DE102011015094B4

DE102011015094B4 - Verfahren zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines Sensors eines Kraftfahrzeugs und Rechensystem

Info

Publication number: DE102011015094B4
Application number: DE102011015094.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wille; Jörg Weyland; Anton Lill; Richard Rapp
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: DE102011015094A1

Abstract

Verfahren zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines virtuell modellierten Sensors (1, 2), insbesondere eines Ultraschallsensors, für ein Kraftfahrzeug mittels einer Recheneinrichtung, durch welche abhängig von zumindest einem Sensor-Eingangsparameter, der eine Eigenschaft des Sensors (1, 2) beschreibt, ein Sendesignal (4) errechnet wird, das durch den Sensor (1, 2) ausgesendet und von einem virtuell modellierten Objekt (3, 8) vorgegebener Geometrie reflektiert wird, und durch welche in Abhängigkeit von der Geometrie des Objektes (3, 8) ein Empfangssignal (5) errechnet wird, welches das vom Objekt (3, 8) reflektierte Sendesignal (4) ist und das durch den Sensor (1, 2) empfangen wird, wobei abhängig von dem Empfangssignal (5) die Messeigenschaften des Sensors (1, 2) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Errechnen des Empfangssignals (5) zumindest ein Bereich einer Oberfläche (9) des Objektes (3, 8) durch die Recheneinrichtung in eine Vielzahl von Flächensegmenten (10) unterteilt wird, die Flächensegmente (10) durch einen dreidimensionalen, gewölbten Oberflächenbereich (11) einer geometrischen Form mit einem bekannten Reflektionsfaktor modelliert werden und das Empfangssignal (5) als Summe von an den jeweiligen Oberflächenbereichen (11) reflektierten Signalanteilen berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines virtuell modellierten Sensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, für ein Kraftfahrzeug mittels einer Recheneinrichtung (beispielsweise eines PC), durch welche abhängig von zumindest einem Sensor-Eingangsparameter, der eine Eigenschaft des Sensors beschreibt, ein Sendesignal errechnet wird, das durch den Sensor ausgesendet und von einem virtuell modellierten Objekt vorgegebener Geometrie reflektiert wird. Durch die Recheneinrichtung wird dann in Abhängigkeit von der Geometrie des Objekts ein Empfangssignal errechnet, welches das vom Objekt reflektierte Sendesignal ist und durch den Sensor empfangen wird. Abhängig von dem Empfangssignal werden dann die Messeigenschaften des Sensors für die vorgegebene Geometrie des Objektes ermittelt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Rechensystem, welches zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ausgebildet ist.
Ein solches Verfahren und ein derartiges Rechensystem sind bereits aus der Druckschrift DE 103 14 129 A1 bekannt. Es wird ein Detektionsbereich eines in ein Kraftfahrzeug eingebauten Sensors simuliert. Dabei werden Amplitudenwerte von empfangenen Signalen berechnet, die der Ultraschallsensor als Reflexionen von Strahlung an einem Normkörper empfangen würde, wenn sich der Normkörper an verschiedenen Positionen im Strahlungsbereich des Ultraschallsensors befinden und dort von dem Ultraschallsensor angestrahlt werden würde. Es wird festgestellt, für welche Positionen des Normkörpers relativ zum Ultraschallsensor die jeweiligen Amplitudenwerte der empfangenen Signale oberhalb von definierten Schwellenwerten liegen. Auf diesem Wege wird dann der Detektionsbereich des Ultraschallsensors ermittelt.
Die Druckschrift US 6 096 085 A beschreibt ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Simulation eines Sonarsystems. Es wird eine Leistung des Sonarsystems in verschiedenen Umgebungen, in denen das Sonarsystem eingesetzt wird, simuliert, um Objekte - wie zum Beispiel Unterseeboote und Minen - zu erkennen. Bei der Simulation wird ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) errechnet. Die Objekte, an denen die Schallwellen reflektieren, können in eine Vielzahl von Oberflächensegmenten unterteilt werden, und die Reflexion eines jeden Segments kann angenähert werden. Auf diese Weise können die Messeigenschaften des Sonarsystems für unterschiedlich geformte Ziele untersucht werden.
Das Dokument US 4 667 199 beschreibt ein Verfahren zur Simulation von Radar- und Sonarwellen, bei welchem die Form eines dreidimensionalen Objekts - etwa eines Sturmzentrums - durch eine Vielzahl von Zylindern angenähert wird.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Fahrerassistenzsysteme für Kraftfahrzeuge, die bekanntlich eine Vielzahl von unterschiedlichen, im Fahrzeug eingebauten Sensoren beinhalten, die im Zusammenspiel eine 360°-Rundum-Erfassung der Fahrzeugumgebung ermöglichen. Im Falle der Einparkhilfe wird durch die Verwendung von Ultraschallsensoren der Abstand des eigenen Kraftfahrzeugs zu Hindernissen erfasst und ausgewertet. Es ist eine besondere Herausforderung, bereits bei der Konzeption bzw. Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen - wenn lediglich ein Fahrzeugmodell und Kenngrößen der Sensoren vorliegen - die Messeigenschaften der Sensoren zu ermitteln, ohne dass die Sensoren tatsächlich in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden müssen. Diese Messeigenschaften sollten dabei für unterschiedlichste geometrische Formen der fahrzeugextemen Objekte bzw. Ziele ermittelt werden. Bei den Messeigenschaften handelt es sich beispielsweise um den Detektionsbereich des Sensors. Um also bereits während der Konzeptionsphase des Fahrerassistenzsystems die spätere ordnungsgemäße Funktion des Systems sicherzustellen, ist es erforderlich, genaue Reflexionsmodelle der Hindernisse zu generieren. Im Gegenstand der bereits oben genannten Druckschrift DE 103 14 129 A1 kann der Detektionsbereich des Sensors für den Fall eines zylindrischen Hindernisses (mit variablem Durchmesser) simulationstechnisch sehr genau bestimmt werden. Der Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse hat eine hervorragende Genauigkeit des verwendeten Zylinder-Reflexionsmodells und die daraus resultierende hohe Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Messergebnissen gezeigt. Bei Verwendung von anderen Hindernissen kann allerdings keine Aussage bezüglich des Reflexionsverhaltens des Hindernisses bzw. der empfangenen reflektierten Ultraschallsignale gemacht werden. Für die spätere tatsächliche Überprüfung des Fahrerassistenzsystems, bei der reale Fahrzeuge als Hindernisse gewählt werden, wäre es erforderlich, Reflexionsmodelle und Simulationen für beliebige Hinderniskonturen generieren zu können. Dadurch wäre man bereits in der Konzeptionsphase in der Lage, den Detektionsbereich des Sensors für beliebige Hindernisse zu simulieren, wodurch auch die Entwicklungszeit minimiert werden könnte.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung die Messeigenschaften des Sensors für beliebig gestaltete Hindernisse bzw. Objekte bereits in der Entwicklungsphase zuverlässig und höchstgenau untersucht werden können, sodass auch die Entwicklungszeit auf ein Minimum reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, wie auch durch ein Rechensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 15. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines virtuell modellierten Sensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, für ein Kraftfahrzeug mittels einer Recheneinrichtung ausgelegt. Der Sensor kann beispielsweise an einem virtuell modellierten Kraftfahrzeug angeordnet sein, so dass die Position sowie die Ausrichtung des Sensors am Kraftfahrzeug vorgegeben werden können. Durch die Recheneinrichtung wird in Abhängigkeit von zumindest einem Sensor-Eingangsparameter, der eine Eigenschaft des Sensors beschreibt, ein Sendesignal errechnet, welches durch den Sensor ausgesendet und von einem virtuell modellierten Objekt vorgegebener Geometrie reflektiert wird. In Abhängigkeit von der Geometrie des Objekts wird dann durch die Steuereinrichtung ein Empfangssignal errechnet, welches das vom Objekt reflektierte Sendesignal ist und durch den Sensor empfangen wird. Die elektronische Recheneinrichtung ermittelt dann die Messeigenschaften des Sensors in Abhängigkeit von dem Empfangssignal. Zum Errechnen des Empfangssignals wird zumindest ein Bereich einer Oberfläche des Objekts bzw. Hindernisses durch die Recheneinrichtung in eine Vielzahl von Flächensegmenten unterteilt. Die Flächensegmente werden dann durch einen dreidimensionalen, gewölbten Oberflächenbereich einer geometrischen Form mit einem bekannten Reflexionsfaktor modelliert bzw. angenähert. Für jedes Flächensegment kann dann ein an diesem Flächensegment auftretender Signalanteil des Sendesignals berechnet werden. Das Empfangssignal wird als Summe von an den jeweiligen Oberflächenbereichen reflektierten Signalanteilen berechnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Position des Objektes relativ zum Kraftfahrzeug durch den Benutzer der Recheneinrichtung vorgegeben wird, so dass das jeweilige Empfangssignal für unterschiedliche Positionen des Objektes ausgewertet und somit der Detektionsbereich des Sensors simulationstechnisch ermittelt werden können.
Erfindungsgemäß wird somit eine Anordnung mit einem Sensor, insbesondere einem Ultraschallsensor, eines Kraftfahrzeugs und einem Objekt bzw. Hindernis virtuell mittels der Recheneinrichtung simuliert, bei welcher ein Modell des Objekts erzeugt wird, bei dem seine Oberfläche in eine Vielzahl von Flächensegmenten unterteilt wird, die jeweils durch einen gewölbten und dreidimensionalen Oberflächenbereich einer geometrischen Figur mit bekanntem Reflexionsfaktor angenähert werden. Auf diese Weise können die Messeigenschaften des Sensors für unterschiedlich gestaltete Hindernisse besonders schnell und höchst genau ermittelt werden bzw. es kann das reflektierte Signal für beliebige Formen des Hindernisses realitätsgetreu berechnet bzw. simuliert werden. Anders als im Gegenstand gemäß Druckschrift US 6 096 085 A bzw. anders als bei einer auf der FEM-Methode (finite element method bzw. Methode der finiten Elemente) basierenden Analyse werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Flächensegmente durch jeweilige gewölbte und dreidimensionale Oberflächenbereiche einer geometrischen Form (etwa Kugel und/oder Zylinder) mit dem bekannten Reflexionsfaktor modelliert bzw. angenähert. Gegenüber einer auf der FEM-Methode basierenden Analyse - hier werden beispielsweise Software-Programme wie ANSYS oder SYSNOISE verwendet -, welche relativ aufwändig ist und sehr lange dauert, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das reflektierte Signal bzw. die an den jeweiligen Oberflächenbereichen reflektierten Signalanteile besonders rasch durch die Recheneinrichtung berechnet werden können. Es wird für diese Berechnung insbesondere eine Zeitdauer kleiner als 1 ms angestrebt. Während bei einer auf FEM-Techniken basierenden Analyse die Berechnungsdauer je nach Hindernis-Geometrie von 6 Stunden bis zu mehreren Tagen reichen kann und oftmals eine Analyse auch gar nicht möglich ist, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren diese Berechnung bereits nach wenigen Millisekunden abgeschlossen werden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass diese Berechnung des Reflexionsmodells in ein Fahrzeugdynamik-Simulationsprogramm integriert werden kann, sodass im Prinzip beliebige Fahrmanöver mit beliebigen Hindemisstrukturen simuliert werden können. Es kann hier beispielsweise eine Relativbewegung des Kraftfahrzeugs mit dem Sensor bezüglich des Hindernisses simuliert werden. Auf diesem Wege gelingt es, unterschiedlichste Messeigenschaften des Sensors bzw. das Verhalten des Sensors bei unterschiedlichen Fahrsituationen sowie bei unterschiedlichen Positionen des Sensors am Kraftwagen und bei unterschiedlich gestalteten Hindernissen zu ermitteln, ohne den Sensor in das Kraftfahrzeug einbauen zu müssen. Für diese Simulation verschiedenster Fahrszenarien kann ein bereits vorhandenes und auf dem Markt erhältliches Simulationsprogramm verwendet werden, nämlich beispielsweise das dynamische Fahrzeugmodellierungsprogramm „Carmaker“ der Firma IPG.
Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, dass eine beliebig komplexe Hindernisgeometrie an ihrer Oberfläche durch einzelne Flächensegmente modelliert und die Flächensegmente durch Oberflächenbereiche, deren Reflexionsfunktion bekannt ist, so angenähert werden können, dass das originale Flächensegment und die approximierte Oberfläche identische oder nahezu identische mathematische Objekteigenschaften besitzen. Bekannt sind beispielsweise Reflexionsfunktionen der folgenden geometrischen Formen: eines horizontal oder vertikal ausgerichteten Zylinderabschnitts sowie eines Kugelabschnitts.
Der Ausdruck „virtuell modellierter Sensor (bzw. Objekt oder Kraftfahrzeug)“ bedeutet, dass der Sensor rechentechnisch mittels der Recheneinrichtung durch eine Simulation fiktiv gebildet wird.
Also können die Flächensegmente durch einen Oberflächenbereich einer Kugel - also einen sphärischen Oberflächenbereich - und/oder durch einen Oberflächenbereich eines Zylinders - also einen zylindrischen Oberflächenbereich - modelliert werden. Gerade diese geometrischen Formen besitzen einen bekannten Reflexionsfaktor und können somit zur besonders zeitoptimierten Modellierung der gesamten Oberfläche des Objekts besonders vorteilhaft genutzt werden. Weil die Kugel und der Zylinder unterschiedliche Reflexionsfaktoren aufweisen, können somit auch unterschiedliche Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Hindernisses simuliert werden bzw. die Messeigenschaften des Sensors können im Prinzip für unterschiedliche Wetterbedingungen und/oder für unterschiedliche Reflexionseigenschaften der Hindernisoberfläche simulationstechnisch untersucht werden.
Prinzipiell kann ein Anteil der Flächensegmente jeweils durch einen Oberflächenbereich der Kugel modelliert werden, während die restlichen Flächensegmente jeweils durch einen Oberflächenbereich des Zylinders modelliert werden können. Bevorzugt werden jedoch alle Flächensegmente des Objektes jeweils durch einen Oberflächenbereich der Kugel oder des Zylinders modelliert.
Die Flächensegmente werden vorzugsweise jeweils separat bzw. unabhängig voneinander modelliert. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Oberflächenbereiche unterschiedlich gestaltet werden und unterschiedlich groß sein können, nämlich insbesondere in Abhängigkeit von dem zugeordneten, zu modellierenden Flächensegment.
Die Flächensegmente können prinzipiell eine beliebige geometrische Form aufweisen. Beispielsweise kann die Oberfläche des Objekts in rechteckige und/oder trapezförmige Flächensegmente unterteilt werden.
Das Sendesignal wird bevorzugt in Abhängigkeit von einer Richtcharakteristik des Sensors als Sensor-Eingangsparameter berechnet. Durch die Vorgabe der Richtcharakteristik des Sensors ist es möglich, eine räumliche Verteilung der Amplitude des gesendeten Signals und somit die Amplitude des in Richtung des Objekts abgestrahlten Signals zu ermitteln. Es ist auch möglich, die Amplitude des empfangenen Signals in Abhängigkeit von der Richtung zu ermitteln, von welcher das Signal am Sensor ankommt. Denn die Richtcharakteristik beschreibt auch die Fähigkeit des Sensors, Signalanteile aus unterschiedlichen Richtungen empfangen zu können. Außerdem sind Ultraschallsensoren durch ihre Richtcharakteristik vollständig beschrieben. Die Richtcharakteristik eines Ultraschallsensors gibt an, mit welcher Intensität der Schalldruckpegel in Abhängigkeit von dem horizontalen und vertikalen Winkel abgestrahlt oder empfangen werden kann. Basierend auf der Richtcharakteristik kann berechnet werden, welcher Schalldruckpegel auf das Objekt bzw. Hindernis in einem bestimmten Abstand vom Ultraschallsensor auftritt - die Position des Objektes relativ zum Sensor ist nämlich bekannt. Steht außerdem das Wissen über die Reflexionseigenschaften (Reflexionsfaktor) des Hindernisses zur Verfügung, so kann ermittelt werden, welcher reflektierte Schalldruckpegel beim Ultraschallsensor ankommt und ob der Ultraschallsensor die reflektierte Schallwelle detektieren kann oder nicht. Die Angabe der Richtcharakteristik ermöglicht somit die Bestimmung des Detektionsbereichs eines Ultraschallsensors.
Neben der vorgegebenen Geometrie kann das Empfangssignal auch unter Berücksichtigung eines Objekt-Eingangsparameters berechnet werden, welcher die Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Objekts beschreibt. Die Reflexionseigenschaften der Oberfläche können unterschiedlich je nach Umweltbedingungen auf der Oberfläche (Wasser, Eis, trockene Oberfläche und dergleichen) sein, die die Reflexionseigenschaften der Oberfläche maßgeblich beeinflussen. Dies kann beispielsweise so aussehen, dass eine Bedienperson an der Recheneinrichtung eine Eingabe vornimmt, durch welche die Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Objekts - Eis oder Schnee oder trockene Oberfläche - festgelegt werden. Der Objekt-Eingangsparameter kann also die auf der Oberfläche des Objektes herrschenden Umwelt- bzw. Wetterbedingungen beschreiben. Somit können die Messeigenschaften des Sensors für unterschiedlichste Umweltbedingungen auf der Reflexionsoberfläche simuliert werden.
Dies kann beispielsweise so aussehen, dass zur Modellierung der Flächensegmente durch die Recheneinrichtung eine Festlegung der geometrischen Form, insbesondere eine Auswahl zwischen dem Oberflächenbereich einer Kugel und dem Oberflächenbereich eines Zylinders, in Abhängigkeit von dem Objekt-Eingangsparameter vorgenommen wird. Diese Ausführungsform macht sich die Tatsache zunutze, dass der Reflexionskoeffizient der Kugel kleiner ist als der des Zylinders. Bei einer relativ stark reflektierenden Oberfläche (zum Beispiel Eis) würde man die Flächensegmente beispielsweise durch den Oberflächenbereich des Zylinders modellieren, während eine relativ schwach reflektierende Oberfläche durch eine Vielzahl von sphärischen Oberflächenbereichen angenähert werden kann. Somit kann die Reflexionsoberfläche des Objekts besonders realitätsgetreu für verschiedene Wetterbedingungen modelliert werden.
Für eine höhere Genauigkeit bei der Modellierung der Reflexionsoberfläche des Objekts kann/können auch die Anzahl und/oder die Größe der Flächensegmente in Abhängigkeit von dem Objekt-Eingangsparameter bestimmt werden, welcher die Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Objekts beschreibt.
Die Festlegung der geometrischen Form, insbesondere die Auswahl zwischen dem Oberflächenbereich einer Kugel und dem Oberflächenbereich eines Zylinders, kann auch in Abhängigkeit von einer Frequenz des berechneten Sendesignals vorgenommen werden. Auf diese Weise wird eine frequenzabhängige Modellierung der Reflexionsoberfläche des Objekts ermöglicht, die im Hinblick auf die realitätsgetreue Untersuchung der Messeigenschaften des Sensors bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz des Sendesignals durch Oberflächenbereiche der Kugel oder aber des Zylinders oder aber einer anderen geometrischen Figur angenähert werden kann.
Es erweist sich auch als besonders vorteilhaft, wenn die Anzahl und/oder die Größe der Flächensegmente in Abhängigkeit von der Frequenz des berechneten Sendesignals bestimmt wird/werden. Auch diese Ausführungsform sorgt für eine realitätsgetreue simulationstechnische Nachbildung eines beliebig gestalteten Hindernisses. Die Länge eines einzelnen Flächensegments kann beispielsweise in einem Wertebereich von λ/20 bis λ/2, insbesondere in einem Wertebereich von λ/10 bis λ/4, liegen, wobei λ die von der Frequenz abhängige Wellenlänge des Sendesignals bezeichnet.
Bei der Modellierung eines einzelnen Flächensegments kann die Größe der geometrischen Form - etwa ein Radius der geometrischen Form (Kugel oder Zylinder) - und/oder die Größe des gewählten Oberflächenbereichs der geometrischen Form - etwa eine Höhe des abgeschnittenen Oberflächenbereichs der Kugel oder des Zylinders in radialer Richtung - unter Berücksichtigung von jeweiligen Flächenschwerpunkten des Flächensegments einerseits und des Oberflächenbereichs andererseits bestimmt werden. Auf diesem Wege gelingt es, die Vielzahl von Flächensegmenten der Oberfläche des Objekts höchstgenau und hinsichtlich der realitätsgetreuen Bestimmung der Messeigenschaften des Sensors besonders zuverlässig durch die Oberflächenbereiche der geometrischen Form anzunähern bzw. zu modellieren. Es erweist sich dabei als besonders vorteilhaft, wenn die Größe der geometrischen Form (insbesondere ihr Radius) und/oder die Größe des Oberflächenbereichs (insbesondere seine Höhe) derart mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wird, dass ein Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten möglichst minimal ist, insbesondere dass die beiden Flächenschwerpunkte zusammenfallen. Es kann also bei der Modellierung eines Flächensegments die Methode der Gaußschen Optimierung der kleinsten Fehlerquadrate angewandt werden, sodass eine Abweichung zwischen den Flächenschwerpunkten des zu modellierenden Flächensegments einerseits und des Oberflächenbereichs der geometrischen Form andererseits auf ein Minimum reduziert wird. Es wird somit eine höchstpräzise Annäherung der Flächensegmente durch die Oberflächenbereiche erreicht. Bei der Optimierung mittels der Methode der kleinsten Quadrate können somit der Radius der Kugel oder des Zylinders und/oder die Höhe des abgeschnittenen Oberflächenbereichs der Kugel oder des Zylinders als variable Parameter so bestimmt werden, dass die beiden Flächenschwerpunkte zusammenfallen. Dann ist der Fehler bei der Berechnung des Empfangssignals minimal.
Bei der Ermittlung der Messeigenschaften des Sensors kann im Prinzip der Detektionsbereich des Sensors ermittelt werden. Dabei kann eine Amplitude des empfangenen Signals - beispielsweise auch in Bezug auf die Amplitude einer Rauschleistung und insbesondere unter Berücksichtigung der Freiraumdämpfung - durch die Recheneinrichtung berechnet werden. Diese Amplitude kann jeweils für unterschiedliche Positionen des Objektes relativ zum Sensor berechnet werden, um den gesamten Detektionsbereich ermitteln zu können. Bei der Berechnung der Freiraumdämpfung wird bevorzugt auch die Frequenz des Sendesignals berücksichtigt, wie auch der Ausbreitungsweg und/oder die Laufzeit des Signals. Bei der Berechnung der Amplitude des empfangenen Signals kann auch die Richtcharakteristik des Sensors und/oder seine Position und/oder Ausrichtung am Kraftfahrzeug berücksichtigt werden. Durch die Berechnung der Amplitude des empfangenen Signals kann ein Erfassungsbereich bzw. Detektionsbereich des Sensors ermittelt werden; die Recheneinrichtung kann nämlich überprüfen, ob die errechnete Amplitude oberhalb eines Schwellwerts liegt oder nicht. Liegt diese Amplitude oberhalb des Schwellwerts, so kann angenommen werden, dass das vom Objekt reflektierte Signal in den Erfassungsbereich des Sensors gelangt bzw. dass sich das Objekt im Erfassungsbereich des Sensors befindet. Die Berechnung des Schwellwerts kann zum Beispiel wie im Gegenstand gemäß Druckschrift DE 103 14 129 A1 aussehen.
Um die Messeigenschaften des Sensors zuverlässig zu ermitteln und diese auch beurteilen zu können, kann vorgesehen sein, dass eine Entfernung des Objekts vom Sensor und/oder eine Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Kraftfahrzeug und/oder eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs relativ zum Objekt abhängig von dem empfangenen Signal errechnet wird/werden. Die berechnete Entfernung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung kann/können dann mit einer bei der Simulation vorgegebenen Entfernung bzw. Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung verglichen werden. Auf diesem Wege können die Messeigenschaften des Sensors bei seiner vorgegebenen Position am Kraftfahrzeug und/oder bei seiner vorgegebenen Ausrichtung überprüft werden, ohne dass der Sensor tatsächlich in das Kraftfahrzeug eingebaut werden muss.
Die Recheneinrichtung kann eine Eingabe empfangen, über welche der zumindest eine Sensor-Eingangsparameter - etwa die Richtcharakteristik - festgelegt wird. Dieser Sensor-Eingangsparameter kann somit durch die Bedienperson an die Recheneinrichtung eingegeben werden, etwa mithilfe einer Tastatur und/oder einer Computermaus. Es wird somit der Bedienperson die Möglichkeit gegeben, unterschiedlichste Sensoren zu untersuchen.
Ein erfindungsgemäßes Rechensystem umfasst eine Recheneinrichtung, die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung betrifft auch ein - vorzugsweise auf einem Speichermedium gespeichertes - Computerprogramm, welches dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn es auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einem Personalcomputer, ausgeführt wird.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Rechensystem sowie für das erfindungsgemäße Computerprogramm.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine Anordnung, wie sie mithilfe einer Recheneinrichtung simuliert wird;
2 eine beispielhafte Richtcharakteristik eines Ultraschallsensors;
3 eine beispielhafte geometrische Form eines Objekts bzw. Hindernisses, für welche die Messeigenschaften des Ultraschallsensors simulationstechnisch untersucht werden sollen;
4 das Objekt gemäß 3, wobei die Oberfläche des Objekts in eine Vielzahl von Flächensegmenten unterteilt ist, welche durch jeweilige Oberflächenbereiche einer Kugel modelliert werden; und
5 ein einzelnes Flächensegment mit einem Oberflächenbereich der Kugel, wobei die Bestimmung eines Radius R und einer Höhe H bei der Annäherung des Flächensegments durch den Oberflächenbereich der Kugel näher erläutert wird.

1 zeigt zunächst eine dem Simulationsverfahren zugrunde liegende fiktive Anordnung eines ersten Ultraschallsensors 1, welcher zum Aussenden von Ultraschallwellen dient, eines zweiten Ultraschallsensors 2 zum Empfangen der Ultraschallwellen, wie auch eines Hindernisses bzw. Objekts 3. Das Objekt 3 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ein vertikal oder horizontal ausgerichteter Zylinder oder eine Kugel mit einem Durchmesser D. Es wird hier zwischen dem Ultraschallsensor 1 zum Senden und dem Ultraschallsensor 2 zum Empfangen der Wellen unterschieden; es ist jedoch auch sinnvoll möglich, dass ein und derselbe Sensor 1 oder 2 sowohl zum Senden als auch zum Empfangen dient. Prinzipiell kann auch vorgesehen sein, dass die in 1 dargestellten Sensorelemente 1, 2 Bestandteile eines gemeinsamen Ultraschallsensors sind. Diese Anordnung, wie sie in 1 dargestellt ist, wird mithilfe einer elektronischen Recheneinrichtung rechentechnisch simuliert, nämlich beispielsweise eines Personalcomputers. Dazu kann auf der Recheneinrichtung beispielsweise ein entsprechendes Computerprogramm ausgeführt werden.
Bei der Simulation werden die Messeigenschaften des Ultraschallsensors 1, 2 ermittelt, und insbesondere ein Detektionsbereich des Ultraschallsensors 1, 2. Der Ultraschallsensor 1 befindet sich dabei in einem Abstand r_s zum Objekt 3, während sich der Ultraschallsensor 2 (Empfänger) in einem Abstand r_e zum Objekt 3 befindet. Das Simulationsverfahren simuliert, dass ein Sendesignal 4 vom Ultraschallsensor 1 ausgesendet wird, welches dann vom Objekt 3 reflektiert und als Empfangssignal 5 durch den Ultraschallsensor 2 empfangen wird. Das Sendesignal 4 fällt auf das Objekt 3 unter einem Winkel (-φ_s) ein; das Empfangssignal 5 wird unter einem Winkel φ_e vom Objekt 3 reflektiert. Mit anderen Worten berechnet die Recheneinrichtung das Sendesignal 4, wie auch das Empfangssignal 5, welches das vom Objekt 3 reflektierte Sendesignal 4 ist und durch den Ultraschallsensor 2 empfangen wird. Das Sendesignal 4 wird unter Berücksichtigung einer Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 1 berechnet. Das Empfangssignal 5 wird unter Berücksichtigung der Geometrie und des Reflexionsfaktors des Objekts 3, wie auch unter Berücksichtigung der Freiraumdämpfung sowie der Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 2 berechnet.
Die Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 1, 2 ist ein Sensor-Eingangsparameter. Der Ultraschallsensor 1, 2 ist dabei durch seine Richtcharakteristik vollständig beschrieben. Die Richtcharakteristik gibt an, mit welcher Intensität ein Schalldruckpegel L in Abhängigkeit von dem horizontalen Winkel φ sowie dem vertikalen Winkel γ abgestrahlt oder empfangen werden kann. In 2 ist eine beispielhafte Richtcharakteristik des Ultraschallsensors 1, 2 sowohl in vertikaler Richtung (Bezugszeichen 6) als auch in horizontaler Richtung (Bezugszeichen 7) dargestellt. Gezeigt ist also ein Verlauf des Schalldruckpegels L in Abhängigkeit von dem vertikalen Winkel γ einerseits und dem horizontalen Winkel φ andererseits.
Basierend auf der Richtcharakteristik und in Abhängigkeit von dem horizontalen und dem vertikalen Winkel φ, γ kann berechnet werden, welcher Schalldruckpegel auf das Objekt 3 in einem bestimmten Abstand vom Ultraschallsensor 1, 2 auftritt. Die Recheneinrichtung berechnet somit zunächst die Amplitude des Signals, welches auf das Objekt 3 einfällt, und zwar in Abhängigkeit von der Richtcharakteristik sowie der Freiraumdämpfung. Dann berechnet die Recheneinrichtung das vom Objekt 3 reflektierte Signal, nämlich in Abhängigkeit von einem Reflexionsfaktor des Objekts 3. Dann kann die Recheneinrichtung das empfangene Signal unter Berücksichtigung der Freiraumdämpfung und der Richtcharakteristik berechnen und überprüfen, ob der Ultraschallsensor 1, 2 die reflektierte Schallwelle detektieren kann oder nicht. Wird dies für eine Vielzahl von unterschiedlichen relativen Positionen des Objekts 3 bezüglich des Ultraschallsensors 1, 2 wiederholt, so kann der Detektionsbereich des Ultraschallsensors 1, 2 simulationstechnisch ermittelt werden, bevor der tatsächliche Sensor überhaupt noch ins Kraftfahrzeug eingebaut wird.
Der Reflexionsfaktor eines zylindrischen Körpers (Objekt 3) sowie der Reflexionsfaktor eines sphärischen Körpers bzw. einer Kugel können ermittelt werden und stellen somit bekannte Größen dar. Ausgangspunkt bei der Herleitung der Reflexionsfaktoren des Zylinders einerseits und der Kugel andererseits stellt die folgende bekannte Abhängigkeit zwischen einer Schallintensität und einer Fläche dar: $\frac{I_{R}}{I_{I}} = \frac{A_{I}}{A_{R}} .$
Sind die Flächen A₁ und A_R sowie die Schallintensität I₁ auf der Fläche A₁ bekannt, so kann auch die Schallintensität I_R auf der Fläche A_R berechnet werden. Unter der Verwendung des Strahlensatzes, welcher die Abstände der Reflexionsflächen A_R und der Bezugsflächen A₁ ins Verhältnis setzt, kann der jeweilige Reflexionskoeffizient des Zylinders bzw. der Kugel in Abhängigkeit von dem Durchmesser und der Abstände zum Sensor berechnet werden.
Der Reflexionsfaktor einer Kugel und der eines Zylinders sind somit bekannt.
Nun soll der Reflexionsfaktor bzw. die Reflexionseigenschaften eines beliebig gestalteten Hindernisses bzw. eines Objekts mit beliebiger geometrischer Form berechnet werden. Die Messeigenschaften des Ultraschallsensors 1, 2 sollen nämlich auch für Hindernisse mit einer komplexen geometrischen Form ermittelt werden. Beispielsweise sollen der Detektionsbereich des Ultraschallsensors 1, 2 für einen Würfel 8 ermittelt werden, wie er in 3 dargestellt ist.
Die geometrische Form kann dabei beliebig sein; sie kann auch durch die Bedienperson über eine Eingabe an die Recheneinrichtung festgelegt werden.
Um die Reflexionseigenschaften einer Oberfläche 9 des Würfels 8 zu ermitteln, wird diese Oberfläche 9 in eine Vielzahl von Flächensegmenten 10 (siehe 4) unterteilt, die dann durch einen Oberflächenbereich 11 der Kugel oder des Zylinders modelliert wird. Somit wird die Oberfläche 9 des Würfels 8 durch eine Vielzahl von Oberflächenbereichen 11 der Kugel oder des Zylinders angenähert. Ein solcher Würfel, dessen Oberfläche durch die Vielzahl von Kugelabschnitten angenähert ist, ist in 4 dargestellt.
Die Größe und die Anzahl der Flächensegmente 10 werden dabei unter Berücksichtigung der Frequenz des Sendesignals 4 bestimmt. Beispielsweise kann die Länge eines jeden Flächensegments 10 in einem Wertebereich von λ/20 bis λ/2, insbesondere in einem Wertebereich von λ/10 bis λ/4, liegen. λ bezeichnet hier die Wellenlänge des Sendesignals 4.
Die Anzahl der Oberflächenbereiche 11 der Kugel oder des Zylinders entspricht hier der Anzahl der zu approximierenden Flächensegmente 10, in die die Oberfläche 9 des Würfels 8 unterteilt wird. Die Eigenschaft bzw. die Ausgestaltung eines jeden Oberflächenbereichs der Kugel bzw. des Zylinders wird in Form des Durchmessers D bzw. des Radius R und der Höhe H des Oberflächenbereichs für jedes Flächensegment 10 jeweils individuell bzw. separat bestimmt. In 5 ist dabei ein einzelnes Flächensegment 10 der Oberfläche 9 in Form eines Rechtecks dargestellt, wie auch der zugeordnete Oberflächenbereich 11 einer Kugel, durch welche das Flächensegment 10 angenähert werden soll. Die variablen Parameter des Oberflächenbereichs 11 der Kugel sind der Radius R der Kugel, wie auch die Höhe H des Oberflächenbereichs 11. Die Höhe H gibt also das abgeschnittene Kugelsegment in radialer Richtung an.
Das Flächensegment 10 besitzt einen Flächenschwerpunkt 12, und der Oberflächenbereich 11 der Kugel besitzt ebenfalls einen Flächenschwerpunkt 13. Der Radius R sowie die Höhe H werden mittels der Methode der kleinsten Quadrate bzw. mittels der Gaußschen Optimierung der kleinsten Fehlerquadrate so bestimmt, dass die beiden Schwerpunkte 12, 13 möglichst zusammenfallen bzw. dass der Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten 12, 13 minimal ist. Dabei soll der Oberflächenbereich 11 das Flächensegment 10 möglichst vollständig abdecken, sodass die gesamte Oberfläche 9 des Würfels 8 möglichst präzise durch die Oberflächenbereiche 11 der Kugel angenähert wird.
Im Falle eines Würfels bekommt man also ein Objekt, wie es in 4 abgebildet ist. Nun berechnet die Recheneinrichtung für jedes Flächensegment 10 bzw. jeden Oberflächenbereich 11 der Kugel jeweils einen Signalanteil des Sendesignals 4, welcher auf das jeweilige Flächensegment bzw. den jeweiligen Oberflächenbereich einfällt. Weil der Reflexionsfaktor der Kugel und somit die Reflexionsfaktoren aller Oberflächenbereiche 11 bekannt sind, können für alle Oberflächenbereiche 11 die jeweiligen Signalanteile des reflektierten Signals berechnet werden. Das Empfangssignal 5 kann dann als Summe der reflektierten Signalanteile berechnet werden.
Alternativ zu einer Kugel kann zur Modellierung der Flächensegmente 10 auch ein Zylinder verwendet werden, wie oben bereits ausgeführt. Die Auswahl zwischen einer Kugel und einem Zylinder oder einer anderen geometrischen Form kann in Abhängigkeit von der Frequenz des Sendesignals 4 und/oder in Abhängigkeit von einem Objekt-Eingangsparameter erfolgen, welcher die Reflexionseigenschaften der Oberfläche 9 bzw. die auf der Oberfläche 9 herrschenden Umweltbedingungen (Wasser, Eis, Schnee, trockene Oberfläche und dergleichen) beschreibt. Weil - wie aus den obigen Gleichungen hervorgeht - das Signal an der Kugel schwächer als bei einem Zylinder reflektiert, kann für eine gut reflektierende Oberfläche 9 der Zylinder verwendet werden, während für eine schwächer reflektierende Oberfläche 9 die Flächensegmente 10 durch jeweilige Oberflächenbereiche 11 einer Kugel modelliert werden können. Diesen Objekt-Eingangsparameter kann auch die Bedienperson festlegen, indem sie eine Eingabe an der Recheneinrichtung vornimmt.

Claims

Verfahren zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines virtuell modellierten Sensors (1, 2), insbesondere eines Ultraschallsensors, für ein Kraftfahrzeug mittels einer Recheneinrichtung, durch welche abhängig von zumindest einem Sensor-Eingangsparameter, der eine Eigenschaft des Sensors (1, 2) beschreibt, ein Sendesignal (4) errechnet wird, das durch den Sensor (1, 2) ausgesendet und von einem virtuell modellierten Objekt (3, 8) vorgegebener Geometrie reflektiert wird, und durch welche in Abhängigkeit von der Geometrie des Objektes (3, 8) ein Empfangssignal (5) errechnet wird, welches das vom Objekt (3, 8) reflektierte Sendesignal (4) ist und das durch den Sensor (1, 2) empfangen wird, wobei abhängig von dem Empfangssignal (5) die Messeigenschaften des Sensors (1, 2) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Errechnen des Empfangssignals (5) zumindest ein Bereich einer Oberfläche (9) des Objektes (3, 8) durch die Recheneinrichtung in eine Vielzahl von Flächensegmenten (10) unterteilt wird, die Flächensegmente (10) durch einen dreidimensionalen, gewölbten Oberflächenbereich (11) einer geometrischen Form mit einem bekannten Reflektionsfaktor modelliert werden und das Empfangssignal (5) als Summe von an den jeweiligen Oberflächenbereichen (11) reflektierten Signalanteilen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensegmente (10) durch einen Oberflächenbereich (11) einer Kugel und/oder durch einen Oberflächenbereich (11) eines Zylinders modelliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal (4) in Abhängigkeit von einer Richtcharakteristik (6, 7) des Sensors (1, 2) als Sensor-Eingangsparameter berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal (5) auch unter Berücksichtigung eines Objekt-Eingangsparameters berechnet wird, welcher die Reflektionseigenschaften der Oberfläche (9) des Objektes (3, 8) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modellierung der Flächensegmente (10) durch die Recheneinrichtung eine Festlegung der geometrischen Form, insbesondere eine Auswahl zwischen dem Oberflächenbereich (11) einer Kugel und dem Oberflächenbereich (11) eines Zylinders, in Abhängigkeit von dem Objekt-Eingangsparameter vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder die Größe der Flächensegmente (10) in Abhängigkeit von dem Objekt-Eingangsparameter bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modellierung der Flächensegmente (10) durch die Recheneinrichtung eine Festlegung der geometrischen Form, insbesondere eine Auswahl zwischen dem Oberflächenbereich (11) einer Kugel und dem Oberflächenbereich (11) eines Zylinders, in Abhängigkeit von einer Frequenz des berechneten Sendesignals (4) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder die Größe der Flächensegmente (10) in Abhängigkeit von einer Frequenz des berechneten Sendesignals (4) bestimmt wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellierung eines Flächensegmentes die Größe der geometrischen Form, insbesondere ein Radius (R) der geometrischen Form, und/oder die Größe des Oberflächenbereichs (11) der geometrischen Form, insbesondere eine Höhe (H) des Oberflächenbereichs (11), unter Berücksichtigung von jeweiligen Flächenschwerpunkten (12, 13) des Flächensegmentes (10) einerseits und des Oberflächenbereichs (11) andererseits bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der geometrischen Form, insbesondere der Radius (R), und/oder die Größe des Oberflächenbereichs (11), insbesondere seine Höhe (H), derart mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wird, dass ein Abstand zwischen den Flächenschwerpunkten (12, 13) minimal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Messeigenschaften des Sensors (1, 2) eine Amplitude des Empfangssignals (5), insbesondere unter Berücksichtigung der Freiraumdämpfung, durch die Recheneinrichtung errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Recheneinrichtung überprüft wird, ob die errechnete Amplitude oberhalb eines Schwellwertes liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Messeigenschaften des Sensors (1, 2) eine Entfernung des Objektes (3, 8) vom Sensor (1, 2) und/oder eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs relativ zum Objekt (3, 8) abhängig von dem empfangenen Signal errechnet wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor-Eingangsparameter über eine Eingabe an die Recheneinrichtung festgelegt wird.
Rechensystem mit einer Recheneinrichtung, die dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.