Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Umfeldsensorik Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Umfeldsensorik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur verbesserten Umfeldsensorik auf Basis von

Ultraschallsignalen.

Umfeldsensorik, insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, wird beispielsweise dazu verwendet, den Abstand zwischen einem Fahrzeug und einem Umgebungsobjekt auf Basis von Laufzeituntersuchungen am

Umgebungsobjekt reflektierter Signale festzustellen. Insbesondere weisen die

Vorrichtungen zur Umfeldsensorik dabei Einheiten auf, mittels welcher Signale in die Fahrzeugumgebung abgestrahlt werden, deren Echos mittels Empfängern ermittelt und auf Basis der Laufzeit auf die durchlaufene Signalstrecke geschlossen wird. Bei dieser Signalauswertung wird auch bei der akustischen Umfeldüberwachung das Empfangssignal mittels Filtern derart überwacht, dass beim Eintreffen von Nutzsignalen, insbesondere beim Eintreffen von an

Umgebungsobjekten reflektierten Signalen (Echos) sich die Filterausgangsgröße stark an einem für ein solches Ereignis charakteristischen Wert orientiert, während beim Eintreffen anderer und nicht mit dem ausgesendeten Signal verwandter Signale (Störsignale) die Filterausgangsgröße einen anderen Wert aufweist, welcher sich von der Filterausgangsgröße auf Basis des Nutzsignals stark unterscheidet. Beispielsweise kann zur Identifikation eines Echos einer bestimmten Frequenz ein Bandpassfilter mit einer entsprechenden

Mittenfrequenz verwendet werden, so dass insbesondere beim Eintreffen von Signalen mit einer Frequenz, welche der des erwarteten Signals ähnlich ist, eine signifikante Ausgangsgröße erzeugt wird, während durch frequenzmäßig wenig konzentrierte Störsignale nur wenig Energie am Filterausgang hervorrufen werden. Moderne Systeme verwenden dabei häufig sogenannte angepasste Filter. Diese in der Fachwelt als Matched-Filter bezeichneten

Filtercharakteristiken leiten sich zumeist aus dem unter idealen Bedingungen aufgenommenen ungefilterten Echosignal ab. Zumeist wird das Filter mittels Korrelation dieses idealen Echosignals mit dem Empfangssignal realisiert.

Charakteristisch dabei ist, dass die Impulsantwort eines solchen Empfangsfilters zumindest so lange andauert, wie das Sendesignal der entsprechenden

Vorrichtung zur Umfeldsensorik andauert. Je länger solche Filterdauern sind, desto exakter ist die Wirkung des Filters hinsichtlich des durchgelassenen Spektrums ("Frequenzselektivität"). Entsprechend geringer ist bei langem Filtern die Wahrscheinlichkeit, dass zufällig verteilte Signale ein solches

Filterausgangssignal erzeugen, welches mit eintreffenden Echos übereinstimmt oder diesen nahekommt. Eine entsprechende Länge der Impulsantwort des Filters ist somit eine wesentliche Größe zur erfolgreichen Unterdrückung von Rauschen, mit welcher die Wirksamkeit des Filters hinsichtlich des

Frequenzbereiches beschrieben und bestimmt werden kann. Bei derzeit am Markt befindlichen Umfeldüberwachungssystemen wird zwar nicht immer ein Matched-Filter im engeren Sinne realisiert, jedoch sind äquivalente Größen bereits heute in der Verwendung. Beispielsweise sind Systeme bekannt, welche statt der Filterdauer eine Mindestzeit einer Schwellenwertüberschreitung verwenden, um die Auswertung von Echos gegen kurzzeitige Störungen robuster zu gestalten. Mit anderen Worten überwachen heutige Sensoren während der gesamten Echolaufzeit, d.h. nach Ende der Anregung oder nach Abklingen des Ausschwingens der Sendemembran bis zum Ende des Echozyklus', ob ein eintreffendes Signal mindestens eine vordefinierte Filterdauer über anlag. Dabei muss bei einem Sendepuls von ca. 0,3 ms (üblicher Wert für eine

Sendesignaldauer) das aufbereitete Empfangssignal einen veranschlagten Schwellwert mindestens 0,12 ms lang überschreiten, ehe das Signal als

Echosignal anerkannt wird. Bei der vorgenannten Sendepulsdauer von 0,3 ms hat sich eine erforderliche Schwellwertüberschreitung für eine Dauer von mindestens 60% der Sendepulsdauer, d.h. für mindestens 0,2 ms, als besonders effektiv herausgestellt. Jedoch sind insbesondere zu Beginn eines

Direktechozyklus' (also der Echozyklus eines Sensors, der zu Beginn des Echozyklus' selbst das Signal ausgesendet hatte) solch lange Filterimpulslängen nachteilig. Schließlich muss das Empfangssignal vor der Auswertung mindestens während der Impulsantwort des Filters anliegen, ehe ein ggf. enthaltenes und identifiziertes Echo auch als gültiges Echo erkannt wird. Je länger die Filterimpulsantwort ist, desto weiter weg liegt zwar grundsätzlich die obere Grenze des Entfernungsmessbereiches, die sogenannte Reichweite, da mit der Zeit abnehmende Nutzsignale besser und länger von Störgeräuschen getrennt werden können. Jedoch bedeutet eine längere Filterimpulsantwortlänge auch eine längere Zeitdauer, bis das Filter auf das Eintreffen eines Echos infolge eines

Reflexpunktes reagiert und seinen maximalen Filterausgangswert erreicht hat sowie danach eine längere Zeitdauer bis das Filter seine Reaktion auf das Eintreffen des Echos beendet hat. In Filtern mit längerer Impulsantwort ist daher die Verweildauer von empfangenen Echos größer als in Filtern mit kurzer Impulsantwort. Je größer die Verweildauer eines Echos in einem Filter ist, desto größer muss der zeitliche Abstand von zwei aufeinander folgend auf den Sensor eintreffenden Echos sein, damit mit dem Filter die unterschiedlichen

Echolaufzeiten noch voneinander separiert werden können, da das

Messverfahren das Vorhandensein von Objekten aus der Echolaufzeit ableitet. Um eine hohe Trennfähigkeit von eng laufzeitmäßig aufeinander folgenden

Reflexpunkten, bzw. den an ihnen reflektierten Echos, die entsprechend eng aufeinander folgen bzw. sogar teilweise miteinander überlagert vom Sensor aufgenommen werden, mit einem Filter realisieren zu können, sollte das Filter eine entsprechend kurze Impulsantwort aufweisen.

Dokument EP 2 251 710 A2 beschreibt eine Modulation, bei der kurze und lange Pulse in Pulsbündeln zusammengefasst werden, um eine hohe Messrate bei hoher Ortsauflösung in Sensornähe zu erreichen. Gleichzeitig können bei diesem Verfahren energiereiche lange Pulse zum Erreichen eines hohen Signal-Rausch- Abstandes in der Ferne verwendet werden.

WO 2010 063510 A1 beschreibt eine Modulation mit zeitvarianter

Sendesignalfrequenz. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwerfen, das eine kleine Nahmessgrenze und eine gute Rauschunterdrückung ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7. Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umfeldsensorik einen Signalwandler und eine Auswerteeinheit auf. Mittels des Signalwandlers ist die Vorrichtung eingerichtet, aus der

Umgebung der Vorrichtung stammende Signale in elektrische Signale zu wandeln. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, die vom Signalwandler zur Verfügung gestellten Signale auszuwerten, insbesondere zu filtern. Der

Signalwandler kann dabei beispielsweise ein Radarsensor, ein Schallwandler, insbesondere ein Ultraschallwandler oder ein anderes Wandlerelement zur Wandlung zur Umfeldsensorik geeigneter Signale umfassen. Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Signallaufzeit-abhängige Filterung der vom Signalwandler empfangenen Signale durchzuführen, wobei zu einem ersten

Zeitpunkt eine Impulsantwort erster Länge für die Filterung verwendet wird und zu einem zweiten Zeitpunkt innerhalb eines selben Messzyklus eine zweite Impulsantwort einer zweiten, längeren Länge des Filters verwendet wird. Mit anderen Worten wird das Filter im Laufe eines Messzyklus' (die Zeit zwischen einem Aussenden eines Signals in die Umgebung bis zu dem Zeitpunkt, an dem kein infolge des Aussendens entstandenes Echo von der Umgebung mehr erwartet wird) hinsichtlich der Verweildauer eines Echoimpulses in dem Filter, d.h., der Zeitdauer, die von der ersten Reaktion des Filterausgangs auf das Eintreffen eines Echoimpulses bis zur letzten Reaktion des Filterausgangs auf das Eintreffen eines Echoimpulses, verstreicht so modifiziert, dass eine niedrigere Verweildauer für frühe Echos Verwendung findet, während eine höhere Verweildauer für später eintreffende Echos vorgesehen wird. Dabei kann die Umschaltung je nach Filtertyp unterschiedlich erfolgen. Im Bereich der vorliegenden Erfindung sind somit sowohl Filter zu verstehen, welche lediglich zwei unterschiedliche Filterlängen laufzeitabhängig verwenden, als auch mehrstufige oder gar kontinuierlich laufzeitabhängige Filterlängenanpassungen. Da frühzeitig eintreffende Echos im Allgemeinen eine gegenüber dem

Rauschpegel auf der Empfangsstrecke deutlich erhöhte und damit klar identifizierbare Pegel aufweisen, kann durch eine ungenauere, jedoch schnellere Filterung eine feinere Trennung von aufeinanderfolgend eintreffenden Echos und damit ein geringerer Mindestabstand für laufzeitmäßig benachbarte

Umgebungsobjekte realisiert werden. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß für später eintreffende Echos, welche im Allgemeinen vergleichsweise schwerer gegenüber dem Rauschen auf dem Empfangszweig identifizierbar sind, eine exaktere Filterung veranschlagt, welche zwar länger dauert, für im Rauschen versinkende Empfangssignale jedoch eine verbesserte Detektierbarkeit gewährleistet. Filter mit kurzer Impulsantwort weisen bekanntlich im Allgemeinen eine höhere Bandbreite im Frequenzgang auf als Filter mit langer Impulsantwort. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur akustischen

Umfeldsensorik, insbesondere unter Verwendung von Ultraschallsignalen, eingerichtet. Vorteilhafterweise sind Ultraschallsignale für Mensch und Technik bei geeigneter Dosierung ungefährlich und die erforderlichen Wandler sowie Auswerteeinheiten als Massenware vergleichsweise kostengünstig erhältlich.

Weiter bevorzugt kann die Vorrichtung selbst auch zur Aussendung von Signalen mittels eines Signalwandlers eingerichtet sein. Dabei ist es sowohl möglich, denselben Signalwandler zum Aussenden und zum Empfangen von Signalen zu verwenden, wie auch separate Sender und Empfänger im Verbund der

Vorrichtung vorzusehen. Während reine Empfänger ein geringeres Maß an Wandlerrobustheit erfordern, bieten Sendeempfänger die Möglichkeit, mehrere Funktionen innerhalb ein und derselben Einheit zu vereinen und

Anschlussleitungen gleich mehrfach zu verwenden.

Weiter bevorzugt kann die Vorrichtung eingerichtet sein, auch den

Filterfrequenzgang über der Zeit, insbesondere im Bezug auf einen Messzyklus, zu verändern. Auf diese Weise können auch über der Frequenz veränderliche

Sendesignale sicher aus dem Umgebungsgeräusch herausgefiltert werden. Insbesondere ist die Aussendung frequenzveränderlicher Signale mit dem Filterfrequenzgang im Empfangspfad der Vorrichtung synchronisiert, so dass eine besonders sichere Erkennung erfolgen kann. Ebenso kann auf diese Weise eine Trennung eintreffender Echos von den mit Eigenresonanzfrequenz ausklingenden Wandlersignalen getrennt werden.

Weiter bevorzugt kann eine zeitveränderliche Schwellgröße verwendet werden, um aus dem eintreffenden Signal mögliche Echos zu erkennen. Indem mit zunehmender Echolaufzeit auch die Echosignalamplituden tendenziell abnehmen, kann die Erkennungssicherheit gegenüber dem Ausschwingsignal eines ehemals sendenden Signalwandlers sowie dem Hintergrundrauschen des Systems erhöht werden, ohne dass zu einem späteren Zeitpunkt eintreffende Echos grundsätzlich unter dem Schwellwert verbleiben.

Generell leuchtet dem Fachmann ein, dass die vorliegende Erfindung mit vielfältigen im Stand der Technik bekannten und bewährten Funktionen und

Merkmalen kombinierbar ist, welche eine gattungsgemäße Umfeldsensorik begünstigen, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung hierdurch zu verlassen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Umfeldsensorik vorgeschlagen, gemäß welchem ein

signallaufzeitabhängiges Filtern aus einer Umgebung empfangener Signale vorgeschlagen wird. Dabei wird innerhalb eines Messzyklus' zu einem ersten Zeitpunkt eine Impulsantwort einer ersten Länge des verwendeten Filters zugrunde gelegt und zu einem zweiten (späteren) Zeitpunkt eine Impulsantwort einer zweiten und längeren Länge für die Filterung zugrunde gelegt. Mit anderen Worten wird zu einem ersten Zeitpunkt eine kürzere Verarbeitungszeit mittels des Filters vorgeschlagen, während zu einem späteren Zeitpunkt eine längere Verarbeitungszeit zur Realisierung einer besseren spektralen Trennung des Nutzsignals vom Hintergrundrauschen und anderen Störsignalen in Kauf genommen wird. Es sei dabei in Verbindung mit beiden erfindungsgemäßen Aspekten darauf hingewiesen, dass dem Fachmann für Signalverarbeitung viele ähnliche Begriffe geläufig sind, um die Frequenzauflösung bzw. die mit der Impulsantwortlänge eines Filters verknüpften Größen auszudrücken, und dass in Abhängigkeit des verwendeten Filters (analoges Filter, digitales Filter etc.) unterschiedliche Begriffe verwendet werden können, um nachrichtentechnisch identische oder äquivalente Zusammenhänge zu beschreiben, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung hierdurch zu verlassen. Für die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemachten

Ausführungen entsprechend, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen und der Übersichtlichkeit halber auf die in Verbindung mit dem erstgenannten Aspekt der vorliegenden Erfindung gemachten Ausführungen verwiesen wird.

Der Vollständigkeit halber sei darauf verwiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt bei der Verwendung in Abstandsmesssystemen für Automobile ausgestaltet werden können. Die erforderlichen Signalwandler können hierbei insbesondere im Bereich von Stoßfängern eines Fahrzeugs angeordnet und entsprechend den vorgenannten Erfindungsaspekten betrieben werden. Als Auswerteeinheit kann dabei ein ohnehin im Fahrzeug verbauter Mikroprozessor mittels Softwarecode eingerichtet werden, so dass zusätzliche Hardware für eine Auswerteeinheit nicht erforderlich ist.

Kurzbeschreibung der Figuren

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnung sind:

Figur 1 eine schematische Ubersicht über Komponenten gemäß einem

Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Figur 2 ein Zeitdiagramm für mittels einer in Figur 1 gezeigten

Vorrichtung aufgenommene Ultraschallsignale bei einer Filterung mit kürzerer Impulsantwort; und

Figur 3 ein Zeitdiagramm für mittels einer in Figur 1 gezeigten

Vorrichtung aufgenommene Ultraschallsignale bei einer Filterung mit einer längeren Impulsantwort.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht über Komponenten einer Vorrichtung 10 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Darin ist ein Ultraschallwandler 1 , der als Sendeempfänger ausgestaltet ist, mit einem Mikroprozessor 2 als Auswerteeinheit über einen Bandpassfilter 3 verbunden. Dabei ist der Mikroprozessor eingerichtet, den Bandpassfilter 3 zu steuern. Ein Objekt O in Form eines Normzylinders befindet sich im Erfassungsbereich des Ultraschallwandler 1. Dabei ist die Vorrichtung 10 mindestens eingerichtet, die folgenden Schritte durchzuführen. Zu Beginn eines Messzyklus' wird durch die dargestellte Vorrichtung 10 oder einen benachbarten Ultraschallwandler (nicht dargestellt) ein Signal in Richtung des Objektes O abgestrahlt. Zu diesem

Zeitpunkt richtet der Mikroprozessor 2 den Bandpassfilter 3 zur Filterung mit einer kurzen Impulsantwort ein, wobei die Berechnung des Ergebnisses im Frequenzbereich zwar etwas ungenauer ist, jedoch schneller durchgeführt und zum Ergebnis gebracht werden kann. Mit voranschreitender Zeit, welche mit einem höheren zu erwartenden Objektabstand übereinstimmt, verändert der Mikroprozessor 2 die Filtercharakteristik des Bandpassfilters 3 zumindest dahingehend, dass dieser eine längere Impulsantwort als zuvor zur Filterung mittels des Ultraschallwandler 1 empfangener Signale verwendet. Da nach längerer Signallaufzeit die zu erwartenden Echos aufgrund der erhöhten

Laufstrecke erwartungsgemäß eine geringere Amplitude aufweisen, laufen die Echos zunehmend Gefahr, im Rauschen des Systems und/oder in empfangenen

Störsignalen "unterzugehen". Eine erhöhte Frequenzauflösung trägt nun dazu bei, die oftmals schmalbandigen Ultraschallechos aus dem breitbandigen Signalrauschen zu extrahieren und zuverlässig erkennen zu können. Der Effekt der laufzeitabhängigen Impulsantwortlänge wird in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 nachfolgend veranschaulicht.

Figur 2 zeigt zwei Zeitsignale S1 , S2, welche mittels eines Ultraschallwandlers 1 als Signalwandler aufgenommen und durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 bei Zugrundelegung unterschiedlich langer Impulsantworten gemessen wurden. Auf der Ordinate ist die Signalspannung des Filterausgangs in Volt logarithmisch aufgetragen, während die Abszisse den Abstand des

reflektierenden Objekts anzeigt. Dargestellt sind die Ausgangssignale zweier Filter, die jeweils die Hüllkurve aus dem Eingangssignal bilden, mit

unterschiedlicher Impulsantwort, und die beide ein und das gleiche

Eingangssignal ausgewertet haben. Das Filtereingangssignal stammt vom Sensor 1 , der die Überlagerung von mehreren Echos empfängt, die von laufzeitmäßig eng aufeinander folgenden Reflexpunkten reflektiert wurden. Der Signalverlauf S1 stammt von einem Filter mit kurzer Impulsantwort, während der Signalverlauf S2 von einem Filter mit längerer Impulsantwort stammt. Jedes der mit schwarzen Quadraten gekennzeichneten lokalen Maxima des Signalverlaufs S1 repräsentiert die Laufzeit eines Reflexpunktes. Dank der kurzen

Filterimpulsantwort führt jeder Reflexpunkt zu einem eigenständigen lokalen Maximum im Signalverlauf S1 . Der Signalverlauf S2 stammt von dem Filter, dessen Impulsantwort an die Länge des ausgesandten akustischen Messpulses angepasst wurde, und dessen Impulsantwort länger als die des zum

Signalverlauf S1 führenden Filters war. Ein Vergleich zeigt, dass im Signalverlauf S2 nicht mehr alle Reflexe zu einem eigenständigen Maximum führen, wodurch anhand des Signalverlaufes S2 nicht mehr jeder Reflexpunkt eigenständig detektiert werden kann. Je länger also die Impulsantwort des Filters ist, desto mehr sind durch das Filter laufzeitmäßig eng aufeinander folgend verarbeitete Echos miteinander überlagert, so dass sich beispielsweise viele kleine Echos von einem rauen Untergrund im Filter überlagern, womit am Filterausgang ein überproportional lautes Signal entsteht.

Figur 3 zeigt die gleichen bereits in Figur 2 dargestellt Signalverläufe in abgewandelter Form und über einen größeren Messbereich. Dargestellt ist weiterhin der Verlauf des Echopeak, den ein und das gleiche Referenzobjekt bei dem jeweiligen Abstand haben wird. Insbesondere anhand des Signalverlauf S1 des Filters mit kürzerer Impulsantwort ist ersichtlich, dass die Signalwerte um so stärker schwanken, je leiser das Signal wird. Das ist die Folge von additivem Rauschen. Beim Signalverlauf S2 sind die Schwankungen im Vergleich zum

Signalverlauf S1 jeweils nicht so groß, da das zugehörige Filter aufgrund seiner hier um Faktor 3 längeren Impulsantwort das Rauschen stärker unterdrückt, als das Filter rot mit kürzerer Impulsantwort. Da die erreichbare Messreichweite durch den Signalabstand zum Rauschens im Signal begrenzt wird, ist die Messreichweite des mit kürzerer Impulsantwort ausgewerteten Echos kleiner als die des mit längerer Impulsantwort ausgewerteten Signals.

Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, die Aufbereitung mittels eines Umfeldsensors empfangener Signale mittels adaptiver Filterung dahingehend zu verbessern, dass frühzeitig im Messzyklus aufgenommene

Signale mit höherer Trennschärfe gefiltert werden als im späteren Zeitbereich desselben Messzyklus'. Die zu frühen Zeitpunkten im Messzyklus deutlich höhere Trennung zwischen den Amplitudenpeaks laufzeitmäßig benachbarter Echos (Nutzsignals) von übrigen Signalen wiegt im frühen Zeitbereich des Messzyklus' die Nachteile des geringeren Störabstandes mehr als auf. Im späteren Verlauf des Messzyklus' wird erfindungsgemäß mehr Zeit auf die Filterung der Sensorsignale verwendet, um die ohnehin geringen Amplituden zu erwartender Nutzechos mittels längerer Impulsantworten der verwendeten Filter besser von sonstigen im Sensorsignal enthaltenen Signalen, wie z.B. Rauschen, zu trennen. Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert worden ist, verbleiben

Modifikationen und Abänderungen der darin gezeigten Merkmale im Bereich des fachmännischen Könnens des einschlägigen Fachmanns, welche als im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend zu erachten sind, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.