VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG UND AUSWERTUNG VON ULTRASCHALLSIGNALEN, INSBESONDERE ZUR ERMITTLUNG DES ABSTANDES EINES FAHRZEUGS ZU EINEM HINDERNIS

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung und Auswertung von Ultraschallsignalen, insbesondere zur Ermittlung des Abstandes eines Fahrzeugs zu einem Hindernis.

Derartige Vorrichtungen werden auch als Park Distance Control (PDC) Systeme bezeichnet und dienen als Hilfsmittel beim Einparken eines Fahrzeugs. Derartige Systeme weisen mehrere Ultraschallgeber sowie Ultraschallaufnehmer auf, wobei jeweils ein Ultraschallgeber und ein Ultraschallaufnehmer zu einem Ultraschall-Transducer zusammengefasst ausgeführt sein können. Wenn ein ausgesendetes Ultraschallsignal von einem Hindernis oder Gegenstand innerhalb eines vorgebbaren Sicherheitsabstands in einem überwachten Bereich nahe dem Fahrzeug reflektiert wird, kann im empfangenen Signal ein Echo detektiert werden. Leider ist die Echodetektion nicht eindeutig, was mit Streuungen, Störungen und Rauschsignalanteilen zusammenhängt. Die Entscheidung, ob ein Echo empfangen worden ist oder nicht, erfolgt zumeist anhand eines Vergleichs des Empfangssignals mit einem Schwellwert. Zweckmäßig ist es, wenn die Schwellwertberechnung automatisch erfolgt und der Schwellwert dementsprechend nachgeführt wird. Eine derartige Schwellwertnachführung und -berechnung ist beispielsweise in DE-C-197 21 835 beschrieben.

Die Schwellwertberechnung und -nachführung ist vergleichsweise rechenintensiv. Es fallen eine Vielzahl von Daten an. Üblicherweise sind mehrere Ultraschalltransducer über ein Datenbussystem mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Die Schwellwertnachführung und -berechnung bedeutet demnach, dass über den Datenbus vergleichsweise große Datenmengen gesendet und empfangen werden müssten. Das aber setzt einen leistungsfähigen und damit vergleichsweise teuren Datenbus voraus. Will man hingegen einen einfachen Datenbus verwenden, so müsste die Verarbeitung der Empfangssignale für die Schwellwertnachführung und -berechnung dezentral in jedem Teilnehmer, d.h. in der jedem Ultraschalltransducer nachgeschalteten Elektronik, erfolgen. Das wiederum ist ebenfalls aufwendig.

Aus EP-A-2 081 052 ist eine Detektionsvorrichtung bzw. ein Detektionsverfahren zur Erkennung von Fahrzeugen im Umfeld eines fahrenden Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 8 bekannt. Hierbei soll insbesondere der Bereich der "Toten Winkel" überwacht werden. Für die Funktionssicherheit der bekannten Detektionsvorrichtung ist die kontinuierliche Überwachung der eingesetzten Ultraschallsender und - empfänger von entscheidender Bedeutung. Die von diesen Funktionselementen erfassten Signale werden einem kontinuierlichen, zyklischen oder auch stichprobenartigen Vergleich unterzogen. Bei Aussetzen der Signale eines der Funktionselemente erfolgt eine Einstellung respektive Parametrierung von dessen Sende-/Empfangsbereich auf einen zu erfassenden Fahrbahngrund, und zwar dergestalt, dass das relevante Funktionselement im Falle der Funktionstüchtigkeit zwangsläufig zum Empfang von Signal-Reflektionen via Fahrbahngrund eingestellt ist. Damit ist eine Blindheitserkennung durch die Korrelation der Signale aus den messenden Sensoren bzw. Funktionselementen gegeben. Die einzelnen Funktionselemente sind bei diesem bekannten Verfahren über Datenleitungen mit einem Steuergerät verbunden. Über die Strukturierung der Daten wird in der zuvor genannten Schrift nichts weiter ausgesagt.

DE-A-10 2010 033 213 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung von Signalen eines Ultraschallsensors für die Umfelderfassung. Dabei sind mehrere Ultraschallsender und -empfänger über einen Bus mit einer Zentraleinheit verbunden. Die Sensoren erkennen aufgrund der zeitlichen Abstände von Echosignalfolgen korrespondierende Cluster, um dann diese Clusterinformationen zur Zentraleinheit und damit unter Reduktion der Buslast zu übertragen.

Eine weitere Ultraschall-Messvorrichtung zur Entfernungsmessung ist aus US-A-4 975 889 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Auswertung von Ultraschallsignalen, insbesondere zur Ermittlung eines Abstandes eines Fahrzeugs zu einem Hindernis, zu schaffen, bei denen eine automatische Schwellwertberechnung und -nachführung erfolgen soll, wobei allerdings vereinfachte Hardware-Komponenten verwendet werden sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden mit der Erfindung gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 8 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und Auswertung von Ultraschallsignalen, insbesondere zur Ermittlung des Abstandes eines Fahrzeugs zu einem Hindernis, vorgeschlagen. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nach der Erfindung ist sinngemäß vorgesehen, dass die automatische Schwellwertberechnung und -nachführung zentral in einer Ansteuer- und Auswerteeinheit durchgeführt wird, die über einen Datenbus mit den Ultraschallsender- und den Ultraschallempfänger-Teilnehmern verbunden ist. Jeder Ultraschallsender-Teilnehmer weist einen Ultraschallgeber zum Aussenden eines mehrere Ultraschallpulse aufweisenden Burst-Sendesignals mit einer Burst-Länge auf. Jeder Ultraschallempfänger-Teilnehmer ist mit einem Ultraschallaufnehmer zum Empfang eines Ultraschallsignals versehen. Bei diesem Ultraschall-Empfangssignal handelt es sich beispielsweise um das an einem Hindernis reflektierte Burst-Sendesignal, das von einem Ultraschallsender-Teilnehmer ausgesendet worden ist. Dem Ultraschallaufnehmer nachgeschaltet ist eine Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung des empfangenen Ultraschallsignals. Hierbei wird das empfangene Ultraschallsignal in einzelne Zeitabschnitte, sogenannte Zellen, unterteilt, die im Wesentlichen gleich der Hälfte der Burst-Länge sind. Diese Unterteilung des Empfangssignals wird mit Beginn des Aussendens des Ultraschall-Burst-Sendesignals durchgeführt.

Erfindungsgemäß ist nun die Übertragung der Daten von den Ultraschallempfänger-Teilnehmern zur Ansteuer- und Auswerteeinheit reduziert. Jeder Ultraschallempfänger-Teilnehmer sendet nämlich im Wesentlichen lediglich den Spitzenwert des Empfangssignals pro Zelle. Die Spitzenwerte pro Zelle reichen aus, um in der Ansteuer- und Auswerteeinheit eine automatische Schwellwertberechnung und - nachführung durchzuführen.

Mithilfe der reduzierten Datenmenge ist es also erfindungsgemäß möglich, eine automatische Schwellwertberechnung und -nachführung durchzuführen. Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, die Echo-Daten zeitgleich mit der Entstehung zu übertragen und extern und ohne nennenswerten Verlust zu verarbeiten. Bei einer Schwellwertberechnung im Ultraschallempfänger-Teilnehmer-IC kann auf einen umfangreichen Zwischenspeicher verzichtet werden. Die Erfindung nutzt also die Schwellwertnachführung- und berechnung auf Basis kleinstmöglicher Datenmengen, die von den Ultraschallempfänger-Teilnehmern und nach Auswertung der Ultraschallempfangssignale übertragen werden. Eine derartige Schwellwertberechnung und -nachführung ist insbesondere unter dem Aspekt sinnvoll, dass nun eine sichere Detektion von Objekten auf größere Distanzen auch bei stark wechselnden Umgebungsbedingungen (Tiefgarage, freies Feld) möglich ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitungseinheit des mindestens einen Ultraschallempfänger-Teilnehmers pro Zeitabschnitt auch den Mittelwert des Empfangssignals ermittelt und dass der mindestens eine Ultraschallempfänger-Teilnehmer auch die Mittelwerte pro Zeitabschnitt über den Datenbus an die Ansteuer- und Auswerteeinheit überträgt. Durch die zusätzliche Übertragung des Mittelwerts des Empfangssignals pro Zeitabschnitt, d. h. pro Zelle, kann die automatische Schwellwertberechnung und -nachführung noch genauer durchgeführt werden. Da nun pro Zeitabschnitt des Empfangssignals ein Mittelwert übertragen worden ist, kann die Ansteuer- und Auswerteeinheit aus diesen Mittelwerten den Mittelwert des Empfangssignals über all seine Zeitabschnitte berechnen. Diese Berechnung kann wiederum in die automatische Schwellwertberechnung und -nachführung eingehen.

Zweckmäßig ist es, wenn an den Datenbus mehrere Ultraschallsender-Teilnehmer und mehrere Ultraschallempfänger-Teilnehmer angeschlossen sind.

Wie bereits zuvor erwähnt, kann der mindestens eine Ultraschallsender-Teilnehmer und der mindestens eine Ultraschallempfänger-Teilnehmer oder jeweils ein Paar aus Ultraschallsender-Teilnehmer und Ultraschallempfänger-Teilnehmer als ein gemeinsamer Teilnehmer des Datenbus konzipiert sein, wobei der Ultraschallgeber und der Ultraschallaufnehmer als eine Einheit in Form eines Ultraschall-Transducers ausgebildet ist.

Desweiteren ist es möglich, dass an den Datenbus mehrere Ultraschallempfänger-Teilnehmer angeschlossen sind, wobei die Anzahl an Ultraschallempfänger-Teilnehmern größer oder kleiner ist als die Anzahl an Ultraschallsender-Teilnehmern.

Schließlich ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Ansteuer- und Auswerteeinheit anhand der über den Datenbus empfangenen Spitzenwerte und gegebenenfalls Mittelwerte pro Zeitabschnitt des Empfangssignals des mindestens einen Ultraschallempfänger-Teilnehmers ein potentielles Echo detektiert und anhand der Zeitdauer zwischen dem Beginn des Aussendens des Ultraschall-Burst-Sendesignals und dem Auftreten des Echos den Abstand zu einem potentiellen Hindernis ermittelt.

Bei den bekannten Verfahren zur automatischen Schwellwerterzeugung und - nachführung bei Systemen mit z.B. Datenbus und an diesen angeschlossenen ICs mehrerer Ultraschallempfänger-Teilnehmer wird der Messbereich in einzelne Abschnitte (sogenannte Zellen) unterteilt, was bedeutet, dass das Ultraschallempfangssignal in diese Zeitabschnitte unterteilt wird. Die Zeitabschnitte bzw. Zellen weisen eine Länge auf, die im Wesentlichen gleich der halben Puls-(Burst-)Länge sind. Die Größe der Abschnitte entspricht der Auflösung zweier Echosignale. Zur Berechnung des Schwellwerts im Bereich einer Zelle X werden im Stand der Technik die Verläufe des Empfangssignals in den Zellen links und rechts der betrachteten Zelle herangezogen. Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass sie den Mittelwert der Empfangssignale in den Zellen betrachten.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom Stand der Technik, indem die Mittelwerte nicht notwendigerweise in die Berechnungen einbezogen werden. Zur Entscheidung, ob ein Echo vorliegt, wird der so berechnete Schwellwert mit dem Echosignal verglichen. Das Echosignal muss hierzu zwischengespeichert werden. Versuche haben gezeigt, dass es in der Praxis völlig ausreichend ist, nur den Spitzenwert des Echosignals pro Zelle zu betrachten. Die Ortsauflösung sinkt zwar geringfügig, aber es ist sichergestellt, dass kein Echo verloren geht, sämtliche Echos also erkannt werden. Das Echosignal selbst wird in seinen wesentlichen Bestandteilen (insbesondere bezüglich seiner Signalhöhen) durch die Spitzenwerte pro Zelle korrekt wiedergegeben. Durch einen weiteren Verzicht auf Ortsauflösung, was bei weit entfernt angeordneten, noch zu detektierenden Objekten gerechtfertigt ist, kann durch eine Vergrößerung der Zellen die Datenmenge pro Empfangssignal weiter reduziert werden.