TWI795006B - 圖形化超音波模組及駕駛輔助系統 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種圖形化超音波模組及駕駛輔助系統。所述圖形化超音波模組包含感測器陣列及發射器陣列。感測器陣列包含至少三個感測器，該些感測器共同構成一平面；發射器陣列包含多個發射器，該發射器陣列之一幾何中心與該感測器陣列之幾何中心實質相同。

Description

圖形化超音波模組及駕駛輔助系統
本案是關於一種圖形化超音波模組及應用圖形化超音波模組之駕駛輔助系統。
習知車用超音波模組之超音波發射器採用特定角度之擺位以增加超音波的有效傳輸距離，超音波感測器接收被環境中的障礙物所反射之超音波。
然而，受限於聲波的發散特性，車用超音波模組僅適用於車輛行駛前，或於倒車狀態下用以確認車輛周邊之障礙物。
鑒於上述，本案申請人提出一種圖形化超音波模組及駕駛輔助系統。所述圖形化超音波模組包含感測器陣列及發射器陣列。感測器陣列包含至少三個感測器，該些感測器共同構成一平面；發射器陣列包含多個發射器，該發射器陣列之一幾何中心與該感測器陣列之幾何中心實質相同。
所述駕駛輔助系統用以偵測一目標物。駕駛輔助系統包含圖形化超音波模組、記憶體以及處理器。記憶體用以儲存一查找表，該查找表包含該目標物之種類與一聲波能量級之對應關係。處理器耦接該些感測器及該些發射器，該處理器用以控制該發射器產生一超音波訊號；根據該超音波訊號之產生時間及該感測器接收之該超音波訊號之時間判斷該目標物之距離；加總該些感測器所接收之該超音波訊號之能量，以獲得該聲波能量級；以及讀取該查找表，並根據該目標物之距離及該聲波能量級判斷該目標物之種類。
圖形化超音波模組10包含感測器陣列及發射器陣列。感測器陣列包含多個超音波感測器102，發射器陣列包含多個超音波發射器101。圖形化超音波模組10可應於交通工具之駕駛監控。所述交通工具可以指大小客車、貨車、工程車輛，然不限於此，亦可以指船隻、動力機具。圖形化超音波模組10可設置於交通工具之後方或雙側，以利於偵測駕駛視野無法涵蓋之範圍。然而，亦可以設置於交通工具之前方，以利於在自動駕駛模式提供車用電腦行車環境資訊。超音波發射器101或超音波感測器102可以採用壓電材料製成之換能器，例如但不限於鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate, PZT)、鋯鈦酸鉛鑭(lead lanthanum zirconate titanate, PLZT)、鈮鎂酸鉛(lead magnesium niobate, PMN-PT)、偏鈮酸鉛(lead metaniobate)、鈦酸鉍鈉(Bismuth Sodium Titanate, BNT)、鈮酸鋰(lithium niobate)、鈦酸鉛(lead titanate)、鈦酸鋇(barium titanate)等壓電材料，或任何其它壓電材料，諸如壓電陶瓷、水晶、塑膠等材料或其複合材料。
圖1係本案之圖形化超音波模組於第一實施例之配置示意圖，請參照圖1。圖形化超音波模組10包含多個超音波感測器102所構成之感測器陣列以及多個超音波發射器101所構成之發射器陣列。所述陣列係指具有規律性排列之幾何圖樣，並不限於方陣。舉例而言，如圖1所示，單一超音波發射器101四周圍繞六個超音波發射器101。或者，採用兩個並列之超音波發射器101，或採用四個超音波發射器101構成之方陣。感測器陣列之幾何中心與發射器陣列之幾何中心實質相同。依據一些實施例，發射器陣列圍繞於感測器陣列之四周。依據另一些實施例，感測器陣列圍繞於發射器陣列之四周，從而以超音波發射器101為中心發散之超音波訊號可以被周圍之感測器陣列接收。藉由調整各個超音波發射器101發射超音波的延遲時間t，使超音波訊號在不同傳輸方向上疊加或相消，達到波束賦形(Beamforming)的效果。從而，發射器陣列形成朝向目標方向且能量集中之超音波訊號，避免聲波的發散與消耗。同理，藉由調整各個超音波感測器102接收到之超音波的延遲時間t，增強感測器陣列在特定方向上的感測訊號強度。
圖2A係波束賦形之示意圖；圖2B係超音波感測訊號之示意圖，請先參照圖2A。超音波感測器102接收自目標物9反射之超音波。圖2A左側之超音波感測器102相較於圖2A右側之超音波感測器102靠近目標物9，因此，聲波先後抵達左側及右側之超音波感測器102。請參照圖2B，圖2B之橫軸為時間，縱軸為感測訊號之電壓。訊號s1為圖2A左側之超音波感測器102所產生之電訊號，訊號s2為圖2A右側之超音波感測器102所產生之電訊號，訊號s3為調整延遲時間t後之訊號s1與訊號s2之疊合訊號。由於聲波抵達超音波感測器102的時間不同，因此，圖2A右側之超音波感測器102產生的訊號s2與圖2A左側之超音波感測器102產生的感測訊號s1之間具有延遲時間t。為了增強感測器陣列在朝向目標物9方向上的訊號強度，將圖2A左側之超音波感測器102所產生之訊號s1調整一延遲時間t，使訊號s1與圖2A右側之超音波感測器102所產生之訊號s2相位相等。最後，訊號s1與訊號s2疊合而產生訊號s3。
依據一些實施例，圖形化超音波模組10之感測器陣列包含三個超音波感測器102，且超音波感測器102共同構成一平面。藉由個別調整三個超音波感測器102的延遲時間t，感測器陣列的波束賦形方向得以在三維軸向上作調整。從而，圖形化超音波模組10可以因應不同應用情境而調整波束賦形方向。舉例而言，圖形化超音波模組10配置於大客車後側之情況，將波束賦形方向往地面方向偏移，以利於偵測高度較低的小客車。依據一些實施例，圖形化超音波模組10之感測器陣列包含三個以上共平面之超音波感測器102，或者多組位於不同平面之超音波感測器102，以利於感測多個波束賦形方向之聲波訊號。
復參照圖1，依據一些實施例，感測器陣列圍繞發射器陣列，且感測器陣列之多個超音波感測器102配置於同心圓之圓周。從而，各個超音波感測器102至發射器陣列之幾何中心的距離相同。基此，延遲時間t的設定無須額外考量因各個超音波感測器102設置位置之差異而導致之聲波接收時間差，惟感測器陣列之配置不限於此。請參照圖3，依據一些實施例，圖形化超音波模組20之感測器陣列圍繞發射器陣列，且感測器陣列之多個超音波感測器102配置於方框之夾角或鄰邊。考量方形之幾何中心至鄰邊上任一點之距離不相等，延遲時間t亦須因應調整。舉例而言，正方形之幾何中心至鄰邊最短距離為a，正方形之幾何中心至夾角距離為a
Figure 02_image001
，感測器陣列所處平面與目標物9所處平面距離為b，從而自超音波發射器101產生超音波起算，位於鄰邊及夾角之超音波感測器102存有波程差δ，所述波程差δ可依以下公式1求取：
Figure 02_image003
(公式1)
因此，延遲時間t可以基於波程差δ除以聲速，以及超音波的有效距離(假定為距離b)進行調整。依據一些實施例，感測器陣列之多個超音波感測器102的間距實質相等，使超音波發射器101等距配置於發射器陣列之四周。舉例而言，請參照圖1，每一圓圈上的超音波感測器102為一組，每組包含12個超音波感測器102且超音波感測器102平均配置於圓周上，使各超音波感測器102的間距實質相等。請參照圖3，每一方框上的超音波感測器102為一組，每組包含4個超音波感測器102且超音波感測器102平均配置於方框上，使各超音波感測器102的間距實質相等。從而，利於圖形化超音波模組10在各個方向上的超音波感測器102的延遲時間t校正。
依據一些實施例，感測器陣列包含多組超音波感測器102，各組內的多個超音波感測器102至發射器陣列之幾何中心的距離相同，各組超音波感測器102至發射器陣列之幾何中心的距離不相同。舉例而言，請參照圖1，感測器陣列包含內圈、次外圈、最外圈之圓周上的三組超音波感測器102，各圈上的12個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的距離相同。其中，內圈上的12個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的距離為距離d1，次外圈上的12個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的距離為距離d2，且距離d1大於距離d2。當感測器陣列之圈數越多，超音波波束賦形之主瓣能量越集中，旁瓣能量越被抑制，從而提升指向性、偵測距離以及訊號解析度。此外，藉由模組化的感測器陣列設計，使產線規劃上可以因應圖形化超音波模組10的產品解析度需求作安排。詳細而言，對於解析度需求較低之第一產品線，可以組裝較少圈數的感測器陣列，而對於解析度需求較高之第二產品線，可以基於第一產品線的產品執行進一步加工以增加感測器陣列之圈數，無須針對不同解析度產品而對產線重新規劃。
依據一些實施例，位於內圈之任一個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的連線，介於位於外圈之任兩個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的連線。舉例而言，請參照圖1及圖3，感測器陣列內圈之超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的連線B，介於感測器陣列外圈之兩個超音波感測器102與發射器陣列之幾何中心的連線A1以及連線A2。所述介於可以指連線A1與連線B之夾角，小於連線A1與連線A2之夾角。所述夾角可以指小於等於180度之夾角。從而，前述位於內圈之超音波感測器102與位於外圈之兩個超音波感測器102共同構成同一平面之陣列單位。依據一些實施例，感測器陣列包含多組陣列單位，增加波束賦形主瓣之能量集中度以提升訊號解析度。
依據一些實施例，圖形化超音波模組30可應用於駕駛輔助系統3。圖4係本案之駕駛輔助系統於一實施例之方塊示意圖，請參照圖4。駕駛輔助系統3包含圖形化超音波模組30、處理器31以及記憶體32。圖形化超音波模組30及記憶體32訊號耦接於處理器31，例如透過有線或無線方式進行訊號傳輸。所述無線方式可以但不限於採用全球行動通信(Global System for Mobile communication, GSM)、個人手持式電話系統(Personal Handy-phone System, PHS)、碼多重擷取(Code Division Multiple Access, CDMA)系統、寬頻碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA)系統、長期演進(Long Term Evolution, LTE)系統、全球互通微波存取(Worldwide interoperability for Microwave Access, WiMAX)系統、無線保真(Wireless Fidelity, Wi-Fi)、紫蜂(ZigBee)或藍牙(Bluetooth)等通訊協定。所述記憶體32可以是快閃記憶體或是唯讀記憶體，例如但不限於可抹除程式化唯讀記憶體(Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM)、快閃型唯讀記憶體(Flash Read-Only Memory, Flash ROM)、EEPROM或FRU(Field-Replaceable Unit, FRU) EEPROM。所述處理器31可以設置於車用晶片、行動電子裝置或遠端行控設備，例如但不限於採用微控制器單元(Micro-Control Unit, MCU)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)或邏輯電路。
圖5係本案之駕駛輔助系統於一實施例之運作流程圖，請參照圖5。處理器31控制發射器產生超音波訊號(步驟S01)。超音波訊號之頻率範圍可以介於20至100仟赫茲(kHz)。處理器31產生觸發訊號以驅動超音波發射器101，並暫存觸發時間。依據一些實施例，處理器31控制多個超音波發射器101產生之超音波訊號的相位延遲，從而調整超音波之指向。超音波被周圍環境的障礙物反射後，由超音波感測器102所接收。其後，處理器31判斷超音波的接收時間。舉例而言，超音波感測器102接收超音波訊號並轉換為電訊號，當電訊號之電壓或能量達到閾值，判定接收到超音波。處理器31可以根據單個超音波感測器102產生之電訊號或多個超音波感測器102產生之電訊號的總和進行前述判斷。依據一些實施例，當處理器31判斷未接收到超音波(步驟S02，判斷結果為「否」)，則持續發射超音波(步驟S01)；當處理器31判斷接收到超音波(步驟S02，判斷結果為「是」)，則根據觸發時間及接收到超音波之時間差、所發射與所接收之超音波頻率、當下聲速以及移動速度估算目標物9之距離以及移動速度。詳細而言，目標物9之移動速度vo 可以根據以下公式2及公式3計算：
Figure 02_image005
(公式2)
Figure 02_image007
(公式3)
其中，f 為超音波發射器101所產生之超音波頻率；f’ 為目標物9反射之超音波頻率；f” 為超音波感測器102所接收之超音波頻率；v 為當下聲速；vs 為當下移動速度。以將圖形化超音波模組30設置於車尾之車輛為例，當車輛為向前行駛狀態，處理器31自車輛之速度感測器獲得車輛當下的移動速度，車輛向前行駛，從而移動速度為-vs 。藉由進一步計算車輛與目標物9之相對速度與發射接收時間差的乘積，獲取目標物9與車輛間的距離。依據一些實施例，記憶體32儲存一預設目標距離，處理器31讀取預設目標距離並與當下目標物9的距離進行比對，以判斷目標物9距離是否小於預設距離(步驟S03)。所述預設目標距離可以設定為超音波感測器102的有效感測距離，或根據超音波發射後能量衰減之容許範圍，或依據行車安全距離進行設定。舉例而言，將預設目標距離設定為100公尺，以確認是否有其他障礙物進入預設目標距離之範圍。
依據一些實施例，處理器31控制超音波發射器101產生多次超音波訊號，以確認目標物9之移動狀態或計算移動速度。圖6A~圖6D係本案之駕駛輔助系統於不同實施例之使用狀態示意圖，請一併參照圖6A~圖6D。舉例而言，當處理器31判斷後方車輛進入預設距離D2，控制超音波發射器101再次產生超音波訊號，而重新測得後方車輛之距離D1。因此，基於車輛本身的移動速度，得以判斷後方車輛是否正在接近或遠離，抑或是停放於路邊之車輛。舉例而言，當距離D2減距離D1除以兩次量測時間的間隔即為車輛本身的移動速度，判斷後方車輛為靜止。依據一些實施例，當處理器31判斷目標物9為靜止(步驟S04，判斷結果為「是」)而不構成行車威脅，則忽略此目標物9，並可再次產生超音波以重複執行步驟S01至步驟S03之流程；當處理器31判斷目標物9為運動狀態(步驟S04，判斷結果為「否」)，進一步計算聲波能量(步驟S05)。舉例而言，加總所有超音波感測器102於預設時間範圍內所接收到超音波訊號之總能量，或者求取預設時間範圍內所接收到超音波訊號之最大能量，或者求取高於能量閾值之超音波訊號之平均能量。
聲波能量可以被區分為多個程度的能量級。記憶體32用於儲存查找表，所述查找表包含預設之目標物9種類與聲波能量級之對應關係。舉例而言，將能量級依能量強度區分為1至5級，能量級1對應於交通錐或小狗、能量級2對應於行人、能量級3對應於小客車、能量級4對應於小貨車或廂型車、能量級5對應於卡車或巴士。能量級之測定可以採用固定預設距離對多種目標物9以圖形化超音波模組30進行量測。以圖7A及圖7B為例，圖7A小客車所反射超音波之能量值小於圖7B巴士所反射超音波之能量值。經由多次量測同種類車輛而獲得各能量值之範圍，從而區分為兩種能量級。
依據一些實施例，查找表包含預設之目標物9種類、距離與聲波能量級之對應關係。舉例而言，由於聲波能由隨傳輸距離而衰減，導致圖6A之小客車於距離D1時所測得之能量強度與圖6D之巴士於距離D2時所測得之能量強度相同。惟聲波能量(以dB為單位)隨距離之衰減亦可根據以下公式4進行推算：
Figure 02_image009
(公式4)
其中，r1 為測定能量級時之預設距離，r2 為實際測得之距離，E1 為該預設距離下測得之聲波能量，E2 為該實際測得之聲波能量。因此，當處理器31量測到目標物9距離為r2 且聲波能量為E2 ，基於測定能量級時之固定預設距離r1 即可推算出目標物9之能量級，進而根據查找表判斷該目標物9之種類(步驟S06)。依據一些實施例，查找表包含預設之目標物9種類、波束賦形方向與聲波能量級之對應關係。舉例而言，查找表包含以下資料：
指向\目標物種類 小客車(圖7A) 巴士(圖7B)
偏上(+30度) 5 dB 45 dB
平行地面(0度) 35 dB 50 dB
偏下(-30度) 30 dB 40 dB
處理器31可以調整發射器陣列之多個超音波發射器101或感測器陣列之多個超音波感測器102的訊號延遲時間t而改變波束賦形方向，從而改變主瓣的能量分布。請參照圖7A及圖7B，一般而言，大客車之高度高於小客車，因此當超音波以較高之仰角射向目標物9時，大客車反射之能量遠高於小客車；相對地，當超音波以較低之仰角射向目標物9時，兩者反射之能量差相對較低。因此，可選地，處理器31於步驟S01發射多筆不同指向之超音波(例如偏下、平行地面及偏上)，或於步驟S02接收多筆不同指向之超音波，並暫存指向資訊。於步驟S05及步驟S06，處理器31基於不同指向計算聲波能量，並根據查找表判斷目標物9之種類。
依據一些實施例，駕駛輔助系統3根據目標距離、運動狀態及種類調整行車參數(步驟S07)。所述行車參數可以指駕駛速度、檔位、方向、車燈、喇叭等參數之調整。舉例而言，當駕駛輔助系統3判斷後方十公尺內的目標物9為小狗，並正以時速40公里奔向車輛，則允許不作反應；當駕駛輔助系統3判斷後方十公尺內的目標物9為卡車，並正以時速40公里駛向車輛，則應加速或偏離原車道。舉例而言，當駕駛輔助系統3判斷後方十公尺內的目標物9為車輛，並速度逐漸降低(相對距離逐漸增加)，則允許不作反應。
綜上所述，依據一些實施例，圖形化超音波模組10,20採用波束賦形方式提高超音波訊號之能量集中度及指向性，從而得以應用於長距離之障礙物偵測。依據一些實施例，圖形化超音波模組30應用於駕駛輔助系統3，以輔助辨識行車環境中出現之障礙物。駕駛輔助系統3根據障礙物之距離、運動狀態及種類判斷障礙物之威脅程度，據以調整行車參數。
雖然本案已以實施例揭露如上然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本案之保護範圍當視後附之專利申請範圍所界定者為準。
10、20、30:圖形化超音波模組 101:超音波發射器 102:超音波感測器 3:駕駛輔助系統 31:處理器 32:記憶體 9:目標物 A1、A2、B:連線 d1、d2、D1、D2:距離 S01-S07:步驟 s1、s2、s3:訊號 t:延遲時間
[圖1]係本案之圖形化超音波模組於第一實施例之配置示意圖。 [圖2A]係波束賦形之示意圖。 [圖2B]係超音波感測訊號之示意圖。 [圖3]係本案之圖形化超音波模組於第一實施例之配置示意圖。 [圖4]係本案之駕駛輔助系統於一實施例之方塊示意圖。 [圖5]係本案之駕駛輔助系統於一實施例之運作流程圖。 [圖6A~圖6D]係本案之駕駛輔助系統於不同實施例之使用狀態示意圖。 [圖7A~圖7B]係超音波訊號於不同實施例之能量分布示意圖。
10:圖形化超音波模組
101:超音波發射器
102:超音波感測器
A1、A2、B:連線
d1、d2:距離

Claims (7)

  1. 一種圖形化超音波模組，包含：一感測器陣列，包含至少三個超音波感測器，該些超音波感測器共同構成一平面；以及一發射器陣列，包含多個超音波發射器，該發射器陣列之一幾何中心與該感測器陣列之幾何中心實質相同；其中，該多個超音波發射器是用於撥放至少二音訊，該二音訊相差一延遲時間；其中，該些超音波感測器配置於一同心圓之圓周，該感測器陣列包含多個第一超音波感測器及多個第二超音波感測器，該些第一超音波感測器與該幾何中心之間具有一第一距離，該些第二超音波感測器與該幾何中心之間具有一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
  2. 如請求項1所述之圖形化超音波模組，其中，該感測器陣列圍繞該發射器陣列。
  3. 如請求項1所述之圖形化超音波模組，其中，各該超音波感測器之間距實質相等。
  4. 如請求項1所述之圖形化超音波模組，其中，任一該第一超音波感測器與該幾何中心之連線，介於任兩個該第二超音波感測器與該幾何中心之連線之間。
  5. 一種駕駛輔助系統，用以偵測一目標物，該駕駛輔助系統包含：如請求項1所述之圖形化超音波模組； 一記憶體，用以儲存一查找表，該查找表包含該目標物之種類與一聲波能量級之對應關係；以及一處理器，耦接該些超音波感測器及該些超音波發射器，該處理器用以：控制該超音波發射器產生一超音波訊號；根據該超音波訊號之產生時間及該超音波感測器接收之該超音波訊號之時間判斷該目標物之距離；加總該些超音波感測器所接收之該超音波訊號之能量，以獲得該聲波能量級；以及讀取該查找表，並根據該目標物之距離及該聲波能量級判斷該目標物之種類。
  6. 如請求項5所述之駕駛輔助系統，其中，該處理器更用以：根據多筆該超音波訊號之產生時間及該超音波感測器接收之該超音波訊號之時間判斷該目標物是否移動；以及當判斷該目標物移動，則加總該些超音波感測器所接收之該超音波訊號之能量，以獲得該聲波能量級。
  7. 如請求項6所述之駕駛輔助系統，其中，該處理器更用以：判斷該目標物之距離是否小於一預設距離；以及 當判斷該目標物之距離小於該預設距離，則根據多筆該超音波訊號之產生時間及該超音波感測器接收之該超音波訊號之時間判斷該目標物是否移動。
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