阅读说明：本技术 用于运行超声传感器的方法、超声传感器和交通工具 (Method for operating an ultrasonic sensor, ultrasonic sensor and vehicle ) 是由 S·魏森迈尔 于 2019-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于运行超声传感器的方法,所述方法包括以下步骤：﹒发送超声信号,其中,在发送期间改变超声信号的超声频率,其中,将超声频率至少从第一值经由第二值改变到第三值并且进行发送,以及在第一值和第二值之间以及在第二值和第三值之间变化的期间各经历一次超声传感器的固有频率,以及固有频率分别处于第一值与第二值之间以及第二值与第三值之间；响应于此地﹒接收所发送的超声信号的回波；以及﹒根据超声信号的具有固有频率的信号分量的时间差和/或超声信号的具有中间频率的信号分量的时间差以及回波的具有固有频率的信号分量的时间差和/或回波的具有中间频率的信号分量的时间差来求取超声频率移位。(The invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor, comprising the following steps: ∙ transmitting an ultrasonic signal, wherein the ultrasonic frequency of the ultrasonic signal is changed during the transmission, wherein the ultrasonic frequency is changed from at least a first value to a third value via a second value and transmitted, and the natural frequency of the ultrasonic sensor is experienced once each during the change between the first value and the second value and between the second value and the third value, and the natural frequency lies between the first value and the second value and between the second value and the third value, respectively; receive echoes of the transmitted ultrasound signals in response to this ground ∙; and ∙ finding the ultrasonic frequency shift from the time difference of the signal component with the natural frequency of the ultrasonic signal and/or the time difference of the signal component with the intermediate frequency of the ultrasonic signal and the time difference of the signal component with the natural frequency of the echo and/or the time difference of the signal component with the intermediate frequency of the echo.)

用于运行超声传感器的方法、超声传感器和交通工具

技术领域

本发明涉及一种用于运行超声传感器的方法、一种超声传感器和一种交通工具。

背景技术

在目前已知的超声传感器的情况下，多普勒效应是不利的现象。在此，高的相对速度(例如大于5km/h)可能导致高的超声频率移位，因此一方面必须使用更宽的输入滤波器，这导致更高的干扰噪声输入。另一方面，在接收到经多普勒移位的回波信号时不再以输入频率或固有频率来激励传感器，这在转换超声信号时引起更高的衰减。为了抵消多普勒效应和与多普勒效应相关的提高的衰减，对超声传感器的情况下的超声信号例如进行编码。这意味着：在发送信号时，使频率围绕固有频率地变化。通过对信号进行编码，回波信号的至少一部分可以一直以传感器的固有频率激励传感器。

通常，以超声传感器可探测到的静止对象相对于车辆纵轴线的角度α可以计算如下：

在此，v_v是车辆速度，c是声速，f_S是发送频率，f_B是接收频率。

只要车辆相对速度是小的并且至对象的间距是大的，角度就如此略微地变化，使得可以大致假设该角度保持不变。但是如果车辆相对速度是大的(例如大于5km/h)或者至对象的间距是小的，则此外应考虑：车辆在发送与接收之间运动并且因此以不同角度发送和接收超声信号。同样可能的是，通过交叉回波对对象的方向进行可信度检验。在此，传感器接收到另一传感器的回波。在此，发送器相对于对象的角度α_S与接收器相对于对象的角度α_B也不同。可以对频率移位如下进行可信度检验：

为了进行可信度检验，对象的位置必须是已知的，以便可以由此计算出角度。

但替代地，由同一传感器的两个测量或由两个传感器的两个测量也可以如下计算函数α_S(f_O)和α_B(f_O)：

在此，值f_O表示由对象反射的频率。通过借助发送器的和接收器的已知位置信息来改变值f_O和三角测量法可以求取α_S,1/2(f_O,1/2)和α_B,1/2(f_O,1/2)的可信值。此外，可以对对象进行定位，而不必为此已知至对象的间距。

根据多普勒移位也可以将运动的对象与不运动的对象区分开。如果所计算出的角度α与通过三边测量法已经计算出的角度不一致或者如果所计算出的频率f_B与所测量到的频率不一致，则对象运动。这是重要的信息，因为运动的对象(例如行人和自行车骑行者)是特别需要保护的或者可能对于本身和周围环境是特别的危险(例如在汽车或栅栏的情况下等)。

DE 10 2009 029 465 A1描述一种用于确定运动方向和相对速度的方法。在此，例如可以在泊车过程时借助多个超声传感器根据多普勒效应来确定对象与车辆的间距和方向。在此，借助三边测量法来确定间距。此外，可以通过传感器借助三角测量法来确定相对于进行相对运动的对象的角度。

DE 10 2004 005 421 A1涉及用于监测机动车的周围环境的一种方法和一种装置。在此，从参考机动车出发通过超声传感器借助多普勒效应来探测相对于该参考机动车运动的另外的机动车。在此，可以借助三角测量法来确定其他车辆的角度和间距。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于运行超声传感器的方法。所述运行尤其包括对超声信号进行编码。在此，这样的超声传感器不仅可以安装在移动设备中、例如交通工具中，而且可以安装在不移动的设备中。根据本发明的方法在第一步骤中包括发送超声信号。超声信号可以例如具有小于等于2ms的持续时间。在发送期间，超声频率从第一值改变到第二值。从第二值继续改变到第三值。在此，超声传感器的固有频率和/或中间频率分别处于所述第一值和所述第二值之间以及所述第二值和所述第三值之间。在此，中间频率尤其在其频率值方面区别于固有频率。因此，第二值可以是频率变化过程的极值点。此外，确保：固有频率或中间频率同样与信号一起被发送或者存在于信号的频率变化过程中。能振动的系统的“固有频率”——在超声传感器的当前情况下——是如下频率：系统在一次激励之后可以作为振动模式以该频率进行振动。在此，“超声频率”可以理解为在15kHz与1GHz之间的范围内的当前频率。换言之，在超声信号——该超声信号在此包括不同的超声频率的时间序列——以内产生处于第一值(例如40kHz)与第二值(例如60kHz)之间的超声频率序列。在此，第一次经历固有频率(例如48kHz)或中间频率(例如不等于48kHz)。接下来，从第二值(例如60kHz)改变到第三值(例如同样40kHz)。在此，第二次经历固有频率(例如48kHz)或中间频率。在此，该变化可以不连续地、即尤其在值之间跳跃地或在所提及的值之间连续地变化，只要该变化包括第一值的、第二值的和第三值的发送和在所述第一值和所述第二值之间以及所述第二值和所述第三值之间的固有频率的分别一次性的发送。在此，第一值和第三值例如可以低于第二值。这意味着，首先提高超声频率并且从第二值——其可以理解为极限点——起降低超声频率。在其他情况下，第一值和第三值可以高于第二值。在这种情况下，可以首先降低超声频率并且从极点状的第二值起再次提高超声频率。在两种情况下重要的是，在第一值与第二值之间以及在第二值与第三值之间分别发送至少一次固有频率或中间频率。换言之，这相应于序列“第一值”-“固有频率”-“第二值”-“固有频率”-“第三值”。超声频率的变化可以通过借助分析处理单元例如CPU和/或微控制器对超声传感器的压电执行器进行控制来实现。信号的发送可以通过已知的超声膜片来实现。对发送作出响应地，接收所发送的超声信号的回波，该回波例如来源于超声信号在对象上的反射。在此——如以下变得明显的那样——对象运动还是对象是静止的、或者超声传感器运动还是超声传感器是静止的是不关键的。换言之，在此接收回波信号或回波在时间上的变化，该回波信号或回波相应于在超声频率移位的影响下的所发送的信号。在此，可以通过在现有技术中已知的超声接收器、尤其借助超声传感器来接收回波。在已经接收到回波后进行超声频率移位的求取。这可以例如借助先前描述的分析处理单元来实现。在此，尤其可以首先求取回波信号的和发送信号的频率变化过程中的以下时刻：在该时刻第一次(或多次)经历固有频率和/或中间频率。在其过程中可以求取尤其在发送信号的频率变化过程中第一次(或多次)经历固有频率和/或中间频率的时刻与在回波信号的频率变化过程中第一次(或多次)经历固有频率和/或中间频率的时刻之间的时间差。根据超声信号的具有固有频率和/或具有中间频率的信号分量的时间差和回波的具有固有频率和/或具有中间频率的信号分量的时间差进行超声频率移位的求取。如果偏离传感器的固有频率地经历中间频率，则仍然可以特别好地探测到近的并且大的对象的频率移位。尤其可以提高计算的精度，其方式是，在接收时经历或分析处理多于一个中间频率和/或多于一个固有频率并且由彼此独立地计算的频率移位来计算中位值和/或平均值。

借助根据本发明求取的超声频率移位可以获得以下角度以及对象运动的信息：所述回波相对于交通工具纵轴线来源于所述角度。如果在30kHz至80kHz的扩大的频率范围内运行超声传感器，则根据本发明的方法在此尤其在在高速时进行对象的位置或运动确定的情况下具有优点，而传统的方法仅仅在低速时通过在40kHz与60kHz之间的频率范围内的运行能够实现有意义的测量。虽然在已知的传感器的情况下原则上能够实现在30kHz与80kHz之间的频率范围内运行，但是仅仅在发送信号的相同的受限的频谱内分析处理回波。此外，通过根据本发明的方法可以如以下描述的那样地获得有用的信息。在超声传感器通过根据本发明的方法在直至30kHz的最小值的特别低的频率范围内运行的情况下，超声传感器可以具有例如20m的非常高的作用距离，因为低的频率在所述段上相比高的频率更弱地衰减。此外，非常快速地运动到传感器上的对象的频率向上在更好的接收敏感度的方向上移位。由此，通过超声传感器也可以在接收和分析处理超声频率时探测到具有例如v＝60km/h的速度的对象(这相应于在45°的探测角度下轿车的具有100km/h的速度)。在f_S＝30kHz至40kHz的发送频谱的情况下，在该差速度和声速c＝340m/s的情况下接收频谱f_B处于

f_B＝35kHz至45kHz。在接收时，在该例子中在2ms的总持续时间的情况下的信号不能够达到48kHz的固有频率，但是可以通过将频率变化过程的边沿在时间上虚拟地延长至固有频率来计算大约-0.6ms的间距t4-t1。在发送时，尤其同样不经历固有频率，但是仍然可以根据上述的处理方式由在t3-t2＝-1.6ms时将上升的或下降的边沿虚拟地延伸至固有频率来计算间距t4-t1。这两个经历的时间差可以是(t4-t1)-(t3-t2)＝1ms。当测量出经历频率38kHz时，例如可以计算出相同的时间差。借助t4-t1＝1.4ms和t3-t2＝0.4ms同样计算在(t4-t1)-(t3-t2)＝1ms的差。此外，可以对其他对象的间距和运动进行更精确的可信度检验。

以下构型示出本发明的优选的扩展方案。

此外，在一种有利的扩展方案中根据本发明的方法包括以下步骤，求取对象的以下角度和/或距离和/或运动的存在——回波来源于该存在：回波相对于交通工具的纵轴线来源于所述角度。该计算同样可以通过分析处理单元例如根据在开头讨论的公式来计算。在该步骤内，根据对应的固有频率的超声频率移位来求取所谓的可观察量(Observablen)(对象的角度和/或距离和/或运动的存在)。在此，“对应的固有频率”是信号的固有频率和在超声频率移位的影响下的相对于信号在时间上移位地反射的回波的固有频率。只要分析处理超声频率移位，就可以更精确地确定相应的可观察量，因为通过两个超声频率移位的可能的差来考虑对象的可能的运动。

在根据本发明的方法的另一有利的扩展方案中，第一值和第三值相同。相同的值例如可以是在30kHz至40kHz或60kHz至80kHz范围内1kHz的整数倍。在该扩展方案内，第一值和第二值因此可以表示要么最小值要么最大值。

在一种优选的扩展方案中，第一值和第三值分别是超声频率变化过程的最大值。在这种情况下，首先在第一次经历并且发送固有频率的情况下减小超声频率，并且在达到第二值——其尤其是最小值——时在第二次经历固有频率的情况下将超声频率提高到第三值。

在另一优选的扩展方案中，第一值和第三值是超声频率变化过程的最小值。在此，第二值尤其是最大值。频率变化的变化过程与在先前的段落中描述的扩展方案的变化过程相反。首先将超声频率从第一值提高到第二值，其中，在这些值之间经历所发送的固有频率。接下来，从达到第二值起降低超声频率，而第二次经历并且发送固有频率，直至达到第三值。

在根据本发明的方法的另一优选的构型中，尤其在超声信号内求取具有固有频率的信号分量的时间差和/或具有中间频率的信号分量的时间差。此外，在回波内求取具有固有频率的信号分量的时间差和/或具有中间频率的信号分量的时间差。通过将在超声信号内的所求取的时间差与在回波内的所求取的时间差进行比较可以求取超声频率移位。

在根据本发明的方法的另一构型中，将超声信号内的频率变化至少重复一次。这意味着：将超声频率尤其从第三值改变到第四值，其中，第四值尤其相应于第二值，在此，经历一次超声传感器的固有频率并且将其从第四值改变到第五值，而在第四值与第五值之间同样经历固有频率。由此，可以进一步精确化关于以上提及的可观察量的超声测量。可以任意频繁地重复先前描述的变化过程。

此外，根据关于先前的段落优选的扩展方案，可以基于在信号或回波内重复变化来进行过滤的另一步骤。在此，可以基于独特地重复固有频率回波——该固有频率回波例如四次到达超声传感器(即当频率的变化重复一次时)——将干扰噪声滤除。

在一种优选的扩展方案中，在时间上多次重复时超声频率的变化的变化过程可以相应于锯齿模式和/或正弦曲线和/或由正切函数和余切函数构成的组合。如果超声传感器具有多个发送器，则在此在发送过程时也可以实现信号叠加。

例如可以在45kHz选择第一值和所述第三值并且在55kHz选择第二值。可以在1ms以内线性地经历第一值至第二值的频率。同样的适用于从第二值至第三值的另外的变化过程。在此，可以两次经历48kHz的固有频率。在这种情况下，频率增加例如是(54kHz-44kHz)/1ms＝10kHz/ms。在发送时，尤其在时间t2＝0.4ms和t3＝1.6ms时经历固有频率。如果频率例如通过多普勒效应向上移位1kHz，则尤其在忽略接收信号的总持续时间缩短大约2％的情况下在时间t1＝0.3ms和t4＝1.7ms时经历固有频率。因此，两次经历的时间差可以是(t4-t1)-(t3-t2)＝0.2ms。

根据本发明的以下方面包括具有先前提及的技术特征的有利的构型和扩展方案，以及根据本发明的方法的普遍优点和分别似乎与此相关的技术效果。因此，为了避免重复，以下省略重新列举。

根据第二方面，本发明涉及一种超声传感器，该超声传感器设置用于执行根据本发明的第一方面的方法。在此，超声传感器可以包括超声发送器和超声接收器和/或超声发送器接收器。超声传感器可以包括分析处理单元，该分析处理单元设置用于允许通过超声传感器来执行根据本发明的第一方面的方法步骤。

方法步骤的预定义的变化过程可以存储在传感器的存储器上。

根据第三方面，本发明涉及一种交通工具，该交通工具包括根据本发明的第三方面的超声传感器。

作为在本发明的意义内的交通工具可以考虑例如汽车——尤其轿车和/或卡车——和/或飞机和/或船舶和/或摩托车。

附图说明

以下参照附图详细地描述本发明的实施例。附图中示出：

图1示出按照根据本发明的方法的一种实施方式的超声频率变化的第一示意图；

图2示出按照根据本发明的方法的一种实施方式的超声频率变化的第二示意图；

图3示出按照根据本发明的方法的一种实施方式的超声频率变化的第三示意图；

图4示出根据本发明的超声传感器的一种实施方式；

图5示出根据本发明的交通工具的一种实施方式；

图6示出根据本发明的方法的一种实施方式的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的方法的一种实施方式的第一步骤的超声频率变化的或超声频率变化过程的第一示意图。在此，相对于时间t绘出超声频率f。此外，超声传感器10的固有频率7例如48kHz显示为虚线。此外在这种情况下，超声信号9尤其由第一值1和第二值2以及第三值3组成。超声回波11的频率变化过程同样在示意图中示出。超声频率变化从第一值1例如45kHz在提高到固有频率7的情况下直至提高到第二值2，其例如是55kHz。在此，第二值2是最大值并且因此是极限值。从达到第二值2起，在超声信号9内将超声频率降低到第三值3，其例如是45kHz。超声信号9——在该超声信号内发生超声频率f的变化——的持续时间可以例如小于等于2ms(优选1.7ms)。在此，在时刻t1第一次经历超声信号9的固有频率7。在时刻t4在频率变化内第二次经历超声信号9的固有频率7。在时刻t2在超声频率移位的影响下探测到回波11的相应的固有频率7。此外，在回波11的时刻t3经历固有频率。通过将具有超声信号9的固有频率7的信号分量的时间差(t4-t1；通过下面的间距箭头来表示)和具有回波11的固有频率7的信号分量的时间差(t3-t2；通过上面的间距箭头来表示)进行比较可以求取超声频率移位。

图2示出表示与图1相反的情况的示意图。在此，在超声信号9内的超声频率f首先从第一值1(例如55kHz)经由固有频率7(例如48kHz)下降到第二值2(例如45kHz)。同时，第二值2是最小值和极限值。从达到第二值2起将超声频率f提高到超声传感器10的固有频率7并且接下来提高到第三值3(例如55kHz)。

图3示出以锯齿模式的形式的超声信号9。这相应于图1中的超声信号9的曲线的变化过程的周期性的延续或重复。为清楚起见，在此已经省去回波11的表示。然而，回波11的变化过程同样可以看作作为关于图1的类似的延续的锯齿模式。在图3示出的示意图内，总共五次经历超声传感器10的固有频率7。这通过超声频率f以以下顺序的变化来实现：第一值1-固有频率7-第二值2-固有频率7-第三值3-固有频率7-第四值4-固有频率7-第五值5-固有频率7-第六值6。

图4示出根据本发明的方法的一种实施方式的流程图。在第一步骤100中，在对象的方向上例如通过超声发送器13a发送超声信号9。在此，超声频率f以以下方式进行变化：第一值1(例如30kHz)-超声传感器10的固有频率7(例如48kHz)-第二值2(例如80kHz)-超声传感器10的固有频率7-第三值3(例如30kHz)-超声传感器10的固有频率7-第四值4(例如80kHz)-超声传感器的固有频率7-第五值5(例如30kHz)。响应于此地，在第二步骤200中例如通过超声传感器10的超声接收器13b接收由对象反射的相应的回波11。在第三步骤300中，基于固有频率7的时间序列滤除回波11。在第四步骤400中，根据经历超声信号9的固有频率7与相应地经历回波11的固有频率7的时间差来求取超声频率移位。在第五步骤500中，根据所求取的超声频率移位进行对象的以下角度的求取：回波11来源于所述角度。这可以例如借助分析处理单元8——例如CPU和/或微控制器——来实现。

图5示出根据本发明的超声传感器10的一种实施方式，该超声传感器具有超声发送器13a和超声接收器13b。此外，超声接收器13b和超声发送器13a分别与分析处理单元8连接。该分析处理单元可以访问存储器12。在存储器12中例如可以存储关于在发送100超声信号9期间超声频率f的变化的记录。

图6示出以汽车形式的根据本发明的交通工具20的一种实施方式。在此，汽车具有第一、第二和第三超声传感器10a、10b、10c。