DE10225614A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Ultraschall-Abstandssensors - Google Patents

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines als Abstandssensor dienenden Ultraschallwandlers, der zum Betrieb sowohl als Sender als auch als Empfänger ausgebildet ist und mittels dem der Abstand eines Messobjekts aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmbar ist und die Schaltungsanordnung den Ultraschallwandler zum aufeinanderfolgenden Aussenden von Ultraschallimpulsen unterschiedlicher Frequenz veranlasst.

Description

• Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines als Abstandssensor dienenden Ultraschallwandlers nach der Gattung des Hauptanspruchs.
• Es ist bekannt, derartige Ultraschallwandler durch Verwendung geeigneter Dämpfungsmaterialien so auszubilden, dass die Schwingmembran des Ultraschallwandlers nach möglichst kurzer Zeit ausschwingt. Eine kurze Abklingdauer nach dem Abschalten der impulsartigen Ansteuerung ist erwünscht, um kurze Messintervalle zu erhalten (vgl. DE 43 14 247 A).
• Im Allgemeinen werden die Ultraschallimpulse in zyklischen Abständen gesendet. Mittels der ebenfalls in zyklischen Abständen empfangenen Ultraschallimpulse kann dann deren Signallaufzeit bestimmt werden. Da während der Sendephase des Ultraschallimpulses und während der sich an das Senden anschließenden Abklingzeit des Senders keine Ultraschallimpulse empfangen werden können, entstehen Zeitbereiche, in denen keine Abstände gemäß dem Laufzeitprinzip ermittelbar sind. Rechnet man diese empfangslosen Zeiten in Sendestrecken für die Ultraschallimpulse um, so ergibt sich, dass Messobjekte erst bei einem Abstand von 20-40 cm vom Abstandsmesssensor aus gemessen werden können. Bei näheren Messobjekten würde der reflektierte Ultraschallimpuls in einem Zeitbereich zurückkommen, in dem der Wandler nicht wieder empfangsbereit ist.
• Beispielsweise werden diese Abstandssensoren zur Vermessung von Längen kastenförmiger Objekte benutzt. Hierzu wird der Sensor parallel an der zu vermessenden Seite eines Messobjektes vorbeibewegt. Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger sind vorzugsweise senkrecht zum Messobjekt hin ausgerichtet. Die Endabmessungen des Messobjekts lassen sich an Hand von Laufzeitunterschieden der Ultraschallimpulse ermitteln. Wird gleichzeitig die Zeit bestimmt, die während der Vorbeiführung des Sensors an dem Messobjekt verstreicht, kann bei Kenntnis der Geschwindigkeit, mit der der Sensor am Messobjekt vorbeigeführt wird, auch die Länge des Messobjekts bestimmt werden.
• Ein Anwendungsbeispiel ist z. B. die Messung der Länge von Parklücken. Dazu wird an der dem Fahrbahnrand zugewandten Seite des Fahrzeugs ein Sensor montiert, der senkrecht zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist. Die Ultraschallimpulse werden ebenfalls senkrecht zur Fahrtrichtung ausgesandt, so dass die Länge der Parklücke in der oben erwähnten Weise ermittelbar ist. Optional ist hierbei auch denkbar, die Tiefe der Parklücke zu bestimmen, wenn diese durch einen geeigneten Gegenstand (z. B. Bordstein) begrenzt ist.
• Die Abstandsmessung mittels sich zyklisch wiederholender Ultraschallimpulsen (gepulst) hat zum einen den Nachteil temperaturabhängig zu sein, da sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses mit der Temperatur ändert. Dieser Nachteil ist jedoch kompensierbar, indem ein temperaturabhängiger Parameter in der Umrechnung nach dem Laufzeitprinzip berücksichtigt wird. Dies stellt insbesondere deswegen keine Probleme dar, da die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse von der Temperatur bekannt ist.
• Nicht kompensierbar ist hingegen der Nachteil, dass wegen der im Vergleich zur Lichtausbreitung (300000 km/s) geringen Ausbreitungsgeschwindigkeit (0,34 km/s bei 20°C) der Ultraschallimpulse vor allem bei größeren Messentfernungen merklich Zeit verstreicht, während der der Sensor im Empfangsmodus betrieben werden muss. Dieser Nachteil spielt dann eine entscheidende Rolle, wenn der bis zu 5 m reichende und mit frequenzabhängigen Sensoren zu messende Abstandsbereich zu einer nicht vertretbaren Zeitverzögerung führt.
• Ob es zu einer vertretbaren oder nicht vertretbaren Zeitverzögerung des Echosignals kommt lässt sich beispielhaft wie folgt bestimmen: Bei einem 5 m Abstand wird die Zeit in der der Sensor nur im Empfangsmodus betrieben wird, und auf das Echo des gesendeten Ultraschallimpulses wartet, mit (2 × 5 m)/340 m/s bzw. 30 ms berechnet. Soll z. B. eine Parklücke während des Vorbeifahrens des Sensorträgers vermessen werden und wird hierbei von einer Fahrgeschwindigkeit von 5 m/s ausgegangen, so legt das Fahrzeug innerhalb der oben berechneten Zykluszeit von 30 ms bereits eine Strecke von 15 cm zurück. Da eine Strecke von 15 cm um den Faktor 7 über der Wegauflösung liegt, die beispielsweise mittels der Zahnkranzinformation der ABS-Sensoren des Fahrzeuges gewonnen werden kann, führt diese Zeitverzögerung in dem beschriebenen Anwendungsfall zu einer nicht vertretbaren Messungenauigkeit. Damit ist eine Abstandsmessung mit zyklisch gepulsten Ultraschallimpulsen nicht zur Vermessung einer Parklücke durch einen vorbeigefahrenden Sensorträger geeignet.
• Eine bekannte Methode, diesen Nachteil zumindest ansatzweise zu kompensieren besteht darin, dass zur Steigerung der Pulsrepetitionsrate die Pulse nicht in einem festen Zeitraster ausgesendet werden, sondern bei Eintreffen eines Objektechos eines vorherigen Sendeimpulses sofort der nächste Sendeimpuls emittiert wird. Die Pulsrepetitionsrate ist dann folglich abstandsabhängig, da ein größerer Abstand zwischen Sensor und reflektierendem Objekt zu einer längeren Signallaufzeit und damit auch zu einer längeren Zyklusdauer führt.
• Für eine Parklücken-Vermessung hat diese Methode zur Folge, dass die Vermessung der hinteren Parklückenbegrenzung wegen des nahen Abstands der Seitenfläche des vorbeifahrenden Fahrzeugs mit ausreichend hoher Taktfrequenz erfolgt, die Vermessung der vorderen hingegen nicht. Dies liegt daran, dass sobald das Fahrzeug an der Lücke vorbei fährt wieder entsprechend dem vorher dargestellten Zusammenhang zwischen Objektabstand, Signallaufzeit und Zyklusdauer auf eine niedrigere Pulsrepetitionsrate (Abstand größer) zurückgeschaltet wird. Die erste Erfassung der vorderen Parklückenbegrenzung wird damit aber ungenau, da die Pulsrepetitionsrate für diesen kleineren Abstand wiederum zu niedrig ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Länge kastenförmiger Objekte, wie z. B. bei der Vermessung einer Parklücke durch ein vorbeifahrendes Auto, genau vermessen werden kann.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass für jede Objektentfernung mindestens ein Messwert vorliegt.
• Die im Patentanspruch 2 aufgeführte Maßnahme hat zur Folge, dass für jede Objektentfernung mindestens zwei Messwerte pro Gesamtperiode vorliegen.
• Mit den in den weiteren Patentansprüchen angegebenen Merkmalen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
• An Hand der Zeichnung ist die Erfindung weiter erläutert. In der einzigen Figur ist schematisch die Wirkungsweise einer Schaltanordnung zur Pulsfolge-Vervielfachung mit drei unterschiedlichen Frequenzen beschrieben.
• Ultraschallwandler weisen üblicherweise Bandbreiten von ca. 8% bezüglich ihrer Mittenfrequenz auf. Bei einem Ultraschallwandler mit beispielsweise 40 kHz liegt somit die Bandbreite bei etwa 3 kHz. Um eine Erhöhung der Pulsrepetitionsrate und dadurch eine Erhöhung der Messrate zu erreichen, werden erfindungsgemäß mehrere Impulse unterschiedlicher Frequenz schnell hintereinander ausgesendet.
• Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt hierbei bei dem Aussenden der aufeinanderfolgenden Impulse unterschiedlicher Frequenzen in nicht äquidistantem Zeitabständen. Das Aussenden dieser Impulse mit unterschiedlichen Frequenzen ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Echos zu ihren Sendeimpulsen. So können zum Empfang der Echos Bandpass-Filter genutzt werden, die auf die jeweilige Frequenz abgestimmt sind, und somit nur Echos dieser Frequenz herausfiltern. Diese eindeutige Zuordnung zwischen Echo und zugehörigem Sendeimpuls bleibt auch bei einer langsameren Taktrate erhalten, da die Sendeimpulse auf Grund der unterschiedlichen Frequenz unverwechselbar sind.
• Das Problem der eindeutigen Zuordnung der Echos zu ihren Sendeimpulsen wird somit durch die Erfindung gelöst, indem eine auftretende Abstandsänderung (insbesondere bei Überschreiten der vorderen Parklückenbegrenzung) sofort erkannt und damit die Länge eines kastenförmigen Objektes lückenlos erfasst und gemessen werden kann.
• Die Vermeidung "blinder Zonen", also von Zeitbereichen, in denen der Sensor während des Sendebetriebes und kurze Zeit danach nicht empfangen kann, wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Zeitraster, also der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Sendeimpulsen geeignet gewählt wird. Hierzu wird die zeitliche Abfolge der Sendeimpulse entsprechend aufeinander abgestimmt. Dies kann z. B. durch einen größeren zeitlichen Abstand zwischen zwei Sendeimpulsen erreicht werden so, dass die "blinden Zonen" eines äquidistanten Zeitrasters, wegen der längeren Empfangszeit zwischen den Sendeimpulsen, aufgehoben werden.
• Beispielhaft wird an Hand der Figur eine solche Pulsfolge-Vervielfachungsmethode mit drei unterschiedlichen Frequenzen beschrieben. Der Faktor drei besitzt hierbei den Vorteil, dass er mit einem geringen Schaltungsaufwand realisiert werden kann.
• Es wird eine Messung über einen Eindeutigkeitsbereich (Messbereich in dem jedem Sendeimpuls sein Echo zugeordnet werden kann) von 30 ms Dauer vorausgesetzt. Dies entspricht einem Messbereich von ungefähr 5 m. Beispielhaft sollen Impulse mit den Frequenzen: u1 = 39 kHz, u2 = 40 kHz und u3 = 41 kHz vorausgesetzt werden. Durch die unterschiedlichen Frequenzen können die Impulsantworten eindeutig unterschieden werden.
• Bei einer Pulsdauer von jeweils einer ms und einer anschließende Relaxationszeit, in der der Ultraschallsender abklingt und nicht empfangen kann, von ebenfalls einer ms, ergibt sich die Mindestentfernung für die Abstandsmessung (bei 24°C) zu 34 cm. Der Eindeutigkeitsbereich mit den drei Sendeimpulsen unterschiedlicher Frequenz, der Sendeimpulsdauer, der Abklingzeit des Senders und dem zeitlichen Abständen der gesendeten Impulse ist in der Figur auf einem Zeitpfeil t dargestellt. T1, T2 und T3 bezeichnen die Zeitpunkte für das Aussenden der Impuls mit den entsprechenden Frequenzen u1, u2 und u3. Der zeitliche Abstand zwischen T1 und T2 beträgt 8 ms, der zwischen T2 und T3 10 ms. Der zwischen T3 und dem Zeitpunkt für das erneute Aussenden der Impulse mit 39 kHz 12 ms.
• Die Dauer eines Ultraschallimpulszuges (1) und die der Abklingzeit nach einer Impulssendung (2) ist hierbei durch die Breite eines "Zeitblocks" dargestellt. Die Abstände zwischen den "Zeitblöcken" verdeutlichen hierbei den zeitlichen Abstand zwischen den gesendeten Impulsen. Die Kombination dieser zeitlichen Abstände ist wie oben beschrieben von der Anzahl der verschiedenen Frequenzen abhängig und stellt hier beispielhaft das für drei verschiedene Frequenzen geeignete Zeitraster dar.
• Für jeden emittierten Impuls existieren durch die anderen emittierten Impulse mit unterschiedlicher Frequenz nicht detektierbare Entfernungsbereiche. In diesem Beispiel liegen je emittiertem Impuls zwei nicht detektierbare Entfernungsbereiche von jeweils 34 cm vor. Durch die geeignete Wahl des Aussendzeitpunktes der Impulse wird sichergestellt, dass sie für jeden Impuls in dem jeweils detektierbaren (bekannten) Entfernungsintervall liegen. Im gegebenen Beispiel bedeutet dies, dass der zweite Impuls 8 ms nach dem ersten Impuls, der dritte Sendeimpuls erst 10 ms nach dem zweiten Impuls, nämlich 8 ms + Impulsdauer und Abklingzeit, und der vierte Sendeimpulszug, dessen Impulse die gleiche Frequenz wie der erste Impulszug besitzt, erst 12 ms, nämlich 8 ms +2* (Impulsdauer und Abklingzeit), nach dem dritten Impulszug gesendet wird.
• In diesem Beispiel sind die detektierbaren und somit bekannten Entfernungsintervalle somit folgende Bereiche:
  Für den Puls mit u1 liegen sie zwischen 1,36 m und 1,70 m sowie 3,06 m und 3,40 m.
  Für den Puls mit u2 liegen sie zwischen 1,70 m und 2,04 m sowie 3,74 m und 4,08 m.
  Für den Puls mit u3 liegen sie zwischen 2,04 m und 2,38 m sowie 3,40 m und 3,74 m.
• Für jede Entfernung ist somit sichergestellt, dass mindestens zwei Messungen pro Gesamtperiode vorliegen. Würde man dagegen z. B. die drei Impulse mit konstantem zeitlichen Abstand von jeweils 10 ms aussenden, wären die Entfernungsintervalle von 1,70 m bis 2,04 m sowie 3,40 m bis 3,74 m prinzipiell nicht zu erfassen.
• Eine erfindungsgemäße Empfangsschaltung könnte für das dargestellte Beispiel folgendermaßen aussehen: Die Empfangsschaltung ist vorzugsweise durch zwei Bandpass-Filter realisiert. Die Bandpass-Filter sind hierbei auf die Eckfrequenzen u1 bzw. u3 abgestimmt und weisen bei u2 jeweils identische Dämpfung auf. Die Abstimmung der Bandpass-Filter auf die Eckfrequenzen erfolgt hierbei durch die geeignete Wahl frequenzbestimmender Schaltungskomponenten.
• Durch einen Intensitätsvergleich der an den beiden Filterausgängen anliegenden Signale lässt sich dann leicht zuordnen, welchem Impuls (mit welcher Frequenz) die je empfangene Intensität zuzuordnen ist: Im Falle, dass die Signalstärke bei beiden Filterausgängen (in etwa) gleich ist, wird das empfangene Echo dem letzten Puls mit u2 zugeordnet, ansonsten kann das Echo entsprechend seiner Frequenz u1 oder u3 zugeordnet werden.
• Es wäre auch eine Realisierung mit der gleichen Anzahl an Filterbänken wie Frequenzen denkbar. Im obigen Beispiel könnten somit drei Filterbänke zur Zuordnung der Echos zu den Impulsen entsprechend ihrer Frequenz genutzt werden. Die Realisierungsmöglichkeit mit zwei Bandpass-Filtern ist jedoch kostengünstiger, da ein Bandpass-Filter weniger benötigt wird und folglich Kosten gespart werden können.
• Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist somit, die Steigerung der Messrate mittels der beschriebenen Pulsfolge-Vervielfachungsmethode, die für alle Vermessungsaufgaben bei denen die Messgenauigkeit durch die Laufzeit des Ultraschalls und der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Objekt begrenzt wird, geeignet ist. Aufgrund der damit einhergehenden und oben beschriebenen Steigerung der Messgenauigkeit ist diese Methode insbesondere für eine Parklückenvermessung besonders geeignet.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines als Abstandssensor dienenden Ultraschallwandlers, der zum Betrieb sowohl als Sender als auch als Empfänger ausgebildet ist und mittels dem der Abstand eines Messobjekts aus der Laufzeit eines Ultraschallimpulses bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung den Ultraschallwandler zum aufeinanderfolgenden Aussenden von Ultraschallimpulsen unterschiedlicher Frequenz veranlasst.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Ultraschallimpulse in ungleichmäßigen Zeitabständen ausgesandt werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtimpulsfolge der drei unterschiedlichen Frequenzen zyklisch wiederholt sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Abstandsmessung an einem Kraftfahrzeug verwendbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung für eine Einparkhilfe verwendbar ist.