EP3132280A1 - Verfahren zum erkennen eines objektes in einem nahbereich eines ultraschallsensors - Google Patents

Verfahren zum erkennen eines objektes in einem nahbereich eines ultraschallsensors

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EP3132280A1
EP3132280A1 EP15705567.4A EP15705567A EP3132280A1 EP 3132280 A1 EP3132280 A1 EP 3132280A1 EP 15705567 A EP15705567 A EP 15705567A EP 3132280 A1 EP3132280 A1 EP 3132280A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
ultrasonic sensor
deviation
ausschwingsignal
vicinity
Prior art date
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Ceased
Application number
EP15705567.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andras Roka
Michael Schumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3132280A1 publication Critical patent/EP3132280A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/526—Receivers
    • G01S7/527—Extracting wanted echo signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting an object in a near zone of an ultrasonic sensor.
  • Ultrasonic-based measuring systems are used to measure a distance to an object located in front of an ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensors used are based on the pulse / echo method. In this method, the ultrasonic sensor emits an ultrasonic pulse and measures the reflection of the ultrasonic pulse (echo) caused by an object. The distance between the ultrasonic sensor and the object is calculated using a measured echo time and the speed of sound.
  • the ultrasonic sensor acts as transmitter and receiver.
  • Resonant converter used which after the excitation with a transmission signal has a ringing. Only when the ringing of the sensor element falls below a certain level and an echo signal is similar to or greater than the ringing, an echo can be detected. Since the received signals at the beginning of the ringing have levels of up to 100V and thus significantly larger than the received signals to be detected (about 1 mV), the receiving chain of amplifier and, if present, A D converter by the high level of the swinging overdriven. The result is that no echoes can be localized in this time range. This is called a dead time. This also applies to higher-quality filter algorithms, which reduce the dead time but can not eliminate it. The dead time currently leads to a minimum distance of about 10-15cm, below which a measurement can not be made. Objects below this minimum distance will not be detected.
  • Objects in front of an ultrasonic transducer generate echoes that point to a
  • Sensor membrane of the ultrasonic transducer act. Detection and detection as an echo is characterized in measuring operation in that signal peaks above a certain application-specific threshold are detected in the received signal. The received signal is with corresponding
  • Filter structures e.g. an analog bandpass filter, filtered.
  • the following states can occur: a) If the echoes hit the sensor membrane after it has completely swung out, the echo and decay can be easily separated and the echo can be detected well. This applies regardless of the filtering. b) If the echoes hit the sensor membrane after it has almost completely swung out and a part of the echo (namely the trailing edge) is still recognizable as an extended ringing compared to the decay curve, then the echo can barely be detected.
  • the range at which this is just possible is defined as the minimum measuring range. The minimum
  • Measuring range is temperature, component and object dependent and is usually between 10-15cm.
  • the prerequisite for this type of signal analysis is only weak filtering of the received signal and, consequently, a detection based on the envelope of the received signal.
  • the filter output of a matched filter applied to the received signal can also be used for detection.
  • the filter output is characterized in that signal peaks result in high agreement of transmit and receive signal. A valid echo signal is present when the signal tip of the
  • Echoes from the signal peaks of ringing
  • Ringing peak can be distinguished by the absolute peak value.
  • the ringing peak and echo peak merge for objects in the near range.
  • the amplitude of the echo peak decreases, so that as a result the echo peak disappears. That's because the
  • Suffix amplitudes in the received signal are significantly greater than those of the echo and a differentiation by the matched filter no longer is possible.
  • the minimum range for this type of signal analysis is also about 10-15cm. c) Meet the echoes on the sensor membrane while they are still there
  • Amplifier chain saturated, then the echoes can not be detected. The echo disappears, so to speak, in the ringing.
  • a conventional ultrasound system is described in DE10103936A1.
  • an ultrasonic wave reflected by an obstacle is received by an ultrasonic oscillator to detect an obstacle.
  • Transmitting frequency of the ultrasonic wave is adjusted so that it is different from the frequency of Abklingschwingung or Nachschwingung.
  • the inventive method for detecting an object in a vicinity of an ultrasonic sensor comprises the steps of exciting a transducer of the ultrasonic sensor by a transmission signal, detecting a Ausschwingsignals that describes the decay of the transducer after the excitation of the transducer, determining a deviation between the Ausschwingsignal and a reference Ausschwingsignal, and detecting the presence of an object in the vicinity of the ultrasonic sensor based on the determined deviation.
  • a near zone is an area in front of the transducer of the ultrasonic sensor, in which an exact measurement by the pulse / echo method is not possible because an echo of the transmission signal is superimposed by the Ausschwingssignal.
  • the method is carried out a number of times and the reference decoupling signal, in particular in the case of a present movement of the ultrasound sensor, corresponds to an earlier decoupling signal which was detected during a preceding passage of the method. This minimizes the influence of temperature changes, since the reference decay signal is automatically adjusted to a current temperature of the transducer. Thus, a particularly reliable detection of
  • the decoupling signal corresponds to when no object in the vicinity of the
  • Ultrasonic sensor is located. Thus, a state in which no object is in the vicinity of the ultrasonic sensor is clearly defined, and deviations from this state can be detected particularly precisely.
  • a movement of the ultrasound sensor is performed during the excitation of the sound transducer and / or the detection of the decay signal. Such a movement enhances the deviation if an object is in the vicinity of the ultrasonic sensor, thereby increasing sensitivity in determining the deviation.
  • the turn-off signal is a signal that has been filtered by a matched filter, the filter being adapted to the transmit signal. This is advantageous because such a signal is already present in many ultrasonic sensors and such a signal enables a particularly simple and accurate determination of the deviation.
  • the time required to perform the method is minimized. Disturbances caused by the excitation of the sound transducer are excluded. In particular, an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is detected as present if the deviation is above a predefined value. In this way, the detection of the presence of an object can be solved with a very low cost. In addition, therefore, a simple adaptation of a sensitivity in detecting the presence of an object allows, which in turn error detection can be avoided.
  • the method is performed several times and an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is detected as present if the deviation does not correspond to a deviation determined at an earlier point in time. In this way unwanted influences by environmental factors, e.g. a change in the temperature of the transducer, which determines the Ausschwingfrequenz compensated.
  • Deviation was caused by an environmental factor or by an object in the vicinity of the ultrasonic sensor.
  • the steps of exciting the acoustic transducer, detecting a decay signal, and determining a deviation between the decay signal and a reference decay signal are performed several times, wherein the frequency of the transmission signal between two
  • Near range of the ultrasonic sensor is detected as present when the certain deviations together indicate a positive deviation or together to a negative deviation of the Ausschwingsignals of the reference Ausschwingsignal.
  • a common positive deviation exists if the decay signal is greater than the reference decay signal both before and after the frequency is varied.
  • Deviation was caused by an environmental factor or by an object in the vicinity of the ultrasonic sensor.
  • FIG. 1 shows a flow chart of the method according to the invention in a first embodiment
  • Figure 2 is a diagram showing an exemplary Ausschwingsignal and an exemplary reference Ausschwingsignal according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is an overview of some exemplary waveforms for
  • FIG. 1 shows a flow diagram of the method according to the invention for
  • the method comprises a first method step S1, a second method step S2, a third method step S3, and a fourth method step S4.
  • the method is carried out starting with the first method step S1, when a distance measurement by the
  • Ultrasonic sensor is requested. The procedure is in one
  • the transmission signal in this first embodiment is a high-frequency AC signal having a constant frequency and a constant maximum amplitude swing.
  • the transmission signal is applied to the sound transducer of the ultrasonic sensor 1 during a first time interval t1, thereby exciting it to oscillate, thereby emitting an acoustic signal from the sound transducer. After the expiration of the first time interval t1, the transmission signal ends, or the transmission signal is no longer applied to the sound transducer.
  • the transmission signal has a varying frequency and amplitude.
  • the transmission signal could be an amplitude-modulated sliding sine.
  • Process step S2 executed. This is a capture of the
  • Ausschwingsignals 1 which describes the decay of the transducer after the excitation of the transducer. Since the sound transducer by the excitation carried out in the first method step S1 in a Vibration state is emitted from this caused by the vibration of an output signal. The vibration of this
  • Output signal is essentially determined by the natural frequency of the transducer.
  • the output signal is also affected by acoustic echo signals caused by reflections of the acoustic signal on objects in front of the object
  • the output signal is applied to the input of a matched filter and is filtered by it.
  • the matched filter is adapted to the transmission signal.
  • the decay signal 1 is detected.
  • the Ausschwingsignal 1 is thus a signal that by a
  • the decay signal 1 of the matched filter may be the pure filter output xcorr, i. the convolution integral of the input signal of the filter with the
  • the correlation coefficient R xcorr /
  • ) where
  • a mathematical combination of the options described above may be used.
  • the decoupling signal 1 is stored in order to be used as a previous decay signal in a later run of the method.
  • step S2 becomes the third
  • Process step S3 executed. This is a determination of a deviation between the Ausschwingsignal and a reference Ausschwingsignal 2.
  • the reference Ausschwingsignal 2 corresponds to a previous Ausschwingsignal which was detected in a previous run of the method.
  • other advantageous signals can also be used as the reference decoupling signal 2. It is the use of an earlier
  • Method has been detected, in particular advantageous when there is a movement of the ultrasonic sensor.
  • a movement of a vehicle can be detected, on which the ultrasonic sensor is arranged, and are closed by this on a movement of the ultrasonic sensor.
  • An earlier pause signal is always as Reference turn-off signal 2 used when a movement of the
  • Ultrasonic sensor is present.
  • the deviation is determined in the first embodiment by taking a difference between the decay signal 1 and the reference signal.
  • Ausschwingsignal 2 is formed.
  • the decoupling signal 1 and the earlier decay signal are synchronized in time to the inputs of a
  • step S3 becomes the fourth
  • Process step S4 executed. In this detection of the presence of an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is based on the determined deviation and in this first embodiment, thus based on the time course of the differential voltage. In this first
  • an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is detected as present when the deviation and thus the differential voltage in its time course is not constant, ie fluctuates.
  • an upper limit value and a lower limit value are defined, wherein the difference voltage runs over the entire time course between the upper limit value and the lower limit value, if no object is in the vicinity of the
  • Ultrasonic sensor is. Is there an object in the vicinity of the
  • Difference voltage the lower limit, so this is not constant, and it is detected an object in the vicinity of the ultrasonic sensor as present. If the vehicle has been moved and the deviation fluctuates sharply between the passes, the presence of an object is detected. In contrast, temperature-related changes in the deviation are rather sluggish and thus less strong. Subsequent to the fourth method step S4, the method branches back to the first method step S1 and is carried out again.
  • a second embodiment of the method essentially corresponds to the first embodiment. However, in the third method step S3 occurs
  • a deviation between the Ausschwingsignal and a reference Ausschwingsignal 2 which corresponds to the Ausschwingsignal 1 when no object is in the vicinity of the ultrasonic sensor.
  • a reference decoupling signal 2 could be defined, for example, by recording the decay signal 1 of the ultrasound sensor after a manual confirmation that no object is in the vicinity of the ultrasound sensor.
  • the deviation is determined in the second embodiment by taking a difference between the decay signal 1 and the reference signal.
  • Ausschwingsignal 2 is formed.
  • the decoupling signal 1 and the reference decay signal 2 are synchronized with the inputs of a subtractor.
  • An output voltage of the subtractor then gives a time profile of a differential voltage between the
  • FIG. 2 shows an exemplary decoupling signal 1 and an exemplary reference decoupling signal 2 according to the second embodiment of the invention
  • the solid line shows the reference decay signal 2.
  • the dotted line shows the decay signal 1 when an object is 4cm in front of the ultrasonic sensor.
  • the decay signal 1 and the reference decay signal 2 are shown in their intensity over a time course. The time course starts here at 0ms at the same time as the
  • the signal peak at approx. 1, 7ms is caused by the transmission signal, which is also applied to the matched filter during the excitation of the sound transducer.
  • the signal peak at approx. 2.3ms to 2.5ms corresponds to the ringing of the transducer (ringing peak). It can be seen that up to a time at about 2.3ms a congruent
  • step S3 becomes the fourth
  • Process step S4 executed. In this detection of the presence of an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is based on the determined deviation and in this first embodiment, thus based on the time course of the differential voltage. In this first
  • an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is detected as present when the deviation and thus the difference in voltage over time lies above a predefined value.
  • a maximum value of the differential voltage is determined from the time profile of the differential voltage. This maximum value of the differential voltage is compared with the predefined value.
  • the predefined value is a voltage value which is preferably selected such that an object is only recognized as present when the maximum value of the difference voltage is above a value which is also achieved by a fluctuation of the differential voltage due to environmental factors. The presence of an object in the vicinity of the ultrasonic sensor is thus detected when an absolute value of the deviation is above a predefined threshold.
  • the reference decoupling signal 2 in this second embodiment is a predefined voltage curve, it is also possible, as can also be seen from FIG. 2, to assume a deviation as given whenever the decay signal 1 itself exceeds a predefined time range t s Signal threshold S, or to determine a magnitude of a deviation by how far the Ausschwingsignal 1 on the
  • Signal threshold S is located. The presence of an object in the vicinity of the
  • Ausschwingsignals 1 in a predefined time interval t s above a predefined signal threshold S, so the filter result is so high that it can not be generated by a temperature fluctuation.
  • other criteria are selected on the basis of which a presence of an object in the vicinity of the Ultrasonic sensor is detected. Another criterion is a comparison of the deviation with a deviation at an earlier date,
  • the deviation in the third method step S3 is determined by forming an integral over a difference between the decoupling signal 1 and the reference decompression signal 2.
  • the Ausschwingsignal 1 is integrated. This is done by the Ausschwingssignal 1 is used to charge a first capacitor. The state of charge of the first capacitor and thus a capacitor voltage between the poles of the first capacitor corresponds to an integral over the decay signal. 1 Further, the reference Ausschwingsignal 2 is integrated.
  • the analog signal processing described here in particular the integration of the Ausschwingsignals 1, also be done by a digital signal processing. Since the capacitor voltage between the poles of the first capacitor corresponds to an integral over the Ausschwingsignal 1, and the
  • Reference voltage corresponds to an integral on the reference Ausschwingsignal 2, corresponds to a voltage difference between the
  • Capacitor voltage and the reference voltage to an integral over a difference between the decay signal 1 and the reference voltage.
  • Ausschwingsignal 2 Such a differential voltage can be detected for example by means of a subtractor.
  • An output voltage of the subtractor corresponds in this second embodiment, the deviation between the Ausschwingssignal 1 and the reference Ausschwingsignal 2.
  • Transmission signal is no longer applied to the transducer is applied to the first capacitor and the decay signal 1 after a third time interval t3 is separated from the first capacitor.
  • the second time interval t2 and the third time interval t3 are selected such that the integral is formed for a time range around a ringing peak. Since only a part of the decoupling signal 1 is thus integrated, the reference voltage is adapted accordingly and now describes an integral over the reference decay signal 2 in a preferred measuring interval t4.
  • an integral of a signal at the output of the matched filter is detected and tracked in the time domain about the ringing peak.
  • the decay behavior of the sound transducer can also change over the temperature. That is because the
  • Deviation can lead.
  • the following embodiments are particularly resistant to temperature changes.
  • a fourth embodiment of the invention essentially corresponds to the first, second or third embodiment. During a movement of the
  • Ultrasonic sensor with respect to its environment is to be expected with strong fluctuations of the deviation when an object in the vicinity of the
  • the ultrasonic sensor is moved during the excitation of the sound transducer and / or the detection of the decay signal. This can be done, for example, by a vehicle on which the ultrasonic sensor is mounted, is moved, which can be triggered in a vehicle with automatic longitudinal guidance (such as during automatic parking / parking), for example, by a control signal to a vehicle control. This is done in particular when the vehicle is in a static state, such as after starting the vehicle or in a parking situation. Thus, the vehicle is deliberately moved infinitely to generate fluctuation of the deviation.
  • a fifth embodiment of the invention substantially corresponds to the first to fourth embodiments.
  • the first method step S1, the second method step S2 and the third method step are performed several times. For this the method jumps after the first execution of the third one
  • Method step S3 back to the first method step S1. This is then carried out followed by the second to fourth method steps S2-S4.
  • a first pass of the first to third method steps S1-S3 follows, followed by a second pass of the first to third
  • Method step S1-S3 and the fourth method step S4. In this case, the frequency of the transmission signal between two versions of this
  • Passage of the first to third method step S1-S3 varies.
  • the matched filter is adjusted to the transmit signal with varied frequency.
  • Unswitch signal as many different transmission signals is evaluated. It is particularly advantageous when the transmission signals are in their End frequency clearly distinguish, as a temperature-related
  • a sixth embodiment of the invention substantially corresponds to the fifth embodiment.
  • modulation of the transmit signal is varied between the first pass and before the second pass.
  • the presence of an object in the vicinity of the ultrasound sensor is detected when the deviation determined in the first pass and the deviation determined in the second pass deviate to a different extent from the reference decoupling signal.
  • Ultrasonic sensors would be calculated identical deviations. If an object is in the vicinity of the ultrasonic sensor, the ultrasonic sensor, the ultrasonic sensor
  • Echo signature with the selected transmission form so that a different deviation is determined by interference of echo signal and output signal.
  • an instantaneous frequency of the output signal is used instead of the decay signal generated by a matched filter. This could be determined by different methods, e.g. by means of a zero-crossing determination or from a calculation of the instantaneous phase.
  • FIG. 3 shows some exemplary signal curves for different ones
  • a first diagram 1 1 shows the time course of the
  • Output signal without an object in the vicinity of the ultrasonic sensor and a second diagram 12 the time course of the output signal with an object 30mm in front of the ultrasonic sensor and thus in the vicinity of the ultrasonic sensor.
  • the output signal which is applied to the sound transducer corresponds to the transmission signal in a first time interval t1.
  • a decay of the sound transducer takes place. So there is no excitation of the transducer.
  • the output signal is in the second
  • a third diagram 13 shows the frequency curve 4 of the output signal without an object in the vicinity of the ultrasonic sensor and the frequency curve 5 of the output signal with an object 30 mm in front of the ultrasonic sensor.
  • the two frequency curves 4, 5 coincide in the first time interval t1.
  • a fourth diagram 14 shows the signal at the output of the matched filter without an object in the vicinity of the ultrasonic sensor and thus the reference Ausschwingsignal 2 of the first embodiment of the invention.
  • the fourth diagram 14 shows the signal at the output of the matched filter with an object 30 mm in front of the ultrasonic sensor and thus the decay signal 1 of the first embodiment of the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines Ultraschallsensors. Dieses umfasst die Schritte eines Anregens eines Schallwandlers des Ultraschallsensors durch ein Sendesignal, eines Erfassens eines Ausschwingsignals (1), welches das Ausschwingverhalten des Schallwandlers nach dem Anregen des Schallwandlers beschreibt, eines Bestimmenseiner Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal (1) und einem Referenz-Ausschwingsignal (2), und eines Erkennens der Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors basierend auf der bestimmten Abweichung. Somit können Objekte in einem Nahbereich des Ultraschallsensors und unter einem Messbereich des Ultraschallsensors zuverlässig erkannt werden. Ein Nahbereich ist dabei ein Bereich vor dem Schallwandler des Ultraschallsensors, in dem eine exakte Messung durch das Puls/Echo-Verfahren nicht möglich ist, da ein Echo des Sendesignals durch das Ausschwingsignal überlagert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines
Ultraschallsensors
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines Ultraschallsensors.
Ultraschallbasierte Messsysteme werden eingesetzt, um eine Distanz zu einem vor einem Ultraschallsensor befindlichen Objekt zu vermessen. Die eingesetzten Ultraschallsensoren basieren auf dem Puls/Echo-Verfahren. In diesem Verfahren sendet der Ultraschallsensor einen Ultraschallpuls aus und misst die durch ein Objekt hervorgerufene Reflexion des Ultraschallpulses (Echo). Der Abstand zwischen Ultraschallsensor und Objekt errechnet sich über eine gemessene Echolaufzeit und die Schallgeschwindigkeit. Der Ultraschallsensor fungiert dabei als Sender und Empfänger.
Als Ultraschallsensoren im Automobilbereich werden sogenannte
Resonanzwandler benutzt, die nach der Anregung mit einem Sendesignal ein Nachschwingen aufweisen. Erst wenn das Nachschwingen des Sensorelementes einen bestimmten Pegel unterschreitet und ein Echosignal ähnlich groß oder größer als das Nachschwingen ist, kann eine Echodetektion erfolgen. Da die Empfangssignale zu Beginn des Nachschwingens Pegel von bis zu 100V aufweisen und somit deutlich größer als die zu detektierenden Empfangssignale (ca. 1 mV) sind, wird die Empfangskette von Verstärker und, falls vorhanden, A D- Wandler durch die hohen Pegel des Ausschwingens übersteuert. Das Resultat ist, dass in diesem Zeitbereich keine Echos lokalisiert werden können. Man spricht hier von einer sogenannten Totzeit. Dies gilt auch für höherwertige Filteralgorithmen, welche die Totzeit zwar reduzieren aber nicht eliminieren können. Die Totzeit führt derzeit zu einem Mindestabstand von ca. 10-15cm, unterhalb dem eine Messung nicht erfolgen kann. Objekte unterhalb dieses Mindestabstands werden damit nicht entdeckt.
Objekte vor einem Ultraschallwandler erzeugen Echos, die auf eine
Sensormembran des Ultraschallwandlers wirken. Eine Detektion und Erkennung als Echo ist im Messbetrieb dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangssignal Signalspitzen oberhalb einer bestimmten applikationsspezifischen Schwelle detektiert werden. Das Empfangssignal wird dazu mit entsprechenden
Filterstrukturen, z.B. einem analogen Bandpassfilter, gefiltert. Im Nahbereich können nun folgende Zustände auftreten: a) Treffen die Echos auf die Sensormembran nachdem diese vollständig ausgeschwungen ist, so sind Echo und Ausschwingen gut trennbar und das Echo kann gut detektiert werden. Dies gilt unabhängig von der Filterung. b) Treffen die Echos auf die Sensormembran nachdem diese fast vollständig ausgeschwungen ist und ein Teil des Echos (nämlich die Rückflanke) gegenüber dem Ausschwingverlauf noch als verlängertes Nachschwingen erkennbar ist, dann kann das Echo gerade noch detektiert werden. Die Reichweite bei der dies gerade noch gelingt ist als minimale Messreichweite definiert. Die minimale
Messreichweite ist temperatur-, bauteil-, und objektabhängig und liegt in der Regel zwischen 10-15cm. Die Voraussetzung für diese Art der Signalanalyse ist eine nur schwache Filterung des Empfangssignals und daraus folgend eine Detektion auf Basis der Hüllkurve des Empfangssignals.
Alternativ zur Auswertung der Hüllkurve kann auch der Filterausgang eines auf das Empfangssignal angewandten signalangepassten Filters zur Detektion verwendet werden. Der Filterausgang ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass sich Signalspitzen bei hoher Übereinstimmung von Sende und Empfangssignal ergeben. Ein gültiges Echosignal liegt dabei vor, wenn die Signalspitze des
Echos (Echopeak) von den Signalspitzen des Nachschwingens
(Nachschwingpeak) über den absoluten Spitzenwert unterschieden werden kann. In der Praxis verschmelzen dabei Nachschwingpeak und Echopeak für Objekte im Nahbereich. Gleichzeitig nimmt die Amplitude des Echopeaks ab, so dass als Resultat der Echopeak verschwindet. Das liegt daran, dass die
Ausschwingamplituden im Empfangssignal deutlich größer werden als die des Echos und eine Differenzierung durch den signalangepassten Filter nicht mehr möglich ist. Die Mindestreichweite für diese Art der Signalanalyse liegt ebenfalls bei ca. 10-15cm. c) Treffen die Echos auf die Sensormembran solange diese noch
nachschwingt, und weist somit das Ausschwingen Pegel auf die deutlich größer sind als die des Echos, und sind zudem die Empfangssignale durch die
Verstärkerkette gesättigt, dann können die Echos nicht detektiert werden. Das Echo verschwindet sozusagen im Nachschwingen.
Bei herkömmlichen Ultraschallsensoren verschwinden damit die Echos bei einer Annäherung an ein Objekt, wenn die Objekte in die Totzeitzone eintreten. Ein weiterer kritischer Fall liegt beim Starten eines Fahrzeuges in einer eng geparkten Situation vor.
Ein herkömmliches Ultraschallsystem wird in der DE10103936A1 beschrieben. In diesem wird eine von einem Hindernis reflektierte Ultraschallwelle durch einen Ultraschall-Oszillator empfangen, um ein Hindernis zu detektieren. Die
Sendefrequenz der Ultraschallwelle wird dabei so eingestellt, dass sie von der Frequenz der Abklingschwingung oder Nachschwingung verschieden ist.
Daher ist ein Verfahren zur Präsenzdetektion von Objekten im Nahfeld unterhalb der minimalen Messreichweite der Ultraschallsensoren erstrebenswert.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines Ultraschallsensors umfasst die Schritte eines Anregens eines Schallwandlers des Ultraschallsensors durch ein Sendesignal, eines Erfassens eines Ausschwingsignals, welches das Ausschwingverhalten des Schallwandlers nach dem Anregen des Schallwandlers beschreibt, eines Bestimmens einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal und einem Referenz- Ausschwingsignal, und eines Erkennens der Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors basierend auf der bestimmten Abweichung.
Somit können Objekte in einem Nahbereich des Ultraschallsensors und unter einem Messbereich des Ultraschallsensors zuverlässig erkannt werden. Ein Nahbereich ist dabei ein Bereich vor dem Schallwandler des Ultraschallsensors, in dem eine exakte Messung durch das Puls/Echo-Verfahren nicht möglich ist, da ein Echo des Sendesignals durch das Ausschwingsignal überlagert wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es ist vorteilhaft, wenn das Verfahren mehrfach durchgeführt wird und das Referenz-Ausschwingsignal, insbesondere bei einer vorliegenden Bewegung des Ultraschallsensors, einem früheren Ausschwingsignal entspricht, welches bei einem vorangegangenem Durchlauf des Verfahrens erfasst wurde. Damit wird der Einfluss von Temperaturänderungen minimiert, da das Referenz- Ausschwingsignal automatisch an eine aktuelle Temperatur des Schallwandlers angepasst wird. Somit wird eine besonders zuverlässige Erkennung von
Objekten ermöglicht.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Referenz-Ausschwingsignal dem
Ausschwingsignal entspricht, wenn sich kein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors befindet. Somit wird ein Zustand in dem sich kein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors befindet klar definiert, und Abweichungen von diesem Zustand können besonders präzise erkannt werden.
Insbesondere wird während des Anregens des Schallwandlers und/oder des Erfassens des Ausschwingsignals eine Bewegung des Ultraschallsensors durchgeführt. Durch eine solche Bewegung wird die Abweichung verstärkt, falls sich ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors befindet, wodurch eine Empfindlichkeit beim Bestimmen der Abweichung erhöht wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Ausschwingsignal ein Signal ist, das durch einen signalangepassten Filter gefiltert wurde, wobei der Filter auf das Sendesignal angepasst ist. Dies ist vorteilhaft, da ein solches Signal in vielen Ultraschallsensoren bereits vorhanden ist und ein solches Signal ein besonders einfaches und genaues Bestimmen der Abweichung ermöglicht.
Ebenso ist es vorteilhaft, die Abweichung zu bestimmen, indem ein Integral über das Ausschwingsignal oder über eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal und dem Referenz-Ausschwingsignal gebildet wird. Somit wird eine Abweichung über einen Zeitbereich bestimmt, wodurch Ungenauigkeiten beim Erfassen des Ausschwingsignals kompensiert werden und somit die Genauigkeit beim
Bestimmen der Abweichung verbessert wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, die Abweichung für einen Zeitbereich nach dem Anregen des Schallwandlers und vor einem vollständigen Ausschwingen des
Schallwandlers zu bestimmen. Somit wird der Zeitaufwand zur Durchführung des Verfahrens minimiert. Störungen durch das Anregen des Schallwandlers werden ausgeschlossen. Insbesondere wird ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt, wenn die Abweichung über einem vordefiniertem Wert liegt. Auf diese Weise kann das Erkennen der Anwesenheit eines Objektes mit einem besonders geringen Aufwand gelöst werden. Zudem kann somit eine einfache Anpassung einer Empfindlichkeit beim Erkennen der Anwesenheit eines Objektes ermöglicht, wodurch wiederum Fehlerkennungen vermieden werden.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das Verfahren mehrfach durchgeführt wird und ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die Abweichung nicht einer zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Abweichung entspricht. Auf diese Weise werden ungewollte Einflüsse durch Umweltfaktoren, wie z.B. eine Veränderung der Temperatur des Schallwandlers, welche die Ausschwingfrequenz bestimmt, kompensiert.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmte Abweichung in einem zeitlichen
Verlauf nicht konstant ist. Das bedeutet, dass ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn eine Fluktuation der Abweichung vorliegt. Dadurch wird es ermöglicht zu Erkennen, ob eine
Abweichung durch einen Umweltfaktor oder durch ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors verursacht wurde.
Insbesondere werden die Schritte des Anregens des Schallwandlers, des Erfassens eines Ausschwingsignals, und des Bestimmens einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal und einem Referenz-Ausschwingsignal mehrfach ausgeführt, wobei die Frequenz des Sendesignals zwischen zwei
Ausführungen dieser Verfahrensschritte variiert wird und ein Objekt im
Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmten Abweichungen gemeinsam auf ein positives Abweichen oder gemeinsam auf ein negatives Abweichen des Ausschwingsignals von dem Referenz-Ausschwingsignal hindeuten. Ein gemeinsames positives Abweichen liegt dann vor, wenn das Ausschwingsignal sowohl vor als auch nach dem Variieren der Frequenz größer als das Referenz-Ausschwingsignal ist. Ein gemeinsames negatives Abweichen liegt dann vor, wenn das Ausschwingsignal sowohl vor als auch nach dem Variieren der Frequenz kleiner als das Referenz- Ausschwingsignal ist. Dadurch wird es ermöglicht, zu Erkennen, ob eine
Abweichung durch einen Umweltfaktor oder durch ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors verursacht wurde.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Schritte des Anregens des
Schallwandlers, des Erfassens eines Ausschwingsignals, und des Bestimmens einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal und einem Referenz- Ausschwingsignal mehrfach ausgeführt werden, wobei eine Modulation des
Sendesignals zwischen zwei Ausführungen dieser Verfahrensschritte variiert wird, und ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmten Abweichungen in unterschiedlichem Umfang von dem Referenz-Ausschwingsignal abweichen. Dadurch wird es ermöglicht, zu
Erkennen, ob eine Abweichung durch einen Umweltfaktor oder durch ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors verursacht wurde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 ein Ablaufdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 ein Diagramm, welches ein beispielhafte Ausschwingsignal und ein beispielhaftes Referenz-Ausschwingsignal gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
Figur 3 ein Überblick über einige beispielhafte Signalverläufe für
unterschiedliche Ausführungsformen der der Erfindung, die in zeitlichen Bezug zueinander gesetzt sind. Ausführungsformen der Erfindung
Erfindungsgemäß werden Phasenunterschiede eines Ausschwingens, die durch die Interferenz von einem Echo und einem Ausschwingsignal 1 ohne Objekt im
Nahbereich eines Ultraschallsensors hervorgerufen werden, detektiert. Dieser Unterschied lässt sich durch einen Filterausgang eines signalangepassten Filters besonders deutlich erfassen. Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines Ultraschallsensors in einer ersten Ausführungsform. Das Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt S1 , einen zweiten Verfahrensschritt S2, einen dritten Verfahrensschritt S3 und einen vierten Verfahrensschritt S4. Das Verfahren wird beginnend mit dem ersten Verfahrensschritt S1 ausgeführt, wenn eine Abstandsmessung durch den
Ultraschallsensor angefordert wird. Das Verfahren wird in einer
Wiederholungsschleife ausgeführt, um beständig aktuelle Informationen über eventuelle Objekte im Nahbereich des Ultraschallsensors zu erhalten. In dem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Anregen eines Schallwandlers des
Ultraschallsensors durch ein Sendesignal. Das Sendesignal ist in dieser ersten Ausführungsform ein hochfrequentes Wechselspannungssignal mit einer konstanten Frequenz und einem konstanten maximalen Amplitudenhub. Das Sendesignal wird während eines ersten Zeitintervalls t1 an den Schallwandler des Ultraschallsensors 1 angelegt und regt diesen dadurch zu einer Schwingung an, wodurch ein akustisches Signal von dem Schallwandler ausgesendet wird. Nach dem Ablauf des ersten Zeitintervalls t1 endet das Sendesignal, bzw. wird das Sendesignal nicht weiter an den Schallwandler angelegt. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung weist das Sendesignal eine wechselnde Frequenz und Amplitude auf. So könnte das Sendesignal beispielsweise ein amplitudenmodulierter Gleitsinus sein.
Anschließend an den ersten Verfahrensschritt S1 wird der zweite
Verfahrensschritt S2 ausgeführt. Darin erfolgt ein Erfassen des
Ausschwingsignals 1 , welches das Ausschwingverhalten des Schallwandlers nach dem Anregen des Schallwandlers beschreibt. Da sich der Schallwandler durch die in dem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgte Anregung in einem Schwingungszustand befindet, wird von diesem ein durch dessen Schwingung verursachtes Ausgangssignal abgegeben. Die Schwingung dieses
Ausgangssignals wird im Wesentlichen durch die Eigenfrequenz des Wandlers bestimmt. Das Ausgangssignal wird ebenfalls durch akustische Echosignale beeinflusst, die durch Reflexionen des akustischen Signals an Objekten vor dem
Ultraschallsensor verursacht werden und ist somit nicht nur von dem
Sendesignal abhängig. Das Ausgangssignal wird an den Eingang eines signalangepassten Filters angelegt und wird durch diesen gefiltert. Der signalangepassten Filter ist dabei auf das Sendesignal angepasst. An einem Ausgang des signalangepassten Filters wird das Ausschwingsignal 1 erfasst.
Das Ausschwingsignal 1 ist somit ein Signal, dass durch einen
signalangepassten Filter gefiltert wurde und das Ausschwingverhalten des Schallwandlers nach dem Anregen des Schallwandlers beschreibt. Das
Ausschwingsignal 1 des signalangepassten Filters kann der reine Filterausgang xcorr, d.h. das Faltungsintegral des Eingangssignals des Filters mit den
Filterkoeffizienten (Kreuzkorrelationsfunktion) sein. Alternativ dazu kann auch der Korrelationskoeffizient R = xcorr/ ||s|| * ||x||) verwendet werden, wobei ||s|| die Norm der Filterkoeffizienten und ||x|| die Norm des Eingangssignals ist. Alternativ dazu kann auch eine mathematische Kombination der zuvor beschriebenen Optionen verwendet werden. Das Ausschwingsignal 1 wird gespeichert, um in einem späteren Durchlauf des Verfahrens als früheres Ausschwingsignal genutzt zu werden.
Anschließend an den zweiten Verfahrensschritt S2 wird der dritte
Verfahrensschritt S3 ausgeführt. Darin erfolgt ein Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal und einem Referenz-Ausschwingsignal 2. Das Referenz-Ausschwingsignal 2 entspricht dabei einem früheren Ausschwingsignal, welches bei einem vorangegangenem Durchlauf des Verfahrens erfasst wurde. Erfindungsgemäß können auch andere vorteilhafte Signale als Referenz- Ausschwingsignal 2 genutzt werden. Dabei ist die Verwendung eines früheren
Ausschwingsignal, welches bei einem vorangegangenem Durchlauf des
Verfahrens erfasst wurde, insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Bewegung des Ultraschallsensors vorliegt. So kann in alternativen Ausführungsformen eine Bewegung eines Fahrzeuges erfasst werden, an dem der Ultraschallsensor angeordnet ist, und über diese auf eine Bewegung des Ultraschallsensors geschlossen werden. Ein früheres Ausschwingsignal wird immer dann als Referenz-Ausschwingsignal 2 genutzt, wenn eine Bewegung des
Ultraschallsensors vorliegt.
Die Abweichung wird in der ersten Ausführungsform bestimmt, indem eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-
Ausschwingsignal 2 gebildet wird. Dazu werden das Ausschwingsignal 1 und das frühere Ausschwingsignal zeitlich synchronisiert an die Eingänge eines
Subtrahierers angelegt. Eine Ausgangsspannung des Subtrahierers gibt dann einen zeitlichen Verlauf einer Differenzspannung zwischen dem
Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2 wieder. Der zeitliche
Verlauf der Differenzspannung ist somit eine Abweichung zwischen dem
Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2.
Anschließend an den dritten Verfahrensschritt S3 wird der vierte
Verfahrensschritt S4 ausgeführt. In diesem erfolgt ein Erkennen der Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors basierend auf der bestimmten Abweichung und in dieser ersten Ausführungsform somit basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Differenzspannung. In dieser ersten
Ausführungsform wird ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt, wenn die Abweichung und somit die Differenzspannung in ihrem zeitlichen Verlauf nicht konstant ist, also fluktuiert. Dazu werden ein oberer Grenzwert und ein unterer Grenzwert definiert, wobei die Differenzspannung über ihren gesamten zeitlichen Verlauf zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert verläuft, falls kein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors ist. Befindet sich ein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors, so kommt es zu einem Ansteigen oder Abfallen der
Differenzspannung in ihrem zeitlichen Verlauf, was insbesondere durch geänderte Echolaufzeiten verursacht wird, wodurch andere Signalabschnitte des Echos mit dem Ausschwingsignal interferieren. Überschreitet die
Differenzspannung den oberen Grenzwert oder unterschreitet die
Differenzspannung den unteren Grenzwert, so ist diese nicht konstant, und es wird ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt. Wurde das Fahrzeug bewegt und die Abweichung fluktuiert stark zwischen den Durchläufen so wird eine Anwesenheit eines Objektes erkannt. Demgegenüber sind temperaturbedingte Veränderungen der Abweichung eher träge und somit weniger stark. Anschließend an den vierten Verfahrensschritt S4 verzweigt das Verfahren zurück auf den ersten Verfahrensschritt S1 und wird erneut durchgeführt.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Jedoch erfolgt in dem dritten Verfahrensschritt S3 ein
Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal und einem Referenz-Ausschwingsignal 2, welches dem Ausschwingsignal 1 entspricht, wenn sich kein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors befindet. Ein solches Referenz-Ausschwingsignal 2 könnte beispielsweise definiert werden, indem das Ausschwingsignal 1 des Ultraschallsensors aufgezeichnet wird, nachdem eine manuelle Bestätigung erfolgte, dass kein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors liegt.
Die Abweichung wird in der zweiten Ausführungsform bestimmt, indem eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-
Ausschwingsignal 2 gebildet wird. Dazu werden das Ausschwingsignal 1 und das Referenz-Ausschwingsignal 2 zeitlich synchronisiert an die Eingänge eines Subtrahierers angelegt. Eine Ausgangsspannung des Subtrahierers gibt dann einen zeitlichen Verlauf einer Differenzspannung zwischen dem
Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2 wieder. Der zeitliche
Verlauf der Differenzspannung ist somit eine Abweichung zwischen dem
Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Ausschwingsignal 1 und ein beispielhaftes Referenz-Ausschwingsignal 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der
Erfindung. Die durchgezogene Linie zeigt das Referenz-Ausschwingsignal 2. Die gepunktete Line zeigt das Ausschwingsignal 1 , wenn sich ein Objekt 4cm vor dem Ultraschallsensor befindet. Das Ausschwingsignal 1 und das Referenz- Ausschwingsignal 2 sind dabei in ihrer Intensität über einen zeitlichen Verlauf dargestellt. Der zeitliche Verlauf beginnt hier bei 0ms zeitgleich mit dem
Sendesignal. Die Signalspitze bei ca. 1 ,7ms wird durch das Sendesignal verursacht, das während des Anregens des Schallwandlers ebenfalls an dem signalangepassten Filter anliegt. Die Signalspitze bei ca. 2,3ms bis 2,5ms entspricht dem Nachschwingen des Schallwandlers (Nachschwingpeak). Es ist ersichtlich, dass bis zu einem Zeitpunkt bei etwa 2,3ms ein deckungsgleicher
Verlauf zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2 vorliegt. Danach ergeben sich größere Unterschiede im Nachschwingpeak. Der Nachschwingpeak markiert nicht das Echo. Wäre das Echo zu detektieren, so müsste sich eine Echospitze ca. 0,24ms hinter der durch das Sendesignal verursachten Signalspitze liegen, also bei ca. 2,0ms in dem gezeigten
Diagramm.
Anschließend an den dritten Verfahrensschritt S3 wird der vierte
Verfahrensschritt S4 ausgeführt. In diesem erfolgt ein Erkennen der Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors basierend auf der bestimmten Abweichung und in dieser ersten Ausführungsform somit basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Differenzspannung. In dieser ersten
Ausführungsform wird ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt, wenn die Abweichung und somit die Differenzspannung in ihrem zeitlichen Verlauf über einem vordefiniertem Wert liegt. Dazu wird zunächst ein maximaler Wert der Differenzspannung aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzspannung ermittelt. Dieser maximale Wert der Differenzspannung wird mit dem vordefinierten Wert verglichen. Der vordefinierte Wert ist dabei ein Spannungswert, der vorzugsweise so gewählt ist, dass ein Objekt erst dann als anwesend erkannt wird, wenn der maximale Wert der Differenzspannung über einem Wert liegt, der auch durch eine durch Umgebungsfaktoren bedingte Fluktuation der Differenzspannung erreicht wird. Die Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors wird somit erkannt, wenn ein Absolutwert der Abweichung oberhalb einer vordefinierten Schwelle liegt.
Da das Referenz-Ausschwingsignal 2 in dieser zweiten Ausführungsform ein vordefinierter Spannungsverlauf ist, ist es dabei ebenfalls möglich, wie ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich, eine Abweichung immer dann als gegeben anzunehmen, wenn das Ausschwingsignal 1 selbst in einem vordefinierten Zeitbereich ts über einer vordefinierten Signalschwelle S liegt, bzw. eine Stärke einer Abweichung dadurch zu bestimmen, wie weit das Ausschwingsignal 1 über der
Signalschwelle S liegt. Die Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des
Ultraschallsensors wird somit erkannt, wenn ein Absolutwert des
Ausschwingsignals 1 in einem vordefinierten Zeitintervall ts oberhalb einer vordefinierten Signalschwelle S liegt, also das Filterergebnis so hoch ist, dass es nicht durch eine Temperaturschwankung erzeugt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung werden andere Kriterien gewählt anhand derer eine Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors erkannt wird. Ein weiteres Kriterium ist ein Vergleich der Abweichung mit einer Abweichung, die zu einem früheren Zeitpunkt,
beispielsweise bei einem vorangegangenen Durchlauf des Verfahrens, bestimmt wurde. Ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors wird dabei als anwesend erkannt, wenn eine aktuell bestimmte Abweichung nicht der zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Abweichung entspricht, also um einen
vorgegebenen Wert von dieser abweicht. Durch eine Kombination mehrerer Kriterien wird der Einfluss von Umweltbedingungen (z.B. Luftbewegungen, Temperaturschwankungen) minimiert, aufgrund derer sich kaum stabile Signale ergeben.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die im Wesentlichen der ersten oder zweiten Ausführungsform entspricht, wird die Abweichung in dem dritten Verfahrensschritt S3 bestimmt, indem ein Integral über eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2 gebildet wird.
Dazu wird zunächst das Ausschwingsignal 1 integriert. Dies erfolgt, indem das Ausschwingsignal 1 zum Laden eines ersten Kondensators genutzt wird. Der Ladungszustand des ersten Kondensators und somit eine Kondensatorspannung zwischen den Polen des ersten Kondensators entspricht einem Integral über das Ausschwingsignal 1 . Ferner wird das Referenz-Ausschwingsignal 2 integriert.
Dies könnte durch ein Laden eines zweiten Kondensators durch das Referenz- Ausschwingsignal 2 erfolgen. Dies ist allerdings nicht notwendig, da es ausreichend ist, eine Referenzspannung bereitzustellen, die einer Spannung zwischen den Polen eines solchen zweiten Kondensators entspricht, wenn dieser durch das Referenz-Ausschwingsignal 2 geladen ist. In alternativen
Ausführungsformen kann die hier beschriebene analoge Signalverarbeitung, insbesondere das Integrieren des Ausschwingsignals 1 , auch durch eine digitale Signalverarbeitung erfolgen. Da die Kondensatorspannung zwischen den Polen des ersten Kondensators einem Integral über das Ausschwingsignal 1 entspricht, und die
Referenzspannung einem Integral über das Referenz-Ausschwingsignal 2 entspricht, entspricht eine Spannungsdifferenz zwischen der
Kondensatorspannung und der Referenzspannung einem Integral über eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-
Ausschwingsignal 2. Eine Solche Differenzspannung kann beispielsweise mittels eines Subtrahierers erfasst werden. Eine Ausgangsspannung des Subtrahierers entspricht in dieser zweiten Ausführungsform der Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz-Ausschwingsignal 2. In dem Diagramm aus Figur 2 kann die hier beschriebene Differenz zwischen dem Integral über das Ausschwingsignal 1 und dem Integral über das Referenz-Ausschwingsignal 2 als eine Fläche 3 zwischen dem Ausschwingsignal 2 und dem Referenz-
Ausschwingsignal 2 dargestellt werden.
Die Abweichung wird in dieser dritten Ausführungsform nur für einen Zeitbereich nach dem Anregen des Schallwandlers und vor einem vollständigen
Ausschwingen des Schallwandlers bestimmt. Dies wird erreicht, indem das
Ausschwingsignal erst nach einem zweiten Zeitintervall t2 nachdem das
Sendesignal nichtmehr an den Schallwandler angelegt wird an den ersten Kondensator angelegt wird und das Ausschwingsignal 1 nach einem dritten Zeitintervall t3 von dem ersten Kondensator getrennt wird. Insbesondere sind das zweite Zeitintervall t2 und das dritte Zeitintervall t3 so gewählt, dass das Integral für einen Zeitbereich um einen Nachschwingpeak gebildet wird. Da somit nur ein Teil des Ausschwingsignals 1 integriert wird, wird die Referenzspannung entsprechend angepasst und beschreibt nun ein Integral über das Referenz- Ausschwingsignal 2 in einem bevorzugten Messintervall t4. In dieser zweiten Ausführungsform wird somit ein Integral eines Signals am Ausgang des signalangepassten Filters im Zeitbereich um den Nachschwingpeak erfasst und verfolgt.
Es sei angemerkt, dass sich das Ausschwingverhalten des Schallwandlers über die Temperatur ebenfalls verändern kann. Das liegt daran, dass sich die
Eigenresonanz des Schallwandlers über die Temperatur verschiebt und die Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal 1 und dem Referenz- Ausschwingsignal 2 damit größer werden kann, was zu einer größeren
Abweichung führen kann. Die folgenden Ausführungsformen erweisen sich als besonders widerstandsfähig gegenüber Temperaturänderungen.
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform. Bei einer Bewegung des
Ultraschallsensors gegenüber seinem Umfeld ist mit starken Fluktuationen der Abweichung zu rechnen, wenn sich ein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors befindet. Dies ist aufgrund der typischen Wellenlängen eines Ultraschallsensors von ca. 7mm auch schon gegeben, wenn die Bewegung des Ultraschallsensors gegenüber seinem Umfeld nur wenige Millimeter beträgt. Daher wird der Ultraschallsensor in der dritten Ausführungsform während des Anregens des Schallwandlers und/oder des Erfassens des Ausschwingsignals bewegt. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Fahrzeug, an dem der Ultraschallsensor angebracht ist, bewegt wird, was bei einem Fahrzeug mit automatischer Längsführung (wie z.B. beim automatischen Ein-/Ausparken) beispielsweise durch ein Steuersignal an eine Fahrzeugsteuerung ausgelöst werden kann. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn das Fahrzeug sich in einem statischen Zustand befindet, wie z.B. nach dem Starten des Fahrzeuges oder in einer Parksituation. Somit wird das Fahrzeug bewusst infinitesimal bewegt, um eine Fluktuation der Abweichung zu erzeugen.
Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der ersten bis vierten Ausführungsform. Jedoch werden der erste Verfahrensschritt S1 , der zweite Verfahrensschritt S2 und der dritte Verfahrensschritt mehrfach ausgeführt. Dazu springt das Verfahren nach dem erstmaligen Ausführen des dritten
Verfahrensschrittes S3 zurück auf den ersten Verfahrensschritt S1 . Dieser wird dann gefolgt von den zweiten bis vierten Verfahrensschritten S2-S4 ausgeführt. Es erfolgt also ein erster Durchlauf des ersten bis dritten Verfahrensschrittes S1- S3 gefolgt von einem ein zweiten Durchlauf des ersten bis dritten
Verfahrensschrittes S1-S3 und dem vierten Verfahrensschritt S4. Dabei wird die Frequenz des Sendesignals zwischen zwei Ausführungen dieser
Verfahrensschritte, also nach dem ersten Durchlauf und vor dem zweiten
Durchlauf des ersten bis dritten Verfahrensschrittes S1-S3 variiert. Der signalangepasste Filter wird auf das Sendesignal mit variierter Frequenz angepasst.
In dem vierten Verfahrensschritt S4 wird ein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors als anwesend erkannt, wenn die im ersten Durchlauf bestimmte Abweichung und die im zweiten Durchlauf bestimmte Abweichung gemeinsam auf ein positives Abweichen oder gemeinsam auf ein negatives Abweichen des Ausschwingsignals von dem Referenz-Ausschwingsignal hindeuten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ausgeführt, wobei das
Ausschwingsignal möglichst vieler verschiedener Sendesignale ausgewertet wird. Besonders vorteilhaft dabei ist es, wenn die Sendesignale sich in ihrer Endfrequenz deutlich unterscheiden, da sich eine temperaturbedingte
Verschiebung der Eigenresonanz des Schallwandlers nur in eine
Frequenzrichtung ausprägt. Verschiebt sich beispielsweise die Eigenresonanz des Schallwandlers von 48kHz auf 50kHz, dann wird ein signalangepasster Filter bei 52kHz eine Erhöhung, ein signalangepasster Filter bei 42kHz eine
Verringerung der Abweichung zeigen. Wird in beiden signalangepassten Filtern eine Erhöhung detektiert, dann kann daraus mit hoher Sicherheit auf ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors geschlossen werden.
Eine sechste Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der fünften Ausführungsform. Jedoch wird eine Modulation des Sendesignals zwischen dem ersten Durchlauf und vor dem zweiten Durchlauf variiert. In dem vierten Verfahrensschritt S4 wird dabei die Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors erkannt, wenn die im ersten Durchlauf bestimmte Abweichung und die im zweiten Durchlauf bestimmte Abweichung in unterschiedlichem Umfang von dem Referenz-Ausschwingsignal abweichen.
Somit werden zwei Sendesignale gewählt, welche eine gleiche
Ausschwingsignatur besitzen, jedoch eine unterschiedliche Modulation (Phase oder Amplitude) aufweisen. Ohne ein Objekt im Nahbereich des
Ultraschallsensors würden identische Abweichungen berechnet werden. Befindet sich ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors ändert sich die
Echosignatur mit der gewählten Sendeform, so dass durch Interferenz von Echosignal und Ausgangssignal eine unterschiedliche Abweichung bestimmt wird.
In alternativen Ausführungsformen der Erfindung wird anstelle des durch einen signalangepassten Filter erzeugten Ausschwingsignals eine Momentanfrequenz des Ausgangssignals verwendet. Diese könnte durch unterschiedliche Verfahren ermittelt werden, wie z.B. mittels einer Nulldurchgangsbestimmung oder aus einer Berechnung der Momentanphase.
Figur 3 zeigt einige beispielhafte Signalverläufe für unterschiedliche
Ausführungsformen der der Erfindung, die in zeitlichen Bezug zueinander gesetzt sind. Dabei zeigt ein erstes Diagramm 1 1 den zeitlichen Verlauf des
Ausgangssignals ohne ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors und ein zweites Diagramm 12 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals mit ein Objekt 30mm vor dem Ultraschallsensor und somit im Nahbereich des Ultraschallsensors. Das Ausgangssignal, welches an dem Schallwandler anliegt, entspricht in einem ersten Zeitintervall t1 dem Sendesignal. In dem dritten Zeitintervall t3, der das zweite Zeitintervall t2 und das bevorzugte Messintervall t4 umfasst, findet ein Ausschwingen des Schallwandlers statt. Es erfolgt also keine Anregung des Schallwandlers. Das Ausgangssignal wird in dem zweiten
Zeitintervall von dem Ausschwingen des Schallwandlers dominiert. In dem bevorzugten Messintervall t4 erfolgt ein Echoempfang ohne oder mit geringem Ausschwinganteil. Ein drittes Diagramm 13 zeigt den Frequenzverlauf 4 des Ausgangssignals ohne ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors und den Frequenzverlauf 5 des Ausgangssignals mit einem Objekt 30mm vor dem Ultraschallsensor. Die beiden Frequenzverläufe 4, 5 decken sich in dem ersten Zeitintervall t1 . Insbesondere in dem bevorzugten Messintervall t weichen diese voneinander ab. Ein viertes Diagramm 14 zeigt das Signal an dem Ausgang des signalangepassten Filters ohne ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors und somit das Referenz-Ausschwingsignal 2 der ersten Ausführungsform der Erfindung. Ferner zeigt das vierte Diagramm 14 das Signal an dem Ausgang des signalangepassten Filters mit einem Objekt 30mm vor dem Ultraschallsensor und somit das Ausschwingsignal 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der Figuren 1 bis 3 verwiesen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Erkennen eines Objektes in einem Nahbereich eines
Ultraschallsensors, umfassend die Schritte:
Anregen eines Schallwandlers des Ultraschallsensors durch ein Sendesignal,
Erfassen eines Ausschwingsignals (1 ), welches das
Ausschwingverhalten des Schallwandlers nach dem Anregen des Schallwandlers beschreibt,
Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal (1 ) und einem Referenz-Ausschwingsignal (2), und
Erkennen der Anwesenheit eines Objektes im Nahbereich des Ultraschallsensors basierend auf der bestimmten Abweichung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mehrfach durchgeführt wird und das Referenz-Ausschwingsignal (2), insbesondere bei einer vorliegenden Bewegung des Ultraschallsensors, einem früheren Ausschwingsignal entspricht, welches bei einem
vorangegangenem Durchlauf des Verfahrens erfasst wurde.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Referenz- Ausschwingsignal (2) dem Ausschwingsignal (1 ) entspricht, wenn sich kein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors befindet.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass während des Anregens des Schallwandlers und/oder des Erfassens des Ausschwingsignals 1 eine Bewegung des
Ultraschallsensors durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ausschwingsignal (1 ) ein Signal ist, das durch einen signalangepassten Filter gefiltert wurde, wobei der Filter auf das Sendesignal angepasst ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung bestimmt wird, indem ein Integral über das Ausschwingsignal (1 ) oder über eine Differenz zwischen dem Ausschwingsignal (1 ) und dem Referenz-Ausschwingsignal (2) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung für einen Zeitbereich nach dem Anregen des Schallwandlers und vor einem vollständigen Ausschwingen des Schallwandlers bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die Abweichung über einem vordefiniertem Wert liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mehrfach durchgeführt wird und ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die Abweichung nicht einer zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Abweichung entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmte Abweichung in einem zeitlichen Verlauf nicht kontant ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte des Anregens des Schallwandlers, des Erfassens eines Ausschwingsignals (1 ), und des Bestimmens einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal (1 ) und einem Referenz- Ausschwingsignal (2) mehrfach ausgeführt werden, wobei die Frequenz des Sendesignals zwischen zwei Ausführungen dieser Verfahrensschritte variiert wird, und ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmten Abweichungen gemeinsam auf ein positives Abweichen oder gemeinsam auf ein negatives Abweichen des Ausschwingsignals (1 ) von dem Referenz- Ausschwingsignal (2) hindeuten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte des Anregens des Schallwandlers, des Erfassens eines Ausschwingsignals (1 ), und des Bestimmens einer Abweichung zwischen dem Ausschwingsignal (1 ) und einem Referenz- Ausschwingsignal (2) mehrfach ausgeführt werden, wobei eine Modulation des Sendesignals zwischen zwei Ausführungen dieser Verfahrensschritte variiert wird, und
ein Objekt im Nahbereich des Ultraschallsensors als anwesend erkannt wird, wenn die bestimmten Abweichungen unterschiedlich sind.
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