DE102019119586A1

DE102019119586A1 - Ausrichtungs- und Einbaupositionserkennung von Ultraschallsensoren anhand einer statistischen Analyse von Bodenreflexionen

Info

Publication number: DE102019119586A1
Application number: DE102019119586.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Poepperl; Raghavendra Gulagundi; Johannes Wagner; Niko Sommer; Johannes Renner
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Ausrichtung mindestens eines Ultraschallsensors eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Festlegen einer Einbauposition und einer Sensorausrichtung des Ultraschallsensors an einem Referenzfahrzeug, Anbringen des Ultraschallsensors an die festgelegte Position mit der festgelegten Ausrichtung und Positionieren des Fahrzeuges auf einen Referenzuntergrund; b) Aussenden von Ultraschallsignalen einer oder mehrerer Frequenzen durch den Ultraschallsensor; c) Empfangen mindestens eines Teiles der vom Referenzuntergrund reflektierten Ultraschallsignale und Ausgabe der entsprechenden Messwerte; d) Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion an die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Messwerte zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Sensorausrichtung, wobei zum Erhalt der Parameter der Verteilungsfunktion die Verfahrensschritte a) bis c) ein- oder mehrmals mit unterschiedlichen Einbaupositionen und/oder Sensorausrichtungen durchgeführt werden, und e) Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors zur Bestimmung der aktuellen Einbauposition und/oder der aktuellen Sensorausrichtung mit den in Verfahrensschritt d) erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktion. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kraftfahrzeug sowie ein Fahrunterstützungssystem, welches eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Ausrichtung mindestens eines Ultraschallsensors eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Festlegen einer Einbauposition und einer Sensorausrichtung des Ultraschallsensors an einem Referenzfahrzeug, Anbringen des Ultraschallsensors an die festgelegte Position mit der festgelegten Ausrichtung und Positionieren des Fahrzeuges auf einen Referenzuntergrund; b) Aussenden von Ultraschallsignalen einer oder mehrerer Frequenzen durch den Ultraschallsensor; c) Empfangen mindestens eines Teiles der vom Referenzuntergrund reflektierten Ultraschallsignale und Ausgabe der entsprechenden Messwerte; d) Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion an die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Messwerte zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Sensorausrichtung, wobei zum Erhalt der Parameter der Verteilungsfunktion die Verfahrensschritte a) bis c) ein- oder mehrmals mit unterschiedlichen Einbaupositionen und/oder Sensorausrichtungen durchgeführt werden, und e) Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors zur Bestimmung der aktuellen Einbauposition und/oder der aktuellen Sensorausrichtung mit den in Verfahrensschritt d) erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktion. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kraftfahrzeug sowie ein Fahrunterstützungssystem, welches eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Das Verkehrsaufkommen als solches und die Komplexität desselben hat in den letzten Jahren eine deutliche Steigerung erfahren. Nicht nur die Tatsache, dass mehr Verkehrsteilnehmer auf den Straßen zu finden sind, sondern auch die Beteiligung neuer Verkehrsgruppen, wie beispielsweise Pedelecs, mit neuen Bewegungsprofilen und - Eigenschaften, hat zu immer unübersichtlicheren Verkehrssituationen geführt. Eine Möglichkeit den damit auf die Verkehrsteilnehmer einwirkenden Stress zu reduzieren ist der Einsatz technischer Hilfsmittel, wie beispielsweise elektronischer Fahrunterstützungssysteme, die den Fahrzeugführern einen Teil der Informationsbeschaffung und -verarbeitung abnehmen und zu einer sichereren und entspannteren Fortbewegung beitragen sollen. Grundvoraussetzung für eine einwandfreie Funktion der Systeme ist natürlich, dass die zur Informationsgewinnung eingesetzten Sensoren einwandfrei funktionieren.
Am Beispiel von Ultraschallsensoren bedeutet dies, dass in heutigen Fahrassistenzsystemen der Einbau in ein neues Fahrzeugmodel nur nach einer aufwändigen manuellen Kalibrierung erfolgen kann. Diese Kalibrierung wird meist durch speziell geschulte Personen durchgeführt, welche verschiedenste Szenarien untersuchen und die Sensoren entsprechend einstellen. Dieser Vorgang ist nicht nur zeitaufwändig, sondern benötigt auch besondere Umgebungsbedingungen. Eine flexible Anpassung der Einstellungen während der Fahrt, z.B. als Funktion der Fahrbahn, ist in den meisten Fällen nicht vorgesehen. Ein ebenfalls wichtiger Punkt sind die Toleranzen beim Einbau der Sensoren. Diese Toleranzen können dazu führen, dass schon bei einem Neuwagen die Funktion der Ultraschallsensoren nicht der kalibrierten entspricht und somit das System nicht optimal funktioniert. Des Weiteren kann sich im alltäglichen Betrieb die Ausrichtung der Ultraschallsensoren, z.B. durch Beschädigung der Stoßstange, ändern. Bei diesen Schäden können die Ultraschallsensoren heutzutage meist nicht mehr verwendet werden, obwohl die Sensoren selbst nicht beschädigt wurden.
Zur Verbesserung der Funktionsfähigkeit und zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten wurden in der Patentliteratur vielfältige Möglichkeiten vorgeschlagen.
So offenbart beispielsweise die DE 10 2017 208 268 B3 ein Verfahren zur Bestimmung des Beladungszustands eines Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe (h) mindestens eines Ultraschallsensors des Fahrzeugs, wobei ein Ultraschallsensor des Fahrzeugs ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Umfeld des Fahrzeugs zu empfangen, und wobei der Ultraschallsensor zur Erfassung des Umfelds des Fahrzeugs in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird und der Ultraschallsensor zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor in dem zweiten Betriebsmodus derart betrieben wird, dass der Ultraschallsensor eine im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus erhöhte Schallabstrahlung in einer Richtung einer Fahrbahn aufweist, wobei zur Bestimmung des Beladungszustands des Fahrzeugs und/oder zur Bestimmung der Einbauhöhe des Ultraschallsensors von der Fahrbahn reflektierte Echosignale ausgewertet werden.
Ein weiteres Verfahren zur Funktionsprüfung wird in der DE 10 2012 216 290 A1 vorgeschlagen. Das Dokument offenbart ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Ultraschallsensoren eines Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug mindestens einen Ultraschallsensor, der parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, und mindestens einen Ultraschallsensor, der senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, umfasst, wobei die Ultraschallsensoren Ultraschallsignale mit einer Frequenz fo aussenden und wobei die Ultraschallsensoren während der Fahrt vom Boden reflektierte Bodenechos empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Ultraschallsensor ein Bodenecho als Referenzsignal aufgezeichnet wird und mit mindestens einem parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Ultraschallsensor ein dopplerverschobenes Bodenecho als Messsignal aufgezeichnet wird, wobei abhängig von der Dopplerfrequenz f1 des dopplerverschobenen Bodenechos ein Verhältnis (A) aus Messsignal und Referenzsignal gebildet wird und aus mindestens zwei bei verschiedenen Dopplerfrequenzen f1 bestimmten Verhältnissen (A) die Frequenzgangkurve des mindestens einen parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Ultraschallsensors ermittelt wird und wobei eine Fehlfunktion eines Ultraschallsensors durch Abweichungen der ermittelten Frequenzgangkurve von einer Referenzfrequenzgangkurve erkannt wird.
Ein weiteres Funktionsüberprüfungsverfahren ist in der DE 10 2005 057 973 A1 gezeigt. Das Verfahren betrifft die Funktionsprüfung eines Ultraschallsensors an einem Kraftfahrzeug, wobei der Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal abgibt und das Ultraschallsignal von einer Bodenfläche vor dem Fahrzeug reflektiert und von dem Ultraschallsensor oder einem weiteren Ultraschallsensor wieder empfangen wird ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer und/oder die Amplitude des ausgesendeten Ultraschallsignals derart groß gewählt wird, um unter herkömmlichen Bedingungen ein Empfangen des von der Bodenfläche reflektierten Signals zu ermöglichen, und dass bei einem Empfangen des reflektierten Signals eine Funktion des Ultraschallsensors festgestellt wird.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich der Einfachheit des genutzten Aufbaus und der Genauigkeit der daraus erhältlichen Ergebnisse.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine flexibel adaptierbare Lösung bereitzustellen, durch welche für vielfältige Sensor-, Fahrzeugaufbauten und Umgebungsbedingungen, eine verlässliche Überwachung der Ausrichtung von Ultraschallsensoren gegeben ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner durch die Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 8 und ein Fahrunterstützungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Ausrichtung mindestens eines Ultraschallsensors eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Festlegen einer Einbauposition und einer Sensorausrichtung des Ultraschallsensors an einem Referenzfahrzeug, Anbringen des Ultraschallsensors an die festgelegte Position mit der festgelegten Ausrichtung und Positionieren des Fahrzeuges auf einen Referenzuntergrund;
b) Aussenden von Ultraschallsignalen einer oder mehrerer Frequenzen durch den Ultraschallsensor;
c) Empfangen mindestens eines Teiles der vom Referenzuntergrund reflektierten Ultraschallsignale und Ausgabe der entsprechenden Messwerte;
d) Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion an die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Messwerte zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Sensorausrichtung, wobei zum Erhalt der Parameter der Verteilungsfunktion die Verfahrensschritte a) bis c) ein- oder mehrmals mit unterschiedlichen Einbaupositionen und/oder Sensorausrichtungen durchgeführt werden, und
e) Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors zur Bestimmung der aktuellen Einbauposition und/oder der aktuellen Sensorausrichtung mit den in Verfahrensschritt d) erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktion.

Überraschend wurde gefunden, dass obiges Verfahren in der Lage ist, die ortsspezifische Funktionsweise von Ultraschallsensoren ohne weiteren technischen Aufwand sehr genau zu überwachen und bei Abweichungen des Referenz- zum tatsächlichen Verhalten dieses verlässlich anzuzeigen. Diese Vorteile werden ohne weiteren Hardwareaufwand an den Sensoren erreicht, welches generell die Verfahrenskosten reduziert. Es lassen sich einfach und flexibel Ist-Situationen abbilden und Fehler an der Ausrichtung, entweder bedingt durch den Einbau als solchem oder beispielsweise nach einem Unfall, nicht ordnungsgemäß positionierter Ultraschallsensoren erkennen. Somit ist es möglich, in Falle von Abweichungen die elektronische Kalibrierung des Sensors entsprechend anzupassen oder nur falsch positionierte Sensoren manuell neu zu positionieren. Dies kann die generelle Ausschussrate in der Herstellung verringern sowie Reparaturkosten niedrig halten. Das Verfahren ist zudem so flexibel, dass es generell möglich ist weitere mögliche Einflussfaktoren mit in das Verfahren einzubeziehen, so dass eine optimale Funktionsweise gewährleistet werden kann. Dieses Ergebnis ist zudem überraschend, da allgemein im Stand der Technik davon ausgegangen wird, dass die übliche Intensität von Ultraschallsensoren, ohne weitere Maßnahmen, zur verlässlichen Bestimmung der Ultraschallsensor-Position zu gering oder generell ungeeignet ist. Somit ist es ein weiterer Verfahrensvorteil, dass dieses Verfahren in den „üblichen“ Betriebsmodi eines Ultraschallsensors betrieben werden kann. Insbesondere ist auch als Vorteil anzusehen, dass keine Änderungen an der Abstrahlintensität des Sensors vorzunehmen sind. Des Weiteren ermöglichen auch erst die in der letzten Zeit erreichten Verbesserungen im Rahmen der Ultraschallsensoren eine verlässliche und passgenaue Erstellung mathematischer Modelle, da mangels Rechen- und Verarbeitungskapazität „alte“ Sensoren nur spezifische Datenausschnitte oder integrale Werte, anstatt der gesamten, vollständig zeitaufgelösten Daten weitergeben konnten. Letzteres kann aber in einem wesentlichen Umfang die Genauigkeit der erhältlichen Modelle verbessern.
Über das erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Bestimmung der Einbauposition und/oder der Ausrichtung mindestens eines Ultraschallsensors. Über das Verfahren kann somit entweder nur die Höhe des Ultraschallsensors über dem Boden, nur die Winkelausrichtung des Ultraschallsensors zum Boden oder sogar eine Kombination beider Werte, also Höhe vom und Winkelausrichtung zum Boden, bestimmt werden. Die Ausrichtung beschreibt dabei die Winkelkomponente und die Einbauposition die Ortskomponente bezogen auf den Boden oder das Fahrzeug. Die einzelnen Parameter sind ebenfalls weiter hinten in der Figurenbeschreibung dargestellt und definiert. Durch geeignete Koordinatentransformationen lassen sich aber gegebenenfalls auch weitere Möglichkeiten für die Einbauposition angeben, beispielsweise in Form kartesischer Koordinaten in Bezug auf einen Fahrzeug-Referenzpunkt. Ebenso kann der Winkel unter Bezug auf eine geeignete Fahrzeug-Achse angegeben werden.
Fahrzeuge im Sinne der Erfindung können dabei Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuge sein. Es ist also möglich, das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für die Herstellung von Flugzeugen, Schienenfahrzeugen, Kraftfahrzeugen oder Schiffen zu verwenden, solange die Fahrzeuge sich zumindest zeitweise in der Nähe mit der Erde verbundener Strukturen befinden. Die Modellerstellung und die Bestimmung der Position erfolgt dann allerdings nur in den Fällen, in denen das Fahrzeug innerhalb einer bestimmten Ausrichtung zum Boden befindet. Im Falle von Flugzeugen also nicht in der Luft, sondern beispielsweise nur auf dem Boden. Bevorzugt ist ein Fahrzeug ein motorgetriebenes Landfahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
Im Verfahrensschritt a) erfolgt das Festlegen einer Einbauposition und einer Sensorausrichtung des Ultraschallsensors an einem Referenzfahrzeug, Anbringen des Ultraschallsensors an die festgelegte Position mit der festgelegten Ausrichtung und Positionieren des Fahrzeuges auf einen Referenzuntergrund. Der Aufbau beinhaltet also ein Fahrzeug, einen Ultraschallsensor und einen Untergrund, wobei das Wort „Referenz“ an dieser Stelle angibt, dass sowohl die Eigenschaften des Untergrundes wie auch des Fahrzeuges kontrolliert und bekannt sind. Ein Referenzfahrzeug kann dabei ein handelsübliches Fahrzeug sein. Mögliche Referenzuntergründe sind sämtlich mögliche Untergründe, auf denen sich Fahrzeuge bewegen können, solange diese für die Messungen eine geeignete Homogenität bereitstellen. Das Anbringen des Ultraschallsensors beinhaltet eine permanente oder nur temporäre Verbindung des Ultraschallsensors mit dem Fahrzeug. Letzteres kann beispielsweise auch ein „Anhalten“ des Ultraschallsensors über einen Roboterarm an das Fahrzeug beinhalten. Wesentlich dabei ist aber, dass sowohl Position wie auch Ausrichtung des Ultraschallsensors bekannt sind und genau eingehalten werden.
Im Verfahrensschritt b) erfolgt das Aussenden von Ultraschallsignalen einer oder mehrerer Frequenzen durch den Ultraschallsensor. Der Ultraschallsensor sendet also von seiner Position am Fahrzeug aus Schallwellen ab, welche zumindest partiell auch auf den Boden auftreffen, auf welchem das Fahrzeug steht. Typische Werte für die Sendefrequenz üblicher Ultraschallsensoren sind 30 bis 40 kHz.
Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Empfangen mindestens eines Teiles der vom Referenzuntergrund reflektierten Ultraschallsignale und Ausgabe der entsprechenden Messwerte. Der Ultraschallsensor ist also dazu ausgerichtet, nicht nur Schallwellen auszusenden, sondern auch an Umgebungsstrukturen reflektierte Schallwellen zu empfangen. Dazu werden vom Ultraschallsensor die empfangenen Amplituden als Funktion der Zeit aufgenommen und in die entsprechenden Messwerte umgewandelt. Diese können dann elektrisch an eine entsprechende Auswerteeinheit weitergeleitet werden. Es werden dabei die Signale des Untergrundes empfangen, also diejenigen Schallwellen, welche Kontakt zum Referenzuntergrund hatten und anschließend auf den Ultraschallsensor zurückreflektiert wurden.
Im Verfahrensschritt d) erfolgt ein Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion an die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Messwerte zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Sensorausrichtung, wobei zum Erhalt der Parameter der Verteilungsfunktion die Verfahrensschritte a) bis c) ein- oder mehrmals mit unterschiedlichen Einbaupositionen und/oder Sensorausrichtungen durchgeführt werden. Die Summe der einzelnen Messwerte des Ultraschallsensors wird über eine definierte Funktion in Form einer mathematischen Gleichung, einer Verteilungsfunktion, angepasst. Die Verteilungsfunktion umfasst dabei erfindungsgemäß nicht nur die Wahl der Verteilungsfunktion, der mathematischen Anpassung, beispielsweise die Wahl einer Gaußkurve oder -verteilung, sondern umfasst auch die Bestimmung der zu dieser Verteilung nötigen Parameter, wie beispielsweise den Erwartungswert und die Varianz. Das mathematische Modell umfasst somit auch die Bestimmung der für die jeweilige Verteilungsfunktion nötigen Variablen, welche einen Abgleich zwischen aktuellen Messwerten und Erwartungswerten aus der Verteilungsfunktion erst ermöglichen. Diese Anpassung ermöglicht eine Reduzierung der zu handhabenden Daten, da die Gesamtheit der Messdaten nun über nur einige Variablen der Verteilungsfunktion beschreiben werden. Die Wahl der Verteilungsfunktion, d.h. der konkret verwendeten mathematischen Beziehung, kann dabei frei als Funktion des Einbauorts und somit als Funktion der Signalform der elektrischen Signale gewählt werden. So können als Funktion der konkreten Position oder als Funktion der konkreten relativen Ausrichtung des Ultraschallsensors zum Boden ein oder mehrere unterschiedliche mathematische Verteilungsfunktionen in Frage kommen, welche das physikalische Verhalten des Sensors unterschiedlich genau abbilden. Zur Bestimmung der geeignetsten Verteilungsfunktion können die üblichen mathematischen Methoden zur Anpassung durchgeführt werden, sodass sich eine möglichst geringe Abweichung zwischen den Erwartungswerten des Modells oder der Funktion und den ermittelten Referenz-Messdaten ergibt. Das Modell kann in einer bevorzugten Ausführungsform robuster und statistisch signifikanter ausgestaltet werden, wenn eine Anpassung der Daten über mehrere Ultraschallsensorpositionen und über mehrere Ausrichtungen des Sensors pro Position erfolgt. Dadurch lässt sich die Aussagekraft und die Genauigkeit des Verfahrens erhöhen. Übliche Anzahlen unterschiedlicher Positionen und/oder Ausrichtungen können zweckmäßigerweise zwischen 10 und 300, bevorzugt zwischen 20 und 100, des Weiteren bevorzugt zwischen 30 und 50 betragen. Insofern kann der gesamte Kalibrationsprozess zur Erstellung eines geeigneten mathematischen Modells auf der oben angegebenen Anzahl unterschiedlicher Sensorausrichtungen und -positionen beruhen.
Im Verfahrensschritt e) erfolgt ein Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors zur Bestimmung der aktuellen Einbauposition und/oder der aktuellen Sensorausrichtung mit den in Verfahrensschritt d) erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktion. Nach der Bestimmung einer geeigneten Verteilungsfunktion und der dafür nötigen Quantifizierung der Variablen der Verteilungsfunktion, kann das Verfahren genutzt werden, um aktuelle Messwerte eines Ultraschallsensors zu überprüfen. Die aktuellen Messwerte ergeben sich dabei nicht zwangsläufig aus derselben Fahrzeugumgebung, in welcher die Referenzdatenaufnahme durchgeführt wurde. Es kann eine Überprüfung im Rahmen des weiteren Produktionsprozesses des Fahrzeuges oder aber auch in späteren Gebrauchssituationen durchgeführt werden. Beispielsweise bei der täglichen Fahrzeugnutzung. Die aktuellen Messwerte ergeben sich dabei aus der aktuell vorliegenden Fahrsituation. Diese Daten können nun mit den Solldaten der Verteilungsfunktion verglichen werden. Zum Vergleich werden die aktuellen Messwerte einer ähnlichen mathematischen Behandlung unterzogen wie die Daten der Referenzmessung. Basiert beispielsweise der Vergleich auf den Intensitäten der Verteilungsfunktion werden nach Anpassung der Verteilungsfunktion die Messwerte verglichen. Erfolgt eine weitere Aufbereitung, beispielsweise durch Bestimmung der Parameter der Verteilungsfunktion, können die Parameter der Referenz- un der aktuellen Verteilungsfunktion verglichen werden. Erfolgt eine weitere mathematische Aufbereitung der Parameter der Referenz-Verteilungsfunktion, kann auch gegen das Ergebnis dieser weiteren mathematischen Aufbereitung verglichen werden. Stimmen die Parameter aus aktuellen und Referenzdaten hinreichend überein, so kann davon ausgegangen werden, dass die Position und die Ausrichtung des Ultraschallsensors der Sollposition und -Ausrichtung entspricht. Stimmen die Parameter der aktuellen und der Referenz-Verteilungsfunktion nicht überein, so kann über den Grad der Abweichung bestimmt werden, wie stark die aktuelle von der Soll-Position und -Ausrichtung verschieden ist. Als Funktion der Quantifizierung können weitere Maßnahmen, wie beispielsweise eine mathematische Korrektur der aktuell erhaltenen Sensordaten, ein Abschalten des Sensors oder eine Ausgabe an den Fahrzeugführer erfolgen. Somit kann bedarfsgerecht auf eine Fehlpositionierung und -Ausrichtung reagiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann zur Anpassung der Parameter der Verteilungsfunktion in Verfahrensschritt d) die Messwerte des oder der Ultraschallsensoren in mindestens zwei Abstandsbereiche aufgeteilt werden, wobei die mathematische Anpassung für jeden Abstandsbereich durchgeführt wird. Es hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass nicht die gesamten Echo-Signale des Ultraschallsensors „auf einmal“ in eine mathematische Verteilungsfunktion einfließen, sondern das nur ein oder mehrere Ausschnitte der Echosignale separat angepasst werden. Die Abstandsbereiche können beispielsweise als Funktion der Auftreffzeit der Echosignale auf den Ultraschallsensor definiert werden, wobei die Zeiten proportional zu den Abständen der reflektierenden Oberflächen sind. Aus dem gesamten Echosignal können also als Funktion der Zeit bestimmte „Abstandsbereiche“ extrahiert und diese Echos jeweils separat mathematisch behandelt werden. Das gewählte statistische Modell für den jeweiligen Abstandsbereich muss dabei für einen gewählten Ultraschallsensor nicht zwangsläufig auf demselben mathematischen Modell beruhen. Es lassen sich auch Mischformen darstellen, beispielsweise in der Form Nahbereich-Gauß- und Fernbereich Gamma-Verteilung. Es können sich also flexible mathematische Misch-Modelle ergeben, welche die erhaltenen Messdaten besser darstellen können. Dies kann zu einer verbesserten Anpassung der Verteilungsfunktion beitragen. Zudem können dadurch weniger signifikante Abstands- oder Zeitbereiche von der Datenverarbeitung ausgeschlossen werden. Dies kann die zu verarbeitende Datenmenge reduzieren und ungewollte Quereinflüsse ausschließen. Insgesamt erhöht diese Vorgehensweise auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit und reduziert die Anforderungen an die nötige Rechenleistung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Verteilungsfunktion in Verfahrensschritt d) ausgesucht sein aus der Gruppe bestehend aus Verteilungsfunktion, Gauß-, Gamma-Verteilung oder Kombinationen mindestens zweier daraus. Für die meisten Untergründe und die meisten Ultraschallsensorausrichtungen und Positionen haben sich genannte mathematischen Anpassungen oder Modelle als besonders geeignet erwiesen, um verlässlich und genau einen Abgleich zwischen referenz- und aktueller Position sowie Ausrichtung des Ultraschallsensors zu ermöglichen. Die Modelle sind mathematisch robust und können auch das Verhalten schwach reflektierender oder sehr inhomogener Untergründe abbilden. Zudem kommen diese Verteilungsfunktionen mit sehr wenigen Variablen aus, welches eine effiziente und schnelle Datenverarbeitung ermöglicht.
Innerhalb eines bevorzugten Aspektes kann die Anpassung der Verteilungsfunktion an die einzelnen Bereiche im Verfahrensschritt d) jeweils über eine Gamma-Funktion erfolgen. Gerade Gamma-Funktionen haben sich zum Erhalt eines möglichst repräsentativen mathematischen Modells für die Echosignale als besonders geeignet erwiesen. Zudem können die Gamma-Verteilungsfunktionen sehr stark von der zeitlichen Aufteilung in unterschiedliche Abstandsbereiche profitieren. Das gesamte Echosignal kann hierzu beispielsweise in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Auftreffzeiten der Signale aufgeteilt werden. Die unterschiedlichen Zeitbereiche korrelieren natürlich mit den unterschiedlichen räumlichen Abstandsbereichen der reflektierenden Oberflächen zum Sensor. Das Aufspalten des gesamten zeitlichen (und demzufolge auch räumlichen) Messraums liefert dabei im Vergleich zur Verarbeitung der gesamten Echodaten zwei verbesserte Parameteranpassungen. Es werden geringere Störeinflüsse und eine verbesserte mathematische Anpassung erhalten. Für diese Art der Gamma-Anpassung hat sich dabei insbesondere die Darstellung im k- (shape) und θ-(scale)-Raum als besonders geeignet herausgestellt. Eine Variable X ergibt sich dann zu X ~ Γ(k, θ) ≡ Gamma(k, θ).
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann zumindest ein Teil der im Verfahrensschritt d) für unterschiedliche Einbaupositionen und Sensorausrichtungen erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktionen zum Trainieren einer support vector machine (SVM) verwendet werden. Durch die trainierte SVM wird eine weitere statistische Korrelation der Parameter der Verteilungsfunktion zu den Referenz-Einbauhöhen und - Ausrichtungen ermöglicht. Die Verwendung nur eines Teils der Daten kann vorteilhaft sein, da die „restlichen“ Parameter, welche nicht in das Training der SVM eingeflossen sind, dazu verwendet werden können um das letztendliche Modell zu verifizieren.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Abgleich der aktuellen Werte im Verfahrensschritt e) durch eine Klassifizierung der Parameter durch die support vector machine. Dies Verwendung der support vector machine ermöglicht eine genaue und schnelle Klassifizierung der Parameter und somit eine Bestimmung der Einbauposition des entsprechenden Sensors. Insbesondere kann erkannt werden, ob eine fehlerhafte Einbauposition vorliegt.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt der Abgleich der aktuellen Werte im Verfahrensschritt e) mit einer Regression durch die support vector machine. Über die weitere Verarbeitung der Daten über die SVM in einer Regression kann ein genauer Wert für die Einbauposition bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Wert für die Einbauhöhe und/oder ein Wert für den Einbauwinkel ermittelt werden..
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann der Verfahrensschritt a) so erfolgen, dass nur Ultraschallsignale des Referenzuntergrundes empfangen werden. Zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit des Modells hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass nur Ultraschallsensorsignale in die Auswertung einfließen, welche von dem Untergrund herrühren. Dies bedeutet insbesondere, dass der Anteil an anderen Signalen, beispielsweise Signalen welche an anderen Strukturen oder Gegenständen reflektiert wurden, kleiner oder gleich 10%, bevorzugt kleiner oder gleich 5%, des Weiteren bevorzugt kleiner oder gleich 2% bezogen auf die Gesamtamplitude betragen. Diese kann beispielsweise durch einen geeigneten Versuchsaufbau realisiert werden, in welchem das Fahrzeug isoliert, d.h. ohne weitere Gegenstände, auf dem Referenzuntergrund positioniert wird. Es ist aber auch möglich, durch geeignete Ultraschallwellen schluckende Materialien mögliche Restreflektionen weiterer Gegenstände auszuschließen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann das Verfahren an mehreren Referenzuntergründen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Asphalt, Schotter, Gras, Kopfsteinpflaster, Erde, Beton durchgeführt werden. Es hat sich für ein möglichst flexibles System als besonders geeignet herausgestellt, dass der Kalibrationsprozess über die hier beschriebenen Verfahrensschritte an verschiedenen Untergründen durchgeführt wird. Somit lassen sich für den späteren Einsatz unterschiedliche Straßenbeläge einbeziehen, welche sich in ihrem Schallwellenreflektionsverhalten unterscheiden. Somit ist das Modell flexibel auf jedweden Straßenbelag einsetzbar. Insbesondere ist es auch möglich, dass über die Messung des Echos der aktuelle Bodenbelag und des Weiteren auch den Zustand des aktuellen Bodenbelags erkannt werden kann.
In einer weiteren Alternative des Verfahrens können zur Bestimmung der statistischen Parameter der Verteilungsfunktion in Verfahrensschritt d) mindestens drei unterschiedliche positionierte Sensoren mit jeweils drei unterschiedlichen Sensorausrichtungen pro Sensor verwendet werden. Prinzipiell reicht zur hinreichenden Datenerhebung für die Erstellung eines robusten mathematischen Modelles die Erhebung der Daten eines Ultraschallsensors, welcher an drei unterschiedlichen Position in jeweils drei unterschiedlichen Ausrichtungen vermessen wird. Neben dieser Bestimmung über die Ausrichtung und Position eines einzelnen Ultraschallsensors hat es sich zum Erhalt eines möglichst genauen Modells als besonders vorteilhaft herausgestellt, die aufgenommenen Signale mehrerer Ultraschallsensoren gleichzeitig zur Erstellung des Modells heranzuziehen. Die oben angegebene Zahl ist hierbei vorteilhaft, da die Fehleranfälligkeit durch eine ungewollte Fehlaurichtung eines einzelnen Ultraschallsensors noch klein ist und die statistische Genauigkeit aufgrund der angegebenen Ultraschallsensoranzahl aber deutlich gesteigert wird.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante kann das Fahrzeug auf einer Fahrzeugseite mindestens vier Ultraschallsensoren aufweisen, mit denen jeweils die Verfahrensschritte a) - c) durchgeführt werden, wobei im Verfahrensschritt d) mindestens drei unterschiedliche Modelle erstellt werden, wobei die Modelle jeweils auf Basis der Messwerte dreier unterschiedlicher Ultraschallsensor-Kombinationen basieren. Durch den Einbezug und Abgleich der Messwerte mehrerer Sensoren und den darauf basierenden, unterschiedlichen mathematischen Modellen inklusive der Parameter der jeweiligen Verteilungsfunktionen, kann die Signifikanz des Verfahrens noch einmal gesteigert werden. So kann aus einer Mehrzahl an Ultraschallsensoren beispielsweise gezielt derjenige ermittelt werden, dessen Anpassung, entgegen den Anpassungen der anderen Sensoren, nicht innerhalb der statistischen Erwartung liegt und demzufolge dieser nicht korrekt positioniert/ausgerichtet ist. Diese Ausgestaltung bietet sich besonders für die Fälle an, in denen die Sensoren auch Teile der Signalechos von anderen Ultraschallsensoren abgegebener Schallwellen empfangen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens können mehrere statistische Modelle und deren Parameter als Funktion des Feuchtegehaltes der Referenzoberfläche bestimmt werden. Als weiteren Einflussfaktor zum Erhalt möglichst universell einsetzbarer Modelle hat sich der Feuchtegehalt der Referenzoberfläche herausgestellt. Die erhaltenen Modelle können also über das Abrastern unterschiedlicher Umgebungsvariablen, wie beispielsweise hier durch die Feuchte angegeben, alltagstauglicher und robuster ausgestaltet werden. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Konditionierung der Referenzoberfläche auf unterschiedliche Wassergehalte (beispielsweise Wassermenge in g/m²) erreichen. Somit kann die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden.
Zudem erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug, wobei ein Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors mit festgelegter Position und Ausrichtung mit den Werten der Verteilungsfunktion durchgeführt wird. Ein Abgleich meint in diesem Zusammenhang, dass nicht in der Referenzsondern beispielsweise in einer alltäglichen Fahrsituation oder bei der Qualitätskontrolle im Rahmen der Endfertigung, ein Vergleich der aktuell erhaltenen Messwerte mit den zu erwartenden Werten des mathematischen oder statistischen Modells aus der Referenzsituation vorgenommen wird. Die Bestimmung der Parameter der Verteilungssituation in der Referenzsituation wird also genutzt, um als Vergleich für die aktuellen Parameter derselben Verteilungsfunktion in der aktuellen Fahrsituation zu dienen. Es kann als erfindungsgemäß neben einem Vergleich der Messdaten als solche, auch ein Vergleich der Parameter der Verteilungsfunktion oder auch weiterer mathematischer Parameter weiter aggregierter mathematischer Parameter erfolgen. Es erfolgt also beispielsweise an Serienfahrzeugen ein Abgleich der Werte und im Falle signifikanter Abweichungen zwischen den aktuellen und den Modellwerten können weitere Maßnahmen, wie beispielsweise eine erneute Überprüfung der Position und/oder der Ausrichtung des betroffenen Sensors vorgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung kann der Abgleich anhand der Parameter der Verteilungsfunktion durchgeführt werden. Der Abgleich der aktuellen mit den Referenzdaten hat sich auf Grundlage der Parameter der jeweiligen Verteilungsfunktionen, welche auf den Messwerten und daraus gewonnenen Daten der Referenz und des aktuellen Sensors basieren, als besonders vorteilhaft herausgestellt. Durch die Zusammenfassung der Daten in Form der Parameter der Verteilungsfunktion kann die statistische Aussage deutlich erhöht werden und es ergeben sich statistisch signifikantere Vergleiche. Dies kann die Aussagekraft des Verfahrens erhöhen.
In einer weiteren bevorzugten Verwendung kann der Abgleich anhand der Regression der durch eine support vector machine klassifizierten Parameter erfolgen. Die weitere mathematische Behandlung und Zusammenfassung der Parameter der Verteilungsfunktion in Form einer Regression durch eine support vector machine, kann die statistische Aussagekraft des Verfahrens noch einmal deutlich verbessern und zu einer schnelleren und weniger speicherintensiven Verarbeitung der Daten beitragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung kann das Fahrzeug in den Fällen ein Signal ausgeben, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Werten der Verteilungsfunktion abweichen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich beispielsweise auch in Serienfahrzeugen unter alltäglichen Fahrbedingungen einsetzen. Kommt es in diesen zu signifikanten Abweichungen zwischen den aktuellen und den zu erwartenden Werten, so kann beispielsweise eine Warnung an den Fahrzeugführer ausgegeben werden. Es ist aber prinzipiell auch möglich, dass nach einem Abgleich über mehrere Fahrsituationen, beispielsweise über mehrere Untergründe, die Ausgabe des Ultraschallsensors angepasst wird, sodass durch dieses Nachkalibrieren die ausgegebenen dann den zu erwartenden Werten entsprechen. Somit kann die Genauigkeit der verwendeten Sensoren ständig überprüft und über die Zeit, ohne separaten mechanischen Eingriff, erhalten werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung kann durch den Abgleich der Typ des aktuellen Bodenbelags bestimmt werden. Zur Erhöhung der Fahrsicherheit hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bestimmung des aktuellen Fahruntergrundes nutzen lässt. Anhand einer Einkalibrierung der Sensordaten über mehrere „übliche“ Fahrbahnen und anhand unterschiedlicher Fahrbahnbeschaffenheiten, wie beispielsweise nass oder trocken, lassen sich die Daten nutzen, um sowohl Typ wie auch Zustand des aktuellen Untergrundes zu bestimmen. Als Funktion der erhaltenen Klassifizierung lassen sich dann weitere Maßnahmen ergreifen. Beispielsweise kann der Fahrzeugführer vor einem nassen Untergrund oder einer unebenen Fahrbahnfläche gewarnt und ein Notbremsassistent in Bereitschaft versetzt werden. Dies kann eine bedarfsgerechte und umgebungsangepasste Aktivierung und Steuerung dieses und weiterer Fahrunterstützungssysteme ermöglichen.
Des Weiteren erfindungsgemäß ist Fahrunterstützungssystem umfassend mindestens einen Ultraschallsensor der ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Fahrzeugumfeld zu empfangen, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ultraschallsensors und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der empfangenen Echosignale, wobei das Fahrerassistenzsystem ausgebildet ist, einen Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors mit festgelegter Position und Ausrichtung mit zu erwartenden Werten einer Verteilungsfunktion durchzuführen und ein Signal in den Fällen auszugeben, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Werten abweichen, wobei die Werte über das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Integration in ein Fahrunterstützungssystem, welches wahlweise autonom oder aber über grafische oder akustische Anweisungen an einen Fahrer mögliche Gefahrenpotenziale bezüglich einer falschen Ausrichtung oder Positionierung von Ultraschallsensoren oder der aktuellen Fahrbahnsituation ausgibt. Weiterhin kann über das erfindungsgemäße System eine aktive Änderung der Signalverarbeitung eines falsch ausgerichteten Sensors erfolgen, sodass die Funktionstüchtigkeit und die Genauigkeit der Sensoren im täglichen Gebrauch aktiv gesteigert werden kann. Mögliche Ausgabeeinheiten können optische oder akustische Ausgabeeinheiten sein, welche entweder separat vom Fahrunterstützungssystem oder über schon vorhandene Systeme des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt werden können. Es ist aber auch möglich, dass das Fahrunterstützungssystem autonom die Kalibrierung eines einzelnen, als fehlerhaft arbeitenden Ultraschallsensor erkannten, Sensors ändert. Letzteres kann beispielsweise auf rein elektrischem Wege erfolgen. Die Steuereinheit kann beispielsweise eine zentrale Steuereinheit des Fahrzeuges, beispielsweise eine ECU oder eine separate Steuereinheit, nur zur Steuerung der Ultraschallsensoren und der damit verbundenen Systeme sein. Im Übrigen sei für die Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrunterstützungssystems auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Fahrunterstützungssystem kann der Abgleich der aktuellen mit den zu erwartenden Werten auf einem Abgleich von Werten aus der Gruppe bestehend aus: den aus der Verteilungsfunktion berechneten Intensitäten, den Parametern der Verteilungsfunktion, der Regression über die Parameter der Verteilungsfunktion durch eine support vector machine oder Kombinationen daraus durchgeführt werden. Das Fahrunterstützungssystem kann also insbesondere dazu ausgebildet sein, die Datensätze des Referenz- und des aktuell betrachteten Sensors auf unterschiedlichen mathematischen Ebenen miteinander zu vergleichen. Zum einen kann eine Anpassung und der Vergleich der jeweiligen Datensätze über eine Verteilungsfunktion erfolgen und die aus der Verteilungsfunktion zu erwartenden Intensitäten mit den aktuellen Intensitäten verglichen werden. Es ist aber auch möglich, den Vergleich auf Basis der oben im Verfahren beschriebenen, mathematischen Aufbereitungsschritte durchzuführen. So ist ein Vergleich auf Basis der Parameter der jeweiligen Verteilungsfunktionen oder aber auch ein Vergleich auf Basis einer weiteren mathematischen Zusammenfassung der Parameter der Verteilungsfunktion, beispielsweise in Form einer Regression durch eine support vector machine, möglich. Durch die unterschiedlichen Vergleichsmöglichkeiten ergibt sich die Möglichkeit einer Verbesserung der statistischen Signifikanz des Verfahrens und somit ein verbessertes Fahrunterstützungssystem.
In einer weiteren Ausgestaltung des Fahrunterstützungssystem kann das Fahrunterstützungssystem als Funktion des Ergebnisses des Abgleichs eine Änderung der Kalibrierung eines Ultraschallsensors in den Fällen vornehmen, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Messwerten abweichen. Diese Änderung einer Sensorkalibrierung eines Ultraschallsensors kann also durch das Fahrunterstützungssystem autonom angestoßen werden. So kann beispielsweise im täglichen Gebrauch eine permanente oder in bestimmten Zeitintervallen festgelegte technische Überprüfung der UltraschallsensorSignale mit den Erwartungswerten erfolgen. Liefert der Vergleich eine signifikante Abweichung zu den Modellwerten, kann das elektronische Ansprechverhalten des Ultraschallsensors derart modifiziert werden, dass sich wieder ein Höchstmaß an Übereinstimmung mit dem Referenzmodell ergibt. Weiterhin kann, falls eine derartige Abstimmung nicht möglich ist, der Sensor auf „Störung“ gesetzt und eine eigene Überprüfung/Reinigung oder Wartung empfohlen werden. Derart kann die Funktionssicherheit des Fahrzeugs erhöht werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit Ultraschallsensoren, die zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen eingerichtet sind;
2 ein mögliches Teilkoordinatensystem zur Kennzeichnung der Position und Ausrichtung eines Ultraschallsensors; und
3 - 6 mögliche mathematische Anpassungen an Messkurven eines Ultraschallsensors als Funktion der Einbauhöhe und des Einbauwinkels eines Ultraschallsensors;
7 schematisch eine Darstellung eines Merkmalsraums, innerhalb dessen eine Unterscheidung verschiedener Sensorhöhen möglich ist;
8 die Änderung eines Echosignals in Abhängigkeit der Höhe des Ultraschallsensors zum Boden;
9 die Änderung eines Echosignals in Abhängigkeit des Winkels des Ultraschallsensors zum Boden;
10 eine Anpassung an Echosignale in Form einer Gamma-Verteilung bei einer Sensorhöhe von 360 mm;
11 eine Anpassung an Echosignale in Form einer Gamma-Verteilung bei einer Sensorhöhe von 600 mm;
12 die Amplitudenwerte in Volt der Echosignale von Sensoren unterschiedlicher Einbauhöhe als Funktion der Verzögerungszeit;
13 k-Werteverteilungsmatrix einer angepassten Gamma-Funktionen in Abhängigkeit der Sensorposition und -Ausrichtung erhalten durch Messungen an unterschiedlichen Bodenbelägen;
14 θ-Werteverteilungsmatrix angepasster Gamma-Funktionen in Abhängigkeit der Sensorposition und-Ausrichtung erhalten durch Messungen an unterschiedlichen Bodenbelägen;
15 Vergleich zwischen tatsächlichem und über einen Klassifikator vorhergesagten Ausrichtungen (Winkel) eines Ultraschallsensors, wobei die Vorhersage auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basiert;
16 Vergleich zwischen tatsächlicher und über einen Klassifikator vorhergesagter Position (Höhe) eines Ultraschallsensors, wobei die Vorhersage auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basiert.

Aus der 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit Ultraschallsensoren 2 ersichtlich, die zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen eingerichtet sind. Die Ultraschallsensoren 2 sind einerseits im Frontbereich des Kraftfahrzeugs 1 und andererseits im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet und können dort, wie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, beispielsweise zur Abstandsmessung für Parkvorgänge dienen.
Die 2 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Definition des Einbauortes eines Ultraschallsensors 2. Die Position des Ultraschallsensors 2 lässt sich relativ zum Boden 3 oder zum Referenzuntergrund 3 angeben, wobei die Lage des Ultraschallsensors 2 durch die Höhe 4 vom Boden 3 und den Winkel 5 zum Boden 3 gekennzeichnet ist. Es lassen sich aber auch andere Koordinatensysteme verwenden, welche die relative Lage zwischen Boden 3 und Ultraschallsensor 2 kennzeichnen.
Die 3-6 zeigen mögliche angepasste Verteilungskurven an gemessene Ultraschallintensitäten als Funktion der relativen Ausrichtung von Ultraschallsensor 2 und Boden 3. Dementsprechend entspricht die X-Achse einer Zeit- und die Y-Achse einer Intensitäts- oder Amplitudenachse. Die Intensitäten wurden im Rahmen eines Kalibrationsaufbaus erhalten, indem ein Fahrzeug 1 mit einem Ultraschallsensor 2 bestückt wurde. Zum Erhalt der Kalibrationsdaten wurde der Ultraschallsensor 2 in seiner Position relativ zum Boden 3 versetzt. Die gemessenen Intensitäten rühren einzig und allein von Reflexionen des Bodens 3 oder des Untergrundes her, eine Streuung an weiteren Gegenständen ist durch die Wahl des Aufbaus ausgeschlossen. Die 3 zeigt eine angepasste Verteilungskurve, d.h. die zu erwartende Amplitudenstärke über dem Abstand. Je nach Höhe ergeben sich unterschiedliche Abstandbereiche in denen die Bodenreflexionen verstärkt auftreten und je nach Winkel 5 ändert sich deren Intensität bzw. Konzentration. In der 4 wurde die Höhe 4 des Ultraschallsensors 2 im Vergleich zur 3 konstant gehalten, aber der Winkel 5 zum Boden 3 verändert. Sowohl die Amplitude wie auch die Kurvenform ändern sich als Funktion der Winkelanpassung zwischen Ultraschallsensor 2 und Boden 3. Die Konstellation der 5 entspricht einer Anordnung zwischen Ultraschallsensor 2 und Boden 3, in welcher der Winkel 5 dem aus der 3 entspricht aber die Höhe 5 des Ultraschallsensors 2 relativ zum Boden 3 geändert wurde. In der 6 sind die Ergebnisse eines Aufbaus dargestellt, in welchem der Ultraschallsensor 2 eine vergleichbare Höhe 4 wie im Aufbau der 5 aber den Winkel 5 des Aufbaus aus der 4 aufweist. Durch einen Vergleich der Figurenpaare 3 und 4, 5 und 6, 3 und 5, sowie 4 und 6 lässt sich erkennen, dass sich sowohl Unterschiede in der Höhe zwischen Ultraschallsensor 2 und Boden 3 sowie Winkeländerungen wischen Ultraschallsensor 2 und Boden 3 über das erfindungsgemäße Verfahren diskriminieren lassen. Es lassen sich also über das erfindungsgemäße Verfahren sicher Änderungen in den Messwerten als Funktion der Ausrichtung eines Ultraschallsensors 2 unterscheiden. Durch diesen Aufbau können also Änderungen in der relativen Lage eines oder mehrerer Ultraschallsensoren 2 erkannt werden. Dies ist grundsätzlich Fahrzeug 1 und Model unabhängig, so dass diese Vormessungen nur für jeden Sensortyp durchgeführt werden müssen. Das hier beschriebene Verfahren bietet somit die Möglichkeit Ausrichtungs- und Montagefehler zuverlässig zu erkennen, um Funktionseinschränkungen von Ultraschallsensoren 2 zu vermeiden.
Die 7 zeigt beispielhaft die Verteilung der Signalspitzen und deren Stärke von Echosignalen als Funktion der Sensorposition. Es ist erkennbar, dass anhand der Echointensität und -Lage auf die relative Höhe des Sensors zum Boden geschlossen werden kann. Da bei gleicher Bodenbeschaffenheit und in Abwesenheit von Objekten das Echo je nach Höhe anders ausfällt, kann das Signal direkt zur Abschätzung herangezogen werden. Je geringer der Abstand des Sensors zum Boden, desto früher trifft das Schallecho auf den Sensor, d.h. die Position der ersten Signalspitze wandert auf der Zeitachse nach links. Die Höhe der gemessenen Amplituden nimmt außerdem zu, da weniger Reflektionen verloren gehen. Für eine geeignete Beschreibung des Signals ist es also möglich das Signal in mehrere Bereiche entlang der Zeitachse zu unterteilen. Da eine zeitliche Verzögerung bis zum Empfang der Antwort proportional zum entsprechenden Signalweg ist, können diese im Folgenden als Abstandsbereiche bezeichnet werden.
Die 8 zeigt beispielhaft die Verteilung der Signalspitzen und deren Stärke von Echosignalen als Funktion der Winkelausrichtung eines Sensors. Es ist erkennbar, dass anhand der Echointensität und -Lage auf die Ausrichtung des Sensors zum Boden geschlossen werden kann. Da bei gleicher Bodenbeschaffenheit und in Abwesenheit von Objekten das Echo je nach Winkelausrichtung anders ausfällt, kann das Signal direkt zur Abschätzung herangezogen werden.
Im nächsten Schritt kann nun basierend auf einer großen Anzahl von Messungen mit Hilfe maschinellen Lernens ein statistisches Modell (Klassifikator) trainiert werden, mit dem sich jederzeit die Position des Sensors schätzen lässt. Diese Information erlaubt es wiederum andere Vorhersagen präziser auszuführen, da sich nun das Signal in Abhängigkeit der Sensorposition besser normieren lässt.
Die 9 zeigt schematisch, dass es möglich ist, die Eingangssignale mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen kompakten Merkmalsvektor zu reduzieren. Es ist hier dargestellt, dass sich als Funktion der Einbauhöhe am Fahrzeug im Merkmalsraum der Verteilungsfunktion unterschiedliche Punkte ergeben, welche deutlich voneinander diskriminierbar sind. Insofern kann jeder Einbauhöhe im Merkmalsraum der Verteilungsfunktion ein solcher Punkt zugeordnet werden. Natürlich lässt sich auch über die Bestimmung der Lage des Echosignals im Merkmalsraum auf die Einbauhöhe geschlossen werden. Eine Möglichkeit zur Transformation der Eingangsdaten in den Merkmalsraum besteht darin, dass Eingangssignal auf einen kompakten Merkmalsvektor zu reduzieren. Diese Reduktion kann beispielsweise dadurch vereinfacht werden, indem man das Eingangssignal in mehrere Abstandbereiche einteilt und die Verteilung der Amplitudenwerte in jedem Abstandsbereich durch eine Verteilungsfunktion, beispielsweise eine Gamma-Verteilung, annähert. Die einzelne oder die verschiedenen Gamma-Verteilungen können anschließend durch die Parameter k und θ eindeutig beschrieben werden, welche dann den Merkmalsraum der Verteilung aufspannen.
Die 10 zeigt eine mögliche Anpassung eines Echo-Histogramms aufgenommen von einem Sensor mit einer Sensorposition von 360 mm über den Boden mittels einer Gamma-Verteilung (durchgezogene Linie). Aus der Gamma-Anpassung lassen sich für das Echo-Histogramm die Parameter k und θ für diese Sensorposition gewinnen. Es ist zudem ersichtlich, dass es möglich ist, die nötige Informationsmenge zur Beschreibung des Echo-Signals deutlich zu reduzieren. Das Echo kann hinreichend mittels einer Verteilungsfunktion abgeschätzt werden.
Die 11 zeigt eine mögliche Anpassung eines Echo-Histogramms aufgenommen von einem Sensor mit einer Sensorposition von 600 mm über den Boden mittels einer Gamma-Verteilung (durchgezogene Linie). Aus der Gamma-Anpassung lassen sich für das Echo-Histogramm die Parameter k und θ gewinnen, welche sich beide deutlich von den Werten aus der 10 unterscheiden. Demzufolge lassen sich die Echosignale beider Einbauhöhen durch nur zwei Parameter eindeutig voneinander unterscheiden.
Die 12 zeigt einen Vergleich der Signalamplituden von Echosignalen erhalten von Ultraschallsensoren unterschiedlicher Einbauhöhe als Funktion der Verzögerungszeit. Die obere Linie zeigt die Amplitudenstärke des Echosignals eines Sensors, welcher 360 mm Abstand zu Untergrund aufweist, wohingegen die untere Linie die Amplitude eines Sensors mit 600 mm Abstand wiedergibt. Es zeigt sich, dass beide Echosignale sich deutlich als Funktion der Einbauposition unterscheiden.
Die 13 zeigt das Ergebnis einer systematischen Messreihe für unterschiedliche Bodenbeläge und in Abhängigkeit der Einbauhöhe sowie der Winkelausrichtung eines Ultraschallsensors. Man erhält durch die jeweilige Gamma-Anpassung der Echosignale eine Funktionsschar mit k- und θ-Werten in Abhängigkeit der Einbauhöhe und des Einbauwinkels. In dieser Abbildung ist die Abhängigkeit von der Ausrichtung des Ultraschallsensors dargestellt.
Die 14 zeigt das Ergebnis einer systematischen Messreihe für unterschiedliche Bodenbeläge und in Abhängigkeit der Einbauhöhe sowie der Winkelausrichtung eines Ultraschallsensors. Man erhält durch die jeweilige Gamma-Anpassung der Echosignale eine Funktionsschar mit k- und θ-Werten in Abhängigkeit der Einbauhöhe und des Einbauwinkels. In dieser Abbildung ist die Abhängigkeit von der Position, also dem Abstand zum Boden, des Ultraschallsensors dargestellt.
Die 15 zeigt einen möglichen letzten Schritt zur Überprüfung der Korrektheit der ermittelten Winkelausrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anhand der ermittelten Daten wurde ein statistischer Klassifikator auf ein Regressionsproblem trainiert. Hierzu hat sich die Verwendung einer Support Vector Machine (SVM) als sehr effiziente und performante Lösung herausgestellt. Zur Überprüfung der zu erwartenden Genauigkeit des Klassifikators wurde ein Teil der Daten nicht in das Training einbezogen. Dieser „nicht trainierte“ Teil der Daten wurde dann anhand des Klassifikators vorhergesagt. Es ergibt sich eine Korrelation zwischen Vorhersage des Klassifikators und tatsächlicher Winkelausrichtung von R² = 0,97. Einmal trainiert kann also der Winkel des Sensors schnell und genau mit dem Klassifikator abgeschätzt werden. Bevorzugter Weise erfolgt die Messung dann, wenn sich keine Objekte vor dem Sensor und sich das Fahrzeug in Ruhe befindet. Die erfindungsgemäße Methode bietet somit ein zuverlässiges Verfahren zur automatischen Positionsbestimmung beispielsweise an Kraftfahrzeugen montierter Ultraschallsensoren.
Die 16 zeigt einen möglichen letzten Schritt zur Überprüfung der Korrektheit der ermittelten Einbauhöhe des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anhand der ermittelten Daten wurde ein statistischer Klassifikator auf ein Regressionsproblem trainiert. Hierzu hat sich die Verwendung einer Support Vector Machine (SVM) als sehr effiziente und performante Lösung herausgestellt. Zur Überprüfung der zu erwartenden Genauigkeit des Klassifikators wurde ein Teil der Daten nicht in das Training einbezogen. Dieser „nicht trainierte“ Teil der Daten wurde dann anhand des Klassifikators vorhergesagt. Es ergibt sich eine Korrelation zwischen Vorhersage des Klassifikators und tatsächlicher Einbauhöhe von R² = 0,98. Einmal trainiert kann also die Höhe des Sensors schnell und genau mit dem Klassifikator abgeschätzt werden. Bevorzugter Weise erfolgt die Datenaufnahme dann, wenn sich keine Objekte vor dem Sensor und sich das Fahrzeug in Ruhe befindet. Die erfindungsgemäße Methode bietet somit ein zuverlässiges Verfahren zur automatischen Positionsbestimmung beispielsweise an Kraftfahrzeugen montierter Ultraschallsensoren.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Ultraschallsensor
3: Boden
4: Höhe
5: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017208268 B3 [0005]
DE 102012216290 A1 [0006]
DE 102005057973 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Ausrichtung mindestens eines Ultraschallsensors (2) eines Fahrzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Festlegen einer Einbauposition und einer Sensorausrichtung des Ultraschallsensors (2) an einem Referenzfahrzeug (1), Anbringen des Ultraschallsensors (2) an die festgelegte Position mit der festgelegten Ausrichtung und Positionieren des Fahrzeuges (1) auf einen Referenzuntergrund; b) Aussenden von Ultraschallsignalen einer oder mehrerer Frequenzen durch den Ultraschallsensor (2); c) Empfangen mindestens eines Teiles der vom Referenzuntergrund (3) reflektierten Ultraschallsignale und Ausgabe der entsprechenden Messwerte; d) Anpassen der Parameter einer Verteilungsfunktion an die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Messwerte zur Bestimmung der Einbauposition und/oder der Sensorausrichtung, wobei zum Erhalt der Parameter der Verteilungsfunktion die Verfahrensschritte a) bis c) ein- oder mehrmals mit unterschiedlichen Einbaupositionen und/oder Sensorausrichtungen durchgeführt werden, und e) Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors (2) zur Bestimmung der aktuellen Einbauposition und/oder der aktuellen Sensorausrichtung mit den in Verfahrensschritt d) erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Anpassung der Parameter der Verteilungsfunktion in Verfahrensschritt d) die Messwerte des oder der Ultraschallsensoren (2) in mindestens zwei Abstandsbereiche aufgeteilt werden, wobei die mathematische Anpassung für jeden Abstandsbereich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilungsfunktion im Verfahrensschritt d) ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Verteilungsfunktion, Gauß-, Gamma-Verteilung oder Kombinationen mindestens zweier daraus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-3, wobei die Anpassung der Verteilungsfunktion an die einzelnen Bereiche im Verfahrensschritt d) jeweils über eine Gamma-Funktion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der im Verfahrensschritt d) für unterschiedliche Einbaupositionen und Sensorausrichtungen erhaltenen Parameter der Verteilungsfunktionen zum Trainieren einer support vector machine verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Abgleich der aktuellen Werte im Verfahrensschritt e) durch eine Klassifikation und/oder mit einer Regression der Parameter durch die support vector machine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte a)-c) an unterschiedlichen Referenzuntergründen und als Funktion des Feuchtegehaltes bestimmt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Fahrzeug (1), wobei ein Abgleich aktueller Messwerte eines Ultraschallsensors (2) mit festgelegter Position und Ausrichtung mit den ermittelten Parametern der Verteilungsfunktion durchgeführt wird.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei beim Abgleich die Parameter der aktuellen Messung mittels einer support vector machine klassifiziert werden
Verwendung nach Anspruch 8, wobei beim Abgleich der Parameter der aktuellen Messung eine Regression durch eine support vector machine erfolgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 8-10, wobei das Fahrzeug (1) in den Fällen ein Signal ausgibt, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Werten der Verteilungsfunktion abweichen.
Verwendung nach Anspruch 8-11, wobei über den Abgleich der Typ des aktuellen Bodenbelags bestimmt wird.
Fahrunterstützungssystem umfassend mindestens einen Ultraschallsensor (2) der ausgebildet ist, akustische Signale auszusenden und Echosignale aus dem Fahrzeugumfeld zu empfangen, eine Steuereinheit zur Ansteuerung des mindestens einen Ultraschallsensors (2) und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der empfangenen Echosignale, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem ausgebildet ist, einen Abgleich aktueller Messwerte des Ultraschallsensors (2) mit festgelegter Position und Ausrichtung mit zu erwartenden Werten einer Verteilungsfunktion durchzuführen und ein Signal in den Fällen auszugeben, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Werten abweichen, wobei die Werte über ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 erhalten wurde.
Fahrunterstützungssystem nach Anspruch 13, wobei der Abgleich der aktuellen mit den zu erwartenden Werten auf einem Abgleich von Werten aus der Gruppe bestehend aus: den aus der Verteilungsfunktion berechneten Intensitäten, den Parametern der Verteilungsfunktion oder Kombinationen daraus durchgeführt wird.
Fahrunterstützungssystem nach einem der Ansprüche 13-14, wobei das Fahrunterstützungssystem als Funktion des Ergebnisses des Abgleichs eine Änderung der Kalibrierung eines Ultraschallsensors (2) in den Fällen vornimmt, in denen die aktuellen von den zu erwartenden Messwerten abweichen.