DE102005003970A1 - Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung und Sensoranordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug (1, 10) und eine Sensoranordnung, in der dieses Verfahren implementiert ist. DOLLAR A Hierzu wird der von der Sensoranordnung erfasste Bereich in mehrere Unterbereiche (5-7, 12-20) unterteilt und die sequenziell aus den einzelnen Unterbereichen gewonnenen Sensorsignale werden ausgewertet. Dabei werden insbesondere diejenigen Sensorsignale ausgewertet, die aus einem Umgebungsbereich (10, 22) stammen, der von den einzelnen Unterbereichen (5-7, 12-20) nacheinander überstrichen wird. Die Erfindung gewährleistet die einfache Realisation eines Selbstdiagnoseverfahrens für eine Sensoranordnung an Kraftfahrzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug und eine Sensoranordnung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11.
  • Mit der Verbreitung von modernen Komfort- und Sicherheitssystemen in Fahrzeugen kommt Sensoranordnungen als wesentlichen Komponenten derartiger Systeme eine erhöhte Bedeutung zu. Ultraschallsensoren unterstützen den Fahrer bei Einparkmanövern, Radar- und Lidarsensoren ermöglichen bspw. den Einsatz von Abstandsregeltempomaten und leisten als Bestandteile von Pre-Crash-Systemen wertvolle Beiträge zur Sicherheit der Fahrzeuginsassen.
  • Es versteht sich von selbst, dass für eine sichere Anwendung der genannten Systeme eine zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit der genannten Sensoren unerlässlich ist.
  • In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit von Sensoranordnungen vorgestellt.
  • So wird in der deutschen Patentschrift DE 196 41 261 C1 ein Verfahren zur Bewertung der Messqualität eines Entfernungsmesssensors an einem autonomen mobilen System vorgestellt, das darauf beruht, dass die Umgebung auf eine zellular strukturierte Umgebungskarte abgebildet wird. Dabei wird je Zelle die Anzahl der Sensoren abgespeichert, welche diese Zelle vermessen haben und dazu eindeutig identifizierbar angegeben, welche Sensoren diese Zelle in welcher Weise klassifiziert haben.
  • Die Messqualität wird anhand der Ergebnisse, welche die einzelnen Sensoren für die jeweilige Zelle geliefert haben, bestimmt. Dazu wird bewertet, in wie weit sich die Klassifizierungen der einzelnen Sensoren bestätigen. Diejenigen Sensoren, deren Messergebnisse von einer großen Anzahl anderer Sensoren abweichen, werden als schadhaft eingestuft.
  • Das beschriebene Verfahren zeigt jedoch erhebliche Komplexität. So ist es für den erfolgreichen Einsatz des Verfahrens erforderlich, dass die Zellen der Umgebungskarte genau definiert sind und für jede Zelle bekannt ist, von welchen Sensoren Messwerte aus ihr aufgenommen werden. Diese Eigenschaften führen zu einer erheblichen Fehleranfälligkeit der im Stand der Technik vorgestellten Lösung.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung sowie eine Sensoranordnung anzugeben, die eine einfache und sichere Einschätzung der Funktionsfähigkeit der Anordnung gestattet.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren bzw. die Sensoranordnung mit den in den Patentansprüchen 1 bzw. 11 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte spezielle Realisationsformen der Erfindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug beruht darauf, dass der von der Sensoranordnung erfasste Bereich in verschiedene Unterbereiche unterteilt ist. Die diesem Unterbereich zugeordneten Sensorsignale aus einem bestimmten Umgebungsbereich werden dann zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung ausgewertet. Dabei besteht der wesentliche Unterschied zum oben dargestellten Stand der Technik darin, dass Sensorsignale ausgewertet werden, die nacheinander für verschiedene Unterbereiche bei einer Vorbeifahrt an dem bestimmten Umgebungsbereich erfasst werden.
  • Es ist wichtig, dass die betrachteten Unterbereiche des von der Sensoranordnung erfassten Bereiches während der Vorbeifahrt des Fahrzeuges an einem bestimmten Umgebungsbereich diesen Umgebungsbereich nacheinander überstreichen. Unter der Annahme, dass sich die Bedingungen (wie bspw. die Anzahl der in dem Umgebungsbereich vorhandenen Objekte) in dem Umgebungsbereich während der Vorbeifahrt nicht ändern, kann davon ausgegangen werden, dass die aus den einzelnen Unterbereichen aufgenommenen Sensorsignale im wesentlichen eine ähnliche Struktur aufweisen bzw. dass sich die aufgenommenen Sensorsignale durch eine Abbildungsvorschrift auseinander ableiten lassen, die lediglich von Art und Position der verwendeten Sensoren bzw. Unterbereiche abhängt. Durch einen Vergleich der erhaltenen Sensorsignale kann dann eine Überprüfung einzelner Sensoren auf deren Funktionsfähigkeit vorgenommen werden.
  • Es wird also durch das erfindungsgemäße Verfahren im Unterschied zum Stand der Technik nicht eine Momentaufnahme einer oder mehrerer einzelner Zellen eines das Fahrzeug umgebenden Occupancy Grids durch verschiedene Sensoren zum selben Zeitpunkt vorgenommen, sondern es werden sequenziell aufgenommene Sensorsignale miteinander verglichen.
  • Die verschiedenen Unterbereiche können auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
  • Eine erste Variante besteht beispielsweise darin, dass die Sensoranordnung aus einem einzigen winkelauflösenden Sensor besteht. Die Unterbereiche sind in diesem Fall als verschiedene Winkelsektoren innerhalb des Erfassungsbereiches des Sensors definiert. Bei der Vorbeifahrt des Fahrzeuges an dem bestimmten Umgebungsbereich überstreichen die verschiedenen Winkelsektoren nacheinander diesen Umgebungsbereich.
  • Alternativ können die Unterbereiche auch dadurch realisiert werden, dass eine Mehrzahl einzelner Sensoren betrachtet wird, deren Erfassungsbereiche jeweils einen Unterbereich repräsentieren. Dies kann beispielsweise durch mehrere auf derselben Fahrzeugseite angebrachte Radarsensoren gewährleistet werden.
  • Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zu einer wirksamen Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung eine genaue Kenntnis der Umgebung beispielsweise zu Kalibrierungszwecken nicht notwendig ist. Es genügt als Voraussetzung, dass die einzelnen Unterbereiche während der Bewegung des Fahrzeuges denselben bestimmten Umgebungsbereich überstreichen und sich während dieser Zeit die Bedingungen in diesem Umgebungsbereich nicht wesentlich ändern.
  • Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die Auswertung der Sensorsignale eine Bestimmung der Anzahl von Messereignissen in dem bestimmten Umgebungsbereich umfasst. Messereignisse können beispielsweise Reflexionen von Objekten im Erfassungsbereich des Sensors darstellen. Dabei können mehrere Reflexionen von einem Objekt herrühren. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Aufwand zur Auswertung der Sensorsignale gering gehalten wird; die Anzahl erfasster Messereignisse ist oftmals ohnehin ein aus dem Sensorsignal gewonnener Parameter.
  • Zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren bieten sich insbesondere Radarsensoren, Infrarotsensoren wie bspw. Thermopiles oder Pyrodetektoren oder auch Ultraschallsensoren an. Diese Arten von Sensoren zeigen üblicherweise keine Winkelauflösung. Daraus folgt, dass zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoren ein Vergleich von Signalen aus den einzelnen Erfassungsbereichen der jeweiligen Sensoren nacheinander vorgenommen wird.
  • Auch die Kombination verschiedenartiger Sensoren oder auch von winkelauflösenden Sensoren mit nicht winkelauflösenden Sensoren ist denkbar. Dabei können sich die Sensoren auch hinsichtlich des verwendeten physikalischen Messprinzips unterscheiden; bspw. ist eine Kombination von Radarsensoren mit Ultraschallsensoren insbesondere für die Nahbereichssensierung denkbar. In diesem Fall kann es erforderlich sein, bei der Bestimmung der Mittelwerte von Messereignissen wie beispielsweise der Anzahl erfasster Messereignisse einen Gewichtungsfaktor wj einzuführen, der den unterschiedlichen Charakteristika der verschiedenen Sensoren Rechnung trägt.
  • Im Unterschied zu den vorstehend genannten Beispielen für nicht winkelauflösenden Sensoren zeichnen sich Lidarsensoren dadurch aus, dass sie beispielsweise einen Laserstrahl über einen bestimmten Winkelbereich schwenken und eine Zuordnung von Entfernungsmessungen zu den jeweiligen Winkelbereichen vornehmen. Diese besondere Eigenschaft der Lidarsensoren gestattet es, die Funktionsfähigkeit eines Lidarsensors in Abhängigkeit des Messwinkels zu bestimmen. Hierzu können in der oben beschriebenen Weise Winkelsektoren als Unterbereiche festgelegt werden, die im Laufe der Vorbeifahrt des Fahrzeuges an einem bestimmten Umgebungsbereich diesen nacheinander überstreichen. Der Vergleich der jeweiligen Messsignale aus den einzelnen Winkelsektoren gestattet eine Einschätzung der Funktionsfähigkeit des Sensors in Abhängigkeit des Messwinkels.
  • Es wurde oben bereits ausgeführt, dass eine der Voraussetzungen des erfolgreichen Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens darin besteht, dass sich die Bedingungen in dem von unterschiedlichen Unterbereichen nacheinander überstrichenen bestimmten Umgebungsbereich während der Vorbeifahrt nicht wesentlich ändern, um einen sinnvollen Vergleich der nacheinander aufgenommenen Messsignale aus den unterschiedlichen Unterbereichen zu ermöglichen. Hieraus ergibt sich unmittelbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren oberhalb einer bestimmten minimalen Fahrzeuggeschwindigkeit in optimaler Weise angewendet werden kann. Mit wachsender Fahrzeuggeschwindigkeit verkürzt sich der Zeitraum, in dem der bestimmte Umgebungsbereich von den einzelnen Unterbereichen überstrichen wird. Dies führt dazu, dass dynamische Änderungen in dem bestimmten Umgebungsbereich oberhalb einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit weniger ins Gewicht fallen.
  • Ebenso kann es bei einer Auswertung auf Basis der Anzahl erfasster Messereignisse von Vorteil sein, die Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung erst ab einer bestimmten Mindestanzahl von in dem bestimmten Umgebungsbereich erfassten Messereignissen vorzunehmen. Diese Verfahrensweise beruht auf der Überlegung, dass statistische Verfahren erst ab einer bestimmten Mindestanzahl betrachteter Ereignisse eine ausreichende Genauigkeit und damit Zuverlässigkeit zeigen.
  • Eine Sensoranordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der von ihr erfasste Bereich in verschiedene Unterbereiche unterteilt ist. Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäße Anordnung eine Auswerteeinheit zur Bestimmung ihrer Funktionsfähigkeit, die geeignet ist, eine Auswertung von einem Unterbereich zugeordneten Sensorsignalen aus einem bestimmten Umgebungsbereich vorzunehmen. Die Auswerteeinheit weist darüber hinaus Mittel zur Auswertung derjenigen Sensorsignale auf, die nacheinander für verschiedene Unterbereiche bei einer Vorbeifahrt an dem bestimmten Umgebungsbereich erfasst werden.
    •
  • Nachfolgend sollen mögliche Ausgestaltungen der Erfindung anhand zweier Figuren näher ausgeführt werden.
  • Dabei zeigen:
  • 1 Eine Darstellung eines Fahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Anordnung mit drei einzelnen Sensoren an zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten
  • 2 Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung mit einem einzelnen winkelauflösenden Sensor
  • 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das sich in Richtung des Pfeils 9 bewegt und das mit einer Sensoranordnung ausgestattet ist, die die drei einzelnen Sensoren 2, 3 und 4 aufweist. Die Erfassungsbereiche 5, 6 und 7 der einzelnen Sensoren 2, 3 und 4 bilden dabei die Unterbereiche der Sensoranordnung. Gestrichelt dargestellt ist die Position des Fahrzeuges 1 nebst Sensoranordnung und Unterbereichen nach einem Zeitraum t. Aus 1 geht hervor, dass der Umgebungsbereich 10, in dem sich die Objekte 8 befinden, im Laufe der Fahrzeugbewegung zunächst vom Erfassungsbereich 7 des Sensors 4 und anschließend vom Erfassungsbereich 6 des Sensors 3 überstrichen wird. Im weiteren Verlauf wird bei einer gedachten Fortsetzung der Bewegung des Kraftfahrzeuges 1 der Erfassungsbereich 5 des Sensors 2 den Umgebungsbereich 10 überstreichen. Die Auswertung der Sensorsignale, die nacheinander die verschiedenen Unterbereiche 5, 6 und 7 bei einer Vorbeifahrt an dem bestimmten Umgebungsbereich 10 erfasst werden, erfolgt in der Weise, dass die Anzahl der von den Sensoren 2, 3 und 4 erfassten Objekte 8 betrachtet wird. Im Folgenden wird ein Zeitfenster mit der Fensterbreite F betrachtet; dabei ist F eine Anzahl von Messzyklen. Als Spezialfall wird F dabei der Anzahl der Messzyklen entsprechen, die während der vollständigen Vorbeifahrt des Fahrzeuges 1 an dem Umgebungsbereich 10 vorgenommen werden; der Regelfall ist die Vorbeifahrt an mehreren Umgebungsbereichen.
  • Die durchschnittliche Anzahl μm erfasster Messereignisse pro Sensor aus dem Umgebungsbereich 10 berechnet sich dann zu
    Figure 00080001
  • Die obige Doppelsumme entspricht einer Addition aller erfasster Messereignisse n aller Sensoren m über alle F Messzyklen.
  • Die durchschnittliche Anzahl μj erfasster Messereignisse wird nun für einen einzelnen Sensor j berechnet:
    Figure 00090001
  • Falls μj unterhalb einer Schwelle bezogen auf die durchschnittliche Anzahl von Messereignissen aller Sensoren liegt:
    Figure 00090002
    handelt es sich um eine Verschlechterung der Detektionsleistung bzw. um einen Ausfall des Sensors.
  • Alternativ ist es auch denkbar, die Abweichung von der durchschnittlichen Anzahl von Messereignissen aller Sensoren zu betrachten und eine Fehlermeldung für diejenigen Sensoren auszulösen, für die die Abweichung einen bestimmten Wert überschreitet. Auf diese Weise werden auch Sensoren ermittelt, die deutlich mehr Messereignisse als der Durchschnittswert liefern, was ebenso ein Hinweis auf eine Fehlfunktion sein kann.
  • Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es notwendig, folgende Nebenbedingungen einzuhalten:
    Figure 00090003
  • Die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs 1 muss sich oberhalb einer bestimmten Schwelle befinden, um das Aufbauen einer Statistik durch eine gleichmäßige Verteilung der Ziele in den Sichtfeldern der Sensoren zu ermöglichen. Weiterhin ist eine verlässliche Aussage nur bei Vorhandensein einer Mindestzahl an Zielen möglich.
  • Der Zeitpunkt i ist auch durch einen Zeitabschnitt ΔT ersetzbar, mit: ΔT << ∂(F)∂(F) ist dabei der Zeitraum, in dem F Messzyklen erfolgen.
  • Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist in 2 dargestellt.
  • Im Unterschied zu der in der Beschreibung zu 1 vorgestellten Variante besteht die Sensoranordnung nunmehr aus einem einzelnen Sensor 11 an einem Kraftfahrzeug 10, der beispielsweise als Lidarsensor ausgebildet ist. Lidarsensoren zeigen die besondere Eigenschaft, dass mit ihnen eine winkelaufgelöste Messung möglich ist. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass ein Laserstrahl mittels eines Spiegels innerhalb einer oder mehrerer Ebenen kontrolliert geschwenkt und die rückgestreute Strahlung in Abhängigkeit des Schwenkwinkels aufgenommen wird. Aus diesem Grund ist es beispielsweise für Lidarsensoren wünschenswert, eine Information zur Qualität der Messungen in Abhängigkeit des Messwinkels zu gewinnen, da eine Verschmutzung eines Teiles des Sichtfensters des Sensors regelmäßig die Qualität der Messung in bestimmten Winkelbereichen verschlechtert. Zur Realisation des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Erfassungsbereich des Sensors 11 in die Unterbereiche 12 bis 20 unterteilt werden. Objekte, die sich in dem bestimmten Umgebungsbereich 22 befinden, werden während der Bewegung des Fahrzeuges auf der Trajektorie 21 die Unterbereiche 17–20 passieren. Eine analoge Auswertung wie in der Beschreibung zu
  • 1 dargestellt erlaubt eine Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Sensors 11 in Abhängigkeit des Messwinkels. Dabei ist gegebenenfalls die unterschiedliche Winkelausrichtung der einzelnen Unterbereiche und ihre Auswirkung auf die Anzahl erfasster Messereignisse zu berücksichtigen. Dies kann jedoch auf einfache Weise durch das Einführen entsprechender Umrechnungsfaktoren erreicht werden; alternativ ist eine geeignete Wahl der Unterteilung in die verschiedenen Unterbereiche denkbar.
  • Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einfache Möglichkeit zur Selbstdiagnose von Sensoranordnungen an Kraftfahrzeugen darstellen. Sie leisten damit einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung der Funktionalität von Sensoranordnungen zur Umfeldsensierung an Kraftfahrzeugen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit einer Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug (1, 10), wobei der von der Sensoranordnung erfasste Bereich in verschiedene Unterbereiche (5–7, 12–20) unterteilt ist und wobei einem Unterbereich zugeordnete Sensorsignale aus einem bestimmten Umgebungsbereich (10, 22) zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorsignale ausgewertet werden, die nacheinander für verschiedene Unterbereiche (5–7, 12–20) bei einer Vorbeifahrt an dem bestimmten Umgebungsbereich (10, 22) erfasst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Sensorsignale eine Bestimmung der Anzahl von Messereignissen in dem bestimmten Umgebungsbereich (10, 22) umfasst.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Unterbereichen (12–20) um verschiedene Winkelsektoren eines winkelauflösenden Sensors (11) handelt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Unterbereichen (5–7) um die Erfassungsbereiche verschiedener Sensoren (2–4) handelt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radarsensor als Sensor (2–4, 11) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Infrarotsensor, insbesondere ein Thermopile oder Pyrodetektor als Sensor (2–4, 11) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallsensor als Sensor (2–4, 11) verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lidarsensor als Sensor (2–4, 11) verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung oberhalb einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit aktiviert wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung oberhalb einer bestimmten Anzahl erfasster Messereignisse aktiviert wird.
  11. Sensoranordnung an einem Kraftfahrzeug (1, 10), wobei der von der Sensoranordnung erfasste Bereich in verschiedene Unterbereiche (5–7, 12–20) unterteilt ist, mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit der Sensoranordnung durch eine Auswertung von einem Unterbereich zugeordneten Sensorsignalen aus einem bestimmten Umgebungsbereich (10, 22), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit Mittel zur Auswertung derjenigen Sensorsignale aufweist, die nacheinander für verschiedene Unterbereiche (5–7, 12–20) bei einer Vorbeifahrt an dem bestimmten Umgebungsbereich (10, 22) erfasst werden.
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