DE102011083337A1

DE102011083337A1 - Verfahren zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eines Fahrzeuges mittels Ultraschall und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011083337A1
Application number: DE102011083337A
Authority: DE
Inventors: Matthias Karl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-03-28
Also published as: CN103827689A; EP2758797A1; CN103827689B; WO2013041294A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eines Fahrzeuges mittels Ultraschall, bei dem ein Ultraschallsensor mittels eines Sendepulses zur Ausendung eines Ultraschallpulses angeregt wird, mindestens ein Messsignal mittels des Ultraschallsensors aus einem gesendeten, an einem Objekt aus der Fahrzeugumgebung reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallpuls erzeugt wird und das Messsignal vor einer Signalauswertung mittels eines Verstärkers verstärkt wird, wobei die Impulsenergie des Sendepulses derart niedrig ausgewählt wird, dass eine Übersteuerungszeit des Verstärkers und/oder eine Nachschwingzeit eines Wandlers des Ultraschallsensors verkürzt wird.

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eines Fahrzeuges mittels Ultraschall und eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeugassistenzsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Heutige Sensoren zur Beobachtung des Umfelds von Fahrzeugen im Ultraschallbereich nutzen den Wandler eines einzigen Ultraschallsensors sowohl zum Senden als auch zum Empfangen.
In der 1 ist ein Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmesssystems 10 dargestellt. Das von einem Signalgenerator 20 erzeugte Sendesignal wird bei diesem System 10 mittels des Wandlers 30 eines Ultraschallsensors 40 ausgesendet. Über den gleichen Wandler 30 werden die Echos empfangen. Da diese Echos sehr leise sind, müssen sie verstärkt werden. Bei den heutigen Systemen werden Verstärker 50 mit sehr hoher und fester Verstärkung V verwendet. Das verstärkte Messsignal U wird weiter an eine Signalauswerteeinheit 60 übertragen.
In der 2 ist der Verlauf der Signalamplitude des Messsignals U am Verstärkerausgang in Abhängigkeit der Laufzeit τ des Ultraschallpulses zur Objektdetektierung exemplarisch dargestellt. Während des Aussendens des Sendesignals im Zeitbereich 0 ≤ τ ≤ T₁ ist der Verstärker 50 aufgrund der sehr hohen Sendeamplitude übersteuert. Die Signalamplitude an seinem Ausgang nimmt dabei den maximal vom Verstärker erzeugbaren Wert U_max ein. Nach Abschalten des Sendesignals muss die im Wandler 30 gespeicherte Schwingungsenergie abgebaut werden. Dabei erzeugt der Wandler hohe Ausgangssignale. Nachteilig ist, dass bei heutigen Sensoren mit hoher fester Verstärkung diese hohen Ausgangssignale (Messsignale) U trotz ihrer Höhe verstärkt werden, bevor sie zur weiteren Verarbeitung zur der Signalauswerteeinheit 60 geleitet werden. In der Praxis führt dies zur Übersteuerung des Verstärkers 50, so dass am Verstärkerausgang auch in der Zeit des Nachschwingens des Wandlers T₁ < τ ≤ T_N eine Signalamplitude größer als die heute üblicherweise verwendete Auswerteschwelle U_S und in der längsten Zeit T₁ < τ ≤ T_Ü sogar gleich dem oberen Verstärkerlimit U_max ist.
Bisher wurde dieser nachteilige Effekt, dass im Entfernungsmessbereich 0 ≤ d ≤ d_N mit d_N = 0,5·c·T_N auf diese Weise keine Objektdetektierung möglich ist, weitgehend akzeptiert und hingenommen. Heute übliche Werte sind:
T₁ = 0,3ms, T_N = 1,2ms und T_Ü ≈ 1,13 ms. In diesem Zusammenhang ergibt sich bei einer Schallgeschwindigkeit c von ca. 331 m/s ein Entfernungsmessbereich d_N von etwa 20 cm, in dem keine Objektdetektierung möglich ist. Von zukünftigen Systemen wird hingegen ein Nahmessbereich von d_N < 15 cm erwartet.
Aus dem Dokument DE 10 2008 054 789 A1 ist ein Verfahren zum Verstärken eines zur Fahrzeugumfelderfassung geeigneten Echosignals bekannt, bei dem das Echosignal mit einem von einer Laufzeit des Echosignals abhängigen Verstärkungsfaktor verstärkt wird. Aus demselben Dokument ist weiterhin bekannt, wie der Auswerteaufwand auch bei moderneren Systemen mittels laufzeitabhängiger Verstärkung reduziert werden kann.
Aus dem Dokument DE 10 2009 002 870 A1 ist eine Ultraschallobjekterfassung mittels einer Variierung einer durch Impulsdauer und Impulsstärke definierten Impulsenergie bekannt. Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, wie die Sendepulsdauer T₁ mittels Fern-Nah-Modulation variiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eines Fahrzeuges mittels Ultraschall bereitgestellt, bei dem ein Ultraschallsensor mittels eines Sendepulses zur Ausendung eines Ultraschallpulses angeregt wird, mindestens ein Messsignal mittels des Ultraschallsensors aus einem gesendeten, an einem Objekt aus der Fahrzeugumgebung reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallpuls erzeugt wird und das Messsignal vor einer Signalauswertung mittels eines Verstärkers verstärkt wird. Dabei wird die Impulsenergie des Sendepulses derart niedrig ausgewählt, dass eine Übersteuerungszeit des Verstärkers während der Laufzeit des Ultraschallpulses und/oder eine Nachschwingzeit eines Wandlers des Ultraschallsensors verkürzt wird.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Ultraschallsensor, der dazu ausgebildet ist, einen Ultraschallpuls auszusenden und ein Messsignal aus einem an einem Objekt aus der Fahrzeugumgebung reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallpuls zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Verstärker zum Verstärken des Messsignals, eine Signalauswerteeinheit zum Auswerten eines verstärkten Messsignals, und einen Signalgenerator, der dazu ausgebildet ist, einen Sendepuls zu erzeugen, den Ultraschallsensor mittels des erzeugen Sendepulses zum Aussenden des Ultraschallpulses anzuregen und die Impulsenergie des Sendepulses derart niedrig einzustellen, dass eine verkürzte Übersteuerungszeit des Verstärkers während der Laufzeit des Ultraschallpulses und/oder eine verkürzte Nachschwingzeit eines Wandlers des Ultraschallsensors auftritt.
Durch die erfindungsgemäße Senkung der Energie des Sendepulses erfolgt eine Reduktion der zuvor angegebenen üblichen Werte der Übersteuerungszeit und/oder der Nachschwingzeit von bis zu 0,35 ms, insbesondere um 0,25 ms bis 0,35 ms, weiter insbesondere um 0,3 ms. Es wurden also Werte von T_N < 1,2 ms und T_Ü < 1,13 ms erreicht, insbesondere T_N = 0,85 ms bis T_N = 0,95 ms und T_Ü = 0,78 ms bis T_Ü = 0,88 ms, weiter insbesondere T_N ≈ 0,9 ms und T_Ü ≈ 0,83 ms.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einfacher Weise eine deutlich verkürzte Übersteuerungszeit des Verstärkers und/oder eine deutlich verkürzte Nachschwingzeit des Wandlers des Ultraschallsensors erreicht, wodurch ein Entfernungsmessbereich, in der keine Objektdetektierung möglich ist, von deutlich unter 15 cm erreicht wird.
Insbesondere wird die Impulsenergie des Sendepulses mittels einer Reduzierung der Sendedauer, bevorzugt um 0,15 ms bis 0,25 ms, weiter bevorzugt um 0,2 ms, wodurch bevorzugt Werte von T₁ = 0,05 ms bis T₁ = 0,15 ms und weiter bevorzugt ein Wert von T₁ = 0,1 ms erreicht werden, und/oder der Amplitude des Sendepulses eingestellt. Dadurch können in einfacher Weise Sendesignale mit niedriger Impulsenergie erzeugt werden.
Vorzugsweise nimmt die Verstärkung während der Laufzeit des Ultraschallpulses derart zu, insbesondere kontinuierlich, dass eine Übersteuerungszeit des Verstärkers während der Laufzeit des Ultraschallpulses und/oder eine Nachschwingzeit eines Wandlers des Ultraschallsensors weiter verkürzt wird. Hier wird erfindungsgemäß eine weitere Verkürzung der Nachschwingzeit T_N und/oder der Übersteuerungszeit T_Ü um bis zu 0,5 ms erreicht, wodurch in dieser bevorzugten Ausführungsform Werte von T_N ≤ 0,7 ms und T_Ü ≤ 0,63 ms, insbesondere T_N ≈ 0,4 ms und T_Ü ≈ 0,33 ms erreicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Sendepulse mit kurzer Sendedauer und bevorzugt reduzierter Signalamplitude verwendet und/oder die Verstärkung des Messsignals vor einer Signalaufbereitung mit der Echolaufzeit variiert, wobei die Verstärkung insbesondere wegen des Ausschwingens des Wandlers anfangs sehr klein ist und langsam zunimmt. Insbesondere kann während des Aussendens des Schallpulses und weiter bevorzugt auch unmittelbar danach der Wert der Verstärkung auch kleiner 1 betragen.
Dadurch kann in einfacher Weise eine weitere Reduzierung der Übersteuerungszeit des Verstärkers und/oder der Nachschwingzeit des Wandlers des Ultraschallsensors erreicht werden, wodurch ein weitere Reduzierung des Entfernungsmessbereichs, in dem keine Objektdetektierung möglich ist, erzielt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Zunehmen der Verstärkung mit lediglich sehr geringem Aufwand durch Umschalten zwischen mindestens zwei verschiedenen festen Verstärkungswerten erreicht, insbesondere beim Vorliegen eines verstärkten, einen Nachschwingschwellwert unterschreitenden, Messsignals.
Erfindungsgemäß wird insbesondere das Zunehmen der Verstärkung in einfacher Weise durch Umschalten zwischen verschiedenen festen Verstärkungswerten erreicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere nach dem Unterschreiten eines Nachschwingschwellwertes (Auswerteschwellwertes) bei einer Empfangsverstärkung auf eine von dieser abweichende und für die weitere Auswertung (Signalaufbereitung) geeignete Verstärkung umgeschaltet.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Fahrzeugassistenzsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren im Detail beschrieben. Dabei ist:
1 ein Blockschaltbild eines Ultraschallmesssystems nach dem Stand der Technik,
2 der Verlauf der Signalamplitude des von dem Ultraschallmesssystem aus der 1 erzeugten und verstärkten Messsignals in Abhängigkeit der Laufzeit eines Ultraschallpulses zur Objektdetektierung nach dem Stand der Technik,
3 ein Blockschaltbild eines Ultraschallmesssystems nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
4 der Verlauf der Signalamplitude des von dem Ultraschallmesssystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung erzeugten und verstärkten Messsignals in Abhängigkeit der Laufzeit eines Ultraschallpulses zur Objektdetektierung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 3 ist ein Blockschaltbild eines Ultraschallmesssystems 11 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das von einem Signalgenerator 21 erzeugte Sendesignal wird bei dem Ultraschallmesssystem 11 mittels des Wandlers 30 eines Ultraschallsensors 40 ausgesendet. Über den gleichen Wandler 30 des Sensors 40 werden Echos empfangen. Da diese Echos sehr leise sind, müssen sie verstärkt werden. Mittels des Verstärkers 51 wird das Messsignal U1 verstärkt und weiter an eine Signalauswerteeinheit 60 übertragen. Die Verstärkungssteuerung 52 variiert die Verstärkung des Verstärkers 51 mit einer zeitabhängigen Verstärkung V(τ).
In der 4 ist der Verlauf der Signalamplitude des von dem Ultraschallmesssystem 11 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung am Verstärkerausgang erzeugten Messsignals U1 in Abhängigkeit der Laufzeit τ des zur Objektdetektierung verwendeten Ultraschallpulses dargestellt. Während des Aussendens des Sendesignals im Zeitbereich 0 ≤ τ ≤ T₁ nimmt die Messsignalamplitude an dem Verstärkerausgang den maximal vom Verstärker 51 erzeugbaren Wert U_max an. Nach Abschalten des Sendesignals muss die im Wandler 30 gespeicherte Schwingungsenergie abgebaut werden. Das Messsignal U1 wird erfindungsgemäß mit der zeitabhängigen Verstärkung V(τ) verstärkt. Die Verstärkungssteuerung 52 erhält von der Sendesignalerzeugung 21 die Information des Sendestopps und optional des Sendebeginns bzw. der Sendedauer und optional der Sendesignalstärke und variiert die Verstärkung des Verstärkers 51 mit der einstellbaren bzw. umschaltbaren Verstärkung V(τ) derart, dass sich eine verkürzte Nachschwingzeit T_N2 sowie eine verkürzte Übersteuerungszeit T_Ü2 ergibt. Je nach Ausgestaltung der nachfolgenden Auswertetechnik kann insbesondere während des Aussendens des Schallpulses und unmittelbar danach der Wert der Verstärkung auch kleiner als 1 betragen. Der Fachmann bezeichnet eine Verstärkung mit einem Wert kleiner 1 auch als Bedämpfung eines Signals.
In der 4 ist zu Vergleichzwecken auch der zeitabhängige Verlauf des aus dem Stand der Technik bekannten Messsignals U mit den entsprechenden Werten der Nachschwingzeit T_N und der Übersteuerungszeit T_Ü dargestellt.
Dabei ist zu erkennen, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Werten der Übersteuerungszeit T_Ü und der Nachschwingzeit T_N deutlich verkürzte Werte der Übersteuerungszeit T_Ü2 und der Nachschwingzeit T_N2 erzielt werden.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 4 verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008054789 A1 [0006]
DE 102009002870 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Erfassung der Fahrzeugumgebung eines Fahrzeuges mittels Ultraschall, bei dem ein Ultraschallsensor (40) mittels eines Sendepulses zur Aussendung eines Ultraschallpulses angeregt wird, mindestens ein Messsignal (U) mittels des Ultraschallsensors (40) aus einem gesendeten, an einem Objekt aus der Fahrzeugumgebung reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallpuls erzeugt wird und das Messsignal (U) vor einer Signalauswertung mittels eines Verstärkers (50) verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie des Sendepulses derart niedrig ausgewählt wird, dass eine verkürzte Übersteuerungszeit (T_Ü2) des Verstärkers (50, 51) und/oder eine verkürzte Nachschwingzeit (T_N2) eines Wandlers (30) des Ultraschallsensors (40) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsenergie des Sendepulses mittels einer Reduzierung der Sendedauer und/oder der Amplitude des Sendepulses eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (V(τ)) während der Laufzeit des Ultraschallpulses (τ) derart zunimmt, dass eine weiter verkürzte Übersteuerungszeit (T_Ü2) des Verstärkers (51) und/oder eine weiter verkürzte Nachschwingzeit (T_N2) des Wandlers (30) des Ultraschallsensors (40) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zunehmen der Verstärkung (V(τ)) durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlich gewählten festen Verstärkungswerten erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem einen Nachschwingschwellwert (U_s) von dem mit einer Empfangsverstärkung verstärkten Messsignal (U1) unterschritten wird, auf eine davon abweichende und für die weitere Signalauswertung geeignete Verstärkung eingestellt wird.
Vorrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ultraschallsensor (40), der dazu ausgebildet ist, einen Ultraschallpuls auszusenden und ein Messsignal (U1) aus einem an einem Objekt aus der Fahrzeugumgebung reflektierten und von dem Ultraschallsensor (40) empfangenen Ultraschallpuls zu erzeugen, ein Verstärker zum Verstärken des Messsignals (U1), eine Signalauswerteeinheit (60), die dazu ausgebildet ist, ein verstärktes Messsignal (U1) auszuwerten, und ein Signalgenerator (21), der dazu ausgebildet ist, einen Sendepuls zu erzeugen, den Ultraschallsensor (40) mittels des erzeugen Sendepulses zum Aussenden des Ultraschallpulses anzuregen und die Impulsenergie des Sendepulses derart niedrig einzustellen, dass eine verkürzte Übersteuerungszeit (T_Ü2) des Verstärkers (50, 51) und/oder eine verkürzte Nachschwingzeit (T_Ü2) des Wandlers (30) des Ultraschallsensors (40) auftritt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (20) dazu ausgebildet ist, die Impulsenergie des Sendepulses mittels einer Reduzierung der Sendedauer und/oder der Amplitude des Sendepulses einzustellen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Verstärkersteuerung (52) zum Variieren der Verstärkung (V(τ)) des Verstärkers (51), die dazu ausgebildet ist, während der Laufzeit (τ) des Ultraschallpulses eine derartige Zunahme der Verstärkung (V(τ)) des Messsignals zu erzeugen, dass eine weiter verkürzte Übersteuerungszeit (T_Ü2) und/oder eine weiter verkürzte Nachschwingzeit (T_N2) des Wandlers (30) des Ultraschallsensors (40) auftritt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkersteuerung (52) dazu ausgebildet ist, das Zunehmen der Verstärkung (V(τ)) durch Umschalten zwischen mindestens zwei verschiedenen festen Verstärkungswerten, insbesondere beim Vorliegen eines verstärkten, einen Nachschwingschwellwert (U_s) unterschreitenden Messsignals (U1) zu erzeugen.
Fahrzeugassistenzsystem mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.