DE102018222862A1

DE102018222862A1 - Verfahren und System zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018222862A1
Application number: DE102018222862.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bayer; Gennady Bendermann; Timo Winterling; Wilhelm Christopher von Rosenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25
Also published as: US20200204903A1; CN111352074B; US11477567B2; CN111352074A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Möglichkeit zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug, die beispielsweise nur ein einzelnes Mikrofon voraussetzt. Ein Verfahren zur Lokalisierung einer Akustikquelle (200) relativ zu einem Fahrzeug (100), weist die Schritte auf:- Erhalten eines von der Akustikquelle (200) ausgesendeten Akustiksignals (S),- Bestimmen einer auf das Fahrzeug (100) bezogenen Beobachterfrequenz (f) des erhaltenen Akustiksignals (S),- Festlegen einer Geschwindigkeit (vs) der Akustikquelle (200),- Festlegen einer Akustikquellenposition (x, y, d, α) relativ zu einer Position des Fahrzeugs (100),- Bestimmen einer Signalfrequenz (fs) und- Lokalisierung der Akustikquelle (200) durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f), der Geschwindigkeit (vs), der Signalfrequenz (fs) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α).Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung und ein System zur Lokalisierung der Akustikquelle (200), sowie ein Programmelement und ein computerlesbares Medium mit einem solchen Programmelement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung und System zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Programmelement und ein computerlesbares Medium mit einem solchen Programmelement. Die Erfindung lässt sich insbesondere bei einem zumindest teilweise automatisiert fahrenden Fahrzeug einsetzen.
Stand der Technik
Während des Betriebs eines Fahrzeugs können durch einen Fahrzeugführer unterschiedliche Umgebungsgeräusche aus dem Fahrzeugumfeld wahrgenommen werden. Für die Fahrsicherheit sind dabei insbesondere Warnsignale bzw. Schallzeichen von Bedeutung, wie z.B. Sondersignale von Einsatzfahrzeugen, Hupsignale usw. Der Fahrzeugführer kann diese ohne weiteres über sein Gehör wahrnehmen und häufig auch nach Wichtigkeit klassifizieren sowie die Akustikquelle, das heißt Geräusch- oder Schallquelle, ungefähr lokalisieren. Infolgedessen kann der Fahrzeugführer beispielsweise eine Fahrspur für das identifizierte Einsatzfahrzeug freigeben oder andere geeignete Fahrmanöver durchführen. Fahrerassistenzsysteme bzw. Systeme, die ein zumindest teilweise automatisiertes Fahren ermöglichen, sind dagegen nicht ohne Weiteres in der Lage, akustische Signale, z.B. Warnsignale, Umgebungsgeräusche usw. überhaupt wahrzunehmen oder daraus geeignete Fahrmanöver abzuleiten. Es kann deshalb der Wunsch nach einer Möglichkeit bestehen, eine vom Fahrzeugführer möglichst unabhängige Möglichkeit zur Lokalisierung einer Akustikquelle bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung stellen ein verbessertes Verfahren und System zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen zur Verfügung. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den begleitenden Figuren.
Ein gemäß einem ersten Aspekt vorgeschlagenes Verfahren zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug kann insbesondere computergestützt durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren in einer Datenverarbeitungseinrichtung des Fahrzeugs, wie etwa einem elektronischen Steuergerät oder einem Steuergeräteverbund, ausgeführt werden. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Es wird ein von der Akustikquelle ausgesendetes Akustiksignal erhalten. Das Akustiksignal kann beispielsweise ein Notsignal sein, das von einem Einsatzhorn bzw. Folgetonhorn usw. erzeugt werden kann. Die Frequenz eines Notsignals kann je nach Einsatzland des Fahrzeugs variieren, ist jedoch typischerweise vorgegeben oder genormt. Beispielsweise in Deutschland kann ein Notsignal zwischen im Bereich von 360 Hz und 630 Hz liegen.
- Es wird eine auf das Fahrzeug bezogene Beobachterfrequenz des erhaltenen Akustiksignals bestimmt. Die Bestimmung der Beobachterfrequenz kann z.B. durch eine, insbesondere rechnerische, Auswertung des Akustiksignals in der Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen. In anderen Worten, kann die Bestimmung auf einer Messung beruhen.
- Es wird eine Geschwindigkeit und Richtung der Akustikquelle festgelegt. Unter Festlegen kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Annahme eines Wertes erfolgt.
- Es wird eine Akustikquellenposition der Akustikquelle relativ zu einer Position, insbesondere einer momentanen Position, des Fahrzeugs festgelegt. Unter Festlegen kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Annahme eines Wertes erfolgt.
- Es wird eine Signalfrequenz des Akustiksignals bestimmt oder festgelegt. Unter Festlegen kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Annahme eines Wertes erfolgt.
- Es erfolgt eine Lokalisierung der Akustikquelle durch eine n-fach, insbesondere iterativ, durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz, der Geschwindigkeit, der Bewegungsrichtung des Signals, der Signalfrequenz und der Akustikquellenposition. Die Dopplerberechnung kann insbesondere durch die Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen. Die Variable n kann eine natürliche Zahl sein. Es kann dabei auch die Eigenbewegung herausgerechnet werden.

Die Dopplerberechnung kann beispielsweise nach der Gleichung $f_{S} = f_{E} \frac{c + | \overset{⇀}{ν_{S}} | cos (γ - α)}{c + | \overset{⇀}{ν_{E}} | cos α}$
erfolgen, wobei fs die Signalfrequenz, f_E die Beobachterfrequenz, c die Schallgeschwindigkeit, $| \overset{⇀}{ν_{S}} |$
die Geschwindigkeit der Akustikquelle mit einer Richtung gegeben durch γ, $| \overset{⇀}{ν_{E}} |$
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowie dem Winkel zwischen Fahrzeugbewegungsrichtung und der Akustikquelle α sind. Für eine iterative Betrachtung werden außerdem die relativen Positionsangaben zwischen Akustikquelle und Fahrzeug geschätzt. Hierbei ist die Beobachterfrequenz bestimmbar, z.B. messbar. Die übrigen Größen sind Unbekannte, die deshalb festgelegt werden bzw. auf Annahmen beruhen.
Mit diesem Verfahren kann eine Bestimmung von Richtung, Entfernung, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Frequenz des Akustiksignals relativ zum Empfänger, das heißt dem Fahrzeug, erfolgen. Das Verfahren nutzt insbesondere die Erkenntnis, dass die Geschwindigkeit der Akustikquelle, wenn es sich ebenfalls um einen Verkehrsteilnehmer bzw. ein Fahrzeug, Einsatzfahrzeug usw. handelt, eine maximale Geschwindigkeit hat, und beispielsweise die Frequenz des Akustiksignals innerhalb eines z.B. durch einen, beispielsweise durch eine Norm festgelegten Frequenzbereich plus/minus realistischer Dopplerverschiebung der Frequenz des Akustiksignals befindet. Wenn sich zudem die Akustikquelle und das Fahrzeug relativ zueinander bewegen, bewirkt der Doppler-Effekt eine Dopplerverschiebung, dessen Veränderung vom Verfahren verwendet wird, um die Position der Akustikquelle und andere Parameter zu bestimmen. Beide Effekte, also die Eingrenzung der Festlegungen auf einen bestimmten Wertebereich und Änderungen in der Dopplerverschiebung, erlauben eine gute Abschätzung der Festlegungen, die auch als Variablen bezeichnet werden können, für die Dopplerberechnung bzw. die Lokalisierung der Akustikquelle. Dadurch ermöglicht es das Verfahren, die Akustikquelle zu lokalisieren und die ausgesendete Frequenz, die Geschwindigkeit und Fahrtrichtung derselben zu bestimmen. So kann auch die Art der Akustikquelle bestimmt werden. Die durch die Akustikerfassungseinrichtung ermittelten Daten können dann für eine Sensordatenfusion bei Fahrerassistenzfunktionen und/oder beim zumindest Teil automatisierten Fahren verwendet werden. Insbesondere können dadurch Fahrfunktionen des Fahrzeugs genauer gesteuert werden bzw. auch eine Fahrstrategie ermittelt werden. In einem beispielhaften Fahrszenario kann das Fahrzeug einem Einsatzfahrzeug, das im Straßenverkehr eine höhere Priorität hat, Vorfahrt gewähren dem z.B. eine Fahrspur durch ein automatisiertes Fahrmanöver freigegeben wird.
In einer Weiterbildung können die Geschwindigkeit, die Akustikquellenposition und/oder die Signalfrequenz innerhalb eines zugeordneten Wertebereichs mit einer Mehrzahl von Einzelwerten festgelegt werden, der in einer der Lokalisierung zugrundeliegenden, momentanen Fahrsituation zumindest näherungsweise realisierbar ist. Wie oben erwähnt, wird sich beispielsweise ein Notsignal innerhalb eines bestimmten bzw. möglicherweise genormten Frequenzbereichs befinden, so dass ein möglicher Wertebereich für die Signalfrequenz eingrenzbar ist und die Anzahl der Festlegungen ebenfalls eingrenzbar ist. Auch für die Akustikquellenposition kann der Wertebereich für die Festlegungen eingeschränkt werden, da das Akustiksignal nur innerhalb einer kurzen bis mittleren Distanz, beispielsweise aber nicht über eine Kilometerdistanz wahrnehmbar ist. Auch für die Geschwindigkeit kann der Wertebereich eingeschränkt werden, da insbesondere ein Einsatzfahrzeug nur eine nach oben begrenzte Geschwindigkeit aufweisen kann. Beispielhafte Schrittweiten für die Festlegungen innerhalb des jeweiligen Wertebereichs können beispielsweise 5m-Schritte für eine Distanz der Akustikquellenposition, 10°-Schritte für einen Winkel der Akustikquellenposition usw. sein. Die Realisierbarkeit kann beispielsweise auch anhand von Kartendaten, anderer Sensordaten, wie einer Kamera, einer erfassten Verkehrsdichte oder ähnlichem abgeschätzt werden. Beispielsweise kann innerhalb einer geschlossenen Ortschaft davon ausgegangen werden, dass die maximale Geschwindigkeit der Akustikquelle selbst auf gut ausgebauten innerörtlichen Straßen unterhalb von 30 bis 40 m/s liegt usw. Auch die anderen festgelegten Werte können realistisch abgeschätzt werden. Ein schwach erfasstes Akustiksignal kann weiter entfernt sein, als ein stark erfasstes Akustiksignal usw.
Gemäß einer Weiterbildung können die Wertebereiche der Festlegungen bzw. Annahmen der Geschwindigkeit, der Akustikquellenposition und/oder der Signalfrequenz in einem iterativen Ausschlussverfahren eingeschränkt werden. In anderen Worten, können in einem iterativen Verfahren diejenigen Kombinationen der vorstehenden Festlegungen durch ein Ausschlussverfahren auf die möglichen Kombinationen eingeschränkt werden. Dabei kann beispielsweise eine Kombination ausgeschlossen werden, wenn sie nicht in der Lage ist die gemessenen Beobachtungen zu beschreiben.
In einer Weiterbildung können iterativ diejenigen Kombinationen der Festlegungen bzw. Annahmen für die Geschwindigkeit, die Richtung, die Akustikquellenposition und/oder die Signalfrequenz ausgeschlossen werden, die der bestimmten Beobachterfrequenz widersprechen.
Gemäß einer Weiterbildung kann in jeder n-ten Dopplerberechnung eine Bestimmung, z.B. Berechnung, der Signalfrequenz durchgeführt werden und mit der Festlegung der Signalfrequenz verglichen werden. D.h., dass für die Festlegungen zunächst mit einer Vielzahl von Werten gestartet wird und zusammen mit der Beobachterfrequenz die dafür notwendige Signalfrequenz berechnet, wird. Wenn die Signalfrequenz für eine Kombination der Festlegungen außerhalb eines möglichen Wertebereichs liegt, kann diese Kombination ausgeschlossen werden. Für jede Iteration wird eine neue Signalfrequenz für jede Kombination von Festlegungen berechnet. Sobald eine Signalfrequenz außerhalb von einem vorbestimmten Wertebereich liegt oder zwischen mindestens zwei Iterationen mehr als um einen akzeptierbaren Wert schwankt, wird diese ausgeschlossen, da davon ausgegangen werden kann, dass sich die Signalfrequenz in der Realität nicht ändert oder nur nach einem bekannten Muster, wie etwa bei einem Folgetonhorn oder ähnlichem.
In einer Weiterbildung kann aus den n Dopplerberechnungen eine Abweichung der Signalfrequenz bestimmt werden, und die Lokalisierung anhand von denjenigen Festlegungen der Geschwindigkeit und der Akustikquellenposition erfolgt, die eine möglichst geringe Abweichung der berechneten Signalfrequenz aufweisen. Es kann z.B. ein Quadratisches Mittel, auch bezeichnet als root mean square (RMS), der Abweichungen über n Iterationsschritte bestimmt werden. Die Lokalisierung kann dann anhand von den Festlegungen erfolgen, die beispielsweise das kleinste Quadratische Mittel aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung kann zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dopplerberechnungen und/oder Bestimmungen der Beobachterfrequenz (f_E ) eine Situationsveränderung aufgrund von Geschwindigkeit und Akustikquellenposition berücksichtigt werden.
Gemäß einer Weiterbildung können sich wenigstens die Akustikquelle oder das Fahrzeug während der akustischen Erfassung und/oder Lokalisierung bewegen. Das sich hierdurch ergebende Verhalten der Änderung in der Dopplerverschiebung kann für die Lokalisierung genutzt werden. Es ist aber auch möglich, dass sich die Dopplerverschiebung nicht ändert, beispielsweise wenn sich das Fahrzeug und die Akustikquelle aufeinander zu bewegen, wobei auch hieraus eine Information über die Richtung gewonnen werden.
In einer Weiterbildung kann das Akustiksignal repetitive Sequenzen beinhalten. Beispielsweise kann das Chirps, einen widerholten konstanten Ton und/oder bekannte Frequenzsprünge bzw. Sprünge zwischen bekannten Grundfrequenzen beinhalten. Dies kann für die Lokalisierung genutzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann für die Erfassung des Akustiksignals und/oder die Lokalisierung nur ein einzelnes Mikrofon der Akustikerfassungseinrichtung verwendet werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. So kann die Lokalisierung mit einem geringen Hardware-Aufwand erfolgen. Das Fahrzeug kann aber auch mehrere Mikrofone aufweisen, wobei die Lokalisierung der Akustikquelle dann über ein einzelnes dieser Mikrofone erfolgen kann und die übrigen Mikrofone andere Aufgaben erfüllen können.
Die Erfindung bezieht sich gemäß einem zweiten Aspekt auch auf eine Vorrichtung zum Betrieb eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung weist eine Datenverarbeitungseinrichtung auf und kann sich insbesondere für den Betrieb eines zumindest teilweise automatisiert fahrenden Fahrzeugs eignen. Bei der Datenverarbeitungseinrichtung kann es sich z.B. um ein elektronisches Steuergerät oder einen Steuergeräteverbund des Fahrzeugs handeln, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung beispielsweise wenigstens einen Prozessor, einen Speicher für Programmanweisungen und/oder Daten, eine Datenschnittstelle usw. aufweisen kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet,

- eine auf das Fahrzeug (100) bezogene Beobachterfrequenz (f_E ) des erfassten Akustiksignals (S) zu bestimmen,
- eine Geschwindigkeit (v_S ) der Akustikquelle (200) festzulegen,
- eine Akustikquellenposition (x, y, d, α) relativ zu einer Position des Fahrzeugs (100) festzulegen,
- eine Signalfrequenz (fs) zu bestimmen und
- die Akustikquelle (200) durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f_E ), der Geschwindigkeit (vs), der Signalfrequenz (fs) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α) zu lokalisieren.

Damit lassen sich beispielsweise die oben für das Verfahren ausgeführten Vorteile erreichen.
Vorgeschlagen wird gemäß einem dritten Aspekt auch ein System zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug. Das System weist eine Akustikerfassungseinrichtung, z.B. ein einzeln verwendetes Mikrofon oder eine Mehrzahl von Mikrofonen, und eine Datenverarbeitungseinrichtung auf. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann einen Speicher für Programmanweisungen, wenigstens einen Prozessor und eine Schnittstelle zu der Akustikerfassungseinrichtung aufweisen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann auch mit einem oder mehreren Fahrzeugsystemen zusammenwirken, um insbesondere bei einem zumindest teilweise automatisiert fahrenden Fahrzeug eine entsprechend automatisierte Fahrsteuerung auf Basis der lokalisierten Akustikquelle zu ermöglichen. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, eine auf das Fahrzeug bezogene Beobachterfrequenz des erfassten Akustiksignals zu bestimmen, eine Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung der Akustikquelle festzulegen, eine Akustikquellenposition relativ zu einer Position des Fahrzeugs festzulegen und die Akustikquelle durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f_E ), der Geschwindigkeit, der Signalfrequenz und der Akustikquellenposition zu lokalisieren.
Dieses System ermöglicht es, nur durch ein einzelnes Mikrofon die Akustikquelle zu lokalisieren. Die Lokalisierung der Akustikquelle können in diesem Fall die Richtung, der Abstand, die Geschwindigkeit (Betrag und Richtung) und die genaue Frequenz des Akustiksignals der Akustikquelle vor der Dopplerverschiebung umfassen. Die Lokalisierung erfolgt mit geringem Rechenaufwand in dem eine iterative Analyse der Situation, in der unrealistische Parameter der Lokalisierung der Akustikquelle ausgeschlossen und realistische Parameter bewertet und aufbereitet werden. Hierdurch kann das Fahrzeug zumindest teilweise automatisiert so gesteuert werden, dass z.B. Fahrzeugen mit höherer Priorität, wie etwa Einsatzfahrzeugen, automatisiert Vorfahrt zu gewähren.
Gemäß einem vierten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Programmelement bzw. Computerprogramm zum Betrieb eines Fahrzeugs, das wenn es von einem Prozessor einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt durchzuführen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein computerlesbares Speichermedium, mit einem Computerprogramm gemäß dem vierten Aspekt.
Figurenliste
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:

1 ein Fahrzeug mit einem System, das eine Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu dem Fahrzeug ermöglicht,
2 ein Diagramm, das Bestimmungs- und Festlegungsgrößen bzw. Parameter darstellt, die für eine Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug verwendet werden,
3 ein Diagramm, das unterschiedliche Ortsbestimmungen der Akustikquelle darstellt,
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Lokalisierung einer Akustikquelle relativ zu einem Fahrzeug.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind gleiche, gleichwirkende oder ähnliche Elemente durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Fahrzeug 100, bei dem es sich hier exemplarisch um ein zumindest teilweise automatisiert fahrendes Kraftfahrzeug handelt. Dementsprechend verfügt das Fahrzeug 100 über (nicht näher bezeichnete) Aktoren und einen Fahrzeugantrieb, die zur automatisierten Fahrsteuerung, beispielsweise zum Beschleunigen, Bremsen, Lenken usw., des Fahrzeugs 100 elektronisch angesteuert werden können.
Das Fahrzeug 100 verfügt ferner über ein Fahrzeugsystem 110, beispielsweise in Form eines Fahrassistenzsystems, das eine Datenverarbeitungsvorrichtung 120, beispielsweise in Form eines elektronischen Steuergeräts, zur Ansteuerung der Aktoren und des Fahrzeugantriebs, mehrere damit zusammenwirkende, weitere Sensoren 130, wie etwa optische Sensoren, Ultraschall-Sensoren, LIDAR usw., und eine ebenfalls damit zusammenwirkende Akustikerfassungseinrichtung 140 zur Erfassung von Geräuschen, Tönen oder ähnlichem einer im Fahrzeugumfeld, d.h. in einer Fahrzeugaußenumgebung, angeordneten Akustikquelle 200 aufweist. Bei der Akustikquelle 200 kann es sich beispielsweise um einen anderen Verkehrsteilnehmer, insbesondere aber um ein Einsatzfahrzeug, wie etwa Polizeifahrzeug, Feuerwehrfahrzeug, Rettungsdienstfahrzeug oder ähnliches, handeln. Die Datenverarbeitungseinrichtung 120 verfügt über einen Prozessor 121 und einen Speicher 122 zum Speichern von Programmanweisungen zum Betrieb des Fahrzeugs 100. Bei den weiteren Sensoren 130 handelt es sich hier exemplarisch um Kameras, die z.B. den Bereich vor sowie hinter dem Fahrzeug 100 optisch erfassen und diese Erfassungsdaten der Datenverarbeitungseinrichtung 120 zuführen, die so das Fahrzeug 100 durch das Fahrzeugumfeld, also beispielsweise den Straßenverkehr steuern kann.
Die Akustikerfassungseinrichtung 140 weist eine Mehrzahl von Mikrofonen 141 auf. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Mikrofone 141 ggf. nach außen, insbesondere in eine von dem Fahrzeug 100 wegweisende Richtung ausgerichtet. Es sei angemerkt, dass in der nachfolgenden Beschreibung bereits ein einzelnes Mikrofon 141 ausreichend ist, so dass das Hardware-Kosten eingespart werden können.
Insbesondere beim Einsatz eines einzigen der Mikrofone 141 bzw. bei Verwendung eines einzelnen der Mikrofone 141 stellt eine Lokalisierung der Akustikquelle 200 relativ zu dem Fahrzeug 100 ein nicht-triviales Problem dar. Insbesondere in einem automatisierten Fahrbetrieb des Fahrzeugs 100 kann die Lokalisierung bzw. eine möglichst genaue Ortbestimmung der Akustikquelle 200 als Information zur Bestimmung der Fahrstrategie, eines Fahrmanövers oder ähnlichem des Fahrzeugs 100 verwendet werden. Im Folgenden wird erläutert, dass mithilfe der Akustikerfassungseinrichtung 140 eine zumindest ausreichend genaue Lokalisierung der Akustikquelle 200 möglich ist.
2 zeigt zur besseren Veranschaulichung ein Diagramm mit einem Koordinatensystem, das eine x-Achse, die beispielsweise eine Wegachse in Metern (m) angibt, und eine y-Achse aufweist, die ebenfalls eine Wegachse in Metern (m) angibt. Lediglich exemplarisch ist das Fahrzeug 100, das auch als Ego-Fahrzeug bezeichnet werden kann, zumindest ungefähr im Koordinatenursprung des Koordinatensystems angeordnet. Die Akustikquelle 200 ist im ersten Quadranten angeordnet, ist also sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung von dem Fahrzeug 100 beabstandet. Ein momentaner Aufenthaltsort der Akustikquelle 200 lässt sich hier anschaulich mit einer x- und einer y-Koordinate angeben, z.B. als S (x, y). Zwischen dem Fahrzeug 100 und der Akustikquelle 200 besteht eine Distanz d.
Es wird angenommen, dass sich entweder nur das Fahrzeug 100 bewegt, sich nur die Akustikquelle 200 bewegt oder sich sowohl das Fahrzeug 100 als auch die Akustikquelle 200 bewegen. Je nach Annahme, bewegt sich das Fahrzeug 100 mit einem Geschwindigkeitsvektor $| \overset{⇀}{ν_{E}} |$
entlang der y-Achse, wie dies im Diagramm angegeben ist. Es sei angemerkt, dass die Eigenbewegung des Fahrzeugs 100 als Bewegung in y-Richtung definiert ist, so dass der Vektor Geschwindigkeitsvektor $| \overset{⇀}{ν_{E}} |$
stets in die gleiche Richtung zeigt. Zudem ist die Geschwindigkeit v_E des Fahrzeugs 100 der Geschwindigkeitsanteil von $| \overset{⇀}{ν_{E}} |$
unter einem Winkel α (Winkel gegenüber der y-Achse) in Richtung hin zu der Akustikquelle 200 angegeben. Ebenso bewegt sich, je nach Annahme, die Akustikquelle 200, mit einem Betrag des Geschwindigkeitsvektors $| \overset{⇀}{ν_{S}} |$
unter einem Winkel γ (Winkel gegenüber der y-Achse). Ein Akustiksignal S, das von der Akustikquelle 200 ausgesendet wird, hat eine Geschwindigkeit vs in Richtung hin zu dem Fahrzeug 100.
Ausgehend von 2, kann eine Dopplerberechnung mit der Gleichung (1) $f_{S} = f_{E} \frac{c + | \overset{⇀}{ν_{S}} | cos (γ - α)}{c + | \overset{⇀}{ν_{E}} | cos α}$
erfolgen, wobei fs eine Signalfrequenz des Akustiksignals S, f_E eine Beobachterfrequenz des Akustiksignals S und c die Schallgeschwindigkeit angeben. Für eine Ortsbestimmung der Akustikquelle 200 anhand dieser Gleichung (1), insbesondere einer Bestimmung von Richtung, Entfernung, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Frequenz der Akustikquelle 200 bzw. des davon ausgesendeten Akustiksignals S besteht das Problem, dass die Gleichung fünf unbekannte Variablen $| \overset{⇀}{ν_{S}} |,$
γ, α, d und fs aufweist, die Gleichung also unterbestimmt ist. Dabei beschreibt d die Distanz zwischen Fahrzeug und Akustikquelle. Diese ist notwendig, um Veränderungen der anderen Variablen über die Zeit berechnen zu können.
Zur Lösung dieses Problems ist die Datenverarbeitungseinrichtung 120 dazu eingerichtet, einige der unbekannten Variablen auf Werte oder einen Wertebereich einzuschränken, der im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 100 realistisch ist, wie dies weiter unten noch detaillierter erläutert wird. Zusätzlich ergeben sich Änderungen der durch die Gleichung (1) bestimmbaren Dopplerverschiebung, aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Fahrzeug 100 und der Akustikquelle 200. Eine Kombination dieser beiden Effekte erlaubt eine ausreichend genaue Abschätzung der fünf Variablen, wobei auf dieser Abschätzung beruhend eine ausreichend genaue Lokalisierung der Akustikquelle 200 relativ zu dem Fahrzeug 100 erfolgen kann.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 120 ist insbesondere dazu eingerichtet, mittels akustischer Erfassung des Akustiksignals S einen Wert der auf das Fahrzeug 100 bezogenen Beobachterfrequenz f_E des erfassten Akustiksignals S zu bestimmen. Zudem erfolgt eine Abschätzung der unbekannten Variablen, so dass zunächst eine Vielzahl von möglichen Werten, z.B. ein Wertebereich, der Geschwindigkeit v_S der Akustikquelle 200 festgelegt wird. Des Weiteren werden eine Vielzahl von Werten, z.B. ein Wertebereich, einer Akustikquellenposition der Akustikquelle 200 relativ zu der Position des Fahrzeugs 100 festgelegt, wobei die Akustikquellenposition insbesondere eine Abschätzung der oben erwähnten Variablen x, y, d, α enthält. Für die Verarbeitung dieser Daten in der Datenverarbeitungseinrichtung 120 wird zudem angenommen, dass sich die Geschwindigkeit und Richtung der Akustikquelle für zumindest einen kurzen Zeitraum nicht oder kaum ändert, also im Wesentlichen konstant ist. Zudem kann optional angenommen werden, dass die Signalfrequenz fs repetitive oder andere bekannte Sequenzen enthält, wie dies insbesondere bei Notsignalen eines Folgetonhorns gegeben ist.
Die Lokalisierung der Akustikquelle 200 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 120 erfolgt dadurch, dass die Gleichung (1) für eine Anzahl von Zeitpunkten für eine Auswahl von möglichst abstandsgleichen, realistischen Werten von f_E , $| \overset{⇀}{ν_{S}} |,$
y, α und d, also iterativ, gelöst wird. Zwischen den Iterationen bzw. Iterationsschritten, wird eine neue Akustikquellenposition der Akustikquelle 200 unter der Annahme bestimmt, dass zumindest $| \overset{⇀}{ν_{S}} |,$
y, α und d gegeben sind. Falls die Annahme nicht in einer Mehrheit der Iterationen oder in allen Iterationen zu einem konstanten Wert, bzw. einem Wert innerhalb eines bestimmten Frequenzintervalls, von f_S führt, wird diese eliminiert, so dass eine geringere Anzahl von Möglichkeiten verbleibt. Aus den Annahmen mit den geringsten Abweichungen von fs bestimmt die Datenverarbeitungseinrichtung 120 den Aufenthaltsort, die Geschwindigkeit und Richtung der Akustikquelle 200, sowie die Frequenz ihres Akustiksignals S. Die Datenverarbeitungseinrichtung 120 kann diese Information dann für eine Verwendung in einer Fahrstrategieplanung, Fahrsteuerung oder ähnlichem des Fahrzeugs 100 bereitstellen. So kann das Fahrzeug 100 der Akustikquelle 200 auch automatisiert ausweichen, indem z.B. die Route, Fahrtrajektorie usw. entsprechend umgeplant wird.
3 veranschaulicht die Lokalisierung der Akustikquelle 200 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 120 in einem Diagramm. Dieses weist wiederum eine x-Achse in Form einer Wegachse in Metern (m) und eine y-Achse in Form einer Wegachse in Metern (m) auf und zeigt das Fahrzeug 100 zumindest ungefähr im Koordinatenursprung des Diagramms. Mit dem Bezugszeichen 200 ist die tatsächliche Position der Akustikquelle bezeichnet, wobei hier der Geschwindigkeitsvektor $| \overset{⇀}{ν_{S}} |$
durch einen Pfeil dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen 200' sind alle möglichen errechneten (Schätz-)Positionen der Akustikquelle bezeichnet, die, hier lediglich exemplarisch, nach einer Anzahl von Iterationen eine Abweichung haben, die hier unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegen. Es sei angemerkt, dass die Abweichung beispielsweise durch Bestimmung des Quadratischen Mittels (RMS) ermittelt wurde. Zudem sei angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber nicht sämtliche möglichen Positionen mit einem Bezugszeichen bezeichnet sind. Alle nicht mit einem Bezugszeichen bezeichneten Pfeile, die hier wiederum einen Geschwindigkeitsvektor bezeichnen, entsprechen somit auch möglichen Positionen der Akustikquelle 200. Mit den Bezugszeichen 200" sind diejenigen (durch die Datenverarbeitungseinrichtung 120 bestimmten) Akustikquellenpositionen der Akustikquelle angegeben, die in einer Anzahl von Iterationen die geringste Abweichung aufweisen und demnach als wahrscheinlichste Position der Akustikquelle anzusehen sind. Auch hier ist jeweils der Geschwindigkeitsvektor durch einen Pfeil dargestellt.
4 fasst in einem Flussdiagramm ein Verfahren zur Lokalisierung der Akustikquelle 200 relativ zu dem Fahrzeug 100 zusammen. Das Verfahren wird insbesondere mit der oben beschriebenen Datenverarbeitungseinrichtung 120 und der Akustikerfassungseinrichtung 140 durchgeführt.
In einem Schritt S1 erfolgt ein Erhalten des von der Akustikquelle 200 ausgesendeten Akustiksignals S. In einem Schritt S2 erfolgt ein Bestimmen, beispielsweise Erfassen oder Messen, der auf das Fahrzeug 100 bezogenen Beobachterfrequenz f_E des erhaltenen Akustiksignals S. In einem Schritt S3 erfolgt ein Festlegen einer Geschwindigkeit vs der Akustikquelle 200. In einem Schritt S4 erfolgt ein Festlegen der Akustikquellenposition x, y, d, α relativ zu einer Position des Fahrzeugs 100. In einem Schritt S5 erfolgt ein Bestimmen der Signalfrequenz f_S . In einem Schritt S6 erfolgt eine Lokalisierung der Akustikquelle 200 durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz f_E , der Geschwindigkeit vs, der Signalfrequenz fs und der Akustikquellenposition x, y, d, α.

Claims

Verfahren zur Lokalisierung einer Akustikquelle (200) relativ zu einem Fahrzeug (100), mit den Schritten: - Erhalten eines von der Akustikquelle (200) ausgesendeten Akustiksignals (S), - Bestimmen einer auf das Fahrzeug (100) bezogenen Beobachterfrequenz (f_E) des erhaltenen Akustiksignals (S), - Festlegen einer Geschwindigkeit (v_S) der Akustikquelle (200), - Festlegen einer Akustikquellenposition (x, y, d, α) relativ zu einer Position des Fahrzeugs (100), - Bestimmen einer Signalfrequenz (f_S) und - Lokalisierung der Akustikquelle (200) durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f_E), der Geschwindigkeit (vs), der Signalfrequenz (f_S) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit (v_S), die Akustikquellenposition (x, y, d, α) und/oder die Signalfrequenz (fs) innerhalb eines zugeordneten Wertebereichs mit einer Mehrzahl von Einzelwerten festgelegt und/oder bestimmt werden, der in einer der Lokalisierung zugrundeliegenden, momentanen Fahrsituation zumindest näherungsweise realisierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wertebereiche der Festlegungen der Geschwindigkeit (v_S), der Akustikquellenposition (x, y, d, a) und/oder der Signalfrequenz (f_S) in einem iterativen Ausschlussverfahren eingeschränkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei iterativ Kombinationen der Festlegungen für die Geschwindigkeit (v_S), die Akustikquellenposition (x, y, d, α) und/oder die Signalfrequenz (fs) ausgeschlossen werden, die der bestimmten Beobachterfrequenz (f_E) widersprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in jeder n-ten Dopplerberechnung eine Bestimmung der Signalfrequenz (fs) durchgeführt wird und mit der Festlegung der Signalfrequenz (fs) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei aus den n Dopplerberechnungen eine Abweichung der Signalfrequenz (f_S) bestimmt wird, und die Lokalisierung anhand von denjenigen Festlegungen der Geschwindigkeit (vs) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α) erfolgt, die eine möglichst geringe Abweichung der berechneten Signalfrequenz (fs) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dopplerberechnungen und/oder Bestimmungen der Beobachterfrequenz (f_E) eine Situationsveränderung aufgrund von Geschwindigkeit (v_S) und Akustikquellenposition (x, y, d, a) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich wenigstens die Akustikquelle (100) oder das Fahrzeug (100) während der akustischen Erfassung und/oder der Lokalisierung bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Lokalisierung nur ein einzelnes Mikrofon (141) des Fahrzeugs (100) verwendet wird.
Vorrichtung zur Lokalisierung einer Akustikquelle (200) relativ zu einem Fahrzeug, mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (120), die dazu eingerichtet ist, - eine auf das Fahrzeug (100) bezogene Beobachterfrequenz (f_E) des erfassten Akustiksignals (S) zu bestimmen, - eine Geschwindigkeit (v_S) der Akustikquelle (200) festzulegen, - eine Akustikquellenposition (x, y, d, α) relativ zu einer Position des Fahrzeugs (100) festzulegen, - eine Signalfrequenz (fs) zu bestimmen und - die Akustikquelle (200) durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f_E), der Geschwindigkeit (vs), der Signalfrequenz (fs) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α) zu lokalisieren.
System zur Lokalisierung einer Akustikquelle (200) relativ zu einem Fahrzeug, mit einer Akustikerfassungseinrichtung (140), und einer Datenverarbeitungseinrichtung (120), die dazu eingerichtet ist, - eine auf das Fahrzeug (100) bezogene Beobachterfrequenz (f_E) des erfassten Akustiksignals (S) zu bestimmen, - eine Geschwindigkeit (v_S) der Akustikquelle (200) festzulegen, - eine Akustikquellenposition (x, y, d, α) relativ zu einer Position des Fahrzeugs (100) festzulegen, - eine Signalfrequenz (fs) zu bestimmen und - die Akustikquelle (200) durch eine n-fach durchgeführte Dopplerberechnung mit der Beobachterfrequenz (f_E), der Geschwindigkeit (vs), der Signalfrequenz (fs) und der Akustikquellenposition (x, y, d, α) zu lokalisieren.
Computerprogramm zur Lokalisierung einer Akustikquelle (200) relativ zu einem Fahrzeug, das, wenn es von einem Prozessor einer Datenverarbeitungseinrichtung (120) ausgeführt wird, dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Computerlesbares Speichermedium, mit einem Computerprogramm nach Anspruch 12.