KR102224739B1 - 초음파 센서, 초음파 센서 디바이스 및 자동차의 전달 함수에 의해 초음파 센서의 기능 상태를 결정하는 방법 - Google Patents

초음파 센서, 초음파 센서 디바이스 및 자동차의 전달 함수에 의해 초음파 센서의 기능 상태를 결정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차(1)의 환경(4)으로 초음파 신호(8)를 방출하고/하거나 초음파 신호(8)의 에코 신호(9)를 수신하도록 설계되는 자동차(1)용 초음파 센서 디바이스(5)의 초음파 센서(5a)의 기능 상태를 결정하는 방법에 관한 것으로, 초음파 센서(5a)에 인가되는 전기 테스트 신호(P)가 생성되고, 전기 테스트 신호(P)에 의해 영향을 받는 초음파 센서(5a)의 적어도 하나의 전기적 특성 파라미터(K)가 평가되며 이의 함수로서 초음파 센서(5a)의 전달 함수(13)가 결정되고, 전달 함수는 참조 전달 함수(11)와 비교되고 비교에 기초하여 초음파 센서(5a)의 기능 상태가 결정된다.

Description

초음파 센서, 초음파 센서 디바이스 및 자동차의 전달 함수에 의해 초음파 센서의 기능 상태를 결정하는 방법
본 발명은 자동차의 환경으로 초음파 신호를 방출하고/하거나 초음파 신호의 에코 신호를 수신하도록 설계되는 자동차의 초음파 센서 디바이스의 초음파 센서의 기능 상태를 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 초음파 센서 디바이스 및 자동차에 관한 것이다.
자동차의 초음파 센서는 특히 물체의 거리를 측정하도록 설계된다. 초음파 센서에서, 특히 전기-음향 에너지 변환이 발생한다. 그 중에서도 특히, 에너지 변환 요소에 대해 기계적 유도성, 기계적 용량성, 기계적 제한적, 자기 제한적 또는 전기 제한적일 수 있는 이 에너지 변환의 물리적 원리에 관계없이, 내부 또는 외부 유도 변화에 노출될 가능성이 있으며, 이는 그 크기에 따라 측정 결과를 변조하거나 센서가 완전히 고장나게 할 수 있다. 종래 기술에서, 그러한 센서 고장은 일반적으로 센서 작동 시스템의 타당성 검사에 의해 검출된다. 반면에, 센서 변경은 검출되지 않는다.
DE 10 2014 115 000 A1은 자동차의 초음파 센서 디바이스를 작동시키는 방법을 개시하고 있는데, 여기서 자동차 주변 영역 내의 물체를 검출하기 위한 측정 모드에서, 초음파 센서의 변환기가 송신기 스테이지에 의해 송신 신호로 자극되어 초음파 신호를 방출한다. 수신기 스테이지에 의해, 변환기에 의해 생성된 신호에 기초하여 측정 신호가 제공된다. 측정 동작 동안, 진단 디바이스에 의해 초음파 센서 디바이스의 기능 용량이 송신된 신호 및/또는 측정 신호에 기초하여 테스트된다. 종래 기술에서, 방출된 초음파 신호 및 수신된 에코 신호는 초음파 센서의 기능을 추론하기 위한 기초로서 사용된다. 이것의 단점은 특히 초음파 신호 및 에코 신호가 환경적 영향에 의존하여, 방출된 초음파 신호 및 수신된 에코 신호에 기초한 초음파 센서의 정확한 진단에 오류가 발생하기 쉽다는 것이다.
본 발명의 목적은 초음파 센서의 적어도 하나의 기능 상태가 보다 양호하게 결정될 수 있는 방법, 초음파 센서 디바이스 및 자동차를 명시하는 것이다.
이 목적은 독립항에 따른 방법, 초음파 센서 디바이스 및 자동차에 의해 달성된다.
본 발명의 일 양상은 자동차의 환경으로 초음파 신호를 방출하고/하거나 초음파 신호의 에코 신호를 수신하도록 설계되는 자동차의 초음파 센서 디바이스의 초음파 센서의 기능 상태를 결정하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 전기 테스트 신호가 생성되어 초음파 센서에 인가되며, 전기 테스트 신호에 의해 영향을 받는 초음파 센서의 적어도 하나의 전기적 특성 파라미터가 평가된다. 이 평가에 따라, 초음파 센서의 전달 함수가 결정되며, 이는 참조 전달 함수와 비교된다. 비교에 따라, 초음파 센서의 기능 상태가 결정된다. 참조 전달 함수는 참조 기능 상태를 특징으로 한다.
특히, 초음파 센서의 기능 상태는 이에 의해 직접 결정될 수 있고, 따라서 예를 들어 환경적 영향에 의해 왜곡되지 않는다. 이는 특히 초음파 센서의 기능 상태의 보다 정확한 결정을 수행할 수 있게 하여, 초음파 센서가 고장 또는 기능 능력에 대해 검사될 수 있게 할 뿐만 아니라 초음파 센서의 오염도 또는 결빙도와 같은 다른 기능 상태도 결정될 수 있게 한다.
따라서 기능 상태의 결정은 센서 내부에서 수행되는데, 이는 또한 이 기능 테스트에 있어서 더 이상 테스트중인 초음파 센서에 의해 초음파 신호가 방출될 필요가 없으며, 평가를 위해 어떠한 에코 신호도 수신될 필요가 없음을 의미한다.
초음파 센서 전달 함수는 특히 초음파 센서의 입력 신호와 출력 신호 사이의 수학적 관계를 설명한다. 특히, 이는 초음파 센서의 전기-기계적 특성이 설명됨을 의미한다. 전달 함수에 의해, 임의의 입력 신호에 대해, 대응하는 출력 신호, 즉 출력 신호에 대한 초음파 센서의 응답이 결정될 수 있다. 초음파 센서는 특히 공진 모드에서 작동될 수 있기 때문에, 공진 주파수에서 초음파 센서의 전달 함수는 특히 중요하다.
특히, 초음파 센서 디바이스에 대한 기능 상태 결정 모델이 제공될 수 있다.
특히, 기능 상태의 결정 후에 적절한 액션이 수행될 수 있다고 규정될 수 있다. 예를 들어, 초음파 센서의 고장의 경우, 경고 통지가 생성될 수 있어, 자동차 안의 사람은 초음파 센서가 적어도 그 기능에 장애가 있음을 통지받는다. 초음파 센서의 결빙이 검출되면, 예를 들어, 초음파 센서의 가열 요소가 얼음을 제거하기 위해 활성화될 수도 있다. 예를 들어, 피에조 초음파 변환기의 세라믹의 노화로 인해 필요한 음압이 더 이상 주어진 전력으로 전달될 수 없으면, 예를 들어, 초음파 변환기의 전력이 제어 디바이스에 의해 그에 따라 증가하여 초음파 센서의 추가의 신뢰성 있는 동작이 여전히 실현될 수 있다.
특히, 초음파 센서의 제1 작동 상태에서 적어도 하나의 초음파 신호가 방출되고 에코 신호가 수신될 수 있으며, 초음파 센서의 제1 작동 상태와는 다른 제2 작동 상태에서 전기 테스트 신호를 인가함으로써 초음파 센서의 자기 진단이 수행될 수 있다. 따라서, 제1 작동 상태에서, 정상 모드는 이를테면 정상적으로 초음파 신호가 방출되고 물체로부터 반사된 대응하는 에코 신호가 수신된다. 이를 위해, 방출된 초음파 신호가 생성되는 여기 신호가 특히 초음파 변환기의 피에조 또는 피에조의 전자 회로 (특히 피에조의 결합 네트워크)에 인가될 수 있다. 제2 작동 상태는 진단 모드로도 지칭될 수 있다. 제2 작동 상태에서, 초음파 센서의 자기 진단은 (제1 작동 상태와 대조적으로) 자동차의 환경으로 초음파 신호를 송신하지 않고 수행된다. 즉, 자기 진단은 소리가 방출될 필요가 없다.
테스트 신호는 특히 방출된 초음파 신호가 생성되는 여기 신호와 상이할 수 있다. 무엇보다도, 제2 작동 상태의 테스트 신호는 제1 작동 상태의 방출된 초음파 신호가 생성되는 여기 신호와 상이할 수 있다. 따라서, 진단 모드의 테스트 신호는 본질적으로 신호 특성에 있어서 정상 모드 동안 방출된 초음파 신호의 여기 신호와 다르다.
일 설계에서, 테스트 신호의 진폭은 여기 신호의 진폭보다 작을 수 있다. 무엇보다도, 제2 작동 상태의 테스트 신호의 진폭은 제1 작동 상태의 방출된 초음파 신호가 생성되는 여기 신호의 진폭보다 작을 수 있다. 예를 들어, 테스트 신호의 진폭은 여기 신호의 진폭보다 적어도 2 배(즉, 적어도 절반), 특히 적어도 5 배, 특히 적어도 10 배만큼 작을 수 있다.
하나의 대안 또는 추가 실시예에서, 테스트 신호의 대역폭은 여기 신호의 대역폭보다 클 수 있다. 무엇보다도, 제2 작동 상태의 테스트 신호의 대역폭은 제1 작동 상태의 방출된 초음파 신호가 생성되는 여기 신호의 대역폭보다 클 수 있다. 예를 들어, 테스트 신호의 대역폭은 10 kHz 내지 50 kHz, 특히 15 kHz 내지 25 kHz일 수 있고/있거나 여기 신호의 대역폭은 2 kHz 내지 20 kHz, 특히 5 kHz 내지 10 kHz일 수 있다. 따라서, 테스트 신호의 대역폭은 여기 신호의 대역폭보다 예를 들어 적어도 2 배만큼 클(즉, 적어도 2 배정도 클) 수 있다.
하나의 대안 또는 추가 실시예에서, 테스트 신호의 주파수 대역은 초음파 센서의 공진 주파수를 포함하고, 테스트 신호의 주파수 대역은 특히 공진 주파수에 대해 대칭적으로 놓일 수 있다. 대안으로서 또는 부가적으로, 여기 신호의 주파수 대역은 초음파 센서의 공진 주파수를 포함하지 않거나 공진 주파수 옆에 놓이지 않을 수도 있고, 여기 신호의 주파수 대역은 특히 공진 주파수에 대해 비대칭으로 놓일 수 있다.
유리한 설계에 따르면, 테스트 신호는 제어 디바이스에 의해 고조파 신호의 형태로 또는 스텝 신호로서 또는 펄스 신호로서 생성될 수 있다. 고조파 신호는 발진이며, 그 파형은 정현파 함수에 의해 설명될 수 있다. 따라서, 초음파 센서는 사인 함수에 대응할 수 있는 전기 테스트 신호로 여기된다. 특히, 주파수는 관련 범위에서 시간에 따라 변할 수 있다. 스텝 신호는 초음파 센서의 기능 상태를 검증하기 위한 추가 옵션을 나타낸다. 초음파 센서의 전자 회로의 (특히 피에조의 전자 회로, 예컨대, 피에조의 결합 네트워크의) 입력에서, 스텝 함수가 적용되어 그 후 초음파 센서의 출력에서 전압도 변화시킨다. 이 전압의 시간 파형은 스텝 응답으로도 지칭된다. 스텝 함수에 대한 응답은 초음파 센서의 기능 상태를 추론하는 데 사용될 수 있다. 다른 가능성은 테스트 신호로서 제어 디바이스에 의해 펄스 신호가 생성될 수 있다는 것이다. 펄스 신호의 경우, 초음파 센서가 전기적으로 여기되고 초음파 센서의 진동 거동이 전기적으로 모니터링되고, 진동 응답에 기초하여 초음파 센서의 기능 상태에 관한 결론이 도출될 수 있다. 테스트 신호로서 고조파 신호 또는 스텝 신호 또는 펄스 신호를 사용하여 초음파 센서를 자극함으로써, 자동차의 환경으로 초음파 신호를 송신할 필요없이, 초음파 센서의 자기 진단이 직접적으로 그리고 간단한 방식으로 수행될 수 있다.
전달 함수가 임피던스 주파수 응답의 함수로서 결정되면 유리한 것으로 또한 입증되었다. 특히, 임피던스 주파수 응답은 전자-기계 초음파 센서의 입력-임피던스 주파수 응답이다. 이것은 특히 전압 또는 전류가 초음파 센서의 기계적 파라미터와 공지된 관계에 있기 때문에 초음파 센서의 전달 함수가 매우 간단하게 결정될 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서, 초음파 센서 내에서 단 하나의 파라미터의 변경으로 임피던스 주파수 응답이 결정될 수 있고, 이는 결국 초음파 센서의 전달 함수가 결정되게 한다.
임피던스 주파수 응답이 전기 테스트 신호로서 주입된 전류의 함수, 전기적 특성 파라미터로서 이에 의존하는 측정된 전압의 함수, 및 전기적 특성 파라미터로서 구현되는, 측정된 전압에 대한 주입된 전류의 위상 각의 함수로서 결정되는 경우 또한 유리하다. 이 구성을 사용하면 초음파 센서의 전류-전압 전달 함수가 매우 정확하게 결정될 수 있다.
임피던스 주파수 응답이 전기 테스트 신호로서 주입된 전압의 함수, 전기적 특성 파라미터로서 이에 의존하는 측정된 전류의 함수, 및 전기적 특성 파라미터로서 구현되는, 측정된 전류에 대한 주입된 전압의 위상 각의 함수로서 결정되는 경우 유리한 것도 입증되었다. 이 구성을 사용하면 초음파 센서의 전압-전류 전달 함수가 매우 정확하게 결정될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 전달 함수는 초음파 센서의 공진 주파수에서 결정될 수 있다. 초음파 센서는 특히 피에조 기반 굴곡 변환기(piezo-based flexural transducers)를 갖는 초음파 센서로서 설계되므로, 특히 공진 작동 모드에서 최고 효율을 가지는바, 초음파 센서는 특히 공명 모드에서 작동된다. 특히, 공진 모드에서, 즉 초음파 센서의 공진 주파수에서 전달 함수의 결정으로부터, 초음파 센서의 기능 상태가 결정될 수 있다. 이것은 초음파 센서의 각각의 주파수마다 관련 전달 함수가 결정될 필요가 없게 하고, 오히려 결정은 초음파 센서의 공진 주파수에서 발생하며, 이는 특히 제어 디바이스의 컴퓨팅 전력이 절약되게 한다.
다수의 전달 함수가 다수의 음향 주파수에서 결정되고, 다수의 음향 주파수가 공진 주파수 fres 주위로 +/- Δf 사이의 주파수 대역에서 생성되는 경우 유리한 것으로 또한 입증되었다. 그 설계의 결과로서, 각각의 초음파 센서는 상이한 공진 주파수를 갖기 때문에, 각각의 전달 함수는 특히 참조 초음파 센서의 공진 주파수 fres 주위의 주파수 대역에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 참조 초음파 센서는 45 kHz의 공진 주파수 fres를 가질 수 있다. 그러나, 제조 허용오차로 인해, 초음파 센서의 공진 주파수는 +/- Δf만큼 달라질 수 있다. 예를 들어, +/- 5 kHz, 즉 40 kHz에서 50 kHz까지의 주파수 대역이 45 kHz의 공진 주파수 fres 주위에 생성될 수 있으며, 여기서 전달 함수가 결정된다. Δf는 특히 초음파 센서의 제조 허용오차에 대응할 수 있다. 따라서, 전달 함수는 특히 확실하고 초음파 센서 특정 방식으로 결정될 수 있으므로, 특정 초음파 센서의 기능 상태가 추론될 수 있게 한다. 또한, 주파수 대역 외부의 주파수도 무시될 수 있어 컴퓨팅 전력도 절약된다.
다른 유리한 설계에 따르면, 다수의 전기 구성요소를 갖는 초음파 센서의 전기 모델 또는 등가 회로가 생성될 수 있으며, 전기 모델은 기계적 초음파 센서를 전기적으로 설명하며, 전기 모델의 파라미터 값은 전달 함수를 특징으로 한다. 특히, 다수의 전기 구성요소를 참조 전달 함수를 설명하는 다수의 전기 구성요소와 비교함으로써, 초음파 센서의 기능 상태가 결정될 수 있다. 이는 전기 구성요소에 기초하여 초음파 센서의 기능 상태를 간단하고 정확하게 정량화하는 것을 가능하게 한다.
초음파 센서 및/또는 참조 초음파 센서의 전기 모델이 제1 캐패시터, 제1 캐패시터와 분리된 제2 캐패시터, 인덕터 및 옴 저항에 의해 형성되는 경우도 유리하며, 제2 캐패시터, 인덕터 및 옴 저항은 직렬로 연결되고, 제1 캐패시터는 직렬 회로와 병렬로 연결된다. 결과적으로, 초음파 센서는 간단한 등가 회로에 의해 설명된다. 이 등가 회로의 전기 구성요소는 값이 쉽게 결정될 수 있는 간단한 전기 구성요소이며 초음파 센서의 기능 상태에 관한 결론을 쉽게 내리게 한다. 각각의 전기 구성요소가 상이한 전기 거동 수단을 갖는다는 사실은 복수의 영향에 의존하는 초음파 센서의 복수의 기능 상태가 모델링될 수 있음을 의미하는바, 초음파 센서의 현재 기능 상태의 정확한 결정이 구현될 수 있다.
초음파 센서의 물리적 캐패시턴스는 제1 캐패시터에 의해, 초음파 센서의 다이어프램(diaphragm)의 기계적 컴플라이언스는 제2 캐패시터에 의해, 다이어프램의 이동 질량은 인덕터에 의해, 음향 신호의 댐핑(damping)은 옴 저항에 의해 설명되는 경우 유리한 것으로 또한 입증되었다. 특히, 물리적 캐패시턴스, 기계적 컴플라이언스, 이동 질량 및 댐핑에 의해, 초음파 센서의 적어도 하나의 기능 상태가 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 캐패시터의 변화, 즉 물리적 캐패시턴스에 의해, 피에조세라믹의 결함이 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 캐패시터의 제1 캐패시턴스가 감소하는 경우, 그러한 결함이 존재할 수 있다.
특히, 제2 캐패시터, 인덕터 및 옴 저항은 초음파 센서의 사운드 변환의 전기-음향 모델을 설명한다. 제2 캐패시터의 캐패시턴스의 변화, 즉, 강성의 상반성 또는 기계적 컴플라이언스의 경우, 예를 들어, 초음파 센서의 다이어프램에 얼음이 존재하자마자 컴플라이언스가 감소하기 때문에 초음파 센서 상의 얼음의 존재가 추론될 수 있다. 특히 다이어프램에 얼음이 있는 경우, 멤브레인의 이동 질량도 변하는데, 이는 인덕턴스로 표시되며, 특히 얼음이 있는 경우 인덕턴스도 변경된다. 초음파 센서가 오염되는 경우, 즉, 초음파 센서의 다이어프램에 먼지가 있으면, 초음파 센서의 다이어프램에 추가 질량이 있는바 인덕턴스도 변한다. 옴 저항은 특히 환경에서 초음파 신호의 댐핑, 특히 외부 온도 및 습도에 의존하는, 특히 공기 전파음 감쇠 때문에 발생하는 감쇠를 검출하는 데 사용될 수 있다.
초음파 센서의 제1 캐패시터, 제2 캐패시터, 인덕터 및 옴 저항의 관련 파라미터 값이 파라미터 값 조정에 의해, 특히 수치 최적화에 의해 이들 조정된 파라미터 값을 사용하여 전달 함수가 모델의 형태로 획득되는 방식으로 결정되는 경우에도 유리하다. 특히, 파라미터 조정인 파라미터 피팅에 의해, 파라미터 적합의 수치 최적화의 형태로, 해당 전기 구성요소의 파라미터 값을 매우 간단하게 결정하는 것이 가능하며, 이는 초음파 센서의 기능 상태를 빠르고 쉽게 결정하게 한다.
참조 전달 함수 및/또는 참조 전달 함수를 생성하는 참조 초음파 센서의 파라미터 값이 다수의 잠재적 기능 상태를 위해 초음파 센서 디바이스의 저장 매체에 저장되는 경우 또한 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 구성에 의해, 기능 상태 결정에서 높은 수준의 정확도가 달성될 수 있다. 특히, 상이한 환경적 영향, 노화 효과 또는 센서 효과 또는 이들 영향의 결과로서의 전달 함수의 변화가 저장 매체에 함께 저장될 수 있어, 초음파 센서의 기능 상태가 일용의 광범위한 잠재적 상황의 경우 정확하게 결정되게 한다. 이는 특히 초음파 센서를 안전하고 신뢰 가능하게 작동하게 할 수 있다.
방법이 자동차의 복수의 작동 모드에서, 특히 자동차의 운전 작동 중에 구현될 수 있다면 또한 유리하다. 이는 기능 상태 결정이 자동차의 복수의 작동 모드에서 수행될 수 있음을 의미한다. 특히, 초음파 센서는 운전 작동 및 다른 작동 모드에서 신뢰가능하고 안전하게 작동될 수 있다.
특히, 온도 센서 및/또는 공기 습도 센서 및/또는 다른 센서 유형과 같은 적어도 하나의 다른 센서로부터의 정보가 또한 기능 상태를 결정하는 데 고려될 수 있다고 규정될 수 있다. 적어도 하나의 다른 센서는 초음파 센서 및/또는 초음파 센서 디바이스 및/또는 자동차의 일부일 수있다.
본 발명은 또한 자동차용 적어도 하나의 초음파 센서, 초음파 신호를 송신하는 송신 디바이스, 초음파 신호의 에코 신호를 수신하는 수신 디바이스 및 초음파 센서의 제어 디바이스를 가진 초음파 센서 디바이스에 관한 것으로, 전술한 방법 또는 이의 유리한 실시예를 수행하도록 설계된다.
본 발명은 또한 초음파 센서 디바이스를 구비하는 자동차에 관한 것이다. 특히, 자동차는 승용차의 형태이다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 실시예는 본 발명에 따른 초음파 센서 디바이스 및 자동차의 유리한 실시예로 간주되며, 본 발명에 따른 초음파 센서 디바이스 및 본 발명에 따른 자동차는 방법 또는 이의 유리한 실시예의 구현을 가능하게 하는 중요한 특징을 갖는다.
본 발명의 추가 특징은 청구범위, 도면 및 도면의 설명으로부터 발생한다. 위 설명에서 언급된 특징 및 특징 조합 및 아래의 도면의 설명에서 언급되고/되거나 도면에만 도시된 특징 및 특징 조합은 표시된 각각의 조합뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 조합에 또는 개별적으로 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예는 도면에 명시적으로 도시되거나 설명되는 것이 아니라 별도의 특징 조합에 의해 설명된 실시예로부터 발생하고 생성될 수 있는 것으로 포함되고 개시된 것으로도 간주되어야 한다. 따라서, 처음 작성된 독립항의 모든 특징을 갖지 않는 실시예 및 특징 조합도 개시된 것으로 간주되어야 한다. 또한, 청구범위의 상호 참조시에 제시된 특징 조합의 범위를 넘거나 이와 다른 설계 및 특징 조합, 특히 전술한 설계의 조합도 개시되는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 예시적인 실시예가 개략도를 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 센서 디바이스의 실시예를 갖는 본 발명에 따른 자동차의 예시적인 실시예의 개략적인 평면도.
도 2는 초음파 센서의 실시예의 전달 함수를 결정하기 위한 개략적인 주파수-신호 진폭 곡선.
도 3은 초음파 센서의 일 실시예의 임피던스 주파수 응답을 결정하기 위한 개략적인 주파수-임피던스 곡선.
도 4는 초음파 센서의 일 실시예의 개략적인 등가 회로도.
도면에서, 동일하거나 기능적으로 균등한 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(1)를 도시한다. 본 예시적인 실시예에서 자동차(1)는 승용차로서 설계된다. 차량(1)은 운전자 보조 시스템(2)을 포함한다. 운전자 보조 시스템(2)을 이용하여, 예를 들어 자동차(1)의 주변 영역(4)에 위치한 물체(3)가 검출될 수 있다. 특히, 운전자 보조 시스템(2)에 의해 자동차(1)와 물체(3) 사이의 거리가 결정될 수 있다.
운전자 보조 시스템(2)은 적어도 하나의 초음파 센서 디바이스(5)를 포함한다. 초음파 센서 디바이스(5)는 차례로 적어도 하나의 초음파 센서(5a)를 구비한다. 초음파 센서(5a)는 적어도 하나의 초음파 신호(8), 특히 복수의 초음파 신호가 방출될 수 있는 송신 디바이스(6)를 포함한다. 이 경우 초음파 센서 디바이스(5)는 자동차(1)의 전방 영역에 배치된다. 초음파 센서 디바이스(5)는 자동차(1)의 후방 구역 또는 측면 지역과 같은 다른 영역에도 배치될 수 있다. 따라서, 다음 예는 완전한 것으로 간주되는 것이 아니라 예시용으로만 간주된다.
송신 디바이스(6)를 이용하여, 초음파 신호(8)는 다이어프램에 의해, 사전결정된 커버리지 범위(E) 또는 사전결정된 각도 범위 내에서 방출될 수 있다.
또한, 초음파 센서 디바이스(5)는 수신 디바이스(7)를 포함하고, 이에 의해 반사된 초음파 신호가 물체(3)에 의해, 특히 다이어프램을 통해 반사된 에코 신호(9)로서 수신될 수 있다. 그러므로, 수신 디바이스(7)를 사용하여, 물체(3)로부터 반사된 초음파 신호(9)는 수신 신호로서 수신될 수 있다. 초음파 센서 디바이스(5)는 예를 들어 마이크로컨트롤러 및/또는 디지털 신호 프로세서에 의해 형성될 수 있는 제어 디바이스(S)도 구비할 수 있다. 운전자 보조 시스템(2)은 예를 들어 자동차(1)의 전자 제어 유닛(ECU)에 의해 형성될 수 있는 제어 디바이스(10)를 더 포함한다. 제어 디바이스(10)는 데이터 전송을 위해 초음파 센서 디바이스(5)에 접속된다. 예를 들어, 데이터는 자동차(1)의 데이터 버스를 통해 전송될 수 있다.
도 2는 초음파 센서(5a)의 일 실시예의 전달 함수(13)를 결정하기 위한 개략적인 주파수-신호 진폭 곡선을 도시한다. 도 2의 그래프의 가로 좌표 A에서, 특히 주파수는 [kHz]로 플로팅된다. 그래프의 세로 좌표 O는 [dB] 단위의 신호 진폭을 나타낸다. 신호 진폭은 전압 및 전류와 같은 전기적 특성 파라미터(K)(도 4)에 의존한다. 특히, 도 1은 초음파 센서(5a)의 전달 함수(13)가 특히 초음파 센서(5a)의 공진 주파수(R)에 위치한 피크(12)를 갖는 것을 도시한다. 도 1에 도시된 예에서, 공진 주파수(R)는 약 45 kHz에 있다. 초음파 센서(5a)는 공진 주파수(R)에서 공진 모드로 작동하는 것이 바람직하다.
도 2로부터의 전달 함수(13)에 의해, 특히 초음파 센서(5a)의 음향-전기 거동이 표현될 수 있다. 특히, 설계에 따라 각각의 초음파 센서(5a)는 특정 전달 함수(13)를 갖는다. 특히, 예컨대, 초음파 센서(5a)의 특정 공진 주파수(R)는 -Δf 및 +Δf의 예를 사용하여 도 1에 도시되는 주파수 대역에 있을 수 있다. 예를 들어, 주파수 대역의 범위는 40 kHz와 50 kHz 사이일 수 있다. 특히, 이 주파수 대역에서 특정 초음파 센서(5a)의 공진 주파수(R)가 체크되고 결정될 수 있다.
환경적 영향, 노화 또는 센서 관련 효과와 같은 외부 영향으로 인해, 초음파 센서(5a)가 참조 초음파 센서의 참조 전달 함수(11)와 비교하여 상이한 전달 함수(13)를 가지게 되는 것은 사실일 수 있다. 특히, 전달 함수(13)는 참조 전달 함수(11)와 상이하다. 전달 함수(13)를 참조 전달 함수(11)와 비교함으로써, 특히 초음파 센서(5a)의 기능 상태가 결정될 수 있다. 예를 들어, 초음파 센서(5a)가 더러운지 또는 얼음에 의해 영향을 받는지를 판정할 수 있다. 전달 함수(13)는 전기 테스트 신호(P)(도 4)의 함수로서 결정되며, 초음파 센서(5a)는 전기 테스트 신호(P)에 의해 여기된다. 특히 초음파 센서(5a)의 전압 및/또는 전류일 수 있는 전기적 특성 파라미터(K)가 평가될 수 있고, 초음파 센서(5a)의 전달 함수(13)는 이의 함수로서 결정될 수 있다. 특히, 전달 함수(13)는 참조 전달 함수(11)와 비교되고, 초음파 센서(5a)의 기능 상태는 비교에 따라 결정될 수 있다. 특히, 테스트 신호(P)는 제어 디바이스, 특히 초음파 센서(5a)의 제어 디바이스(S)에 의해 고조파 신호 또는 스텝 신호 또는 펄스 신호로서 생성될 수 있다.
초음파 센서(5a)의 기능 상태의 결정은 자동차(1)의 다수의 작동 모드, 특히 자동차(1)의 운전 작동 중에 수행될 수 있다는 것 또한 규정될 수 있다. 따라서, 초음파 센서(5a)의 기능 상태는 현재 시간에서 결정될 수 있다.
도 3은 초음파 센서(5a)의 임피던스 주파수 응답(14)을 결정하기 위한 예시적인 개략적 주파수-신호 진폭 곡선을 도시한다. 특히, 주파수는 가로 좌표 A에 [kHz]로 표시되고 세로 좌표 O에는 위상 각(α)이 [°]로 플로팅된다. 임피던스 주파수 응답(14)은 초음파 센서(5a)의 공진 주파수(R)에서 전환점을 갖는다. 특히, 공진 주파수(R)에서 임피던스는 0인 위상 각(α)을 갖는다.
특히, 전달 함수(13)는 임피던스 주파수 응답(14)에 의해 결정된다고 규정되는데, 임피던스 주파수 응답(14)은 전기적 특성 파라미터(K)를, 특히 전류 및/또는 전압으로서 둘 사이의 위상 각의 함수로서 설명한다. 예를 들어, 임피던스 주파수 응답(14)은 전기 테스트 신호(P)로서 주입된 전류의 함수, 전기적 특성 파라미터(K)로서 이에 의존하는 측정된 전압의 함수, 및 전기적 특성 파라미터(K)로서 구현되는, 측정된 전압에 대한 주입된 전류의 위상 각(α)의 함수로서 결정될 수 있다. 임피던스 주파수 응답(14)이 전기 테스트 신호(P)로서 주입된 전압의 함수, 전기적 특성 파라미터(K)로서 이에 의존하는 측정된 전류의 함수, 및 전기적 특성 파라미터(K)로서 구현되는, 측정된 전류에 대한 주입된 전압의 위상 각(α)의 함수로서 결정되는 것도 가능하다.
도 4는 초음파 센서(5a)의 전기 모델(15)로서 초음파 센서(5a)의 일 실시예의 개략적인 등가 회로도를 도시한다. 특히, 전기 모델(15)은 전기 용어로 기계적 초음파 변환기(5a)를 설명한다. 특히, 전기 모델(15)은 복수의 구성요소(16)를 포함한다.
특히, 전기 모델(15)은 제1 캐패시터(17), 제2 캐패시터(18), 인덕터(19) 및 옴 저항(20)을 갖는다. 특히, 구성요소(16)의 파라미터 값은 전달 함수(13)를 특징으로 할 수 있도록 선택된다. 특히, 전기 모델(15)에서, 제2 캐패시터(18), 인덕턴스(19) 및 옴 저항(20)은 직렬로 연결되고 제1 캐패시터(17)는 이 직렬 회로와 병렬로 연결된다.
특히, 제1 캐패시터(17)는 초음파 센서(5a)의 물리적 캐패시턴스, 예를 들어 피에조 초음파 센서의 세라믹을 설명한다. 제2 캐패시터(18)는 예를 들어, 강성의 상반성에 대응하는 초음파 센서(5a)의 멤브레인의 기계적 컴플라이언스를 설명할 수 있다. 인덕턴스(19)에 의해, 특히 멤브레인의 이동 질량이 모델링될 수 있다. 옴 저항(20)은 특히 초음파 신호(8)의 댐핑을 설명할 수 있다. 특히, 물리적 캐패시턴스, 기계적 컴플라이언스, 이동 질량 및 댐핑에 의해, 초음파 센서(5a)의 적어도 하나의 기능 상태가 결정될 수 있다.
예를 들어, 세라믹에 결함이 있는 경우, 제1 캐패시터(17)의 캐패시턴스가 감소될 수 있어서, 제1 캐패시턴스의 감소가 세라믹의 고장을 추론하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 센서(5a)의 다이어프램에 얼음이 존재하면, 예컨대, 기계적 컴플라이언스 및 이동 질량이 변경될 수 있어서, 전기 모델(15)에서 제2 캐패시터(16)의 변화 또는 제2 캐패시터(16)의 캐패시턴스늬 변화 및 인덕턴스(19)의 변화가 검출될 것이다. 파라미터 값 변화에 기초하여 초음파 센서(5a)의 기능 상태에 관한 결론이 도출될 수 있다.
특히, 구성요소(16)의 파라미터 값은 파라미터 값 조정에 의해, 특히 수치 최적화에 의해 이들 조정된 파라미터 값을 사용하여 전달 함수가 모델의 형태로 획득되는 방식으로 결정된다고 규정된다.
특히, 참조 전달 함수(11) 및/또는 참조 전달 함수(11)를 생성하는 참조 초음파 센서의 파라미터 값은 다수의 잠재적 기능 상태를 위해 초음파 센서 디바이스(5)의 저장 매체에 저장될 수 있다. 따라서, 구성요소(16)의 개별 파라미터 값은 참조 초음파 센서의 구성요소의 파라미터 값과 비교될 수 있고, 그 후 메모리에 저장된 정보로부터, 환경 조건, 센서 조건 및/또는 초음파 센서(5a)의 노화에 대한 결론을 도출하는 데 사용된다.
특히, 온도 센서 및/또는 공기 습도 센서 및/또는 다른 센서 유형과 같은 적어도 하나의 다른 센서로부터의 정보도 기능 상태를 결정하는 데 고려될 수 있다고 규정될 수 있다. 적어도 하나의 다른 센서는 초음파 센서(5a) 및/또는 초음파 센서 디바이스(5) 및/또는 자동차(1)의 일부일 수 있다.
특히, 초음파 센서(5a)의 전달 함수(13)는 초음파 신호를 전송하지 않고 수신된 에코 신호를 평가하지 않으면서 직접 따라서 센서 내부에서 측정되고 전달 함수(13)에 기초하여 초음파 센서(5a)의 기능 상태가 결정된다. 이를 위해, 초음파 센서(5a)는 전기 테스트 신호(P)에 의해 여기된다. 전기 테스트 신호(P)에 의해 초음파 센서(5a)의 전기적 특성 파라미터(K)는 초음파 센서(5a)에 의해 조작되고 평가된다. 특히 임피던스 주파수 응답(14)에서 검출될 수 있는 전기적 특성 파라미터(K)의 함수로서, 전달 함수(13)가 결정된다. 구성요소(16)를 사용하여 제공된 전기 모델(15)은 파라미터 값 피팅에 의해 특정 전달 함수(13)와 매칭되어, 구성요소(16)는 전달 함수(13)를 특성화한다. 매칭된 파라미터 값은 참조 초음파 센서의 참조 파라미터 값과 비교되고, 비교에 기초하여 초음파 센서(5a)의 기능 상태에 관한 결론을 도출하는 데 사용된다.

Claims (20)

  1. 자동차(1)의 환경(4)으로 초음파 신호(8)를 방출하고/하거나 상기 초음파 신호(8)의 에코 신호(9)를 수신하도록 설계되는 자동차(1)용 초음파 센서 디바이스(5)의 초음파 센서(5a)의 기능 상태를 결정하는 방법으로서,
    상기 초음파 센서(5a)에 인가되는 전기 테스트 신호(P)를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 전기 테스트 신호(P)에 의해 영향을 받는 상기 초음파 센서(5a)의 적어도 하나의 전기적 특성 파라미터(K)가 평가되고, 상기 초음파 센서(5a)의 전달 함수(13)가 상기 적어도 하나의 전기적 특성 파라미터(K)의 함수로 결정되고, 상기 전달 함수는 참조 전달 함수(11)와 비교되고 상기 비교에 따라 상기 초음파 센서(5a)의 상기 기능 상태가 결정되며,
    상기 테스트 신호(P)는 방출된 초음파 신호(8)가 생성되는 여기 신호와 상이한
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 신호(P)는 제어 디바이스(S)에 의해 고조파 신호 또는 스텝 신호 또는 펄스 신호로서 생성되는
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전달 함수(13)는 임피던스 주파수 응답(14)의 함수로서 결정되는
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 임피던스 주파수 응답(14)은 전기적 테스트 신호(P)로서 주입된 전류, 전기적 특성 파라미터(K)로서 상기 주입된 전류에 의존하는 측정된 전압, 및 전기적 특성 파라미터(K)로서 구현되는 상기 측정된 전압에 대한 상기 주입된 전류의 위상 각(α)에 기초하여 결정되는
    방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 임피던스 주파수 응답(14)은 전기적 테스트 신호(P)로서 주입된 전압, 전기적 특성 파라미터(K)로서 상기 주입된 전압에 의존하는 측정된 전류, 및 전기적 특성 파라미터(K)로서 구현되는 상기 측정된 전류에 대한 상기 주입된 전압의 위상 각(α)에 기초하여 결정되는
    방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전달 함수(13)는 상기 초음파 센서(5a)의 공진 주파수(R)에서 결정되는
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    다수의 전달 함수(13)는 다수의 음향 주파수에서 결정되며,
    상기 다수의 음향 주파수는 상기 공진 주파수(R) 주위로 +/- Δf 사이의 주파수 대역에서 생성되는
    방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a)의 전기 모델(15)은 다수의 전기 구성요소(16)를 사용하여 생성되며,
    상기 전기 모델(15)은 기계적인 상기 초음파 센서(5a)를 전기적으로 나타내며, 상기 전기 모델(15)의 파라미터 값은 상기 전달 함수(13)에 의하여 특정되는
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a) 및/또는 참조 초음파 센서의 상기 전기 모델(15)은 제1 캐패시터(17), 상기 제1 캐패시터(17)와 분리된 제2 캐패시터(18), 인덕터(19) 및 옴 저항(20)에 의해 형성되고, 상기 제2 캐패시터(18), 상기 인덕터(19) 및 상기 옴 저항(20)은 직렬로 연결되어 직렬 회로를 구성하고, 상기 제1 캐패시터(17)는 상기 직렬 회로에 병렬로 연결되는
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a)의 물리적 캐패시턴스는 상기 제1 캐패시터(17)에 기초하여 결정되고, 상기 초음파 센서(5a)의 다이어프램(diaphragm)의 기계적 컴플라이언스는 상기 제2 캐패시터(18)에 기초하여 결정되고, 상기 다이어프램의 이동 질량은 상기 인덕터(19)에 기초하여 결정되고, 상기 초음파 신호(8)의 댐핑(damping)은 상기 옴 저항(20)에 기초하여 결정되는
    방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a)의 상기 제1 캐패시터(17)의 파라미터 값, 상기 제2 캐패시터(18)의 파라미터 값, 상기 인덕터(19)의 파라미터 값 및 상기 옴 저항(20)의 파라미터 값은 파라미터 값 피팅에 의해 결정되며, 상기 파라미터 값 피팅은 조정된 파라미터 값들을 사용하여 상기 전달 함수(13)가 모델의 형태로 획득되는 방식인
    방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 참조 전달 함수(11) 및/또는 상기 참조 전달 함수(11)를 생성하는 참조 초음파 센서의 파라미터 값은 다수의 발생가능한 기능 상태를 위해 상기 초음파 센서 디바이스(5)의 저장 매체에 저장되는
    방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방법은 상기 자동차(1)의 복수의 작동 모드에서 상기 자동차(1)의 운전 작동 중에 구현될 수 있는
    방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a)의 상기 기능 상태는 상기 센서 내부에서 결정되는
    방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 센서(5a)의 제1 작동 상태에서 적어도 하나의 초음파 신호(8)가 방출되고 에코 신호(9)가 수신되며, 상기 초음파 센서(5a)의 자기 진단은 상기 초음파 센서(5a)의 상기 제1 작동 상태와는 다른 제2 작동 상태에서 상기 전기 테스트 신호(P)를 인가함으로써 수행되는
    방법.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 신호(P)의 진폭은 상기 여기 신호의 진폭보다 작은
    방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 신호(P)의 대역폭은 상기 여기 신호의 대역폭보다 큰
    방법.
  19. 자동차(1)용 적어도 하나의 초음파 센서(5a)를 가진 초음파 센서 디바이스(5)로서,
    초음파 신호(8)를 송신하는 송신 디바이스(6), 상기 초음파 신호(8)의 에코 신호(9)를 수신하는 수신 디바이스(7), 및 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 구현하도록 설계된 상기 초음파 센서(5a)의 제어 디바이스(S)를 갖는
    초음파 센서 디바이스(5).
  20. 제19항에 따른 초음파 센서 디바이스(5)를 구비하는 자동차(1).
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