DE102014208393B4

DE102014208393B4 - Ultraschall-Abstandsmessung mit Eigenbewegungskompensation

Info

Publication number: DE102014208393B4
Application number: DE102014208393.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Gensler; Thorben Günzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: DE102014208393A1

Abstract

Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug (10), mit einer Abstandsmesseinrichtung (20), die wenigstens einen Ultraschallsensor (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) zum Aussenden eines Ultraschallsignals (12) und Empfangen des an einem Objekt (100) reflektierten Ultraschallsignals (14) und eine Steuereinheit (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, einen Abstandswert (A) zum Objekt (100) für einen Bezugszeitpunkt (T2) unter Berücksichtigung wenigstens eines Merkmals der Eigenbewegung, beispielsweise der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs (10), während dem Aussenden und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals (14) zu berechnen und einen berechneten Abstandswert (A) mit dem Bezugszeitpunkt (T2) zu kennzeichnen und dass- das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist, Abstandswerte (A; AdT) über einen Kommunikationsbus (40) des Fahrzeugs (10) zu empfangen und ermittelten Fahrzeugorten mit Zeitbezug entsprechend dem Bezugszeitpunkt (T2; T2+dT) des Abstandswerts (A; AdT) zuzuordnen.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Ultraschall-Sensorik in Fahrzeugen. Im Besonderen betrifft die Erfindung die Kompensation von Laufzeit-Messfehlern bzw. von fehlerhaften Abstandswerten bei Ultraschallsensoren aufgrund der Eigenbewegung eines Fahrzeugs.
Fahrerassistenzsysteme als Zusatzeinrichtungen für Fahrzeuge zur Unterstützung eines Fahrers beim Führen des Fahrzeuges sind bekannt. Derartige Fahrerassistenzsysteme können unterschiedliche Subsysteme, wie Fahrerinformationssysteme oder prädiktive Sicherheitssysteme umfassen. Für verschiedene Funktionalitäten dieser Subsysteme ist eine entsprechende Sensorik zur Überwachung und/oder Erfassung des Fahrzeugumfelds erforderlich.
Als Umfeldsensoren werden beispielsweise Ultraschallsensoren, wie beispielsweise aus der DE 198 16 456 C1 bekannt, zur Messung von Abständen zu Objekten im Fahrzeugumfeld basierend auf einem Puls-Echo-Verfahren verwendet. Dabei wird vom Sensor innerhalb eines Messzyklus ein Schallsignal ausgesendet, welches von einem Objekt reflektiert wird und als reflektiertes Schallsignal vom Sensor detektiert wird. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Senden des Schallsignals und dem Empfangen des reflektierten Schallsignals, d.h. der Laufzeit des Schallsignals, kann der Abstand zum Objekt bestimmt werden.
Ultraschallsensoren wurden bis vor kurzem im Wesentlichen nur in Parkassistenzfunktionen zur Überwachung des unmittelbaren Umfelds genutzt. D. Kreiß stellt im Fachbeitrag „Ultraschallsysteme als universale Abstandsmessung", in ATZelektronik, 05/2012, Seite 382-385, Springer Automotive Media (2012) dar, wie mit seitlichen und hinteren Ecksensoren beispielsweise ein toter Winkel eines Fahrzeugs überwacht und der Fahrer bei einem Spurwechsel von einer Assistenzfunktion gewarnt werden kann, falls die benachbarte Spur von einem anderen Fahrzeug belegt ist. Zusätzlich können die Sensoren bei langsamen Stadtfahrten kontinuierlich den Fahrweg kontrollieren und in Verbindung mit anderen Assistenzfunktionen bei plötzlich querenden Fußgängern eine Bremsung auslösen.
Die bekannten Anwendungen gehen davon aus, dass die Genauigkeit des Abstandswertes beim Puls-Echo-Verfahren mit Ultraschall im Wesentlichen von der Kenntnis der zum Messzeitpunkt vorliegenden Schallgeschwindigkeit abhängt. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Messfehler aufgrund von Abweichungen wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft von Parametern wie Lufttemperatur, Luftfeuchte und/oder Luftdruck durch verschiedenste Maßnahmen zu kompensieren. Beispiele hierfür zeigen DE 10 2004 016 267 A1 , DE 10 2006 032 542 A1 und DE 10 2011 083 998 A1 .
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die von Ultraschall-Abstandsmesseinrichtungen zur Verfügung gestellten Abstandswerte bei der Weiterverarbeitung in Assistenzfunktionen eines Fahrerassistenzsystems trotz der bekannten Kompensationsmaßnahmen ungenauer sind als erwartet.
Aus der JP H09-090036 A ist ein auf Ultraschall-Messung beruhendes Hindernis-Erkennungssystem für Fahrzeuge bekannt, bei dem die mit einem Ultraschallsensor erfasste Entfernung auf Basis der mit einem Geschwindigkeitssensor ermittelten Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Hindernis um den Einfluss der Geschwindigkeit korrigiert wird.
In der US 6,104,671 A ist ein Ultraschall-Messsystem beschrieben, das beispielsweise zur Vermeidung von Kollisionen in einem Fahrzeug vorgesehen ist und bei dem zur Bestimmung des echten Abstands eines Objekts von dem Messsystem zwei aufeinanderfolgende Signale durch einen Piezo-Transducer ausgesandt und nach der Reflexion an dem Objekt wieder empfangen werden, sowie die relative Geschwindigkeit zwischen den beiden Objekten bestimmt wird. Die tatsächliche Entfernung des Objekts wird dann durch geschwindigkeitsabhängige Modifikation der auf Basis der zweiten Reflexion gemessenen Entfernung bestimmt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ultraschall-Abstandsmesseinrichtung vorzuschlagen, die präzisere Abstandswerte zur Verwendung in einem Fahrerassistenzsystem bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfinder haben u.a. erkannt, dass die Annahme, dass sich der Abstandswert von einem direkten Echo (Sende- und Empfangseinrichtung sind identisch) aus der Hälfte der Laufzeit ergibt, grundsätzlich nur dann stimmt, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt Null ist. Wenn sich das Fahrzeug während der Messung auf das Hindernis zu bewegt oder von diesem entfernt, werden fehlerhafte Abstandswerte berechnet. Das bedeutet, dass bereits zum Ausgabezeitpunkt eines Messergebnisses bei der Weiterverarbeitung in einem Fahrerassistenzsystem ein falscher Abstand zu einem Objekt angenommen wird. Dieser grundsätzlichen Fehlerquelle wurde möglicherweise bisher keine besondere Beachtung geschenkt, da in Park- und Rangiersituationen als bisherige Einsatzbereiche der Ultraschall-Abstandsmessung die Auswirkung der Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs mit weniger als 1 m/s gegenüber der Schallgeschwindigkeit mit 343 m/s bei 20°C nicht relevant war. Dieser Fehler wird jedoch in den neueren Anwendungen mit höheren Eigengeschwindigkeiten des Fahrzeugs größer und somit relevant. Weiter hat sich gezeigt, dass Messwerte trotz Berücksichtigung der Eigenbewegung des Fahrzeugs bei der Verwendung in einer Fahrerassistenzfunktion weiter mit einem unerwartet hohen Fehleranteil behaftet sind.
Die Erfinder haben weiter erkannt, dass die Messwerte aufgrund der Eigenbewegung des Fahrzeugs zusätzlich dadurch fehlerhaft werden, weil sich das Fahrzeug vom Empfangszeitpunkt des reflektierten Schallsignals bis zur Ausgabe des berechneten Abstandswerts über einen Kommunikationsbus des Fahrzeugs an das Fahrerassistenzsystem bereits relativ zum Objekt weiterbewegt hat. D.h., das Fahrerassistenzsystem geht bei der Weiterverarbeitung der übermittelten Abstandswerte zwischen dem Fahrzeug und Objekten im Fahrzeugumfeld von Daten aus, die zum Zeitpunkt des Empfangs des jeweiligen reflektierten Ultraschallsignals korrekt waren, aber zum Zeitpunkt der Übermittlung an das Fahrerassistenzsystem nicht mehr dem tatsächlichen Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt entsprechen. Dieser Messfehler ist umso größer je größer die Relativgeschwindigkeit zum Objekt und je länger die Zeitspanne zwischen dem Empfang der reflektierten Schallwelle an der Abstandsmesseinrichtung und der Ausgabe des berechneten Abstandswerts auf den Kommunikationsbus ist.
Der Lösungsgedanke der Erfindung besteht zum einen darin, die bekannte Ultraschall-Abstandsmessung zu verbessern, indem bei der Ultraschall-Abstandsmessung des Abstands die Relativgeschwindigkeit zwischen Fahrzeug und einem Objekt berücksichtigt wird, wodurch der Einfluss der Relativgeschwindigkeit auf die Abstandsmessung kompensiert wird, und der berechnete Abstandswert zeitlich eindeutig mit einem Bezugszeitpunkt gekennzeichnet wird. Damit wird es einem Fahrerassistenzsystem möglich, welches die ermittelten Abstandswerte weiterverarbeitet, die ermittelten Abstandswerte einem Aufenthaltsort des Fahrzeugs, an dem dieser ermittelte Abstandswert vorlag, richtig zuzuordnen. So kann das Fahrerassistenzsystem ein genaueres Modell des Fahrzeugumfelds, beispielsweise eine Umfeldkarte, als Grundlage für weitere Assistenzfunktionen erstellen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft daher ein Fahrerassistenzsystem mit einer Abstandsmesseinrichtung, die wenigstens einen Ultraschallsensor zum Aussenden eines Ultraschallsignals und Empfangen des an einem Objekt reflektierten Ultraschallsignals und eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist eingerichtet, einen Abstandswert zu einem Objekt für einen Bezugszeitpunkt unter Berücksichtigung wenigstens eines Merkmals der Eigenbewegung, insbesondere der aktuellen Geschwindigkeit, des Fahrzeugs während dem Aussenden und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals zu berechnen und den berechneten Abstandswert mit dem Bezugszeitpunkt zu kennzeichnen. Das Fahrerassistenzsystem ist weiterhin eingerichtet, Abstandswerte über einen Kommunikationsbus des Fahrzeugs zu empfangen und ermittelten Fahrzeugorten mit Zeitbezug entsprechend dem Bezugszeitpunkt des Abstandswerts zuzuordnen.
Da der Abstandswert bei einem Puls-Echo-Verfahren anhand der Laufzeit des Ultraschallsignals ermittelt wird, kann ein Fehler nur durch Korrektur des Laufzeitwerts, entsprechend der Eigenbewegung des Fahrzeugs während der Messung, für einen Bezugszeitpunkt beseitigt werden. Für einen bestimmten Zeitpunkt (Bezugszeitpunkt) kann der korrekte Abstandswert über die entsprechend korrigierte Laufzeit ermittelt werden. Die Auswirkung der Eigenbewegung des Fahrzeugs auf die Genauigkeit des Abstandswerts wird beispielsweise durch Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs während der Abstandsmessung und Festlegung eines Bezugszeitpunktes berücksichtigt.
Der Bezugszeitpunkt ist als Zeitstempel ein eindeutiges Identifikationsmerkmal für einen berechneten Abstandswert. Der Bezugszeitpunkt kann beispielsweise der Reflexionszeitpunkt des Ultraschallsignals am Objekt sein. Der Zeitpunkt der Reflexion kann aus dem Sendezeitpunkt oder dem Empfangszeitpunkt und der korrigierten Laufzeit bestimmt werden. Alternativ ist es auch möglich den Empfangszeitpunkt oder Sendezeitpunkt als Bezugszeitpunkt zu verwenden. Die Kompensation bzw. Korrektur der Laufzeit muss dann dementsprechend erfolgen.
Die Zuordnung eines Bezugszeitpunkts ist weiter von Vorteil, um den Fehler zu kompensieren, der dadurch entsteht, dass sich das Fahrzeug seit dem Empfang des reflektierten Ultraschallsignals bis zur Ausgabe des berechneten Abstandswertes auf den Kommunikationsbus zur Übertragung an das Fahrerassistenzsystem fortbewegt hat.
Entsprechend ist die Steuereinheit weiter eingerichtet, den Abstandswert sowie den Bezugszeitpunkt für einen Zeitpunkt einer Ausgabe des berechneten Abstandswerts auf einen Kommunikationsbus des Fahrzeugs unter Berücksichtigung des wenigstens einen Merkmals der Eigenbewegung, beispielsweise der aktuellen Geschwindigkeit, des Fahrzeugs während der Berechnung des Abstandswertes zum Objekt zum Zeitpunkt des Empfangens des reflektierten Ultraschallsignals bis zur Ausgabe auf dem Kommunikationsbus zu korrigieren. D.h., die Kompensation des Einflusses einer Veränderung des Fahrzeugorts auf den Abstandswert bis zur Ausgabe auf dem Kommunikationsbus wird für den Abstandswert sowie den Zeitstempel durchgeführt. Es versteht sich, dass die Anpassung des Zeitstempels zum gleichen Zeitpunkt wie die Berechnung des zugehörigen angepassten Abstandswerts erfolgen kann.
Damit die Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen dem Aussenden eines Ultraschallsignals an einer Sendeeinheit des Ultraschallsensors und dem Empfang an einer Empfangseinheit des Ultraschallsensors besonders genau erfasst werden kann, erfolgt bevorzugt ein Abgleich der Zeitmessung, beispielsweise zwischen einer Sendesteuerung und einer Empfangssteuerung, mit einer globalen Zeitreferenz, z.B. mittels einer globalen Uhr.
Alternativ zum Zeitstempel kann der berechnete Abstandswert zum Bezugszeitpunkt zum Zeitpunkt der Ausgabe auf den Kommunikationsbus jeweils um einen Pauschalwert korrigiert werden, der unter Annahme einer typischen Zeitspanne zwischen dem Ende der Laufzeitmessung und der Ausgabe auf den Kommunikationsbus des Fahrzeugs sowie der zum Zeitpunkt der Berechnung vorliegenden Fahrzeugbewegung ermittelt wird. Beispielsweise kann der Abstandswert um das Produkt aus aktueller Fahrzeuggeschwindigkeit und typischer Zeitspanne korrigiert werden.
Hier sei noch angemerkt, dass bei der Verarbeitung der Abstandswerte zwischen zwei Ebenen unterschieden werden kann, nämlich zwischen Rohdaten und Objektdaten. Unter Rohdaten sind hier die Abstandswerte zu einem Objekt zu verstehen, z.B. ein bestimmter Abstandswert von einem zugehörigen Ultraschallsensor. Unter Objektdaten ist hier eine verarbeitete Repräsentation von Rohdaten über der Zeit zu verstehen, z.B. ein Geradenabschnitt zwischen zwei bestimmten Punkten (x1; y1) und (x2; y2) in einer Umfeldkarte, die das Fahrerassistenzsystem als Modell des Fahrzeugumfelds erzeugt und fortlaufend mittels neuer Daten von verschiedenen Sensoren aktualisiert. Die Nutzung kompensierter Rohdaten und/oder kompensierter Objektdaten kann je nach Anwendungsfall erfolgen. So können Rohdaten beispielsweise für eine gitterbasierte Fusion von einer Vielzahl von Rohdaten unterschiedlicher Sensoren (z.B. RADAR-Sensoren, LIDAR-Sensoren, optische Sensoren, wie Kameras, etc.) verwendet werden. Objekte werden bevorzugt z.B. zur Bildung von Objektlisten und zum Tracking verwendet.
Das Fahrerassistenzsystem kann weiter eingerichtet sein, Abstandswerte über den Kommunikationsbus zu empfangen und ermittelten Fahrzeugorten mit Zeitbezug entsprechend dem Bezugszeitpunkt dem Abstandswert zuzuordnen. D.h. die Abstandswerte mit Zeitbezug werden Fahrzeugpositionen und zugehörigen Ausrichtungen der Fahrzeuglängsachse mit Zeitbezug zeitrichtig zugeordnet, so dass diese Daten ebenfalls mit einem Zeitstempel versehen sind. Zur Vermeidung von Fehlern bei den Zeitstempeln werden bevorzugt alle Zeitgeber im System mit der Zeitreferenz in Form der o.g. globalen Uhr synchronisiert.
Das Fahrerassistenzsystem ist bevorzugt eingerichtet, Änderungen der Fahrzeugposition und der Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse mittels Odometrie zu verfolgen. D.h., relative Änderungen der Position und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs (Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse) können anhand von Daten des Vortriebsystems nach den bekannten Prinzipien der Odometrie ermittelt werden und für die korrekte Zuordnung zu den ermittelten Abstandswerten ebenfalls eindeutig mit einem Zeitpunkt gekennzeichnet werden. Mit anderen Worten können Fahrzeugpositionen und die jeweilige Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse wie bei einer Koppelnavigation fortgeschrieben und aufgezeichnet werden. Die Odometrie kann bevorzugt und vorteilhaft erfolgen basierend auf: Messdaten des Fahrzeugs aus einem Fahrwerk, insbesondere Raddrehung und Drehrichtung, und/oder von einem Gierratensensor und/oder aus der Lenkung, insbesondere Radlenkwinkel und/oder Lenkradwinkel, und/oder Daten eines GPS-Empfängers.
Das Fahrerassistenzsystem kann weiter eingerichtet sein, basierend auf den Abstandswerten eine Umfeldkarte des Fahrzeugumfelds mit dem Objekt als Basis für Fahrerassistenzfunktionen zu erzeugen und/oder zu aktualisieren.
Das Fahrerassistenzsystem ist bevorzugt eingerichtet, Abstandswerte entsprechend wenigstens einer der folgenden Vorschriften zu verarbeiten: (i) Es wird angenommen, dass Reflexionspunkte des Ultraschallsignals auf einer Sensornormalen des wenigstens einen Ultraschallsensors liegen; d.h. die Sende-/Empfangscharakteristik des Ultraschalsensors kann von der typischen Keulenform zu einer Geraden als Hauptachse der Sende-/Empfangskeule vereinfacht werden; (ii) weiter wird angenommen, dass eine Richtungsänderung der Fahrzeuglängsachse während zweier Messzyklen vernachlässigbar ist, da die Richtungsänderung gegenüber der Keulenbreite (Empfangscharakteristik) der Ultraschallsensoren klein ist; (iii) die Lage eines Reflexionsorts bzw. einer Reflexionskontur kann zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen als konstant angenommen werden; (iv) seitlich zum Fahrzeug liegende Objekte können basierend auf direkten und indirekten Ultraschallmessungen identifiziert werden; (v) der Abstand zu einem seitlichen Objekt kann basierend auf der halben Signallaufzeit berechnet werden; (vi) bei indirekten Echos (d.h., Empfänger ist nicht der Sender) wird ebenfalls die halbe Laufzeit der Abstandsberechnung zugrunde gelegt.
Mithilfe der vorstehenden Annahmen und unter Berücksichtigung der aufgezeichneten zurückgelegten Wege des Fahrzeugs auf Basis der Odometrie können die Rohdaten des wenigstens einen Ultraschallsensors um die Eigenbewegung des Fahrzeugs während der Messung kompensiert werden.
Zwar können die folgenden Größen Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsmessung, d.h. der Aufzeichnung der Fahrzeugorte, haben: (i) Radgeometrie (z.B. aufgrund von Unrundheit, Verschleiß, fehlerhafte Messung des Durchmessers etc.); (ii) aktuelle Bodenbeschaffenheit (z.B. Unebenheit, Schlupf etc.); (iii) Fahrgestellgeometrie (z.B. Spiel, fehlerhafte Messung der Radabstände und Lenkeinrichtungen etc.); (iv) Fahrzeuggewicht (z.B. ungleiche Lastverteilung, wie eine stärkere Belastung und Verformung einzelner Räder etc.); etc. All diese Fehler fließen in die Positionsdifferenz ein, die zum letzten bekannten Fahrzeugort hinzuaddiert wird. Folglich addieren sich diese Fehler mit jedem Messschritt, sodass mit länger dauernder Messung eine immer größere Abweichung entsteht. Diese Regeldifferenz (Schleppfehler) in der odometrischen Positionsberechnung ist praktisch nicht zu vermeiden, auch wenn alle Fehlereinflüsse minimiert werden. Die Auslegung der Regeldifferenz kann auf Basis des Algorithmus je nach Fahrsituation optimiert werden. Trotz dieses der Aufzeichnung der Fahrzeugorte systembedingt anhaftenden Schleppfehlers, wird mit der erfindungsgemäßen Verbesserung bei der Genauigkeit der Abstandswerte eine höhere Güte des Gesamtsystems erreicht.
Das Fahrerassistenzsystem kann weiter eingerichtet sein, Objekte basierend auf unkompensierten Abstandswerten in der Umfeldkarte zu modellieren und eine Kompensation nach der Objektbildung basierend auf den mittels Odometrie verfolgten Änderungen der Fahrzeugposition und der Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse durchzuführen. D.h., es können unkompensierte Rohdaten zur Bildung von Objekten verwendet werden, sodass die Kompensation nach der Objektbildung auf Basis der gespeicherten Daten aus dem Odometriemodell durchgeführt werden kann. Damit wird der zweite Kompensationslauf aus der Abstandsmesseinrichtung in das Fahrerassistenzsystem verlagert, welches grundsätzlich über mehr Rechenleistung verfügt, sodass die Abstandsmesseinrichtung einfacher aufgebaut sein kann.
Objekte können beispielsweise durch Geradenabschnitte mit x,y-Koordinaten in einem Fahrzeugkoordinatensystem repräsentiert werden. Die Kompensation kann dann durch Berücksichtigung der Fahrzeugbewegung über ein Fahrzeugmodell basierend auf der Odometrie durchgeführt werden. Abstände können beispielsweise durch Ermittlung eines jeweils kürzesten Abstands der Fahrzeugkontur des Fahrzeugmodells zur Objektrepräsentation in der Umfeldkarte ermittelt werden. Im Ergebnis erfolgt hier eine Näherung bei der Objektbildung, bei der ein Objekt anhand verschiedener Rohdaten gebildet wird. Die Kompensation des Fehlers, der entsteht, wenn sich das Fahrzeug vom Ende einer Abstandsmessung bis zur Ausgabe des zugehörigen Abstandswerts bewegt, kann basierend auf dem Zeitstempel durchgeführt werden. Dieses Vorgehen ist bspw. bei der Erzeugung einer Freiraumkontur bei Parkvorgängen vorteilhaft, da ein höherer Präzisionsgrad der Abstandsmessung einen optimierten Einparkvorgang gewährleistet.
Die Erfindung eignet sich damit besonders gut als Teil der Umfeldsensorik eines Fahrerassistenzsystems mit unterschiedlichen Subsystemen, etwa einem Einparkassistenten, einer Totwinkelüberwachung oder einem System zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung (Adaptive-Cruise-Control, ACC). Grundsätzlich kann das Fahrerassistenzsystem ein auf Ultraschalldaten basierendes System, wie PMA, aPDC, PDC, RCP sein.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter ausgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwendeten Begriffe „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ beziehen sich auf die Zeichnungen in einer Ausrichtung mit normal lesbarer Figurenbezeichnung bzw. normal lesbaren Bezugszeichen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließend zu verstehen, sondern haben beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns, daher werden bei der Beschreibung bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren.

1 veranschaulicht schematisch eine Abstandsmessung an einem Fahrzeug mittels Ultraschall ohne Relativbewegung zwischen einem Ultraschallsensor und einem Hindernis.
2 veranschaulicht schematisch eine Abstandsmessung mittels Ultraschall an dem Fahrzeug der 1 bei einer Relativbewegung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Hindernis.
3 zeigt das Fahrzeug der 1 und 2 mit einem Fahrerassistenzsystem und einer Abstandsmesseinrichtung mit Ultraschallsensoren in einer Draufsicht.
4 veranschaulicht schematisch die Erstellung einer Freiraumkontur in einer Umfeldkarte des Fahrzeugs der 3 bei einem Parkvorgang.

In den 1 und 2 ist schematisch ein Fahrzeug 10, das in 3 in einer Draufsicht gezeigt ist, in einer Fahrsituation dargestellt, in der sich vor dem Fahrzeug 10 ein Hindernis 100, beispielsweise eine Wand, befindet. Zur Meidung einer Kollision mit dem Hindernis 100 wird der Fahrer von einem Fahrerassistenzsystem unterstützt, das dem Fahrer Abstandsinformationen meldet. Zur Erzeugung der Meldungen an den Fahrer greift das Fahrerassistenzsystem auf eine Datenbasis zurück, die durch eine laufende Fusionierung von verschiedenen Sensordaten einer Umfeldsensorik erzeugt wird. Eine Datenquelle für Sensordaten stellt eine Abstandsmesseinrichtung (20 in 3) des Fahrzeugs 10 dar, die mehrere Ultraschallsensoren aufweist (wie beispielsweise in 3 näher dargestellt). Die einzelnen Ultraschallsensoren (20.1, 20.2, 20.3, 20.4 in 3) senden Ultraschallsignale 12 aus. Anhand des grundsätzlich bekannten Signal-Echo-Verfahrens kann damit fortlaufend der aktuelle Abstand zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Hindernis 100 bestimmt werden.
In der 1 ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Hindernis 100 Null. Der Abstand zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Hindernis 100 beträgt zum Zeitpunkt T0, an dem ein Ultraschallsignal 12 ausgesandt wird, S0. Zum Zeitpunkt T1 wird das Ultraschallsignal an dem Hindernis 100 reflektiert und läuft als reflektiertes Schallsignal 14 vom Hindernis 100 zum Fahrzeug 10 zurück, wo es zum Zeitpunkt T2 als reflektiertes Schallsignal 14* detektiert wird. Die Abstandsmesseinrichtung (20 in 3) kann dann basierend auf einem, vorliegenden Umweltbedingungen (Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck) entsprechend angepassten, Wert für die Schallgeschwindigkeit in Luft und dem Wert der halben Laufzeit des Schallsignals berechnet werden. Wenn beispielsweise die Laufzeit (T2 - T2) gleich 30 ms und der Wert der Schallgeschwindigkeit 330 m/s betragen, ergibt sich der Abstand A = 50 aus der halben Laufzeit sowie der Schallgeschwindigkeit Vus zu 1/2 × 30 ms × 330 m/s ≈ 4,95 m. Es wird angenommen, dass für die Berechnung des Abstands und die Ausgabe auf einen Kommunikationsbus (40 in 3) des Fahrzeugs 10 die Zeitspanne dT benötigt wird. Da sich das Fahrzeug 10 auch während der Zeitspanne dT nicht weiterbewegt hat, gilt für den Abstand des Fahrzeugs 10 zum Hindernis 100 ebenfalls zum Zeitpunkt T2 + dT A_dT = A = S0.
Die von den einzelnen Ultraschallsensoren der Ultraschall-Abstandsmesseinrichtung bestimmten Abstandsdaten werden über den Kommunikationsbus (40 in 3), beispielsweise einem CAN-Bus, des Fahrzeugs 10 einer elektronischen Steuereinheit (30 in 3) zur Verfügung gestellt, in der verschiedene Funktionen des Fahrerassistenzsystem mittels entsprechender Computerprogramme implementiert sind. In der Steuereinheit werden dann die entsprechenden Meldungen zur Ausgabe an den Fahrer erzeugt. Die Meldungen können beispielsweise in akustischer, haptischer oder optischer Form auf einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (nicht gezeigt) des Fahrerassistenzsystems an den Fahrer ausgegeben werden.
2 veranschaulicht wieder die Fahrsituation der 1, wobei sich hier das Fahrzeug 10 auf das Hindernis 100 zubewegt, d.h. die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Hindernis 100 ist relevant. Um einen Fehler bei der Abstandmessung aufgrund der Eigenbewegung des Fahrzeugs 10 zu vermeiden, wird die Eigenbewegung des Fahrzeugs 10 während des Messvorgangs kompensiert, sodass genauere Messdaten vorliegen.
Der Abstand zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Hindernis 100 beträgt zum Zeitpunkt T0, an dem das Ultraschallsignal 12 ausgesandt wird, S0. Zum Zeitpunkt T1 wird das Ultraschallsignal wieder am Hindernis 100 reflektiert und läuft als reflektiertes Schallsignal 14 vom Hindernis 100 zum Fahrzeug 10 zurück, wo es zum Zeitpunkt T2 als empfangenes Schallsignal 14* detektiert wird. Im Vergleich zur 1 hat sich der Abstand vom Fahrzeug 10 zum Hindernis zum Zeitpunkt T2 jedoch auf den Abstand A verringert, d.h. es gilt A < S0. Ein berechneter Abstandwert M, der nach dem herkömmlichen Puls-Echo-Verfahren gemäß der folgenden Formel (1) berechnet wird, wäre fehlerhaft - im vorliegenden Fall zu groß. $M = \frac{T 2 - T 0}{2} V_{U S}$
Zwischen der Laufzeit (T2 - T0) des Ultraschallsignals und dem Abstand 50 zum Zeitpunkt T1 und dem Abstand A zum Zeitpunkt T2 besteht der Zusammenhang (2). $T 2 - T 0 = \frac{2 M}{V_{U S}} = \frac{S o + A}{V_{U S}}$
D.h., zwischen dem berechneten Abstandswert M, dem Abstand 50 zum Zeitpunkt T1 und dem Abstand A zum Zeitpunkt T2 besteht der Zusammenhang (3). $M = \frac{S o + A}{2}$
Ebenso besteht zwischen dem Abstand 50 zum Zeitpunkt T1 und dem Abstand A zum Zeitpunkt T2 unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit V_Fzg. der Zusammenhang (4). $S 0 = A + (T 2 - T 0) V_{F z g .}$
Unter Berücksichtigung von (3) und (4) kann folgende Vorschrift (5) zur Kompensation des herkömmlich berechneten Abstandswerts M, der Fahrzeuggeschwindigkeit V_Fzg. und der Schallgeschwindigkeit Vus zur Bestimmung des korrekten Abstands A zum Zeitpunkt T2 abgeleitet werden. $A = M (1 - \frac{V_{F z g}}{V_{U S}}) = M K$
Wenn beispielsweise die Laufzeit (T2 - T0) gleich 29 ms, der Wert der Schallgeschwindigkeit 330 m/s und die Fahrzeuggeschwindigkeit 10 m/s beträgt, ergibt sich als herkömmlich berechneter Messwert M gemäß (1) 1/2 29 ms 330 m/ s ≈ 4,785 m. Gemäß obiger Vorschrift (5) ist der berechnete Messwert M jedoch mit dem Faktor K = 0,97 = 97% um den Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit V_Fzg. zu kompensieren, d.h. der Abstandswert A beträgt zum Zeitpunkt T2 tatsächlich 4,64 m, d.h. 14,5 cm weniger. Der Abstandswert A wird von der Abstandsmesseinrichtung mit einem Zeitstempel gekennzeichnet, der z.B. der Zeitpunkt T2 sein kann. Es ist auch möglich ein beliebiges Zeitnormal einer globalen Uhr zu verwenden - dabei kommt es nur darauf an, dass der Abstandswert eindeutig zeitlich im Fahrerassistenzsystem und den Assistenzfunktionen des Fahrzeugs 10 identifiziert und nach Bedarf weiterverarbeitet werden kann.
Weiter sei angenommen, dass für die Berechnung des Abstands und die Ausgabe auf den Kommunikationsbus (40 in 3) des Fahrzeugs 10 die Zeitspanne dT, beispielsweise 2 ms benötigt wird. Da das Fahrzeug 10 sich auch während der Zeitspanne dT weiterbewegt hat, gilt für den Abstand des Fahrzeugs 10 zum Hindernis 100 zum Zeitpunkt T2 + dT der Zusammenhang (6). $A_{d t} = M (1 - \frac{V_{F z g}}{V_{U S}}) - d T V_{F z g .}$
D.h., im Endergebnis ist der oben für den Zeitpunkt T2 berechnete Abstandswert für den Zeitpunkt T2 + dT der Ausgabe des Abstandswertes Adt auf den Kommunikationsbus (40 in 3) des Fahrzeugs 10 um weitere 2 cm zu korrigieren, d.h. im vorliegend Fall zu reduzieren.
Vor Ausgabe des Abstandswertes A_dT auf den Kommunikationsbus wird der Zeitstempel T2 zu T2 + dT und der Abstandswert A zu A_dT angepasst. Wenn das Fahrerassistenzsystem die Daten über den Kommunikationsbus empfängt, liegen für die weitere Verarbeitung zuverlässigere, d.h. genauere Abstandsdaten für eine Weiterverarbeitung zum Beispiel zur Erzeugung einer Umfeldkarte als Modell des Fahrzeugumfelds vor.
3 zeigt eine Draufsicht auf das Fahrzeug 10 der 1 und 2 zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Bestandteile der Ultraschallsensorik eines Fahrerassistenzsystems. Im Bereich des vorderen Stoßfängers sind an dem Fahrzeugt 10 vier Ultraschallsensoren 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 angeordnet, die jeweils über Steuer- und Signalleitungen mit einer Abstandsmesseinrichtung 20 verbunden sind. Die Abstandsmesseinrichtung 20 ist für die im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterte Abstandsmessung mit jedem einzelnen der Ultraschallsensoren 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 konfiguriert. Beispielsweise ist der Ultraschallsensor 20.1 leicht von der Fahrzeuglängsachse 11 nach links geneigt. Dies ist auch mit der Sensornormalen 26 verdeutlicht, um die die Sende- und Empfangscharakteristik 24 des Ultraschallsensor 20.1 in Form einer Keule gezeigt ist. Weiter ist ein ausgesendetes Ultraschallsignal 22 als Ultraschallwelle angedeutet. Dies gilt ähnlich für die Ultraschallsensoren 20.2, 20.3, 20.4. Entsprechend den oben erläuterten Vereinfachungen kann mit hinreichender Genauigkeit angenommen werden, dass sich ein Objekt, an dem das Ultraschallsignal 22 reflektiert wird, auf der Sensornormalen 26 befindet. Damit ist die Lage des Reflexionspunktes eines Messzyklus zur Weiterverarbeitung genau spezifiziert.
4 veranschaulicht schematisch die Erstellung einer Freiraumkontur 50 im Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs 10 der 3 bei einem Parkvorgang.
Wie oben erläutert werden Objekte 52.1, 52.2 beispielsweise durch Geradenabschnitte 52.1.1, 52.1.2, 52.1.3, 52.1.4 (Objekt 52.1) und 52.2.1, 52.2.2, 52.2.3, 52.2.4, 52.2.5 (Objekt 52.2) durch x,y-Koordinaten in einem Fahrzeugkoordinatensystem 54 repräsentiert. Bei den Objekten 52.1 und 52.2 kann es sich um Hindernisse, wie Parkplatzeingrenzungen oder Konturen von bereits geparkten anderen Fahrzeugen handeln. Der aktuelle Fahrzeugort ist mit dem Fahrzeug 10 gezeigt, das mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Der Fahrzeugort der angestrebten Parkposition ist mit dem Phantomfahrzeug 10* gezeigt, das mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Ausrichtung des Fahrzeugs 10 ist durch die Längsachse 11 des Fahrzeugs 10 veranschaulicht. Die Längsachse 11* des Phantomfahrzeugs 10* dient als Richtungsreferenz für die Parkposition sowie zur Bestimmung eines idealen Heading-Winkels einer Parkgeraden 58 für den Parkvorgang.
Mit Bezug zum Fahrzeugkoordinatensystem 54 bestimmt das Fahrerassistenzsystem die aktuelle Querablage 56 zur Parkgeraden 58, einen aktuellen minimalen Abstand 60.1 und einen zugehörigen Heading-Winkel 60.2 zur rechten Parkflächenbegrenzung 60.3 der Freiraumkontur 50 sowie einen aktuellen minimalen Abstand 62.1 und einen zugehörigen Heading-Winkel 62.2 zur linken Parkflächenbegrenzung 62.2 der Freiraumkontur 50. Basierend auf diesen Informationen kann ein Parkassistenzfunktion des Fahrerassistenzsystems dem Fahrer auf einer zentralen Anzeige im Fahrzeug oder einem Headup-Display Lenkhilfen anzeigen bzw. eine Parkpilotassistenzfunktion das Fahrzeug 10 unter Aufsicht und Kontrolle des Fahrers selbsttätig in die Parklücke steuern. Der eigentliche Betrieb der Assistenzfunktion ist hier jedoch nicht Gegenstand und wird daher nicht im Einzelnen erläutert. Die hier vorgeschlagenen Verbesserungen betreffen die Ultraschallsensorik, die als eine Sensorgattung zur Abstandsmessung als eine Rohdatenquelle für die Modellierung des Fahrzeugumfelds, beispielsweise in Form einer Umfeldkarte, durch das Fahrerassistenzsystem verwendet werden können.
Im Szenario der in der 4 dargestellten Parksituation kann die Kompensation der Abstandsmesswerte durch Berücksichtigung der Fahrzeugbewegung während des Parkvorgangs über ein Fahrzeugmodell basierend auf der Odometrie durchgeführt werden. Dabei wird die Änderungen der Fahrzeugposition und der Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse 11 mittels Odometrie verfolgt. Die Odometrie wird dabei basierend auf Messdaten aus dem Fahrwerk, wie Raddrehung und Drehrichtung, und von einem Gierratensensor und der Lenkung, wie dem Radlenkwinkel oder dem Lenkradwinkel, und Daten eines GPS-Empfängers durchgeführt.
Die mittels der in der 3 veranschaulichten Abstandsmesseinrichtung fortlaufend erfassten Abstände können beispielsweise durch Ermittlung eines jeweils kürzesten Abstands der Fahrzeugkontur des Fahrzeugmodells zu Objektrepräsentationen in der Umfeldkarte ermittelt werden. Im Ergebnis erfolgt dabei eine Näherung bei der Objektbildung, bei der ein Objekt 52.1, 52.2 anhand verschiedener Rohdaten gebildet wird. Die Kompensation des Fehlers, der entsteht, wenn sich das Fahrzeug 10 vom Ende einer Abstandsmessung (Messzyklus) bis zur Ausgabe des zugehörigen Abstandswerts bewegt, wird basierend auf dem Zeitstempel durchgeführt, der dem jeweiligen Abstandswert durch die Abstandsmesseinrichtung 20 zugeordnet wurde. Aufgrund der verbesserten Präzision der hier vorgeschlagenen Abstandsmessung kann der Einparkvorgang optimiert werden.

Claims

Fahrerassistenzsystem für ein Fahrzeug (10), mit einer Abstandsmesseinrichtung (20), die wenigstens einen Ultraschallsensor (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) zum Aussenden eines Ultraschallsignals (12) und Empfangen des an einem Objekt (100) reflektierten Ultraschallsignals (14) und eine Steuereinheit (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, einen Abstandswert (A) zum Objekt (100) für einen Bezugszeitpunkt (T2) unter Berücksichtigung wenigstens eines Merkmals der Eigenbewegung, beispielsweise der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs (10), während dem Aussenden und dem Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals (14) zu berechnen und einen berechneten Abstandswert (A) mit dem Bezugszeitpunkt (T2) zu kennzeichnen und dass - das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist, Abstandswerte (A; A_dT) über einen Kommunikationsbus (40) des Fahrzeugs (10) zu empfangen und ermittelten Fahrzeugorten mit Zeitbezug entsprechend dem Bezugszeitpunkt (T2; T2+dT) des Abstandswerts (A; A_dT) zuzuordnen.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) weiter eingerichtet ist, den berechneten Abstandswert (A) sowie den Bezugszeitpunkt (T2) für einen Zeitpunkt (T2+dT) einer Ausgabe des berechneten Abstandswerts (A) auf den Kommunikationsbus (40) unter Berücksichtigung des wenigstens einen Merkmals der Eigenbewegung, während der Berechnung des Abstandswertes (A) zum Objekt (100) zum Zeitpunkt (T2) des Empfangens des reflektierten Ultraschallsignals (14) bis zur Ausgabe auf dem Kommunikationsbus (40), zu korrigieren.
Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist, Änderungen der Fahrzeugposition und der Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse mittels Odometrie zu verfolgen.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Odometrie erfolgt basierend auf: Messdaten des Fahrzeugs aus einem Fahrwerk und/oder Messdaten von einem Gierratensensor und/oder aus der Lenkung, insbesondere Radlenkwinkel und/oder Lenkradwinkel, und/oder Daten eines GPS-Empfängers.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten aus dem Fahrwerk die Raddrehung und Drehrichtung umfassen.
Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist basierend auf den Abstandswerten (A; A_dT) eine Umfeldkarte des Umfelds des Fahrzeugs mit dem Objekt (100) als Basis für Fahrerassistenzfunktionen zu erzeugen und/oder zu aktualisieren.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist, Abstandswerte (A; A_dT) entsprechend wenigstens einer der folgenden Vorschriften zu verarbeiten, wonach: - Reflexionspunkte des Ultraschallsignals (12, 14) auf einer Sensornormalen (26) des wenigstens einen Ultraschallsensors (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) liegen, - eine Richtungsänderung der Fahrzeuglängsachse (11) während zweier Messzyklen vernachlässigbar ist, - die Lage eines Reflexionsorts bzw. einer Reflexionskontur sich nicht wesentlich zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen ändert, und - seitlich zum Fahrzeug (10) liegende Objekte basierend auf direkten und indirekten Ultraschallmessungen identifiziert werden können, wobei der Abstand zu einem seitlichen Objekt basierend auf der halben Signallaufzeit bestimmt wird.
Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem eingerichtet ist, Objekte basierend auf unkompensierten Abstandswerten in einer Umfeldkarte zu modellieren, und eine Kompensation nach einer Objektbildung basierend auf mittels Odometrie verfolgten Änderungen der Fahrzeugposition und der Ausrichtung der Fahrzeuglängsachse (11) durchzuführen.
Fahrerassistenzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem ein auf Ultraschalldaten basierendes System, wie PMA, aPDC, PDC, RCP ist.
Fahrzeug (10), insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.