DE102020211237A1 - Verfahren und Fahrerassistenzsystem zur Erkennung und Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Objekten unter Verwendung von Ultraschall - Google Patents

Verfahren und Fahrerassistenzsystem zur Erkennung und Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Objekten unter Verwendung von Ultraschall Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erkennung von Objekten (2) und zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten (2) unter Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen, wobei Ultraschallpulse (20) ausgesendet werden und an Objekten (2) reflektierte Ultraschallechos (31, 43) von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14) wieder empfangen werden. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass Objekttypen mit jeweils einem definierten Satz geometrischer Parameter definiert werden, wobei die geometrischen Parameter eine Position des Objekts (2) umfassen und dass für jeden Objekttyp eine n-dimensionale Gitterkarte erstellt wird, wobei n die Anzahl der dem Objekttyp zugeordneten Parameter ist. Dabei repräsentiert jede der Zellen ein Parameterobjekt mit den der jeweiligen Zelle zugeordneten geometrischen Parametern und jede Zelle der Gitterkarte weist einen dieser Zelle zugeordneten Zähler auf. Im Fall eines empfangenen Direktechos (31) werden in jeder Gitterkarte die Zähler für diejenigen Zellen erhöht, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Kreisbogen (51) oder eine Kugeloberfläche schneidet, welche durch eine dem Direktecho (31) zugeordnete Entfernung definiert ist, und im Fall eines empfangenen Kreuzechos (43) werden die Zähler für diejenigen Zellen erhöht, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Ellipsenbogen (63) oder eine Ellipsoidoberfläche schneidet, welche durch eine dem Kreuzecho (43) zugeordnete Entfernung und der relativen Lage der beteiligten Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14) definiert ist. Ferner werden für jeden Objekttyp Kandidatenobjekte bestimmt, für die eine Zelle der entsprechenden Gitterkarte einen Zähler oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts aufweist.Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm sowie ein Fahrerassistenzsystem (300), welche dazu eingerichtet sind, das Verfahren auszuführen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Objekten unter Verwendung von Ultraschall, wobei Ultraschallpulse ausgesendet werden und an Objekten reflektierte Ultraschallechos von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallsensoren wieder empfangen werden. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm sowie ein Fahrerassistenzsystem, welche dazu eingerichtet sind, das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Es sind verschiedene Fahrerassistenzsysteme bekannt, welche einen Fahrer eines Fahrzeugs bei der Ausführung verschiedener Fahrmanöver unterstützen, einen Fahrer vor Gefahren warnen und/oder ein Fahrzeug zumindest zeitweise automatisch führen können. Für ihre Funktion sind die Fahrerassistenzsysteme auf präzise Daten über Objekte wie andere Verkehrsteilnehmer und Hindernisse wie z.B. Bäume oder Pfosten in der Umgebung angewiesen. Dabei ist insbesondere die genaue Bestimmung der Position von Objekten relativ zum Fahrzeug wichtig.
  • Zur Bestimmung der Position eines Objekts können Laterationsverfahren verwendet werden, bei denen über mehrere räumlich voneinander beabstandete Sensoren die Entfernung zwischen dem jeweiligen Sensor und dem Objekt bestimmt wird. Beispielsweise können auf Ultraschall basierende Abstandssensoren für eine Positionsbestimmung basierend auf Laterationsverfahren eingesetzt werden.
  • Sind mehrere Objekte in der Umgebung vorhanden ist es eine Herausforderung, die einzelnen gemessenen Entfernungen dem korrekten Objekt für die Anwendung des Laterationsverfahrens zuzuordnen, so dass die richtigen Kreise bzw. Ellipsen miteinander geschnitten werden. Vor allem bei Szenarien mit sehr vielen verschiedenen Objekten kann es vorkommen, dass durch falsche Schnittpunkte falsche Positionen gebildet werden bzw. Objekte an Stellen vermutet werden, an denen sich kein Objekt befindet. Je mehr Sensoren eingesetzt werden, desto komplexer wird die Auswahl der miteinander zu schneidenden Kreise und Ellipsen.
  • DE 10 2013 223 803 A1 beschreibt ein Verfahren zur Segmentierung eines Belegungsgitters für ein Umfeldmodell. Den einzelnen Gitterzellen ist dabei neben einem Belegtheitsgrad zumindest eine zusätzliche Information über die Gitterzelle zugeordnet, wie beispielsweise eine Geschwindigkeit oder eine Höhe. Das Verfahren umfasst das Einlesen des Belegungsgitters mit einer Vielzahl von Gitterzellen, wobei jeder Gitterzelle der Vielzahl von Gitterzellen eine Gitterzelleninformation zugeordnet ist, und das Zuordnen von zumindest einem Objekt zu der Vielzahl von Gitterzellen unter Verwendung der Gitterzell en information.
  • Aus EP 3 552 908 A2 sind ein System und ein Steuergerät für ein autonomes Fahrzeug bekannt. Das System umfasst ein Sensormodul, welches unter anderem Ultraschallsensoren umfassen kann. Für eine Beurteilung der Umgebung des Fahrzeugs kann auf eine Gitterkarte (grid map) sowie auf eine Liste mit dynamischen Objekten zurückgegriffen werden.
  • DE 10 2015 122 825 A1 beschreibt ein Verfahren zum Gruppieren von Zielelementen für eine Objektfusion. Dabei wird der xy-Raum über ein Gitter dargestellt, wobei Sensormesspunkte in diesem Raum dargestellt werden. Das Gitter wird dabei genutzt, um beispielsweise über eine Zuordnung zu benachbarten Zellen Sensormessungen zu gruppieren.
  • Problematisch an den bekannten Verfahren ist, dass diese keine Klassifizierung der Objekte und kein Bestimmen der Abmessungen der Objekte erlauben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Verfahren zur Erkennung von Objekten und zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten unter Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen, wobei Ultraschallpulse ausgesendet werden und an Objekten reflektierte Ultraschallechos von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallsensoren wieder empfangen werden. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass Objekttypen mit jeweils einem definierten Satz geometrischer Parameter definiert werden, wobei die geometrischen Parameter eine Position des Objekts umfassen und dass für jeden Objekttyp eine n-dimensionale Gitterkarte erstellt wird, wobei n die Anzahl der dem Objekttyp zugeordneten Parameter ist. Dabei repräsentiert jede der Zellen ein Parameterobjekt mit den der jeweiligen Zelle zugeordneten geometrischen Parametern und jede Zelle der Gitterkarte weist einen dieser Zelle zugeordneten Zähler auf.
  • Im Fall eines empfangenen Direktechos werden in jeder Gitterkarte die Zähler für diejenigen Zellen erhöht, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Kreisbogen oder eine Kugeloberfläche berührt, welche durch eine dem Direktecho zugeordnete Entfernung definiert ist, und im Fall eines empfangenen Kreuzechos werden die Zähler für diejenigen Zellen erhöht, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Ellipsenbogen oder eine Ellipsoidoberfläche berührt, welche durch eine dem Kreuzecho zugeordnete Entfernung und der relativen Lage der beteiligten Ultraschallsensoren definiert ist. Bei der Bestimmung, ob eine Berührung vorliegt, werden Toleranzen für Messfehler, Streuung und/oder der Zelle zugeordnete Parameterintervalle berücksichtigt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, die Toleranzen derart zu wählen, dass das Streuverhalten der Oberflächen der reflektierenden Oberflächen berücksichtigt wird. Derart „streuende“ Oberflächen weisen kein tangentiales Reflexionsverhalten auf, bei dem „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ gilt und zu einem tangentialen Berühren bei einer Prüfung auf eine Berührung führt. Stattdessen wird über einen gewissen Winkelbereich gestreut, was durch eine entsprechende Wahl der Toleranz ebenfalls als Berührung erkannt werden soll.
  • Ferner werden für jeden Objekttyp Kandidatenobjekte bestimmt, für die eine Zelle der entsprechenden Gitterkarte einen Zähler oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts aufweist.
  • Bei den Objekten kann es sich beispielsweise um Verkehrsteilnehmer wie Fahrzeuge oder Fußgänger oder um Hindernisse wie z.B. Bäume oder Pfosten handeln.
  • Für die Erkennung eines Objekts und die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften dieses Objekts kann beispielsweise mindestens einer der Ultraschallsensoren ein Ultraschallpuls aussenden, wobei durch zwei oder mehr Ultraschallsensoren von einem Objekt in der Umgebung reflektierte Ultraschallechos empfangen werden können. Das von dem Ultraschallsensor, der den Ultraschallpuls ursprünglich ausgesendet hat, empfangene Ultraschallecho wird dabei Direktecho genannt und ein von dem oder den anderen Ultraschallsensor(en) empfangenes Ultraschallecho wird Kreuzecho genannt. Aus der Laufzeit, welche vom Aussenden des Ultraschallpulses bis zum Empfang des Ultraschallechos vergeht, sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand des Objekts bestimmt werden. Je nach Situation, insbesondere bei mehreren vorhandenen Objekten in der Umgebung, können zu einem ausgesendeten Ultraschallpuls durch einen einzigen Ultraschallsensor auch mehrere Ultraschallechos empfangen werden.
  • Die einzelnen Ultraschallsensoren können jeweils nacheinander Ultraschallpulse aussenden. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Ultraschallsensoren zeitgleich Ultraschallpulse aussenden, wobei diese zur Unterscheidung bevorzugt kodiert sind. Für eine Kodierung können die Ultraschallpulse moduliert sein und/oder können verschiedene Frequenzen verwenden.
  • Für jeden zu erkennenden Objekttyp wird vorab ein Satz geometrischer Parameter definiert, über den sich jedes gültige Objekt dieses Typs darstellen lässt. Diese Parameter beschreiben zumindest die Position des Objekts und können zusätzlich weitere Angaben umfassen, die beispielsweise geometrische Abmessungen wie einen Durchmesser, eine Länge, eine Höhe und/oder eine Breite beschreiben. Die die Position beschreibenden Parameter müssen dabei nicht notwendigerweise in kartesischen Koordinaten angegeben sein, sondern können auch in anderen Koordinatensystemen wie beispielsweise Polarkoordinaten angegeben werden. Je nach Objekttyp können die die Position beschreibenden Parameter eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional sein, also 1 bis 3 Parameter umfassen, um die Position eindeutig zu beschreiben.
  • Beispielsweise können Wände im dreidimensionalen Raum als Ebenen (mit unendlicher Ausdehnung) repräsentiert werden, wobei eine Ebene eindeutig durch einen Punkt in einem dreidimensionalen Parameterraum (n=3) dargestellt werden kann. Sofern nur senkrechte Wände betrachtet werden, sind sogar zwei Parameter und entsprechend ein zweidimensionaler Parameterraum (n=2) für eine Beschreibung ausreichend. Eine mögliche Wahl der zwei Parameter bzw. Dimensionen dieses Parameterraums umfasst den Abstand der Ebene zum Ursprung und den Winkel der Projektion des Normalenvektors der Ebene auf die xy-Ebene mit der X-Achse. Senkrechte Zylinder wie z.B. Säulen oder Pfosten können beispielsweise über ihre X-Koordinate und ihre Y-Koordinate und damit ebenfalls über einen zweidimensionalen Parameterraum (n=2) repräsentiert werden. Soll beispielsweise zusätzlich ein Radius des Zylinders berücksichtigt werden, so erweitert sich der Parameterraum entsprechend auf drei Parameter (n=3).
  • Entsprechend ist es bei dem Verfahren bevorzugt, dass die definierten Objekttypen ausgewählt sind aus Ebenen, insbesondere senkrechten Ebenen, Zylindern, insbesondere senkrechten Zylindern, Kugeln und Linien, insbesondere horizontalen Linien. Bevorzugt werden mindestens zwei verschiedene Objekttypen definiert und entsprechend mindestens zwei Gitterkarten erstellt.
  • Kugelobjekte können beispielsweise mit einer vierdimensionalen Parameterdarstellung (Position des Mittelpunkts und der Radius) verwendete werden. Alternativ kann eine dreidimensionale Parameterdarstellung ohne den Radius verwendet werden, wodurch sich ein Punktobjekt ergibt.
  • Linienobjekte können insbesondere eindimensionale Begrenzungen repräsentieren. Horizontale Linienobjekte können beispielsweise eine Lage eines Borsteins beschreiben, wobei beliebige drei- und vierdimensionale Parameterdarstellungen möglich sind.
  • Bei der Definition der Objekttypen kann bereits das Streuverhalten der Oberflächen der reflektierenden Oberflächen berücksichtigt werden. Die zuvor beschriebenen Objekttypen wie Ebenen und Zylinder können dazu als Basis dienen, wobei sich bevorzugt die Parameterdarstellung selber nicht ändert. Beispielsweise können Objekte mit unebener oder unregelmäßiger Oberfläche, wie beispielsweise Büsche oder Fahrräder, als Ebenen mit streuender Reflektion modelliert werden. Allerdings wird bei der Auswahl der einzutragenden Gitterzellen die Bedingung des tangentialen Reflexionsverhaltens (Prüfung auf Berühren) aufgeweicht, indem eine größere Toleranz für die Abweichung zwischen Einfalls- und Ausfallswinkel erlaubt wird. Dies führt dazu, dass zusätzliche Zellen durch Erhöhen der Zähler befüllt werden wenn es sich dabei um Gitterkarten z.B. für Büsche handeln würde. Entsprechend ist bevorzugt vorgesehen, eine für das Prüfen auf eine Berührung verwendete Toleranz für verschiedene Objekttypen unterschiedlich vorzugeben.
  • Bevorzugt werden verschiedene Gitterkarten für Objekttypen mit tangentialem und für Objekttypen mit streuendem Reflexionsverhalten (beispielsweise Wände gegenüber Büschen) verwendet, auch wenn sie dieselbe Parameterdarstellung verwenden.
  • Jede der Zellen der Gitterkarte repräsentiert ein Parameterobjekt mit den der jeweiligen Zelle zugeordneten Parametern. Für das Beispiel eines dünnen senkrechten Zylinders, bei dem entsprechend kein Radius als Parameter berücksichtigt wird, entspricht jede der Zellen einem solchen senkrechten Zylinder an der der Zelle zugeordneten X/Y Position in der Umgebung. Die Gitterkarte kann in diesem Beispiel entsprechend mögliche senkrechte Zylinder in einem Umgebungsbereich mit Abmessungen von beispielsweise 2,5 m x 2,5 m (Länge x Breite) repräsentieren, wobei beispielsweise ein Raster von 5 cm verwendet wird. Für dieses Beispiel ergibt sich eine Gitterkarte mit 50 x 50 = 2 500 Zellen.
  • Die Größe und Unterteilung der Gitterkarten kann fest vorgegeben sein oder dynamisch angepasst werden.
  • Bevorzugt werden die Abmessungen der Gitterkarten so gewählt, dass sich Parameterobjekte in der Länge und Breite (Straßenebene) im Bereich von 1 m bis 10 m, bevorzugt von 2 m bis 5 m und in der Höhe im Bereich von 0 m bis 5 m, bevorzugt von 1 m bis 2 m in der Gitterkarte darstellen lassen.
  • Bei Empfang eines Ultraschallechos wird jeweils bestimmt, von welchen der durch die Gitterkarten darstellbaren Objekte das Ultraschallecho stammen kann. Dabei werden zu den erhaltenen Abstandswerten a der Direktechos und Kreuzechos entsprechende Rotationsellipsoiden Ea bestimmt und es wird für jeden Objekttyp T bestimmt, ob ein durch die Parameter einer Zelle repräsentiertes Objekt eine (bis auf eine Messtoleranz) tangentiale Hyperebene mit dem Rotationsellipsoiden Ea des Ultraschallechos gemeinsam hat.
  • Die Projektionen der Rotationsellipsoiden sind im kartesischen Raum im zweidimensionalen Fall Kreise für Direktechos und Ellipsen für Kreuzechos. Bei dreidimensionaler Betrachtung sind die Rotationsellipsoiden Kugeln für Direktechos und Ellipsoiden mit mindestens zwei gleichen Achsenlängen für Kreuzechos. Die Raumdimensionen der Gitterkarten können jedoch je nach Objekttyp abweichend von kartesischen Raumkoordinaten definiert sein, wie beispielsweise im Fall einer senkrechten Wand als Abstand zu einem Ursprung und einem Winkel des Normalenvektors zur X-Achse in der X-Y Ebene. In solchen Fällen kann eine Transformation erfolgen, um Schnittpunkte bzw. gemeinsame Hyperebenen zu bestimmen.
  • Eine solche Transformation kann in Analogie zu einer Hough-Transformation erfolgen. Die Hough-Transformation ist dem Fachmann insbesondere aus dem Bereich der Erkennung von komplexen parametrisierbaren geometrischen Figuren in Bildern bekannt. Beispielsweise erfolgt eine Transformation einer Darstellung des Rotationsellipsoiden in den entsprechenden Parameterraum der jeweiligen Gitterkarte. Anschließend werden die Zähler derjenigen Zellen der Gitterkarte erhöht, welche den transformierten Rotationsellipsoiden schneiden. Bei Betrachtung im kartesischen Raum entspricht dieses Vorgehen dem Erhöhen der Zähler derjenigen Zellen, die ein Objekt repräsentieren, dessen Oberfläche den Rotationsellipsoiden im Rahmen der vorgegebenen Toleranz berührt.
  • Bevorzugt wird vor einer Erhöhung des Zählers einer Zelle geprüft, ob das Parameterobjekt, welches durch die Zelle repräsentiert wird, in einem durch einen Sichtbereich des Ultraschallsensors, der das Ultraschallecho empfangen hat, definierten Bereich liegt. Der Sichtbereich kann dabei beispielsweise über einen Kegel definiert werden, wobei dann beispielsweise geprüft werden kann, ob das durch die jeweilige Zelle repräsentierte Objekt das Volumen des Kegels schneidet.
  • Wird der Zähler einer Zelle jeweils um den Wert 1 erhöht, so wird der vorgegebene Grenzwert im Fall einer zweidimensionalen Gitterkarte (n=2) bevorzugt ≥ 1 gewählt und im Fall einer dreidimensionalen Gitterkarte (n=3) bevorzugt ≥ 2 gewählt. Bei noch höheren Dimensionen wird der Grenzwert bevorzugt entsprechend der Dimensionsanzahl erhöht. Je höher der Grenzwert gewählt wird, desto geringer ist der Wahrscheinlichkeit dafür, ein Objekt zu erkennen, obwohl in an dieser Stelle kein reales Objekt vorhanden ist. Umgekehrt sinkt die Sensitivität bei Erhöhung des Grenzwerts, so dass die Wahrscheinlichkeit steigt, ein reales Objekt nicht als solches zu erkennen.
  • Der Grenzwert kann fest vorgegeben sein oder dynamisch angepasst werden. Beispielsweise in dem Fall, dass in einem Messzyklus besonders viele Echos gemessen wurden, dann kann der Grenzwert für diesen Messzyklus z.B. um 1 inkrementiert werden.
  • Bevorzugt wird einer Zelle bei Erhöhen des Zählers das jeweilige empfangene Ultraschallecho zugeordnet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Referenz auf einen das empfangene Ultraschallecho repräsentierenden Datensatz in Zuordnung zu der jeweiligen Zelle gespeichert wird. Bevorzugt wird jeweils gespeichert, durch welchen der Ultraschallsensoren, das jeweilige Ultraschallecho empfangen wurde und es werden bevorzugt weitere Attribute wie beispielsweise der aus der Laufzeit des Ultraschallechos bestimmte Abstand und/oder die Amplitude des Ultraschallechos gespeichert.
  • Bevorzugt wird eine Rangfolge der Kandidatenobjekte abhängig von Sortierparametern bestimmt, wobei die Sortierparameter ausgewählt sind aus dem Objekttyp, dem Abstand des Kandidatenobjekts zu den Ultraschallsensoren, der Anzahl der dem Kandidatenobjekt zugeordneten Ultraschallechos, einer Qualität der zugeordneten Ultraschallechos und Kombinationen mindestens zweier dieser Sortierparameter. Als Indikator für die Qualität eines Ultraschallechos kann beispielsweise die Amplitude und/oder ein Signal-zu-Rauschen Verhältnis verwendet werden. Bevorzugt wird die Anzahl der dem Kandidatenobjekte zugeordneten Echos als wichtigster Parameter klassifiziert und entsprechend gewichtet.
  • Bevorzugt werden die Kandidatenobjekte gemäß der bestimmten Rangfolge darauf überprüft, ob die dem Kandidatenobjekt zugeordnete Menge an Ultraschallechos signifikant ist. Kandidatenobjekte mit einem Signifikanzwert oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts werden dabei als Zielobjekte bestimmt, wobei als ein Parameter für das Bestimmen der Signifikanz für die dem Kandidatenobjekt zugeordneten Ultraschallechos geprüft wird, wie vielen Zielobjekten ein jeweiliges Ultraschallecho bereits zugeordnet wurde.
  • Beispielsweise wird für jedes einem Kandidatenobjekt zugeordnete Ultraschallecho eine Bewertung ermittelt, wobei ein Ultraschallecho umso niedriger bewertet wird, je mehr Zielobjekten es bereits zugeordnet wurde. In den Signifikanzwert des Kandidatenobjekts geht dann insbesondere eine Summe der Bewertungen der einzelnen zugeordneten Ultraschallechos ein. Insbesondere kann in dem Fall, dass bereits durch die Ultraschallsensoren selbst eine Wahrscheinlichkeit für die Existenz eines realen Objekts für ein Echo erstellt wird, diese Existenzwahrscheinlichkeit bevorzugt berücksichtigt, beispielsweise als ein Gewichtungsfaktor.
  • Für die Überprüfung der Signifikanz können bei der Bestimmung des Signifikanzwerts weitere Kriterien berücksichtigt werden, welche insbesondere aus dem Objekttyp und der Anzahl der dem Kandidatenobjekt zugeordneten Ultraschallechos ausgewählt sind.
  • Nach einem Identifizieren eines Zielobjekts ist dieses durch die der jeweiligen Zelle zugeordneten Parameter eindeutig charakterisiert. Des Weiteren ist das Zielobjekt durch die Zuordnung zu einer objekttypspezifischen Gitterkarte auch bereits als ein diesem Typ entsprechendes Objekt klassifiziert.
  • Die Zielobjekte werden bevorzugt zusammen mit deren bestimmten Parametern und der erfolgten Klassifizierung für das Bereitstellen von Fahrerassistenzfunktionen verwendet. Hierzu können die Zielobjekte in eine für alle Objekttypen einheitliche Umfeldkarte eingetragen werden.
  • Bevorzugt werden die identifizierten Zielobjekte nachfolgend genauer untersucht, wodurch deren Parameter genauer bestimmt werden können. Dazu ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Schrittweite der jeweiligen Gitterkarte im Bereich des Zielobjekts reduziert wird, um die Genauigkeit der Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Zielobjekts zu verbessern.
  • Alternativ oder zusätzlich werden für eine genauere Untersuchung eines Zielobjekts die aus den Parametern der entsprechenden Zelle abgeleiteten Angaben über die Position des Zielobjekts als Vorauswahl für eine anschließende Bestimmung der Position des Zielobjekts unter Verwendung eines Laterationsverfahrens verwendet. Sofern einer solchen Zelle empfangene Ultraschallechos zugeordnet wurden, können insbesondere diese Ultraschallechos bzw. die diesen Ultraschallechos zugeordneten Abstände für das Durchführen der Lateration ausgewählt werden. Die über eine solche Lateration erzielte Genauigkeit der Positionsbestimmung kann dabei besser sein als die Rastergröße der Gitterkarte.
  • Bevorzugt wird ein Ultraschallecho nach einer vorgegebenen Mindestzeit (beispielsweise 0,5 s) und/oder einer gefahrenen Mindestdistanz (beispielsweise 0,1 m) aus den Gitterkarten entfernt, wobei die Zähler der entsprechenden Zellen verringert werden. Dazu wird bevorzugt bei einer Erhöhung des Zählers einer Zelle dieser Zelle ein Verweis auf das entsprechende Ultraschallecho zugeordnet.
  • Alternativ dazu ist es möglich, die Zähler aller Zellen aller Gitterkarten nach durchlaufen eines Messzyklus oder einer vorgegebenen Anzahl von Messzyklen zurückzusetzen, wobei dabei insbesondere alle Zähler der Zellen auf den neutralen Wert „0“ gesetzt werden.
  • Ein Messzyklus gilt dabei bevorzugt als abgeschlossen, nachdem ein Ultraschallsensor einen Ultraschallpuls ausgesendet hat und die zugehörigen Ultraschallechos von den Ultraschallsensoren empfangen wurden bzw. die maximale vorgegebene Wartezeit für das Empfangen eines Ultraschallechos überschritten wurde. Beispielsweise kann in einem Messzyklus ein Ultraschallsensor senden und beispielsweise bis zu 12 Ultraschallsensoren können das Signal empfangen. Dadurch, dass jeder Ultraschallsensor mehrere Ultraschallechos empfangen kann, beispielsweise bis zu 20 Ultraschallechos, könnten so in einem einzigen Messzyklus beispielsweise bis zu 240 Echos empfangen werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren wird bevorzugt fortlaufend wiederholt, so dass die Objektpositionen ebenfalls fortlaufend ermittelt bzw. aktualisiert werden. Die ermittelten Zielobjekte und deren bestimmten Positionen werden bevorzugt zur Bereitstellung von Fahrerassistenzfunktionen verwendet oder einem anderen Fahrerassistenzsystem für das Bereitstellen von Fahrerassistenzfunktionen zur Verfügung gestellt. Bei den Fahrerassistenzfunktionen kann es sich beispielsweise um einen Parkassistenten handeln, mit dem ein Fahrzeug automatisch zu einem Parkplatz geführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung eines Fahrassistenzsystems oder eines Subsystems hiervon in einem Fahrzeug handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-ROM, DVD, Blu-Ray Disc oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem ein Fahrerassistenzsystem zur Bestimmung der Position von Objekten in der Umgebung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Fahrerassistenzsystem eine Vielzahl von Ultraschallsensoren umfasst. Das Fahrerassistenzsystem ist dabei dazu eingerichtet, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung ermöglicht insbesondere bei Verwendung von einer Vielzahl von Ultraschallsensoren, welche Echos von Objekten empfangen, eine effiziente Möglichkeit, Objekte zu erkennen und deren geometrischen Eigenschaften zu bestimmen. Durch das Verwenden einer Gitterkarte für jeden zu erkennenden Objekttyp erfolgt zum einen eine direkte Klassifizierung der Objekte. Zum anderen steigt durch die Verwendung der Gitterkarten bei zunehmender Zahl der Sensoren und/oder Objekten in der Umgebung der erforderliche Rechenaufwand für die Bestimmung der Eigenschaften der Objekte nur gering an, so dass das Verfahren ressourcenschonend umgesetzt werden kann. Dies ermöglicht insbesondere die Implementierung des Verfahrens in üblichen Steuergeräten, welche zum Betrieb von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise können die bestimmten Eigenschaften der Objekte nicht nur deren Position, sondern beispielsweise auch deren Abmessungen umfassen. Somit ermöglicht es das Verfahren nicht nur Objekte zu erkennen, sondern gleichzeitig auch zu klassifizieren und zu vermessen.
  • Anders als bisherige auf Ultraschallsensoren basierende Lokalisierungsverfahren kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur das jeweils nächste Objekt lokalisiert werden, sondern eine Vielzahl von Objekten in der Umgebung lokalisiert werden. Das Verfahren ermöglicht es, die Ultraschallechos eines Messzyklus in mehr Gruppen als nur die zum nächsten Objekt passenden Ultraschallechos zu gruppieren und somit eine Lokalisierung durchzuführen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 Eine schematische Darstellung des Aussendens und Empfangens von Ultraschall zur Erkennung eines Objekts in der Umgebung eines Fahrzeugs,
    • 2 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels einer Gitterkarte der Umgebung des Fahrzeugs,
    • 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels einer Gitterkarte eines zweidimensionalen Parameterraums für senkrechte Ebenen bis zu 3 m vor dem Fahrzeug und
    • 4 eine schematische Darstellung der Sichtbereiche von Ultraschallsensoren des Fahrzeugs.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine Front eines Fahrzeugs 1 mit einem Fahrerassistenzsystem 300 zur Erkennung und zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten 2 in der Umgebung des Fahrzeugs 1.
  • Das Fahrerassistenzsystem 300 umfasst in der in 1 dargestellten Ausführungsform vier Ultraschallsensoren 11, 12, 13, 14, welche alle an der Front des Fahrzeugs 1 angeordnet sind. Die Ultraschallsensoren 11, 12, 13 und 14 können beispielsweise in eine Stoßstange des Fahrzeugs 1 eingearbeitet sein. Das Fahrerassistenzsystem 300 umfasst darüber hinaus ein Steuergerät 100, welches mit den Ultraschallsensoren 11, 12, 13, 14 verbunden ist. Das Steuergerät 100 ist dazu eingerichtet, die verbundenen Ultraschallsensoren 11, 12, 13, 14 für das Aussenden von Ultraschallpulsen 20 anzusteuern und empfangene Ultraschallechos 31, 43 zu verarbeiten.
  • In der In 1 dargestellten Situation befindet sich ein Objekt 2 vor dem Fahrzeug 1. Selbstverständlich kann sich auch mehr als ein Objekt 2 in der Umgebung befinden, jedoch wird für eine bessere Übersicht der Ablauf des Verfahrens an einem einzigen Objekt 2 beschrieben. Des Weiteren wird für die folgende beispielhafte Beschreibung des Verfahrens der Ablauf für das Erkennen und Bestimmen der Eigenschaften eines dünnen vertikalen Zylinders als Objekt 2 erklärt. Das Objekt 2 ist beispielsweise ein vertikaler zylindrischer Pfosten.
  • Um Objekte 2 in der Umgebung zu erkennen und deren Position zu ermitteln, senden die Ultraschallsensoren 11, 12, 13, 14 Ultraschallpulse 20 aus und empfangen von Objekten 2 reflektierte Ultraschallechos 31, 43. Zur besseren Übersicht ist in der 1 nur das Aussenden eines Ultraschallpulses 20 durch einen ersten Ultraschallsensor 11 dargestellt. Selbstverständlich können aber auch die weiteren Ultraschallsensoren 12, 13, 14 ebenfalls Ultraschallpulse 20 aussenden.
  • Der Ultraschallpuls 20 wird von dem Objekt 2 reflektiert. Dabei wird ein vom ersten Ultraschallsensor 11 empfangenes Ultraschallecho als Direktecho 31 bezeichnet, da der ursprüngliche Ultraschallpuls 20 durch den ersten Ultraschallsensor 11 ausgesendet wurde. Von anderen der Ultraschallsensoren 12, 13, 14 empfangene Ultraschallechos werden als Kreuzechos 43 bezeichnet, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der 1 nur der Empfang des Kreuzechos 43 durch einen dritten Ultraschallsensor 13 eingezeichnet ist.
  • Anhand der Laufzeit, welche vom Aussenden des Ultraschallpulses 20 bis zum Empfang des Direktechos 31 vergeht, sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann der Abstand des Objekts 2 zum ersten Ultraschallsensor 11 bestimmt werden. Auch dem Kreuzecho 43 kann über die Laufzeit ein Abstand zugeordnet werden.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist vorgesehen, für jeden zu erkennenden Objekttyp eine Gitterkarte 200 zu erstellen, vergleiche 2 und 3. Im Fall eines dünnen vertikalen Zylinders als zu erkennenden Objekttyp reichen zwei Parameter aus, um das Objekt 2 eindeutig zu beschreiben, nämlich die X- und die Y-Koordinate des Objekts 2. Entsprechend wird eine Gitterkarte 200 erstellt, welche zweidimensional ist und als erste Dimension die X-Koordinate und als zweite Dimension die Y-Koordinate aufweist.
  • Bei dem Direktecho 31 bestimmt der anhand der Laufzeit ermittelte Abstand den Radius eines Kreisbogens 51, der mögliche X/Y - Werte für die Koordinaten des Objekts 2 beschreibt. Dabei befindet sich der erste Ultraschallsensor 11 im Zentrum des Kreisbogens 51. In der Gitterkarte 200 werden entsprechend für die Zellen 210 die zugeordneten Zähler um eins erhöht, welche einen vertikalen Zylinder an einer Position beschreiben, die vom Kreisbogen 51 geschnitten wird.
  • Bei dem Kreuzecho 43 werden die möglichen X/Y- Werte für die Koordinaten des Objekts 2 durch einen Ellipsenbogen 63 beschrieben, wobei sich der sendende erste Ultraschallsensor 11 in einem Brennpunkt und der empfangende dritte Ultraschallsensor 13 im anderen Brennpunkt befindet. Der Ellipsenbogen 63 kann beispielsweise in Analogie zur Gärtnermethode konstruiert werden, wobei die Summe der Abstände der Punkte des Ellipsenbogens 63 über die aus der Signallaufzeit des Kreuzechos 43 bestimmte Distanz gegeben ist.
  • 2 zeigt für die in 1 dargestellte Situation eine Gitterkarte 200 für dünne vertikale Zylinder als Objekttyp. Die Gitterkarte 200 ist in dem dargestellten Beispiel eine zweidimensionale Gitterkarte mit 10 x 10 Elementen bzw. Zellen 210, welche einen Parameterraum von X- und Y-Werten für die Koordinaten eines dünnen vertikalen Zylinders repräsentieren.
  • Zur Bestimmung eines Kandidatenobjekts, welches das Objekt 2 in der Umgebung für die in der in 1 dargestellte Situation repräsentiert, ist jeder der Zellen 210 ein Zähler zugeordnet. Dieser Zähler wird um den Wert 1 erhöht, wenn diese Zelle 210 mit einem dem Ultraschallecho 31, 43 zugeordneten Rotationsellipsoiden eine gemeinsame Hyperebene hat. In anderen Worten, es wird in dem Beispiel der 2 der Zähler einer Zelle 210 erhöht, wenn der dem Direktecho 31 zugeordnete Kreisbogen 51 die entsprechende Zelle 210 schneidet. In der Darstellung der 2 wurden diese ersten Zellen 211 mit einer ersten Schraffur markiert. Ebenso wird der Zähler für diejenigen Zellen 210 um den Wert 1 erhöht, welche von dem dem Kreuzecho 43, vergleiche 1, zugeordneten Ellipsenbogen 63 geschnitten werden. In der Darstellung der 2 wurden diese zweiten Zellen 213 mit einer zweiten Schraffur markiert.
  • In dem in 2 dargestellten Beispiel existieren zwei überlappende Zellen 215, welche sowohl mit der ersten Schraffur als auch mit der zweiten Schraffur markiert sind. Der Zähler dieser überlappenden Zellen 215 wurde zweimal erhöht und hat somit den Wert zwei. Wird ein Grenzwert von 1 vorgegeben, so überschreiten nur die Zähler dieser überlappenden Zellen 215 diesen Grenzwert und die von diesen Zellen 210 repräsentierten Parameterobjekte kommen als Kandidatenobjekte in Frage.
  • 3 zeigt eine Gitterkarte 200 für eine vertikale Wand als Objekttyp. Im Gegensatz zu dem Pfosten als Objekt 2 befindet sich gemäß dem Beispiel der 3 somit vor dem Fahrzeug 1, vergleiche 1, eine senkrechte Wand mit einem Winkel von α=0° zur X-Achse in einer Entfernung von 1,6 m. Die Gitterkarte 200 weist als erste Dimension den Winkel α und als zweite Dimension die Distanz D auf. Die Zellen 210 der Gitterkarte 200 weisen eine Seitenlänge von 4 cm in der Dimension Distanz und eine Seitenlänge von 2° in der Dimension Winkel auf.
  • In die Gitterkarte 200 wurden drei Messungen eingetragen. Ungefähr im Zentrum der Darstellung der 3 befinden sich drei überlappende Zellen 215, deren Zähler dreimal erhöht wurde. Diese überlappenden Zellen 215 repräsentieren Kandidatenobjekte.
  • 4 zeigt schematisch für das Fahrzeug 1 mit dem Fahrerassistenzsystem 300 Sichtbereiche 81, 83 des ersten Ultraschallsensors 11 und des dritten Ultraschallsensors 13. Selbstverständlich weisen auch ein zweiter Ultraschallsensor 12 und ein vierter Ultraschallsensor 14 entsprechende Sichtbereiche auf, welche in der Darstellung der 4 zur besseren Übersicht nicht dargestellt sind. Die Sichtbereiche 81, 83 stellen diejenigen Bereiche der Umgebung des Fahrzeugs 1 dar, in denen die jeweiligen Ultraschallsensoren 11, 12, 13, 14 Objekte 2 durch das Empfangen von Ultraschallechos 31, 43 detektieren können. Dies kann beispielsweise dazu ausgenutzt werden, um beim Erstellen der Gitterkarte 200, vergleiche 2 und 3, nur die Zähler für diejenigen Zellen 210 zu erhöhen, welche innerhalb des Sichtbereichs 81, 83 des Ultraschallsensors 11, 12, 13, 14 liegen, der das entsprechende Ultraschallecho 31, 43 empfangen hat.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • 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 102013223803 A1 [0005]
    • EP 3552908 A2 [0006]
    • DE 102015122825 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erkennung und Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Objekten (2) unter Verwendung von Ultraschall, wobei Ultraschallpulse (20) ausgesendet werden und an Objekten (2) reflektierte Ultraschallechos (31, 43) von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14) wieder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass Objekttypen mit jeweils einem definierten Satz geometrischer Parameter definiert werden, wobei die geometrischen Parameter eine Position des Objekts (2) umfassen, für jeden Objekttyp eine n-dimensionale Gitterkarte (200) erstellt wird, wobei n die Anzahl der dem Objekttyp zugeordneten Parameter ist, wobei jede der Zellen (210) ein Parameterobjekt mit den der jeweiligen Zelle (210) zugeordneten geometrischen Parametern repräsentiert und jede Zelle (210) der Gitterkarte (200) einen Zähler aufweist, im Fall eines empfangenen Direktechos (31) in jeder Gitterkarte (200) die Zähler für diejenigen Zellen (210) erhöht werden, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Kreisbogen (51) oder eine Kugeloberfläche berührt, welche durch eine dem Direktecho (31) zugeordnete Entfernung definiert ist, und im Fall eines empfangenen Kreuzechos (43) die Zähler für diejenigen Zellen (210) erhöht werden, welche ein Parameterobjekt repräsentieren, dessen Oberfläche einen Ellipsenbogen (63) oder eine Ellipsoidoberfläche berührt, welche durch eine dem Kreuzecho (43) zugeordnete Entfernung und der relativen Lage der beteiligten Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14) definiert ist, und für jeden Objekttyp Kandidatenobjekte bestimmt werden, für die eine Zelle (210) der entsprechenden Gitterkarte (200) einen Zähler oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts aufweist, wobei bei der Bestimmung, ob eine Berührung vorliegt, Toleranzen für Messfehler, Streuung und/oder der Zelle zugeordnete Parameterintervalle berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zelle (210) bei Erhöhen des Zählers das jeweilige empfangene Ultraschallecho (31, 43) zugeordnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dass eine Rangfolge der Kandidatenobjekte abhängig von Sortierparametern bestimmt wird, wobei die Sortierparameter ausgewählt sind aus dem Objekttyp, dem Abstand des Kandidatenobjekts zu den Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14), der Anzahl der dem Kandidatenobjekt zugeordneten Ultraschallechos (31, 43), einer Qualität der zugeordneten Ultraschallechos (31, 43) und Kombinationen mindestens zweier dieser Sortierparameter.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kandidatenobjekte gemäß der bestimmten Rangfolge darauf überprüft werden, ob die dem Kandidatenobjekt zugeordnete Menge an Ultraschallechos (31, 43) signifikant ist, wobei Kandidatenobjekte mit einem Signifikanzwert oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts als Zielobjekte bestimmt werden und wobei als ein Parameter für das Bestimmen der Signifikanz geprüft wird, wie vielen Zielobjekten ein Ultraschallecho (31, 43) bereits zugeordnet wurde.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schrittweite einer Gitterkarte (200) im Bereich eines Zielobjekts reduziert wird, um die Genauigkeit der Bestimmung der geometrischen Eigenschaften des Zielobjekts zu verbessern.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Objekttypen ausgewählt sind aus Ebenen, Zylindern, Kugeln und Linien.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, ein Ultraschallecho nach einer vorgegebenen Mindestzeit und/oder einer gefahrenen Mindestdistanz aus den Gitterkarten (200) entfernt wird, wobei die Zähler der entsprechenden Zellen (210) verringert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Erhöhung des Zählers einer Zelle (210) geprüft wird, ob das Objekt (2), welches durch die Zelle (210) repräsentiert wird, in einem durch einen Sichtbereich (81, 83) des Ultraschallsensors (11, 12, 13, 14), der das Ultraschallecho (31, 43) empfangen hat, definierten Bereich liegt.
  9. Computerprogramm, das das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Computer abläuft.
  10. Fahrerassistenzsystem (300) zur Erkennung und Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Objekten (2) in der Umgebung eines Fahrzeugs (1), wobei das Fahrzeug (1) eine Vielzahl von Ultraschallsensoren (11, 12, 13, 14) umfasst, dazu gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem (300) dazu eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
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