使用频域中的狄拉克脉冲检测移动设备周围的结构的超声测量设备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机的移动设备的超声传感器设备，其用于检测和表征移动设备的周围环境中的物体，并具有长作用范围和评估强频率失真的能力。超声传感器设备包括优选为压电的传统窄带的超声发射器，如现今例如在机动车辆中用于停车辅助并通常表现出高辐射声功率的超声发射器，以及至少一个，优选为多个的通常具有较大频带宽度的MEMS超声接收器。通过使用MEMS超声接收器的频带宽度，可以更好地评估失真并将其转换为车辆的周围环境地图。优选地，MEMS超声接收器的第二频带宽度等于或大于超声发射器的第一频带宽度乘以因数2和/或5和/或10和/或20和/或50和/或100得到的值。和/或20和/或50和/或100得到的值。

【技术实现步骤摘要】
使用频域中的狄拉克脉冲检测移动设备周围的结构的超声测量设备


[0001]本专利技术涉及一种用于特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机的移动设备的超声传感器设备，其用于检测和表征移动设备周围的物体，并具有长作用范围和评估强频率失真的能力。

技术介绍

[0002]使用超声换能器辅助停车过程等在汽车技术中是众所周知的。在现有技术中使用的超声换能器的问题在于它们的窄带宽，这首先限制了传输的超声信号的可能调制，其次限制了从信号失真中获得额外信息的可能性。此外，在现有技术中，如果超声接收器未被设计为压电驱动的固体金属谐振器，则在车辆中使用超声接收器时，存在被石头击打损坏的风险。MEMS超声接收器由于声音输出功率低和与此伴随的作用范围短以及对石头击打的敏感性，因此不用于汽车技术。
[0003]然而，对于目前在机动车辆中用作超声换能器的窄带超声接收器，在频域内对车辆周围环境的分析是没有意义的。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术的目的在于创建一种解决方案，其不具有现有技术的上述缺点并具有其他优点。
[0005]该目的通过根据权利要求1的设备来实现。
具体实施方式
[0006]详细阐述在此提出的提议是因为如下认知：在许多非汽车应用的应用中，根本不需要机动车辆中所需的超声传感器和超声传感器元件的抗石头击打性。无此要求的这种移动设备例如是叉式装卸车、机器人和无人机，或其他在室内使用的和/或在室外以低于10km/h的低速使用的移动设备，以及其他低空速(<100km/h)导弹。
[0007]为了对这种移动设备的周围环境进行最佳测量，首先期望的是较大的作用范围。为此，超声发射器的超声传输功率应尽可能高。具有通过压电振动元件在机械共振范围内振动的含金属的金属罐(Metalltopf)的超声换能器和纯超声发射器在此得到了证明。优选地，金属罐的机械共振频率等于压电振动元件的共振频率。优选地，声音在底部方向上辐射并穿过金属罐的底部。优选地，压电振动元件例如通过导电粘合剂被紧固在罐的底部。在这方面，以示例的方式参考了专利DE 10 2015 015 900 B3及其所引用的文献。
[0008]通常，这种压电超声换能器在其共振方面具有相对较高的品质。这些超声换能器的共振谱通常只会通过发射的声功率而变宽。如果这些超声换能器用于接收由移动设备周围环境中的物体反向散射的波，则它们只能很差地起振，因为超声在移动设备周围环境中的物体上的反射会使该超声波衰减和失真，这导致辐射的超声波的原始窄带频谱变宽。
[0009]因此，一方面需要辐射强大的窄带超声波，另一方面需要尽可能宽带地接收反射的超声波。
[0010]移动设备中的现今超声系统主要考虑由多个连续超声脉冲组成的超声脉冲串(Ultraschall
‑
Bursts)的脉冲形包络线的传播时间。
[0011]通过在此介绍的技术启示，现在可以在不终止超声传感器系统的操作能力的情况下延长该超声脉冲串的长度。
[0012]相反，在极端情况下，甚至可以考虑发射超声连续波信号，并且仅评估由一个或多个超声接收器接收的反射和/或传输的超声信号的失真。在实现本专利技术时，已经认识到这需要非常宽带的超声接收器。由于共振谱的高品质，上述类型的超声换能器因此不适合于此。
[0013]因此，想法是在频域内使用狄拉克脉冲来在该频域内采样车辆环境的反射谱，从反射谱来重构空间频域内的环境空间频谱，并然后将以此方式确定的空间频谱转换回成车辆的环境地图。
[0014]现在，在实施本专利技术时，已经认识到具有高接收带宽的MEMS麦克风特别适用于所述应用。
[0015]因此，实际上，超声接收器发射超声脉冲串的时间序列。超声脉冲串由一个或多个超声脉冲的时间序列组成。在此，超声脉冲串内的瞬时频率是从超声脉冲串中的具有上升或下降方向的超声脉冲的电平值到超声脉冲串内的紧随其后的具有相同上升或下降方向的超声脉冲的相同电平值的持续时间的倒数。
[0016]瞬时频率可以在超声脉冲串期间改变。因此，超声脉冲串通常具有瞬时频率的瞬时频率曲线。因此，超声脉冲串具有超声脉冲串持续时间。该超声脉冲串持续时间从超声脉冲串中的第一个超声脉冲的第一个边缘开始，并以超声脉冲串中的最后一个脉冲的最后一个边缘结束。由于发射的超声脉冲串的超声换能器具有高Q值，因此在振幅和相位方面调制超声脉冲串的能力是有限的。通过使用宽带接收器，可以增大超声脉冲串持续时间，而不必降低移动设备正前方近距离范围内的分辨率。
[0017]在确立本专利技术时，已经认识到：如果假定车辆在受控的、无石头的环境中使用或仅在低速下使用，则由于省去抗石头击打性而可以使用MEMS麦克风。因此，现在可以在频域中使用狄拉克脉冲而不是在时域中使用狄拉克脉冲，并利用其在频域或空间频域内扫描移动设备周围环境的反射率的空间频谱。
[0018]由于超声MEMS麦克风(特别是作为阵列)的制造成本非常低，因此使用更多的超声MEMS麦克风来扫描时间/空间频谱是非常可行的。更多的MEMS麦克风能够增大用于空间频域内的扫描的空间频率。对于空间频域中的这种扫描点，多个超声MEMS麦克风优选彼此间隔开地安装在移动设备的外表面上。优选地，间隔距离被选择为使得反射回的超声波的预期频率以与这些超声波的预期入射方向组合的方式在这些超声MEMS麦克风的位置处导致可测量的相移。这些相移应优选在0到2π的范围内。
[0019]由于因此能够以一个或多个反射超声脉冲串的形式对反射超声波进行宽带接收，因此随后可以在通过不同的超声MEMS麦克风接收超声波时从超声波的不同失真分析中推断出环境的空间特性。
[0020]当然，不同的传播时间也可以被理解为失真。然而，在此还检测了移动设备周围环境的多普勒失真和使返回超声波频谱失真的其他特征，传统系统由于带宽较小而不能检测
这些特性。
[0021]因此，在此提出了一种用于特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机的移动设备的超声传感器设备，其用于检测和表征移动设备的周围环境中的物体，并具有大的作用范围和评估强频率失真的能力。所提出的超声传感器设备包括一个或多个超声发射器和至少一个超声接收器，但优选地包括多个彼此间隔开的超声接收器。因此优选地，超声传感器设备及其包括的超声发射器和超声接收器是移动设备的一部分。超声发射器通常被设计为将超声波发送到移动设备的周围环境中。优选地，这些超声波包括所述超声脉冲串，当由单个超声发射器发射时，所述超声脉冲串优选地在时间上彼此间隔开，并且包括一个或多个在时间上彼此间隔开的超声脉冲。此外，所提出的超声传感器设备包括控制评估设备，该控制评估设备检测和评估超声接收器的输出信号并控制超声发射器。此外，控制评估设备将该评估的评估结果以信号的方式通知给用户和/或上级或二级计算机系统以供进一步使用。如有必要，作为信号信号的替代和补充，还可以根据评估结果来控制移动设备的执行器(例如，无人机的转子和/或机器人的马达)。
[0022]在本专利技术的意义内，典型的宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于移动设备的超声传感器设备，所述移动设备特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机，所述超声传感器设备用于检测和表征所述移动设备的周围环境中的物体，并具有长作用范围和评估强频率失真的能力，所述超声传感器设备具有：超声发射器；至少一个超声接收器；以及控制评估设备，其中，所述超声发射器具有共振谱，并且其中，所述超声发射器的所述共振谱在具有第一频带宽度的第一共振频率处具有共振，并且其中，所述超声接收器具有灵敏度谱，所述灵敏度谱具有第二频带宽度，并且其中，所述超声接收器的所述第二频带宽度等于或大于所述超声发射器的所述第一频带宽度乘以因数2和/或5和/或10和/或20和/或50和/或100获得的值，其特征在于，所述超声接收器是MEMS麦克风，所述MEMS麦克风的工作原理基于通过与作用在所述MEMS麦克风上的超声波的相互作用而导致的电阻变化，特别是基于压阻效应，并且所述MEMS麦克风的输出信号取决于作用的所述超声波的参数，并且所述控制评估设备包括用于操作所述MEMS麦克风并且用于检测和处理所述MEMS麦克风的所述输出信号的器件。2.根据权利要求1所述的超声传感器设备，其中，所述超声传感器设备包括彼此间隔开的多个超声接收器，并且其中，所述控制评估设备评估所述超声接收器的所述输出信号，以便推断所述移动设备的所述周围环境中的物体和/或所述移动设备的所述周围环境的特性。3.根据权利要求2所述的超声传感器设备，其中，在传输所述超声波之后和/或在传输期间的时间窗中，所述控制评估设备检测所述超声接收器的所述输出信号，所述输出信号由所述超声接收器以压缩和/或未压缩的形式传输到所述控制评估设备，并且所述控制评估设备将以此方式获得的所述输出信号，必要时在解压之后，从时间和空间域变换到空间频域和时间频域，从而得到共同变换的输出信号时空谱，并且所述控制评估设备将所述共同变换的输出信号时空谱除以参考时空谱，从而得到校正后的输出信号时空谱，并且所述控制评估设备将所述校正后的输出信号时空谱变换回到时空域，以推断出空间环境结构函数。4.根据权利要求1至3中任一项或多项所述的超声传感器设备，其中，所述超声发射器发射超声信号，并且其中，所述超声信号包括具有多个超声脉冲的超声脉冲串，并且其中，至少一个被称为频率狄拉克脉冲串的超声波脉冲串包括至少10个和/或至少20个和/或至少50个和/或至少100个和/或至少200个和/或至少500个和/或至少1000个超声脉冲。5.根据权利要求4所述的超声传感器设备，
其中，所述控制评估设备在接收所述频率狄拉克脉冲串期间检测所述超声接收器的所述输出信号，并通过评估所述输出信号的频谱来评估所述输出信号，以推断所述移动设备的所述周围环境的特征。6.一种用于移动设备的超声传感器设备，所述移动设备特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机，所述超声传感器设备用于检测和表征所述移动设备的周围环境中的物体，并具有长作用范围和评估强频率失真的能力，所述超声传感器设备具有：超声发射器；至少一个超声接收器；以及控制评估设备，其中，所述至少一个超声接收器包括振动元件，所述振动元件的振荡能够被电学地检测，并且所述超声接收器的输出信号取决于所述振动元件，并且其中，所述至少一个超声接收器被一体地制成，特别是作为也被称为MEMS设备的微机电设备，并且其中，所述超声发射器的所述振动元件设置有罐形共振体，并且其中，所述罐形共振体与所述振动元件相互作用，使得所述振动元件能够使所述罐形共振体机械地振动，并且其中，所述超声发射器中的所述罐形共振体的共振谱在具有第一频带宽度的第一共振频率处具有共振，并且其中，所述超声接收器具有灵敏度谱，所述灵敏度谱具有第二频带宽度，并且其中，所述控制评估设备通过所述超声发射器的所述振动元件使所述超声发射器的所述罐形共振体振荡并发射超声波，并且特别是在所述超声波被所述移动设备的周围环境中的一个或多个物体反射和失真之后，所述超声接收器直接或间接地接收所述超声波，并将所述超声波转换为超声接收信号，并且其中，所述控制评估设备评估所述超声接收信号，并且其中，所述控制评估设备和/或下游设备推断所述周围环境的特性和/或所述移动设备的所述周围环境中的物体的特性，并且其中，所述超声接收器的所述第二频带宽度等于或大于所述超声发射器的所述第一频带宽度乘以因数2和/或5和/或10和/或20和/或50和/或100得到的值，其特征在于，所述超声接收器是MEMS麦克风，所述MEMS麦克风的工作原理基于通过与作用在所述MEMS麦克风上的所述超声波的相互作用而导致的电阻变化，特别是基于压阻效应，并且所述MEMS麦克风的输出信号取决于作用的所述超声波的参数，并且所述控制评估设备包括用于操作所述MEMS麦克风并且用于检测和处理所述MEMS麦克风的所述输出信号的器件。7.根据权利要求6所述的超声传感器设备，其中，所述超声传感器设备包括彼此间隔开的多个超声接收器，并且其中，所述控制评估设备评估所述超声接收器的所述输出信号，以便推断所述移动设备的所述周围环境中的物体和/或所述移动设备的所述周围环境的特性。
8.根据权利要求7所述的超声传感器设备，其中，在传输所述超声波之后和/或在传输期间的时间窗中，所述控制评估设备检测所述超声接收器的所述输出信号，所述输出信号由所述超声接收器以压缩和/或未压缩的形式传输到所述控制评估设备，并且所述控制评估设备将以此方式获得的所述输出信号，必要时在解压之后，从时间和空间域变换到空间频域和时间频域，从而得到共同变换的输出信号时空谱，并且所述控制评估设备将所述共同变换的输出信号时空谱除以参考时空谱，从而得到校正后的输出信号时空谱，并且所述控制评估设备将所述校正后的输出信号时空谱变换回到时空域，以推断空间环境结构函数。9.根据权利要求6至8中任一项或多项所述的超声传感器设备，其中，所述超声发射器发射超声信号，并且其中，所述超声信号包括具有多个超声脉冲的超声脉冲串，并且其中，至少一个被称为频率狄拉克脉冲串的超声波脉冲串包括至少10个和/或至少20个和/或至少50个和/或至少100个和/或至少200个和/或至少500个和/或至少1000个超声脉冲。10.根据权利要求9所述的超声传感器设备，其中，所述控制评估设备在接收所述频率狄拉克脉冲串期间检测所述超声接收器的所述输出信号，并通过评估所述输出信号的频谱来评估所述输出信号，以推断所述移动设备的所述周围环境的特征。11.一种特别是根据权利要求1的用于移动设备的超声传感器设备，所述移动设备特别是机器人和/或车辆和/或导弹和/或飞机，所述超声传感器设备用于检测和表征所述移动设备的周围环境中的物体，并具有长作用范围和评估强频率失真的能力，所述超声传感器设备具有：超声发射器；至少一个超声接收器；以及控制评估设备，其中，所述至少一个超声接收器包括振动元件，所述振动元件的振荡能够被电学地检测，并且所述超声接收器的输出信号取决于所述振动元件，并且其中，所述至少一个超声接收器被一体地制成，特别是作为也被称为MEMS设备的微机电设备，并且其中，所述超声发射器的所述振动元件设置有罐形共振体，并且其中，所述罐形共振体与所述振动元件相互作用，使得所述振动元件能够使所述罐形共振体机械地振动，并且其中，所述超声发射器中的所述罐形共振体的共振谱在具有第一频带宽度的第一共...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：艾尔默斯半导体欧洲股份公司，
类型：发明
国别省市：