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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Parkassistenzsystem und ein Gebäude mit einem solchen Parkassistenzsystem.
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Es sind Parkassistenzsysteme bekannt, die für einen stationären Einsatz, beispielsweise in oder an einem Gebäude, vorgesehen sind. Derartige Parkassistenzsysteme können einen Anbieter von Parkflächen und/oder Nutzer der bereitgestellten Parkflächen in verschiedener Weise unterstützen. Beispielsweise kann eine Belegung eines Parkhauses mittels eines entsprechenden Systems ermittelt werden und somit ein effizienter Betrieb des Parkhauses verbessert werden. Die Belegungsinformation kann auch dazu verwendet werden, einen Autofahrer gezielt zu einem freien Parkplatz zu leiten.
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Autonome oder teilautonom fahrende Fahrzeuge können mit zusätzlichen Daten, die von dem stationären Parkassistenzsystem erfasst und verarbeitet werden, versorgt werden, so dass eine Orientierung der Fahrzeuge verbessert und autonome Fahrfunktionen sicherer und zugleich schneller bereitgestellt werden können.
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Weitere Anwendungen sind im Bereich automatisches Valet-Parken möglich. Hierbei kann ein stationäres Parkassistenzsystem die Steuerung eines fernsteuerbaren Fahrzeugs übernehmen. Das stationäre Parkassistenzsystem erfasst und überwacht dabei die von dem Fahrzeug durchgeführten Fahrmanöver mittels der ortsfest angeordneten Sensoren. Dies ist reizvoll, weil das Fahrzeug in diesem Fall keine eigene Sensorik aufweisen muss, sondern lediglich fernsteuerbar zu sein braucht.
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Ultraschallsensoren sind in der Anwendung für Parkassistenzsysteme, ob mobil oder stationär, bekannt. Wünschenswert ist eine kurze Blindzeit des Ultraschallsensors nach Aussenden des Ultraschallsignals, ein geringes Grundrauschen und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis. Anders ausgedrückt sind hohe Amplituden des gemessen zurücklaufenden Echosignals und geringe Strukturschwingungen des Gehäuses und ggf. weiterer Bauelemente gewünscht.
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Die
DE 102017209823 A1 lehrt einen Ultraschallsensor, dessen Schwingungsmembran als akustisches Metamaterial ausgebildet ist, welches innerhalb eines Frequenzbandes der Membran resonantes Verhalten aufweist.
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Die
US 2017059697 A1 lehrt eine Anordnung, bei der ein Ultraschallsensor verdeckt hinter einer Innenseite eines Formteils angeordnet und dafür vorgesehen ist, Objekte auf der Außenseite des Formteils zu erfassen. Eine Vorspannstruktur presst den Ultraschallsensor gegen die Innenseite des Formteils, wobei ein Koppelelement zwischen Ultraschallsensor und Innenfläche angeordnet ist. In einem Bereich außerhalb des Koppelelements ist an der Innenseite des Formteils ein Dämpfungsmaterial angebracht.
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Die
DE 10 2016 200 813 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Fahrzeugposition eines Fahrzeugs, bei dem eine Ultraschallbake bereitgestellt wird. Ein Ultraschallsensor eines Fahrzeugs sendet ein einen Sendecode umfassendes, codiertes Ultraschallsignal aus. Das codierte Ultraschallsignal wird durch die Ultraschallbake empfangen. Wenn der Sendecode von der Ultraschallbake erkannt wird, erfolgt ein Aussenden eines Positionssignals durch die Ultraschallbake. Das Positionssignal wird durch den Ultraschallsensor des Fahrzeugs empfangen und es wird die Fahrzeugposition relativ zu der Position der Ultraschallbake unter Verwendung einer Laufzeit bestimmt, die zwischen dem Aussenden des codierten Ultraschallsignals und dem Empfang des Positionssignals verstrichen ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Parkassistenzsystem bereitzustellen.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben den Gedanken entwickelt, dass die Verwendung eines breitbandigen Metamaterials zur nichtresonanten Impedanzangleichung, wie es in G. D. Aguanno et. al. „Broadband metamaterial for nonresonant matching of acoustic waves“, Sci. Rep. 2, 340: DOI:10.1038/srep003401 (2012), abgerufen am 21.10.2020 unter https://www.ncbi.nlm .nih .gov/pmc/articles/PMC3314304/?tool=pmcentrez, für medizinische diagnostische Zwecke und andere mikromechanische Systeme beschrieben wird, auch im Bereich der Ultraschallmessung eines Kraftfahrzeugumfelds oder -innenraums Vorteile bieten könnte, und sind durch weitere Überlegungen und Experimente schließlich zu der nachstehend beschriebenen Lösung gelangt.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Parkassistenzsystem mit mindestens einer ortsfest angeordneten Ultraschallsensoranordnung und mit einer Steuervorrichtung vorgeschlagen. Die Ultraschallsensoranordnung umfasst einen Ultraschallsensor mit einem Gehäuse, eine von dem Gehäuse mechanisch entkoppelte Ultraschallmembran und ein Schallwandlerelement zur Schwingungsanregung und Schwingungserfassung der Ultraschallmembran sowie einen vor der Ultraschallmembran angeordneten Blendenabschnitt aus einem akustischen Metamaterial. Die Steuervorrichtung ist mit der Ultraschallsensoranordnung gekoppelt und ist dazu eingerichtet, die Ultraschallsensoranordnung zum Aussenden und/oder zum Empfangen eines Ultraschall-Signals anzusteuern.
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Dieses Parkassistenzsystem weist den Vorteil auf, dass es aufgrund der Verwendung der wie beschrieben ausgestalteten Ultraschallsensoranordnung, die ein besonders hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist, einfacher ausgebildet werden kann als herkömmliche Parkassistenzsysteme mit Ultraschallsensoren. Insbesondere können weniger Ultraschallsensoranordnungen für eine vorgegebene Fläche benötigt werden, oder aber die Elektronik zum Ansteuern und/oder Auslesen der Ultraschallsensoranordnung, beispielsweise die Steuervorrichtung, kann weniger aufwändig ausgestaltet sein, da die Anforderungen an die Signalverarbeitung geringer sind. Die Erfinder haben auf experimentellem Wege den überraschenden Effekt ermittelt, dass sich durch das vor der Ultraschallmembran angeordnete akustische Metamaterial die Amplitude des gemessenen Signals, das der reflektierten Ultraschallwelle entspricht, gegenüber einem unverdeckt angeordneten Ultraschallsensor nicht nur nicht verringert, sondern deutlich erhöht. Somit kann der Signal-Rausch-Abstand wesentlich verbessert werden.
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Das Parkassistenzsystem kann auch als stationäres Parkassistenzsystem bezeichnet werden. Das Parkassistenzsystem ist beispielsweise in einem Gebäude integriert. Darunter, dass die Ultraschallsensoranordnung „ortsfest“ angeordnet ist, wird insbesondere verstanden, dass diese an einer feststehenden Struktur, beispielsweise einer mit dem Erdboden verankerten baulichen Struktur, angeordnet ist.
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Die Steuervorrichtung kann hardwaretechnisch und/oder softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die Steuervorrichtung zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die Steuervorrichtung als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als ein Algorithmus, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein. Ferner kann die Steuervorrichtung auch als Teil eines übergeordneten Systems, wie einem Gebäudesteuerungssystem und/oder einem Überwachungssystem, ausgebildet sein.
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Die beschriebene Ultraschallsensoranordnung hat weiterhin den Vorteil, dass der Blendenabschnitt den Ultraschallsensor optisch und mechanisch verdecken und dadurch beispielsweise vor Blicken und vor der Einwirkung von Stößen und dergleichen schützen kann.
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Der Blendenabschnitt ist insbesondere derart vor der Ultraschallmembran angeordnet, dass er die Ultraschallmembran verdeckt. Unter „verdeckt“ ist zu verstehen, dass von der Ultraschallmembran in einen zu messenden Raumbereich ausgesendete Ultraschallwellen und von dort zurück zur Ultraschallmembran reflektierte Ultraschallwellen jeweils durch den Blendenabschnitt hindurchtreten. Unter „unverdeckt“ ist zu verstehen, dass Ultraschallwellen ungehindert in den zu messenden Raumbereich ausgesendet und aus diesem zurück reflektiert werden können, d. h., dass sich nur Luft zwischen Ultraschallmembran und zu messendem Objekt in dem zu messenden Raumbereich befindet.
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Die Ultraschallmembran kann beispielsweise mittels eines Entkopplungsrings aus einem schallweichen Material, wie etwa Silikon, akustisch von dem Gehäuse des Ultraschallsensors entkoppelt sein. Die Ultraschallmembran kann in eine Öffnung des Gehäuses eingesetzt sein, wobei der Entkopplungsring zwischen der Ultraschallmembran und dem Gehäuseinnenrand der Öffnung angeordnet ist.
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Das Schallwandlerelement kann ein Schallwandlerelement auf mechanisch-induktiver, mechanisch-kapazitiver, mechanisch-resistiver, magnetostriktiver oder elektrostriktiver Grundlage sein. Das Schallwandlerelement kann beispielsweise ein Piezoelement sein. Das Schallwandlerelement kann innerhalb des Gehäuses auf die Ultraschallmembran geklebt, mit dieser verschweißt oder auf andere Weise mit der Ultraschallmembran verbunden sein. Das Schallwandlerelement kann über einen losen Entkopplungsdraht mit einem nach außen geführten elektrischen Kontakt des Ultraschallsensors verbunden sein.
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Der Blendenabschnitt kann ein Abschnitt eines größeren Formteils, wie einer Wandverkleidung oder Abdeckung, sein, das lediglich in einem Bereich, der vor der Ultraschallmembran des Ultraschallsensors angeordnet ist, den Blendenabschnitt ausbildet. Der Blendenabschnitt kann aber auch einen im Wesentlichen gesamten Bereich einer eigenständigen Blende oder dergleichen umfassen, die zweckspezifisch zum Verdecken der Ultraschallmembran vor dieser bereitgestellt ist.
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Unter einem akustischen Metamaterial ist insbesondere ein Material zu verstehen, dem durch strukturierende Bearbeitung vorteilhafte akustische Eigenschaften verliehen sind, die das unbearbeitete bzw. unstrukturierte Material nicht aufweist.
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Das akustische Metamaterial kann insbesondere ein Metamaterial sein, das gemäß den in der eingangs zitierten Veröffentlichung von D'Aquanno et al. beschriebenen Grundsätzen ausgestaltet ist, auf die ausdrücklich verwiesen wird.
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Darunter, dass die Steuervorrichtung zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnung zum Aussenden eines Ultraschall-Signals eingerichtet ist, wird insbesondere verstanden, dass die Steuervorrichtung ein elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Frequenz an die Ultraschallsensoranordnung ausgibt oder diese mit dem elektrischen Signal beaufschlagt, wodurch das Schallwandlerelement zum Schwingen und damit die Ultraschallmembran zum Aussenden des Ultraschall-Signals angeregt werden. Die Frequenz, mit der das Ultraschall-Signal erzeugt wird, kann hierbei variabel und einstellbar sein.
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Darunter, dass die Steuervorrichtung zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnung zum Empfangen eines Ultraschall-Signals eingerichtet ist, wird insbesondere verstanden, dass die Steuervorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Signals, das durch eine Schwingung des Schallwandlerelements an diesem abgreifbar ist, eingerichtet ist. Beim Empfangen des Ultraschall-Signals ist ein Signalweg somit umgekehrt: Die Ultraschallmembran wird von einer eintreffenden Ultraschallwelle in Schwingung versetzt, welche sich auf das Schallwandlerelement überträgt und dort als ein elektrisches Signal mit der entsprechenden Frequenz erfassbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist das akustische Metamaterial ein breitbandiges akustisches Metamaterial, das von Ultraschallwellen mindestens in einem Einfallswinkelbereich nichtresonant durchtunnelbar ist.
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Unter „breitbandig“ ist insbesondere zu verstehen, dass das akustische Metamaterial nicht nur für Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz, sondern für Ultraschallwellen in einem breiten Frequenzband von beispielsweise 40 bis 60 kHz, vorzugsweise von 16 bis 100 kHz, gleichmäßig gut durchlässig ist.
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Unter „nichtresonant durchtunnelbar“ ist insbesondere zu verstehen, dass eine auf das akustische Metamaterial eintreffende Ultraschallwelle in dem Medium, wie etwa Luft, aus dem sie eintrifft, und in dem akustischen Metamaterial eine gleiche akustische Impedanz „fühlt“, so dass unabhängig von der Frequenz der Ultraschallwelle und unabhängig von der Dicke des akustischen Metamaterials sowohl an der Eintrittsfläche als auch an der Austrittsfläche im Wesentlichen keine Reflexionen auftreten.
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Unter „nichtresonant“ ist insbesondere zu verstehen, dass sich beim Durchtunneln des akustischen Metamaterials keine resonanten Druckbäuche innerhalb des Metamaterials ausbilden. Eine derartige nichtresonante Durchtunnelbarkeit korrespondiert mit der Breitbandigkeit des akustischen Metamaterials.
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Die nichtresonante Durchtunnelbarkeit ist vorzugsweise wenigstens in einem Ultraschallwellen-Einfallswinkelbereich gegeben, der eine im Wesentlichen senkrechte Einfallsrichtung auf eine Oberfläche des Blendenabschnitts aus dem akustischen Metamaterial umfasst. Praktisch sind Winkelbereiche zwischen 0° und 30° bis 85° gegen die Flächennormale erzielbar.
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Anders ausgedrückt kann eine akustische Impedanz auf einer Seite des Blendenabschnitts aus dem akustischen Metamaterial an eine akustische Impedanz der Luft in dem zu messenden Raumbereich angeglichen sein, und eine akustische Impedanz auf einer anderen Seite des Blendenabschnitts kann ebenfalls an die akustische Impedanz von Luft oder auch an die akustische Impedanz der auf der anderen Seite angeordneten Ultraschallmembran des Ultraschallsensors angeglichen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist das akustische Metamaterial aus einem schallharten Grundmaterial ausgebildet, in dem ein Gitter aus mehreren Durchgangsöffnungen ausgebildet ist.
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Unter „schallhart“ ist insbesondere ein Grundmaterial zu verstehen, das in unbearbeitetem Zustand einen hohen Schallwiderstand aufweist und bei dem es in unbearbeitetem Zustand zu Reflexionen kommt, wenn Schallwellen auf es auftreffen. Beispiele für ein schallhartes Grundmaterial sind etwa ein Metallblech, eine Kunststoffplatte, eine Verbundmaterial-Platte, eine Faserplatte, eine Holzplatte und dergleichen.
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Bei den mehreren Durchgangsöffnungen kann es sich insbesondere um Öffnungen mit rundem Querschnitt handeln, die von einer Seite des Blendenabschnitts zu der gegenüberliegenden Seite des Blendenabschnitts reichen.
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Gegenüber anderen möglichen Ausgestaltungen eines akustischen Metamaterials zeichnet sich eine Ausgestaltung mit einem Gitter aus mehreren runden Durchgangsöffnungen vorteilhaft durch besonders günstige Transmissionseigenschaften aus.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist ein Durchmesser einer jeweiligen Durchgangsöffnung kleiner als eine Wellenlänge der von der Ultraschallmembran auszusendenden und zu empfangenden Ultraschallwellen.
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Die Frequenz der auszusendenden und zu empfangenden Ultraschallwellen, d. h. die Eigenfrequenz der Ultraschallmembran, liegt beispielsweise zwischen 16 und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 40 und 60 kHz und besonders bevorzugt bei 50 kHz. Demgemäß ergibt sich bei einer Temperatur von 20 °C eine Wellenlänge der von der Ultraschallmembran auszusendenden und zu empfangen Ultraschallwellen zwischen 21 und 3 mm, vorzugsweise zwischen 9 und 6 und besonders bevorzugt von 7 mm. Bei anderen Temperaturen ergeben sich andere Wellenlängen. Der Durchmesser der jeweiligen Öffnungen wird ganz besonders bevorzugt zu einem Wert gewählt, der um einen, vorzugsweise ganzzahligen, Faktor von 2 oder mehr kleiner ist als die entsprechende bei 20 °C zu erwartende Wellenlänge, beispielsweise zu 1 mm.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist ein Abstand zwischen zwei benachbarten Öffnungen des Gitters größer als der Durchmesser der Öffnungen und kleiner als die Wellenlänge der von der Ultraschallmembran auszusendenden und zu empfangenden Ultraschallwellen.
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Beispielsweise kann der Lochabstand zwischen 2 und 4 mm und besonders bevorzugt zu 2.5 mm gewählt werden.
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Die Erfinder waren in der Lage, mit einem dergestalt ausgebildeten akustischen Metamaterial, das einen plattenförmigen Blendenabschnitt aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff mit einem Lochgitter mit einem Lochabstand von 2.5 mm und einem Lochdurchmesser von 1 mm umfasste, eine Steigerung der Empfangssignalamplitude, und eine entsprechende Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands, je nach Abstand zwischen Ultraschallmembran und Blendenabschnitt - um einen Faktor von 1,5 bis 10 gegenüber einer nicht verdeckten Anordnung des Ultraschallsensors zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems umfasst die vorgeschlagene Ultraschallsensoranordnung ferner ein Formteil, an dem der Ultraschallsensor derart angebracht ist, dass die Ultraschallmembran dem Formteil zugewandt ist, und das Formteil umfasst in einem Abschnitt vor der Ultraschallmembran den Blendenabschnitt aus dem akustischen Metamaterial.
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Das Formteil kann insbesondere aus dem Grundmaterial ausgebildet sein, aus dem auch das akustische Metamaterial ausgebildet ist, beispielsweise aus Metallblech oder Kunststoff. Insbesondere kann das Formteil einstückig mit dem Blendenabschnitt ausgebildet sein. Der Blendenabschnitt kann beispielsweise durch Perforieren des Formteils nachträglich in dem Formteil ausgebildet sein.
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Das Formteil kann ein Verkleidungsteil sein, das eine ästhetische optische Erscheinung bewirkt, an dem vorschlagsgemäß zusätzlich der Ultraschallsensor angebracht ist, und an dem in einem Bereich vor der Ultraschallmembran des Ultraschallsensors durch Strukturierung ein Blendenabschnitt aus einem akustischen Metamaterial ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Sensor hinter dem Formteil verdeckt sein und dennoch den Raumbereich auf der anderen Seite des Formteils mit hoher Echosignalamplitude messen.
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Alternativ dazu kann das Formteil zweckspezifisch zur Anbringung des Ultraschallsensors daran und zur Ausbildung des Blendenabschnitts vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Ultraschallsensor, der unverdeckt in herkömmlicher Weise verwendet werden könnte, mit einer Blende versehen werden, die nur unwesentlich größer als der Ultraschallsensor zu sein braucht und deren Zweck es ist, die Vorteile des Blendenabschnitts aus dem akustischen Metamaterial für die Ultraschallsensoranordnung nutzbar zu machen.
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Gemäß einer Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist der Ultraschallsensor dadurch an dem Formteil angebracht, dass eine Außenwand des Gehäuses des Ultraschallsensors mit einer Halterung verbunden ist und die Halterung in einem Bereich außerhalb des Blendenabschnitts an dem Formteil befestigt ist, wobei die Oberfläche der Ultraschallmembran parallel zu dem Formteil hinter dem Blendenabschnitt des Formteils angeordnet ist.
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Auf diese Weise kann vorteilhafterweise das Gehäuse stabil an dem Formteil angebracht sein, wohingegen die von dem Gehäuse mechanisch entkoppelte Sensormembran nicht an dem Formteil angebracht bzw. von dem Formteil mechanisch entkoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems liegt die Ultraschallmembran an dem Blendenabschnitt an.
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Insbesondere kann die Ultraschallmembran ohne Anpressdruck und/oder ohne an dem Blendenabschnitt fixiert zu sein an dem Blendenabschnitt anliegen.
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Insbesondere kann hierbei die akustische Impedanz der der Ultraschallmembran zugewandten Seite des akustischen Metamaterials an die akustische Impedanz der Ultraschallmembran angeglichen sein.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der festgestellte Effekt einer drastischen Erhöhung der Echosignalamplitude vorteilhaft erzielt werden.
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Zusätzlich können außerhalb des Blendenabschnitts Dämpfungselemente, wie Bohrungen oder Dämpfungsmaterial, an dem Formteil vorgesehen sein. Auf diese Weise kann dem Entstehen von Körperschall im Formteil zusätzlich entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems sind die Ultraschallmembran und der Blendenabschnitt mechanisch voneinander entkoppelt.
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Beispielsweise ist zwischen der Ultraschallmembran und dem Blendenabschnitt ein Luftspalt ausgebildet. Der Luftspalt ist ein mögliches Mittel zum mechanischen Entkoppeln der Ultraschallmembran von dem Blendenabschnitt bzw. dem Formteil. Da die Ultraschallmembran auch von dem Gehäuse des Ultraschallsensors mechanisch entkoppelt ist, ist mithin keine mechanische bzw. akustische Kopplung zwischen der Ultraschallmembran und dem Formteil vorgesehen, an dem das Gehäuse des Ultraschallsensors angebracht ist. Demgemäß wird das Formteil kaum zu Strukturschwingungen angeregt. Demgemäß sind Dämpfungselemente an dem Formteil, wie angebrachtes Dämpfungsmaterial, zur Dämpfung vorgesehene Bohrungen und dergleichen vorteilhafterweise entbehrlich.
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Aufgrund der guten Transmissionseigenschaften des vorgeschlagenen akustischen Metamaterials ist es nicht erforderlich, die Ultraschallmembran mit dem Blendenabschnitt mechanisch zu koppeln. Der Luftspalt kann vorzugsweise dünn, besonders bevorzugt dünner als 1 mm, und besonders bevorzugt 0,1 mm dünn oder noch dünner ausgestaltet werden. In diesem Fall kann der vorteilhafte Effekt einer Verstärkung der Echosignalamplitude durch das akustische Metamaterial besonders gut erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist eine Schutzvorrichtung vorgesehen, die gemeinsam mit der Ultraschallsensoranordnung ortsfest angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsensoranordnung von externen Einflüssen abzuschirmen.
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Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Ultraschallsensoranordnung vor externen Einflüssen, insbesondere Witterungseinflüssen, wie Regen, Strahlung oder Staub, geschützt ist. Insbesondere für die ordnungsgemäße Funktion des akustischen Metamaterials ist dies vorteilhaft, da die vorteilhaften Eigenschaften des akustischen Metamaterials verloren gehen können, wenn beispielsweise Schmutz das akustische Metamaterial zusetzt. Die Schutzvorrichtung ist derart ausgebildet, dass Ultraschall-Signale zumindest in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich durch diese nicht beeinträchtigt werden.
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Die Schutzvorrichtung kann die Ultraschallsensoranordnung zumindest abschnittsweise umschließen. Beispielsweise ist die Schutzvorrichtung als ein Gehäuse ausgebildet, wobei dieses derart gestaltet ist, dass eine Schallausbreitung von dem Ultraschallsensor in dem zu messenden Raumbereich oder zu dem Ultraschallsensor von dem zu messenden Raumbereich im Wesentlichen nicht beeinträchtigt ist. Beispielsweise kann das Formteil, in dem das akustische Metamaterial ausgebildet ist, zugleich die Schutzvorrichtung ausbilden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzvorrichtung ein separates Bauteil oder Element umfassen, das beabstandet zu der Ultraschallsensoranordnung ortsfest angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist die Steuervorrichtung ferner dazu eingerichtet, auf Basis eines von der Ultraschallsensoranordnung empfangenen Ultraschall-Signals ein Objekt in der Umgebung der Ultraschallsensoranordnung zu ermitteln.
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Das von der Ultraschallsensoranordnung empfangene Ultraschall-Signal kann ein Reflexionssignal sein, das heißt, es kann ein ursprünglich von der Ultraschallsensoranordnung ausgesendetes Ultraschall-Signal sein, das an dem Objekt reflektiert wurde. Es kann sich bei dem empfangenen Ultraschall-Signal auch um ein reflektiertes Ultraschall-Signal handeln, das ursprünglich nicht von der Ultraschallsensoranordnung selbst, sondern von einer weiteren Ultraschallsensoranordnung des Parkassistenzsystems ausgesendet wurde. Zudem kann es sich um ein von einem Fahrzeug, genauer von einer an einem Fahrzeug angeordneten Ultraschallsensoranordnung, ausgesendetes Ultraschall-Signal handeln.
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Das Objekt ist beispielsweise ein Fahrzeug, ein Radfahrer oder ein Fußgänger.
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Das Objekt kann beispielsweise auf Basis einer Laufzeit und/oder einer Amplitude und/oder einer Signalcharakteristik eines empfangenen Reflexionssignals ermittelt werden.
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In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass eine Objektklassifikation in Abhängigkeit des empfangenen Ultraschall-Signals durchgeführt wird. Bei einem Reflexionssignal hängt dessen Signalcharakteristik beispielsweise von einer Form und/oder einem Material der reflektierenden Oberfläche ab, was sich für eine entsprechende Klassifikation nutzbar machen lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist die Steuervorrichtung ferner dazu eingerichtet, auf Basis einer Doppler-Frequenzverschiebung des empfangenen Ultraschall-Reflexionssignals und/oder auf Basis von wenigstens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangenen Ultraschall-Signalen einen Bewegungszustand des ermittelten Objekts zu ermitteln.
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Der Bewegungszustand umfasst insbesondere die Information, ob sich das Objekt auf die Ultraschallsensoranordnung zubewegt oder von dieser entfernt. Wenn sich das Objekt auf die Ultraschallsensoranordnung zubewegt, dann wird die Frequenz des reflektierten Ultraschall-Signals größer als die des ursprünglich ausgesendeten Ultraschall-Signals sein. Wenn sich das Objekt von der Ultraschallsensoranordnung entfernt, dann wird die Frequenz des reflektierten Ultraschall-Signals kleiner als die des ursprünglich ausgesendeten Ultraschall-Signals sein. Wenn sich die Laufzeit des reflektierten Ultraschall-Signals zwischen zwei an unterschiedlichen Zeitpunkten ausgesendeten Ultraschall-Signalen verändert, lässt sich hiervon ebenfalls auf den Bewegungszustand des Objekts schließen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems umfasst das Parkassistenzsystem eine Mehrzahl an Ultraschallsensoranordnungen, die in einer vorbestimmten räumlichen Anordnung ortsfest angeordnet sind, wobei die Steuervorrichtung zum Ermitteln einer Position und/oder einer Ausrichtung und/oder einer Form eines in der Umgebung der Ultraschallsensoranordnungen angeordneten Objekts in Abhängigkeit von wenigstens zwei, von unterschiedlichen Ultraschallsensoranordnungen der Mehrzahl empfangener Ultraschall-Signale und der vorbestimmten räumlichen Anordnung der Ultraschallsensoranordnungen eingerichtet ist.
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Vorteilhaft ist die Steuervorrichtung zum Ansteuern aller Ultraschallsensoranordnungen des Parkassistenzsystems eingerichtet.
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Die vorbestimmte räumliche Anordnung der mehreren Ultraschallsensoranordnungen umfasst beispielsweise Informationen zu einem jeweiligen Abstand und einer Richtung zwischen zwei Ultraschallsensoranordnungen. Man kann auch sagen, dass die vorbestimmte räumliche Anordnung durch jeweilige Koordinaten der Ultraschallsensoranordnungen gegeben ist. Die Koordinaten umfassen vorzugsweise zwei oder drei Positionskoordinaten und zusätzlich mehrere Richtungskoordinaten. Die Richtungskoordinaten dienen der Angabe des Raumbereichs, in den eine jeweilige Ultraschallsensoranordnung ein Ultraschall-Signal aussendet, sowie des Raumbereichs, aus dem die jeweilige Ultraschallsensoranordnung ein Ultraschall-Signal empfängt. Die Richtungskoordinaten können beispielsweise in Form von Kugelkoordinaten angegeben sein, wobei diese auch Bereichsangaben, beispielsweise in Form von Intervallen, umfassen können.
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Mittels Multilateration kann von den wenigstens zwei empfangenen Ultraschall-Signalen eine Position, eine Ausrichtung und/oder eine Form des Objekts ermittelbar sein. Je mehr Signale empfangen werden, um so genauer kann die Ermittlung erfolgen.
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Die mehreren Ultraschallsensoranordnungen werden hierbei von der Steuervorrichtung insbesondere derart angesteuert, dass nicht alle gleichzeitig ein Ultraschall-Signal aussenden, sondern zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur eine Teilgruppe der mehreren Ultraschallsensoranordnungen. Die Teilgruppen sind derart ausgewählt, dass unter normalen Umständen nicht damit zu rechnen ist, dass in einer bestimmten Teilgruppe zusammengefasste Ultraschallsensoranordnungen aufgrund der räumlichen Anordnung ein Reflexionssignal einer anderen Ultraschallsensoranordnung der Teilgruppe empfangen. Beispielsweise können Ultraschallsensoranordnungen, die in unterschiedliche Raumwinkel aussenden und/oder zwischen denen eine Wand oder dergleichen angeordnet ist, eine Teilgruppe bilden. Mit anderen Worten sind diejenigen Ultraschallsensoranordnungen, die in der zu einem bestimmten Zeitpunkt Ultraschall-Signale aussendenden Teilgruppe nicht enthalten sind, räumlich derart angeordnet, dass damit zu rechnen ist, dass diese ein Reflexionssignal der ausgesendeten Ultraschall-Signale empfangen. Somit kann eine Informationsdichte betreffend das Objekt erhöht werden, was die Ermittlung der Position, Ausrichtung und/oder Form noch genauer ermöglicht.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass einigen oder allen Ultraschallsensoranordnungen eine bestimmte Frequenz zugeordnet ist, mit der sie jeweils das Ultraschall-Signal aussenden. Auf Basis der Frequenz eines empfangenen Ultraschall-Signals kann dann auf die Ultraschallsensoranordnung geschlossen werden, die das Ultraschall-Signal ursprünglich ausgesendet hat.
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In Ausführungsformen des Parkassistenzsystems ist die Steuervorrichtung ferner zum Ermitteln einer Trajektorie des Objekts auf Basis der zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelten Position und/oder Ausrichtung des Objekts eingerichtet.
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Die Trajektorie kann auch als ein Bewegungsprofil bezeichnet werden. Mittels der Trajektorie kann das Objekt beispielsweise innerhalb eines Gebäudes nachverfolgt werden. Das heißt, dass ermittelbar ist, wenn das Objekt einen ersten Bereich verlässt und in einen zweiten Bereich eintritt. Insbesondere eine nahtlose Mitverfolgung, das heißt es gibt keine „blinden Bereiche“, in denen keine Ultraschallsensoranordnung vorhanden ist, kann Vorteile für die Funktion des Parkassistenzsystems aufweisen. Beispielsweise kann dies für eine intelligente Verkehrsflusssteuerung verwendet werden.
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In Ausführungsformen des Parkassistenzsystems ist die Steuervorrichtung ferner dazu eingerichtet, die Ultraschallsensoranordnung zum Aussenden eines kodierten Ultraschall-Signals, welches eine kodierte Information umfasst, anzusteuern, und ist dazu eingerichtet, eine in einem empfangenen Ultraschall-Signal enthaltene kodierte Information zu ermitteln.
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In dieser Ausführungsform kann die Ultraschallsensoranordnung zur Kommunikation mit anderen Ultraschallsensoranordnungen, insbesondere zur Datenübertragung, verwendet werden. Aufgrund des vorteilhaft hohen Signal-Rausch-Verhältnisses der wie vorgeschlagen ausgebildeten Ultraschallsensoranordnung, kann die Kommunikation stabiler und weniger störanfällig durchgeführt werden als mit herkömmlichen Ultraschallsensoren.
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Die Information wird insbesondere mittels eines Modulationsverfahrens kodiert, das heißt, dass das kodierte Ultraschall-Signal ein entsprechend moduliertes Ultraschall-Signal ist. Beispiele sind Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder Pulscodemodulation.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Parkassistenzsystems ist das Parkassistenzsystem ferner dazu eingerichtet, ein von einer Ultraschallsensoranordnung eines Fahrzeugs ausgesendetes Ultraschall-Signal zu empfangen, und wobei die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf das empfangene Ultraschall-Signal die Ultraschallsensoranordnung zum Aussenden eines weiteren Ultraschall-Signals mit vorbestimmten Eigenschaften in Abhängigkeit des empfangenen Ultraschall-Signals anzusteuern.
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Die vorbestimmten Eigenschaften des auszusendenden Ultraschall-Signals umfassen einen relativ zu einem Empfangszeitpunkt des empfangenen Ultraschall-Signals zu bestimmenden Sendezeitpunkt. Das heißt, dass das Ultraschall-Signal nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne, nachdem das Ultraschall-Signal empfangen wurde, ausgesendet wird. Das Ultraschall-Signal mit vorbestimmten Eigenschaften kann ferner ein kodiertes Ultraschall-Signal sein, das eine kodierte Information umfasst. Die Information umfasst beispielsweise eine Position der Ultraschallsensoranordnung, beispielsweise in Form von GPS-Koordinaten. Die Information wird insbesondere mittels eines Modulationsverfahrens kodiert, das heißt, dass das kodierte Ultraschall-Signal ein entsprechend moduliertes Ultraschall-Signal ist. Beispiele sind Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder Pulscodemodulation.
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In dieser Ausführungsform kann vorteilhaft das Fahrzeug bei einer Lokalisierung unterstützt werden. Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der wie vorgeschlagen ausgebildeten Ultraschallsensoranordnung, die eine höhere Reichweite beim Empfangen und beim Senden des Ultraschallsignals ermöglicht, kann dies mit einem größeren Abstand zwischen Fahrzeug und Ultraschallsensoranordnung erfolgen, als dies mit herkömmlichen Ultraschallsensoren möglich ist. Es sei angemerkt, dass die Ultraschallsensoranordnung des Fahrzeugs eine herkömmliche und/oder eine wie vorgeschlagen ausgebildete Ultraschallsensoranordnung umfassen kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Gebäude, insbesondere eine Parkgarage, vorgeschlagen. Das Gebäude umfasst wenigstens eine Parkfläche für ein Fahrzeug. Das Gebäude umfasst ein Parkassistenzsystem gemäß dem ersten Aspekt.
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Das Gebäude kann eine einzelne Garage, ein Parkhaus, eine Tiefgarage, eine freie Parkfläche, wie einen Parkplatz, oder dergleichen umfassen. Das Gebäude umfasst bauliche Strukturen, wie Wände, Säulen, Mauern oder dergleichen, die fest mit dem Erdboden verbunden sind.
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Das Parkassistenzsystem ist vorzugsweise in dem Gebäude integriert angeordnet, beispielsweise verlaufen notwendige Strom- und Signalleitungen verdeckt, insbesondere sind diese ähnlich einer Unterputzverlegung verlegt. Das Parkassistenzsystem kann auch nachträglich an dem Gebäude angebracht worden sein, beispielsweise im Rahmen einer Modernisierung.
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Sofern das Parkassistenzsystem mehrere Ultraschallsensoranordnungen umfasst, so sind diese insbesondere verteilt in oder an dem Gebäude angeordnet, beispielsweise sind diese an unterschiedlichen baulichen Strukturen angebracht und zum Messen unterschiedlicher Raumbereiche eingerichtet.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ultraschallsensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ultraschallsensoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Formteil mit einem Blendenabschnitt aus einem akustischen Metamaterial gemäß Ausführungsbeispielen;
- 5 zeigt eine Auftragung eines gemessenen Echosignals mit einem unverdeckten Ultraschallsensor;
- 6 zeigt eine Auftragung eines gemessenen Echosignals mit dem Ultraschallsensor aus 5 bei Verdeckung durch den Blendenabschnitt des Formteils aus 4;
- 7 zeigt eine Auftragung einer winkelabhängigen Senderichtcharakteristik eines mit einem Metamaterial verdeckten und eines unverdeckten Ultraschallsensors;
- 8 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
- 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
- 10 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel; und
- 11 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist das Parkassistenzsystem 100 in einem Gebäude 300, das hier als ein Parkhaus ausgebildet ist, integriert. Die 1 ist damit auch ein Beispiel für ein Gebäude 300 mit einem Parkassistenzsystem 100. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst hier zwei Ultraschallsensoranordnungen 1, die jeweils mit einer Steuervorrichtung 110 verbunden sind. Die Steuervorrichtung 100 ist zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnungen 1 eingerichtet. Die beiden Ultraschallsensoranordnungen 1 dienen in diesem Beispiel dem Zweck, eine Belegung von Parkplätzen des Parkhauses 300 zu überwachen. Hierfür sind die Ultraschallsensoranordnungen 1 an der Decke über dem jeweiligen Parkplatz angeordnet. Jede Ultraschallsensoranordnung 1 ist zum Messen eines Bereichs in der Umgebung 200 unterhalb der jeweiligen Ultraschallsensoranordnung 1 eingerichtet. Hierzu wird die jeweilige Ultraschallsensoranordnung 1 von der Steuervorrichtung 110 zum Aussenden eines Ultraschall-Signals 25 in den zu messenden Bereich angesteuert. Das Ultraschall-Signal 25 kann von Objekten 210 oder von dem Boden des Parkhauses reflektiert werden, und ein Reflexionssignal 26 kann empfangen werden.
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Wenn sich auf einem der Parkplätze ein Objekt 210, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, befindet, dann ist eine Signallaufzeit des Reflexionssignals 26 geringer, woraus sich auf die Anwesenheit des Kraftfahrzeugs schließen lässt. Da die Ultraschallsensoranordnungen 1 wie nachfolgend anhand einer der 2 - 4 beschrieben ausgebildet sind, wird dadurch ein vorteilhaftes Signal-Rausch-Verhältnis begünstigt. Daher kann beispielsweise die Steuervorrichtung 110 einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweisen, da die Signalverarbeitung zum Erfassen des Kraftfahrzeugs weniger aufwändig ausgestaltet sein muss, als dies bei einem herkömmlichen Ultraschallsensor der Fall wäre.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ultraschallsensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Ultraschallsensoranordnung 1 umfasst einen Ultraschallsensor 2 und einen Blendenabschnitt 3.
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Der Ultraschallsensor 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das aus einem schallharten Kunststoff ausgebildet ist. Eine Ultraschallmembran 5 ist in einen Entkopplungsring 6 aus einem schallweichen Material, wie Silikon, eingepasst. Auf eine Innenfläche der Ultraschallmembran 5 ist ein Schallwandlerelement 7, wie beispielsweise ein Piezoelement, geklebt. Die Baugruppe aus Piezoelement 7, Ultraschallmembran 5 und Entkopplungsring 6 ist in eine Öffnung des Gehäuses 4 eingepasst.
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Das Piezoelement 7 ist über einen Entkopplungsdraht 8 mit einem ersten metallischen Kontaktstift 9 verbunden. Der Entkopplungsdraht 8 kann eine überschüssige Länge aufweisen und demgemäß nicht unter Spannung stehen. Ein zweiter metallischer Kontaktstift 10 ist aus dem Gehäuse 4 heraus nach außen geführt. Eine Leiterplatte 11 ist auf die metallischen Kontaktstifte 9, 10 aufgesetzt. Auf der Leiterplatte 11 sind elektronische Bauelemente 12 zur elektrischen Ansteuerung des Piezoelements 7 montiert.
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Die Steuervorrichtung 110 (siehe 1 oder 8 - 11) des Parkassistenzsystems 100 (siehe 1 oder 8 - 11) kann somit über eine hier nicht gezeigte Leitung und den Kontaktstift 10 mit den elektronischen Bauelementen 12 des Ultraschallsensors 2 verbunden sein und durch Übertragen elektrischer Signale an den Ultraschallsensor 2 die Bauelemente 12 dazu veranlassen, das Piezoelement 7 anzusteuern und die Ultraschallmembran 5 zu Schwingungen anzuregen und demgemäß ein Ultraschall-Signal 25 (siehe 1, 10 oder 11) auszusenden. Desgleichen kann die Steuervorrichtung 110 des Parkassistenzsystems 100 elektrische Signale von dem Ultraschallsensor 2 empfangen, die indikativ für eine von dem Piezoelement 7 erfasste Schwingung der Ultraschallmembran 5 sind, und auf diese Weise ein empfangenes Reflexionssignal 26 (siehe 1 oder 11) messen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Baugruppe aus Ultraschallmembran 5 und Piezoelement 7 mittels des Entkopplungsrings 6 in die Öffnung des Gehäuses 4 eingepasst ist und mittels des Entkopplungsdrahts 8 elektrisch kontaktiert ist. Auf diese Weise ist die Ultraschallmembran 5 vollständig mechanisch von dem Gehäuse 4 entkoppelt.
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Der Blendenabschnitt 3 ist vor der Ultraschallmembran 5 des Ultraschallsensors 2 angeordnet und ist aus einem, insbesondere breitbandigen, akustischen Metamaterial ausgebildet, das anhand der 3 und 4 eingehend beschrieben ist.
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Der Blendenabschnitt 3 ist insbesondere separat von dem Ultraschallsensor 2 bereitgestellt. Der Blendenabschnitt 3 ist insbesondere ohne ein Kopplungselement zum Koppeln des Ultraschallsensors 2 mit dem Blendenabschnitt 3 bereitgestellt. Zwischen der Ultraschallmembran 5 und dem Blendenabschnitt 3 kann ein dünner Luftspalt 15 (siehe 3) ausgebildet sein, um eine mechanische Entkopplung der Ultraschallmembran 5 von dem Blendenabschnitt 3 und weiteren, nicht gezeigten, mit dem Blendenabschnitt 3 verbundenen Teilen (Formteile, Halterungen und dergleichen) zu bewirken. Es ist auch möglich, dass die Ultraschallmembran 5 ohne Anpressdruck an dem Blendenabschnitt 3 anliegt.
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Das solchermaßen angeordnete akustische Metamaterial des Blendenabschnitts 3 kann vorteilhafterweise den Signal-Rausch-Abstand des von dem Ultraschallsensor 2 gelieferten Messsignals signifikant verbessern.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ultraschallsensoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Ultraschallsensor 2 und der Blendenabschnitt 3 der Ultraschallsensoranordnung 1 des dritten Ausführungsbeispiels können beispielsweise der Ultraschallsensor 2 und der Blendenabschnitt 3 des zweiten Ausführungsbeispiels sein und werden nicht erneut beschrieben.
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Im dritten Ausführungsbeispiel ist der Blendenabschnitt 3 ein Abschnitt, der einstückig mit einem Formteil 13 und aus dem gleichen schallharten Grundmaterial wie das Formteil 13 ausgebildet ist. Das heißt, dass der Blendenabschnitt 3 des dritten Ausführungsbeispiels ein Abschnitt des Formteils 13 ist.
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Das Formteil 13 kann beispielsweise ein Wandpaneel oder eine Zierblende oder dergleichen sein. Das Formteil 13 kann aus einem Metallblech, aus Holz, aus einem Verbundwerkstoff, aus Kunststoff, aus Glas, aus Stein oder dergleichen ausgebildet sein. Da das Formteil 13 aus einem schallharten Grundmaterial ausgebildet ist, kann Körperschall bzw. können Körperschwingungen in dem Formteil 13 auftreten.
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Im Blendenabschnitt 3 des Formteils 13 ist das Grundmaterial des Formteils 13 durch eine strukturierende Bearbeitung zu einem akustischen Metamaterial ausgebildet.
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An einer Außenseite des Gehäuses 4 sind Halterungen 14 angebracht. Die Halterungen 14 sind ihrerseits an dem Formteil 13 befestigt. Im Speziellen sind die Halterungen 14 in einem Bereich außerhalb des Blendenabschnitts 3 an dem Formteil 13 befestigt. Der Ultraschallsensor 2 wird von den Halterungen 14 dergestalt gehalten, dass die Ultraschallmembran 5 des Ultraschallsensors 2 parallel zu dem Formteil 13 hinter dem Blendenabschnitt 3 des Formteils 13 angeordnet ist. Hierbei ist vorzugsweise ein beispielsweise ca. 0,1 mm dünner Luftspalt 15 zwischen dem akustischen Metamaterial des Blendenabschnitts 3 und der Ultraschallmembran 5 des Ultraschallsensors 2 ausgebildet.
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Zwar sind somit das Formteil 13 die Halterungen 14 und das Gehäuse 4 des Ultraschallsensors 2, die jeweils aus schallharten Materialien ausgebildet sind, mechanisch miteinander gekoppelt. Jedoch ist die Ultraschallmembran 5, wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläutert wurde, mechanisch von dem Gehäuse 4 des Ultraschallsensors 2 entkoppelt. Ferner ist die Ultraschallmembran 2 durch den Luftspalt 15 auch mechanisch von dem Formteil 13 entkoppelt. Da der Blendenabschnitt 3 aus dem akustischen Metamaterial für Ultraschallwellen zudem nichtresonant durchtunnelbar ist, ist ein Einfluss von Strukturschwingungen der Struktur aus Formteil 13, Halterungen 14 und Gehäuse 4 auf die Qualität des von der Ultraschallsensoranordnung 1 gelieferten Messsignals stark reduziert.
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Gemäß einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels liegt die Ultraschallmembran 5 an dem Blendenabschnitt 3 bzw. an dem akustischen Metamaterial 3 an (nicht dargestellt). Das heißt, dass gemäß der Abwandlung kein Luftspalt 15 vorgesehen ist. Die akustische Impedanz des akustischen Metamaterials des Blendenabschnitts 3 kann auf der dem Ultraschallsensor 2 zugewandten Seite an die akustische Impedanz der Ultraschallmembran 5 angeglichen sein.
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Zwar wird gemäß dieser Abwandlung ggf. keine oder eine weniger gute akustische Entkopplung zwischen Ultraschallmembran 5 und Formteil 13 erzielt. Jedoch kann der durch das akustische Metamaterial 3 bewirkte Effekt einer Verstärkung der Amplituden der gemessenen Echosignale aufgrund eines besseren Impedanzabgleichs ohne den Luftspalt 15 noch stärker ausfallen. Dadurch kann der Signal-Rausch-Abstand noch weiter verbessert werden.
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Für eine bessere akustische Entkopplung des Formteils 13 können gemäß der Abwandlung in einem Bereich außerhalb des Blendenabschnitts 3 an dem Formteil 13 Dämpfungselemente, wie Dämpfungsmaterialien, Dämpfungsbohrungen oder dergleichen vorgesehen sein. Alternativ ist auch möglich, eingekoppelte Strukturschwingungen rechnerisch aus dem Messsignal des Ultraschallsensors 2 zu entfernen.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Formteil 13 mit einem Blendenabschnitt 3. Das Formteil 13 ist aus einem schallharten Grundmaterial ausgebildet. Es wurden verschiedene Prototypen für das Formteil 13 aus den Grundmaterialien Aluminium mit 1 mm Dicke, Kunststoff mit 3 mm Dicke und Stahl mit 0,9 mm Dicke hergestellt. Die Prototypen wiesen jeweils eine Fläche von 10 x 10 cm2 auf.
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Im Blendenabschnitt 3 des Formteils 13 wurde ein akustisches Metamaterial dadurch ausgebildet, dass das Grundmaterial des Formteils 13 in dem Blendenabschnitt 3 auf spezielle Weise perforiert wurde. Hierbei wurde ein regelmäßiges Gitter aus einundzwanzig runden Durchgangsöffnungen 24 gebildet. Die runden Durchgangsöffnungen 24 weisen jeweils einen Durchmesser von 1 mm auf. Das Gitter weist einen Lochabstand (Abstand zwischen je zwei benachbarten Öffnungen 24) von 2,5 mm auf. Damit ist der Durchmesser der Durchgangsöffnungen 24 und der Lochabstand jeweils deutlich kleiner als die Wellenlänge der von einem Ultraschallsensor 2 (siehe 2 oder 3) ausgesendeten Ultraschallwellen, die bei Raumtemperatur typischerweise ungefähr 7 mm beträgt. Zugleich war der Lochabstand größer als der Öffnungsdurchmesser.
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Der perforierte Blendenabschnitt 3 der Prototypen 13 wurde vor einer Ultraschallmembran 5 (siehe 2 oder 3) eines Ultraschallsensors 2 angeordnet und damit jeweils eine Ultraschallsensoranordnung 1 (siehe 1 - 3, 8 oder 11) mit verdecktem Ultraschallsensor 2 ausgebildet. Dabei wurde die Ultraschallmembran 5 parallel zu dem Blendenabschnitt 3 angeordnet, wobei zwischen Blendenabschnitt 3 und Ultraschallmembran 5 ein Luftspalt 15 (siehe 3) von 0,1 mm verblieb.
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Alle genannten Prototypen des Formteils 13 zeigten die vorliegend beschriebenen vorteilhaften Effekte. Es besteht somit eine hohe Designfreiheit bezüglich Material und Dicke des Formteils 13, hinter dem der Ultraschallsensor 2 angeordnet werden kann, ohne dass die beschriebenen Vorteile verloren gehen.
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Nachstehend werden anhand der 5 - 7 Messergebnisse für eine verdeckte Ultraschallsensoranordnung 1, die aus einem Ultraschallsensor 2 und dem Prototyp-Formteil 13 aus 0,9 mm dickem Stahl mit dem einundzwanzig Durchgangsöffnungen 24 umfassenden Lochgitter wie vorstehend beschrieben gebildet ist, mit Messergebnissen verglichen, die mit demselben Ultraschallsensor 2 unter gleichen Versuchsbedingungen, aber ohne den Blendenabschnitt 3 mit dem akustischen Metamaterial, erzielt wurden.
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5 zeigt eine Auftragung eines gemessenen Reflexionssignals 26, das auch als Echosignal bezeichnet werden kann, mit einem unverdeckten Ultraschallsensor, und 6 zeigt eine Auftragung eines gemessenen Reflexionssignals 26 mit der verdeckten Ultraschallsensoranordnung 1. Entlang der horizontalen Achse in 5 und 6 sind Abtastungen des von dem jeweiligen Ultraschallsensor 1 gelieferten Messsignals aufgetragen; die horizontale Achse in 5 und 6 kann auch als Zeitachse aufgefasst werden. Auf der vertikalen Achse in 5 und 6 ist die Spannungsamplitude des Messsignals in Volt aufgetragen.
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In einem Zeitbereich von 0 bis 2000 werden Strukturschwingungen 27 des Ultraschallsensors 2 gemessen, die beim Aussenden eines Ultraschallsignals trotz der mechanischen Entkopplung der Ultraschallmembran 5 unweigerlich auftreten.
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Nach einer Zeit von ca. 8700 Abtastungen wird das Reflexionssignal 26 erfasst. In den Figuren ist deutlich zu erkennen, dass die Amplitude des Reflexionssignals 26 in 6 der mit dem akustischen Metamaterial verdeckten Ultraschallsensoranordnung 1 gegenüber der Amplitude des Reflexionssignals 26 in 5 des unverdeckten Ultraschallsensors 2 um einen Faktor von ca. 10 verstärkt ist, bei im Übrigen identischen Versuchsbedingungen. Demgemäß ist der Signal-Rausch-Abstand um einen Faktor von ca. 10 verbessert.
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Aus diesem Grund kann eine Auswerteelektronik zur Analyse des empfangenen Ultraschall-Signals bei gleichem Erfassungsschwellwert mit einfacheren Komponenten aufgebaut sein, die eine kleinere Sensitivität aufweisen, weshalb die Auswerteelektronik insgesamt einfacher ausgebildet werden kann. Alternativ kann mit der gleichen Auswerteelektronik eine höhere Erfassungsreichweite erzielt werden.
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7 zeigt eine Auftragung einer winkelabhängigen Senderichtcharakteristik eines unverdeckten Ultraschallsensors 2 und der verdeckten Ultraschallsensoranordnung 1 (siehe 1 - 3, 8 oder 11) in der gleichen Messanordnung, die auch für die in 5 und 6 gezeigten Messungen verwendet wurde.
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Entlang der horizontalen Achse in 7 ist ein Winkel relativ zur Flächennormalen des Formteils 13 in Grad aufgetragen, und entlang der vertikalen Achse in 7 ist ein Schalldruckpegel des Sendesignals in dB aufgetragen.
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Die gestrichelte Kurve 28 zeigt die Sendecharakteristik des unverdeckten Ultraschallsensors 2, und die durchgezogene Kurve 29 zeigt die Sendecharakteristik der verdeckten Ultraschallsensoranordnung 1.
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Wie in 7 zu sehen ist, erweist sich die verdeckte Ultraschallsensoranordnung 1 mit dem breitbandigen akustischen Metamaterial im gesamten relevanten Winkelbereich von etwa - 85° bis 85° als vorteilhaft. Der Schalldruckpegel liegt durchgängig signifikant höher als bei dem unverdeckten Ultraschallsensor 2.
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Damit zeigt sich, dass der anhand von 4 beschriebene Aufbau eines Blendenabschnitts 3 zur Ausbildung eines akustischen Metamaterials führt, das sowohl von ausgehenden als auch von einfallenden Ultraschallwellen in einem weiten Winkelbereich nichtresonant durchtunnelbar ist.
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8 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems 100 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst eine an einer Wand eines Gebäudes 300 angeordnete Ultraschallsensoranordnung 1, die wie anhand der 1 - 4 beschrieben ausgebildet ist und die entsprechenden vorteilhaften Wirkungen erzielt, sowie eine Steuervorrichtung 110, die zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnung 1 eingerichtet ist. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst ferner eine oberhalb der Ultraschallsensoranordnung 1 angeordnete Schutzvorrichtung 16. Die Schutzvorrichtung 16 ist als ein Dach für die Ultraschallsensoranordnung 1 ausbildet und stellt einen geschützten Bereich 17 bereit. Die Ultraschallsensoranordnung 1 wird daher durch das Dach 16 vor Regen 18 geschützt.
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9 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems 100 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst in diesem Beispiel sechs Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106, die jeweils wie anhand der 1 - 4 beschrieben ausgebildet sind und die entsprechenden vorteilhaften Wirkungen erzielen, sowie eine Steuervorrichtung 110, die zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 eingerichtet ist. Die Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 sind beispielhaft an einer Wand eines Gebäudes 300, beispielsweise eines Parkhauses, angeordnet. Die räumliche Anordnung der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 ist vorbestimmt, das heißt, dass beispielsweise Abstände der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 zueinander bekannt sind. In dem Bereich vor der Wand verläuft eine Fahrspur, auf der sich gerade ein Fahrzeug 210 befindet und mit einer bestimmten Geschwindigkeit V fortbewegt. Das Fahrzeug befindet sich zunächst an einer ersten Position A.
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In dieser Position A wird das Fahrzeug 210 beispielsweise von den Ultraschallsensoranordnungen 101, 102 und 104 erfasst. Die Ultraschallsensoranordnung 102 erfasst beispielsweise eine Reflexion des von der Ultraschallsensoranordnung 101 ausgesendeten Ultraschall-Signals 25 (siehe 10). Indem die von den Ultraschallsensoranordnungen 101, 102 und 104 empfangenen Ultraschall-Signale gemeinsam betrachtet werden, kann auf die Position des Fahrzeugs 210 geschlossen werden. Dies erfolgt beispielsweise mittels Multilateration. Es können auch Verfahren der Sensorfusion genutzt werden, um die von den mehreren Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 empfangenen Signale auszuwerten.
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Wenn sich das Fahrzeug 210 fortbewegt, bewegt es sich aus dem Bereich direkt vor der Ultraschallsensoranordnung 101 heraus und in den Bereich direkt vor der Ultraschallsensoranordnung 102 hinein. Unter der Annahme einer konstanten Geschwindigkeit V des Fahrzeug 210 kann aus der Zeitdauer, die das Fahrzeug 210 benötigt, um von dem Bereich vor der ersten Ultraschallsensoranordnung 101 in den Bereich vor der zweiten Ultraschallsensoranordnung 102 zu gelangen, die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs 210 ermittelt werden. Alternativ kann die Geschwindigkeit V auch auf Basis einer Frequenzverschiebung des von der Ultraschallsensoranordnung 104 empfangenen Reflexionssignals 25 ermittelt werden. Weiterhin kann von der Zeitdauer, die das Fahrzeug 210 den Bereich direkt vor der ersten Ultraschallsensoranordnung 101 belegt, und der Geschwindigkeit V auf eine Länge des Fahrzeugs 210 geschlossen werden.
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Indem mehrere Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 wie in der 9 dargestellt verwendet werden, kann weiterhin die Trajektorie TR des Fahrzeugs 210 ermittelt werden. In diesem Beispiel fährt das Fahrzeug von der Position A entlang der Trajektorie TR zu der Position B, wobei es nacheinander durch einen jeweiligen Erfassungsbereich der verschiedenen Ultraschallsensoranordnungen 101 - 106 fährt. Auf Basis der dabei erfassten Sensorsignale ist die Steuervorrichtung 110 dazu eingerichtet den Bewegungszustand, die Trajektorie TR, eine Form und/oder eine Ausrichtung das Fahrzeugs 210 zu ermitteln.
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10 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems 100 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst in diesem Beispiel vier Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104, die jeweils wie anhand der 1 - 4 beschrieben ausgebildet sind und die entsprechenden vorteilhaften Wirkungen erzielen, sowie eine Steuervorrichtung 110, die zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 eingerichtet ist. Die Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 sind beispielhaft an einer Wand eines Gebäudes 300, beispielsweise einer Garage, angeordnet. Die räumliche Anordnung der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 ist vorbestimmt. Dies ist diesem Ausführungsbeispiel durch das Koordinatensystem umfassend eine x- und eine y-Achse, verdeutlicht. Die erste Ultraschallsensoranordnung 101 weist die Koordinaten (x1, y1) auf. Die zweite Ultraschallsensoranordnung 102 weist die Koordinaten (x2, y1) auf. Die dritte Ultraschallsensoranordnung 103 weist die Koordinaten (x3, y2) auf. Die vierte Ultraschallsensoranordnung 104 weist die Koordinaten (x3, y3) auf.
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In der Umgebung 200 der Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 befindet sich ein Objekt 210, beispielsweise ein Kraftfahrzeug. In diesem Beispiel sind mehrere Signalwege von ausgesendeten Ultraschall-Signalen 25 dargestellt. Um die Position, Ausrichtung und/oder Form des Kraftfahrzeugs 210 möglichst genau unter Verwendung der mehreren Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 zu ermitteln, ist die Steuervorrichtung 110 dazu eingerichtet, die Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 gemäß einer vorbestimmten Sequenz nacheinander zum Aussenden eines jeweiligen Ultraschall-Signals 25 anzusteuern. Die Sequenz gibt beispielsweise vor, dass zu einem jeweiligen Zeitpunkt nur eine bestimmte Teilgruppe aller Ultraschallsensoranordnungen 101 - 104 angesteuert werden. In diesem Beispiel bilden die erste und dritte Ultraschallsensoranordnung 101, 103 eine erste Gruppe und die zweite und vierte Ultraschallsensoranordnung 102, 104 bilden eine zweite Gruppe.
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Der Grund dafür ist, dass die zweite Ultraschallsensoranordnung 102 in Abhängigkeit der Position, Form und/oder Ausrichtung des Kraftfahrzeugs 210 ein Reflexionssignal 25 des von der ersten Ultraschallsensoranordnung 101 ausgesendeten Ultraschall-Signals 25 empfängt. Umgekehrt gilt das gleiche. Entsprechendes gilt auch für die dritte und vierte Ultraschallsensoranordnung 103, 104. Durch die abwechselnde Ansteuerung kann ein jeweils empfangenes vorteilhaftes Signal eindeutig der aussendenden Ultraschallsensoranordnung zugeordnet werden. Es werden somit zusätzliche, für die Multilateration hilfreiche Informationen erfasst.
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In diesem Beispiel lassen sich beispielsweise die Punkte P1 - P4 des Kraftfahrzeugs 210 ermitteln. Damit ist die Form, die Ausrichtung und die Position des Kraftfahrzeugs 210 bereits bis auf wenige Freiheitsgrade bestimmt. In einem nächsten Messintervall (nicht dargestellt) senden die zweite und die vierte Ultraschallsensoranordnung 102, 104 jeweils ein Ultraschall-Signal 25 aus, wobei die erste und die dritte Ultraschallsensoranordnung 101, 103 nur passiv zuhören. Nach dem zweiten Messintervall kann die Form, die Ausrichtung und die Position des Kraftfahrzeugs 210 noch weiter eingeschränkt werden.
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11 zeigt eine schematische Ansicht eines Parkassistenzsystems 100 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel. Das Parkassistenzsystem 100 umfasst in diesem Beispiel eine Ultraschallsensoranordnung 1, die wie anhand der 1 - 4 beschrieben ausgebildet ist und die entsprechenden vorteilhaften Wirkungen erzielt, sowie eine Steuervorrichtung 110, die zum Ansteuern der Ultraschallsensoranordnung 1 eingerichtet ist. Die Ultraschallsensoranordnung 1 ist beispielhaft an einer Wand eines Gebäudes 300, beispielsweise einer Garage, angeordnet.
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In der Umgebung 200 der Ultraschallsensoranordnung 1 befindet sich ein Objekt 210, das in diesem Beispiel ein Auto mit einer eigenen Ultraschallsensoranordnung 211 ist. Die Ultraschallsensoranordnung 211 des Autos sendet beispielsweise ein Ultraschall-Signal 212 aus. Die Ultraschallsensoranordnung 1 des Parkassistenzsystems 100 empfängt das Ultraschall-Signal 212. Die Steuervorrichtung 110 ermittelt, dass es sich bei dem empfangenen Ultraschall-Signal 212 um das des Autos 210 handelt. Als Reaktion darauf veranlasst die Steuervorrichtung 110 die Ultraschallsensoranordnung 1 dazu, nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Empfang des Ultraschall-Signals 212, ein eigenes Ultraschall-Signal 25 auszusenden, das von der Ultraschallsensoranordnung 211 des Fahrzeugs erfasst werden kann. Beispielsweise kann das Auto 210 auf Basis des vorbestimmten Zeitintervalls und der Laufzeit des Ultraschall-Signals 25 einen Abstand zu der Ultraschallsensoranordnung 1 des Parkassistenzsystems 100 ermitteln.
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Vorzugsweise umfasst das Ultraschall-Signal 25 eine kodierte Information, wie eine Position der Ultraschallsensoranordnung 1. Die kodierte Information kann beispielsweise unter Verwendung eines Modulationsverfahrens durch das Ultraschall-Signal 25 übertragen werden. Das Auto 210 kann sich mit Hilfe der entsprechend übertragenen Information orientieren.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallsensoranordnung
- 2
- Ultraschallsensor
- 3
- Blendenabschnitt
- 4
- Gehäuse
- 5
- Ultraschallmembran
- 6
- Entkopplungsring
- 7
- Schallwandlerelement, Piezoelement
- 8
- Entkopplungsdraht
- 9
- Kontaktstift
- 10
- Kontaktstift
- 11
- Leiterplatte
- 12
- elektronische Bauelemente
- 13
- Formteil
- 14
- Halterungen
- 15
- Luftspalt
- 16
- Schutzvorrichtung
- 17
- geschützter Bereich
- 18
- Regen
- 24
- Durchgangsöffnungen
- 25
- Ultraschall-Signal
- 26
- Reflexionssignal
- 27
- Strukturschwingungen
- 28
- Senderichtcharakteristik eines unverdeckten Ultraschallsensors
- 29
- Senderichtcharakteristik der verdeckten Ultraschallsensoranordnung
- 100
- Parkassistenzsystem
- 101
- Ultraschallsensoranordnung
- 102
- Ultraschallsensoranordnung
- 103
- Ultraschallsensoranordnung
- 104
- Ultraschallsensoranordnung
- 105
- Ultraschallsensoranordnung
- 106
- Ultraschallsensoranordnung
- 110
- Steuervorrichtung
- 200
- Umgebung
- 210
- Objekt
- 211
- Ultraschallsensoranordnung
- 212
- Ultraschall-Signal
- 300
- Gebäude
- A
- Position
- B
- Position
- P1
- Position
- P2
- Position
- P3
- Position
- P4
- Position
- V
- Bewegung
- x
- Koordinatenachse
- x1
- Koordinate
- x2
- Koordinate
- x3
- Koordinate
- y
- Koordinatenachse
- y1
- Koordinate
- y2
- Koordinate
- y3
- Koordinate
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017209823 A1 [0006]
- US 2017059697 A1 [0007]
- DE 102016200813 A1 [0008]
