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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Höhe von Objekten in einem Umfeld durch ein Steuergerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sensoranordnung, ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Bei derzeitigen Ultraschallsystemen werden Ultraschalsensoren an Fahrzeugen zum Durchführen von Fahrfunktionen, wie beispielsweise automatisiertes oder teilautomatisiertes Einparken, eingesetzt. Die Ultraschallsensoren sind üblicherweise an einer Fahrzeugfront und einem Fahrzeugheck auf einer gleichen oder ähnlichen Höhe gegenüber dem Fahrzeuguntergrund angeordnet.
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Für die derzeit eingesetzten Fahrassistenzsysteme erfolgt eine Messung durch Ultraschallsensoren ausschließlich in einer x-y- Ebene, sodass aufgrund der Sensorpositionen keine direkte Höheninformation messbar ist.
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Durch die Anordnung der Sensoren auf einer Ebene kann die Höhe von Objekten nicht direkt, sondern nur über zeitlich ausgedehnte Messungen bestimmt werden. Hierzu muss ein Tracking aufgebaut werden, um geeignete Merkmale für eine Höhen-Klassifikation zu finden. Für zeitkritische Anwendungen ist ein derartiger Ansatz jedoch problematisch.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein kosteneffizientes Verfahren zum Ermitteln einer Höhe eines Objekts durch schallbasierte Messungen vorzuschlagen, welches auch bei zeitkritischen Anwendungen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Höhe von Objekten in einem Umfeld durch ein Steuergerät bereitgestellt. Das Verfahren ist auf Fahrzeuge, Roboter, Drohnen und dergleichen anwendbar.
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In einem Schritt werden Messdaten von Direktechos mindestens eines ersten Sensors und mindestens eines zweiten Sensors empfangen. Die Sensoren können in regelmäßigen zeitlichen Abständen Echos bzw. Schallimpulse erzeugen und in das Umfeld emittieren. Im Umfeld reflektierte Direktechos können von den jeweiligen Sensoren detektiert werden. Es werden Direktechos von den Sensoren empfangen bzw. detektiert und in elektrische Signale oder digital vorliegende Messdaten transformiert. Die resultierenden elektrischen Signale oder Messdaten können anschließend dem Steuergerät bereitgestellt werden.
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Es werden darüber hinaus von dem mindestens einen ersten Sensor und von dem mindestens einen zweiten Sensor ermittelte Messdaten von detektierten Kreuzechos durch das Steuergerät empfangen. Der mindestens eine erste Sensor und der mindestens eine zweite Sensor sind in einer Höhenrichtung und/oder in einer Querrichtung voneinander beabstandet. Durch eine Anordnung der Sensoren in unterschiedlichen Höhen und/oder unterschiedlichen Abständen quer zu einem Untergrund, können die Sensoren zum Bestimmen von y- und z-Komponenten eines Objektes verwendet werden. Die Höhe erstreckt sich hierbei in z-Richtung. Eine y-Richtung erstreckt sich quer zur Fahrtrichtung und quer zum Untergrund. Die Sensoren zum Sammeln von Messdaten aus Kreuzechos können sowohl zum Erzeugen bzw. Emittieren von Schallwellen in das Umfeld als auch zum Empfangen von aus dem Umfeld zurückreflektierten Schallwellen verwendet werden. Beispielsweise können der erste Sensor ausschließlich zum Emittieren und der zweite Sensor ausschließlich zum Empfangen von Schallwellen eingerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Sensoren abwechselnd in einem Sendebetrieb und in einem Empfangsbetrieb betrieben werden.
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Anschließend wird durch Triangulation der empfangenen Messdaten von den Direktechos und den Kreuzechos des mindestens einen ersten Sensors und des mindestens einen zweiten Sensors eine Position und eine Höhe von Objekten in dem Umfeld berechnet. Hierzu können die Messergebnisse von Direktechos und von Kreuzechos benachbarter Sensoren und/oder Sensorpaare zur Beschreibung von Messpunkten im dreidimensionalen-Raum des Umfelds kombiniert werden. Das Umfeld kann beispielsweise ein Fahrzeugumfeld sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein fahrzeugseitiges, roboterseitiges oder drohnenseitiges Steuergerät oder ein fahrzeugexternes Steuergerät sein. Beispielsweise kann das Steuergerät mit einer Fahrzeugsteuerung zum Ausführen von automatisierten Fahrfunktionen verbindbar oder in eine derartige Fahrzeugsteuerung integriert sein. Ein extern ausgestaltetes Steuergerät kann beispielsweise eine fahrzeugexterne Servereinheit sein, welche auf einer Cloud-Technologie basiert.
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Darüber hinaus wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder ein Steuergerät diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
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Das Fahrzeug kann hierbei gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein. Das Verfahren ist jedoch nicht auf den Fahrzeugbereich beschränkt. Insbesondere kann das Verfahren bei mobilen Einheiten, wie beispielsweise Robotern, Industrierobotern, Wasserfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Bussen, Robotaxis, Flugzeugen, Drohnen, Helikoptern und dergleichen, eingesetzt werden. Das Verfahren kann vorzugsweise bei mobilen Einheiten angewandt werden, welche assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert oder vollautomatisiert betreibbar sind. Vorzugsweise kann eine derartige mobile Einheit hochautomatisiert oder vollautomatisiert und vollkommen ohne einen Eingriff eines Fahrers bzw. eines Operators betreibbar sein.
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Der mindestens eine erste Sensor und der mindestens eine zweite Sensor können ein Teil der Umfeldsensorik sein. Insbesondere können die Sensoren als Ultraschallsensoren ausgestaltet sein.
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Durch das Verfahren kann eine Messung von Objektmaßen in z-Richtung umgesetzt werden, welche einen minimalen Zeitbedarf aufweist. Insbesondere kann die Höhe von Objekten direkt aus Messungen eines einzigen Zeitpunktes bestimmt werden. Zu einer derartigen Messung kann die Anzahl der Sensoren minimal sein, sodass das Risiko eines Systemausfalls gering bleibt. Mit einer geringeren Anzahl an Sensoren kann eine mögliche Ausfallrate reduziert und das Ultraschallsystem kosteneffizient gestaltet werden.
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Es entstehen die folgenden Vorteile durch das Verfahren:
- - Durch eine direkte Ermittlung der Höhe anhand von Messdaten eines Zeitpunkts kann die Leistungsfähigkeit eines Ultraschallsystems bzw. einer entsprechenden Sensoranordnung erhöht werden.
- - Die Sensoranordnung kann kosteneffizienter umgesetzt werden, da eine geringe Anzahl an Sensoren nötig ist.
- - Durch eine geringere Anzahl an Sensoren kann eine niedrigere Ausfallrate der Sensoranordnung ermöglicht werden. Es wird dadurch auch eine Verringerung einer Entwicklungskomplexität der Sensoranordnung erzielt, sodass bereits bestehende Softwarekomponenten wiederverwendet bzw. weiterverwendet werden können.
- - Darüber hinaus können bereits in einem Fahrzeug vorgesehene Sensoren weiterhin eingesetzt werden, wobei eine Positionierung der Sensoren angepasst wird. Hierdurch muss lediglich der Befestigungsort der Sensoren angepasst werden, um hardwareseitig eine Höhenmessung durchführen zu können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden von mindestens zwei Sensoren Direktechos zum Messen eines Abstands emittiert und aus dem Umfeld empfangen. Insbesondere können auch alle verfügbaren Sensoren zum Emittieren und Empfangen von Direktechos eingesetzt werden. Die aus dem Umfeld empfangenen Direktechos werden anschließend in Messdaten gewandelt und durch das Steuergerät weiterverarbeitet. Hierzu sendet ein Sensor ein Schallsignal aus und empfängt ein entsprechendes Schallecho selbst. Über eine Laufzeit des Schallsignals kann eine Distanz des Objekts zum Sensor ermittelt werden. Eine eindeutige Positionierung des Objektes im Raum ist damit aber nicht möglich, da nur die Distanz in Form von einem Radius mit dem Sensor als Mittelpunkt eindeutig bestimmt wird. Durch den Einsatz von mehreren benachbarten Sensoren können mit Hilfe von mindestens zwei ermittelten Radien Schnittpunkte zwischen den Radien gebildet werden. Diese Schnittpunkte stellen eindeutige Positionen innerhalb einer Ebene dar, welche der Ebene der Sensoren entspricht. Die Ebene der Sensoren ist eine Ebene, entlang welchen die Sensoren verteilt angeordnet sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein Kreuzecho von zwei benachbarten Sensoren erzeugt. Hierbei können die Sensoren in der ersten und der zweiten Ebene angeordnet sein, welche sich in ihrer Höhe unterscheiden. Durch einen Höhenversatz der Sensoren kann auch Messung von Schnittpunkten entlang einer Höhenrichtung und somit eine eindeutige Höhenmessung realisiert werden. Die Sensoren können hierbei horizontal, vertikal und/oder diagonal zueinander beabstandet sein.
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Zum Erzeugen von Kreuzechos wird ein Schallsignal von einem ersten Sensor erzeugt und von einem zweiten Sensor empfangen, Hierbei kann statt einer Distanz in Form eines Kreises eine Distanz entlang einer Ellipse ermittelt werden. Insbesondere kann durch Kreuzechos die Ellipse, auf der das Objekt liegt, bestimmt werden. Die beiden beispielhaft erwähnten Sensoren bilden die Brennpunkte der Ellipse.
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Es können ein Sensor ausschließlich zum Erzeugen von Kreuzechos und ein weiterer Sensor ausschließlich zum Empfangen von aus dem Umfeld zurückreflektierten Kreuzechos vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können die Sensoren zum Erzeugen und Empfangen von Kreuzechos abwechselnd im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird anhand von durch Direktechos und Kreuzechos ermittelten Punkten eine Triangulation durchgeführt, wobei durch Triangulation eine dreidimensionale Darstellung von einem Objekt in einem Umfeld erstellt wird.
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Durch die Kombination von Messergebnissen der Direktechos und der Kreuzechos benachbarter Sensorpaare können mehrere Punkte im dreidimensionalen Raum des Umfelds berechnet und ausgegeben werden. Die Punkte weisen x, y und z Koordinaten auf, welche relativ zu den Sensoren sind und auf ein absolutes Koordinatensystem transformierbar sind. Da die Sensoren nicht alle auf der gleichen Höhe angeordnet sind, kann sowohl die y als auch die z Komponente eines Objektes bestimmt werden. Die x-Komponente des Objekts, welche mit der Fahrtrichtung korrespondiert, kann bei der Messung ebenfalls berücksichtigt oder vernachlässigt werden
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät in einer mobilen Einheit angeordnet, wobei basierend auf der berechneten Position und/oder Höhe des Objektes Steuerbefehle zum Ansteuern der mobilen Einheit erzeugt und/oder ausgegeben werden . Hierzu kann das Verfahren dazu eingesetzt werden, um beispielsweise niedrige Parklücken in Parkhäusern durch Lüftungsschächte an einer Parkhausdecke oder tief-hängende Objekte, wie Äste, Schildern und Markierungen, zu identifizieren. Insbesondere kann eine geplante oder befahrene Trajektorie der mobilen Einheit abhängig von der Position und/oder Höhe des Objekts angepasst werden.
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Die Höhe der Objekte kann hierbei durch das Steuergerät mit den Maßen der mobilen Einheit verglichen und dazu eingesetzt werden, eine Warnung zu generieren.
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Die entsprechende Warnung kann beispielsweise einem Fahrer oder einem Operator visuell dargestellt oder in Form eines akustischen Signals übermittelt werden.
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Darüber hinaus kann beispielsweise bei einem automatisiert betriebenen Fahrzeug eine Anpassung der Trajektorie durch das Steuergerät veranlasst werden, um eine Beschädigung des Fahrzeugs zu vermeiden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung bereitgestellt, welche an einer mobilen Einheit angeordnet ist. Die Sensoranordnung weist mindestens zwei Sensoren auf, wobei der mindestens eine erste Sensor in mindestens einer ersten Ebene und der mindestens eine zweite Sensor in mindestens einer zweiten Ebene an der mobilen Einheit angeordnet sind. Bevorzugterweise sind der mindestens eine erste Sensor und der mindestens eine zweite Sensor zueinander in Höhenrichtung und in Querrichtung versetzt positioniert. Die Abstände zwischen den Sensoren in Höhenrichtung und in Querrichtung sind im Vorfeld derart eingestellt, dass ein dreidimensionales Triangulationsverfahren anhand der Sensoranordnung ausführbar ist. Die mobile Einheit kann beispielhaft als ein Fahrzeug, ein Roboter, eine Drohne und dergleichen ausgestaltet sein.
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Die Ebenen, an welchen die Sensoren angeordnet sind, weisen eine voneinander abweichende Höhe gegenüber einem Untergrund der mobilen Einheit auf. Insbesondere können die Sensoren als Ultraschallsensoren ausgeführt sein, welche in die mobile Einheit integriert oder an der mobilen Einheit befestigt werden.
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Beispielsweise können die Sensoren bei einer als Fahrzeug ausgeführten mobilen Einheit an einem Heck und/oder an einer Front des Fahrzeugs angeordnet sein. Darüber hinaus kann auch eine Montage der Sensoren an den Fahrzeugseiten möglich sein. Hierdurch können auch seitlich neben dem Fahrzeug angeordnete Objekte, wie beispielsweise Bordsteine oder Leitpfosten, detektiert und ihre Höhe ermittelt werden.
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Die Sensoren können gleiche oder unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Bevorzugterweise kann der mindestens eine erste Sensor innerhalb der ersten Ebene mittig zwischen zwei zweiten Sensoren der zweiten Ebene platziert werden, wobei die Ebenen einen Höhenversatz zueinander aufweisen.
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Die Sensoren können vorzugsweise mit einem Steuergerät verbindbar sein, welcher die Messdaten der jeweiligen Sensoren empfangen und auswerten kann.
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Durch die Sensoranordnung und den Höhenversatz der Sensoren kann neben einem Abstand auch eine Höhe von Objekten und Hindernissen durch Triangulation ermittelt werden.
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Nach einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Sensoren zick-zack-förmig am Fahrzeug angeordnet. Hierdurch können die Sensoren besonders einfach an einem Fahrzeug in einem symmetrischen oder asymmetrischen Muster angeordnet werden. Insbesondere können die zick-zack-förmig angeordneten Sensoren unterschiedlich Hoch über einem Untergrund des Fahrzeugs befestigt sein, sodass Messungen in z-Richtung bzw. Höhenrichtung umsetzbar sind. Vorzugsweise können ein oder mehrere dreiecksförmige Anordnungen von Sensoren ausgebildet werden, bei welchen die Sensoren in Ecken von mindestens einem Dreieck positioniert sind. Beispielsweise können die Sensoren gleichschenklige Dreiecke aufspannen, wodurch ein Triangulationsverfahren zum Bestimmen einer Höhe und/oder Position von Objekten technisch besonders einfach umsetzbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Versatz der Sensoren in Höhenrichtung und in Querrichtung abhängig von einer Geometrie der mobilen Einheit eingestellt. Die Position der eingesetzten Sensoren kann somit flexibel abhängig von einer Form bzw. eines Designs und der resultierenden Geometrie der mobilen Einheit bestimmt werden. Insbesondere können mögliche Einbaupositionen gezielt zum Anordnen der Sensoren auf unterschiedlichen Ebenen genutzt werden. Insbesondere können die Sensoren an Positionen der mobilen Einheit befestigt werden, welche üblicherweise ungenutzt verbleiben würden.
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Bevorzugterweise können die Sensoren an einem Fahrzeugheck, einer Fahrzeugfront, im Bereich der Scheinwerfer, im oder am Fahrzeuggrill und dergleichen angeordnet werden. Auch die Anzahl an eigensetzten Sensoren kann abhängig von den möglichen Einbaupositionen am Fahrzeug gewählt werden. Darüber hinaus kann mit einer zunehmenden Anzahl eine präzisere Höhenschätzung realisiert werden, sodass eine Anzahl der verbauten Sensoren auch von Genauigkeitsanforderungen abhängen kann. Die Sensoren können somit individuell an eine Fahrzeuggeometrie angepasst appliziert werden.
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Die Sensoren können hierbei in einem symmetrischen oder asymmetrischen Muster am Fahrzeug verbaut werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine schematische Frontansicht auf eine an einer Fahrzeugfront angeordnete Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
- 2 eine schematische Draufsicht auf die Sensoranordnung aus 1 und
- 3 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist eine schematische Frontansicht auf eine an einer Fahrzeugfront eines Fahrzeugs 1 angeordnete Sensoranordnung 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. In der 2 ist eine schematische Draufsicht auf die Sensoranordnung 2 veranschaulicht. Die Sensoranordnung 2 dient zum Durchführen eines Verfahrens 4 zum Ermitteln einer Höhe H von Objekten 6 in einem Umfeld U. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Umfeld U als ein Fahrzeugumfeld ausgestaltet.
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Die Sensoranordnung 2 weist sieben Sensoren 8, 10, 12, welche beispielhaft in drei Ebenen E1, E2, E3 an dem Fahrzeug 1 positioniert sind. Die Sensoren 8, 10, 12 sind in z-Richtung und/oder in y-Richtung voneinander beabstandet und bilden ein symmetrisches zick-zack-Muster an der Fahrzeugfront des Fahrzeugs 1 aus.
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Die Sensoren 8, 10, 12 können vorzugsweise Schallechos emittieren und anschließend die an Objekten im Umfeld U reflektierten Direktechos empfangen und in elektrische Signale oder digitale Messdaten umwandeln. Anschließend können die elektrischen Signale oder digitalen Messdaten an ein Steuergerät 14 übertragen werden bzw. von dem Steuergerät 14 empfangen werden.
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Die vier ersten Sensoren 8 sind auf einer ersten Ebene E1 angeordnet. Ein zweiter Sensor 10 ist auf einer zweiten Ebene E2 angeordnet. Auf einer weiteren zweiten Ebene bzw. einer dritten Ebene E3 sind zwei weitere Sensoren 12 positioniert. Die Sensoren 8, 10, 12 sind als Ultraschallsensoren ausgestaltet.
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Die Ebenen E1, E2, E3 weisen einen Höhenversatz D1, D2 zueinander auf.
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Die Sensoren 8, 10, 12 sind datenleitend mit einem Steuergerät 14 verbunden. Darüber hinaus ist das Steuergerät 14 mit einem maschinenlesbaren Speichermedium 16 gekoppelt, auf welchem ein Computerprogramm hinterlegt ist. Das Steuergerät 14 kann auf das im maschinenlesbaren Speichermedium 16 gespeicherte Computerprogramm zugreifen und basierend darauf das Verfahren 4 ausführen.
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Die Sensoren 8, 10, 12 können jeweils dazu eingesetzt werden, Direktechos zu detektieren. Zusätzlich können Kreuzechos durch benachbarte Sensorpaare detektiert werden, sodass ein Objekt 6 entlang allen Raumkoordinaten x, y, z gemessen und bestimmt werden kann.
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In der 2 sind der Übersicht halber nur die Sensoren 8 der ersten Ebene E1 dargestellt.
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Insbesondere können die jeweiligen Direktechos und Kreuzechos durch Triangulation zum Messen einer Höhe H des Objekts 6 eingesetzt werden.
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Die 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 4 dient zum Ermitteln einer Höhe H von Objekten 6 in einem Fahrzeugumfeld U durch das Steuergerät 14.
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In einem ersten Schritt 20 werden Messdaten von Direktechos mindestens eines ersten Sensors 8 und/oder mindestens eines zweiten Sensor 10, 12 empfangen. Hierbei können aus benachbarten Sensorpaaren Schnittpunkte gebildet werden, welche definierte Positionen entlang von x-y-Ebenen oder x-z-Ebenen darstellen.
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In einem weiteren Schritt 21 werden Messdaten von Kreuzechos mindestens eines ersten Sensors 8 und mindestens eines vom ersten Sensor 8 in einer Höhenrichtung z und/oder einer Querrichtung y beabstandeten zweiten Sensors 10, 12 empfangen. Hierbei können ebenfalls Messdaten von benachbarten Sensoren dazu eingesetzt werden Schnittpunkte entlang einer Ellipse zu bilden.
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Anschließend wird in einem weiteren Schritt 22 Triangulation aller Schnittpunkte durchgeführt. Hierzu kann durch Triangulation der empfangenen Messdaten von den Direktechos und den Kreuzechos des mindestens einen ersten Sensors 8 und des mindestens einen zweiten Sensors 10, 12 eine Höhe H von Objekten 6 in dem Fahrzeugumfeld U berechnet werden.
