DE102019114209A1

DE102019114209A1 - Verfahren zum Erkennen eines Objekts in einem Nahbereich einer Umgebung eines Fahrzeugs durch Auswertung von statistischen Parametern einer Einhüllenden eines Sensorsignals eines Ultraschallsensors sowie Ultraschallsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102019114209A1
Application number: DE102019114209.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Poepperl; Raghavendra Gulagundi; Johannes Wagner; Johannes Renner; Niko Sommer
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-12-03
Also published as: WO2020239450A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Objekts (8) in einem Nahbereich in einer Umgebung (9) eines Fahrzeugs (1), bei welchem ein Ultraschallsensor (4) zum Aussenden eines Ultraschallsignals angesteuert wird, anhand des in der Umgebung (9) des Fahrzeugs (1) reflektierten und von dem Ultraschallsensor (4) empfangenen Ultraschallsignals ein Sensorsignal bestimmt wird, eine Einhüllende (14) des Sensorsignals für einen vorbestimmten Ausschwingzeitbereich (17) bestimmt wird und anhand der Einhüllenden (14) ein Vorhandensein des Objekts (8) in dem Nahbereich überprüft wird, wobei eine Amplitudenverteilung der Einhüllenden (14) bestimmt wird, ein statistischer Parameter der Amplitudenverteilung bestimmt wird und anhand des statistischen Parameters das Vorhandensein des Objekts (8) in dem Nahbereich überprüft wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Objekts in einem Nahbereich einer Umgebung eines Fahrzeugs. Bei dem Verfahren wird ein Ultraschallsensor zum Aussenden eines Ultraschallsignals angesteuert. Zudem wird anhand des in der Umgebung des Fahrzeugs reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignals ein Sensorsignal bestimmt. Ferner wird für einen vorbestimmten Ausschwingzeitbereich eine Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt und anhand der Hüllkurve wird ein Vorhandensein des Objekts in dem Nahbereich überprüft. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Ultraschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares (Speicher)medium.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Ultraschallsensorvorrichtungen für Fahrzeuge. Derartige Ultraschallsensorvorrichtungen umfassen üblicherweise mehrere Ultraschallsensoren, welche dazu dienen, Objekte in einer Umgebung des Fahrzeugs zu erkennen. Hierzu wird mit den Ultraschallsensoren jeweils ein Ultraschallsignal ausgesendet und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal wieder empfangen. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt reflektierten Ultraschallsignals kann dann der Abstand zu dem Objekt bestimmt werden. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird üblicherweise eine Membran des Ultraschallsensors angeregt. Beim Empfangen des reflektierten Ultraschallsignals kann von dem Ultraschallsensor ein Sensorsignal ausgegeben werden, welches die Schwingung der Membran beziehungsweise das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal beschreibt. Zur Auswertung des Sensorsignals kann zudem eine Hüllkurve oder Einhüllende des Sensorsignals bestimmt werden. Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallsensorvorrichtungen bekannt, bei welchen der Ultraschallsensor eine integrierte Sensorelektronik aufweist. Diese Sensorelektronik kann durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bereitgestellt sein. Zudem ist der Ultraschallsensor über einen Datenbus mit einem Steuergerät verbunden.
Ultraschallsensoren, welche dieselbe Membran zum Senden und Empfangen nutzen, besitzen typischerweise einen sogenannten Totbereich oder Blindbereich. Dieser ergibt sich dadurch, dass die zum Senden verwendeten Signale die Membran deutlich stärker anregen als solche, die von nahe entfernten Objekten reflektiert werden. Auch wenn eine Überlagerung der gesendeten und empfangenen Signale im Verhalten der Membran mit speziellen Algorithmen nachgewiesen werden können, ist eine Detektion der Objekte allein anhand der Einhüllenden des Sensorsignals bisher nicht möglich. Der zuvor genannte Totbereich kann bei Pulssignalen einen Abstand von bis zu 30 cm zu dem Ultraschallsensor aufweisen und bei modulierten Signalen, beispielsweise einem Chirp, kann der Totbereich einen Abstand von bis zu 50 cm zu dem Ultraschallsensor aufweisen. Dies hat zur Folge, dass die Erkennung von Objekten in einem Nahbereich der Umgebung des Fahrzeugs erschwert wird. Die Analyse des Totbereichs beziehungsweise die Überwachung des Nahbereichs kann nur innerhalb der Sensorelektronik durchgeführt werden, da eine Übertragung des Sensorsignals an das Steuergerät aufgrund der vorhandenen Bandbreite beziehungsweise Datenrate auf dem Datenbus ausgeschlossen ist.
Die Implementierung der Sensorelektronik bringt allerdings Nachteile mit sich. Zum einen werden dadurch die Kosten des Ultraschallsensors erhöht und zum anderen ist eine nachträgliche Änderung des Algorithmus in der Sensorelektronik nahezu ausgeschlossen. Schon während des Entwicklungsprozesses eines Sensors ist eine Änderung der Sensorelektronik nur mit großem Aufwand möglich. Dies erschwert nicht nur den Entwicklungsprozess, sondern auch die Anpassung der Algorithmen, zum Beispiel für verschiedene Signalformen, Umgebungseinflüsse oder dergleichen. Zusätzlich findet die Objektdetektion heute hauptsächlich in dem Steuergerät auf Basis der Einhüllenden des Sensorsignals statt. Im Falle eines Objekts im Nahbereich oder Ultranahbereich müssen daher zusätzliche Informationen an das Steuergerät übertragen werden, was eine zusätzliche Belastung des Datenbusses zur Folge hat. Eine weitere Möglichkeit, um Objekte im Nahbereich oder Ultranahbereich zu detektieren, ist die Verwendung spezieller Sendesignale. Diese erlauben dann aber keine gleichzeitige Erkennung von Objekten im Fernbereich des Ultraschallsensors.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen zur Erkennung von Objekten im Nahbereich die Phasenlage des Sensorsignals ausgewertet wird. Hierbei ist es aber üblicherweise erforderlich, dass das Sensorsignal beziehungsweise die Rohdaten ausgewertet werden. Dies kann entweder zu einer hohen Datenmenge führen, welche über den Datenbus zu übertragen ist, oder es wird eine teure Sensorelektronik benötigt.
Hierzu beschreibt die DE 10 2011 016 315 B4 ein Verfahren zur Freiraumerkennung mittels einer Impuls-Echo-Auswertung. Dabei wird ein Sendeimpuls mit einer Sende- und Empfangseinrichtung ausgesendet und ein Empfangssignal wird ausgewertet, um ein Vorhandensein ein oder mehrerer Gegenstände im Umfeld der Sende- und Empfangseinrichtung zu überprüfen. Ferner werden die Phasenlagen des Empfangssignals bezogen auf ein Referenzsignal ermittelt und die Phasenlagen werden in einem vorbestimmten Zeitbereich auf Abweichungen von erwarteten Phasenlagen ausgewertet, wobei eine Abweichung der Phasenlagen von den erwarteten Phasenlagen als ein Vorhandensein eines Gegenstands in dem Umfeld aufgefasst wird.
Darüber hinaus offenbart die DE 10 2010 062 983 A1 ein Verfahren zur akustischen Abtastung eines Bereichs. Hierbei wird ein Ist-Phasenverlauf eines Empfangssignals erfasst. Bei einer Abweichung des Ist-Phasenverlaufs gegenüber einem vorgegebenen Soll-Phasenverlauf wird ein Objekt innerhalb eines Bereichs detektiert.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2013 222 860 A1 ein Verfahren zum Erfassen eines Fahrzeugumfelds mithilfe eines Abstandssensors. Dabei wird ein Sendepuls ausgesendet und ein Nachschwingsignal in einem Nachschwingintervall wird erfasst. Zudem wird ein Energiewert durch Integrieren des Nachschwingsignals über einen Zeitabschnitt im Nachschwingintervall ermittelt. Zudem erfolgt ein Detektieren von Echosignalen im Nachschwingintervall auf Basis des ermittelten Energiewerts.
Ferner ist in der DE 10 2017 115 037 A1 ein Verfahren zur Erzeugung eines Hinweissignals für das mögliche Vorhandensein eines Ultraschall reflektierenden Objekts im Nahbereich vor einem Ultraschalltransducer vorgeschlagen. In Abhängigkeit von der realen Ausschwingzeit des Transducers wird zu einem Zeitpunkt das Ausschwingen des Ultraschalltransducers detektiert. Dann wird eine Integration des Hüllkurvenechosignals des Ultraschallechosignals beginnend mit dem Integrationswert 0 gestartet, um ein integriertes Hüllkurvensignal zu erzeugen. Am Ende des Integrationszeitraums zu einem Endzeitpunkt wird ein Vergleich des Betrags des Werts des integrierten Hüllkurvensignals mit dem Betrag eines Schwellwerts durchgeführt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie Objekte in einem Nahbereich mithilfe eines Ultraschallsensors auf einfache und zuverlässige Weise erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße durch ein Verfahren, durch eine Ultraschallsensorvorrichtung, durch ein Computerprogramm sowie durch ein computerlesbares (Speicher)medium mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erkennen eines Objekts in einem Nahbereich einer Umgebung eines Fahrzeugs. Bei dem Verfahren wird ein Ultraschallsensor zum Aussenden eines Ultraschallsignals angesteuert. Ferner wird anhand des in der Umgebung des Fahrzeugs reflektierten und von dem Ultraschallsensor empfangenen Ultraschallsignals ein Sensorsignal bestimmt. Außerdem wird für einen vorbestimmten Ausschwingzeitbereich eine Hüllkurve des Sensorsignals bestimmt und anhand der Hüllkurve wird ein Vorhandensein des Objekts in dem Nahbereich überprüft. Dabei ist vorgesehen, dass eine Amplitudenverteilung der Hüllkurve bestimmt wird, ein statistischer Parameter der Amplitudenverteilung bestimmt wird und anhand des statistischen Parameters das Vorhandensein des Objekts in dem Nahbereich überprüft wird.
Mithilfe des Verfahrens soll ein Objekt in der Umgebung des Fahrzeugs in dem vorbestimmten Nahbereich erfasst werden. Dieser Nahbereich kann einen Abstand zwischen 0 cm und 50 cm oder einen Abstand zwischen 0 cm und 30 cm zu dem Ultraschallsensor aufweisen. Das Verfahren kann mit einer Ultraschallsensorvorrichtung durchgeführt werden. Diese Ultraschallsensorvorrichtung kann einen Ultraschallsensor aufweisen, welcher eine integrierte Sensorelektronik aufweist. Diese Sensorelektronik kann durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bereitgestellt sein. Des Weiteren kann die Ultraschallsensorvorrichtung ein elektronisches Steuergerät (ECU - Electronic Control Unit) aufweisen, welches über einen Datenbus mit dem Ultraschallsensor verbunden ist.
Der Ultraschallsensor kann eine Membran aufweisen, die beispielsweise topfförmig ausgebildet sein kann und aus einem Metall, insbesondere Aluminium, gefertigt sein kann. Diese Membran wird mit einem entsprechenden Schallwandlerelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Element, zu mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt. Hierzu kann das Schallwandlerelement mit einem entsprechenden Anregungssignal angeregt werden. Das ausgesendete Ultraschallsignal wird von dem Objekt reflektiert und gelangt zu dem Ultraschallsensor zurück. Durch das reflektierte Ultraschallsignal wird die Membran zum Schwingen angeregt, wobei die Schwingung mittels des Schallwandlerelements erfasst werden kann. Mit dem Schallwandlerelement kann dann das Sensorsignal ausgegeben werden, welches den zeitlichen Verlauf des reflektierten Ultraschallsignals beschreibt. Bei dem Sensorsignal kann es sich um ein Rohsignal handeln, welches mit dem Schallwandlerelement in Form einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung ausgegeben wird und welches entsprechen abgetastet wird. Das Sensorsignal kann auch dadurch bereitgestellt werden, dass das Rohsignal vor der Abtastung entsprechend verstärkt und/oder gefiltert wird. Die Membran des Ultraschallsensors schwingt nach dem Anregen nach. Dies beeinflusst die Erfassung von Objekten in dem Nahbereich.
Von dem Sensorsignal wird eine Einhüllende beziehungsweise Hüllkurve bestimmt. Insbesondere wird die Einhüllende des Betrags des Sensorsignals bestimmt. Dabei wird die Einhüllende für den vorbestimmten Ausschwingzeitbereich bestimmt beziehungsweise die Einhüllende wird für den vorbestimmten Ausschwingzeitbereich analysiert. Während dieses Ausschwingzeitbereichs schwingt die Membran des Ultraschallsensors zumindest zum Teil aus. Dieser Ausschwingzeitbereich kann dem Nahbereich zugeordnet sein. Dies bedeutet, dass während des Ausschwingzeitbereichs reflektierte Ultraschallsignale beziehungsweise Echos von Objekten, die sich in dem Nahbereich befinden, empfangen werden können. Die Einhüllende beschreibt den zeitlichen Verlauf der Amplituden des Sensorsignals beziehungsweise des Betrags des Sensorsignals. Des Weiteren wird die Amplitudenverteilung, welche die Verteilung der Amplituden der Einhüllenden beschreibt, bestimmt. Zudem wird anhand der Amplitudenverteilung ein statistischer Parameter bestimmt. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere statistische Parameter auf Grundlage der Amplitudenverteilung bestimmt werden. Hierbei haben Versuche gezeigt, dass sich die statistischen Parameter, beispielsweise ein Mittelwert und/oder eine Varianz, der Amplitudenverteilung in dem Nahbereich deutlich voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass sich für unterschiedliche Objektabstände, also Abstände zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt, in dem Nahbereich unterschiedliche beziehungsweise deutlich voneinander unterscheidbare statistische Parameter ergeben.
Im Betrieb des Ultraschallsensors kann die Amplitudenverteilung der Einhüllenden bestimmt werden und der zumindest eine statistische Parameter der Amplitudenverteilung ermittelt werden. Auf Grundlage des statistischen Parameters kann dann abgeschätzt werden, ob sich ein Objekt in dem Nahbereich befindet oder nicht. Hierzu kann der statistische Parameter beispielsweise mit zuvor bestimmten statistischen Referenz-Parameter verglichen werden. Somit wird es im normalen Betrieb des Ultraschallsensors möglich, Objekte in dem Nahbereich zu detektieren. Ein Spezialmodus zur Erkennung von Objekten in dem Nahbereich ist nicht notwendig. Somit ergibt sich keine Einschränkung bezüglich der Reichweite des Ultraschallsensors, wie sie beispielsweise durch eine Änderung des ausgesendeten Ultraschallsignals in einem speziellen Nahbereichsmodus auftreten würde. Insgesamt kann somit auf einfache und zuverlässige Weise überprüft werden, ob sich ein Objekt in dem Nahbereich befindet.
Bevorzugt wird als der statistische Parameter ein Mittelwert und/oder eine Varianz der Amplitudenverteilung bestimmt. Grundsätzlich können auch andere statistische Parameter der Amplitudenverteilung, wie beispielsweise eine Schiefe, eine Wölbung oder dergleichen, bestimmt werden. Hier konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass die statistischen Parameter für unterschiedliche Objektabstände in dem Nahbereich deutlich zu unterscheiden sind. Zudem haben Versuche ergeben, dass die Form und/oder die Reflexionseigenschaften von Objekten nur einen sehr geringen Einfluss auf die statistischen Parameter haben. Somit kann eine zuverlässige Abschätzung ermöglicht werden, ob ein Objekt in dem Nahbereich vorhanden ist.
In einer Ausführungsform wird zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts in dem Nahbereich der statistische Parameter mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Dieser Schwellwert kann beispielsweise auf Grundlage von statistischen Referenz-Parametern bestimmt werden, welche zuvor in Referenz-Messungen bestimmt wurden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der statistische Parameter mit einer Schwellwertkurve verglichen wird beziehungsweise überprüft wird, ob der statistische Parameter oberhalb oder unterhalb der Schwellwertkurve liegt. Aufgrund der nachgewiesenen eindeutigen Tendenz der statistischen Parameter, insbesondere des Mittelwerts und der Varianz, kann somit im einfachsten Fall der Schwellwert beziehungsweise die Schwellwertkurve dazu genutzt werden, um zu unterscheiden, ob sich das Objekt in dem Nahbereich befindet oder nicht.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts in dem Nahbereich ein Klassifikationsverfahren verwendet wird. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von statistischen Parameter der Amplitudenverteilung bestimmt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass weitere statistische Merkmale der Amplitudenverteilung bestimmt werden. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn Klassifikationsverfahren beziehungsweise Klassifikatoren für die Erkennung von Objekten im Nahbereich genutzt werden. Beispielsweise können Baum-basierte Verfahren verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein künstliches neuronales Netz dazu verwendet wird, die Überprüfung des Nahbereichs durchzuführen. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Überwachung des Nahbereichs ermöglicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts in dem Nahbereich der statistische Parameter mit statistischen Referenz-Parametern verglichen, wobei die statistischen Referenz-Parameter in Referenz-Messungen bestimmt werden beziehungsweise wurden. Wie bereits erläutert, können entsprechende Referenz-Messungen durchgeführt werden. Bei diesen Referenz-Messungen können entsprechende Objekte innerhalb des Nahbereichs in definierten Abständen beziehungsweise Objektabständen zu dem Ultraschallsensor platziert werden. Bei den jeweiligen Referenz-Messungen kann dann die Einhüllende für den Ausschwingzeitbereich bestimmt werden und hieraus die statistischen Referenz-Parameter abgeleitet werden. Diese statistischen Referenz-Parameter können dann in einem Speicher oder einer Tabelle hinterlegt werden. Im Betrieb des Ultraschallsensors kann dann der bestimmte statistische Parameter mit diesen Referenz-Parametern verglichen werden. Dieser Vergleich kann innerhalb einer geringen Rechenzeit durchgeführt werden, sodass die Überwachung des Nahbereichs innerhalb einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden kann.
Hierbei es bevorzugt vorgesehen, dass anhand des Vergleichs des statistischen Parameters mit den statistischen Referenz-Parametern ein Objektabstand zwischen dem Objekt und dem Ultraschallsensor bestimmt wird, falls ein Objekt in dem Nahbereich erkannt wird. Für vorbestimmte Objektabstände können jeweils Referenz-Messungen durchgeführt werden und hierzu die statistischen Referenz-Parameter bestimmt werden. Durch den Vergleich des statistischen Parameters, der während der Messung bestimmt wurde, mit den zuvor ermittelten statistischen Referenz-Parametern kann dann der Objektabstand beziehungsweise der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt im Nahbereich bestimmt werden. Somit kann neben der Überwachung des Nahbereichs auch der Objektabstand bestimmt werden. Damit kann eine Information über den Objektabstand an den Fahrer ausgegeben werden und/oder einem Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird anhand der statistischen Referenz-Parameter eine Referenz-Kurve bestimmt und der Objektabstand wird anhand der Referenz-Kurve bestimmt. Durch die bestimmten statistischen Referenz-Parameter oder einen Teil davon kann also eine Kurve gelegt werden. Im einfachsten Fall kann es vorgesehen sein, dass eine Gerade durch die statistischen Referenz-Parameter gelegt wird. Um eine solche Referenz-Kurve bestimmen zu können, können entsprechende Verfahren der Kurvenanpassung oder dergleichen genutzt werden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Objektabstand mittels eines Regressionsverfahrens bestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass mittels des Regressionsverfahrens die Referenz-Kurve bestimmt wird. Insbesondere kann das Regressionsverfahren beziehungsweise die Regression in einem Bereich genutzt werden, in welchem die statistischen Referenz-Parameter eine einen vorbestimmten Unterschied zueinander aufweisen.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Hüllkurve mittels einer Sensorelektronik des Ultraschallsensors bestimmt wird und das Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts in dem Nahbereich mittels eines Steuergeräts durchgeführt wird. Somit ist es ausreichend, dass Daten, welche die Einhüllende beschreiben von der Sensorelektronik zu dem Steuergerät über den Datenbus übertragen werden. Diese Daten weisen eine geringe Datenmenge auf und die Datenrate des Datenbusses ist ausreichend für die Übertragung dieser Daten. Dadurch, dass lediglich die Einhüllende beziehungsweise Hüllkurve des Sensorsignals verwendet wird, kann das restliche Verfahren auf dem Steuergerät durchgeführt werden. Eine Änderung der Sensorelektronik ist es somit nicht erforderlich. Dies bringt insbesondere einen Vorteil mit sich, wenn die Sensorelektronik als spezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet ist. Somit ist eine Anpassung im ASIC speziell für den Nahbereichs Detektion nicht erforderlich, wodurch Kosten eingespart werden können. Ferner kann eine Übertragung von großen Datenmengen über den Datenbus vermieden werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich ein Rohsignal beziehungsweise das Sensorsignal oder ein Trägersignal über den Datenbus zu übertragen.
In einer Ausführungsform ist der Ausschwingzeitbereich einem Zeitbereich zwischen 0,5 ms und 5 ms nach dem Anregen des Ultraschallsensors zugeordnet ist. Der Ausschwingzeitbereich ist die nach verwendeten Sendesignal beziehungsweise ausgesendeten Ultraschallsignals unterschiedlich lang. Daher ist es insbesondere vorgesehen, dass je nach Signaltyp auch der Ausschwingzeitbereich definiert wird. Bei einem Ultraschallpuls kann der Ausschwingzeitbereich beispielsweise einem Zeitbereich zwischen 0,5 ms und 2,5 ms nach dem Anregen der Membran beziehungsweise dem Aussenden des Ultraschallsignals zugeordnet werden. Wenn ein moduliertes Ultraschallsignal, beispielsweise ein Chirp, ausgesendet wird, kann der Ausschwingzeitbereich zwischen 2,5 ms von 5 ms betragen. Es können folglich alle Signalformen, die für den normalen Sendebetrieb verwendet werden, auch für das Verfahren zur Überwachung des Nahbereichs genutzt werden. Dadurch ergibt sich keine Einschränkung der Reichweite des Ultraschallsensors.
Eine erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung für ein Fahrzeug umfasst einen Ultraschallsensor, welche eine Sensorelektronik aufweist, und ein Steuergerät. Dabei ist die Ultraschallsensorvorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens und der vorteilhaften Ausgestaltungen davon ausgelegt. Das Steuergerät kann ein elektronisches Steuergerät des Fahrzeugs sein. Die Sensorelektronik ist Teil des Ultraschallsensors beziehungsweise in den Ultraschallsensor integriert. Beispielsweise kann die Sensorelektronik einem Gehäuse des Ultraschallsensors angeordnet sein. Insbesondere ist die Sensorelektronik durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bereitgestellt. Bevorzugt kann die Ultraschallsensorvorrichtung eine Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweisen, die beispielsweise verteilt an dem Kraftfahrzeug angeordnet werden können. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrerassistenzsystem, welches eine erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung umfasst. Mittels des Fahrerassistenzsystems kann das Fahrzeug in Abhängigkeit von dem erfassten Objekt zumindest semi-autonom manövriert werden.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung. Das Fahrzeug kann beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fahrzeug als Nutzfahrzeug ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Recheneinrichtung diese veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren und die vorteilhaften Ausgestaltungen davon auszuführen.
Ein erfindungsgemäßes computerlesbares (Speicher)medium umfasst Befehle, die bei der Ausführung durch eine Recheneinrichtung diese veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren und die vorteilhaften Ausgestaltungen davon auszuführen.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Ultraschallsensorvorrichtung, für das erfindungsgemäße Fahrzeug, für das erfindungsgemäße Computerprogramm sowie für das erfindungsgemäße computerlesbare (Speicher)medium.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, welches eine Ultraschallsensorvorrichtung mit einer Mehrzahl von Ultraschallsensoren aufweist, sowie ein Objekt in einem Umgebungsbereich des Fahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung einer Ultraschallsensorvorrichtung, welche einen Ultraschallsensor mit integrierter Sensorelektronik und ein Steuergerät aufweist;
3 einen zeitlichen Verlauf einer Einhüllenden eines Sensorsignals des Ultraschallsensors, wobei eine Ausschwingzeit gekennzeichnet ist;
4 Histogramme von Amplitudenverteilungen von jeweiligen Einhüllenden für die Ausschwingzeit für unterschiedliche Objektabstände;
5 Mittelwerte der Amplitudenverteilungen für unterschiedliche Objektabstände; und
6 einen Varianz der Amplitudenverteilungen für unterschiedliche Objektabstände.

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Fahrzeug 1, welches vorliegend als Personenkraftwagen ausgebildet ist, in einer Draufsicht. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, welches dazu dient, einen Fahrer beim Führen des Fahrzeugs 1 zu unterstützen. Das Fahrerassistenzsystem 2 kann beispielsweise als Parkhilfesystem ausgebildet sein, mittels welchem ein Fahrer beim Einparken des Fahrzeugs 1 in eine Parklücke und/oder beim Ausparken der Parklücke unterstützt werden kann.
Das Fahrerassistenzsystem 2 beziehungsweise das Fahrzeug 1 weist ferner eine Ultraschallsensorvorrichtung 3 auf. Diese Ultraschallsensorvorrichtung 3 umfasst zumindest einen Ultraschallsensor 4. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung 3 zwölf Ultraschallsensoren 4, von denen sechs in einem Frontbereich 6 des Fahrzeugs 1 und sechs in einem Heckbereich 7 des Fahrzeugs 1 angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren 4 können beispielsweise an den Stoßfängern des Fahrzeugs 1 montiert sein. Dabei können die Ultraschallsensoren 4 zumindest bereichsweise in entsprechenden Ausnehmungen beziehungsweise Durchgangsöffnungen der Stoßfänger angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ultraschallsensoren 4 verdeckt hinter den Stoßfängern angeordnet sind.
Grundsätzlich können die Ultraschallsensoren 4 auch an weiteren Verkleidungsteilen oder Bauteilen des Fahrzeugs 1 angeordnet sein. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren an oder verdeckt hinter den Türen des Fahrzeugs 1 angeordnet sein.
Mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 können Objekte 8 in einer Umgebung 9 des Fahrzeugs 1 erfasst werden. Vorliegend ist schematisch ein Objekt 8 in der Umgebung 9 gezeigt. Die Ultraschallsensorvorrichtung 3 umfasst ferner ein elektronisches Steuergerät 5, welche zur Datenübertragung mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 verbunden ist. Mit dem elektronischen Steuergerät 5 können die jeweiligen Ultraschallsensoren 4 zum Aussenden des Ultraschallsignals mit einem entsprechenden Anregungssignal angeregt werden. Zudem können Sensorsignale, die mit den Ultraschallsensoren 4 bereitgestellt werden, an das Steuergerät 5 übertragen werden. Auf Grundlage der Sensorsignale können dann mit dem Steuergerät 5 die Objekte 8 in der Umgebung 9 erkannt werden. Diese Information kann dann von dem Fahrerassistenzsystem 2 dazu genutzt werden, eine Ausgabe an den Fahrer des Fahrzeugs 1 auszugeben. Zudem kann es vorgesehen sein, dass das Fahrerassistenzsystem 2 in eine Lenkung, ein Bremssystem und/oder einen Antriebsmotor des Fahrzeugs eingreift, um das Fahrzeug 1 in Abhängigkeit von dem erfassten Objekt 8 zumindest semi-autonom zu manövrieren.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ultraschallsensorvorrichtung 3, welche der Übersichtlichkeit halber einen Ultraschallsensor 5 aufweist, welcher über einen Datenbus 11 mit dem Steuergerät 5 zur Datenübertragung verbunden ist. Dabei weist der Ultraschallsensor 4 ein Schallwandlerelement 12 auf, welches als piezoelektrisches Element ausgebildet sein kann. Dieses Schallwandlerelement 12 ist mit einer Membran 13 zur Schwingungsübertragung verbunden. Die Membran 13 ist topfförmig ausgebildet und kann aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigt sein. Darüber hinaus umfasst der Ultraschallsensor 4 eine Sensorelektronik 10, welche als anwendungsspezifische integrierte Schaltung beziehungsweise ASIC ausgebildet sein kann.
3 zeigt eine Einhüllende 14 des Sensorsignals des Ultraschallsensors 4. Dabei ist auf der Abszisse ein Objektabstand d zu dem Objekt 8 in m und auf der Ordinate sind Amplitudenwerte A der Einhüllenden 14 beziehungsweise des Sensorsignals dargestellt. Dabei sind die Amplitudenwerte A auf den Wert 1 normiert. Die Einhüllende 14 beschreibt dabei eine Hüllkurve des Betrags des Sensorsignals. Ein erster Bereich 15 der Einhüllenden 14 beschreibt die Anregung des Schallwandlerelements 12 zum Aussenden des Ultraschallsignals und das anschließende Ausschwingen der Membran 13. In einem Bereich 16 der Einhüllenden 14 sind die Echos des Ultraschallsignals beziehungsweise das von einem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal zu erkennen. Vorliegend sollen Objekte 8 in einem vorbestimmten Nahbereich in der Umgebung 9 erkannt werden. Hierzu wird die Einhüllende 14 für einen vorbestimmten Ausschwingzeitbereich 17 analysiert. Um Objekte 8 in dem Nahbereich zu erkennen, wird nachfolgend nur die Einhüllende 14 für den Ausschwingzeitbereich 17 untersucht. Bei dem ausgesendeten Ultraschallsignal handelt es sich vorliegend um ein Pulssignal. Hieraus ergibt sich der Nahbereich in einem Abstand zwischen 0 cm und 30 cm zu dem Ultraschallsensor 4.
4 zeigt beispielhaft drei Histogramme, welche anhand der Amplitudenwerte A der Einhüllenden 14 für den Ausschwingzeitbereich 17 bestimmt wurden. Bei den Histogrammen ist jeweils auf der Abszisse der Amplitudenwert A auf der Ordinate die Frequenz f aufgetragen. Dabei zeigt das Histogramm auf der linken Seite die Amplitudenverteilung beziehungsweise die Verteilung der Amplitudenwerte A für ein Objekt 8, das sich in einem Objektabstand d von 10 cm zu dem Ultraschallsensor 4 befindet. Das Histogramm in der Mitte zeigt die Amplitudenverteilung für ein Objekt 8, dass sich in einem Objektabstand d von 20 cm zu dem Ultraschallsensor befindet. Das Histogramm auf der rechten Seite zeigt die Amplitudenverteilung für Objekt auch, dass sich in einem Objektabstand d von 30 cm zu dem Ultraschallsensor befindet. Aus dieser beispielhaften Darstellung der Histogramme kann entnommen werden, dass sich die Amplitudenverteilungen für unterschiedliche Objektabstände d in dem Nahbereich deutlich voneinander unterscheiden.
Anhand der Amplitudenverteilungen werden statistische Parameter bestimmt. Als statistische Parameter können beispielsweise ein Mittelwert M oder eine Varianz V bestimmt werden. Hierzu zeigt 5 den Mittelwert M für verschiedene Objektabstände d. Dabei sind einzelnen Messwerte dargestellt, welche als statistische Referenz-Parameter 18 dienen. Ferner ist eine Linie dargestellt, welche eine mögliche Interpolation zwischen den statistischen Referenz-Parameter 18 darstellt, wobei Linie als Referenz-Kurve 19 dient. Darüber hinaus zeigt 6 die Varianz V für verschiedene Objektabstände d. Auch hier sind einzelnen Messwerte dargestellt, welche als statistische Referenz-Parameter 20 dienen. Zudem ist eine mögliche Verbindung der Messwerte, welche als Referenz-Kurve 21 dient, dargestellt. Es ist deutlich sichtbar, dass sowohl für den Mittelwert M als auch die Varianz V unterschiedliche Werte auftreten, je nachdem, ob sich ein Objekt 8 in dem Nahbereich (Objektabstand d zwischen 0 cm und 30 cm) befindet oder nicht. Verschiedene Tests haben gezeigt, dass die Form und Reflexionseigenschaften des Objekts 8 selbst darauf kaum einen Einfluss haben.
Im Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 3 kann mit dem Ultraschallsensor 4 das Ultraschallsignal ausgesendet werden und das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal empfangen werden. Dabei kann mit der Sensorelektronik 10 des Ultraschallsensors 4 die Einhüllende 14 des Sensorsignals für den Ausschwingzeitbereich 17 bestimmt werden. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass das Sensorsignal zunächst abgetastet beziehungsweise digitalisiert wird. Im Anschluss daran können Daten, welche die Einhüllende 14 beschreiben, über den Datenbus 11 an das Steuergerät 5 übertragen werden. Mittels des Steuergeräts 5 kann dann von der Amplitudenverteilung der Einhüllenden 14 der statistische Parameter bestimmt werden. Um zu erkennen, ob sich ein Objekt 8 in dem Nahbereich befindet, kann der statistische Parameter mit den statistischen Referenz-Parametern 18, 20 verglichen werden. Aufgrund der eindeutigen Tendenz von Mittelwert M und Varianz V kann im einfachsten Fall ein einfacher Schwellwert dazu genutzt werden, unterscheiden, ob sich ein Objekt 8 in den Nahbereich befindet oder nicht.
Darüber hinaus kann der Abstand zwischen dem Objekt 8 und dem Ultraschallsensor 4 bestimmt werden, falls das Objekt 8 in dem Nahbereich erkannt wurde. Für die Abstandsbestimmung kann durch Regression oder Kurvenanpassung (curve fitting) an die dargestellten Messwerte erfolgen. Mithilfe der Regression kann dann von einem ermittelten statistischen Parameter auf die tatsächliche Distanz geschlossen werden. Während die Detektion über den gesamten Nahbereich beziehungsweise Ultranahbereich ab etwa einem Abstand von 2 cm zuverlässig geführt werden kann, kann die Regression insbesondere im Bereich ab 10 cm verwendet werden. Wie in 5 und 6 zu sehen ist, ist in diesem Bereich bis zum Anfang des Fernbereichs eine ausreichende Steigerung der statistischen Parameter beziehungsweise statistischen Referenz-Parameter 18, 20 vorhanden, sodass eine sinnvolle Regression durchgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011016315 B4 [0006]
DE 102010062983 A1 [0007]
DE 102013222860 A1 [0008]
DE 102017115037 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Objekts (8) in einem Nahbereich in einer Umgebung (9) eines Fahrzeugs (1), bei welchem ein Ultraschallsensor (4) zum Aussenden eines Ultraschallsignals angesteuert wird, anhand des in der Umgebung (9) des Fahrzeugs (1) reflektierten und von dem Ultraschallsensor (4) empfangenen Ultraschallsignals ein Sensorsignal bestimmt wird, eine Einhüllende (14) des Sensorsignals für einen vorbestimmten Ausschwingzeitbereich (17) bestimmt wird und anhand der Einhüllenden (14) ein Vorhandensein des Objekts (8) in dem Nahbereich überprüft wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitudenverteilung der Einhüllenden (14) bestimmt wird, ein statistischer Parameter der Amplitudenverteilung bestimmt wird und anhand des statistischen Parameters das Vorhandensein des Objekts (8) in dem Nahbereich überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als der statistische Parameter ein Mittelwert (M) und/oder eine Varianz (V) der Amplitudenverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts (8) in dem Nahbereich der statistische Parameter mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts (8) in dem Nahbereich ein Klassifikationsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts (8) in dem Nahbereich der statistische Parameter mit statistischen Referenz-Parametern (18, 20) verglichen wird, wobei die statistischen Referenz-Parameter (18, 20) in Referenz-Messungen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass falls ein Objekt (8) in dem Nahbereich erkannt wird, anhand des Vergleichs des statistischen Parameters mit den statistischen Referenz-Parametern (18, 20) ein Objektabstand (d) zwischen dem Objekt (8) und dem Ultraschallsensor (4) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der statistischen Referenz-Parameter (18, 20) eine Referenz-Kurve (19, 21) bestimmt wird und der Objektabstand (d) anhand der Referenz-Kurve (19, 21) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektabstand (d) mittels eines Regressionsverfahrens bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhüllende (14) mittels einer Sensorelektronik (10) des Ultraschallsensors (4) bestimmt wird und das Überprüfen des Vorhandenseins des Objekts (8) in dem Nahbereich mittels eines Steuergeräts (5) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschwingzeitbereich einem Zeitbereich zwischen 0,5 ms und 5 ms nach dem Anregen des Ultraschallsensors (4) zugeordnet wird.
Ultraschallsensorvorrichtung (3) für ein Fahrzeug (1) umfassend einen Ultraschallsensor (4), welche eine Sensorelektronik (10) aufweist, und ein Steuergerät (5), wobei die Ultraschallsensorvorrichtung (3) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Sensorelektronik (10) eines Ultraschallsensors (4) und/oder ein Steuergerät (5) diese veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Computerlesbares (Speicher)medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Sensorelektronik (10) eines Ultraschallsensors (4) und/oder ein Steuergerät (5) diese veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.