Grundlage ausgewerteter Ultraschallsignale zu steuern.

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