DE102022201921A1

DE102022201921A1 - Messarray, Verfahren zum Ansteuern eines Messarrays, Verfahren zum Auswerten eines Messarrays und Verfahren zum Betreiben eines Messarrays

Info

Publication number: DE102022201921A1
Application number: DE102022201921.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Boecker; Vladimir P. Petkov; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messarray 105 zum sensorischen Erfassen eines Objekts, wobei das Messarray 105 Messelemente 400, 605, 610, 615 umfasst, die zumindest in einer Zeile 620, 625 und zumindest in einer Spalte 630, 635 angeordnet sind, wobei die Messemente jeweils mit einer Membran ausgebildet sind, die in einem Betriebszustand der Messelemente 400, 605, 610, 615 innerhalb eines Toleranzbereichs gleichmäßig und/oder eben auslenkbar ist. Das Messarray 105 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messelemente 400, 605, 610, 615 in einer Zeile 620, 625 durch einen Spaltenabstand 640 voneinander beabstandet sind und die Messelemente 400, 605, 610, 615 in einer Spalte 630, 635 durch einen Zeilenabstand 645 voneinander beabstandet sind, wobei der Spaltenabstand 640 sich von dem Zeilenabstand 645 unterscheidet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Messarray, einem Verfahren zum Ansteuern eines Messarrays, einem Verfahren zum Auswerten eines Messarrays und einem Verfahren zum Betreiben eines Messarrays nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Sensorbasierte Systeme mit sogenannten Phased Arrays, sind aus verschiedenen Anwendungsgebieten bekannt. So können zum Beispiel Radarsysteme in vielen Fällen auf Array-Basis aufgebaut sein, ebenso wie Ultraschallsysteme in der medizinischen Diagnostik oder bei der Materialprüfung. Allen Phased Array Sensor-Systemen ist gemeinsam, dass ein auf Wellenbasis bestehendes Erregersignal von einer Vielzahl von Elementen ausgesendet wird und die an Objekten rückgestreuten Wellen wieder vom Sensor-System detektiert werden. In den meisten Fällen können die Elemente zum Erregen auch zum Empfang verwendet werden. Aufgrund der Laufzeitunterschiede (ToF: Time of Flight) der rückgestreuten Wellen können Rückschlüsse auf die Entfernung der Objekte, an welchen die Wellen reflektiert wurden, gewonnen werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Messarray, ein Verfahren zum Ansteuern eines Messarrays, ein Verfahren zum Auswerten eines Messarrays und ein Verfahren zum Betreiben eines Messarrays, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Mit dem hier vorgestellten Messarray kann vorteilhafterweise eine Sensor-System-Konstellation geschaffen werden, welche eine Kombination der Vorteile einer sogenannten Beam-Steering-Funktionalität aufweisen und gleichzeitig eine gute Balance zu geforderten unterschiedlichen horizontalen und vertikalen Öffnungswinkeln bilden kann.
Es wird ein Messarray zum sensorischen Erfassen eines Objekts vorgestellt, wobei das Messarray Messelemente umfasst, die zumindest in einer Zeile und zumindest in einer Spalte angeordnet sind, wobei die Messemente jeweils mit einer Membran ausgebildet sind, die in einem Betriebszustand der Messelemente innerhalb eines Toleranzbereichs gleichmäßig und zusätzlich oder alternativ eben auslenkbar ist. Das Messarray ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messelemente in einer Zeile durch einen Spaltenabstand voneinander beabstandet sind und die Messelemente in einer Spalte durch einen Zeilenabstand voneinander beabstandet sind, wobei der Spaltenabstand sich von dem Zeilenabstand unterscheidet.
Beispielsweise kann es sich bei den Messelementen um Sensoren handeln, weshalb die Messelemente auch als Sensorelemente oder Detektionselemente bezeichnet werden können, wobei die Messelemente als Sendeempfänger ausgebildet sein können, um beispielsweise Schallwellen sowohl zu versenden als auch zu empfangen. Ein Vorteil von Array-basierten Sensor-Systemen ist, dass die einzelnen Detektionselemente nicht gleichzeitig von rückgestreuten Wellen getroffen werden, wie es bei einem Einzelsensor der Fall sein kann. Aus diesen Zeit- und/oder Phasenunterschieden können sich Informationen bezüglich der genauen Objektposition und/oder Größe treffen lassen, zum Beispiel eine Objektklassifizierung. Neben den Vorteilen der ToF-Messung haben Array-Systeme noch einen weiteren Vorteil einer veränderbaren Richtcharakteristik des ausgesendeten Schallpegels (beam steering). So kann insbesondere auch bei auf schallbasierenden Systemen die Form einer entstehenden Schallkeule stark von der Größe und Anordnung der Elemente abhängen an welchen der Schall erzeugt wird. Die Größe der Fläche des Arrays sollte derart gestaltet sein, dass sich die Schallwellen insgesamt (beispielsweise in bestimmten Richtungen) aufaddieren und nicht destruktiv interferieren. Hierdurch kann ein Zusammenhang zwischen Sendefrequenz und respektive der Wellenlänge sowie der Größe der Emissionsfläche zustande kommen. Bei dem hier vorgestellten Messarray sind die Messelemente in zumindest einer Zeile und zumindest einer Spalte angeordnet, beispielsweise matrixartig, um die Emissionsfläche optimal nutzen zu können. Beispielsweise können vier Messelemente insgesamt in einer rechteckigen Grundanordnung angeordnet sein, sodass jeweils zwei Messelemente in einer Zeile beziehungsweise in einer Spalte angeordnet sein können. Es kann eines der Messelemente in einer der Zeilen und einer der Spalten gleichzeitig zugeordnet sein. Dabei können die Abstände der Zeilen und Spalten so definiert sein, dass entstehende Interferenzen gezielt gesteuert bzw. vorgegeben werden können. Durch den Unterschied zwischen dem Zeilenabstand und dem Spaltenabstand können vorteilhafterweise zum Beispiel für die Ausbreitung einer Schallkeule in vertikaler und horizontaler Richtung unterschiedliche Öffnungswinkel ermöglicht werden. Beispielsweise kann ein Wert für einen vertikalen Öffnungswinkel etwa 35 Grad betragen und für ein horizontalen Öffnungswinkel etwa 55 Grad. Durch den Einsatz von Messelementen mit einer gleichmäßig auslenkbaren Membran kann bei dem hier vorgestellten Messarray zudem vorteilhafterweise die Größe der einzelnen Messelemente und damit die Gesamtgröße des Arrays minimiert werden. Dabei können die Messelemente mit einer Membran ausgebildet sein, die im Unterschied zu einer Biegemembran eine Art Kolbenbewegung vollführen kann. Dadurch kann über die komplette Emissionsfläche einer Membran die gleiche Menge Luft verdrängt und eine gleichmäßige Schallerzeugung ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Messelemente als Schallsensoren ausgebildet sein, insbesondere als Ultraschallsensoren. Beispielsweise können die Messelemente ausgebildet sein, um Ultraschallwellen auszugeben und zu empfangen. Dadurch kann das Messarray vorteilhafterweise kostengünstig hergestellt und/oder in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, beispielsweise als Parksensor bei einem Fahrzeug.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Spaltenabstand einer halben Wellenlänge einer von den Messelementen auszusendenden oder zu empfangenden Welle entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann der Zeilenabstand größer sein als der Spaltenabstand. Beispielsweise kann der Spaltenabstand einen Wert von λ/2 zwischen den Mittelpunkten der einzelnen Messelemente aufweisen, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, und der Zeilenabstand kann zum Beispiel einen Wert zwischen 1 x λ/2 und 1,5 x λ/2 ausweisen, insbesondere 1,2 x λ/2. Durch eine entsprechende Anordnung der Messelemente können vorteilhafterweise im Array auftretende Interferenzen gewollt und gesteuert erzeugt werden. Hierbei kann es fundamental sein, die einzelnen Messelemente so zu positionieren, dass diese in definierten Abständen im Bezug zur Wellenlänge angeordnet sind. Durch eine ausreichend große Anzahl von Elementen kann dadurch vorteilhafterweise eine zielgerichteter und schmale Schallkeule generiert werden, welche eine entsprechend hohe Schallintensität besitzen kann. Zugleich können unterschiedliche Richtcharakteristiken erzielt werden, indem die Sensoren beispielsweise in einer vertikalen Richtung einen größeren Abstand zueinander aufweisen als in einer beispielsweise horizontalen Richtung. Vorteilhafterweise können dadurch in die unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Öffnungswinkel generiert werden und gleichzeitig kann weiterhin eine Strahlsteuerung mit überschaubaren und kalkulierbaren negativen Effekten ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Membran der Messelemente ausgebildet sein, um im schwingenden Zustand in einem mittleren Bereich mit mindestens einem Viertel der Fläche der Membran eben ausgelenkt zu werden. Beispielsweise kann die Membran in einer kolbenförmigen Bewegung ausgelenkt werden, wobei zum Beispiel im gesamten Bereich der Membran kein Bereich mehr als 20% von der Maximalamplitude abweichen kann. Vorteilhafterweise kann dadurch die Gesamtgröße der Messelemente verringert werden im Vergleich zu Elementen mit einer sogenannten Biegemembran, bei denen in Randbereichen der Membran weniger Luft verdrängt und folglich weniger Schall erzeugt werden kann als in einem mittleren Bereich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Messelemente rechteckig und zusätzlich oder alternativ mit geraden Seitenkanten und zusätzlich oder alternativ mit einer Seitenlänge von 2 mm bis 4 mm, insbesondere mit 2,5 mm x 3,22 mm, ausgeformt sein. Vorteilhafterweise können derartige Messelemente kostengünstig hergestellt und als Kolbenschwinger mit einer großen Messfläche betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Messelemente zumindest teilweise piezoelektrischen Elemente und zusätzlich oder alternativ MEMS-Elemente aufweisen. Beispielsweise können die Messelemente mittels sogenannter PMUT Technik (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) ausgebildet sein, beispielsweise zum Ermöglichen der Kolbenbewegung der Membranen der Messelemente. Vorteilhafterweise ermöglichen Mikrosysteme mit piezoelektrischen Elementen eine besonders kleine und zugleich funktional hochwertige Bauweise der Messelemente. Auch der Einsatz von MEMS (mikroelektromechanischen Systemen) ermöglicht eine minimierte Bauform bei gleichzeitiger Robustheit, Langzeitstabilität, gleichmäßiger Produktqualität und niedrigem Energiebedarf.
Zudem wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Variante eines zuvor vorgestellten Messarrays vorgestellt. Dieses Verfahren umfasst einen Schritt des Ausgebens eines ersten Steuersignals an ein erstes Messelement und eines zweiten Steuersignals an ein zweites Messelement unter Verwendung eines Strahlensteuerungsalgorithmus, um die Messelemente phasenversetzt und zusätzlich oder alternativ zeitversetzt anzusteuern.
Zudem wird ein Verfahren zum Auswerten von von Messelementen einer Variante eines zuvor vorgestellten Messarrays vorgestellt. Dieses Verfahren umfasst einen Schritt des Empfangens eines ersten Messignals von einem ersten Messelement, wobei das erste Messignal eine von dem ersten Messelement erfassten ersten Parameter repräsentiert, und eines zweiten Messignals von einem zweiten Messelement, wobei das zweite Messignal eine von dem zweiten Messelement erfassten zweiten Parameter repräsentiert. Weiterhin weist dieses Verfahren einen Schritt des Auswertens der Messignale unter Verwendung eines Strahlrichtungsauswertungsalgorithmus auf. Beispielsweise kann es sich bei den empfangenen Parametern um die Amplitude einer empfangenen Schallwelle, einen Zeitpunkt und/oder eine Phase eines empfangenen Messsignals handeln. Im Schritt des Auswertens können die von verschiedenen Messelementen empfangenen Parameter ausgewertet werden und beispielsweise über einen Zeit- oder Phasenversatz Rückschlüsse auf das die Wellen reflektierende Objekt gezogen werden.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor vorgestellten Messarrays vorgestellt, wobei das Verfahren eine Variante des Schritts des zuvor vorgestellten Verfahrens zum Ansteuern und eine Variante der Schritte des zuvor vorgestellten Verfahrens zum Auswerten umfasst.
Diese Verfahre können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Zudem wird ein Fahrzeug mit einer Variante des zuvor vorgestellten Messarrays und mit einer Variante der zuvor vorgestellten Vorrichtung vorgestellt. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um einen PKW oder ein Nutzfahrzeug handeln, wobei das Messarray unter Verwendung der Vorrichtung beispielsweise als Parksensor verwendet werden kann. Vorteilhafterweise können in dieser Ausführungsform alle zuvor genannten Vorteile optimal umgesetzt werden.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit einem Messarray;
2 eine schematische Draufsichtsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit einem Messarray;
3 ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Abstrahlcharakteristik eines Arrays bei verschiedene Anzahl an Sensorelementen;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Messelements und eines weiteren Messelement;
5 eine schematische Darstellung eines Phasenarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Messarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Messarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ansteuern eines Messarrays;
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Auswerten von Messelementen eines Messarrays bereitgestellten Messsignalen;
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Messarrays; und
11 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs mit einem Messarray.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100 mit einem Messarray 105. Lediglich beispielhaft ist das Messarray 105 in diesem Ausführungsbeispiel als Teil eines Parksensors ausgebildet, um an dem Fahrzeug 100 angeordnete Objekte in einer Entfernung von beispielhaft vier Metern zu erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Objekterfassung beispielhaft mittels Ultraschallwellen durchführbar. Dabei beträgt der Wert für einen vertikalen Öffnungswinkel der Schallkeule 110 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft 35 Grad, definiert auf eine Signalabnahme von 6 dB im Bezug zum Maximum, also eine Reduzierung um den Faktor 2. Dadurch ist lediglich beispielhaft eine gute Balance zwischen Abdeckung und gleichzeitig nicht zu starkem Rückstreuchaos vom Boden erreichbar.
2 zeigt eine schematische Draufsichtsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100 mit einem Messarray 105. Das hier dargestellte Fahrzeug 100 entspricht oder ähnelt dem in der vorangegangenen Figur geschriebenen Fahrzeug. Dabei beträgt der Wert für ein horizontalen Öffnungswinkel der Schallkeule 110 in diesem Ausführungsbeispiel 55 Grad. Dadurch ist im Sensorverbund mit weiteren Sensoren eine gute allgemeine Abdeckung des gesamten Sichtfeldes aller Sensoren, zum Beispiel hinter dem Fahrzeug 100, erreichbar. Dabei ist in der hier gezeigten Abbildung, dass bei einem solch großen Winkel ein Auftreten von Nebenkeuleneffekten möglich ist.
3 zeigt ein Diagramm 300 eines Ausführungsbeispiels einer Abstrahlcharakteristik eines Arrays bei verschiedener Anzahl an Sensorelementen. Dabei ist in dem hier gezeigten Diagramm 300 auf der X-Achse ein Winkel der abgestrahlten Schallwellen und auf der Y-Achse die Signalstärke aufgeführt. Lediglich beispielhaft sind die verwendeten Sensorelemente mit Abständen von λ/2 zwischen den einzelnen Sensorelementen angeordnet. Bei einer Anzahl von beispielhaft zwei Sensorelementen entsteht eine erste Schallkeule 305 mit einem Winkel zwischen beispielhaft -80 Grad und +80 Grad. Bei einer Anzahl von beispielhaft vier Sensorelementen entsteht eine zweite Schallkeule 310 mit einer Hauptkeule in einem Winkel zwischen beispielhaft -30 Grad und +30 Grad und zwei Nebenkeulen. Bei einer Anzahl von beispielhaft 8 Sensorelementen entsteht eine dritte Schallkeule 315 mit einer Hauptkeule in einem Winkel zwischen beispielhaft -15 Grad und +15 Grad und mehreren Nebenkeulen. Mit steigender Anzahl der Elemente fokussiert sich also die Hauptkeule des Sensorelements und die Anzahl der neben maximalem zu wobei deren Intensität zu hören Winkel hin abnimmt. Daraus lässt sich schließen, dass eine Ortsauflösung besser wird je mehr Sensorelemente eingesetzt werden, jedoch nimmt der Volumenbereich, welche zeitgleich untersucht werden kann, ab bei lediglich zwei Elementen erhält man weiterhin eine sogenannte Glockenverteilung ohne Nebenkeulen.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Messelements 400 und eines weiteren Messelements 405. Lediglich beispielhaft sind sowohl das Messelement 400 als auch das weitere Messelement 405 als Ultraschallsensoren ausgebildet.
Das Messelement 400 ist beispielhaft mit einer rechteckigen Membran 410 ausgebildet, die in einem Betriebszustand innerhalb eines Toleranzbereichs gleichmäßig und eben auslenkbar ist beziehungsweise kolbenartig bewegbar ist. Dabei ist die Membran 410 in einem Ausführungsbeispiel im schwingenden Zustand in einem mittleren Bereich mit beispielhaft 80% der Fläche der Membran eben auslenkbar. In anderen Ausführungsbeispielen kann die rechteckige Membran beispielsweise mit mindestens einem Viertel der Fläche auslenkbar sein. Das Messelement 400 ist in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um über die komplette Emissionsfläche der Membran 410 dieselbe Menge Luft zu verdrängen und eine gleichmäßige Schallerzeugung zu gewährleisten.
Das weitere Messelement 405 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Biegemembran 415 ausgebildet. Beim Erzeugen von Schall an der Emissionsfläche der Biegemembran 415 ist in einem mittleren Bereich 420 der Biegemembran 415 eine größere Luftverdrängung erzeugbar als an Randbereichen 425 beziehungsweise Außenbereich der Biegemembran 415. Folglich ist in den Randbereichen 425 weniger Schall erzeugbar als im mittleren Bereich 420. Die effektive Größe einer solchen Membran liegt dadurch bei beispielhaft 11 bis 13 mm.
In einem beispielhaften Anwendungsfall eines Ultraschallsensors als beispielhaft Parksensor an einem Fahrzeug, wie es in den vorangegangenen 1 und 2 beschrieben wurde, werden für die Ausbreitung einer Schallkeule in vertikaler und horizontaler Richtung in der Regel unterschiedliche Öffnungswinkel angestrebt. So beträgt der Wert für den vertikalen Öffnungswinkel (definiert auf eine Signalabnahme von 6 dB im Bezug zum Maximum, also eine Reduzierung um Faktor 2) beispielhaft 35 Grad, um eine gute Balance zwischen Abdeckung und gleichzeitig nicht zu starkem Rückstreuchaos vom Boden zu erhalten, und für den horizontalen Öffnungswinkel von beispielhaft 55 Grad, um im Sensorverbund mit weiteren Sensoren eine gute allgemeine Abdeckung des gesamten Sichtfeldes aller Sensoren, zum Beispiel hinter einem Fahrzeug, zu erreichen. Bei einer beispielhaften Betriebsfrequenz von 48 kHz unter Normalbedingungen (T∼25°C, p=1bar) weist das Messelement 400 eine Seitenlänge von beispielhaft vertikal 7,5 mm und horizontal 5,2 mm auf, um die gewünschte Schallkeule mit Abstrahlcharakteristiken im gewollten Bereich von 55° horizontal und 35° vertikal zu erhalten. Die Kolbenbewegung der Membran 410 führt zu einer Miniaturisierungsmöglichkeit gegenüber dem weiteren Messelement 405. Im Vergleich zu den Biegebewegungen der Biegemembran 415 sind die mit dem Messelement 400 geschaffenen Dimensionen im Bereich von etwa λ bis λ/2, wobei die Variable λ die Wellenlänge einer Schwingung repräsentiert, mit der das Messarray betrieben wird. Die Kolbenbewegung ist eine Grundvoraussetzung, um Geometrien von Elementen zu schaffen, welche für das Beam Steering notwendig sind, um sinnvolle Abstrahlcharakteristika zu generieren (λ/2 beträgt bei 48kHz etwa 3,6mm).
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Phasenarrays 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Phasenarray 500 umfasst beispielhaft drei Sensorelemente φ1, φ2, φ3, die in einem gleichmäßigen Abstand d zueinander angeordnet sind. Die Sensorelemente φ1, φ2, φ3 sind phasenversetzt ansteuerbar und strahlen eine Wellenfront 505 in einem Winkel θ ab.
Allen Phased Array Sensor-Systemen ist gemeinsam, dass ein auf Wellenbasis bestehendes Erregersignal von einer Vielzahl von Elementen aussendbar sind und die an Objekten rückgestreuten Wellen wieder vom Sensor-System detektierbar sind. In den meisten Fällen sind die Elemente zum Erregen auch zum Empfang verwendbar. Aufgrund der Laufzeitunterschiede (ToF: Time of Flight) der rückgestreuten Wellen sind Rückschlüsse auf die Entfernung der Objekte, an welche die Wellen reflektiert wurden, gewinnbar. Ein Vorteil von Array-basierten Sensor-Systemen ist, dass die einzelnen Detektionselemente nicht gleichzeitig von den rückgestreuten Wellen getroffen werden, wie es bei einen Einzelsensor der Fall ist. Aus diesen Zeitunterschieden lassen sich weitere Informationen bezüglich der genauen Objektposition und Größe treffen (z.B. Objektklassifizierung). Neben den Vorteilen der ToF-Messung haben Array-Systeme noch einen weiteren Vorteil einer veränderbaren Richtcharakteristik des Ausgesendeten Schallpegels (beam steering). So hängt insbesondere auch bei auf Schall basierenden Systemen die Form der entstehenden Schallkeule stark von der Größe der Elemente ab, an welchen der Schall erzeugt wird. Die generellen Wirkzusammenhänge sind derart, dass eine unendlich kleine Schallquelle in alle Richtungen gleich stark eine Schallwelle aussendet (Punktquelle). Um einen für Messungen ausreichend starken Schallpegel zu erhalten, ist es notwendig, ausreichend Luftmoleküle zum Bewegen anzuregen, weswegen die Schallerzeugung letztendlich nur an makroskopisch großen Flächen stattfindet. Die Größe der Fläche sollte aber derart gestaltet sein, dass sich die Schallwellen insgesamt aufaddieren und nicht destruktiv interferieren. Hierdurch kommt ein Zusammenhang zwischen Sendefrequenz und respektiv der Wellenlänge sowie die Größe der Emissionsfläche zustande. Bei Einzelsensoren sind die Wirkzusammenhänge so, dass mit kleiner werdender Emissionsfläche die Schallkeule immer größer wird, jedoch die Schallamplitude immer weiter abnimmt. Es ist jedoch bei Array-Systemen möglich, Flächen so anzuordnen, dass Interferenzen gewollt und gesteuert erzeugt werden können. Hierbei ist es fundamental, die einzelnen Senderelemente so zu positionieren, dass diese in definierten Abständen im Bezug zur Wellenlänge auftreten. So ist eine bevorzugte Konfiguration der Abstand d von λ/2 zwischen den Mittelpunkten einzelner Sensorelemente φ1, φ2, φ3. Durch eine ausreichend große Anzahl von Elementen ist es dadurch möglich, eine zielgerichtete und schmale Schallkeule zu generieren, welche entsprechend hohe Schallintensität besitzt. Ein Nachteil bei solchen Array-Anordnungen ist, dass neben der zuvor beschriebenen Hauptschallkeule noch weitere Nebenschallkeulen aufgrund der Interferenzfähigkeiten entstehen.
Ein weiterer Vorteil der Arrays ist, dass die einzelnen Elemente mit Zeit, beziehungsweise Phasenversatz angesteuert werden können (daher der Name Phased Array) und damit die Schallkeule auch in andere Richtungen leitbar beziehungsweise neigbar sind. Hierbei ergibt es sich jedoch, dass abhängig vom dem durch das Phased Array eingestellten Neigungswinkel der Schallkeule zu höheren Winkeln die meist ungewollten Einflüsse der Nebenmaxima zunehmen. Die Intensität der Nebenkeulen könnte durch eine große Anzahl von Elementen wieder reduziert werden, jedoch werden dadurch die Sensorsystem wiederum komplexer und teurer. Wenn nun die Abstände der einzelnen Sensorelemente φ1, φ2, φ3 von den Faktor λ/2 abweichen, erhöhen sich die meist ungewollten Effekte umso mehr und erschweren die Interpretation der tatsächlichen rückgestreuten Wellen. Dennoch ermöglicht dieses Verhalten auch neue Möglichkeiten, da es auch beim Empfang und einer phasenversetzten Auslesung der einzelnen Elemente möglich ist, gezielt auf die Richtcharakteristik einzugehen und somit die ungewollten Effekte zumindest zu minimieren.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Messarrays 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Messarray 105 entspricht oder ähnelt dem in den vorangegangenen 1 und 2 beschriebenen Messarray. Das Messarrays 105 ist ausgebildet, um ein Objekt sensorisch zu erfassen und weist hierfür ein Messelement 400, ein zweites Messelement 605, ein drittes Messelement 610 und ein viertes Messelement 615 auf. Die Messelemente 400, 605, 610, 615 entsprechen oder ähneln dem in der vorangegangenen 4 beschriebenen Messelement und sind jeweils mit einer Membran ausgebildet, die in einem Betriebszustand der Messelemente 400, 605, 610, 615 innerhalb eines Toleranzbereichs gleichmäßig auslenkbar ist. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel das Messelement 400 und das zweite Messelement 605 in einer ersten Zeile 620 angeordnet und das dritte Messelement 610 und das vierte Messelement 615 sind in einer zweiten Zeile 625 angeordnet. Da die erste Zeile 620 und die zweite Zeile 625 parallel zueinander angeordnet sind, sind zugleich das Messelement 400 und das dritte Messelement 610 in einer ersten Spalte 630 angeordnet und das zweite Messelement 605 und das vierte Messelement 615 sind in einer zweiten Spalte 635 angeordnet. Dabei sind die Mittelpunkte der Messelemente 400, 605, 610, 615 in einer Zeile 620, 625 durch einen Spaltenabstand 640 voneinander beabstandet und die Mittelpunkte der Messelemente 400, 605, 610, 615 in einer Spalte 630, 635 sind durch einen Zeilenabstand 645 voneinander beabstandet, wobei der Spaltenabstand 640 sich von dem Zeilenabstand 645 unterscheidet.
Die Messelemente 400, 605, 610, 615 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Ultraschallsensoren ausgebildet, wobei der Spaltenabstand 640 lediglich beispielhaft einer halben Wellenlänge (λ/2) einer von den Messelementen 400, 605, 610, 615 auszusendenden oder zu empfangenden Welle entspricht. Dabei ist der Zeilenabstand 645 in diesem Ausführungsbeispiel größer als der Spaltenabstand 640 und weist einen beispielhaften Wert von 1,2 x λ/2 auf.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Messelemente 400, 605, 610, 615 quadratisch mit einer Größe von 2,5 mm x 2,5 mm ausgeformt. Aufgrund des gegebenen Spaltenabstands 640 und des Zeilenabstands 645 ergibt sich daraus ein Abstand zwischen den Außenkanten der Messelemente 400, 605, 610, 615 zwischen den Zeilen 620, 625 von lediglich beispielhaft 1,82 mm und ein Abstand zwischen den Außenkanten der Messelemente 400, 605, 610, 615 zwischen den Spalten 630, 635 von lediglich beispielhaft 1,1 mm. Durch die matrixartige Anordnung der Elemente ergibt sich daraus eine Gesamtgröße des Messarrays 105 von beispielhaft 6, 1 mm x 6,82 mm.
In einem Ausführungsbeispiel ist die geringe Größe des Messarrays 105 durch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen und beispielhaft MEMS-Elemente ermöglicht.
Zudem ist das Messarray 105 in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Reichweitenperformance von über 5 m zu erreichen, indem eine Arbeitsfrequenz von 48kHz einsetzbar ist. Bei einem Ultraschallsensor sollten keine zu niedrige Frequenzen verwendet werden, da in etwa einem Bereich von 30 kHz verschiedene Störquellen vorherrschen und somit die Funktionalität eines Sensors generell stark stören kann. Zudem steigt bei höheren Frequenzen die Absorption des Schalles in Luft mit steigender Frequenz nichtlinear an. Daher ist der Frequenzbereich auf etwa 30 bis maximal 100kHz einschränkbar.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Messarrays 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Messarray 105 entspricht oder ähnelt dem in den vorangegangenen 1, 2 und 6 beschriebenen Messarray, mit dem Unterschied, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Messelemente 400, 605, 610, 615 jeweils eine rechteckige Form aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Messelemente 400, 605, 610, 615 mit einer jeweiligen Seitenlänge von lediglich beispielhaft 2,5 mm x 3,22 mm ausgeformt. Bei einem Spaltenabstand 640 von λ/2 und einem Zeilenabstand 645 von 1,2 x λ/2 verringert sich in diesem Ausführungsbeispiel Abstand zwischen den Außenkanten der Messelemente 400, 605, 610, 615 zwischen den Zeilen 620, 625 gegenüber der in dem vorangegangenen 6 beschriebenen Messarray auf 1,1 mm. Entsprechend weißt das Messarray 105 in diesem Ausführungsbeispiel eine Gesamtgröße von 6,1 mm x 7, 54 mm auf.
Mit anderen Worten lassen sich die in den 6 und 7 dargestellten Messarray 105 wie folgt beschreiben:

Um unterschiedliche Richtcharakteristiken zu erzielen werden die Sensoren in vertikaler Richtung etwas auseinander gezogen (6). Hierbei kann zur Verstärkung des insgesamt zu erzeugenden Schallpegels auch noch die Sensorflächen vergrößert werden (7). Die Geometrien lassen bei Verwendung der Kolbenbewegung nun zu, einen unterschiedlichen Öffnungswinkel zu generieren und ermöglichen weiterhin eine Beam Steering Funktionalität mit überschaubaren und kalkulierbaren negativen Effekten. Insbesondere können die Effekte durch Wissen der Wirkzusammenhänge bei der Signaldetektion wieder herausgerechnet werden. Bei einer Kolbenbewegung reduziert sich die Größe der Sensoren auf gerade einmal etwa 7.5 mm in vertikaler Richtung und 5.2 mm in horizontaler Richtung, um eine vergleichbare Abstrahlcharakteristik wie ein typischer Ultraschallsensor zu erzeugen.

8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 800 zum Ansteuern eines Messarrays. Das Verfahren 800 umfasst einen Schritt 805 des Ausgebens eines ersten Steuersignals an ein erstes Messelement und eines zweiten Steuersignals an ein zweites Messelement unter Verwendung eines Strahlensteuerungsalgorithmus, um die Messelemente phasenversetzt und zeitversetzt anzusteuern.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 900 zum Auswerten von Messelementen eines Messarrays bereitgestellten Messsignalen. Das Verfahren 900 umfasst einen Schritt 905 des Empfangens eines ersten Messignals von einem ersten Messelement, wobei das erste Messignal eine von dem ersten Messelement erfassten ersten Parameter repräsentiert, und eines zweiten Messignals von einem zweiten Messelement, wobei das zweite Messignal eine von dem zweiten Messelement erfassten zweiten Parameter repräsentiert. Weiterhin weist das Verfahren 900 einen Schritt 910 des Auswertens der Messignale unter Verwendung eines Strahlrichtungsauswertungsalgorithmus auf.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1000 zum Betreiben eines Messarrays. Das Verfahren 1000 umfasst den Schritt 805 des in der vorangegangenen 8 beschriebenen Verfahrens zum Ansteuern und die Schritte 905, 910 des in der vorangegangenen 9 beschriebenen Verfahrens zum Auswerten.
11 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100 mit einem Messarray 105. Das hier dargestellte Messarray 105 entspricht oder ähnelt dem in den vorangegangenen 6 und 7 beschriebenen Messarray. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Messarray 105 von einer Vorrichtung 1100 ansteuerbar. Die Vorrichtung 1100 ist beispielhaft ausgebildet, um unter Verwendung eines Strahlensteuerungsalgorithmus ein erstes Steuersignal 1105 an ein Messelement 400 auszugeben und ein zweites Steuersignal 1110 an ein zweites Messelement 605, um die Messelemente (400, 605) phasenversetzt anzusteuern. Zudem ist die Vorrichtung 1100 in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein erstes Messignal 1115 von dem Messelement 400 zu empfangen, wobei das erste Messignal 1115 einen von dem Messelement 400 erfassten ersten Parameter repräsentiert. Weiterhin ist die Vorrichtung 1100 in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein zweites Messignal 1120 von dem zweiten Messelement 605 zu empfangen, wobei das zweite Messignal 1120 einen von dem zweiten Messelement 605 erfassten zweiten Parameter repräsentiert. Lediglich beispielhaft handelt es sich bei den erfassten Parametern um die Amplitude von erfassten Ultraschallwellen. Die Vorrichtung 1100 ist ausgebildet, um die Messignale 1115, 1120 unter Verwendung eines Strahlrichtungsauswertungsalgorithmus mittels einer Auswerteeinheit 1125 auszuwerten.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Messarray (105) zum sensorischen Erfassen eines Objekts, wobei das Messarray (105) Messelemente (400, 605, 610, 615) umfasst, die zumindest in einer Zeile (620, 625) und zumindest in einer Spalte (630, 635) angeordnet sind, wobei die Messemente jeweils mit einer Membran (410) ausgebildet sind, die in einem Betriebszustand der Messelemente (400, 605, 610, 615) innerhalb eines Toleranzbereichs gleichmäßig und/oder eben auslenkbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Messelemente (400, 605, 610, 615) in einer Zeile (620, 625) durch einen Spaltenabstand (640) voneinander beabstandet sind und die Messelemente (400, 605, 610, 615) in einer Spalte (630, 635) durch einen Zeilenabstand (645) voneinander beabstandet sind, wobei der Spaltenabstand (640) sich von dem Zeilenabstand (645) unterscheidet.
Messarray (105) gemäß Anspruch 1, wobei die Messelemente (400, 605, 610, 615) als Schallsensoren ausgebildet sind, insbesondere als Ultraschallsensoren.
Messarray (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Spaltenabstand (640) einer halben Wellenlänge einer von den Messelementen (400, 605, 610, 615) auszusendenden oder zu empfangenden Welle oder Schwingung entspricht und/oder wobei der Zeilenabstand (645) größer ist als der Spaltenabstand (640).
Messarray (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Membran (410) der Messelemente (400, 605, 610, 615) ausgebildet ist, um im schwingenden Zustand in einem mittleren Bereich mit mindestens einem Viertel der Fläche der Membran (410) eben ausgelenkt zu werden.
Messarray (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messelemente (400, 605, 610, 615) rechteckig und/oder mit geraden Seitenkanten und/oder mit einer Seitenlänge von 2 mm bis 4 mm, insbesondere mit 2,5 mm x 3,22 mm, ausgeformt sind.
Messarray (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messelemente (400, 605, 610, 615) zumindest teilweise piezoelektrischen Elemente und/oder MEMS-Elemente aufweisen.
Verfahren (800) zum Ansteuern eines Messarrays (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (800) folgenden Schritt (805) umfasst: Ausgeben (805) eines ersten Steuersignals (1105) an ein Messelement (400) und eines zweiten Steuersignals (1110) an ein zweites Messelement (605) unter Verwendung eines Strahlensteuerungsalgorithmus, um die Messelemente (400, 605) phasenversetzt und/oder zeitversetzt anzusteuern.
Verfahren (900) zum Auswerten von von Messelementen (400, 605, 610, 615) eines Messarrays (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6 bereitgestellten Messsignalen (1115, 1120), wobei das Verfahren (900) folgende Schritte (905, 910) umfasst: Empfangen (905) eines ersten Messignals (1115) von einem Messelement (400), wobei das erste Messignal (1115) eine von dem Messelement (400) erfassten ersten Parameter repräsentiert, und eines zweiten Messignals (1120) von einem zweiten Messelement (605), wobei das zweite Messignal (1120) eine von dem zweiten Messelement (605) erfassten zweiten Parameter repräsentiert; und Auswerten (910) der Messignale (1115, 1120) unter Verwendung eines Strahlrichtungsauswertungsalgorithmus.
Verfahren (1000) zum Betreiben eines Messarrays (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren (1000) den Schritt (805) des Verfahrens (800) zum Ansteuern gemäß Anspruch 7 und die Schritte (905, 910) des Verfahrens (900) zum Auswerten gemäß Anspruch 8 umfasst.
Vorrichtung (1100), die eingerichtet ist, um die Schritte (805, 905, 910) eines der Verfahren (800; 900; 1000) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 9 in entsprechenden Einheiten (1125) auszuführen und/oder anzusteuern.
Fahrzeug (100) mit einem Messarray (105) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und mit einer Vorrichtung (1100) gemäß Anspruch 10.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (805, 905, 910) eines der Verfahren (800; 900; 1000) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 7 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.