WO2014079608A1 - Verfahren und vorrichtung zur umfelderfassung eines fahrzeugs - Google Patents

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WO2014079608A1
WO2014079608A1 PCT/EP2013/069812 EP2013069812W WO2014079608A1 WO 2014079608 A1 WO2014079608 A1 WO 2014079608A1 EP 2013069812 W EP2013069812 W EP 2013069812W WO 2014079608 A1 WO2014079608 A1 WO 2014079608A1
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sensor device
signal
detection threshold
sensor
operating state
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PCT/EP2013/069812
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Karl
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.)
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Publication date
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    • 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
    • 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 invention is based on a method for detecting the surroundings of a
  • the subject of the present invention in addition to a method, is also a computer program and a device for detecting the surroundings of a vehicle, which are set up in particular for carrying out the method.
  • Such measuring systems for detecting the environment use for
  • Distance measurement usually a pulse-echo method in which within a measuring cycle, a transmission signal is emitted and reflected by an object.
  • the echo signal enters a detection device, where the distance to the object is determined from the time interval between the transmission of the transmission signal and the reception of the echo signal (transit time).
  • Measurements lead to data that is used as a basis in systems Parking assistance, for detecting blind spots, for estimating the
  • Driving tube in narrow streets serve to detect an imminent collision and / or for longitudinal control.
  • Ultrasonic sensors are often used to transmit and receive the signals.
  • a membrane of at least one ultrasonic sensor is excited by a piezoelectric element in resonant frequency, wherein the
  • Transmission time sends ultrasonic waves as a transmission signal.
  • emitted ultrasonic waves are reflected by an object to be detected and in turn stimulate the membrane of the ultrasonic sensor as a reflected echo signal.
  • This excitation is transmitted to the piezo element, which converts this mechanical oscillation into an electrical signal and outputs it to an evaluation and control unit for evaluation.
  • the electrical signal in conjunction with the transmission time represents the sound transit time and thus the object distance.
  • Ultrasonic sensor after switching off the excitation or transmission voltage can not be used immediately to receive the echo, since the
  • Piezoelement or the membrane of the ultrasonic sensor oscillates over a finite time. Only after a typically several microseconds to several milliseconds lasting decay time is the transmission signal so far
  • the minimum distance of an object to be detected with a specific ultrasonic sensor is therefore limited downwards by the decay time of the ultrasonic sensor.
  • the decay behavior of an ultrasonic sensor also changes depending on climatic influences, such as the ambient temperature and humidity, among other things affect the momentary
  • Echo signal is usually placed at a great distance from the actual course of the swinging, so that echo signals that arrive immediately after the actual Ausschwinggrenze can be lost in the known system.
  • a method for detecting the surroundings of a vehicle in particular a motor vehicle, is proposed, wherein at least one sensor device arranged on the vehicle is provided.
  • Sensor device may in particular be one or more
  • Ultrasonic sensors act.
  • the sensor device is designed
  • Vehicle environment reflected transmission signals correspond to receive.
  • a distance to an object can be determined over the duration of the echo signal (pulse-echo method).
  • Sensor device (100), d) receiving an echo signal, e) comparing the echo signal or a signal quantity derived therefrom with at least one runtime-dependent detection threshold value (12, 14), wherein an object is detected as a function of the comparison result.
  • the steps a) and b) are performed in a first operating state (A) of the sensor device (100).
  • the steps c) and d) and e) are performed in a second operating state (M) of the sensor device (100).
  • the operating state (A) of the sensor device (100) there is no object in a near measuring range of the sensor device (100).
  • adaptive means that the detection threshold value is determined to be run-time-dependent, e.g. as an exponentially decreasing with increasing maturity, and on the other hand that by detecting a characteristic characteristic before the actual distance measurement of the current state and the current environmental conditions of the sensor device are included in the determination of the propagation time-dependent detection threshold. This will, for example, environmental conditions such as temperature and
  • a detection of objects that are located outside of the near measurement range of the sensor device can also continue to be carried out in the conventional manner in the first operating state (A).
  • the invention provides that in situations in which no reflective object is permanently located in the near measuring range of the sensor device and thus the course of the received signal after transmission in the
  • Substantially corresponds to the course of the Abklingschwingung of the sensor, from the course of Abklingschwingung at least one characteristic
  • Detection thresholds on the presence of reflective objects in the vicinity of the sensor inferred and determined their distance.
  • the duration of a vehicle equipped with such ultrasonic sensors is in a situation where there is a lot of noise
  • Measurement period does not significantly change the decay behavior of the ultrasonic sensor.
  • additional measuring systems can also be present on the vehicle, which detect or exclude the presence of objects in the near measuring range of the ultrasonic sensor.
  • Situations in which an object can be located in the near measuring range of the ultrasonic sensor are, for example, those in which the history
  • the inventive method makes it possible, in particular very well reflecting objects and / or spatially extended (based on the
  • objects can also be detected if they are located very close to the sensor device (eg at a distance of less than 15 cm).
  • fluctuations in the time courses of the instantaneous frequency of the decoupling signal of the sensor device for Detection be used particularly close to the sensor device befindaji objects.
  • the inventive method also allows the
  • step a) is carried out repeatedly and an average and / or a comparable statistical size such.
  • B. the median of the characteristic characteristic is formed, wherein from the average in step b) a term-dependent detection threshold is determined. Due to the repeated detection of the characteristic parameter of the sensor device, an increased stability and accuracy of the method is achieved.
  • the detection of the characteristic parameter of the sensor device takes place in that a decay oscillation of the sensor device is detected after the emission of a transmission signal.
  • the time profile of the maxima of the decay oscillation of the sensor device is detected.
  • the maxima of the decay oscillation of the sensor device describe, for example, an attenuation curve in the form of an exponential decrease in the amplitude over the transit time.
  • a runtime-dependent detection threshold value can be determined directly from the maxima of the decay oscillation (also referred to as instantaneous values of the intensity of the decay oscillation). Corresponding experiments have shown that it is advantageous, the more time-dependent
  • Detection threshold slightly larger than the respective instantaneous value to ensure reliable object detection at low signal delays (corresponding to small distances of less than 15 cm).
  • step b) a first time-dependent
  • Detektionsschwellwert is determined and from the first term-dependent detection threshold, a second delay-dependent detection threshold is calculated. Accordingly, in step e), an object is detected in the near measurement range of if the echo signal is the first transit time dependent
  • Detection threshold exceeds or when the echo signal falls short of the second runtime-dependent detection threshold, in particular during several consecutive periods.
  • Detection thresholds can echo signals despite possibly occurring
  • a computer program is also proposed according to which one of the methods described herein is performed when the computer program is executed on a programmable computer device.
  • the computer program can be, for example, a module for implementing a driver assistance system or a
  • Subsystems thereof act in a vehicle or to an application for driver assistance functions, which is executable on a smartphone.
  • the computer program can be stored on a machine-readable storage medium, such as on a permanent or rewritable storage medium or in association with a computer device or on a removable CD-ROM, DVD or a USB stick. Additionally or alternatively, the computer program may be provided for download on a computing device such as a server or a cloud computing system, e.g. over a data network like the internet or a
  • Communication connection such as a telephone line or a wireless
  • the invention further proposes a device for detecting the surroundings of a vehicle, which is particularly suitable for carrying out the described method.
  • the device comprises at least one sensor device arranged on the vehicle, for emitting transmission signals and for receiving echo signals reflected on objects in the vehicle surroundings, an evaluation unit for determining a transit time-dependent one
  • Detektionsschwellwerts a comparison unit for comparing the echo signal or a signal derived therefrom signal with the time-dependent
  • the device has a first operating state (A) in which
  • Sensor device is in particular the amplitude curve, for example, the course of the maxima of Abklingschwingung the
  • the characteristic characteristic of the sensor device is at least one runtime-dependent detection threshold, and is passed to the comparison unit.
  • the first operating state (A) can also be referred to as the analysis state, since in this operating state no object recognition takes place in the near measurement range of the sensor, but rather by detection of
  • a detection of objects that are located outside of the near measurement range of the sensor device can also continue to be carried out in the conventional manner in the first operating state (A).
  • the device also has a second
  • Object recognition takes place by emitting a transmission signal through the at least one sensor device, receiving the object at
  • the second operating state (M) can therefore also be referred to as the measuring state.
  • the evaluation unit comprises at least one device for
  • the method that evaluates the sampled received signal as described above, for example.
  • the device comprises a circuit for peak rectification.
  • Input voltage of the circuit is the signal voltage (U e i n ) of
  • Sensor device provided as an output voltage is a
  • the course of the instantaneous signal strength can be detected in a simple manner as a characteristic parameter of the sensor device.
  • the detection of the characteristic parameter of the sensor device in the first operating state (A) of the device according to the invention is preferably carried out at regular intervals in order to be able to take account of current changes in the climatic environment and in the state of the sensor device. This ensures that there is no object in the near measuring range of the sensor device, which detects the characteristic of the
  • Sensor device in the first operating state (A) of the device according to the invention can only be activated if no object in the detection field of the sensor device is detected by the sensor device and / or an additional sensor device, such as an environment camera. This ensures that no disturbance variables caused by objects influence the detection when the characteristic parameter of the sensor device is detected. Furthermore, the determination of the characteristic parameter of the
  • Sensor device in the first operating state (A) of the device according to the invention can only be activated when the vehicle has a defined
  • a runtime-independent, constant threshold value or a step-like threshold value is a special case of a runtime-dependent variable threshold value.
  • the runtime-dependent amplification of the received signals can be a runtime-dependent constant
  • Figure 1 shows schematically the typical course of a vibration amplitude of the membrane of a transmitting ultrasonic sensor.
  • Figure 2 shows the vibration of an ultrasonic sensor
  • Figure 3 shows the oscillation of an ultrasonic sensor and a
  • Run-time-dependent detection threshold according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a peak value rectifier for the positive half-wave of the oscillation signal delivered by an ultrasonic sensor.
  • FIG. 5 shows the oscillation of an ultrasound sensor with a superimposed echo signal and a transit-time-dependent detection threshold value according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows the oscillation of an ultrasonic sensor with a superimposed echo signal, as well as two propagation time-dependent detection threshold values according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 7 shows the oscillation of an ultrasonic sensor with two superimposed echo signals, according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows schematically a block diagram of an inventive
  • FIG. 1 schematically shows the course of the oscillation amplitude of the membrane of an ultrasound sensor during a typical transmission process.
  • the ultrasonic sensor is usually excited with its resonance frequency.
  • an oscillating voltage is applied to the piezoelectric element of the ultrasonic sensor between the times to and ti.
  • Vibration amplitude drops substantially exponentially until the vibration is substantially completely decayed at time t 2 .
  • the time constant of this decay curve is essentially determined by the mechanical and electronic properties of the ultrasonic sensor. In previous systems, therefore, the detection of an echo signal by the
  • a damping material for receiving vibration energy can be provided on the membrane.
  • electronic means may be provided, for example, generate a phase-shifted counter-vibration and thus dampen the Abklingschwingung.
  • detection thresholds are usually provided. In the known method for environment detection, these detection thresholds are independent of the special properties of the
  • FIG. 2 shows a signal detail of the oscillation 20 of an ultrasonic sensor. Shown is the time course of the measured and then amplified voltage at the piezoelectric element of the ultrasonic sensor, which represents the vibration of the membrane. Due to the overload of the amplifier at the beginning of the measurement 2, the signals "overdriven”, ie, not sinusoidal, are shown at the beginning of oscillation 22. Initially, the oscillation 22 is of increasing or constant amplitude, starting from time ti there is no active excitation of the ultrasonic sensor and a decaying oscillation curve 24 According to the prior art, from time t M
  • a stepped detection threshold value 10a for the positive half-wave or a step-like detection threshold value 10b for the negative half-wave is provided.
  • Object in the environment of a vehicle is thus defined by the time t M in the prior art.
  • a typical such minimum distance is about 150 mm.
  • Prior art methods take into account in the specification of the
  • Threshold value sensor tolerances interference signals by the
  • FIG. 3 shows the oscillation 20 of an ultrasound sensor and a transit-time-dependent detection threshold value according to a first embodiment of the invention.
  • the course of the oscillation 20 corresponds to the profile shown in FIG.
  • the detection threshold value 12a or 12b is selected according to the invention running time-dependent, wherein the curve 12a the
  • Curve 12b indicates the detection threshold for the negative half cycle of the oscillation.
  • the detection threshold values 12a and 12b are determined by detecting a characteristic parameter of the sensor device.
  • the decay behavior of the ultrasonic sensor is used as a characteristic parameter. This is from the Abklingschwingung
  • the ultrasonic sensor 24 of the ultrasonic sensor determines an instantaneous signal strength, in each case for the positive and the negative half-wave of the decay oscillation.
  • Detection threshold 12a and 12b used.
  • the profile 12a, 12b of the threshold value is identical to the profile of the instantaneous signal strength. It turned out to be
  • Momentary signal strength of the positive half-wave can be done, for example, by means of an RC peak value rectifier as shown in FIG. 4 and subsequent scanning.
  • the respective RC peak value rectifier as shown in FIG. 4 and subsequent scanning.
  • Peak value rectifier is preferably in the range of
  • the simple hardware circuit shown in FIG. 4 is intended here to represent the various methods and devices known to the person skilled in the art for determining the instantaneous signal strength, such as, for example, the method based on sampled signals. Alternatively, it is possible within the scope of the invention as a characteristic
  • Frequency deviations preferably measured as a result of period durations applied.
  • an equivalent method is described by way of example with the aid of which the signal sampled periodically changes its phase and the time derivative of the phase
  • Instantaneous frequency can be determined. Deviations of the measured period duration sequences from the known reference curves of the decay occur, in particular, in the echo propagation time ranges which correspond to an object distance. In particular, in these echo propagation time ranges, the phase of the echo signal is not coherent with the phase of the decay signal.
  • FIG. 5 illustrates a measurement process according to the method according to the invention.
  • the transit-time-dependent threshold value 12a, 12b corresponds to the representation in FIG. 3.
  • the decaying oscillation signal 22 of the ultrasound sensor is a
  • Echo signal 25 superimposed.
  • the echo signal 25 originates from a flat object which is located in the near measuring range of the ultrasonic sensor, that is to say closer to the ultrasonic sensor than the hitherto customary threshold value designed for the worst case would permit. Because the
  • FIG. 6 shows the received signal of a further measurement situation. A portion of the resulting from the superposition of the echo signal with the Ausschwingssignal vibration signal 25 is significantly higher in its amount
  • Duration-dependent threshold value 12a, 12b which in this example is analogous to the example of Figure 3 from the instantaneous signal strengths of the undisturbed
  • Bursts 23 of signal strength can also be detected by the method according to the invention.
  • a second runtime-dependent threshold value 14a 14b for a minimum signal strength can be derived from the runtime-dependent threshold value 12a, 12b. It is now checked whether this second runtime-dependent threshold value of the signal strength is exceeded.
  • Interference causes the instantaneous signal strength of the echo signal 27 does not exceed the threshold value 12a, 12b.
  • the object in this case can therefore only be determined either by the falling below the second threshold value 14a, 14b, in other words, by the signal dropout 23 for more than one
  • Frequency characteristic of at least one reference frequency characteristic are detected.
  • the object detection becomes more reliable by combining the detection based on falling below or exceeding the threshold value and the detection based on changes in the phase or frequency response.
  • a step-like threshold value 10a, 10b according to the prior art is again shown in FIG. Also visible in Figure 7 is the appearance of a second one
  • Echo signal 29 which in this case comes from the same object.
  • This second Echo signal in the present example is the result of the reflection of the first echo at the mounted around the ultrasonic transducer holder and the back reflection on the object.
  • the second echo signal 29 can be used to increase the spatial resolution of the measurement.
  • the transmit pulse must be suitably selected. Suitable modulation methods for transmission pulses which allow such a high spatial resolution are described inter alia in EP 2 251 710 A2. It becomes clear that if a threshold value 10a, 10b according to the current state of the art is used, the echo signal 29 would possibly not be detected.
  • Figure 8 shows schematically a block diagram of a possible embodiment of a device 10 according to the invention for detecting the surroundings of a vehicle. It is a sensor device 100, which is designed here as an ultrasonic sensor, provided for transmitting transmission signals and for receiving echo signals. The transmission signal is reflected at an object 70 at a distance d from the sensor device and the echo signal is received by the sensor device 100.
  • a sensor device 100 which is designed here as an ultrasonic sensor, provided for transmitting transmission signals and for receiving echo signals.
  • the transmission signal is reflected at an object 70 at a distance d from the sensor device and the echo signal is received by the sensor device 100.
  • the device 10 comprises an evaluation unit 3 for determining a transit-time-dependent detection threshold value, a comparison unit 7 for comparing the echo signal or a signal variable derived therefrom with the transit-time-dependent detection threshold value, a system controller 1 for
  • the device 10 has a first operating state (A), in which it can be assumed that no object to be detected is permanently in the near measuring range of the sensor and in which a characteristic parameter of the sensor device 100, in particular the amplitude curve and / or the frequency curve during the
  • Discharge process is detected by the evaluation unit 3 and
  • At least one runtime-dependent detection threshold value is determined and to which
  • the device 10 has a second operating state (M), in which the object 70 is detected by the system controller 1, by transmitting a transmission signal through the at least one sensor device 100,
  • a second sensor device 200 for example a camera or a further ultrasound sensor, may be provided.
  • the second sensor device 200 provides information as to whether an object 70 is present in the detection field of the first sensor device 100 to the
  • the system controller 1 may be configured such that the first operating state (A) of the device 10 is only through the
  • System control 1 can be activated when the second sensor device 200 no object in the detection field, in particular in the Nahmess St
  • the system controller 1 can receive and process information about the current vehicle speed v F , for example such that the first operating state (A) of the device 10 can be activated by the system controller 1 only if the vehicle speed v F has a defined minimum speed of, for example has more than 5 km / h.

Abstract

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeuges vorgeschlagen, wobeimindestens eine an dem Fahrzeug angeordnete Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Ein Abstand zu einem Objekt kann über die Laufzeit eines Echosignals bestimmt werden.Dabei sind folgende Schritte erfindungsgemäß vorgesehen: a) Erfassen einer charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung, b) Bestimmen mindestens eines laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts aus der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung, c) Aussenden eines Sendesignals mittels der mindestens einen Sensoreinrichtung, d) Empfangen eines Echosignals, e) Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit mindestens einem laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert, wobei abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Objekt im Nahmessbereich der Sensoreinrichtung erkannt wird, wobei die Schritte a) und b) in einem ersten Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung durchgeführt werden und die Schritte c) und d) und e) in einem zweiten Betriebszustand (M) der Sensoreinrichtung durchgeführt, wobei sich in Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung kein Objekt in einem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung befindet.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umfelderfassung eines
Fahrzeugs.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind neben einem Verfahren auch ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs, welche insbesondere zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind.
Stand der Technik
Zur Senkung der Unfallhäufigkeit und Unfallschwere und zur Erleichterung der Bedienbarkeit ist es bekannt, an Fahrzeugen Messsysteme vorzusehen, mit deren Hilfe die räumliche Anordnung von Hindernissen, wie zum Beispiel von anderen Fahrzeugen, Bauwerken, Bordsteinkanten, von Bewuchs oder auch von Menschen oder Tieren bestimmt wird. Wird ein Objekt, welches ein Hindernis darstellt, geortet, so wird der Fahrer des Fahrzeuges gewarnt und/oder unterstützend in das Fahrgeschehen eingegriffen, z.B. durch Lenken,
Beschleunigen oder Bremsen.
Derartige Messsysteme zur Erfassung des Umfeldes nutzen zur
Abstandsmessung üblicherweise ein Puls- Echo Verfahren, bei dem innerhalb eines Messzyklus ein Sendesignal ausgesandt und von einem Objekt reflektiert wird. Das Echosignal gelangt in eine Detektionseinrichtung, wo aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Senden des Sendesignals und dem Empfang des Echosignals (Laufzeit) der Abstand zum Objekt bestimmt wird. Diese
Messungen führen zu Daten, die als Grundlage in Systemen zur Einparkunterstützung, zur Erkennung toter Winkel, zur Schätzung des
Fahrschlauches in engen Straßen, zur Erkennung einer drohenden Kollision und/oder zur Längsregelung dienen.
Zum Senden und Empfangen der Signale werden häufig Ultraschallsensoren eingesetzt. Dabei wird eine Membran von mindestens einem Ultraschallsensor durch ein Piezoelement in Resonanzfrequenz angeregt, wobei der
Ultraschallsensor in Reaktion auf die Anregung zu einem vorgegebenen
Sendezeitpunkt Ultraschallwellen als Sendesignal aussendet. Diese
ausgesendeten Ultraschallwellen werden von einem zu erkennenden Objekt reflektiert und regen wiederum als reflektiertes Echosignal die Membran des Ultraschallsensors an. Diese Anregung wird auf das Piezoelement übertragen, welche diese mechanische Schwingung in ein elektrisches Signal umwandelt und zur Auswertung an eine Auswerte- und Steuereinheit ausgibt. Das elektrische Signal stellt in Verbindung mit dem Sendezeitpunkt die Schallaufzeit und somit den Objektabstand dar.
Aus der DE 196 45 339 A1 ist ein Ultraschall-Parkhilfe-System und ein Verfahren zur Abstandsmessung von Hindernissen bekannt, wobei ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn ein Echo-Signal innerhalb eines Zeitfensters, welches einen Messbereich festlegt, einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Eine Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht darin, dass der
Ultraschallsensors nach dem Abschalten der Anregungs- bzw. Sendespannung nicht sofort zum Empfangen des Echos genutzt werden kann, da das
Piezoelement bzw. die Membran des Ultraschallsensors über eine endliche Zeit ausschwingt. Erst nach einer typischerweise einige Mikrosekunden bis mehrere Millisekunden dauernden Ausschwingzeit ist das Sendesignal soweit
abgeklungen, dass ein Echo detektiert werden kann. Die minimale, mit einem bestimmten Ultraschallsensor nachzuweisende Entfernung eines Objekts ist deshalb nach unten durch die Ausschwingdauer des Ultraschallsensors begrenzt.
Der bei einem vorliegenden Verlauf der Abklingschwingung des
Ultraschallsensors tatsächlich realisierbare minimale Abstand ist erreicht, wenn die Stärke des Ausschwingsignals in etwa so groß ist, wie die Stärke des empfangenen Echosignals von einem Objekt mit dem entsprechenden Abstand vom Ultraschallsensor. Der Zeitverlauf des Momentanwerts der Abklingschwingung (Amplitudenverlauf) bzw. der Zeitverlauf der Momentanfrequenz des Ausschwingsignals
unterscheiden sich im Allgemeinen bei verschiedenen Sensorexemplaren. Das Ausschwingverhalten eines Ultraschallsensors verändert sich außerdem abhängig von Klimaeinflüssen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit, außerdem beeinflussen unter anderem die momentane
Betriebstemperatur des Sensors und das Alter des Sensors das
Ausschwingverhalten. Dadurch ist das tatsächliche Ausschwingverhalten eines Ultraschallsensors nur schwierig vorherzubestimmen. Daher werden bei bekannten Systemen Schwellwerte zur Detektion eines
Echosignals üblicherweise in einem großen Abstand zum tatsächlichen Verlauf des Ausschwingens gelegt wird, so dass Echosignale, die unmittelbar nach der tatsächlichen Ausschwinggrenze eintreffen, bei den bekannten System verloren gehen können.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, vorgeschlagen, wobei mindestens eine an dem Fahrzeug angeordnete Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Bei der
Sensoreinrichtung kann es sich insbesondere um einen oder mehrere
Ultraschallsensoren handeln. Die Sensoreinrichtung ist ausgebildet,
Sendesignale auszusenden und Echosignale, die den an Objekten im
Fahrzeugumfeld reflektierten Sendesignalen entsprechen, zu empfangen. Ein Abstand zu einem Objekt kann über die Laufzeit des Echosignals bestimmt werden (Puls- Echo Verfahren). Erfindungsgemäß können Objekte im
Nahmessbereich der Sensoreinrichtung zuverlässig erfasst werden, wobei unter dem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung im Sinne der Erfindung ein
Entfernungsbereich verstanden werden soll, in dem von Objekten in diesem Nahmessbereich reflektierte Echosignale noch während einem der Ausschwingdauer (auch als Dauer der Abklingschwingung bezeichnet) der Sensoreinrichtung entsprechenden Zeitraum, empfangen werden. Dabei sind folgende Schritte erfindungsgemäß vorgesehen: a) Erfassen einer charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung, b) Bestimmen mindestens eines laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts (12, 14) aus der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung (100), c) Aussenden eines Sendesignals mittels der mindestens einen
Sensoreinrichtung (100), d) Empfangen eines Echosignals, e) Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit mindestens einem laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert (12, 14) wobei abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Objekt erkannt wird.
Die Schritte a) und b) werden dabei in einem ersten Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung (100) durchgeführt. Die Schritte c) und d) und e) werden in einem zweiten Betriebszustand (M) der Sensoreinrichtung (100) durchgeführt. Erfindungsgemäß befindet sich in Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung (100) kein Objekt in einem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100).
Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, dass ein Detektionsschwellwert für die Erkennung eines Objekts adaptiv festgelegt wird. Adaptiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Detektionsschwellwert zum einen laufzeitabhängig festgelegt wird, z.B. als exponentiell abnehmend mit steigender Laufzeit, und zum anderen, dass durch eine Erfassung einer charakteristischen Kenngröße vor der eigentlichen Abstandsmessung der aktuelle Zustand und die aktuellen Umgebungsbedingungen der Sensoreinrichtung bei der Bestimmung des laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts mit einbezogen werden. Dadurch werden beispielsweise Umgebungsbedingungen wie Temperatur und
Luftfeuchtigkeit, sowie durch Alterung bedingte Änderungen der Eigenschaften der Sensoreinrichtung und die daraus resultierenden Signalverläufe des Sendesignals berücksichtigt. Eine Erfassung von Objekten, die sich außerhalb des Nahmessbereichs der Sensoreinrichtung befinden, kann auch in dem ersten Betriebszustand (A) in herkömmlicher Weise weiterhin erfolgen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich der Verlauf des Ausschwingens eines in Betrieb befindlichen Sensors nur langsam ändert und Situationen, in denen sich reflektierende Objekte in unmittelbarer Nähe vor dem Sensor, also innerhalb des Nahmessbereichs, befinden, nur unter bestimmten Umständen auftreten.
Die Erfindung sieht vor, dass in Situationen, in denen sich kein reflektierendes Objekt dauerhaft in dem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung befindet und somit der Verlauf des empfangenen Signals nach dem Aussenden im
Wesentlichen dem Verlauf der Abklingschwingung des Sensors entspricht, aus dem Verlauf der Abklingschwingung mindestens eine charakteristische
Kenngröße des Ausschwingverhaltens zu ermitteln und daraus zu mindestens einen laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert zu bestimmen (Betriebszustand A).
In Situationen in denen sich Objekte im Nahmessbereich des Sensors aufhalten können, wird mittels der vorher ermittelten laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwerte auf das Vorhandensein von reflektierenden Objekten in der Nähe des Sensors zu geschlussfolgert und deren Abstand bestimmt.
Im Allgemeinen ist die Dauer, in der sich ein mit derartigen Ultraschallsensoren ausgestattetes Fahrzeug in einer Situation befindet, bei der sehr sich im
Nahmessbereich des Sensors ein Objekt befindet, so kurz, dass sich im
Messzeitraum das Abklingverhalten des Ultraschallsensors nicht wesentlich ändert.
Situationen, in denen sich kein Objekt permanent im Nahmessbereich des Ultraschallsensor befinden kann, liegen beispielsweise dann vor, wenn sich das Fahrzeug, das mit dem Ultraschallsensor ausgestattet ist, mit einer
Mindestgeschwindigkeit bewegt und/oder wenn der Ultraschallsensor über eine längere Fahrstrecke von der Position, an der sich ein Objekt vermeidlich befinden könnte, entfernt wurde und/oder wenn aus der Historie vorangegangener Messungen her bekannt ist, dass sich mit hoher Wahrscheinlichkeit kein Objekt vor dem Sensor aufhält.
Es können beispielsweise auch zusätzliche Messsysteme am Fahrzeug vorhanden sein, die das Vorhandensein von Objekten im Nahmessbereich des Ultraschallsensors erkennen bzw. ausschließen. Situationen, in denen sich ein Objekt im Nahmessbereich des Ultraschallsensors befinden kann, sind beispielsweise solche, in denen aus der Historie
vorangegangener Messungen her bekannt ist, dass sich ein Objekt dem Sensor angenähert hat. Insbesondere bei einer Anordnung mehrerer Sensoren, vor allem, wenn diese auch die Randbereiche benachbarter Sensoren überwachen, lässt sich aus der Historie der Messungen ermitteln, ob sich ein Objekt einem bestimmen Sensor angenähert hat. Dies gilt vor allem dann, wenn aus dem Verlauf der vorangegangen Messungen abgeschätzt werden kann, dass sich zumindest ein Objekt in nächster Zeit vor dem Sensor aufhalten wird. Es können jedoch auch Situationen berücksichtigt werden, bei denen aufgrund des eingeschränkten Messbereichs („Blickfeldes") eines Sensors bzw. einer Anordnung mehrerer Sensoren plötzlich Objekte im Nahbereich des Sensors auftauchen, ohne dass ihre Annäherung zuvor bemerkt werden konnte. Zur Bestimmung eines laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts eignen sich insbesondere Verfahren, die die Stärke (Amplitude) des Ausschwingsignals und/oder dessen spektrale Zusammensetzung bewerten. Dabei werden beispielsweise der Frequenzverlauf oder äquivalente Größen, wie beispielsweise die Phase des sich periodisch ändernden Signals, berücksichtigt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, insbesondere sehr gut reflektierende Objekte und/oder räumlich ausgedehnte (bezogen auf die
Signallaufzeit), Objekte auch dann detektieren zu können, wenn sie sich sehr nah an der Sensoreinrichtung (z.B. in einem Abstand von weniger als 15 cm) befinden. Außerdem können insbesondere Schwankungen in den Zeitverläufen der Momentanfrequenz des Ausschwingsignals der Sensoreinrichtung zur Detektion besonders dicht vor der Sensoreinrichtung befindlicher Objekte genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es außerdem, die
Vollwarngrenze abhängig vom Momentanzustand der Sensoreinrichtung bzw. abhängig vom aktuellen Klima variabel einzustellen.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass Schritt a) wiederholt durchgeführt wird und ein Durchschnitt und/oder eine vergleichbare statistische Größe wie z. B. der Median der charakteristischen Kenngröße gebildet wird, wobei aus dem Durchschnitt in Schritt b) ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt wird. Durch die wiederholte Erfassung der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung wird eine erhöhte Stabilität und Genauigkeit des Verfahrens erzielt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgt das Erfassen der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung, indem eine Abklingschwingung der Sensoreinrichtung nach dem Aussenden eines Sendesignals erfasst wird. Dabei wird insbesondere der Zeitverlauf der Maxima der Abklingschwingung der Sensoreinrichtung erfasst. Die Maxima der Abklingschwingung der Sensoreinrichtung beschreiben beispielsweise eine Dämpfungskurve in Form einer exponentiellen Abnahme der Amplitude über die Laufzeit. Aus den Maxima der Abklingschwingung (auch als Momentanwerte der Stärke der Abklingschwingung bezeichnet) kann beispielsweise direkt ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt werden. Entsprechende Versuche haben ergeben, dass es vorteilhaft ist, den laufzeitabhängiger
Detektionsschwellwert etwas größer als den jeweiligen Momentanwert einzustellen, um eine zuverlässige Objekterkennung bei kleinen Signallaufzeiten (entsprechen kleinen Abständen von weniger als 15 cm) zu gewährleisten.
In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als charakteristische Kenngröße der Frequenzverlauf der
Abklingschwingung der Sensoreinrichtung als eine Folge von
Signalperiodendauern oder dazu äquivalenten Größen wie beispielsweise der Zeitverlauf der Phase der Abklingschwingung erfasst wird. Wie in der WO 2011009786 AI beschrieben ist, kann eine Folge von Periodendauerabweichungen bestimmt und mit einer Referenzfolge verglichen werden.
So kann die momentane Stärke der Abklingschwingung beispielsweise auch mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren der digitalen Signalverarbeitung bestimmt werden. Wird beispielsweise das sich periodisch im Bereich der Frequenz fc ändernde Empfangssignal r (τ) mit einer konstanten Abtastfrequenz Fs > 2■ fc abgetastet, so dass gilt τ = i■ Fs l ,
so kann aus einer Anzahl N > fc l - Fs der Abtastwerte r. mittels des komplexen Basisbandsignals
Figure imgf000010_0001
ein Wert ^ = |rBB ;| für die momentane Stärke R( ) des Empfangssignals beispielsweise mittels eines Computerprogrammes berechnet werden. Die
Ableitung der Phase des Basisbandsignals rBB . nach der Zeit charakterisiert die Abweichung Af = f - fc von fc und beschreibt jeweils die momentane Ausschwingfrequenz. In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt b) ein erster laufzeitabhängiger
Detektionsschwellwert bestimmt wird und aus dem ersten laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert ein zweiter laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert berechnet wird. In Schritt e) wird demnach ein Objekt im Nahmessbereich des erkannt, wenn das Echosignal den ersten laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwert überschreitet oder wenn das Echosignal den zweiten laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert, insbesondere während mehrerer aufeinanderfolgender Periodendauern, unterschreitet. Durch einen derartigen Vergleich mit zwei unterschiedlich gewählten laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwerten können Echosignale trotz eventuell auftretender
Interferenzeffekte, die sich durch die Überlagerung der Abklingschwingung der Sensoreinrichtung und des Echosignals ergeben, sicher erkannt werden. Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Fahrassistenzsystems oder eines
Subsystems hiervon in einem Fahrzeug handeln oder um eine Applikation für Fahrassistenzfunktionen, welche auf einem Smartphone ausführbar ist. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-Rom, DVD oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server oder einem Cloud-Computing-System zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine
Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose
Verbindung.
Die Erfindung schlägt weiterhin eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs vor, die insbesondere geeignet ist das beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine an dem Fahrzeug angeordnete Sensoreinrichtung, zum Aussenden von Sendesignalen und zum Empfangen von an Objekten im Fahrzeugumfeld reflektierten Echosignalen, eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwerts, eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit dem laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwert und eine Systemsteuerung zur Steuerung der
Sensoreinheit und zum Detektieren eines Objektes. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen ersten Betriebszustand (A) auf, in dem
eine charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung durch die
Auswerteeinheit erfasst wird. Bei der charakteristischen Kenngröße der
Sensoreinrichtung handelt es sich insbesondere um den Amplitudenverlauf, beispielsweise der Verlauf der Maxima der Abklingschwingung der
Sensoreinrichtung (Momentanwerteverlauf) und/oder den Frequenzverlauf der Sensoreinrichtung während des Ausschwingvorgangs. Aus der
charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung wird mindestens ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt, und an die Vergleichseinheit übergeben wird. Der erste Betriebszustand (A) kann auch als Analyse-Zustand bezeichnet werden, da in diesem Betriebszustand keine Objekterkennung im Nahmessbereich des Sensors erfolgt, sondern durch Erfassung von
charakteristischen Kenngrößen mindestens ein adaptiver, laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt wird. Eine Erfassung von Objekten, die sich außerhalb des Nahmessbereichs der Sensoreinrichtung befinden, kann auch in dem ersten Betriebszustand (A) in herkömmlicher Weise weiterhin erfolgen.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung außerdem einen zweiten
Betriebszustand (M) auf, in dem ein oder mehrere Objekte im Nahmessbereich der Sensoreinrichtung von der Systemsteuerung detektierbar sind. Die
Objekterkennung erfolgt durch Aussenden eines Sendesignals durch die mindestens eine Sensoreinrichtung, Empfangen des von an Objekten im
Fahrzeugumfeld reflektierten Echosignals und Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit dem im ersten Betriebszustand (A) bestimmten, mindestens einen laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert durch die Vergleichseinheit. Der zweite Betriebszustand (M) kann daher auch als Mess- Zustand bezeichnet werden.
Bevorzugt umfasst die Auswerteeinheit mindestens eine Vorrichtung zur
Bestimmung der momentanen Stärke R(T) des Empfangssignals. Dem
Fachmann sind entsprechende Lösungen bekannt. Beispielsweise können das Verfahren sein, die das abgetastete Empfangssignal auswertet, wie es beispielsweise weiter oben bereits beschrieben wurde. Alternativ umfasst die Vorrichtung eine Schaltung zur Spitzenwertgleichrichtung. Als
Eingangsspannung der Schaltung ist die Signalspannung (Uein) der
Sensoreinrichtung vorgesehen, als Ausgangsspannung wird ein die
Momentansignalstärke der Sensoreinrichtung repräsentierender Wert (Uaus) ausgegeben. Mittels einer derartigen Schaltung kann im ersten Betriebszustand (A) der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Weise der Verlauf der Momentansignalstärke als charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung erfasst werden. Der Erfassung der charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung im ersten Betriebszustand (A) der erfindungsgemäßen Vorrichtung, erfolgt bevorzugt in regelmäßigen Abständen um aktuelle Veränderungen im klimatischen Umfeld und im Zustand der Sensoreinrichtung berücksichtigen zu können. Dabei wird sichergestellt, dass sich kein Objekt im Nahmessbereich der Sensoreinrichtung befindet, das die Erfassung der charakteristischen Kenngröße der
Sensoreinrichtung, insbesondere des Abklingverhaltens, stören könnte. In diesem Betriebszustand können weiterhin Objekte außerhalb des
Nahmessbereichs erfasst werden.
Bevorzugt ist die Bestimmung der charakteristischen Kenngröße der
Sensoreinrichtung im ersten Betriebszustand (A)der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur dann aktivierbar, wenn durch die Sensoreinrichtung und/oder eine zusätzliche Sensoreinrichtung, wie beispielsweise eine Umfeldkamera, kein Objekt im Detektionsfeld der Sensoreinrichtung erkannt wird. Damit wird sichergestellt, dass bei der Erfassung der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung keine durch Objekte verursachte Störgrößen Einfluss auf die Erfassung nehmen. Weiterhin bevorzugt ist die Bestimmung der charakteristischen Kenngröße der
Sensoreinrichtung im ersten Betriebszustand (A)der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur dann aktivierbar, wenn das Fahrzeug eine definierte
Mindestgeschwindigkeit und/oder Höchstgeschwindigkeit aufweist.
Der Fachmann geht im Allgemeinen davon aus, dass ein laufzeitunabhängiger, konstanter Schwellwert bzw. ein stufenartiger Schwellwert ein Spezialfall eines laufzeitabhängig veränderlichen Schwellwertes ist. Insbesondere in Verbindung mit signalaufbereiten Vorverarbeitungsverfahren, wie z.B. der laufzeitabhängigen Verstärkung der Empfangssignale kann ein laufzeitabhängig konstanter
Schwellwert zur Anwendung kommen.
Erfindungsgemäß beinhaltet das beschriebene adaptive Verfahren zur
Anpassung des laufzeitabhängigen Schwellwertes auch äquivalente
Realisierungsmöglichkeiten, wie das Anpassen einer laufzeitabhängigen Vorverstärkung in Kombination mit einer entsprechenden Einstellung bzw.
Feststellung eines Schwellwertdetektors. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch den typischen Verlauf einer Schwingungsamplitude der Membran eines sendenden Ultraschallsensors.
Figur 2 zeigt die Schwingung eines Ultraschallsensors sowie einen
Detektionsschwellwert nach dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt die Schwingung eines Ultraschallsensors sowie einen
laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert nach einer ersten Ausführung der Erfindung.
Figur 4 zeigt ein Schaltbild eines Spitzenwertgleichrichters für die positive Halbwelle des von einem Ultraschallsensor gelieferten Schwingungssignals.
Figur 5 zeigt die Schwingung eines Ultraschallsensors mit einem überlagerten Echosignal, sowie einen laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert nach der ersten Ausführung der Erfindung.
Figur 6 zeigt die Schwingung eines Ultraschallsensors mit einem überlagerten Echosignal, sowie zwei laufzeitabhängige Detektionsschwellwerte gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Figur 7 zeigt die Schwingung eines Ultraschallsensors mit zwei überlagerten Echosignalen, gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung.
Figur 8 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs.
Ausführungen der Erfindung
In Figur 1 ist schematisch der Verlauf der Schwingungsamplitude der Membran eines Ultraschallsensors während eines typischen Sendevorgangs dargestellt. Der Ultraschallsensor wird üblicherweise mit seiner Resonanzfrequenz angeregt. Dazu wird zwischen den Zeitpunkten to und ti eine oszillierende Spannung an das Piezoelement des Ultraschallsensors angelegt. Während einer
Einschwingdauer vom Zeitpunkt to bis zum Zeitpunkt toi steigt die
Schwingungsamplitude, bis sie zum Zeitpunkt toi ein Maximum erreicht.
Zum Zeitpunkt ti endet die Anregung des Ultraschallsensors und die
Schwingungsamplitude fällt im Wesentlichen exponentiell ab, bis die Schwingung zum Zeitpunkt t2 im Wesentlichen vollständig abgeklungen ist. Die Zeitkonstante dieser Abklingkurve wird im Wesentlichen durch die mechanischen und elektronischen Eigenschaften des Ultraschallsensors bestimmt. In bisherigen Systemen war daher das Detektieren eines Echosignals durch den
Ultraschallsensor erst nach dem Abklingen der Anregungsschwingung im bei dem jeweiligen Sensor zu erwartenden ungünstigsten Fall, also im vorliegenden Beispiel nach dem Zeitpunkt t2 möglich. Somit beschränkt das Ausschwingen des
Ultraschallsensors die Nahmessfähigkeit des Sensors, da der Abstand von Objekten zum Sensor mittels der Laufzeit des Echosignals von reflektierenden Objekten bestimmt wird. Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Methoden bekannt, um das
Abklingverhalten eines Ultraschallsensors zu beeinflussen. Beispielsweise kann ein Dämpfungsmaterial zur Aufnahme von Schwingungsenergie an der Membran vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ können elektronische Mittel vorgesehen sein, die beispielsweise eine phasenverschobene Gegenschwingung erzeugen und damit die Abklingschwingung dämpfen.
Um sicherzustellen, dass ein Echosignal von der Abklingschwingung des Sensors getrennt detektiert wird, sind üblicherweise Detektionsschwellwerte vorgesehen. Bei den bekannten Verfahren zur Umfelderfassung werden die diese Detektionsschwellwerte unabhängig von den speziellen Eigenschaften der
Sensoren und der vorherrschenden Messsituation vorgegeben. Figur 2 zeigt einen Signalausschnitt der Schwingung 20 eines Ultraschallsensors. Dargestellt ist der Zeitverlauf der gemessenen und anschließend verstärkten Spannung am Piezoelement des Ultraschallsensors, die die Schwingung der Membran repräsentiert. Aufgrund der Übersteuerung des Verstärkers zu Messbeginn sind zu Beginn der Darstellung von Fig. 2 die Signale„übersteuert", d.h., nicht sinusförmig, dargestellt. Zunächst verläuft die Schwingung 22 mit ansteigender oder konstanter Amplitude. Ab dem Zeitpunkt ti findet keine aktive Anregung des Ultraschallsensors mehr statt und eine abklingende Schwingungskurve 24 ist erkennbar. Gemäß dem Stand der Technik wird ab dem Zeitpunkt tM
angenommen, dass die Schwingung soweit abgeklungen ist, dass Echosignale zuverlässig erfasst werden können. Zur Erfassung eines Echosignals ist ein stufenartiger Detektionssch well wert 10a für die positive Halbwelle bzw. ein stufenartiger Detektionsschwellwert 10b für die negative Halbwelle vorgesehen. Die Untergrenze für einen auf diese Weise bestimmbaren Abstand zu einem
Objekt im Umfeld eines Fahrzeugs ist im Stand der Technik damit durch den Zeitpunkt tM festgelegt. Ein typischer derartiger Mindestabstand beträgt etwa 150 mm. Verfahren gemäß dem Stand der Technik berücksichtigen bei der Vorgabe des
Schwellwertvorgabe Sensortoleranzen, Störsignale durch die
Bodenbeschaffenheit und potentielle Klimaeinflüsse, die während der
Betriebsdauer des Sensors auftreten können. Figur 3 stellt die Schwingung 20 eines Ultraschallsensors sowie einen laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert nach einer ersten Ausführung der Erfindung dar. Der Verlauf der Schwingung 20 entspricht dem in Figur 2 dargestellten Verlauf. Der Detektionsschwellwert 12a bzw. 12b ist nun erfindungsgemäß laufzeitabhängig gewählt, wobei die Kurve 12a den
Detektionsschwellwert für die positive Halbwelle der Schwingung angibt und die
Kurve 12b den Detektionsschwellwert für die negative Halbwelle der Schwingung angibt. Erfindungsgemäß werden die Detektionsschwellwerte 12a und 12b durch Erfassen einer charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung bestimmt. In diesem Beispiel wird das Abklingverhalten des Ultraschallsensors als charakteristische Kenngröße verwendet. Dazu wird aus der Abklingschwingung
24 des Ultraschallsensors eine Momentansignalstärke, jeweils für die positive und die negative Halbwelle der Abklingschwingung bestimmt. Die
Momentansignalstärke wird in diesem Beispiel als laufzeitabhängiger
Detektionsschwellwert 12a bzw. 12b verwendet. Somit kann in vergleichsweise einfacher Weise aus dem so gewonnen Verlauf der Momentansignalstärke die laufzeitvariable Schwelle zur Beurteilung der Signalstärke entsprechend eingestellt werden.
In der Darstellung nach Figur 3 ist der Verlauf 12a, 12b des Schwellwertes identisch mit dem Verlauf der Momentansignalstärke. Es hat sich als
zweckmäßig erwiesen, den Betrag des laufzeitabhängigen Schwellwerts in der Praxis etwas größer (beispielsweise 5%-10%) als den Betrag der jeweiligen Momentansignalstärke einzustellen. Mit jeder Messung kann erneut der Zeitverlauf der positiven und der negativen
Momentansignalstärke bestimmt werden. Die Bestimmung der
Momentansignalstärke der positiven Halbwelle kann beispielsweise mittels eines RC-Spitzenwertgleichrichters wie er in Figur 4 dargestellt ist und anschließendem Abstasten erfolgen. In einem bevorzugten Fall werden die jeweiligen
momentanen Maximalwerte gespeichert. Die Zeitkonstante T=R-C des RC-
Spitzenwertgleichrichters liegt dabei bevorzugt im Bereich der
Signalperiodendauer der Schwingung des Ultraschallsensors. Die in Figur 4 dargestellte Schaltung dient der Gleichrichtung der positiven Halbwelle der Schwingung. In einer einfachen Ausführung der Erfindung genügt dieses Verfahren zur Bestimmung der momentanen Signalstärke. Dem Fachmann ist bekannt, wie die Spitzenwertgleichrichtung für negative Halbperioden
entsprechend anzupassen ist, und die jeweiligen Ausgangssignale UaUs
abgetastet und gespeichert werden können. Daher werden diese Details hier nicht weiter ausgeführt. Die in Figur 4 dargestellte einfache Hardwareschaltung soll hier stellvertretend für die vielfältigen, dem Fachmann bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der momentanen Signalstärke stehen, wie beispielsweise das eingangs beschriebene auf abgetasteten Signalen basierende Verfahren. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung möglich, als charakteristische
Kenngröße der Sensoreinrichtung eine Folge von Periodendauern während des Abklingvorgangs zu bestimmen und als Referenzfolge abzuspeichern. Wie in der WO 2011009786 AI beispielsweise beschrieben ist, kann eine Folge von Periodendauerabweichungen bestimmt und mit einer Referenzfolge verglichen werden kann. Die im Nachfolgenden beschriebenen Methoden zur Signalstärkebeurteilung können in äquivalenter Weise auf
Frequenzabweichungen, bevorzugt gemessen als Folge von Periodendauern, angewandt werden. Eingangs ist beispielhaft ein äquivalentes Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe aus dem abgetasteten sich periodisch ändernden Signal dessen Phase und durch zeitliche Ableitung der Phase die
Momentanfrequenz bestimmt werden kann. Abweichungen der gemessenen Periodendauerfolge von den bekannten Referenzverläufen des Ausschwingens treten insbesondere in den Echolaufzeitbereichen auf, die einer Objektentfernung entsprechen. Insbesondere verläuft in diesen Echolaufzeitbereichen die Phase des Echosignals nicht kohärent zur Phase des Ausschwingsignals.
Figur 5 stellt einen Messvorgang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dar. Der laufzeitabhängige Schwellwert 12a, 12b entspricht der Darstellung in Figur 3. Dem abklingenden Schwingungssignal 22 des Ultraschallsensors ist ein
Echosignal 25 überlagert. Das Echosignal 25 stammt in diesem Beispiel von einem flachen Objekt, das sich im Nahmessbereich des Ultraschallsensors befindet, also näher an dem Ultraschallsensor, als der bisher übliche, auf den ungünstigsten Fall ausgelegte Schwellwert es zulassen würde. Da die
Momentansignalstärke des Echosignals 25 im Betrag den adaptierten, laufzeitabhängigen Schwellwert 12a, 12b überschreitet, kann das Echosignal trotzdem erkannt und ausgewertet werden. Das Objekt und sein Abstand können erfasst und die Information kann beispielsweise in einem System zur
Umfelderfassung weiterverarbeitet werden. Figur 6 zeigt das empfangene Signal einer weiteren Messsituation. Ein Teil des aus der Überlagerung des Echosignals mit dem Ausschwingsignal resultierenden Schwingungssignals 25 liegt in seinem Betrag deutlich über dem
laufzeitabhängigen Schwellwert 12a, 12b, der in diesem Beispiel analog zum Beispiel aus Figur 3 aus den Momentansignalstärken der ungestörten
Abklingschwingung des Ultraschallsensors gewonnen wurde.
Es ist jedoch auch zu erkennen, dass durch destruktive Interferenz des
Echosignals mit der abklingenden Schwingung 22 ein Einbruch 23 der
Momentansignalstärke sowie starke Schwankungen im Frequenzverlauf infolge von durch die Überlagerung entstandenen Phasensprüngen entstehen. Derartige Einbrüche 23 der Signalstärke können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls erkannt werden. So kann beispielsweise aus dem laufzeitabhängigen Schwellwert 12a, 12b ein zweiter laufzeitabhängiger Schwellwert 14a 14b für eine Mindestsignalstärke hergeleitet werden. Es wird nun geprüft, ob dieser zweite laufzeitabhängige Schwellwert der Signalstärke unterschritten wird. Damit kann ein Signaleinbruch 23, wie in Figur 6 dargestellt erfasst und ein
verursachendes Objekt erkannt werden.
Alternativ können mit dem Frequenz- bzw. Phasenanalyseverfahren, wie beispielsweise dem in der WO 2011009786 AI beschriebenen
Intrapulsanalyseverfahren derartige Phasensprünge detektiert werden, besonders einfach als Abweichung einer gemessenen Folge von einer
Referenzfolgen von Periodendauern. Wie aus Figur 7 deutlich wird, führt das Vorhandensein von Objekten nicht immer zu einem Überschreiten eines laufzeitabhängigen Schwellwerts 12a, 12b, der gemäß dem Beispiel aus Figur 3 aus der Momentansignalstärke bestimmt wird. Der laufzeitabhängige Schwellwert 12a, 12b wird in diesem Beispiel nicht überschritten, obwohl ein Objekt vorhanden ist. Bei dem Objekt handelt es sich in diesem Beispiel um ein Rohr mit einem Durchmesser von 75 mm, das sich in einem Abstand von 75 mm zum Ultraschallsensor befindet. Destruktive
Interferenz bewirkt, dass die Momentansignalstärke des Echosignals 27 den Schwellwert 12a, 12b nicht überschreitet. Das Objekt kann in diesem Fall daher nur entweder anhand des Unterschreitens des zweiten Schwellwerts 14a, 14b, mit anderen Worten, anhand des Signaleinbruchs 23 für mehr als eine
Periodendauer und/oder anhand einer Abweichung des gemessenen
Frequenzverlaufs von mindestens einem Referenzfrequenzverlauf erkannt werden. Die Objektdetektion wird durch Kombination der Detektion anhand des Unterschreitens bzw. Überschreitens des Schwellwertes und der Detektion anhand von Änderungen des Phasen- bzw. Frequenzverlaufs zuverlässiger.
Zur Verdeutlichung der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 7 nochmals ein stufenartiger Schwellwert 10a, 10b gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Ebenfalls sichtbar in Figur 7 ist das Auftreten eines zweiten
Echosignals 29, das in diesem Fall vom selben Objekt stammt. Dieses zweite Echosignal ist im vorliegenden Beispiel die Folge der Reflexion des ersten Echos an der um den Ultraschallwandler angebrachten Halterung und der Rückreflexion an dem Objekt. Das zweite Echosignal 29 kann zur Erhöhung der Ortsauflösung der Messung verwendet werden. Damit dieses zweite Echosignal 29 deutlich von dem ersten Echosignal 27, anhand des Signalstärkeverlaufs trennbar wird, muss der Sendepuls geeignet gewählt werden. Geeignete Modulationsverfahren für Sendepulse, die eine derartig hohe Ortsauflösung gestatten, sind unter anderem in EP 2 251 710 A2 beschrieben. Es wird deutlich, dass bei Verwendung eines Schwellwerts 10a, 10b nach dem heutigen Stand der Technik, das Echosignal 29 gegebenenfalls nicht erfasst würde.
Figur 8 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs. Es ist eine Sensoreinrichtung 100, die hier als Ultraschallsensor ausgebildet ist, zum Aussenden von Sendesignalen und zum Empfangen von Echosignalen vorgesehen. Das Sendesignal wird an einem Objekt 70 im Abstand d zur Sensoreinrichtung reflektiert und das Echosignal durch die Sensoreinrichtung 100 empfangen.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Auswerteeinheit 3 zum Bestimmen eines laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts, eine Vergleichseinheit 7 zum Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit dem laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert, eine Systemsteuerung 1 zur
Steuerung der Sensoreinrichtung 100 und zum Erkennen des Objektes 70.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung 10 einen ersten Betriebszustand (A) auf, in dem davon ausgegangen werden kann, dass sich kein zu detektierendes Objekt permanent im Nahmessbereich des Sensors befindet und in dem eine charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung 100, insbesondere der Amplitudenverlauf und/oder der Frequenzverlauf während des
Ausschwingvorgangs, durch die Auswerteeinheit 3 erfasst wird und
aus der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung 100 mindestens ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt wird und an die
Vergleichseinheit 7 übergeben wird. Die Vorrichtung 10 weist einen zweiten Betriebszustand (M) auf, in dem das Objekt 70 von der Systemsteuerung 1 erkannt wird, durch Aussenden eines Sendesignals durch die mindestens einen Sensoreinrichtung 100,
Empfangen des am Objekt 70 reflektierten Echosignals und Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit dem mindestens einen laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert durch die Vergleichseinheit 7.
Neben der Sensoreinrichtung 100 kann eine zweite Sensoreinrichtung 200, beispielsweise eine Kamera oder ein weiterer Ultraschallsensor vorgesehen sein. Die zweite Sensoreinrichtung 200 liefert Informationen, ob ein Objekt 70 im Detektionsfeld der ersten Sensoreinrichtung 100 vorhanden ist an die
Systemsteuerung 1. Die Systemsteuerung 1 kann derart eingerichtet sein, dass der erste Betriebszustand (A) der Vorrichtung 10 nur dann durch die
Systemsteuerung 1 aktivierbar ist, wenn die zweite Sensoreinrichtung 200 kein Objekt im Detektionsfeld, insbesondere im Nahmessbereich der
Sensoreinrichtung 100 erkennt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Systemsteuerung 1 Informationen über die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit vF empfangen und verarbeiten, beispielsweise derart, dass der erste Betriebszustand (A) der Vorrichtung 10 nur dann durch die Systemsteuerung 1 aktivierbar ist, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit vF eine definierte Mindestgeschwindigkeit von beispielsweise mehr als 5 km/h aufweist.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens einer an dem Fahrzeug angeordneten Sensoreinrichtung (100), insbesondere einem Ultraschallsensor, zum Aussenden von Sendesignalen und zum Empfangen von an Objekten (70) in einem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100) reflektierten
Echosignalen, mit folgenden Schritten:
a) Erfassen einer charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung, b) Bestimmen mindestens eines laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwerts (12, 14) aus der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung (100),
c) Aussenden eines Sendesignals mittels der mindestens einen
Sensoreinrichtung (100),
d) Empfangen eines Echosignals,
e) Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten
Signalgröße mit mindestens einem laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwert (12, 14) wobei abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Objekt (70) in dem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100) erkannt wird,
wobei die Schritte a) und b) in einem ersten Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung (100) durchgeführt werden und die Schritte c) und d) und e) in einem zweiten Betriebszustand (M) der Sensoreinrichtung (100) durchgeführt, wobei sich in Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung (100) kein Objekt in dem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100) befindet.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung (100) erfolgt, indem eine Abklingschwingung der Sensoreinrichtung (100) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung der Zeitverlauf der Maxima der Abklingschwingung der Sensoreinrichtung (100) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung der Frequenzverlauf der Abklingschwingung der Sensoreinrichtung (100) als eine Folge von Signalperiodendauern oder dazu äquivalenten Größen erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein erster laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert (12) bestimmt wird und aus dem ersten laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwert (12) ein zweiter laufzeitabhängiger
Detektionsschwellwert (14) berechnet wird, wobei in Schritt e) ein Objekt (70) erkannt wird, wenn das Echosignal den ersten laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert (12) überschreitet oder wenn das Echosignal den zweiten laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert (14), insbesondere während mehrerer aufeinanderfolgender Periodendauern, unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) wiederholt durchgeführt wird und ein Durchschnitt der charakteristischen Kenngröße gebildet wird, wobei in Schritt b) aus dem Durchschnitt ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert bestimmt wird.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.
Vorrichtung (10) zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs, insbesondere nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend
mindestens eine an dem Fahrzeug angeordnete Sensoreinrichtung (100), zum Aussenden von Sendesignalen und zum Empfangen von an Objekten (70) im Fahrzeugumfeld reflektierten Echosignalen, Eine Auswerteeinheit (3) zum Bestimmen eines laufzeitabhängigen Detektionsschwellwerts (12, 14) ,
eine Vergleichseinheit (7) zum Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten Signalgröße mit dem laufzeitabhängigen Detektionsschwellwert (12, 14)
eine Systemsteuerung (1 ) zur Steuerung der Sensoreinheit (100) und zum Detektieren eines Objektes (70),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung einen ersten Betriebszustand (A) aufweist, in dem eine charakteristische Kenngröße der Sensoreinrichtung (100), insbesondere der Amplitudenverlauf und/oder der Frequenzverlauf während des Ausschwingvorgangs, durch die Auswerteeinheit (3) erfasst wird und
aus der charakteristischen Kenngröße der Sensoreinrichtung (100) mindestens ein laufzeitabhängiger Detektionsschwellwert (12, 14) bestimmt wird und an die Vergleichseinheit (7) übergeben wird, wobei sich in Betriebszustand (A) der Sensoreinrichtung (100) kein Objekt in einem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100) befindet, und dass die Vorrichtung einen zweiten Betriebszustand (M) aufweist, in dem ein Objekt (70) in dem Nahmessbereich der Sensoreinrichtung (100) von der Systemsteuerung (1 ) detektierbar ist, durch
Aussenden eines Sendesignals durch die mindestens einen
Sensoreinrichtung (100),
Empfangen des von an Objekten (70) im Fahrzeugumfeld
reflektierten Echosignals,
Vergleichen des Echosignals oder einer davon abgeleiteten
Signalgröße mit dem mindestens einen laufzeitabhängigen
Detektionsschwellwert (12, 14) durch die Vergleichseinheit (7).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswerteeinheit mindestens eine Schaltung (50) zur
Spitzenwertgleichrichtung umfasst, wobei als Eingangsspannung der Schaltung die Signalspannung (Uein) der Sensoreinrichtung vorgesehen ist und als Ausgangsspannung ein die Momentansignalstärke repräsentierender Wert (Uaus) ausgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand (A) nur dann aktivierbar ist, wenn durch die Sensoreinrichtung (100) und/oder eine zusätzliche Sensoreinrichtung (200) kein Objekt im Nahmessbereich der
Sensoreinrichtung erkannt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand (A) nur aktivierbar ist, wenn das Fahrzeug eine definierte Mindestgeschwindigkeit aufweist.
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