DE3824163A1 - Abstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abstandssensor ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Abstandssensoren, die nach dem Laufzeitsprinzip arbei­ ten, weisen einen Sender auf, der Impulse, z. B. Licht­ oder Radarimpulse abgibt, die nach Reflexion an einem zu ortenden Objekt von dort in Richtung auf einen oder meh­ rere Empfänger reflektiert werden. Die Empfängersignale werden in Entfernungstoren ausgewertet, wobei den Ent­ fernungstoren aufeinanderfolgende Laufzeitintervalle der Impulse zugeordnet sind. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden und Empfangen eines Impulses kann dann in her­ kömmlicher Weise die Entfernung zwischen dem Abstands­ sensor und dem georteten Objekt berechnet werden.

Um mit derartigen Abstandssensoren die Entfernung zwi­ schen Sender und zu ortendem Objekt genau zu bestimmen, müssen in der Regel mehrere Impulse abgegeben werden. Der erste oder die ersten Impulse dienen im wesentlichen dazu, diese Entfernung grob festzulegen. Anschließend wird die Empfängercharakteristik um diesen Abstandsbe­ reich schmalbandiger gemacht, wonach eine genauere Lauf­ zeit- und damit Entfernungsmessung möglich ist. Abgese­ hen von dem hierzu notwendigen Schaltungsaufwand und der aus der Mehrfachmessung folgenden Auswertezeit sind solche Mehrfachmessungen in einigen Fällen auch unerwünscht, z. B. dann, wenn der Abstandssensor möglichst nicht geortet werden soll. In anderen Fallen kann die durch das Nachfahren der Empfänger notwendige Auswertezeit unerwünscht lang sein, insbesondere dann, wenn innerhalb kurzer Entfernungsbereiche mehrere Objek­ te detektiert werden müssen, was z. B. bei Abstandssen­ soren in Kraftfahrzeugen der Fall ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abstandssensor der in Rede stehenden Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist und mit dem bereits durch Aussen­ den eines einzigen Impulses der zu betrachtende Ab­ standsbereich ausgewertet werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Wesentlicher Gedanke ist somit die Erfassung des über den Abstand generierten Zeitverlaufes des Gesamtsigna­ les, indem die Empfängersignale mit hoher Taktrate in mehrplätzige Speicher eingeschrieben werden, so daß je­ dem Speicherplatz ein Teil des Laufzeitintervalles des zugehörigen Empfängers zugeordnet ist. Diese Erfassungs­ takt-Frequenz kann bei modernen Schaltungen durchaus zwei Gigahertz betragen. In den mehrplätzigen Speichern, z. B. ladungsgekoppelten Speichern, wird auf diese Weise der dem jeweiligen Empfänger zugeordnete Abstandsbereich lückenlos nochmals fein unterteilt. Die Abfrage der Speicher kann dann mit einer wesentlich niedrigeren Fre­ quenz erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Abfrage und Auswertung mit einem Mikroprozessor bei der prozessorei­ genen Taktfrequenz von z. B. fünf Megahertz. Setzt man die genannte Erfassungstaktfrequenz von zwei Gigahertz voraus, so kann bereits mit einem einzigen Impuls der Abstand zwischen dem Abstandssensor und einem Objekt bis auf wenige Zentimeter genau bestimmt werden. Ein beson­ derer Vorteil eines Abstandssensors gemäß der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß gleichzeitig die Entfernung mehrerer Objekte, die den abgestrahlten Impuls reflek­ tieren, bestimmt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, den mehrplätzigen getakteten Speicher jedes Empfängers in Form eines ladungsgekoppelten Speichers auszubilden, in den das Empfängersignal eingeschrieben wird. Bei der se­ riellen Abfrage des Speichers werden die Inhalte jeweils der beiden letzten Speicherplätze in einem Komparator verglichen, wobei der Komparator das Ausgangssignal für den Mikroprozessor zur Auswertung führt. Mit einer sol­ chen vergleichenden Abfrage kann eine hohe Signalauflö­ sung erreicht werden.

Eine andere Möglichkeit ist eine schnelle Analog/Digi­ tal-Wandlung der Empfängersignale, wonach die digitalen Signale in einen Speicher, z. B. ein RAM-Speicher einge­ schrieben und aus diesem von dem Mikroprozessor ausgele­ sen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Die Erfindung ist in drei Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert, in denen jeweils ein Blockschaltbild eines Abstandssensors gemaß der Erfin­ dung dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Abstandssensor 1 mit einem Sender 2 und mehreren Empfängern 3 dargestellt, wobei in der Fig. 1 die Empfänger mit Empfänger 1 bis Empfänger n bezeich­ net sind. Jeder Empfänger 3 weist drei Ausgänge 4 auf, die unterschiedlichen Empfindlichkeiten entsprechen. Diese Ausgänge 4 sind jeweils einem Umschalter 5 in Form eines Scanners zugeführt. Das jeweilige von dem Scanner 5 hindurchgelassene Empfängersignal wird in einem schnellen Analogdigital-Wandler 6 analog/digital gewan­ delt. Die Digitalwerte werden einem Speicher 7 in Form eines RAM-Elementes zugeführt. Die Ausgänge aller Spei­ cher 7 sind mit einem Mikroprozessor 8 verbunden. Ferner ist eine Takt- und Steuerschaltung 9 vorgesehen, die vom Mikroprozessor 8 gesteuert über Leitungen 10 und 11 Taktsignale an die Analogdigital-Wandler 6 bzw. die Speicher 7, über Leitungen 12 Steuersignale an die Scan­ ner 5 und über eine Leitung 13 Trigger-Signale an den Sender 2 abgibt.

Soll eine Entfernungsmessung ausgeführt werden, so wer­ den über die Leitungen 12 die Scanner zur Auswahl eines Empfindlichkeitsbereiches der zugeordneten Empfänger 3 angesteuert. Anschließend wird der Sender 2, z. B. ein Laser, über die Leitung 13 getriggert, so daß er einen Lichtimpuls abgibt. Je nach dem zu berücksichtigenden Abstandsbereich werden anschließend die Empfänger 3 durch Ansteuerung der Scanner 5 in aneinander an­ schließenden Zeitintervallen eingeschaltet. Gleichzeitig werden die Analog/Digital-Wandler 6 über die Leitung 10 mit einer wesentlich höheren Taktfrequenz angesteuert, wobei die Große dieser Taktfrequenz im wesentlichen von der Anzahl der Speicherplätze bzw. der Anzahl der ge­ nutzten Speicherplätze in den Speicheln 7 abhängt. Sie beträgt z. B. zwei Gigahetz. Die analogen Empfängersig­ nale werden mit dieser hohen Erfassungstakt-Frequenz in den Analog/Digital-Wandlern 6 digitalisiert, und die di­ gitalisierten Werte werden in den Speichern 7 abgelegt. Über die Taktleitung 11 werden die Speicher 7 mit einer Taktfrequenz abgefragt, die der mikroprozessoreigenen Taktfrequenz entspricht und z. B. fünf Megahertz be­ trägt. Nach dem Auslesen der Speicher 7 werden die aus­ gelesenen Werte im Mikroprozessor ausgewertet und an die Peripherie weitergegeben. Der Abstand kann dort z. B. angezeigt werden oder es kann in bestimmte Systeme, z. B. ein Abstandswarnsystem eines Kraftfahrzeuges ein­ gegriffen werden.

Ein Empfänger und dessen Erfassungskanal, aber auch meh­ rere oder alle Empfanger, konnen dazu benutzt werden, um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem Licht vom Sender 2 zurückkehrt, welches an einer Referenzstelle reimittiert wurde. Damit läßt sich der zeitliche Offset ermitteln und mit ihm läßt sich auf den Absolutwert von gemessenen Abstandswerten schließen. Dies erfolgt z. B. durch Sub­ traktion des Zeitoffset vom im Mikroprozessor ermittel­ ten Meßwert oder durch Vorgabe eines Zeitwertes, welche den Abstandsoffset kompensiert, in der Takt- und Steuer­ schaltung 9.

In Fig. 2 ist ein Abstandssensor 1′ gezeigt, bei dem für gleiche Schaltungselemente die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet sind. Dieser Abstandssensor 1′ weist demnach wiederum einen Sender 2, n Empfänger 3 mit jeweils mehreren Ausgängen 4, entsprechende Scanner 5, einen Mikroprozessor 8 sowie eine Takt- und Steuerschaltung 9 auf. Jedem Scanner ist als Speicher ein CCD-Element 7′ nachgeschaltet, in den die Empfanger­ signale mit hoher Taktrate eingeschrieben werden, die vom Mikroprozessor gesteuert über eine Leitung 10 von der Takt- und Steuerschaltung 9 an die ladungsgekoppel­ ten Speicher 7′ abgegeben wird. Über eine Takt- und Steuerleitung 12 werden, wie oben beschrieben, die Scan­ ner 5 angesteuert. Jedem Speicher 7′ ist ein Komparator 14 nachgeschaltet, in dem die Inhalte zweier benachbar­ ter Speicherplätze in den Speichern 7′ miteinander ver­ glichen werden. Das Auslesen der Speicher 7′ und das Vergleichen erfolgen mit der mikroprozessor-eigenen Taktrate von etwa 5 Megahertz, die über Taktleitungen 15 bzw. 16 den Speichern 7′ bzw. den Komparatoren 14 zuge­ führt wird. Die Komparatoren sind geschaltete Kondensa­ torkomparatoren mit einem Additionseingang. Derartige geschaltete Komparatoren weisen eine sehr geringe wirk­ same Offset-Spannung auf. Vom Mikroprozessor kann den Komparatoren 14 noch über eine Signalleitung 17 ein Schwellenwert vorgegeben werden, um auf diese Weise Störpegel auszuschalten oder die Empfindlichkeit der Auslesung zu steuern.

In Fig. 3 ist ein weiterer Abstandssensor 1′′ darge­ stellt, der demjenigen gemäß Fig. 2 ähnelt. Auch hier sind ein Sender 2, mehrere Empfänger 3 mit in diesem Falle drei Ausgänge 4, ein Mikroprozessor 8 sowie eine Takt- und Steuerschaltung 9 vorgesehen. Über die Takt und Steuerschaltung wird ein Mehrfachschalter 5′ der Empfänger angewählt, um auf diese Weise die Empfindlich­ keit einzustellen. Die Empfängersignale werden jeweils in zwei parallele CCD-Elemente 7 a und 7 b mit hoher Takt­ rate eingeschrieben, die über Leitungen 10 a und 10 b von der Takt- und Steuerschaltung 9 an die CCD-Elemente 7 a bzw. 7 b abgegeben wird. Mit den Ausgängen der CCD-Ele­ mente 7 a und 7 b ist ein Komparator 14 a verbunden, der die Inhalte zweier benachbarter Speicherplätze in den beiden CCD-Elementen 7 a und 7 b miteinander vergleicht. Das Ergebnis wird vom Mikroprozessor 8 mit niedriger Taktfrequenz ausgelesen, die über eine Taktleitung 6 a den Komparatoren 14 a zugeführt wird. Wie in Fig. 3 für den ersten Signalkanal gestrichelt angegeben, können die beiden Ausgänge der CCD-Elemente 7 a und 7 b noch einem zweiten Komparator 14 b zugeführt werden, mit dem die In­ halte der benachbarten Speicherplätze mit umgekehrten Vorzeichen miteinander verglichen werden. Diese Kompara­ toren 14 b werden über eine zweite Taktleitung 16 b vom Mikroprozessor 8 angesteuert.

Die geschilderte Auswertung der Komparatorsignale mit Hilfe einer Differenzbildung in den Ausführungsbei­ spielen gemäß den Fig. 2 und 3 hat den Vorteil, daß in dem ausgewerteten Signal die tatsächlichen Nutzsignale deutlicher herausgehoben werden.

Claims (6)

1. Abstandssensor nach dem Laufzeitprinzip, mit einem Impulse abgebenden Sender und einem oder mehreren Empfängern, die aufeinanderfolgenden Laufzeitinter­ vallen der Impulse zugeordnet sind, und mit einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der Laufzeit und daraus der Entfernung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfänger (3) zur Unterteilung des zugeordne­ ten Laufzeitintervalles mit mehrplätzigen Speichern (7) verbunden ist, in die die Empfängersignale mit hoher Taktfrequenz eingeschrieben werden, und daß mit den Speichern (7) die Auswerteschaltung (8) ver­ bunden ist, die die in den Speichern (7) vorliegen­ den Signale mit einer niedrigeren Taktfrequenz ab­ fragt und auswertet.

2. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteschaltung ein Mikroprozessor (8) ist, der die in den Speichern (7) vorliegenden Signale mit seiner prozessoreigenen Taktfrequenz ab­ fragt.

3. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Empfänger (3) eine Serien­ schaltung aus einem mit der hohen Taktfrequenz ange­ steuerten Analogdigitalwandler (6) und einem Spei­ cher (7) nachgeschaltet ist.

4. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Speicher (7′, 7 a, 7 b) ein Komparator (14, 14 a, 14 b) nachgeschaltet ist, der die Inhalte zweier zeitseriell benachbarter Spei­ cherplätze des Speichers (7′, 7 a, 7 b) miteinander vergleicht.

5. Abstandssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem Ausgang der Empfänger jeweils zwei quasi-parallel geschaltete Speicher (7 a, 7 b) verbun­ den sind, deren Ausgänge mit dem Komparator (14 a) verbunden sind.

6. Abstandssensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Empfänger (3) mehrere Ausgänge (4) aufweist, die sich in ihrer Empfindlichkeit unterscheiden, und daß zwischen Emp­ fänger (3) und Speichern (7) ein Umschalter (5, 5′) zur Auswahl eines Empfängerausganges vorgesehen ist.