WO2018108388A1 - Verfahren zum betrieb eines ultraschallsensors - Google Patents

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ultrasonic sensor
excitation
measuring
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Dirk Schmid
Michael Schumann
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor, as well as a distance measuring device with at least one ultrasonic sensor, which is operated according to the inventive method.
  • Ultrasonic-based measuring systems are used to measure a distance to an object located in front of an ultrasonic sensor.
  • the sensors used are based on the pulse / echo method.
  • an ultrasonic sensor emits an ultrasonic pulse and measures the reflection of the ultrasonic pulse (echo) caused by an object.
  • the distance between the ultrasonic sensor and the object is calculated using the measured echo time and the speed of sound.
  • the ultrasonic sensor acts as transmitter to receiver.
  • Known applications are, for example
  • ultrasonic sensors In known distance measuring devices on vehicles typically 4 to 6 ultrasonic sensors are used in the front and / or rear bumper. To capture the environment as quickly as possible, it is helpful if all the ultrasonic sensors on the bumper send at the same time and thus the information can be processed in parallel. This can special
  • Ultrasonic sensors are chosen that differ.
  • DE 10 2007 029 959 A1 discloses an ultrasound-based measuring system for detecting an environment. It is provided that distance measurements can be made by means of ultrasonic waves. At two
  • Ultrasonic signals are coded for distinctness.
  • the processing of the signals in the receive path can be done, for example, by the received signals through a matched filter
  • matched filter (so-called "matched filter”) are filtered.
  • the excitation patterns (codes) of the group selected from are designed such that they suppress one another as far as possible. This is achieved, for example, by having the codes of the group orthogonal to each other.
  • the duration of a first excitation pulse of a first measurement cycle differs from the duration of a second excitation pulse of a second measurement cycle, wherein the second measurement cycle follows the time of the first measurement cycle.
  • the second measuring cycle can directly follow the first measuring cycle. This means that no further signal is transmitted between the first and the second measuring cycle, but there may be a pause between the first and the second measuring cycle in which no excitation takes place.
  • the second Measuring cycle not immediately follow the first measurement cycle, but between the first and the second measurement cycle, a further excitation.
  • the amplitude of a first excitation pulse of a first measurement cycle may differ from the amplitude of a second excitation pulse of a second measurement cycle. This causes the
  • the second measuring cycle can directly follow the first measuring cycle. This means that no further signal is transmitted between the first and the second measuring cycle, but there may be a pause between the first and the second measuring cycle in which no excitation takes place.
  • the second measurement cycle can not follow directly on the first measurement cycle, but between the first and the second measurement cycle another
  • the excitation pulses are preferably designed as frequency-modulated pulses.
  • a frequency-modulated excitation pulse is to be understood as meaning any excitation pulse whose frequency changes during the pulse duration. In this case, continuous or discontinuous changes in the frequency can be provided. Alternatively or additionally, it is also possible to use pulses with a continuously constant excitation frequency.
  • Excitation pulses by a, in particular linear, frequency response, modulated, in particular in a frequency range between 40 kHz and 60 kHz. This means that the frequency of the respective excitation pulse rises steadily and in particular linearly from a starting frequency or drops until an end frequency is reached. Such an excitation is also referred to as "chirp.”
  • the start and end frequencies are preferably selected from the frequency range from 40 kHz to 60 kHz.
  • a matched filter also referred to as an optimal filter or correlation filter
  • This can be done in an advantageous manner the signal-to-noise ratio can be improved by using the known waveform of the excitation pulse in the selection of the filter in a known manner.
  • object information is determined with higher accuracy.
  • Measuring cycles calculates a probability that a detected object is actually present or that there is a faulty measurement. This can be particularly efficient suppression of interference by ultrasonic signals from other vehicles in the sense of incorrect measurements C.False Positives ”) can be achieved.
  • Ultrasonic sensor provided at least four measuring cycles, wherein in each measuring cycle, the transducer of the ultrasonic sensor is driven with an excitation pulse with a different excitation pattern or frequency response, either randomly an excitation pattern from a group of possible excitation patterns is selected in each measurement cycle, or it is
  • Excitation pattern selected from a group according to a given order.
  • a distance measuring device in particular for a motor vehicle, which comprises at least one ultrasonic sensor which is operated according to one of the methods described above.
  • a distance measuring device which comprises a plurality of ultrasonic sensors, which are operated in accordance with a method as described above, wherein the ultrasonic sensors on a
  • Body part of a motor vehicle are arranged in a row.
  • the ultrasonic sensors are operated in such a way that ultrasonic sensors arranged adjacent to one another have measurement cycles which do not overlap in time.
  • Figure 1 shows schematically in plan view a motor vehicle 20 with a
  • the ultrasonic sensors 1 to 12 are part of a distance measuring device for detecting the environment of the motor vehicle 20. Furthermore, an object 19 to be detected by means of the ultrasonic sensors is shown in the surroundings of the motor vehicle 20. It may be, for example, a traffic obstruction, such as a bucket, a street sign or a lantern as well as another vehicle.
  • Each of the ultrasonic sensors 1 to 12 has an electroacoustic transducer, which is excited by a frequency-modulated excitation pulse to mechanical vibrations, whereby a measuring signal 30 is emitted through the transducer.
  • the invention is not limited to that
  • Ultrasonic sensors are arranged at the rear or at the front of a motor vehicle 20. Alternatively or additionally, further ultrasonic sensors For example, in the area of the sides, in particular the doors of the
  • Motor vehicle 20 may be arranged.
  • a transmission cone of a transmitted measuring signal 30 and a directional arrow 31, which indicates the transmission direction, are shown by way of example. It can be seen that the transmission cone hits the object 19, so that the measurement signal 30 is partially reflected by the object 19 in the direction of the ultrasound sensor 3 in a second transmission cone (echo) 32.
  • the ultrasonic sensor 3 registers the reflection 32 and determines the elapsed time between transmission of the transmission pulse and reception of the reflection. From the elapsed time can be at a known signal speed, for example, the speed of sound in air of about 343 m / s, calculate the distance of the object 19 of the ultrasonic sensor 3.
  • the ultrasonic sensor 3 can not only receive the measurement signals 32 reflected by the object 19 but also ultrasonic signals 33 emanating from another sound source 21, for example a foreign vehicle. This can lead to erroneous measurement results, or it will be of the
  • the ultrasound sensor 3 is operated in such a way that several measuring cycles are carried out successively. In each measurement cycle, another excitation pulse is used to excite the
  • electroacoustic transducer used as in the previous measuring cycle, wherein in successive time measuring cycles, the respective frequency response of the excitation pulses differs. It is the
  • Frequency response of an excitation pulse in each measurement cycle selected from a group of predetermined frequency curves randomly or in a predetermined order.
  • frequency modulated excitation pulses codes
  • the excitation frequency is linearly changed from a start frequency to a target frequency during the excitation pulse, but the invention is not limited to this type of frequency modulation, it is also other excitation patterns Furthermore, for example, constant frequency profiles can be used, at least in sections, for the person skilled in the art, for which a variety of further design possibilities are known.
  • each of the ultrasonic sensors 1 to 12 to vary the excitation patterns (codes) from shot to shot in such a way that the frequency response of the excitation pulses takes place in successively executed measuring cycles
  • the frequency response of an excitation pulse in each measurement cycle from a group of predetermined frequency characteristics is selected randomly or in a predetermined order.
  • excitation patterns for the frequency-modulated excitation pulses are shown in the figure in diagrams 41-44. In each case the frequency is plotted against time. These excitation patterns preferably form a group from which an excitation pattern is selected as the excitation pulse for the transducer of an ultrasonic sensor 1 to 12 in each measurement cycle. The selection can be done either by chance or after a predetermined
  • the frequency fo is in this example 48 kHz, the pulse duration T is 1.6 ms.
  • the group of possible excitation patterns contains the following excitation patterns (codes):
  • excitation patterns can now be performed in each of the ultrasonic sensors in a specific or random order, wherein in an ultrasonic sensor each temporally successive measurement cycles preferably differ in their respective excitation pattern.
  • a jittering of the starting time to an excitation by one of the excitation pulses C9, Cl1, C3 or C4 may additionally take place.
  • Ultrasonic sensors 1 to 12 are shown in tabular form in FIG.
  • the rows of the table refer to time intervals that are available for a measuring cycle. In such a time interval, both the excitation of the electroacoustic transducer and the reception of reflected ultrasonic signals and the determination of an object information occur. These time intervals can each have the same length, but it can also be provided different lengths.
  • the columns of the table respectively refer to a pair of ultrasonic sensors 1 and 7, 2 and 8, 3 and 9, 4 and 10, 5 and 11 respectively arranged at the front and rear.
  • Transducer of the ultrasonic sensors 1 and 7 is thus charged with a corresponding excitation pulse and each sends a corresponding measurement signal.
  • the ultrasonic sensors 3 and 9 are driven with an excitation pulse of the form Cll.
  • the ultrasonic sensors 5 and 11 are driven with an excitation pulse of the form C9.
  • Ultrasonic sensor pair 1/7 driven with an excitation pulse of the form C3.
  • the ultrasound sensor pair 3/9 is driven by an excitation pulse of the form Cll.
  • the ultrasonic sensor pair 5/11 is driven with an excitation pulse of the form C9.
  • Ultrasonic sensor pair 2/8 driven with an excitation pulse of the form C9.
  • the ultrasonic sensor pair 4/10 is driven with an excitation pulse of the form Cll. Also at the same time the ultrasonic sensor pair
  • Form C9 activated.
  • the ultrasonic sensor pair 5/11 is driven by an excitation pulse of the form Cll.
  • time subsequent eighth time interval 4b is the
  • Measuring cycle of the ultrasonic sensor 1 takes place in the seventh time interval. In each measurement cycle, the frequency response of the
  • Ultrasonic sensors 1 to 12 the respective ultrasonic sensor 1 to 12 receive a reflected ultrasonic signal 32.
  • a reflected ultrasonic signal 32 By appropriate filtering of the received signals, which is adapted in particular in the form of a "matched filter" to the frequency response of the excitation pulse, actual echo signals can be distinguished from external signals 33 by the
  • Frequency characteristic has, as the own measurement signal 30th

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Abstract

Es wird demnach ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Messzyklen nacheinander durchgeführt werden.In jedem Messzyklus wird - ein elektroakustischer Wandler des Ultraschallsensors mit einem Anregungspuls zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wodurch ein Messsignal durch den Wandler gesendet wird, - ein Echosignal durch den Wandler empfangen, und - aus dem Echosignal eine Objektinformation ermittelt. Der Frequenzverlauf des Anregungspulses unterscheidetsich dabei erfindungsgemäß in zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen, wobei der Frequenzverlauf eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors, sowie eine Abstandsmessvorrichtung mit mindestens einem Ultraschallsensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Stand der Technik
Ultraschallbasierte Messsysteme werden eingesetzt um eine Distanz zu einem vor einem Ultraschallsensor befindlichen Objekt zu vermessen. Die eingesetzten Sensoren basieren auf dem Puls/Echo-Verfahren. In diesem Betrieb sendet ein Ultraschallsensor einen Ultraschallpuls aus und misst die durch ein Objekt hervorgerufene Reflexion des Ultraschallpulses (Echo). Der Abstand zwischen Ultraschallsensor und Objekt errechnet sich über die gemessene Echolaufzeit und der Schallgeschwindigkeit. Der Ultraschallsensor fungiert dabei als Senderum Empfänger. Bekannte Anwendungen sind beispielsweise
Abstandswarnsysteme, Parklückendetektoren und Einparkhilfen für
Kraftfahrzeuge. Üblicherweise kommen in einem derartigen Messsystem mehrere Ultraschallsensoren zum Einsatz.
Bei bekannten Abstandsmessvorrichtungen an Fahrzeugen werden im Front- und/oder Heck-Stoßfänger typischerweise je 4 bis 6 Ultraschallsensoren eingesetzt. Um möglichst schnell die Umgebung zu erfassen, ist es hilfreich, wenn alle Ultraschallsensoren am Stoßfänger zeitgleich senden und damit die Information parallel verarbeitet werden kann. Dazu können spezielle
Anregungsmuster, sogenannte Codes für das Aussenden für jeden der
Ultraschallsensoren gewählt werden, die sich unterscheiden. Die DE 10 2007 029 959 AI offenbart ein ultraschallbasiertes Messsystem zur Erfassung einer Umgebung. Dabei ist vorgesehen, dass mittels Ultraschallwellen Abstandsmessungen vorgenommen werden können. Um zwei
aufeinanderfolgende Pulse unterscheiden zu können, werden diese
frequenzmoduliert.
DE 10 2013 021 845 AI offenbart wiederum ein Verfahren zum Messen eines Abstands mittels Ultraschall. Dabei ist vorgesehen, dass einzelne
Ultraschallsignale zur Unterscheidbarkeit codiert werden.
Die Verarbeitung der Signale im Empfangspfad kann beispielsweise erfolgen, indem die empfangenen Signale durch ein signalangepasstes Filter
(sogenanntes„Matched Filter") gefiltert werden.
Üblicherweise werden für die Anregung sogenannte„Ideale Codes" verwendet. „Ideale Codes" sind dadurch gekennzeichnet, dass die Codes untereinander orthogonal sind, d.h. dass die Matched Filter der Codes derart wirken, dass sie die Fremdcodes weitestgehend unterdrücken. In der Praxis ist jedoch eine komplette Unterdrückung durch die Matched Filter kaum möglich.
Wird nun einem Ultraschallsensor der Abstandsmessvorrichtung ein bestimmter Code zugeordnet, so ist im Falle eines Fremdfahrzeugs, das dieselbe Kodierung verwendet, genau dann die Störung maximal, wenn sich die beteiligten
Ultraschallsensoren gegenüber stehen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors anzugeben, bei dem der Einfluss von Störungen, die insbesondere durch Ultraschallsignale anderer Fahrzeuge verursacht werden können, vermindert ist.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, Signale, die von einem
erfindungsgemäß betriebenen Ultraschallsensor ausgesandt werden, zu codieren. Das Codieren erfolgt dabei entweder mittels zufällig gewählter Codes oder mittels zufällig gewählter Codefolgen. Zusätzlich lässt sich bevorzugt ein Aussendezeitpunkt eines Ultraschallsignals stochastisch verjittern. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass Störeinflüsse von benachbarten Ultraschallsystemen, wie insbesondere beim Aufeinandertreffen von zwei Fahrzeugen der Fall, weitestgehend vermieden sind. Dabei ist erfindungsgemäß ein Wechsel der Codes nach jedem Messzyklus vorgesehen. Als Messzyklus wird ein kompletter Durchlauf bis zum erneuten Sendebetrieb desselben Sensors bezeichnet.
Es wird demnach ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors
vorgeschlagen, wobei eine Mehrzahl von Messzyklen nacheinander durchgeführt werden. In jedem Messzyklus wird
- ein elektroakustischer Wandler des Ultraschallsensors mit einem
Anregungspuls zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wodurch ein Messsignal durch den Wandler gesendet wird,
- ein Echosignal durch den Wandler empfangen, und
- aus dem Echosignal eine Objektinformation ermittelt.
Der Frequenzverlauf des Anregungspulses unterscheidet sich dabei
erfindungsgemäß in zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen, wobei der Frequenzverlauf eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.
Mit anderen Worten ist demnach gemäß der Erfindung vorgesehen, einen Ultraschallsensor zum Messen einer Distanz mit einem speziellen Code zu betreiben. Jeder Code entspricht einem bestimmten Anregungsmuster, wobei vorgesehen ist, dass nach jeder Anregung für eine zeitlich folgende, erneute Anregung ein anderes Anregungsmuster, also ein anderer Code verwendet wird. Dabei kann nach einer ersten Variante der Erfindung in jedem Messzyklus ein Code aus einer vorgegebenen Gruppe von Codes zufällig ausgewählt werden. Nach einer zweiten Variante ist die Reihenfolge nach der die Codes aus der vorgegebenen Gruppe von Codes ausgewählt werden fest vorgegeben. Bevorzugt werden die ermittelten Objektinformationen aus mindestens zwei Messzyklen miteinander verglichen und abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs wird eine Störung erkannt. Unter einer Störung wird dabei insbesondere eine Fehlmessung verstanden, die durch ein Ultraschallsignal eines fremden Ultraschallsensors, der z.B. Teil eines Abstandsmesssystems eines fremden Fahrzeugs ist, verursacht sein kann.
Bevorzugt wird der Aussendezeitpunkt innerhalb eines jeweiligen Messzyklus Aussendezeitpunkt stochastisch verjittert. Das bedeutet dass der Zeitpunkt zu dem der jeweilige Anregungspuls an den Wandler angelegt wird, relativ zu einem
Startzeitpunkt des Messzyklus um eine zufällig gewählte Zeitdauer verschoben wird. Diese Zeitdauer ist insbesondere klein im Vergleich zur Gesamtdauer des jeweiligen Messzyklus und kann beispielsweise im Bereich von 1 bis 10 ms liegen, wobei die Gesamtdauer des Messzyklus beispielsweise ca. 40 ms betragen kann. Diese Ausführung ist besonders in der zweiten Variante der
Erfindung vorteilhaft, da in der zweiten Variante zwar die Wahrscheinlichkeit der Aufsynchronisation reduziert ist, es jedoch bei der deterministischen Reihenfolge der gewählten Anregungsmuster (Codes) immer noch zu Störungen kommen kann. Dieser Effekt kann durch die stochastische Verjitterung des
Aussendezeitpunkts weiter minimiert werden. Auch für die erste Variante ist ein
Verjittern vorteilhaft.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich die Anregungsmustern (Codes) der Gruppe aus der ausgewählt wird, derart ausgebildet sind, dass sie sich maximal gegenseitig unterdrücken. Dies wird zum Beispiel erreicht, indem es die Codes der Gruppe orthogonal zueinander sind.
In einer bevorzugten Ausführung unterscheidet sich die Dauer eines ersten Anregungspulses eines ersten Messzyklus von der Dauer eines zweiten Anregungspulses eines zweiten Messzyklus, wobei der zweite Messzyklus zeitlich auf den ersten Messzyklus folgt. Dabei kann der zweite Messzyklus unmittelbar auf den ersten Messzyklus folgen. Das heißt, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus kein weiteres Signal ausgesendet wird, es kann jedoch eine Pause zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus vorhanden sein, in der keine Anregung erfolgt. Alternativ kann der zweite Messzyklus nicht unmittelbar auf den ersten Messzyklus folgen, sondern zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus eine weitere Anregung erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Amplitude eines ersten Anregungspulses eines ersten Messzyklus sich von der Amplitude eines zweiten Anregungspulses eines zweiten Messzyklus unterscheiden. Damit wird bewirkt, dass der
Schalldruck der jeweiligen ausgesandten Signale unterschiedlich ist. Dabei kann der zweite Messzyklus unmittelbar auf den ersten Messzyklus folgen. Das heißt, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus kein weiteres Signal ausgesendet wird, es kann jedoch eine Pause zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus vorhanden sein, in der keine Anregung erfolgt. Alternativ kann der zweite Messzyklus nicht unmittelbar auf den ersten Messzyklus folgen, sondern zwischen dem ersten und dem zweiten Messzyklus eine weitere
Anregung erfolgen.
Die Anregungspulse sind bevorzugt als frequenzmodulierte Pulse ausgeführt. Als ein frequenzmodulierter Anregungspuls ist im Sinne dieser Erfindung jeder Anregungspuls zu verstehen, dessen Frequenz sich während der Pulsdauer ändert. Dabei können stetige oder/oder unstetige Änderungen der Frequenz vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Pulse mit durchgehend konstanter Anregungsfrequenz verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die jeweiligen
Anregungspulse, durch einen, insbesondere linearen, Frequenzverlauf, moduliert, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 40 kHz und 60 kHz. Dies bedeutet, dass die Frequenz des jeweiligen Anregungspulses von einer Startfrequenz ausgehend stetig und insbesondere linear ansteigt oder abfällt bis eine Endfrequenz erreicht ist. Eine derartige Anregung wird auch als„Chirp" bezeichnet. Die Start- und die Endfrequenz werden dabei bevorzugt aus dem Frequenzbereich von 40 kHz bis 60 kHz ausgewählt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die
empfangenen Echosignale mittels eines Matched Filters (auch als Optimalfilter oder Korrelationsfilter bezeichnet) gefiltert. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das Signal-zu-Rausch Verhältnis verbessert werden indem in bekannter Weise die bekannte Signalform des Anregungspulses bei der Wahl des Filters verwendet wird. Abhängig von dem Filterergebnis wird eine Objektinformation mit höherer Genauigkeit ermittelt.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird abhängig vom Ergebnis des Vergleichs der Objektinformationen aus mindestens zwei
Messzyklen eine Wahrscheinlichkeit berechnet, dass ein erfasstes Objekt tatsächlich vorhanden ist oder dass eine Fehlmessung vorliegt. Damit kann besonders effizient eine Unterdrückung von Störungen durch Ultraschallsignale von Fremdfahrzeugen im Sinne von Fehlmessungen C.False Positives") erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind im Betrieb des
Ultraschallsensors mindestens vier Messzyklen vorgesehen, wobei in jedem Messzyklus der Wandler des Ultraschallsensors mit einem Anregungspuls mit einem anderen Anregungsmuster bzw. Frequenzverlauf angesteuert wird, dabei wird in jedem Messzyklus entweder zufällig ein Anregungsmuster aus einer Gruppe von möglichen Anregungsmustern ausgewählt, oder es wird ein
Anregungsmuster nach einer vorgegebenen Reihenfolge aus der Gruppe ausgewählt.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Abstandsmessvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgesehen, welches mindestens einen Ultraschallsensor umfasst, der gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren betrieben wird.
Insbesondere ist eine Abstandsmessvorrichtung vorgesehen, die eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren, die gemäß einem wie oben beschrieben ausgeführten Verfahren betrieben werden, wobei die Ultraschallsensoren an einem
Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs in einer Reihe angeordnet sind. Dabei werden die Ultraschallsensoren derart betrieben, dass benachbart zueinander angeordnete Ultraschallsensoren zeitlich nicht überlappende Messzyklen aufweisen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch eine Abstandsmessvorrichtung mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren nach einer Ausführung der Erfindung.
Figur 2 zeigt vier Diagramme möglicher Frequenzverläufe für Anregungspulse.
Figur 3 zeigt eine Tabelle mit einer Abfolge von Messzyklen für verschieden Ultraschallsensoren einer Abstandsmessvorrichtung mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren nach einer Ausführung der Erfindung.
Ausführungen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente gegebenenfalls verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt schematisch in Draufsicht ein Kraftfahrzeug 20 mit einer
Frontstoßstange 27, an der Ultraschallsensoren 1 bis 6 in einer Reihe
angeordnet sind und einer Heckstoßstange 28 an der Ultraschallsensoren 7 bis 12 in einer Reihe angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren 1 bis 12 sind Teil einer Abstandsmessvorrichtung zur Erfassung des Umfelds des Kraftfahrzeugs 20. Weiterhin ist ein mittels der Ultraschallsensoren zu erfassendes Objekt 19 in der Umgebung des Kraftfahrzeugs 20 dargestellt. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Verkehrshindernis, wie einen Kübel, ein Straßenschild oder eine Laterne sowie auch um ein weiteres Fahrzeug handeln.
Jeder der Ultraschallsensoren 1 bis 12 weist einen elektroakustischen Wandler auf, der durch einen frequenzmodulierten Anregungspuls zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wodurch ein Messsignal 30 durch den Wandler ausgesendet wird. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass die
Ultraschallsensoren am Heck oder an der Front eines Kraftfahrzeugs 20 angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können weitere Ultraschallsensoren beispielsweise im Bereich der Seiten, insbesondere der Türen, des
Kraftfahrzeugs 20 angeordnet sein.
Im Zusammenhang mit dem Ultraschallsensor 3 ist beispielhaft ein Sendekegel eines ausgesendeten Messsignals 30 sowie ein Richtungspfeil 31 dargestellt, der die Senderichtung andeutet. Es ist zu erkennen, dass der Sendekegel das Objekt 19 trifft, so dass das Messsignal 30 teilweise von dem Objekt 19 in Richtung auf den Ultraschallsensor 3 hin in einem zweiten Sendekegel (Echo) 32 reflektiert wird.
Der Ultraschallsensor 3 registriert die Reflexion 32 und es wird die insgesamt zwischen Aussenden des Sendepulses und dem Empfangen der Reflexion verstrichene Zeit bestimmt. Aus der verstrichenen Zeit lässt sich bei bekannter Signalgeschwindigkeit, beispielsweise der Schallgeschwindigkeit in Luft von ca. 343 m/s, der Abstand des Objekts 19 von dem Ultraschallsensor 3 berechnen.
Für die anderen Ultraschallsensoren gilt dasselbe Messprinzip.
Nun kann der Ultraschallsensor 3 nicht nur die von dem Objekt 19 reflektierten Messsignale 32 empfangen sondern auch Ultraschallsignale 33, die von einer anderen Schallquelle 21, beispielsweise einem Fremdfahrzeug ausgehen. Dies kann zu fehlerhaften Messergebnissen führen, oder es werden von dem
Abstandsmesssystem Objekte erkannt, obwohl in der Realität kein Objekt vorhanden ist C.False Positive").
Um diesen Problemen zu begegnen wird der Ultraschallsensor 3 derart betrieben, dass nacheinander mehrere Messzyklen durchgeführt werden. In jedem Messzyklus wird ein anderer Anregungspuls zur Anregung des
elektroakustischen Wandlers verwendet als im vorhergehenden Messzyklus, wobei in zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen sich der jeweilige Frequenzverlauf der Anregungspulse unterscheidet. Dabei wird der
Frequenzverlauf eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt. Insbesondere werden frequenzmodulierte Anregungspulse (Codes) als
Anregungsmuster gewählt, die als sogenannte„lineare FM Chirps" ausgebildet sind. Das bedeutet, dass die Anregungsfrequenz während des Anregungspulses linear von einer Startfrequenz zu einer Zielfrequenz verändert wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art der Frequenzmodulation beschränkt, es sind auch andere Anregungsmuster denkbar, wie etwa auf und dann wieder absteigende Frequenzen während eines Anregungspulses. Weiterhin können beispielsweise auch zumindest abschnittsweise konstante Frequenzverläufe verwendet werden. Dem Fachmann sind hierzu vielfältige weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten bekannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist nun vorgesehen für jeden der Ultraschallsensoren 1 bis 12 die Anregungsmuster (Codes) von Schuss zu Schuss derart zu variieren, dass in zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen sich der jeweilige Frequenzverlauf der Anregungspulse
unterscheidet, wobei der Frequenzverlauf eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.
Beispielhafte Anregungsmuster für die frequenzmodulierten Anregungspulse sind in der Figur in Diagrammen 41-44 aufgezeigt. Dabei ist jeweils die Frequenz gegen die Zeit aufgetragen. Diese Anregungsmuster bilden bevorzugt eine Gruppe, aus der in jedem Messzyklus ein Anregungsmuster als Anregungspuls für den Wandler eines Ultraschallsensors 1 bis 12 ausgewählt wird. Die Auswahl kann dabei entweder per Zufall erfolgen oder nach einer vorbestimmten
Reihenfolge. Die Frequenz fo beträgt in diesem Beispiel 48 kHz, die Pulsdauer T beträgt 1,6 ms.
In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Gruppe von möglichen Anregungsmustern folgende Anregungsmuster (Codes) enthält:
- ein linearer Chirp 41 von einer Startfrequenz fo = 48.5 kHz zu einer
Endfrequenz von fo + Af = 53.5 kHz mit einer Dauer von 1,6 ms (=1600μ5) ausgeführt ist. Diese Form eines Anregungspulses wird im Folgenden mit dem Symbol Cll bezeichnet. - ein linearer Chirp 42 von der Startfrequenz fo = 48 kHz zur Endfrequenz fo - Af = 43 kHz mit einer Dauer von 1,6 ms (=1600μ5) ausgeführt ist. Diese Form eines Anregungspulses wird im Folgenden mit dem Symbol C9 bezeichnet.
- ein linearer Chirp 43 von der Startfrequenz von 54 kHz zur Endfrequenz von 45 kHz mit einer Dauer von 1,6 ms (=1600μ5) ausgeführt ist. Diese Form eines Anregungspulses wird im Folgenden mit dem Symbol C3 bezeichnet.
- ein linearer Chirp 44 von der Startfrequenz von 43.5 kHz zur Endfrequenz von 52.5 kHz mit einer Dauer von 1,6 ms (=1600μ5) ausgeführt ist. Diese Form eines Anregungspulses wird im Folgenden mit dem Symbol C4 bezeichnet.
Diese Anregungsmuster können nun bei jedem der Ultraschallsensoren in einer bestimmten oder zufälligen Reihenfolge ausgeführt werden, wobei bei einem Ultraschallsensor sich jeweils zeitlich aufeinanderfolgende Messzyklen bevorzugt in ihrem jeweiligen Anregungsmuster unterscheiden.
Bevorzugt kann zusätzlich eine Verjitterung des Anfangszeitpunkts to einer Anregung durch einen der Anregungspulse C9, Cll, C3 oder C4 erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung der Anregungsmuster gemäß Figur 2 schematisch und nicht maßstabsgetreu zu verstehen ist.
Ein mögliches Beispiel für den zeitlichen Ablauf der Ansteuerung der
Ultraschallsensoren 1 bis 12 ist in Figur 3 tabellarisch dargestellt.
Die Zeilen der Tabelle beziehen sich dabei auf Zeitintervalle, die für einen Messzyklus zur Verfügung stehen. In einem solchen Zeitintervall erfolgen sowohl die Anregung des elektroakustischen Wandlers als auch das Empfangen reflektierter Ultraschallsignale und die Ermittlung einer Objektinformation. Diese Zeitintervalle können jeweils die gleiche Länge aufweisen, es können aber auch unterschiedliche Längen vorgesehen sein. Die Spalten der Tabelle beziehen sich jeweils auf ein Paar von jeweils an der Front und am Heck angeordneten Ultraschallsensoren 1 und 7, 2 und 8, 3 und 9, 4 und 10, 5 und 11, und 6 und 12, die in diesem Beispiel jeweils gleichzeitig mit dem selben Anregungsmuster angesteuert werden.
In diesem Beispiel werden also der Ultraschallsensor 1 und der Ultraschallsensor 7 zu Beginn des Betriebs der Abstandsmessvorrichtung in einem ersten
Zeitintervall la, entsprechend seinem ersten Messzyklus mit einem
Anregungspuls der Form C3 angesteuert, der jeweilige elektroakustische
Wandler der Ultraschallsensoren 1 und 7 wird also mit einem entsprechenden Anregungspuls beaufschlagt uns sendet jeweils ein entsprechendes Messsignal aus. Zeitgleich werden die Ultraschallsensoren 3 und 9 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert. Ebenfalls zeitgleich werden die Ultraschallsensoren 5 und 11 mit einem Anregungspuls der Form C9 angesteuert.
Zeitlich an das ersten Zeitintervall anschließend werden in einem zweiten Zeitintervall lb das Ultraschallsensorenpaar 2/8 mit einem Anregungspuls der Form C9 angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 4/10 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 6/12 mit einem Anregungspuls der Form C3 angesteuert
In einem zeitlich anschließenden dritten Zeitintervall 2a wird das
Ultraschallsensorenpaar 1/7 mit einem Anregungspuls der Form C4 angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 3/9 mit einem Anregungspuls der Form C9 angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 5/11 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert.
In einem zeitlich anschließenden vierten Zeitintervall 2b wird das
Ultraschallsensorenpaar 2/8 mit einem Anregungspuls der Form Cll
angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 4/10 mit einem
Anregungspuls der Form C9 angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das
Ultraschallsensorenpaar 6/12 mit einem Anregungspuls der Form C4
angesteuert. In einem zeitlich anschließenden fünften Zeitintervall 3a wird das
Ultraschallsensorenpaar 1/7 mit einem Anregungspuls der Form C3 angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 3/9 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 5/11 mit einem Anregungspuls der Form C9 angesteuert.
In einem zeitlich anschließenden sechsten Zeitintervall 3b wird das
Ultraschallsensorenpaar 2/8 mit einem Anregungspuls der Form C9 angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 4/10 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar
6/12 mit einem Anregungspuls der Form C3 angesteuert.
In einem zeitlich anschließenden siebten Zeitintervall 4a wird das
Ultraschallsensorenpaar 1/7 mit einem Anregungspuls der Form C4 angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 3/9 mit einem Anregungspuls der
Form C9 angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 5/11 mit einem Anregungspuls der Form Cll angesteuert.
In einem zeitlich anschließenden achten Zeitintervall 4b wird das
Ultraschallsensorenpaar 2/8 mit einem Anregungspuls der Form Cll
angesteuert. Zeitgleich wird das Ultraschallsensorenpaar 4/10 mit einem
Anregungspuls der Form C9 angesteuert. Ebenfalls zeitgleich wird das
Ultraschallsensorenpaar 6/12 mit einem Anregungspuls der Form C4
angesteuert.
Betrachtet man einen einzelnen Ultraschallsensor bzw. ein
Ultraschallsensorenpaar, so wird aus der Tabelle nach Fig. 3 deutlich, dass jeder Ultraschallsensor bzw. jedes Ultraschallsensorenpaar für sich betrachtet von Schuss zu Schuss (also in zeitlich aufeinanderfolgenden Messzyklen des jeweiligen Sensors bzw. Sensorpaares) sein Anregungsmuster ändert. So wird beispielsweise mit den Ultraschallsensor 1 im ersten Zeitintervall eine Messung durchgeführt. Das erste Zeitintervall entspricht also dem ersten Messzyklus des Ultraschallsensors 1. In diesem ersten Messzyklus wird der elektroakustische Wandler des Ultraschallsensors 1 mit einem frequenzmodulierten Anregungspuls der die Form C3 aufweist zu mechanischen Schwingungen angeregt. Nach Abschluss des Messzyklus bleibt der Ultraschallsensor 1 passiv, bis im dritten Zeitintervall der zweite Messzyklus des Ultraschallsensors 1 durchgeführt wird. In diesem zweiten Messzyklus wird der elektroakustische Wandler des
Ultraschallsensors 1 mit einem frequenzmodulierten Anregungspuls der die Form C4 aufweist zu mechanischen Schwingungen angeregt. Der dritte Messzyklus des Ultraschallsensors 1 findet im fünften Zeitintervall statt. Der vierte
Messzyklus des Ultraschallsensors 1 findet im siebten Zeitintervall statt. In jedem Messzyklus unterscheidet sich damit der Frequenzverlauf des
frequenzmodulierten Anregungspulses. Dies gilt auch für alle anderen
Ultraschallsensoren 2 bis 6.
Ebenfalls wird deutlich, dass benachbart angeordnete Sensoren nicht gleichzeitig betrieben werden.
Im Anschluss an das Aussenden von Messsignalen 30 durch einen der
Ultraschallsensoren 1 bis 12 kann der jeweilige Ultraschallsensor 1 bis 12 ein reflektiertes Ultraschallsignal 32 empfangen. Durch eine entsprechende Filterung der empfangenen Signale, die insbesondere in Form eines„Matched Filters" an den Frequenzverlauf des Anregungspulses angepasst ist, können tatsächliche Echosignale von Fremdsignalen 33 unterschieden werden, indem die
Fremdsignale durch das Filter unterdrückt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführung, dass in zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen sich der jeweilige Frequenzverlauf der Anregungspulse unterscheidet, wobei der
Frequenzverlauf eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird, ist sichergestellt, dass auch bei gleichartig ausgebildeten Abstandsmesssystemen an Fremdfahrzeugen nur eine sehr geringe Chance besteht, dass das fremde Signal 33 genau den gleichen
Frequenzverlauf aufweist, wie das eigene Messsignal 30.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallsensors (1 - 12), wobei eine Mehrzahl von Messzyklen nacheinander durchgeführt werden, wobei in jedem Messzyklus
ein elektroakustischer Wandler des Ultraschallsensors (1 -12) mit einem Anregungspuls zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wodurch ein Messsignal (32) durch den Wandler gesendet wird,
ein Echosignal (12) durch den Wandler empfangen wird aus dem Echosignal eine Objektinformation ermittelt wird, wobei sich der Frequenzverlauf (41, 42, 43, 44) des Anregungspulses in zwei zeitlich nacheinander ausgeführten Messzyklen unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzverlauf (41, 42, 43, 44) eines Anregungspulses in jedem Messzyklus aus einer Gruppe von vorgegebenen Frequenzverläufen zufällig oder nach einer
vorgegebenen Reihenfolge ausgewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
Objektinformationen aus mindestens zwei Messzyklen miteinander verglichen werden und abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs eine Störung erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungspulse eine Gesamtdauer (T) von ΙΟΟμε bis 3000μ5, insbesondere eine Gesamtdauer (T) von ΙΘΟΟμε, aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines ersten Anregungspulses eines ersten Messzyklus sich von der Dauer eines zweiten Anregungspulses eines zweiten Messzyklus unterscheidet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude eines ersten Anregungspulses eines ersten
Messzyklus sich von der Amplitude eines zweiten Anregungspulses eines zweiten Messzyklus unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anregungspuls als frequenzmodulierter
Anregungspuls ausgeführt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anregungspuls, insbesondere durch einen linearen Frequenzverlauf (41, 42, 43, 44), zwischen einer Startfrequenz und einer Endfrequenz moduliert wird, wobei die Startfrequenz und die Endfrequenz aus einem Frequenzbereich zwischen 40 kHz bis 60 kHz gewählt sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Echosignale mittels eines Matched Filters gefiltert werden und abhängig von dem Filterergebnis eine Objektinformation ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Ergebnis des Vergleichs der Objektinformationen aus mindestens zwei Messzyklen eine Wahrscheinlichkeit berechnet wird, dass ein erfasstes Objekt (19) tatsächlich vorhanden ist oder dass eine Fehlmessung vorliegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Messzyklen durchgeführt werden. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier oder mehr Messzyklen vorgesehen sind.
12. Abstandsmessvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug (20), umfassend mindestens einen Ultraschallsensor (1 - 12), der gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 betrieben wird. Abstandsmessvorrichtung umfassend eine Mehrzahl von
Ultraschallsensoren (1 - 12), die gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 betrieben werden, wobei die Ultraschallsensoren (1 - 12) an einem Karosserieteil (27, 28) eines Kraftfahrzeugs (20) in einer Reihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsensoren (1 - 12) derart betrieben werden, dass benachbart zueinander angeordnete Ultraschallsensoren (1 -12) zeitlich nicht überlappende Messzyklen aufweisen.
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