WO2011131650A1 - Anordnung zur bestimmung der entfernung und der richtung zu einem objekt - Google Patents

Anordnung zur bestimmung der entfernung und der richtung zu einem objekt Download PDF

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signal
array
elements
receiver
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PCT/EP2011/056208
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Felix Streichert
Christian Zott
Andre Gerlach
Christopher Brown
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention is based on an arrangement for determining the distance and the direction to an object according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for determining the distance and the direction to an object.
  • sensors which emit a signal and receive an object-reflected echo of the signal.
  • the distance to the object is determined from the transit time of the signal from the time of the transmission until the reception of the echo.
  • the information about the direction of an object as well as the distance information is essential.
  • z For example, for obstacle detection in near-field navigation, distance information and directional information about objects are of essential importance.
  • trilateration methods can be used in which the direction of the object is determined from the measured distances of at least two sensors to the object.
  • Disadvantages of the trilateration methods lie essentially in the assignment problem and thus the ambiguity of the distance estimation and position with several reflectors in the scene. These ambiguities could typically only be resolved by multiple measurements from different positions and tracing methods.
  • the transmission and / or reception characteristics of a single sensor are so severely limited that the detection range of the sensor allows the lateral or vertical positioning of an obstacle.
  • the disadvantage here is that in order to achieve practically relevant positioning accuracies, the transmission and / or reception characteristic must be severely restricted, so that a large number of sensors is necessary to monitor the detection range.
  • beamforming methods can be used in particular.
  • active beamforming techniques the phase of several parallel-active emitters is closely matched to control the mainframe's angle of rejection of the superposition of the transmitted signals.
  • passive beamforming methods the phase information of several parallel recording receivers is used to reconstruct the angle of incidence of a received signal.
  • the size of an array, in particular the diameter of the array, of several parallel active emitters or in a passive method of several parallel recording receivers is important, since the size of the array determines both the extension of a transmitted signal and the angular separation capability for a received signal.
  • the distance between the array elements is also important (element spacing).
  • the element spacing should be less than or equal to half the wavelength of the signal, otherwise gratings may occur.
  • Side lobes in the transmission or reception characteristic on the order of the main lobe which can lead to ambiguities in the detection.
  • the size of the usable array elements is limited.
  • Beamforming methods for determining the distance and the direction to an object are described, for example, in FR-A 2 817 973 and DE-A 10 2004 050 794.
  • a disadvantage of the method described in FR-A 2 817 973 is that one starts from a homogeneous linear array, in particular the function of transmission is not separated from that of receiving.
  • DE-A 10 2004 050 794 it is implicitly assumed that large emitters are used in order to achieve a narrow emitter characteristic.
  • active beamforming is described in this patent, both the large emitter area and the narrow emitter characteristic are inconsistent with use as an active emitter array.
  • the two transmission frequencies used contradict the approach described in this claim. Disclosure of the invention
  • An arrangement according to the invention for determining the distance and the direction to an object comprises an emitter and at least two receiver elements for receiving a signal emitted by the emitter and reflected by the object, wherein the receiver elements as a linear array, as two mutually arranged at an angle linear arrays are arranged as a circle-forming array surrounding the emitter or as a two-dimensional array, wherein the diameter of the array can be significantly greater than half the wavelength of the signal, and the individual receiver elements each have an individual area whose height or diameter is maximum corresponds to half the wavelength of the signal and the separate emitter has a height or a diameter which is greater than half the wavelength of the signal.
  • the arrangement according to the invention for determining the distance and the direction to an object comprises at least two emitter elements and a receiver for receiving a signal sent by the emitter elements and reflected by the object, wherein the emitter elements as a linear array, as two at an angle to each other arranged linear arrays, as the receiver surrounding a circle-forming array o- or arranged as a two-dimensional array, wherein the diameter of the
  • Arrays can be significantly greater than half the wavelength of the signal, and the emitter elements each having an area whose height or diameter corresponds to a maximum of half the wavelength of the signal and the separate receiver has a height or a diameter which is greater than half the wavelength of signal.
  • the near-field detection range is expanded and, on the other hand, it allows the task-specific dimensioning of the emitter and receiver components.
  • the term “diameter” is understood to mean the diameter of a circle or the long axis of an ellipse.
  • “Height” is understood to mean the distance between a base and a point opposite the base with the greatest distance from the base For example, in a triangle, the distance between the base and the point opposite the base is 1. In a square or rectangle, the height corresponds to the length of one side.
  • the emitters and receivers used can have any desired cross section. However, it is preferred if the emitter and the receiver have a circular or a square cross-section.
  • transceiver which also serves as transmitter and receiver
  • the arrangement according to the invention it is possible with the arrangement according to the invention to detect objects which are immediately adjacent to the arrangement. This is not possible with the transceiver, since with this first a signal is sent and the transceiver can receive an incoming signal only when the transmitting diaphragm has swung out. This period leads e.g. with an ultrasonic sensor in general to a minimum distance of 20 cm, from which the distance to an object can be measured.
  • the embodiment with an emitter and a plurality of receiver elements or a receiver and a plurality of emitter elements makes it possible, on the one hand, to detect objects which are immediately adjacent to the device and, on the other hand, without ambiguities, by means of a beamforming method, e.g. with passive Bartlett or Capon beamformers, also to determine the direction to an object.
  • a beamforming method e.g. with passive Bartlett or Capon beamformers
  • the inventive arrangement can, for. B. can be used as distance sensors on a motor vehicle. These are generally arranged in the region of the front and / or rear bumper of the motor vehicle. Due to the positioning in the bumper, it is necessary that the arrangement is stable against mechanical effects. So the sensors may in particular z. B. by stone chipping or in so-called parking bumps, in which there is a collision in the bumper area, will not be damaged.
  • ultrasound transmitters are particularly preferably used as emitters.
  • transmitters on a piezoelectric basis are suitable here.
  • receiver elements preferably piezoelectric elements are used, which convert an incoming signal into an electric current.
  • the receiver elements each have a height or a diameter of at most half the wavelength of the transmitted signal.
  • at least two receiver elements are used.
  • a larger number of receiver elements is preferred, for example at least five receiver elements for linear arrays for only lateral resolution, in particular at least fifteen receiver elements for two-dimensional arrays for vertical and lateral resolution.
  • the receiver elements are arranged as a linear array.
  • the receiver elements will be adjacent to the emitter here.
  • the linear array z. B. is interrupted in the middle and is at this point the emitter. It is also possible to supplement the linear array with additional receiver elements outside the main line of the linear array.
  • the receiver elements are arranged as two mutually arranged at an angle linear arrays, so these z. B. along the catheters of a right triangle.
  • the emitter is in this case preferably positioned within the apex of the triangle.
  • z. b. two linear arrays intersect and the emitter is positioned at the intersection of the intersecting linear arrays.
  • the linear arrays arranged at an angle to one another can also be arranged at any other angle relative to one another. Preferably, however, the arrangement is at a right angle.
  • the receiver elements z. B.
  • the emitter is arranged centrally between the receiver elements and the receiver elements surround the emitter, for example, circular.
  • the receiver elements can be arranged in single-row or multi-row. In an emitter other than a circular shape, the shape of the array will be in accordance with the cross section of the emitter.
  • the receiver elements z. B. in an emitter with a square cross-section also form a square array.
  • the emitter is arranged adjacent to the receiver elements.
  • the receiver elements form an array that is separated from the emitter. In this case, however, it is necessary that the
  • Position of the emitter outside the array during subsequent signal processing be considered for determining the direction and distance to an object.
  • the array comprises at least two emitters. So it is z.
  • the emitters it is possible for the emitters to be positioned on opposite sides of the array formed by the receiver elements. This has the advantage that the environment can be detected from different directions and thus an even more precise detection of the environment is possible without the sensor unit has to be moved.
  • an emitter can be combined with at least two arrays.
  • At least one receiver and an array of emitter elements are used instead of the at least one emitter and the array of receiver elements, it is possible to arrange the receiver and the emitter elements in a manner similar to that described above for an emitter and an array of receiver elements.
  • each of the emitter elements take the position of the receiver elements and the receiver the position of the emitter.
  • a signal is transmitted by the at least one emitter, the signal is reflected by an object and the reflected echo is received by the receiver elements as an input signal. From the input signal, the distance and direction to the object are calculated from any beamforming method.
  • Receiver beamforming methods perform spatial filtering on the signals received by the receiver elements. Incident echoes are physically superimposed on the individual signals that can be received by the spatially separated receiver elements. The received signals are then electronically subjected to different gain or attenuation factors, depending on which direction one wants to control the array. In the case of passive receiver beamforming methods, the different directions of reception are often performed by software engineering. while other methods may estimate the different directions directly based on an estimate of the number of echoes received. In both cases, the relative positions of the receiver elements and the wavelength of the transmitted pulse are used. In their simplest, classical form, complex weightings are applied to the signals of the
  • Receiver elements are applied so that signals originating from the desired "viewing direction" constructively interfere, whereas signals from other directions destructively interfere with each other.
  • Sender beamforming methods work accordingly, but vice versa.
  • the signals sent by the emitter elements add up in the desired "viewing direction” and signals from other directions cancel each other out, thereby giving objects a stronger signal in the direction of view than objects in other directions.
  • an array of multiple emitter elements and at least one separate receiver is employed. This system makes it possible to perceive objects from a distance of 0 cm. For an obstacle detection, however, the entire environment must be scanned, which increases the detection time depending on the grid resolution, even if there is no tracking to determine the position.
  • a signal from at least one emitter is emitted and received by a receiver array.
  • the entire environment can be detected on the signal-reflecting obstacles with only one transmitted ultrasound pulse.
  • This inventive design of the separate emitter and receiver elements again has the advantage of improved near-field detection, but additionally allows the task-specific dimensioning of the emitter and receiver elements.
  • the inventive arrangement can, for. B. can be used as distance sensors in a motor vehicle or obstacle detection in the near field detection of robotics. This is z. B. in particular in driverless transport systems of interest. Brief description of the figures
  • FIGS. 1 to 3 arrangements with an emitter and receivers arranged as a linear array
  • FIGS. 4 to 6 show arrangements with an emitter and receiver elements, which are arranged as two mutually angled linear arrays, representing a linear array with any additional elements outside the main axis,
  • FIGS. 7 to 9 show arrangements with an emitter and receiver elements, which are arranged as an array surrounding the emitter
  • FIGS. 10 to 13 are arrangements with an emitter and receiver elements arranged as a two-dimensional array adjacent to the emitter in a passive array process flow diagram in an active array process flow diagram
  • an emitter and receiver elements which are arranged as a linear array.
  • One arrangement comprises an emitter 1 and at least two, in the embodiments illustrated here, eight receiver elements 3 in FIG. 1, ten receiver elements 3 in FIG. 2 and six receiver elements 3 in FIG. 3.
  • the receiver elements 3 are arranged as a linear array, ie in a row next to each other.
  • the emitter 1 interrupts the array formed by the receiver elements 3 and thus forms part of the linear array.
  • the emitter 1 has a height or a diameter which is greater than half the wavelength of the signal.
  • the receiver elements 3 have a height or a diameter which corresponds at most to half the wavelength of the signal.
  • the emitter 1 and the receiver elements 3 are designed with a circular cross-section, so that here the diameter is the decisive variable.
  • the emitter 1 not part of a linear array, but next to the linear array formed by the receiver elements 3, arranged.
  • the distance between the emitter 1 and the receiver elements 3 could be arbitrarily large, but should not exceed the range of the emitted signal, or its echoes. It is preferred if the emitter 1 is positioned as close as possible to the receiver elements 3.
  • the emitter 1 and the receiver elements 3 have a circular cross-section. This differs from the embodiment shown in FIG. In this case, the arrangement corresponds to that shown in Figure 2, but emitter 1 and receiver elements 3 each have a square cross-section. In this case, for the size of emitter 1 and receiver elements 3, the height is the relevant quantity. The height corresponds to the side length of the square cross-sectional area of emitter 1 or receiver elements 3.
  • each of the three receiver elements 3 are adjacent to the emitter 1 on one side, the number of receiver elements may also vary. So it is z. B. also possible that the emitter 1 each two, four or more receiver elements 3 are adjacent.
  • the two angularly arrayed linear arrays formed by the receiver elements 3 form the right angle triangular catheters.
  • the triangle stands on the top, whereas in the embodiment shown in Figure 6, a linear array is horizontal and the other at right angles to it vertically.
  • the emitter 1 is positioned in each case in the tip of the triangle formed by the linear array.
  • the linear arrays can also be arranged at any other angle relative to one another. However, an arrangement at a right angle is preferred.
  • FIGS. 7 to 13 An embodiment with two-dimensional arrays is shown in FIGS. 7 to 13.
  • the emitter 1 is enclosed in each case by the receiver elements 3, whereas in the embodiments according to FIGS. 10 to 13 the emitter 1 is adjacent to the receiver elements 3.
  • the emitter 1 forms a center, which is surrounded annularly by the receiver elements 3. This is also the case in the embodiment illustrated in FIG. 8, whereas, in contrast to the embodiment shown in FIG. 7, in the embodiment shown in FIG. 8, the receiver elements 3 form two concentric rings. An arrangement with more than two concentric rings formed by the receiver elements 3 is also possible.
  • the receiver elements 3 have a circular cross section, as is the case in FIGS. 7 and 8, circular packings may be more advantageous, while with square or rectangular cross sections, regular packs may be more advantageous are, as shown by way of example in Figure 9.
  • the emitter 1 is enclosed by the receivers 3, the receivers being arranged in a single row as shown in FIG. Again, however, an arrangement with more than one set of receivers 3 on each side of the emitter 1 is conceivable.
  • FIG. 10 shows an embodiment which provides a reduced vertical resolution at a higher horizontal resolution. This is because there is a full linear array in the horizontal direction, but only three sensors positioned next to the linear array.
  • the three receiver elements 3 positioned next to the linear array form a triangle.
  • a rotationally symmetrical reception characteristic with as few a minimum number of receiver elements 3 as possible provides the embodiment shown in FIG. 11. In this case, the array formed by the receiver elements 3 is circular.
  • the arrangement shown in FIG. 12 also provides an axis-symmetrical reception characteristic, but a larger number of receiver elements 3 are required than in the case of the circular arrangement, as shown in FIG. 11.
  • the angular separation capability achieved by the arrangement in FIG. 12 can also achieve the arrangement according to FIG.
  • the number of receiver elements 3 is significantly reduced compared to a full-occupied array, as shown in FIG.
  • the position of the emitter 1 can be chosen as desired in the embodiments shown in FIGS. 2, 3, 5, 6 and 10 to 13, but must be taken into account in the subsequent signal processing in this case. It is also possible in the embodiments as shown in FIGS. 2, 3, 5, 6 and 10 to 13 are shown to use more than one emitter. The use of more than one emitter allows to capture the environment from different directions. The advantage of the arrangements, as shown in FIGS. 4 to 13, is that besides a horizontal / lateral angular positioning of the object, a vertical angular position can also be determined.
  • an emitter 1 and an array of a plurality of receiver elements 3 it is also possible to provide in each case a receiver and an array of a plurality of emitter elements.
  • the receiver then takes in each case the position of the emitter 1 illustrated in FIGS. 1 to 13 and the array formed by the emitter elements the position of the receiver elements illustrated in FIGS. 1 to 13.
  • FIG. 14 shows a structure for a passive ultrasound array with a separate emitter.
  • the structure as illustrated in Figure 14 combines the advantages of greater range and reduced near field blindness.
  • it is advantageous for the passive ultrasound array that the entire environment can be tested for the ultrasound-reflecting obstacles with only one transmitted ultrasound pulse.
  • a signal is first sent to the emitter 1 by a digital signal processor 11.
  • an ultrasonic pulse 1 is emitted from the emitter.
  • a digital receiving system 13 is driven. This activates an analog-to-digital conversion of the digital reception system 13.
  • Echoes of the ultrasound pulse emitted by objects in the environment, emitted by the emitter 1, are received by the receiver elements 3.
  • the received signals are passed to the digital receiving system 13 and converted into digital signals. These will be on the digital
  • Signal processor 1 1 passed.
  • the distance and the direction to an object are determined from the high-frequency sampled phase information of the signals received in parallel using the beam-forming method.
  • the results obtained can, for. B. output via an output device 15.
  • a receiver 19 and an array of a plurality of emitter elements 17 are provided.
  • the emitter elements 17 are driven by the digital signal processor 1 1 to send an ultrasonic pulse.
  • the emitter elements 17 it is possible for the emitter elements 17 to emit a signal with respectively different phases, so that the radiated energy can be directed in the superimposition of the signals (ie beamforming). In this way, you can selectively send signals in one direction or sequentially scan the surroundings for obstacles by sending out several transmit pulses in different directions one after the other.
  • the receiver 19 is activated by the digital signal processor 1 1.
  • Signals received by the receiver 19 are converted by the digital receiving system 13 into digital signals. These digital signals are then provided to the digital signal processor 11. Now, the distance results from the transit time of the signal and the direction from the selected emission characteristic of the emitter array. This data can then be displayed again via an output device 15 and / or used for further methods.
  • the embodiment shown in Figure 15 Due to the sequential transmission of a signal from the emitter elements 17, the embodiment shown in Figure 15 has the disadvantage that a higher detection time is needed to detect the entire environment. Therefore, it is preferable to use an arrangement as shown in FIG. 14 with an emitter 1 and a plurality of receiver elements 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt umfassend einen Emitter (1) und mindestens zwei Empfängerelemente (3) zum Empfang eines vom Emitter (1) gesendeten und vom Objekt reflektierten Signals, wobei die Empfängerelemente (3) als lineares Array, als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays, als den Emitter (1) umgebendes, einen Kreis bildendes Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Arrays größer als die halbe Wellenlänge des Signals sein kann, und die einzelnen Empfängerelemente (3) jeweils eine individuelle Fläche ausweisen, deren Höhe beziehungsweise Durchmesser maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht, und der separate Emitter (1) eine Höhe beziehungsweise einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals.

Description

Beschreibung
Titel
Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt.
Um die Entfernung zu einem Objekt zu bestimmen, werden üblicherweise Sensoren eingesetzt, die ein Signal aussenden und ein vom Objekt reflektiertes Echo des Signals empfangen. Aus der Laufzeit des Signals vom Zeitpunkt des Sen- dens bis zum Empfangen des Echos wird der Abstand zu dem Objekt bestimmt.
Neben dem Abstand zu einem Objekt interessiert üblicherweise auch die Richtung, in der sich das Objekt befindet. Insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich ist die Information zur Richtung eines Objekts wie auch die Entfer- nungsinformation wesentlich. Auch in der Robotik, z. B. zur Hinderniserkennung in der Nahfeldnavigation sind Entfernungsinformationen und Richtungsinformationen zu Objekten von essentieller Bedeutung.
Um die Richtung des Objekts zu bestimmen, können Trilaterationsverfahren ein- gesetzt werden, bei denen aus den gemessenen Entfernungen von mindestens zwei Sensoren zu dem Objekt die Richtung des Objekts bestimmt wird. Nachteile der Trilaterationsverfahren liegen im Wesentlichen im Zuordnungsproblem und damit der Mehrdeutigkeit der Entfernungsschätzung und Position bei mehreren Reflektoren in der Szene. Diese Mehrdeutigkeiten könnten typischerweise nur über Mehrfachmessungen aus verschiedenen Positionen und sogenannten Tra- cking-Verfahren aufgelöst werden. Alternativ werden oft auch die Sende- und/oder Empfangscharakteristiken eines einzelnen Sensors so stark eingeschränkt, dass der Detektionsbereich des Sensors die laterale oder vertikale Positionierung eines Hindernisses erlaubt.
Nachteilig ist hier, dass zum Erreichen von praktisch relevanten Positionierge- nauigkeiten die Sende- und/oder Empfangscharakteristik stark eingeschränkt werden muss, dass eine große Anzahl an Sensoren nötig ist, um den Detektionsbereich zu überwachen.
Neben Triangulationsverfahren zur Richtungsbestimmung können insbesondere auch Beamforming-Verfahren eingesetzt werden. Bei aktiven Beamforming- Verfahren wird die Phase mehrerer parallel aktiver Emitter genau aufeinander abgestimmt, um den Ausfallwinkel der Hauptkeule der Überlagerung der gesendeten Signale zu steuern. Bei passiven Beamforming-Verfahren wird die Phaseninformation mehrerer parallel aufzeichnender Empfänger genutzt, um den Einfallswinkel eines empfangenen Signals zu rekonstruieren. Bei vielen Verfahren zum Beamforming ist die Größe eines Arrays, insbesondere der Durchmesser des Arrays, mehrerer parallel aktiver Emitter bzw. bei einem passiven Verfahren mehrerer parallel aufzeichnender Empfänger von Bedeutung, da die Größe des Arrays sowohl die Ausweitung eines gesendeten Signals bestimmt als auch die Winkeltrennfähigkeit für ein empfangenes Signal. Weiterhin ist auch der Abstand zwischen den Arrayelementen, das heißt den Empfängern beim passiven Beamforming oder den Emittern beim aktiven Beamforming, von Bedeutung (Elementabstand). Bei den meisten Verfahren zum Beamforming sollte der Elementabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des Signals sein, da sonst so genannte Gräting Lobes auftreten können, d.h. Nebenkeulen in der Sende- oder Empfangscharakteristik in der Größenordnung der Hauptkeule, die zu Mehrdeutigkeiten in der Detektion führen können.
Dadurch, dass der Elementabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des Signals sein sollte, wird die Größe der einsetzbaren Arrayelemente begrenzt.
Die meisten praktischen Anwendungen für akustische Wellen und Ultraschall finden sich daher derzeit in der Medizintechnik oder unter Wasser, da dort eine größere Wellenlänge im Medium auch größere Elementabstände erlaubt. Zudem ist in Wasser und in Gewebe die Ankopplung des Mediums an die Elemente deutlich günstiger als in Luft. Anwendungen in Luft, wie z. B. zur Hinderniserkennung im Automobilbereich o- der in der Robotik, benötigen aufgrund des notwendigen kleinen Elementabstandes in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz sehr kleine Arrayelemente, beispielsweise mit einem Durchmesser von weniger als 1 ,7 mm bei 100 kHz. Aufgrund der schlechten Ankopplung der Emitter und Empfänger an das Medium Luft werden im Falle von Emittern große Emitterflächen oder im Falle von Empfängern kleine Massen/große Flächen benötigt. Aufgrund des erforderlichen kleinen Elementabstandes zwischen den Arrayelementen sind jedoch große Flächen für einzelne die Arrayelemente nicht realisierbar.
Eine Anordnung, bei der ein Sender und mehrere Empfänger in einem Array angeordnet sind, ist z. B. in US-A 2008/0165620 beschrieben. Die Empfänger sind jedoch zur Anwendung im automobilen Bereich nur bedingt geeignet, da der beschriebene Dünnfilm-Piezoelektrische Emitter anfällig gegenüber mechanischen Beanspruchungen ist. Zudem wird die in US-A 2008/0165620 beschriebene Anordnung im Zusammenhang mit Trilaterationsverfahren genutzt. Diese erlauben deutlich größere Emitter und Empfänger als Beamforming-Verfahren. Daher ist davon auszugehen, dass der in US-A 2008/0165620 beschriebene Sensor nicht für Beamforming-Verfahren geeignet ist.
Beamforming-Verfahren zur Ermittlung des Abstandes und der Richtung zu einem Objekt sind zum Beispiel in FR-A 2 817 973 und DE-A 10 2004 050 794 beschrieben. Nachteilig bei dem in FR-A 2 817 973 beschriebenen Verfahren ist, dass man von einem homogenen linearen Array ausgeht, insbesondere wird nicht die Funktion des Sendens von der des Empfangens getrennt. Bei dem in DE-A 10 2004 050 794 beschriebenen Verfahren wird implizit von großen Emittern ausgegangen, um eine schmale Emittercharakteristik zu erreichen. Obwohl in diesem Patent ein aktives Beamforming geschrieben wird, widerspricht sowohl die große Emitterfläche, als auch die schmale Emittercharakteristik der Verwendung als aktives Emitterarray. Zudem widersprechen die zwei verwendeten Sendefrequenzen dem in diesem Anspruch beschriebenen Ansatz. Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt umfasst einen Emitter und mindestens zwei Empfängerelemente zum Empfang eines vom Emitter gesendeten und vom Objekt reflektierten Signals, wobei die Empfängerelemente als lineares Array, als zwei zu- einander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays, als den Emitter umgebendes, einen Kreis bildendes Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Arrays deutlich größer als die halbe Wellenlänge des Signals sein kann, und die einzelnen Empfängerelemente jeweils eine individuelle Fläche ausweisen, deren Höhe beziehungsweise Durchmesser ma- ximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht und der separate Emitter eine Höhe beziehungsweise einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals.
In einer alternativen Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt mindestens zwei Emitterelemente und einen Empfänger zum Empfang eines von den Emitterelementen gesendeten und vom Objekt reflektierten Signals, wobei die Emitterelemente als lineares Array, als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays, als den Empfänger umgebendes, einen Kreis bildendes Array o- der als zweidimensionales Array angeordnet sind, wobei der Durchmesser des
Arrays deutlich größer als die halbe Wellenlänge des Signals sein kann, und die Emitterelemente jeweils eine Fläche aufweisen, deren Höhe beziehungsweise Durchmesser maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht und der separate Empfänger eine Höhe beziehungsweise einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals.
Wichtig ist in beiden Anordnungen, dass die Funktion des Sendens und des Empfangens für die Beamforming-Verfahren getrennt wird. So wird zum einen der Nahfeld-Detektionsbereich erweitert und zum anderen erlaubt es die aufga- benspezifische Dimensionierung der Emitter und Empfangskomponenten. Es folgen verschiedene Ausführungsbeispiele desselben Prinzips. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter„Durchmesser" der Durchmesser eines Kreises oder die lange Achse einer Ellipse zu verstehen. Unter Höhe ist die Strecke zwischen einer Basis und einem der Basis gegenüberliegenden Punkt mit größter Entfernung zur Basis zu verstehen. So ist die Höhe in einem Dreieck z. B. die Strecke zwischen der Basis und der der Basis gegenüber liegenden Spitze. In einem Quadrat oder Rechteck entspricht die Höhe der Länge einer Seite.
Die eingesetzten Emitter und Empfänger können jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn Emitter und Empfänger einen kreisförmigen oder einen quadratischen Querschnitt aufweisen.
Anders als bei einem so genannten Transceiver, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient, ist es mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, auch Objekte zu detektieren, die der Anordnung unmittelbar benachbart sind. Dies ist beim Transceiver nicht möglich, da bei diesem zunächst ein Signal gesendet wird und der Transceiver ein eingehendes Signal erst dann empfangen kann, wenn die sendende Membran ausgeschwungen hat. Dieser Zeitraum führt z.B. bei einem Ultraschallsensor im Allgemeinen zu einem Mindestabstand von 20 cm, ab dem der Abstand zu einem Objekt gemessen werden kann.
Die Ausgestaltung mit einem Emitter und mehreren Empfängerelementen oder einem Empfänger und mehreren Emitterelementen erlaubt es, einerseits Objekte zu detektieren, die die Anordnung unmittelbar benachbart sind und zum anderen ohne Mehrdeutigkeiten mit Hilfe eines Beamforming-Verfahrens, z.B. mit passiven Bartlett- oder Capon-Beamformern, auch die Richtung zu einem Objekt zu bestimmen.
Bei der Ausführungsform mit einem Empfänger und mehreren Emittern ist es durch die Fläche der Emitterelemente, die kleiner ist als die halbe Wellenlänge des Signals, möglich, einen effektiven Abstand der einzelnen Emitterelemente zu realisieren, der maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht. Effektiver Abstand ist dabei der Abstand der Mittelpunkte der Emitterelemente. Ein effektiver Abstand der einzelnen Emitterelemente, der maximal der halben Wellen- länge des Signals entspricht ermöglicht es, eine größere Anzahl an Emitterelementen einzusetzen. Dies führt zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei der Ausführungsform mit einem Emitter und mehreren Empfängern ist es durch die Fläche der Empfängerelemente, die kleiner ist als die halbe Wellenlänge des Signals, möglich, einen effektiven Abstand der einzelnen Empfängerelemente zu realisieren, der maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht. Effektiver Abstand ist dabei der Abstand der Mittelpunkte der Empfängerelemente. Ein effektiver Abstand der einzelnen Empfängerelemente, der maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht ermöglicht es, eine größere Anzahl an Empfängerelementen einzusetzen. Dies führt ebenfalls zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann z. B. eingesetzt werden als Abstandssensoren an einem Kraftfahrzeug. Diese sind im Allgemeinen im Bereich des vorderen und/oder hinteren Stoßfängers des Kraftfahrzeugs angeordnet. Aufgrund der Positionierung im Stoßfänger ist es notwendig, dass die Anordnung auch gegen mechanische Einwirkungen stabil ist. So dürfen die Sensoren insbesondere z. B. durch Steinschlag oder auch bei so genannten Parkremplern, bei denen es zu einer Kollision im Stoßfängerbereich kommt, nicht beschädigt werden. Um dies zu erreichen, werden als Emitter besonders bevorzugt Ultraschallsender eingesetzt. Hierbei eignen sich insbesondere Sender auf piezoelektrischer Basis. Auch als Empfängerelemente werden vorzugsweise piezoelektrische Elemente eingesetzt, die ein eingehendes Signal in einen elektrischen Strom wandeln.
Um bei Einsatz eines Emitters und mindestens zwei Empfängerelementen das Detektieren von Mehrdeutigkeiten bei Einsatz des Beamforming-Verfahrens zu vermeiden, ist es notwendig, dass die Empfängerelemente jeweils eine Höhe bzw. einen Durchmesser von maximal der halben Wellenlänge des gesendeten Signals aufweisen. Um eine Richtung zu einem Objekt zu erfassen, werden mindestens zwei Empfängerelemente eingesetzt. Bevorzugt ist jedoch eine größere Anzahl an Empfängerelementen, beispielsweise mindestens fünf Empfängerelemente für lineare Arrays für lediglich laterale Auflösung, insbesondere mindestens fünfzehn Empfängerelemente für zwei-dimensionale Arrays für vertikale und laterale Auflösung. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Empfängerelemente als lineares Array angeordnet. Üblicherweise werden die Empfängerelemente hier dem Emitter benachbart sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das lineare Array z. B. in der Mitte unterbrochen wird und sich an dieser Stelle der Emitter befindet. Es ist weiterhin möglich das lineare Array durch zusätzliche Empfängerelemente außerhalb der Hauptlinie des linearen Arrays zu ergänzen.
Wenn die Empfängerelemente als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays angeordnet sind, so können diese z. B. entlang der Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks angeordnet sein. Der Emitter ist in diesem Fall vorzugsweise innerhalb der Spitze des Dreiecks positioniert. Alternativ ist es auch möglich, dass z. b. zwei lineare Arrays sich kreuzen und der Emitter im Schnittpunkt der sich kreuzenden linearen Arrays positioniert ist. Neben einem rechtwinkligen Kreuzen oder der Anordnung als Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks können die in einem Winkel zueinander angeordneten linearen Arrays auch in jedem beliebigen anderen Winkel zueinander angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch die Anordnung in einem rechten Winkel. Alternativ zu einer linearen Anordnung der Empfängerelemente ist es auch möglich, dass die Empfängerelemente z. B. als zweidimensionales Array angeordnet sind und den Emitter umschließen. In diesem Fall ist es z. B. möglich, dass der Emitter zentral zwischen den Empfängerelementen positioniert ist und die Empfängerelemente den Emitter beispielsweise kreisförmig umschließen. Die Emp- fängerelemente können dabei einreihig oder mehrreihig angeordnet sein. Bei einem von einer Kreisform verschiedenen Emitter richtet sich die Gestalt des Arrays entsprechend dem Querschnitt des Emitters. So werden die Empfängerelemente z. B. bei einem Emitter mit einem quadratischen Querschnitt ebenfalls ein quadratisches Array bilden.
Auch bei der Anordnung eines zweidimensionalen Arrays, das jede beliebige Form annehmen kann, z. B. kreisförmig, quadratisch oder auch in einer beliebigen anderen Form, ist es möglich, dass der Emitter neben den Empfängerelementen angeordnet ist. In diesem Fall bilden die Empfängerelemente ein Array, das vom Emitter separiert ist. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, dass die
Position des Emitters außerhalb des Arrays bei der nachfolgenden Signalverar- beitung zur Bestimmung der Richtung und der Entfernung zu einem Objekt berücksichtigt wird.
Wenn die Position des Emitters außerhalb des Arrays ist, ist es weiterhin auch möglich, dass die Anordnung mindestens zwei Emitter umfasst. So ist es z. B. möglich, dass die Emitter auf gegenüber liegenden Seiten des Arrays, das von den Empfängerelementen gebildet wird, positioniert sind. Dies hat den Vorteil, dass die Umgebung aus verschiedenen Richtungen erfasst werden kann und dadurch eine noch präzisere Erfassung der Umgebung möglich ist, ohne dass die Sensoreinheit bewegt werden muss. Alternativ kann auch ein Emitter mit mindestens zwei Arrays kombiniert werden.
Wenn anstelle des mindestens einen Emitters und dem Array aus Empfängerelementen mindestens ein Empfänger und ein Array aus Emitterelementen ein- gesetzt wird, so ist es möglich, den Empfänger und die Emitterelemente in ähnlicher Weise anzuordnen wie vorstehend für einen Emitter und ein Array aus Empfängerelementen beschrieben.
In diesem Fall nehmen jeweils die Emitterelemente die Position der Empfänger- elemente und der Empfänger die Position des Emitters ein.
Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Entfernung und die Richtung zu einem Objekt zu bestimmen, wird von dem mindestens einen Emitter ein Signal gesendet, das Signal wird von einem Objekt reflektiert und das reflektierte Echo von den Empfängerelementen als Eingangssignal empfangen. Aus dem Eingangssignal werden aus einem beliebigen Beamforming-Verfahren Entfernung und Richtung zu dem Objekt berechnet.
Empfänger-Beamforming-Verfahren führen eine räumliche Filterung der von den Empfängerelementen empfangenen Signale durch. Einfallende Echos überlagern sich physikalisch zu den einzelnen Signalen, die von den räumlich getrennten Empfängerelementen empfangen werden können. Die empfangen Signale werden dann elektronisch unterschiedlichen Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktoren unterworfen, abhängig davon in welche Richtung man das Array steuern will. Im Falle von passiven Empfänger-Beamforming-Verfahren werden dabei die verschiedenen Empfangsrichtungen häufig Softwaretechnisch durch- laufen während andere Verfahren basierend auf einer Schätzung der Anzahl der empfangenen Echos auch die verschiedenen Richtungen direkt schätzen können. In beiden Fällen werden die Relativpositionen der Empfängerelemente und die Wellenlänge des gesendeten Pulses herangezogen. In ihrer einfachs- ten, klassischen Form werden komplexe Gewichtungen auf die Signale der
Empfängerelemente angewendet, so dass sich Signale, die aus der gewünschten„Blickrichtung" stammen, konstruktiv interferieren, wohingegen Signale aus anderen Richtungen destruktiv interferieren. Sender-Beamforming-Verfahren funktionieren entsprechend, jedoch umgekehrt.
In diesem Falle addieren sich die von den Emitterelementen gesendeten Signale in der gewünschten„Blickrichtung" und Signale aus anderen Richtungen heben sich gegenseitig auf. Dadurch liefern Objekte in Blickrichtung ein stärkeres Signal als Objekte in anderen Richtungen.
Bei einem aktiven Verfahren zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt wird ein Array aus mehreren Emitterelmenten und mindestens einem separaten Empfänger eingesetzt. Dieses System erlaubt es, Objekte ab einer Entfernung von 0 cm wahrzunehmen. Für eine Hindernisdetektion ist je- doch das gesamte Umfeld abzuscannen, wodurch die Detektionszeit abhängig von der Rasterauflösung erhöht wird, auch wenn ein Tracking zur Positionsbestimmung entfällt.
Im Unterschied dazu wird bei einem passiven Ultraschallarray ein Signal von mindestens einem Emitter ausgesendet und von einem Empfänger-Array empfangen. Hierdurch lässt sich mit lediglich einem gesendeten Ultraschall-Puls das gesamte Umfeld auf das Signal reflektierende Hindernisse erfassen. Dieses erfindungsgemäße Design der getrennten Emitter und Empfängerelemente hat wieder den Vorteil der verbesserten Nahfelddetektion, erlaubt jedoch zusätzlich die aufgabenspezifische Dimensionierung der Emitter und Empfängerelemente.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann z. B. eingesetzt werden als Abstandssensoren in einem Kraftfahrzeug oder auch zur Hinderniserkennung in der Nahfelderkennung der Robotik. Dies ist z. B. insbesondere bei fahrerlosen Trans- portsystemen von Interesse. Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 Anordnungen mit einem Emitter und als lineares Array angeordneten Empfängern,
Figuren 4 bis 6 Anordnungen mit einem Emitter und Empfängerelementen, die als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays angeordnet sind, stellvertretend für ein lineares Array mit beliebigen zusätzlichen Elementen außerhalb der Hauptachse,
Figuren 7 bis 9 Anordnungen mit einem Emitter und Empfängerelementen, die als ein den Emitter umgebendes Array angeordnet sind,
Figuren 10 bis 13 Anordnungen mit einem Emitter und Empfängerelementen, die als zweidimensionales Array neben dem Emitter angeordnet sind, in Verfahrensfließbild für ein passives Array, in Verfahrensfließbild für ein aktives Array
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In den Figuren 1 bis 3 sind Anordnungen mit einem Emitter und Empfängerelementen, die als lineares Array angeordnet sind, dargestellt. Eine Anordnung um- fasst einen Emitter 1 und mindestens zwei, in den hier dargestellten Ausfüh- rungsformen, acht Empfängerelemente 3 in Figur 1 , zehn Empfängerelemente 3 in Figur 2 und sechs Empfängerelemente 3 in Figur 3. Die Empfängerelemente 3 sind als lineares Array, d.h. in einer Reihe nebeneinander angeordnet. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform unterbricht der Emitter 1 das aus den Empfängerelementen 3 gebildete Array und bildet somit einen Teil des linearen Arrays.
Erfindungsgemäß weist der Emitter 1 eine Höhe bzw. einen Durchmesser auf, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals. Demgegenüber haben die Empfängerelemente 3 eine Höhe bzw. einen Durchmesser, der maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht. In der Ausführungsform gemäß Figur 1 sind der Emitter 1 und der Empfängerelemente 3 mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, so dass hier der Durchmesser die maßgebliche Größe ist.
Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist in der in Figur
2 dargestellten Ausführungsform der Emitter 1 nicht Teil eines linearen Arrays, sondern neben dem linearen Array, das von dem Empfängerelementen 3 gebildet wird, angeordnet. Der Abstand zwischen dem Emitter 1 und den Empfängerelementen 3 könnte beliebig groß sein, sollte jedoch die Reichweite des ausgestrahlten Signals, beziehungsweise dessen Echos nicht überschreiten. Bevorzugt ist es, wenn der Emitter 1 möglichst dicht bei den Empfängerelementen 3 positioniert ist. Auch bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform haben der Emitter 1 und die Empfängerelemente 3 einen kreisförmigen Querschnitt. Davon unterscheidet sich die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform. In diesem Fall entspricht die Anordnung der in Figur 2 dargestellten, jedoch haben Emitter 1 und Empfängerelemente 3 jeweils einen quadratischen Querschnitt. In diesem Fall ist für die Größe von Emitter 1 und Empfängerelementen 3 die Höhe die maßgebliche Größe. Die Höhe entspricht dabei der Seitenlänge der quadratischen Querschnittsfläche von Emitter 1 bzw. Empfängerelementen 3.
In den Figuren 4 bis 6 sind Anordnungen mit einem Emitter 1 und Empfängerelementen 3 dargestellt, bei denen die Empfängerelemente 3 zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays bilden.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform bilden die Empfängerelemente
3 zwei lineare Arrays, die sich jeweils in ihrer Mitte kreuzen. Der Kreuzungspunkt der beiden linearen Arrays, die durch die Empfängerelemente 3 gebildet werden, ist mit dem Emitter 1 besetzt. Neben der hier dargestellten Ausführungsform, bei der jeweils drei Empfängerelemente 3 dem Emitter 1 auf einer Seite benachbart sind, kann die Anzahl der Empfängerelemente auch variieren. So ist es z. B. auch möglich, dass dem Emitter 1 jeweils zwei, vier oder auch mehr Empfängerelemente 3 benachbart sind.
In den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen bilden die zwei zueinander in einem Winkel angeordneten linearen Arrays, die von den Empfängerelementen 3 geformt werden, die Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks. Bei der Ausgestaltung in Figur 5 steht das Dreieck dabei auf der Spitze, wohingegen bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform ein lineares Array horizontal und das andere im rechten Winkel dazu vertikal verläuft. Der Emitter 1 ist jeweils in der Spitze des durch die linearen Arrays gebildeten Dreiecks positioniert.
Neben den in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen, bei denen die linearen Arrays in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, können die linearen Arrays auch in jedem beliebigen anderen Winkel zueinander angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung in einem rechten Winkel.
Eine Ausgestaltung mit zweidimensionalen Arrays ist in den Figuren 7 bis 13 dargestellt. Bei den Ausführungsformen in den Figuren 7 bis 9 ist dabei der Emitter 1 jeweils von den Empfängerelementen 3 umschlossen, wohingegen bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 10 bis 13 der Emitter 1 den Empfängerelementen 3 benachbart ist.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform bildet der Emitter 1 ein Zent- rum, das von den Empfängerelementen 3 ringförmig umschlossen ist. Dies ist auch bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform der Fall, wohingegen im Unterschied zu der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform bei der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform die Empfängerelemente 3 zwei konzentrische Ringe bilden. Auch eine Anordnung mit mehr als zwei konzentrischen Ringen, die von den Empfängerelementen 3 gebildet werden, ist möglich.
Je nach Form und Gestaltung der Arrayelemente können verschiedene Array- Designs zu dichten Packungen führen. Zum Beispiel wenn die Empfängerelemente 3 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies in den Figuren 7 und 8 der Fall ist, können kreisförmige Packungen vorteilhafter sein, während bei quadratischen oder rechteckigen Querschnitten reguläre Packungen vorteilhafter sind, wie dies beispielhaft in Figur 9 dargestellt ist. Auch in diesem Fall ist der Emitter 1 von den Empfängern 3 umschlossen, wobei die Empfänger gemäß Darstellung in Figur 9 einreihig angeordnet sind. Auch hier ist jedoch eine Anordnung mit mehr als nur einer Reihe Empfängern 3 an jeder Seite des Emitters 1 denkbar.
Bei den in den Figuren 10 bis 13 dargestellten Ausführungsformen, bei denen der Emitter 1 neben dem von den Empfängerelementen 3 gebildeten Array angeordnet ist, zeigt Figur 10 eine Ausführungsform, die bei einer höheren horizon- talen Auflösung eine reduzierte vertikale Auflösung liefert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein vollwertiges lineares Array in horizontaler Richtung vorgesehen ist, jedoch nur drei Sensoren, die neben dem linearen Array positioniert sind. Die drei neben dem linearen Array positionierten Empfängerelemente 3 bilden dabei ein Dreieck. Eine rotationssymmetrische Empfangscharakteristik bei mög- liehst minimaler Anzahl an Empfängerelementen 3 liefert die in Figur 1 1 dargestellte Ausführungsform. In diesem Fall ist das von den Empfängerelementen 3 gebildete Array kreisförmig.
Auch die in Figur 12 dargestellte Anordnung liefert eine achsenweise symmetri- sehe Empfangscharakteristik, jedoch wird eine größere Anzahl an Empfängerelementen 3 benötigt als bei der kreisförmigen Anordnung, wie sie in Figur 1 1 dargestellt ist. Abhängig vom verwendeten Beamformingverfahren kann die Winkeltrennfähigkeit, welche die Anordnung in Figur 12 erreicht, auch die Anordnung gemäß Figur 13 erreichen. Jedoch ist hier die Anzahl der Empfängerelemente 3 deutlich gegenüber einem vollbesetzten Array, wie es in Figur 12 dargestellt ist, reduziert.
Bei der in Figur 13 dargestellten Anordnung spricht man auch von einem so genannten Minimum Redundancy Array, das je nach verwendeten Beamforming- verfahren eine ähnliche Winkeltrennfähigkeit wie die in Figur 12 dargestellte Ausführungsform aufweist, jedoch ein schlechteres Signal/Rauschverhältnis.
Die Position des Emitters 1 kann in den in den Figuren 2, 3, 5, 6 und 10 bis 13 dargestellten Ausführungsformen beliebig gewählt werden, muss in diesem Fall jedoch bei der nachfolgenden Signalverarbeitung berücksichtigt werden. Auch ist es möglich, bei den Ausführungsformen, wie sie in den Figuren 2, 3, 5, 6 und 10 bis 13 dargestellt sind, mehr als nur einen Emitter einzusetzen. Die Verwendung von mehr als einem Emitter erlaubt es, die Umgebung aus verschiedenen Richtungen zu erfassen. Der Vorteil der Anordnungen, wie sie in den Figuren 4 bis 13 dargestellt sind, ist, dass neben einer horizontalen/lateralen Winkelpositionierung des Objektes auch eine vertikale Winkelposition ermittelt werden kann.
Um das Signalrauschverhältnis zu verbessern ist es vorteilhaft, die Anzahl an Empfängerelementen 3 zu erhöhen. Bei einer Integration des Emitters 1 in das von den Empfängerelementen 3 gebildete Array werden die Möglichkeiten, effiziente Arraydesigns, mit denen die Winkeltrennfähigkeit und das Signalrauschverhältnis abhängig von der jeweiligen Anwendung optimiert werden können, zu nutzen, begrenzt. Eine Optimierung ohne solche Nebenbedingungen ist möglich mit einer Anordnung, wie sie beispielsweise in den Figuren 10 bis 13 dargestellt ist, mit einem seitlich neben dem aus den Empfängern 3 gebildeten Array positionierten Emitter 1.
Alternativ zu den dargestellten Ausführungsformen, bei denen jeweils ein Emitter 1 und ein Array aus mehreren Empfängerelementen 3 vorgesehen ist, ist es auch möglich, jeweils einen Empfänger vorzusehen und ein Array aus mehreren Emitterelementen. In diesem Fall nimmt dann der Empfänger jeweils die Position des in den Figuren 1 bis 13 dargestellten Emitters 1 und das von den Emitterelementen gebildete Array die Position der in den Figuren 1 bis 13 dargestellten Empfängerelemente ein.
In Figur 14 ist ein Aufbau für ein passives Ultraschall-Array mit separatem Emitter dargestellt.
Der Aufbau, wie er in Figur 14 dargestellt ist, kombiniert die Vorteile einer größeren Reichweite und einer verringerten Blindheit im Nahbereich. Insbesondere ist es für das passive Ultraschall-Array vorteilhaft, dass mit nur einem gesendeten Ultraschall-Puls das gesamte Umfeld auf den Ultraschall reflektierende Hindernisse geprüft werden kann. Um die Umgebung zu erfassen, wird zunächst von einem digitalen Signalprozessor 1 1 ein Signal an den Emitter 1 gesendet. Auf dieses Signal hin wird ein Ultraschall-Puls 1 vom Emitter abgegeben. Gleichzeitig wird ein digitales Empfangssystem 13 angesteuert. Hiermit wird eine Analog-Digital-Wandlung des digi- talen Empfangssystems 13 aktiviert.
Von Objekten in der Umgebung reflektierte Echos des Ultraschall-Pulses, der vom Emitter 1 ausgesendet wurde, werden von den Empfängerelementen 3 empfangen. Die empfangenen Signale werden an das digitale Empfangssystem 13 weitergegeben und in Digitalsignale gewandelt. Diese werden an den digitalen
Signalprozessor 1 1 weitergegeben. Im digitalen Signalprozessor 1 1 wird aus den hochfrequent abgetasteten Phaseninformationen der parallel empfangenen Signale mit Hilfe des Beamforming-Verfahrens die Entfernung und die Richtung zu einem Objekt bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse können z. B. über eine Ausgabevorrichtung 15 ausgegeben werden.
Neben einer Ausgabevorrichtung 15 oder zusätzlich zur Ausgabevorrichtung 15 ist es auch möglich, die im digitalen Signalprozessor 1 1 ermittelten Daten an andere Anwendungen weiterzugeben, die diese z. B. verarbeiten können. Insbe- sondere bei Anwendungen in der Robotik ist es z. B. üblich, die im digitalen Signalprozessor 1 1 bestimmten Daten an eine Steuereinheit für einen Roboter weiterzugeben, wobei die Steuereinheit diese Daten zur Ansteuerung des Roboters nutzt. In Figur 15 ist ein Aufbau für ein aktives Ultraschall-Array mit einem separaten
Sensor dargestellt. Im Unterschied zum passiven Ultraschall-Array, wie es in Figur 14 dargestellt ist, ist bei einem aktiven Ultraschall-Array ein Empfänger 19 und ein Array aus mehreren Emitterelementen 17 vorgesehen. Zur Erfassung der Umgebung der Anordnung werden die Emitterelemente 17 vom digitalen Signal- Prozessor 1 1 angesteuert, um einen Ultraschall-Puls zu senden. Dabei ist es möglich, dass die Emitterelemente 17 ein Signal mit jeweils unterschiedlichen Phasen aussenden, so dass in der Überlagerung der Signale die abgestrahlte Energie gerichtet werden kann (d.h. Beamforming). So kann man gezielt Signale in eine Richtung schicken oder sequenziell die Umgebung nach Hindernissen ab- tasten, indem man nacheinander mehrere Sendepulse in verschiedene Richtungen aussendet. Gleichzeitig wird durch den digitalen Signalprozessor 1 1 auch der Empfänger 19 aktiviert. Vom Empfänger 19 empfangene Signale werden vom digitalen Empfangssystem 13 in digitale Signale umgewandelt. Diese digitalen Signale werden dann dem digitalen Signalprozessor 1 1 zur Verfügung gestellt. Nun ergibt sich die Entfernung aus der Laufzeit des Signals und die Richtung aus der gewählten Abstrahlcharakteristik des Emitterarrays. Diese Daten können dann wieder über eine Ausgabevorrichtung 15 angezeigt werden und/oder für weitere Verfahren genutzt werden.
Aufgrund des sequentiellen Sendens eines Signals von den Emitterelementen 17 hat die in Figur 15 dargestellte Ausführungsform den Nachteil, dass eine höhere Detektionszeit benötigt wird, um das gesamte Umfeld zu erfassen. Daher ist es bevorzugt, eine Anordnung wie sie in Figur 14 dargestellt ist, mit einem Emitter 1 und mehreren Empfängerelementen 3 zu verwenden.

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt umfassend einen Emitter (1 ) und mindestens zwei Empfängerelemente (3) zum Empfang eines vom Emitter (1 ) gesendeten und vom Objekt reflektierten Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerelemente (3) als lineares Array, als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays, als den Emitter (1 ) umgebendes, einen Kreis bildendes Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Arrays größer als die halbe Wellenlänge des Signals sein kann, und die einzelnen Empfängerelemente (3) jeweils eine individuelle Fläche ausweisen, deren Höhe beziehungsweise Durchmesser maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht und der separate Emitter (1 ) eine Höhe beziehungsweise einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerelemente (3) als zweidimensionales Array angeordnet sind und den Emitter (1 ) umschließen.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (1 ) neben den Empfängerelementen (3) angeordnet ist.
4. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei Emitter (1 ) umfasst, so dass eine Szene aus mehreren Richtungen beschallt werden kann.
5. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei passive Arrays umfasst, so dass die reflektierten Echos aus mehreren Positionen detektiert werden können.
6. Anordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter (1 ) an unterschiedlichen Seiten des von den Empfängern (3) gebildeten Ar- rays positioniert sind.
Anordnung zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt umfassend mindestens zwei Emitterelemente (17) und einen Empfänger (19) zum Empfang eines von den Emitterelementen (17) gesendeten und vom Objekt reflektierten Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterelemente (17) als lineares Array, als zwei zueinander in einem Winkel angeordnete lineare Arrays, als den Empfänger (19) umgebendes, einen Kreis bildendes Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Arrays größer als die halbe Wellenlänge des Signals sein kann, und die Emitterelemente (17) jeweils eine Fläche aufweisen, deren Höhe beziehungsweise Durchmesser maximal der halben Wellenlänge des Signals entspricht und der separate Empfänger (19) eine Höhe beziehungsweise einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die halbe Wellenlänge des Signals
8. Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter- elemente (17) als zweidimensionales Array angeordnet sind und den Empfänger (19) umschließen.
9. Anordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (19) neben den Emitterelementen (17) angeordnet ist.
10. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei Empfänger (19) umfasst, so dass das reflektierte Echo an mehreren Positionen detektiert werden kann. 1 1 . Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens zwei aktive Arrays umfasst, so dass eine Szene aus mehreren Richtungen beschallt werden kann oder zusätzlich mit mehreren Frequenzen parallel beschallt werden kann.
Verfahren zur Bestimmung der Entfernung und der Richtung zu einem Objekt, wobei der mindestens eine Emitter (1 ; 17) ein Signal sendet, das Signal von dem Objekt reflektiert wird, von den Empfängerelementen (3; 19) das reflektierte Echo als Eingangssignal empfangen wird und aus dem Eingangssignal durch ein Beamforming-Verfahren Entfernung und Richtung zu dem Objekt berechnet werden.
13. Verwendung der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 beziehungsweise der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 1 1 als Abstandssensor in einem Kraftfahrzeug oder zur Hinderniserkennung in der Nahfelderkennung in der Robotik oder zur Hinderniserkennung im Medium Luft.
PCT/EP2011/056208 2010-04-20 2011-04-19 Anordnung zur bestimmung der entfernung und der richtung zu einem objekt WO2011131650A1 (de)

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