DE4042575C2 - Ultraschallsensor zur Hinderniserfassung - Google Patents
Ultraschallsensor zur HinderniserfassungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor zur
Hinderniserfassung für Kraftfahrzeuge gemäß Oberbegriff des
Patentanspruches.
Es wurden bereits verschiedene Bauformen von Ultraschallsen
soren zur Hinderniserfassung für Kraftfahrzeuge vorgeschla
gen. Beispielsweise wird in der japanischen Auslegeschrift
1-30436 (1989) ein Sensor zur Erfassung von Hindernissen um
die Karosserie eines Fahrzeugs herum beschrieben. Dabei wer
den Ultraschallwellen in den die Fahrzeugkarosserie umgeben
den Raum abgegeben und je nachdem, ob Wellen zum Fahrzeug zu
rück reflektiert werden oder nicht, wird ermittelt, ob ein
Hindernis vorhanden ist. Um zu verhindern, daß Wellen, die
von einer normalen Fahrbahnoberfläche, auf der sich das Fahr
zeug fortbewegt, reflektierten Wellen unrichtigerweise als
Wellen erfaßt werden, die von Hindernissen reflektiert wer
den, muß entweder das Richtvermögen des Ultraschallempfän
gers, der die reflektierten Wellen empfängt, erhöht werden,
oder die Ultraschallwellen müssen im wesentlichen in horizon
taler Richtung ausgesendet werden, damit von der Fahrbahn
oberfläche keine Ultraschallwellen reflektiert werden. Insge
samt ist jedoch der Empfang der reflektierten Wellen durch
den Sensor nicht gut und somit läßt sich eine präzise Hinder
niserkennung nicht durchführen.
Aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-131813 ist ein
Ultraschallsensor bekannt, der den Zustand der Fahrbahnober
fläche vor einem Fahrzeug in Bewegung erfaßt. Bei dieser Pa
tentanmeldung ist auf einem Fahrzeug ein Ultraschallsender so
angeordnet, daß er Ultraschallwellen kontinuierlich in diago
naler Richtung nach vorn zur Fahrbahnoberfläche aussendet.
Bei dieser bekannten Vorrichtung haben sich jedoch die fol
genden Probleme gezeigt:
- 1) Da der Ultraschallsender kontinuierlich Wellen aussendet, kann die vom Sender erzeugte Wärmemenge sehr groß werden. Um eine Überhitzung zu verhindern, muß die Energie der Ultra schallwellen auf einen niedrigen Wert gedrückt werden, aller dings mit dem Ergebnis, daß die von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Wellen nur schwache Signale sind und sich nur mit Schwierigkeiten erfassen lassen.
- 2) Infolge der kontinuierlichen Aussendung von Wellen durch den Ultraschallsender kommt es zur Interferenz zwischen den gesendeten und den reflektierten Wellen, was die Erfassung der reflektierten Wellen erschwert. Auch gibt es das Problem mit stehenden Wellen. Damit läßt sich eine präzise Hindernis erfassung nicht vornehmen.
- 3) Die von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Wellen lassen sich nicht von anderen reflektierten Wellen unterscheiden.
- 4) Schwankungen in der Signalstärke der reflektierten Wellen, die durch Wind oder Temperaturschwankungen hervorgerufen wer den, lassen sich nicht von Schwankungen infolge von Unregel mäßigkeiten auf der Fahrbahnoberfläche unterscheiden.
Aus der zur Patentfamilie der japanischen Auslegeschrift
1-30436 gehörenden US-PS 45 42 489 ist ein System zur
Erfassung von Hindernissen unter Ausnutzung der Reflexion von
Ultraschallwellen bekannt.
Bei dem dort gezeigten System sind Ultraschallsender und
Ultraschallempfänger vorgesehen, die an einem Kraftfahrzeug,
beispielsweise im Heckbereich, befestigt sind.
Die von den Ultraschallempfängern empfangenen reflektierten
Signale werden unter anderem auf einen einstellbaren
Verstärker geführt und mittels eines Vergleichers mit einem
Bezugs- oder Referenzsignal verglichen. Die erhaltenen
Ausgangssignale werden mittels eines Mikrocomputers
ausgewertet, wobei beim Unterschreiten einer
Mindestentfernung oder beim Vorgehen eines vorgegebenen
Empfangssignalpegels eine akustische oder optische Anzeige in
Betrieb genommen wird.
Um ausreichend auswertbare Empfangssignale zu erhalten, wird
eingangsseitig des Vergleichers eine Integration der
vorverstärkten Meßsignale vorgenommen.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen vorbekannten
Schaltungsanordnung Schwankungen in der Signalstärke der
reflektierten Wellen, die nicht von Unregelmäßigkeiten oder
Objekten auf der Fahrbahnoberfläche hervorgerufen werden, zu
Fehlinterpretationen und damit zu einer ungenauen
Arbeitsweise des Ultraschallüberwachungssystemes führen.
Aus der US-PS 42 02 049 und der US-PS 38 96 411 sind aus
anderen Anwendungsfällen, z. B. der Feststellung eines
Füllstandes, Ultraschallsensoren bekannt, welche eine
Regelschleife zur automatischen Verstärkungsregelung eines
Empfangsverstärkers aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallsensor
zur Hinderniserfassung für Kraftfahrzeuge anzugeben, der es
gestattet, dynamisch auf unterschiedlich starke
Reflexionssignale zu reagieren, ohne daß die Empfindlichkeit
und das tatsächliche Erkennen von Hindernissen auf der
Oberfläche einer Fahrbahn eingeschränkt ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem
Gegenstand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die
Größe des Verstärkungsfaktors des Ver
stärkers so geregelt, daß das Verhältnis des Mittelwerts des
verstärkten Signals zum Mittelwert des Bezugssignals konstant
ist. Auf diese Weise werden Schwankungen in der Stärke der
von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Ultraschallwellen
automatisch ausgeglichen, und Signalanteile in den reflek
tierten Wellen, die auf Hindernisse in der auf der Fahrbahn
oberfläche zurückzuführen sind, lassen sich exakt erfassen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Ultraschall
wellen vom Ultraschallsender intermittierend erzeugt. Das in
termittierende Senden hat gegenüber dem kontinuierlichen Sen
den den Vorteil, daß die Wärmeabstrahlung des Ultraschallsen
ders kleiner als bei kontinuierlichem Sendebetrieb ist, so
daß die Gefahr der Überhitzung des Senders geringer ist. Er
findungsgemäß ist jedoch auch die Möglichkeit vorgesehen,
kontinuierlich Ultraschallwellen abzustrahlen.
Nachstehend wird nun die Erfindung anhand eines Ausfüh
rungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bereits vorgeschlagenen
Ultraschallsensors zur Hinder
niserfassung;
Fig. 2 ein Schaltschema des Zeitgebers und des Bezugsignal
gebers aus Fig. 1;
Fig. 3 ein Schaltschema des Ultraschall-Signalgebers aus
Fig. 1;
Fig. 4 ein Schaltschema der Verstärkungsschaltung, der Inte
grationsschaltung des Werteinstellers und der Ver
stärkungsfaktorsteuerung aus Fig. 1;
Fig. 5 ein Wellenformschema zur Erläuterung der Arbeitsweise
des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1;
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei
spiels mit Begrenzer- oder Abkappschaltung;
Fig. 7 ein Schaltschema der Verstärkungsschaltung, der Ab
kappschaltung, der Integrationsschaltung, des Wert
einstellers und der Verstärkungsfaktorsteuerung aus
Fig. 6; und
Fig. 8 ein Wellenformschema zur Erläuterung der Arbeitsweise
des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ultraschallsensors, wie er im
Prinzip aus der US-PS 45 42 489 bekannt ist. Gemäß dieser Figur erzeugt ein Zeitge
ber 1 Steuersignale P₁-P₃ in vorgegebenen Zeitabständen.
Das Steuersignal P₁ wird einem Ultraschall-Signalgeber 2 zu
geführt, der im Ansprechen darauf intermittierend Ultra
schallsignale V₁ in vorgegebenem zeitlichen Abstand, mit vor
gegebener Spannung und Frequenz erzeugt. Die Ultraschallsi
gnale V₁ treiben einen Ultraschallsender 3, der intermittie
rend Ultraschallwellen aussendet. Die Einhüllende der vom Ul
traschallsender 3 ausgesendeten Wellen bildet im wesentlichen
einen Kegel. Wb bezeichnet dabei den kürzesten Weg, den die
Wellen im Kegel zwischen dem Sender 3 und der Fahrbahnober
fläche 4 zurücklegen, während mit W₀ die längste Strecke an
gegeben ist, die die Wellen im Kegel zurücklegen, und Wa dem
mittleren Wegabstand entspricht, den die Wellen im Kegel zu
rücklegen. Der Sender 3 ist auf einem geeigneten Fahrzeug
teil, beispielsweise einer Stoßstange, vorne auf einem (hier
nicht dargestellten) Kraftfahrzeug eingebaut und so ausge
richtet, daß die Ultraschallwellen diagonal in Vorwärtsrich
tung zur Fahrbahnoberfläche 4 hin gerichtet werden, auf der
das Fahrzeug fährt. Treffen die ausgesendeten Ultraschallwel
len auf die Fahrbahnoberfläche 4 oder ein Hindernis 5 auf der
Fahrbahnoberfläche 4 auf, werden sie zum Fahrzeug zurück re
flektiert und von einem Ultraschallempfänger 6 empfangen, der
neben dem Sender 3 auf dem Fahrzeug installiert ist. Wb be
zeichnet dabei den kürzesten Weg, den die reflektierten Wel
len zwischen der Fahrbahnoberfläche 4 und dem Empfänger 6 zu
rücklegen, W₀ entspricht der längsten Wegstrecke, und Wa be
zeichnet die mittlere Weglänge, die die reflektierten Wellen
zurücklegen. Der Sender 3 und der Empfänger 6 können jeweils
in Form eines Ultraschallmikrofons ausgebildet sein.
Der Ultraschallempfänger 6 erzeugt ein Empfangssignal V₂, das
den reflektierten Wellen entspricht, und dieses Signal V₁
wird einer Verstärkerschaltung 7 zugeführt, in der das Signal
verarbeitet und verstärkt wird. Der Verstärkungsfaktor der
Verstärkerschaltung 7 läßt sich mit Hilfe einer mit der Ver
stärkerschaltung 7 verbundenen Verstärkungsfaktorsteuerung 10
einstellen. Ein verstärktes und verarbeitetes Signal V₃ am
Ausgang der Verstärkerschaltung 7 wird einer Integrations
schaltung 8 zugeführt. Im Ansprechen auf ein Steuersignal P₂
vom Zeitgeber 1 erzeugt die Integrationsschaltung 8 ein Mit
telwertsignal V₃₁, das den Mittelwert des Signals V₃ reprä
sentiert.
Das Mittelwertsignal V₃₁ wird der Verstärkungsfaktorsteuerung
10 zugeführt. Ein Sollbezugssignal V3R aus einem Bezugswert
einsteller 9 wird ebenfalls der Verstärkungsfaktorsteuerung
10 zugeführt. Die Verstärkungsfaktorsteuerung 10 vergleicht
das Mittelwertsignal V₃₁ mit dem Bezugssignal V3R und stellt
den Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 7 so nach, daß
das Mittelwertsignal V₃₁ mit dem Sollbezugssignal V3R abge
glichen ist. Die Integrationsschaltung 8 bildet zusammen mit
der Verstärkungsfaktorsteuerung 10 einen Regelkreis für die
Verstärkerschaltung 7, so daß der Signalpegel des verstärkten
Signals V₃ stabil ist.
Das verstärkte Signal V₃ wird außerdem einem Vergleicher 12
zugeführt, der beispielsweise einen Operationsverstärker auf
weisen kann. Ein Bezugssignal V₄, das ein Bezugssignalgeber
11 im Ansprechen auf das Steuersignal P₃ des Zeitgebers 1 er
zeugt, wird dem Vergleicher 12 ebenfalls zugeführt. Der Ver
gleicher 12 nimmt den Vergleich der beiden Signale V₃ und V₄
vor und erzeugt auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses
ein Hinderniserfassungssignal V₅. Hier
liegt das Hinderniserfassungssignal V₅ auf hohem Signal
pegel, um anzuzeigen, daß ein Hindernis vorhanden ist, wenn
das verstärkte Signal V₃ das Bezugssignal V₄ überschreitet.
Das Hinderniserfassungssignal V₅ kann in einer (hier nicht
dargestellten) Aufhängungssteuerung verwendet werden, mit der
die Steifigkeit der Fahrzeugaufhängung verändert wird, wenn
das Signal V₅ anzeigt, daß ein Hindernis 5 vorhanden ist.
Durch Nachstellen der Steifigkeit der Aufhängung kann die
Aufhängungssteuerung dann den Stoß vermindern, der auf die
Fahrzeuginsassen wirkt, wenn das Fahrzeug das Hindernis über
fährt.
Fig. 2 zeigt ein Schaltschema eines Beispiels für den Zeitge
ber 1 und den Bezugssignalgeber 11. Der Zeitgeber 1 umfaßt
einen programmierbaren Taktgeber, der in einem Mikrorechner
20, z. B. vom Typ HD63BO1Y von Hitachi, untergebracht ist. Es
kann jedoch auch anstelle eines Mikrorechners 20 eine han
delsübliche integrierte Taktgeberschaltung verwendet werden.
Der Mikrorechner 20 ist mit einem Schwingquarz 21 und einer
Anlaßschaltung 22 verbunden.
Zur Anlaßschaltung 22 gehören ein sich automatisch rückstel
lender und normalerweise geöffneter Anlaßschalter 23, der in
der Nähe des Fahrersitzes des Fahrzeugs angeordnet ist, sowie
eine Wellenformschaltung 24, die mit dem Schalter 23 verbun
den ist. Ist der Anlaßschalter 23 kurzzeitig geschlossen, er
zeugt er ein Signal auf niedrigem Pegel. Die Wellenformschal
tung 24 invertiert das schwache Signal und gibt das umgekehr
te Signal als Startsignal an den Mikrorechner 20 aus.
Der Mikrorechner 20 wird mit einer (hier nicht dargestellten)
Gleichstromversorgung betrieben. Entsprechend den Schwingun
gen des Schwingquarzes 21 erzeugt der Mikrorechner 20 eine
Reihe von Taktsignalen. Im Ansprechen auf jedes Taktsignal
wird ein zuvor gespeichertes Programm ausgeführt, worauf der
Mikrorechner 20 impulsförmige Steuersignale P₁ ausgibt.
Das Steuersignal P₁ wird einem ersten monostabilen Kippgene
rator 1a als Taktsignal zugeführt. Der erste monostabile
Kippgenerator 1a erzeugt ein Ausgangssignal P, das einem
zweiten monostabilen Kippgenerator 1b und einem dritten mono
stabilen Kippgenerator 1c als Taktsignal zugeführt wird. Die
monostabilen Kippgeneratoren 1b und 1c geben jeweils ein
zweites Steuersignal P₂ bzw. ein drittes Steuersignal P₃ aus.
Die Impulsdauer jedes Signals P, P₂ und P₃₄ läßt sich durch
entsprechende Auswahl der Werte des jedem monostabilen Kipp
generator 1a bis 1c zugeordneten Kondensators und Widerstands
vorgeben.
Der Bezugssignalgeber 11 weist einen Ladekreis 11a und einen
Entladekreis 11b auf, der zwischen den dritten monostabilen
Kippgenerator 1c und einen geerdeten Kondensator 11c paral
lelgeschaltet ist. Jeder Kreis 11a und 11b weist einen Wider
stand und eine Diode in Reihenschaltung auf, wobei die Pola
risierung der Diode im Ladekreis 11a entgegengesetzt zur Po
larisierung der Diode im Entladekreis 11b ist. Der Ladekreis
11a bildet zusammen mit dem Kondensator 11c eine erste Schal
tung zur Bezugssignalerzeugung, die eine stetig ansteigende
Bezugswellenform erzeugt, die einsetzt, wenn das Steuersignal
P₃ von niedrigem auf hohen Signalpegel umschaltet. Der Entla
dekreis 11b bildet zusammen mit dem Kondensator 11c eine
zweite Schaltung zur Bezugssignalerzeugung, die eine stetig
abfallende Bezugswellenform erzeugt, die dann einsetzt, wenn
das Steuersignal P₃ von hohem Pegel auf niedrigen Pegel um
schaltet. Die am Kondensator 11c liegende Spannung wird als
Bezugssignal V₄ dem Vergleicher zugeführt.
Fig. 3 ist ein Schaltschema für ein Beispiel für den Ultra
schall-Signalgeber 2. Es umfaßt einen Ultraschallgenerator
31, der Impulse P₀ mit einer vorgegebenen Ultraschallfrequenz
erzeugt. Die Impulse werden einem Eingang einer NAND-Logik
schaltung 32 zugeführt, während an den anderen Eingang das
Steuersignal P₁ aus dem Zeitgeber 1 angelegt wird. Das Aus
gangssignal der NAND-Logik 2 wird von einem Wechselrichter 33
invertiert und von einem Verstärker 34 zu einem Ultraschall
signal V₁ verstärkt. Ein Aufwärtstransformator 35 erhöht die
Spannung des Signals V₁ und das so verstärkte Signal wird dem
Ultraschallsender 3 zugeführt. Bei dieser Anordnung sendet
der Sender 3 intermittierend und nicht kontinuierlich Ultra
schallwellen aus (nur dann, wenn das Steuersignal P₁ auf ho
hem Pegel liegt), so daß die vom Ultraschallsender 3 erzeugte
Wärmemenge ganz reduziert werden kann, ohne daß man gezwungen
ist, die Energie der gesendeten Ultraschallwellen auf einen
niedrigen Wert zu begrenzen.
Fig. 4 ist das Schaltschema für ein Beispiel der Verstärker
schaltung 7, der Integrationsschaltung 8, des Werteinstellers
9 und der Verstärkungsfaktorsteuerung 10.
Die Verstärkerschaltung 7 umfaßt eine Vielzahl von in Reihe
geschalteten Verstärkerstufen 7a-73. Bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel sind fünf Verstärkerstufen vorgesehen, doch ist
die Anzahl der Stufen nicht entscheidend. Der Verstärkungs
faktor des Verstärkers der fünften Stufe 7e läßt sich verän
dern. Zwischen dem Verstärker der vierten Stufe 7d und dem
Verstärker der fünften Stufe 7e ist ein Scheitelwertdetektor
7f geschaltet, der eine Demodulierung der AM-Wellen vornimmt.
Das Ausgangssignal V₃ des Verstärkers der fünften Stufe 7e
wird der Integrationsschaltung 8 zugeführt. Die Integrations
schaltung 8 weist einen Analogschalter 8a zur Abtastung des
verstärkten Signals V₃ im Ansprechen auf das Steuersignal P₂
sowie einen Integrier- und Haltestromkreis mit einem Wider
stand 8b und einem Kondensator 8c auf, der zur Mittelwertbil
dung beim Ausgangssignal des Analogschalters 8a und zur Er
zeugung eines Mittelwertsignals V₃₁ dient.
Bei dem Werteeinsteller 9 kann es sich um jede geeignete Vor
richtung zur Erzeugung eines Signals mit vorgegebener Span
nung handeln, beispielsweise um einen Spannungsteiler beste
hend aus zwei zwischen einer Spannungsquelle VB und Masse in
Reihe geschalteten Widerständen 9a und 9b. Die Spannung am
Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 9a und 9b
dient als Bezugssignal V3R.
Die Verstärkungsfaktorsteuerung 10 weist einen Operationsver
stärker 10a auf, der das Mittelwertsignal V₃₁ aus der Inte
grationsschaltung 8 mit dem Bezugssignal V3R aus dem Wertein
stellkreis 9 vergleicht. Hier ist ein Kondensator 10b zwi
schen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Opera
tionsverstärkers 10a geschaltet. Der Ausgang des Operations
verstärkers 10a ist mit der Steuerelektrode eines Feldeffekt
transistors 10c verbunden. Die beiden anderen Anschlüsse des
Feldeffekttransistors 10c sind jeweils. An den invertierenden
Eingang des Verstärkers 7e der fünften Stufe in der Verstär
kerschaltung 7 bzw. an Masse gelegt. Das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 10a steuert den durch den Feldeffekt
transistor 10c fließenden Strom und damit auch den Verstär
kungsfaktor des Verstärkers der fünften Stufe 7e.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Wellenform der Ausgangssignale
der verschiedenen Teile aus Fig. 1.
Wie die Linie 5(a) veranschaulicht, erzeugt der Zeitgeber in
periodischen Zeitabständen Steuersignale P₁. Während der
Zeit, in der das Steuersignal P₁ auf hohem Ausgangspegel
liegt, erzeugt, wie die Linie 5(b) zeigt, der Ultraschall-Si
gnalgeber 2 ein Ultraschallsignal V₁ als Treiberimpuls für
den Ultraschallsender 3, der in periodischen Abständen Ultra
schallwellen diagonal in Vorwärtsrichtung zur Fahrbahnober
fläche 4 hin aussendet.
Die gesendeten Wellen werden von der Fahrbahnoberfläche 4 re
flektiert und kommen als Reflexionswellen beim Ultraschall
empfänger 6 an, der seinerseits ein Empfangssignal V₂ er
zeugt, das für die Stärke der ankommenden Reflexionswellen
repräsentativ ist.
Die Linie 5(c) zeigt das Empfangssignal V₂ in dem Fall, daß
auf der Fahrbahnoberfläche 4 kein Hindernis 5 vorhanden ist.
Der Zeitpunkt t₀ entspricht dabei einer Anstiegsflanke des
Steuersignals P₁ und dem Beginn der Aussendung von Ultra
schallwellen. Vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ ist in
folge der beim Empfänger 6 ankommenden ausgesendeten Wellen
und der aus der Umgebung unerwünschterweise reflektierten
Wellen das Empfangssignal V₂ verrauscht.
Nach Ablauf der Zeit tb beginnen die von der Fahrbahnoberflä
che 4 reflektierten Wellen beim Empfänger 6 anzukommen. So
fern der Ultraschallsender 3 und der Ultraschallempfänger 6
direkt nebeneinander angeordnet sind und nahezu das gleiche
Richtvermögen besitzen, entspricht der Zeitraum tb der Zeit,
die die Ultraschallwellen für den Hin- und Rückweg entlang
der Strecke (Wb, Wb′) benötigen, die dem kürzesten Abstand
zwischen dem Sender 3 und dem Empfänger 6 mit Umweg über die
Fahrbahnoberfläche 4 entspricht. In gleicher Weise entspricht
die Zeit ta dem Zeitraum für Hin- und Rückweg der Wellen ent
lang der Strecke (Wa, Wa′) mittlerer Länge, und die Zeit tc
der Zeit für Hin- und Rückweg der Wellen entlang der längsten
Strecke (Wc, Wc′). Setzt man die Weglängen Wa, Wb und Wc je
weils gleich 1a, 1b und 1c, und für c die Schallgeschwindig
keit, so berechnen sich die Zeiten ta-tc wie folgt:
ta = 2 la/c
tb = 2 lb/c
tc = 2 lc/c.
tb = 2 lb/c
tc = 2 lc/c.
Wegen des Richtvermögens des Senders 3 und des Empfängers 6
empfängt der Empfänger 6 die Wellen am stärksten, die entlang
der Strecke (Wa, Wa′) verlaufen. Aus diesem Grund besitzt das
Empfangssignal V₂ eine in etwa dreieckige Wellenform, die zum
Zeitpunkt tb beginnt, zum Zeitpunkt ta ein Maximum erreicht,
und zum Zeitpunkt tc wieder auf Null absinkt. Die Stärke des
Empfangssignals V₂ hängt vom Richtvermögen des Senders 3 und
des Empfängers 6 ab (das durch deren Charakteristik und deren
Geometrie bestimmt wird), sowie von der Rauhigkeit der Fahr
bahnoberfläche 4 und dem Richtvermögen der reflektierten Wel
len.
Gibt es keine Veränderung in der Höhe des Empfängers 6 und
des Senders 3 über der Fahrbahnoberfläche 4 und in der Ge
schwindigkeit des Fahrzeugs, so bleiben bei jeder Erzeugung
des Empfangssignals V₂ die Größen von t₁ sowie ta-tc kon
stant.
Die Linie 5(d) in Fig. 5 veranschaulicht das Empfangssignal
V₂′ bei einem stehenden Hindernis 5 auf der Fahrbahnoberflä
che 4. In diesem Fall enthält das Empfangssignal V₂′ infolge
des Hindernisses eine Signalkomponente, die dem Empfangssi
gnal V₂, das nur auf die Fahrbahnoberfläche 4 allein zurück
zuführen ist, überlagert ist. In der Linie 5(d) bezeichnet t₂
die Zeit, die die Wellen für den Hin- und Rückweg vom Sender
3 zum Hindernis 5 und zurück zum Sender 6 benötigen. Da das
Fahrzeug in Bewegung ist, ist der Wert t₂ nicht konstant. Die
Wellen, die entlang der Wegstrecke Wc laufen, treffen als er
ste auf das Hindernis 5, und damit ist der Zeitraum t₂ zu An
fang gleich tc. Während das Fahrzeug näher an das Hindernis 5
heranfährt, ist der Weg, den die auf das Hindernis 5 auftref
fenden Wellen nehmen, immer kürzer. Auf das Hindernis 5 tref
fen nämlich zu Anfang die Wellen, die den Weg Wc nehmen, dann
die Wellen auf dem Weg Wa und schließlich die Wellen auf dem
Weg Wb. Beim Heranfahren des Fahrzeugs an das Hindernis ver
ändert sich dementsprechend der Wert der Zeit t₂ von anfäng
lich tc auf ta und wird schließlich tb, woraufhin eine Erfas
sung des Hindernisses unmöglich wird und das Fahrzeug das
Hindernis 5 überfährt. Zu jedem Zeitpunkt ist die Stärke der
vom Hindernis 5 reflektierten Wellen in etwa gleich der Stär
ke der von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Wellen, mul
tipliziert mit einem vorgegebenen Faktor. Damit nimmt der
Scheitelwert für den Weg eine Dreieckwellenform an, ähnlich
der Form des Empfangssignals V₂, das bei Reflexion der Wellen
durch die Fahrbahnoberfläche 4 allein eingeht (vgl. die ge
strichelte Linie in der Graphik 5(d)).
Das Empfangssignal V′ wird in der Verstärkerschaltung 7 ver
stärkt und demoduliert und wird zu dem verstärkten Signal V₃,
das mit der Linie 5(e) eingezeichnet ist. Nach Amplituden
demodulation erhält man ein Signal nur für den Zeitraum tb
bis tc, sofern das zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ auftre
tende Rauschen ausgeblendet wird.
Befindet sich auf der Fahrbahnoberfläche 4 ein Hindernis 5,
wird das verstärkte Signal V₃ zur Überlagerung einer Wellen
komponente V3a, die nur durch die Fahrbahnoberfläche 4 zu
rückzuführen ist, und einer Wellenkomponente V3b, die ihre
Ursache im Hindernis hat. Damit läßt sich V₃ folgendermaßen
ausdrücken:
V₃ ≈ V3a + V3b.
Die Größe des Empfangssignals V₂ hängt von der Oberflächenbe
schaffenheit der Fahrbahn 4 ab, die durch die Art des Belags
materials bestimmt wird, das für die Fahrbahnoberfläche 4
verwendet wurde. Handelt es sich bei der Fahrbahnoberfläche 4
um Asphalt oder ein anderes Material mit großer Rauhigkeit,
ist der Pegel des Empfangssignals V₂ recht hoch, doch wurde
für die Fahrbahnoberfläche 4 ein glattes Material, beispiels
weise Beton, verwendet, so liegt der Pegel des Empfangssi
gnals viel niedriger; ein Beispiel hierfür zeigt die Linie
5(f) für das Empfangssignal V₂′′.
Ist der Pegel des Empfangssignals niedrig, wie beispielsweise
im Fall des Signals V₂′′, so wird deshalb auch die auf ein
Hindernis 5 zurückzuführende Empfangssignalkomponente klein,
und damit läßt sich bei Vergleich des verstärkten Signal V₃
mit einem konstanten Bezugswert die auf das Hindernis 5 zu
rückzuführende Komponente V3b des verstärkten Signals V₃
nicht erfassen.
Zur Lösung dieses Problems wird
eine Regelung des Verstärkungsfaktors der Verstärker
schaltung 7 vorgenommen, damit der Wert des verstärkten Si
gnals V₃ immer groß genug ist, um die auf das Hindernis 5 zu
rückzuführenden Komponenten erfassen zu können.
In dem Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Steuersignalen
P₁ berechnet der Zeitgeber 1 die Längen für ta, tb und tc.
Der Zeitgeber 1 setzt die Impulsbreite des Impulssignals P
auf tb, die Impulsbreite des Steuersignals P₂ auf tc-tb,
und die Impulsbreite des Steuersignals P₃ auf ta-tb.
Solange der Pegel des Steuersignals P₂ hoch ist, bleibt der
Analogschalter 8a der Integrationsschaltung 8 geschlossen, so
daß die Integrationsschaltung 8 den Mittelwert des verstärk
ten Signals V₃ berechnet und ein Mittelwertsignal V₃₁ berech
net, das durch die Linie 5(j) dargestellt ist.
Der Operationsverstärker 10a in der Verstärkungsfaktorsteue
rung 10 vergleicht das Mittelwertsignal V₃₁ mit dem Bezugssi
gnal V3R aus dem Bezugswerteinsteller 9 und regelt die Steu
erspannung des Feldeffekttransistors 10c in einer Weise, daß
der Mittelwert V₃₁ mit dem Bezugswert V3R übereinstimmt,
unabhängig vom Pegel des Empfangssignals V₂. Damit wird auch
dann, wenn das Empfangssignal sehr schwach ist, wie bei
spielsweise das Signal V₂′′, der Verstärkungsfaktor der Ver
stärkerschaltung 7 automatisch nachgeführt, so daß der Mit
telwert V₃₁ auf konstantem Wert bleibt, während dem Verglei
cher 12 ein stabiles verstärktes Signal V₃ zugeführt wird.
Das Bezugssignal V₄ aus dem Bezugssignalgeber 11 besteht aus
einem ersten Bezugssignal V4a und einem zweiten Bezugssignal
V4b. Das erste Bezugssignal V4b steigt vom Zeitpunkt tb bis
zum Zeitpunkt ta monoton an, während das Steuersignal P₃ ei
nen hohen Pegelwert hat. Das zweite Bezugssignal V4b beginnt
zum Zeitpunkt ta (zu dem der Pegel des Steuersignals P ab
sinkt) stetig abzusinken und erreicht zum Zeitpunkt tc einen
Mindestwert. Damit weist, wie die Linie 5(k) ausweist, das
aus dem ersten und zweiten Bezugssignal V4a und V4b bestehen
de Bezugssignal V₄ eine Dreieckwellenform ähnlich der des
verstärkten Signals V₃ auf. Die Werte der elektrischen Bau
teile des Bezugssignalgebers werden von vorn herein auf Werte
eingestellt, bei denen sich das gewünschte Bezugssignal V₄ in
optimaler Weise ergibt.
Der Vergleicher 12 vergleicht das Bezugssignal V₄ mit dem
verstärkten Signal V₃ und erzeugt, wie Linie 5(l) veranschau
licht, ein Hinderniserfassungssignal V₅, das immer auf hohem
Pegelwert liegt, sobald das verstärkte Signal V₃ das Bezugs
signal V₄ übersteigt. In Abhängigkeit vom Pegelwert des Hin
derniserfassungssignals V₅ stellt die (hier nicht dargestell
te) Aufhängungssteuerung die Härte bzw. Steifigkeit der Fahr
zeugaufhängung entsprechend ein.
Da hier eine Regelung des Verstär
kungsfaktors der Verstärkerschaltung 7 vorgenommen wird,
bleibt das Mittelwertsignal V₃₁ auf konstantem Wert, auch
wenn sich die Stärke der von der Fahrbahnoberfläche 4 reflek
tierten Wellen infolge sich ändernder Fahrgeschwindigkeit des
Fahrzeugs oder veränderter Oberflächenbeschaffenheit der
Fahrbahn 4 verändert. Dementsprechend bleibt das Verhältnis
zwischen dem Mittelwert des verstärkten Signals V₃ und dem
Mittelwert des Bezugssignals V₄ stabil. Infolgedessen lassen
sich Veränderungen im Empfangssignal V₂′, die auf ein vorhan
denes Hindernis zurückzuführen sind, von Veränderungen infol
ge anderer Ursachen unterscheiden, so daß sich das Hindernis
als solches erfassen läßt.
Da die Größe des Bezugssignals V₄ schwankt und da das Bezugs
signal insbesondere eine Dreieckwellenform aufweist, ist der
Vergleicher 12 in der Lage, die auf Hindernisse 5 zurückzu
führenden Komponenten im verstärkten Signal V₃ genauer zu er
fassen als dies bei gleichbleibendem Wert des Bezugssignals
V₄ der Fall wäre.
Bei dem bisher beschriebenen Fall wurde der Verstärkungsfak
tor erhöht, wenn der Pegel des vom Empfänger 6 gelieferten
Empfangssignals V₂ absank. Umgekehrt nimmt dabei der Verstär
kungsfaktor ab, wenn das Empfangssignal V₂ ansteigt. Auf die
se Weise führt jede Pegelveränderung im Empfangssignal V₂ zu
einer Veränderung des Verstärkungsfaktors, so daß das Mittel
wertsignal V₃₁ konstant bleibt.
Gemäß Fig. 2 weist der Zeitgeber 1 einen Mikrorechner 20 und
getrennte monostabile Kippgeneratoren 1a bis 1c auf. Es ist
jedoch auch möglich, alle Steuersignale P₁-P₃ mit Hilfe ei
nes einzigen Mikrorechners zu erzeugen oder auch eigene inte
grierte Taktschaltungen für jedes Signal separat einzusetzen.
Außerdem ist dort der Bezugssignalgeber 11 als Analogbaustein
dargestellt, der eine Dreieckwelle erzeugt, deren Steilheit
durch eine RC-Konstante bestimmt wird. Es kann jedoch genauso
gut auch eine digitale Schaltung oder ein Mikrorechner bei
diesem Bezugssignalgeber eingesetzt werden, und ebenso ist es
möglich, das Bezugssignal V₄ in einer Form zu erzeugen, die
sich schrittweise ändert.
Gemäß Fig. 1 wird das verstärkte
Signal V₃ direkt dem Vergleicher 12 zugeführt. Es ist jedoch
auch möglich, zwischen der Verstärkerschaltung 7 und dem Ver
gleicher 12 eine Differenzierschaltung vorzusehen, um eine
Differenzierung des verstärkten Signals V₃ vorzunehmen. In
diesem Fall läßt sich ein Hindernis 5 durch Vergleich des
verstärkten Signals V₃ mit dem Bezugssignal V₄ erfassen.
Wie die Linie 5(d) zeigt, weist das verstärkte Signal V₃,
dessen Mittelwert in der Integrationsschaltung 8 ermittelt
wird, eine auf Hindernisse 5 zurückzuführende Signalkomponen
te V5b auf, die einer auf die Fahrbahnoberfläche selbst zu
rückzuführenden Signalkomponente 5 a überlagert ist. Im Ideal
fall stellt das Mittelwertsignal V₃₁ nur den Mittelwert der
Komponente V3a dar und repräsentiert die Beschaffenheit der
Fahrbahnoberfläche 4, wenn kein Hindernis vorhanden ist. Tau
chen nur gelegentlich Hindernisse 5 auf, so wirken sich die
durch diese Hindernisse hervorgerufenen Signalkomponenten V3b
nicht besonders stark auf das Mittelwertsignal V₃₁ auf, so
daß eine Annäherung an den Idealzustand vorliegt. Liegen je
doch häufig Hindernisse 5 vor, so nehmen die durch die Hin
dernisse bewirkten Signalkomponenten V3b einen starken Ein
fluß auf das Mittelwertsignal V₃₁. Das Mittelwertsignal V₃₁
steigt dann nämlich im Vergleich zu seltenen Hindernissen 5
leichter an, obwohl sich die Oberflächenbeschaffenheit der
Fahrbahn 4 nicht verändert. Um einem solchen Anstieg des Mit
telwertsignals V₃₁ vorzubeugen, drückt die Verstärkungsfak
torsteuerung 10 den Verstärkungsfaktor. Das Absinken des Ver
stärkungsfaktors verringert den Pegelwert der Scheitelwerte
im verstärkten Signal V₃. Dementsprechend kann der Verglei
cher 12 nicht alle auf Hindernisse zurückzuführenden Signal
komponenten V3b im verstärkten Signal V₃ erkennen, wodurch
die Präzision, mit der Hindernisse erfaßt werden, beeinträch
tigt wird.
Eine Lösung für dieses Problem bietet das Ausfüh
rungsbeispiel, das in Form eines
Blockschaltbilds schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Die
ses Ausführungsbeispiel ist in seinem Aufbau dem zuvor be
schriebenen Beispiel ähnlich, doch weist es zusätzlich noch
eine Abkappschaltung oder eine Begrenzerschaltung 13 auf, die zwischen die Verstärker
schaltung 7 und die Integrationsschaltung 8 geschaltet ist.
Die Abkappschaltung 13 übernimmt aus der Verstärkerschaltung
7 das verstärkte Signal V₃ und kappt das verstärkte Signal V₃
in einer Weise, daß ein gekapptes Signal V₃₂ entsteht, das
dann erst der Integrationsschaltung 8 zugeführt wird. Die In
tegrationsschaltung 8 erzeugt dann ein Mittelwertsignal V₃₁,
das für den Mittelwert der gekappten Signale V₃₂ repräsenta
tiv ist.
Das Schaltschema in Fig. 7 veranschaulicht ein Beispiel für
den Aufbau der in dieser Form zwischen die Verstärkerschal
tung 7 und die Integrationsschaltung 8 geschalteten Abkapp
schaltung 13. Dabei ist ein zwischen dem Ausgang des Opera
tionsverstärkers 7e der Verstärkerschaltung 7 und dem Analog
schalter 8a der Integrationsschaltung 8 in Reihe geschalteter
Widerstand 13a vorgesehen. Die Kathode einer Zener-Diode 13b
ist mit dem Widerstand 13a verbunden, während die Anode der
Zener-Diode 13b an Masse liegt. Die Spannung am Verbindungs
punkt zwischen dem Widerstand 13a und der Zener-Diode 13b ist
eine gekappte Spannung V₃₂, die dem Analogschalter 8a der In
tegrationsschaltung 8 zugeführt wird. Die in Fig. 7 darge
stellte Verstärkerschaltung 7, die Integrationsschaltung 8,
der Bezugswerteinsteller 9 und die Verstärkungsfaktorsteue
rung 10 entsprechen in ihrem Aufbau dem Beispiel aus Fig. 2.
Die Zener-Diode 13b wird so gewählt, daß die gekappte Span
nung V₃₂ eine Sollkappspannung Vc nicht überschreitet. Die
Kappspannung Vc entspricht dabei in etwa dem Scheitelwert der
Signalkomponente V3a, d. h. dem Scheitelwert der Signalkompo
nente, die auf die von der Fahrbahnoberfläche 4 reflektierten
Wellen zurückzuführen ist.
Fig. 8 zeigt schematisch die Wellenform der Ausgangssignale
verschiedenen Elemente des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.
Dieses Ausführungsbeispiel ist in seiner Funktionsweise dem
aus Fig. 1 ähnlich, und die Linien 8(a)
bis 8(j) in Fig. 8 sind mit den entsprechenden Linien in Fig.
5 identisch. Gemäß der Linie 8(j) allerdings wird das ver
stärkte Signal V₃ aus der Verstärkerschaltung 7 der Abkapp
schaltung 13 zugeführt und auf eine Kappspannung Vc gekappt,
so daß sich eine gekappte Spannung V₃₂ ergibt. Die Integra
tionsschaltung 8 erzeugt anschließend ein Mittelwertsignal
V₃₁, das dem Mittelwert der gekappten Signale V₃₂ entspricht,
während die Verstärkungsfaktorsteuerung 10 den Verstärkungs
faktor der Verstärkerschaltung 7 in einer Weise steuert, daß
das Mittelwertsignal V₃₁ gleich dem Bezugssignal V3R ist.
Damit wird die Wirkung, die die auf ein Hindernis 5 zurückzu
führende Signalkomponente V3b auf das Mittelwertsignal V₃₁
hat, unterdrückt, während der Pegel des Mittelwertsignals V₃₁
sehr nahe an den Mittelwert der Komponente V3a des verstärk
ten Signals V₃ herankommt, die auf die von der Fahrbahnober
fläche 4 reflektierten Wellen zurückzuführen ist. Damit las
sen sich Hindernisse 5 auch dann exakt erfassen, wenn das
Fahrzeug auf einer Fahrbahn fährt, auf der viele Hindernisse
5 vorhanden sind.
Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen werden die
Ultraschallwellen intermittierend ausgesendet. Es ist jedoch
ebensogut möglich, einen Ultraschallwellengeber einzusetzen,
der kontinuierlich Schallwellen erzeugt. In diesem Fall läßt
sich der Mittelwert des verstärkten Signals V₃ mit einer je
weils gewünschten Erfassungsperiode ermitteln.
Claims (1)
- Ultraschallsensor zur Hinderniserfassung für Kraftfahrzeuge, umfassend einen Ultraschallsender (3) zur Erzeugung von Ultraschallwellen (V₁); einen Ultraschallempfänger (6) zum Empfangen von Ultraschallwellen und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals (V₂); einen einstellbaren Verstärker (7) zum Verstärken des vom Ultraschallempfänger (6) abgegebenen Signals (V₂) sowie zum Erzeugen eines verstärkten Signals (V₃) und einen Vergleicher (12) zum Vergleichen eines von einem Bezugssignalgeber (11) bereitgestellten Bezugssignal (V₄) mit dem verstärkten Signal (V₃) zum Erzeugen eines Hinderniser fassungssignals (V₅), und eine Integrationseinrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Begrenzerschaltung (13) zwischen dem Ver stärker (7) und die Integrationsschaltung (8) geschaltet ist, die das verstärkte Signal (V₃) auf einen Sollspannungswert (VC) begrenzt und das begrenzte Signal (V₃₂) der Integrationsein richtung (8) zuführt, wobei die Integrationseinrichtung (8) zum Erzeugen eines Mittelwertsignales (V₃₁), das den Mittelwert des begrenzten Signals (V₃₂) repräsentiert, dient, und daß eine Regeleinrichtung, die als Verstärkungsfaktorsteuerung (10) ausgebildet ist, vorgesehen ist, welche im Ansprechen auf das Mittelwertsignal (V₃₁) den Verstärkungsfaktor des Verstärkers (7) in der Weise regelt, daß das Mittelwertsignal (V₃₁) auf einem gleichbleibenden, vorgegebenen Wert gehalten wird.
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