DE102023121262A1

DE102023121262A1 - Bewegungskompensierte abstandserfassung mit gleichzeitigen up-chirp-down-chirp-wellenformen

Info

Publication number: DE102023121262A1
Application number: DE102023121262.1A
Authority: DE
Inventors: Marek Hustava; Tomas Suchy; Pavel KOSTELNIK; Dalibor BARTOS
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2022-08-23
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2024-02-29
Also published as: KR20240027549A; CN117630948A; US20240069192A1

Abstract

Verschiedene Sensoren, Sensorsteuerungen und Erfassungsverfahren sind zur Verwendung in einer Mehrkanalultraschallsensoranordnung geeignet, wie jene, die in Systemen für Parkassistenz, Totwinkelüberwachung und Fahrerassistenz zur Anwendung kommen. Ein veranschaulichendes akustisches Erfassungsverfahren schließt Folgendes ein: Ansteuern eines Schallwandlers, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen Up-Chirp in einem ersten Frequenzband und einen Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband einschließen; Empfangen von Echosignalen als Reaktion auf die akustischen Bursts von dem Wandler; und Verwenden der Echosignale, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen. Ein weiteres akustisches Erfassungsverfahren schließt ein: Ansteuern eines Schallwandlers, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen gleichzeitigen Up-Chirp und Down-Chirp einschließen; Empfangen von Echosignalen als Reaktion auf die akustischen Bursts von dem Wandler; und Verwenden der Echosignale, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf akustische Pulsechoabstandssensoren und insbesondere auf akustische Erfassungsverfahren und Sensorsteuerungen, die akustische Bursts mit kombinierten Up- und Down-Chirps verwenden, um eine bewegungskompensierte Abstandserfassung bereitzustellen.
HINTERGRUND
Moderne Kraftfahrzeuge sind mit einer beeindruckenden Anzahl und Vielfalt von Sensoren ausgestattet. Zum Beispiel sind Autos jetzt routinemäßig mit Ultraschallsensoranordnungen versehen, um den Abstand zwischen dem Auto und in der Nähe befindlichen Personen, Tieren, Fahrzeugen oder Hindernissen zu überwachen. Aufgrund von umgebungsbedingtem „Rauschen“ und Sicherheitsbedenken kann von jedem der Sensoren gefordert werden, Dutzende von Messungen pro Sekunde bereitzustellen, während das Auto in Bewegung ist. Es ist wichtig, dass diese Sensoranordnungen zuverlässig arbeiten.
Mit der zunehmenden Anzahl von Sensoren nimmt auch das Erfordernis zu, dass die Sensoren gleichzeitig betrieben werden, wodurch sich das Risiko von Interferenzen zwischen den Sensoren erhöht. Weil akustische Bursts von mehreren Sensoren gleichzeitig unterwegs sein können, können die Echos von Bursts durch einen ersten Sensor durch andere Sensoren erkannt und fälschlicherweise anderen Bursts zugeordnet werden, was zu falschen Laufzeitbestimmungen und fehlerhaften Abstandsmessungen führt.
Dieses Problem wird zumindest teilweise von den Sensoren und Verfahren des US-Pat. 10,663,568 „Composite acoustic bursts for multi-channel sensing“, angegangen, in dem als Erfinder T. Suchy, M. Kassa, M. Hustava genannt sind, das die Verwendung mehrerer Frequenzbänder lehrt, um den akustischen Bursts quellenspezifische Signaturen bereitzustellen, und das hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Es verbleibt noch Spielraum für weitere Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der Geschwindigkeitsmessung und der Bewegungskompensation, die bisher in einem Mehrkanalsystem mit hoher Messrate nicht erreichbar ist.
KURZDARSTELLUNG
Entsprechend werden hierin verschiedene Sensoren, Sensorsteuerungen und Erfassungsverfahren offenbart, die zur Verwendung in einer Mehrkanalultraschallsensoranordnung wie denjenigen, die in Systemen für Parkassistenz, Totwinkelüberwachung und Fahrerassistenz verwendet werden, geeignet sind. Ein veranschaulichendes akustisches Erfassungsverfahren schließt Folgendes ein: Ansteuern eines Schallwandlers, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen Up-Chirp in einem ersten Frequenzband und einen Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband einschließen; Empfangen von Echosignalen als Reaktion auf die akustischen Bursts von dem Wandler; und Verwenden der Echosignale, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen.
Ein weiteres akustisches Erfassungsverfahren schließt ein: Ansteuern eines Schallwandlers, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen gleichzeitigen Up-Chirp und Down-Chirp einschließen; Empfangen von Echosignalen als Reaktion auf die akustischen Bursts von dem Wandler; und Verwenden der Echosignale, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen.
Eine veranschaulichende Sensorsteuerung schließt Folgendes ein: einen Sender, der mit einem Schallwandler gekoppelt ist, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen Up-Chirp in einem ersten Frequenzband und einen Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband einschließen; einen Empfänger, der mit dem Schallwandler gekoppelt ist, um Echosignale als Reaktion auf die akustischen Bursts zu empfangen; und einen Prozessor, der einen Abstand oder eine Laufzeit von den Echosignalen ableitet.
Eine weitere veranschaulichende Sensorsteuerung schließt Folgendes ein: einen Sender, der einen Schallwandler ansteuert, um akustische Bursts zu senden, die jeweils einen gleichzeitigen Up-Chirp und Down-Chirp einschließen; einen Empfänger, der mit dem Schallwandler gekoppelt ist, um Echosignale als Reaktion auf die akustischen Bursts zu empfangen; und einen Prozessor, der an den Echosignalen arbeitet, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen.
Alle vorgenannten Ausführungsformen können einzeln oder zusammen eingesetzt werden, und sie können ferner eine oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale in jeder geeigneten Kombination einsetzen: 1. Jeder der akustischen Bursts schließt den Up-Chirp ein, dem der Down-Chirp überlagert wird. 2. Das erste und das zweite Frequenzband überlappen nicht. 3. Der Schallwandler unterstützt mehrere Optionen für mindestens eines von dem ersten und dem zweiten Frequenzband, um eine quellenspezifische Signatur für die akustischen Bursts bereitzustellen, die es ermöglicht, dass selbstgenerierte Echosignale von Echosignalen unterschieden werden können, die gleichzeitig von anderen Quellen generiert werden. 4. Das erste Frequenzband ist ein mittleres Band, das durch den Schallwandler unterstützt wird. 5. Das zweite Frequenzband ist ein oberes Band oder ein unteres Band, das durch den Schallwandler unterstützt wird. 6. Bestimmen des Abstands oder der Laufzeit beinhaltet: Korrelieren der Echosignale mit einem Up-Chirp im mittleren Band und mindestens einem von einem Down-Chirp im unteren Band und einem Down-Chirp im oberen Band; Erkennen von Ankunftszeiten, die Up-Chirp- und Down-Chirp-Korrelationsspitzen zugeordnet sind; und Kombinieren der Ankunftszeiten, um eine Dopplerverschiebung oder eine relative Geschwindigkeit eines Ziels zu schätzen. 7. Das Bestimmen beinhaltet ferner das Anpassen der Ankunftszeit, die dem Up-Chirp zugeordnet ist, basierend auf der Dopplerverschiebung oder der relativen Geschwindigkeit des Ziels.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht eines veranschaulichenden Fahrzeugs, das mit Parkassistenzsensoren ausgestattet ist.
2 ist ein Blockdiagramm eines veranschaulichenden Parkassistenzsystems.
3 ist ein Schaltschema eines veranschaulichenden Parkassistenzsensors.
4 ist ein äquivalentes Schaltschema mit veranschaulichendem Senderdetail.
5 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden Durchlassbereichs, der in drei Teile unterteilt ist.
6A-6I zeigen veranschaulichende Multi-Chirp-Wellenformanordnungen.
7 ist ein Funktionsblockdiagramm eines veranschaulichenden Sensors.
8 ist eine Skizze der Geometrie zur Zieltriangulation.
9 ist ein Flussdiagramm für ein veranschaulichendes Erfassungsverfahren.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung der Offenbarung bereitgestellt werden. Mit anderen Worten stellen sie die Grundlage für einen Durchschnittsfachmann bereit, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu verstehen, die in den Schutzumfang der Ansprüche fallen.
Zur Kontextbereitstellung zeigt 1 ein veranschaulichendes Fahrzeug 102, das mit einem Satz von Ultraschallparkassistenzsensoren 104 ausgestattet ist. Die Anzahl und Konfiguration von Sensoren in der Sensoranordnung ist variabel, und es wäre nicht ungewöhnlich, an jedem Stoßfänger sechs Sensoren und zwei zusätzliche Sensoren auf jeder Seite für Totwinkeldetektoren auf jeder Seite zu haben. Das Fahrzeug kann die Sensoranordnung zum Erkennen von Objekten in den verschiedenen Erkennungszonen, Messen ihrer Abstände, Richtungen und Bewegungen einsetzen, wobei es die Sensoren sowohl für Einzelmessungen als auch für zusammenwirkende (z. B. Triangulations-, Mehrempfänger-) Messungen verwendet.
Die Ultraschallsensoren sind vorzugsweise Transceiver, was bedeutet, dass jeder Sensor Ultraschall-Bursts senden und empfangen kann. Emittierte Bursts breiten sich vom Fahrzeug nach außen aus, bis sie auf ein Objekt oder eine andere Form von akustischer Impedanzfehlanpassung treffen und diese reflektieren. Die reflektierten Bursts kehren als „Echos“ der emittierten Bursts zu dem Fahrzeug zurück. Die Zeiten zwischen den emittierten Bursts und empfangenen Echos geben die Abstände zu den Reflexionspunkten an. Wenn sich das Objekt relativ zu dem Fahrzeug bewegt, führt diese Bewegung eine Dopplerverschiebung ein, die die Geschwindigkeit des Objekts angeben kann. In vielen Systemen sendet immer nur jeweils ein Sensor, obwohl alle Sensoren dazu ausgelegt sein können, die resultierenden Echos zu messen. Die vorliegende Offenbarung sieht jedoch einen Weg vor, um mehrere gleichzeitige Übertragungen durch die Verwendung eines Mehrbandbetriebs zu unterstützen, um den akustischen Bursts unverwechselbare quellenspezifische Signaturen bereitzustellen.
2 zeigt eine elektronische Steuereinheit (ECU) 202, die mit den verschiedenen Ultraschallsensoren 204 als Zentrum einer Sterntopologie gekoppelt ist. Selbstverständlich sind andere Topologien, einschließlich serieller, paralleler und hierarchischer (Baum-)Topologien, ebenfalls geeignet und werden zur Verwendung gemäß den hierin offenbarten Prinzipien in Betracht gezogen. Um eine automatisierte Parkassistenz bereitzustellen, kann die ECU 202 ferner mit einer Gruppe von Aktoren verbunden sein, wie mit einem Fahrtrichtungsanzeigeaktor 206, einem Lenkungsaktor 208, einem Bremsaktor 210 und einem Gaspedalaktor 212. Die ECU 202 kann ferner mit einer benutzerinteraktiven Schnittstelle 214 koppeln, um eine Benutzereingabe anzunehmen und eine Anzeige der verschiedenen Messungen (einschließlich des Vorhandenseins von und/oder Abstands zu in der Nähe befindlichen Objekten) und Systemstatus bereitzustellen. Unter Verwendung der Schnittstelle, der Sensoren und Aktoren kann die ECU 202 automatisiertes Einparken, assistiertes Einparken, Spurwechselassistenz, Hindernis- und Totwinkel-Erkennung, Kollisionsvermeidung und andere wünschenswerte Merkmale bereitstellen.
Eine potenzielle Sensorkonfiguration wird nun Bezug nehmend auf 3 und 4 beschrieben. In der Praxis können die Sensoren eine beliebige von einer Anzahl von geeigneten Kommunikations- und Stromversorgungstechniken, wie die in den DSI3-, LIN- und CAN-Standards bereitgestellten, einsetzen. Einige dieser Standards unterstützen eine Datenkommunikation über die Stromleiter oder über mehrere Busleiter. In der veranschaulichten Ausführungsform von 3 ist jedoch die Sensorsteuerung 302 nur mit zwei Stromanschlüssen (Vbat und GND) und einer einzigen Eingangs-/Ausgangsleitung („E/A-Leitung“ oder „EA-Leitung“) zur bidirektionalen Kommunikation mit der ECU 202 verbunden.
Die Sensorsteuerung 302 schließt eine E/A-Schnittstelle 303 ein, die, wenn sie sich in einem rezessiven Modus befindet, die E/A-Leitung auf eine Kommunikation von der ECU 202 überwacht, und, wenn sie sich in einem dominanten Modus befindet, die E/A-Leitung ansteuert, um Messungen oder andere Informationen zu der ECU 202 zu senden.
Die Sensor-Steuerung 302 schließt eine Core-Logik 304 ein, die entsprechend in nichtflüchtigem Speicher 305 gespeicherter Firmware und Parametern arbeitet, um nach Befehlen von der ECU zu suchen und die entsprechenden Operationen auszuführen, einschließlich der Übertragung und des Empfangs von Ultraschall-Bursts. Um einen Ultraschall-Burst zu senden, ist die Core-Logik 304 an einen Sender 306 gekoppelt, der einen Satz von Sendeanschlüssen an der Sensorsteuerung 302 ansteuert. Die Sendeanschlüsse sind über einen Transformator M1 an ein piezoelektrisches Element PZ gekoppelt. Der Transformator M1 transformiert die Spannung von der Sensorsteuerung (z. B. 12 Volt) auf einen geeigneten Pegel zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements (z. B. dutzende Volt) hoch. Das piezoelektrische Element PZ hat eine Resonanzfrequenz, die mit einem parallelen Kondensator C3 auf einen wünschenswerten Wert (z. B. 48 kHz) abgestimmt ist, und hat einen Resonanzqualitätsfaktor (Q), der mit einem parallelen Widerstand R1 abgestimmt ist. Ein veranschaulichender Zweck des Abstimmkondensators und Abstimmwiderstands besteht darin, die parallele Resonanzfrequenz auf einen Wert nahe der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements abzustimmen. (Wenngleich hier eine Ultraschallfrequenz als Beispiel vorgesehen ist, kann jede für eine Burst-Ausbreitung geeignete akustische Frequenz eingesetzt werden.)
Bei Verwendung in diesem Dokument schließt der Begriff „piezoelektrischer Transducer“ nicht nur das piezoelektrische Element, sondern auch die unterstützenden Schaltungselemente zum Ansteuern und Abstimmen des piezoelektrischen Elements und Empfangen von diesem ein. In der veranschaulichenden Ausführungsform sind diese unterstützenden Elemente der Transformator M1, der Abstimmwiderstand und der Abstimmkondensator und die DC-Trennkondensatoren. Optional können auch die Ausgangs- und Eingangskapazität des Senders 306 bzw. Verstärkers 308 als parasitäre Eigenschaften der unterstützenden Schaltungselemente, die als Teil des Transducers betrachtet werden, eingeschlossen werden. Jedoch erfordert die Verwendung des Begriffs „piezoelektrischer Transducer“ nicht notwendigerweise das Vorhandensein von unterstützenden Schaltungselementen, weil ein piezoelektrisches Element allein, ohne solche unterstützenden Elemente, eingesetzt werden kann.
Ein Paar DC-Trennkondensatoren C1, C2 koppelt das piezoelektrische Element an das Paar Empfangsanschlüsse der Sensorsteuerung, um vor hohen Spannungen zu schützen. Weiterer Schutz wird mit internen Spannungsklemmen an den Empfangsanschlüssen bereitgestellt. Dieser Schutz kann für die Intervalle gewünscht sein, wenn das piezoelektrische Element sendet. Da die empfangenen Echosignale in der Regel im Millivolt- oder Mikrovoltbereich liegen, verstärkt ein rauscharmer Verstärker 308 das Signal von den Empfangsanschlüssen. Das verstärkte Empfangssignal wird durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) 310 mit integriertem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert und verarbeitet.
Der DSP 310 wendet programmierbare Verfahren an, um die Betätigungsdauer des piezoelektrischen Wandlers während der Übertragung eines Bursts (einschließlich der nachfolgenden Nachhall- oder „Schwing“-Dauer) zu messen und den Zeitpunkt von empfangenen Bursts oder „Echos“ zu erkennen und zu messen. Diese Verfahren können Filtern, Korrelation, Schwellwertvergleiche, Mindestintervalle, Spitzenerkennungen, Nulldurchgangserkennung und -zählung, Rauschpegelbestimmungen und andere anpassbare Techniken, die zum Verbessern von Zuverlässigkeit und Genauigkeit vorgesehen sind, einsetzen. Der DSP 310 kann das verstärkte Empfangssignal weiterverarbeiten, um Eigenschaften des Wandlers, wie Resonanzfrequenz und Qualitätsfaktor, zu analysieren, und kann ferner Wandlerfehlerzustände erkennen.
Einige Fehlerzustände können z. B. durch eine zu kurze Betätigungsdauer angegeben sein (die auf einem getrennten oder defekten Wandler, unterdrückter Schwingung oder dergleichen beruhen kann), während andere durch eine zu lange Betätigungsdauer angegeben sein können (Fehlmontage, unzureichender Dämpfungswiderstand oder dergleichen). Zusätzlich zu den Wandlerfehlerzuständen, die durch den DSP 310 erkannt werden können, kann die Core-Logik andere Sensorfehlerzustände überwachen, wie eine „Unterspannung“ oder „Überspannung“ der Versorgungsspannung beim Senden eines Ultraschall-Bursts, eine thermische Abschaltung des Senders, einen Gerätefehler, eine unvollständige Einschaltrücksetzung oder dergleichen. Die Core-Logik 304 kann mehrere dieser Wandlerfehlerzustände und Fehlerzustände erkennen und klassifizieren, wobei sie die geeigneten Fehlercodes in internen Registern oder dem nichtflüchtigen Speicher 305 speichert. Über die E/A-Leitung empfangene Befehle veranlassen die Kernlogik 304 dazu, den Sender und Empfänger zu betreiben und die Messergebnisse über die E/A-Leitung an die ECU 202 bereitzustellen, potenziell begleitet von Status-Bits oder Fehlercodes.
4 ist ein Schaltschema, in dem das piezoelektrische Element PZ durch eine äquivalente Schaltungsdarstellung eines parallelen Kondensators CP, der parallel mit einer Serienkombination eines Serieninduktors LS, eines Serienkondensators CS und eines Serienwiderstands RS gekoppelt ist, ersetzt ist. Die Serienkombination stellt die mechanische Einwirkung des piezoelektrischen Elements dar, wobei RS den Energieverlust des Elements darstellt (der während des normalen Betriebs hauptsächlich auf der abgestrahlten akustischen Energie beruht). 4 stellt außerdem zusätzliche Details für eine veranschaulichende Implementierung des Senders 306 bereit.
Während der Ansteuerungsstufe des Sendens eines akustischen Bursts ist der Schalter 402 geschlossen, wobei eine Versorgungsspannung VBB an eine mittlere Anzapfung an der Primärwicklung des Transformators M1 gekoppelt wird. Die Stromquellen 101 und 102 führen Strom abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen von der mittleren Anzapfung zu den Endanzapfungen an der Primärwicklung des Transformators M1, wobei eine Wechselspannung VX an der Sekundärwicklung des Transformators M1 erzeugt wird. Die Sekundärspannung VX ist an die Anschlüsse des piezoelektrischen Elements PZ gekoppelt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Windungsverhältnis des Transformators M1 die alternierende Sekundärspannung VX direkt proportional zu der Summe der Primärwicklungsspannungen VO1 und VO2 macht. Folglich kann die Spannung zwischen den Anschlüssen des piezoelektrischen Elements durch ein Messen der Spannungen an Primärwicklungen bestimmt werden, wenngleich die Messung in der nachstehenden Erörterung als über die Sekundärwicklung durchgeführt beschrieben wird.
Wenn die Ansteuerungsstufe des Sendens eines akustischen Bursts vollständig ist, wird der Schalter 402 geöffnet. Der piezoelektrische Wandler hallt nach der Ansteuerungsstufe weiter nach, wobei die Nachhallamplitude allmählich abfällt. Es ist häufig gewünscht, die Länge dieser Nachhallstufe zu minimieren, und entsprechend kann eine Anzahl von Dämpfungstechniken wie in der öffentlichen Literatur beschrieben eingesetzt werden. In der veranschaulichten Implementierung sind die Schalter 404 und 406 geschlossen, wobei der Wandler tatsächlich „kurzgeschlossen“ wird, indem ein niederohmiger Pfad zwischen den Anzapfungen der Primärwicklung des Transformators geschaffen wird. Sobald der Nachhall angemessen gedämpft ist, können die Schalter 404 und 406 geöffnet werden, um es dem Verstärker 308 zu ermöglichen, mit dem Erfassen von Signalmessungen zu beginnen.
Wenn mehrere Sensoren parallel arbeiten, können mehrere akustische Bursts gleichzeitig übertragen werden. Sensoren, die aktiv auf Echos hören, können nicht nur selbstgenerierte Echosignale empfangen, sondern auch Echos, die durch Bursts anderer Sensoren verursacht werden. Um es jedem Sensor zu ermöglichen, selbst erzeugte Echos von potenziell störenden Echos von anderen Quellen zu unterscheiden, erzeugen die Sensoren ihre Bursts vorzugsweise mit unterscheidbaren Signaturen.
5 ist ein Diagramm eines Durchlassbereichs 501 für einen veranschaulichenden piezoelektrischen Wandler. In mindestens einigen Ausführungsformen beträgt die 3dB-Breite des Durchlassbereichs ungefähr 6 kHz. (Die Mittenfrequenz variiert und kann in der Regel im Bereich von 25 kHz bis 75 kHz liegen.) Der Durchlassbereich kann in Bänder geteilt sein, einschließlich eines mittleren Bands (CB), das innerhalb des Durchlassbereichs 501 zentriert ist und ungefähr die Hälfte davon einnimmt, d. h., es wird ein Signalspektrum 502 mit einer 3dB-Bandbreite von ungefähr 3 kHz aufgenommen. Ein unteres Band (LB) kann an dem unteren 3dB-Punkt des Durchlassbereichs 501 zentriert sein, sodass der Durchlassbereich ein oberes Seitenband eines Signalspektrums 503 mit geeigneter Trennung von dem CB-Spektrum 502 aufnimmt. In ähnlicher Weise kann ein oberes Band (UB) an dem oberen 3dB-Punkt des Durchlassbereichs zentriert sein, sodass der Durchlassbereich 501 ein unteres Seitenband eines Signalspektrums 504 aufnimmt, auch hier mit geeigneter Trennung von dem CB-Spektrum 502. (Mindestens eine gewisse Bandtrennung ist gewünscht, um Dopplerverschiebungen aufgrund einer Bewegung der Sensoren zu ermöglichen.) Jedes der Spektren 502, 503, 504 kann zunächst dieselbe 3-kHz-Bandbreite aufweisen, wenngleich erwartet wird, dass die unausgeglichene Dämpfung des Durchlassbereichs die Signalspektren in den oberen und unteren Bändern verzerrt.
Jeder der Sensoren kann sich primär auf die Energie akustischer Bursts in dem mittleren Band stützen, um Laufzeitmessungen aufzunehmen, wobei er das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Energie im oberen und im unteren Band dazu verwendet, die Bursts nach der Quelle zu unterscheiden.
Bestimmte betrachtete Sensorausführungsformen verwenden Multi-Chirp-Wellenformen für die akustischen Bursts. Chirp-Wellenformen weisen eine Frequenz auf, die während der Dauer des Bursts variiert. In einem Up-Chirp nimmt die Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit zu, während in einem Down-Chirp die Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit abnimmt. Lineare Chirps, d. h. diese Wellenformen weisen eine Frequenz auf, die linear mit der Zeit variiert, weisen ein charakteristisches Verhalten auf, wenn sie von einem sich bewegenden Objekt reflektiert werden. Ein sich bewegendes Objekt bewirkt, dass ein reflektierter Chirp aufgrund des Doppler-Effekts eine Frequenzverschiebung aufweist. Objekte, die sich in Richtung des Sensors bewegen, verschieben die Chirp-Frequenz nach oben, während Objekte, die von dem Sensor zurückgehen, die Chirp-Frequenz nach unten verschieben. Wenn die Geschwindigkeit des Objekts relativ zur Schallgeschwindigkeit klein ist, ist die Änderung der Frequenz ungefähr proportional zur Geschwindigkeit v: $Δ f ≅ v \frac{f_{0}}{c}$
wobei f₀ die Frequenz der einfallenden Wellenform und c die Schallgeschwindigkeit ist. (Oft ist die Änderung der Chirp-Frequenz relativ zu der durchschnittlichen Chirp-Frequenz klein, was eine genaue Annäherung ermöglicht, selbst wenn f₀ als Konstante behandelt wird.) Da die Chirp-Frequenz über die Zeit linear variiert, erkennt der Sensor die Frequenzverschiebung als eine Verschiebung in der Ankunftszeit des Echosignals: $Δ t = - Δ f \frac{T}{B} ≅ - v \frac{f_{0}}{c} \frac{T}{B}$
wobei B die Bandbreite des Chirps ist und T die Dauer des Chirps ist, sodass B/T die Steigung der linearen Frequenzvariation für den Up-Chirp ist. Somit bewirkt ein Objekt, das sich in Richtung des Sensors bewegt, eine „frühzeitige“ Erkennung des Echos, was möglicherweise bewirkt, dass das Objekt näher erscheint, als es tatsächlich ist. Die Steigung der Frequenzänderung für den Down-Chirp ist negativ, was eine positive Zeitverschiebung bewirkt, was zu einer „späten“ Erkennung des Echos führt, sodass das Objekt weiter entfernt erscheinen kann, als es tatsächlich ist.
Wenn eine Wellenform einen Up-Chirp mit einem Down-Chirp kombiniert, ermöglicht dieses charakteristische Verhalten dem Sensor eine Abschätzung der relativen Geschwindigkeit eines Ziels und das Bereitstellen einer bewegungskompensierten Abstandsmessung. Wenn die Up-Chirp- und Down-Chirp-Steigungen gleiche Größe aufweisen, kann der Sensor eine Laufzeit t_u für den Up-Chirp bestimmen, eine Laufzeit t_d für den Down-Chirp bestimmen und sie voneinander subtrahieren, um die Zeitverschiebung und die zugehörige Objektgeschwindigkeit zu erhalten: $t_{u} - t_{d} = 2 Δ t ≅ - 2 v \frac{f_{0}}{c} \frac{T}{B}$
Der Koeffizient ist unterschiedlich, wenn die Up-Chirp-Steigung und die Down-Chirp-Steigung nicht gleich sind. Nachdem die Zeitverschiebung bestimmt wurde, kann der Sensor sie dann mit der gemessenen Laufzeit kombinieren, um einen bewegungskompensierten Abstand D zu erhalten: $D = c (t_{u} - Δ t)$
6A-6I zeigen veranschaulichende Multi-Chirp-Wellenformen, die verwendet werden können, um akustische Bursts zu generieren, die die Verwendung der vorstehenden Grundsätze ermöglichen. 6A zeigt eine Wellenform, die einen Down-Chirp im unteren Band aufweist, der einem Up-Chirp im mittleren Band vorausgeht. Diese Reihenfolge wird in 6B umgekehrt, wobei der Up-Chirp im mittleren Band dem Down-Chirp im unteren Band vorausgeht. Vorzugsweise wird der Up-Chirp im mittleren Band jedoch gleichzeitig mit dem Down-Chirp im unteren Band gesendet, wie in 6C gezeigt. Diese gleichzeitige Übertragung halbiert zwar die Dauer des akustischen Bursts, hat aber zur Folge, dass die Chirp-Wellenformen überlagert werden, wodurch möglicherweise die Wellenformamplitude verdoppelt wird. Die Verdoppelung der Wellenformamplitude kann den Wandler potenziell sättigen, wodurch nichtlineare Effekte und anderes unerwünschtes Verhalten verursacht werden. Es wurde festgestellt, dass die einzelnen Chirp-Wellenformen auf die Hälfte der maximalen Signalgröße begrenzt werden können, während immer noch die gewünschte Sensorreichweite und die Genauigkeit bei der frühzeitigen Prüfung erreicht werden, sodass die Überlagerung der Chirp-Wellenformen die maximale Signalamplitude nicht überschreitet. Wenn also beispielsweise der maximale Senderansteuerungsstrom 500 mA beträgt, können die einzelnen Chirp-Signale jeweils auf 250 mA begrenzt sein. Es ist ferner zu beachten, dass der kürzere Burst die Messleistung bei kurzen Abständen verbessert und die Verlustleistung auf dem Chip reduziert, was eine schnellere Messwiederholung ermöglicht (reduzierte Zeit zwischen Messungen).
6D zeigt eine Wellenform mit einem Down-Chirp im mittleren Band, der einem Up-Chirp im mittleren Band vorausgeht, und die Reihenfolge ist in 6E umgekehrt.
6F zeigt eine Wellenform mit gleichzeitig übertragenem Up-Chirp und Down-Chirp im mittleren Band, wodurch eine wünschenswerte Halbierung der Dauer des akustischen Bursts erreicht wird. Es ist anzumerken, dass der Up-Chirp und der Down-Chirp, da sie dasselbe Frequenzband gemeinsam nutzen, nicht mit Bandpassfilterung getrennt werden können, ohne die die Messungen aufgrund der begrenzten Wandlerbandbreite erhöhtes Übersprechen aufweisen können.
6G zeigt einen Down-Chirp im oberen Band, der einem Up-Chirp im mittleren Band vorausgeht, während in 6H ihre Reihenfolge umgekehrt ist. 61 zeigt die gleichzeitige Übertragung des Down-Chirps im oberen Band mit dem Up-Chirp im mittleren Band. Die Bandpassfilterung ermöglicht eine hervorragende Trennung der Up-Chirp- und Down-Chirp-Antworten.
Jede der in 6A-6I gezeigten Wellenformen schließt einen Up-Chirp im mittleren Band ein. Die Platzierung des Down-Chirp (unteres Band, mittleres Band, oberes Band) ermöglicht das Unterscheiden der akustischen Bursts aus unterschiedlichen Quellen. Es ist zu beachten, dass das mittlere Band alternativ oder zusätzlich für einen Down-Chirp in Kombination mit einem Up-Chirp in einem der anderen Bänder verwendet werden kann. Sicherheitserwägungen können eine Präferenz für die Verwendung eines Up-Chirp im mittleren Band nahelegen, da der Up-Chirp eine frühzeitige Warnung vor sich nähernden Objekten in dem Band ermöglicht, die eine zuverlässigere Erkennung und eine bessere Reichweite bereitstellt.
Um die vorstehenden Grundsätze zu nutzen, können die Kernlogik und die DSP-Schaltlogik von 3-4 eine Reihe von Funktionsblöcken wie die in 7 gezeigten implementieren. Eine Sensorschnittstelle 702 kommuniziert mit einer Systemsteuerung, um Befehle zu empfangen, Messungen zu initiieren und Messergebnisse zu kommunizieren. Wenn eine Messung eingeleitet wird, erzeugt ein Chirp-Generator 704 eine der vorstehenden Multi-Chirp-Wellenformsignale, die durch ein Kanalauswahlregister 706 ausgewählt werden, das vorgibt, welche Frequenzbänder von dem Sensor verwendet werden, und die Reihenfolge oder Überlagerung des Up-Chirp und Down-Chirp vorgibt. Der Generator 704 stellt das ausgewählte Multi-Chirp-Wellenformsignal einem Sendetreiber 708 bereit, der den Schallwandler 710 ansteuert, um einen akustischen Burst mit der ausgewählten quellenspezifischen Signatur zu erzeugen. Wenn der Schallwandler 710 Echos empfängt, verstärkt, filtert und digitalisiert eine Empfängerschaltung 712 das Empfangssignal. Ein Satz von Korrelatoren 714 wirkt auf das digitalisierte Empfangssignal ein, um Korrelationsspitzen bereitzustellen, wenn das Empfangssignal einen Down-Chirp im unteren Band, einen Up-Chirp im mittleren Band und einen Down-Chirp im oberen Band einschließt. Ein Spitzendetektor 716 erkennt die Ankunftszeit oder Laufzeit für beliebige Korrelationsspitzen über einem programmierbaren Schwellenwert und kann optional beliebige Spitzen herausfiltern, die nicht mit der durch das Kanalauswahlregister spezifizierten Beziehung übereinstimmen, z. B. eine überlagerte Up-Chirp- und Down-Chirp-Wellenform, da solche Spitzen nicht von selbstgenerierten Echos stammen. Alternative Ausführungsformen können stattdessen einen Flankendetektor oder eine bestimmte Variation davon verwenden, um die Ankunftszeit oder Laufzeit zu bestimmen. Einige betrachtete Ausführungsformen stellen Messungen für Spitzenkombinationen bereit, die verschiedenen Quellensignaturen entsprechen, die innerhalb des Systems verwendet werden.
Ein Signalprozessor 718 kombiniert die Up-Chirp- und Down-Chirp-Zeiten, um mindestens die Zeitverschiebung und möglicherweise die zugehörige Dopplerverschiebung oder die entsprechende Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Die Messschaltung bestimmt ferner einen Abstand zum Ziel, wobei vorzugsweise die Zeitverschiebung mit der Laufzeit kombiniert wird, die von dem Up-Chirp abgeleitet ist, um sicherzustellen, dass die Abstandsmessung bewegungskompensiert ist. Der Signalprozessor 718 kann aufeinanderfolgende Messungen kombinieren, um die Genauigkeit zu erhöhen. Die Schnittstelle 702 kommuniziert die Messungen an die Systemsteuerung.
In einer anderen in Betracht gezogenen Ausführungsform werden die Korrelatorausgaben für eine ECU bereitgestellt, die eine zusätzliche Signalverarbeitung bereitstellt, um die Zuverlässigkeit (z. B. Rauschunterdrückung) zu verbessern, und Messungen von mehreren Kanälen kombiniert, um die Flexibilität zu erhöhen (z. B. durch Verbessern der Kanaltrennung oder Triangulieren, um eine Hindernisposition zu bestimmen). 8 zeigt eine veranschaulichende Geometrie zur Triangulation, wobei A den Abstand zwischen Schallsensoren darstellt, B und C die durch den ersten und den zweiten Sensor gemessenen Abstände darstellen, und γ die Richtung des Ziels von dem ersten Sensor aus darstellt. Beim Empfangen von Abstandsmessungen von jedem der Sensoren kann die ECU die Zielrichtung von dem ersten Sensor aus berechnen als: $γ = c o s^{- 1} (\frac{A^{2} + B^{2} - C^{2}}{2 A B})$
Eine ähnliche Berechnung stellt die Richtung von dem zweiten Sensor aus bereit. Mit diesen Richtungen kann die ECU ferner die von den beiden Sensoren gemessenen Geschwindigkeiten kombinieren, um eine zweidimensionale Zielgeschwindigkeit relativ zu dem Fahrzeug zu bestimmen.
9 ist ein Flussdiagramm für ein veranschaulichendes Erfassungsverfahren. Es beginnt in Block 902 damit, dass die Steuerlogik oder Schnittstelle einen Messbefehl oder eine andere Angabe erkennt, dass eine Messung durchgeführt werden soll. In Block 904 sendet der Sensor einen Multi-Chirp-Burst wie zuvor beschrieben, und öffnet ein Messfenster, indem er ein Freigabesignal bestätigt. In Block 906 erfasst der Sensor ein Empfangssignal, das potenziell Echos des Multi-Chirp-Bursts einschließt. In Block 908 filtert der Sensor die Empfangssignale, um Echos mit den geeigneten Burst-Signaturen zu erkennen. In Block 910 bestimmt der Sensor die Laufzeit für Echos mit den geeigneten Burst-Signaturen. In Block 912 kombiniert der Sensor die gemessene Laufzeit für einen Up-Chirp und Down-Chirp, um eine Zeitverschiebung oder geschätzte Geschwindigkeit zu erhalten. In Block 914 verwendet der Sensor die Zeitverschiebung oder kombiniert anderweitig die Up- und Down-Chirp-Laufzeitmessungen, um eine bewegungskompensierte Abstandsmessung zu bestimmen, wobei optional mehrere Messungen kombiniert werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. In Block 916 verwendet der Sensor die neuesten Messungen, um Registerwerte in Bezug auf den Abstand/die Bewegung von Reflektoren zu aktualisieren. Der Verfahrensfluss kehrt zu Block 902 zurück, aber die Messungen werden an die ECU oder eine andere Systemsteuerung übermittelt, die in Block 918 Messungen von mehreren Sensoren verwendet, um die Richtung des Reflektors zu bestimmen. Es ist zu beachten, dass die mehreren Sensoren unterschiedlichen Typen angehören können. Zum Beispiel können die Schallsensormessungen mit Messungen von Radar, Lidar und/oder Video sowie Positions- und Bewegungssensoren für das Fahrzeug kombiniert werden. In Block 920 wertet die Steuerung die Abstände, Richtung und relative Bewegung der Ziele aus, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Aktion erforderlich ist, z. B. Ausgabe einer Warnung, Ansteuern eines Brems- oder Lenkungsaktors oder anderweitig Implementieren des gewünschten assistierten Fahrens.
Die vorstehenden Absätze offenbaren unter anderem die Verwendung von Seitenbändern, um eine Mehrkanalcodierung für Ultraschallsensoren bereitzustellen, wodurch eine starke Unterdrückung von Übersprechen zwischen Sensoren erreicht wird. Weil separate Frequenzbänder zum Messen der Laufzeit und Codieren der Quellidentität verwendet werden, kann jeder Sensor dieselbe Abstandsleistung wie ein Einzelsensorsystem ohne Auflösungsverlust erreichen, wodurch für alle Sensoren gleiche Größen und eine äquivalente Leistung in Bezug auf Dopplerverschiebungen bereitgestellt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Systemsteuerung, Informationen von verschiedenen Sensoren zuverlässig zu kombinieren, wodurch die Leistung des Systems in ihrer Gesamtheit verbessert wird.
Obwohl die in 9 gezeigten und beschriebenen Operationen zum Zweck der Erläuterung als sequenziell behandelt werden, kann das Verfahren in der Praxis durch mehrere gleichzeitig arbeitende Komponenten einer integrierten Schaltung ausgeführt werden, und vielleicht sogar spekulativ, um Out-of-order-Operationen zu ermöglichen. Die sequenzielle Erörterung soll nicht einschränkend sein. Des Weiteren können bei den vorstehenden Ausführungsformen verkomplizierende Faktoren, wie zum Beispiel parasitäre Impedanzen, strombeschränkende Widerstände, Pegelwandler, Klemmleisten usw., ausgelassen sein, die vorliegen können, aber den Betrieb der offenbarten Schaltungen nicht nennenswert beeinflussen. Darüber hinaus lag der Fokus der vorstehenden Erörterungen auf Ultraschallsensoren, aber die Prinzipien sind auf alle Akustiksensoren oder andere Impuls-Echo-Transducer anwendbar, die einander potenziell stören können, wenn sie parallel betrieben werden. Diese und zahlreiche weitere Modifikationen, Äquivalente und Alternativen werden für den Fachmann ersichtlich, nachdem die vorstehende Offenbarung völlig verstanden ist. Die folgenden Ansprüche sollen so interpretiert werden, dass sie gegebenenfalls alle derartigen Modifikationen, Äquivalente und Alternativen einbeziehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10663568 [0004]

Claims

Akustisches Erfassungsverfahren, das Folgendes umfasst: Ansteuern eines Schallwandlers, um akustische Bursts zu senden, wobei jeder akustische Burst einen gleichzeitigen Up-Chirp und Down-Chirp einschließt, oder jeder akustische Burst einen Up-Chirp in einem ersten Frequenzband und einen Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband einschließt; Empfangen von Echosignalen als Reaktion auf die akustischen Bursts von dem Wandler; und Verwenden der Echosignale, um einen Abstand oder eine Laufzeit von dem Wandler zu bestimmen.
Akustisches Erfassungsverfahren nach Anspruch 1, wobei jeder der akustischen Bursts den Up-Chirp einschließt, dem der Down-Chirp überlagert ist.
Akustisches Erfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Up-Chirp in einem ersten Frequenzband gesendet wird und der Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband gesendet wird.
Akustisches Erfassungsverfahren nach Anspruch 3, wobei der Schallwandler mehrere Optionen für mindestens eines von dem ersten und dem zweiten Frequenzband unterstützt, um eine quellenspezifische Signatur für die akustischen Bursts bereitzustellen, die es ermöglicht, dass selbstgenerierte Echosignale von Echosignalen unterschieden werden können, die gleichzeitig von anderen Quellen erzeugt werden.
Akustisches Erfassungsverfahren nach Anspruch 4, wobei das erste Frequenzband ein mittleres Band ist, das durch den Schallwandler unterstützt wird, und wobei das zweite Frequenzband ein oberes Band oder ein unteres Band ist, das durch den Schallwandler unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieses Verwenden einschließt: Korrelieren der Echosignale mit einem Up-Chirp und mit einem Down-Chirp; Erkennen von Ankunftszeiten, die Up-Chirp- und Down-Chirp-Korrelationsspitzen zugeordnet sind; und Kombinieren der Ankunftszeiten, um eine Dopplerverschiebung oder eine relative Geschwindigkeit eines Ziels zu schätzen.
Sensorsteuerung, umfassend: einen Sender, der mit einem Schallwandler gekoppelt ist, um akustische Bursts zu senden, wobei jeder akustische Burst einen gleichzeitigen Up-Chirp und Down-Chirp einschließt, oder jeder akustische Burst einen Up-Chirp in einem ersten Frequenzband und einen Down-Chirp in einem zweiten Frequenzband einschließt; einen Empfänger, der mit dem Schallwandler gekoppelt ist, um Echosignale als Reaktion auf die akustischen Bursts zu empfangen; und einen Prozessor, der einen Abstand oder eine Laufzeit von den Echosignalen ableitet.
Sensorsteuerung nach Anspruch 7, wobei jeder der akustischen Bursts den Up-Chirp einschließt, dem der Down-Chirp überlagert ist, wobei sich der Up-Chirp in dem ersten Frequenzband und der Down-Chirp in dem zweiten Frequenzband befindet.
Sensorsteuerung nach Anspruch 8, wobei sich das erste und das zweite Frequenzband nicht überlappen.
Sensorsteuerung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Sensorsteuerung mehrere Optionen unterstützt, bei denen mindestens eines von dem ersten und dem zweiten Frequenzband eine sensorspezifische Signatur für die akustischen Bursts bereitstellt, die es ermöglicht, dass selbstgenerierte Echosignale von Echosignalen unterschieden werden können, die gleichzeitig von anderen Sensoren generiert werden.