DE3806847A1 - Abstandsmesseinrichtung zur beruehrungslosen abstandsmessung - Google Patents

Abstandsmesseinrichtung zur beruehrungslosen abstandsmessung

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Abstandsmeßeinrichtung zur berüh­ rungslosen Abstandsmessung, insbesondere zur Abstandsmessung zwischen zwei Kraftfahrzeugen.
Es sind Abstandsmeßsysteme zur berührungslosen Abstandsmes­ sung allgemein bekannt, die die Laufzeit von Ultraschall-Sig­ nalen zur Messung verwenden. Dazu sind am Meßgerät ein Ultra­ schall-Sender und ein Ultraschall-Empfänger angebracht. Der Ultraschall-Sender gibt für die Messung ein kurzes Ultra­ schall-Signal bestimmter Ultraschall-Frequenz in Richtung auf das entfernt liegende Meßobjekt, dessen Abstand vom Meßgerät bzw. vom Standort aus gemessen werden soll, ab. Am Meßobjekt wird das Ultraschall-Signal reflektiert und mit dem Ultra­ schall-Empfänger vom Meßgerät wieder empfangen. Die Laufzeit des Echosignals über die zweifache Abstandslänge wird übli­ cherweise über eine Zählanordnung gemessen, wobei beim Aus­ senden des Ultraschallsignals die Zählanordnung gestartet wird. Während der Laufzeit werden von einem Taktgeber Impulse in den Zähler eingezählt und der Zählvorgang beim Empfang des reflektierten Ultraschall-Signals durch den Ultraschall-Emp­ fänger gestoppt. In einer nachgeschalteten Auswerteeinheit, die üblicherweise einen Mikroprozessor enthält, wird nach je­ der Messung der Zählerstand bzw. die ermittelte Laufzeit in ein Längenmaß für die Abstandsstrecke umgerechnet und ange­ zeigt oder für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung ge­ stellt. Der Abstand ergibt sich zu
wobei s die Abstandsstrecke, v die Schallgeschwindigkeit (un­ ter Normalbedingungen), t die Laufzeit des Ultraschall-Sig­ nals und T die Lufttemperatur in °Celsius bedeuten.
Es ist beabsichtigt, in Zukunft zur Unterstützung der Fahrer­ wahrnehmung im Straßenverkehr, Abstandsmeßeinrichtungen in Fahrzeuge einzubauen, die Hindernisse, insbesondere andere Fahrzeuge im näheren Umfeld des Kraftfahrzeugs, registrieren und dem Fahrer zur Anzeige bringen oder direkt in den Betrieb des Fahrzeugs eingreifen. Eine Anwendungsmöglichkeit solcher Geräte stellt beispielsweise die Längsregelung von Kraftfahr­ zeugen, wie Kolonnenfahren mit definiertem Abstand, gleichzei­ tiges Anfahren vor Ampeln, Auffahrschutz, etc., dar. Es ist ersichtlich, daß solche Abstandsmeßeinrichtungen ein hohes Maß an Genauigkeit und Sicherheit erfordern, besonders bei automatischen regelungstechnischen Eingriffen in die Fahr­ zeuggeschwindigkeit.
Die eingangs beschriebenen, bekannten Meßsysteme führen zu gu­ ten Ergebnissen, wenn die Abstandsmessung an ortsfesten Objek­ ten oder nur wenig schnell bewegten Objekten durchgeführt wird.
Für eine eindeutige Messung ist es nämlich erforderlich, daß zwischen zwei Sendeimpulsen bzw. zwischen zwei hintereinander­ folgenden Messungen alle meßbaren Echosignale zurückkehren. Wegen der relativ geringen Schallgeschwindigkeit und der dop­ pelten Abstandsstrecke für den Lauf des Ultraschall-Signals wegen des Echoprinzips ist eine verhältnismäßig große Wieder­ holzeit zwischen den Sendeimpulsen erforderlich. Dies ist für den Einsatz in einem Fahrzeug ungünstig, da es hier wegen schneller Bewegungsvorgänge und Abstandsänderungen auf eine besonders schnelle Aktualisierung momentaner Meßwerte und da­ mit auf eine hohe Meßfrequenz ankommt.
Vorteile der Erfindung
Die Abstandsmeßeinrichtung zur berührungslosen Abstandsmes­ sung, insbesondere zur Abstandsmessung zwischen zwei Kraft­ fahrzeugen, mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegen­ über den Vorteil, daß durch die Verwendung mehrerer Ultra­ schall-Signale unterschiedlicher Frequenz die Meßfrequenz er­ höht, bzw. die Wiederholzeit zwischen zwei eindeutigen Messun­ gen verkürzt werden kann. Damit ist eine schnellere Akutali­ sierung von Abstandsmeßwerten möglich, wie dies insbesondere für einen Einsatz zur Abstandsmessung bei Kraftfahrzeugen er­ forderlich ist.
Konkret läßt sich die Erfindung sowohl mit einzelnen, auf be­ stimmte Frequenzen abgestimmte, Ultraschall-Wandler, z.B. mit Piezokristallen, als auch mit Ultraschall-Sendern und Ultra­ schall-Empfängern mit breitbandiger Charakteristik, z.B. mit kapazitiven Ultraschall-Schwingern, realisieren.
Besonders vorteilhaft kann die Messung mit Ultraschall-Signa­ len unterschiedlicher Frequenz bei einer Meßeinrichtung nach dem Echoprinzip verwendet werden. Die Dopplerverscheibung zwi­ schen Sende- und Empfangsfrequenz ist hierbei praktisch ver­ nachlässigbar, so daß mit schmalbandigen Empfängerverstärkern gearbeitet werden kann. Wie eingangs beschrieben, ist diese Meßmethode wegen der erforderlichen doppelten Laufzeit über die Meßstrecke prinzipiell relativ langsam und die Meßfre­ quenz kann mit der Erfindung entsprechend der Anzahl unter­ schiedlicher Sendefrequenzen gesteigert werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Abstandsmeßeinrich­ tung zur berührungslosen Abstandsmessung mit mehre­ ren, jeweils auf eine bestimmte Ultraschall-Frequenz abgestimmten, Sende- und Empfängereinheiten,
Fig. 2 eine Darstellung der Sendesignale und Empfangssignale der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Abstandsmeßeinrich­ tung zur berührungslosen Abstandsmessung mit einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger mit jeweils breitbandiger Charakteristik, und
Fig. 4 eine Darstellung der Sendesignale und Empfangssignale nach der Ausführungsform der Fig. 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist eine Abstandsmeßeinrichtung 1 zur berührungs­ losen Abstandsmessung dargestellt, die aus einer Mehrzahl gleich aufgebauter, paralleler Sende- und Empfangseinheiten (I, II ... N) besteht, wobei der Unterschied darin liegt, daß jede Sende- und Empfangseinheit auf eine unterschiedliche Ultraschall-Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) abgestimmt ist. Grund­ lage dafür ist das Resonanzverhalten piezokeramischer Ultra­ schall-Wandler, d.h. die maximale Abstrahlung bzw. Empfang er­ folgt bei einer scharf definierten Frequenz. Der Wert dieser Resonanzfrequenz wird durch die Materialzusammensetzung und Geometrie des Ultraschall-Wandlers festgelegt. Als Folge hier­ von können mehrere Ultraschall-Wandler ohne gegenseitiges Übersprechen nebeneinander betrieben werden, vorausgesetzt ihre Resonanzfrequenzen liegen weit genug auseinander.
Jede Sende- und Empfangseinheit (I, II ... N) enthält einen so abgestimmten Ultraschall-Wandler 2, 3, 4, der sowohl als Sender (S) wie auch als Empfänger (E) arbeitet.
Eine Sendeelektronik 5 der ersten Sende- und Empfangseinheit (I) wird von einem Taktgeber 6 angesteuert, in dessen einge­ stelltem Takt Ultraschall-Signale mit der Frequenz f 1 ausge­ sendet werden. Der Taktgeber ist zugleich mit dem Startein­ gang 7 eines Zählers 8 verbunden. Bei einer Aktivierung des Starteingangs 7 werden in den Zähler 8 Zählimpulse eines Takt­ gebers 9 eingezählt.
Beim Auftreffen des ausgesendeten und reflektierten Ultra­ schall-Signals auf den Ultraschall-Wandler 2 arbeitet dieser als Empfänger. Das empfangene Ultraschall-Signal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, in einem Verstärker 10 ver­ stärkt und einem Schwellwertschalter 11 zugeführt. Beim Über­ schreiten der eingestellten Schwelle wird über die Leitung 12 ein Signal an den Stoppeingang 13 des Zählers 8 gegeben und dieser dadurch angehalten.
Die Sende- und Empfangseinheiten II ... N sind entsprechend aufgebaut, wobei die Taktimpulse aus dem Taktgeber 6 durch Verzögerungseinheiten 14, 15 verzögert an die jeweiligen Sen­ deelektroniken weitergegeben werden. Die Verzögerungszeiten sind dabei so gewählt, daß sie innerhalb der Taktfrequenz des Taktgebers 6 liegen. Damit werden innerhalb der Taktfrequenz für die Aussendung von Ultraschall-Signalen mit der Frequenz f 1 zeitversetzt weitere Ultraschall-Signale mit den Frequen­ zen f 2 ... f N ausgesandt.
Die Zähler sind über Trennverstärker (Buffer) 16 und einen Datenbus 17 mit einem Mikroprozessor 18 verbunden, der im wesentlichen die Auswerteeinheit darstellt. Die Übernahme der Zählerstände in den Mikroprozessor wird ebenfalls über die Leitungen 12 gesteuert.
Weiter ist ein Thermoelement 19 an den Mikroprozessor 18 ange­ schlossen.
Die dargestellte Anordnung hat folgende Funktion: Die Ultra­ schall-Wandler 2, 3 ... N mit unterschiedlicher Resonanzfre­ quenz sind räumlich so angeordnet, daß ihre aktiven Wandler­ flächen in dichtem Abstand parallel nebeneinanderliegen. Die einzelnen Sendestrahlkeulen sind so justiert, daß sie den gleichen Meldebereich überdecken. Der Taktgeber 6 veranlaßt die Ultraschall-Wandler 2, 3 ... N zur Abgabe von Sendeimpul­ sen definierter Länge und definierter Wiederholzeit τ. Durch die Verzögerungseinheiten 14, 15 werden die einzelnen Ultra­ schall-Wandler 2, 3 ... N nacheinander zur Emission ihrer Im­ pulspakete angeregt. Die Verzögerungszeit wird zweckmäßiger­ weise auf Δ t=τ/N festgesetzt. In Fig. 2 ist als Bei­ spiel eine Anordnung mit drei Sende- und Empfangseinheiten I, II und III dargestellt, wobei im oberen Bereich die Sendesig­ nale unterschiedlicher Frequenz zeitversetzt dargestellt sind.
Gleichzeitig mit jedem Sendeimpuls wird für den jeweiligen Ultraschall-Wandler ein zugeordneter Zähler 8 gestartet, der die Impulse des Taktgebers 9 zählt. Die zurückkehrenden Echo­ signale (Fig. 2, unterer Teil) werden jeweils über einen Ver­ stärker 10 einem Schwellwertschalter 11 zugeführt. Beim Über­ schreiten der eingestellten Schwellwertspannung wird der zuge­ hörige Zähler gestoppt und gleichzeitig ein Interrupt ausge­ löst, der den angeschlossenen Mikroprozessor 18 zur Übernahme der Zählerdaten veranlaßt. Aus der gemessenen Zeit wird im Mikroprozessor 18 unter Berücksichtigung der mit dem Thermo­ element 19 gemessenen Lufttemperatur der Abstand des ermittel­ ten Objekts nach der eingangs angegebenen Formel ermittelt.
Es wird jeweils nur das erste Echo innerhalb eines Sendetakts ausgewertet, so daß weiter entfernte Objekte nicht erkannt werden, gleichzeitig aber auch Fehler, die durch Mehrfach-Re­ flektionen entstehen, ausgeschlossen bleiben.
In Fig. 3 ist eine Abstandsmeßeinrichtung 20 zur berührungs­ losen Abstandsmessung dargestellt, die sowohl einen Ultra­ schall-Sender 21 als auch Ultraschall-Empfänger 22 mit breit­ bandiger Charakteristik, beispielsweise kapazitive Ultra­ schall-Schwinger, enthält.
Der Ultraschall-Sender 21 ist an eine Sendeelektronik 23 ange­ schlossen, die ihrerseits mit Oszillatoren 24, 25 ... N ver­ bunden ist. Die Oszillatoren 24, 25 ... N schwingen mit un­ terschiedlichen Frequenzen f 1, f 2 ... fN und werden von einem Taktgeber 26 mit nachgeschalteten Verzögerungseinheiten 27, 28 entsprechend der ersten Ausführungsform zeitversetzt ange­ steuert. Der Taktgeber 24 bzw. jede Verzögerungseinheit 27, 28 ist entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Starteingang 29 eines zugeordneten Zählers 30 verbunden. Die Zähler haben Verbindung mit einem weiteren Taktgeber 31, der die Zählimpulse erzeugt.
Dem Ultraschall-Empfänger 22 ist ein Verstärker 32 sowie eine Anzahl von Bandpaßfiltern 33, 34 ... N nachgeschaltet, die ihrerseits mit Schwellwertschaltern 35, 36 ... N verbunden sind. Die Ausgänge der Schwellwertschalter 35, 36 ... N sind sowohl auf die Stoppeingänge 37 der zugeordneten Zähler 30 als auch auf eine Interrupt-Schaltung geschaltet.
Die Zähler sind über Trennverstärker (Buffer) 39 und einen Datenbus 40 mit einem Mikroprozessor 41 als Auswerteeinheit verbunden, an den auch die Interrupt-Schaltung 38 und ein Thermoelement 42 angeschlossen sind.
Die Funktion der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird an­ hand des Signaldiagramms der Fig. 4 beschrieben, wobei in Fig. 4 mit drei unterschiedlichen Ultraschall-Frequenzen ge­ arbeitet wird: Der Ultraschall-Sender 21 wird von der Sende­ elektronik 23 gesteuert, die über die Oszillatoren 24, 25 ... N und den Taktgeber 26 bzw. die Verzögerungseinheiten 27, 28 mit unterschiedlichen Impulsen der gewünschten Länge, Fre­ quenz und Wiederholzeit versorgt wird. Zu den gleichen Zeit­ punkten, zu denen die unterschiedlichen Sendeimpulse (f 1, f 2, f 3 in Fig. 4 oben) gestartet werden, beginnen die jeweiligen zugeordneten Zeitmessungen durch Aktivierung der entsprechen­ den Starteingänge jedes der entsprechenden Zähler, in den die Impulse des parallel laufenden Taktgebers 31 eingezählt wer­ den. Beim Auftreffen der zurückkehrenden Echos (Fig. 4, unte­ rer Teil) durchlaufen diese nach der Umwandlung in elektri­ sche Signale und anschließender Verstärkung parallel angeord­ nete Bandpaßfilter 33, 34 ... N, die jeweils auf eine der Sendefrequenzen f 1, f 2 ... fN abgestimmt sind. Die anschlie­ ßenden Schwellwertschalter 35, 36 ... N dienen zur Erkennung des maximalen Signals und damit der Zuordnung von Echo und entsprechendem Sendeimpuls. Der Kanal nach den Bandpaßfiltern 33, 34 ... N, der das maximale Ausgangssignal liefert, stoppt den zugeordneten Zähler 30 und setzt einen Interrupt, der den angeschlossenen Mikroprozessor 41 zur Übernahme des aktuellen Zählerstandes veranlaßt. Die weitere Verarbeitung geschieht unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit (Thermo­ element 42) der Schallgeschwindigkeit.

Claims (11)

1. Abstandsmeßeinrichtung zur berührungslosen Abstandsmes­ sung, insbesondere zur Abstandsmessung zwischen zwei Kraft­ fahrzeugen, mit einem Ultraschall-Sender zur Aussendung von zeitlich aufeinanderfolgenden Ultraschall-Signalen bestimmter Frequenz, mit einem Ultraschall-Empfänger zur Aufnahme von Ultraschall-Signalen bestimmter Frequenz und mit einer Ein­ richtung zur Laufzeitmessung eines Ultraschall-Signals vom Ultraschall-Sender zum Ultraschall-Empfänger, mit einer nach­ geschalteten Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ultraschall-Sender (2 S, 3 S, 4 S; 21) um bestimmte Zeitab­ stände (Ω t) versetzte Ultraschall-Signale mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ultraschall-Frequenzen (f 1, f 2 ... f N ) ausgesendet werden, die vom Ultraschall-Empfänger (2 E, 3 E, 4 E; 22) entsprechend ihrer unterschiedlichen Frequenz (f 1, f 2 ... fN) erkannt und aufgenommen werden und daß mit Ultra­ schall-Signalen unterschiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) je­ weils separate Laufzeitmessungen (Zähler 8 ... N; 30 ... N) durchführbar sind.
2. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitabstände (Δ t) zwischen dem Aussenden von Ultraschall-Signalen unterschiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) periodisch gleich sind.
3. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Aussenden von Ultraschall-Signalen unterschiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) der Ultraschall­ Sender mehrere, in die gleiche Richtung gerichtete und auf je eine verwendete Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) abgestimmte, Ultra­ schall-Wandler (2 S, 3 S, 4 S) enthält.
4. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Empfang von Ultraschall-Signalen unter­ schiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) der Ultraschall-Empfän­ ger mehrere, in die gleiche Richtung gerichtete und auf je eine verwendete Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) abgestimmte, Ultra­ schall-Wandler (2 E, 3 E, 4 E) enthält.
5. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für einen Betrieb mit reflektierten Ultra­ schall-Signalen (Echo-Prinzip) die Ultraschall-Wandler (2, 3, 4) sowohl für die Aussendung als auch den Empfang von Ultra­ schall-Signalen verwendet werden.
6. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem als Empfänger verwendeten Ultra­ schall-Wandler (2 E, 3 E, 4 E) eine eigene Zeitmeßeinrichtung (Zähler 8 ... N) für die Laufzeit nachgeschaltet ist und die Zeitmeßeinrichtungen (Zähler 8 ... N) mit der Auswerteeinrich­ tung (18) verbunden sind.
7. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Ultraschall-Sender (21) und ein Ultra­ schall-Empfänger (22) mit breitbandiger Charakteristik verwen­ det werden, wobei der Ultraschall-Sender (21) nacheinander durch Ansteuerung mit einer Wandlerelektronik (23) Ultra­ schall-Signale unterschiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) mit vorgebbarer Länge und Wiederholzeit (t) aussendet und der Ultraschall-Empfänger (22) entsprechend Ultraschall-Signale unterschiedlicher Frequenz (f 1, f 2 ... f N ) erkennt und je­ weils eine separate Laufzeitmessung (Zähler 30 ... N) durchge­ führt wird.
8. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ultraschall-Empfänger (22) nach der Umwand­ lung und Verstärkung des Ultraschall-Signals in ein elektri­ sches Signal parallel angeordnete Bandpaßfilter (33, 34 ... N) enthält, die auf eine der Sendefrequenzen (f 1, f 2 ... f N ) abgestimmt sind.
9. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ultraschall-Sender (2 S, 3 S, 4 S; 21) und der oder die Ultraschall-Empfänger (2 E, 3 E, 4 E; 22) am gleichen Objekt oder in einem Meßgerät angeord­ net sind und jede zugeordnete Einrichtung zur Laufzeitmessung (Zähler 8 ... N; 30 ... N) beim Aussenden eines Ultraschall- Signals der zugeordneten Frequenz gestartet und beim Empfang des ersten reflektierten Echosignals gleicher Frequenz ge­ stoppt wird.
10. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Laufzeit­ messung Zähler (8 ... N; 30 ... N) enthalten, die während der Messung einlaufende Impulse eines Taktgebers (9; 31) auf­ addieren und bei Beendigung der Laufzeitmessung der jeweilige Zählerstand von der Auswerteeinheit (18; 41) übernommen wird, wobei die Auswerteeinheit (18; 41) einen Mikroprozessor ent­ hält, der den Zählerstand in einen Streckenwert umrechnet und diesen Wert zur Verfügung stellt.
11. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (18; 41) über einen angeschlossenen Temperaturfühler (19; 42) die Tem­ peraturabhängigkeit der Schallausbreitung in Luft kompen­ siert.
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