DE19744185B4

DE19744185B4 - Einrichtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE19744185B4
Application number: DE19744185A
Authority: DE
Inventors: Frank Hoenes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: DE19744185A1; GB2330201A; US6166995A; GB9821244D0; GB2330201B

Abstract

Einrichtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall mit Hilfe mehrerer, vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug angeordneter Ultraschallwandler, wobei die Laufzeit der Ultraschallimpulse von den Ultraschallwandlern zum Objekt und zurück gemessen wird, wobei von mehreren Ultraschallwandlern (1 bis 10) gleichzeitig ein Ultraschallimpuls derart gesendet wird, dass sich die Ultraschallimpulse überlagern, und danach mindestens ein Ultraschallwandler (1 bis 10) Reflexionen des überlagerten Ultraschallimpulses empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass außer der gleichzeitigen Aussendung des Ultraschallimpulses von den Ultraschallwandlern (1 bis 10) sequentiell Ultraschallimpulse ausgesendet und die Reflexionen empfangen und ausgewertet werden und dass die gleichzeitige Aussendung erfolgt, wenn bei der sequentiellen Aussendung kein Hindernis erkannt wird, oder dass ein Wechsel zwischen der sequentiellen und der gleichzeitigen Aussendung von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall mit Hilfe mehrerer, vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug angeordneter Ultraschallwandler, wobei die Laufzeit der Ultraschallimpulse von den Ultraschallwandlern zum Objekt und zurück gemessen wird.
Ultraschall-Abstandsmeßeinrichtungen werden an Kraftfahrzeugen in zunehmendem Maße zur Erkennung von Hindernissen, insbesondere beim Einparken, angewendet. Derartige Einrichtungen bestehen aus einem Steuergerät, das im wesentlichen einen Mikrocomputer mit einem entsprechenden Programm enthält, Ultraschallwandlern als Sensoren und geeigneten Warneinrichtungen. Dabei sind die Ultraschallwandler beispielsweise in den Stoßfängern angeordnet.
Ausgelöst durch das Steuergerät senden die Ultraschallwandler Ultraschallimpulse aus. Anschließend ist die Einrichtung für reflektierte Echos empfangsbereit. Aus der Laufzeit der Echos vom Ultraschallwandler zu einem Hindernis und wieder zurück wird der Abstand zum Hindernis berechnet. Mit Hilfe der angeschlossenen Warneinrichtungen wird der Abstand und/oder das Unterschreiten eines vorgegebenen Abstandes dem Fahrer mitgeteilt, was optisch und/oder akustisch erfolgen kann.
Beim Aussenden der Ultraschallimpulse werden bei bekannten Einrichtungen die Sensoren auch in Gruppen zusammengefasst und gleichzeitig angesteuert, nämlich solche Ultraschallwandler, die sich aufgrund der räumlichen Anordnung im Stoßfänger bzw. im Verhältnis zum Hindernis nicht gegenseitig beeinflussen. Die Auswertung der Echos erfolgt bei den bekannten Einrichtungen stets nach sendenden Ultraschallwandlern getrennt. In der Regel werden die Signale des sendenden Ultraschallwandlers (Direkt-Echos) und beider dem jeweils sendenden Ultraschallwandler benachbarter Ultraschallwandler (Kreuz-Echos) ausgewertet. Mit diesen bekannten Einrichtungen kann nicht nur das Vorhandensein eines Hindernisses als solches und dessen Abstand vom Kraftfahrzeug, sondern auch dessen Position bestimmt werden.
Die Empfindlichkeit und damit die Reichweite der Ultraschall-Abstandsmesseinrichtungen wird im wesentlichen von der Amplitude des ausgesendeten Ultraschallimpulses, der Empfindlichkeit beim Empfangen des reflektierten Ultraschallimpulses sowie von den Reflexions-Eigenschaften des Hindernisses bestimmt und liegt bei den derzeit bekannten Einrichtungen bei etwa einem Meter. Diese Reichweite hat sich zwar im großen und ganzen bewährt, ist jedoch auch in vielen Fällen zu niedrig.

Die EP 0 326 623 B1 zeigt ein Verfahren zum Orten eines Hindernisses, bei dem jeweils zwei nebeneinander liegende Ultraschallwandler gleichzeitig gleichfrequent und gleichphasig parallel derart angesteuert werden, dass sie die elektrischen Impulse in Ultraschallimpulse umwandeln und sie gerichtet in Fahrtrichtung abstrahlen. Durch einen Parallelbetrieb der Ultraschallsender wird eine Überlagerung der Ultraschallwellen im Strahlungsbereich erzielt, womit eine Reichweitenerhöhung durchgeführt wird.

Aus der US 3 493 920 ist eine Abstandsmesseinheit für ein automatisch fahrendes Fahrzeug bekannt, bei dem zwei Sendereinheiten gleichzeitig angesteuert werden. Je nach erforderlicher Reichweite werden unterschiedliche Empfänger am Fahrzeug angesteuert.

Aus der DE 37 21 209 C2 ist ein Schall- bzw. Ultraschall-Echomessgerät insbesondere für Füllstandsmessungen bekannt, das mehrere Schall- bzw. Ultraschallwandlerelemente zum synchronen Aussenden von Schall- bzw. Ultraschallimpulsen oder synchronem Empfangen von Echosignalen in einem Schallwandlergehäuse aufweist. Hierbei können die Schall- bzw. Ultraschallwandlerelemente gleichzeitig getrennt teilweise als Sender und teilweise als Empfänger betrieben werden.

Aus der DE 34 20 004 A1 ist eine Abstandsmessvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der in einer ersten Betriebsart jede der Sende- und Empfangseinrichtungen die ausgesendeten Messsignale auch wieder selbst empfängt und verarbeitet, während in einer zweiten Betriebsart wenigstens eine Sende- und Empfangseinrichtung die von einer anderen Sende- und Empfangseinrichtung abgesandten Signale empfängt und verarbeitet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Ultraschall-Abstandsmessung mit einer größeren Reichweite anzugeben, mit dem auch Hindernisse in einem Nahbereich sicher erfasst werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Hierbei wird von mehreren Ultraschallwandlern gleichzeitig ein Ultraschallimpuls derart gesendet, dass sich die Ultraschallimpulse überlagern, und danach mindestens ein Ultraschallwandler Reflexionen des überlagerten Ultraschallimpulses empfängt.

Werden mehrere Ultraschallwandler gleichzeitig mit dem gleichen Signal angeregt, so überlagern sich die Schallwellen und werden ortsabhängig verstärkt bzw. vermindert. Da die in Frage kommenden Hindernisse groß gegenüber der Wellelänge sind, kann immer davon ausgegangen werden, dass mindestens ein Maximum des überlagerten Ultraschallimpulses am Hindernis reflektiert wird. Dadurch erhöht sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Reichweite, insbesondere im mittleren Bereich des Kraftfahrzeugs.

Erfindungsgemäß werden außer der gleichzeitigen Aussendung des Ultraschallimpulses von den Ultraschallwandlern sequentiell Ultraschallimpulse ausgesendet und die Reflexionen empfangen und ausgewertet. Hierdurch wird eine Einrichtung geschaffen, die sowohl eine erweiterte Reichweite als auch innerhalb des herkömmlichen Messbereichs eine zufrieden stellende Ortsauflösung aufweist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die gleichzeitige Aussendung erfolgt, wenn bei der sequentiellen Aussendung kein Hindernis erkannt wird. Hierbei wird die gleichzeitige Aussendung nur vorgenommen, wenn dies erforderlich ist. Ist bereits in geringerer Entfernung ein Hindernis erkannt, erfolgt nur die sequentielle Aussendung. Die Anforderungen an die Reichweite sind im Wesentlichen geschwindigkeitsabhängig. Deshalb ist es alternativ vorgesehen, dass ein Wechsel zwischen der sequentiellen und der gleichzeitigen Aussendung von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängig ist.

An sich ist bereits bei der gleichzeitigen Aussendung von Ultraschallimpulsen von zwei Ultraschallwandlern eine Erhöhung der Reichweite feststellbar. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass alle im wesentlichen in gleicher Richtung gerichteten Ultraschallwandler gleichzeitig den Ultraschallimpuls aussenden. Dabei ist jedoch nicht ausgeschlossen, Ultraschallwandler, die nicht in gleiche Richtung weisen, im Sinne der Erfindung zu betreiben – beispielsweise bei entsprechenden Öffnungswinkeln einen nach vorn bzw. hinten und einen zur Seite gerichteten Ultraschallwandler, um den Messbereich bei Bedarf seitlich oder schräg nach vorn oder hinten zu erweitern.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass an der Frontpartie und/oder am Heck jeweils mehrere Ultraschallwandler angeordnet sind, die mit einem Steuergerät derart verbunden sind, dass sie einzeln angesteuert und abgefragt werden können, und dass im Steuergerät ein Programm vorgesehen ist, das neben der einzelnen Ansteuerung der Ultraschallwandler eine gruppenweise gleichzeitige Ansteuerung vornimmt.

Bei dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass dem Steuergerät Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs zuführbar sind. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Betriebsparameter über ein Bus-System, vorzugsweise über einen CAN-Bus, zuführbar sind.

Diese Betriebsparameter können beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit zu Zwecken der obengenannten Schaltung zwischen gleichzeitigem und sequentiellem Betrieb sein. Ferner kann ein Betriebsparameter kennzeichnen, ob die Fahrzeugbeleuchtung ein- oder ausgeschaltet ist, und zur Einstellung der Helligkeit der optischen Warnelemente benutzt werden. Der Betrieb einer Abstands-Meßeinrichtung am Fahrzeugheck bei angekuppeltem Anhänger wird gesondert ausgewertet. Deshalb kann dem Steuergerät als weiterer Betriebsparameter auch ein Signal der Anhängerkupplung zugeleitet werden, das zum Abschalten oder zu einem Umschalten der rückwärtigen Abstandsmessung führt.

Um eine über die gesamte Fahrzeugbreite wirksame Vergrößerung der Reichweite zu erzielen, haben sich längere Ultraschallimpulse als günstig herausgestellt. Zur Erfassung von nahen Objekten sind jedoch kurze Ultraschallimpulse vorteilhaft. Deshalb ist bei einer anderen Weiterbildung vorgesehen, daß die Dauer der Ultraschallimpulse bei der gleichzeitigen Aussendung größer als bei der sequentiellen Aussendung ist. Die Dauer der Ultraschallimpulse kann den jeweiligen Umständen entsprechend gewählt werden. Als günstig hat es sich beispielsweise herausgestellt, wenn die Dauer der Ultraschallimpulse bei der gleichzeitigen Aussendung 600 μs und bei der sequentiellen Aussendung 300 μs beträgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 Zeitdiagramme der Betriebsweise von vier Sensoren einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
3 eine schematische Darstellung der mit der Erfindung erzielten Vergrößerung der Reichweite,
4 die Ultraschallfront bei gleichzeitigem Senden von vier Ultraschallwandlern,
5 ausgesendete Ultraschallimpulse bei gleichzeitigem Senden von vier Ultraschallwandlern bei einer Impulsdauer von 300 μs und
6 bei einer Impulsdauer von 600 μs.
Bei der in 2 als Blockschaltbild dargestellten Einrichtung sind in dem vorderen Stoßfänger 11 eines sonst nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs sechs Ultraschallwandler 1 bis 6 angeordnet. Der hintere Stoßfänger 12 trägt vier Ultraschallwandler 7, 8, 9, 10. Durch entsprechende Signale eines Steuergerätes 13 werden die Ultraschallwandler 1 bis 10 zum Aussenden von Ultraschallimpulsen angeregt, also als Sendewandler betrieben, während sie in der übrigen Zeit als Empfangswandler reflektierte Signale empfangen und zum Steuergerät 13 weiterleiten. Dazu sind die einzelnen Verbindungen im vorliegenden Beispiel als bidirektionale Datenleitungen ausgeführt.
Zur Erläuterung der Erfindung ist eine Darstellung der zu den Ultraschallwandlern gehörenden Schaltungen nicht erforderlich. Deshalb wird im folgenden der Begriff Sensor für Ultraschallwandler mit jeweiliger Schaltung unter Verwendung des gleichen Bezugszeichens benutzt. Weitere Verbindungen, wie beispielsweise zur Stromversorgung der Sensoren und des Steuergerätes, sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt.
Während die Sensoren 2, 3, 4, 5 in Fahrtrichtung ausgerichtet sind und damit Hindernisse vor dem Kraftfahrzeug anzeigen sollen, sind die Sensoren 1, 6 zur Seite gerichtet, um seitliche Hindernisse zu detektieren, um Kollisionen bei Bewegungen mit eingeschlagener Lenkung zu verhindern.
Das Steuergerät 13 ist ferner mit drei Warnelementen 14, 15, 16 verbunden, wobei die Warnelemente 14 und 15 im Blickfeld des Fahrers liegen, wenn er nach vorn sieht, während das Warnelement 16 für den Fahrer beim Blick nach hinten sichtbar ist. Die Warnung kann optisch oder akustisch erfolgen. Ein akustisches Signal kann dabei die Tonhöhe und/oder ein Puls/Pausen-Verhältnis mit dem gemessenen Abstand variieren oder durch verschiedene Tonhöhen angeben, ob das Hindernis vorn oder hinten ist. Außerdem ist das Steuergerät 13 mit einem CAN-Bus 17 verbunden, über den es verschiedene Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs empfängt.
1 zeigt schematisch den Zeitablauf der Ansteuerung der Sensoren 7, 8, 9, 10 (2). Die zugehörigen Diagramme sind mit S7 bis S10 bezeichnet. Während der dargestellten Impulse senden die Ultraschallwandler Ultraschallimpulse aus. Während der übrigen Zeit sind die Ultraschallwandler jeweils auf Empfang geschaltet. Dabei ist die Impulslänge der Übersichtlichkeit halber größer als in Wirklichkeit dargestellt. Während der Zeitdauer von 0 ms bis 120 ms wird alle 30 ms einer der Ultraschallwandler angesteuert. Aufgrund der Schallgeschwindigkeit von 330 m/s und der doppelten Wegstrecke (zum Objekt und zurück) ergibt sich eine Laufzeit von 1 ms je 17 cm Entfernung. Bei dem Ausführungsbeispiel wird jedoch bis zur Aussendung des nächsten Ultraschallimpulses wesentlich länger, nämlich fast 30 ms, gewartet. Damit sollen Störungen durch Mehrfachechos, beispielsweise in Tiefgaragen, vermieden werden. Eine neue Messung beginnt also erst, wenn alle derartigen Echos abgeklungen sind.
Als Impulslänge wurden bei dem Ausführungsbeispiel während des sequentiellen Betriebes 300 μs und während des gleichzeitigen Betriebes (bei 120 ms und 180 ms) 600 μs gewählt. Die kürzere Impulslänge bei dem sequentiellen Betrieb nimmt darauf Rücksicht, daß zur Ermittlung kurzer Entfernungen zum Objekt möglichst früh ein Empfang des Echos möglich sein muß. Dabei ist jedoch ein Abklingverhalten der Ultraschallwandler störend. Bei einem relativ kurzen Impuls von 300 μs wird nicht die volle Amplitude erreicht und ein schnelleres Abklingen erzielt.
Bei dem gleichzeitigen Betrieb werden alle 60 ms die Sensoren 7 bis 10 angesteuert. Wegen der erhöhten Sendeleistung wird bis zur nächsten Aussendung bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sogar 60 ms gewartet, um alle möglichen Mehrfachechos abklingen zu lassen.
3 zeigt den hinteren Stoßfänger 12 mit den Sensoren 7 bis 10 und eine Grenze 21 der Reichweite bei sequentiellem Betrieb, während die Reichweite bei gleichzeitigem Betrieb bei der Kurve 22 liegt.
Die 4 bis 6 zeigen jeweils schematisch von den Sensoren 7 bis 10 ausgehende Schallwellen. Dabei ist auf der waagerechten Achse die Entfernung d von der Längsachse des Kraftfahrzeugs angegeben, während die senkrechte Achse den Abstand a hinter dem Kraftfahrzeug angibt. Aus Platzersparnisgründen wurde die senkrechte Achse jeweils unterbrochen dargestellt.
4 stellt die Wellenfronten der Sensoren 7 bis 10 (2) für einen Abstand von 140 cm dar. Die vier Sensoren haben dabei zum gleichen Zeitpunkt gesendet. In den 5 und 6 wurden zusätzlich zu den Kreissegmenten nach 4 parallel verlaufende Kreissegmente eingetragen, wobei der Abstand jeweils beider Linien die Impulslänge kennzeichnet. Diese beträgt bei 5 300 μs bzw. etwa 10 cm, während der Darstellung gemäß 6 ein doppelt so langer Schallimpuls zugrundeliegt. In den 5 und 6 sind jeweils diejenigen Teile des Raums hinter dem Kraftfahrzeug, die von den Ultraschallimpulsen mehrerer Ultraschallwandler erfaßt werden, schraffiert hervorgehoben. Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt, daß durch die erhöhte Impulslänge im Falle von 6 wesentlich mehr Fläche von mehreren Sensoren gleichzeitig erfaßt wird. Die Wahrscheinlichkeit einer sicheren Erkennung eines Hindernisses wird damit gegenüber dem in 5 dargestellten Fall erhöht.

Claims

Einrichtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall mit Hilfe mehrerer, vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug angeordneter Ultraschallwandler, wobei die Laufzeit der Ultraschallimpulse von den Ultraschallwandlern zum Objekt und zurück gemessen wird, wobei von mehreren Ultraschallwandlern (1 bis 10) gleichzeitig ein Ultraschallimpuls derart gesendet wird, dass sich die Ultraschallimpulse überlagern, und danach mindestens ein Ultraschallwandler (1 bis 10) Reflexionen des überlagerten Ultraschallimpulses empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass außer der gleichzeitigen Aussendung des Ultraschallimpulses von den Ultraschallwandlern (1 bis 10) sequentiell Ultraschallimpulse ausgesendet und die Reflexionen empfangen und ausgewertet werden und dass die gleichzeitige Aussendung erfolgt, wenn bei der sequentiellen Aussendung kein Hindernis erkannt wird, oder dass ein Wechsel zwischen der sequentiellen und der gleichzeitigen Aussendung von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängig ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle im Wesentlichen in gleicher Richtung gerichteten Ultraschallwandler (2, 3, 4, 5; 7, 8, 9, 10) gleichzeitig den Ultraschallimpuls aussenden.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Frontpartie (11) und/oder am Heck (12) jeweils mehrere Ultraschallwandler (1 bis 6; 7 bis 10) angeordnet sind, die mit einem Steuergerät (13) derart verbunden sind, dass sie einzeln angesteuert und abgefragt werden können, und dass im Steuergerät (13) ein Programm vorgesehen ist, das neben der einzelnen Ansteuerung der Ultraschallwandler (1 bis 10) eine gruppenweise gleichzeitige Ansteuerung vornimmt.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuergerät (13) Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs zuführbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter über ein Bus-System (17), vorzugsweise über einen CAN-Bus, zuführbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Ultraschallimpulse bei der gleichzeitigen Aussendung größer als bei der sequentiellen Aussendung ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Ultraschallimpulse bei der gleichzeitigen Aussendung 600 μs und bei der sequentiellen Aussendung 300 μs beträgt.