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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Ermitteln von mindestens einem Abstand basierend auf einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen, welche innerhalb mindestens eines Erfassungsbereichs aussendbar und empfangbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie ein Steuergerät.
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Stand der Technik
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Die Bodenfreiheit eines Straßenfahrzeugs bzw. die Höhe des Fahrzeugaufbaus über der Fahrbahnoberfläche sowie der Neigungswinkel des Fahrzeugaufbaus gegenüber der Fahrbahnoberfläche kann im Betrieb durch variierende Beladung und Beladungsverteilung von einem ursprünglichen Normalwert abweichen. Beispielsweise kann durch die Beladung des Kofferraums der Fahrzeugaufbau derart geneigt sein, dass die Scheinwerfer unter einem geringeren Winkel die Fahrbahn ausleuchten und somit einen Gegenverkehr blenden können. Die Bodenfreiheit des Fahrzeugs sowie der Neigungswinkel des Fahrzeugs kann als eine Fahrzeughöhe definiert werden, die sich abhängig von der Neigung an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs verändert.
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Es sind diverse Funktionen im Fahrzeug vorhanden, die von der Fahrzeughöhe abhängen und von der Kenntnis der Fahrzeughöhe profitieren können. Zu derartigen Funktionen können beispielsweise die Scheinwerfereinstellung, die Kalibrierung von Kameras für videobasierte Umfelderfassung, die Einstellung luftgefederter Fahrwerke und die Parametrierung von Ultraschall-Sensorsystemen zur Vermeidung von Bodenechos gezählt werden. Die Fahrzeughöhe wird üblicherweise durch spezielle Drehwinkelsensoren ermittelt, die am Fahrwerk des Fahrzeugs befestigt werden und die beladungsabhängigen Federwege der Achsen registrieren. Derartige Lösungen erfordern jedoch den Einsatz dieser Drehwinkelsensoren und eine auf diese Messdaten spezialisierte Auswertung bzw. Verarbeitung.
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Bei weiteren Funktionen, wie dem automatischen Öffnen der Heckklappe oder von einem Cabrio-Dach, muss der Freiraum über dem Fahrzeug vor oder während der Bewegung geprüft werden, um eine Kollision beispielsweise mit einer Garagendecke zu vermeiden. Für diese Anwendung sind eigens dafür vorgesehene Abstandssensoren in den bewegten Fahrzeugteilen bekannt, welche den Abstand zur Garagendecke messen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein ultraschallbasiertes System zum Messen von Abständen vorzuschlagen, welches dynamisch auf unterschiedliche Verkehrssituationen anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem zum Ermitteln von mindestens einem Abstand basierend auf einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen bereitgestellt. Die Ultraschallwellen sind innerhalb von mindestens einem Erfassungsbereich aussendbar und empfangbar.
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Das Sensorsystem weist mindestens ein Ultraschall-Array auf. Das Ultraschall-Array ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in oder an einer Fahrzeugkontur angeordnet bzw. montiert zu werden. Des Weiteren ist das mindestens eine Ultraschall-Array ist mit mindestens einem Steuergerät datenleitend verbunden. Das Steuergerät kann ein auf das Sensorsystem angepasstes oder ein bereits bestehendes Steuergerät sein, welches die Messdaten des Sensorsystems zusätzlich auswerten kann.
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Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, den Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays in seinem Raumwinkel zu verändern. Der Erfassungsbereich kann vorzugsweise für das Senden und für das Empfangen von Ultraschallwellen separat bzw. gesondert eingestellt werden. Somit kann anhand einer Ansteuerung durch das Steuergerät ein Erfassungsbereich gedreht bzw. geschwenkt werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Ultraschallsensoren gesenkt werden kann.
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Insbesondere können durch ein derartiges Sensorsystem Messungen einer Deckenhöhe beispielsweise für das Öffnen einer Heckklappe, Messungen einer Bodenfreiheit und Messungen von Hindernissen auf Höhe einer Einbauposition des Ultraschall-Arrays vorgenommen werden, da der Einsatz von PMUT-Sensoren bzw. von PMUT-basierten Ultraschall-Arrays eine freie Einstellung des vertikalen und/oder horizontalen Erfassungsbereichs, der in Summe nahezu den gesamten Halbraum bzw. Raumwinkel von 180° vor dem Ultraschall-Array umfasst, durch eine Ansteuerung des Steuergeräts ermöglicht.
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Bevorzugterweise kann das Sensorsystem in einen Bauraum eingesetzt werden, welcher für konventionelle Ultraschallsensoren, wie beispielsweise in einem Stoßfänger eines Fahrzeugs, vorgesehen ist. Insbesondere können derartige Sensorsysteme oder Ultraschall-Arrays in Fahrzeugecken in den Stoßfängern positioniert werden. Dabei kann pro Fahrzeugecke ein Ultraschall-Array angeordnet werden.
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Das Ultraschall-Array kann als ein PMUT-basiertes Ultraschall-Array ausgestaltet sein. Ein PMUT (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer)-basiertes Ultraschall-Array ist als ein System mit mehreren Wandlerelementen ausgestaltet, die unabhängig voneinander als Sender oder als Empfänger durch das Steuergerät ansteuerbar sind.
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Die mikromechanischen Wandlerelemente können als Membranen oder als schwingbare Kolben oder als kombinierte Membran-Kolben-Anordnungen ausgestaltet sein, um Schallimpulse zu erzeugen und/oder zu empfangen. Das mindestens eine Ultraschall-Array kann vorzugsweise in MEMS-Technologie hergestellt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von mindestens einem Abstand basierend auf einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen bereitgestellt. Das Verfahren kann vorzugsweise durch das Steuergerät allein oder in Verbindung mit mindestens einem Ultraschall-Array ausgeführt werden.
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Die jeweiligen Wandlerelemente sind als Teilsensoren des Ultraschall-Arrays ausgestaltet und können vom Steuergerät unabhängig voneinander angesteuert und ausgewertet werden. Insbesondere können die erzeugten Schallwellen der Wandlerelemente miteinander interferieren, wodurch die Hauptachse der emittierten Schallechos gekippt bzw. gegenüber der Flächennormalen abgelenkt wird.
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Die Flächennormale steht vorzugsweise senkrecht auf einem Gehäuse bzw. einer äußeren in Abstrahlrichtung ausgerichteten Oberfläche des Ultraschallsensorarrays.
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Vorzugsweise sind die Wandlerelemente, die durch Membranschwingungen und/oder Zylinderschwingungen zum Erzeugen und Empfangen von Schallwellen angeregt werden, auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet, anhand welcher die Flächennormale definiert ist
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Insbesondere kann durch ein phasenversetztes Ansteuern der Wandlerelemente, beispielsweise zwischen der vertikal versetzen Elementreihen, die Hauptachse der vertikalen Schallabstrahlung gegenüber der Sensormembranhauptachse gekippt werden.
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Durch ein Erzeugen von Steuerbefehlen werden in einem Schritt die mindestens zwei Wandlerelemente des Ultraschall-Arrays derart angesteuert, dass ein Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays gedreht bzw. geschwenkt wird. Hierdurch kann eine ultraschallbasierte Laufzeitmessung zum Ermitteln von Abständen umgesetzt werden, die unter veränderlichen Winkeln stattfindet, sodass ein Ultraschall-Array sowohl Messungen in Richtung einer Decke als auch Messungen in Richtung eines Untergrunds bzw. Bodens vornehmen kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, welches dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Das Steuergerät kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, Steuerbefehle zu erzeugen, durch welche mindestens ein PMUT-basiertes Ultraschall-Array Ultraschallwellen sendet. Dabei können die Steuerbefehle des Steuergeräts die Ausrichtung bzw. den Winkel des Erfassungsbereichs des Ultraschall-Arrays ebenfalls kontrollieren und somit eine gezielte Erfassung von bestimmten Raumwinkeln ermöglichen.
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Entsprechend kann das Steuergerät dazu eingesetzt werden, Messsignale von mindestens einem PMUT-basierten Ultraschall-Array zu empfangen. Dabei kann das Steuergerät eine richtungsabhängige Erfassung von Messsignalen in digitaler oder analoger Form ermöglichen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays durch Steuersignale des Steuergeräts entlang einer Höhenrichtung und/oder Querrichtung verschwenkbar. Hierdurch kann das Steuergerät gezielt unterschiedliche Messaufgaben umsetzen.
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Beispielsweise kann ein Abstand zu einer Decke über einem Fahrzeug oder eine Höhe über einer Fahrbahn gemessen werden. Dies kann durch eine Veränderung bzw. eine entsprechende Einstellung des Raumwinkelbereichs, welcher den Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays bildet, realisiert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das PMUT-basierte Ultraschall-Array eine Vielzahl von Sensorelementen zum Erzeugen von Ultraschallwellen und zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen auf. Bevorzugterweise sind die Sensorelemente durch das Steuergerät phasengerichtet ansteuerbar, um den Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays zum Emittieren von Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel zu verändern.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente durch das Steuergerät phasenbasiert oder laufzeitbasiert auswertbar, um den Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel zu verändern. Durch diese Maßnahme kann eine effiziente Auswahl von reflektierten Ultraschallwellen vorgenommen werden, um die Auswertung von Laufzeitmessungen auf einen bestimmte Raumwinkel oder einen bestimmten Raumwinkelbereich einzugrenzen.
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Der Bündelungseffekt wird maximal, wenn sowohl beim Aussenden des Schallsignals bzw. der Ultraschallwellen eine Strahlformung durch phasenrichtige Ansteuerung der benachbarten Sensorelemente im Ultraschall-Array in die gewünschte Richtung erfolgt, als auch beim Empfang eine Richtungsselektion durch Phasen- oder Laufzeitauswertung der Empfangssignale des Arrays bzw. Beamforming durchgeführt wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Erfassungsbereich des mindestens einen Ultraschall-Arrays zum Senden und/oder zum Empfangen von Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel in Richtung eines Untergrunds, in Richtung einer Fahrbahn, in Richtung einer Decke und/oder in Richtung eines potentiellen Hindernisses durch das Steuergerät schwenkbar. Hierdurch können unterschiedliche Messaufgaben durch ein einziges Ultraschall-Array umgesetzt werden. Die Anzahl der benötigten Sensoren in einem Fahrzeug kann somit verringert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das PMUT-basierte Ultraschall-Array an oder in mindestens einer fahrzeugseitigen Kante, insbesondere an oder in einer Stoßstange, angeordnet. Das mindestens eine Ultraschall-Array kann vorzugsweise an einer fahrzeugseitigen Kontur befestigt sein, um unterschiedliche Messaufgaben entlang eines Raumwinkelbereichs von bis zu 180° übernehmen zu können, wodurch der Messbereich des Ultraschall-Arrays maximiert wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Erfassungsbereich des mindestens einen Ultraschall-Arrays zum Senden und/oder zum Empfangen von Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel situationsbedingt einzustellen, kontinuierlich zu variieren oder basierend auf einer manuellen Eingabe zu verändern. Hierdurch kann die Veränderung des Raumwinkels des Erfassungsbereichs flexibel und technisch einfach veranlasst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays in zumindest einem Raumwinkel derart veränderbar, dass basierend auf der Laufzeitmessung von Ultraschallwellen eine Höhe des Ultraschall-Arrays über einem Untergrund und/oder ein Abstand des Ultraschall-Arrays zu einer Decke und/oder ein Abstand des Ultraschall-Arrays zu einem Hindernis ermittelbar ist. Durch diese Maßnahme ist eine dynamische Messung unterschiedlicher Parameter, wie beispielsweise Bodenfreiheit, Durchfahrtshöhe, Abstände zu Seitenwänden oder seitlichen Baustellenbegrenzungen und dergleichen möglich. Hierzu reicht bereits ein Ultraschall-Array aus, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Messaufgaben zu übernehmen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Ultraschall-Array Sensorelemente auf, die durch das Steuergerät phasenbasiert oder laufzeitbasiert ausgewertet werden, um den Erfassungsbereich des Ultraschall-Arrays zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel zu verändern. Durch die phasenversetzte Ansteuerung der Sensorelemente bzw. Wandlerelemente des Ultraschall-Arrays können die erzeugten Ultraschallwellen der unterschiedlichen Wandlerelemente miteinander interferieren, sodass eine Richtcharakteristik der resultierenden Ultraschallwellen ausgebildet wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Erfassungsbereich des mindestens einen Ultraschall-Arrays zum Senden und/oder zum Empfangen von Ultraschallwellen in seinem Raumwinkel in Richtung einer Fahrbahnoberfläche, in Richtung einer Decke und/oder in Richtung eines potentiellen Hindernisses, insbesondere durch Steuerbefehle eines Steuergeräts, geschwenkt. Durch diese Maßnahme kann bereits ein einziges Ultraschall-Array eine Vielzahl von unterschiedlichen Messaufgaben übernehmen. Die Anzahl der benötigten Sensoren in einem Fahrzeug kann somit verringert werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine Seitendarstellung eines Erfassungsbereichs von einem konventionellen Ultraschallsensor,
- 2 eine Seitendarstellung eines Fahrzeugs mit einem Sensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel und
- 3 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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In der 1 ist eine Seitendarstellung eines Erfassungsbereichs E von einem konventionellen Ultraschallsensor U. Der Ultraschallsensor U ist an einem Heck eines Fahrzeugs F angeordnet.
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Derartige Ultraschallsensoren U sind auf die Detektion von Objekten in ungefährer Höhe H der eigenen Einbauposition am Fahrzeug F ausgerichtet. Der Erfassungsbereich E des Ultraschallsensors U ist fest eingestellt und in erster Näherung parallel zur Fahrbahnoberfläche O ausgerichtet. Objekte bzw. Hindernisse W senkrecht über oder unter dem Fahrzeug F bzw. dem Ultraschallsensor U liegen außerhalb des Erfassungsbereichs E des Ultraschallsensors U und können nicht detektiert werden.
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Des Weiteren können Echos bzw. reflektierte Ultraschallwellen von der Fahrbahnoberfläche O allenfalls mit einem schrägen Einfallswinkel zwischen den Verbindungslinien a und b detektiert werden und haben deswegen eine deutlich längere Laufzeit gegenüber einem direkten senkrechten Abstand zur Fahrbahnoberfläche O.
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Die 2 zeigt eine Seitendarstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem Sensorsystem 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Sensorsystem 2 dient zum Ermitteln von mindestens einem Abstand d1, d2, d3 basierend auf einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen, welche innerhalb mindestens eines Erfassungsbereichs 11, 12, 13 aussendbar und empfangbar sind.
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Das Sensorsystem 2 weist mindestens ein, beispielhaft als ein PMUT-basiertes Array ausgestaltetes, Ultraschall-Array 4 und mindestens ein Steuergerät 6 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein PMUT-basiertes Ultraschall-Array 4 dargestellt, welches mit einem Steuergerät 6 datenleitend verbunden ist. Das Steuergerät 6 kann jedoch mit mehreren Ultraschall-Arrays 4 verbunden sein.
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Das Steuergerät 6 ist beispielhaft als ein Teil des Sensorsystems 2 ausgestaltet und kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, Steuerbefehle zu erzeugen, durch welche das PMUT-basierte Ultraschall-Array 4 Ultraschallwellen sendet. Dabei können die Steuerbefehle des Steuergeräts 6 die Ausrichtung bzw. den Raumwinkelbereich 21, 22, 23 des Erfassungsbereichs 11, 12, 13 des Ultraschall-Arrays 4 ebenfalls kontrollieren und somit eine gezielte Erfassung von bestimmten Raumwinkeln bzw. Raumwinkelbereichen 21, 22, 23 ermöglichen.
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Da die erzeugten Ultraschallwellen stets über einen Raumwinkelbereich gesendet werden, kann ein Raumwinkel als ein mittiger bzw. durchschnittlicher Raumwinkel 20 eines Raumwinkelbereichs 21, 22, 23 definiert werden. Beispielhaft ist nur ein Raumwinkel 20 in der Figur illustriert.
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Das Ultraschall-Array 4 ist an einer Fahrzeugkontur des Fahrzeugs 2 angeordnet. Beispielsweise ist das Ultraschall-Array 4 an einem Stoßfänger analog zur 1 positioniert anstelle eines konventionellen Ultraschallsensors U.
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Das Steuergerät 6 des Sensorsystems 2 ist dazu eingerichtet, den Erfassungsbereich 11, 12, 13 des Ultraschall-Arrays 4 in seinem Raumwinkel bzw. in seinem Raumwinkelbereich 21, 22, 23 zu verändern.
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Damit kann der Erfassungsbereich 11, 12, 13 gezielt in Richtung potentieller Hindernisse 8 vor dem Ultraschall-Array 4 oder aber nach unten zur Fahrbahn 10 oder in Höhenrichtung nach oben zur Decke 9 ausgerichtet werden. Somit kann ein Abstand d1 zum Hindernis 8, ein Abstand d3 zu einer Decke 9 oder ein Abstand d2 zu der Fahrbahn 10 gemessen werden.
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Die 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens 24 gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 24 dient zum Messen von mindestens einem Abstand d1, d2, d3 basierend auf einer Laufzeitmessung von Ultraschallwellen.
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In einem Schritt 25 des Verfahrens 24 erfolgt eine Ansteuerung des Ultraschall-Array 4 durch das Steuergerät 6, um Ultraschallwellen zu emittieren. Dabei werden, nicht dargestellte, Wandlerelemente des Ultraschall-Arrays 4 in einem Schritt 26 phasenversetzt durch das Steuergerät 6 angesteuert, um entsprechend phasenversetzt Ultraschallwellen zu erzeugen, sodass die Abstrahlrichtung bzw. der Raumwinkel 20 verändert 27 wird.
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Entsprechend werden die Wandlerelemente des Ultraschall-Arrays 4 durch das Steuergerät phasenversetzt ausgelesen 28, um eine Richtcharakteristik umzusetzen und reflektierte Ultraschallwellen aus definierten Raumwinkeln 20 zu empfangen 29.
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Nach dem Empfangen 29 der reflektierten Ultraschallwellen werden ein oder mehrere Abstände d1, d2, d3 basierend auf der resultierenden Laufzeitmessung berechnet 30.
