DE102018121543A1

DE102018121543A1 - Prüfstand und Verfahren zum Test von ultraschallbasierten Abstandsmesssystemen

Info

Publication number: DE102018121543A1
Application number: DE102018121543.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Michalski; Haitz Aguirre Urizar
Original assignee: Dspace GmbH; Dspace Digital Signal Processing and Control Engineering GmbH
Current assignee: Dspace GmbH
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Prüfstand mit wenigstens einer echtzeitfähigen Recheneinheit zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems, wobei auf der Recheneinheit ein Umgebungsmodell vorgehalten ist, wobei das Abstandsmesssystem eine Steuereinheit und eine Ultraschallsensoreinheit aufweist, wobei die Ultraschallsensoreinheit dazu eingerichtet ist, ein Abtastsignal auszusenden, und ein an einem Objekt reflektiertes Echosignal zu detektieren, und die Steuereinheit eingerichtet ist, aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Echosignals den Abstand des Objekts von der Ultraschallsensoreinheit zu ermitteln, wobei die Ultraschallsensoreinheit eine Blindabstand aufweist, in dem der Abstand des Objekts nicht ermittelt werden kann, und wobei die Steuereinheit mittels eines Signalübertragungssystems mit der Ultraschallsensoreinheit und der wenigstens einen Recheneinheit verbunden ist, und die Steuereinheit über das Signalübertragungssystem ein erstes Triggersignal wenigstens an die Ultraschallsensoreinheit und die echtzeitfähige Recheneinheit sendet, um eine Abstandsmessung auszulösen, wobei die echtzeitfähige Recheneinheit einen Eingang aufweist, der eingerichtet ist das erste Triggersignal von der Steuereinheit zu empfangen, und einen Ausgang, der eingerichtet ist nach einer Verzögerungszeit ist ein zweites Triggersignal an einen Echosignalsensor auszusenden, und wobei der Echosignalsensor eingerichtet ist nach Empfang des zweiten Triggersignals nach einer Verzögerungszeit ein Echosignal zur Simulation eines Objekts aussendet, wobei die Verzögerungszeit proportional zum Abstand des simulierten Objekts zur Ultraschallsensoreinheit ist, und wobei der Echosignalsensor innerhalb des Blindabstands der Ultraschallsensoreinheit platziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand mit wenigstens einer echtzeitfähigen Recheneinheit zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems.
Ultraschallbasierte Abstandsmesssysteme sind üblicherweise mit einem Ultraschallsensoreinheit und einer Steuereinheit ausgestattet. Eine Ultraschallsensoreinheit umfasst dabei eine Ultraschallerzeugungseinrichtung, die ausgestaltet ist, Ultraschallpulse auszusenden, und die dabei ebenfalls ausgestaltet ist, Ultraschallpulse zu registrieren. Die Erzeugungseinrichtung kann also auch als Empfangseinrichtung eingesetzt werden. Darüber hinaus verfügen diese Abstandsmesssysteme über eine Steuereinheit, welches die durch die Ultraschallsensoreinheit gesammelten Messdaten verarbeitet.
Im Stand der Technik bekannt sind Prüfstände, welche einen Test von Abstandsmesssystemen mittels HIL-Simulation durchführen. Die Evaluierung dieser Steuergeräte findet häufig mittels HIL - Test in einem offenen (Open-Loop) oder geschlossenen (Closed-Loop) System statt. In beiden Fällen wird die Umgebung des oder der zu testenden Steuergeräte durch eine Simulation abgebildet, eventuell vorhandene Sensoren werden bis zu einem gewissen Punkt der Wirkkette ebenfalls simuliert. Die Simulation findet auf einem Rechnersystem statt, dass je nach Anwendungsfall mit Recheneinheiten und echtzeitfähigen Betriebssystemen ausgestattet ist, oder auch über leistungsfähige GPUs und FPGAs verfügen kann. Bei diesem Rechnersystem spricht man in der Regel und im Folgenden von einem Simulator.
In der offenen Variante wird entweder ein Prototyp des Steuergeräts - also ein real vorhandenes Steuergerät - oder ein simuliertes Steuergerät über eine geeignete Schnittstelle mit den durch die Simulation künstlich erzeugten Sensordaten stimuliert und überprüft, ob die Ausgabe des Steuergeräts bzw. des zu testenden Algorithmus auf dem simulierten Steuergerät den Erwartungen entspricht. In der geschlossenen Variante wird der Wirkungskreis über das Steuergerät geschlossen, d.h. die Ausgabe des zu testenden Steuergeräts wird wieder an den Simulator zurück gespielt und kann dort den Zustand der Simulation beeinflussen. Eventuell verlangt das zu testende Steuergerät Ausgabedaten weiterer, zum Testzeitpunkt nicht verfügbarer Steuergeräte zurück. Diese können dann durch eine Restbussimulation eingebunden werden. Ziel eines solchen Closed-Loop-Systems ist, dem zu testenden Steuergerät den Eindruck zu verschaffen, es wäre in ein echtes Fahrzeug verbaut, in der realen Umgebung unterwegs und das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten zu evaluieren.
Um solche Abstandsmesssysteme im HIL-Test zu testen, ohne den Sensor in die echte Umweltumgebung zu bringen wird die Umwelt durch eine Simulation abgebildet und dem Steuergerät vorgetäuscht, es detektiere Signale von dieser simulierten Umwelt. Dafür kann ein Modell einer Umgebungsszene erstellt werden, in der die Reaktion des Ultraschallsensors getestet werden soll. Dieses Modell enthält dann dynamische Modellobjekte - wie zum Beispiel bewegte Fahrzeuge - und/oder statische Modellobjekte - wie zum Beispiel Leitplanken oder stehende Fahrzeuge. Diese befinden sich - aus Sicht der zu testenden Ultraschallsensoreinheit- im Modell in einem festgelegten Abstand von der zu testenden Ultraschallsensoreinheit. Dieses Modell wird dann durch den Simulator ausgeführt und somit wird die Umgebungsszene simuliert. Die Simulation wird durch eine Recheneinheit auf dem Simulator ausgeführt.
In manchen Fällen ist vorgesehen, dass die Simulation gewisse Echtzeitbedingungen erfüllt. Dies ist erforderlich, weil das Steuergerät an seinem Bestimmungsort - im Fahrzeug - in Interaktion mit der Umwelt steht und auf diese reagieren muss. Der Simulator muss daher die durch die Simulation errechneten Ausgabedaten in Reaktion auf die Eingabedaten des Steuergeräts innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls - häufig im einstelligen Millisekunden Bereich - liefern.
Es ist bereits bekannt, dass die Ausgabe einer solchen Simulation ein Rohsignal des Ultraschallsensors sein kann. Unter einem Rohsignal verstehe man in diesem Zusammenhang den Messwert, den die Ultraschallsensoreinheit intern weiterverarbeitet, also zum Beispiel die Spannung, die an der Membran gemessen wird. So kann ein Test des Abstandsmesssystems so aussehen, dass man im Rahmen einer Simulation solche Rohsignale erzeugt, welches die Reflektionen an Modellobjekten abbilden. Diese würden dann in die Steuereinheit eingespeist, wo sie weiter verarbeitet werden. Damit kann der interne Algorithmus der Steuereinheit eines Abstandsmesssystems daraufhin getestet werden, ob er die angedachte Reaktion auf die simulierte Umwelt zeigt. Hierbei wird jedoch auf einen Test des Gesamtsystems verzichtet, da die Ultraschallsensoreinheit, also der Schallgeber der die physikalischen Signale erzeugt und empfängt, nicht mit in den Test eingebunden wird. Dadurch ist diese Form des Tests nicht aussagekräftig genug und damit nachteilig.
Um auch die Ultraschallsensoreinheit zu testen, muss die Ausgabe der Simulation des Umgebungsmodells in Form der Signale erfolgen, die die Ultraschallsensoreinheit aussendet - also in Form von Ultraschallimpulsen. Manchmal wird eine solche Vorgehensweise „over-the-air“ genannt, da die Stimulation des zu testenden Sensor durch die Übertragung eines simulierten Signals „über die Luft“ erfolgt. Dafür bedient man sich eines oder mehrerer Echosignalsensoren, in welche das Ergebnis der Simulation - hier also eine errechnete Reflektion des Abtastsignals an den Modellobjekten eingekoppelt wird. Diese Echosignalsensoren werden in dem Detektionsbereich des zu testenden Abstandsmesssystems platziert und so ausgerichtet, dass die Ausgabe der Echosignale von der Ultraschallsensoreinheit des Abstandsmesssystems registriert werden kann.
Auf der Recheneinheit des Simulators wird dann der Zeitpunkt zur Aussendung eines Echosignals berechnet. Dieser Zeitpunkt muss so gewählt werden, dass ein zu dieser Zeit ausgesendetes Echosignal so an dem zu testenden Abstandsmesssystem ankommt, dass dieses mittels der Steuereinheit einen Abstand des simulierten Modellobjekts berechnet, der durch das Umgebungsmodell vorgegeben ist.
Da das Abstandsmesssystem periodisch Abtastsignale aussendet, muss eine Synchronisation dieses Abtastzyklus mit der Simulation des Umgebungsmodells sichergestellt werden. Das zu testende Abstandsmesssystem triggert mit einem ersten Triggersignal die Ultraschallsensoreinheit um eine Abstandsmessung auszulösen. Dieses Triggersignal wird mittels eines Signalübertragungssystems auch an die Recheneinheit gesendet, wo es in der Simulation des Umgebungsmodells verwendet werden kann. Die Recheneinheit berechnet dann den Zeitpunkt, zu dem eine Aussendung des Echosignals erfolgen soll. Damit ist eine Verzögerungszeit gemeint, die abgewartet werden muss bis das Echosignal gesendet werden kann.
Der Abstand der Echosignalsensoren zum Abstandsmesssystem kann dabei grundsätzlich so herunterskaliert werden, dass ein Test im Labormaßstab möglich ist. Der wahre Abstand zwischen den jeweiligen Schallgebern muss dabei lediglich in der Simulation berücksichtigt werden. Der Nachteil dieser Vorgehensweise wiegt schwer: Die Echosignalsensoren befinden sich im Detektionsbereich der Ultraschallsensoreinheit und erzeugen damit erhebliche Störsignale. Eine sinnvolle Stimulation mit aussagekräftigen Testergebnissen ist damit unmöglich, da die Steuereinheit stets falsche Ergebnisse liefern wird - sie wird nämlich die Echosignalsensoren selbst als Umgebungsobjekte identifizieren. Der einzige Ausweg ist, die Echosignalsensoren auf beweglichen Schienensystem oder ähnlichem zu montieren und diese in den echten, durch das Umgebungsmodell berechneten Abständen zu installieren und zu bewegen. Diese Art von Simulationsaufbau ist sehr aufwändig und kostspielig, da große Hallen benötigt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, den Stand der Technik weiterzubilden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem Prüfstand mit wenigstens einer echtzeitfähigen Recheneinheit zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems, wobei auf der Recheneinheit ein Umgebungsmodell vorgehalten ist, wobei das Abstandsmesssystem eine Steuereinheit und eine Ultraschallsensoreinheit aufweist, wobei die Ultraschallsensoreinheit dazu eingerichtet ist, ein Abtastsignal auszusenden, und ein an einem Objekt reflektiertes Echosignal zu detektieren, und die Steuereinheit eingerichtet ist, aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Echosignals den Abstand des Objekts von der Ultraschallsensoreinheit zu ermitteln, wobei die Ultraschallsensoreinheit eine Blindabstand aufweist, in dem der Abstand des Objekts nicht ermittelt werden kann, und wobei die Steuereinheit mittels eines Signalübertragungssystems mit der Ultraschallsensoreinheit und der wenigstens einen Recheneinheit verbunden ist, und die Steuereinheit über das Signalübertragungssystem ein erstes Triggersignal wenigstens an die Ultraschallsensoreinheit und die echtzeitfähige Recheneinheit sendet, um eine Abstandsmessung auszulösen, wobei die echtzeitfähige Recheneinheit einen Eingang aufweist, der eingerichtet ist das erste Triggersignal von der Steuereinheit zu empfangen, und einen Ausgang, der eingerichtet ist nach einer Verzögerungszeit ist ein zweites Triggersignal an einen Echosignalsensor auszusenden, und wobei der Echosignalsensor eingerichtet ist nach Empfang des zweiten Triggersignals nach einer Verzögerungszeit ein Echosignal zur Simulation eines Objekts aussendet, wobei die Verzögerungszeit proportional zum Abstand des simulierten Objekts zur Ultraschallsensoreinheit ist, und wobei der Echosignalsensor innerhalb des Blindabstands der Ultraschallsensoreinheit platziert ist.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems mittels eines Prüfstands, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen eines Umgebungsmodells, wobei das Umgebungsmodell wenigstens ein Modellobjekt enthält, mittels der Recheneinheit, Berechnen des Abstands des wenigstens einen Modellobjekts zu wenigstens einem zu testenden Abstandsmesssystem, Umrechnen des Abstands in eine Laufzeit eines Ultraschallimpulses, Umrechnen der Laufzeit in eine Verzögerungszeit, um die die Aussendung eines Echosignals verzögert werden soll, Erhalten, durch den ersten Eingang der Recheneinheit, eines ersten Triggersignals von dem zu testenden Abstandsmesssystem, Aussenden, durch den Ausgang der Recheneinheit, eines zweiten Triggersignals an den Echosignalsensor zum Auslösen eines simulierten Echosignals nach Ablauf der Verzögerungszeit; und überprüfen, ob das Abstandsmesssystem nach Detektion des Echosignals den Abstand ermittelt, der durch das Umgebungsmodell berechnet wurde.
Zur Lösung der Aufgabe macht die Erfindung sich eine prinzipbedingte Eigenschaft von ultraschallbasierten Abstandsmesssystemen zunutze. Dabei arbeitet ein solches Abstandsmesssystem wie folgt: es sendet periodisch ein Abtastsignal aus. Dieses Signal wird von der Ultraschallsensoreinheit produziert, welche eine Art schwingfähige Membran umfasst. Im Sendebetrieb funktioniert die Ultraschallsensoreinheit nach dem Lautsprecherprinzip. Dabei wird ein kurzer Ultraschallimpuls mit einer Frequenz im Ultraschallbereich auf die Membran eingekoppelt. Dieser breitet sich dann mit Schallgeschwindigkeit in den Detektionsbereich aus, wo er an Objekten in der Umgebung reflektiert wird. Danach schaltet die Ultraschallsensoreinheit in den Empfangsbetrieb, wobei das an den Objekten reflektierte Abtastsignal auf die Membran trifft und dort registriert wird. Im Empfangsbetrieb arbeitet die Ultraschallsensoreinheit also nach dem Mikrofonprinzip. Aus der Laufzeit des Abtastsignals vom Senden bis zum Empfang nach einer Reflektion und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) kann dann durch die angeschlossene Steuereinheit der Abstand der Ultraschallsensoreinheit zum Objekt ermittelt werden.
Nachdem die Ultraschallsensoreinheit dem Ultraschallimpuls ausgesendet hat, braucht sie eine materialspezifische Zeit bis die Membran zur Ruhe gekommen ist. Während dieser Abklingzeit kann die Ultraschallsensoreinheit prinzipbedingt keine Ultraschallsignale oder Ultraschallimpulse empfangen. Nach Vergehen der Abklingzeit schaltet die Ultraschallsensoreinheit dann in den Empfangsbetrieb, wobei sie wie oben beschrieben das reflektierte Abtastsignal empfangen kann.
Die Abklingzeit entspricht einer Entfernung eines fiktiven Objekts zur Ultraschallsensoreinheit. Bei dieser Entfernung spricht man von einem Blindabstand (manchmal auch Blindzone genannt). In diesem Blindabstand können sich Objekte befinden, ohne dass das an ihnen reflektierte Abtastsignal durch die Ultraschallsensoreinheit registriert wird. Weitere Details zur Funktionsweise von Ultraschallsensoreinheiten kann in einschlägiger Fachliteratur nachgelesen werden.
Ein Beispiel für einen Blindabstand ist das folgende: Ist die Abklingzeit der Sensoreinheit 1,2 ms, wäre der Blindabstand entsprechend 20 cm. Dieser Blindabstand ergibt sich aus D= (1,2 ms *340m/s)/2, wobei D der Blindabstand ist und die Schallgeschwindigkeit v in Luft bei 20 °C Umgebungstemperator 343,5 m/s beträgt.
In dem erfindungsgemäßen Prüfstand und Verfahren ist daher vorgesehen, dass der Echosignalsensor oder die Echosignalsensoren innerhalb des Blindabstands der Ultraschallsensoreinheit des Abstandsmesssystems angeordnet werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein Simulationsaufbau mit stark herunterskalierten Abständen realisiert werden kann, ohne dass verfälschende Reflektionen an den Echosignalsensoren erfolgen.
Das System ist weiterhin so aufgebaut, dass die Recheneinheit einen Eingang aufweist, über den das vom Abstandsmesssystem ausgesendete erste Triggersignal an die Recheneinheit gesendet werden kann. Diese ist dazu eingerichtet eine Verzögerungszeit zu berechnen, die dem Abstand eines Modelobjekts zum Abstandsmesssystem entspricht. Außerdem ist sie weiterhin dazu eingerichtet, nach dieser Verzögerungszeit ein zweites Triggersignal an den Echosignalsensor abzugeben, welcher dieses als Startsignal zur Aussendung eines Echosignals auffasst.
Zur Berechnung der Verzögerungszeit kann ein mit dem Umgebungsmodell berechneter Abstand in eine Laufzeit umgerechnet werden, gemäß: $s = v * t / 2.$
$v = 340 m / s (v_Schall)$
$(s * 2) / v = t$
Darin bezeichnen s den berechneten Abstand des Modellobjekts zum Abstandsmesssystem, v die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Ultraschallimpulses im betreffenden Medium (hier: Luft), und t die zu berechnende Verzögerungszeit.
Die Erfindung ist relevant für Tests von ultraschallbasierten Abstandsmesssystemen in folgenden Szenarien:

a) Integrationstests insbesondere bei Absicherung eines gesamten Steuergeräteverbundes
b) Absicherung der Steuergeräte-Interaktion in Bezug auf die Messdatenerfassung per Ultraschallsensorik. Anwendungsfälle finden sich im Bereich der Fahrerassistenzsysteme bzw. im Bereich des automatisierten Fahrens.
c) Funktionstest von PDC-Systemen (Park Distance Control), das heißt Parkassistenzsysteme mit Ultraschallsensoren.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Umgebungsmodell auf einem HIL-Simulator ausgeführt wird. Das Umgebungsmodell bildet eine zu Testzwecken definierte Szene ab oder wurde aus einer zuvor aufgenommenen Straßenszene generiert. Wichtig ist nur, dass in diesem Umgebungsmodell Modellobjekte enthalten sind, denen die ihre jeweiligen, durch das Umgebungsmodell vorgegebenen Abstände zum Abstandsmesssystem zugeordnet sind. Eine Aufgabe der HIL-Simulation ist dann das Berechnung einer Verzögerungszeit, um welche das Aussenden des Echosignals verzögert wird. Diese wird so dimensioniert, dass das Echosignal zu dem Zeitpunkt nach Aussenden des ersten Triggersignals durch die Ultraschallsensoreinheit registriert werden kann, dass der Abstand des durch das Abstandsmesssystem detektierten Objekts dem Abstand des durch das Umgebungsmodell vorgegebenen Modellobjekts zum Abstandsmesssystem entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ausführung des Umgebungsmodells auf zwei Recheneinheiten aufgeteilt wird. Das kann beispielsweise eine CPU-basierte Recheneinheit wie ein Mikroprozessor sein und eine auf programmierbare Logikhardware basierende Recheneinheit wie ein FPGA oder ASIC. Weitere Kombinationen sind denkbar. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung des Prüfstands ist, dass die Verzögerungszeit sehr schnell durch einen Prozessor berechnet werden kann, und die Ausgabe des berechneten Wertes an den Echosignalsensor durch einen FPGA zeitökonomisch erfolgen kann. Dafür rechnet der Prozessor die Verzögerungszeit in ein ganzzahliges Vielfaches der Verarbeitungstaktrate des FPGAs um, damit dieser die Verzögerungszeit weiter verarbeiten kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Prüfstand auch das Abtastsignal, welches das Abstandsmesssystem aussendet, empfängt und analysiert. Dazu empfängt der Echosignalsensor das Abtastsignal und leitet es zur Analyse weiter an eine der Recheneinheiten. Die Recheneinheit kann dann eine Fast-FourierTransformation an dem empfangenen Abtastsignal vornehmen, wobei die Berechnung Echtzeitbedingungen erfüllt. Damit lässt sich die Mittenfrequenz des Abtastsignals bestimmen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das zu testenden Abstandsmesssystem ein in der Frequenz variables Abtastsignal aussendet. Mit Kenntnis der Mittenfrequenz des ausgesendeten Abtastsignals kann das zur Simulation ausgesendete Echosignal an die Erfordernisse des zu testenden Abstandsmesssystems angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Signalübertragungsweg von dem Echosignalsensor zur Ultraschallsensoreinheit abgeschattet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass keine Reflektionen des Abtastsignals des Abstandsmesssystems an am Test unbeteiligten Umgebungsobjekten durch das Abstandsmesssystem detektiert werden können. Diese Abschattung kann beispielsweise als Röhre gestaltet werden, die den Echosignalsensor und die Ultraschallsensoreinheit mit ihren beiden Ende umschließt und so dimensioniert ist, dass das Echosignal ungestört an die Ultraschallsensoreinheit übertragen werden kann. Für diese Röhre sind verschiedene Querschnitte denkbar, zum Beispiel kann es ein kreisförmiger, rechteckiger oder quadratischer Querschnitt sein. Weitere Ausgestaltungen sind dabei denkbar.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbare geometrische Relationen zueinander auf.
Darin zeigt:

1 eine schematische Darstellung der zugrunde liegenden Prinzipien von Abstandsmesssystemen mit Ultraschallsensoreinheiten
2 eine schematische Darstellung einer Ultraschallsensoreinheit mit Darstellung des Blindabstands sowie des Abstands, in dem die Ultraschallsensoreinheit Echosignale empfängt (Detektionsbereich)
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prüfstands
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prüfstands
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prüfstands
6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens

1 stellt das Grundprinzip der Abstandsmessung mittels Ultraschallsignalen dar. In der Zeichnung ist ein Ultraschallsensor, welche eine wie in den Patentansprüchen vorgesehene Ultraschallsensoreinheit USS oder ein Echosignalsensor ESS sein kann, dargestellt. Dieser ist in der Lage sowohl zu Senden also auch zu empfangen, was in der Zeichnung durch die Markierung RX/TX angedeutet ist. Der Ultraschallsensor sendet einen kurzen Ultraschallimpuls aus, welcher hier als ein Abtastsignal AS verstanden wird. Dieses wird an Objekten OBJ in der Umgebung reflektiert und gelangt zurück zum Ultraschallsensor ESS, USS. Aus der Laufzeit des Signals und der Schallgeschwindigkeit kann nun der Abstand D des Objekts OBJ vom Ultraschallsensor bestimmt werden. Um Abstände zu ermitteln, sendet der Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal (Ultraschallimpuls) aus und misst die Zeit bis das Echosignal detektiert wird. Ein Hin- und Rücklauf misst die Laufzeit T: $T = {Zeit}_{hin} + {Zeit}_{zurück}$
mit der Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20 Grad Celsius (v=340 m/s) ergibt sich für den ermittelten Abstand D: $D = v * T / 2$
Der Blindabstand eines solchen Ultraschallsensortypus - welche mir derselben Sensoreinheit aussenden und empfangen kann - ist in der 2 dargestellt. Bei dem Blindabstand D-BND handelt es sich um eine im Vergleich zum Detektionsabstand D-DET kurzen Abstand direkt vor dem Ultraschallsensor ESS, USS, in dem keine Objekte registriert werden. Dieser Abstand ergibt sich aus der Tatsache, dass die Membran bzw. das Element, das die Ultraschallwellen aussendet, eine gewissen Abklingzeit benötigt, während der der Ultraschallsensor nicht in den Sendemodus schalten kann. Diese Zeit entspricht nach dem Prinzip der Ultraschallabstandsmessung dem Blindabstand D-BND vor dem Ultraschallsensor.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Prüfstand PRF zum Test eines Abstandsmesssystems AMS. Dieser umfasst eine echtzeitfähige Recheneinheit RE1, auf welcher ein Umgebungsmodell installiert und ausführbar ist. Diese Recheneinheit ist Teil eines Simulator SIM, welcher über Ein- und Ausgänge verfügt, um eine Kommunikation der Recheneinheit mit dem zu testenden Abstandsmesssystem AMS mittels eines Signalübertragungssystems DAT ermöglichen. Das Abstandsmesssystem verfügt über eine Steuereinheit ECU, welche die Messdatenaufnahme der Ultraschallsensoreinheit USS steuert und dessen Messdaten auswertet. Dabei ist unter der Ultraschallsensoreinheit USS ein Schallgeber zu verstehen, der Ultraschallimpulse mittels einer schwingfähigen Membran oder ähnlich geeigneten Mitteln erzeugt und in den Detektionsbereich B-DET (dargestellt in 2) aussenden kann, wenn sie sich im Sendemodus befindet. Diese Ultraschallsensoreinheit USS ist umgekehrt auch in der Lage, Ultraschallimpulse zu empfangen, wenn sie sich im Empfangsmodus befindet. Im Sendemodus löst Steuereinheit ECU dabei durch Aussenden eines ersten Triggersignals (X) die Aussendung eines Abtastsignals aus. Für die Übertragung des Triggersignals nutzt die Steuereinheit ECU ein geeignetes Signalübertragungssystem DAT. Der Simulator SIM bzw. die Recheneinheit RE1 ist dabei ebenfalls an diese Verbindung angeschlossen, sodass die Steuereinheit ECU mit der Ultraschallsensoreinheit USS und der Recheneinheit RE1 verbunden ist. Damit erhält bei Aussenden des Triggersignals auch der Simulator SIM das Startsignal zum Auslösen einer Abstandsmessung. Der Simulator kann jetzt berechnen, zu welcher Zeit das ausgesendete Abtastsignal AMS an einem der Modellobjekte reflektiert würde und eine Verzögerungszeit berechnen, die dem Abstandsmesssystem signalisiert, es habe ein solches Objekt detektiert. Darüber hinaus ist der Simulator SIM bzw. die Recheneinheit RE1 mit einem Echosignalsensor ESS verbunden.
Der Echosignalsensor ESS ist ebenso wie die Ultraschallsensoreinheit USS als ein Schallgeber zur Aussendung von Ultraschallimpulsen ausgestaltet. Der Echosignalsensor ESS ist ein Teil des Simulators und so gestaltet, dass er das Abtastsignal AMS, das das Abstandsmesssystem aussendet, nachzuahmen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der von dem Echosignalsensor ESS ausgesendete Ultraschallimpuls in Amplitude und Frequenz sowie Sendeleistung so dimensioniert ist, dass das Abstandsmesssystem die ausgesendeten Signale als eigenes Abtastsignal erkennt.
Nach Ablauf der Verzögerungszeit sendet der Simulator ein zweites Triggersignal an den Echosignalsensor ESS. Durch das Triggersignal wird das Aussenden eines Echosignals ES ausgelöst, der sich zur Ultraschallsensoreinheit USS ausbreitet und dort detektiert wird. Der Echosignalsensor ist dabei innerhalb dem Blindabstand D-BND positioniert, sodass das zuvor vom Abstandsmesssystem ausendete Abtastsignal AS nicht zurück zur Ultraschallsensoreinheit USS reflektiert wird. Eine solche Reflektion würde zu Fehlmessung führen, da das Abstandsmesssystem AMS die Ultraschallsensoreinheit USS als Umgebungsobjekt wahrnehmen würde.
4 zeigt einen Prüfstand PRF, der wie unter 3 beschrieben ausgestaltet ist. Die hier gezeigte Ausführungsform umfasst allerdings zwei Recheneinheiten, die zur Simulation des Umgebungsmodells und Aussenden des Echosignals ES eingesetzt werden können. Dabei kann die Berechnung des Modells von der ersten Recheneinheit RE1 durchgeführt werden und die darauf basierende Berechnung der Verzögerungszeit von einer zweiten Recheneinheit RE2. Eine mögliche Ausführungsform ist ein Prozessor als Recheneinheit RE1 und ein programmierbarer Logikbaustein als Recheneinheit RE2.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Abschattung der Ausbreitungslinie des Ultraschallsignals vorsieht. Eine solche Abschattung ist dabei so gestaltet, dass die Ausbreitung des Ultraschallsignals nicht gestört wird, aber möglicherweise seitlich einfallende Signale unterdrückt werden. Eine solche Abschattung kann beispielsweise durch eine gerade Röhre umgesetzt werden, deren Enden die Ultraschallsensoreinheit USS und den Echosignalsensor ESS umschließen.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Test eines Abstandsmesssystems AMS mittels eines erfindungsgemäßen Prüfstands PRF. Das Verfahren startet in dieser Ausführungsform mit dem Berechnen des Umgebungsmodells (Schritt 1), welches auf der echtzeitfähigen Recheneinheit ausgeführt wird. Diese Recheneinheit RE2 kann zum Beispiel ein Prozessor sein. Das Modell kann beispielsweise Modellobjekte statischer und dynamischer Art umfassen, die sich in einem durch das Modell festgelegten Abstand zum zu testenden Abstandsmesssystem befinden. In das Modell können auch Fahrdynamikmodelle einfließen, die die Bewegung des Testfahrzeugs berechne, sowie Modelle, die Teile des Testfahrzeugs abbilden (Fahrzeugmodelle). Weitere Modelle sind denkbar, beispielsweise Fahrermodelle, die ein Eingreifen des Fahrers in der Fahrzeugbewegung abbilden. Wichtig ist nur, dass eine Simulation von Modellobjekten stattfindet, die eine Testszene abbilden, auf die das Abstandsmesssystem reagieren muss. Im nächsten Schritt 2 wird für jedes Modellobjekt und jedes Abstandsmesssystem, das getestet werden soll, der Abstand zwischen Modellobjekt und Ultraschallsensoreinheit ermittelt. Diese ermittelten Abstandswerte werden in Schritt 3 in Verzögerungszeiten umgerechnet. Damit diese auf der weiterverarbeitenden Recheneinheit RE1 verarbeitet werden können, können diese optional auf die Abtastrate der Recheneinheit RE1 umgerechnet werden (Schritt 4). Dies ist zum Beispiel notwendig, wenn Recheneinheit RE1 ein programmierbarer Logikbaustein (FPGA) ist. Das Verfahren kann auch mit einer Recheneinheit ausgeführt werden. Dann entfällt Schritt 4. Im nächsten Schritt 5 werden die berechneten Verzögerungszeiten an die Recheneinheit RE1 übertragen. Diese wartet darauf, dass das Abstandsmesssystem AMS eine Abstandsmessung durchführt. Die Steuereinheit ECU des Abstandsmesssystems AMS sendet zum Auslösen einer Abstandsmessung ein erstes Triggersignal an die Ultraschallsensoreinheit. Der Prüfstand PRF /Simulator SIM erhält über das Signalübertragungssystem DAT ebenfalls dieses erste Triggersignal (Schritt 7). Daraufhin stellt Recheneinheit RE1 in Schritt 8 sicher, dass ein zweites Triggersignal zum Aussenden eines Echosignals ES ausgelöst wird nach dem die berechnete Verzögerungszeit abgelaufen ist. Nicht in der Zeichnung dargestellt ist der abschließende Schritt zur Überprüfung, ob das Abstandsmesssystem korrekt auf das Echosignal ES reagiert hat, also ob es beispielsweise den richtigen Abstand des Modellobjekts erkannt hat. Hier sind weitere Tests denkbar, etwa ob die Steuereinheit ECU des Abstandsmesssystem die vorgesehenen Warnsignale ausgibt. Ein Beispiel für ein Warnsignal ist ein Piepton oder die Betätigung einer Warnlampe wenn der Abstand einen kritischen Wert unterschritten hat.

Claims

Prüfstand (PRF) mit wenigstens einer echtzeitfähigen Recheneinheit (RE1, RE2) zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems (AMS), wobei auf der Recheneinheit (RE1, RE2) ein Umgebungsmodell vorgehalten ist, wobei das Abstandsmesssystem eine Steuereinheit (ECU) und eine Ultraschallsensoreinheit (USS) aufweist, wobei die Ultraschallsensoreinheit (USS) dazu eingerichtet ist, ein Abtastsignal (AS) auszusenden, und ein an einem Objekt reflektiertes Echosignal (ES) zu detektieren, und die Steuereinheit (ECU) eingerichtet ist, aus der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Echosignals (ES) den Abstand des Objekts von der Ultraschallsensoreinheit (USS) zu ermitteln, wobei die Ultraschallsensoreinheit (USS) eine Blindabstand (D-BND) aufweist, in dem der Abstand des Objekts nicht ermittelt werden kann, und wobei die Steuereinheit (ECU) mittels eines Signalübertragungssystems (DAT) mit der Ultraschallsensoreinheit (USS) und der wenigstens einen Recheneinheit (RE1, RE2) verbunden ist, und die Steuereinheit (ECU) über das Signalübertragungssystem (DAT) ein erstes Triggersignal wenigstens an die Ultraschallsensoreinheit (USS) und die echtzeitfähige Recheneinheit (RE1, RE2) sendet, um eine Abstandsmessung auszulösen, dadurch gekennzeichnet dass die echtzeitfähige Recheneinheit (RE1, RE2) einen Eingang aufweist, der eingerichtet ist das erste Triggersignal von der Steuereinheit zu empfangen, und einen Ausgang, der eingerichtet ist nach einer Verzögerungszeit ist ein zweites Triggersignal an einen Echosignalsensor (ESS) auszusenden, und wobei der Echosignalsensor (ESS) eingerichtet ist nach Empfang des zweiten Triggersignals nach einer Verzögerungszeit ein Echosignal (ES) zur Simulation eines Objekts aussendet, wobei die Verzögerungszeit proportional zum Abstand des simulierten Objekts zur Ultraschallsensoreinheit (USS) ist, und wobei der Echosignalsensor (ESS) innerhalb des Blindabstands (D-BND) der Ultraschallsensoreinheit (USS) platziert ist.
Prüfstand (PRF) nach Anspruch 1, wobei die Verzögerungszeit auf einem HIL-Simulator durch Ausführung eines Umgebungsmodells berechnet wird.
Prüfstand (PRF) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Prüfstand eingerichtet ist, das Umgebungsmodell auf zwei Recheneinheiten (RE1, RE2) auszuführen.
Prüfstand (PRF) nach Anspruch 3, wobei eine erste Recheneinheit (RE1) eine auf programmierbare Logikhardware basierte Recheneinheit ist und eine zweite Recheneinheit eine prozessorbasierte Recheneinheit (RE2) ist.
Prüfstand (PRF) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Echosignalsensor (ESS) eingerichtet ist, das Abtastsignal (AS) zum empfangen und die erste Recheneinheit (RE1) oder die zweite Recheneinheit (RE2) eingerichtet ist, eine Spektralanalyse des empfangenen Abtastsignal durchzuführen, insbesondere eine Echtzeit-Fast-Fourier-Transformation an dem empfangenen Abtastsignal (AS) durchzuführen.
Prüfstand (PRF) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstandsmesssystem (AMS) ein ultraschallbasierter automotiver Parkassistent ist.
Prüfstand (PRF) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prüfstand eine Abschattungsvorrichtung (SCH) umfasst, mittels der der Echosignalsensor (ESS) und die Ultraschallsensoreinheit (USS) so abgeschattet sind, dass der seitliche Einfall von Ultraschallimpulsen unterbunden wird.
Prüfstand (PRF) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschattungsvorrichtung (SCH) so ausgestaltet ist, dass die Ausbreitungslinie des Echosignals (ES) und des Abtastsignals (AS) zwischen Ultraschallsensoreinheit (USS) und Echosignalsensor (ESS) durch eine Röhre oder ein Hohlprofil umschlossen ist.
Verfahren zum Test eines ultraschallbasierten Abstandsmesssystems mittels eines Prüfstands (PRF) nach Ansprüchen 1 bis 8, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen eines Umgebungsmodells, wobei das Umgebungsmodell wenigstens ein Modellobjekt enthält, mittels der Recheneinheit, Berechnen des Abstands des wenigstens einen Modellobjekts zu wenigstens einem zu testenden Abstandsmesssystem, Umrechnen des Abstands in eine Laufzeit eines Ultraschallimpulses, Umrechnen der Laufzeit in eine Verzögerungszeit, um die die Aussendung eines Echosignals (ES) verzögert werden soll, Erhalten, durch den ersten Eingang der Recheneinheit (RE1, RE2), eines ersten Triggersignals von dem zu testenden Abstandsmesssystem (AMS), Aussenden, durch den Ausgang der Recheneinheit (RE1, RE2), eines zweiten Triggersignals an den Echosignalsensor (ESS) zum Auslösen eines simulierten Echosignals (ES) nach Ablauf der Verzögerungszeit; und Überprüfen, ob das Abstandsmesssystem nach Detektion des Echosignals (ES) den Abstand ermittelt, der durch das Umgebungsmodell berechnet wurde.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren mittels zwei Recheneinheiten (RE1, RE2) ausgeführt wird, wobei die Berechnung der Verzögerungszeit und das Aussenden des zweiten Triggersignals von einer zweiten Recheneinheit ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei mehrere Abstandsmesssysteme getestet werden, und der Abstand des wenigstens einem Modellobjekts zu jedem Abstandsmesssystem berechnet wird.