CN112585992B - 用来探测车辆环境中的声学信号的传感器设备 - Google Patents
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Abstract
描述了一种传感器设备（100），用来探测在车辆（200）的环境中的声学的信号源（310），包括：‑至少一个带有声音接收器（111、121、131、141）的声学的传感器（110、120、130、140），用于探测在所述车辆（200）的环境中的声学的信号源（310）的声学的信号，其中，声音接收器（111、121、131、141）被布置在所述车辆（200）的空腔（112、122、132、42）中，该空腔至少在一侧上被所述车辆（200）的外壁（210）所限定；并且包括‑控制装置（150），用于评估所探测的声学的信号（311），其中，所述控制装置（150）被构造用于：借助于所获取的所述声学的信号（311）来识别所述至少一个声学的信号源（310），并且确定该信号源相对于所述车辆（200）的位置。
Description
本发明涉及一种用来对于在车辆的环境中的声学的信号进行探测的传感器设备；以及一种用于相应的传感器设备的控制装置。
新式的车辆使用不同的环境传感器用来监视车辆环境，并且用来探测可能的危险。相应的传感器体系（该传感器体系目前还用作辅助***用来支援驾驶员）构成了用于未来的自动驾驶的车辆的基础。为了探测车辆环境在此使用了不同的测量方法，如例如摄像机、Lidar（激光雷达）、雷达或超声波传感器。根据目前的现有技术，在标准情况下没有探测在车辆环境里的在能听见的范围中的声学的信号。由此丢失了有价值的附加信息，该附加信息可能对在道路交通中的安全性做出重大贡献。在目前的仍然由驾驶员来控制的车辆中，利用驾驶员的听觉（Hörsinn）能够感知所述相应的声学的附加信息。然而环境声可能被在车辆内部的嘈杂的噪声（如例如广播或孩子的叫喊声）盖过。驾驶员此外也可能由于相应的室内噪声或者其他方面被分散注意力。在自动化的车辆中，然而通过驾驶员所感知的环境声并不集成到通过车辆的控制***对于车辆环境进行的判断中。在这种情况下不考虑在能听见的范围中所包含的信息。除了感知在道路交通中的声学的信号，人类车辆驾驶员通常也能够利用其双耳来确定所述声学的信号的方向。然而，由于车厢的封闭的构造形式，方向确定对于车辆驾驶员来说通常相对比较困难，并且因此通常很晚才实现所述方向确定。因此通常只能受限地对于来自车辆环境的声学的信号进行方向识别。
被证实为困难的是：开发适用于汽车的、用来应用于车辆外部的麦克风，因为安装在车辆外侧处的麦克风遭受风、湿气、污物以及另外的威胁影响。在乘员车厢之内的相应的麦克风的布置相反具有下述缺点：存在（例如通过广播或通风所致的）嘈杂的内部噪声作为干扰。
因此，本发明的任务是：提供一种可行方案，用于探测在车辆的环境中的声学的信号。所述任务通过根据权利要求1所述的传感器设备来解决。此外所述任务通过根据权利要求11所述的控制装置来解决。本发明另外的有利的实施方式在从属权利要求中说明。
根据本发明的第一方面，设置了用来对于在车辆的环境中的声学的信号进行探测的传感器设备。所述传感器设备在此包括至少一个带有声音接收器的声学的传感器，用于探测在所述车辆的环境中的声学的信号源的声学的信号，其中所述声音接收器被布置在所述车辆的空腔中，该空腔至少在一侧被所述车辆的外壁所限定。所述传感器设备此外包括一控制装置，用于评估所探测的声学的信号。所述控制装置在此被构造用于：借助于所述声学的信号来识别所述至少一个声学的信号源，并且确定该信号源相对于车辆的方向和/或位置。对于在车辆环境中的声学的信号所进行的探测提供了有价值的附加信息。在此能够通过声学的信号本身来识别这种声学的信号源，或者确定该信号源相对于自身的车辆的相对位置，该相对位置处于传统的车辆传感器的视野或者作用距离之外。因此，所述声学的传感器设备不仅在带有驾驶员的车辆中、而且在全自动的车辆中也非常有利于提高在道路交通中的安全性。
在另外的实施方式中设置了：所述空腔被构造为谐振器，用于放大至少一个预先给定的频率。通过所述空腔的这种特殊的构形，能够对于确定的声学的信号源的声学的信号而言达到所述声学的传感器的特别高的灵敏度。
在另外的实施方式中设置了：所述车辆的、限制了所述空腔的外壁被构造为用于至少一个预先给定的频率的谐振器。借助于这种措施也能够对于所述确定的声学的信号源的声学的信号而言明显地提高所述声学的传感器的灵敏度。
在另外的实施方式中设置了：优化了用于探测下述频率的所述传感器设备：该频率对于至少一个确定的声学的信号源的声学的信号而言是典型的。在此，例如隧道入口、孩子的叫喊声、十字路口或交通事故、急救车辆或紧急车辆的特种信号被设置为声学的信号源。对于所述传感器设备关于确定的声学的信号的频率的有针对性的优化，使得可以更好地探测各自的声学的信号源。
在另外的实施方式中设置了：所述至少一个声学的传感器的空腔被柱状地构造，并且所述声音接收器以麦克风的形式被构造，该麦克风被布置在所述柱状的空腔的、与所述车辆的外壁相对立的侧壁上。这种特殊的布置使得所述麦克风可以与车辆的声学的环境特别好地耦合，同时与车辆的内室很好地退耦。
在另外的出发点中设置了：所述至少一个声学的传感器包括以λ/4-层的形式的功能层，用来对于声学的阻抗进行匹配，该功能层被布置在所述车辆的外壁的内侧上，该外壁限定了所述空腔。由此能够提高所述空腔谐振器关于确定的频率的放大效果。
在另外的实施方式中设置了：所述至少一个声学的传感器的声音接收器以下述固体传声接收器的形式被构造：该固体传声接收器被布置在所述车辆的外壁的内侧上，该外壁限定了所述空腔。这种布置使得可以与车辆的声学的环境特别好地耦合，同时与车辆内室很好地退耦。在另外的实施方式中设置了：所述传感器设备包括由多个声学的传感器组成的***，该传感器被相互间隔地布置在所述车辆的一个或多个侧面上。使用多个传感器，就使得所述灵敏度可以提高。此外通过传感器在车辆的多个侧面上的特殊的布置，能够改善对于所述信号源所进行的方向识别。
在另外的实施方式中设置了：所述声学的传感器被分别成对地布置在所述车辆的分别相对置的侧面上。通过所述声学的传感器的这种特殊的布置，明显改善了对于所述声学的信号源所进行的方向确定。
在另外的实施方式中设置了：所述至少一个声学的传感器被布置在所述车辆的门中或者在该车辆的车顶结构中。在此，所述声学的传感器在车门之内的布置使得可以使用在所述门之内已经存在的空腔。与之相反，所述声学的传感器在车顶结构中的布置使得灵敏度可以被提高，因为通过相对高的装入位置减小了所述声学的信号的可能的阻断。此外尤其在全自动的车辆中，可以将已经存在的车顶结构作为装入位置来使用。
根据另外的方面设置了一种用于传感器设备的控制装置，该传感器设备用来探测在车辆的环境中的声学的信号。在此，所述控制装置被构造用来评估下述传感器信号：由于所接收的声学的信号，该传感器信号被至少一个布置在车辆外壁的内侧处的声学的传感器所给出，以便识别一发出了所述声学的信号的声学的信号源，并且确定该信号源相对于所述车辆的方向和/或位置。
接下来借助于附图来进一步地描述本发明。
在此，附图示出了：
图1示出了一种行驶状态，在该行驶状态中，装备了声学的传感器设备的车辆探测了在其后方行驶的车辆；
图2示出了来自图1的所述车辆的传感器设备的方块图；
图3示出了来自图1的所述车辆的示意性的图示；
图4示出了放置在车顶结构中的发送***；
图5示出了来自图4的所述车顶结构的示意性的图示；
图6示出了带有两个声学的传感器的所述车顶结构的简化的实施方式；
图7示出了所述声学的传感器110的实施方式，该传感器带有作为声音接收器的麦克风；
图8示出了所述声学的传感器的替代的设计方案，该传感器带有以固体传声接收器的形式的声音接收器；
图9简要地示出了调谐到确定的频率上的空腔谐振器（Hohlraumresonator）的频率响应曲线；
图10简要地示出了调谐到三个不同的谐振频率上的空腔谐振器的频率响应曲线；
图11简要地示出了来自图5的所述车顶结构，在该车顶结构中所述声学的传感器配备有麦克风；并且
图12简要地示出了来自图5的所述车顶结构，在该车顶结构中所述声学的传感器配备有固体传声接收器。
有创造性的构思设置了：通过探测来自所述车辆的环境中的声学的信号来使用附加信息。在此使用了带有声音接收器的声学的传感器，该声学的传感器既不布置在所述车辆外部上，也不布置在车辆内室中。取而代之的是使用在所述车辆中的空腔，该空腔利用了不受天气影响的内室的优点，而不必忍受乘员车厢的声学的干扰环境的缺点。为此，已经存在于车辆车身中的空腔在原则上是合适的，例如在车门中的或者在车顶结构中的空腔（它们在高度自动化的车辆中被使用）。此外所述车辆的车身也为了这种声学的传感器的使用而进行适配，其中，例如在自动驾驶的车辆中的车顶结构如此被优化：使得该车顶结构作为有放大作用的空腔特别好地适合于声音接收。声音的典型的波长并且因此所述空腔的几何大小处在1m和更小的数量级中。
原则上除了麦克风也可以使用固体传声接收器（如例如加速度接收器）用于将声信号转换为相应的传感器电信号。它们被应用在车辆外壁的内侧（如例如所述门的或车顶结构的内侧）上。所述车辆外壁因此成为转换元件的部分，其中几何结构和材料共同决定了传播特性。
在图1中示出了通过在车辆200中所安装的传感器体系对于外部的声源来进行识别和定位的基本构思。在此，所述车辆200具有一传感器***101，该传感器***包括四个分别布置在该车辆200的不同侧面201、202、203、204上的声学的传感器110、120、130、140。在此，所述传感器中的两个传感器130、140被布置在两个对置的车门中，另外一声学的传感器110被布置在所述车辆200的前部区域中，并且第四声学的传感器被布置在该车辆200的尾部区域中。这种特殊的布置使得对于来自所有方向的外部的声源的很好的定位成为可能。在此，原则上也可以是其它的传感器-布置或传感器阵列。正如在图1中此外所示出的那样，所述车辆200的声学的传感器110、120、130、140接收了在该车辆200的后方行驶的另外的车辆300的声学的信号311。所述另外的车辆300例如是急救车或紧急车辆（Einsatzwagen），该急救车或紧急车辆配有用于输出声学的特种信号311的相应的特种信号装置310。由所述车辆200的传感器***101所接收的声学的信号311在该车辆200的专门设置的控制装置150中被评估，其中该控制装置150不仅能够识别信号源310或者说300，而且能够获取该信号源相对于所述车辆200的相对位置。
图2此外简要地示出了来自图1的车辆200的传感器设备100的方块图。正如在此可以看出的那样，所述声学的传感器110、120、130、140在接收了声学的信号311之后，分别将相应的传感器信号转发到所述控制装置150处，该控制装置借助于相应的信号导线与该声学的传感器110至140相连接。在这里所示出的实施例中，所述控制装置150是单独的控制单元，该控制单元将从所述声学的信号311的评估中所得到的附加信息经由相应的数据导线例如转发到所述车辆的中央的控制单元270处。所述中央的控制单元270能够借助于所获得的附加信息来执行所述车辆200的相应的控制过程。为了得到尽可能短的信号传输时间，能够有利的是：将所述控制装置150布置在紧邻于所述声学的传感器110、120、130、140处。由此也提高了EMV-稳健性（EMV-Robustheit）。将所述信号到所述控制器处的传输在此可以任选地传输被模拟地或数字地采样的模拟信号。就这方面来说特别优选的是：将所述控制装置150集成到所述车顶结构250中。
图3示出了来自图1的所述车辆的示意性的图示。在此可以看出，第一声学的传感器110被布置在所述车辆的前部区域201中，例如被布置在发动机罩中。此外第二声学的传感器120被布置在所述车辆200的尾部区域202中，例如被布置在行李厢盖中。第三声学的传感器130被布置在右方的车辆侧面203上的车门260之内。在此不可见的第四声学的传感器140被相应地布置在左方的车门中。
图4示出了在所述车辆200的车顶结构250中的所述传感器***101的替代的安置方案。所述车顶结构250被箱形地构造，其中，所述声学的传感器110、120、130、140被分别布置在该车顶结构250的不同的侧面201、202、203、204上。这种车顶结构250已经在自动驾驶的车辆中被用来安置环境传感器，例如用于Lidar（激光雷达）-传感器。然而原则上这种车顶结构250也可以被设置为可选的附件，而没有相应的车顶结构的车辆能够加装该附件。接下来将所述车顶结构250理解成所述车辆200的一部分。就这方面来说，所述车顶结构250的外壁形成了所述车辆外壁210的一部分。
在图5中示出了来自图4的所述车顶结构250的示意性的图示。在本实施例中所述车顶结构250被箱形地构造，并且具有基本上矩形的底面。所述传感器***101包括四个声学的传感器110、120、130、140，该传感器被布置在分别在所述车顶结构250的外壁201后方的、位于该车顶结构250的内部中的空腔里。所述空腔在此可以被划分到分区域——前部/尾部/左侧/右侧中，该分区域通过隔离壁被相互分开。为了达到尽可能大的放大效应，有利的是：对于每个声学的传感器110、120、130、140设置单独的空腔，并且将该空腔柱状地进行构造。由此，极为有效地防止了声波的多路传播。被证实在结构上特别有利的是，将所述传感器安装在各自的车辆外壁的中间的区域中。所述声学的传感器优选地被分别成对地布置在所述车顶结构250的相互对置的侧面201、202、203、204上。根据使用方案，所述传感器***101的声学的传感器的数量和布置在此在原则上可以不同。
图6示出了所述车顶结构250的与来自图5的变型方案相比简化了的实施方案，该车顶结构包括仅仅两个声学的传感器110、120。所述第一声学的传感器110在此被布置在箱形地构造的车顶结构250的前侧201上，而所述第二声学的传感器120被布置在所述车顶结构250的后侧202上。
原则上不同的仪器（如例如麦克风或固体传声接收器）能够被用作所述声学的传感器的声音接收器。图7示出了所述声学的传感器110的第一实施方式，该传感器使用麦克风111来作为声音接收器。所述麦克风111在此被布置在空腔112中，该空腔在一侧上由车辆外壁210所限定。用来对于确定的频率实现放大的空腔112在本实施例中被柱状地构造，其中所述麦克风111被布置在所述柱状的空腔112的、与所述车辆外壁210相对立的端面113上。用作声学的谐振器的空腔112此外具有功能层114，用于匹配所述声学的阻抗，该功能层被布置在所述车辆外壁210的内侧211上。所述功能层114在此优选地被构造为λ/4-层，该λ/4-层由合适的材料、并且以合适的层厚度来构造。在将麦克风用作声音接收器时，在所述车顶结构之内尽可能地防振动地经由合适的退耦元件（Entkopplungselemente）将该麦克风装配在与所述车辆外壁210相对置的空腔侧壁113处，或者直接装配到该车辆外壁210上。
与之相反，图8示出了所述声学的传感器110的替代的构造方案，在该传感器中所述声音接收器111以固体传声接收器的形式来构造。所述固体传声接收器111在此优选地被直接布置在所述车辆外壁210的内侧211上。所述声学的传感器110同样包括一用作声学的谐振器的空腔112，该空腔在本实施例中被柱状地构造。
所述声学的传感器110的、来自图7和图8的空腔112优选地分别被构造用于对于确定的频率进行放大。这种声学的空腔谐振器的声学的特性在此主要通过该空腔谐振器的几何结构来决定，并且尤其通过该空腔谐振器的长度来决定。其它的特性（如例如表面性质或材料）也能够共同决定所述空腔谐振器的声学的性能（akustisches Verhalten）。空腔谐振器的特征在于：在外壁和内壁之间的空间中，通过结构上的干涉来产生驻波（stehendeWelle）并且因此产生另外的放大效应。所述空腔谐振器的尺寸在此必须如此成形：使得该空腔谐振器的长度对应于L=n·λ/2+λ/4。如果要实现多个频率或一频率范围的放大，那么有利的是：对于通过上述公式而来的长度L而言阐述一折衷方案。然而无论如何都必须避免对于期望的频率而言的负的干涉，该负的干涉会导致有关的声波的消除。
在图9中简要地示出了被调谐到确定的频率f1上的空腔谐振器112、122、132、142的频率响应曲线。基于结构上的干涉，所述空腔谐振器112、122、132、142就在其谐振频率f1的范围中显示出特别高的放大G，该放大G在两侧分别剧烈地下降。更远地远离的频率范围在此分别经历明显更低的放大。
图10示出了调谐到总共三个谐振频率f1、f2、f3上的空腔谐振器112、122、132、142的频率响应曲线的示意性的图示。通过各自的所述谐振频率f1、f2、f3的频率响应曲线的部分重叠，使得在全部的中间的频率范围中得出了相对高的放大，而下频率范围和上频率范围通过所述空腔谐振器112、122、132、142分别被明显更低地放大。
声学的传感器110、1209、130、140的所述空腔112、122、132、142的谐振特性、以及必要时将所述空腔相对于车辆环境进行隔开的车辆外壁210的谐振特性也能够调谐到下述频率上：该频率对于确定的行驶状态或者声学的信号而言是典型的。算作这些的例如有急救车辆和紧急车辆的声学的特种信号。对于德国的嘟嘟声（Tatütata）而言，因此对于两种频率400和700Hz进行优化将会是有意义的。该频率从德国标准（DIN-Norm）中来计算，并且此外争取在假设的相向运动时通过多普勒效应使得频率升高。对于所述两种频率400和700Hz，利用上面所示出的公式，因此得出了在接下来的表格中所给出的、所述空腔谐振器的最佳的长度L（分别以米为单位）。
| Hz | m | n=1 | n=2 | n=3 |
| 400 | 0.85 | 0.64 | 1.06 | 1.49 |
| 700 | 0.486 | 0.36 | 0.61 | 0.85 |
正如从上面的表格中可以看出的那样，用于400Hz的长度0.64m以及用于700Hz的0.61m相对近地相邻。具有所述长度L等于0.625m的空腔因此适合作为最佳的折衷方案，该长度借此几乎达到了用于两个频率的最佳值。对于上面的例子可以替代的是，也可以在也考虑多普勒频移的情况下在设计中计算另外的频率。原则上除了基谐模（Grundmode）或者基频之外，也可以使用信号的上模（Obermode）或者上频（Oberfrequenz）来设计所述谐振器的谐振特性。由于所述上模或者上频典型地处于更高的频率范围中，所以该上模或者上频的探测很少强烈地受到典型的行驶噪声的干扰。借此根据使用方案得出了更好的信噪比。在使用固体传声接收器而不是麦克风的情况下，所述外壳成为了转换器的部分。几何结构和材料因此决定了所述传播特性。
当如此选择所述车辆外壁的尺寸和材料时得到了有利的变型方案：使得该车辆外壁具有一个或多个在待要探测的声学的信号的范围中的固有频率。由此能够产生用于所述有用信号的放大效应。
典型的令人感兴趣的频率范围对于语音探测而言处于200Hz至1kHz的范围中，并且对于紧急信号的探测而言处于所述发射频率（德国：400Hz及700Hz，美国：300Hz -1.9kHz，等等）的范围中，或者待要探测的信号的相应的上模或者说上频。
对于固有共振的位置而言，所述振动的板（车辆外壁）的大小、厚度以及刚度是决定性的。通过这些特性能够如此构造所述车辆外壁：使得多个模（并且因此固有共振）也被激发。
对此可以替代的是，所述车辆外壁通过合适的制造方法（如例如CFK-脱纱（CFK-Fasern））如此来构造：使得产生了异质性的冲突（inhomogene Streitigkeit）。由此能够有针对性地将多个模通过设计来引入到有关的构件中。
在此，当所述模处在200Hz和2kHz之间的区间中时是特别有利的。
在使用固体传声接收器时另外的优点在于：能够通过所述传感器探测到泊车剐蹭（Parkrempler）（碰撞）。在高度自动化的车辆中，这些信息对于评定在车辆中的所有的传感器的功能性而言是重要的。由此能够以简单的方式实现一失调识别（Dejustageerkennung）。
图11简要地示出了来自图5的所述车顶结构250，在该车顶结构中，所述声学的传感器110、120、130、140根据来自图7的实施方式分别配备了以麦克风的形式的声音接收器111、121、131、141。与之相反，图12简要地示出了来自图5的所述车顶结构250，在该车顶结构中，所述声学的传感器110、120、130、140根据来自图8的实施方式分别配备了以固体传声接收器的形式的声音接收器111、121、131、141。
Claims (10)
1.用来对于在车辆(200)的环境中的声学的信号(311)进行探测的传感器设备(100)，包括：
-至少一个带有声音接收器(111、121、131、141)的声学的传感器(110、120、130、140)，用来探测在所述车辆(200)的环境中的声学的信号源(310)的声学的信号(311)，其中，所述声音接收器(111、121、131、141)被布置在所述车辆(200)的空腔中，该空腔至少在一侧上被所述车辆(200)的外壁(210)所限定；以及
-控制装置(150)，用于评估所探测的声学的信号(311)，其中，所述控制装置(150)被构造用于：借助于所获取的所述声学的信号(311)来识别至少一个所述声学的信号源(310)，并且确定该信号源相对于所述车辆(200)的方向和/或位置，
其中，所述至少一个声学的传感器(110、120、130、140)包括形式为λ/4-层的功能层(114、124、134、144)用于匹配声学的阻抗，该功能层被布置在所述车辆(200)的外壁(210)的内侧(211)上，该外壁限定了所述空腔。
2.根据权利要求1所述的传感器设备(100)，其中所述空腔被构造为谐振器，用来放大至少一个预先给定的频率(f1、f2、f3)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其中，所述车辆(200)的限制了所述空腔的所述外壁(210)被构造为用于至少一个预先给定的频率(f1、f2、f3)的谐振器。
4.根据权利要求2所述的传感器设备(100)，该传感器设备(100)被优化用于对于频率(f1、f2、f3)进行探测，该频率对于下述声学的信号源(310)中至少一个声学的信号源的声学的信号(311)而言是典型的：
-急救车辆或紧急车辆的特种信号装置；
-隧道入口；
-孩子的叫喊声；
-十字路口；
-交通事故。
5.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其中，所述至少一个声学的传感器(110、120、130、140)的空腔柱状地被构造，并且其中，所述声音接收器(111、121、131、141)以麦克风的形式被构造，该麦克风被布置在柱状的空腔的、与所述车辆(200)的外壁(210)相对立的侧壁(133)上。
6.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其中，所述至少一个声学的传感器(110、120、130、140)的声音接收器(111、121、131、141)以下述固体传声接收器的形式被构造：该固体传声接收器被布置在所述车辆(200)的外壁(210)的内侧(211)上，该外壁限定了所述空腔。
7.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其中，所述传感器设备(100)包括由多个声学的传感器(110、120、130、140)所组成的***(101)，该声学的传感器被相互间隔地布置在所述车辆(200)的一个或多个侧面(201、202、203、204)上。
8.根据权利要求7所述的传感器设备(100)，其中，所述声学的传感器(110、120、130、140)被分别成对地布置在所述车辆(200)的分别相对置的侧面(201、202、203、204)上。
9.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其中，所述至少一个声学的传感器(110、120、130、140)被布置在所述车辆(200)的门中或者在该车辆的车顶结构(250)中。
10.控制装置(150)，用于根据权利要求1至9中任一项所述的用来对于在车辆(200)的环境中的声学的信号进行探测的传感器设备(100)，
其中，所述控制装置(150)被构造用来评估传感器信号，该传感器信号由至少一个布置在所述车辆(200)的外壁(210)的内侧(211)处的声学的传感器(110、120、130、140)作为所接收的声学的信号(311)的结果而给出，以便识别一发出了所述声学的信号(311)的声学的信号源(310)，并且确定该信号源相对于所述车辆(200)的方向和/或位置。
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