CN115605776A - 使用超声波确定对象位置的方法和确定车辆周围环境中对象的位置的驾驶员辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在使用超声波的情况下确定对象的位置的方法，其中，由至少两个彼此间隔开地布置的超声波传感器(11、12、13、14)发射超声波脉冲，并且再接收在对象处反射的超声回波，在此设置，在使用栅格地图(200)的情况下求取可能的对象位置，其中，该栅格地图(200)的单元(210)代表周围环境中的特定区域，每个单元(210)配属有计数器，在接收到直接回波的情况下，使圆弧或球形表面相交的那些单元(210)的计数器递增，该圆弧或球形表面通过配属于该直接回波的距离所限定，而在接收到交叉回波的情况下，使那些与椭圆弧或椭球表面相交的单元(210)使计数器递增，该椭圆弧或椭球表面通过配属于该交叉回波的距离和参与的超声波传感器(11、12、13、14)的相对位态限定，其中，通过其计数器高于预给定的边界值的那些单元(210)的位置确定可能的对象位置。本发明的另外的方面涉及设置为用于实施该方法的一种计算机程序以及一种驾驶员辅助系统(300)。

Description

使用超声波确定对象位置的方法和确定车辆周围环境中对象 的位置的驾驶员辅助系统

技术领域

本发明涉及一种用于在使用超声波的情况下确定对象的位置的方法，其中，由至少两个彼此间隔开地布置的超声波传感器发射超声波脉冲并且再接收由对象所反射的超声回波。本发明的另外的方面涉及一种计算机程序以及一种驾驶员辅助系统，这些计算机程序以及驾驶员辅助系统设置为用于实施该方法。

背景技术

已知如下不同的驾驶员辅助系统：所述驾驶员辅助系统能够在实施不同的驾驶机动动作时，辅助车辆的驾驶员，预先向驾驶员警告危险，和/或至少暂时地自动引导车辆。为了实现其功能，所述驾驶员辅助系统依赖关于周围环境中的对象(如其他交通参与者，和例如像树木或者支柱那样的障碍物)的准确数据。在此，准确确定对象相对于车辆的位置尤其重要。

可以将最小二乘法用于对象的位置的确定，在最小二乘法中，通过多个在空间上彼此间隔开的传感器，确定各个传感器与对象之间的距离。例如可以将基于超声波的距离传感器用于基于最小二乘法的位置确定。

若周围环境中存在多个对象，则存在这样的挑战：为了应用最小二乘法，将各个所测量的距离配属给正确的对象，使得正确的圆或者椭圆彼此相交。主要在具有非常多的不同对象的场景中可能发生，由于错误的切点构成错误的位置或在无对象的地点处推测出对象。所使用的传感器越多，则要彼此相交的圆和椭圆的选择就越复杂。

DE 100 27 828 A1描述了一种主动式超声波观视设备，该超声波观视设备使得能够在介质中识别由于烟或雾而不可见的对象。该主动式超声波观视设备包括至少一个用于发射发送信号的发射器和至少一个布置在相对于发射器的已知位置处的接收器。为确定空间上的位置而使用网栅，向该网栅中输入反射点的振幅值。在此，首先通过分析处理回声来确定相对位置，然后将反射点输入网栅中。

EP 3 398 824 A1公开了一种用于自动化车辆的制动系统，该制动系统包括距离传感器、制动执行器和控制单元。通过该控制单元确定视场中的“感兴趣的区域"并限定占用栅格，该占用栅格将视场以栅格单元阵列划分。由距离传感器识别到的对象被划属给栅格单元，这些栅格单元在用于对象识别的可重复性的说明方面被特征化。通过控制单元确定：具有高于边界值的对象识别重复性的固定对象是否处于该“感兴趣的区域”内，并在识别到这样的固定对象时，控制单元激活制动执行器。

文献DE 10 2013 018 315 A1描述了一种具有自适应栅格的环境模型，其中，从至少一个用于环境检测的传感器系统接收数据，并创建呈栅格地图形式的环境模型。为此可以使用于自例如为超声波传感器的传感器系统的数据，并且必要时与其他传感器系统的数据融合并进行可信度检验。在该栅格地图中，栅格中的单元的大小和/或布置可以根据驾驶状况而变化。

发明内容

提出一种用于在使用超声波的情况下确定对象的位置的方法，其中，由至少两个彼此间隔开地布置的超声波传感器发射超声波脉冲并且再接收在对象处反射的超声回波。在此设置，在使用栅格地图的情况下求取可能的对象位置，其中，栅格地图的单元代表周围环境中的特定区域，并且每个单元配属有计数。在接收到作为超声回波的直接回波的情况下，使与圆弧或球形表面相交的那些单元的计数器递增，这些圆弧或球形表面通过配属于直接回波的距离限定，而在接收到交叉回波的情况下，使与椭圆弧或椭球表面相交的那些单元的计数器递增，这些椭圆弧或椭球表面通过配属于交叉回声的距离和参与的超声波传感器的相对位态限定。然后，通过其计数器高于预给定的边界值的那些单元的位置来确定可能的对象位置。

所述对象例如可以是如车辆或者行人的交通参与者，或者是例如像树木或者支柱那样的障碍物。

为了确定对象的位置，所述超声波传感器中的至少一个例如可以发射超声波脉冲，其中，通过两个或者更多的超声波传感器可以接收被周围环境中的对象所反射的超声回波。在此，由原先发射了超声波脉冲的超声波传感器所接收到的超声回波称为直接回波，而由一个或多个其他超声波传感器所接收到的超声回波称为交叉回波。由从超声波脉冲的发射到超声回波的接收所经过的传播时间以及由已知声速则能够确定对象的距离。根据情况而定，尤其在周围环境中存在多个对象的情况下，针对所发射的超声波脉冲，通过唯一的超声波传感器也可能接收到多个超声回波。

各个超声波传感器可以分别相继地发射超声波脉冲。附加或替代地也可以设置，两个或者多个超声波传感器同时发射超声波脉冲，其中，优选将所述超声波脉冲编码，以进行区分。为了编码，可以调制超声波脉冲和/或可以使用不同的频率。

栅格地图特别是可以二维或三维地构型，其中，栅格地图单元中的每个单元代表周围环境的一个特定区域。相应地，这些栅格单元中的每个栅格单元配属有周围环境的二维或三维的区域中的一个位置。例如，该栅格地图可以代表具有2.5m×2.5m×1m(长×宽×高)尺寸的空间区域，其中使用5cm的网栅。对于该示例，得出具有50×50×20＝50000个元素的栅格地图。

配属给单元的计数器在此例如可以表示为在计算机装置或控制器的存储器中的变量，其中，栅格地图则相应地可以被表示为二维或三维的阵列。若选择具有数值范围0-255的整数作为该变量的类型，则仅仅需要一个字节的存储空间用于计数器。在上述具有50×50×20个元素大小的栅格地图的示例中，将相应地仅仅需要50000字节的存储器。显然，在此还可以给每个栅格单元指派另外的属性——例如求取到的超声回波信号电平，并将这些属性相应地保存在存储器中。

优选地，在1m至10m、优选2m至5m的范围内选择长度和宽度(道路平面)的尺寸，而在0.5m至5m、优选1m至2m的范围内选择高度的尺寸。优选在1cm到25cm、优选2cm到10cm的范围内选择网栅大小。可考虑针对不同的尺寸使用相同的或不同的网栅大小。

若栅格地图是二维的，则将圆弧和椭圆弧用于确定代表对象的可能的位置的单元。若栅格地图是三维的，则将球形表面和椭球表面用于确定这些单元。在直接回波的情况下，根据传播时间求取到的距离确定所述圆或球形表面的半径，其中，超声波传感器处于该圆或球的中心处。在椭圆或椭球表面的情况下，发射超声波传感器处于一个焦点上，而接收超声波传感器处于另一焦点上。在此，例如可以类似于园丁方法

地构造椭圆弧，其中，通过由交叉回波的信号传播时间所确定的距离给出椭圆弧的点的距离总和。

为了确定被圆弧和/或椭圆弧或被球形表面和/或椭球表面相交的单元，可以分析式地表示相应的弧或表面并求取与栅格地图的单元的交点。在此，用于求取被相交的单元的一种可能性是基于Bresenham算法学习的算法，该算法使得能够几何图形如圆的网栅化。

若单元的计数器分别以值1递增，则在二维栅格地图的情况下优选≥1地将预给定的边界值选择为1而在三维栅格地图的情况下优选选择为≥2。边界值选择得越高，则识别到对象的概率就越小，尽管在该地点处无真实对象存在。相反，在边界值提高时敏感度下降，从而“不将真实对象识别为对象”的概率提高。

并非弧或表面的每个区域都被考虑作为对象位置，因为超声波传感器总地来说仅能接收来自特定方向的超声回波。因此优选，在接收到回声时，仅使如下单元的计数器递增：这些单元代表在物理上能够实现接收回声的区域。相应地优选设置，仅当单元位于通过已接收到超声回波的超声波传感器的视野所限定的区域内时才进行该单元的计数器递增。在此，例如可以通过锥体限定该视野，其中则例如可以检查，各个单元是否处于锥体体积内或与锥体体积相切。

此外优选设置，将超声波传感器的视野划分为至少两个部分区域，其中，这些部分区域中的每个部分区域配属有最小信号电平，并且仅当单元位于该视野的如下部分区域中时才进行该单元的计数器递增：该部分区域的最小信号电平被所接收到的超声回波的信号电平超过。为此设置，除超声回波的传播时间外，还确定接收到的超声回波的信号电平。所述部分区域例如可以被限定为相互嵌套布置的锥体，其中，例如第一锥体代表完整的视野，而具有较小开口角度的第二锥体代表核心区域。具有高信号水平的超声回波仅能由处于对应的超声波传感器的核心区域内的对象反射。相应地优选设置，为核心区域预给定比核心区域外的视野更高的最小信号电平。

优选地，在使单元计数器递增时，将该单元与接收到的超声回波关联用于以后进一步的分析处理。在此优选存储，通过所述超声波传感器中的哪些已接收到相应超声回波，并且优选存储另外的属性，例如根据超声回波的传播时间所确定的距离和/或超声回波的信号电平。

为更准确地确定对象的位置，附加地可以使用最小二乘法，在最小二乘法中，通过多个在空间上彼此间隔开的传感器来确定各个传感器与对象之间的距离。在此通常是，由两个不同的传感器接收到的超声回波足以用于在二维空间中进行确定，而由三个不同的传感器接收到的超声回波足以用于在三维空间中进行确定。可能存在的多义性在此通常可以通过去掉处于车辆内部的或处于背离传感器一侧上的对象的可能的位置来解决。

优选地，将通过具有高于边界值的计数器的那些单元的位置所确定的可能的对象位置在使用最小二乘法的情况下作为预选，用于随后对目标对象位置的确定。如果给这种单元配属了接收到的超声回波，就尤其能够选择所述超声回波或配属于所述超声回波的距离用于执行最小二乘法。通过这种最小二乘法所实现的位置确定精度在此可以优于栅格地图的网栅大小。

优选地，通过对创建的栅格地图应用滤波方法和/或机器学习方法来进行对对象的位置的确定。在此特别是可以考虑具有高于边界值的计数器的相邻栅格单元或配属给这些栅格单元的位置。

通过这样的滤波例如能够为来自具有高于预给定的边界值的计数器的相邻单元的聚类求加权平均值，并由该平均值确定对象的位置。

通过应用机器学习方法，能够将由具有高于边界值的计数器的单元所构成的特定结构组合成对象。此外，机器学习可以用于执行对象分类。例如，在这种对象分类中能够对车辆、行人、支柱、墙等进行区分。

优选地，在经历一个测量周期或预给定数量的测量周期后，重置栅格地图的所有单元的计数器。在此特别是将所有单元再置为中性值“0”。

在此优选地，在超声波传感器已发射超声波脉冲并且已由超声波传感器接收到对应的超声回波或已超过用于接收超声回波的最大预给定等待时间之后，将一个测量周期视为结束。例如可以在一个测量周期内一个超声波传感器发送信号而例如多达12个超声波传感器接收该信号。由于每个超声波传感器能够接收多个超声回波，例如多达20个超声回波，能够在唯一的测量周期内例如接收多达240个回波。

优选连续地重复所提出的方法，使得同样连续进行地求取或更新对象位置。所求取的对象及其所确定的位置优选能提供给驾驶员辅助系统使用。

根据本发明，另外还提出一种计算机程序，其中，当在可编程的计算机装置上执行该计算机程序时实施在此所描述的方法。该计算机程序例如可以是用于在车辆中实现驾驶员辅助系统或者其子系统的模块。该计算机程序可以存储在机器可读的存储介质上，例如在永久或者可重写的存储介质上，或者配属于计算机装置，或者存储在可移除的CD-ROM、DVD、蓝光光盘或者USB条上。附加或替代地，可以在计算机装置上(例如在服务器上)提供该计算机程序用于下载，例如通过数据网络(如互联网)或者通过通信连接(例如电话线或者无线连接)。

此外，根据本发明提出一种用于确定车辆周围环境中的对象的位置的驾驶员辅助系统，其中，该驾驶员辅助系统包括多个超声波传感器。在此，该驾驶员辅助系统设置为用于实施在此所说明的方法之一。

本发明的优点

本发明尤其能够在使用多个接收对象回波的超声波传感器的情况下实现准确且可靠地确定对象的位置，并且以这种方式提供准确的二维或三维环境地图。通过在使用栅格地图的情况下，在传感器数量和/或周围环境中的对象的数量增加的情况下，对于位置确定所需的计算开销仅少量地增加，从而该方法能够节省资源地实现。这尤其能够使得该方法能够在用于运行驾驶员辅助系统的通常控制设备中得到实现。

附图说明

以下根据附图更详细地阐述本发明的实施方式。

附图示出：

图1：用于识别车辆周围环境中的对象的超声波的发射和接收的示意图；

图2：车辆的周围环境的栅格地图的第一示例的示意图；和

图3：车辆的超声波传感器的视野的示意图。

具体实施方式

在以下对本发明的实施方式的描述中，使用相同的附图标记表示相同或者相似的元素，其中，在个别情况下省去对所述元素的重复说明。附图仅示意性示出本发明的主题。

图1示出具有驾驶员辅助系统300的车辆1的前部，该驾驶员辅助系统用于确定在车辆1的周围环境中的对象2的位置。

在图1中所示出的实施方式中，驾驶员辅助系统300包括四个超声波传感器11、12、13、14，所述超声波传感器全部布置在车辆1的前部处。例如可以将超声波传感器11、12、13和14布置到车辆1的保险杠中。驾驶员辅助系统300此外包括控制器100，该控制器与超声波传感器11、12、13、14连接。控制器100设置为用于，为了发射超声波脉冲20而操控所连接的超声波传感器11、12、13、14，并且对所接收到的超声回波31、43进行处理。

在图1中所示出的状况中，对象2位于车辆1的前方。显然也可以有多于一个的对象2位于该周围环境中，但为了更清楚起见，以唯一的对象2对本方法的流程进行描述。

为了识别周围环境中的对象2并求取其位置，超声波传感器11、12、13、14发射超声波脉冲20，并且接收由对象2所反射的超声回波31、43。为了更清楚起见，在图1中仅示出通过第一超声波传感器11发射超声波脉冲20。显然，其他超声波传感器12、13、14同样能够发射超声波脉冲20。

超声波脉冲20由对象2反射。在此，将由第一超声波传感器11所接收到的超声回波称为直接回波31，因为原始的超声波脉冲20由该第一超声波传感器11发射。将由超声波传感器中的其他超声波传感器12、13、14所接收到的超声回波称为交叉回波43，其中，为了简化图1的表示，仅标明通过第三超声波传感器13接收交叉回波43。

根据从超声波脉冲20的发射到直接回波31的接收所经过的传播时间，以及根据已知声速，则能够确定对象2到第一超声波传感器11的距离。通过传播时间，也能够给交叉回波43配属一个距离。在从现有技术中已知的位置确定方法中设置，就在求取到距离后，借助最小二乘法确定对象2相对于超声波传感器11、12、13、14的位置。

在直接回波31的情况下，根据传播时间所求取的距离确定圆弧51的半径，该圆弧描述对象2的可能的位置。在此，第一超声波传感器11位于圆弧51的中心。在交叉回波43的情况下，通过椭圆弧63描述对象2的可能的位置，其中，进行发射的第一超声波传感器11位于一个焦点上，而进行接收的第三超声波传感器13位于另一焦点上。例如可以类似于园丁方法地构造椭圆弧63，其中，通过从交叉回波43的信号传播时间所确定的距离，给出椭圆弧63的点的距离总和。对象2的位置由圆弧51与椭圆弧63的交点给出。

若多个对象2处于车辆1的周围环境中，或者为了确定距离而通过超声波传感器11、12、13、14中的多个超声波传感器发射超声波脉冲20并再接收超声回波31、43，则在最小二乘法中要考虑的距离的数量提高。在此，仅从获得的距离并不能看出，圆弧51或椭圆弧63中的哪些为了位置确定而必须彼此相交。尤其在有非常多的不同对象2的场景中可能出现由于错误的交点而求出错误的位置。因此根据本发明地设置，在通过接收到的超声回波31、43的传播时间确定距离后，通过栅格地图200(参见图2)来确定可能的对象位置。

针对图2中所示出的状况，图2示出栅格地图200。在所示出的示例中，栅格地图200是具有10×10个元素或单元210的二维栅格地图，所述元素或单元代表位于车辆1前方的周围环境区域。

为了针对图1中所示出的状况确定对象2的可能的位置，所述单元210中的每个单元配属有计数器。如果配属于直接回波31的圆弧51与相应的单元210相交，则使该计数器递增一个值1。在图2的图示中，用第一阴影线标记这些第一单元211。同样，对于被配属于交叉回波43(参见图1)的椭圆弧63相交的那些单元210，计数器也递增一个值1。在图2的图示中，用第二阴影线标记这些第二单元213。

在图2中所示出的示例中，存在两个重叠单元215，这些重叠单元不仅用第一阴影线、而且用第二阴影线标记。重叠单元215的计数器递增了两次，并且因此具有值“二”。若预给定的边界值1，则仅这些重叠单元215的计数器超过该边界值并且被考虑作为对象2的可能的位置。

图3针对具有驾驶员辅助系统300的车辆示意性示出第一超声波传感器11和第三超声波传感器13的视野81、83。第二超声波传感器12和第四超声波传感器14显然也具有相应的视野，为更清楚起见，这些视野未在图3的图示中示出。视野81、83代表车辆1的周围环境的以下区域：在这些区域内，各个超声波传感器11、12、13、14能够通过接收超声回波31、43来探测对象2。这例如能够被用于：在创建栅格地图200时(参见图2)仅使针对以下单元210的计数器递增：所述单元位于接收到相应的超声回波31、43的超声波传感器11、12、13、14的视野81、83内。

此外可以设置，将视野81、83划分为多个部分区域。在图2的示例中，为此给视野81、83中的每个视野还配属一个核心区域71、73，这些核心区域分别完全位于相应的视野81、83内，然而较小。在分析处理接收到的超声回波31、43时则利用：具有高信号电平的超声回波31、43仅被处于对应的超声波传感器11、12、13、14的核心区域71、73中的对象2反射。相应地优选设置，分别为各个部分区域预给定最小信号水平，其中，为核心区域71、73预给定比视野81、83的位于核心区域71、73之外的部分更高的最小信号水平。相应地，仅当单元210位于所述视野81、83的如下部分区域中时才进行所述单元210的计数器递增：所述部分区域的最小信号电平被所接收到的超声回波31、43的信号电平超过。

本发明不限于在此所描述的实施例和其中强调的方面。而是在通过权利要求所给出的范围内能够实现处于本领域技术人员的技术手段范畴内的多个变型。

Claims (10)

1.一种用于在使用超声波的情况下确定对象(2)的位置的方法，其中，由至少两个彼此间隔开地布置的超声波传感器(11，12，13，14)发射超声波脉冲(20)并且再接收在对象(2)处反射的超声回波(31，43)，其特征在于，在使用栅格地图(200)的情况下求取可能的对象位置，其中，所述栅格地图(200)的单元(210)代表周围环境中的特定区域，每个单元(210)配属有计数器，并且在接收到直接回波(31)的情况下使与圆弧(51)或球形表面相交的那些单元(210)的计数器递增，所述圆弧或球形表面通过配属于所述直接回波(31)的距离限定，而在接收到交叉回波(43)的情况下，使与椭圆弧(63)或椭球表面相交的那些单元(210)的计数器递增，所述椭圆弧或椭球表面通过配属于所述交叉回声(43)的距离和参与的超声波传感器(11、12、13、14)的相对位态限定，其中，通过其计数器高于预给定的边界值的那些单元(210)的位置来确定可能的对象位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅当所述单元(210)位于通过所述已接收到所述超声回波(31，43)的超声波传感器(11，12，13，14)的视野(81，83)所限定的区域内时才进行所述单元(210)的计数器递增。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将超声波传感器(11，12，13，14)的视野(81，83)划分为至少两个部分区域，其中，所述部分区域中的每个部分区域配属有最小信号电平，并且仅当单元(210)位于所述视野(81，83)的如下部分区域中时才进行所述单元(210)的计数器递增：所述部分区域的最小信号电平被所接收到的超声回波(31，43)的信号电平超过。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在使单元(210)的计数器递增时，将所述单元(210)与所接收到的超声回波(31，43)关联用于以后进一步的分析处理。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将通过具有高于所述边界值的计数器的那些单元(210)的位置所确定的可能的对象位置作为预选，用于随后在使用最小二乘法的情况下确定对象(2)的位置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过对所创建的栅格地图(200)应用滤波方法和/或机器学习方法来进行对对象(2)的位置的确定。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在经历一个测量周期或预给定数量的测量周期后，重置所述栅格地图(200)的所有单元(210)的计数器。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述超声波传感器(11，12，13，14)中的一个超声波传感器已发射超声波脉冲(20)并且已由超声波传感器(11，12，13，14)接收到对应的超声回波(31，43)之后，一个测量周期结束。

9.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述计算机程序实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种用于确定车辆(1)的周围环境中的对象(2)的位置的驾驶员辅助系统(300)，其中，所述车辆(1)包括多个超声波传感器(11，12，13，14)，其特征在于，所述驾驶员辅助系统(300)设置为用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

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