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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Umfelderfassung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Umfelderfassung.
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Verfahren und Vorrichtungen zur Umfelderfassung werden zum Beispiel in Fahrassistenzsystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Derartige Fahrassistenzsysteme finden immer weitere Verbreitung und unterstützen den Fahrer bei Fahrmanövern. Derzeit bereits erhältliche oder in Entwicklung befindliche Fahrassistenzsysteme unterstützen den Fahrer zum Beispiel bei Einparkmanövern oder bei unübersichtlichen Fahrmanövern. Weiterhin gibt es Fahrassistenzsysteme, die zum Beispiel den vom Fahrer nicht einsehbaren Bereich, den sogenannten toten Winkel, überwachen. Weitere Fahrassistenzsysteme sind zum Beispiel Spurhaltesysteme oder Abstandsregelsysteme, die beim Bewegen des Fahrzeuges zum Einsatz kommen.
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Bei allen diesen Fahrassistenzsystemen ist es notwendig, die Umgebung des Kraftfahrzeuges mithilfe geeigneter Sensoren zu erfassen. Hierbei kommen je nach Fahrassistenzsystem unterschiedliche Sensorsystemen zum Einsatz. So wird insbesondere unterschieden, ob das Fahrassistenzsystem den Fahrer bei langsamen oder bei schnellen Fahrmanövern unterstützen soll. Insbesondere bei langsam durchgeführten Fahrmanövern, beispielsweise bei Einparkmanövern, werden Sensoren zur Umfelderfassung eingesetzt, die nach dem sogenannten Puls-Echo-Verfahren arbeiten, bei dem ein Signalpuls von einem Sender gesendet wird und ein von einem Objekt reflektiertes Echo von einem Empfänger aufgenommen wird und aus der Laufzeit zwischen Senden des Signals und Empfangen des Echos der Abstand zu dem Objekt, das das Signal reflektiert hat, berechnet wird.
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Um das gesamte Umfeld um das Fahrzeug zu vermessen und auf vorhandene Objekte zu untersuchen, ist es notwendig, mehrere Sensoren zu betreiben. Damit Fehlmessungen ausgeschlossen werden können, werden die Sensoren üblicherweise nacheinander angesteuert. Um Fehlmessungen zu vermeiden, ist es dabei notwendig, dass die Sensoren jeweils erst dann wieder in Betrieb gehen können, wenn kein weiteres Echo mehr zu erwarten ist. Dies führt zu einem vergleichsweise langen Zeitabstand zwischen den einzelnen Messungen, wodurch die Genauigkeit reduziert wird. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist in
DE 33 47 442 A1 beschrieben, mehrere elektroakustische Wandler zeitlich nacheinander zu aktivieren und jedem Wandler nur ein einziges steuerbares Schaltelement zuzuordnen, über das sowohl das Ausgangssignal eines Ultraschall-Generators als auch das vom Wandler empfangene Echosignal übertragbar ist. die Reihenfolge der Wandler ist in Abhängigkeit von bestimmten Parametern veränderbar. So wird zum Beispiel ein Wandler, der ein Signal mit kurzer Laufzeit erfasst, öfter angesteuert als die restlichen Wandler. Sensoren, die nur weiter entfernte Objekte erfassen, werden seltener angesteuert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zum Beispiel bei Annäherung eines sich bewegenden Objektes im Bereich eines nur selten angesteuerten Sensors gegebenenfalls zu spät das schnelle Annähern erkannt wird, da die Abtastrate des Sensors vergleichsweise gering gewählt worden ist. Hier besteht insbesondere die Gefahr, dass bei einer schnellen Annäherung eines Objekts auf einer Seite, an der nur mit gering Abtastrate gemessen wird, zu spät erkannt wird, dass sich das Objekt bereits dicht am Fahrzeug befindet und die Reaktionszeit des Fahrers zum Vornehmen einer Handlung nicht mehr ausreichend ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Umfelderfassung, insbesondere zur Umfelderfassung eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens einen Sensor mit mindestens einem Sender und mindestens einem Empfänger, oder einen kombinierten Sender und Empfänger zur Erfassung des Abstandes zu einem Objekt nach dem Puls-Echo-Verfahren, wird vom Sensor ein Signal gesendet und ein von einem Objekt reflektiertes Echo des Signals empfangen und aus der Laufzeit zwischen Senden des Signals und Empfangen des Echos der Abstand zu dem Objekt bestimmt, wobei nach Empfangen eines Echos die Aufnahme von Messwerten gestoppt wird und ein neues Signal gesendet wird.
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Durch das Beenden der Aufnahme von Messwerten, sobald ein Echo empfangen worden ist, kann die Messrate deutlich erhöht werden und dadurch die Messgenauigkeit verbessert werden. Wenn die einzelnen Sensoren sequentiell angesteuert werden, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht ein Sensor besonders oft oder häufig angesteuert sondern es wird die Messrate aller Sensoren erhöht. Es erfolgt weiterhin eine Messung sämtlicher Sensoren nacheinander sodass das gesamte Umfeld des Kraftfahrzeuges gleichmäßig abgetastet wird. Insgesamt ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine erhöhte Update-Rate und damit eine höhere Genauigkeit der Abtastung und eine höhere Vermessungsgeschwindigkeit. Bei einem Betrieb der Sensoren unabhängig voneinander kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Messrate jedes einzelnen Sensors unabhängig voneinander erhöht werden und dadurch die Genauigkeit der Abtastung verbessert werden.
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Geeignete Sensoren, um die Umwelt nach dem Puls-Echo-Verfahren zu erfassen, sind zum Beispiel Ultraschallsensoren, Infrarotsensoren, Radarsensoren oder LIDAR-Sensoren. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für Ultraschallsensoren.
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Üblicherweise werden bei Ultraschallsensoren Sensoren eingesetzt, die gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten. Bei entsprechenden Sensoren wird zunächst ein Ultraschallpuls erzeugt, der abgegeben wird. Nach dem Erzeugen des Ultraschallsignals wird die schwingende Membran gedämpft und auf diese Weise das Schwingen beendet. Nach dem Beenden des Schwingens ist der Sensor in der Lage eingehende Echos zu empfangen. Hierbei wird die Membran des Sensors durch auftreffende Schallwellen in Schwingungen versetzt, die in ein elektrisches Signal gewandelt werden können.
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Alternativ zu solchen kombinierten Sensoren, ist es auch möglich, Sensoren einzusetzen, die Sender und Empfänger als separate Bauteile aufweisen. Diese haben den Vorteil, dass bereits sehr kleine Abstände gemessen werden können, da es nicht notwendig ist, dass die Sensormembran ausschwingt, bevor ein Signal empfangen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Empfangen eines ersten Echos die Aufnahme von Messwerten zur Erfassung möglicher Mehrfachechos fortgesetzt und erst nach Empfang eines Mehrfachechos oder nach Ablauf des für ein Mehrfachecho notwendigen Zeitraums die Aufnahme von Messwerten beendet. Durch die Aufnahme von Mehrfachechos ist es möglich, hohe Objekte zu erkennen. Hohe Objekte sind in diesem Fall Objekte, die sich über die Höhe der Einbauposition des Sensors erstrecken. Das Mehrfachecho ergibt sich dabei zum Einen aus dem direkt reflektierten Echo vom Objekt und zum Anderen durch das von einer Kehle reflektierte Echo. Die Kehle ergibt sich zum Beispiel an der Berührungsstelle zwischen Boden und Wand eines Objektes. In einem solchen Fall wird auch von einem Doppelecho gesprochen, da es genau zwei Echos von einem Objekt zu dem Signal gibt. Neben solchen Doppelechos werden Mehrfachechos auch empfangen, wenn ein Objekt eine strukturierte Oberfläche aufweist, so dass Teile der Oberfläche in unterschiedliche Richtungen weisen. Derartige strukturierte Oberflächen finden sich zum Beispiel bei Fahrzeugtüren oder auch bei Pflanzen. In diesem Fall kann es auch mehr als nur zwei Echos geben. Um eine Erhöhung der Messrate und damit eine Verbesserung der Genauigkeit der Abtastung zu erhalten, wird die Wartezeit auf ein nachfolgendes Echo für den Empfang von Mehrfachechos vorzugsweise auf die Zeitspanne begrenzt, die benötigt wird, um ein Doppelecho von einem mit dem Boden verbundenen hohen Objekt zu empfangen.
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Durch den Empfang von Mehrfachechos und damit der Möglichkeit, auf ein hohes Objekt zu schließen, ist es möglich, beispielsweise Objekte mit geringer Höhe, die überfahren werden können und kein Hindernis darstellen, auszuschließen. Alternativ ist es auch möglich, unterschiedliche Signale auszugeben, je nachdem ob es sich um ein hohes Objekt oder um ein überfahrbares Objekt handelt.
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Alternativ zu einem Mehrfachecho ist es auch möglich auf ein hohes Objekt zu schließen, wenn die Pulsbreite des Echos größer ist als die Pulsbreite des gesendeten Schallimpulses. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Trennschärfe nicht ausreichend ist, um zwei unterschiedliche Abstände zu messen. Hier besteht einerseits die Möglichkeit ein kürzeres Signal zu senden oder alternativ den längeren Puls, der sich durch Überlagerung zweier Empfangsechos ergibt, zu nutzen.
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Die erhöhte Update-Rate und die Verkürzung des Messzyklus durch Abbruch der Messaufnahme sobald ein Signal empfangen worden ist, erlaubt es, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei höheren Geschwindigkeiten, beispielsweise bei Geschwindigkeiten von mehr als 25 Stundenkilometern einzusetzen und eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen, um Abstände zu Objekten mit einer hinreichenden Genauigkeit zu erfassen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst mindestens einen Sensor mit mindestens einem Sender und mindestens einem Empfänger, oder einen kombinierten Sender und Empfänger zur Erfassung des Abstandes zu einem Objekt nach dem Puls-Echo-Verfahren, sowie eine Steuereinheit, mit der aus der Laufzeit zwischen Senden eines Signals und Empfangen eines von einem Objekt reflektierten Echos den Abstand zu dem Objekt zu bestimmen und nach Empfangen des Echos die Aufnahme von Messwerten zu stoppen und ein neues Signal zu senden.
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Als Sensoren werden insbesondere solche verwendet, deren Signalausbreitungsgeschwindigkeit geringer als Lichtgeschwindigkeit ist, beispielsweise Ultraschallsensoren.
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Die Steuereinheit zur Durchführung des Verfahrens umfasst mindestens einen Prozessor und mindestens einen Datenträger mit einer Software zur Durchführung des Verfahrens. Geeignete Steuereinheiten sind zum Beispiel Steuergeräte, wie sie bereits derzeit für Fahrassistenzsysteme eingesetzt werden.
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Das elektrische Signal, in das der empfangene Schall umgewandelt wird, wird mit einer entsprechenden Software ausgewertet und verarbeitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Umfelderfassung eines Kraftfahrzeugs für Fahrassistenzsysteme. Weiterhin ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zum Beispiel in führerlosen Transportsystemen einzusetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Erfassung eines Objekts in Draufsicht,
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2 eine schematische Darstellung einer Objekterfassung in Seitenansicht,
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3 ein Erfassungssignal mit Doppelecho.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Erfassung eines Objekts durch ein Kraftfahrzeug in Draufsicht.
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Ein Kraftfahrzeug 1 weist an seinem Heck Sensoren 3 und an seiner Front Sensoren 5 auf. Mit den Hecksensoren 3 und den Frontsensoren 5 wird die Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 erfasst.
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Als Sensoren, sowohl als Hecksensoren 3 als auch als Frontsensoren 5, eignen sich zum Beispiel Ultraschalllsensoren, Infrarotsensoren, Radarsensoren oder LIDAR-Sensoren. Die Erfassung der Umgebung mit den entsprechenden Sensoren 3, 5 erfolgt dabei nach dem Puls-Echo-Verfahren. Hierzu wird von einem Sensor 3, 5 ein Signal 7 gesendet, das – sofern vorhanden – von einem Objekt 9 reflektiert wird. Ein von dem Objekt 9 reflektiertes Signal 7 wird als Echo 11 von mindestens einem der Sensoren 3, 5 empfangen. In der hier dargestellten Ausführungsform sendet einer der Frontsensoren 5 das Signal 7 und das Echo 11 wird vom selben Sensor 5 wieder empfangen. Aus der Signallaufzeit zwischen dem Senden des Signals 7 und dem Empfangen des Echos 11 lässt sich bei Einsatz von Ultraschallsensoren mittels der Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Objekt 9 bestimmen.
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Bei derzeit eingesetzten Verfahren wird, um eindeutige Messungen zu erhalten, jeder der Hecksensoren 3 beziehungsweise der Frontsensoren 5 segmentiert angesteuert. Hierbei sendet zunächst ein erster Sensor ein Signal und unabhängig davon, ob ein Echo empfangen wird, wird der nächste Sensor angesteuert, wenn sichergestellt werden kann, dass ein gegebenenfalls empfangenes Echo auch sicher von diesem Sensor stammt. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass ein Echo eines vom ersten Sensor gesendeten Signals irrtümlich als ein Echo von einem des vom zweiten Sensor gesendeten Signals entspricht und hierdurch ein zu kurzer Abstand zu einem Objekt angenommen wird. Bei einem sequenziellen Betrieb ist eine Zuordnung der Signale zum sendenden Sensor insbesondere daher möglich, da die Signalstärke mit zunehmender Laufzeit abnimmt. Nachteil des sequenziellen Verfahrens ist jedoch, dass jeder Sensor erst dann erneut ein Signal sendet, wenn bereits alle anderen Sensoren ebenfalls ihre Signale gesendet haben. Der Abstand zwischen zwei Messungen ist daher vergleichsweise hoch. Dies kann, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten zu einer nicht ausreichenden Überwachung der Umgebung führen. Insbesondere kann dies dazu führen, dass sich das Fahrzeug zwischen zwei Messungen einem Objekt so weit genähert hat, dass gegebenenfalls ein rechtzeitiges Anhalten zur Vermeidung einer Kollision nicht mehr möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird daher unmittelbar nach dem Empfangen eines Echos die Aufnahme von Messwerten gestoppt. Bei einem sequenziellen Ablauf der Messung ist es dadurch möglich, die Zeit bis zur nächsten Messung zu verkürzen, wenn jedes Mal unmittelbar nach Empfang eines Echos die Messaufnahme gestoppt wird, da in diesem Fall der nachfolgende Sensor früher ein neues Signal senden kann.
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Alternativ ist es auch möglich, dass beispielsweise alle Sensoren gleichzeitig ein Signal senden, wobei jedem Signal zum Beispiel eine eigene Frequenz zugeordnet ist. Auch in diesem Fall ist es durch Unterscheidung der Frequenzen möglich, eine eindeutige Zuordnung des Signals zum entsprechenden Sensor zu treffen. Auch in diesem Fall wird erfindungsgemäß die Aufnahme von Messwerten gestoppt, sobald ein Sensor ein Signal empfangen hat. Dies erlaubt es, schneller hintereinander vom gleichen Sensor Signale zu senden und die entsprechenden Echos zu empfangen, so dass insbesondere bei einem sich bewegenden Objekt 9 eine bessere Überwachung erfolgen kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Objekterfassung in Seitenansicht.
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Bei Erfassung eines Objekts 9 wird zunächst ein waagerecht vom Sensor 5 gesendetes Signal 7 reflektiert und das reflektierte Echo empfangen. Signale, die mit einem Winkel von der Waagerechten gesendet werden, werden von einem Objekt 9 mit senkrechter Fläche entsprechend der Formel Einfallwinkel gleich Ausfallwinkel reflektiert, so dass das reflektierte Echo nicht vom Sensor 5 empfangen werden kann. Empfangen werden jeweils nur die Signale, die senkrecht auf das Objekt 9 auftreffen. Entsprechend ist natürlich bei einer Neigung der seitlichen Begrenzung des Objektes, die das Signal reflektiert, auch ein von der Waagerechten abweichender Signalpfad zu berücksichtigen. Üblicherweise weisen jedoch Objekte, die für das Kraftfahrzeug 1 ein Hindernis darstellen, eine senkrechte Begrenzung auf. Übliche Objekte 9, die vom Fahrzeug erfasst werden, sind zum Beispiel Hauswände oder Mauern, Blumentröge, Pfosten oder andere Kraftfahrzeuge und lediglich bei der Begrenzung durch Pflanzen können auch von der Waagerechten abweichende Flächen gemessen werden. Bei den üblichen festen Hindernissen, wie Mauern oder Wänden beziehungsweise bei Kraftfahrzeugen wird im Allgemeinen das kürzeste Signal, das heißt das Signal, das vom Sensor den waagerechten Signalpfad folgt, erfasst. Zusätzlich zu dem waagerechten Signal wird im Allgemeinen auch ein zweites Echo 13 empfangen. Das zweite Echo 13 ergibt sich durch die Reflektion an eine Kehle 15. Hier wird durch mehrfache Reflektion auch ein Echo in Richtung des Empfängers reflektiert.
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Da der Signallaufweg des zweiten Signals 13 länger ist als der des direkten Signals 7, wird das zweite Echo 13, das von der Kehle reflektiert wurde, zu einem späteren Zeitpunkt empfangen als das Echo des direkten Signals 7. Der Empfang eines derartigen Doppelechos, das heißt von zwei unmittelbar aufeinander folgenden Echos, erlaubt es, zu entscheiden, ob sich ein Objekt über eine bestimmte Höhe hinaus erstreckt. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, von Bordsteinen reflektierte Signale, die vom Kraftfahrzeug problemlos überfahren werden können, zu ignorieren. Es besteht die Möglichkeit, lediglich Objekte 9 zu erfassen, die eine minimale Höhe, nämlich die Einbauhöhe des Sensors 5, überschreiten.
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Neben dem hier dargestellten Doppelecho können auch Mehrfachechos mit mehr als zwei Echos zu einem Signal empfangen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das reflektierende Objekt eine stark strukturierte Oberfläche aufweist, wie dies beispielsweise bei Fahrzeugtüren der Fall ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Messung von einem Sensor 5 so lange fortgesetzt, bis die nach dem Empfang des ersten Echos auch ein zweites Echo empfangen worden sein kann, um Doppelechos, wie sie in der 2 dargestellten Situation entstehen, aufnehmen zu können und so zu entscheiden, ob ein Objekt 9 tatsächlich ein Hindernis darstellt oder beispielsweise nur ein möglicherweise zu überfahrender Bordstein ist.
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Insbesondere wenn aufgrund der Länge des gesendeten Signals eine scharfe Trennung zwischen dem Echo des ersten Signals 7 und dem Echo des zweiten Signals 13 nicht möglich ist, ist es auch möglich, die Pulsbreite des empfangenen Echos auszuwerten. In diesem Fall überschneiden sich das Echo des ersten Signals 7 und das Echo des zweiten Signals 13 und bilden ein empfangenes Signal, dessen Länge die Länge des gesendeten Signals überschreitet.
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Ein Mehrfachsignal in Form eines Doppelechos ist beispielhaft in 3 dargestellt.
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Hierbei ist auf der x-Achse 17 die Zeit t dargestellt und auf der y-Achse 19 das empfangene Signal.
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Üblicherweise empfängt ein Sensor 5 ein kontinuierliches Grundrauschen 20. Dieses ergibt sich aus Störgeräuschen in der Umgebung.
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Wenn ein Objekt 9 detektiert wird, wird zunächst ein erstes Signal 23 erfasst. Bei einem Objekt, das eine minimale Höhe überschreitet, wird kurz nach dem ersten Signal 23 ein zweites Signal 25 detektiert. Das erste Signal 23 ist dabei zum Beispiel das direkte Echo des Signals 7 und das zweite Signal 25 zum Beispiel das Echo des zweiten Signals 13, das von der Kehle 15 reflektiert worden ist.
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Um nur die Nutzsignale des Sensors 5 auswerten zu können, ist es weiterhin bevorzugt, eine Schwelle 27 vorzugeben, die so gewählt wird, dass das Grundrauschen 21 unterdrückt wird aber Nutzsignale, die durch Reflektion von Objekten 9 entstehen, noch empfangen werden können. Das bedeutet, dass durch die Schwelle 27 Signale mit einer Stärke, die die von der Schwelle 27 vorgegebene Signalstärke unterschreitet, ausgeblendet werden. Sobald aufgrund der Signallaufzeit, wenn kein Echo empfangen wurde, das empfangene Echo so schwach wäre, dass dieses durch die Schwelle 27 ausgeblendet werden würde, kann der bei einer sequentiellen Sendefolge der Sensoren nachfolgende Sensor sein Signal senden. Hierdurch ist eine eindeutige Zuordnung möglich, da nur Signale empfangen werden, die vom jeweils aktiven Sensor gesendet worden sind.
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Durch die Zuordnung von hohen Objekten 9, die tatsächtlich Hindernisse darstellen können aufgrund des empfangenen Doppelechos und das Abbrechen der Aufnahme von Messwerten, sobald ein Objekt 9 detektiert worden ist, ist es möglich, eine schnellere Abtastung durch die Sensoren 5 zu erzielen und damit die Genauigkeit der Erfassung der Umgebung zu erhöhen. Dies führt gleichzeitig zu einer höheren Vermessungsgeschwindigkeit. Dies erlaubt es auch, die Sensoren zur Erfassung der Umgebung auch bei höheren Geschwindigkeiten zu nutzen, da eine höhere Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 1 eine höhere Abtastrate erfordert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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