DE102019215118B3 - Control unit for automated driving functions for recognizing a lane closure and method and computer program for recognizing a lane closure - Google Patents
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Abstract
Steuergerät (10) für automatisierte Fahrfunktionen zum Erkennen eines Fahrbahnabschlusses (R) mittels Audiosignalen umfassend eine erste Schnittstelle (11) zu wenigstens einem an dem Fahrzeug (1) angeordneten Schallsensor (S), um Audiosignale von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen zu erhalten, die beim Abrollen wenigstens eines Reifens des Fahrzeuges (1) auf einer Fahrbahndecke (D) entstehen, eine Recheneinheit (12) umfassend einen Klassifikator (K), ausgeführt, in Abhängigkeit der Audiosignale befestigte und nicht befestigte Bestandteile der Fahrbahndecke (D) zu klassifizieren und im Falle einer Klassifikation eines nicht befestigten Bestandteils ein Signal, das auf den Fahrbahnabschluss (R) hinweist, auszugeben, und eine zweite Schnittstelle (13), um das Signal Aktuatoren bereitzustellen für eine Längs- und/oder Querführung des Fahrzeuges (1).Control unit (10) for automated driving functions for detecting a lane closure (R) by means of audio signals comprising a first interface (11) to at least one sound sensor (S) arranged on the vehicle (1) in order to receive audio signals from tire / road noises which when at least one tire of the vehicle (1) rolls on a road surface (D), a computing unit (12) comprising a classifier (K) is designed to classify and in dependence of the audio signals attached and non-attached components of the road surface (D) In the event of a classification of a non-attached component, output a signal indicating the end of the roadway (R), and a second interface (13) to provide the signal to actuators for longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle (1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für automatisierte Fahrfunktionen zum Erkennen eines Fahrbahnabschlusses. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Erkennen eines Fahrbahnabschlusses.The invention relates to a control device for automated driving functions for recognizing a lane closure. The invention also relates to a method and a computer program for recognizing a lane closure.
Aus dem Stand der Technik sind Fahrerassistenzsysteme bekannt, die eine Frontkamera umfassen. Mit der Frontkamera wird der Frontbereich eines Egofahrzeuges, zum Beispiel vorausfahrende Fahrzeuge und Straßen, erkannt.Driver assistance systems which include a front camera are known from the prior art. With the front camera, the front area of an ego vehicle, for example vehicles and roads ahead, is recognized.
Auf Landstraßen gibt es häufig keine Fahrbahnmarkierungen oder diese sind stark verdreckt. Eine Unterscheidung zwischen befestigter Straße und Schotterstraße beziehungsweise geplante Ausweichflächen ist sehr schwierig mit den bekannten Frontkameras. Zum Beispiel ist eine Schotterstraße sehr schwierig zu erkennen, wenn der Schotter die gleiche Farbe wie der Asphalt hat.Often there are no lane markings on country roads or they are very dirty. A distinction between paved road and gravel road or planned alternative areas is very difficult with the known front cameras. For example, a gravel road is very difficult to see if the gravel is the same color as the asphalt.
Aber auch andere Faktoren können die Kamerasensorik stark beeinträchtigen, zum Beispiel Regen, starke Sonneneinstrahlung/Blendung, Verschmutzung der Sensorik, Bildfehler und/oder fehlerhafte Erkennung durch Fehler in Algorithmik oder durch optische Fehler.However, other factors can also severely impair the camera sensor system, for example rain, strong sunlight / glare, contamination of the sensor system, image errors and / or incorrect detection due to errors in algorithms or due to optical errors.
Die
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Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, die Erkennung von Außenrändern, zum Beispiel Schotter, Kies, Gras, Zweigen, Gestrüpp, Wiese, Acker oder Ausweichflächen, zu verbessern.This is where the invention comes in. The invention was based on the object of improving the detection of outer edges, for example gravel, gravel, grass, twigs, scrub, meadow, arable land or alternative areas.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch an eine Fahrzeugaußenhaut anbringbare Schallsensoren zur akustischen Erkennung der Außenränder. Durch das Aufzeichnen von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen durch Schallsensoren außerhalb des Fahrzeugs können charakteristische akustische Merkmale, zum Beispiel Schotter oder Kies, Geräusche von überfahrenem Gras, Zweigen, Gestrüpp, Wiese oder Acker beim Überschreiten des Schotters oder Kies und hiermit das Verlassen der Straße von einer künstlichen Intelligenz erkannt werden.
Bei schlechten Bedingungen wie zum Beispiel Schnee, zu starke Sonneneinstrahlung oder Verschmutzung der Sensorik sind Fahrbahnmarkierungen für die Kamerasensorik nicht erkennbar. Auch ist es für adaptive-cruise-control-Systeme schwierig, den Straßenrand zu erkennen, wenn keine Markierungslinien vorhanden sind, zum Beispiel auf Landstraßen. Durch das Aufnehmen und Auswerten von der Reifen-Fahrbahn-Geräusche ist eine Berührung/Überschreitung des unbefestigten Straßenrands, Schotter oder Ausweichzonen, wahrnehmbar.The invention solves the problem by means of sound sensors that can be attached to the outer skin of the vehicle for acoustic detection of the outer edges. By recording tire-road noises by sound sensors outside the vehicle, characteristic acoustic features, for example gravel or gravel, noises from grass being driven over, twigs, scrub, meadow or field when crossing the ballast or gravel and thereby leaving the road an artificial intelligence.
In poor conditions such as snow, excessive sunlight or soiling of the sensors, the lane markings are not visible to the camera sensors. It is also difficult for adaptive cruise control systems to recognize the edge of the road if there are no marking lines, for example on country roads. By recording and evaluating the tire-road noise, touching / crossing the unpaved roadside, gravel or avoidance zones can be perceived.
Das erfindungsgemäße Steuergerät für automatisierte Fahrfunktionen ist ausgeführt, einen Fahrbahnabschlusses zu erkennen. Das Steuergerät umfasst eine erste Schnittstelle zu wenigstens einem an dem Fahrzeug angeordneten Schallsensor, um Audiosignale von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen zu erhalten, die beim Abrollen wenigstens eines Reifens des Fahrzeuges auf einer Fahrbahndecke entstehen. Außerdem umfasst das Steuergerät eine Recheneinheit. Die Recheneinheit umfasst einen Klassifikator. Der Klassifikator ist ausgeführt, in Abhängigkeit der Audiosignale befestigte und nicht befestigte Bestandteile der Fahrbahndecke zu klassifizieren und im Falle einer Klassifikation eines nicht befestigten Bestandteils ein Signal, das auf den Fahrbahnabschluss hinweist, auszugeben. Ferner umfasst das Steuergerät eine zweite Schnittstelle, um das Signal Aktuatoren bereitzustellen für eine Längs- und/oder Querführung des Fahrzeuges.The control device according to the invention for automated driving functions is designed to recognize a lane closure. The control device comprises a first interface to at least one sound sensor arranged on the vehicle in order to receive audio signals from tire / road noises that arise when at least one tire of the vehicle rolls on a road surface. In addition, the control device includes a computing unit. The computing unit includes a classifier. The classifier is designed to classify paved and unpaved components of the road surface as a function of the audio signals and, in the event of a classification of a non-paved component, to output a signal that indicates the end of the road. The control unit also includes a second interface in order to provide the signal to actuators for longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fahrbahnabschlusses mittels Audiosignalen umfassend die Verfahrensschritte
- • Aufnehmen von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen, die beim Abrollen wenigstens eines Reifens eines Fahrzeuges auf einer Fahrbahndecke entstehen, mit wenigstens einem an dem Fahrzeug anordbaren Schallsensor und Erhalten von Audiosignalen,
- • Eingeben der Audiosignale in einen Klassifikator einer Recheneinheit eines Steuergeräts, der ausgeführt ist, in Abhängigkeit der Audiosignale befestigte und nicht befestigte Bestandteile der Fahrbahndecke zu klassifizieren,
- • im Falle einer Klassifikation eines nicht befestigten Bestandteils der Fahrbahndecke Ausgeben eines Signals, das auf den Fahrbahnabschluss hinweist, und
- • Bereitstellen des Signals für eine Längs- und/oder Querführung des Fahrzeuges,
- • Recording of tire-road noises that arise when at least one tire of a vehicle rolls on a road surface with at least one sound sensor that can be arranged on the vehicle and receiving audio signals,
- • Inputting the audio signals into a classifier of a processing unit of a control device, which is designed to classify fixed and non-fixed components of the road surface depending on the audio signals,
- • In the case of a classification of a non-paved component of the road surface, output of a signal that indicates the end of the road, and
- • Providing the signal for longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle,
Nach einem Aspekt der Erfindung beruht das Verfahren auf den Schritten Erfassen von Geräuschen als Geräuschsignal während des Fahrens mit Mikrofon, Auswerten des Geräuschpegels mittels trainierten künstlichem neuronalen Netzwerk und Erkennung, ob Fahrzeug Straße verlassen hat und mit mindestens einem Reifen auf Schotter/nicht befestigter Straße fährt. Bei positiver Erkennung wird die Längs- und/oder Querführung derart geregelt und/oder gesteuert, dass das Fahrzeug den nicht befestigten Fahrbahnabschluss verlässt und auf einem befestigten Bestandteil der Fahrbahndecke weiterfährt.According to one aspect of the invention, the method is based on the steps of detecting noise as a noise signal while driving with a microphone, evaluating the noise level using a trained artificial neural network and recognizing whether the vehicle has left the road and is driving on gravel / unpaved road with at least one tire . If the detection is positive, the longitudinal and / or transverse guidance is regulated and / or controlled in such a way that the vehicle leaves the unpaved road end and continues on a paved component of the road surface.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm zum Erkennen eines Fahrbahnabschlusses umfassend Befehle, die bewirken, dass ein erfindungsgemäßes Steuergerät ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, wenn das Computerprogramm auf dem Steuergerät läuft. Die Befehle sind beispielsweise als Softwarecodeabschnitte realisiert. Das Computerprogramm hat einen technischen Effekt, wenn es ausgeführt wird, nämlich die Erkennung von Fahrbahnabschlüssen und die damit verbundene Erhöhung der Sicherheit beim Fahren.Another aspect of the invention relates to a computer program for recognizing a lane closure comprising commands which cause a control device according to the invention to carry out a method according to the invention when the computer program is running on the control device. The commands are implemented as software code sections, for example. The computer program has a technical effect when it is executed, namely the recognition of road closures and the associated increase in safety when driving.
Mittels der akustischen Erkennung des Fahrbahnabschlusses wird die Position des Fahrzeuges auf der Fahrbahn auch dann bestimmt, wenn Kamerasysteme, beispielsweis aufgrund starken Regens, Blendung, Verschmutzung der Sensorik, Fehler in Algorithmik oder optische Fehler, die Fahrbahnmarkierungen nicht mehr wahrnehmen können. Außerdem werden erfindungsgemäß die Bestimmung der Position des Fahrzeuges auf einer Fahrbahn mittels Kamerasystemen mit der Bestimmung der Position des Fahrzeuges mittels Schallsensoren und umgekehrt plausibilisiert. Damit wird die Sicherheit beim Fahren erhöht.The acoustic detection of the end of the lane is used to determine the position of the vehicle on the lane even if camera systems can no longer perceive the lane markings, for example due to heavy rain, glare, pollution of the sensors, errors in algorithms or optical errors. In addition, according to the invention, the determination of the position of the vehicle on a roadway using camera systems is checked for plausibility with the determination of the position of the vehicle using sound sensors and vice versa. This increases safety while driving.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Advantageous configurations of the invention emerge from the subclaims, the drawing and the description of preferred exemplary embodiments.
Ein Steuergerät bereitet die Daten von Sensoren als Eingangssignale auf, verarbeitet diese mittels einer Recheneinheit, beispielsweise einem programmierbaren Logikbaustein, einem FGPA oder ASIC Baustein oder einer Computerplattform, und stellt Logik- und/oder Leistungspegel als Regel- oder Steuersignale bereit. Das Signal, das die Recheneinheit ausgibt, ist ein Regel- oder Steuersignal. Mit diesem Signal werden über die zweite Schnittstelle Aktuatoren für eine Längs- und/oder Querführung des Fahrzeuges geregelt und gesteuert, um das Fahrzeug in der Spur zu halten. Ein Aktuator für die Querführung ist beispielsweise ein Elektromotor einer elektromechanischen Hilfskraftlenkung. Das Signal, das die Recheneinheit ausgibt und das auf den Fahrbahnabschluss hinweist, ist im Falle eines Kies-Fahrbahnabschlusses beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal für einen Aktuator eines Allradantriebs des Fahrzeuges, um ein Durchdrehen der Reifen auf Kies zu vermeiden. Damit wird die Sicherheit beim Fahren, wenn Fahrbahnmarkierungen beispielsweise wegen schlechten Umweltbedingungen von Kamerasystemen nicht erfassbar sind und das Fahrzeug auf einen nicht befestigte Bestandteil der Fahrbahndecke gerät, erhöht. Das Steuergerät ist signaltechnisch mit dem Schallsensor über die erste Schnittstelle verbunden. Der Datenaustausch erfolgt kabelgebunden oder kabellos, zum Beispiel über Funktechnologie, beispielsweise über einen WLAN Standard. Das Steuergerät ist nach einem weiteren Aspekt der Erfindung in ein Bordnetz des Fahrzeuges integriert, beispielsweise in einen CAN-Bus. Das Steuergerät ist beispielsweise ein elektronisches Steuergerät für automatisierte Fahrfunktionen, im englischen Domain ECU genannt. Die Domain ist nach einem Aspekt der Erfindung eine ADAS (advanced driver assistance system) oder AD (autonomous driving) Domain ECU für assistiertes bis vollautomatisiertes, das heißt autonomes, Fahren.A control unit prepares the data from sensors as input signals, processes them by means of a processing unit, for example a programmable logic module, an FGPA or ASIC module or a computer platform, and provides logic and / or power levels as regulating or control signals. The signal that the processing unit outputs is a regulating or control signal. With this signal, actuators for longitudinal and / or lateral guidance of the vehicle are regulated and controlled via the second interface in order to keep the vehicle in the lane. An actuator for the lateral guidance is, for example, an electric motor of an electromechanical power steering system. The signal that the processing unit outputs and that indicates the end of the road is, in the case of a gravel road end, for example an electrical voltage signal for an actuator of a four-wheel drive of the vehicle in order to prevent the tires from spinning on gravel. This increases safety when driving if, for example, lane markings cannot be detected by camera systems due to poor environmental conditions and the vehicle encounters an unsecured component of the road surface. The control unit is signal-connected to the sound sensor via the first interface. The data exchange is wired or wireless, for example via radio technology, for example via a WLAN standard. According to a further aspect of the invention, the control unit is integrated into an on-board network of the vehicle, for example into a CAN bus. The control device is, for example, an electronic control device for automated driving functions, called an ECU in the English domain. According to one aspect of the invention, the domain is an ADAS (advanced driver assistance system) or AD (autonomous driving) domain ECU for assisted to fully automated, that is to say autonomous, driving.
Die Recheneinheit des Steuergeräts ist beispielsweise als ein System-on-a-Chip realisiert mit modularem Hardwarekonzept, das heißt alle oder zumindest ein großer Teil der Funktionen sind auf einem Chip integriert und können modular erweitert werden. Der Chip ist in das Steuergerät integrierbar. Die Recheneinheit umfasst beispielsweise einen Mehrkernprozessor und Speichermodule. Der Mehrkernprozessor ist für einen Signal-/Datenaustausch mit Speichermodulen konfiguriert. Beispielsweise umfasst der Mehrkernprozessor ein Bussystem. Die Speichermodule bilden den Arbeitsspeicher. Die Speichermodule sind beispielsweise RAM, DRAM SDRAM oder SRAM. Bei einem Mehrkernprozessor sind mehrere Kerne auf einem einzigen Chip, das heißt einem Halbleiterbauelement, angeordnet sind. Mehrkernprozessoren erreichen eine höhere Rechenleistung und sind kostengünstiger in einem Chip zu implementieren im Vergleich zu Mehrprozessorsystemen, bei denen jeder einzelne Kern in einem Prozessorsockel angeordnet ist und die einzelnen Prozessorsockel auf einer Hauptplatine angeordnet sind. Die Recheneinheit umfasst nach einem Aspekt der Erfindung wenigstens einen zentralen Verarbeitungsprozessor, im Englischen als Central Processing Unit, abgekürzt CPU, bezeichnet. Die Recheneinheit transformiert ein Zeitspektrum der Audiosignale in ein Frequenzspektrum. In Abhängigkeit des Frequenzspektrums werden Audiosignale von befestigen Bestandteilen der Fahrbahndecke von Audiosignalen von nicht befestigten Bestandteilen der Fahrbahndecke unterscheidbar. Beispielsweise ist die Recheneinheit programmiert, eine Fouriertransformation der Audiosignale auszuführen.The computing unit of the control device is implemented, for example, as a system-on-a-chip with a modular hardware concept, that is, all or at least a large part of the functions are integrated on one chip and can be expanded in a modular manner. The chip can be integrated into the control unit. The computing unit includes, for example, a multi-core processor and memory modules. The multi-core processor is configured for signal / data exchange with memory modules. For example, the multi-core processor includes a bus system. The memory modules form the main memory. The memory modules are, for example, RAM, DRAM SDRAM or SRAM. In a multi-core processor, several cores are arranged on a single chip, that is to say a semiconductor component. Multi-core processors achieve higher computing power and are more cost-effective to implement in a chip compared to multi-processor systems in which each individual core is arranged in a processor socket and the individual processor sockets are arranged on a motherboard. According to one aspect of the invention, the computing unit comprises at least one central processing unit, referred to in English as the central processing unit, abbreviated to CPU. The processing unit transforms a time spectrum of the audio signals into a frequency spectrum. Depending on the frequency spectrum, audio signals from paved components of the road surface can be distinguished from audio signals from non-paved components of the road surface. For example, the computing unit is programmed to carry out a Fourier transformation of the audio signals.
Die Recheneinheit umfasst auch wenigstens einen Grafikprozessor, im Englischen als Graphic Processing Unit, abgekürzt GPU, bezeichnet. Grafikprozessoren besitzen eine spezielle Mikroarchitektur zum parallelen Prozessieren von Abläufen. Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst der Grafikprozessor wenigstens eine Prozesseinheit, die speziell zum Ausführen von Tensor-und/oder Matrixmultiplikationen ausgeführt ist. Tensor- und/oder Matrixmultiplikationen sind die zentralen Rechenoperationen für das Deep Learning. Die Recheneinheit umfasst nach einem Aspekt der Erfindung auch Hardware Beschleuniger für künstliche Intelligenz, zum Beispiel sogenannte Deep Learning Accelerators. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Klassifikator in der Programmiertechnik CUDA bereitgestellt. Damit werden Softwarecodeabschnitte des Klassifikators direkt durch die GPU abgearbeitet.The computing unit also includes at least one graphics processor, referred to in English as a graphic processing unit, abbreviated to GPU. Graphics processors have a special micro-architecture for the parallel processing of sequences. According to one aspect of the invention, the graphics processor comprises at least one process unit which is specifically designed to carry out tensor and / or matrix multiplications. Tensor and / or matrix multiplications are the central arithmetic operations for deep learning. According to one aspect of the invention, the processing unit also includes hardware accelerators for artificial intelligence, for example so-called deep learning accelerators. According to a further aspect of the invention, the classifier is provided in the programming technique CUDA. This means that software code sections of the classifier are processed directly by the GPU.
Ferner sind die Recheneinheit oder das Steuergerät konfiguriert, modular mit mehreren, beispielsweise mindestens vier, derartiger Chips erweitert zu werden.Furthermore, the computing unit or the control device are configured to be modularly expanded with a plurality of, for example at least four, such chips.
Der Randstreifen oder Straßenrand bildet den Abschluss der Fahrbahn, das heißt den Fahrbahnabschluss, und verhindert ein Abbrechen der Fahrbahnkante. Als Fahrbahndecke wird der obere Teil des Straßenoberbaus bezeichnet. Beispiele für befestigte Bestandteile der Fahrbahndecken sind Asphaltdeckschichten, Betondecken oder Pflasterdecken. Beispiele für nicht befestigte Bestandteile der Fahrbahndecken sind Schotter oder Kies oder Gras, Zweige, Gestrüpp, Wiese oder Acker.The verge or road edge forms the end of the roadway, i.e. the end of the roadway, and prevents the edge of the roadway from breaking off. The upper part of the road surface is called the road surface. Examples of paved components of the road surface are asphalt surface courses, concrete pavements or paving stones. Examples of unpaved parts of the road surface are gravel or gravel or grass, twigs, scrub, meadow or arable land.
Reifen-Fahrbahn-Geräusche sind die Geräusche, die beim Abrollen des Reifens auf der Fahrbahnoberfläche entstehen. Quellen sind Luftschall- und Körperschallquellen, beispielsweise Airpumping oder Reifenschwingungen.Tire-road noises are the noises that occur when the tire rolls on the road surface. Sources are airborne and structure-borne noise sources, for example air pumping or tire vibrations.
Ein Schallsensor ist ein Sensor, der mechanische Schwingungen, beispielsweise verursacht durch Luftschallwellen, erfasst und in ein prozessierbares Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal wie etwa eine elektrische Spannung, umformt. Nach einem Aspekt der Erfindung ist der Schallsensor, sind die Schallsensoren in der Nähe von Reifen des Fahrzeuges, beispielsweise in Radkästen, anordbar. Damit werden die Reifen-Fahrbahn-Geräusche möglichst nahe am Entstehungsort, das heißt mit geringen Störanteilen, erfasst.A sound sensor is a sensor that detects mechanical vibrations, for example caused by airborne sound waves, and converts them into a processable signal, for example an electrical signal such as an electrical voltage. According to one aspect of the invention, the sound sensor can be arranged in the vicinity of tires of the vehicle, for example in wheel arches. In this way, the tire-road noise is recorded as close as possible to the point of origin, i.e. with a low level of interference.
Das elektrische Signal heißt Audiosignal. Die Audiosignale werden in verfügbaren Audiodateien komprimiert oder unkomprimiert mit der Kennzeichnung als Metainformation bereitgestellt. WAV ist beispielsweise ein unkomprimiertes Dateiformat. Ogg-Vorbis oder MP3 sind jeweils komprimierte Dateiformate.The electrical signal is called the audio signal. The audio signals are provided in available audio files compressed or uncompressed with the identification as meta information. For example, WAV is an uncompressed file format. Ogg-Vorbis or MP3 are each compressed file formats.
Der Schallsensor umfasst einen analogen und/oder digitalen Signalausgang. Die Umformung erfolgt in zwei Stufen. In einer ersten akustisch-mechanischen Umformungsstufe wird der Luftschall nach einem bestimmten Empfangsprinzip in die Bewegung eines Objektes umgeformt. In der zweiten mechanisch-elektrischen Umformungsstufe wird die Bewegung des Objektes nach einem bestimmten Wandlerprinzip in das elektrische Signal umgeformt. Ein Akustiksensor, der Luftschallwellen detektiert, ist ein Schallsensor. Beispiele für Schall- und/oder Akustiksensoren sind eine Anordnung eines Magneten und einer elektrischen Spule, Mikrofone, Beschleunigungs-aufnehmer, Piezogeber oder Dehnungsmessstreifen. Ein mikro-elektro-mechanisches System, abgekürzt MEMS, umfassend eine Anordnung von Halbleiterelementen, die Schwingungen aufnehmen, ist auch als Schallsensor einsetzbar. Der Schallsensor ist an dem Fahrzeug angeordnet, beispielsweise in der Nähe eines Reifens, beispielsweise in einem Radkasten.The sound sensor includes an analog and / or digital signal output. The forming takes place in two stages. In a first acoustic-mechanical conversion stage, the airborne sound is converted into the movement of an object according to a certain reception principle. In the second mechanical-electrical conversion stage, the movement of the object is converted into the electrical signal according to a specific converter principle. An acoustic sensor that detects airborne sound waves is a sound sensor. Examples of sound and / or acoustic sensors are an arrangement of a magnet and an electric coil, microphones, accelerometers, piezo sensors or strain gauges. A micro-electro-mechanical system, abbreviated to MEMS, comprising an arrangement of semiconductor elements that absorb vibrations, can also be used as a sound sensor. The sound sensor is arranged on the vehicle, for example in the vicinity of a tire, for example in a wheel arch.
Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst der Schallsensor ein Mikrofon. Das Mikrofon umfasst eine Mikrofonkapsel und einen Wandler. In der Mikrofonkapsel erfolgt die akustisch-mechanische Umformung. Die Mikrofonkapsel umfasst beispielsweise eine Membran, die durch Luftschall zu Schwingungen angeregt wird. In dem Wandler erfolgt die mechanisch-elektrische Umwandlung. Der Wandler ist beispielsweise ein elektrodynamischer Wandler, wie etwa bei einem Tauchspulenmikrofon, oder ein elektrostatischer Wandler, wie etwa bei einem Kondensatormikrofon.According to one aspect of the invention, the sound sensor comprises a microphone. The microphone includes a microphone capsule and a transducer. The acoustic-mechanical conversion takes place in the microphone capsule. The microphone capsule includes, for example, a membrane that is excited to vibrate by airborne sound. The mechanical-electrical conversion takes place in the converter. The transducer is, for example, an electrodynamic transducer, such as in the case of a moving coil microphone, or an electrostatic transducer, such as in the case of a condenser microphone.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Schallsensor als ein MEMS-Mikrofon realisiert. MEMS-Mikrofone sind miniaturisierte Mikrofone, die beispielsweise in SMD-Technik, das heißt surface mounted device, ausgeführt sind zum direkten Einsatz auf der Leiterplatte. MEMS-Mikrofone besitzen kleine Abmessungen und sind einfach industriell zu verarbeiten, beispielsweise können MEMS-Mikrofone in einem Reflow-Lötprozess bestückt werden. Im Vergleich zu anderen Mikrofonen sind MEMS-Mikrofone unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen und damit für automobile Anwendungen besonders gut geeignet. Alternativ ist der Schallsensor ein Elektret-Kondensatormikrofon.According to a further aspect of the invention, the sound sensor is implemented as a MEMS microphone. MEMS microphones are miniaturized microphones which, for example, are made using SMD technology, i.e. surface mounted devices, for direct use on the circuit board. MEMS microphones have small dimensions and are easy to process industrially, for example MEMS microphones can be assembled in a reflow soldering process. Compared to other microphones, MEMS microphones are less sensitive to high temperatures and are therefore particularly suitable for automotive applications. Alternatively, the sound sensor is an electret condenser microphone.
Maschinelles Lernen bezeichnet den Lernprozess eines künstlichen Systems, Muster oder Gesetzmäßigkeiten anhand von Trainingsdaten zu erkennen inspiriert am Lernvorgang des menschlichen Gehirns, um auf neue Informationen zweckgerichtet reagieren zu können. Maschinelles Lernen wird durch Algorithmen, die in Softwarecodeabschnitte implementiert sind, realisiert. Eine quelloffene Plattform zum Programmieren von maschinellem Lernen ist beispielsweise TensorFlow geschrieben in den Programmiersprachen Python, C++ oder CUDA, das heißt compute unified device architecture. Die Plattform ist beispielsweise eine Linux, macOS, Microsoft Windows, Android oder JavaScript Plattform. Platt Nach der Lernphase können unbekannte Daten vorteilhafterweise beurteilt werden, ohne zunächst auswendig gelernt werden zu müssen.Machine learning refers to the learning process of an artificial system to recognize patterns or laws on the basis of training data inspired by the learning process of the human brain in order to be able to react appropriately to new information. Machine learning will realized by algorithms which are implemented in software code sections. An open source platform for programming machine learning is, for example, TensorFlow written in the programming languages Python, C ++ or CUDA, that is, compute unified device architecture. The platform is, for example, a Linux, macOS, Microsoft Windows, Android or JavaScript platform. Platt After the learning phase, unknown data can advantageously be assessed without first having to be learned by heart.
Ein Klassifikator teilt Objekte oder Situationen in Klassen ein und erkennt Muster. Ein Klassifikator ist beispielsweise ein Algorithmus, der Muster erkennt und Mustererkennungs-Algorithmus genannt wird. Der Klassifikator führt eine maschinelle Klassifikation durch. Die Klassifikation wird aus Ist-Fahrbahnabschlüssen und Soll-Fahrbahnabschlüssen gelernt. Der Ist-Fahrbahnabschluss ist der Fahrbahnabschluss, den der Klassifikator als Klassifikationsergebnis erhält. Der Soll-Fahrbahnabschluss ist der tatsächliche, reale Fahrbahnabschluss, das heißt befestigte und nicht befestigte Bestandteile der Fahrbahndecke, der in den Klassifikator in Form von Kennzeichen eingegeben wird. Die Kennzeichen werden auch features, targets oder labels genannt. Beispielsweise wird eine Audio-Aufnahme von Kies als nicht befestigter Bestandteil der Fahrbahndecke mit der Metainformation „Das Audiosignal stammt von einem Kies-Außenrand.“ gelabelt. Damit wird das gemessene Reifen-Fahrbahn-Geräusch, das beim Abrollen auf dem nicht befestigten Bestandteil der Fahrbahndecke entsteht, mit der Fahrbahnabschluss-Information „Kies-Außenrand“ in Relation gesetzt. Durch das Trainieren des Klassifikators mit den Ist-Fahrbahnabschlüssen und den Soll-Fahrbahnabschlüssen wird der Klassifikator optimiert, um aus Audiosignalen des Schallsensors den Fahrbahnabschluss zu erhalten. Dabei lernt der Klassifikator von selbst eine innere Struktur oder Topologie, um geringfügige Schwankungen in dem Audiosignal dem jeweils tatsächlich zugrunde liegenden Fahrbahnabschluss zuzuordnen.A classifier divides objects or situations into classes and recognizes patterns. A classifier is, for example, an algorithm that recognizes patterns and is called a pattern recognition algorithm. The classifier carries out a machine classification. The classification is learned from actual road closures and target road closures. The actual lane closure is the lane closure that the classifier receives as a classification result. The target lane closure is the actual, real lane closure, that is, paved and non-paved components of the road surface, which is entered into the classifier in the form of indicators. The marks are also called features, targets or labels. For example, an audio recording of gravel as an unsecured component of the road surface is labeled with the meta information “The audio signal comes from an outer edge of gravel”. In this way, the measured tire-road noise, which occurs when rolling on the unsecured part of the road surface, is related to the road closure information "gravel outer edge". By training the classifier with the actual lane terminations and the target lane terminations, the classifier is optimized in order to obtain the lane termination from audio signals from the sound sensor. The classifier learns an internal structure or topology by itself in order to assign minor fluctuations in the audio signal to the actual underlying lane closure.
Erfindungsgemäß ist der Klassifikator ausgeführt, Gesteinskörnungen zu klassifizieren. Gesteinskörnungen kommen als Tragschichten im Straßen- und Wegebau zum Einsatz.According to the invention, the classifier is designed to classify aggregates. Aggregates are used as base layers in road and path construction.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Klassifikator ausgeführt, Sand, Kies, Splitt, Schotter, Schroppen, Gras, Zweige, Gestrüpp, Wiese und/oder Acker zu klassifizieren. Ein Schüttgut - egal aus welchem Gestein - wird als Sand bezeichnet, wenn die Korngröße einen Durchmesser von weniger als 2 mm aufweist. Kies und Splitt wiederum sind beides Gemenge von Steinen mit 2 bis 63 mm Größe. Der Unterschied bezieht sich wieder auf die Geometrie der einzelnen Körner. Kies besteht aus Rundsteinen („Kieselsteine“), Splitt dagegen aus scharfkantigen Bruchsteinen. Von Schotter spricht man, wenn das Schüttgut aus Rund- oder Bruchsteinen mit einer Korngröße zwischen 32 und 63 mm besteht. Sämtliche Gesteinsmengen mit noch größeren Körnern werden schließlich als Schroppen bezeichnet. Damit sind verschiedene Außenränder und Ausweichflächen akustisch klassifizierbar und damit erkennbar.According to a further aspect of the invention, the classifier is designed to classify sand, gravel, chippings, crushed stone, scraps, grass, twigs, scrub, meadow and / or fields. A bulk material - regardless of the rock - is called sand if the grain size has a diameter of less than 2 mm. Gravel and grit, in turn, are both mixtures of stones with a size of 2 to 63 mm. The difference again relates to the geometry of the individual grains. Gravel consists of round stones ("pebbles"), while grit consists of sharp-edged rubble stones. We speak of ballast when the bulk material consists of round or broken stones with a grain size between 32 and 63 mm. All amounts of rock with even larger grains are finally referred to as Schroppen. This means that various outer edges and evasive areas can be acoustically classified and thus recognized.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden in einer Trainingsphase des Klassifikators Reifen-Fahrbahn-Geräusche aufgenommen, die beim Abrollen auf Fahrbahnabschlüssen aus Sand, Kies, Splitt, Schotter und/oder Schroppen und/oder beim Überschreiten des Fahrbahnabschlusses von mindestens einem Reifen des Fahrzeuges, beispielsweise Geräusche von Gras, Zweigen, Gestrüpp, Wiese oder Acker, entstehen. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in der Trainingsphase ein stufenweises Hören in der Reihenfolge befestigte Straße, Schotter oder Kies und Gras, Zweigen, Gestrüpp, Wiese oder Acker trainiert. Damit wird ein schleichendes Abkommen von der Fahrbahn erkannt.According to a further aspect of the invention, in a training phase of the classifier, tire-road noises are recorded that occur when rolling on road closures made of sand, gravel, gravel, crushed stone and / or scraps and / or when at least one tire of the vehicle crosses the road. For example, noises from grass, twigs, brush, meadow or field arise. According to a further aspect of the invention, in the training phase, gradual listening is trained in the order of paved road, gravel or gravel and grass, branches, scrub, meadow or field. This means that a creeping departure from the lane is recognized.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Klassifikator ein Random Forest Klassifikator, eine Support Vector Machine oder ein künstlich neuronales Netzwerk umfassend mehrere Schichten, die Schichten umfassend vollständig verbundene und/oder konvolutionale Schichten.According to a further aspect of the invention, the classifier is a random forest classifier, a support vector machine or an artificial neural network comprising a plurality of layers, the layers comprising completely connected and / or convolutional layers.
Random Forest ist ein Klassifikator umfassend unkorrelierte Entscheidungsbäume, die nach einer bestimmten Randomisierung während eines Lernprozesses wachsen. Für eine Klassifikation darf jeder Baum in diesem Wald eine Entscheidung treffen und die Klasse mit den meisten Stimmen entscheidet die endgültige Klassifikation. Vorteile des Random Forest sind unter anderem, dass er relativ schnell trainiert aufgrund kurzen Trainings- und/oder Aufbauzeiten eines einzelnen Entscheidungsbaums, dass Evaluierungen aufgrund mehrerer Bäume parallelisierbar sind und dass wichtige Klassen, wie zum Beispiel Mittelstreifen oder Seitenstreifen, erkannt werden können.Random Forest is a classifier comprising uncorrelated decision trees that grow after a certain randomization during a learning process. For a classification, each tree in this forest is allowed to make a decision and the class with the most votes decides the final classification. Advantages of the random forest include that it trains relatively quickly due to the short training and / or construction times of a single decision tree, that evaluations based on several trees can be parallelized and that important classes such as median or hard shoulder can be recognized.
Eine Support Vector Machine ist ein Klassifikator, die eine Menge von Objekten derart in Klassen unterteilt, dass um Klassengrenzen herum ein möglichst breiter Bereich frei von Objekten bleibt. Eine Support Vector Machine ist unter anderem bei wiederholtem Befahren ein und derselben Route von Vorteil.A support vector machine is a classifier that divides a set of objects into classes in such a way that the widest possible area around class boundaries remains free of objects. A support vector machine is advantageous, among other things, when repeatedly driving on the same route.
Ein künstlich neuronales Netzwerk ist eine Ansammlung von einzelnen Informationsverarbeitungseinheiten, Neuronen genannt, die schichtweise in einer Netzarchitektur angeordnet sind. Zu Beginn des Trainings hat jedes Neuron ein zufälliges Anfangsgewicht. Trainingsdaten werden in das künstliche neuronale Netzwerk in einem sogenannten forward pass eingespeist. Jedes Neuron gewichtet seine Eingangs-Signale mit seinem Gewicht und gibt das Ergebnis weiter an Neuronen anderer Schichten. In der Ausgangsschicht wird das Gesamtergebnis berechnet. Die Abweichung zwischen Ist-Fahrbahnabschluss und Soll-Fahrbahnabschluss wird berechnet in einer Rückwärtsspeisung, dem sogenannten backward pass.An artificial neural network is a collection of individual information processing units, called neurons, which are arranged in layers in a network architecture. At the beginning of the training, each neuron has a random one Initial weight. Training data is fed into the artificial neural network in a so-called forward pass. Each neuron weights its input signals with its weight and forwards the result to neurons in other layers. The overall result is calculated in the output layer. The deviation between the actual end of the lane and the target end of the lane is calculated in a backward feed, the so-called backward pass.
In der Rückwärtsspeisung wird der die innere Struktur des künstlichen neuronalen Netzwerks angepasst. Dabei wird auch der Anteil berechnet, den jedes Neuron an dieser Abweichung hat, und dann das Gewicht jedes Neurons in die Richtung verändert, die die Abweichung, oder auch Fehler genannt, minimiert. Dabei werden Gewichte erhöht, erniedrigt oder auf null gesetzt. Der Fehler ist eine Funktion der Gewichte. Die Abweichung zwischen Ist- Fahrbahnabschluss und Soll-Fahrbahnabschluss wird durch eine Kostenfunktion bewertet. Bei der Rückwärtsspeisung wird der Gradient des Fehlers nach den einzelnen Gewichten rückwärtsgespeist. So weiß man, ob und wie stark sich der Unterschied zwischen Ist-Fahrbahnabschluss und Soll- Fahrbahnabschluss minimiert, wenn man das jeweilige Gewicht vergrößert oder verkleinert. Durch Minimierung der Abweichung in der Trainingsphase, zum Beispiel mittels der Methode der kleinsten Quadrate, der aus der Informationstheorie bekannten Kreuz-Entropie oder dem Gradientenabstiegsverfahren, werden damit die Gewichte geändert. Dann erfolgen der nächste Durchlauf, eine erneute Messung des Fehlers und Anpassung der Gewichte und so weiter. Damit lernt das künstliche neuronale Netzwerk zunehmend besser, von den Trainingsdaten auf die bekannten Soll- Fahrbahnabschlüsse zu schließen.The internal structure of the artificial neural network is adapted in the reverse feed. The share that each neuron has in this deviation is calculated, and the weight of each neuron is then changed in the direction that minimizes the deviation, or error. Weights are increased, decreased or set to zero. The error is a function of the weights. The deviation between the actual end of the lane and the target end of the lane is evaluated by a cost function. When feeding backwards, the gradient of the error is fed backwards according to the individual weights. In this way, you know whether and to what extent the difference between the actual lane closure and the target lane closure is minimized if the respective weight is increased or decreased. By minimizing the deviation in the training phase, for example using the least squares method, the cross-entropy known from information theory or the gradient descent method, the weights are changed. Then do the next run, measure the error again and adjust the weights, and so on. The artificial neural network thus learns increasingly better to infer the known target road closures from the training data.
Das künstliche neuronale Netzwerk umfasst Schichten mit vollständig verbundenen Netzwerken, im Englischen als Fully Connected Network bezeichnet. In einem vollständig verbundenen Netzwerk ist jedes Neuron einer Schicht mit allen Neuronen der vorausgehenden Schicht verbunden. Jede Verbindung hat ihr eigenes Gewicht. Das künstliche neuronale Netzwerk umfasst alternativ oder zusätzlich konvolutionale Schichten. In einem konvolutionalen neuronalen Netzwerk, auch Faltungsnetzwerk genannt, wird ein Filter auf eine Schicht von Neuronen unabhängig von der Position mit den gleichen Gewichten angewendet. Das konvolutionale neuronale Netzwerk umfasst mehrere Poolingschichten zwischen den konvolutionalen Schichten. Poolingschichten verändern die Dimension einer zweidimensionalen Schicht in Breite und Höhe. Poolingschichten werden auch für höherdimensionale Schichten verwendet.The artificial neural network comprises layers with fully connected networks, referred to in English as a fully connected network. In a fully connected network, each neuron in one layer is connected to all neurons in the previous layer. Each connection has its own weight. The artificial neural network alternatively or additionally comprises convolutional layers. In a convolutional neural network, also called a convolution network, a filter is applied to a layer of neurons regardless of their position with the same weights. The convolutional neural network comprises several pooling layers between the convolutional layers. Pooling layers change the width and height of a two-dimensional layer. Pooling layers are also used for higher-dimensional layers.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Klassifikator mit Bildsignalen des Fahrbahnabschlusses während einer Fahrt des Fahrzeuges validiert. Die Bildsignale werden mit an dem Fahrzeug angeordneten Bildgebungssensoren, beispielsweise Kamera-, Lidar- oder Radarsensoren, erhalten. Die Bildsignale entsprechen Validierungsdaten, mit denen der Klassifikator während oder am Ende des Lernvorgangs getestet wird.According to a further aspect of the invention, the classifier is validated with image signals of the lane closure while the vehicle is traveling. The image signals are obtained with imaging sensors arranged on the vehicle, for example camera, lidar or radar sensors. The image signals correspond to validation data with which the classifier is tested during or at the end of the learning process.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Steuergerät ausgeführt, für die Bestimmung einer Position des Fahrzeuges auf der Fahrbahn die Audiosignale mit Bildsignalen, erhalten mittels an dem Fahrzeug angeordneten Bildgebungssensoren, zu fusionieren. Durch eine Fusion von Kamerasignalen und den mittels Audiosignalen bestimmten Fahrbahnmarkierungen wird die Sicherheit erhöht. Beispielsweise werden die Ergebnisse der Auswertung der Audiosignale mit den Fahrbahnmarkierungen, die aus den Kamerasignalen erhalten werden, plausibilisiert und umgekehrt. Des Weiteren wird die Redundanz durch die weitere Bestimmungsmöglichkeit der Fahrbahnmarkierung erhöht.According to a further aspect of the invention, the control device is designed to merge the audio signals with image signals obtained by means of imaging sensors arranged on the vehicle in order to determine a position of the vehicle on the roadway. Safety is increased by a fusion of camera signals and the lane markings determined by means of audio signals. For example, the results of the evaluation of the audio signals are checked for plausibility with the lane markings obtained from the camera signals, and vice versa. Furthermore, the redundancy is increased by the further possibility of determining the lane marking.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Signal einem Fahrzeugführer bereitgestellt, beispielsweise über eine Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle, beispielsweise optisch, akustisch oder taktil. Damit wird der Fahrzeugführer über den erkannten Fahrbahnabschluss benachrichtigt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Fahrzeugführer bei einem automatisierten Fahrsystem die Rückfallebene bildet. Bei der Norm SAE J3016 ist dies der Fall bis SAE Level 3. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt eine derartige Benachrichtigung, wenn nach einem Überschreiten des Schotters oder Kies Geräusche von Gras, Zweigen, Gestrüpp, Wiese oder Acker bei mindestens einem Reifen hörbar sind. In diesem Fall erfolgt bei einem AD Betrieb, beispielsweise SAE Level 4 oder 5, ein Notstop des Fahrzeuges.According to a further aspect of the invention, the signal is made available to a vehicle driver, for example via a man-machine user interface, for example optically, acoustically or tactilely. The vehicle driver is thus notified of the detected lane closure. This is particularly advantageous if the vehicle driver forms the fall-back level in an automated driving system. In the case of the SAE J3016 standard, this is the case up to SAE Level 3. According to a further aspect of the invention, such a notification occurs if, after the ballast or gravel has been exceeded, noises from grass, branches, scrub, meadow or fields can be heard on at least one tire . In this case, an emergency stop of the vehicle occurs during AD operation, for example SAE level 4 or 5.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät und wenigstens einem an einer Außenhaut des Fahrzeuges angeordneten, mit dem Steuergerät über eine erste Schnittstelle verbundenen Schallsensor. Das Fahrzeug nach einem Aspekt der Erfindung ein automatisiert betreibbares Fahrzeug, zum Beispiel ein teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes/autonom fahrendes Fahrzeug. Der Schallsensor ist beispielsweise ein MEMS-Mikrofon.A further aspect of the invention relates to a vehicle with a control device according to the invention and at least one sound sensor arranged on an outer skin of the vehicle and connected to the control device via a first interface. According to one aspect of the invention, the vehicle is an automatically operated vehicle, for example a partially automated, highly automated or fully automated / autonomously driving vehicle. The sound sensor is, for example, a MEMS microphone.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren
-
1 : Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges, teilweise auf einem nicht befestigten Bestandteil einer Fahrbahndecke fahrend, -
2 : Ausführungsbeispiel einer Fahrbahndecke mit Fahrbahnabschluss, -
3 : Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuergeräts, -
4 : schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
-
1 : Exemplary embodiment of a vehicle, partially driving on a non-paved part of a road surface, -
2 : Example of a road surface with a roadway closure, -
3 : Embodiment of a control device according to the invention, -
4th : Schematic representation of the inventive method illustrated embodiments illustrated.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. In den Figuren werden nur die für das jeweilige Verständnis relevanten Bezugsteile angegeben.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally similar reference parts. In the figures, only the reference parts relevant to the respective understanding are given.
Das in
Mittels des in
Hierzu umfasst das Steuergerät
Mit dem Steuergerät
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 1010
- SteuergerätControl unit
- 1111
- erste Schnittstellefirst interface
- 1212
- RecheneinheitArithmetic unit
- 1313
- zweite Schnittstellesecond interface
- RR.
- FahrbahnabschlussLane closure
- FF.
- Fahrbahnroadway
- DD.
- FahrbahndeckeRoad surface
- SS.
- SchallsensorSound sensor
- KK
- KlassifikatorClassifier
- V1-V4V1-V4
- VerfahrensschrittProcess step
Claims (7)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |