用超声传感器系统检测周围物体的方法和装置及超声传感器系统与流程

本发明涉及一种用于检测位于周围环境中的周围物体的超声传感器系统。

背景技术

超声传感器被广泛应用于检测检测区域中的周围物体并确定它们的距离。例如，具有多个超声传感器的超声传感器系统在机动车辆中用作前后保险杠上的驻车辅助装置，这些超声传感器检测与接近的周围物体的距离，从而在操纵时为驾驶员提供支持。

然而，在当今的超声传感器系统中，只评估与检测到的周围物体的距离。在有多个周围物体的情况下，最短距离分别被视为到周围物体的距离并用于向机动车辆的驾驶员发出相应的警告信号。虽然不存在妨碍操纵的周围物体或与这种周围物体的距离显著更大，但也可能识别仅轻微阻碍车辆操纵的周围物体(例如，路缘石)并可能警告驾驶员。对于特别是可视化应用程序的其他应用程序，提供机动车辆周围环境区域中存在的周围物体的3D图像也是有意义的。特别地，这种3D图像信息也可用于自动或半自动驾驶的应用程序。3D图像可以对应于距离轮廓或云点形式的大量3D反射点。

在评估超声传感器信号时，可以评估各种类型的信息以定位周围物体。到所检测的周围物体的距离可以通过信号传播时间测量来确定。

在借助于多个超声传感器的距离测量来定位多个周围物体时，存在的缺点在于由不同传感器确定的距离的分配不明确并因此可能确定许多错误的周围物体位置。

此外，尤其在使用由多个超声传感器组成的相应超声传感器组件时，也可以根据组件的多个超声传感器的接收信号之间的相移来推断待检测的周围物体所在的方向。在这种情况下，缺点在于明确的方向确定需要组件的接收超声传感器之间的距离必须小于半个波长。然而，这些小型超声传感器非常小，因此效率低下。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于拍摄关于一个或多个周围物体的3D图像的改进方法，该方法避免了单独测量方法的缺点并提供了关于周围物体在超声传感器系统的检测区域中的位置的改进信息。

该目的通过根据权利要求1所述的用于操作具有多个超声发射器和多个超声接收器的超声传感器系统以用于检测检测区域中的周围物体的的方法以及通过根据并列权利要求所述的装置和超声传感器系统来实现。

其它实施例在从属权利要求中给出。

根据第一方面，提供了一种用于操作具有多个超声发射器和多个超声接收器的超声传感器系统以检测检测区域中的周围物体的方法，其中特别地，在超声换能器中分别共同地设计有一个超声发射器和一个超声接收器，该方法包括以下步骤：

-通过超声发射器中的多者发射超声发射信号，并且通过超声接收器接收相应的超声接收信号；

-对接收的超声接收信号进行评估，以便从传播时间测量(Laufzeit-messung)确定信号进程信息(Signalverlaufsangabe)，该信号进程信息以超声发射信号的发射时间点为基准指示信号强度的时间进程，其中，确定信号进程信息的每个最大值的信号传播时间，该信号传播时间指示与可能反射点的距离；

-对接收的超声接收信号进行评估，以便提供来自传感器组件的至少一对超声接收器的每两个超声接收信号之间的在相互对应的最大值的时间点处的相位差，其中，向相位差分别分配方向信息，该方向信息指示到可能反射点的方向；

-根据与可能反射点的距离并根据到可能反射点的方向，确定真实反射点。

此外，可以对接收的超声接收信号进行评估，以便根据相应的信号进程信息确定距离信息，其中，确定信号进程信息的最大值的距离信息，以便通过距离测量的组合来指示候选反射点。

可以对接收的超声接收信号进行评估，以便提供来自传感器组件的至少一对超声接收器的每两个超声接收信号之间的尤其在两个最大值的时间点之间的中间时间点处的相位差，这两个最大值的时间差小于传感器组件的每两个超声接收器之间的声音传播时间。

上述方法的一个想法是在具有多个传感器组件的超声传感器系统中将来自传播时间测量和来自相位差测量的信息结合，以便确定周围物体上反射点的位置。为此，上述方法使用超声发射器和超声接收器之间的由各个传播时间测量和声速得出的总信号路径以及由多个超声接收器接收的超声接收信号之间的相应相位差的测量。

超声传感器系统通常包括多个超声发射器和超声接收器，其中，超声发射器和超声接收器通常在结构上被共同设计在超声换能器中。这种超声换能器使用膜片来发射超声发射信号并接收在一个或多个周围物体的一个或多个反射点处反射的超声接收信号。

在超声传感器系统中，依次驱动超声换能器以输出相应的超声发射信号。该超声发射信号可以是超声脉冲，或是调频或调相的超声信号。当在检测区域中存在一个或多个周围物体时，超声换能器接收反射的超声信号作为超声接收信号。由超声换能器检测的超声接收信号被转换为换能器电接收信号。通常，在超声换能器中处理换能器接收信号并产生信号进程信息，该信号进程信息指示超声接收信号的信号强度(振幅强度)的时间进程。信号进程信息指示超声接收信号的包络线，其中，该包络线对应于振幅在接收时段内的时间进程。与反射超声发射信号的周围物体上的反射点的数量相对应地，信号进程信息可以具有多个最大值。在调频或调相信号的情况下，可以使用适用的滤波器来产生信号进程信息。

由于在发射阶段依次驱动超声换能器以发射超声发射信号，因此每个超声换能器在每个发射阶段提供相应的超声接收信号。因此，在操作超声传感器系统时，可以分别评估超声信号在发射超声换能器与相同的其他接收超声换能器之间的信号路径。例如，在评估时，可以考虑从相关发射超声换能器(超声发射器)到反射点以及从反射点到接收超声换能器(超声接收器)的信号传播时间信息。因此，各个信号进程信息通过到反射点的信号传播时间来确定，其中，信号进程信息也可以通过接收来自一个或多个周围物体的一个或多个反射点的多个超声接收信号来确定。在此，超声信号的传播时间由信号进程信息的最大值表示。然而，由于反射点与各个超声换能器之间的距离不同，不容易将信号进程信息的最大值分配给各个反射点，因此当有多个超声换能器时，通过最大值检测到的反射点的顺序可能彼此不同。

此外，超声传感器系统可以包括多个传感器组件，每个传感器组件具有多个超声换能器。在每个传感器组件中，超声换能器彼此相邻地布置，使得可以评估每两个由超声发射信号的反射产生的超声接收信号之间的相位差。为此，传感器组件的超声换能器彼此靠近地布置，使得可以向在两个超声接收信号之间检测出的相位差分配一个或多个不同的接收方向。根据传感器组件的每两个超声换能器之间的至少两个相位差测量值的组合，可以确定超声接收信号从反射点到达的不同的方向。

此外，根据传播时间测量中的与可能反射点的距离，可以确定候选反射点，其中，根据相位差测量中的到可能反射点的方向，从候选反射点中选择真实反射点。

候选反射点代表基于多次传播时间测量或多次相位差测量的评估而统一的可能反射点。因此，对于传播时间测量，可能的反射点代表球面上具有确定距离的所有点，并且候选反射点代表从至少两个相应的、同时的距离测量中获得的点。

替代地，可以根据相位差测量中的到可能反射点的方向确定候选反射点，其中，根据传播时间测量中的与可能反射点的距离，从候选反射点中选择真实反射点。

可以根据传播时间测量中的与可能反射点的距离确定候选反射点，其中，根据相位差测量中的到可能反射点的方向确定候选反射点，其中，将真实反射点分别确定为在传播时间测量和反射测量中均已被确定为可能的候选反射点的反射点。

该方法提供对来自相位差测量的候选反射点与来自传播时间测量的候选反射点的可信度检验，以便能够以此方式确定实际存在(正确)的真实反射点。换句话说，基于传播时间测量和相位差测量分别确定候选反射点，并且只有在传播时间测量和相位差测量中都存在相应的候选反射点才被认为是检测到的反射点。

此外，可以借助于优化问题在传播时间测量中将候选反射点确定为与测量的信号路径相关的误差低于预定阈值的反射点。优化问题可以通过诸如Gauss-Newton法或Newton-Raphson法等迭代方法解决，从而可以得到多个候选反射点。

特别地，只有分别与相应超声换能器相距一段距离的候选反射点才能够被认为是来自传播时间测量的候选反射点，该距离在由超声换能器发射的超声发射信号的信号传播时间和由超声换能器接收的超声接收信号的信号传播时间中得出。因此，在使用同时发射超声发射信号和接收超声接收信号的超声换能器的情况下，到反射点的距离可通过一半信号传播时间和声速的乘积确定。如果认为这些以此方式确定的到候选反射点的距离是固定的，则可以将优化问题简化为线性方程组。

根据一实施例，可以借助于优化问题在相位差测量中将候选反射点确定为与测量的相位差相关的误差低于预定阈值的反射点。

附图说明

下面将参考附图更详细地说明实施例。

图1示出了包括分别具有三个超声换能器的三个传感器组件的示例性超声传感器系统和超声信号到周围物体上的反射点的信号路径。

图2示出了用于说明根据超声信号的信号传播时间和相位差来确定反射点位置的方法的流程图。

图3示出了用于说明基于传播时间测量的反射点位置确定的示意图。

图4示出了由相位差测量导致的方向以及可能反射点的确定的示图。

图5示出了两个间隔两倍波长的超声换能器的超声接收信号在接收方向上的相位差的进程图。

具体实施方式

图1示出了具有多个超声换能器2的示例性超声传感器系统1，这些超声换能器组合成多个传感器组件7。在本示例性实施例中，设置有三个传感器组件，每个传感器组件包括三个超声换能器2。超声换能器2将超声发射器和超声接收器的功能结合在一个部件中。替代地，超声传感器系统1可以被设计为具有分离的超声发射器和超声接收器。

超声换能器2分别以已知的方式包括振动膜片3，可以借助于压电致动器4激励该振动膜片以产生超声发射信号。超声发射信号的频率可以例如在30kHz和100kHz之间，优选在40kHz和60kHz之间。可以使用相同的振动膜片3来接收激励振动膜片3以使其振动的超声接收信号，其中，压电致动器4提供相应的换能器电接收信号。

组件7的超声换能器可以布置成局部相邻，且它们的主接收方向优选具有相同的朝向，即，它们的传感器膜片具有平行的表面法线。组件7的超声换能器2的布置方式基本上可以是任意的。特别地，只要超声换能器2相对彼此的位置是已知的，它们就不必彼此对称地布置。此外，为了检测空间方向，这些超声换能器2必须跨越一个平面，即，在存在多于两个超声换能器的情况下，它们不应布置在一条直线上。

超声换能器2分别设置有驱动电子器件5，该驱动电子器件被设计为通过驱动压电致动器4来产生超声发射信号的脉冲。此外，驱动电子器件5还被设计为产生换能器电接收信号，该换能器电接收信号具有已知的与来自压电致动器4的超声发射信号有关的时间基准。换能器电接收信号是通过接收的超声接收信号的相应激励而产生的。

超声换能器2的操作由公共控制单元6控制。特别地，控制单元6触发所选择的超声换能器2的超声发射信号的发射。优选地，该超声发射信号基于控制单元6中已知的发射时间点处的方波驱动(Rechteckans-teuerung)。相关超声换能器2的驱动电子器件5从发射超声发射信号时的时间点(例如，超声发射信号的信号脉冲的结束时间点)开始检测振动膜片3的激励，并向控制单元6提供振动信号的振幅强度的时间进程和所有超声接收器之间的相位差的时间进程，作为信号进程信息。换句话说，信号进程信息对应于超声换能器2的换能器电接收信号的幅度值的时间序列和所有超声换能器2之间的相位差。由于超声接收信号的检测是在已知时间点(超声发射信号的发射时间点)开始的，或者以其他方式知晓与发射时间点有关的时间基准，因此控制单元6中的超声发射信号和超声接收信号(即，换能器接收信号)之间的时间关系对于所有超声换能器2是已知的。

图1的视图示出了超声发射信号(实线箭头)在发射时的信号路径和用于接收在周围物体O上的反射点R处反射的超声接收信号(虚线箭头)的信号路径。在各个反射点R处反射的超声接收信号在接收超声换能器2处叠加，使得接收的超声接收信号的信号进程信息一般包含多个信号强度最大值。反射点对应于周围物体O上的在超声换能器的方向上反射超声发射信号的点，其中，这些反射点R的表面优选具有与超声换能器2对准的表面法线。反射点R的检测使得能够定位周围物体O的大致位置。

在超声传感器系统1操作时，控制单元6依次单独地驱动超声换能器2或(在超声发射器和超声接收器分开设计的情况下)超声发射器，并从超声换能器2或超声接收器接收相应接收的超声接收信号的信号进程信息。将信号进程信息传送到控制单元6。替代地，可以在驱动电子器件5中确定距离信息并将其传输到控制单元6。

此外，每个传感器组件7中的超声换能器2特别是通过驱动电子器件5来确定相关传感器组件7的每两个超声换能器2之间接收的超声接收信号的相位差，并将其传送到控制单元6。对于具有N个超声换能器2的每个传感器组件，可以确定个相位差。

存在于中央控制单元6中的所有传感器组件7的信号进程信息/距离测量值和相位差能够通过对来自测量方法(即，传播时间测量和相位差测量)的结果相互进行可信度检验来确定反射点R。

对于每个发射的超声发射信号，接收超声换能器2(超声接收器)接收的超声接收信号包含关于检测区域E中存在的反射点R的可能位置的信息，这些信息表明存在一个或多个周围物体O。为此，可以评估超声信号的在发射超声发射信号时的发射时间点和在接收在一个或多个反射点R处反射的超声信号时的一个或多个接收时间点之间的信号传播时间，以便获得关于反射点R与各个接收超声换能器2的距离的信息。此外，来自传感器组件的超声换能器的超声接收信号之间的相位差可以分别指示相对于接收超声换能器的振动膜片的表面法线的方向。

在控制单元6中评估由超声换能器2获得的信息。图2示出了用于说明以下方法的流程图，该方法用于确定超声传感器系统1的检测区域中的周围物体O上反射点R的位置。下面将说明根据不同超声换能器2发射的Ns个超声发射信号和超声接收器接收的Nr个超声接收信号来确定检测区域中的反射点R的方法。

在步骤S1中，控制单元6依次指示超声换能器2发射超声发射信号。该超声发射信号在检测区域E中的周围物体O上的一个或多个反射点处发生反射。

在步骤S2中，每个超声换能器2接收相应的超声接收信号，并在相应的超声换能器2中将其转换为表示包络线的信号进程信息。该包络线指示超声接收信号的振幅进程。

在步骤S3中，将在每个超声换能器2中根据换能器接收信号形成的信号进程信息或从其导出的距离信息传输到控制单元6。为此，信号进程信息可设置有时间戳，该时间戳指示与基础超声发射信号的发射有关的时间基准。替代地，也可以在控制单元6中确定与超声发射信号有关的时间基准。

取决于检测区域E中已反射相关超声发射信号的反射点R的数量，信号进程信息包含相应数量的局部最大值。在此，每个最大值对应于一个反射点R。在此，检测最大值的与超声发射信号的发射时间点有关的时间基准(最大值的接收时间点)，并根据发射时间点和接收时间点之间的信号传播时间来确定反射点到相关超声换能器的距离，该接收时间点是从信号进程信息中的分配给反射点R的最大值的时间位置得出的。

因此，在三维检测区域中，当用于发射超声发射信号的超声换能器2和用于接收超声接收信号的超声换能器相同时，存在对应于超声接收信号的最大值数量的相应数量的半球形球面，并且当发射超声发射信号的超声换能器2和接收超声接收信号的超声换能器位于不同位置时，存在对应于超声接收信号的最大值数量的相应数量的椭圆形球面。球面定义了传播时间测量中可能的反射点。然而，反射点R的候选点只能位于多个或所有超声换能器2的相应球形或椭圆的球面具有交点的位置处。存在候选反射点是因为到真实反射点R的距离分配是未知的。

在理想情况下，实际真实反射点R的数量对应于接收超声换能器的信号进程信息中最大值的最大数量。然而，由于从关于信号进程信息的每个最大值的信号传播时间得出了反射点的距离信息，因此分配给不同发射点的多个距离信息的组合可能产生不存在的反射点。

这根据图3中的2D示例示例性地示出，图3示出了具有可能反射点(球面)的测量距离进程的图。在二维的情况下，可以识别出反射点Rpot的多个候选点，这些候选点是由椭圆和球形的距离进程的交点产生的。然而，确定的交点中只有两个对应于真实反射点。

因此，在步骤S4中，对于由同一传感器组件7的超声换能器接收的每两个超声接收信号，根据超声接收信号的两个信号进程信息的相互对应的最大值确定一个或多个相位差。由于传感器组件7的超声换能器的局部靠近，两个信号进程信息在几乎相同的接收时间点具有最大值。如果最大值的接收时间点之间的时间差小于两个超声换能器之间距离与声速的商，则最大值相互对应。然后根据这两个接收时间点之间的算术平均值确定相关的相位差。

在步骤S5中，将指示能够接收超声接收信号的可能方向的方向信息分别分配给所有确定的相位差。可以通过读出查找表或通过相应的映射函数来进行分配。如果超声换能器2相对彼此的距离大于超声信号的一半波长，则可以向确定的相位差分配每个方向而不是多个方向中的一者。可能的反射点沿以此方式确定的方向延伸。

方向信息对应于球体坐标中的角度，且只要对至少三个未布置在一条直线上的超声换能器2的相位差进行评估，就可以始终给出方向信息。超声换能器2的布置可以是非常小的圆形排列、T形、L形或随机排列。

特别地，如果传感器组件的超声换能器相对彼此的距离大于半个波长，那么对于检测到的相位差可能会产生多个方向信息。方向信息作为相对于相关超声换能器2的振动膜片的表面法线的球形角度给出。

这在图4中示例性地示出，图4示出了在二维情况下具有可能反射点的方向信息的图，这些反射点由两个传感器组件7测量的相位差产生。对于每个传感器组件7，可以识别出任意反射点的多个可能的方向。方向(线)的交点对应于候选反射点，但在所示的示例中只有两个真实反射点R。

取决于传感器组件7的超声换能器之间的距离，可以针对确定的相位差产生一个或多个方向信息(即，一个或多个球形角度)。这些方向信息能够对通过信号传播时间测量获得的候选反射点进行可信度检验。这在图5的图中示例性地示出。该图示出了相隔两倍波长的两个超声换能器2在超声接收信号的接收方向上的相位差PD(以角度为单位)的进程。可以看出，对于一个相位差PD可能存在多个接收方向W(以角度为单位)。

传统传感器组件7的结构限制使得超声换能器2的中心点布置在小于超声发射频率的半波长的距离处，在此并不存在这种结构限制，因为反射点R的位置将不完全根据方向信息确定。

在步骤S6中，现在评估信号进程信息和方向信息以获得检测区域E中的反射点R的位置，该位置表示关于存在的周围物体O的信息。可信度检验能够以不同的方式进行。

现在可以借助于方向信息来检验先前通过传播时间测量确定的候选反射点的可信度，从而仅选择位于相对于传感器组件7的检测方向上的候选反射点。

同样，可以从通过至少两个方向的交点的方向信息中确定候选反射点。然后，可以从这些候选反射点中选择在信号传播时间测量中存在合适距离测量值的候选反射点作为真实反射点R。

替代地，反射点的可能候选者可以在信号传播时间测量和相位差测量中确定，只有都通过信号传播时间测量和相位差测量确认的候选反射点才能确定为真实反射点R。

从信号传播时间测量中确定候选反射点可以按以下方式进行。首先，根据接收时间tr(其中，T＝{tr，r＝1，2，，...，Nr})通过br＝trc得到由Nr个接收超声换能器测量的距离其中，c对应于声速，且c＝343m/s。索引r表示各个接收超声换能器2的索引。

从发射超声换能器2的位置xs经反射点的位置o到接收超声换能器2的位置xr的总信号路径br对应于：

br＝|xs-o| |xr-o|

对于Nr个总信号路径反射点R的空间坐标使用以下Gauss-Newton或Newton-Raphson方法作为非线性优化问题的解决方案来确定：

距离ds＝|xs-o|＝bs/2对于上述公式是已知的，因为发射超声换能器2在发射超声发射信号之后也提供总信号路径bs。因此，从反射点R到具有索引r的超声接收器的距离是dr＝br-ds。因此，利用这种简化且通过平方，上述非线性优化问题可以转换为具有二次约束的线性二次问题。

其中，xi、yi、zi(i＝1，...，Nr)对应于发射或接收超声换能器2的空间位置。根据线性代数的方法，例如在出版物Norrdine，A.，“An Algebraic Solution to the Multilateration Problem”，2012，International Conference on IndoorPositioning and Indoor Navigation(IPIN)，2012年4月1日中所公开的，可以确定解向量d并因此确定反射点R的空间坐标

为了确定方向信息，在两个相互对应的时间点(即，所考虑的每两个超声接收信号的信号进程信息的局部最大值)之间确定来自同一传感器组件7的每两个超声换能器2的超声接收信号之间的相位差这两个相互对应的最大值必须相对彼此具有小于所考虑的超声换能器2的等效距离的时间差。

此外，对于每个相位差Φmeas，确定角度(方位角仰角)的一个或多个方向信息该方向信息指示相应超声接收信号的可能到达方向。由于传感器组件7的超声换能器2之间的距离也可以大于半波长，因此可以为某些相位差的可能反射点确定多个方向角。函数可以通过分析或测量来确定。其中，函数和)例如通过三个针对每个方位角和仰角的相位差Φ(θ)的二维查找表确定。

通过优化问题的以下解决方案，每个相位差Φmess可以确定多个方向信息：

为了确定方向信息，可以借助于相应查找表将测量的相位差Φmeas转换为相应的方向信息。方向信息的角度对应于以下坐标：其中测量的相位差Φmeas与期望的相位差之间的差具有局部最小值。该最小值必须小于阈值才有效。

对于发射和接收超声换能器2的每种组合，可以为每个距离信息指定多个可能的方向信息。

通过合并从方向信息和通过传播时间测量确定的可能反射点，确定实际存在的反射点。优选地，根据方向信息预先确定作为确定方向之间的交点的候选反射点并从多个传播时间测量确定候选反射点，并且将以此方式获得的候选反射点相互进行可信度检验，即，确认或拒绝为真实反射点。

作为来自多个超声换能器2的传播时间测量的结果，候选反射点在距离信息的组合中产生。每个候选反射点确定接收超声换能器2之间的期望相位差。这是根据从可能反射点到两个相关超声换能器2的信号路径长度之间的差进行的。如果期望的相位差近似(即，在预定的公差内)对应于测量的相位差Φmeas，则认为候选反射点是真实反射点R。如果不是这种情况，则拒绝可能的反射点。

附图标记列表

1 超声传感器系统；2 超声换能器；3 振动膜片；4 压电致动器；5 驱动电子器件；6 控制单元；7 传感器组件