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Feld der Erfindung
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Die Erfindung richtet sich auf Ultraschallsensorvorrichtung für eine mobile Vorrichtung, insbesondere einen Roboter und/oder ein Fahrzeug und/oder einem Flugkörper und/oder ein Flugzeug, zur Detektion und Charakterisierung von Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung mit großer Reichweite und der Fähigkeit zur Verwertung starker Frequenzverzerrungen.
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Allgemeine Einleitung
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Aus der Automobiltechnik ist der Einsatz von Ultraschall-Transducern für die Unterstützung bei Einparkvorgängen und ähnlichem wohlbekannt. Probleme der verwendeten Ultraschalltransducer im Stand der Technik ist ihre geringe Bandbreite, die zum Ersten die möglichen Modulationen der ausgesendeten Ultraschallsignale begrenzt und zum Zweiten die Möglichkeit der Gewinnung von Zusatzinformationen aus der Verzerrung der Signale eingrenzt. Des Weiteren besteht im Stand der Technik die Gefahr der Zerstörung von Ultraschallempfängern beim Einsatz in Fahrzeugen durch Steinschlag, wenn diese nicht als massiver Metallresonatoren ausgebildet sind, die piezoelektrisch angetrieben werden. MEMS-Ultraschallempfänger finden wegen der geringen Schallausgangsleistung und der damit einhergehenden geringen Reichweite und der Empfindlichkeit gegenüber Steinschlag in der Automobiltechnik daher keine Verwendung.
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Eine Analyse des Umfelds eines Fahrzeugs im Frequenzbereich ist mit derartig schmalbandigen Ultraschallempfängern, wie sie heute als Ultraschall-Transducer in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, jedoch aussichtslos.
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Aus der
DE 10 2012 002 438 T5 ist eine Ultraschallsensorvorrichtung mit einem piezoelektrischen Vibrator bekannt. Bei der Vorrichtung der
DE 10 2012 002 438 T5 ist die Güte des mechanischen Resonators in der Empfangsphase anders als in der Sendephase.
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Aus der
DE 10 2018 214 730 A1 ist eine aktive Einparkhilfe für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren bekannt.
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Aufgabe
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Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Hauptanspruch gelöst.
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Lösung der Aufgabe
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Anlass für die Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags ist die Erkenntnis, dass in vielen Anwendungen, die keine Automobilen Anwendungen sind, eine Steinschlagfestigkeit von Ultraschallsensoren und Ultraschallsensorelementen, wie in Kraftfahrtzeugen notwendig ist, gar nicht erforderlich ist. Solche mobilen Vorrichtungen, die dieses Erfordernis nicht aufweisen, sind beispielsweise Gabelstapler, Roboter und Drohen oder andere mobile Vorrichtungen, die in Innenräumen und/oder mit geringer Geschwindigkeit kleiner 10km/h im Außenraum verwendet werden sowie andere Flugkörper geringer Fluggeschwindigkeit <100km/h.
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Die beanspruchte Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung für eine mobile Vorrichtung, insbesondere einen Roboter und/oder ein Fahrzeug und/oder einem Flugkörper und/oder ein Flugzeug, zur Detektion und Charakterisierung von Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung mit großer Reichweite und der Fähigkeit zur Auswertung starker Frequenzverzerrungen. Die Ultraschallsensorvorrichtung umfasst einen Ultraschallsender, mindestens einen Ultraschallempfänger, und eine Ansteuer- und Auswertvorrichtung. Der mindestens eine Ultraschallempfänger weist ein Schwingelement auf, dessen Schwingungen elektrisch erfasst werden können und von dem das Ausgangssignal des Ultraschallempfängers abhängt. Der mindestens eine Ultraschallempfänger ist bevorzugt einstückig, insbesondere als mikro-elektromechanische Vorrichtung, auch als MEMS-Vorrichtung bezeichnet, ausgeführt. Das piezoelektrische Schwingelement des Ultraschallsenders ist mit einem topfförmigen Resonanzkörper versehen. Der topfförmige Resonanzkörper wirkt mit dem piezoelektrische Schwingelement so zusammen, dass das piezoelektrische Schwingelement den topfförmigen Resonanzkörper in eine mechanische Schwingung versetzen kann. Das Resonanzspektrum des topfförmigen Resonanzkörpers im Ultraschallsender weist eine Resonanz bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Frequenzbandbreite auf. Der Ultraschallempfänger weist ein Empfindlichkeitsspektrum mit einer zweiten Frequenzbandbreite auf. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung veranlasst mittels des piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschallsenders den topfförmigen Resonanzkörper des Ultraschallsenders zum Schwingen und zur Aussendung der besagten Ultraschallwelle. Der Ultraschallempfänger empfängt diese Ultraschallwelle direkt oder indirekt, insbesondere nach Reflexion und Verzerrung durch ein oder mehrere Objekte im Umfeld der mobilen Vorrichtung, und wandelt diese in ein Ultraschallempfangssignal. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung wertet das Ultraschallempfangssignal aus. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung und/oder eine nachgelagerte Vorrichtung schließt auf Eigenschaften der Umgebung und/oder auf Eigenschaften von Objekten in der mobilen Umgebung. Die zweite Frequenzbandbreite des Ultraschallempfängers ist gleich groß oder ist größer ist als die mit einem Faktor von 2 und/oder 5 und/oder 10 und/oder 20 und/oder 50 und/oder 100 multiplizierte erste Frequenzbandbreite des Ultraschallsenders. Die Ultraschallsensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ultraschallsensorvorrichtung eine Mehrzahl voneinander beabstandeten Ultraschallempfängern aufweist. Des Weiteren wertet die Ansteuer- und Auswertvorrichtung die Ausgangssignale dieser Ultraschallempfänger so aus, dass sie auf Objekte im Umfeld der mobilen Vorrichtung und/oder auf Eigenschaften des Umfelds der mobilen Vorrichtung schließt. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung erfasst in einem Zeitfenster nach und/oder während der Aussendung der Ultraschallwelle die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger, die komprimiert und/oder nicht komprimiert von den Ultraschallempfängern der Ansteuer- und Auswertvorrichtung übermittelt werden. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung transformiert die so erfassten Ausganssignale ggf. nach Dekompression vom Zeit- und Raumbereich in einen Raumfrequenz- und Zeitfrequenzbereich, sodass sich ein gemeinsames transformiertes Ausgangssignalraumzeitspektrum ergibt. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung dividiert das gemeinsame transformierte Ausgangssignalraumzeitspektrum durch ein Referenzraumzeitspektrum, sodass sich ein korrigiertes Ausgangssignalraumzeitspektrum ergibt. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung transformiert das korrigierte Ausgangssignalraumzeitspektrum in den Raum-Zeit-Bereich zurück, um auf eine räumliche Umfeldstrukturfunktion zu schließen.
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Für eine optimale Vermessung des Umfelds einer solchen mobilen Vorrichtung ist zunächst eine große Reichweite wünschenswert. Hierfür sollte die Ultraschallsendeleistung des Ultraschallsenders so hoch wie möglich sein. Hier haben sich Ultraschall-Transducer und reine Ultraschallsender bewährt, bei denen ein metallischer Metalltopf durch ein piezoelektrisches Schwingelement im Bereich der mechanischen Resonanz in Schwingung versetzt wird. Bevorzugt ist die mechanische Resonanzfrequenz des metallischen Topfes gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingelements. Die Schallabstrahlung erfolgt bevorzugt durch den Boden des metallischen Topfes in Bodenrichtung. Das piezoelektrische Schwingelement ist bevorzugt auf dem Boden des Topfes beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Klebung befestigt. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf das Schutzrecht
DE 10 2015 015 900 B3 und die dort zitierten Schriften verwiesen.
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In der Regel weisen solche piezoelektrischen Ultraschall-Transducer eine relativ hohe Güte hinsichtlich Ihrer Resonanzschwingung auf. Das Resonanzspektrum dieser Ultraschall-Transducer ist typischerweise nur durch die abgegebene Schallleistung verbreitert. Werden diese Ultraschall-Transducer für den Empfang der von Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung zurückgestreuten Welle verwendet, so schwingen sie nur schlecht an, da die Reflexion der Ultraschallwelle an Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung diese Ultraschallwelle dämpft und Verzerrt, was zu einer Verbreiterung des ursprünglich schmalbandigen Spektrums der ausgestrahlten Ultraschallwelle führt.
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Es besteht daher das Bedürfnis, zum einen eine leistungsstarke, schmalbandige Ultraschallwelle auszustrahlen und zum anderen möglichst breitbandig die reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen.
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Heutige Ultraschallsysteme in mobilen Vorrichtungen betrachten in der Regel im Wesentlichen die Laufzeit der pulsförmigen Hüllkurve eines Ultraschall-Bursts aus mehreren aufeinanderfolgenden Ultraschallpulsen.
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Mit der hier vorgestellten technischen Lehre kann die Länge dieses Ultraschall-Bursts nun verlängert werden, ohne, dass die Betriebsfähigkeit des Ultraschallsensorsystems endet.
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Vielmehr ist es im Extremfall sogar denkbar, ein Ultraschalldauerstrichsignal auszusenden und nur die Verzerrungen des durch einen oder mehrere Ultraschallempfänger empfangenen reflektierten und/oder transmittierten Ultraschallsignals auszuwerten. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass hierfür sehr breitbandige Ultraschallempfänger erforderlich sind. Ultraschall-Transducer des zuvor beschriebenen Typs sind hierfür aufgrund der hohen Güte des Resonanzspektrums somit nicht geeignet.
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Die Idee ist also, mit einem Dirac-Puls im Frequenzbereich das Reflexionsspektrum der Fahrzeugumgebung im Frequenzbereich abzutasten, daraus das Umgebungsraumspektrum im Raumfrequenzbereich zu rekonstruieren und dann das so ermittelte Raumfrequenzspektrum in eine Umfeldkarte des Fahrzeugs zurück zu transformieren.
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Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde nun erkannt, dass für die besagten Anwendungen MEMS-Mikrofone mit einer hohen Bandbreite für den Empfang besonders geeignet sind.
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In der Realität sendet somit der Ultraschallempfänger eine zeitliche Folge von Ultraschall-Bursts aus. Die Ultraschall-Bursts bestehen aus einer zeitlichen Folge von einem oder mehreren Ultraschallpulsen. Die Momentanfrequenz zeitlich innerhalb eines Ultraschall-Bursts sei dabei der Kehrwert der Zeitdauer von einem Pegelwert eines Ultraschallpulses des Ultraschall-Bursts mit einer Anstiegs- bzw. Abfallsrichtung bis zum gleichen Pegelwert des unmittelbar nachfolgenden Ultraschallpulses innerhalb des Ultraschall-Bursts mit der gleichen Anstiegs- bzw. Abfallsrichtung.
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Die Momentanfrequenz kann sich während eines Ultraschall-Bursts ändern. Ein Ultraschallburst zeigt daher in der Regel einen zeitlichen Momentanfrequenzverlauf der Momentanfrequenz. Der Ultraschall-Burst hat darüber eine Ultraschall-Burst-Dauer. Sie beginnt mit der ersten Flanke des ersten Ultraschallpulses des Ultraschall-Bursts und endet mit der letzten Flanke des letzten Pulses des Ultraschall-Bursts. Da der den Ultraschall-Burst aussendende Ultraschall-Transducer eine hohe Güte aufweist, sind die Möglichkeiten zur Modulation des Ultraschall-Bursts in Amplitude und Phase begrenzt. Durch die Verwendung breitbandiger Empfänger kann die Ultraschall-Burst-Dauer vergrößert werden ohne dass die Auflösung im Nahbereich unmittelbar vor der mobilen Vorrichtung reduziert werden muss.
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Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass die Verwendung von MEMS-Mikrofonen aufgrund des Verzichts auf Steinschlagfestigkeit möglich wird, wenn vorausgesetzt wird, dass das Fahrzeug in kontrollierten, steinfreien Umgebungen oder nur mit niedriger Geschwindigkeit eingesetzt wird. Damit wird es nun möglich, statt eines Dirac-Pulses im Zeitbereich, einen Dirac-Puls im Frequenzbereich zu verwenden und mit diesem im Frequenz- bzw. Raumfrequenzbereich das Raumfrequenzspektrum der Reflektivität der Umgebung der mobilen Vorrichtung abzutasten.
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Da Ultraschall-MEMS-Mikrofone sehr preisgünstig insbesondere als Array hergestellt werden können, ist eine Abtastung des Zeit-/Raumfrequenzspektrums mit einer größeren Anzahl von Ultraschall-MEMS-Mikrofonen sehr gut möglich. Durch eine größere Anzahl von MEMS-Mikrofonen ergibt sich eine erhöhte Raumfrequenz für die Abtastung im Raumfrequenzbereich. Für diesen Fleck der Abtastung im Raumfrequenzbereich wird bevorzugt die Vielzahl der Ultraschall-MEMS-Mikrofone an der Außenfläche der mobilen Vorrichtung beabstandet zueinander angebracht. Bevorzugt wird die Beabstandung so gewählt, dass die zu erwartenden Frequenzen der reflektierten zurückgeworfenen Ultraschallwellen in Kombination mit den zu erwartenden Einfallsrichtungen dieser Ultraschallwellen zu messbaren Phasenverschiebungen an den Orten dieser Ultraschall-MEMS-Mikrofone führen. Bevorzugt sollten diese Phasenverschiebungen von 0 bis 2π reichen.
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Durch das somit mögliche breitbandige Empfangen der reflektierten Ultraschallwellen in Form eines oder mehrerer reflektierter Ultraschall-Bursts, kann dann aus der Analyse der unterschiedlichen Verzerrungen der Ultraschallwelle bei ihrem Empfang durch die unterschiedlichen Ultraschall-MEMS-Mikrofone auf die räumlichen Eigenschaften der Umgebung geschlossen werden.
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Natürlich kann man eine unterschiedliche Laufzeit auch als Verzerrung auffassen. Hier werden aber auch Dopplerverzerrungen und andere, das Frequenzspektrum der zurückkehrenden Ultraschallwelle verzerrende Merkmale der Umgebung der mobilen Vorrichtung erfasst, die bei konventionellen Systemen aufgrund der geringen Bandbreite nicht erfasst werden können.
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Es wird hier somit eine Ultraschallsensorvorrichtung für eine mobile Vorrichtung, insbesondere einen Roboter und/oder ein Fahrzeug und/oder einem Flugkörper und/oder ein Flugzeug, zur Detektion und Charakterisierung von Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung mit großer Reichweite und der Fähigkeit zur Verwertung starker Frequenzverzerrungen vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Ultraschallsensorvorrichtung umfasst einen oder mehrere Ultraschallsender und mindestens einen Ultraschallempfänger bevorzugt jedoch mehrere zueinander beabstandete Ultraschallempfänger. Die Ultraschallsensorvorrichtung und mit ihr die Ultraschallsender und die Ultraschallempfänger sind dann bevorzugt Teil der mobilen Vorrichtung. Die Ultraschallsender sind typischerweise dazu ausgelegt, Ultraschallwellen in das Umfeld der mobilen Vorrichtung zu senden. Diese Ultraschallwellen umfassen bevorzugt die besagten, bei Aussendung durch einen einzelnen Ultraschallsender bevorzugt zeitlich zueinander beabstandete Ultraschall-Bursts, die wiederum einen oder mehrere zeitlich zueinander beabstandete Ultraschallpulse aufweisen. Die vorgeschlagene Ultraschallsensorvorrichtung umfasst des Weiteren eine Ansteuer- und Auswertvorrichtung, die die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger erfasst und auswertet und die die Ultraschallsender ansteuert. Des Weiteren signalisiert die Ansteuer- und Auswertvorrichtung das Auswertungsergebnis dieser Auswertung an einen Benutzer und/oder ein über- oder nebengeordnetes Rechnersystem zur weiteren Verwendung. Auch kann ggf. statt oder zusätzlich zu der Signalisierung eine Steuerung von Aktoren der mobilen Vorrichtung, beispielsweise der Rotoren einer Drohne und/oder der Motoren eines Roboters in Abhängigkeit von dem Auswertungsergebnis erfolgen.
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Ein typischer, breitbandiger Ultraschallempfänger im Sinne dieses Vorschlags ist beispielsweise ein MEMS-Mikrofon. Ein solcher Ultraschallempfänger ist typischerweise in einem Halbleiterkristall gefertigt und weist typischerweise eine mikromechanische Membrane als sein Schwingelement auf. Die einfallende Ultraschallwelle kann dann dieses Schwingelement in Schwingungen versetzen. Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden bekannt, um die Schwingungen einer mikromechanischen Membrane zu erfassen. Eine erste Methode ist die Verwendung von piezoresistiven Sensoren auf oder in der mikromechanischen Membrane. Die piezoresistiven Sensoren ändern ihren elektrischen Widerstandswert in Abhängigkeit vom mechanischen Stress, der auf sie einwirkt. Sie sind bevorzugt als Wheatstone-Brücke verschaltet. Bei einer Durchbiegung der mikromechanischen Membrane tritt ein Biege-Stress auf, der zu einer Verstimmung der Wheatstone-Brücke und damit zu einem differentiellen Signal am Ausgang der Wheatstonebrücke führt, dass als differentielles Ausgangssignal durch die Ansteuer- und Auswertevorrichtung der Ultraschallsensorvorrichtung ausgewertet werden kann. Eine zweite Methode ist die Verwendung kapazitiver MEMS-Mikrofone. Bei diesen wird die elektrische Kapazität zwischen der mikromechanischen Membrane oder eines Teils derselben als erster Elektrode einerseits und einer Referenzelektrode andererseits durch die Ansteuer- und Auswertevorrichtung vermessen und erfasst. Auch in diesem Fall wird durch die Ansteuer- und Auswertevorrichtung ein Differentielles Signal ausgewertet. Als dritte Methode kommt die Verwendung strukturierter piezoelektrischer Schichten auf der Membrane in Betracht. Das auftretende Biegemoment führt zu einem Krafteintrag in die piezoelektrische Schicht und damit zu einem Spannungssignal, das über Kontakte an der piezoelektrischen Schicht und als Ausgangssignal durch die Ansteuer- und Auswertevorrichtung erfasst und Ausgewertet werden kann. Befindet sich nun die mikromechanische Membrane in Schwingungen, die z.B. durch das einfallende, reflektierte Ultraschallsignal verursacht werden können, so können somit diese mechanischen Schwingungen elektrisch erfasst werden und in ein Ausgangssignal des Ultraschallempfängers gewandelt werden. Ggf. kann ein Ultraschallempfänger auch eine eigene Signalaufbereitung umfassen, die als Teil der Ansteuer- und Auswertevorrichtung der Ultraschallsensorvorrichtung betrachtet werden kann. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine solche, dem jeweiligen Ultraschallempfänger zugeordnete Signalaufbereitung das Rohsignal des eigentlichen Sensorelements -z.B. das Ausgangssignal der besagten Wheatstonebrücke - transformiert, verstärkt, filtert und ggf. komprimiert. Der Messwert, der durch das das Ausgangssignal des Ultraschallempfängers transportiert wird, hängt somit von der Schwingung und/oder Auslenkung der mikromechanischen Membrane des Ultraschallempfängers ab. Ein solcher MEMS basierender Ultraschallempfänger ist typischerweise einstückig, ausgeführt. Die Signalauswertung kann in den Ultraschallempfänger mikrointegriert sein. Sie kann sich aber auch auf einem anderen Halbleiterkristall in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem mikromechanischen Mikrofon befinden. Ggf. kann sich die Signalaufbereitung für eine solches Sensorelement aber auch in einer Zentraleinheit befinden. Im letzteren Fall umfasst der Ultraschallempfänger dann nur die eigentliche Sensorzelle mit der mikromechanischen Membrane und den elektromechanischen Wandlerzellen entsprechend den zuvor beschriebenen Wandelmethoden.
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Im Gegensatz dazu ist das piezoelektrische Schwingelement des Ultraschallsenders mit einem typischerweise topfförmigen Resonanzkörper versehen, an das es direkt oder indirekt akustisch und/oder mechanisch gekoppelt ist. Bevorzugt ist der Resonanzkörper ein topfförmiger metallischer Vorrichtungsteil, der bevorzugt einen Durchmesser in der Größenordnung eines mehrfachen der halben Ultraschallwellenlänge der Resonanzfrequenz des Ultraschallsenders in dem Material des Resonanzkörpers besitzt. Der Resonanzkörper wirkt mit dem piezoelektrische Schwingelement typischer Weise so zusammen, dass das piezoelektrische Schwingelement den topfförmigen Resonanzkörper in eine mechanische Schwingung versetzen kann. Das Resonanzspektrum des topfförmigen Resonanzkörpers im Ultraschallsender weist dabei eine Resonanz bei einer ersten Resonanzfrequenz mit einer ersten Frequenzbandbreite auf. Der Ultraschallempfänger weist ein Empfindlichkeitsspektrum mit einer zweiten Frequenzbandbreite auf. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung veranlasst mittels des piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschallsenders den topfförmigen Resonanzkörper des Ultraschallsenders zum Schwingen und damit zur Aussendung der besagten Ultraschallwelle in Form von einem oder mehreren Ultraschall-Bursts. Die Ultraschallempfänger empfangen dann jeweils diese Ultraschallwelle direkt oder indirekt, insbesondere nach einer Reflexion und/oder Verzerrung durch ein oder mehrere Objekte im Umfeld der mobilen Vorrichtung, und wandeln diese in ein jeweiliges Ultraschallempfangssignal als ihre Ausgangssignale um. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung wertet diese Ultraschallempfangssignale der Ultraschallempfänger aus. Im einfachsten Fall umfasst das Ultraschallsensorsystem nur einen Ultraschallempfänger. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung und/oder eine nachgelagerte Vorrichtung schließt nun aufgrund der so erhaltenen Ultraschallempfangssignals und typischerweise unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs der ursprünglich ausgesendeten Ultraschallwelle auf Eigenschaften der Umgebung und/oder auf Eigenschaften von Objekten in der mobilen Umgebung.
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Um nun trotz einer ggf. sehr langen Burst-Dauer auf die Lage, Dimension und Natur von Objekten im Umfeld der mobilen Vorrichtung schließen zu können, besitzen die Ultraschallempfänger nun eine besonders hohe Frequenzbandbreite, was es erlaubt, die Verzerrungen gut zu erfassen. Die zweite Frequenzbandbreite des Ultraschallempfängers ist daher vorschlagsgemäß gleich groß oder größer ist als die mit einem Faktor von 2 und/oder besser 5 und/oder besser 10 und/oder besser 20 und/oder besser 50 und/oder besser 100 multiplizierte erste Frequenzbandbreite des Ultraschallsenders.
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Die Frequenzbandbreite eines Ultraschallsenders soll dabei im Sinne dieser Schrift so ermittelt werden, dass das Impedanzspektrum durch Ansteuerung des Ultraschallsenders mit einem elektrischen Sendesignal mit einer Anregungsfrequenz ermittelt wird, wobei die Anregungsfrequenz durchgestimmt wird, um die elektrische Impedanz des Ultraschallsenders für diese Anregungsfrequenz zu ermitteln. Dabei tritt typischerweise ein Hauptmaximum des elektrischen Leitwerts mit einem Leitwertsmaximum auf. Die Frequenz bei der dieses Hauptmaximum auftritt ist die Resonanzfrequenz. Zu höheren und niedrigeren Frequenzen hin fällt der elektrische Leitwert bis auf einen Sockelwert ab. Hierdurch lässt sich ein 50%-Ultraschallsenderleitwert bestimmen der sich als Hälfte der Differenz des Werts des Leitwertmaximums minus dem Sockelwert plus dem Sockelwert bestimmt. Der Ultraschallsender zeigt diesen 50%-Ultraschallsenderleitwert bei einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz. Der Betrag der Differenzwert zwischen dem Wert der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz ist die Frequenzbandbreite des Ultraschallsenders im Sinne dieser Schrift.
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Die Frequenzbandbreite des Ultraschallempfängers soll im Sinne dieser Schrift so ermittelt werden, dass der Ultraschallempfänger mit einer Ultraschallwelle einer bekannten Anregungsfrequenz und mit einer bekannten Anregungsamplitude bestrahlt wird und der Wertverlauf des Ausgangssignals für die Anregungsfrequenz und die Anregungsamplitude ermittelt wird. Hieraus kann die Übertragungsfunktion des Ultraschallempfängers ermittelt werden. Dabei zeigt die Übertragungsfunktion typischerweise ein Hauptmaximum des Betrags dieser Übertragungsfunktion mit einem Übertragungsfunktionsmaximum auf. Die Frequenz bei der dieses Hauptmaximum auftritt ist die Resonanzfrequenz des Ultraschallempfängers. Zu höheren und niedrigeren Frequenzen hin fällt der Betrag der Übertragungsfunktion einen Empfängersockelwert ab. Leider ist dieser Abfall nicht immer monoton fallend. Jedoch lässt sich auch hier ein 50%-Ultraschallempfangswert bestimmen, der sich als Hälfte der Differenz des Werts des Übertragungsfunktionsmaximums minus dem Empfängersockelwert plus dem Empfängersockelwert bestimmt. Der Ultraschallempfänger zeigt diesen 50%- Ultraschallempfangswert bei einer dritten Frequenz und einer vierten Frequenz. Der Betrag des Differenzwerts zwischen dem Wert der vierten Frequenz und der dritten Frequenz ist die Frequenzbandbreite des Ultraschallempfängers im Sinne dieser Schrift.
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In der bereits angesprochenen ersten Variante der technischen Lehre dieser Schrift sind ein oder mehrere Ultraschallempfänger MEMS-Mikrofone, deren Wirkprinzip auf der Änderung einer elektrischen Kapazität durch das Zusammenwirken mit der auf das jeweilige MEMS-Mikrofon einwirkenden Ultraschallwelle ist und deren jeweiliges Ausgangsignal von Parametern dieser einwirkenden Ultraschallwelle, beispielsweise der Amplitude und/oder Frequenz abhängt. In diesem Fall umfasst die Ansteuer- und Auswertvorrichtung Mittel, solche MEMS-Mikrofone zu betreiben und das Ausgangssignal dieser MEMS-Mikrofons zu erfassen und aufzubereiten. Solche Mittel können beispielsweise Kapazitätsmessvorrichtungen sein. Eine solche Kapazitätsmessvorrichtung kann beispielsweise einen Oszillator umfassen, der die zu vermessende Messkapazität der mikromechanischen Membrane als Messkapazität benutzt und der beispielsweise durch Mischung des Oszillatorausgangssignals mit einem Ausgangssignal eines Referenzoszillators ein Messsignal erzeugt, dessen Signal mit einem einfachen Zähler erfasst werden kann.
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In der bereits angesprochenen zweiten Variante er technischen Lehre dieser Schrift sind ein oder mehrere Ultraschallempfänger der Ultraschallsensorvorrichtung MEMS-Mikrofone, deren Wirkprinzip auf der Änderung eines elektrischen Widerstands, insbesondere auf Basis eines piezoresistiven Effekts, durch das Zusammenwirken mit der auf die jeweiligen MEMS-Mikrofon lokal jeweils einwirkenden Ultraschallwelle beruht und deren jeweilige Ausgangsignale von Parametern dieser einwirkenden Ultraschallwelle, beispielsweise der Amplitude, Frequenz und Phase abhängen. Auch hier umfasst die Ansteuer- und Auswertvorrichtung Mittel, das MEMS-Mikrofon zu betreiben und das Ausgangssignal des MEMS-Mikrofons zu erfassen und aufzubereiten. In der Regel dürfte es sich beispielsweise hier um eine geregelte Spanungsquelle für die Erregungsspannung der bevorzugt verwendeten Wheatstone-Brücke und einen Verstärker mit einem differentiellen Eingang zur Erzeugung des Ausgangssignals handeln.
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In der bereits angesprochenen dritten Variante er technischen Lehre dieser Schrift sind ein oder mehrere Ultraschallempfänger der Ultraschallsensorvorrichtung MEMS-Mikrofone, deren Wirkprinzip auf der Erzeugung einer elektrischen Spannung, insbesondere auf Basis eines piezoelektrischen Effekts, durch das Zusammenwirken mit der auf die MEMS-Mikrofone jeweils lokal einwirkenden Ultraschallwelle beruht und deren jeweilige Ausgangsignal von Parametern dieser einwirkenden Ultraschallwelle abhängen.
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Auch hier umfasst die Ansteuer- und Auswertvorrichtung Mittel, die MEMS-Mikrofone zu betreiben und die jeweiligen Ausgangssignale der MEMS-Mikrofone jeweils zu erfassen und aufzubereiten. Solche mittel dürften in der Regel Verstärker sein, die die entstehenden jeweiligen Spannungen erfassen, ggf. die Arbeitspunkte geeignet einstellen, die Spannungen jeweils verstärken und so die jeweiligen Ausgangssignale erzeugen und ausgeben.
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Um ein Phasen-Array aufbauen und auswerten zu können, ist es vorteilhaft, wenn die mobile Vorrichtung und damit die Ultraschallsensorvorrichtung eine Mehrzahl voneinander beabstandeten Ultraschallempfängern aufweist und wenn wobei die Ansteuer- und Auswertvorrichtung die Ausgangssignale dieser Ultraschallempfänger so auswertet, dass sie auf Objekte im Umfeld der mobilen Vorrichtung und/oder auf Eigenschaften des Umfelds der mobilen Vorrichtung schließt. Die Ergebnisse dieser Auswertung übermittelt die Ansteuer- und Auswertvorrichtung an einen Benutzer und/oder an eine übergeordnete Vorrichtung oder nutzt dieser zur Steuerung von Aktoren der mobilen Vorrichtung. Insbesondere kann es sich um Antriebe der mobilen Vorrichtung handeln.
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Bevorzugt erfasst die Ansteuer- und Auswertvorrichtung in einem Zeitfenster, das bei der nachfolgenden Auswertung bevorzugt berücksichtigt wird, nach und/oder während der Aussendung der Ultraschallwelle die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger, die komprimiert und/oder nicht komprimiert von den Ultraschallempfängern der Ansteuer- und Auswertvorrichtung übermittelt werden. Bei dem Zeitfenster kann es sich beispielsweise um ein Hamming-Fenster handeln.
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Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung transformiert dann die auf diese Weise, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Hamming-Fensters, erfassten Ausganssignale, die typischerweise als zeitliche Abtastwerte vorliegen, ggf. nach einer Dekompression vom Zeit- und Raumbereich in einen Raumfrequenz- und Zeitfrequenzbereich, sodass sie dann als spektrale Abtastwerte vorliegen. Es ergibt sich dann ein gemeinsames transformiertes Ausgangssignalraumzeitspektrum in Form der Menge der spektralen Abtastwerte. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung kann dann das so erhaltene gemeinsame transformierte Ausgangssignalraumzeitspektrum, das typischerweise aus diskreten spektralen Abtastwerten besteht, durch ein Referenzraumzeitspektrum in Form von Referenzwerten paarweise dividieren, sodass sich ein korrigiertes Ausgangssignalraumzeitspektrum in Form korrigierter spektraler Abtastwerte ergibt. Die Ansteuer- und Auswertvorrichtung transformiert dann das korrigierte Ausgangssignalraumzeitspektrum in Form der korrigierten spektralen Abtastwerte wieder in den Raum-Zeit-Bereich in Form korrigierter zeitlicher Abtastwerte zurück, um auf eine räumliche Umfeldstrukturfunktion zu schließen.
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Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn der ausgesendete Ultraschallburst keine stabile Momentanfrequenz aufweist. Dann ist die Frequenz des am Ultraschallempfänger eintreffenden reflektierten Ultraschallsignals ein Maß für den zurückgelegten Schallweg.
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Diese Frequenz kann aber durch Dopplerverschiebungen und Luftturbulenzen, die zu einer Verlängerung des Schallweges führen können, verfälscht sein. Neben der Laufzeit aus der Hüllkurve des empfangenen Ultraschallbursts kann so aufgrund der Frequenzkomponenten in den Spektren der Ausgangssignale der Ultraschallempfänger auf die akustische Entfernung zu reflektierenden Objekten und deren Reflexionsstärke geschlossen werden.
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Bevorzugt werden diese Messungen wiederholt und mit den vorhergehenden Messergebnissen zu Ergebnissen mit besserem Vertrauenswert kombiniert. Zu diesem Zweck weist das Ultraschallsignal Ultraschall-Bursts mit einer Vielzahl von Ultraschallpulsen auf, die bevorzugt wiederholt werden. Wie zuvor diskutiert ist es das Ziel, das Umfeld der mobilen Vorrichtung mit einem möglichst Dirac-Pulsförmigen Puls im Frequenzbereich abzutasten und die Raum- und Zeitfrequenzantwort auf diesen Dirac-Puls zu ermitteln. Hierzu weist zumindest ein Ultraschall-Burst in der Folge der Ultraschall-Bursts, im Folgenden Frequenz-Dirac-Burst genannt, mindestens 10 und/oder mindestens 20 und/oder mindestens 50 und/oder mindestens 100 und/oder mindestens 200 und/oder mindestens 500 und/oder mindestens 1000 Ultraschallpulse auf. Während des Empfangs des Frequenz-Dirac-Bursts wertet die Ansteuer- und Auswertevorrichtung die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger durch Auswertung der Frequenzspektren der Ausgangssignale somit aus, um auf Eigenschaften der Umgebung der mobilen Vorrichtung zu schließen und ggf. in Abhängigkeit von diesen so erfassten Eigenschaften Aktoren anzusteuern und/oder Meldungen an übergeordnete Vorrichtungen oder Benutzer abzusetzen oder für diese bereitzuhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210874 A1 [0004]
- DE 102012002438 T5 [0005]
- DE 102018214730 A1 [0006]
- DE 102015015900 B3 [0007, 0012]