DE4422812C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Distanz zu einem Hindernis mittels Ultraschallwellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Distanz zu einem Hindernis mittels Ultraschallwellen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung der in den Oberbeg­ riffen der Patentansprüche 1 und 2 genannten Art.
Bei einem solchen, aus der US 4 887 246 bekannten Verfahren und einer Vorrichtung wird die Distanz zu einem Hindernis durch Zählen des Systemtaktes oder Haupttaktes eines Computers berechnet und der aus mehreren getrennt ansteuerbaren Ultraschall­ wandlerelementen bestehende Ultraschallwandler zeitverzögert so gesteuert, dass eine Fokussierung des abgestrahlten Ultraschallstrahls bzw. der Empfangscharakteristik nach Maßgabe der berechneten Entfernung auf das tatsächliche Hindernis erfolgt.
Aus der US 4 315 325 ist ein mit Ultraschall arbeitendes Entfernungsmeßsystem be­ kannt, bei dem eine Diskriminierung der empfangenen Ultraschallimpulse zum Rauschen mit Hilfe eines Bezugssignals erfolgt, dessen Amplitude sich nach Maßgabe der voraus­ gesagten Dämpfung der ausgesendeten und reflektierten Ultraschallimpulse verringert wird. Danach werden die empfangenen Ultraschallimpulse unterschiedlich verstärkt, um sie anschließend mit einem Bezugssignal fester Amplitude zu vergleichen.
Aus der DE 38 21 577 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hinderniserken­ nung mit Ultraschallentfernungsmessung für Fahrzeuge bekannt, bei denen zur Diskri­ minierung zwischen den von unterschiedlichen Fahrzeugen ausgesendeten und emp­ fangenen Ultraschallimpulsen diese unterschiedlich zeitkodiert werden.
Aus der US 4 845 682 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall- Entfernungsmessung bekannt, bei denen eine Diskriminierung zwischen einem echten empfangenen Echosignal und Störsignalen dadurch erfolgt, dass eine bestimmte Zeitpe­ riode abgeschätzt wird, während der ein echtes Echosignal empfangen werden kann, wobei diese Zeitperiode einer abgeschätzten Entfernung des Hindernisses zugeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art so auszubilden, dass sie mit einfacher Hard- und Software eine zuverlässige und störungs­ freie Bestimmung der Distanz zu einem Hindernis ermöglichen.
Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Lehre zeichnet sich dadurch aus, dass einmal in bekannter Wei­ se die Entfernung oder Distanz zu einem Hindernis durch Zählen eines Haupttaktes vom Zeitpunkt des Aussendens eines Ultraschallsignals bis zum Zeitpunkt des Empfangs des reflektierten Ultraschallsignals bestimmt wird. Um dieses für sich bekannte Verfahren störungssicher zu machen, werden die reflektierten und empfangenen Ultraschallsignale hinsichtlich ihrer Amplitude mit einem Bezugssignal verglichen, dessen Amplitude nach Maßgabe einer verstrichenen ersten Zeitdauer vom Aussenden des Ultraschallsignals und damit mit größer werdender Distanz kleiner wird. Treten daher Störsignale auf, de­ ren Amplitude kleiner als die sich ändernde Amplitude des Bezugssignals ist, so werden diese als solche Störsignale diskriminiert. Außerdem wird noch ein Vergleich der durch die Zählung des Haupttaktes berechneten Zeitdauer, die der berechneten Distanz ent­ spricht, mit der Zeitdauer vorgenommen, die aufgrund der kleiner werdenden Amplitude des Bezugssignals nach dem Aussenden des Ultraschallsignals verstrichen ist, um eine weitere Plausibilitätsprüfung innerhalb eines vorbestimmten Fehlerbereichs dieser zu vergleichenden Zeitdauern vorzunehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzel­ nen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Distanzmessung zu einem Hindernis;
Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der Ausführungsform nach Fig. 1;
Fig. 3A, 3B und 3C grafische Darstellungen zur Erläuterung der Signalvorgänge, die bei der Ausführungsform der Erfindung auftreten, wobei
Fig. 3A einen Eingangssignalverlauf am Anschluss A/D des Mikrocomputers zeigt,
Fig. 3B einen Ausgangssignalverlauf am D/A-Anschluss des Mikrocomputers zeigt, und
Fig. 3C einen Eingangssignalverlauf am Anschluss INT des Mikrocomputers zeigt, und
Fig. 4A und 4B Flussdiagramme der Ausführungsform zur Erläuterung eines Verfahrens zur Distanzmessung zu einem Hindernis.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Ultraschallwandler, der Ultraschallwel­ len in den Raum abgibt und ein von einem Hindernis reflektiertes Signal empfängt, wenn die ausgesendeten Ultraschallwellen auf ein entfernt angeordnetes Hindernis auftreffen.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Verstärkereinheit zum Verstärken des vom Hin­ dernis reflektierten Signals.
Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Mikrocomputer zur Ausführung der Distanzbe­ rechnung durch Empfang der Ultraschallwellen mittels der Verstärkereinheit 3 am An­ schluss A/D und zum Steuern des Betriebsablaufs der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wenn die in den Raum vom Ultraschallwandler 1 ausgesendeten Ultraschallwellen von dem Hindernis reflektiert werden, um dadurch vom Ultraschallwandler 11 wieder aufge­ nommen zu werden.
Das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Komparator zum Vergleichen eines Bezugssig­ nals, das von einem Ausgangsanschluss D/A des Mikrocomputers 5 abgegeben wird, mit einem Eingangssignal von der Verstärkereinheit 3, um ein Vergleichsergebnis dem Ein­ gangsanschluss INT des Mikrocomputers 5 zuzuführen, so dass eine aktuelle Distanz zum Hindernis vom Mikrocomputer 5 berechnet werden kann.
Die Betriebsabläufe an jeder oben erwähnten Einheit werden unter Bezugnahme auf das detaillierte Schaltbild von Fig. 2 erläutert.
Die Oszillatoreinheit 7 hebt den Treiberimpuls (beispielsweise eine Rechteckwelle von 50 kHz, die vom Mikrocomputer 5 abgegeben wird, auf eine hohe Spannung (ungefähr 400 V), die den Ultraschallwandler 1 betreiben kann.
Mit anderen Worten, wenn der Treiberimpuls, der vom Ausgangsanschluss P des Mikro­ computers 5 erzeugt wird, einer Primärspule L1 eines Aufwärtstransformators T1 über Transistoren Q1 und Q2 der Oszillatoreinheit 7 zugeführt wird, dann wird an der Sekun­ därspule L2 des Aufwärtstransformators T1 eine hohe Spannung erzeugt, die den Ultra­ schallwandler 1 treibt, um Ultraschallwellen in den Raum abzustrahlen.
Zu diesem Zeitpunkt wird das von dem Ultraschallwandler in den Raum abgestrahlte Signal an der Verstärkereinheit 3 verstärkt so wie es ist, und es wird dem Anschluss A/D des Mikrocomputers 5 eingegeben und gleichzeitig dem Anschluss INT über den Kom­ parator 9 zugeführt. In der Zwischenzeit werden die vom Ultraschallwandler 1 ausge­ sandten Ultraschallwellen vom Hindernis reflektiert und vom Ultraschallwandler 1 wieder aufgenommen.
Das vom Ultraschallwandler 1 aufgenommene Signal wird von der Verstärkereinheit 3 verstärkt, um anschließend dem Eingang A/D des Mikrocomputers 5 und gleichzeitig dem Anschluss INT über den Komparator 9 zugeführt zu werden.
Mit anderen Worten, das vom Hindernis reflektierte und vom Ultraschallwandler 1 emp­ fangene Signal wird einem invertierenden Eingang (-) eines Operationsverstärkers OP1 über die Sekundärspule L2 und einen Widerstand R6 des Transformators T1 zugeführt und wird anschließend vom Verstärker OP1 verstärkt und dem Anschluss A/D des Mik­ rocomputers 5 zugeführt.
Das Signal wird gleichzeitig dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Komparators 9 über den Widerstand R8 zugeführt.
Der Komparator 9 empfängt das Vergleichsbezugssignal, das vom Ausgangsanschluss D/A des Mikrocomputers 5 abgegeben wird, über einen Widerstand R9, um dadurch die­ ses mit einem verstärkten Signal zu vergleichen, das von der Verstärkereinheit 3 abge­ geben wird, und um ein dem Vergleichsergebnis entsprechendes Signal dem Eingangs­ anschluss INT des Mikrocomputers 5 zuzuführen.
Der Mikrocomputer ermittelt die Sende- und Empfangszeit der Ultraschallwellen aus dem Signal, das dem Eingang A/D zugeführt wird und zählt gleichzeitig den Systemtakt, um dadurch die Sende- und Empfangszeit der Ultraschallwellen aus einer Zeit zu ermitteln, zu der die Aussendung der Ultraschallwellen durch das dem Anschluss INT zugeführte Signal ermittelt wird zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Ultraschallwellen von dem Ult­ raschallwandler 1 empfangen werden, und das Signal, das vom Ausgangsanschluss des Komparators 9 abgegeben wird, wird dem Anschluss INT zugeführt.
Dementsprechend kann der Mikrocomputer die Distanz zum Hindernis aus der Sende- und Empfangszeit bestimmen, die durch das Signal ermittelt werden, das dem Anschluss A/D zugeführt wird, und kann die Distanz zum Hindernis aus der Sende- und Empfangs­ zeit bestimmen, die aus dem dem Anschluss INT zugeführten Signal ermittelt wird.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Hindernis unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der Fig. 4A und 4B beschrieben.
Das Bezugszeichen S in der Zeichnung bedeutet jeweils einen Schritt.
Zunächst wird, wie in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigt, bei Zuführung von Strom aus einer elekt­ rischen Stromquelle (nicht dargestellt) zur Distanzmessvorrichtung das System gemäß einem Steuerprogramm im Mikrocomputer 5 installiert, um dadurch den Betrieb zu star­ ten.
Wenn das System den Betrieb beginnt, werden im Schritt S1 Ultraschallwellen ausge­ sendet.
Mit anderen Worten, wenn der Mikrocomputer 5 ein Impulssignal durch einen Impuls­ ausgang P abgibt, erzeugt die Oszillatoreinheit 7 die hohe Spannung des Treiberimpul­ ses, der vom Mikrocomputer 5 abgegeben wird, um diese zum Ultraschallwandler 1 aus­ zugeben.
Der Ultraschallwandler 1 strahlt die Ultraschallwellen in den Raum ab, um das Hindernis zu ermitteln.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Treiberimpulssignal, das von der Oszillatoreinheit 7 aus­ gegeben wird, zum Ultraschallwandler 1 ausgegeben, und gleichzeitig wird es einem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers OP1, den die Verstärkereinheit 3 enthält, zugeführt.
Das dem invertierenden Anschluss (-) des Operationsverstärkers OP1 zugeführte Signal wird von diesem verstärkt, um einen "A"-Kurvenverlauf, wie in Fig. 3A gezeigt, zu erge­ ben, der dem Eingangsanschluss A/D des Mikrocomputers 5 zugeführt wird.
Gleichzeitig geht das Impulssignal in eine "a"-Kurvenform über, wie in Fig. 3C gezeigt, um dann dem nicht-invertierenden Anschluss (+) des Komparators 9 zugeführt zu wer­ den.
Wenn die Ultraschallwellen in dem vorerwähnten Vorgang ausgesendet werden, dann wird außerdem ein Bezugssignal, wie in Fig. 3B gezeigt, vom Ausgangsanschluss D/A des Mikrocomputers 5 mit einem Ausgangspegel abgegeben, der sich bei jeder A/D- Wandlerzeit ändert.
Der Komparator 9 vergleicht das von der Verstärkereinheit 3 abgegebene Signal mit dem Bezugssignal, das in Fig. 3B dargestellt ist und von dem Anschluss D/A des Mikrocom­ puters ausgegeben wird, und wenn das Signal von der Verstärkereinheit 3 größer ist als das Bezugssignal, das vom Anschluss D/A des Mikrocomputers abgegeben wird, dann wird ein Signal hohen Pegels ausgegeben.
Der Mikrocomputer unterscheidet dann, ob das "a"-Signalformdiagramm auf einer abfal­ lenden Flanke nach Empfang des "a"-Kurvenform-Signals von Fig. 3C liegt und vom Komparator 9 über den Eingangsanschluss INT ausgegeben wird, Schritt S2.
Wenn festgestellt wird, dass das "a"-Kurvenformsignal, das dem Eingangsanschluss INT des Mikrocomputers 5 zugeführt wird, auf der abfallenden Flanke liegt (im Falle "ja"), geht als Folge der Entscheidung im Schritt S2 der Vorgang zum Schritt S3 über, und der Mikrocomputer 5 arbeitet als innerer Zähler (nicht dargestellt), um den Systemtakt zu zählen.
Sobald der innere Zähler des Mikrocomputers 5 den Zählvorgang im Schritt S3 beginnt, wandelt der Mikrocomputer 5 das über den Anschluss A/D eingegebene Signal in ein digitales Signal um, um zu unterscheiden, ob die vom Ultraschallwandler 1 empfangene Ultraschallwelle das vom Hindernis reflektierte Signal ist, oder nicht.
Mit anderen Worten, der Mikrocomputer 5 unterscheidet, ob es Zeit für eine A/D- Wandlung ist, und wenn ermittelt wird, dass die Zeit für die A/D-Wandlung (im Falle "ja") gegeben ist, dann geht der Vorgang zum Schritt S5 über, um die Unterbrechungsroutine zur Diskriminierung der Distanz zum Hindernis auszuführen.
Wenn das Signal im Schritt S5 als "A"-Kurvenformsignal (dargestellt in Fig. 3A) durch den Mikroprozessor diskriminiert worden ist, der die Unterbrechungsroutine durch die A/D-Wandlung ausgeführt hat, dann nimmt der Mikrocomputer im Schritt S6 eine erste Zeit als Zeit (6T), zu der eine Vorderflanke des "A"-Kurvenformsignals erzeugt worden ist.
Wenn das Signal durch den Anschluss des Mikrocomputers 5 für jede A/D-Wandlerzeit beim Schritt S4 nicht geliefert wird, dann wird selbstverständlich in den Schritten S5 und S6 die erste Zeit nicht erhalten, und die an den Schritt S7 anschließenden Vorgänge werden ausgeführt.
An dieser Stelle ist im Mikrocomputer 5 eine vorbestimmte Bezugsspannung bereits ge­ speichert worden, die entsprechend einem Spannungspegel eines Empfangssignals, der gemäß der Entfernung zum Ziel variiert, eingerichtet ist.
Mit anderen Worten, wie in Fig. 3B gezeigt, wird der Spannungswert des Empfangssig­ nals, der gemäß der A/D-Wandlerzeit (T, 2T, 3T, . . . 6T) schwankt, in einem inneren Speicher des Mikrocomputers 5 gespeichert.
Obgleich das "A"-Kurvenformsignal, das in seinem Pegel gemäß Fig. 3A mit zunehmen­ der Entfernung zum Ziel abnimmt, empfangen wird, wird dementsprechend das "A"- Kurvenformsignal, das in Fig. 3A dargestellt ist, durch Bezugsspannungspegel (V2 und V3) ermittelt, die niedriger und in Fig. 3B dargestellt sind.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Zeit sämtlich als 6T ermittelt, ohne Rücksicht darauf, ob ein "A"-Kurvenformsignal gemäß Fig. 3A über den Eingangsanschluss A/D des Mikrocom­ puters 5 eingegeben wird, oder ob ein "B"-Kurvenformsignal zugeführt wird.
Wenn die erste Zeit (6T) gemäß dem "A"-Kurvenformsignal erhalten wird, das dem Ein­ gangsanschluss A/D des Mikrocomputers im Schritt S6 zugeführt wird, unterscheidet der Mikrocomputer 5 im Schritt S7, ob das dem Eingangsanschluss INT zugeführte und in Fig. 3A dargestellte "A"-Kurvenformsignal auf der Vorderflanke liegt, und wenn ermittelt wird, dass das Signal auf der Vorderflanke liegt (im Falle von "ja"), geht der Vorgang zum Schritt S8 über, und der Mikrocomputer 5 führt die Unterbrechungsroutine aus, um die Distanz zum Hindernis mit dem dem Eingangsanschluss INT zugeführten Signal zu er­ mitteln.
Mit anderen Worten, wenn ein Vergleichsbezugssignal vom Ausgangsanschluss D/A des Mikrocomputers 5 ausgegeben wird, wie in Fig. 3B gezeigt, vergleicht der Komparator 9 das "A"-Kurvenformsignal, das von der Verstärkereinheit 3 eingegeben wird, mit den Vergleichsbezugssignalen V2 und V3 und gibt das aus dem Vergleich entstehende Sig­ nal aus.
Mit anderen Worten, der Komparator 9 gibt ein "a"-Kurvenformsignal ab, wie in Fig. 3C gezeigt.
Der Mikrocomputer 5 empfängt das verglichene Signal über den Eingangsanschluss INT, und im Schritt S9 nimmt er dieses als eine zweite Zeit (Tp) bis zu einem Zeitpunkt, wenn die Vorderflanke des "a"-Kurvenformsignals aufgetreten ist.
Wenn an dieser Stelle ein Störsignal empfangen wird, wie in Fig. 3A gezeigt, wird das Signal als Störung diskriminiert, weil das Signal kleiner als die Bezugsspannung eines vorbestimmten Pegels ist, der vom Ausgangsanschluss D/A des Mikrocomputers 5 aus­ gegeben wird und in Fig. 3B dargestellt ist.
Der Mikrocomputer 5 erhält im Schritt S9 die zweite Zeit (Tp) gemäß dem "a"- Kurvenformsignal, das dem Eingangsanschluss INT eingegeben wird und in Fig. 3C dar­ gestellt ist, und der Mikrocomputer 5 diskriminiert im Schritt S10, ob die erste Zeit (6T) und die zweite Zeit (Tp) sämtlich gemäß den Signaldaten erhalten werden, die dem Ein­ gangsanschluss A/D und dem Eingangsanschluss INT zugeführt werden.
Wenn ermittelt wird, dass sowohl die erste Zeit (6T) als auch die zweite Zeit (Tp) nicht erhalten werden (im Falle "nein"), führt der Mikrocomputer 5 wiederholt die sich an den Schritt S3 führenden Vorgänge aus.
Wenn bei dem oben beschriebenen Vorgang ermittelt wird, dass die erste Zeit (6T) und die zweite Zeit (Tp) sämtlich erhalten werden (im Falle von "ja"), geht der Vorgang zum Schritt S11 über, und der Mikrocomputer 5 ermittelt, ob die Daten der ersten Zeit (6T) und der zweiten Zeit (Tp) wechselseitig innerhalb einer vorgegebenen Fehlergrenze ü­ bereinstimmen.
Mit anderen Worten, der Mikrocomputer 5 ermittelt, ob die Datendifferenz zwischen der ersten Zeit (6T) und der zweiten Zeit (Tp) innerhalb der vorbestimmten Fehlergrenze liegt.
Wenn im Schritt S11 ermittelt wird, dass die ersten Zeitdaten und die zweiten Zeitdaten wechselseitig innerhalb der vorbestimmten Fehlergrenze übereinstimmen (im Falle von "ja"), mit anderen Worten, wenn ermittelt wird, dass das Empfangssignal ein Signal ist, das von dem Hindernis reflektiert worden ist, dann geht der Vorgang zum Schritt S12 über, um dadurch die zweite Zeit, die man daraus erhält, in Distanzdaten für die Diskri­ minierung als wirkliche Distanzdaten des Hindernisses umzuwandeln.
Die Daten werden nun als wirkliche Distanz zum Hindernis verwendet, und die Betriebs­ folge zur Messung der Distanz zum Hindernis wird dann beendet.
In der Zwischenzeit, wenn im Schritt S11 ermittelt wird, dass die ersten Zeitdaten wech­ selseitig nicht innerhalb der Fehlergrenze liegen (im Falle von "nein"), geht der Vorgang zum Schritt S13 über, und der Mikrocomputer 5 ermittelt nun das empfangene Ein­ gangssignal als Störung, wiederholt den Ablauf der Vorgänge im Anschluss an den Schritt S3 und führt die Vorgänge zur Messung der Distanz zum Hindernis aus.
Wie man aus dem Vorangehenden sieht, ist bei der Vorrichtung und dem Verfahren die A/D-Umwandlungszeit nicht in die Distanzmessung zum Hindernis einbezogen, sondern eine Zeit über den Systemtakt gegenüber der Zeit gemäß dem Eingangssignal des Komparators wird gezählt, um dadurch eine genaue Messung der wirklichen Distanz zum Hindernis zu erhalten.

Claims (2)

1. Verfahren zur Distanzmessung zu einem Hindernis mittels Ultraschallwellen mit den Schritten:
Aussenden einer Ultraschallwelle und gleichzeitiges Zählen eines Haupttaktes;
Anhalten der Zählung des Haupttaktes, um dadurch eine Distanz zum Hindernis aus der Anzahl der Haupttakte zu berechnen, wenn die vom Hindernis reflektierte Ultraschallwelle empfangen wird, und
Berechnen der jeweiligen Distanz aus der Anzahl der gezählten Haupttakte;
gekennzeichnet durch:
Vergleichen der Amplitude des empfangenen Signals mit einem Bezugssignal, um dadurch zu ermitteln, ob das empfangene Signal ein vom Hindernis reflektiertes Signal ist, wobei die Amplitude des Bezugssignals (V, V2, V3) mit größer werdender Distanz zum Hindernis und länger werdender erster Zeitdauer (2T, 3T, 4T, 5T, 6T) kleiner wird, und
Vergleichen der ersten Zeitdauer (2T, . . . 6T) mit einer der berechneten Distanz entsprechenden Zeitdauer (Tp) zum Feststellen, ob beide Zeitdauern innerhalb eines bestimmten Fehlerbereichs übereinstimmen.
2. Vorrichtung zur Messung der Distanz zu einem Hindernis mittels Ultraschallwellen mit:
einem Ultraschallwandler (1) zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen und einem Mikrocomputer (5) zum Berechnen einer Distanz zu einem Hindernis durch Zählen eines Systemtaktes, bis die Ultraschallwelle nach Aussendung durch den Ultraschallwandler (1) und Reflexion am Hindernis am Ultraschallwandler empfangen wird;
gekennzeichnet durch:
einer Vergleichseinrichtung (9) zum vergleichen eines Bezugssignals (V, V2, V3) mit den nach Reflexion am Hindernis empfangenen Signalen hinsichtlich ihrer Amplitude, wobei die Amplitude des Bezugssignals mit größer werdender Distanz zum Hindernis und länger werdender erster Zeitdauer (2T, 3T, 4T, 5T, 6T) kleiner wird, und
eine Vergleichsfunktion (S11) des Mikrocomputers (5) zum Feststellen, ob die erste Zeitdauer (2T, . . . 6T) und die der berechneten Distanz entsprechende Zeitdauer (Tp) innerhalb eines bestimmten Fehlerbereichs übereinstimmen.
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