DE102017208268B3

DE102017208268B3 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102017208268B3
Application number: DE102017208268.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2037-05-18

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands eines Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) mindestens eines Ultraschallsensors (1) des Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei ein Ultraschallsensor (1) des Fahrzeugs mindestens einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus, der sich von dem ersten Betriebsmodus zumindest in einem Betriebsparameter unterscheidet, aufweist. Der Ultraschallsensor wird zur Umfelderfassung in dem ersten Betriebsmodus betrieben. Dieser erste Betriebsmodus kann auch als Normalbetrieb oder Messbetrieb bezeichnet werden. Zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) wird der Ultraschallsensor (1) in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass der Ultraschallsensor eine im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus erhöhte Schallabstrahlung in Richtung der Fahrbahn (12), also des Untergrunds, auf dem das Fahrzeug steht, aufweist. Zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) werden von der Fahrbahn (12) reflektierte Echosignale, sogenannte Bodenechos, der von dem Ultraschallsensor (1) ausgesendeten Ultraschallsignale ausgewertet.

Description

Stand der Technik
Bei im Fahrzeug eingesetzten Umfelderfassungssystemen ist es wünschenswert, die Höhe eines Objektes möglichst genau zu bestimmen und somit festzustellen, ob eine mögliche Beschädigung des Fahrzeugs bei Annäherung an das Objekt vorliegen könnte.
Zur Umfelderfassung im Nahbereich des Fahrzeuges werden typischerweise Ultraschallsensoren oder auch winkelgebende Radarsensoren eingesetzt. Eine Höhenbestimmung setzt in beiden Fällen voraus, dass die Einbauhöhe des Sensors gegenüber der Straße bekannt ist. Zu diesem Zwecke werden die Einbauhöhen für jeden Sensor in der Betriebssoftware der Kontrolleinheit einmalig bei der Fahrzeugapplikation gespeichert.
Durch Beladung des Fahrzeugs können sich die Einbauhöhen der Sensoren signifikant verändern, ohne dass die Betriebssoftware davon Kenntnis hat. Typische Werte der Veränderung durch Beladung sind 8cm bei Einbauhöhen im Bereich 32 bis 50cm, wodurch es in der Berechnung zu großen Fehlern kommt.
Aus der DE 10 2007 025 188 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Sensoren eines Umfelderkennungssystems für Fahrzeuge bekannt, wobei der Erfassungsbereich mindestens eines Ultraschallsensors in Abhängigkeit vom Abstand des Fahrwerks zum Boden gesteuert wird. Der Abstand zum Boden wird via Ermittlung der Beladung des Fahrzeugs mit einem Wegmesssystem am hinteren Stoßdämpfer berechnet.
Üblicherweise sind bei Einparksystemen keine zusätzlichen Sensoren zur Erfassung der Einbauhöhe der Sensoren vorgesehen, so dass der Fehler, der aus der vom Beladungszustand des Fahrzeugs abhängigen Einbauhöhe resultiert, zu akzeptieren ist oder wenn möglich durch andere Algorithmen kompensiert werden muss.
So kann gemäß dem Stand der Technik eine Höhenberechnung bei Systemen ohne vertikale Winkelgebung (z.B. bei Ultraschallsensorsystemen) beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden: Bei mauerartigen Objekten 2 (siehe 1) gelingt eine Höhenbestimmung auch ohne vertikale Winkelinformation wenn mehrere reflektierte Signale, insbesondere zwei reflektierte Signale, eines von der oberen Kante des Objekts und ein weiteres von der unteren Kante (Kehle) des Objektes erfasst werden. Bei bekannter Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1 kann damit aufgrund der Laufzeitdifferenzen zwischen den von der Oberkante des Objekts reflektierten Signalen und der von der Unterkante des Objekts reflektierten Signalen (Kehlenreflex) des Objektes auf die Objekthöhe dh zurückgerechnet werden. Diese Methode kann aber nur bei bestimmten Objektformen, z.B. mit klar definierten Kanten eingesetzt werden. Ferner muss die Einbauhöhe h möglichst genau bekannt sein. Ändert sich die Einbauhöhe h aufgrund des Beladungszustands des Fahrzeugs ist das Verfahren fehlerbehaftet.
Bei Sensoren mit vertikaler Winkelgebung (z.B. Radarsensoren) kann die Objekthöhe aus dem gemessenen Elevationswinkel und der Einbauhöhe des Sensors am Fahrzeug berechnet werden. Durch eine Beladung des Fahrzeugs wird nun nicht nur die Einbauhöhe des Sensors, sondern auch die Neigung des Sensors gegenüber der Straße verändert. Dadurch kommt es zu Verkippungen in einem Winkelbereich von ca. 1–2°, was im Bereich der Genauigkeit eines üblichen winkelgebenden Sensors liegt und damit erheblich die Genauigkeit der Objekthöhenmessung beeinträchtigt.
DE 10 2009 047 284 A1 zeigt ein Verfahren zur Anpassung der Empfindlichkeit von Ultraschallsensoren zur Abstandserkennung von Objekten in einem Fahrzeug, wobei die Empfindlichkeit der Ultraschallsensoren optimal auf die Einbauhöhe der Ultraschallsensoren im Fahrzeug angepasst wird. Um die Einbauhöhe des Ultraschallsensors zu bestimmen, wird der Abstand zwischen Ultraschallsensor und Schnittpunkt der Schallkeule mit dem Boden bestimmt. In Abhängigkeit einer hinterlegten Kennlinie, in der jeweilige Empfindlichkeiten des Ultraschallsensors der Einbauhöhe zugeordnet werden, kann auf die Einbauhöhe geschlossen werden. Die Durchführung der Messung mit dem Ultraschallsensor erfolgt vorzugsweise bei Fahrten mit geringer Geschwindigkeit.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustandes eines Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe mindestens eines Ultraschallsensors des Fahrzeugs anzugeben, das mittels in Einparksystemen verbauten Ultraschallsensoren, also ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Sensoren, durchgeführt werden kann und das unabhängig von der Form eines detektierten Objektes zuverlässig funktioniert. Durch die Bestimmung des Beladungszustandes eines Fahrzeugs bzw. die Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors des Fahrzeugs können Fehler in der Berechnung der Objekthöhe eines mit dem Ultraschallsensor erfassten Objektes korrigiert werden.
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands eines Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe mindestens eines Ultraschallsensors des Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei ein Ultraschallsensor des Fahrzeugs mindestens einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus, der sich von dem ersten Betriebsmodus zumindest in einem Betriebsparameter unterscheidet, aufweist. Der Ultraschallsensor wird zur Umfelderfassung in dem ersten Betriebsmodus betrieben. Dieser erste Betriebsmodus kann auch als Normalbetrieb oder Messbetrieb bezeichnet werden.
Zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe wird der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus derart angesteuert wird, dass der Ultraschallsensor eine im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus erhöhte Schallabstrahlung in Richtung der Fahrbahn, also des Untergrunds, auf dem das Fahrzeug steht, aufweist. Zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe werden von der Fahrbahn reflektierte Echosignale, sogenannte Bodenechos, der von dem Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallsignale ausgewertet.
In einer möglichen Ausführung der Erfindung kann der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus mit höheren Sendefrequenzen betrieben werden, als in dem ersten Betriebsmodus. Dies resultiert in einer Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors, die insbesondere eine oder mehrere Nebenkeulen aufweist. Unter der Abstrahlcharakteristik (auch als Richtcharakteristik bezeichnet) eines Ultraschallsensors soll dabei insbesondere die winkelabhängige Schallabstrahlung und Empfindlichkeit des Ultraschallsensors verstanden werden.
Auf der Hauptachse der Abstrahlcharakteristik engt sich durch die höhere Anregungsfrequenz die Schallabstrahlung und Empfindlichkeit des Ultraschallsensors ein, jedoch bilden sich in den hohen Winkelbereichen Nebenkeulen aus, also Winkelbereiche in denen die Schallabstrahlung und Empfindlichkeit stark ansteigt. Die Schallabstrahlung innerhalb dieser Nebenkeulen ist zwar üblicherweise deutlich geringer als die Schallabstrahlung der sogenannten Hauptkeule, ist aber dennoch stark genug, dass deutliche Echosignale der Nebenkeulen empfangen werden können. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder die Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors durch eine Auswertung von Echosignalen, die diesen Nebenkeulen der dem zweiten Betriebsmodus zugeordneten Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors entstammen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird die Wellenlänge bzw. die Frequenz so eingestellt, dass sich die Nebenkeule unter einem Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung von ca. θ = 90° ausbildet. Da die Hauptabstrahlrichtung üblicherweise parallel zur Fahrbahn ausgerichtet ist, verläuft die Nebenkeule somit im Wesentlichen senkrecht nach unten in Richtung der Fahrbahn. Ein Echosignal, dass durch die Nebenkeule erzeugt wird, repräsentiert damit im Wesentlichen unmittelbar die Einbauhöhe des Ultraschallsensors relativ zur Fahrbahn. Über die Laufzeit des Echosignals lässt sich also direkt die Einbauhöhe des Ultraschallsensors bestimmen, da die detektierten Echosignale von einem Punkt der Fahrbahn direkt unterhalb des Einbauorts des Ultraschallsensors stammen. Für die Detektion des Echosignals können die bekannten Verfahren des aus dem Stand der Technik genutzt werden, z.B. eine Schwellenwertdetektion, also eine Erkennung eines Signals als Echosignal, falls die Signalamplitude oberhalb eines bestimmten, gegebenenfalls laufzeitabhängigen, Schwellenwerts liegt.
Alternativ ist es auch möglich, eine Abstrahlcharakteristik zu verwenden, die eine leicht nach vorne geneigten Nebenkeule aufweist. Eine solche Nebenkeule kann im Vergleich zur senkrechten Nebenkeule eine höhere Leistung der Schallabstrahlung und damit ein größeres und damit noch besser detektierbares Echosignal liefern. Im Falle von nach vorne geneigten Nebenkeulen (θ < 90°) werden ebenfalls Bodenechos gemessen, deren Laufzeiten allerdings nicht unmittelbar der korrekten Einbauhöhe des Ultraschallsensors entsprechen, da die Echosignale nicht von einem Punkt direkt unterhalb des Einbauorts des Ultraschallsensors stammen, sondern von einem Bereich schräg vor dem Ultraschallsensor. Dennoch lässt auch in dieser Ausführung sich der Beladungszustand bzw. die Einbauhöhe des Ultraschallsensors bestimmen, zum Beispiel indem die Veränderung der Echolaufzeit bezogen auf den nicht beladenen Zustand detektiert wird. Bei bekannter Abstrahlcharakteristik kann damit auf die Höhenänderung zurückgerechnet werden. Alternativ zu einer Rückrechnung kann die Höhenänderung in Abhängigkeit der Laufzeitveränderung auch gespeichert vorliegen, z.B. in Form einer Tabelle aus der eine Höhenänderung in Bezug auf einen Standardzustand in Abhängigkeit einer Laufzeit der Bodenechosignale für einen plausiblen Bereich von Höhenänderungen vorgegeben ist. Diese Tabelle kann beispielsweise durch Vorabmessungen der Bodenecholaufzeiten bei vorgegebenen Höhenänderungen bzw. Beladungszuständen an dem jeweiligen Fahrzeug bzw. Fahrzeugtyp einmalig erstellt werden.
Der Sendepuls ist bevorzugt als Festfrequenzpuls mit einer bestimmten Dauer ausgebildet. Besonders bevorzugt sind Pulsdauern von 0.3–2 ms. Die bevorzugte Frequenz ist so gewählt, dass sich ein Verhältnis der Wellenlänge λ zum Membraninnendurchmesser d von λ/d im Bereich von 0,3 bis 0,5 ergibt. Bei typischen Membrandurchmessern ergeben sich so beispielsweise Frequenzen im Bereich von 55 bis 80 kHz. Alternativ kann die Frequenz während der Pulsdauer um eine mittlere Frequenz moduliert werden. Die daraus ergebende mittlere Frequenz bestimmt dann in erster Näherung die Abstrahlcharakteristik.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus mit niedrigeren Sendefrequenzen betrieben, als in dem ersten Betriebsmodus. Die Sendefrequenzen werden insbesondere so gewählt, dass sich eine zumindest annähernd kugelförmige Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors ergibt.
Für den theoretischen Fall einer exakt kugelförmigen Abstrahlung ergibt sich die Einbauhöhe des Ultraschallsensors aus dem Fußpunkt des Bodenechoverlaufs. In der Praxis lässt sich eine kugelförmige Abstrahlung allerdings nur mit hohem Aufwand realisieren, da die Sendefrequenz bei üblichen Ultraschallsensoren robustheits- und designbedingt nicht beliebig abgesenkt werden kann. Typische Werte für die Sendefrequenz üblicher Ultraschallsensoren sind 30 bis 40 kHz. Damit ergibt sich eine Abstrahlcharakteristik die zumindest annähernd kugelförmig ist.
Beiden Ausführungsformen der Erfindung ist gemein, dass sie einen zweiten Betriebsmodus des Ultraschallsensors erfordern, in dem die Abstrahlcharakteristik und damit der Erfassungsbereich des Ultraschallsensors nicht mehr der Abstrahlcharakteristik und damit dem Erfassungsbereich des Normalbetriebs (Messmodus), also des ersten Betriebsmodus entspricht.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite Betriebsmodus den normalen Messbetrieb des Ultraschallsensors möglichst selten unterbricht. So kann der zweite Betriebsmodus zum Beispiel beim Starten des Systems einmal durchfahren werden und dann zyklisch, solange das Fahrzeug steht oder nur eine kleine Geschwindigkeit, beispielsweise kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit von 5 km/h, besitzt, wiederholt ausgeführt werden. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise größer als die Grenzgeschwindigkeit von 5 km/h, kann der zweite Betriebsmodus gänzlich abgeschaltet werden oder beispielsweise nur auf Anforderung eines Steuergeräts des Fahrzeugs durchgeführt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrerassistenzsystem, insbesondere ein Parkassistenzsystem, vorgeschlagen, das mindestens einen Ultraschallsensor umfasst, der ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Umfeld des Fahrzeugs zu empfangen. Außerdem umfasst das Fahrerassistenzsystem eine Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ultraschallsensors und eine Auswerteeinheit zur Auswertung von empfangenen Echosignalen. Das Fahrerassistenzsystem ist ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe des mindestens einen Ultraschallsensors des Fahrzeugs, nach mindestens einer der zuvor beschriebenen Ausführungen auszuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann das Fahrerassistenzsystem mehrere Ultraschallsensoren aufweisen. Diese können beispielsweise an einem Stoßfänger des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Einbauhöhe jedes der Ultraschallsensoren bzw. der Beladungszustand des Fahrzeugs kann nun bevorzugt bestimmt werden, indem das erfindungsgemäße Verfahren bei mehreren, insbesondere bei jedem der Ultraschallsensoren angewandt wird. Durch einen Vergleich der Ergebnisse kann so ein Gesamtergebnis für den Beladungszustand mit einer erhöhten Genauigkeit und Zuverlässigkeit erzielt werden. Dies bietet insbesondere dann Vorteile, wenn es, beispielsweise durch Anbauteile des Fahrzeugs, zu einer Mehrwegeausbreitung der von einem oder mehreren der Ultraschallsensoren abgestrahlten akustischen Signale kommt, so dass mehrere Echos detektiert werden und ohne eine Vergleichsmöglichkeit Mehrdeutigkeiten der Ergebnisse auftreten könnten. Diese mehrdeutigen Signale können durch Vergleich der Ergebnisse verschiedener Ultraschallsensoren deplausibilisiert werden oder für bestimmte Sensorpositionen auch kalibriert werden.
Werden verschiedene Ultraschallsensoren an Heck und Front oder an der rechten Seite und an der linken Seite des Fahrzeugs verwendet und jeweils eine Einbauhöhe bestimmt, kann mittels der Erfindung durch Vergleich der Ergebnisse auch eine Verkippung des Fahrzeugs festgestellt werden. Ist die jeweilige aktuelle Einbauhöhe eines Ultraschallsensors bekannt, so ist auch die Differenz zu einer „normalen“ Einbauhöhe (z.B. vorgegebener Standardwert) bekannt. Daraus kann eine Schräglage des Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn und damit der Verkippungswinkel bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch die Bestimmung der Höhe eines Objektes gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt beispielhaft ein Diagramm der Winkelabhängigkeit der abgestrahlten Schallamplitude eines Ultraschallsensors für verschiedene Anregungsfrequenzen.
3 zeigt schematisch die Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallsensors in einem zweiten Betriebsmodus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt beispielhaft ein Diagramm der Abstandsabhängigkeit der Echo-Amplitude gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt schematisch die Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallsensors in einem zweiten Betriebsmodus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt beispielhaft mehrere Diagramme der Abstandsabhängigkeit der Echo-Amplitude gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente gegebenenfalls verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In 1 ist schematisch die Höhenbestimmung eines mauerartigen Objekts 2 dargestellt. Ein Ultraschallsensor 1 ist in einer bestimmten Einbauhöhe h relativ zu einer Fahrbahn 12 beispielsweise an einem Fahrzeug angeordnet. Der Ultraschallsensor 1 sendet Ultraschallsignale, die an dem Objekt 2 reflektiert werden und als Echosignale von dem Ultraschallsensor 1 empfangen werden. Mittels der Signallaufzeit eines Echosignals und der bekannten Schallgeschwindigkeit kann in bekannter Weise der Weg bestimmt werden, den das Signal vom Objekt 2 zum Ultraschallsensor 1 zurückgelegt und daraus der Abstand des Ultraschallsensor 1 von dem Objekt 2 berechnet werden. Bei mauerartigen Objekten 2 kann außerdem eine Höhenbestimmung des Objekts 2 durchgeführt werden, indem mindestens insbesondere zwei reflektierte Signale, eines von der oberen Kante 2‘ des Objekts und ein weiteres von der unteren Kante 2‘‘ (Kehle) des Objektes erfasst werden. Bei bekannter Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1 kann damit aufgrund der Laufzeitdifferenzen zwischen den von der Oberkante des Objekts reflektierte Signalen und den von der Unterkante des Objekts reflektierte Signalen (Kehlenreflex) des Objektes 2 die Objekthöhe dh berechnet werden. Die Einbauhöhe h muss dazu möglichst genau bekannt sein. Die genaue Bestimmung der Einbauhöhe h kann vorteilhaft gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgen.
Typische Ultraschallsensoren nach dem heutigen Stand der Technik haben sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung eine gerichtete Schallabstrahlung und Empfindlichkeit, nachfolgend als Abstrahlcharakteristik bezeichnet. Typischerweise liegt der horizontale Öffnungswinkel im Bereich von +–60°, der vertikale Öffnungswinkel bei +–30°. Die enge Schallabstrahlung in der Vertikalen wird gewählt, um unerwünschte Bodenreflexionen zu vermeiden, da diese eine höhere Ausblendungsschwelle und damit eine geringere Empfindlichkeit des Sensors bedingen. Der Öffnungswinkel der Schallabstrahlung ist bei derzeit üblichen Ultraschallsensoren mit Membrantopfdesign typischerweise abhängig von dem Verhältnis der Wellenlänge zu Membrantopfdurchmesser. Letzterer ist ein festes geometrisches Designmerkmal des Wandlers und kann naturgemäß während des Betriebs nicht verändert werden. Die Wellenlänge hingegen kann durch die Sendefrequenz beeinflusst werden. Um die typischen oben genannte Öffnungswinkel zu erreichen, werden Ultraschallsensoren 1 mit einem Membranaußendurchmesser von ca. 15mm üblicherweise bei ca. 48 kHz betrieben. Bei höheren Frequenzen ergibt sich eine Verringerung des Öffnungswinkels, bei niedrigeren Frequenzen eine Verbreiterung des Öffnungswinkels.
In 2 ist sind Diagramme der Abstrahlcharakteristik, entsprechend einer Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit eines Ultraschallsensors 1 für verschiedene Sendefrequenzen beispielshaft dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel θ relativ zur Hauptabstrahlrichtung 20 (θ = 0°) des Ultraschallsensors 1 aufgetragen. Auf der y-Achse ist die normierte Echoamplitude aufgetragen. Dies kann beispielsweise als Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 1 für den Empfang eines Echosignals aus einer dem Winkel θ entsprechenden Richtung relativ zur Hauptabstrahlrichtung 20 (θ = 0°) interpretiert werden. Die Kurve 32 entspricht in diesem Beispiel der Abstrahlcharakteristik bei einer Frequenz von 48 kHz. Diese Anregungsfrequenz charakterisiert in diesem Beispiel den ersten Betriebsmodus des Ultraschallsensors 1, also den sogenannten Normalbetrieb oder Messbetrieb, indem Objekte in der Umgebung des Ultraschallsensors 1 bzw. des Fahrzeugs an dem der Ultraschallsensor angeordnet ist, erfasst werden. In dem ersten Betriebsmodus, der zur Erfassung des Umfelds eines Fahrzeugs, an dem der Ultraschallsensor 1 angeordnet ist dient, ist es bevorzugt, wenn die Empfindlichkeit in der Hauptabstrahlrichtung (θ = 0°) groß ist, so dass eine zuverlässige Erkennung von Objekten im Fahrzeugumfeld ermöglicht ist und eine hohe Reichweite gewährleistet ist. Bei größeren Beträgen von θ sollte die Empfindlichkeit abnehmen, um störende Bodenechos zu vermeiden.
Die Kurve 34 entspricht der der Abstrahlcharakteristik bei einer Frequenz von 60 kHz. Diese Anregungsfrequenz charakterisiert in diesem Beispiel den zweiten Betriebsmodus des Ultraschallsensors 1, gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung. In dem zweiten Betriebsmodus, der erfindungsgemäß zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors 1 dient, ist vorgesehen, dass die Empfindlichkeit für größere Werte von θ, insbesondere für θ im Bereich von ±90°, im Vergleich zum ersten Betriebsmodus erhöht ist. Im Beispiel der Kurve 34 ist dies realisiert, indem durch den Betrieb des Ultraschallsensors 1 bei einer im Vergleich zum ersten Betriebsmodus erhöhten Frequenz von 60 kHz Nebenkeulen in der Abstrahlcharakteristik ausgebildet werden, die eine erhöhte Schallabstrahlung in einer Richtung der Fahrbahn 12 bewirken. In der Kurve 32 sind diese Nebenkeulen der Abstrahlcharakteristik durch die Bereiche erhöhter normierter Echoamplitude bzw. Empfindlichkeit in den Winkelbereichen θ ≈ ±(50°–90°) erkennbar.
Die Kurve 36 entspricht der der Abstrahlcharakteristik bei einer Frequenz von 40 kHz. Diese Anregungsfrequenz charakterisiert in diesem Beispiel den zweiten Betriebsmodus des Ultraschallsensors 1, gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung. In dem zweiten Betriebsmodus, der erfindungsgemäß zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors dient, ist vorgesehen, dass die Empfindlichkeit für größere Werte von θ, insbesondere für θ im Bereich von ± 90°, im Vergleich zum ersten Betriebsmodus erhöht ist. Im Beispiel der Kurve 32 ist dies realisiert, indem durch den Betrieb des Ultraschallsensors 1 bei einer im Vergleich zum ersten Betriebsmodus reduzierten Frequenz von 40 kHz eine Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors ausgebildet wird, die sich einer Kugelform annähert. Eine perfekt kugelförmige Abstrahlcharakteristik wäre in der der Darstellung der 2 durch eine konstante, also winkelunabhängige normierte Echoamplitude bzw. Empfindlichkeit repräsentiert. Wie zu erkennen ist, weist die Kurve 36 noch eine gewisse Winkelabhängigkeit auf, diese ist im Vergleich zu den Kurven 34 und 32 jedoch schwächer ausgeprägt. Insbesondere ist die Abstrahlcharakteristik gemäß der Kurve 36 derart ausgebildet, dass eine erhöhte Schallabstrahlung in einer Richtung der Fahrbahn 12 bewirkt wird. In dem Diagramm 36 ist dies durch die Bereiche θ ≈ ±(50°–90°) erkennbar, die einer Schallabstrahlung in Richtung der Fahrbahn 12 entsprechen und die eine im Vergleich zu der Kurve 32 erhöhte normierter Echoamplitude bzw. Empfindlichkeit aufweisen.
In den 3 und 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ultraschallsensors 1, der in einer Einbauhöhe h an einem Fahrzeug(nicht dargestellt) angeordnet ist. Der Ultraschallsensor 1 weist eine Hauptabstrahlrichtung 20 auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Fahrbahn 12 verläuft, wobei das Fahrzeug auf der Fahrbahn 12 steht und die Einbauhöhe h relativ zu der Fahrbahn 12 betrachtet wird. In der 3 ist schematisch eine Abstrahlcharakteristik 13 des Ultraschallsensors 1 gezeigt, wobei der Ultraschallsensor 1 hierbei in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. In dem dargestellten Beispiel der Ultraschallsensor 1 in dem zweiten Betriebsmodus mit einer höheren Sendefrequenz (z.B. 60 kHz) betrieben wird, als in dem ersten Betriebsmodus, derart, dass sich eine Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors ausbildet, die eine Hauptkeule 4 und eine Nebenkeule 3 aufweist. Die Nebenkeule 3 bildet einen Winkel von θ ≈ 90° zur Hauptabstrahlrichtung 20 aus. Der Ultraschallsensor 1 kann demnach in dem zweiten Betriebsmodus ein Echosignal empfangen, das von einem Punkt bzw. Bereich 23 der Fahrbahn 12 reflektiert wurde, der direkt unterhalb des Einbauorts des Ultraschallsensors 1 liegt. Aus der Laufzeit dieses Echosignals kann demnach bei bekannter Frequenz und Schallgeschwindigkeit unmittelbar die Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1 berechnet werden.
Dies ist in 4 verdeutlicht. 4 zeigt ein Diagramm 10, in dem auf der x-Achse der einer Echolaufzeit entsprechende Objektabstand r aufgetragen ist und auf der y-Achse die Echoamplitude A. Die Echoamplitude A wird zeitabhängig von dem Ultraschallsensor 1 empfangen, nachdem der Ultraschallsensor 1 ein akustisches Signal ausgesendet hat. Zu Beginn der Messung ist noch das Ausschwingverhalten des Ultraschallsensor 1 zu beobachten. Bei der Laufzeit, die einem Objektabstand r_h entspricht, wird eine deutliche Spitze 5 der Amplitude gemessen. Diese Spitze 5 entspricht dem Echosignal, das von einem Punkt bzw. Bereich 23 der Fahrbahn 12 reflektiert wurde, der direkt unterhalb des Ultraschallsensors 1 liegt. Der gemessene Abstand r_h entspricht damit der Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1.
Alternativ ist es auch möglich, eine Abstrahlcharakteristik zu verwenden, die eine leicht nach vorne geneigten Nebenkeule aufweist. Eine solche Nebenkeule kann im Vergleich zur senkrechten Nebenkeule eine höhere Leistung der Schallabstrahlung und damit ein größeres und damit noch besser detektierbares Echosignal liefern. Im Falle von nach vorne geneigten Nebenkeulen (θ < 90°) werden ebenfalls Bodenechos gemessen, deren Laufzeiten allerdings nicht unmittelbar der korrekten Einbauhöhe des Ultraschallsensors entsprechen, da die Echosignale nicht von einem Punkt direkt unterhalb des Einbauorts des Ultraschallsensors stammen, sondern von einem Bereich schräg vor dem Ultraschallsensor. Dennoch lässt sich auch in einer solchen Ausführung der Beladungszustand bzw. die Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1 bestimmen, zum Beispiel indem die Veränderung der Echolaufzeit detektiert wird. Bei bekannter Abstrahlcharakteristik kann damit auf die Höhenänderung zurückgerechnet werden. Alternativ zu einer Rückrechnung kann die Höhenänderung in Abhängigkeit der Laufzeitveränderung auch gespeichert vorliegen, z.B. in Form einer Tabelle aus der eine Höhenänderung in Bezug auf einen Standardzustand in Abhängigkeit einer Laufzeit der Bodenechosignale für einen plausiblen Bereich von Höhenänderungen vorgegeben ist. Diese Tabelle kann beispielsweise durch Vorabmessungen der Bodenecholaufzeiten bei vorgegebenen Höhenänderungen bzw. Beladungszuständen an dem jeweiligen Fahrzeug bzw. Fahrzeugtyp einmalig erstellt werden.
In den 5 und 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ultraschallsensors 1, der in einer Einbauhöhe h an einem Fahrzeug(nicht dargestellt) angeordnet ist. Der Ultraschallsensor 1 weist eine Hauptabstrahlrichtung 20 auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Fahrbahn 12 verläuft, wobei das Fahrzeug auf der Fahrbahn 12 steht und die Einbauhöhe h relativ zu der Fahrbahn 12 betrachtet wird. In der 5 ist schematisch eine Abstrahlcharakteristik 14 des Ultraschallsensors 1 gezeigt, wobei der Ultraschallsensor 1 hierbei in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird. In dem dargestellten Beispiel der Ultraschallsensor 1 in dem zweiten Betriebsmodus mit einer niedrigeren Sendefrequenz (z.B. 40 kHz) betrieben wird, als in dem ersten Betriebsmodus, derart, dass sich eine Abstrahlcharakteristik 14 des Ultraschallsensors 1 ausbildet, die zumindest annähernd kugelförmig ist.
Der Ultraschallsensor 1 kann demnach in dem zweiten Betriebsmodus ein Echosignal empfangen, das von einem Punkt bzw. Bereich 24 der Fahrbahn 12 reflektiert wurde, der direkt unterhalb des Einbauorts des Ultraschallsensors 1 liegt. Aus der Laufzeit dieses Echosignals kann demnach bei bekannter Frequenz und Schallgeschwindigkeit unmittelbar die Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1 berechnet werden.
Dies ist in 6 verdeutlicht. 6 zeigt ein Diagramm 40, in dem analog zur Darstellung in 4 auf der x-Achse der einer Echolaufzeit entsprechende Objektabstand r aufgetragen ist und auf der y-Achse die Echoamplitude A aufgetragen ist. Die Echoamplitude A wird zeitabhängig von dem Ultraschallsensor 1 empfangen, nachdem der Ultraschallsensor 1 ein akustisches Signal ausgesendet hat. Die Kurve 16 stellt den erwarteten Amplitudenverlauf dar, wenn eine perfekte Kugelform der Abstrahlcharakteristik 14 zugrunde gelegt wird. Bei der Laufzeit, die einem Objektabstand r_h entspricht, wird eine deutliche Zunahme der Amplitude gemessen. Der Fußpunkt dieses Peaks bei r_h entspricht dem Echosignal, das von einem Punkt bzw. Bereich 24 der Fahrbahn 12 reflektiert wurde, der direkt unterhalb des Ultraschallsensors 1 liegt. Der gemessene Abstand r_h entspricht damit der Einbauhöhe h des Ultraschallsensors 1. Der Fußpunkt lässt sich z.B. aus dem Zeitpunkt der Überschreitung eines, insbesondere laufzeitabhängigen Schwellenwertes 18 des Bodenechoamplitudenverlaufs 16 ermitteln.
Als Folge der in der Praxis nicht perfekten Kugelform der Abstrahlcharakteristik 14 zeigt der in der Kurve 17 dargestellte Bodenechoverlauf einen im Vergleich zur perfekten Kugelform flacheren Anstieg. Die Position des Fußpunktes der Kurve ist abhängig von der Reflektivität der Fahrbahn 12. Die Ermittlung des Fußpunktes kann erfolgen, indem die Abhängigkeit der Bodenreflektivität, beispielsweise durch Normierung auf eine Referenzamplitude kompensiert wird. Die Bodenreflektivität lässt sich für diesen Fall z.B. aus dem Integral der Bodenechoamplituden in einen bestimmten Abstandsbereich über mehrere Sendezyklen ermitteln. Der Fußpunkt kann danach über gängige Methoden aus dem Stand der Technik errechnet werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands eines Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) mindestens eines Ultraschallsensors (1) des Fahrzeugs, wobei ein Ultraschallsensor (1) des Fahrzeugs ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Umfeld des Fahrzeugs zu empfangen, und wobei der Ultraschallsensor (1) zur Erfassung des Umfelds des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird und der Ultraschallsensor zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) in dem zweiten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass der Ultraschallsensor eine im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus erhöhte Schallabstrahlung in einer Richtung einer Fahrbahn (12) aufweist, wobei zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors von der Fahrbahn (12) reflektierte Echosignale ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) in dem zweiten Betriebsmodus mit höheren Sendefrequenzen betrieben wird, als in dem ersten Betriebsmodus, derart, dass sich eine Abstrahlcharakteristik (13) des Ultraschallsensors ausbildet, die insbesondere eine oder mehrere Nebenkeulen (3) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder die Bestimmung der Einbauhöhe (h) des Ultraschallsensors (1) eine Auswertung von Echosignalen mindestens einer der der Nebenkeulen (3) der dem zweiten Betriebsmodus zugeordneten Abstrahlcharakteristik (13) des Ultraschallsensors umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz in dem zweiten Betriebsmodus so gewählt wird, dass sich eine Nebenkeule (3) unter einem Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung (20) des Ultraschallsensors (1) von θ ≈ 90° ausbildet, wobei zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) des Ultraschallsensors (1) die Laufzeit der von der Fahrbahn (12) reflektierten Echosignale der Nebenkeule (3) ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefrequenz in dem zweiten Betriebsmodus so gewählt wird, dass sich eine Nebenkeule unter einem Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung des Ultraschallsensors von θ < 90° ausbildet, wobei zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) des Ultraschallsensors (1) die Laufzeit der von der Fahrbahn (12) reflektierten Echosignale der Nebenkeule (3) ausgewertet werden, insbesondere indem eine Veränderung der Echolaufzeit im Vergleich zu einer Referenzecholaufzeit bestimmt wird und/oder indem eine Höhenänderung aus der Abstrahlcharakteristik (13) des Ultraschallsensors (1) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) in dem zweiten Betriebsmodus ein Signal mit einer bestimmten Dauer, insbesondere im Bereich von 0.3 bis 2ms, und einer konstanten Frequenz oder einer modulierten Frequenz aussendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) in dem zweiten Betriebsmodus mit niedrigeren Sendefrequenzen betrieben wird, als in dem ersten Betriebsmodus, derart, dass sich eine Abstrahlcharakteristik (14) des Ultraschallsensors ausbildet, die zumindest annähernd kugelförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Fahrzeugs der Ultraschallsensor (1) zunächst in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird und ein Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder die Einbauhöhe (h) des Ultraschallsensors erstmals bestimmt wird und dass der Ultraschallsensor (1) zyklisch in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird solange das Fahrzeug steht oder eine Geschwindigkeit unterhalb einer Grenzgeschwindigkeit aufweist, und dass wenn das Fahrzeug eine Geschwindigkeit oberhalb der Grenzgeschwindigkeit aufweist, der Ultraschallsensor (1) in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Fahrzeug eine Geschwindigkeit oberhalb der Grenzgeschwindigkeit aufweist, der Ultraschallsensor (1) in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder auf Anforderung eines Steuergerät des Fahrzeugs für mindestens einen Messzyklus in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
Fahrerassistenzsystem, insbesondere Parkassistenzsystem, umfassend mindestens einen Ultraschallsensor (1) der ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Umfeld des Fahrzeugs zu empfangen, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ultraschallsensors (1) und eine Auswerteeinheit zur Auswertung von empfangenen Echosignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem ausgebildet ist, ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) des mindestens eines Ultraschallsensors des Fahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüchen auszuführen.