CN111352074A - 用于相对于车辆对声源进行定位的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于相对于车辆对声源进行定位的方法和系统。本发明涉及一种经改善的用于相对于车辆对声源进行定位的途径，该途径的前提条件例如仅仅是一个单独的麦克风。一种用于相对于车辆（100）对声源（200）进行定位的方法具有如下步骤：‑ 获得由声源发出的声音信号（S）；‑ 确定所获得的声音信号的相对于车辆的观察者频率（fE）；‑ 规定声源的速度（vS）；‑ 相对于车辆的位置来规定声源位置（x、y、d、α）；‑ 确定信号频率（fS）；而且‑ 通过利用观察者频率、速度、信号频率和声源位置进行n次执行的多普勒计算来对声源进行定位。本发明也涉及一种用于对声源进行定位的设备和系统以及一种程序元件和一种具有这种程序元件的计算机可读介质。

Description

用于相对于车辆对声源进行定位的方法和系统
技术领域
本发明一般性地涉及相对于车辆对声源的定位。本发明尤其是涉及一种用于相对于车辆对声源进行定位的方法、设备和系统。本发明还涉及一种程序元件和一种具有这种程序元件的计算机可读介质。本发明尤其可以用在至少部分地自动化驾驶的车辆中。
背景技术
在车辆运行期间，车辆驾驶员可从车辆环境中察觉到不同的周围环境噪声。在此，对于行驶安全性来说，尤其是报警信号或声音警告是重要的，诸如紧急车辆的特殊信号、喇叭信号等等。车辆驾驶员可以通过他的听觉轻易地察觉到这些报警信号或声音警告，而且常常也可以根据重要性来对它们进行分类以及对声源、也就是说噪声或声音来源大致进行定位。因此，车辆驾驶员例如可以将车道让给被识别出来的紧急车辆或者执行其它适当的驾驶机动动作。而驾驶员辅助系统或能够实现至少部分地自动化驾驶的系统并不能轻易地完全察觉到声音信号、例如报警信号、周围环境噪声等等或者据此得出适当的驾驶机动动作。因此，可能存在对提供一种与车辆驾驶员尽可能无关的用于对声源进行定位的途径的可能性的愿望。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种经改善的根据独立权利要求所述的用于相对于车辆对声源进行定位的方法和系统。本发明的适宜的扩展方案从从属权利要求、说明书以及随附的附图中得到。
按照第一方面提出的用于相对于车辆对声源进行定位的方法尤其可以以计算机辅助的方式来执行。该方法例如可以在车辆的数据处理装置、诸如电子控制器或者控制器复合体中实施。该方法具有如下步骤：
- 获得由声源发出的声音信号。该声音信号例如可能是警报信号，该警报信号可能由警报器或警笛等等来产生。警报信号的频率可能根据车辆的使用国家/地区而发生变化，然而通常被规定或标准化。例如在德国，警报信号可以在360Hz与630Hz之间的范围内。
- 确定所获得的声音信号的相对于车辆的观察者频率。对观察者频率的确定例如可以通过在该数据处理装置中对声音信号的分析、尤其是计算方面的分析来实现。换言之，该确定可基于测量。
- 规定声源的速度和方向。在该上下文中，“规定”尤其可以被理解为对值进行假设。
- 相对于车辆的位置、尤其是当前位置来规定声源的声源位置。在该上下文中，“规定”尤其可以被理解为对值进行假设。
- 确定或规定声音信号的信号频率。在该上下文中，“规定”尤其可以被理解为对值进行假设。
- 通过利用观察者频率、速度、信号的运动方向、信号频率和声源位置进行n次、尤其是n次迭代地执行的多普勒计算来实现对声源的定位。多普勒计算尤其可以通过该数据处理装置来实现。变量n可以是自然数。在此，也可以算出自运动。
多普勒计算例如可以根据等式
Figure 549008DEST_PATH_IMAGE001
来实现，其中
Figure 997306DEST_PATH_IMAGE002
是信号频率，
Figure 308202DEST_PATH_IMAGE003
是观察者频率，c是声速，
Figure 234570DEST_PATH_IMAGE004
是声源的具有通过
Figure 330833DEST_PATH_IMAGE005
来给出的方向的速度，
Figure 418875DEST_PATH_IMAGE006
是车辆的速度以及
Figure 951487DEST_PATH_IMAGE007
是车辆运动方向与声源之间的角度。 对于迭代的考虑来说，还估计声源与车辆之间的相对位置数据。在这种情况下，能确定、例如能测量观察者频率。其余的参量都是未知参量，这些未知参量因此被规定或基于假设。
利用该方法，可以确定声音信号相对于接收方、也就是说车辆的方向、距离、速度、运动方向和/或频率。该方法尤其是利用了如下认识：声源当同样是交通成员或车辆、紧急车辆等等时的速度具有最大速度，而且例如声音信号的频率处在例如通过例如由标准来规定的频率范围加上/减去声音信号的频率的实际的多普勒频移之内。如果声源和车辆还相对于彼此运动，则多普勒效应引起多普勒频移，该方法使用该多普勒频移的变化，以便确定声源的位置以及其它参数。两种效应、即将这些规定限于确定的值域以及在多普勒频移方面的变化，允许对这些规定的良好的估计，用于多普勒计算或对声源的定位，这些规定也可被称作变量。由此，该方法能够实现：对声源进行定位并且确定该声源的所发出的频率、速度和行驶方向。这样，也可以确定声源的类型。接着，由该声音检测装置确定的数据可以被用于在驾驶员辅助功能方面和/或在至少部分地自动化驾驶方面的传感器数据融合。由此，尤其是可以更精确地控制车辆的驾驶功能或也可以确定驾驶策略。在一个示例性的行驶场景下，该车辆可以允许在道路交通中优先级更高的紧急车辆先行，例如通过自动化的驾驶机动动作将车道让给该紧急车辆。
在一个扩展方案中，速度、声源位置和/或信号频率可以在所分配的值域之内用多个单值来规定，该值域能在基于定位的、当前的行驶状况下至少近似地实现。如上文所提及的那样，例如警报信号将在确定的或可能标准化的频率范围之内，使得能界定针对信号频率的可能的值域并且同样能界定这些规定的数目。对于声源位置来说，也可以限制针对这些规定的值域，因为声音信号只能在短的至中等的距离之内被察觉到，例如但是不超过公里距离。对于速度来说，也可以限制值域，因为尤其是紧急车辆可能只有向上受限的速度。在相应的值域之内针对这些规定的示例性的步长例如可以是：对于声源位置的距离来说每步5m；对于声源位置的角度来说每步10°，等等。可实现性例如也可以依据地图数据、其它传感器数据、如摄像机的传感器数据、所检测到的交通密度或者类似的数据来估计。例如，在封闭的建筑区域之内，出发点可以是：声源本身在建设良好的当地道路上的最大速度就低于30至40m/s，等等。也可以切合实际地估计其它所规定的值。弱检测到的声音信号可能比强检测到的声音信号等等离得远。
按照一个扩展方案，在迭代剔除方法中可以限制速度、声源位置和/或信号频率的规定或假设的值域。换言之，在迭代方法中，上述规定的那些组合可以通过剔除方法被限制到可能的组合。在此，例如当有组合不能描述所测量到的观察时，可以剔除该组合。
在一个扩展方案中，可以以迭代的方式剔除针对速度、方向、声源位置和/或信号频率的规定或假设的与所确定的观察者频率相矛盾的那些组合。
按照一个扩展方案，在每第n次多普勒计算中可以执行对信号频率的确定、例如对信号频率的计算并且将其与对信号频率的规定进行比较。也就是说，对于这些规定来说，首先以多个值开始并且与观察者频率一起计算为此所需的信号频率。如果针对这些规定的一个组合的信号频率处在可能的值域之外，则可以剔除该组合。对于每次迭代来说，针对规定的每个组合都计算新的信号频率。一旦信号频率处在预先确定的值域之外或者在至少两次迭代之间波动得超过了可接受的值，就将该信号频率剔除，因为出发点可以是：该信号频率实际上并不发生变化或者只是根据已知的模式、诸如在警笛或诸如此类的情况下才发生变化。
在一个扩展方案中，可以根据n次多普勒计算来确定信号频率的偏差，而且依据速度和声源位置的如下那些规定来进行该定位，所述规定具有所计算的信号频率的尽可能小的偏差。例如，可以通过n个迭代步骤来确定偏差的均方根，也被称作root mean square（RMS）。接着，可以依据例如具有最小均方根的规定来进行定位。
按照一个扩展方案，在两次连续的多普勒计算和/或对观察者频率（fE）的确定之间，可以考虑由于速度和声源位置而引起的情况变化。
按照一个扩展方案，至少声源或车辆可以在声音检测和/或定位期间运动。经此得到的在多普勒频移方面的变化的特性可以被用于定位。但是，也可能的是：多普勒频移不发生变化，例如当车辆和声源相向运动时不发生变化，其中据此也获得关于方向的信息。
在一个扩展方案中，声音信号可包含重复序列。例如，线性调频可包含重复的恒定音调和/或已知的频率跳变或在已知的基本频率之间的跳变。这可以被用于定位。
按照一个扩展方案，对于声音信号的检测和/或定位来说，可以只使用该声音检测装置的一个单独的麦克风。
在下文，其它改善本发明的措施共同利用依据附图对本发明的优选的实施例的描述进一步予以呈现。这样，利用微小的硬件花费就可以实现定位。但是，该车辆也可具有多个麦克风，其中那么可以通过这些麦克风中的一个单独的麦克风来实现对声源的定位而其余的麦克风可以执行其它任务。
按照第二方面，本发明也涉及一种用于运行车辆的设备。该设备具有数据处理装置，而且尤其可以适合于运行至少部分地自动化驾驶的车辆。该数据处理装置例如可以是该车辆的电子控制器或控制器复合体，其中该数据处理装置例如可具有至少一个处理器、用于程序指令和/或数据的存储器、数据接口，等等。该数据处理装置被设立为：
- 确定所检测到的声音信号（S）的相对于车辆（100）的观察者频率（fE）；
- 规定声源（200）的速度（vS）；
- 相对于车辆（100）的位置来规定声源位置（x、y、d、α）；
- 确定信号频率（fS）；而且
- 通过利用观察者频率（fE）、速度（vS）、信号频率（fS）和声源位置（x、y、d、α）进行n次执行的多普勒计算来对声源（200）进行定位。
借此，例如可以实现上文针对该方法所阐明的优点。
按照第三方面，也提出了一种用于相对于车辆对声源进行定位的系统。该系统具有：声音检测装置，例如一个单独使用的麦克风或多个麦克风；和数据处理装置。该数据处理装置可具有：用于程序指令的存储器；至少一个处理器；和与该声音检测装置的接口。该数据处理装置也可以与一个或多个车辆系统协作，以便尤其是在至少部分地自动化驾驶的车辆的情况下基于所定位的声源来实现相对应地自动化的驾驶控制。该数据处理装置被设立为：确定所检测到的声音信号相对于车辆的观察者频率；规定声源的速度和运动方向；相对于车辆的位置来规定声源位置；而且通过利用观察者频率（fE）、速度、信号频率和声源位置进行n次执行的多普勒计算来对声源进行定位。
该系统能够实现：只通过一个单独的麦克风来对声源进行定位。在这种情况下，对声源的定位可包括方向、距离、速度（数值和方向）和声源的声音信号在多普勒频移之前的精确的频率。该定位利用微小的计算花费来实现，其方式是执行对情况的迭代分析，其中剔除对声源的定位的不合实际的参数而评价和整理切合实际的参数。经此，该车辆可以至少部分地自动化地来控制，使得例如自动化地允许优先级更高的车辆、诸如紧急车辆先行。
按照第四方面，本发明涉及一种用于运行车辆的程序单元或计算机程序，当该程序单元或计算机程序由数据处理装置的处理器来实施时，该程序单元或计算机程序被设立为执行按照第一方面的方法。
本发明的第五方面涉及一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有按照第四方面的计算机程序。
附图说明
在下文，参考随附的附图详细地描述本发明的有利的实施例。其中：
图1示出了具有能够实现相对于车辆对声源进行定位的系统的车辆；
图2示出了呈现确定和规定参量或参数的图表，这些确定和规定参量或参数被用于相对于车辆对声源进行定位；
图3示出了呈现对声源的不同的位置确定的图表；
图4示出了用于相对于车辆对声源进行定位的方法的流程图。
这些附图仅仅是示意性的并且没有按正确比例。在这些附图中，相同的、起相同作用的或者类似的要素通常配备有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了车辆100，这里，该车辆示范性地是至少部分地自动化驾驶的机动车。与此相应地，车辆100拥有（未更详细地说明的）执行器和车辆驱动装置，所述执行器和车辆驱动装置可以以电子方式被操控，用于车辆100的自动化的驾驶控制、例如用于加速、制动、转向等等。
车辆100还拥有车辆系统110、例如以驾驶辅助系统的形式的车辆系统，该车辆系统具有：数据处理装置120、例如以电子控制器的形式的数据处理装置，用于操控执行器和车辆驱动装置；多个与之协作的其它传感器130，诸如光学传感器、超声传感器、激光雷达（LIDAR）等等；和同样与之协作的声音检测装置140，用于检测处在车辆环境中、也就是说处在车辆外部周围环境中的声源200的噪声、声响或者诸如此类的。声源200例如可以是其它交通成员，但是尤其可以是紧急车辆，诸如警车、消防车、救护车或者诸如此类的。数据处理装置120拥有：处理器121；和存储器122，用来存储用于运行车辆100的程序指令。这里，所述其它传感器130示范性地是摄像机，这些摄像机例如以光学方式检测在车辆100前方以及在车辆100后方的区域并且将这些检测数据输送给数据处理装置120，这样，该数据处理装置可以通过车辆环境、即例如道路交通来控制车辆100。
声音检测装置140具有多个麦克风141。在一些实施例中，这些麦克风141必要时向外取向，尤其是朝着从车辆100远离的方向取向。应注意：在随后的描述中，一个单独的麦克风141就已足够，从而可以节约硬件成本。
尤其是在使用这些麦克风141中的唯一一个麦克风时或在使用这些麦克风141中的一个单独的麦克风时，相对于车辆100对声源200的定位是一个并不容易的问题。尤其是在车辆100的自动化的行驶运行下，对声源200的定位或尽可能精确的位置确定可以被用作用来确定车辆100的驾驶策略、驾驶机动动作或诸如此类的信息。在下文阐述了：借助于声音检测装置140，对声源200的至少足够精确的定位是可能的。
为了更好的阐明，图2示出了带坐标系的图表，该坐标系具有：x轴，该x轴例如说明了以米（m）为单位的路程轴；和y轴，该y轴同样说明了以米（m）为单位的路程轴。仅仅示范性地，车辆100至少大致位于该坐标系的坐标原点，该车辆也可以被称作本车。声源200位于第一象限，即不仅沿X方向而且沿Y方向都与车辆100间隔开。这里，声源200的当前的所在地可以清楚地用x坐标和y坐标来说明，例如被说明为S(x, y)。在车辆100与声源200之间存在距离d。
假设：或者只有车辆100运动，或者只有声源200运动，或者不仅车辆100而且声源200都运动。根据假设，车辆100以速度矢量
Figure 415967DEST_PATH_IMAGE006
沿着y轴运动，如这在该图表中说明的那样。应注意：车辆100的自运动被限定为沿y方向的运动，使得矢量 速度矢量
Figure 616004DEST_PATH_IMAGE006
始终指向同一方向。此外，车辆100的速度vE是
Figure 874947DEST_PATH_IMAGE008
在角度α（相对于y轴的角度）下朝向声源200的方向说明的速度分量。同样，根据假设，声源200以速度矢量
Figure 645588DEST_PATH_IMAGE004
在角度γ（相对于y轴的角度）下的数值来运动。由声源200发出的声音信号S具有朝向车辆100的方向的速度vS。
基于图2，多普勒计算可以利用等式（1）
Figure 648179DEST_PATH_IMAGE009
（1）
来实现，其中fS说明了声音信号S的信号频率，fE说明了声音信号S的观察者频率而c说明了声速。对于依据该等式（1）对声源200的位置确定，尤其是对声源200或由该声源发出的声音信号S的方向、距离、速度、运动方向和/或频率的确定来说，存在如下问题：该等式具有五个未知变量
Figure 437143DEST_PATH_IMAGE004
、γ、α、d和fS，即该等式限定不足。在此，d表示在车辆与声源之间的距离。该距离是必需的，以便可以描述其它变量关于时间的变化。
为了解决该问题，数据处理装置120被设立为：将这些未知变量中的一些未知变量限制到值或者值域，该阈值在车辆100的行驶运行时是切合实际的，如这在更下面还更详细地予以阐述的那样。附加地，由于车辆100与声源200之间的相对运动，得到能通过等式（1）来确定的多普勒频移的变化。这两个效应的组合允许对这五个变量的足够精确的估计，其中基于该估计可以实现相对于车辆100对声源200的足够精确的定位。
数据处理装置120尤其被设立为：借助于对声音信号S的声音检查来确定所检测到的声音信号S的相对于车辆100的观察者频率fE的值。还对这些未知变量进行估计，使得首先规定声源200的速度vS的多个可能的值、例如一个值域。此外，相对于车辆100的位置来规定声源200的声源位置的多个值、例如一个值域，其中该声源位置尤其包含对上文提及的变量x、y、d、α的估计。为了在数据处理装置120中处理这些数据，还假设：声源的速度和方向在至少一个短时间间隔内不发生变化或几乎不发生变化，即基本上恒定。可选地，还可以假设：信号频率fS包含重复的或其它已知的序列，如这尤其是在警笛的警报信号的情况下存在的那样。
由数据处理装置120对声源200的定位通过如下方式来实现：对于多个时间点来对等式（1）进行求解、即迭代地进行求解，用来选择fE、
Figure 398146DEST_PATH_IMAGE004
、y、α和d的尽可能等距的、切合实际的值。在迭代或迭代步骤之间，在假设至少给定
Figure 905351DEST_PATH_IMAGE004
、y、α和d的情况下确定声源200的新的声源位置。如果该假设并没有在大多数迭代中或者在所有迭代中都导致fS的恒定值或fS的在确定的频率区间之内的值，则将该假设删除，使得剩下数目更少的可能性。根据具有fS的最小的偏差的假设，数据处理装置120确定声源200的所在地、速度和方向以及该声源的声音信号S的频率。接着，数据处理装置120可以提供该信息，用于在车辆100的驾驶策略规划、驾驶控制或者诸如此类的中使用。这样，车辆100也可以自动化地给声源200让路，其方式是例如相对应地重新规划路线、行驶轨迹等等。
图3以图表阐明了通过数据处理装置120对声源200的定位。该图表又具有以米（m）为单位的路程轴的形式的x轴和以米（m）为单位的路程轴的形式的y轴，而且示出了车辆100，该车辆至少大致在该图表的坐标原点。用附图标记200来表示声源的实际位置，其中这里通过箭头来示出速度矢量
Figure 446054DEST_PATH_IMAGE004
。用附图标记200'来表示声源的所有可能的被计算出的（估计）位置，这些（估计）位置这里仅仅示范性地在多次迭代之后具有如下偏差，该偏差这里低于确定的阈值。应注意：该偏差例如是通过确定均方根（RMS）来确定的。还应注意：为了清楚起见，并没有用附图标记标明全部可能的位置。因此，所有没有用附图标记来标明的这里又表示速度矢量的箭头也对应于声源200的可能的位置。用附图标记200"来说明声源的如下那些（通过数据处理装置120来确定的）声源位置，这些声源位置在多次迭代中具有最小的偏差而且因此能被视为声源的最可能的位置。这里，也分别通过箭头来示出速度矢量。
图4以流程图概括了用于相对于车辆100对声源200进行定位的方法。该方法尤其是利用上文所描述的数据处理装置120和声音检测装置140来执行。
在步骤S1中，获得由声源200发出的声音信号S。在步骤S2中，确定、例如检测或测量所获得的声音信号S的相对于车辆100的观察者频率fE。在步骤S3中，规定声源200的速度vS。在步骤S4中，相对于车辆100的位置来规定声源位置x、y、d、α。在步骤S5中，确定信号频率fS。在步骤S6中，通过利用观察者频率fE、速度vS、信号频率fS和声源位置x、y、d、α进行n次执行的多普勒计算来对声源200进行定位。

Claims (13)

1.一种用于相对于车辆（100）对声源（200）进行定位的方法，所述方法具有如下步骤：
- 获得由所述声源（200）发出的声音信号（S）；
- 确定所获得的声音信号（S）的相对于所述车辆（100）的观察者频率（fE）；
- 规定所述声源（200）的速度（vS）；
- 相对于所述车辆（100）的位置来规定声源位置（x、y、d、α）；
- 确定信号频率（fS）；而且
- 通过利用所述观察者频率（fE）、所述速度（vS）、所述信号频率（fS）和所述声源位置（x、y、d、α）进行n次执行的多普勒计算来对所述声源（200）进行定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度（vS）、所述声源位置（x、y、d、α）和/或所述信号频率（fS）在所分配的值域之内用多个单值来规定和/或确定，所述值域能在基于所述定位的、当前的行驶状况下至少近似地实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在迭代剔除方法中限制所述速度（vS）、所述声源位置（x、y、d、α）和/或所述信号频率（fS）的规定的值域。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中以迭代的方式剔除针对所述速度（vS）、所述声源位置（x、y、d、α）和/或所述信号频率（fS）的规定的与所确定的观察者频率（fE）相矛盾的组合。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在每第n次多普勒计算中执行对所述信号频率（fS）的确定并且将其与对所述信号频率（fS）的规定进行比较。
6.根据权利要求5所述的方法，其中根据n次多普勒计算来确定所述信号频率（fS）的偏差，而且依据所述速度（vS）和所述声源位置（x、y、d、α）的如下那些规定来进行所述定位，所述规定具有所计算的信号频率（fS）的尽可能小的偏差。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在两次连续的多普勒计算和/或对所述观察者频率（fE）的确定之间，考虑由于速度（vS）和声源位置（x、y、d、α）而引起的情况变化。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中至少所述声源（200）或所述车辆（100）在声音检测和/或定位期间运动。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中对于所述定位来说，只使用所述车辆（100）的一个单独的麦克风（141）。
10.一种用于相对于车辆对声源（200）进行定位的设备，所述设备具有数据处理装置（120），所述数据处理装置被设立为：
- 确定所检测到的声音信号（S）的相对于所述车辆（100）的观察者频率（fE）；
- 规定所述声源（200）的速度（vS）；
- 相对于所述车辆（100）的位置来规定声源位置（x、y、d、α）；
- 确定信号频率（fS）；而且
- 通过利用所述观察者频率（fE）、所述速度（vS）、所述信号频率（fS）和所述声源位置（x、y、d、α）进行n次执行的多普勒计算来对所述声源（200）进行定位。
11.一种用于相对于车辆对声源（200）进行定位的系统，所述系统具有声音检测装置（140）和数据处理装置（120），所述数据处理装置被设立为：
- 确定所检测到的声音信号（S）的相对于所述车辆（100）的观察者频率（fE）；
- 规定所述声源（200）的速度（vS）；
- 相对于所述车辆（100）的位置来规定声源位置（x、y、d、α）；
- 确定信号频率（fS）；而且
- 通过利用所述观察者频率（fE）、所述速度（vS）、所述信号频率（fS）和所述声源位置（x、y、d、α）进行n次执行的多普勒计算来对所述声源（200）进行定位。
12.一种用于相对于车辆对声源（200）进行定位的计算机程序，当所述计算机程序由数据处理装置（120）的处理器来实施时，所述计算机程序被设立为执行根据权利要求1至9之一所述的方法。
13.一种计算机可读存储介质，其具有根据权利要求12所述的计算机程序。
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