DE102004050794A1

DE102004050794A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes in einer Luftumgebung

Info

Publication number: DE102004050794A1
Application number: DE102004050794A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-04-20
Also published as: FR2876801A1; FR2876801B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung mit einem Sender 3 zur Abstrahlung von Ultraschallwellen und mit einem Empfänger 4 zur Detektion von von dem Sender 3 abgestrahlten und von einem Hindernis reflektierten Ultraschallwellen. Zum Erzielen einer großen Reichweite der Vorrichtung 1 wird unter anderem vorgeschlagen, dass der Sender 3 nebeneinander angeordnet einen ersten Einzelsender 6 zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz F¶1¶ und einen zweiten Einzelsender 7 zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz F¶1¶ verschiedenen Sendefrequenz F¶2¶ aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung, wobei von einem Sender Ultraschallwellen abgestrahlt werden, die eine sich aus einer Überlagerung von eine erste Sendefrequenz aufweisenden Ultraschallwellen und eine zweite Sendefrequenz aufweisenden Ultraschallwellen ergebende, von der ersten Sendefrequenz und der zweiten Sendefrequenz verschiedene Nutzsendefrequenz aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung mit einem Sender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen und mit einem Empfänger zur Detektion von von dem Sender abgestrahlten und von einem Hindernis reflektierten Ultraschallwellen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung, wobei von einem Sender Ultraschallwellen abgestrahlt und von einem Empfänger von dem Sender abgestrahlte und von einem Hindernis reflektierte Ultraschallwellen detektiert werden.

Eine vorgenannte Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren offenbart DE 197 44 185 A1 . Diese Vorrichtung dient zu einer Abstandsmessung mittels Ultraschall mit Hilfe mehrerer, vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug angeordneter Ultraschallwandler. Mit der Vorrichtung wird die Laufzeit von Ultraschallimpulsen von den Ultraschallwandlern zu einem Hindernis und zurück gemessen. Dabei wird von mehreren Ultraschallwandlern gleichzeitig ein Ultraschallimpuls derart gesendet, dass sich die Ultraschallimpulse überlagern und danach mindestens ein Ultraschallwandler Reflexionen des überlagerten Ultraschallimpulses empfängt. Die maximale Reichweite der Abstandsmessung ist begrenzt und liegt bei ca. 4 m. Das Verfahren beruht auf einfacher additiver Überlagerung, wobei die beteiligten Schallkomponenten einschließlich der durch die Überlagerung entstehenden Schallkomponente in einem gleichen Frequenzbereich liegen.

Darüber hinaus ist ein Kollisionssensor für ein Fahrzeug bekannt, der eine in einer vorderen Stoßstange eines Fahrzeugs angeordnete Lichtleitfaser aufweist. Die Lichtleitfaser tritt aus einer an einer Seite positionierten Sendeeinheit hervor. Eine Empfangseinheit empfängt Licht von der Sendeeinheit. Wenn der Lichtmengenempfang abnimmt, gibt ein Detektor ein Kollisionsdetektierungssignal aus. Das Kollisionsdetektierungssignal wird erst ausgegeben, wenn bereits eine Kollision stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine große Reichweite aufweist und zuverlässig ein Hindernis erkennt. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem über eine große Reichweite ein Hindernis zuverlässig detektiert werden kann.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer eingangs genannten Vorrichtung der Sender nebeneinander angeordnet einen ersten Einzelsender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz und einen zweiten Einzelsender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz verschiedenen Sendefrequenz aufweist oder dass der Sender einen Einzelsender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz und von Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz verschiedenen Sendefrequenz aufweist. Die weitere Aufgabe wird mit einem eingangs genannten Verfahren und erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Einzelsender des Senders Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz und ein zweiter Einzelsender des Senders Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz verschiedenen Sendefrequenz abstrahlt oder dass ein Einzelsender des Senders Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz und Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz verschiedenen Sendefrequenz abstrahlt und dass jeweils die von dem Sender abgestrahlten Ultraschallwellen eine sich aus einer Überlagerung der Ultraschallwellen erster Sendefrequenz und der Ultraschallwellen zweiter Sendefrequenz ergebende, von der ersten Sendefrequenz und der zweiten Sendefrequenz verschiedene Nutzsendefrequenz aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Vorrichtung und Verfahren basieren auf einer Nutzung von Ultraschallwellen, das heißt Schall mit Frequenzen über etwa 20 kHz, in einer Luftumgebung. Aufgrund einer Druck-Dichte-Nichtlinearität der Luft ist bei der Erfindung die Nutzsendefrequenz des Senders verschieden sowohl gegenüber der ersten Sendefrequenz als auch gegenüber der von der ersten abweichenden zweiten Sendefrequenz. Die von dem Sender mit der Nutzsendefrequenz, welche sich insbesondere aus dem Betrag der Differenz der ersten und der zweiten Sendefrequenz ergibt, abgestrahlten Ultraschallwellen weisen vorteilhaft eine hohe Richtwirkung auf und bilden eine weit reichende Ultraschallkeule mit kleinem Öffnungswinkel und ohne Nebenkeulen. Der Sender arbeitet als parametrischer Ultraschallsender. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorschlägen, nach denen Sender-Empfänger-Sensoren vorgesehen sind, die im so genannten Puls-Echo-Betrieb eingesetzt werden, weist die Erfindung den Vorteil auf, dass der Sender ausschließlich als Ultraschallsender und der Empfänger als Ultraschallempfänger arbeitet, wodurch der Puls-Echo-Betrieb entfallen und der Empfang durch konventionelle, permanent auf Empfang geschaltete Ultraschallsensoren erfolgen kann. Dadurch fällt zudem nicht nur die so genannte Blindzone weg, sondern es erfolgt auch eine Vereinfachung der elektronischen Ansteuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei der Erfindung ist die Abnahme des Ultraschallpegels mit dem Abstand vorteilhaft geringer als bei bekannten Punktschallquellen. Als weiteren Vorteil bietet die Erfindung eine kurze Wandlereinschwingzeit und Wandlerausschwingzeit und damit eine Abstandsmessung bis auf kurze Entfernungen sowie eine Messung mit schneller Impulsfolge. Es können sehr kurze Ultraschallimpulse mit hoher Wiederholrate realisiert werden. Grundsätzlich können zwei, jeweils eine bestimmte, aber voneinander verschiedene Sendefrequenz abstrahlende Einzelsender oder ein Einzelsender, mittels dessen sowohl die erste Sendefrequenz als auch die zweite Sendefrequenz abstrahlbar ist, für den Sender verwendet werden; im letztgenannten Fall ist der Einzelsender als Breitbandwandler (zum Beispiel Sell-Wandler) oder für zwei Sendefrequenzen ausgelegt. Aufgrund der großen Reichweite und der ausgeprägten Richtwirkung eignet sich die Erfindung besonders für Kraftfahrzeuge und zwar beispielsweise in Verbindung mit dem Fahrerassistenz-System Adaptive Cruise Control (ACC); aber zum Beispiel auch ein vorteilhafter Einsatz der Erfindung in Zusammenhang mit einer Einparkhilfe und/oder einer Parklückenvermessung ist denkbar. Die Erfindung eignet sich in vorgenanntem Zusammenhang gleichermaßen für Personenkraftwagen wie für Nutzfahrzeuge.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Sender mindestens vier Einzelsender auf wobei die Anzahl der Ultraschallwellen mit der ersten Sendefrequenz abstrahlenden Einzelsender der Anzahl der Ultraschallwellen mit der zweiten Sendefrequenz abstrahlenden Einzelsender entspricht. Bei einer ungeraden Gesamtanzahl von Einzelsendern differiert die Anzahl der mit der jeweiligen Sendefrequenz arbeitenden Einzelsendern um eins, was aber für die Erfindung unschädlich ist.

Die Reichweite der Vorrichtung kann vorteilhaft weiter vergrößert und ihre Messgenauigkeit zusätzlich erhöht werden, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Einzelsender in dem Sender in regelmäßiger Gruppierung angeordnet sind. Die Einzelsender bilden somit ein parametrisches Array als Sendearray. Die Bündelung der abgestrahlten Ultraschallwellen ist vorteilhaft erhöht.

Man könnte sich vorstellen, dass der Sender starr an dem bewegbaren Objekt angeordnet ist und die Ultraschallkeule in voreingestellter, unveränderbarer Richtung abstrahlt. Hingegen ist es insbesondere für eine flächige Überdeckung des Umfeldes des bewegbaren Objektes und für eine besonders zuverlässige Hinderniserkennung von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung der Sender eine Schwenkvorrichtung zum Verschwenken einer von dem Sender abgestrahlten Ultraschallkeule aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Einzelsender kostengünstig und einfach herstellbar auf einem um eine Schwenkachse verdrehbaren Träger angeordnet. Der Träger kann beispielsweise eine motorisch verschwenkbare Platte sein; je nach Anforderung ist ein Verschwenken um eine oder mehrere Achsen, zum Beispiel auch ein räumlich freies Verschwenken, vorzusehen.

Eine im mechanischen Aufbau sehr einfache Schwenkvorrichtung wird erhalten, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Schwenkvorrichtung eine Ansteuervorrichtung zu einem phasenversetzten Ansteuern der Einzelsender aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine sehr hohe Betriebssicherheit und zuverlässige Hinderniserkennung auf wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die von dem Sender abstrahlbaren Ultraschallwellen eine Nutzsendefrequenz von in etwa 50 kHz aufweisen. Dabei kann die Nutzsendefrequenz in einem Bereich von ca. 40 kHz bis ca. 60 kHz liegen, wobei sich der Wert von 50 kHz für die Nutzsendefrequenz einerseits als besonders unanfällig für in der Umwelt auftretbare potentielle Störfrequenzen und andererseits als die Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund der Dämpfungseigenschaften der Luft nicht unerwünscht schmälernd herausgestellt hat. Zudem hat eine Nutzsendefrequenz von 50 kHz den weiteren Vorteil, dass als Empfänger bereits am Markt befindliche, leistungsstarke Ultraschallsensoren in kostengünstiger Weise für die Erfindung verwendet werden können.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der Sender und der Empfänger in einem Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug angeordnet und können so in präziser geometrischer Zuordnung eine vorfertigbare Einheit zum Anbau an ein Kraftfahrzeug bilden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ultraschallwellen von dem Sender gepulst abgestrahlt. Die erfindungsgemäße parametrische Schallerzeugung ermöglicht eine Erzeugung sehr kurzer Ultraschallwellenbündel mit hoher Wiederholrate, wodurch vorteilhaft einerseits eine Pulsmodulation zu einer Kodierung verwendet und andererseits mittels einer hohen Messrate die grundsätzlich jedem physikalischen Messverfahren innewohnende Messunsicherheit erheblich verringert werden kann.

Zeichnung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen
1 einen Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug mit einem Sender und mehreren Empfängern,
2 bis 6 verschiedene Feldanordnungen von Einzelsendern,
7 einen Sender mit einer Ultraschallkeule,
8 einen weiteren Sender mit einer Ultraschallkeule und
9 eine Beobachtung mehrerer Fahrbahnen mit einer Vorrichtung zur Umfelderfassung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In sämtlichen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Umfelderfassung in einer Luftumgebung eines als Kraftfahrzeug ausgebildeten bewegbaren Objektes dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen Stoßfänger 2 für das Kraftfahrzeug auf. In dem Stoßfänger 2 ist ein Sender 3 zur Abstrahlung von Ultraschallwellen angeordnet. Außerdem sind in dem Stoßfänger 2 insgesamt vier Empfänger 4 zur Detektion von von dem Sender 3 abgestrahlten und von einem Hindernis reflektierten Ultraschallwellen vorgesehen.
Die Empfänger 4 und der Sender 3 sind elektrisch mit einer Ansteuervorrichtung 5 verbunden, die auch der Signalauswertung dient. Der Sender 3 weist nebeneinander angeordnet einen ersten Einzelsender 6, von dem Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz F₁, beispielsweise 120 kHz, abstrahlbar sind, und einen zweiten Einzelsender 7, von dem Ultraschallwellen mit einer zweiten Sendefrequenz F₂, beispielsweise 70 kHz, abstrahlbar sind, auf. Bei dem genannten Zahlenbeispiel ergibt sich für die von dem Sender 3 abstrahlbaren Ultraschallwellen eine Nutzsendefrequenz F_N von 50 kHz als Differenz der einzelnen Sendefrequenzen. Für eine hohe Effizienz der Vorrichtung 1 liegen die Sendefrequenzen F₁, F₂ nahe bei der Nutzsendefrequenz F_N.
In 2 bis 6 sind jeweils für einen parametrisch arbeitenden Sender 3 verschiedene Feldanordnungen von Einzelsendern 6, 7 als Sendearray 10 gezeigt, wobei mit einer ersten Sendefrequenz arbeitende Einzelsender 6 mit einer waagerechten Schraffur und mit einer zweiten Sendefrequenz arbeitende Einzelsender 7 mit einer senkrechten Schraffur dargestellt sind. Die Sender 3 nach 2 bis 6 können zum Beispiel als Sender 3 in dem Ausführungsbeispiel nach 1 vorgesehen sein.
Es ist zu erkennen, dass die Feldanordnungen der Einzelsender 6, 7 in dem jeweiligen Sender 3 in regelmäßiger Gruppierung erfolgen, die Einzelsender 6, 7 bilden ein Array. Die verschiedenen Anordnungen sind verantwortlich für die Durchmischung der von den Einzelsendern 6, 7 abgestrahlten Ultraschallwellen mit erster und mit zweiter Sendefrequenz. Beispielsweise sind die Anordnungen nach 3, 6 vorteilhaft für ein Rechts-Links-Schwenken einer Ultraschallkeule des Senders 3.
7 zeigt einen Sender 3 mit einer von dem Sender 3 abgestrahlten Ultraschallkeule 8. Der Sender 3 weist eine Schwenkvorrichtung 9 zum Verschwenken der Ultraschallkeule 8 auf. Dazu sind in einem Sendearray 10 angeordnete, mit unterschiedlicher Sendefrequenz Ultraschallwellen abstrahlende Einzelsender 6, 7 des Senders 3 auf einem von einer Platte gebildeten Träger 11 angeordnet; der Träger 11 ist – durch einen Doppelpfeil 13 symbolisch angedeutet – um eine Schwenkachse 12 verdrehbar.
Einen weiteren Sender 3 mit einer Ultraschallkeule 3 zeigt 8, wobei die Ultraschallkeule 3 in unverschwenkter Position gestrichelt und in verschwenkter Position mit durchgezogener Linie dargestellt ist. Das Verschwenken der Ultraschallkeule 8 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch phasenversetztes Ansteuern (ΔΦ) von Einzelsendern 6, 7 unterschiedlicher Sendefrequenz, die in einem Sendearray 10 des Senders 3 angeordnet sind, mittels einer Ansteuervorrichtung 5.
9 zeigt eine Beobachtung mehrerer Fahrbahnen mit einer Vorrichtung 1 zur Umfelderfassung eines Kraftfahrzeugs 14 mittels zweier Ultraschallkeulen 8, 15. Alternativ kann auch eine verschwenkbare Ultraschallkeule 8 vorgesehen sein. Es lassen sich mit der Vorrichtung 1 erkannte Hindernisse, hier vorausfahrende Kraftfahrzeuge 16, 17, gezielt verfolgen, wodurch zusätzliche Informationen beispielsweise für Fahrerassistenzsysteme gewonnen werden können.

Claims

Vorrichtung zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung mit einem Sender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen und mit einem Empfänger zur Detektion von von dem Sender abgestrahlten und von einem Hindernis reflektierten Ultraschallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) nebeneinander angeordnet einen ersten Einzelsender (6) zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz (F₁) und einen zweiten Einzelsender (7) zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz (F₁) verschiedenen Sendefrequenz (F₂) aufweist oder dass der Sender (3) einen Einzelsender zur Abstrahlung von Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz (F₁) und von Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz (F₁) verschiedenen Sendefrequenz (F₁) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) mindestens vier Einzelsender (6, 7) aufweist, wobei die Anzahl der Ultraschallwellen mit der ersten Sendefrequenz (F₁) abstrahlenden Einzelsender (6) der Anzahl der Ultraschallwellen mit der zweiten Sendefrequenz (F₂) abstrahlenden Einzelsender (7) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelsender (6, 7) in dem Sender (3) in regelmäßiger Gruppierung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) eine Schwenkvorrichtung (9) zum Verschwenken einer von dem Sender (3) abgestrahlten Ultraschallkeule (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelsender (6, 7) auf einem um eine Schwenkachse (12) verdrehbaren Träger (11) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkvorrichtung eine Ansteuervorrichtung (5) zu einem phasenversetzten Ansteuern der Einzelsender (6, 7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Sender (3) abstrahlbaren Ultraschallwellen eine Nutzsendefrequenz (F_N) von in etwa 50 kHz aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3) und der Empfänger (4) in einem Stoßfänger (2) für ein Kraftfahrzeug angeordnet sind.
Verfahren zur Umfelderfassung eines bewegbaren Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, in einer Luftumgebung, wobei von einem Sender Ultraschallwellen abgestrahlt und von einem Empfänger von dem Sender abgestrahlte und von einem Hindernis reflektierte Ultraschallwellen detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Einzelsender (6) des Senders (3) Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz (F₁) und ein zweiter Einzelsender (7) des Senders (3) Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz (F₁) verschiedenen Sendefrequenz (F₁) abstrahlt oder dass ein Einzelsender des Senders (3) Ultraschallwellen mit einer ersten Sendefrequenz (F₁) und Ultraschallwellen mit einer zweiten, von der ersten Sendefrequenz (F₁) verschiedenen Sendefrequenz (F₂) abstrahlt und dass jeweils die von dem Sender (3) abgestrahlten Ultraschallwellen eine sich aus einer Überlagerung der Ultraschallwellen erster Sendefrequenz (F₁) und der Ultraschallwellen zweiter Sendefrequenz (F₂) ergebende, von der ersten Sendefrequenz (F₁) und der zweiten Sendefrequenz (F₂) verschiedene Nutzsendefrequenz (F_N) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen von dem Sender (3) gepulst abgestrahlt werden.