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Die Erfindung betrifft einen Schallgeber für einen Akustiksensor, eine Recheneinheit und ein Verfahren zur Überprüfung eines Mikrofons eines Akustiksensors, einen Akustiksensor und ein automatisiert betreibbares Straßenfahrzeug umfassend den Akustiksensor.
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Verfahren zur Mikrofonüberprüfung, auch Mikrofondiagnose genannt, sind bekannt. Beispielsweise werden bei Fahrzeug-Warnsystemen, auch acoustic vehicle alerting system, abgekürzt AVAS, genannt, mittels außen am Fahrzeug angeordneter Lautsprecher Schallzeichen erzeugt, um Verkehrsteilnehmer vor dem Fahrzeug zu warnen. Diese Schallzeichen können verwendet werden, um Akustiksensoren, die außen am Fahrzeug angeordnet sind zur Erfassung von Sondereinsatzsignalen wie beispielswiese Tonfolgen von Folgetonhörnern, oder sonstigen Verkehrsgeräuschen, auf ihre Funktionalität hin zu überprüfen.
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Problematisch dabei ist, dass diese Schallzeichen lediglich im Geschwindigkeitsbereich zwischen dem Anfahren und einer Geschwindigkeit von etwa 20 km/h sowie beim Rückwärtsfahren automatisch erzeugt werden. Damit ist eine permanente Mikrofonüberprüfung nicht möglich.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein diagnosefähiges Mikrofon bereitzustellen, insbesondere für Automobilanwendungen.
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Der erfindungsgemäße Schallgeber für einen Akustiksensor, die erfindungsgemäße Recheneinheit und das erfindungsgemäße Verfahren zur Überprüfung eines Mikrofons eines Akustiksensors, der erfindungsgemäße Akustiksensor und das erfindungsgemäße automatisiert betreibbare Straßenfahrzeug lösen die Aufgabe durch eine Analyse einer Mikrofonantwort auf vorgegeben Spannungsimpulse.
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Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung einen Schallgeber bereit für einen Akustiksensor. Der Schallgeber umfasst eine Schnittstelle, um Spannungsimpulse zu erhalten. Die Spannungsimpulse werden über eine Spannungsversorgung des Akustiksensors permanent übertragen. Der Schallgeber wandelt die Spannungsimpulse in mechanische Schwingungen. Der Schallgeber ist bei Verwendung derart in dem Akustiksensor angeordnet, dass die mechanischen Schwingungen von einem Mikrofon des Akustiksensors erfasst werden, um einen Signalausgang des Mikrofons in Abhängigkeit der Spannungsimpulse zu überprüfen.
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Dadurch, dass der Schallgeber in dem Akustiksensor angeordnet ist, beispielsweise auf eine Leiterplatte des Akustiksensors, sind keine externen Lautsprecher erforderlich zur Überprüfung des Mikrofons. Dadurch, dass die Spannungsimpulse permanent übertragen werden, ist das Mikrofon während dem Betrieb permanent überprüfbar. Das Mikrofon ist also ein selbst-diagnosefähiges Mikrofon. Signale des Mikrofons werden einzeln plausibilisiert. Ein elektronischer Ausfall des Mikrofons ist überprüfbar. Damit ist eine Einhaltung eines ASIL Levels überprüfbar. ASIL bedeutet automotive safety integrity level und ist definiert in der Norm ISO 26262. Außerdem lassen sich Alterungserscheinungen kontinuierlich feststellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Recheneinheit bereit zur Überprüfung eines Mikrofons eines Akustiksensors. Die Recheneinheit umfasst einen Impulsgenerator, um Spannungsimpulse zu generieren. Ferner umfasst die Recheneinheit eine erste Schnittstelle, um die Spannungsimpulse einem erfindungsgemäßen Schallgeber zu übertragen. Außerdem umfasst die Recheneinheit eine zweite Schnittstelle zu einem Signalausgang des Mikrofons, um Signale des Mikrofons zu erhalten. Die Recheneinheit überprüft anhand eines Vergleichs der Signale des Mikrofons mit den Spannungsimpulsen eine Funktionalität des Mikrofons.
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Wenn das Mikrofon fehlerfrei funktioniert, sind die Spannungsimpulse in den Signalen des Mikrofons enthalten. Im Vergleich werden die Spannungsimpulse von der Recheneinheit in den Signalen des Mikrofons wiedererkannt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Überprüfung eines Mikrofons eines Akustiksensors. In einem Verfahrensschritt werden Spannungsimpulse generiert permanent übertragen. In einem weiteren Verfahrensschritt wandelt ein Schallgeber die Spannungsimpulse in mechanische Schwingungen. In einem weiteren Verfahrensschritt wandelt das Mikrofon die mechanischen Schwingungen in Signale des Mikrofons. Schließlich werden die Signale des Mikrofons mit den Spannungsimpulsen verglichen. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein erfindungsgemäßer Schallgeber und eine erfindungsgemäße Recheneinheit verwendet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Akustiksensor bereit. Der Akustiksensor umfasst wenigstens ein Mikrofon. Ferner umfasst der Akustiksensor eine Leiterplatte zur Spannungsversorgung des Mikrofons. Die Leiterplatte umfasst Bauelemente und deren Verbindungen zur Signalverstärkung und/oder Pegelwandlung von Signalen des Mikrofons. Außerdem umfasst der Akustiksensor einen erfindungsgemäßen Schallgeber. Des Weiteren umfasst der Akustiksensor eine erfindungsgemäße Recheneinheit. Die Recheneinheit generiert Spannungsimpulse. Der Schallgeber wandelt die Spannungsimpulse in mechanische Schwingungen. Das Mikrofon wandelt die mechanischen Schwingungen in Signale des Mikrofons. Die Recheneinheit vergleicht die Signale des Mikrofons mit den Spannungsimpulsen und überprüft eine Funktionalität des Mikrofons. Damit wird ein diagnosefähiges Mikrofon oder ein diagnosefähiger Akustiksensor realisiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein automatisiert betreibbares Straßenfahrzeug bereit. Das Straßenfahrzeug umfasst einen erfindungsgemäßen Akustiksensor oder eine Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Akustiksensoren angeordnet an einer Außenseite des Straßenfahrzeugs. Die Akustiksensoren sind mit einer ADAS oder AD Domain ECU des Straßenfahrzeuges signaltechnisch verbunden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Der Akustiksensor umfasst wenigstens einen Schallsensor und eine Signalverarbeitungskette. Der Schallsensor detektiert Luftschall und/oder Körperschall und wandelt diesen in eine elektrische Spannung um, auch Signal des Mikrofons genannt. Das Mikrofon als Schallsensor ist beispielsweise ein MEMS Mikrofon. MEMS bedeutet micro electro mechanical systems. Schallsensor und Signalverarbeitungskette sind nach einem Aspekt der Erfindung jeweils für den Automobilbereich ausgelegt. Das heißt beispielsweise, dass Geometrie und Material des Akustiksensors derart zusammenwirken, dass der Akustiksensor gegen externe Einflüsse wie etwa Regenwasser, Strahlwasser, Waschchemikalien, Schlamm, Schnee, Eis, Staub, Salze, Fahrtwind, hohe/niedrige Umgebungstemperaturen und/oder hohe/niedrige Luftfeuchtigkeit, geschützt ist. Beispielsweise umfasst der Akustiksensor ein Schutzgitter zum Absichern gegen Eindringen von gröberen Fremdkörpern, eine akustisch permeable, hydrophobe und/oder lipophobe Membran und einen Strömungsbypass. Der Akustiksensor ermöglicht eine akustische Überwachung der Fahrzeugumgebung.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden jegliche anderweitigen Schallwandler mit dem Gegenstand der Erfindung überprüft oder diagnostiziert. Es werden nicht nur Luftschallwandler, sondern auch Körperschallwandler überprüft oder diagnostiziert. Die mechanischen Schwingungen, die der Schallgeber erzeugt, breiten sich als Luftschallwellen oder als Körperschallwellen aus.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Schallgeber ein Piezoelement, das heißt ein Bauteil, das den Piezoeffekt ausnutzt, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung auszuführen. Das Piezoelement ist beispielsweise eine Keramik oder ein Kristall.
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Der Spannungsimpuls ist ein zeitlich begrenzter stoßartiger Spannungsverlauf. Der Spannungsimpuls ist beispielsweise ein Rechteckimpuls, ein Nadelimpuls oder ein Glockenimpuls. Der Spannungsimpuls wird als eine wiederholende Impulsfolge, das heißt permanent, nach einem Aspekt der Erfindung periodisch, übertragen.
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Die Recheneinheit umfasst elektronische Bauteile und/oder Logikbausteine, beispielsweise Prozessoren, etwa CPUs, das bedeutet central processing units, und/oder GPUs, das bedeutet graphic processing units, ICs, das bedeutet integrated circuits, beispielsweise Operationsverstärker, ASICs, das bedeutet application specific integrated circuit, oder FPGAs, das bedeutet field programmable gate array.
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Der Impulsgenerator ist beispielsweise ein Sperrschwinger oder eine Kippstufe. Der Impulsgenerator ist beispielsweise ein Sägezahngenerator, Reckteckgenerator oder Dreieckgenerator, um entsprechende Impulsformen zu generieren.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Recheneinheit ausgeführt, Verzögerung, Pegel und/oder Frequenzgang in den Signalen des Mikrofons zu messen. Damit wird eine Funktionalität des Mikrofons innerhalb seiner Spezifikation überprüft. Die Recheneinheit überprüft dabei in den Signalen des Mikrofons zurückgeschickte Impulse, die aus den Spannungsimpulsen des Impulsgenerators resultieren.
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Die elektronische Schaltung zur Durchführung des Vergleichs ist beispielsweise ein Komparator.
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Die Leiterplatte, auch Platine oder printed circuit board genannt, umfasst nach einem Aspekt der Erfindung Hochpassfilter, der Luftschallwellen mit Frequenzen größer als 300 Hz passieren lässt. Die Bauteile sind beispielsweise direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, beispielsweise gelötet, und werden auch surface mounted devices, abgekürzt SMD, genannt. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Leiterplatte eine Steckeranbindung zum Anschließen der Vorrichtung an ein elektronisches Steuergerät, beispielsweise an eine ADAS oder AD Domain ECU.
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Nach einem Aspekt der Erfindung ist der Schallgeber auf der Leiterplatte des Akustiksensors angeordnet. Damit ist der Akustiksensor ohne Einsatz eines weiteren Bauteils diagnosefähig.
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Das automatisiert betreibbare Straßenfahrzeug ist beispielsweise ein Personen- oder Lastkraftwagen oder ein Personentransportsystem, wie etwa ein people mover. Das Straßenfahrzeug umfasst wenigstens eine ADAS oder AD Domain ECU zur Steuerung eines automatisierten Fahrbetriebs, beispielsweise eines fahrerlosen, vollautomatisierten oder autonomen Fahrbetriebs. ADAS bedeutet Advanced Driver Assistance System, das heißt Fahrerassistenzsystem, das sind elektronische Zusatzeinrichtungen zur Unterstützung des Fahrers in bestimmten Fahrersituationen. AD bedeutet Autonomous Driving, das heißt autonomes Fahren. ECU bedeutet Electronic Control Unit, das heißt elektronisches Steuergerät. Domain bedeutet Domäne. Domänen im Fahrzeug sind beispielsweise Antriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie oder Multi-Media. Viele Funktionen wirken innerhalb einer Domäne, aber auch Domänengrenzen hinweg miteinander in einem Funktionsnetz zusammen. Die ADAS oder AD Domain umfasst Umfelderfassungssensoren, deren Signale die AD Domain ECU verarbeitet und beispielsweise in Form von Steuersignalen den Antriebs-, Lenkungs- und Bremssystemen bereitstellt für eine autonome Regelung und Steuerung der Längs- und/oder Querführung. Anders ausgedrückt, die ADAS oder die AD Domain ECU nimmt mittels Umfelderfassungssensoren, beispielsweise den Akustiksensoren, ein Fahrzeugumfeld wahr, leitet daraus eine Trajektorienplanung ab und bestimmt entsprechende Steuersignale, die Fahrzeugaktuatoren bereitgestellt werden, um die Längs- und/oder Querführung des Straßenfahrzeuges zu regeln und zu steuern. Die Akustiksensoren und weitere Umfelderfassungssensoren, beispielsweise Kamera oder Lidar, oder Radarsensoren des Straßenfahrzeuges, sind signalübertragend mit der ECU verbunden. Nach einem Aspekt der Erfindung werden die Signale des Akustiksensors mit Signalen der weiteren Umfelderfassungssensoren fusioniert, um Objekte im Straßenverkehr zu lokalisieren und/oder klassifizieren.
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Die in den Figuren
- 1: Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallgebers,
- 2: Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Recheneinheit,
- 3: Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Akustiksensors in Querschnittsdarstellung,
- 4: Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Straßenfahrzeuges in Draufsicht und
- 5: Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellten Ausführungsbeispiele veranschaulichen die Erfindung.
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Der Schallgeber 1 in 1 ist ein Piezoelement. Über eine Schnittstelle 2 erhält der Schallgeber 1 Spannungsimpulse 3. Die Spannungsimpulse 3 sind eine kontinuierliche Folge von Rechteckimpulsen, die als elektrische Spannung U über die Zeit t aufgetragen sind. Alternativ erhält der Schallgeber 1 eine kontinuierliche Folge von Dreieckimpulsen, Glockenimpulsen oder dergleichen. Die Schnittstelle 2 umfasst Kabei zur Impulsleitung, beispielsweise Koaxialkabel. Der Schallgeber 1 wandelt die Spannungsimpulse 3 in mechanische Schwingungen um, beispielsweise Luftschall und/oder Körperschall. Ein Mikrofon 4 wandelt die mechanischen Schwingungen wieder in elektrische Signale S um, die an einem Signalausgangs O des Mikrofons 4 abgegriffen werden.
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Die in 2 dargestellte Recheneinheit 5 umfasst einen Impulsgenerator 6. Der Impulsgenerator 6 ist beispielsweise ein Rechteckgenerator. Der Rechteckgenerator ist beispielsweise eine Relaxationsoszillatorschaltung umfassend einen Widerstand und einen Kondensator. Über die erste Schnittstelle 7 werden die generierten Spannungsimpulse 3 dem Schallgeber 1 bereitgestellt. Die Mikrofonantwort des Mikrofons 4 auf die mechanischen Schwingungen des Schallgebers 1 wird als elektrisches Signal S des Mikrofons 4 über die zweite Schnittstelle 8 der Recheneinheit 5 zurückgeführt. Eine Komparatorschaltung der Recheneinheit vergleicht das Signal S mit den Spannungsimpulsen 3.
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3 zeigt einen diagnosefähigen Akustiksensor 10. Der Akustiksensor 10 umfasst eine Leiterplatte L. Die Leiterplatte L umfasst das Mikrofon 4, die Recheneinheit 5, den Schallgeber 1 und eine Steckeranbindung P. Über die Steckeranbindung P wird die Leiterplatte L und damit der Akustiksensor 10 in ein Bordnetz des in 4 gezeigten Straßenfahrzeuges F integriert oder an eine ADAS/AD ECU angeschlossen. Der Akustiksensor 10 umfasst einen trichterförmigen Kanal K. Der Kanal K leitet Luftschallwellen von Schallquellen im Straßenverkehr gezielt zu dem Mikrofon 4 des Akustiksensors 10.
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4 zeigt das Straßenfahrzeug F in Draufsicht. Das Fahrzeug umfasst eine Anordnung von vier Akustiksensoren 10, wobei jeweils zwei Akustiksensoren 10 in einem Frontbereich und einem Heckbereich des Straßenfahrzeuges F angeordnet sind. Die Signale S der Mikrofone 4 der Akustiksensoren 10 werden einer ADAS/AD ECU 9 weitergeleitet, die in Abhängigkeit dieser Signale S und Signale von weiteren Umfelderfassungssensoren des Straßenfahrzeuges F, beispielsweise Kamera, Radar und/oder Lidar, eine Längs- und/oder Querführung des Straßenfahrzeuges F automatisiert regelt und/oder steuert.
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In 5 sind die Verfahrensschritte zur Überprüfung des Mikrofons 4 des Akustiksensors 10 dargestellt. In einem Verfahrensschritt V1 werden mittels des Impulsgenerators 6 die Spannungsimpulse 3 generiert. In einem Verfahrensschritt V2 werden die Spannungsimpulse 3 permanent an den Schallgeber 1 übertragen. Der Schallgeber 1 wandelt die Spannungsimpulse 3 in einem Verfahrensschritt V3 in mechanische Schwingungen um. Das Mikrofon 4 wandelt die mechanischen Schwingungen in die Signale S des Mikrofons 4 um in einem Verfahrensschritt V4. In einem Verfahrensschritt V5 werden die Signale S des Mikrofons 4 mittels der Recheneinheit 5 mit den Spannungsimpulsen 3 verglichen. Mittels dieses Vergleichs wird eine Funktionalität des Mikrofons 4 überprüfbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schallgeber
- 2
- Schnittstelle
- 3
- Spannungsimpuls
- 4
- Mikrofon
- 5
- Recheneinheit
- 6
- Impulsgenerator
- 7
- erste Schnittstelle
- 8
- zweite Schnittstelle
- 9
- ECU
- S
- Signal
- O
- Signalausgang
- L
- Leiterplatte
- K
- Kanal
- P
- Steckeranbindung
- F
- Straßenfahrzeug
- U
- Spannung
- t
- Zeit
- V1-V5
- Verfahrensschritt
