DE4042575C2

DE4042575C2 - Ultraschallsensor zur Hinderniserfassung

Info

Publication number: DE4042575C2
Application number: DE4042575A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Wada; Masayuki Yano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-10-17
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2010-10-16
Also published as: DE4032713A1; DE4032713C2; US5076384A

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. W_b 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 W_a 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. W_b 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 W_a 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 V_3R aus einem Bezugswert einsteller 9 wird ebenfalls der Verstärkungsfaktorsteuerung 10 zugeführt. Die Verstärkungsfaktorsteuerung 10 vergleicht das Mittelwertsignal V₃₁ mit dem Bezugssignal V_3R und stellt den Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung 7 so nach, daß das Mittelwertsignal V₃₁ mit dem Sollbezugssignal V_3R 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 V_B und Masse in Reihe geschalteten Widerständen 9a und 9b. Die Spannung am Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 9a und 9b dient als Bezugssignal V_3R.

Die Verstärkungsfaktorsteuerung 10 weist einen Operationsver stärker 10a auf, der das Mittelwertsignal V₃₁ aus der Inte grationsschaltung 8 mit dem Bezugssignal V_3R 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 t_b 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 t_b der Zeit, die die Ultraschallwellen für den Hin- und Rückweg entlang der Strecke (W_b, W_b′) 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 t_a dem Zeitraum für Hin- und Rückweg der Wellen ent lang der Strecke (W_a, W_a′) mittlerer Länge, und die Zeit t_c der Zeit für Hin- und Rückweg der Wellen entlang der längsten Strecke (W_c, W_c′). Setzt man die Weglängen W_a, W_b und W_c je weils gleich 1_a, 1_b und 1_c, und für c die Schallgeschwindig keit, so berechnen sich die Zeiten t_a-t_c wie folgt:

t_a = 2 l_a/c
t_b = 2 l_b/c
t_c = 2 l_c/c.

Wegen des Richtvermögens des Senders 3 und des Empfängers 6 empfängt der Empfänger 6 die Wellen am stärksten, die entlang der Strecke (W_a, W_a′) verlaufen. Aus diesem Grund besitzt das Empfangssignal V₂ eine in etwa dreieckige Wellenform, die zum Zeitpunkt t_b beginnt, zum Zeitpunkt t_a ein Maximum erreicht, und zum Zeitpunkt t_c 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 t_a-t_c 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 W_c laufen, treffen als er ste auf das Hindernis 5, und damit ist der Zeitraum t₂ zu An fang gleich t_c. 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 W_c nehmen, dann die Wellen auf dem Weg W_a und schließlich die Wellen auf dem Weg W_b. Beim Heranfahren des Fahrzeugs an das Hindernis ver ändert sich dementsprechend der Wert der Zeit t₂ von anfäng lich t_c auf t_a und wird schließlich t_b, 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 t_b bis t_c, 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 V_3a, die nur durch die Fahrbahnoberfläche 4 zu rückzuführen ist, und einer Wellenkomponente V_3b, die ihre Ursache im Hindernis hat. Damit läßt sich V₃ folgendermaßen ausdrücken:

V₃ ≈ V_3a + V_3b.

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 V_3b 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 t_a, t_b und t_c. Der Zeitgeber 1 setzt die Impulsbreite des Impulssignals P auf t_b, die Impulsbreite des Steuersignals P₂ auf t_c-t_b, und die Impulsbreite des Steuersignals P₃ auf t_a-t_b.

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 V_3R aus dem Bezugswerteinsteller 9 und regelt die Steu erspannung des Feldeffekttransistors 10c in einer Weise, daß der Mittelwert V₃₁ mit dem Bezugswert V_3R 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 V_4a und einem zweiten Bezugssignal V_4b. Das erste Bezugssignal V_4b steigt vom Zeitpunkt t_b bis zum Zeitpunkt t_a monoton an, während das Steuersignal P₃ ei nen hohen Pegelwert hat. Das zweite Bezugssignal V_4b beginnt zum Zeitpunkt t_a (zu dem der Pegel des Steuersignals P ab sinkt) stetig abzusinken und erreicht zum Zeitpunkt t_c einen Mindestwert. Damit weist, wie die Linie 5(k) ausweist, das aus dem ersten und zweiten Bezugssignal V_4a und V_4b 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 V_5b 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 V_3a 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 V_3b 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 V_3b 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 V_3b 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 V_c nicht überschreitet. Die Kappspannung V_c entspricht dabei in etwa dem Scheitelwert der Signalkomponente V_3a, 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 V_c 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 V_3R ist.

Damit wird die Wirkung, die die auf ein Hindernis 5 zurückzu führende Signalkomponente V_3b auf das Mittelwertsignal V₃₁ hat, unterdrückt, während der Pegel des Mittelwertsignals V₃₁ sehr nahe an den Mittelwert der Komponente V_3a 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

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 (V_C) 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.