用于借助至少一个声学脉冲确定运动辅助装置的周围环境中的至少一个物体的位置和/或运动的方法和周围环境检测设备

技术领域

本发明涉及用于借助至少一个所发射的并且在物体上反射的具有预给 定的脉冲持续时间的声学脉冲来确定运动辅助装置的周围环境中的至少一 个物体的位置和/或运动的方法和周围环境检测设备。本发明也涉及一种具 有根据本发明的周围环境检测设备的车辆。

背景技术

当今，为了声学地检测车辆的周围环境，通常使用以脉冲方式进行测 量的超声系统，其中，自发射开始，发射短的借助Δτ_p＝0.3ms的信号脉冲 调制的通常为48kHz的正弦状的载波信号。根据所述脉冲在周围环境的物 体上的反射波(Reflexe)的传播时间，借助声速度c确定与物体的间距。

尤其在今天大多使用的具有经补偿的(abgesetzter)信号判决的传感器 中，根据至少一个取决于传播时间的阈值(也称作特征曲线)来评估回波 振幅的时间变化曲线，并且将发射的开始t_s与由回波振幅的时间变化曲线 超过阈值的开始t_E之间的时间评估为回波传播时间τ_Oalt＝t_E-t_S。

然而通过这种方式确定的回波传播时间具有相对高的波动，从而通过 根据回波传播时间的三边测量的物体定位强烈地尤其横向地有偏差。

在由现有技术已知的超声系统的一种扩展的实施方式中，借助例如称 作鉴别器窗的功能检查：在确定回波传播时间之前，回波振幅是否对于一 个较长的时间(所谓的鉴别器时间)超过阈值。虽然可以在经补偿的信号 判决与信号分析处理之间的接口上测量通过所述鉴别器窗延迟的选通信 号，但是在信号分析处理中的计算时补偿所述选通信号。因此，鉴别器窗 确实没有对信号判决产生影响，而在此仅仅为完整性起见而提及所述鉴别 器窗。

由文献DE 10 2009 002 870 A1已知一种超声物体检测系统和一种用于 借助超声检测物体的方法，其中提及，当前的传输系统仅仅对接收回波的 开始作出反应并且在回波接收时不分析处理脉冲持续时间。所描述的系统 和方法涉及，发射不同的脉冲持续时间和脉冲强度的超声脉冲，以便监视 离传感器系统不同距离的部分区域。

文献DE 30 37 139 C2描述了一种超声-传播时间-距离测量方法和一种 用于实施所述方法的电路装置，其中，借助具有0.6ms的平均持续时间的 测试求取，所接收的回波脉冲是否涉及真正的回波脉冲。在此描述了，在 测试之后才发出的距离测量信号具有比没有测试时短了0.6ms的传播时 间，因此产生能够补偿的约15cm的测量错误。

发明内容

根据本发明提供一种用于借助至少一个所发射的并且在物体上反射的 具有预给定的脉冲持续时间的声学脉冲来确定运动辅助装置的周围环境中 的至少一个物体的位置和/或运动的方法。在此，在物体上反射的声学脉冲 称作回波脉冲。此外，由所接收的回波脉冲的振幅第一次超过至少一个预 定义的阈值的时刻和/或最后一次超过所述至少一个预定义的阈值的时刻 以及超过所述阈值的持续时间来确定所述回波脉冲的回波脉冲传播时间并 且因此也确定所述物体的位置。

此外，根据本发明提供一种用于借助至少一个所发射的并且在物体上 反射的具有预给定的脉冲持续时间的声学脉冲来确定运动辅助装置的周围 环境中的至少一个物体的位置和/或运动的周围环境检测设备。在此，在物 体上反射的声学脉冲称作回波脉冲。此外，周围环境检测设备构造用于根 据由所接收的回波脉冲的振幅第一次超过至少一个预定义的阈值的时刻和 /或最后一次超过所述至少一个预定义的阈值的时刻以及超过所述阈值的 持续时间来确定所述回波脉冲传播时间并且因此也确定所述物体的位置。

从属权利要求示出本发明的优选的扩展方案。

在根据本发明的方法中，借助所发射的脉冲状调制的具有预定义的脉 冲持续时间Δτ_P的声学信号来确定运动辅助装置的周围环境中的物体—— 例如医院电梯、赛格威(Segway)、自行车、电动汽车、其他车辆(如汽车、 公共汽车和载重车辆)——的位置和/或运动。

换言之，借助根据本发明的方法根据至少一个阈值尤其通过考虑第一 次超过所述阈值的时刻t_E和超过所述阈值的持续时间Δτ_E来确定声传播时 间(回波脉冲传播时间)τ_Oneu并且因此确定进行反射的物体的位置。

在根据本发明的方法中，尤其根据所述第一次超过的时刻和/或根据所 述最后一次超过的时刻来计算所述回波传播时间，在所述第一次超过的时 刻加上超过所述阈值的持续时间的一半，从所述最后一次超过的时刻减去 超过所述阈值的持续时间的一半。

根据本发明，优选借助发射开始t_S作为时间上的参考点工作，并且在 所述情形中尤其由持续时间Δτ_P的发射脉冲的发射的在时间上的结束 (t_S+Δτ_P)与由回波振幅第一次超过阈值的时刻t_E之间的时间差并且由回波 振幅超过阈值的持续时间Δτ_E根据以下关系(1)计算进行反射的物体的声 传播时间τ_Oneu：

τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E    (1)

此外，根据本发明优选借助由回波振幅最后一次超过阈值的时刻t_EEnd作为时间上的参考点工作并且在所述情形中尤其在考虑由所述回波振幅最 后一次超过所述阈值的时刻t_EEnd和超过阈值的持续时间Δτ_E的情况下根据 以下关系(2)来计算进行反射的物体的声传播时间τ_Oneu：

τ_Oneu＝t_EEnd-(t_S+Δτ_P)-0.5·Δτ_E    (2)

因为最大的回波振幅与阈值的关系取决于各种影响，所以清楚的是， 为何当今基于传播时间确定的通常的物体定位也短时强烈地有偏差，所述 传播时间确定仅仅基于通过回波振幅的时间变化曲线的阈值超过的开始t_E或者结束t_EEnd。

如果与此相反附加地考虑通过回波振幅的时间变化曲线的阈值超过的 持续时间并且尤其借助与发射脉冲匹配的接收滤波器借助关系(1)和(2) 来确定回波传输时间，则结果与最大的回波振幅无关。

在本发明的一种优选的实施方式中，借助校正因数校正回波传播时间， 尤其从回波传播时间的未经校正的表达式减去所述校正因数。

因此，根据本发明借助校正因数Δτ_Korr尤其根据关系(3)和(4)来校 正根据关系(1)和(2)计算的声传播时间τ_Oneu。

τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E-Δτ_Korr    (3)

τ_Oneu＝t_EEnd-(t_S+Δτ_P)-0.5·Δτ_E-Δτ_Korr    (4)

根据本发明，校正因数Δτ_Korr优选由用于回波脉冲的接收滤波器的冲激 响应的脉冲持续时间Δτ_F和所发射脉冲的脉冲持续时间Δτ_P构成，尤其作为 用于回波脉冲的接收滤波器的冲激响应的持续时间Δτ_F与所发射的脉冲的 脉冲持续时间Δτ_P之间的差根据以下关系(5)计算：

Δτ_Korr＝Δτ_F-Δτ_P    (5)

在根据本发明的回波传播时间确定中，借助校正因数Δτ_Korr尤其如此考 虑与发射脉冲的持续时间Δτ_P偏离的用于回波脉冲的接收滤波器的冲激响 应的持续时间Δτ_F的影响，使得根据本发明的回波传播时间保持与回波振 幅无关。此外，用于回波脉冲的接收滤波器的冲激响应的持续时间Δτ_F和 所发射的脉冲的脉冲持续时间Δτ_P是固定的系统参量，它们在相应的周围 环境检测设备的系统设计时被确定并且与相应的物体情况无关。因此，能 够少耗费地考虑所述系统参量。

在根据本发明的方法的一种特别有利的实施方式中，在超过所述预定 义的阈值的持续时间Δτ_E明显超过最小持续时间的情况下确定多个回波传 播时间τ_O1neu、τ_O2neu。

借助根据本发明的方法提供用于确定反射间距的算法，所述反射间距 几乎没有偏差。此外，所述算法在以下反射点处也起作用：所述反射点的 回波叠加。此外，根据本发明提供实现所述算法的周围环境检测设备。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，周围环境检测设备包括用于 产生开关信号的阈值开关和用于分析处理信号的分析处理单元，其中，周 围环境检测设备如此控制阈值开关，使得所述阈值开关在根据第一次超过 阈值的时刻和超过阈值的持续时间计算的时间期满之后、尤其在紧随第一 次超过阈值的时刻的由固定的延迟时间和正比于回波脉冲持续时间的延迟 时间构成的时间期满之后产生相应于回波传播时间的开关信号并且将其传 输到分析处理单元。

换言之，在根据本发明的周围环境检测设备、尤其在根据本发明的具 有经补偿的信号判决的周围环境检测设备中，在所述阈值开关和信号分析 处理之间仅仅传输第一次超过阈值的时刻t_E与超过阈值的持续时间Δτ_E的 组合。特别地，在阈值开关和信号分析处理之间尤其通过以下方式传输第 一次超过阈值的时刻t_E与超过阈值的持续时间Δτ_E的组合：在第一次超过 阈值之后等待固定的延迟时间以及正比于回波脉冲持续时间的延迟时间。

因此，根据本发明提供一种周围环境检测设备，其中，实现第一次超 过阈值的时刻t_E和超过阈值的持续时间Δτ_E的简单的低耗费的消息用于校 正声传播时间。通过一种简单的方式在经补偿的信号判决与信号分析处理 之间控制小的数据流，以所述方式尤其借助根据本发明的具有经补偿的信 号判决的周围环境检测设备来实现声传播时间的校正。

此外，根据本发明提供一种具有根据本发明的周围环境检测设备的车 辆。

附图说明

以下在参考附图的情况下详细描述本发明的实施例。附图示出：

图1：针对两个回波脉冲的回波振幅的变化曲线，所述两个回波脉冲具 有真实的回波传播时间τ_O和在时刻t_S1、t_S2时的不同的回波传输特性以及等 长的脉冲持续时间Δτ_P和等长的接收滤波器冲激持续时间Δτ_F；

图2：在真实的回波传播时间τ_O的情况下的回波脉冲的回波振幅的变 化曲线以及两个不同的阈值变化曲线SW1、SW2和由此得到的、阈值超过 的开始的不同时刻τ_E1、τ_E2和阈值超过的相应的持续时间Δτ_E1、Δτ_E2；

图3a至3c：具有等长的发射脉冲持续时间Δτ_P的发射脉冲的变化曲线 和根据真实的回波传播时间τ_O和不同的接收滤波器冲激响应持续时间Δτ_F的回波振幅的变化曲线；

图4a至4c：相比于由根据本发明的周围环境检测设备根据本发明的第 一实施方式产生的开关脉冲的详细的变化曲线，由现有技术已知的周围环 境检测设备产生的开关脉冲的变化曲线，其中，根据本发明的周围环境检 测设备相互组合阈值超过的开始的时刻t_E和阈值超过的持续时间Δτ_E。

具体实施方式

在图1、2、3a、3b和3c中始终仅仅示出包络线、即回波信号的脉冲 状的调制信号及其序列。通过放弃显示经调制的载波信号而使显示更清楚， 而不失对有效性的陈述。

在图1中示出针对两个回波脉冲的回波振幅的变化曲线，所述两个回 波脉冲具有真实的回波传播时间τ_O和在时刻t_S1、t_S2时的不同的回波传输特 性以及等长的脉冲持续时间Δτ_P和等长的接收滤波器冲激持续时间Δτ_F。

图1示出借助滤波器接收的以理想方式点状地(即非空间延展地)反 射的物体的回波的振幅A(τ)的变化曲线，其中，τ＝t-(t_S+Δτ_P)。因为在 实际中所有传输信道具有有限的带宽，所以在单个的点状的反射体的情况 下在滤波器输出端上在回波振幅A任何时候再次下降之前始终能够确定回 波振幅A一直朝回波振幅最大值的连续上升。如示出的那样，在理想情形 中回波振幅最大值仅仅对于短的时间存在，即其形成峰。另外，尤其对于 空间延展的反射体而言，回波振幅最大值平台状地在更长的持续时间上存 在。

通过深入研究最佳接收的理论，在考虑发射持续时间Δτ_P和真实的回 波传播时间τ_O的情况下清楚的是，在时刻t＝t_S+Δτ_P+τ_O回波振幅A具有 其最大值，而与在传输介质中刚刚存在哪些当前的传播衰减无关。在此， 两个不同的最大的回波振幅值A1(τ_S1)、A2(τ_S2)象征性地表示：根据传输介 质中的当前的传播衰减回波振幅变化曲线的所述最大值可能会不同。

图2示出在真实的回波传播时间τ_O的情况下的回波脉冲的回波振幅 A(τ)的变化曲线，其中，τ＝t-(t_S+Δτ_P)，以及两个不同的阈值变化曲线 SW1、SW2和由此得到的、阈值超过的开始的不同时刻τ_E1、τ_E2和阈值超 过的相应的持续时间Δτ_E1、Δτ_E2。

借助图2示出最大的回波振幅与阈值的关系对借助阈值记录的阈超过 的开始τ_E的影响。阈值SW1、SW2越远地位于回波振幅A的最大值以下， 则差(τ_O-τ_E)越大。因为阈值SW1靠近回波振幅A的最大值，所以差 (τ_O-τ_E1)是小的。因为阈值SW2非常远地位于回波振幅A的最大值以下， 所以差(τ_O-τ_E2)是相对大的。

因为最大的回波振幅与阈值的关系取决于各种影响，例如取决于当前 的空间衰减、物体的反射性等，所以清楚的是，为何当今基于传播时间确 定的通常的物体定位也短时强烈地有偏差，所述传播时间确定仅仅基于通 过回波振幅的时间变化曲线的阈值超过的开始τ_E或者结束(τ_E+Δτ_E)。

如果与此相反附加地考虑通过回波振幅的时间变化曲线的阈值超过的 持续时间Δτ_E并且如果借助尤其与发射脉冲匹配的接收滤波器借助关系 (7)来确定回波传播时间τ_Oneu，则结果与最大的回波振幅无关。

τ_Oneu＝τ_E+0.5·Δτ_E其中，τ_E＝t_E-(t_S+Δτ_P)    (7)

在图3a至3c中示出等长的发射脉冲持续时间Δτ_P的发射脉冲的变化曲 线和具有真实的回波传播时间τ_O和不同的接收滤波器冲激响应持续时间 Δτ_F的回波振幅的变化曲线。

图3a至3c因此示出在发射脉冲持续时间Δτ_P与不同的接收滤波器冲激 响应持续时间Δτ_F的不同关系的情况下以及在不同的回波振幅的情况下的 滤波器输出的变化曲线。

在图3a至3c中分别在水平上示出时间t并且在竖直上示出包络线根据 时间t的强度(振幅)A。一个竖直的线表示发射开始的共同时刻t_S。另一 个竖直的线表示回波传播时间τ_O与发射开始t_S相加的时刻。借助中断标记 表示，回波传播时间τ_O可能比示出的时间范围显著更长。在图3a至 3c中，分别示出在时刻(t_S+τ_O)之前始终相同的具有脉冲持续时间Δτ_P的发 射脉冲的时间变化曲线。在图3a至3c中，示出在时刻(t_S+τ_O)之后滤波器 输出值的不同的时间变化曲线，其中，对于小的回波振幅A1的所述滤波器 输出值借助实线示出，而对于大的回波振幅A2的滤波器输出值借助虚线示 出。在图3a至3c中也示出阈值SW的时间变化曲线。

在图3a中示出对于具有冲激响应持续时间Δτ_F的接收滤波器的回波振 幅A1、A2根据时间t的变化曲线，所述冲激响应持续时间根据发射脉冲持 续时间Δτ_P匹配。

在所述匹配的滤波器的冲激响应持续时间Δτ_F具有脉冲持续时间 Δτ_F＝Δτ_P。如示出的那样，对于总持续时间(Δτ_P+Δτ_F)而言滤波器输出值 A1、A2的变化曲线始终不等于零。在图3a中，记录在小的回波振幅A1 的情况下的时间差τ_Oalt1或者在大的回波振幅A2的情况下的时间差τ_Oalt2， 其相应于当今通常的传播时间确定形式，其仅仅借助阈值超过的开始来计 算。在图3a中也示出根据本发明提出的新的传播时间确定方式 τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E。清楚的是，根据本发明的方法与回波脉冲 振幅A1、A2无关。

在图3b和3c中，示出对于接收滤波器而言的回波振幅A1、A2的变 化曲线，所述接收滤波器没有与发射脉冲持续时间Δτ_P匹配。图3b所基于 的滤波器的冲激响应具有脉冲持续时间Δτ_F>Δτ_P。如示出的那样，对于总 持续时间(Δτ_P+Δτ_F)而言滤波器输出值A1、A2的与时间相关的变化曲线 在此也不等于零。因为所激励的具有脉冲长度Δτ_P的回波脉冲比滤波器冲 激相应持续时间Δτ_F短，所以在Δτ_P之后滤波器响应A1、A2的上升已经中 断并且从此在对回波脉冲的滤波器响应再次下降之前对于持续时间 (Δτ_F-Δτ_P)水平地延伸。然而，由于滤波器的错误匹配，时刻 τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E位于相应偏移的位置处，但是此外与回波振 无关。因此，在低的错误匹配|Δτ_F-Δτ_P|＜＜Δτ_P的情况下，方程式 τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E还导致比目前所使用的方程式τ_Oneu＝t_E-t_S更可靠的回波传播时间估计。

然而，也可以通过以下方式校正错误匹配：使不匹配的滤波器的滤波 器响应的不等于零的总持续时间(Δτ_P+Δτ_F)等于匹配的滤波器的滤波器响 应的总持续时间——所述匹配的滤波器的滤波器响应的总持续时间已知为 (2·Δτ_P)——加上校正值Δτ_Korr，即等于匹配的滤波器的滤波器响应的经校 正的总持续时间(2·Δτ_P+Δτ_Korr)，如关系(8)中示出的那样。

(Δτ_P+Δτ_F)≡(2·Δτ_P+Δτ_Korr)    (8)

然后由关系(8)得到对于校正值Δτ_Korr的表达式，其在关系(9)中阐 述：

Δτ_Korr＝Δτ_F-Δτ_P    

                                            (9)

τ_Oneu＝t_E-(t_S+Δτ_P)+0.5·Δτ_E+Δτ_Korr

不仅Δτ_F而且Δτ_P是固定的系统参量，其在系统设计时确定并且与相应 的物体情况无关。因此，能够容易地考虑所述系统参量。

相比于由根据本发明的周围环境检测设备根据本发明的第一实施方式 产生的开关脉冲SP1的在图4b和4c中示出的详细的变化曲线，在图4a中 示出由现有技术已知的周围环境检测设备产生的开关脉冲SP的变化曲线， 其中，根据本发明的周围环境检测设备相互组合阈值超过的开始的时刻t_E 和阈值超过的持续时间Δτ_E。

换言之，在图4a至4c中示出，如何能够将第一次超过阈值的时刻t_E与超过阈值的持续时间Δτ_E的组合产生为开关信号SP1。

在图4a中示出所接收的回波脉冲A的信号SA的和开关脉冲SW的在 时间上的变化曲线。水平示出的时间轴线τ＝t-(t_S+Δτ_P)涉及由发射开始 t_S和发射脉冲持续时间Δτ_P形成的原点(Ursprung)。在当今通常的、由现 有技术已知的系统中，借助所示出的阈值SW确定回波振幅A超过最小值。 在所述系统中，在第一次超过阈值SW之后在随后的鉴别器时间Δτ_D期间 检查，回波振幅A是否重复地超过阈值SW。如果所述超过经常发生，则 在鉴别器时间差Δτ_D期满之后设置开关脉冲SW，所述开关脉冲相应于回波 传播时间并且仅仅由阈值超过的开始t_E推导出。为了完整性起见，在图4a 和4b中如图3中那样在时间原点之前示出具有发射脉冲持续时间Δτ_P以及 发射开始t_S的发射脉冲，其中，在所有情形中发射脉冲的强度明显与回波 振幅的强度偏离。

在图4b中示出，如何能够根据本发明产生用于求取改进的回波传播时 间确定而没有大的硬件耗费的周围环境检测设备。在此，在第一次超过阈 值SW之后期望固定的延迟时间Δτ_df以及随后在产生示出的相应于回波传 播时间τ_Oneu的开关信号SP1之前期望另一个正比于回波脉冲持续时间的延 迟时间Δτ_dE。特别地，如至今可以借助鉴别器时间Δτ_D检查，阈值超过是 否比鉴别器时间Δτ_D更长并且仅仅在这种情形中产生相应于回波传播时间 τ_Oneu的开关信号SP1。如果根据图4b的根据本发明的测量的在时间上的零 点涉及发射脉冲的结束，则在匹配的滤波的情况下导通的时刻相应于回波 传播时间τ_Oneu加上固定的延迟时间Δτ_df。

在图4c中示出，正比于回波脉冲持续时间的延迟持续时间Δτ_dE可能如 何与回波脉冲持续时间Δτ_E相关。尤其借助硬件的时钟分频器能够容易地 实现所述时间特性。

在此没有详细地探讨在此提出的产生根据本发明的开关脉冲SP1的扩 展的不同可能性。一方面，开关脉冲SP1能够如至今相应于回波脉冲持续 时间那样长时间地保持其状态，或者所述开关脉冲能够在约定的固定的持 续时间之后再次返回相应于不存在回波(在此逻辑零)的状态。由阈值超 过的开始与持续时间的组合产生的信号SP1也能够在数据流中、例如总线 线路中经编码地传输或者在中央单元中直接分析处理。

在具有经补偿的信号判决的不仅传输回波开始而且传输回波持续时间 的当今的系统中，在此公开的算法在信号处理单元(分析处理单元)中已 经能够考虑两个参量。

除了所述的文字上的公开内容之外，借此对本发明的其他公开内容补 充地参考图1至4中的示图。