JP2019197046A - 検知エリアを広げるために拡散コードを用いた超音波センサの信号符号化 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超音波信号（５）のエコー（７）を認識する方法および装置に関する。【解決手段】方法は、第１静的周波数と第１所定持続時間とを有する超音波信号（５）の第１部分信号を送信するステップと、第１周波数とは異なる第２静的周波数と第２所定持続時間とを有する超音波信号（５）の第２部分信号を送信するステップと、周辺物体（６）に反射した超音波信号（７）を特定する際に第１周波数と第２周波数とを使用するステップと、を包含する。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波信号のエコーを認識する方法および装置に関する。その際、特に異なった周波数を有する部分信号が使用される。

さらに、本発明はそのような装置を有する移動手段に関する。

送信器の前にある周辺物体からの隔たり（Ｄｉｓｔａｎｚ）を検出するために、超音波信号をベースとした測定システムが使用される。その際、送信器は超音波信号を送信する。周辺物体により引き起こされた超音波信号の反射、つまりエコーは、受信器によって受信される。さらに、受信器は、周辺物体に直接取り付けられていてもよい。この場合、エコーではなく超音波信号自体が受信される。処理ユニットは信号を評価し、信号伝搬時間（Ｓｉｇｎａｌｌａｕｆｚｅｉｔ）と音速とを用いて送信器と周辺物体との間、もしくは送信器と受信器との間の距離を検出する。

超音波信号もしくは超音波信号のエコーの認識の精度を高め、システムの検知エリアを広げるために、広帯域ノイズから弱い信号もフィルタリング（ｈｅｒａｕｓｆｉｌｔｅｒｎ）できることが有利である。そのために、いわゆる拡散コードが利用される。その際、疑似ランダムコードが生成される。このコードは、符号多重化方式（Ｃｏｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）によって送信されるべき信号と組み合わせられ、続いて超音波送信器によって送信される。

信号と組合せられたコードが既知であるので、信号を受信器側で相互相関もしくは自己相関によって容易にノイズからフィルタリングすることができる。そのようにして非常に弱い信号も認識できるので、それによって超音波センサの有効検知エリア（Ｒｅｉｃｈｗｅｉｔｅ）を広げることができる。

そのようなシステムは従来技術から知られている。例えば特許文献１は、位置特定（ｏｒｔｅｎ）されるべきユニットの空間位置を超音波によって決定する方法を開示する。この方法では、超音波キャリア信号にＰＮ（疑似ランダムノイズ）コード列が加えられ（ａｕｆｐｒａｅｇｅｎ）、次のステップは、送信器においてＰＮコード列を生成することと、送信器においてＰＮコード列を超音波キャリア信号とミキシングすることと、超音波ＰＮコード列を周期的に発射することと、受信器において信号とノイズとの混合物を受信することと、位置特定されるべきユニットの空間座標を検出するために、受信された信号の伝搬時間特性を評価することと、を包含する。

その際、超音波信号は、線形または非線形周波数変調により部分信号、いわゆるチャープに分割されている。チャープは、開始周波数と終了周波数と周波数の勾配とを有し、その際、勾配は正または負であり得る。このことには一定の振幅を有する広い周波数スペクトルが生成および送信されるという利点があり、これは認識率（Ｅｒｋｅｎｎｕｎｇｓｒａｔｅ）にプラスに作用する。そのために使用される超音波送信器と超音波受信器とは、相応に広い周波数スペクトルを有していなければならない。これは、相応にコンフィギュレーションされた、したがって高価な構成要素を必要とするか、または認識性能（Ｅｒｋｅｎｎｕｎｇｓｌｅｉｓｔｕｎｇ）の制約が避けられない。

独国特許出願公開第１０２００９０３１９５５号明細書

請求項１の特徴を有する本発明による方法は、認識性能にさほどの制約を生じることなしに、簡単かつ安価な構成要素を使用することもできるという特徴を有する。超音波信号のエコーを認識する方法は複数のステップを包含する。その際、超音波信号は、続けて送信される少なくとも２つの部分信号から構成されている。第１ステップにおいて、第１静的周波数と第１所定持続時間とを有する超音波信号の第１部分信号が超音波送信器によって送信される。続いて、第２ステップにおいて、第１周波数とは異なる第２静的周波数と第２所定持続時間とを有する超音波信号の第２部分信号が超音波送信器によって送信される。その際、第１静的周波数および第２静的周波数は、超音波の領域であり、好ましくは２５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲、好ましくは３０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚの範囲であり、理想的には少なくとも１ｋＨｚの間隔を有する。第１周波数および第２周波数は、高調波周波数であってもよいし、三角波周波数または矩形波周波数であってもよい。信号が正弦曲線に相当しない場合、「周波数」という概念は信号の基本周波数を指す。第１所定持続時間と第２所定持続時間は異なった長さでもよいし、同一であってもよい。送信された超音波信号が超音波送信器の送信方向で、例えば障害物などの周辺物体にぶつかると、超音波信号はこの周辺物体により反射される。周辺物体は、静的および可動の交通空間物体および／または衝突に関連する交通要素（例えば交通標識、車道区画要素、他の移動手段、歩行者など）であり得る。その際、反射した超音波信号の一部は超音波送信器の方向にはね返される。このとき、反射した超音波信号、つまりエコーを超音波送信器の好ましくはすぐ近くに組み付けられた超音波受信器、または組み合わせられた超音波送信器／超音波受信器モジュールによって受信することができる。本発明による方法の第３ステップにおいて、周辺物体に反射した超音波信号を特定するために第１周波数と第２周波数とが使用される。超音波信号を送信する際に、個々の部分信号に２つの異なった周波数を使用することによって信号パターンが発生する。この信号パターンは超音波信号のエコーも有している。超音波信号もしくはエコーのパターンが既知であるので、このパターンを、受信された超音波ノイズから特定することもできる。特定する際に、例えば相互相関または自己相関などの手法が使用される。エコーが特定されると、超音波信号の送信とエコーの受信との間の期間、つまり超音波信号の信号伝搬時間、したがって周辺物体との距離を算出することができる。

本発明により、超音波信号のエコーを認識する装置がさらに提供される。装置は、データ入力と、データ出力と、処理ユニットと、を備える。処理ユニットによって制御される、データ出力に接続された超音波送信器により、第１所定静的周波数を有する超音波信号の第１部分信号が第１所定持続時間にわたって送信される。次に、同様にデータ出力に接続された超音波送信器により、第１周波数とは異なる第２静的周波数と第２所定持続時間とを有する超音波信号の第２部分信号が送信される。データ入力と接続された超音波受信器は、周辺物体により反射された超音波信号と広帯域の超音波ノイズとを受信し、電気信号としてデータ入力を介して処理ユニットへ転送することができる。処理ユニットにおいて、第１周波数と第２周波数とをもとにして超音波信号、もしくは超音波信号のエコー、あるいは受信された広帯域ノイズを表す電気信号からエコーを表す電気信号を特定してフィルタリングすることができる。同様に、処理ユニットは、超音波の送信とエコーの受信との間の期間、つまり伝搬時間、したがって周辺物体との距離を算出することができる。

従属請求項は本発明の好ましい展開形態を示す。

本発明の特に有利な一実施形態において、超音波信号は超音波送信器によって発射され、周辺物体に反射した超音波信号、すなわちエコーが超音波受信器によって受信される。その際、超音波送信器と超音波受信器とが２つの別々の装置、メンブレン、または音響変換器として形成されていてもよい。送信されるべき周波数ごとにそれぞれ１つの超音波送信器を使用することも可能である。そのようにして第１周波数と第２周波数との間隔を最大化することができ、個々の超音波送信器が相応に広い周波数スペクトルを有することに頼ることなく、可能な限り最良の認識を約束する周波数を選択することができる。超音波送信器としてのみならず超音波受信器としても形成された１つの個別の装置を使用することは別の実施形態である。

非常に近いところにある、または非常に離れたところにある周辺物体の認識を最適化するために、あるいは周辺物体に対して変化する隔たりに反応するために、本発明は、第１持続時間と第２持続時間とを、予測または検出される周辺物体との隔たりに依存して検出し、部分信号の送信の持続時間にわたって繰り返し自動的に適合させるというように改良され得る。その際、平均的隔たりの場合、部分信号の送信のために２００μｓの持続時間が使用されることが理想的である。部分信号から構成された超音波信号は、例えば２ｍｓの持続時間を有する。しかし周辺物体が非常に近いところにある場合、部分信号の送信のための持続時間を短くしてもよく、周辺物体が非常に遠く離れたところにある場合は長くしてもよい。部分信号から構成された超音波信号の持続時間も予め定めること、および／または変更することができる。

有利な一実施形態において、周波数にコードのシンボルが割り当てられてもよい。２つの異なった周波数を使用する場合、その際、２値符号化が考慮に値する。したがって、例えば第１周波数が０に割り当てられ、第２周波数が１に割り当てられてもよい。別の記数法の使用も同様に可能であり、２つより多い異なった周波数が部分信号の送信のために利用される場合にはまさに得策である。記数法の各シンボルに周波数を割り当てることができない場合、残りのシンボルに、例えば所定の部分信号または送信ポーズが割り当てられてもよい。超音波信号の符号化のために、疑似ランダムコードが使用されることが理想的である。そのための公知の例は、衛星技術から知られたＰＲＮコードである。他の例は、ゴールドコード、またはカサミコードである。選択されたコードは、所定数のシンボルからなる。その際、各シンボルは、超音波信号の部分信号に相当する。したがって超音波信号の長さは、コードのシンボルの予め定められた数と、超音波信号を構成する部分信号の送信持続時間とに依存する。複数の超音波送信器が同時に使用される場合、各超音波送信器に固有コードを割り当てることが望ましい。そのようにして、受信されたエコーをそれぞれの超音波送信器に割り当てることができる。

本発明の別の改良形態において、超音波信号を第１送信後に新たに送信することができる。超音波信号が繰り返し送信もしくは受信される頻度が高ければ高いほど、それだけ一層、経時的に変化するノイズから非常に弱いエコーもより良くフィルタリングすることができる。しかし超音波信号が連続して繰り返し送信される場合、超音波受信器が信号のはじめと終わりとを認識できなくなる。このこともまた伝搬時間の決定に影響を及ぼし得る。そのため、超音波信号を新たに送信する場合、それに加えて超音波信号の位相を所定の値の分だけ回転させることができる。それにより超音波信号に含まれるすべての部分信号の位相も対応する値の分だけ回転される。処理ユニットは、位相シフトの既知の角度を用いて超音波信号のはじめと終わりを決定することができる。

認識を最適化するために、位相を所定値の分だけ回転させる前に超音波信号をそのままの位相で繰り返し送信することもできる。その際、そのままの位相での繰り返しの数は、認識されるべき周辺物体の距離に依存して、もしくは予め定められた認識される最大の隔たり（Ｅｒｋｅｎｎｕｎｇｓｄｉｓｔａｎｚ）によって自動的に定義することができる。さらに、そのままの位相での、および位相シフトした繰り返しのパターンもコードによって決定することができる。その際、そのままの位相での、および位相シフトした繰り返しに、それぞれコードのシンボルを割り当てることができる。このために、例えば２値コードが適しており、その際、そのままの位相でのそれぞれの繰り返しに０を、そして位相シフトした繰り返しに１を割り当てることができる。したがってコードが００１１１０００の場合、超音波信号のそのままの位相での繰り返しが２回、続いて位相シフトした繰り返しが３回、続いてそのままの位相での繰り返しが３回行われることになろう。超音波信号の繰り返しの間に、超音波送信器が信号を送信しない所定持続時間の送信ポーズ（Ｓｅｎｄｅｐａｕｓｅ）を挿入することもできる。送信ポーズは、各繰り返し、所定数の繰り返し、各位相シフト、および／または位相シフトの各パターンの後または前に挿入することができる。その際、送信ポーズの持続時間は、例えば考えられる妨害影響を最小化するために、周辺物体との隔たりに依存して、または第２超音波送信器に依存して定義することができる。例えば周辺物体との距離の変化に反応して、または第２超音波送信器が超音波受信器の受信領域へ、または受信領域から移動することに反応して、送信ポーズの持続時間を変更することも可能である。

さらに別の有利な一実施形態では、超音波送信器も超音波受信器も、移動手段の外板に固着されていてもよい。そのようにして超音波送信器および超音波受信器の機能が損なわれることなく、これらを目立たないように組み込むことができる。

移動手段との関連で超音波信号のエコーを認識する装置の実施例の著しく簡略化された模式図である。 本発明により符号化した超音波信号の図である。 本発明により符号化された超音波信号と位相シフトされた符号化した超音波信号の図である。 本発明による方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

図１は、本発明より装備された移動手段１の一実施例の構成要素を示す。移動手段１のバンパ２に取り付けられた超音波送信器３は、データ出力４と連係して超音波信号５を送信する。この超音波信号５は周辺物体６により反射される。周辺物体６により反射された超音波信号、つまりエコー７は、移動手段１のバンパ２に取り付けられた超音波受信器８によって受信され、データ入力９を介して処理ユニット１０へ転送される。処理ユニット１０において、受信されたエコー７の特定および評価が行われる。次いで、検出結果が例えば処理ユニット１０から移動手段１の別のシステムへ渡されてもよい。さらに、処理ユニット１０は、超音波信号５の送信とエコー７の受信との間の期間をもとにして周辺物体６との距離を算出することができる。

超音波送信器３および超音波受信器８を移動手段１のバンパ２に取り付けることは一例にすぎない。同様に、超音波送信器３および／または超音波受信器８の機能が制限されない限り移動手段１の外板のあらゆる位置が考えられる。

図１は、さらに、移動手段１の外側、もしくは装置の外側にある第２超音波送信器１１を示す。第２超音波送信器１１は第２超音波信号１２を送信し、この第２超音波信号が超音波受信器８によって受信される。したがって第２超音波信号１２は、エコー７を受信すること、および超音波信号５の一部をなすものとして認識することを妨害する。そのような妨害を扱う可能性は、上述したように超音波信号５をシンボル列で符号化することである。そのように符号化された超音波信号５は、そのエコー７にも見出すことができる信号パターンを有している。超音波信号５もしくは超音波信号のエコー７の信号パターンが第２超音波信号１２の信号パターンとは異なることが理想的である。超音波信号５の信号パターンが処理ユニット１０に既知なることによって、第２超音波信号１２の妨害影響下でも、処理ユニット１０によって、受信された超音波ノイズからエコー７を特定することができる。第２超音波送信器１１が連続信号を送信しない場合、妨害を扱う別の可能性は、第２超音波送信器１１が送信をやめるまで送信ポーズを挿入することである。処理ユニット１０は、第２超音波送信器１１が送信し、それにより超音波信号５のエコー７の受信を妨害するか、または妨害するであろう場合に、データ入力９と接続された超音波受信器８を介して認識することができる。次いで、処理ユニット１０は、第２超音波信号１２が連続信号であるかどうかを認識するために、所定持続時間待つことができる。第２超音波信号１２が所定持続時間以内に受信されなくなると、処理ユニット１０がこれを認識し、この認識に反応して、データ出力４に接続された超音波送信器３を介して超音波信号５の送信をトリガすることができる。そのようにして、第２超音波信号１２による妨害影響なしに、超音波受信器８によってエコー７を受信することができる。処理ユニット１０が第２超音波信号１２の送信ポーズを認識できることなく所定持続時間が経過した場合でも超音波信号５の送信がトリガされ、処理ユニット１０によってエコー７の特定が試みられる。エコー７を確実に特定するには第２超音波信号１２の妨害影響が大きすぎる場合、移動手段１の別のシステムに例えばエラーメッセージを渡すことができる。

図２において、超音波信号５がどのように符号化されるのかが明確に示される。上述したように、第１周波数２１はコードの第１シンボル２２に割り当てられ、第２周波数２３は第２シンボル２４に割り当てられる。送信された超音波信号５は複数の部分信号２５〜３２から構成されている。部分信号２５〜３２は、第１周波数２１または第２周波数２３で送信され、部分信号２５〜３２への周波数２１、２３の割り当てはコードをもとにして行われる。

ここに図示された例では、２値コードのコードとして１０１１１０１１が予め定められている。それによりコードのシンボル「１」に第１周波数２１が割り当てられ、コードのシンボル「０」に第２周波数２３が割り当てられる。これに対応して第１周波数２１を有する第１部分信号２５が第１持続時間にわたって送信される。続いて、第２周波数２３を有する第２部分信号２６が第２所定持続時間にわたって送信される。コードに従って、第１周波数２１を有する次の３つの部分信号２７〜２９がそれぞれ１つの第１持続時間にわたって送信され、これに続いて第２周波数２３を有する部分信号３０が第２持続時間にわたって送信され、第１周波数２１を有する２つの部分信号３１および３２が第１持続時間にわたって送信される。

得られた周波数パターンは、周辺物体６により反射された超音波信号、エコー７においても相応に見出すことができる。したがって、広帯域ノイズにおける非常に弱いエコー７も特定すること、および／またはこのような広帯域ノイズからフィルタリングすることが可能である。したがって非常に遠く離れた、または非常に小さい周辺物体も検出することが可能である。

図３は、超音波信号によってまた別のコードが繰り返し送信される場合の位相シフトＰを示す。４つの部分信号３３〜３６からなる超音波信号がコード１１０１に従って送信される。直後に続く超音波信号の第２の送信時にその位相が１８０度回転される。超音波信号の位相の回転とともに、個々の部分信号３３〜３６の位相も相応に回転される。個々の部分信号３３’〜３６’は、位相シフトＰの後にも引き続きコード１１０１を表す。

図４は、本発明による方法のフローチャートを示す。第１ステップ１００において、第１静的周波数２１と第１所定持続時間とを有する超音波信号５の第１部分信号２５が送信される。これに続いて、第２ステップ２００において、第１周波数２１とは異なる第２静的周波数２３と第２所定持続時間とを有する超音波信号５の第２部分信号２６が送信される。受信されたエコー７から、第３ステップ３００において、第１周波数２１と第２周波数２３とを使用して周辺物体６に反射した超音波信号が特定される。

１ 移動手段
２ バンパ
３ 超音波送信器
４ データ出力
５ 超音波信号
６ 周辺物体
７ エコー
８ 超音波受信器
９ データ入力
１０ 処理ユニット
１１ 超音波送信器
１２ 超音波信号
２１ 第１周波数
２２ 第１シンボル
２３ 第２周波数
２４ 第２シンボル
２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２ 部分信号
３３、３４、３５、３６、３３’、３４’、３５’、３６’ 部分信号
１００ 第１ステップ
２００ 第２ステップ
３００ 第３ステップ

Claims (10)

1. 超音波信号（５）のエコー（７）を認識する方法であって、
   −第１静的周波数（２１）と第１所定持続時間とを有する前記超音波信号（５）の第１部分信号（２５）を送信するステップ（１００）と、
   −前記第１周波数（２１）とは異なる第２静的周波数（２３）と第２所定持続時間とを有する前記超音波信号（５）の第２部分信号（２６）を送信するステップ（２００）と、
   −周辺物体（６）に反射した超音波信号（７）を特定する際に前記第１周波数（２１）と前記第２周波数（２３）とを使用するステップ（３００）と、
   を包含する方法。
2. 前記超音波信号（５）が第１超音波送信器（３）によって発射され、前記反射した超音波信号（７）が第１超音波受信器（８）によって受信される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１部分信号（２５）の前記第１所定持続時間および／または前記第２部分信号（２６）の前記第２所定持続時間および／または前記超音波信号（５）の持続時間は、周辺物体（６）の存在の認識に依存して定義される、請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記第１周波数（２１）がコードの第１シンボル（２２）に割り当てられ、前記第２周波数（２３）が第２シンボル（２４）に割り当てられ、前記コードは、特にＰＲＮコード、またはゴールドコード、またはカサミコード、または他の疑似ランダムコードである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記超音波信号（５）の第２の送信時に、前記超音波信号（５）の位相をその前に送信された超音波信号（５）に対して所定値の分だけ回転させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記位相を所定値の分だけ回転させる前に前記超音波信号（５）が繰り返し送信され、
   特に前記超音波信号（５）が繰り返し送信される前に第３所定持続時間を有する送信ポーズが挿入され、
   前記第３所定持続時間は、好ましくは第２超音波送信器（１１）に依存して定義される、請求項５に記載の方法。
7. 超音波信号（５）のエコー（７）を認識する装置であって、
   −データ入力（９）と、
   −データ出力（４）と、
   −処理ユニット（１０）と、を備え、
   前記データ出力（４）は、超音波送信器（３）と一緒に、第１静的周波数（２１）と第１所定持続時間とを有する前記超音波信号（５）の第１部分信号（２５）と、前記第１周波数（２１）とは異なる第２静的周波数（２３）と第２所定持続時間とを有する前記超音波信号（５）の第２部分信号（２６）とを送信するように設定されており、
   前記データ入力（９）は、超音波受信器（８）と一緒に、周辺物体（６）に反射した超音波信号（７）を受信するように設定されており、
   前記処理ユニット（１０）は、周辺物体（６）に反射した前記超音波信号（７）を特定する際に前記第１周波数（２１）と前記第２周波数（２３）とを使用するように設定されている、装置。
8. 前記装置は、移動手段（１）に永続的に取り付けられており、特に前記超音波送信器（３）および前記超音波受信器（８）は、前記移動手段（１）の外板に、特にバンパ（２）に固着されている、請求項７に記載の装置。
9. コンピュータプログラムであって、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を実行するように設定されている、コンピュータプログラム。
10. 機械可読記憶媒体であって、請求項９に記載のコンピュータプログラムが格納されている、機械可読記憶媒体。

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