DE102021121155A1

DE102021121155A1 - Trilaterationsbasierendes Ultraschallsensorsystem mit Kalman-Filterung und Lösungsclusterung

Info

Publication number: DE102021121155A1
Application number: DE102021121155.7A
Authority: DE
Inventors: Hannes Klus; Rainer Kralj
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2022-07-07
Also published as: DE102021121156A1; DE102021121157A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsensorsystem USSS, bei dem das Ultraschallsensorsystem USSS Abstandswerte auf Basis Ultraschallechos, die mindestens vier Ultraschallsensoren erfassen, ermittelt und Ultraschallsensorsystem USSS Lösungen mittels eines Trilaterationsverfahrens aus diesen Abstandswerten ermittelt und mittels eines jeweiligen Kalman-Filter-Verfahrens jede dieser Lösungen zu gefilterten Lösungen filtert und mittels eines Clustering-Verfahrens die gefilterten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte nicht akzeptierte gefilterte Lösungen verwirft.

Description

Feld der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf ein Ultraschallsensorsystem für die Verwendung in autonomen Fahrzeugen.
Einführung
Die Bedeutung der Sensorik im Bereich der Mobilität hat in den letzten Jahren zugenommen. Neben Ultraschallsensorsystem innerhalb eines Fahrzeugs, wie der Gestensteuerung, entwickelt sich die Komplexität der Sensorik außerhalb des Fahrzeugs stetig weiter. Diese Ultraschallsensoren liefern Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs. Fahrzeughersteller setzen diese Informationen in verschiedenen Anwendungen in den Fahrzeugen ein. Die derzeit schwierigste Stufe der Anwendung im Fahrzeug ist das autonome Fahren. Viele Forscher und Entwickler beschäftigen sich mit dieser Aufgabenstellung /1/, /2/. Um Verfahren für ein autonomes Fahrzeug zu implementieren, benötigen die Auswertesysteme solcher Fahrzeuge stark verarbeitete Ultraschallsensordaten. Neben den technischen Herausforderungen des autonomen Fahrens gibt es auch ethische Aspekte. Die Tatsache, dass intelligente Systeme in jeder Verkehrssituation entscheiden, wird in der Öffentlichkeit oft kritisch diskutiert /3/. Der Einsatz autonomer Fahrzeuge beschränkt sich zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift noch auf spezielle Aufgaben. Im Falle der Automobilität ist das autonome maschinelle Einparken eines Fahrzeugs in eine Parklücke ein Beispiel für eine autonome Aufgabe, die bereits den Eingang in die Serienfertigung gefunden hat. Daneben ist der Einsatz von unterlagerten Systemen weit verbreitet. Ein Beispiel dafür sind Spurhaltewarnsysteme. Sie ermöglichen ein teilautomatisiertes Fahren mit dem betreffenden Fahrzeug, das ein solches Spurhaltewarnsystem aufweist. Die am weitesten verbreiteten Low-Level-Systeme sind zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift die besagten Einparkassistenten für das autonome maschinelle Einparken eines Fahrzeugs in eine Parklücke. Sie bieten Unterstützung, indem sie Umgebungsdaten an den Fahrer übermitteln. Die meisten Einparkassistenten basieren auf Ultraschall-Parksensoren als Ultraschalsensoren, die im Stoßfänger eines Autos angebracht sind. Die einfachste Art der Datenkommunikation ist ein salopp so genannter „Piepser“. Der sogenannte Piepser erzeugt bei Detektion eines Objekts im Umfeld des Fahrzeugs und im Detektionsbereich des Ultraschallsensorsystems einen typischerweise mit einer Pulsfrequenz gepulst modulierten Piepton mit einer entfernungsabhängigen Pulsfrequenz. Fortschrittlichere Systeme verwenden Kameras zur Visualisierung der Umgebung. Diese Systeme kombinieren bevorzugt die Bilddaten der Kamera mit den Sensordaten der Ultraschallsensoren, da die Sicht der Kamera nicht den gesamten Bereich erfasst /2/.
Anwendungen im Markt setzen ultraschallbasierte Hinderniserkennungssysteme aber nicht nur in Parkanwendungen, sondern auch in anderen Bereichen ein. Heutzutage sind Anwendungen mit Drohnen und Robotern sehr verbreitet /4//5/. Diese Anwendungen nutzen oft die Ultraschallechos von Ultraschallsensorsystemen zur Orientierung in ihrem Umfeld. Die relevanten Ultraschallsensorsysteme umfassen typischerweise mehrere Ultraschallsensoren, die Ultraschallsignale in Form von Ultraschallbursts aussenden und die reflektierten Ultraschallechos von Objekten im Umfeld des Ultraschallsensorsystems empfangen. Basierend auf den durch den aus den empfangenen reflektierten Ultraschallechos der Ultraschallsignale der Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems extrahierten Ultraschalldaten, erzeugen diese Ultraschallsensorsysteme beispielsweise eine Umfeldkarte in Form einer Punktwolke, die den Anwendungsgeräten, also den Robotern und/oder Fahrzeugen zur Orientierung dient. Basierend auf dem konkreten Arbeitsauftrag ermitteln die Steuerrechner dieser Anwendungsgeräte dann auf Basis der Umfeldkarte des Ultraschallsensorsystems beispielsweise einen Zielweg durch das Gelände, das die Umfeldkarte symbolisiert. Hierdurch sind die Steuerrechner der Anwendungsgeräte in der Lage, in geeigneter Weise in Reaktion auf Änderungen in ihrem Umfeld ihren aktuellen Weg zu ändern und auf Hindernisse in ihrer Umgebung zu reagieren und so solche Änderungen zu kompensieren oder sicherheitsrelevante Ereignisse zu verhindern. Dazu sendet ihr Ultraschallsensorsystem ein Ultraschallsignal mit vorzugsweise mehreren Ultraschallpulsen aus und berechnet anhand des ersten empfangenen Echos die Entfernung zu einem Hindernis. Ultraschallsensorsysteme aus dem Stand der Technik für die Parksensorik wenden das gleiche Prinzip an. Ein Einparksystem mit einem Ultraschallsensorsystem entsprechend dem zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift typischen Marktzustand verwendet beispielsweise vier Ultraschallsensoren, um Hindernisse in einem großen Bereich um das Anwendungsgerät zu erkennen. Ein Ultraschallsensor des Ultraschallsensorsystems sendet innerhalb eine Messzyklus einen Ultraschallburst mit mehreren Ultraschallpulsen aus. Mehrere Ultraschallsensorendes Ultraschallsensorsystems empfangen Reflektionen dieses Ultraschallbursts, die Hindernisse als Objekte im Umfeld des Fahrzeugs in Richtung auf diese Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems zurückwerfen. Diese Reflektionen stellen also Ultraschallechos des Ultraschallbursts dar. Die empfangenen Ultraschallechos ermöglichen aufgrund ihrer Ultraschallburstlaufzeit zwischen Aussendung des Ultraschallbursts und Empfang des Ultraschallechos eine Berechnung der Position des Hindernisses, das das Ultraschallecho erzeugt hat /6/. Die ultraschallechobasierte Positionsberechnung wird als Trilateration bezeichnet /7/. Die hier vorgelegte Schrift beschäftigt sich mit verschiedenen Trilaterationen zwischen beispielhaft vier Ultraschallsensoren des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems. Das vorschlagsgemäße Ultraschallsensorsystem veranlasst einen Ultraschallsensor seiner Ultraschallsensoren dazu, einen Ultraschallburst auszusenden. Die Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems empfangen die Reflexionen des Ultraschallbursts und wandeln die empfangenen Reflexionen des Ultraschallbursts in ein jeweiliges Ultraschallempfangssignal des jeweiligen Ultraschallsensors. Da das Ultraschalsensorsystem mehrere Ultraschallsensoren umfasst, sind mehrere Szenarien denkbar, bei denen genau einer der Ultraschallsensoren sendet und die anderen Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems empfangen. Bei vier Ultraschallsensoren eines Ultraschallsensorsystems ergeben sich somit vier Szenarien, die im Folgenden als Kanäle bezeichnet werden. Eine zentrale Steuereinheit des Ultraschallsensorsystems führt auf der Basis der Ultraschallempfangssignale ein Trilaterationsverfahren in einer ganz spezifischen Weise ggf. unter Berücksichtigung der Mehrfachechos durch. Ein nachfolgender Kalman-Filter des Ultraschallsensorsystems oder ein anderes geeignetes Schätzfilter des Ultraschallsensorsystems filtert mittels eines Kalman-Filterverfahrens bzw. eines Schätzfilterverfahrens das Ergebnis der Trilateration. Ein dem Kalman-Filter bzw. dem Schätzfilter im Signalpfad ein nachfolgender Klassifikator verbessert mittels eines Klassifikationsverfahrens das Erkennungsergebnis weiter. Dieses Grundprinzip führt der folgende Text weiter und genauer aus.
Ein Einparksystem zum autonomen Einparken eines Fahrzeugs in eine Parklücke auf Basis eines solchen Ultraschallsensorsystems unterscheidet sich von anderen Einparksystemen aus dem Stand der Technik dadurch, dass ein vorschlagsgemäßes Ultraschallsensorsystem einen Steuerrechner umfasst, der Trilaterationen auf Basis mehrerer empfangener Ultraschalechos mehrerer Ultraschallsensoren bei der Messung über mehrere Kanäle berechnet. Ein zweites und ein drittes Ultraschallecho tragen mehr Informationen über die Umgebung bei und führen daher zu einer höheren Auflösung und besseren Erkennung und Klassifizierung von Hindernissen und Objekten im Umfeld des Fahrzeugs. Das hier vorgestellte Verfahren, dass der Steuerrechner des Ultraschallsensorsystems bevorzugt ausführt, vergleicht typischerweise Trilaterationslösungen verschiedener Perspektiven. Dies ermöglicht es dem Steuerrechner Fehlinterpretationen von Ultraschallechos zu vermeiden. Diese Schrift stellt ein Verfahren zur Verfügung, das es dem Steuerrechner des vorschlagsgemäßen Ultraschallsensorsystems ermöglicht, diese mehrfachen Trilaterationen basierend auf den zeitlich ersten drei einkommenden Ultraschallechos jedes Ultraschallsensors bei der Vermessung über die verschiedenen Kanäle zu berechnen und zu vergleichen. Die Herausforderung des vom Steuerrechner ausgeführten Verfahrens besteht darin, die durch die Ultraschallsensoren erfassten Ultraschallechos in den Ultraschallsensorsignalen den richtigen Hindernissen und Objekten im Umfeld des Fahrzeugs zuzuordnen. Die zeitlich zuerst eintreffenden Ultraschallechos der Ultraschallsensoren sind am wichtigsten, da sie in Parksituationen typischerweise die den Ultraschallsensoren und damit dem Ultraschallsensorsystem und damit dem Fahrzeug nächstgelegenen Objekte darstellen. Außerdem verwendet der Steuerrechner bevorzugt die zeitlich als zweites und drittes eintreffenden Ultraschallechos der Ultraschallsensoren, um einen Überblick über eine Parkszene zu ermitteln. Manchmal entstehen die zeitlich ersten Ultraschallechos durch Bodenreflexionen oder andere Effekte im Umfeld des Fahrzeugs. In diesem Fall sind die zeitlich als zweites eintreffenden Ultraschallechos wichtig, um trotzdem die Hindernisse und Objekte im Umfeld des Fahrzeugs zu erkennen.
Das Ziel des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung ist es, dem Fahrer des Fahrzeugs bzw. der Steuervorrichtung für das autonome maschinelle Fahren ein sicheres und robustes Hinderniserkennungssystem auf Basis eines Ultraschallsensorsystems zur Verfügung zu stellen. Die Weiterverarbeitung der Daten ist notwendig, um eine hohe Zuverlässigkeit dieses Ultraschallsensorsystems zu gewährleisten. Eine gewünschte Eigenschaft des Hinderniserkennungssystems basierend auf dem hier vorgestellten Ultraschallsensorsystem ist die Stabilität des Erkennungsergebnisses trotz der möglichen Vielzahl anderer Ultraschallsignale im Umfeld des Fahrzeugs. Dies ist notwendig, da die Fahrzeuge eingehende Ultraschallechoimpulse nicht ohne weiteres nach ihrem Ursprung unterscheiden können. Dieses Problem ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Ultraschallsensorsysteme zweier Fahrzeuge Ultraschallbursts mit der gleichen Ultraschallpulsfrequenz aussenden. In einer solchen Situation kann beispielsweise darüber hinaus ein geschlossenes Gebäude wie beispielsweise ein Parkhaus die Schwierigkeit der Erkennungssituation durch zusätzlich auftretende Störsignale noch weiter verschlechtern. Daher liegt der zweite Schwerpunkt dieser Schrift auf dem Rauschverhalten der Ultraschallsensorsysteme. Im Rahmen der Ausarbeitung dieser Schrift haben die Vorschlagenden verschiedene Filtertypen getestet, um den Einfluss anderer parkender Fahrzeuge zu reduzieren. Für die Kundenschnittstelle haben die Vorschlagenden im Zuge der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags einen Kalman-Filterverfahren und einen Clustering-Verfahren ausgewählt und implementiert und für die Filterung der Ultraschallechosignale und die Filterung der resultierenden 2D-Punkte nach den Trilaterationen getestet. Die größte Herausforderung bei der Filterung der Ultraschallsensorsignale ist, dass der verwendete Filter schnell sein muss, um eine kurze Zeit zwischen dem Eintreffen des Ultraschallechos und der Bereitstellung der relevanten Information für die Steuerung des Fahrzeugs sicherzustellen. Diese Totzeit muss minimiert sein, um die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls zu minimieren. Besonders in dynamischen Szenarien ist die Filterverzögerung somit eine besonders wichtige Eigenschaft. Das Ziel des Projekts zur Ausarbeitung des Vorschlags war, dass der Filterausgang des Ultraschallsensorsystems die Position eines Hindernisses mit einer maximalen Verzögerung von 500ms liefert, nachdem das Hindernis im Bereich der Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems auftaucht. Eine weitere Anforderung ist, dass das Erkennungssystem des Ultraschallsensorsystems im Bereich einer maximalen Geschwindigkeit von 2 m/s Hindernisse mit einer geringeren Geschwindigkeit sicher erkennen muss.
Grundlegendes zum Ultraschall
Definitionen und Begriffe
Ultraschallwellen sind im Sinne dieser Schrift akustische Wellen, die in einem definierten Frequenzbereich arbeiten. Der Arbeitsbereich beginnt bei 20kHz als unterer Grenzfrequenz des Ultraschalls, dem Schwellenwert des menschlichen Gehörs. Der Mensch hört Schallwellen zwischen 16Hz und 20kHz. Ultraschallwellen übertragen sich in Materialien mit unterschiedlichen Aggregatzuständen. Je nach Frequenz wird Ultraschall in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Reinigung, in der Medizin oder in der Industrie. Diese stehen für zerstörende Anwendungen. Im Gegensatz dazu gibt es zerstörungsfreie Anwendungen, wie die Abstandsmessung. Diese Schrift behandelt die Abstandsmessung als Schwerpunktanwendung /8/.
Ultraschallerzeugung
Die Grundlage für die Erzeugung von Ultraschallsignalen ist typischerweise die Nutzbarmachung des piezoelektrischen Effekts. Der Effekt beschreibt, dass die Verformung von piezoelektrischen Materialien ein elektrisches Feld verursacht. Dieser Effekt wirkt bidirektional. Ein elektrisches Feld kann umgekehrt ein piezoelektrisches Material verformen. Ein piezoelektrischer Kristall wird so gelagert, dass er mechanisch und elektrisch schwingen kann. Typischerweise ist er an eine Membran oder einen funktionsäquivalenten Schwingkörper mechanisch gekoppelt. Durch Anlegen einer Wechselspannung kann eine elektrische Ansteuervorrichtung den Kristall und damit den Schwingkörper in Schwingung versetzen, wodurch der Schwingkörper die Luft in seiner Umgebung periodisch komprimiert und dekomprimiert und so ein Ultraschallsignal erzeugt. Typischerweise weist der Kristall im Zusammenwirken mit dem Schwingkörper eine elektrische und mechanische Resonanzfrequenz auf. Die Spannungsfrequenz der Wechselspannungsansteuerung des Kristalls sollte nahe dieser Resonanzfrequenz liegen, um einen hohen Schalldruckpegel (SPL) zu erreichen /8/.
Nach der Erzeugung der Ultraschallwelle ist es für das Ultraschallsensorsystem eines Einparksystems entscheidend, welchen Teil der Ultraschallwelle die Objekte im Umfeld des Ultraschallsensorsystems zurückreflektieren. Dies liefert dem Steuerrechner des Ultraschallsensorsystems Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs. Die Oberflächen der Objekte sind dafür entscheidend, welchen Teil der Ultraschallwelle diese Oberfläche des Objekts zurück zum Ultraschallsensorsystem reflektiert. Die 1 beschreibt verschiedene Verhaltensweisen der Ultraschallwelle in Abhängigkeit von der Oberfläche des Objekts. Die linke Seite der 1 veranschaulicht die Beugung der Welle. 1 zeigt das Ultraschallverhalten auf verschiedenen Oberflächen /8/. Die raue Oberfläche bricht die Welle in kleinere Teile mit geringeren Amplituden. Im Vergleich dazu führt eine glatte Oberfläche zu einer einzigen Reflexion. Die Oberfläche reflektiert die Welle entsprechend dem Einfallswinkel. Daneben kann es auch materialabhängige, brechende Anteile geben. Eine fachlich ausgebildete oder erfahrene Person (Skilled Person) kann beispielsweise den Brechungswinkel mit dem Snellschen Gesetz /8/ bestimmen.
Ausbreitung von Ultraschallwellen
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Ausbreitung von Ultraschallwellen. Eine Ultraschallwelle kann näherungsweise als Kreiswelle betrachtet werden, die sich nach der Erzeugung durch einen Schallwandler als Teil eines Ultraschallsensors mit der jeweiligen Ultraschallgeschwindigkeit ausbreitet. Die Welle breitet sich in einem bestimmten Bereich aus, der vom Typ des Schallwandlers des Ultraschallsensors abhängt. Der Arbeitsbereich ist abhängig vom Winkel und dem Abstand zur Ultraschallwandlerposition und damit zur Ultraschallsensorposition. Die hier vorgelegte Schrift zeigt jedoch zur Vereinfachung und klareren Darstellung nur eine Dimension der Wellenausbreitung. Neben einem horizontalen Teil gibt es auch einen vertikalen Teil der Welle. 2 zeigt ein Beispiel. Sie veranschaulicht die Ultraschallwandlerkennlinie eines beispielhaften Ultraschallsensors, den die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben. 2 zeigt beispielhaft die horizontale und vertikale Ausbreitung von Ultraschallwellen von einem beispielhaften Schallwandler aus. In dem Beispiel der 2 lief der Schallwandler mit ca. 58kHz und lieferte einen maximalen Schalldruckpegel (SPL) von ca. 95,24dB. 2 zeigt darüber hinaus die Abschwächung des SPL bezogen auf P₀ den Referenzschalldruck (SPL) von 95,24dB bei einem Winkel von 0°. Die Dämpfung steigt mit größer werdendem Winkel. Die gestrichelte Linie in 2 zeigt die Dämpfung der vertikalen Welle. Die durchgezogene Linie steht für die Dämpfung des horizontalen Teils. Der horizontale Teil breitet sich stärker aus als der vertikale Teil. Die vertikale Welle erreicht die 6dB-Grenze in einem Winkelbereich zwischen 15 und 20 Grad. Das bedeutet, dass der SPL in diesem Winkel um 50 % reduziert wird. Im Vergleich dazu durchschneidet die horizontale Welle die 6dB-Grenze erst in einem Winkelbereich zwischen 40 und 45 Grad. Der Schallwandler mit der Ultraschallabstrahlcharakteristik der 2 ist für Anwendungen im Parkbereich entwickelt worden. Die vertikale Ausbreitung ist weniger gespreizt als die horizontale Ausbreitung, um Bodenreflexionen zu vermeiden. Solche Schallwandler sind für vorschlagsgemäße Ultraschallsensorsystems besonders bevorzugt. Die Konstruktion des Schallwandlers spreizt das horizontale Schallfeld stärker als das vertikale Schallfeld, da der Ultraschallsensor, der den Schallwandler umfassen soll, Hindernisse in einer 2D-Ebene parallel zur Oberfläche einer ebenen Fahrzeugumgebung erkennen soll. Ein maximaler Winkel für die Erkennung von Hindernissen ist ein wesentlicher Parameter des vorschlagsgemäßen Ultraschallsensorsystems. Daher könnte der Dämpfungswert bei 60 Grad kennzeichnend sein. Bei einem 60 Grad-Winkel beträgt der SPL etwa ein Fünftel von P₀. Danach konvergiert der SPL gegen Null /8/.
Das Diagramm ist die Betrachtung des Rohsignals. Verschiedene Teilvorrichtungen des Ultraschallsensorsystems verarbeiten die von den Ultraschallsensoren erfassten Signale auf der vorschlagsgemäßen Sensorplatine. Die Sensorplatine wird im Anschluss an die folgende Erläuterung des Kommunikationskonzepts näher erklärt.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ein Ultraschallsensorsystem für ein Fahrzeug oder für eine mobile Vorrichtung zur Ermittlung einer Umfeldkarte mit Koordinaten von Objekten in der Umgebung des Ultraschallsensorsystems in Form von akzeptierten Lösungen anzugeben, das eine reduzierte Fehlerquote in Form einer geringeren Streubreite der Ergebnisse und eine vollständigere Erkennung aller relevanten Hindernisse im Umfeld des Fahrzeugs aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Lösung der Aufgabe
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsensorsystem, bei dem das Ultraschallsensorsystem Abstandswerte auf Basis Ultraschallechos, die mindestens vier Ultraschallsensoren erfassen, ermittelt und Ultraschallsensorsystem Lösungen mittels eines Trilaterationsverfahrens aus diesen Abstandswerten ermittelt und mittels eines jeweiligen Kalman-Filter-Verfahrens bzw. mittels eines Schätzfilterverfahrens jede dieser Lösungen zu gefilterten Lösungen filtert und mittels eines Clustering-Verfahrens die gefilterten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte nicht akzeptierte gefilterte Lösungen verwirft.
Kommunikationskonzept
Allgemeines zum Kommunikationskonzept
Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten, die das beispielhafte Einparksystem verwendet. 3 stellt diese Komponenten dar. Bei der beispielhaften Ausarbeitung der hier vorgelegten Erfindung ist ein USB-Host an ein NXP-Board angeschlossen, um Befehle zu senden und eingehende Daten zu visualisieren. Der USB-Host stellt die Spannungsversorgung für das NXP-Board bereit. Eine Adapterplatine bildet in diesem Beispiel die Schnittstelle zwischen dem NXP-Board und der Sensorplatine. Ein externes 12V-Netzteil ist beispielhaft an das Adapterboard angeschlossen und versorgt das Board und die Sensoren. Das beispielhafte Einparksystem enthält drei weitere Sensoren, die an den drei anderen Kanälen der Adapterplatine angeschlossen sind. Sie sind in 3 nicht berücksichtigt.
Wenn in dieser Schrift davon die Rede ist, dass das Ultraschallsensorsystem ein Verfahren durchführt, so ist dies in der Regel so, dass das Steuergerät des Ultraschallsensorsystems das betreffende Verfahren durchführt.
Prozessor
Der beispielhafte Prozessor des beispielhaften NXP-Boards ist der ARM Cortex-M4F. Dieser Prozessor ist ein hocheffizienter Embedded-Prozessor. Die ARM-Cortex-M-Familie folgt der ARM-7-Architektur im Bereich der Mikrocontroller. Der beispielhafte ARM Cortex-M4 verfügt über eine die Single-Precision Floating-Point Unit (FPU). Die FPU erhöht die Leistung bei fließkommaintensiven Berechnungen. Sie ist ein optionales Merkmal. /9/.
Board-Kommunikation
Die beispielhafte Hauptkomponente des beispielhaften Kommunikationskonzepts ist das beispielhafte NXP Development Board S32K144EVB. Stattdessen können auch andere funktionsäquivalente Boards verwendet werden. Das Board ermöglicht den schnellen Prototypenaufbau von automobiler Testanwendungen. Es bietet einen einfachen Zugriff auf die MCU M4F über die I/O-Header-Pins. Es ist mit On-Chip-Konnektivität für CAN, LIN und UART/SCI ausgestattet. Ein Potentiometer ermöglicht die Präzision der Spannungs- und Analogmessungen. Für die Spannungsversorgung gibt es zwei Optionen. Zum einen gibt es ein externes 12V-Netzteil. Zum anderen gibt es einen Micro-USB-Anschluss, über den auch die Kommunikation mit dem Board erfolgt. 4 veranschaulicht die Struktur der Board-Kommunikation. Das Board enthält einen Open-Standard-Serial-Debug-Adapter (OpenSDA) als Brücke zwischen dem Zielprozessor und dem USB-Host. OpenSDA verfügt über einen Massenspeicher (MSD-Bootloader). Der MSD-Bootloader bietet eine einfache Schnittstelle zum Laden verschiedener OpenSDA-Applikationen /10/.
Die von Freescale angebotene Standardanwendung ist die P&E Debug Application. Die P&E Debug Application bietet eine virtuelle serielle Schnittstelle und Debugging. Sie bietet eine Run-Control-Einheit, die die JTAG-Debug-Schnittstelle zum Prozessor steuert. Außerdem überbrückt eine USB-CDC-Schnittstelle (Communications Device Class) die serielle Kommunikation zwischen dem USB-Host und einer seriellen UART-Schnittstelle des Prozessors. Der USB-CDC-Schnittstelle wird automatisch eine COM-Nummer zugewiesen, die mit einem Windows-Host-Betriebssystem arbeitet /10/.
Ultraschallsensor-Kommunikation
Eine Adapterplatine bildet die Schnittstelle zwischen dem NXP-Board und den Sensoren. Sie ist in dem hier vorgestellten Beispiel mit dem NXP-Board verbunden, indem die Pins in die Buchsen des NXP-Boards gesteckt sind. Dabei verbindet die Adapterplatine die IO-Header-Pins der NXP MCU. Die IO-Line realisiert die Kommunikation zwischen der MCU und den Sensoren. Außerdem bietet der Sensor auch JTAG-Unterstützung. Die Adapterplatine enthält einen „Quad LIN Transceiver IC“, um die IO-Line der Sensoren anzuschließen mit der MCU. Die Kommunikation zwischen dem Sensor und der MCU erfolgt zeitbasiert. Ein Beispiel für einen grundlegenden Gerätebefehl ist in 5 /11/ dargestellt.
5 zeigt beispielhaft die seriellen Ein und Ausgaben für den beispielhaften Befehl „SendB“ und „ReceiveB“. Der Befehl zwingt den Ultraschallsensor zum Aussenden von akustischen Ultraschallburstsignalen mit den Eigenschaften des beispielhaften Profils B. Diese Schrift erläutert die Bursterzeugung und die verschiedenen Profile in einem späteren Abschnitt /11/.
Die beispielhafte MCU initialisiert hier in diesem Beispiel den Befehl, indem sie die IO-Leitung für die Zeit T_MEAS auf ein Low-Potenzial für eine Low-Phase zieht. Danach folgt in diesem Beispiel eine High-Phase mit einer zeitlichen Dauer von T_D und eine Bitfolge. Die Bitfolge „10“ initialisiert in diesem Beispiel die Sende-Befehl. Die Bitfolge „00“ initialisiert in diesem Beispiel den Empfangs-Befehl. Nach dieser Sequenz meldet der Ultraschallsensor die empfangenen Ultraschallechos mittels einer IO-Leitung. Die MCU erhält in diesem Beispiel diese Meldung über die Empfangsleitung (Rx). Das Senden des Befehls realisiert in diesem Beispiel eine Übertragung über die Sendeleitung (Tx). Der beispielhafte „Quad LIN Transceiver IC“ verbindet in diesem Beispiel beide Leitungen mit der IO-Leitung des Ultraschallsensors. Die beispielhafte MCU verwendet in diesem Beispiel einen beispielhaften Zeitgeber-Baustein für das Senden von Befehlen (Tx) und einen weiteren beispielhaften Zeitgeber-Baustein für den Empfang der Sensordaten (Rx). Beide Zeitgeber laufen in diesem Beispiel mit einer Frequenz von 1MHz, was zu einer beispielhaften Auflösung von 1µs führt. Der beispielhafte Vorgang des Sendens und Empfangens von Befehlen ist in 6 visualisiert. Der erste Schritt des beispielhaften Sendemodus ist das Laden der Kanaldaten. Die beispielhafte MCU bereitet das Ereignis-Array „outTimeFrame“ auf der Grundlage dieses Befehls vor. Dieses Array enthält Zeit- und Wertepaare. Eine beispielhafte Interrupt-Service-Routine, das die beispielhafte MCU beispielhaft ausführt, initialisiert einen Ausgangsvergleichszeitgeber. Das beispielhafte Zeitgeber-Modul aktualisiert in diesem Beispiel die Werte aus dem vorbereiteten Array, um die Befehlssequenz zu erzeugen.
Danach wechselt in diesem Beispiel die MCU in den Empfangsmodus. Der Ablauf des beispielhaften Empfangsmodus dieses Beispiels ist auch in 6 visualisiert. Der Ultraschallsensor meldet in diesem Beispiel die Erkennung eines Echos, indem er die IO-Line herunterzieht. Nach der Echo-Meldung legt in diesem Beispiel der Ultraschallsensor auch eine zeitliche Statusinformation auf diese IO-Line. Das Zeitgeber-Modul 0 erfasst in diesem Beispiel den resultierenden Frame (Datenrahmen) aus Echo und Statusinformation.
Die beispielhafte MCU-Speicher in diesem Beispiel basierend auf einer Interrupt-Service-Routine diesen Frame im Array „CHnCaptureResult“. Damit stehen die Daten der beispielhaften MCU in diesem Beispiel für Verarbeitungs- und Auswertungsschritte auf dem Controller zur Verfügung. Diese Schrift erläutert die Sensorkonfigurationen der Ultraschallsensoren im Folgenden, während die Verarbeitung der Daten in einem späteren Abschnitt im Mittelpunkt steht.
Ultraschallsensor-Konfigurationen
Der verwendete, beispielhafte Ultraschallsensor in diesem Einparkhilfesystem ist die beispielhafte Sensorplatine auf Basis der integrierten Sensorauswerteschaltung E524.09 der Firma Elmos Semiconductor SE in Deutschland. Die beispielhafte Sensorplatine enthält eine beispielhafte Treibereinheit, die über einen Mittelabgriffstransformator einen Ultraschallwandler anregt. Der Anwender kann über eine Datenschnittstelle Parameter wie Treiberfrequenz oder übertragene Burstleistung konfigurieren. Der Anwender kann in diesem Beispiel anwendungsrelevante Einstellungen in einem EEPROM speichern. Vorrichtungsteile der Platine verstärken in diesem Beispiel das empfangene Echosignal, wandeln das empfangene Echosignal und verarbeiten das so gewandelte Echosignal digital weiter.
Messprinzip und Anwendung
Beispielhafte Ultraschallsensoranwendung
Die beispielhafte Ultraschallsensoranwendung in diesem Einparkhilfesystem ist die Abstandsmessung. 7 zeigt das Messprinzip. Das Prinzip beruht auf dem Aussenden eines Impulses und der Messung der Reflexionszeit des empfangenen Impulses. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Ultraschallimpulses ist wesentlich für die Messung der Entfernung eines Objekts von dem Ultraschallsensorsystem. Die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals in der Umgebungsluft ist abhängig von der Materie und der Temperatur. Sie beträgt V = 343 m/s in der Luft bei einer Temperatur von 20°C. Der Anwender bzw. die MCU kann den Abstand zu einem reflektierenden Objekt kann mit Hilfe der Formel L=V*T_of/2 berechnen. Die Laufzeit (T_of) ist gleich der Reflexionszeit T. Der beispielhafte Sensor-IC benötigt nur einen Messumformer (Ultraschalltransducer), der als Sender und Empfänger fungiert. Zwei verschiedene Schaltkreise sind an den Ultraschalltransducer und dem Kontrollschaltkreis angeschlossen. Sie trennen die Sende- und Empfangsimpulse /8/.
Grundkonzept
Eine beispielhafte „SEND“- oder „RECEIVE“-Anforderung startet in diesem Beispiel den beispielhaften Messzyklus. Der „SEND“-Befehl führt zur Erzeugung eines Burstsignals für den Ultraschalltransducer. Der integrierte Schaltkreis, das Sensor-IC, verstärkt, foltert digital die eingehenden Impulse und vergleicht das Ergebnis mit den Schwellwerten. Der „RECEIVE“-Befehl überspringt die Bursterzeugung.
Überschreitet der Echoimpuls den Schwellwert, wird so löst der Sensor-IC in diesem Beispiel die IO-Line aus. Die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Ultraschallburstsignals durch den Ultraschalltransducer und dem Empfang des Echos durch den Ultraschalltransducer ist proportional zur Entfernung des reflektierten Objekts vom Ultraschalltransducer. Im Folgenden diese Schrift die verschiedenen Teile des Konzepts näher.
Burst-Modus
Der beispielhafte Burst-Modus erzeugt in diesem Beispiel ein Ultraschall-Burst-Signal unter Verwendung eines mittig angezapften Transformators und eines Wandlers. Die Primärseite des Transformators hat zwei Wicklungen, die in diesem Beispiel in der Mitte mit einer Stromquelle verbunden sind. Die anderen Seiten der beiden Wicklungen sind abwechselnd mit der Masse verbunden. Der entstehende Strom führt zu einem sich ändernden magnetischen Fluss. Die Sekundärwicklung erzeugt dabei das Burst-Impulssignal /11/.
Die Frequenz der Schalter, die die Wicklungen mit der Masse verbinden, ist gleich der Frequenz des Burstsignals. 8 zeigt das beispielhafte Zeitdiagramm des beispielhaften Treibers des Ultraschalltransducers. Die beispielhaften Signale „DRV1_ON“ und „DRV2_ON“ stellen die Schalter für die Transformatorwicklungen dar. Das Diagramm der 8 stellt nicht nur das beispielhafte Zeitverhalten, sondern auch das beispielhafte Burstsignal selbst dar. Es verdeutlicht, dass das beispielhafte Ultraschallburstsignal aus einer definierten Anzahl von Ultraschallimpulsen besteht, die der Ultraschalltransducer unmittelbar nacheinander als besagten Ultraschallburst aussendet und deren Impulsbreiten von der Ultraschallburstfrequenz abhängig sind. Neben der Ultraschallburstfrequenz und der Anzahl der Ultraschallpulse je Ultraschallburst ist die Leistung des Treiberstroms beim Erzeugen der Ultraschallpulse ein konfigurierbarer Parameter. Eine Erhöhung des Treiberstroms impliziert eine höhere, durch den Ultraschalltransducer abgestrahlte Ultraschallburstleistung des abgestrahlten Ultraschallbursts.
Profile
Der bei der Ausarbeitung der hier vorgelegten technischen Lehre verwendete beispielhafte mikroelektronisches Schaltkreis (IC) bietet in diesem Beispiel einen Zugriff auf drei verschiedene Profile: Profil A, B und C. Diese beispielhaften Profile ruft die MCU durch die drei SEND- und RECEIVE-Befehle auf. Die Anzahl der Ultraschallburstimpulse, die Messzeit und die Skalierung der Schwellwertkurve ist in jedem Profil des beispielhaften mikrointegrierten Schaltkreises konfigurierbar. Tabelle 1 zeigt die beispielhaften Standardwerte der beispielhaften verschiedenen Profile. Tabelle 1: Sensorprofile /11/ :

Profil Impulsanzahl Messzeit in ms Schwellenwertskalierung

A 16 14,58 1

B 8 8,75 1

C 24 34,98 1
Im Allgemeinen hat ein Ultraschallburst mit weniger Impulsen eine bessere Leistung bei Kurzstreckenanwendungen, während ein Burst mit mehr Impulsen eine bessere Leistung bei größeren Reichweiten hat.
Daher hat das Profil B eine Messzeit von 8,75ms, was in dem hier vorgestellten Beispiel einer maximalen Reichweite von 1,5m entspricht. Diese Reichweite ist jedoch nicht für jede Parksituation ausreichend. Dann kann das Ultraschallsensorsystem die Profile A und C anwenden. Profil A bietet in dem hier vorgestellten Beispiel eine maximale Reichweite von 2,5 Metern. Profil C bietet in dem hier vorgestellten Beispiel eine maximale Reichweite von 6 Metern, was für Anwendungen mit großer Reichweite nützlich ist.
Echo-Erkennung
Der beispielhafte Empfangsmodus empfängt das vom Objekt reflektierte Ultraschallburstsignal. Der Mittelabgriffstransformator ist vom Versorgungsstrom isoliert, um Störeinkopplungen zu vermeiden. Der Ultraschallsensor greift das Echosignal als Ultraschallempfangssignal in der Nähe des Ultraschalltransducers ab. Der mikrointegrierte Schaltkreis des Ultraschallsensors verstärkt und digitalisiert das Ultraschallempfangssignal. Der mikrointegrierte Schaltkreis des Ultraschallsensors filtert das Ultraschallempfangssignal digital und verstärkt es erneut. Diese Schrift bezeichnet das resultierende Signal im Folgenden als Hüllkurvensignal. Dieses Hüllkurvensignal enthält für jeden Abstandswert eine Amplitude. Die Amplitude stellt dar, wie stark eine Oberfläche das Ultraschallburstsignal reflektiert. Das Hüllkurvensignal bildet also jede Reflexion ab. Der mikrointegrierte Schaltkreis des Ultraschallsensors verwendet das Hüllkurvensignal für die Echodetektion. Das Grundprinzip der Echodetektion ist der Vergleich zwischen dem Hüllkurvensignal und der Schwellwertkurve. Überschreitet der Hüllkurvenwert für eine definierte Zeit den Schwellwert, so erkennt der mikrointegrierte Schaltkreis des Ultraschallsensors diese Überschreitung als Echo des Ultraschallbursts. 9 zeigt ein Beispiel für ein Hüllkurvensignal mit drei erkannten Echos.
Die x-Achse stellt die aus der Laufzeit in Form der Reflexionszeit t_r der Ultraschallburstechos berechnete Entfernung von dem Ultraschallsensor zu einem reflektierenden Objekt dar. Die y-Achse zeigt die Amplitude eines jeden Wertes.
Der beispielhafte Ultraschallsensor wendet während der Messung in 9 das beispielhafte Profil „ReceiveA“ an. In dem Beispiel der 9 erzeugt also ein anderer Ultraschallsensor die empfangenen Ultraschallburstechos. Die durchgezogene Linie stellt das resultierende Hüllkurvensignal dar. Die gepunktete Linie stellt die beispielhafte Schwellwertkurve dar. Die Schwellenwertkurve ist durch einige Parametereinstellungen im mikrointegrierten Schaltkreis konfigurierbar. Der Benutzer kann in diesem Beispiel dreizehn Schwellenwerte definieren. Diese Werte haben bei dem beispielhaft verwendeten mikrointegrierten Schaltkreis unterschiedliche mathematische Beziehungen, aus denen sich in diesem Beispiel die Schwellwertkurve ergibt. Neben der statischen Schwellwertgenerierung bietet die bei der Ausarbeitung der Erfindung benutzte mikrointegrierte Schaltung auch eine automatische Schwellwertgenerierung. Diese automatische Schwellwertgenerierung ist in diesem Beispiel eine Kombination aus statischer und dynamischer Generierung. Der dynamische Teil passt die Schwellwertkurve in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Hüllkurvensignals nach Aussendung des Ultraschallbursts durch den Ultraschallsensor an. In 9 ist eine beispielhafte, statisch generierte Schwellwertkurve dargestellt. Die statischen Werte werden erhöht, um Echos mit kleinen Amplituden zu verhindern.
Die gestrichelte Linie in 9 stellt das Erkennungsergebnis als digitale Signal dar. Dieses wird hier auch IO-Line genannt. Die IO-Line war in dem beispielhaften Versuchsaufbau, der zur Ausarbeitung der Erfindung benutzt wurde, das Datenübertragungsmedium zwischen der Sensorplatine und der Steuereinheit. Sie ist über einen Pull-Up-Widerstand mit der Spannungsversorgung der Sensorplatine verbunden. Überschreitet der zeitliche Wert des Hüllkurvensignals die Schwellwertkurve, so wechselt die IO-Line auf einen niedrigeren Spannungspegel. Dadurch signalisiert der Ultraschallsensor das Erkennen eines Ultraschallechosignals an die Steuereinheit.
Als Ultraschallecho wird in dieser Schrift beispielhaft ein Wechsel der IO-Line vom High-Zustand in den Low-Zustand definiert. Es handelt sich im Sprach gebrauch dieser Schrift also um ein bestimmtes Verhalten der IO-Line. Die IO-Line wechselt vom High-Zustand in den Low-Zustand in diesem Beispiel, wenn der Pegel des Hüllkurvensignals die Schwellwertkurve überschreitet. In den Figuren ist immer die Aussendung des Ultraschallbursts bei t=0s angenommen. Mit der Aussendung eines neuen Ultraschallbursts läuft die Zeit im Sinne dieser Schrift wieder bei 0 neu los.
Der beispielhaft verwendete mikrointegrierte Schaltkreis bietet zwei verschiedene Möglichkeiten, ein Ultraschallecho zu erkennen. Die erste Möglichkeit, ein Ultraschallecho zu erkennen, ist die Echo-Breitenerkennung. In diesem Fall wird die IO-Line nach unten gezogen, wenn das Hüllkurvensignal die Schwellwertkurve überschreitet. Die zweite Möglichkeit, ein Ultraschallecho zu erkennen, ist die Echo-Spitzenwert-Erkennung. Nachdem das Hüllkurvensignal die Schwellwertkurve durchquert hat, zieht das erste Maximum des Hüllkurvensignals die IO-Leitung nach unten. Eine solche Echo-Peak-Erkennung wird in der beispielhaften 9 beispielhaft dargestellt.
10 zeigt im Vergleich zum beispielhaften Befehl „ReceiveA“ das Prinzip einer Ultraschallechoerkennung mit dem beispielhaften Profil „SendA“. Die zeitlich ersten Werte des Hüllkurvensignals gehören zum Ultraschallburstsignal, einschließlich der „Ringzeit“. Die Schwingung des Schallwandlers im Ultraschalltransducer induziert diese Ringzeit nach den angesteuerten Impulsen. Der Schallwandler schwingt beim Umschalten von Sendebetrieb in den Empfangsbetrieb noch nach. In dieser Zeit des Nachschwingens, der „Ringzeit“ kann kein Empfang erfolgen. Typischerweise entsteht dadurch eine Totzeit und damit eine Blindzone vor dem Ultraschallsensor, in der der Ultraschalltransducer keine Ultraschallechos erkennen kann. Die Breite dieser Blindzone vom Ultraschallsensor weg hängt von den Parametern des durch diesen Ultraschalltransducer dieses Ultraschallsensors ausgesendeten Ultraschallburstsignals ab.
10 zeigt, dass eine niedrige Schwellwertkurve zu einer empfindlichen Echoauswertung führt. Das in der 10 vorgestellte Beispiel wendet die Standardwerte der statischen Schwellengenerierung für die verwendete mikrointegrierte Schaltung an. Wenn der Ultraschallsensor z. B. einen Mast erfasst, können unterschiedliche Reflexionen dieses Mastes zu unterschiedlichen Ultraschallechos führen. Ein Objekt erzeugt also typischerweise mehrere, zeitlich aufeinander folgende Echos. Das Ultraschallsensorsystem erfasst bei dieser beispielhaften Messung drei Pfosten, die sich in Form von sechs Echos im Signal der I/O-Line widerspiegeln.
Das dritte und das vierte Echo sind Reflexionen des gleichen Pfostens wie das zweite Echo. Der Pfosten reflektiert die Echos in unterschiedlichen vertikalen Positionen. Daher haben die Echos drei und vier je nach Wellenausbreitungscharakteristik des Sensors geringere Amplituden. Neben Mehrfachechos können auch Bodenreflexionen zu Echos führen, die nicht zu Objekten gehören. Ziel der hier vorgelegten Schrift ist es, ein System zur Hinderniserkennung offenzulegen. Um unerwünschte Reflexionen und Mehrfachreflexionen zu vermeiden, ist daher eine korrekte Interpretation der Echos notwendig. Aus diesem Grund wird die Schwellenwertkurve nach oben verschoben. 11 veranschaulicht die Auswirkungen der Verschiebung der Schwellenwertkurve. In diesem Fall erkennt das Ultraschallsensorsystem nur die drei Echos der drei Pfosten erkannt. Die technische Lehre dieser Schrift wählt daher diese Schwellenwerteinstellungen für die Echoerkennung im Verfahren zur Hinderniserkennung.
Hinderniserkennung
Die hier beispielhaft vorgeschlagene Hinderniserkennung zielt darauf ab, Objekte anhand der von vier beispielhaften Ultraschallsensoren mit mikrointegrierten Schaltungen des Typs E524.09 der Firma Elmos Semiconductor SE gemessenen Echos zu erkennen. Ein beispielhaftes Verfahren liefert die Position von Hindernissen innerhalb eines 2D-Raums. Dazu berücksichtigt das Verfahren die ersten drei Echos eines jeden Ultraschallsensors. Das Verfahren ermittelt die Position des Objekts ohne Amplitudeninformation der Signale. Das beispielhaft hier beschriebene Ultraschallsensorsystem verwendet den im Folgenden hier beispielhaft beschriebenen Versuchsaufbau zur Realisierung der Hinderniserkennung.
Stufe 1: Erzeugung und Empfang der Ultraschallechos
Laboraufbau
In dem hier beispielhaft vorgestellten experimentellen Laboraufbau für die Ausarbeitung der hier offengelegten technischen Lehre sind die vier Ultraschallsensoren auf einem Holzbrett montiert. Dieses Brett ist an der Rückseite eines Autos befestigt. Dabei sind die Ultraschallsensoren in einer ähnlichen Position und Höhe über dem Straßenbelag wie normale Ultraschallparksensoren in der Stoßstange montiert. 12 zeigt eine grobe Skizze des beispielhaften Versuchsaufbaus.
Der Abstand X_d=X_d1 = X_d2 = X_d3 zwischen den einzelnen Ultraschallsensoren ist in dem Beispiel 40 cm. In der Praxis variieren die Abstände zwischen den Ultraschallsensoren, da sie an unterschiedlichen Positionen montiert sind. Der Abstand zwischen dem Boden und jedem Ultraschallsensor sollte nicht zu stark variieren, da es notwendig ist, korrekte Lösungen innerhalb der 2D-Ebene zu erhalten. In dem vorgestellten Beispiel ist ein fünfter Sensor auf der Platine montiert, um den Lärmeinfluss durch andere parkende Autos in dem hier vorgestellten beispielhaften Experiment zu simulieren. Dieser Ultraschallsensor wird in einem späteren Abschnitt dieser Schrift betrachtet, der sich mit der Filterung der Signale beschäftigt.
Sende- und Empfangssequenz
In dem hier vorgestellten Beispiel ist die Verwaltung von Sende- und Empfangsbefehlen wesentlich. In diesem Beispiel sendet jeweils nur ein Ultraschallsensor ein Ultraschallburstsignal aus. Andernfalls würden sich die Ultraschallwellen gegenseitig stören, was weitere Maßnahmen erforderlich machen würde. 13 zeigt, dass beispielsweise Ultraschallsensor 2 ein Ultraschallburstsignal aussendet. Die Ultraschallsensoren 1, 2 und 3 empfangen in diesem Beispiel. Diese Sende- und Empfangssequenz wird als Kanal 2 bezeichnet. Die vom ersten Ultraschallsensor empfangenen Echos werden in diesem Beispiel in Kanal 2 nicht berücksichtigt. Im Allgemeinen wird in diesem Beispiel die Messung in vier Kanäle unterschieden.
Ein Ultraschallsensor sendet und empfängt in diesem Beispiel ein Ultraschallburstsignal in jedem Kanal, und die beiden zu diesem Ultraschallsensor nächstgelegenen Ultraschallsensoren verarbeiten die eingehenden Daten, um Ultraschallechos zu erkennen. In Tabelle 2 sind die vier Kanäle zusammengefasst. Tabelle 2 Sende- und Empfangsreihenfolge

Kanal Sendender Sensor Empfangender Sensor

0 0 0,1,2

1 1 0,1,2

2 2 1,2,3

3 3 1,2,3
Der Zustand des beispielhaften Ultraschallsensorsystems muss sich in diesem Beispiel während der Messzeit so verändern, dass das Ultraschallmesssystem mindestens in jedem Kanal mindestens einmal während der Messzeit nutzt. Diese Zeit ist in diesem Beispiel abhängig von dem gewählten Profil (Tabelle 1). Außerdem gibt es in diesem Beispiel eine Verzögerungszeit, die im Quellcode des NXP-boards NXPB konfiguriert ist. Diese Zeit ist beispielhaft im Rahmen der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift 30ms. Das Ultraschallsensorsystem arbeitet in dem hier vorgestellten Beispiel die Kanäle nacheinander ab. Wenn Kanal 3 beendet ist, beginnt wieder Kanal 0. Im Folgenden wird diese Abfolge als ein Zyklus bezeichnet. Die Zeit für einen Zyklus beträgt hier beispielhaft 120ms.
Stufe 2: Trilateration der empfangenen Ultraschallechos
Trilateration von zwei Sensoren
Die einfachste Möglichkeit, einen 2D-Punkt durch Interpretation der ersten Ultraschallechos, die von zwei Ultraschallsensoren erkannt wurden, zu finden, ist in 14 dargestellt. Einer dieser Ultraschallsensoren sendet einen Ultraschallburst aus, und beide Ultraschallsensoren empfangen Ultraschallechos. Die beiden Kreise in 14, stellen die Ultraschallechos dar. Wenn der erste Ultraschallsensor sendet, kann das Ultraschallsensorsystem den Abstand d₀ zu dem reflektierenden Objekt mit Hilfe der regulären Formel d₀=V*T_of/2 bestimmen. In diesem Fall kann das Ultraschallsensorsystem die Distanz d₁ beispielsweise mit Hilfe der Formel d₁=V(T_of1-T_of0) bestimmen. Das Ultraschallsensorsystem subtrahiert hier beispielhaft die Laufzeit T_of0 von der Laufzeit T_of1, um die Zeit zwischen dem Beginn der Reflektion und der Messung des empfangenen Signals zu ermitteln. Die Wellenausbreitung wird in dieser beispielhaften Visualisierung als perfekter Kreislauf angenommen. Daher kann die Position des Objekts als 2D-Schnittpunkt zweier Kreise visualisiert werden. Die Radien der beiden Kreise sind gleich dem Abstand einer reflektierenden Fläche.
Die Position des Objekts kann das Ultraschallsensorsystem mit den folgenden Formeln ermitteln:

i) Anwendung der Kosinusregel auf das Dreieck aus d₀, d₁ und x_d: $cos α = {x/d}_{0} = (d_{0}^{2} + x_{d}^{2} - d_{1}^{2}) / (2 * d_{0} * x_{d})$
ii) Ersetzen des Kosinus im rechtwinkligen Dreieck, um die x-Position zu erhalten: $x = (d_{0}^{2} + x_{d}^{2} - d_{1}^{2}) / (2 * x_{d})$
iii) Ermittlung der y-Position $y = Wurzel (d_{0}^{2} - x^{2}) = Wurzel (d_{0}^{2} - {[(d_{0}^{2} + x_{d}^{2} - d_{1}^{2}) / (2 * x_{d})]}^{2})$

Die Bestimmung eines Schnittpunktes wird in den folgenden Kapiteln als Trilateration bezeichnet.
Im Gegensatz dazu basiert die allgemeine 2D-Raum-Trilateration auf den Schnittpunkten von drei Kreisen. Der dritte Kreis bestimmt, welcher Schnittpunkt der beiden Kreise zur gesuchten Position führt. Der Ultraschallsensor des beispielhaften Versuchsaufbaus erzeugt einen Halbkreis in positiver Richtung. Daher gibt es nur einen Schnittpunkt der beiden Kreise. Es wird somit kein dritter Kreis benötigt /12/.
Probleme durch mehrere Objekte
Die Trilateration von zwei Ultraschallsensoren ermöglicht die Berechnung der Position eines Objekts. Befinden sich jedoch mehrere Objekte im Bereich der beiden Ultraschallsensoren, so kann die Fehlinterpretation von Ultraschallechos zu falschen Lösungen führen. 15 zeigt ein mögliches Szenario. Die Ermittlung in 15 geht davon aus, dass die ersten Ultraschallechos der beiden Ultraschallsensoren von einem Hindernis in Form eines Objekts reflektiert werden und die zweiten Ultraschallechos von einem anderen Hindernis in Form eines anderen Objekts.
Der linke Teil in 15 demonstriert die Messung von zwei Objekten mit zwei Ultraschallsensoren. Der erste Ultraschallsensor sendet ein Ultraschallburstsignal aus. Beide Ultraschallsensoren empfangen ein erstes und ein zweites Ultraschallecho.
Die Reflexion des ersten Objekts führt zum ersten Ultraschallecho, das der erste Ultraschallsensor empfängt. Die Reflexion des zweiten Objekts führt zum zweiten Ultraschallecho, das der erste Ultraschallsensor empfängt.
Die Reflexion des zweiten Objekts führt zum ersten Ultraschallecho, das der zweite Ultraschallsensor empfängt. Die Reflexion des ersten Objekts führt zum zweiten Ultraschallecho, das der zweite Ultraschallsensor empfängt.
Der rechte Teil in 15 zeigt die Lösungen der gemessenen Ultraschallechos. Zwei Trilaterationen berechnen diese Lösungen. Die Trilateration der beiden ersten Ultraschallechos führt zur Lösung des ersten Ultraschallechos. Die Argumente der Trilaterationsfunktion sind zwei Abstände, die das Ultraschallsensorsystem mittels der Echofunktionen d0_first=V*First Echo 0 und d1_first=V*(First Echo 1- First Echo 0) ermitteln kann.
Die Laufzeit des ersten Ultraschallechos, das der Ultraschalsensor 0 erfasst, wird von der Laufzeit des ersten Ultraschallechos, das der erste Ultraschallsensor erfasst, subtrahiert, da vorausgesetzt wird, dass das gleiche Objekt beide Ultraschallechos erzeugt. Es wird also angenommen, dass die Reflexion des Ultraschallbursts an Objekt 2 die beiden zweiten Ultraschallechos erzeugt. In diesem Fall kann das Ultraschallsensorsystem die Abstände für die Trilateration mittels der Formeln d₀__second=V*Second Echo 0 und d₁__second=v*(Second Echo 1- Second Echo 0) ermitteln. 15 stellt das Problem dar, das durch die falsche Zuordnung der Ultraschallechos zu den Objekten entstehen kann. Die zuerst bei den Ultraschallsensoren eintreffenden Ultraschallechos der beiden Ultraschallsensoren gehören nicht zu demselben Objekt. Deshalb führt die Trilateration der beiden ersten Ultraschallechos zu einer falschen Berechnung einer Position der betreffenden Objekte. Das Gleiche geschieht mit den als zweites eintreffenden zweiten Ultraschallechos.
Die Trilateration des ersten Ultraschallechos, das der erste Ultraschallsensor erfasst, und des zweiten Echos, das der zweite Ultrasachallsensor erfasst, würde in diesem Fall zur korrekten Erkennung von Objekt eins führen. Die Zuordnung der Ultraschallechos ist jedoch abhängig vom Szenario, der Anzahl und den Eigenschaften der Hindernisse. Um falsche Lösungen zu vermeiden und mehrere Objekte korrekt zu erkennen, verwendet der beispielhafte Laboraufbau das nun im Folgenden beschriebene, beispielhafte Verfahren.
Verfahren zur Erkennung von mehreren Objekten
Das Verfahren zur Multiobjekterkennung verwendet die zeitlich zuerst eintreffenden ersten drei Ultraschallechos eines Ultraschallsensors in jedem Kanal. In dem hier diskutierten Beispiel werden neun Ultraschallechos in jedem Kanal (Tabelle 2) und 36 Ultraschallechos pro Zyklus beispielhaft berücksichtigt. Das Folgende berücksichtigt vereinfachend zu Verbesserung des Verständnisses der Erklärung zunächst nur die ersten Ultraschallechos. Es handelt sich also nur um ein ganz grob vereinfachtes Beispiel.
Die Idee des Verfahrens ist es, die 2D-Punkte verschiedener Perspektiven zu ermitteln. Das Verfahren basiert auf der Trilateration von zwei Ultraschallsensoren. Wenn ein Ultraschallsensor einen Ultraschallburst aussendet, werden die Trilaterationslösungen der beiden anderen Ultraschallsensoren dieses Kanals ermittelt. Wenn z. B. der Ultraschallsensor 0 den Ultraschallburst aussendet, empfangen der Ultraschallsensor 0, der Ultraschallsensor 1, und der Ultraschallsensor 2. Das Ultraschallsensorsystem ermittelt die erste Trilateration wird aus dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 0 empfängt, und dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 1 empfängt.
Das Ultraschallsensorsystem ermittelt die zweite Trilateration wird aus dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 0 empfängt, und dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 2 empfängt.
Diese zwei Trilaterationen ergeben somit zwei Lösungen aus unterschiedlichen Perspektiven. Danach vergleicht das Ultraschallsensorsystem diese 2D-Punkte, um zu prüfen, ob sie zum selben Objekt gehören. Dazu vergleicht das Ultraschallsensorsystem die x- und y-Koordinaten. Wenn die Koordinaten der zweiten 2D-Lösung der ersten Trilateration nahe genug am der ersten 2D-Lösung der ersten Trilateration liegen, akzeptiert das Ultraschallsensorsystem die erste Lösung als gültige 2D-Lösung und damit als gültigen 2D-Punkt.
16 veranschaulicht beispielhaft die Idee des Verfahrens. Das beispielhafte Ultraschallsensorsystem rekonstruiert das Szenario im Umfeld des Sensorsystems unter Nutzung der gemessenen Ultraschallechos des Kanals 0. Die schwarze Linie symbolisiert das zeitlich erste Ultraschallecho, das der erste Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Echo First 0 erfasst. Die kurz gestrichelte Linie symbolisiert das zeitlich erste Ultraschallecho, das der zweite Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Echo First 1 erfasst. Die langgestrichelte Linie symbolisiert das zeitlich erste Ultraschallecho, das der dritte Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Echo First 2 erfasst. Die Trilateration von Echo First 0 und Echo First 1 führt zu Lösung 1 (Soll). Die Trilateration von Echo First 0 und Echo First 2 ergibt Lösung 2 (Sol2). Nach der Berechnung der beiden Trilaterationen vergleicht das vorgeschlagene und von dem Ultraschallsensorsystem ausgeführte Verfahren beide Lösungen. Das Ultraschallsensorsystem prüft im Rahmen dieses Verfahrens, ob die zweite Lösung innerhalb eines typischerweise vorgegebenen, programmierten oder ermittelten definierten Rechtecks der ersten Lösung liegt. In 16 ist dieses Rechteck (kurz gestrichelt) quadratisch eingezeichnet, da die Grenzwerte in alle Richtungen gleich sind.
In dem beispielhaften Szenario der 16 Szenario liegt Lösung 2 innerhalb des definierten Bereichs von Lösung 1. Daher ist die Lösung eine gültige Lösung und das Ultraschallsensorsystem akzeptiert diese Lösung, als gültigen 2D-Punkt, an dessen Ort sich ein Hindernis befinden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Ultraschallsensorvorrichtung Lösungen als Objekte fehlinterpretiert, sinkt auf diese Weise.
Die Erkennung eines einzelnen, isolierten Pfostens, also einer isolierten Stange oder eines anderen senkrecht stehenden, schmalen Objekts, könnte funktionieren, indem die Ultraschallsensorvorrichtung nur die ersten Echos verwendet. Solche Pfosten wurden bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift eingesetzt, um die Erkennungsqualität des Ultraschallsensorsystems zu beurteilen. Ein Pfosten um Sinne dieser Schrift ist ein senkrecht stehendes Objekt, das bevorzugt rund ist und eine Höhe im Bereich von ca. Im besitzt. Auch wenn diese Objekte in Form von Pfosten bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift benutzt wurden, so beziehen sich die Erkenntnisse dennoch auf allgemeine Objekte, die sich im Umfeld eines Fahrzeugs mit dem Ultraschallsensorsystem befinden können. Die Erkennung von mehreren Objekten ist in einigen Szenarien jedoch ebenfalls möglich. Die entscheidende Tatsache ist jedoch, dass jedes zu erkennende Objekt in diesem Beispiel mit drei Ultraschallsensoren drei erste Ultraschallechos erzeugen muss, die die hier beispielhaft drei Ultraschallsensoren auch erfassen. Alle hier beispielhaft drei Ultraschallsensoren müssen das Objekt also quasi „sehen“. In einem Beispiel sind beispielsweise ein Pfosten vor dem ersten Ultraschallsensor und ein Pfosten vor dem dritten Ultraschallsensor in symmetrischer Weise platziert. Kanal 0 würde das erste Objekt „sehen“ und Kanal 2 das zweite Objekt. Dieses Beispiel zeigt, dass die Erkennung mehrerer Objekte durch die ersten Echos nur bei bestimmten Konstellationen von Hindernissen funktioniert. Das hier vorgestellte Verfahren berücksichtigt daher auch die zeitlich zweiten Ultraschallechos und die zeitlich dritten Ultraschallechos, um die Chance zu erhöhen, mehrere Objekte zu sehen oder eine bessere Auflösung der Oberfläche eines Objekts zu erhalten.
17 veranschaulicht das Prinzip des Verfahrens. Das Verfahren unterscheidet bei der Suche nach Lösungen für das erste Ultraschallecho, zweite Ultraschallecho und das dritte Ultraschallecho des feuernden Ultraschallsensors in jedem Kanal.
17 visualisiert das Prinzip der Lösungsfindung für das erste Ultraschallecho, das der sendenden Ultraschallsensor 0 empfängt. Die Ultraschallsensorvorrichtung ermittelt die Lösungen für das zweite Ultraschallecho und das dritte Ultraschallecho, die der Ultraschallsensor 0 empfängt auf die gleiche Weise.
Das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem typischerweise ausführt, beginnt mit der Initialisierung des „diff“-Wertes. Dieser Wert stellt die zulässige Toleranz der verschiedenen 2D-Lösungen dar. Das Ultraschallsensorsystem setzt den „diff“ Wert zunächst auf den Wert „i_step“, was den Iterationsschritt bedeutet. Findet das Ultraschallsensorsystem keine Lösung, so erhöht das Ultraschallsensorsystem den Differenzwert um den Iterationsschrittwert. Nach dem Initialisieren des Differenzwerts vergleicht das Ultraschallsensorsystem die erste Echolösung des ersten Ultraschallsensors und zweiten Ultraschallsensors mit der ersten Echolösung des zweiten Ultraschallsensors und dritten Ultraschallsensors. Wenn diese Lösungen innerhalb des definierten Quadrats relativ zueinander liegen, akzeptiert das Ultraschallsensorsystem beispielsweise die Lösung des ersten Ultraschallsensors und zweiten Ultraschallsensors. Die Suche nach einer ersten Echolösung ist dann beendet. Wenn die beiden Lösungen jedoch nicht zusammenpassen, vergleicht das Ultraschallsensorsystem die erste Lösung mit der Trilateration aus dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 0 empfängt und dem zweiten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 2 empfängt. Wenn diese Lösungen nicht nahe genug beieinanderliegen, wiederholt die Ultraschallsensorvorrichtung diesen Vergleich mit dem ersten Ultraschallecho und dem dritten Ultraschallecho.
Das Ultraschallsensorsystem vergleicht also auf der ersten Seite des Vergleich die erste Lösung, die sich aus dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensors 0 empfängt, und dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensors 1 empfängt, ergibt, auf der anderen Seite des Vergleichs mit jeder möglichen zweiten Lösung, die sich paarweise zum Ersten als erstes Element dieser paarweisen Kombination aus dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 0 empfängt, oder dem ersten Ultraschallecho, das der Ultraschallsensor 1 empfängt, und zum Zweiten als zweites Element dieser paarweisen Kombination jeweils einem Ultraschallecho aus der Menge des ersten Ultraschallechos und des zweiten Ultraschallechos und des dritten Ultraschallechos, die der Ultraschallsensors 2 empfängt. Wenn das Ultraschallsensorsystem keinen akzeptierten 2D-Punkt findet, vergleicht das Ultraschallsensorsystem die Lösung des ersten und zweiten Ultraschallechos von Ultraschallsensor 0 und 1 erneut mit den drei Lösungen. Findet das Ultraschalsensorsystem eine Lösung, so akzeptiert das Ultraschallsensorsystem den Trilaterationswert des ersten und zweiten Ultraschallechos als mögliche Hindernisposition. Andernfalls führt das Ultraschallsensorsystem drei weitere Vergleiche aus. Das Ultraschallsensorsystem vergleicht die Lösung des ersten Ultraschallechos des Ultraschallsensors 0 und des dritten Ultraschallechos des Ultraschallsensors 1 wieder mit den drei Lösungen von des Ultraschallsensors 2. Wenn das Ultraschalsensorsystem keinen 2D-Punkt akzeptiert, findet das Ultraschallsensorsystem keine Lösung bezüglich des ersten Ultraschallechos des ersten Ultraschallsensors in dieser Iteration. Somit beginnt die nächste Iteration. Der das Ultraschallsensorsystem vergrößert den Lösungsbereich vorher um einen höheren Differenzparameter. Die Variable Iterationsschritt gibt die Schrittweite des Lösungsbereichs an.
Das Ultraschallsensorsystem beendet die Suche nach der ersten Ultraschallecholösung, wenn das Ultraschallsensorsystem einen gültigen 2D-Punkt gefunden hat oder der Wert der Variablen „diff“ einen definierten Grenzwert erreicht. 17 betrachtet eine erste Echolösung. Das Ultraschallechosystem wendet den gleichen Ablauf für zweite und dritte Echolösungen für den sendenden Ultraschallsensor in jedem Kanal an. Ultraschallechos, die das Ultraschallsensorsystem für eine akzeptierte Lösung verwendet, sind sperrt das Ultraschallsensorsystem für die weitere Berechnung im gleichen Kanal. Dadurch verhindert das Ultraschallsensorsystem, dass eine Mehrfachverwendung von Ultraschallechos zu falschen Lösungen führt. Jeder Zyklus enthält 12 Lösungsfindungsprozesse, was zu einem theoretischen Maximum von 12 verschiedenen Objekten führt.
Lösungen und Parameter
Mit Hilfe des oben beispielhaft beschriebenen Verfahren kann das Ultraschallsensorsystem maximal drei Hindernisse in jedem Kanal erkennen, indem das Ultraschallsensorsystem das Verfahren für das erste, zweite und dritte Ultraschallecho anwendet. 18 zeigt ein Beispiel. Die 18 zeigt beispielhaft beispielhafte Lösungen des Verfahrens durch Messung von sechs verschiedenen, beispielhaften Pfosten.
18 visualisiert die vier Ultraschallsensoren als Punkte auf der x-Achse. Figur trägt die Lösungen als 2D-Punkte auf. Die Strichelung der Kreise der Lösungen entspricht der Strichelung der Halbkreise des betreffenden Ultraschallsensors, der das Ultraschallburstsignal in diesem Kanal jeweils aussendet. Ist die Markierung des Kreises eine durchgezogene Kreisumfangslinie, wird die Lösung aus den Ultraschallechos des Kanals 0 berechnet. Nur der erste Kanal erfasst das linke Objekt. Daher zeichnet 18 alle Lösungen, die zum ersten Objekt gehören, als nicht unterbrochene kontinuierliche Kreislinie gezeichnet. Das zweite Objekt auf der linken Seite, das der erste Kanal und der zweite Kanal erfassen, führt zu Lösungsplots mit durchgezogenen Kreislinien und unterbrochenen Kreislinien in 18. Die Anzahl der Punkte mit durchgezogener Kreislinie ist im Vergleich zum ersten Objekt geringer.
Das bedeutet, dass der erste Kanal das Hindernis nicht in jedem Zyklus erkennt. Der erste Kanal und der dritte Kanal erkennen das am weitesten entfernte Hindernis. Der erste Kanal detektiert also bei jedem Echo ein Hindernis. Das zweite und dritte Ultraschallecho führen zu einer mehrfachen Hinderniserkennung.
Die Erkennung ist abhängig von der Anzahl, der Position und den Eigenschaften der Hindernisse relativ zu den Ultraschallsensoren. Wenn ein Ultraschallburstsignal z. B. ein Objekt nicht erreicht, weil ein anderes Objekt es bei Benutzung eines Kanals abschattet, ist dieses Objekt in dem betreffenden Kanal nicht erkennbar. Die Eigenschaften, insbesondere die Oberfläche eines Hindernisses, spielen beim Einparksystem eine wichtige Rolle. Neben dem Winkel der eintreffenden Wellen ist auch die Größe und Form der Oberfläche entscheidend. Die Erkennung einer breiten Fläche wie einer Wand zum Beispiel benötigt mehr Iterationen als die Erkennung eines kleinen Pfostens. 19 verdeutlicht das. Das linke Diagramm (19a) in 19 gehört zu der Messung eines kleinen Pfostens, das rechte (19b) zu der Messung einer Wand. Beide Diagramme visualisieren eine Lösung des ersten Ultraschallechos des Kanals 0. Die durchgezogene Linie stellt das erste Ultraschallecho des Ultraschallsensors 0 des ersten Sensorboards SNSB1 dar. Die kurz gestrichelte Linie symbolisiert das erste Ultraschallecho des Ultraschallsensors 1 des zweiten Ultraschallsensorboards SNSB2, während die lang gestrichelte Linie das erste Ultraschallecho des Ultraschallsensors 2 des dritten Ultraschallsensorboards SNSB3 symbolisiert. Die Parameter in 19 sind beispielhaft auf die Standardparameter eingestellt. Der Iterationsschritt beträgt 60us, was etwa 2cm entspricht. Die Differenzgrenze liegt bei 800us, was ca. 27cm entspricht. Die Lösung des Orts des Pfostens wird in dem Beispiel der 19 bereits in der ersten Iteration ermittelt. Die Differenz zwischen den beiden Lösungen beträgt etwa 1,4cm, was der Zeit von 40us entspricht. Beide Schnittpunkte mit der durchgezogenen Linie liegen sehr dicht beieinander. Im Vergleich dazu beträgt der Abstand zwischen den beiden Lösungen bei der Wandmessung etwa 9cm. Das führt erst in der 5. Iteration zu einer durch das Ultraschallsensorsystem akzeptierten Lösung bei einer Auflösung von 60us.
Der Unterschied zwischen Wand- und Pfostenerfassung nimmt in Kanal 1 zu. 20 visualisiert die Ultraschallechos einer Wandmessung. Der Ultraschallsensor 1 (durchgezogene Linie) sendet in diesem Fall. Die beiden Schnittpunkte mit dem ersten Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 unterscheiden sich um 33 cm. Das Ultraschallsensorsystem würde die Lösung nicht als gültigen Wert akzeptieren, obwohl die Ultraschallechos zum Wandhindernis gehören. Deshalb erhöht das Ultraschallsensorsystem die Differenzgrenze auf 1166µs, was dem Abstand X_d von 40 cm entspricht. Das führt zu Lösungen in Kanal 1 und Kanal 2 während der Wandmessung. Die Erhöhung des Differenzwertes kann durch Fehlinterpretation von Echos und deren Zusammenhänge zu falschen Lösungen führen. Das Ultraschallsystem überprüft daher bevorzugt jede Lösung hinsichtlich der theoretisch erreichbaren Positionen des aktuellen Kanals, um falsche Lösungen auszuschließen. Das folgende Kapitel beschäftigt sich mit diesen Positionen.
Lösungsbereiche
Der Bereich der möglichen Lösungen hängt vom Bereich des jeweiligen Ultraschallsensors selbst ab. Der eingesetzte Sensor auf Basis des Elmos Sensor-ICs E524.09 weist die Kennlinie des Ultraschalltransducers, die in 2 dargestellt ist. Gemäß dieser 2 wird der maximale Sichtwinkel jedes Ultraschallsensors mit ca. 120 Grad angenommen. Dieser Winkel wurde bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift praktisch getestet. Dazu wurde ein kleiner Pfosten auf einem Halbkreis vor einem sendenden Ultraschallsensor bewegt. Der Pfosten ist jenseits eines Winkels von 120 Grad zur Sichtachse des Ultraschallsensors nicht mehr sicher detektierbar. Die Grenzwertkurve wird mit den Parametern der Hinderniserkennung konfiguriert, um gleiche Bedingungen zu schaffen. Neben dem Grenzwinkel zur Sichtachse des Ultraschallsensors ist auch der Abstand zum Pfosten relevant.
In 21 sind die beispielhaften Reichweiten der vier beispielhaften Ultraschallsensoren dargestellt. Jeder Ultraschallsensor erkennt das beispielhafte Pfosten-Objekt etwa 80cm links und 80cm rechts vor dem Ultraschallsensor, unter Berücksichtigung des Blickwinkels. Diese Grenze ist bei praktischen Messungen nicht absolut. Objekte jenseits dieses Bereichs können ebenfalls wahrgenommen werden, aber die Wahrscheinlichkeit sinkt in Abhängigkeit von der Oberfläche des Objekts. Das durch das vorgeschlagene Ultraschallsensorsystem verwendete Verfahren arbeitet mit diesen Grenzen, um falsche Positionen zu minimieren, die möglicherweise nicht zu einem Objekt gehören. Außerdem ist es nicht notwendig, die Bereiche zu erweitern, denn wenn die Lösung eines Kanals sehr weit entfernt ist, erkennt ein anderer Kanal dieses Objekt.
Die Trilaterationen eines jeden Kanals benötigen drei Ultraschallsensoren. Daher muss ein Objekt von drei Ultraschallsensoren „gesehen“ werden. Objekte sollten bevorzugt also zwischen dem ersten und vierten Ultraschallsensor platziert werden. Die Zahlen in 21 stellen dar, welcher Ultraschallsensor Ultraschallechos aus diesem Bereich erhält. Die ersten beiden Kanäle erkennen Objekte im x-Bereich zwischen 0 und 80cm. Die zweiten beiden Kanäle erkennen Hindernisse mit einer x-Position zwischen 40cm und 120cm. Im Bereich zwischen 0cm und 120cm ist nicht jede y-Position erfassbar. Wenn Objekte zu nahe dem Ultraschallsensorsystem sind, erhält der äußere Sensor kein Echo von diesem Objekt. Das gleiche Problem tritt bei Objekten mit einer x-Position neben den vier Ultraschallsensoren auf. Beide Probleme könnten zu einigen schlechten Szenarien bei Einparksituationen führen. Der folgende Fallback ist ein implementierter Teil des Verfahrens, um diese schlechten Szenarien zu verhindern. Der Begriff Fallback kann hier als Notlauf oder Notlaufregel verstanden werden.
Fallback
Das Verfahren enthält bevorzugt einen Fallback, um Objekte mit weniger Ultraschallsensoren im äußeren und näheren Bereich zu erkennen. Fallback bedeutet, dass das Verfahren die Lösung von zwei Ultraschallsensoren nicht mit einer dritten Sensorlösung vergleicht. Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert dann eine Lösung von zwei Ultraschallsensoren ohne weiteren Nachweis. In dem Labormuster der Ultraschallsensorsystems, das zur Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift diente ist dieser Fallback nur für die Nah- und Außenfelderkennung implementiert. Er berücksichtigt nur die ersten Ultraschallechos der Ultraschallsensoren. Die Berücksichtigung von zweiten und dritten Ultraschallechos könnte durch falsche Echozuordnungen zu falschen Lösungen führen. Eine Mehrfach-Objekterkennung ist auch im Fallback-Bereich möglich. Jeder Kanal kann ein Objekt durch das erste Ultraschallecho und zwei weitere Objekte durch das zweite und dritte Ultraschallecho erkennen. Der Fallback erhöht den Erfassungsbereich und die sichere Objekterkennung bei geringen Abständen. 22 zeigt die verschiedenen Betriebsbereiche.
Das fett markierte Rechteck zeigt die Reichweite der Sensorlösungen auf Basis von drei Ultraschallsensoren ohne Fallback. Das Rechteck ist in positiver y-Richtung offen, da sich die 22 auf die Nahfelderkennung konzentriert und nicht den vollen Bereich in y-Richtung zeigt. Die durchgezogene Linie symbolisiert, dass die Begrenzung des Rechtecks starr ist. Die Ultraschallsensorvorrichtung akzeptiert nur Lösungen von drei Ultraschallsensoren innerhalb dieses Rechtecks. Diesen Bereich bezeichnet diese Schrift als Dreisensorbereich. Im Gegensatz dazu akzeptiert die Ultraschallsensorvorrichtung Lösungen von zwei Ultraschallsensoren auch um das fett markierte Rechteck herum unter Nutzung des Fallbacks. Dieser Bereich ist der Rückfallbereich. Diese Schrift bezeichnet den in der 22 gestrichelt gezeichneten Bereich abzüglich des Dreisensorbereiches als Fallbackbereich. Er bedeutet, dass Lösungen, die aus weniger als drei Ultraschallsensoren resultieren, zu akzeptierten Punkten in diesem Bereich führen können. Zwei-Sensor-Lösungen werden generell überall im Fallback-Bereich akzeptiert, abhängig vom aktuell sendenden Ultraschallsensor. Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert Lösungen mit einer x-Position zwischen dem ersten und dem dritten Ultraschallsensor innerhalb von Kanal 1. Kanal 2 akzeptiert Lösungen zwischen dem zweiten und dem vierten Ultraschallsensor. Die beiden mittleren Ultraschallsensoren berechnen Punkte mittels ihres ersten Ultraschallechos und des ersten Ultraschallechos der beiden Ultraschallsensoren neben ihnen. Kanal 1 berechnet z. B. zunächst eine Trilaterale mit dem ersten Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 und Ultraschallsensor 0. Führt das nicht zu einer Lösung, trilateriert das Ultraschallsensorsystem das erste Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 mit dem ersten Ultraschallecho von Ultraschallsensor 2. Im Kanal 2 erfolgt die Berechnung analog für die Ultraschallechos von Ultraschallsensor 3 und Ultraschallsensor 1. Dadurch erkennt das Ultraschallsensorsystem Objekte, die sich vor den vier Ultraschallsensoren befinden, immer in zwei Kanälen. Das führt zu mehr Sicherheit im Nahbereich.
Kanal 0 und Kanal 3 messen Hindernisse im seitlichen Bereich. Es ist keine redundante Objekterkennung möglich, da nur die beiden äußeren Ultraschallsensoren Ultraschallechos von Objekten neben den Ultraschallsensoren empfangen können. Daher ermittelt das Ultraschallsensorsystem in jedem Kanal nur eine Trilateration der beiden ersten Ultraschallechos. Führt diese Trilateration nicht zu einer Lösung, enthält das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem ausführt, auch einen Fallback auf einen einzelnen Ultraschallsensor. Das Verfahren bemerkt ein Hindernis in diesem äußeren Bereich, wenn nur der sendende Ultraschallsensor ein Ultraschallecho zurückbekommt. Er prüft zunächst, ob das Ultraschallecho nicht zu einem anderen Objekt gehört, indem er das Ultraschallecho mit dem vom anderen Kanal berechneten Abstand zu Objekten vergleicht.
23 veranschaulicht, warum diese Implementierung notwendig ist. Die linke Seite zeigt die Ultraschallechos von Kanal 0 und Kanal 1. Kanal 1 detektiert ein Hindernis durch drei erste Ultraschallechos. Im Gegensatz dazu wird der Ultraschallsendeburst von Ultraschallsensor 0 nur von Ultraschallsensor 0 gemessen. Gemäß dem Fallback auf einen Ultraschallsensor würde das Verfahren das Ultraschallecho von Sensor 0 als Lösung akzeptieren. Im Kanal 1 wird der Abstand zwischen Sensor 0 und dem Objekt berechnet. Dieser wird mit dem von Kanal 0 berechneten Abstand verglichen, um eine falsche Lösung zu verhindern. Wenn der Echo-Abstand nahe am Objekt-Abstand liegt, akzeptiert das Ultraschallsensorsystem das Ultraschallecho nicht als eine zulässige Ein-Sensor-Lösung. Das Ultraschallsensorsystem reduziert so die Wahrscheinlichkeit von Fehllösungen durch Fehlinterpretation von Ultraschallechos. Insbesondere bei Objekten mit unregelmäßigen und verwinkelten Oberflächen kann es zu Szenarien kommen, wie sie in 23 dargestellt sind.
Das Ultraschallsensorsystem wendet bevorzugt den Fallback auf einen Ultraschallsensor auch in Kanal 1 und 2 an, um Hindernisse im sehr nahen Bereich zu erkennen, die nur von einem Ultraschallsensor erfasst werden können. 22 symbolisiert diesen Bereich durch die gestrichelte fette Linie.
Die letzte implementierte Grenze, unabhängig vom Fallback, wird mit Hilfe von 24 erläutert. Praktische Messungen ergaben einige falsche Lösungen ohne Einschränkung des Lösungsbereichs für Kanal 0 und Kanal 3. Das Ultraschallsensorsystem prüft Lösungen von diesen Kanälen hinsichtlich eines Winkels zur Sichtachse des Ultraschallsensors geprüft. Liegt die Lösung weiter innen als der Winkel „alpha_lim“ α_lim, akzeptiert das Ultraschallsensorsystem sie nicht als gültiger Punkt. „Alpha_lim“ α_lim ist in dem Labormuster, das zur Ausarbeitung der Erfindung diente, auf beispielhafte 45° Grad eingestellt.
Beispielhafte Implementierung
Eine beispielhafte Implementierung des Trilaterationsverfahrens war sehr komplex. Neben der Echozuordnung für die ersten drei Ultraschallechos in jedem Kanal, umfasste der Source-Code viele manuelle Teile und implementierte „if“-Anweisungen zur Optimierung des Verfahrens. Das Verfahren stellt viele Parameter zur Verfügung. Diese werden in einer Struktur initialisiert. Es werden verschiedene Werte für das Verfahren parametriert, um eine einfache Anpassung des Verfahrens zu realisieren. Ein Beispiel dafür sind die Positionen der Ultraschallsensoren. Wenn sich der Aufbau ändert, können sie einfach auf andere Werte gesetzt werden.
Das Verfahren wurde in der beispielhaften Implementierung in der Trilaterationsfunktion implementiert: Die Trilaterationsfunktion wird in der Wellenauswertungsdatei aufgerufen. Die Funktion erhält den aktuellen Kanal als Parameter und liefert die resultierenden 2D-Lösungen und einen Iterationszähler. Dieser Zähler repräsentiert den Abstand zwischen den beiden 2D-Positionen, die zu einer akzeptierten Lösung führen. Außerdem ermöglicht der Zähler die Unterscheidung zwischen Drei-, Zwei- und Ein-Sensor-Lösungen. Das Verfahren berechnet seine Lösungen auf der Basis mehrerer Trilaterationen zweier Ultraschallechos. Jeder Kanal berechnet 16 Trilaterationen (trilateration2) pro Zyklus. Daher wird eine Funktion trilateration2 aufgerufen. Diese Funktion erhält zwei Echo-Werte und den Abstand zwischen zwei Ultraschallsensoren. Sie interpretiert die Echowerte als Halbkreise und liefert den Schnittpunkt der Halbkreise. Die beispielhafte trilateration2-Funktion benötigt maximal 2,4µs zur Berechnung der Lösung. Daher benötigt das komplette Trilaterationsverfahren nicht viel Zeit für die Berechnung der Lösungen. Die Änderung der Laufzeit eines Zyklus ist im Bereich von Millisekunden nicht sichtbar. Die Zeit bleibt konstant bei etwa 120ms.
Stufe 4 Filterung
Einführung Filterung
Die nächsten beiden Abschnitte dieser Schrift beschäftigen sich mit der Signalverarbeitung von Ultraschallsignalen. Sie unterscheiden die Verarbeitung roher Ultraschallechosignale und die Verarbeitung resultierender 2D-Punkte. Es werden zwei verschiedene Filtertypen vorgestellt und implementiert. Der erste ist der Kalman-Filter bzw. Schätzfilter. Der Filter beeinflusst die Ausgabe des Trilaterationsverfahren, indem er die Eingangsechosignale filtert. Der zweite verwendete Filter ist ein Clustering-Filter. Im Gegensatz zum Kalman-Filter bzw. Schätzfilter filtert der Clustering-Filter die Lösungen der Trilaterationen. Die Stufe 3 eines Plausibilitäts-Checks, der der Filterung vorausgeht, wird später erläutert.
Aufgrund der unterschiedlichen Umgebungen in Parksituationen haben die Filterimplementierungen mehrere Herausforderungen. Die größte Herausforderung ist die Verbesserung des Rauschverhaltens. Der verrauschte Einfluss von anderen parkenden Autosensoren muss unterdrückt werden. Eine weitere Herausforderung ist, dass sich die Filter sehr schnell an Änderungen anpassen müssen. Das liegt an der Annahme einer maximalen Geschwindigkeit von 2 m/s. Neben dieser Maximalgeschwindigkeit können die Echowerte entsprechend abrupten Änderungen in der Umgebung springen. Wenn ein Fußgänger zum Beispiel in dem Bereich der Empfindlichkeit der Ultraschallsensoren während eines Parkvorgangs plötzlich eintritt. Die Anforderungen an ein Ultraschallsensorsystem erfordern, dass das Ultraschallsensorsystem den Fußgänger innerhalb einer maximalen Zeit von 500 ms erkennt. Daher sollten die Filterausgänge nicht durch zu viele filterinterne Iterationen zeitlich zu lang gegenüber den Filtereingängen verzögert werden.
Stufe 4a Kalman-Filter bzw. Schätzfilter
Übersicht Kalman-Filter
Dieser Abschnitt dieser Schrift beschreibt die Filterung von gemessenen Ultraschallechos durch Kalman-Filter als beispielhaften Schätzfilter. Verschiedene Filterverfahrenstypen und damit Filtertypen wurden im Rahmen der Ausarbeitung dieser Schrift getestet und mit dem Kalman-Filter bzw. Kalman-Filter-Verfahren verglichen. Die Filterung des Ultraschallechosignals muss sehr schnell sein, um den Fahrzeugbewegungen und den gemessenen Hindernissen zu folgen. In dem Laboraufbau, der zur Erprobung der hier verwendeten technischen Lehre diente, frischte das Ultraschallsensorsystem das Ultraschallechosignal alle 120ms auf, was der Zykluszeit entspricht. Diese Zykluszeit ergibt sich aus der Messung mit einer Verzögerung von 30ms pro Kanal. Ein Filter sollte dem realen Wert in einer minimalen Anzahl von Iterationen folgen, um eine kleine Verzögerung zu haben. Dies ist das Problem der getesteten adaptiven Filter in diesem Zusammenhang. Sie benötigen typischerweise mehrere Iterationen, um durch Anpassung ihrer Parameter dem Messwert zu folgen.
Ein weiterer getesteter Filter ist der αβγ-Filter mit dem αβy-Filterverfahren, der auch als beispielhafter Schätzfilter mit einem beispielhaften Schätzfilterverfahren in Frage kommt. Dieser Filter basiert auf einem mathematischen System, ähnlich wie der Kalman-Filter. Beide Filter sagen ihre aktuellen Werte durch das System, die Messung und vergangene Werte voraus. Daher ist die Ausgabe beider Filtertypen ähnlich. Der Hauptunterschied zwischen beiden Filtertypen besteht darin, dass der Kalman-Filter in seinem Kalman-Filterverfahren einen iterativen Teil, der die optimale Vorhersage berechnet, aufweist. Aus diesem Grund wurde für den Laboraufbau der Kalman-Filter mit dem Kalman-Filterverfahren gewählt, um die Ultraschallechosignale für das Parkassistenzsystem zu filtern.
Jedes Filter hat seine Filtercharakteristik, je nach Ziel der Filterung. Ein Tiefpass z. B. filtert hohe Frequenzen. Niedrige Frequenzen gehen durch den Filter hindurch. Im Vergleich zum Tiefpass zielt der Kalman-Filter mit dem Kalman-Filterverfahren darauf ab, verrauschte oder unsichere Signalanteile herauszufiltern. Diese Eigenschaft ist in vielen verschiedenen Anwendungen, wie z. B. der autonomen oder assistierten Navigation, erwünscht /13/. Deshalb ist der Einsatz des Kalman-Filters mit dem Kalman-Filterverfahren weit verbreitet. Das Filterprinzip des Kalman-Filters mit dem Kalman-Filterverfahren ist komplexer als anderer grundlegender Filtertypen. Der Filter basiert auf einem Satz von Differentialgleichungen. Der Kalman-Filter mit dem Kalman-Filterverfahren verwendet diese, um den nächsten Zustand zu schätzen, indem der Kalman-Filter mit dem Kalman-Filterverfahren den aktuellen Zustand und den vorherigen Zustand vergleicht. Das Prinzip der Minimierung des mittleren quadratischen Fehlers ist im Kalman-Filter und damit im Kalman-Filterverfahren implementiert, um diese Schätzung zu realisieren. Für die Anwendung des Kalman-Filters und damit des Kalman-Filterverfahrens auf die Messwerte ist eine Normalverteilung erforderlich. Andernfalls ist das Verfahren nicht in der Lage, eine optimale Zustandsvorhersage zu finden /14/.
Systembeschreibung
Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters basiert auf Systemen im linearen Zustandsraumformat. Das Rohformat dieser Systeme im zeitkontinuierlichen Raum ist hier gegeben: $\dot{x} (t) = F (t) * x (t) + G (t) * u (t)$
$y (t) = H (t) * x (t)$
mit

x(t): Zustandsvektor
F(t): System Matrix Zustand
G(t): System Matrix Eingang
U(t): Eingangsvektor
Y(t): Ausgangsvektor
H(t): Beobachtungsmatrix

Die erste Gleichung bestimmt die Kohärenz zwischen der Ableitung der Zustände, den Zuständen selbst und dem Eingang. Die zweite setzt den Ausgangsvektor mit den Zuständen in Beziehung. Die Übertragung aus dem zeitkontinuierlichen Raum in den zeitdiskreten Raum führt zu folgender Beschreibung: $x_{k + 1} = F_{k} * x_{k} + G_{k} * u_{k}$
$y_{k} = H_{k} * x_{k}$
Der Index k steht für die aktuelle Iteration. k+1 symbolisiert die nächste Iteration. Die Komplexität des Systems bestimmt die Dimension der Systembeschreibung. Im Fall der Filterung von Ultraschallsignalen, gibt es zwei Möglichkeiten. Die erste ist ein 2D-Systembeschreibung mit zwei Zuständen. Die Echolaufzeit e(t), gemessen durch einen Ultraschallsensor, ist der erste Zustand. Sie stellt die Flugzeit eines Ultraschallimpulses dar. Die Geschwindigkeit v(t) des Fahrzeugs stellt den zweiten Zustand dar. Er wird durch die Bewegung des Fahrzeugs gemessen. Die zweite Möglichkeit ist ein 1D-System, das nur den Zustand e(t) enthält. Die Geschwindigkeit v(t) beeinflusst das System als Eingang /14/.
2D-System
Das Verhältnis zwischen dem vergangenen und dem aktuellen Wert wird auf folgende Weise ermittelt: $\dot{e} (t) = \frac{e (t) - e (t - Δ t)}{Δ t}$
Der Abstand zu einem Hindernis wird analog berechnet: $\begin{array}{l} \dot{d} (t) = \frac{d (t) - d (t - Δ t)}{Δ t} = v (t - Δ t) \\ = > d (t) = d (t - Δ t) + Δ t * v (t - Δ t) \end{array}$
Die Übersetzung in den zeitdiskreten Raum führt zu den folgenden Zustandsgleichungen: $d (t - Δ t) = d (k * Δ t - Δ t) = d (Δ t (k - 1)) = d_{k - 1}$
$\begin{array}{l} v (t - Δ t) = v (k * Δ t - Δ t) = v (Δ t (k - 1)) = v_{k - 1} \\ = > x_{1 k} = d_{k} = d_{k - 1} + Δ t * v_{k - 1} \end{array}$
Der Geschwindigkeitswert wird gemessen. Eine konstante Geschwindigkeit führt zu der Beziehung: $= > x_{2 k} = v_{k} = v_{k - 1}$
Beide Zustandsgrößen führen zu folgender Systembeschreibung: $x_{k} = \underset{F_{k}}{\underset{︸}{[\begin{matrix} 1 & Δ t \\ 0 & 1 \end{matrix}]}} x_{k - 1} y = \underset{H_{k}}{\underset{︸}{[\begin{matrix} 1 & 0 \end{matrix}]}} x_{k}$
Die Entfernung d_k wird durch die letzte Entfernung und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs multipliziert mit der Zeitdifferenz zwischen beiden Messungen vorhergesagt. Das System wird durch Eingangsvariablen nicht beeinflusst. Die Systembeschreibung enthält daher keinen Eingangsvektor /14/.
1D-System
Im Vergleich zum 2D-System interpretiert das 1D-System die Geschwindigkeit des Fahrzeugs als Eingangsvariable. Dadurch reduziert die Systembeschreibung ihre Dimension. Der gemessene Abstand ist der einzige Zustand in der folgenden 1D-Beschreibung. $= > d_{k} = x_{k} = \underset{F_{k}}{\underset{︸}{1}} * x_{k - 1} + \underset{G_{k}}{\underset{︸}{Δ t}} * v_{k - 1} y_{k} = x_{k}$
Die resultierenden Gleichungen zeigen, dass das System weniger komplex ist. Es gibt keine Beziehung zwischen dem vergangenen und dem aktuellen Wert. Der vorhergesagte Zustand hängt vom Vergangenheitswert und einer Geschwindigkeitsvorgabe ab. Wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs für das Parksystem nicht verfügbar ist, lautet die Zustandsgleichung vereinfacht x_k=x_k-1.
Kalman-Filter-Verfahren
Das Kalman-Filter-Verfahren basiert auf der Systembeschreibung und stochastischen Zusammenhängen. Im Falle eines eindimensionalen Systems bestehen die Gleichungen aus eindimensionalen Werten. Das führt zu den untenstehenden Gleichungen. Diese Gleichungen werden berechnet in jedem Zeitschritt des Filters. Der Index k steht für die aktuelle Iteration. k-1 symbolisiert die letzte Iteration. $K_{k} = \frac{P_{k - 1} + Q}{P_{k - 1} + Q + R}$
${\hat{x}}_{k} = {\hat{x}}_{k - 1} + K_{k} * (z_{k} - {\hat{x}}_{k - 1})$
$P_{k} = (1 - K_{k}) * (P_{k - 1} + Q)$
Das Grundprinzip des Verfahrens ist die Vorhersage des aktuellen Wertes. Gleichung 2 zeigt die Berechnung. Sie sagt den Wert ̂x̂_k voraus, indem sie den letzten vorausgesagten Wert x̂_k-1 zur gewichteten Differenz des gemessenen Wertes z_k und x̂_k-1 addiert. Der Faktor K_k bestimmt den Einfluss dieser Differenz. K_k wird als Kalman-Verstärkung bezeichnet, die iterativ berechnet wird. Die oben dafür angegebene Gleichung aktualisiert den Parameter in jeder Iteration k. Diese Gleichung enthält den Wert P_k-1, der iterativ durch die oben ebenfalls angegebene Gleichung berechnet wird.
Die Gleichungen zeigen, dass das Verfahren zwischen der Berechnung der Kalman-Verstärkung und der Vorhersage des nächsten Zustands um diesen Faktor unterscheidet. Die Kalman-Verstärkung ist unabhängig von der Messung. Sie hängt nur von den Parametern Q, R und einem Startwert P₀ ab. Die Berechnung der Verstärkung ist die wesentliche Idee und Komplexität des Kalman-Filters. Der folgende Abschnitt hilft, ein tieferes Verständnis dafür zu bekommen /14/.
Parameter
Die Idee des Kalman-Filters und damit des Kalman-Filterverfahrens ist es, unsichere Signalanteile auszusortieren. Daher benötigt der Filter einige Informationen über die Messung. Die Parameter Q und R liefern diese Informationen. Q beschreibt den Varianzwert des Prozessrauschens. In mehrdimensionalen Systemen wäre es eine Matrix. Q bestimmt, wie das System den Ausgang des Filters beeinflusst. Ein hohes Q bedeutet eine hohe Standardabweichung der Zustandsvorhersage durch das System. In diesem Fall hat der Filter mehr Vertrauen in die Messung als in die Vorhersage des Systems. Der Parameter R steht für die Kovarianz des Messrauschens. Er beschreibt, wie der Messwert die Zustandsvorhersage beeinflusst. Wenn R hoch ist, ist auch die Varianz der Messung hoch. Daher vertraut das Verfahren der Messung weniger als der Vorhersage des Systems. 25 visualisiert, wie der Kalman-Filter mittels des Kalman-Filterverfahrens den nächsten Zustand durch den Einfluss der beiden Parameter vorhersagt.
Die 25 zeigt beispielhaft die Messung einer Position eines Fahrzeugs oder beweglichen Objekts. Die durchgezogene Kurve symbolisiert die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Vorhersage durch das System. Die lang gestrichelte Kurve stellt die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Messung dar. In diesem Szenario ist die Standardabweichung der Messung im Vergleich zur Vorhersage geringer. Das bedeutet, dass der Parameter Q höher ist als R. Die kurz gestrichelte Kurve beschreibt die resultierende Position, die durch den Kalman-Filter mittels des Kalman-Filterverfahrens berechnet wird. Die Kurve wird durch die Multiplikation der beiden anderen Gauß-Kurven berechnet. Sie wird hochskaliert, um den Integralwert eins zu erhalten. Der genaue Zusammenhang zwischen dem Parameter und den Standardabweichungen der Gauß-Kurven lässt sich durch die folgenden beiden Formeln beschreiben: $R = σ_{m e a s}^{2}, Q = σ_{p r e d}^{2} - P_{k - 1}$
R stellt das Quadrat der Standard Abweichung, der Varianz, dar. Die Kohärenz zwischen Q und der Vorhersagevarianz wird iterativ ermittelt. Die resultierende Varianz der kurz gestichelten Kurve der berechneten Position wird ebenfalls mittels der folgenden Formel iterativ ermittelt: $σ_{r e s u l t}^{2} = σ_{p r e d}^{2} - K * σ_{p r e d}^{2} .$
25 zeigt, dass die Varianz der Messung und die Vorhersage das Filterverhalten bestimmen. Die Filterausgabe liegt näher an dem Wert mit einer kleineren Verteilung. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters erhält die Informationen über die Verteilungen durch die Parameter. Daher ist eine gute Wahl von R und Q wesentlich /15/, /16/.
Für das 1D-System könnte die Prozessrauschvarianz Q gleich Null sein, da es keine Vorhersage durch eine Systembeziehung gibt. Wenn Q auf null gesetzt wird, verringert sich jedoch die Flexibilität für die „Abstimmung“ des Filters. Daher besteht eine mögliche Lösung darin, Q auf einen kleinen Wert wie 1e-5 zu setzen und R anzupassen, um die gewünschte Filterleistung zu erhalten. Das Verhalten des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters und insbesondere des Verfahrens für den Verstärkungsfaktor hängt vom Verhältnis zwischen Q und R ab. Daher kann zunächst die Messrauschvarianz R eingestellt werden. Q kann zum anschließenden Einstellen des Filters verwendet werden.
26 vergleicht zwei verschiedene beispielhafte Filterparameter. Die durchgezogene Linie in 26 stellt eine Abstandsmessung dar. Das Signal ist ein konstanter Wert von 2,5 Metern, der mit einem normalverteilten verrauschten Signalanteil überlagert ist. Die Standardabweichung des Rauschsignals ist σ_meas=50. Daher ist R definiert als σ_meas ²=250. 26 zeigt die Ausgabe des beispielhaften Kalman-Filterverfahrens des beispielhaften Kalman-Filters für zwei verschiedene beispielhafte Auswahlen von Q. Der höhere Wert von Q (75) führt zu einem höheren Vertrauen in die Messung. Daher ist die kurz gestrichelte Linie weniger glatt im Vergleich zur lang gestrichelten Linie. Daher wäre ein kleineres Q besser, um einen Messwert während einer statischen Messung zu glätten.
27 wendet die gleichen Parameter für eine dynamische Messung an. Die Standardabweichung wird wieder mit 50 gewählt. Die Bewegung zwischen der 20sten. und 50sten Iteration entspricht einer Geschwindigkeit von ±2,67m/s bei einer Iterationsschrittweite von 50ms.
Die 27 zeigt, dass das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters mit dem kleineren Q dem dynamischen Teil der Messung nicht folgen kann. Je kleiner Q gewählt wird, desto mehr Iterationen sind notwendig, damit das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters den Bewegungen folgen kann. Der Filter benötigt Informationen über die Bewegungen, um das Filterverhalten bei dynamischen Messungen zu verbessern. Im Falle eines Einparksystems soll die Geschwindigkeit eines Autos in den Filter einbezogen werden. Für die eindimensionale Filterung wird die Geschwindigkeit als Eingang konfiguriert. 28 vergleicht die Ausgabe des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters mit und ohne Geschwindigkeitsinformation.
Die lang gestrichelte Kurve veranschaulicht das Verhalten des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters ohne Geschwindigkeitsinformationen. Die kurz gestrichelte Linie demonstriert den Vorteil der Geschwindigkeitseingabe. Der Filter benötigt keine Iterationen, um dem Wert zu folgen, da die Geschwindigkeit direkt die Berechnung des nächsten Zustands beeinflusst.
Eine andere Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu integrieren, besteht darin, das System um eine Dimension zu erweitern. Das führt zu der erläuterten Systembeschreibung. Die Geschwindigkeit wird in diesem Fall als ein Zustand des Systems konfiguriert. Der Hauptunterschied zwischen dem 1D-Filter mit der Geschwindigkeitseingabe und dem 2D-Filter mit der Geschwindigkeit als Zustand ist, dass der 2D-Filter in der Lage ist, die Geschwindigkeit zu filtern. Die Varianzparameter Q und R sind in diesem Fall mehrdimensionale Werte. Das Filtern sowohl der Position als auch der Geschwindigkeit reduziert die Dynamik des Systems. Ein Beispiel, bei dem die 2D-Beschreibung angewendet werden sollte, ist die Positionsbestimmung während eines Freifallszenarios. In diesem Fall würde die erläuterte 2D-Systembeschreibung um die Erdbeschleunigung erweitert werden, die als Eingang zum System konfiguriert wird.
Praktische Messungen
Das beispielhafte Laborsystem des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems setzte das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters ein, um die Echosignale des Ultraschall-Parksystems zu filtern. Jeder Zyklus der Messung bestand beispielhaft aus 36 Echos. Daher müssen 36 Ultraschallechos von separaten Kalman-Filtern mit dem Kalman-Filterverfahren gefiltert werden. Die Filterung der ersten 12 Ultraschallechos wird implementiert, um die Auswertung und den Test des Filters zu vereinfachen. Vor der Anwendung des Filters wird geprüft, ob die Echos normalverteilt sind. 29 zeigt die Verteilung des ersten Ultraschallechos von Sensor 0 in Kanal 0 während einer beispielhaften Wandmessung.
Die Verteilung enthält 225 Ultraschallechos. Der Mittelwert beträgt 4871µs, was 1,67 Metern entspricht. Die Standardabweichung beträgt etwa 10µs. Die 29 verdeutlicht, dass das Echosignal normalverteilt ist. Auch andere Messungen ergaben, dass die Ultraschallechos normalverteilt sind. Daher kann das Kalman-Filterverfahren der Kalman-Filter für Ultraschallechos angewendet werden.
Die Konfiguration der Parameter für das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters hängt vom Ultraschallechosignal ab. Die Standardabweichung der Ultraschallechos unterscheidet sich durch verschiedene Oberflächen und unterschiedliche Umgebungen. Die Simulation einer Parksituation führt z. B. zu deutlichen Unterschieden in der Standardabweichung. 30 zeigt das erste Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 in Kanal 1 und das erste Ultraschallecho von Ultraschallsensor 3 in Kanal 3. Ein Kalman-Filter filtert mittels eines Kalman-Filterverfahrens beide Echos unter Anwendung der gleichen Parameter.
Das Ultraschallechosignal von Kanal 3 hat eine Standardabweichung von 10µs. Das Ultraschallecho von Kanal 0 hat eine Standardabweichung von 63µs. Der Parameter Q wird auf den Wert 100 gesetzt. R beträgt 3600, was etwa der Varianz des ersten Echos von Kanal 0 entspricht. Die 30 zeigt, dass sich die Verteilungen der Ultraschallechos im gleichen Szenario unterscheiden. Bei statischen Messungen könnten die Parameter unter Berücksichtigung des Ultraschallechos mit der größten Streuung gewählt werden. Im Vergleich dazu haben filternde dynamische Messungen das bereits erläuterte Problem, dem Messwert zu folgen. Die Integration der Geschwindigkeit des Fahrzeugs würde das Verhalten des dynamischen Filters verbessern. Allerdings würde diese Integration in vielen Parksituationen nicht das richtige Ultraschallechosignal liefern. Ein Problem ist, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht in jeder Situation die Änderung der Echostrecke repräsentiert.
Zum Beispiel, wenn das Auto mit einer langsamen Geschwindigkeit einparkt und der Fahrer schnell in eine Richtung lenkt. Das Signal würde sich sehr schnell ändern
Weil es Ultraschallechos von Hindernissen erhalten würde, die sich vorher nicht in der Reichweite des Ultraschallsensors befanden. Das gleiche Problem tritt auf, wenn das Fahrzeug eine Wand misst und ein Fußgänger zwischen der Wand und dem Fahrzeug läuft. Die Parameter des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters müssen angepasst werden, um dynamische Ultraschallechos korrekt zu erkennen.
31 vergleicht zwei verschiedene Parameter für R durch eine dynamische Messung. Das erkannte Hindernis ist in diesem Szenario die abgebildete Pflanze. Das Bild wird im 100. Zyklus aufgenommen.
Die unregelmäßige Oberfläche der Pflanze führt zu einer sehr hohen Streuung des Ultraschallechosignals. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist aufgrund des Messaufbaus nicht verfügbar. Sie wird daher nicht in die Systembeschreibung integriert.
Das Diagramm zeigt zwei verschiedene Wahlmöglichkeiten für den Parameter R. Das erste Kalman-Filterverfahren des ersten Kalman-Filter (durchgezogene Linie) glättet die Kurve besser. Im Vergleich dazu folgt das Kalman-Filterverfahren des zweiten Kalman-Filters (gestrichelte Linie) der Messung schneller. Die maximale Geschwindigkeit der gezeigten Messung beträgt etwa 0,3m/s. Eine Messung mit einer höheren Geschwindigkeit würde den Unterschied zwischen den beiden Kurven verstärken. Die Tatsache, dass es sich bei Parksituationen um dynamische Messungen handelt, führte bei den Vorversuchen bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift zur Anwendung der beispielhaften Parameter Q=100 und R=200. Die schnelle Reaktion auf eine sich ändernde Umgebung ist wichtiger als die Glättung der Kurve.
Stufe 3: Plausibilitätsüberprüfungen
Die Plausibilitätsüberprüfungen führt das Ultraschallsensorsystem bevorzugt vor der Filterung mit dem Kalman-Filterverfahren im Kalman-Filter des Ultraschallsensorsystems durch.
Manuelle Filterteile
Das in den Vorversuchen implementierte Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters des Ultraschallsensorsystems enthält einige manuelle Abfragen zur Verbesserung des Filterverfahrens des Filters. Insbesondere das Rauschverhalten und die Reaktion auf schnelle Echoänderungen sind implementiert. Manuell bezieht sich hierbei darauf, dass die Eigenschaften der „if“-Abfragen, die der Prozessor des Ultraschallsensorsystems durchführt, zum Zeitpunkt der Konstruktion empirisch festgelegt werden. Es bedeutet also ausdrücklich NICHT, dass hier ein menschlicher Eingriff notwendig ist.
Rauschen
Ein wesentliches Merkmal der Filterung der Ultraschallsignale ist das Rauschverhalten. Ultraschallsensoren von anderen parkenden Autos sollten die Echos nicht beeinflussen. Um diese verrauschten Signale zu simulieren, umfasst der Versuchsaufbau einen fünften Ultraschallsensor. Eine weitere Sensorplatine steuert diesen fünften Ultraschallsensor. Der fünfte Ultraschallsensor des Versuchsaufbaus feuert Impulse mit der gleichen Frequenz (58kHz) und dem gleichen Profil(„SendA“) wie die für den Einparkvorgang benutzen Ultraschallsensoren. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters wird durch eine manuelle Abfrage erweitert, um das Rauschverhalten zu verbessern. 32 verdeutlicht dies. Die 32 zeigt ein Ultraschallechosignal einer statischen Messung. Der Rauschsensor beeinflusst den Messwert (durchgezogene Linie). Die gestrichelte Linie stellt das Standard- Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters dar. Aufgrund der Parameter, reagiert der Filter schnell auf aufgefrischte Werte. Die gepunktete Linie in der 32 zeigt die Ausgabe des Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters mit einer „if“-Anweisung zum Aussortieren eines Rauschwertes. Diese Anweisung akzeptiert keinen Wert, der höher ist als der letzte Wert plus 1400µs. Die Grenze für diese Abfrage ergibt sich aus der Annahme der maximalen Systemdynamik. Nach dieser Annahme ist das Maximum der Geschwindigkeit eines Objekts in der Parklücke oder die Geschwindigkeit des Autos 2m/s. Das Einparksystem sollte in der Lage sein, Hindernisse mit geringeren Geschwindigkeiten zu erkennen. Die manuelle Begrenzung kann das Ultraschallsensorsystem wie folgt berechnen: $Δ e_{m a x} = \underset{c y c l e t i m e}{\underset{︸}{120 m s}} * \underset{v_{m a x}}{\underset{︸}{2 \frac{m}{s}}} * \frac{2}{\underset{v_{u s}}{\underset{︸}{343 \frac{m}{s}}}} * \underset{w a y s}{\underset{︸}{2}} = 1400 μ s .$
Die Formel errechnet die maximale Differenz eines Ultraschallechosignals pro Zyklus. Wenn der Messwert für die Geschwindigkeit größer ist als der letzte Messwert für die Geschwindigkeit plus 1400µs ist, wird der aktuelle Wert durch den letzten ersetzt, da das Ultraschallsensorsystem davon ausgehen muss, dass es sich um eine Fehlmessung handelt. D.h. das vorgeschlagene Ultrasachallsensorsystem zeichnet sich dadurch aus, dass es zum Ersten ein Kalman-Filterverfahren eines Kalman-Filters verwendet, um mindestens das Ultraschallempfangssignal zumindest eines Ultraschallsensors zu filtern, und dass das Ultraschallsensorsystem einen Plausibilitätscheck der Eingangswerte des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters durchführt und dass das Ultraschallsensorsystem Eingangswerte des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters, die nicht plausibel sind durch alte, plausible Werte ersetzt.
Null-Sprünge
Eine weitere manuelle Abfrage zur Verbesserung des Filterverhaltens ist der Sprung zwischen einem Ultraschallechowert und keinem erkannten Echo. Hindernisse wie das Pflanzenobjekt (31) können zu sehr unstabilen Echos führen. Der Sensor ist nicht in der Lage, in jedem Zyklus ein Ultraschallecho zu erkennen. Eine Möglichkeit zum Umgang mit diesem Umstand ist, dass das Ultraschallsensorsystem den aktuellen Wert auf die maximale Messzeit des Profils setzt (14,58 ms für Profil A). Dies würde jedoch zu Lösungen durch das Verfahren führen. Jeder Zyklus ohne Lösung würde Lösungen durch die Maximalwerte der Echos liefern. Um diese Lösungen zu ermöglichen, werden die Echo-Werte auf null gesetzt. 33 zeigt ein instabiles Echo während einer dynamische Messung des Pflanzenhindernisses (31). Das Echo gehört zum dritten Sensor von Kanal 0. Wenn der Sensor kein Echo erkennt, setzt das Ultraschallsensorsystem den Wert auf null. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters ohne den Nullabgleich benötigt Iterationen, um dem Sprung zwischen Null und einem Echo-Wert zu folgen. Das führt zu falschen Echosignalen und falschen Lösungen durch das Trilaterationsverfahren. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters, erweitert um die Null-Sprung-Abfrage, springt direkt zwischen einem gültigen Wert eines Ultraschallechos und null und lässt damit falsche Echos und Lösungen zu.
Sprünge zwischen den Echos
Eine weitere manuelle Anpassung des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters ist eine weitere Abfrage für springende Werte. Das Problem mit dem Springen zwischen Echo-Werten und Null tritt auch zwischen zwei Echo-Werten auf.
34 veranschaulicht ein Szenario. Die Ultraschallsensoren messen vier Pfosten-Hindernisse. Ein Fußgänger geht zwischen den Pfosten und den Sensoren hindurch, während sich das Fahrzeug nicht bewegt. Das 34b auf der rechten Seite zeigt den 40. Zyklus der Messung. Das 34a zeigt das korrespondierende erste Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 in Kanal 1.
Das Echosignal springt zwischen ca. 9000µs und 3000µs. Das reguläre Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters (kurz gestrichelte Linie Linie) benötigt mehrere Iterationen, um der Messung zu folgen. Im Vergleich dazu springt das manuelle Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters nach einer Verzögerung von einer Iteration auf den Messwert. (lang gestrichelte Linie) Diese Verzögerung tritt aufgrund der Rauschfilterung auf. Der erste Wert mit einer größeren Änderung als Δe_max(1400µs) wird als Rauschen interpretiert. Nach einem Rauschwert prüft die manuelle Abfrage, ob der aktuelle Messwert um mehr als Δe_max bezogen auf den letzten vorhergesagten Wert abweicht. Wenn das wahr ist, ersetzt der aktuelle Messwert den aktuellen vorhergesagten Wert. Die Abfrage ist während des Beispiels dieses Szenarios dreimal aktiviert. Das erste Mal in der 38. Iteration, wenn das Echosignal auf einen niedrigeren Wert fällt. Das zweite und dritte Mal in der 46. und 48. Iteration. Die Abfrage wird zwei Mal aktiviert, als der Fußgänger den Sensorbereich verlässt. Dies geschieht, weil das Echo zweimal zwischen den Pfosten und dem Fußgänger wechselt. Daher werden zwei Messwerte, die zu den Pfosten gehören, als Rauschen interpretiert. Das führt auf zwei akzeptierte Sprungwerte.
Maximale Geschwindigkeit
Der letzte in den Vorversuchen implementierte manuelle Teil des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters ist die Abschaltung des Kalman-Filterverfahrens und damit des Kalman-Filters, wenn die Dynamik zu hoch ist. Im Vergleich zu Echosprüngen durch Objektänderungen befasst sich dieser Teil mit schnellen Echoänderungen ohne Objektänderung. Diese Änderungen können verursacht werden durch eine hohe Geschwindigkeit beim Einparken oder durch Hindernisse, die sich im Bereich des Sensors bewegen. Um dieses Szenario mit einer definierten Geschwindigkeit zu simulieren, wurden während der Vorversuche die Ultraschallechos in einem Ultraschall-Labor gemessen. Ein Pfosten wurde als Testobjekt auf eine Schiene montiert. Der Pfosten konnte mit konstanten Geschwindigkeiten bewegt werden. Die Maximalgeschwindigkeit war 1m/s. 35 zeigt das Ultraschallecho des Ultraschallsensors 1 in Kanal 1 während der Messung eines beweglichen Pfostens. Der Pfosten bewegte sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1m/s in Richtung der Sichtachse der Ultraschallsensoren, die vertikal auf die Platine bezogen ist, auf der die Ultraschallsensoren montiert waren.
Zunächst bewegt sich der Pfosten von den Ultraschallsensoren weg. Danach bleibt die Position für ca. 15 Zyklen konstant. Am Ende kehrt der Pfosten wieder in die Startposition zurück. Das Diagramm vergleicht das normale Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters mit dem manuellen Kalman-Filterverfahren des manuellen Kalman-Filters. Das manuelle Kalman-Filterverfahren des manuellen Kalman-Filters deaktiviert die Filterung des Echosignals, wenn die Geschwindigkeit größer als v_{filter_max} ist. Basierend auf den Pfosten-Messungen und anderen dynamischen Messungen wird die maximale Geschwindigkeit mit v_{filter_max}=0,75m/s gewählt.
Die gewählte maximale Geschwindigkeit führt in diesem Beispiel zu einer maximalen Echodifferenz von: $Δ e_{f i l t e r_m a x} = \underset{c y c l e t i m e}{\underset{︸}{120 m s}} * \underset{v_{f i l t e r_m a x}}{\underset{︸}{0.75 \frac{m}{s}}} * \frac{1}{\underset{v_{u s}}{\underset{︸}{343 \frac{m}{s}}}} * \underset{w a y s}{\underset{︸}{2}} = 525 μ s \approx 500 μ s$
Der Filter wird deaktiviert, wenn sich das Signal in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um mehr als Δe_{filter_max} oder um Δe_{filter_max} ändert.
Ein erster Sprung führt somit nicht zu einer Deaktivierung, da es sich auch um ein Rauschsignal handeln könnte. Wenn das Signal in der zweiten Iteration springt, wird der aktuelle Vorhersagewert durch den aktuellen Messwert ersetzt.
Ein weiterer positiver Effekt dieser Abfrage ist das Rauschverhalten (36). Das gemessene Signal wird durch den Rauschsensor beeinflusst. Dieser Sensor löst beim 11. Zyklus einen Signalsprung aus. Die Differenz zwischen dem Rauschwert und dem tatsächlichen Wert ist kleiner als Δe_max(1400µs).
Daher interpretiert das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters den Wert nicht als Rauschen. Das reguläre Kalman-Filterverfahren des regulären Kalman-Filters reagiert auf diesen Sprung und benötigt einige Iterationen, um auf den realen Wert zurückzukehren. Im Vergleich dazu springt der manuelle Filter direkt auf den realen Messwert zurück. Dies geschieht, weil das Signal in der ersten Iteration auf das Rauschen springt und in der nächsten Iteration auf den realen Wert zurückspringt. Dadurch werden zwei Sprünge registriert, und der Filter wird in der zweiten Iteration deaktiviert.
Resultierende 2D-Ausgabe
Ziel der Filterung von Echosignalen ist es, einen positiven Einfluss auf die resultierenden 2D-Positionen zu haben. Ein besseres Rauschverhalten und glattere Positionen mit geringerer Streuung sind beabsichtigt. 37 vergleicht die Lösungen ohne und mit Kalman-Filterung. Alle manuellen Teile des Kalman-Filterverfahrens und damit des Kalman-Filters sind aktiviert. Die Parameter sind auf ihre Standardwerte eingestellt (Q=100, R=200). Die Lösungen gehören zu den ersten Echos der dynamischen Wandmessung. Der Rauschsensor stört die Messung. 37 zeigt die letzten 25 Lösungen jedes Kanals, um den Verlauf der Lösungen zu verdeutlichen. Es wird deutlich, dass der Weg der Lösungen durch die Anwendung des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters geglättet wird. Außerdem werden zwei Störwerte von Kanal 2 und ein Störwert von Kanal 3 aussortiert.
Beispielhafte Implementierung
Die Filterung aller Echosignale eines Zyklus benötigt mehrere Kalman-Filter mit zugehörigen Kalman-Filterverfahren. Vor allem die ersten Ultraschallechos sollen keine falschen Informationen über die Umgebung liefern, da sie die nächstgelegenen Hindernisse erkennen. Deshalb wird zunächst eine Filterung der 12 ersten Echos durchgeführt. Für die beispielhafte Anwendung von 12 verschiedenen Kalman-Filtern mit separat parametrierten Kalman-Filterverfahren, sind im beispielhaften Quellcode des Programms der der MCU Strukturen implementiert. Eine Struktur enthält die verschiedenen Variablen für den Filter. Eine weitere Struktur initialisiert diese Variablen für 12 verschiedene Zustände. Jeder Zustand speichert die aktuellen Werte der Variablen für ein Kalman-Filterverfahren eines Kalman-Filters. Das Kalman-Filter-Verfahren ist in der Kalman-Funktion implementiert. Die Trilaterationsfunktion ruft bevorzugt diese Funktion vor der Berechnung der Trilaterationen im Trilaterationsverfahren auf. Neben dem aktuellen Wert des aktuell bearbeiteten Ultraschallechos erwartet der Kalman-Filters in Form des von dem Ultraschallsensorsystem ausgeführten Kalman-Filterverfahrens, einen Zustandsparameter, um den Rohwert dem richtigen Filterzustand zuzuordnen. Die Filtercharakteristik wird in einem weiteren
Struktur. Dort werden die Parameter Q, R und zwei Grenzwerte für die manuellen Abfragen eingestellt. Diese Parameter sind für alle Filterzustände gleich. Neben den Parametern beeinflussen die manuellen Abfragen das Filterverhalten. Sie sind bevorzugt Teil des Kalman-Filterverfahrens, der bei jedem Aufruf der Kalman-Funktion durch das Ultraschallsensorsystem derselbe ist. Die manuellen Teile können separat aktiviert und deaktiviert werden. Dies kann hilfreich sein, wenn es Probleme mit der Filterausgabe gibt. Die Implementierung wurde bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags durch praktische Messungen getestet. Allerdings könnten die Abfragen zu falschen Ausgaben führen, was bei den Messungen bei den Vorversuchen jedoch nicht auftrat.
Die Laufzeit des Kalman-Filterverfahrens im Kalman-Filter ist sehr gering, ähnlich wie beim Trilaterationsverfahren. Die maximale Laufzeit für jeden Filter beträgt 2,7µs. Daher hat sie einen minimalen Einfluss auf die Zykluslaufzeit von 120ms.
Stufe 4b Clustering
Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit der Filterung von resultierenden 2D-Lösungen des Trilaterationsverfahrens. Dazu wurde ein Clustering-Verfahren implementiert und bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags beispielhaft getestet. Das Ziel des Clustering ist die Verbesserung des Rauschverhaltens.
Für informationstechnische Systeme steht ein Cluster für eine Gruppe von Daten, die durch ein Clustering-Verfahren ermittelt wurde. Die Datenpunkte eines Clusters sind aufgrund ihrer Beziehung zu den umgebenden Datenpunkten einander ähnlich. Ein Clustering-Verfahren erhält viele Eingabedaten, um verschiedene Cluster zu bestimmen. Clustering ist ein Teil des unüberwachten maschinellen Lernens. Das Wort „unüberwacht“ ist als „nicht überwacht“ zu verstehen. Das bedeutet, dass die Clustering-Verfahren auf sich selbst gestellt sind, um Strukturen in ihren Eingabedaten zu finden. Es werden den Verfahren keine Labels vorgegeben /18/.
Der gebräuchlichste ist das K-Means-Clustering-Verfahren. Er ist das einfachste unüberwachte Lernverfahren. Das Verfahren trennt die Datenpunkte basierend auf mehreren Zentroiden in den Daten. Die Datenpunkte werden anhand der quadrierten Abstände zu den Zentroiden einem Cluster zugewiesen. Neben zentroidbasierten gibt es auch dichtebasierte Verfahren. Dichtebasierte Verfahren bestimmen ihre Cluster durch die Konzentration der Datenpunkte. Ein gängiges dichtebasiertes Verfahren ist das DBSCAN-Verfahren (density-based spatial clustering of applications with noise). Im Vergleich zum K-means-Verfahren ist das DBSCAN-Verfahren in der Lage, Ausreißer in den Daten zu finden. Diese Eigenschaft ist der Grund für die Anwendung des DBSCAN-Verfahrens zur Filterung der 2D-Positionen /18/.
DBSCAN
Das DBSCAN-Verfahren bestimmt den Cluster durch Berücksichtigung der Dichte der 2D-Datenpunkte. Dazu werden die Abstände zwischen den Datenpunkten berechnet. Das Verfahren unterscheidet zwischen „Kernwerten“ und „Nicht-Kernwerten“. 38 zeigt den Unterschied zwischen beiden. Die Punktemit nicht unterbrochenen Kreisen stellen die Kernwerte eines Clusters dar. Die Punkte mit kurz gestrichelten Kreisen gehören zum Cluster, aber nicht zum Kern des Clusters. Den Punkt mit einem lang gestrichelten Kreis interpretiert die vorgeschlagene Vorrichtung mit Hilfe des DBSCN-Verfahrens als Rauschen. Die Vorrichtung führt auf einem ihrer Prozessoren - z.B. der MCU des NXP-Boards NXPB bevorzugt das DBSCAN Verfahren aus. Die jeweiligen Kreise um die jeweiligen Datenpunkte visualisieren den Abstand ε, der ein Parameter des Verfahrens ist. Die Strichelung dieser Kreise korrespondiert mit der Strichelung der Punkte. Der andere Parameter ist der Parameter „inPts“. Dieser Parameter definiert die minimale Anzahl von Datenpunkten, die innerhalb des Kreises eines Punktes liegen sollten, um diesen Punkt als Mitglied eines Clusters zu interpretieren. 38 zeigt ein Szenario mit dem Parameter minPts = 3 oder minPts=4. Jeder Datenpunkt mit einer durchgezogenen Kreislinie als Umrandung hat drei andere Werte innerhalb seines Kreises. Der Kreis 3101 wird auch Nachbarschaft des Datenpunkts genannt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist nur ein beispielhafter Datenpunkt A und nur der diesem zugehörige Schwellwertkreis 3801 in der 38 mit einem Bezugszeichen versehen. Die anderen Bezugszeichen dieser Datenpunkte A sind zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Die Punkte mit einer kurzgestrichelten Kreislinie haben nur einen weiteren Wert in ihrer Nachbarschaft. Daher sind sie kein Kernwert des Clusters. Sie gehören aber trotzdem als Nichtkernwerte zum Cluster, da die Nachbarn der Punkte mit einer kurzgestrichelten Kreislinie zu den Kernwerten gehören. Der Punkt mit der lang gestrichelten Kreislinie hat keine Nachbarn und wird als Rauschwert interpretiert /19/.
Das DBSCAN-Verfahren liefert in Abhängigkeit von den gewählten Parametern unterschiedliche Cluster. 39 veranschaulicht die Ausgabe des Verfahrens anhand der generierten Daten. Das Verfahren teilt die Daten in drei Cluster ein. Er ordnet die Werte einem Cluster zu, indem er sie mit einem Cluster-Label abspeichert. Weiterhin unterscheidet das Verfahren zwischen Kern- und Nichtkernwerten. Die Kernwerte werden mit größeren Punkten visualisiert als die Nichtkernwerte.
Die Parameter dieser Darstellung wurden auf minPts=10 und ε =0,3 gesetzt. Die schwarzen Punkte visualisieren die Rauschwerte /19/.
Clustering-Verfahren
Die Anwendung des Clustering-Verfahrens bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags besteht darin, verrauschte 2D-Datenpositionen herauszufiltern. Die Idee ist, dass das Clustering-Verfahren Cluster erzeugt, die zu Hindernissen im 2D-Raum der Ultraschallsensoren gehören. Lösungen, die weit von den Clustern entfernt sind, sollen aussortiert werden. Das erläuterte DBSCAN-Verfahren unterscheidet zwischen dem Rauschen und den Clusterwerten. Jeder Datenpunkt wird einem Cluster zugewiesen. Diese Zuordnung ist jedoch für die Filterung der Lösungen nicht notwendig. Das Clustering-Verfahren wurde für die Verwendung in dem hier vorgestellten Ultraschallsensorsystem vereinfacht, um Rauschsignale herauszufiltern. Basierend auf dem DBSCAN-Verfahren wird ein eigenes, neues Clustering-Verfahren entwickelt, implementiert und getestet.
40 zeigt das Flussdiagramm des neuen, vorgeschlagenen Clustering-Verfahrens. Die Verfahrensschritte dieser Clustering-Funktion werden nach den Trilaterationen durchgeführt.
Immer, wenn es in einem Kanal eine Lösung gibt, ruft das Ultraschallsensorsystem die Funktion des Clustering-Verfahrens mit dieser Lösung als Parameter (sol) aufgerufen. Zunächst initialisiert das Ultraschallsensorsystem den Cluster-Index k und den Zähler des Nachbarn initialisiert. Danach berechnet das Ultraschallsensorsystem den Abstand zwischen der Lösung und dem ersten Element des Cluster-Arrays. Das Cluster-Array enthält dabei die letzten Lösungen. Der Standardwert für die Arraygröße ist 25, was bedeutet, dass das Verfahren Cluster anhand der letzten 25 Punkte bildet. Das Ultraschallsensorsystem berechnet mit Hilfe des Verfahrens das Quadrat des Abstands zwischen der aktuellen Lösung und dem ersten Element des Cluster-Arrays. Danach vergleicht das Ultraschallsensorsystem den so ermittelten Abstand mit dem Quadrat der Nachbarschaft ε². Die Idee der Verwendung des Quadrats des Abstands und ε² ist, dass es so keine Notwendigkeit gibt, die Quadratwurzel zu berechnen, um den richtigen Abstand zu ermitteln. Das Quadrat der Nachbarschaft ε² kann hier vor Anwendung des Verfahrens vorberechnet werden.
Ist der Abstand zwischen der aktuellen Lösung und dem Cluster-Array-Element kleiner ist als die Nachbarschaft, inkrementiert das Ultraschallsensorsystem den Zähler der Nachbarn. Dann wird der Index inkrementiert, und die Berechnung beginnt erneut mit dem nächsten Element des Cluster-Arrays. Nachdem der Abstand zwischen der aktuellen Lösung und jedem Element geprüft wurde, vergleicht das Ultraschallsensorsystem die Anzahl der Nachbarn mit dem Parameter minPts. Für minPts= 3 akzeptiert das Ultraschallsensorsystem die Lösung, wenn es zwei oder mehr Nachbarn gibt. Wenn es nur einen Nachbarn gibt, gibt die Funktion einen booleschen True-Noise-Wert zurück. Bevor dieser Boolean zurückgegeben wird, wird der aktuelle Wert dem Cluster-Array für den nächsten Aufruf der Funktion hinzugefügt.
Die Clustering-Funktion wurde anhand von generierten Daten getestet und mit dem DBSCAN-Verfahren verglichen. Die Funktion liefert die gleichen Cluster wie das DBSCAN-Verfahren. Das oben erläuterte Verfahren berücksichtigt jedoch im Gegensatz zum DBSCAN-Verfahren nur die Kernwerte eines Clusters. Das Labormuster der Vorrichtung umfasste eine Funktion zum Finden der Nichtkernwerte in einer Testbench. Die Anwendung des Clustering-Verfahrens auf praktische Messungen zeigt, dass Nichtkernwerte nur in einigen Szenarien auftreten und keine weiteren Informationen über die Umgebung liefern. Daher werden Nichtkernwerte nicht im Quellcode für das Programm der MCU des Ultraschallsensorsystems implementiert.
Parameter
Die Konfiguration der Parameter minPts und ε ist wesentlich. Die maximale Geschwindigkeit des Ultraschallsensorsystems - d.h. des Fahrzeugs - wird mit 2m/s angenommen. Das bedeutet, dass die maximale Differenz von einer Position ist $Δ p_{m a x} = \underset{c y c l e t i m e}{\underset{︸}{120 m s}} * \underset{v_{f i l t e r_m a x}}{\underset{︸}{2 \frac{m}{s}}} = 24 c m$
pro Zyklus. Zur Erkennung eines Hindernisses mit der maximalen Geschwindigkeit, insbesondere, wenn sie nur in einem Fall erkannt wird, muss ε so gewählt werden, dass ε =(minPts-1)*Δp_max. Das führt zu einer Nachbarschaft von 48cm bei einer minimalen Abtastzahl von minPts= 3. Wenn zwei Kanäle ein schnelles Hindernis erkennen, kann die Nachbarschaft auf 24cm heruntergesetzt werden. Wenn drei oder vier Kanäle ein Hindernis erkennen, ist die Zeitverzögerung zwischen den Kanälen entscheidend, da der Cluster innerhalb eines Zyklus aufgebaut wird. Für eine sichere Erkennung von Hindernissen mit der maximalen Geschwindigkeit muss ε in diesem Beispiel gleich oder größer sein als 48cm.
41 zeigt eine Beispielausgabe des Clustering-Verfahrens. Die visualisierten Lösungen gehören zu einer statischen Fahrzeugmessung (30). Ein fünfter Rauschsensor stört die Messung. Das Clustering-Verfahren verwendet eine Nachbarschaft von 50cm, um mit hohen Geschwindigkeiten umgehen zu können. Die Größe des Cluster-Arrays beträgt 25, und die minimalen Punkte eines Clusters werden mit 3 gewählt (minPts=3). Die Rauschwerte des Verfahrens sind als gepunktete Kreise in 41 aufgetragen. In 41 sind zwei Rauschwerte dargestellt. Zwei andere falsche Lösungen (Kanal 1 und Kanal 3) werden durch das Clustering-Verfahren nicht gefiltert.
Bei statischen Szenarien arbeitet der Filter ähnlich wie der Kalman-Filter ohne Verzögerung. In dynamischen Szenarien benötigt der Filter Iterationen, um neue Lösungen zu akzeptieren. Das Szenario des bewegten Fußgängers (34) ist hierfür nur ein Beispiel. Abhängig von dem Parameter minPts interpretiert das Verfahren die ersten Werte von neuen Objekten als Rauschen. Für minPts = 3 werden die ersten beiden Lösungen, die auf das Hinzutreten des Fußgängers zurückzuführen sind, nicht akzeptiert, da der Cluster drei Lösungen benötigt. Der ungünstigste Fall für minPts=3 ist, wenn nur ein Kanal den Fußgänger erkennt. Dies verursacht eine Verzögerung von zwei Zyklen.
Implementierung
Die Implementierung des Clustering-Verfahrens ist weniger komplex als die Implementierung des Kalman-Verfahrens. Der Prozess des Filters kann anhand eines kurzen Flussdiagramms (40) erklärt werden. Das Verfahren ist bei den Vorversuchen in einer Clustering-Funktion implementiert. Die drei Parameter werden in einer Struktur initialisiert, die das Ultraschallsensorsystem in der Trilaterationsfunktion aufruft. Das Ultraschallsensorsystem ruft sie wird jedes Mal auf, wenn die Trilateration eine Lösung berechnet. Im Vergleich zum Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters wendet das Ultraschallsensorsystem das Verfahren auf die erste, zweite und dritte Echolösung an. Das Clustering-Verfahren des Clustering-Filters kann wie das Trilaterationsverfahren und das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters bevorzugt separate, beispielsweise durch eine Definitionsanweisung im Quellcode, aktiviert werden. Die Laufzeit der Clustering-Funktion ist minimal. Sie hat keinen Einfluss auf die Laufzeit eines Zyklus.
Filterung in den Stufen 3 bis 4 - Zusammenfassung
In den letzten Abschnitten behandelte diese Schrift zwei verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Ultraschallsensorsystems durch Filterung der Echos und der Lösungen. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters reduziert die Streuung der 2D-Positionen. Außerdem ermöglicht die manuellen Teile die Filterung von Rauschwerten die schnelle Verfolgung der Messung. 38 verdeutlicht das. Es gibt aber auch Szenarien, die zu falschen Lösungen durch das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters führen. 42 zeigt ein Beispiel.
Beide Visualisierungen gehören zu einer dynamischen Wandmessung. Auf die Ultraschallechos wird eine Kalman-Filterung mittels eines Kalman-Filterverfahrens angewendet und anschließend ein Clustering. Die linke Visualisierung zeigt Lösungen während der Messung. Eine falsche Lösung entsteht durch die Anwendung des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters. Das Clustering-Verfahren filtert diese Lösung. Daher ist sie als gepunkteter Punkt unten rechts in 42a kreisförmig eingezeichnet. 42b zeigt einige Zyklen des ersten Ultraschallechos des Ultraschallsensors 3 in Kanal 3, was der Grund für die falsche Lösung ist. Das gemessene Ultraschallecho hat zwei Rauschsignale in drei aufeinanderfolgenden Zyklen. Der erste Sprung (Zyklus = 174) wird nicht als Rauschen interpretiert, weil der Sprung kleiner ist als
Δe_max = 1400µs. Der Rücksprung (Zyklus = 175) auf den realen Wert wird jedoch als Rauschen missverstanden. Daher wird der dritte Sprung (Zyklus = 176) zum Rauschsignal als gültiges Ereignis interpretiert und der Sprung zurück zur Messung (Zyklus = 177) als Rauschen. Diese Fehlinterpretation führt zu dem schwarzen 2D-Punkt in 42. Die Lösung ergibt sich aus dem Fallback auf einen Ein-Sensor-Szenario. Die Trilateration findet keine Lösung für das erste Ultraschallecho im Zyklus 176 und 177. Das Beispiel verdeutlicht den Vorteil der Anwendung des Clustering-Verfahrens auf 2D-Lösungen. Der Nachteil der Anwendung des Verfahrens ist, dass die Lösungen in sich schnell ändernden Umgebungen verzögert werden. Die Wahl des Parameters minPts = 2 könnte zu einer Verzögerung von einem Zyklus führen.
Generell sind drei Gründe für einen verzögerten Filterausgang zu unterscheiden. Der erste ist die Verzögerung, die durch das Trilaterationsverfahren entsteht. Wenn sich z. B. ein Fußgänger von der rechten auf die linke Seite bewegt. Kanal 3 würde den Fußgänger in den ersten Zyklen erkennen. Bewegt sich der Fußgänger jedoch in den Bereich von Kanal 3, nachdem Ultraschallsensor 3 seine Echos gesendet und empfangen hat, würde sich die erste Lösung für den Fußgänger um die Laufzeit der ersten drei Kanäle verzögern. Bei einer Zykluszeit von 120ms und einer Kanalverzögerung von 30ms würde diese Verzögerung etwa 90ms betragen. Die zweite Verzögerung, die im Fußgängerszenario auftreten würde, ist die Verzögerung, die durch das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters verursacht wird. Der erste Sprung würde als Rauschen im ersten Zyklus interpretiert werden. Die dritte Verzögerung wird durch Clustering verursacht, abhängig von der Wahl von den Parameter minPts. Die folgende Gleichung fasst die drei verschiedenen Verzögerungen zusammen: $D e l a y_{m a x} = \underset{t r i l a t e r a t i o n}{\underset{︸}{t_{c h}}} + \underset{K a l m a n}{\underset{︸}{t_{c y c l e}}} + \underset{c l u s t e r i n g}{\underset{︸}{(m i n P t s - 1) * t_{c y c l e}}}$
Unter der Annahme des schlechtesten Timings des Fußgängers und eines Clustering-Parameters minPts = 2, würde die Verzögerung 330ms betragen. Damit ist die Anforderung des Systems an eine maximale Reaktionszeit von 500ms gewährleistet
Die praktischen Messungen bei den Vorversuchen zur Ausarbeitung dieses Vorschlags zeigen das beste Filterverhalten, wenn im Signalpfad das Ultraschallsensorsystem zuerst ein Kalman-Filterverfahren eines Kalman-Filters auf die Ergebnisse des Trilaterationsverfahrens anwendet und danach im Signalpfad das Ultraschallsensorsystem das Clustering-Verfahren, insbesondere mit den Parametern der 42 angewendet.
Diskussion
Das Trilaterationsverfahren zielt darauf ab, so viele Informationen wie möglich über die Umgebung zu erhalten. Deshalb werden drei Ultraschallechos pro Ultraschallsensor berücksichtigt. Das Verfahren ordnet die Echos zu, indem es mehrere Trilaterationslösungen von zwei Ultraschallsensoren vergleicht. Diese Zuordnung ist die größte Herausforderung, um korrekte Hindernispositionen zu erhalten. In den Vorversuchen zur Erarbeitung des Inhalts der technischen Lehre dieser Schrift wurde das Verfahren wird mit kleinen Stangenobjekten (Pfosten) entwickelt und getestet, um eine klare Trennung der Ultraschallechos zu erhalten. Während der Entwicklung kam es zu falschen Lösungen durch falsche Echozuordnungen. Das Verfahren wurde schrittweise angepasst, um diese Fehllösungen zu vermeiden. Allerdings kann nicht jedes Szenario mit mehreren Pfosten als Objekten korrekt dargestellt werden. Ein Beispiel ist, wenn zwei Pfosten mit gleichem Abstand zu einem Ultraschallsensor positioniert sind. Das Verfahren wendet das erste Ultraschallecho nur einmal an, um Fehllösungen zu vermeiden. Daher kann die Position des zweiten Pfostens nicht mit der korrekten Echozuordnung ermittelt werden. Würde das erste Ultraschallecho mehr als einmal berücksichtigt werden, würde das in anderen Szenarien zu falschen Lösungen führen. Die korrekte Echozuordnung durch die Berücksichtigung von drei Ultraschallechos pro Ultraschallsensor ist kompliziert und erforderte bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags viel Zeit für das Testen mit den beispielhaften Pfosten als Objekten. Ein praktisches Beispiel für eine komplizierte Echozuordnung ist das Pflanzenhindernis (31). Die unregelmäßige Oberfläche führt zu einer hohen Streuung der Lösungen. Im Gegensatz dazu sind andere Szenarien weniger kompliziert. Die Wand und das Auto-Objekt werden primär durch die ersten Ultraschallechos erkannt, ohne dass eine hohe Streuung der Lösungen auftritt (37).
Das Verfahren vergleicht Lösungen anhand von Abständen in x- und y-Richtung. Um eine Lösung wird ein Quadrat gebildet und in jeder Iteration vergrößert, bis eine andere Lösung in diesem Quadrat liegt oder der Grenzwert erreicht ist. Dieses Verfahren könnte auch kreisförmig implementiert werden. Dabei würde der Abstand zwischen den Lösungen über die Akzeptanz der aktuellen Lösung entscheiden. Dies würde jedoch mehr Rechenleistung benötigen. Ein weiterer Grund für die Wahl des quadratbasierten Vergleichs ist die Möglichkeit, das Quadrat in x- und y-Iterationen aufzuteilen. Das bedeutet, dass das Verfahren zwei Zähler liefern würde, einen für den Abstand der Lösungen in x-Richtung und einen für den Abstand der Lösungen in y-Richtung. Diese Information würde mehr Details über die Umgebung liefern. Eine gemessene Wand würde z. B. große Unterschiede zwischen den x- und den γ- Abständen der Lösungen aufweisen.
Ein sehr wichtiges Merkmal des Verfahrens ist der Rückgriff auf Lösungen mit weniger als drei Ultraschallsensoren. Dies ermöglicht eine sichere Objekterkennung für kurze Distanzen. Die Bereiche für Lösungen von zwei Ultraschallsensoren sind überlappend, um die sichere Erkennung zu erhöhen. Ein weiteres Merkmal des Zwei-Sensor-Fallbacks ist, dass eine Lösung basierend auf zwei Ultraschallsensoren im Fallback-Bereich akzeptiert wird, bevor mögliche Drei-Sensor-Lösungen geprüft werden. Dadurch wird sichergestellt, dass eine erste Echolösung einer Trilateration zwischen zwei Ultraschallsensoren immer im Fallback-Bereich akzeptiert wird. Würde das Verfahren zuerst drei Sensorlösungen prüfen, könnte er die Echos falsch zuordnen. Er könnte Lösungen mit einem ersten Ultraschallecho und weiteren zweiten und dritten Ultraschallechos liefern, die nicht zum gleichen Objekt gehören. Deshalb ist es wichtig, zuerst die Trilaterationen von zwei Ultraschallsensoren im Rückfallbereich (Fallback-Bereich) zu prüfen und danach drei Sensorlösungen zu finden.
Der zweite Teil dieser Schrift beschäftigte sich mit der Filterung der Ultraschallechosignale und den Lösungen. Der erste beschriebene Filter ist der Kalman-Filter mit einem Kalman-Filterverfahren. Die Wahl der Parameter Q und R ist wesentlich für das Ergebnis der Filterung. Die Parameter des Kalman-Filterverfahrens bestimmen iterativ die Kalman-Verstärkung. Die Berechnung der Kalman-Verstärkung ist unabhängig von der Messung. Der Verstärkungsfaktor konvergiert in mehreren Iterationen auf einen Wert, abhängig von den Parametern Q und R. Wenn die Parameter Q und R während der Messung nicht verändert werden, ist es möglich, den Verstärkungsfaktor vorher zu berechnen und die Kalman-Verstärkung durch einen konstanten Faktor zu ersetzen. Der Filter mit einem konstanten Verstärkungsfaktor wird auch als αβγ-Fiiter bezeichnet /20/. Das Gegenteil einer konstanten Verstärkung ist die Änderung der Parameter Q und R, um ein adaptives Filter entsprechend den unterschiedlichen Abweichungen der verschiedenen Umgebungen zu erhalten. Die Anpassung der beiden Parameter ist jedoch sehr schwierig, da die Varianzen der Ultraschallechos im gleichen Szenario sehr unterschiedlich sein können (30). Der Ersatz der Verstärkungsberechnung und die Adaption der Parameter wurden bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags nicht implementiert. Sie sind Ideen zur Verbesserung der Implementierung. Neben den Parametern sind auch die manuellen Teile für das Filterverhalten wichtig. Sie erhöhen die Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit des Systems. Die Wahl der manuellen Grenzen ist wesentlich für den Filterausgang.
Der zweite hier beschriebene Filter ist der Clustering-Filter. Die Ausgabe des Clustering-Filters wird durch die Wahl seiner Parameter bestimmt. Der Parameter für die Nachbarschaft wurde beispielhaft bei der Ausarbeitung des Vorschlags mit ε = 25cm gewählt, um Hindernisse mit einer maximalen Geschwindigkeit von 2 m/s zu detektieren. Dies führt zur Akzeptanz von falschen Lösungen. Daher ist eine Idee, die Nachbarschaft durch die der Dynamik einer Szene anzupassen. Bei statischen Messungen sollte die Nachbarschaft sehr klein sein (ε = 5 bis ε = 10cm). Dynamische Messungen sollten zu höheren Nachbarschaften führen bis zu einem Maximalwert von ε = 50cm. Eine Idee ist, einen Vektor zwischen den letzten beiden ersten Ultraschallecholösungen in jedem Kanal zu berechnen, um einen Wert für die maximale Dynamik einer Szene zu erhalten. Ein Problem ist, dass Rauschen die Länge dieses Vektors vergrößern würde und damit auch ε. Der Vektor selbst muss daher geeignet gefiltert werden. Das führt je nach Filter zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit des Systems. Anhand der praktischen Messungen wurde bei der Ausarbeitung des Vorschlags eine Adaption mit einem Vektor im Kanal 0 getestet. Der Vektor wird mit einem einfachen Mittelwertfilter gefiltert. Insbesondere Hindernisse wie die Pflanze führen zu einem unerwünschten Filterausgangssignal.
Die Kombination aus einem Kalman-Filter-Verfahren gefolgt von dem Clustering-Verfahren zeigt die beste Gesamtfilterwirkung für die Ergebnisse des Trilaterationsverfahrens. Die beiden Bedingungen, eine Dynamik von 2m/s und die schnelle Erkennung von neuen Hindernissen innerhalb von 500ms, werden durch die richtige Wahl der Filterparameter erfüllt. Das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters und seine manuellen Teile filtern die meisten Rauschsignale und glätten die 2D-Punkte. Das Clustering-Verfahren bietet eine Unterstützung für das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters, da es mit den Standardparametern einen weiteren Störwert herausfiltern kann (42). Das Rauschverhalten wurde bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags mit einem störenden Rauschsensor getestet. Weitere Messungen könnten helfen, die Zuverlässigkeit des Systems in Bezug auf Störungen in Parkszenen mit mehreren Störsensoren zu bewerten.
Zusammenfassung
Das Ziel der Vorarbeiten zu dieser Schrift war es, ein zuverlässiges ultraschallbasiertes Hinderniserkennungssystem für Parkanwendungen zu entwickeln. Die diese Vorarbeiten können in zwei Bereiche unterschieden werden. Der erste beschreibt die Implementierung des Objekterkennungsverfahrens. Der zweite Teil erklärt zwei verschiedene Filter, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern. Die hier vorgelegte Schrift beginnt mit einem kleinen Abschnitt zur Einführung in die Grundlagen des Ultraschalls. Danach werden die Hardwarekomponenten und das Kommunikationskonzept erläutert. Der Schwerpunkt des Kommunikationskonzeptes liegt auf den Konfigurationen des Ultraschallsensors. Der Vergleich der Hüll- und Schwellenkurve liefert die Ultraschallechos für das nachfolgende Verfahren. Ein folgender Abschnitt beschreibt den Vergleich verschiedener Trilaterationslösungen unterschiedlicher Ansichten. Am Ende dieses Abschnitts wird der Fallback von Drei-Sensor-Lösungen auf Zwei- und Ein-Sensor-Lösungen beschrieben. Danach werden zwei Filterkonzepte, nämlich das Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters und das Clustering-Verfahren, vorgestellt. Die Wahl der Parameter und die manuellen Teile des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters sind die wichtigsten Eigenschaften des Kalman-Filterverfahren des Kalman-Filters. Ein folgender Abschnitt beschreibt das Clustering-Verfahren. Er zeigt die Ausgabe des Filters in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern. Das gewünschte Gesamtfilterverhalten wird aber erst durch die Kombination beider Filterverfahren erreicht. Am Ende der dieser Schrift werden einige Ideen diskutiert, die das Erkennungssystem verbessern können.
Das Ultraschallsensorsystem weist einen Prozessor auf, der die drei hier beschriebenen Verfahren Trilaterationsverfahren, Kalman-Filterverfahren und Clustering-Verfahren hintereinander ausführt und dadurch ein Steuersignal zur Steuerung oder zur Signalisierung an einen Fahrer gewinnt. Somit hängt gemäß der hier vorgelegten technischen Lehre beim autonomen maschinellen Einparken zumindest ein Steuerparameter des Fahrzeugs von einem Ausgangswert des Clustering-Verfahrens ab, das der Rechner des Ultraschallsensorsystems ausführt.
Beschreibung des Kerns der Lösung
Vorrichtung
Die hier vorgestellte technische Lehre betrifft ein Ultraschallsensorsystem (USSS) für ein Fahrzeug oder für eine mobile Vorrichtung als zur Ermittlung einer Umfeldkarte mit Koordinaten von Objekten in der Umgebung des Ultraschallsensorsystems (USSS) in Form von akzeptierten Lösungen. Das Ultraschallsensorsystem (USSS) umfasst zumindest n Ultraschallsensoren (0,1,2,3), wobei n eine ganze positive Zahl ist für die gilt 3<n. Die n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) sin typischerweise längs einer kreuzungsfreien, geraden oder gebogenen Linie angeordnet. Typischerweise sind die Ultraschallsensoren in bevorzugt einer Höhe über Grund äquidistant beispielsweise in einer Stoßstange eines Fahrzeugs verbaut. Äquivalente Anordnungen sind beispielsweise für Roboter denkbar.
Fahrzeuge im Sinne dieser Schrift sind alle mobilen Vorrichtungen und zwar insbesondere mobile Vorrichtungen, die sich eigenständig bewegen können. Im Sinne dieser Schrift können dabei die Ultraschallsensoren entsprechend ihrer Position längs dieser Linie so durch Abzählen durchnummeriert werden. Das bedeutet, dass einer der beiden am weitesten außenliegenden Ultraschallsensoren der erste Ultraschallsensor 0 ist, der diesem längs der Linie am nächsten liegende der zweite Ultraschallsensor 1 ist, der diesem zweiten Ultraschallsensor 1 am nächsten liegende noch nicht nummerierte Ultraschallsensor der dritte Ultraschallsensor 2 ist, der diesem dritten Ultraschallsensor 2 am nächsten liegende noch nicht nummerierte Ultraschallsensor der vierte Ultraschallsensor 3 ist und so fort. Die Ultraschallsensoren werden also von links nach rechts oder von rechts nach links durchnummeriert. Somit unterscheiden sich unmittelbar auf der Linie benachbart liegende Ultraschallsensoren hinsichtlich ihrer Nummer um einen Wert von genau 1. Diese Nummerierung dient nur zur Orientierung innerhalb dieser Schrift. Dies bedeutet ausdrücklich nicht, dass die Ultraschallsensoren mit einer Nummer, beispielsweise in aufgedruckter Form nummeriert sein müssen. Daher ist das Wort „kann“ in den Ansprüchen so zu verstehen, dass diese Nummerierung nur der Orientierung und klaren Bezeichnung der Ultraschallsensoren innerhalb der Ansprüche und innerhalb dieses Textes dient. Damit die Ultraschallsensoren als solches arbeiten können, umfasst bevorzugt jeder der n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 zumindest einen Ultraschallsender oder einen Ultraschalltransducer UTR zum Aussenden von Ultraschallbursts als Ultraschallwellen USW und zumindest einen Ultraschallempfänger oder den Ultraschalltransducer UTR zum Empfangen der reflektierten Ultraschallbursts als reflektierte Ultraschallwellen (USR). Zur weiteren Verarbeitung innerhalb des Ultraschallsensorsystems USSS erzeugt bevorzugt jeder Ultraschallsensor der n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 jeweils ein jeweiliges Ultraschallempfangssignal dieses Ultraschallsensors mit einer jeweiligen Echosignalisierung erm. Eine beispielhafte Echosignalisierung erm der Ultraschallechos ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6 ist beispielsweise in 5 dargestellt. In diesem Zusammenhang verweisen wir beispielsweise auch auf die Schriften DE 10 2018 106 244 B3 und WO 2020 182 963 A1 und WO 2018 219 966 A1 . Die Ultraschallechos, die an einem dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 eintreffen werden im Sinne dieser Schrift von 1 bis k_r mit k_r als ganzer positiver Zahl durchnummeriert. Die Durchnummerierung der Ultraschallechos erfolgt im Sinne dieser Schrift für jeden der Ultraschallsensoren dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 und für jeden Messzyklus separat. Ein Messzyklus im Sinne dieser Schrift beginnt mit dem Aussenden der Ultraschallwelle USW des Ultraschallbursts durch einen der Ultraschallsensoren dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 und Endet mit dem erneuten Aussenden eines nachfolgenden weiteren Ultraschallbursts durch einen dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 des Ultraschallsensorsystems USSS. Betrachtet man nun einen der Ultraschallsensoren dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3, der beispielhaft der r-te Ultraschallsensor dieser n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 mit 1≤r≤n sein soll, so umfasst die jeweilige Echosignalisierung erm dieses r-ten Ultraschallsensors der n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 mit 1≤r≤n jeweils die zeitlich aufeinander folgenden Signalisierungen von 0 bis k_r Ultraschallechos ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6 nach dem Aussenden eines Ultraschallbursts durch das Ultraschallsensorsystem USSS, wobei k_r eine positive ganze Zahl größer gleich 0 ist. Im Falle von k_r=0 hat der r-te Ultraschallsensor in dem betreffenden Messzyklus kein Ultraschallecho empfangen. Bevorzugt weist das Ultraschallsensorsystem USSS zumindest 2 Kanäle, besser mehr Kanäle, auf. Bevorzugt verfügt das Ultraschallsensorsystem zumindest über einen u-ten Kanal und einen u+1-ten Kanal Messwerte seines Umfelds erzeugt, wobei mit 1<u<n-1 gilt und u eine ganze positive Zahl ist. Im Falle von n=4 verfügt das Ultraschallsensorsystem also zumindest über einen zweiten Kanal und einen dritten Kanal. Der erste Kanal und der vierte Kanal sind im Falle von n=4 Randkanäle. Randkanäle sind Sonderfälle, die diese Schrift oben ausführlich behandelt.
Das Erzeugen von Messwerten über einen j-ten der n-2 möglichen Kanäle mit j>1 und j<n bedeutet dabei jeweils, dass der j-te Ultraschallsensor 1,2 der n Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen Ultraschallburst in das Umfeld des Fahrzeugs aussendet und dass der (j-1)-te Ultraschallsensor 0,1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt und dass der j-te Ultraschallsensor 1,2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst nach dem Aussenden des Ultraschallbursts empfängt und dass der (j+1)-te Ultraschallsensor 2,3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt.
Des Weiteren bedeutet das Erzeugen von Messwerten über einen j-ten der n-2 möglichen Kanäle mit j>1 und j<n bedeutet dabei jeweils, dass der (j-1)-te Ultraschallsensor 0,1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des (j-1)-ten Ultraschalsensors 0,1 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der (j-1)-te Ultraschallsensor 0,1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des (j-1)-ten Ultraschalsensors 0,1 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der (j-1)-te Ultraschallsensor 0,1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des (j-1)-ten Ultraschalsensors 0,1 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der j-te Ultraschallsensor 1,2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des j-ten Ultraschalsensors 1,2 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der j-te Ultraschallsensor 1,2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des j-ten Ultraschalsensors 1,2 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der j-te Ultraschallsensor 1,2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des j-ten Ultraschalsensors 1,2 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der (j+1)-te Ultraschallsensor 2,3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des (j+1)-ten Ultraschalsensors 2,3 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der (j+1)-te Ultraschallsensor 2,3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des (j+1)-ten Ultraschalsensors 2,3 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und dass der (j+1)-te Ultraschallsensor 2,3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des (j+1)-ten Ultraschalsensors 2,3 sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert.
Im Falle von beispielhaft n=4 verfügt das Ultraschallsensorsystem USSS nur über zwei Kanäle, die nicht Randkanäle des Ultraschallsensorsystems sind. Dies sind für n=4 der zweite Kanal 1 und der dritte Kanal 2. Der erste Kanal 0 und der vierte Kanal 3 sind Randkanäle.
Das Erzeugen von Messwerten über den zweiten Kanal 1 der zwei möglichen Kanäle bedeutet dabei jeweils, dass der zweite Ultraschallsensor 1 der 4 Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen Ultraschallburst in das Umfeld des Fahrzeugs aussendet und dass der erste Ultraschallsensor 0 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst nach dem Aussenden des Ultraschallbursts empfängt und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt.
Des Weiteren bedeutet das Erzeugen von Messwerten über den zweiten Kanal 1 der in diesem Beispiel n=4, vier möglichen Kanäle dabei jeweils,
dass der erste Ultraschallsensor 0 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschalsensors 0, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der erste Ultraschallsensor 0 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des ersten Ultraschalsensors 0, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der erste Ultraschallsensor 0 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des ersten Ultraschalsensors 0, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der erste Ultraschallsensor 0 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 weitere Abstandswerte entsprechend weiteren Ultraschallechos des ersten Ultraschalsensors 0, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und
dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 weitere Abstandswerte entsprechend weiteren Ultraschallechos des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert
und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der dritte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert.
Das Erzeugen von Messwerten über den dritten Kanal 3 der zwei möglichen Kanäle bedeutet dabei jeweils, dass der dritte Ultraschallsensor 2 der 4 Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen Ultraschallburst in das Umfeld des Fahrzeugs aussendet und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst nach dem Aussenden des Ultraschallbursts empfängt und dass der vierte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 den reflektierten Ultraschallburst empfängt.
Des Weiteren bedeutet das Erzeugen von Messwerten über den dritten Kanal 2 der in diesem Beispiel n=4, vier möglichen Kanäle dabei jeweils,
dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der zweite Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 weitere Abstandswerte entsprechend weiteren Ultraschallechos des zweiten Ultraschalsensors 1, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert
und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der dritte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der dritte Ultraschallsensor 2 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des dritten Ultraschalsensors 2, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und
dass der vierte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho ec1 des vierten Ultraschalsensors 3, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der vierte Ultraschallsensor 4 der vier Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho ec2 des vierten Ultraschalsensors 3, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der vierte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho ec3 des vierten Ultraschalsensors 3, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert und dass der vierte Ultraschallsensor 3 der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 weitere Abstandswerte entsprechend weiteren Ultraschallechos des vierten Ultraschalsensors 3, sofern ein solches Ultraschallecho auftritt, signalisiert.
Im nun Folgenden betrachtet diese Schrift einen der mindestens zwei Kanäle, über die die Objekterkennung erfolgt genauer. Dieser Kanal sei der u-te Kanal. Dabei ist u wieder eine ganze positive Zahl mit 1<u<n.
Vorschlagsgemäß ermittelt nun das das Ultraschallsensorsystem USSS nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho ec1 des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals.
Nachdem das Ultraschallsensorsystem USSS auf diese Weise so die Rohdaten in Form von Abstandswerten ermittelt hat, folgt nun die Extraktion möglicher Objektkoordinaten der möglicherweise vorhandenen Objekte O aus diesen Rohdaten.
Hierzu führt das Ultraschallsensorsystem USSS bevorzugt mittels seines Steuergeräts ECU und zwar bevorzugt mittels eines Mikrorechners MCU ein Trilaterationsverfahren durch.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt dabei mittels dieses Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte O)im Umfeld des Fahrzeugs. Bei den u-ten Lösungen handelt es sich typischerweise um mehrere Lösungen in Form von x/y-Koordinaten.
Das Ultraschallsensorsystem USSS ermittelt mittels eines Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte O im Umfeld des Fahrzeugs. Bei den (u+1)-ten Lösungen handelt es sich typischerweise um mehrere Lösungen in Form von x/y-Koordinaten.
Aus diesen u-ten Lösungen und den (u+1)-ten Lösungen ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS dann die Objektkoordinaten der Objekte im Umfeld des Fahrzeugs. Bei mehr als 4 Ultraschallsensoren verfügt das Ultraschallsensorsystem USSS über mehr als zwei Kanäle, die keine Randkanäle des Ultraschallsensorsystems USSS sind. In dem Fall behandelt und betreibt das Ultraschallsensorsystem USSS die zusätzlichen Kanäle, die keine Randkanäle sind, in analoger Weise. Die zusätzlichen Lösungen dieser zusätzlichen Kanäle behandelt das Ultraschallsensorsystem USSS bevorzugt in der im Folgenden für zwei Kanäle beschriebenen Weise.
Zunächst gehen wir hier davon aus, dass die bevorzugte und empfohlene Plausibilitätsüberprüfung zunächst nicht stattfindet, um die Beschreibung einfach zu halten. Daher wird dieser hier zunächst vereinfachend übersprungen.
Bevorzugt filtert das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines jeweiligen Kalman-Filter-Verfahrens jede der u-ten Lösungen zu gefilterten u-ten Lösungen und mittels eines jeweiligen Kalman-Filter-Verfahrens jede der (u+1)-ten Lösungen zu gefilterten (u+1)-ten Lösungen. Ganz allgemein filtert bevorzugt das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines jeweiligen Schätzfilter-Verfahrens jede der u-ten Lösungen zu gefilterten u-ten Lösungen und mittels eines jeweiligen Schätzfilter-Verfahrens jede der (u+1)-ten Lösungen zu gefilterten (u+1)-ten Lösungen.
Bevorzugt clustert das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen oder verwirft nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen, die es nicht zu Clustern hinzu-clustert, da sie den Anforderungen, wie oben beschrieben, nicht genügen.
In einer ersten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, wertet das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich auch die zweiten Ultraschallechos ec2 aus. Hierzu
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho ec2 des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals.
Somit stehen nun zusätzliche Rohdaten zur Verfügung, die das Ultraschallsensorsystem USSS entsprechend zusätzlich auswertet.
Hierzu ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs.
Sofern das Ultraschallsensorsystem USSS weitere Lösungen z.B. wg. n>4 ermittelt, wertet das Ultraschallsensorsystem USSS diese weiteren Lösungen bevorzugt in analoger Weise aus und bezieht diese bevorzugt in analoger Weise in die weitere Verarbeitung ein.
In dieser weiterenn Ausgestaltung ermittelt das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs. ermittelt und
Bevorzugt clustert auch in dieser ersten weiteren Ausgestaltung das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen oder verwirft nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen, die es nicht zu Clustern hinzu-clustert, da sie den Anforderungen, wie oben beschrieben, nicht genügen.
Durch die vergrößerte Menge an Rohdaten ist die Anzahl der Objekte O, die das Ultraschallsensorsystem USSS erkennen kann gegenüber der vereinfachten Form erhöht.
In einer zweiten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und der weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, wertet das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich auch die dritten Ultraschallechos ec3 aus. Hierzu ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und
ermittelt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich bevorzugt nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho ec3 des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals.
Somit stehen nun nochmals zusätzliche Rohdaten zur Verfügung, die das Ultraschallsensorsystem USSS entsprechend zusätzlich auswertet.
Hierzu ermittelt bevorzugt das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs.
Des Weiteren ermittelt bevorzugt das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Trilaterationsverfahrens aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos ec1 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals aus dem ggf. ermittelten Abstandswert es zweiten Ultraschallechos ec2 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos ec2 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos ec3 des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte O im Umfeld des Fahrzeugs.
Bevorzugt clustert auch in dieser zweiten weiteren Ausgestaltung das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen oder verwirft nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen, die es nicht zu Clustern hinzu-clustert, da sie den Anforderungen, wie oben beschrieben, nicht genügen.
In einer dritten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, führt das Ultraschallsensorsystem USSS zusätzlich vor der Durchführung der Kalman-Filtererfahren bzw. der Schätzfilterverfahren Plausibilitätsüberprüfungen durch.
Hierzu filtert das Ultraschallsensorsystem USSS mittels Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung jede der u-ten Lösungen zu plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen filtert oder verwirft diese, sofern diese vorgegebenen Bedingungen nicht genügen.
Des Weiteren filtert das Ultraschallsensorsystem USSS mittels Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung jede der (u+1)-ten Lösungen zu plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen filtert oder verwirft diese, sofern diese vorgegebenen Bedingungen nicht genügen.
Danach verarbeitet das Ultraschallsensorsystem USSS diese Daten mittels der Anwendung der Kalman-Filter-Verfahren bzw. Schätzfilterverfahren auf diese Daten. Das Ultraschallsensorsystem (USSS) filtert somit mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens bzw. mittels eines Schätzfilterverfahrens nun jede der plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen zu gefilterten u-ten Lösungen und mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens bzw. mittels eines jeweiligen Schätzfilterverfahrens nun jede der plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen zu gefilterten (u+1)-ten Lösungen.
Bevorzugt clustert auch in dieser dritten weiteren Ausgestaltung das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen oder verwirft nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen, die es nicht zu Clustern hinzu-clustert, da sie den Anforderungen, wie oben beschrieben, nicht genügen.
Diese Plausibilitätsprüfung hat den Vorteil, dass offensichtliche Störungen sich in wesentlich geringerem Maße auswirken.
In einer vierten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, ersetzt das Ultraschallsensorsystem USSS gelöschte Lösungen durch Ersatzlösungen. Dabei ersetzt das Ultraschallsensorsystem USSS die beispielsweise mittels eines Verfahrens zur Plausibilitätsüberprüfung verworfenen u-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten u-ten Lösungen und verwendet diese dann als plausibilitätsgeprüfte u-te Lösungen weiter. In analoger Weise ersetzt das Ultraschallsensorsystem USSS die mittels eines Verfahrens zur Plausibilitätsüberprüfung verworfenen (u+1)-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten (u+1)-ten Lösungen und verwendet diese dann als plausibilitätsgeprüfte (u+1)-te Lösungen weiter.
Dies hat den Vorteil, dass die Löschung nicht plausibler Lösungen nicht zu Störungen führt, die größer als die Störung durch die gelöschte nicht plausible Lösung ist.
Im Folgenden listet die hier vorgelegte Schrift nun einige Beispiele für Plausibilitätsprüfungen auf. Das Ultraschallsensorsystem USSS kann Plausibilitätsprüfungen die nur Abstände betreffen vor und nach der Trilaterationsverarbeitung durchführen. Beide Varianten sind ausdrücklicher Teil der Beanspruchung dieser Schrift. Solche Plausibilitätsprüfungen, die x/y-Koordinaten, also Orte oder Richtungen von Lösungen auswerten führt das Ultraschallsensorsystem USSS bevorzugt vor der Anwendung der Kalman-Filterverfahren bzw. der Schätzfilterverfahren durch.
In einer fünften weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, wertet das Ultraschallsystem USSS aus, ob der Messwert des Abstands von dem Ultraschallsensorsystem USSS größer ist als ein erlaubter Maximalabstand. Dies verhindert Messwerte jenseits einer in einer Qualifikation als zuverlässig und sicher geprüften Maximalreichweite des Ultraschallsensorsystems USSS.
Das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, verwirft bevorzugt hierzu jene der u-ten Lösungen, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als eine maximal erlaubte Laufzeit tmax, insbesondere größer eine Laufzeit von 1,4ms, sind. Das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, verwirft bevorzugt hierzu auch jene der (u+1)-ten Lösungen, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als die maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, insbesondere größer als eine Laufzeit von Δe_max>1,4ms, sind.
In einer sechsten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, wertet das Ultraschallsystem USSS aus, wie viele Ultraschallechos unterschiedlicher Ultraschallsensoren eines Kanals das Objekt detektieren.
Das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, verwirft jene der (u+1)-ten Lösungen bzw. u-ten Lösungen, die nicht auf mindestens genau ein Ultraschallecho eines zugehörigen Ultraschallsensors und genau ein weiteres Ultraschallecho eines zugehörigen weiteren Ultraschallsensors und genau ein zusätzliches Ultraschallecho eines zugehörigen zusätzlichen Ultraschallsensors, als auf drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren sind.
Dies führt dazu, dass das Ultraschallsensorsystem USSS nur sicher mit einer sehr hohen Sicherheit erkannte Objekte O weitergibt. Zumindest kann das Ultraschallsensorsystem damit eine quantitative Zuverlässigkeitsangabe für die Existenz und den Ort des Objekts O angeben.
In einer siebten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, deaktiviert das Ultraschallsystem USSS das Kalman-Filterverfahren bzw. das Schätzfilterverfahren für Messungen in einem bestimmten Kanal und für ein bestimmtes Ultraschallecho eines bestimmten Ultraschallsensors, um Artefakte zu unterdrücken und so das Erkennungsergebnis weiter zu verbessern.
Zu diesem Zweck deaktiviert das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, das Kalman-Filterverfahren bzw. das Schätzfilterverfahren des betreffenden Kanals und Ultraschallechos des betreffenden Ultraschalsensors, wenn sich das Signal des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos des betreffenden Ultraschallsensors, also einer u-ten-Lösung oder einer (u+1)-ten Lösung in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um mehr als Δe_{filter_max} oder um Δe_{filter_max} ändert, wobei Δe_{filter_max} bevorzugt Δe_{filter_max}≥500µs gilt. Dabei bedeutet „deaktivieren“, dass das Ultraschallsensorsystem USSS alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen als gefilterte u-ten Lösungen verwendet und/oder alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen als gefilterte (u+1)-ten Lösungen für die Zeit der Deaktivierung direkt verwendet. Das Kalman-Filterverfahren bzw. Schätzfilterverfahren wird also für dieses Ultraschallecho dieses betreffenden Ultraschallsensors bei einer Messung über diesen Kanal für eine vorgegebene Anzahl von Messzyklen, beispielsweise ein oder zwei Messzyklen, überbrückt.
Typischerweise hebt das Ultraschallsensorsystem USSS eine solche Deaktivierung des Kalman-Filterverfahrens bzw. des Schätzfilterverfahrens für Messungen der Ankunftszeit eines Ultraschallechos eines Ultraschallsensors bei Messungen über einen Kanal nach einer vorbestimmten Anzahl von Messzyklen wieder auf.
Dies hat den Vorteil, dass die oben beschriebenen Artefakte nicht oder nur in geringerem Maße auftreten.
In einer achten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, überprüft das Ultraschallsystem USSS den Winkel zwischen der Sichtlinie des betreffenden Ultraschallsensors und der Lösung, die das Ultraschallsensorsystem USSS aus dem Messwert des Ultraschallsensors ermittelt hat.
Hierzu verwirft das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, solche ggf. gefilterten u-ten bzw. ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösungen, bei denen die Linie vom Ort der ggf. gefilterten u-ten bzw. ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösung zum Ort des u-ten bzw. (u+1)-ten Ultraschallsensors einen Winkel α_lim zur zu dieser Sichtachse u-ten bzw. (u+1)-ten Ultraschallsensors aufweist dessen Betrag größer als der Betrag eines maximalen Winkels α_lim ist.
Dies hat den Vorteil, dass Lösungen, in denen der Ultraschallsensor gar nicht empfindlich ist, in dem Auswerteverfahren, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, aussortiert werden du keine Störungen hervorrufen können.
Auch in den Ultraschallsensoren 0,1,2,3 selbst, kann das Ultraschallsensorsystem USSS Optimierungen vornehmen. Bevorzugt ist die Schwellwertkurve SWK der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 einstellbar. Wie oben beschrieben, extrahieren die Ultraschallsensoren 0,1,2,3 des Ultraschallsensorsystems USSS bevorzugt jeweils ein Hüllkurvensignal HK des jeweiligen Ultraschallsensors 0,1,2,3 aus dem Signal der reflektierten Ultraschallwelle USW, das den jeweiligen Ultraschallsensor 0,1,2,3 erreicht. Der jeweilige Ultraschallsensor der Ultraschallsensoren 0,1,2,3 extrahiert mit Hilfe einer vorzugsweise ultraschallsensorspezifischen Schwellwertkurve SWK aus seinem Hüllkurvensignal (HK) seine Ultraschallechos ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6 für den jeweiligen Messzyklus und signalisiert diese an das Steuergerät ECU. Vorschlagsgemäß hängt gemäß dieser weiteren neuen Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems die Schwellwertkurve SWK eines Ultraschallsensors, besser mehrerer oder noch besser aller Ultraschallsensoren, für einen Messzyklus von den geclusterten und akzeptieren Lösungen ab, die das Ultraschallsensorsystem USSS in den diesem Messzyklus vorausgehenden Messzyklen zuvor ermittelt hat. Hierdurch wird die Anzahl der Scheinechos optimiert.
Hierzu erstellt das Ultraschallsensorsystem USSS eine Prognose der Anzahl der Ultraschallechos für den betreffenden Ultraschallsensor bei Messungen in dem betreffenden Kanal. Dabei berücksichtigt das Ultraschallsensorsystem USSS bevorzugt verdeckte und/oder zu weit von diesem Ultraschallsensor weg liegende Objekte, die das Ultraschallsensorsystem USSS in einem vorausgehenden Messzyklus erkannt hat, vorzugsweise nicht. Ist die Anzahl der erkannten Ultraschallechos zu gering und fehlt eines der Ultraschallechos, das das Ultraschallsensorsystem USSS in einem bestimmten Zeitraum nach dem Aussenden des Ultraschallbursts zu Beginn des Messzyklus erwartet, so kann das Ultraschallsensorsystem die Schwellwertkurve SWK beispielsweise in diesem Bereich gezielt bis auf einen typischerweise vorgegebenen Minimalwert absenken. Findet der Ultraschallsensor Ultraschallechos, die das Ultraschallsensorsystem beispielsweise aufgrund von Plausibilitätsüberprüfungen als Störungen bewertet, so kann das Ultraschallsensorsystem USSS den Ultraschallsensor dazu veranlassen, die Schwellwertkurve SWK in diesem Bereich bevorzugt langsam messzyklusweise bis zu einem Maximalwert anzuheben.
Die zehnte, weitere Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten und/oder achten und/oder neunten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, betrifft eine Regelung zur Clusterung mittels des Abstands der Lösungen untereinander.
Entsprechend dieser zehnten Ausgestaltung clustert das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die ggf. gefilterten u-ten Lösungen und die ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösungen dann zu akzeptierten Lösungen clustert und verwirft diese nicht als akzeptierte ggf. gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen, wenn die Abstände zwischen zumindest einer der Lösungen des Clusters und mindesten e anderen Lösungen des Clusters kleiner als ein Schwellwertabstand ε sind, wobei e eine ganze positive Zahl größer 0 ist, die oder besser größer1 oder besser größer 2 ist und wobei e=3 besonders bevorzugt ist.
Hierdurch wird die Streubreite des Erkennungsergebnisses weiter verbessert.
Die elfte, weitere Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten und/oder achten und/oder neunten und/oder zehnten weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, betrifft eine Regelung zur Clusterung in Abhängigkeit von der Anzahl potenzieller Cluster-Mitglieder.
Entsprechend dieser elften Ausgestaltung clustert das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens die ggf. gefilterten u-ten Lösungen und die ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösungen dann zu akzeptierten Lösungen clustert und verwirft diese nicht als nicht akzeptierte ggf. gefilterten u-ten Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösungen verwirft, wenn die Anzahl der ggf. gefilterten u-ten Lösungen und der ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösungen eines Clusters mindestens drei ist.
Bevorzugt clustert dabei das Ultraschallsensorsystem USSS mittels eines Clustering-Verfahrens u-te Lösungen und (u+1)-te Lösungen bzw. gefilterte u-te Lösungen und gefilterte (u+1)-te Lösungen dann zu einem bereits existierenden Cluster als akzeptierten Lösungen hinzu und verwirft diese nicht als nicht akzeptierte ggf. gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen, wenn die Anzahl der u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen des Clusters, die in der Nachbarschaft einer solchen ggf. gefilterten u-ten Lösung oder ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösung liegen, mindestens eins ist.
Durch diese beiden Maßnahmen zusammen oder einzeln wird die Streubreite des Erkennungsergebnisses weiter verbessert.
Bei der zwölften, weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS, die auf der Grundausgestaltung und/oder der ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten und/oder achten und/oder neunten und/oder zehnten und/oder elften weiteren Ausgestaltung des Ultraschallsensorsystems USSS aufbaut, umfasst das Ultraschallsensorsystem USSS einen Ultraschallsensor 5, der ein Ultraschallrauschsignal mit einer zumindest in einem Parameter zumindest teilweise zufälligen Modulation aussendet. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine zufällige Phasen- Amplituden- oder Frequenzmodulation handeln.
Dies hat den Vorteil, dass das Ultraschallsensorsystem USSS die Störungen dieses Ultraschallsensors 5 erfassen kann und die Schwellwertkurven SWK der anderen Ultraschallsensoren unempfindlich gegenüber dessen Störungen stellen kann.
Zusammenfassend handelt es sich bei dem vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystem USSS also um ein Ultraschallsensorsystem USSS, bei dem das Ultraschallsensorsystem USSS Abstandswerte auf Basis Ultraschallechos, die mindestens vier Ultraschallsensoren erfassen, ermittelt und Ultraschallsensorsystem USSS Lösungen mittels eines Trilaterationsverfahrens aus diesen Abstandswerten ermittelt und mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens bzw. mittels eines jeweiligen Schätzfilterverfahren jede dieser Lösungen zu gefilterten Lösungen filtert und mittels eines Clustering-Verfahrens die gefilterten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte nicht akzeptierte gefilterte Lösungen verwirft.
In einer weiteren Ausprägung des Ultraschallsensorsystems (USSS) bestimmt das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, zuerst eine Lösung auf Basis von zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren. Das Ultraschallsensorsystem USSS akzeptiert die Lösung, wenn es sich um eine Lösung aus dem Fallback-Bereich handelt, und akzeptiert die Lösung auf Basis von zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren nicht, wenn es sich um eine Lösung aus dem Dreisensorbereich handelt. In dem letzten Fall bestimmt das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, dann eine Lösung auf Basis von drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren. Hierzu nutzt das Trilaterationsverfahren dann ggf. auch andere Ultraschallechos der betreffenden Ultraschallsensoren in ggf. anderer Kombination.
Bevorzugt verwendet das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, jedes Ultraschallecho nur einmal für die Bestimmung einer Lösung in einem Messzyklus. Dies verhindert Scheinobjekte.
In einer weiteren Ausprägung des Ultraschallsensorsystems (USSS) hängt die Clusterung von einem Schwellwertabstand ε ab und dieser Schwellwertabstand ε hängt wiederum von der Veränderung akzeptierter Lösungen der Clusterung zwischen mindestens zwei Messzyklen ab. D.h. die Schwellwerte können so gewählt werden, dass die Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsvektoren der erkennten Objekte ermittelt und berücksichtigt werden. Dadurch passt sich die Filterung der Dynamik der Situation an.
In einer weiteren Ausprägung des Ultraschallsensorsystems (USSS) ermittelt das Ultraschallsystem (USSS) die zeitlichen Veränderungen der akzeptierten Lösungen aus Daten der akzeptierten Lösungen der letzten v Messzyklen, mit v als ganzer positiver Zahl größer 1. Das Ultraschallsensorsystem (USSS) bestimmt dann daraus beispielsweise mittels einer Polynomapproximation für einen oder mehrere Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems (USSS) den jeweiligen Zeitpunkt des erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden Ultraschallechos für diese Ultraschallsensoren. Auf dieser Basis modifiziert das Ultraschallsensorsystem (USSS) die Schwellwertkurve SK eines oder mehrerer dieser Ultraschallsensoren in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Vorhersage insbesondere für einen Zeitbereich um den jeweiligen Zeitpunkt des jeweils erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden jeweiligen Ultraschallechos für diese jeweiligen Ultraschallsensoren. Hierdurch passt sich das Ultraschallsensorsystem in seiner Empfindlichkeit auf die erkannte Umwelt an.
Verfahren
Dieser unmittelbar zuvor beschriebenen Vorrichtung entspricht gemäß der technischen Lehre dieser Schrift ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems USSS. Fahrzeuge oder mobile Vorrichtungen können dieses Ultraschallsensorsystem USSS nutzen. Das Verfahren dient dabei zur Ermittlung einer Umfeldkarte mit Koordinaten von Objekten in der Umgebung des Ultraschallsensorsystems USSS bzw. des Fahrzeugs, dass das Ultraschallsensorsystem USSS aufweist. Die Koordinaten von Objekten in der Umgebung des Ultraschallsensorsystems USSS bzw. des Fahrzeugs liegen dabei dann bevorzugt in Form von akzeptierten Lösungen in Form von x/y-Koordinaten vor.
Das Verfahren ermittelt vorschlagsgemäß Abstandswerte auf Basis von Ultraschallechos, die mindestens vier Ultraschallsensoren erfassen, und Lösungen mittels eines Trilaterationsverfahrens aus diesen Abstandswerten. Des Weiteren filtert das Verfahren mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens bzw. eines Schätzfilterverfahrens jede dieser Lösungen zu gefilterten Lösungen. Mittels eines Clustering-Verfahrens clustert dann das Verfahren die gefilterten Lösungen zu akzeptierten Lösungen. Das Verfahren verwirf nicht akzeptierte Lösungen und nicht akzeptierte gefilterte Lösungen.
Das Ultraschallsensorsystem USSS weist dabei bevorzugt zumindest n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) auf, wobei n eine ganze positive Zahl ist, für die gilt 3<n. Mindestens vier Ultraschallsensoren (0,1,2,3) sind typischerweise längs einer kreuzungsfreien, geraden oder gebogenen Linie angeordnet. Im Sinne dieser Schrift können die Ultraschallsensoren entsprechend ihrer Position längs dieser Linie so durch Abzählen durchnummeriert werden können, dass unmittelbar auf der Linie benachbart liegende Ultraschallsensoren sich hinsichtlich ihrer Nummer um einen Wert von genau 1 unterscheiden. Dies dient innerhalb dieser Schrift nur zur Orientierung, sodass all nicht am Rand liegenden Ultraschallsensoren einen Ultraschallsensor als Vorgänger und einen Ultraschallsensor als Nachfolger längs der Kette haben. Ein (u-1)-ter Ultraschallsensor soll hier der Vorgänger eines u-ten-Ultraschallsensors sein. Ein (u+1)-ter Ultraschallsensor soll hier der Nachfolger eines u-ten-Ultraschallsensors sein. Im Sinne dieser Schrift bilden dann der (u-1)-te Ultraschallsensor und der u-te Ultraschallsensor und der (u+1)-te Ultraschallsensor einen u-ten Kanal. Dabei gilt 1<u<n.
Das hier vorgestellte Verfahren besteht aus mehreren Schritten, wobei einige Schritte ggf. wiederholt werden. Bei diesen wiederholten Schritten werden dann typischerweise teilweise andere Ultraschallechos als bei den vorausgehenden Schritten verarbeitet.
Ein erster Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Beginnen eines Messzyklus des u-ten Kanals mit dem Aussenden eines Ultraschallbursts als Ultraschallwelle (USW) durch den u-ten Ultraschallsensor.
Ein zweiter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Empfangen des von einem oder mehreren Objekten reflektierten Ultraschallbursts durch den (u-1)-ten Ultraschallsensor. Der Empfang der Ultraschallechos geschieht dabei in Form von k(_u-1) Ultraschallechos. Hierbei ist k(_u-1) eine ganze positive Zahl, die auch null sein kann. Diese Ultraschallechos des (u-1)-ten Ultraschallsensors können nun im Sinne dieser Schrift entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihrer Detektion durch den (u-1)-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts in dem betreffenden Messzyklus von 1 bis k(_u-1) durchnummeriert werden. Die Nummerierung der Ultraschallechos des (u-1)-ten Ultraschallsensors beginnt also für jeden Messzyklus wieder neu bei 1 mit dem ersten an diesem (u-1)-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts eintreffenden Ultraschallecho.
Ein dritter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Empfangen des von einem oder mehreren Objekten reflektierten Ultraschallbursts durch den u-ten Ultraschallsensor. Der Empfang der Ultraschallechos geschieht dabei in Form von k_u Ultraschallechos. Hierbei ist k_u eine ganze positive Zahl, die auch null sein kann. Diese Ultraschallechos des u-ten Ultraschallsensors können nun im Sinne dieser Schrift entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihrer Detektion durch den u-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts in dem betreffenden Messzyklus von 1 bis k_u durchnummeriert werden. Die Nummerierung der Ultraschallechos des u-ten Ultraschallsensors beginnt also für jeden Messzyklus wieder neu bei 1 mit dem ersten an diesem u-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts eintreffenden Ultraschallecho.
Ein vierter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Empfangen des von einem oder mehreren Objekten reflektierten Ultraschallbursts durch den (u+1)-ten Ultraschallsensor. Der Empfang der Ultraschallechos geschieht dabei in Form von k(_u+1) Ultraschallechos. Hierbei ist k(_u+1) eine ganze positive Zahl, die auch null sein kann. Diese Ultraschallechos des (u+1)-ten Ultraschallsensors können nun im Sinne dieser Schrift entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihrer Detektion durch den (u+1)-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts in dem betreffenden Messzyklus von 1 bis k(_u+1) durchnummeriert werden. Die Nummerierung der Ultraschallechos des (u+1)-ten Ultraschallsensors beginnt also für jeden Messzyklus wieder neu bei 1 mit dem ersten an diesem (u+1)-ten Ultraschallsensor nach dem Aussenden des Ultraschallbursts eintreffenden Ultraschallecho.
Ein fünfter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Bestimmen jeweils eines jeweiligen Abstandswerts des Ultraschallechos des (u-1)-ten Ultraschallsensors. Das Verfahren bestimmt dabei den Abstandswert aus der jeweiligen Laufzeit des jeweiligen Ultraschallechos der m(_u-1) zuerst eintreffenden Ultraschallechos des (u-1)-ten Ultraschallsensors. Die Laufzeit bemisst sich dabei zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallbursts durch den u-ten Ultraschallsensor einerseits und der Detektion durch den (u-1)-ten Ultraschallsensor andererseits. In diesem Zusammenhang dieses Verfahrens ist m(_u-1) eine ganze positive Zahl ist, die gleich null sein kann. Dabei soll gelten, dass m(_u-1)≤k(_u-1) gilt.
Ein sechster Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Bestimmen jeweils eines jeweiligen Abstandswerts des Ultraschallechos des u-ten Ultraschallsensors. Das Verfahren bestimmt dabei den Abstandswert aus der jeweiligen Laufzeit des jeweiligen Ultraschallechos der m_u zuerst eintreffenden Ultraschallechos des u-ten Ultraschallsensors. Die Laufzeit bemisst sich dabei zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallbursts durch den u-ten Ultraschallsensor einerseits und der anschließenden Detektion durch den u-ten Ultraschallsensor andererseits. In diesem Zusammenhang dieses Verfahrens ist m_u eine ganze positive Zahl ist, die gleich null sein kann. Dabei soll gelten, dass m_u≤k_u gilt.
Ein siebter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Bestimmen jeweils eines jeweiligen Abstandswerts des Ultraschallechos des (u+1)-ten Ultraschallsensors. Das Verfahren bestimmt dabei den Abstandswert aus der jeweiligen Laufzeit des jeweiligen Ultraschallechos der m(_u+1) zuerst eintreffenden Ultraschallechos des (u+1)-ten Ultraschallsensors. Die Laufzeit bemisst sich dabei zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallbursts durch den u-ten Ultraschallsensor einerseits und der Detektion durch den (u+1)-ten Ultraschallsensor andererseits. In diesem Zusammenhang dieses Verfahrens ist m(_u+1) eine ganze positive Zahl ist, die gleich null sein kann. Dabei soll gelten, dass m(_u+1)≤k(_u+1) gilt.
Ein achter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist das Zuordnen jeweils einer Benutzungsinformation zu jedem bestimmten Abstandswert. Dabei markiert diese jeweilige Benutzungsinformation des jeweiligen Abstandswerts zunächst diesen Abstandswert in dessen Benutzungsinformation als unbenutzt. Unbenutzt ist also der Initialisierungswert für die Abstandswerte zu Beginn eines Messzyklus.
Ein achter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist die Initialisierung eines (u-1)-ten Echozählers p(_u-1) mit 1.
Ein neunter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist die Initialisierung eines u-ten Echozählers p_u mit 1.
Ein zehnter Schritt des vorgestellten Verfahrens ist die Initialisierung eines (u+1)-ten Echozählers p(_u+1) mit 1.
Der Beginn des elften Schritts des vorgestellten Verfahrens ist gleichzeitig ein erster Rücksprungpunkt des Verfahrens. Diese Schrift bezeichnet diesen ersten Rücksprungpunkt im Folgenden als Sprungpunkt Die Ausführung dieses elften Schritts des vorgestellten Verfahrens hängt von verschiedenen Bedingungen ab. Eine erste Bedingung ist, ob der p_(u-1)-te Abstandswert des (u-1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u-1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt markiert ist oder nicht als benutzt markiert ist. Eine zweite Bedingung ist, ob der p_u-te Abstandswert des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt markiert ist oder nicht als benutzt markiert ist.
Der erste sich ergebende Fall ist, dass der p(_u-1)-te Abstandswert des (u-1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u-1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation nicht als benutzt markiert ist und sofern der p_u-te Abstandswert des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation nicht als benutzt markiert ist. In diesem ersten Fall ist der elfte Schritt des vorgestellten Verfahrens eine Trilateration des Abstandswerts des (u-1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u-1)-tes Ultraschallecho einerseits mit dem Abstandswert des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho und Ermittlung andererseits. Diese erste Trilateration ermittelt dann einen ersten Trilaterationspunkt in Form einer ersten x/y-Koordinate.
In einem zweiter Fall ist der p(_u-1)-te Abstandswert des (u-1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u-1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt markiert oder der p_u-te Abstandswert des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation ist als benutzt markiert. In diesem zweiten Fall behandelt das Verfahren diese erste Trilateration, als ob der erste Trilaterationspunkt und der hier noch gar nicht bestimmte zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen. Das Verfahren überspringt die folgenden Schritte und fährt bei Sprungpunkt 3 fort. Damit werden die zwischen Sprungpunkt 2 und Sprungpunkt 3 liegenden Schritt übersprungen. Dies bezeichnet diese Schrift auch als Überspringen von Sprungpunkt2.
Sprungpunkt 2:
Eine zweite Bedingung ist, ob der p(_u+1)-te Abstandswert des (u+1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u+1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt markiert oder als nicht benutzt ist. Sofern der p(_u+1)-te Abstandswert des (u+1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u+1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als nicht benutzt markiert ist, ist der elfte Schritt eine Trilateration des Abstandswerts des (u+1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u+1)-tes Ultraschallecho einerseits mit dem Abstandswert des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho andererseits. In diesem Fall erfolgt die Ermittlung eines zweiten Trilaterationspunkts in Form einer zweiten x/y-Koordinate.
Sofern jedoch der p(_u+1)-te Abstandswert des (u+1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u+1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt markiert ist, ist der elfte Schritt die Behandlung der Trilateration als ob der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen. Das Verfahren fährt dann Fortfahren bei Sprungpunkt 3 weiter fort.
Als zwölfter Schritt folgt dann der Vergleich des ersten Trilaterationspunkts mit dem zweiten Trilaterationspunkt;
Der Beginn des dreizehnte Schritt der Verfahrens ist der Sprungpunkt 3. Der dreizehnte Schritt hängt davon ab, ob der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und ob p(_u+1)<k(_u+1) und ob p(_u-1)<k(_u-1) und ob p_u≤k_u gelten.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1)<k(_u+1) und p(_u-1)≤k(_u-1) und p_u≤k_u gilt, ist das Erhöhen von p(_u+1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren einen Rücksprung zum Sprungpunkt 2 aus. Die Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 2 folgt dann.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1)≥k(_u+1) und p(_u-1)<k(_u-1) und p_u≤k_u gilt, sind das Initialisieren von p(_u+1) mit 1 und das Erhöhen von p(_u-1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 1 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 1.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1)<k(_u+1) und p(_u-1)>k(_u-1) und p_u≤k_u gilt, ist das Erhöhen von p(_u+1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 2 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 2.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1) ≥k(_u+1) und p(_u-1) ≥k(_u-1) und p_u≤k_u gilt, sind das Initialisieren von p(_u+1) mit 1 und das Initialisieren von p(_u-1) mit 1 und das Erhöhen von p_u um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 1 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 1.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1)<k(_u+1) und p(_u-1)≤k(_u-1) und p_u≥k_u gilt, ist das Erhöhen von p(_u+1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 2 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 2.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1) ≥k(_u+1) und p(_u-1)≤k(_u-1) und p_u≥k_u gilt, sind das Initialisieren von p(_u+1) mit 1 und das Erhöhen von p(_u-1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 1 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 1.
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1)<k(_u+1) und p(_u-1) ≥k(_u-1) und p_u≥k_u gilt, ist das Erhöhen von p(_u+1) um 1 der elfte Schritt. Nach dem elften Schritt führt das Verfahren dann jedoch einen Rücksprung zum Sprungpunkt 2 aus. Es folgt Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 2.
Sofern jedoch der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen stellen folgenden Teilschritte den elften Schritt dar:

a) Der erste Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Ermittlung einer Lösung aus dem ersten Trilaterationspunkt und dem zweiten Trilaterationspunkt.
b) Der zweite Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Hinzufügung der so ermittelten Lösung zur Menge der Lösungen dieses u-ten Kanals dieses Messzyklus.
c) Der dritte Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Markierung des p(_u-1)-ten Abstandswerts des (u-1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u-1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt.
d) Der vierte Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall und Markierung des p_u-ten Abstandswerts des u-ten Ultraschallsensors für dessen p_u-tes Ultraschallecho als benutzt.
e) Der fünfte Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Markierung des p(_u+1)-ten Abstandswerts des (u+1)-ten Ultraschallsensors für dessen p(_u+1)-tes Ultraschallecho in dessen Benutzungsinformation als benutzt.
f) Der sechste Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Initialisierung des (u-1)-ten Echozählers P_(u-1) mit 1.
g) Der siebte Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall die Initialisierung des u-ten Echozählers p_u mit 1.
h) Der achte Teilschritt des elften Schritts ist in diesem Fall und Initialisierung des (u+1)-ten Echozählers p_(u+1) mit 1.

Es folgt dann die Wiederholung der Schritte ab Sprungpunkt 3;
Sofern der erste Trilaterationspunkt und der zweite Trilaterationspunkt nicht beide innerhalb eines Fehlertoleranzbereiches (FB) liegen und p(_u+1) ≥k(_u+1) und p(_u-1) ≥k(_u-1) und p_u≥k_u gilt, sind die Beendigung des Messzyklus der elfte Schritt.
Es folgt dann als vierzehnter Schritt die Beeinflussung des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den Lösungen in der Menge der Lösungen dieses u-ten Kanals dieses Messzyklus.
Diese Grundausführung ermöglicht bereits eine gute Identifikation von Lösungen. Wie oben beschrieben ist jedoch noch ein ganzes Bündel von Verbesserungen möglich, die diese Schrift im Folgenden aufführt.
Eine erste weitere Ausprägung des Verfahren umfasst als zusätzliche Schritte das Clustern von Lösungen in der Menge der Lösungen dieses u-ten Kanals eines oder mehrerer Messzyklen zu akzeptierten u-ten Lösungen und das Verwerfen von nicht akzeptierten Lösungen dieses u-ten Kanals dieser Messzyklen.
Erfahrungsgemäß ermöglicht dieses Clustern die Unterdrückung nur vereinzelt auftretender Störlösungen.
Eine erste weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Anwendung auf zwei benachbarte Kanäle des Ultraschallsensorsystems USSS. Vorschlagsgemäß führt das Verfahren dabei ein Teilverfahren beispielsweise für einen u-ten Kanal aus, das dem zuvor beschriebenen Verfahren entspricht. Vorschlagsgemäß führt das Verfahren dabei ein weiteres Teilverfahren beispielsweise für einen (u+1)-ten Kanal aus, das dem zuvor beschriebenen Verfahren entspricht. Dabei muss natürlich nun u<n-1 gelten. Hierdurch ermittelt das Verfahren für den (u+1)-ten Kanal (u+1)-te Lösungen. Des Weiteren ermittelt das Verfahren dabei für den u-ten Kanal u-te Lösungen. Als nachfolgenden Schritt führt das Verfahren dann die zuvor beschrieben Clusterung aus. Nun geschieht dies in leicht modifizierter Weise. Die Clusterung hat nun die Form des Clusterns von Lösungen in der Vereinigungsmenge der Menge der Lösungen dieses u-ten Kanals und der Menge der Lösungen dieses (u+1)-ten Kanals eines oder mehrerer Messzyklen. Das Ergebnis der Clusterung sind wieder akzeptierte u-ten Lösungen. Diese erste weitere Ausprägung des Verfahrens umfasst typischerweise das Verwerfen von nicht akzeptierten u-ten Lösungen dieses u-ten Kanals dieser Messzyklen und von nicht akzeptierten (u+1)-ten Lösungen dieses (u+1)-ten Kanals dieser Messzyklen. Die Verwendung benachbarter Kanäle erhöht die Robustheit der Erkennung und deren Vollständigkeit. Hierdurch entdeckt das Verfahren auch Objekte, die durch andere Objekte verdeckt sind.
Während der Messungen treten Störungen auf. Dabei kommt es aus verschiedenen Gründen zu Messwerten, die unsinnig sind, oder nicht mit der erforderlichen hohen Wahrscheinlichkeit als echte Lösungen verifizierbar sind. Im Folgenden beschreibt diese Schrift beispielhaft mögliche Plausibilitätsüberprüfungen, die jede für sich einen Beitrag zur Verbesserung des Erkennungsergebnisses liefern. Zunächst ist es sinnvoll und empfehlenswert solche Plausibilitätsprüfungen für den u-ten und (u+1)-ten Kanal durchzuführen.
Eine zweite weitere Ausprägung des Verfahrens umfasst daher den zusätzlichen Schritt der Plausibilitätsüberprüfung jeder der u-ten Lösungen. Hierdurch bildet das Verfahren aus den u-ten Lösungen plausibiltätsgeprüfte u-ten Lösungen. Die Plausibilitätsprüfung bildet diese plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen mittels Filterung von u-ten Lösungen und mittels Verwerfen von u-ten Lösungen.
Eine dritte weitere Ausprägung des Verfahrens umfasst daher auch den zusätzlichen Schritt der Plausibilitätsüberprüfung jeder der (u+1)-ten Lösungen. Hierdurch bildet das Verfahren aus den (u+1)-ten Lösungen plausibiltätsgeprüfte (u+1)-ten Lösungen. Die Plausibilitätsprüfung bildet diese plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen mittels Filterung von u-ten Lösungen und mittels Verwerfen von (u+1)-ten Lösungen.
Während der Messungen treten Störungen auf. Diese können auch so gestaltet sein, dass die Plausibilitätsprüfungen die resultierenden Störlösungen nicht als unsinnig erkennen. Solche potenziell sinnhaften Störlösungen muss das vorgeschlagene Verfahren daher anders erfassen und aussortieren. Dies geschieht bevorzugt mit Hilfe eines Schätzfilters. Ein solcher Schätzfilter ist bevorzugt ein Kalman-Filter, der ein Kalman-Filterverfahren ausführt. Die Vorschlagenden nutzen ein Kalman-Filterverfahren für die Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift. Beispielhaft für die zahlreiche Literatur verweist die hier vorgelegte Schrift hier auf Hisashi Tanizaki, „Nonlinear Filters: Estimation and Applications“, Springer 2nd ed. 1996 Edition (28. Dezember 2009), ISBN-13 : 978-3642082535
Eine vierte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft daher die Kalman-Filterung bzw. Schätzfilterung einer u-ten Lösung und/oder einer plausibilitätsgeprüften u-ten Lösung des u-ten Kanals zu gefilterten u-ten Lösungen bzw. ganz allgemein die einer u-ten Lösung und/oder einer plausibilitätsgeprüften u-ten Lösung des u-ten Kanals mittels eines Schätzfilterverfahrens zu gefilterten u-ten Lösungen.
Eine fünfte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Kalman-Filterung bzw. Schätzfilterung einer (u+1)-ten Lösung und/oder einer plausibilitätsgeprüften (u+1)-ten Lösung des (u+1)-ten Kanals bzw. ganz allgemein die Filterung einer (u+1)-ten Lösung und/oder einer plausibilitätsgeprüften (u+1)-ten Lösung des (u+1)-ten Kanals mittels eines Schätzfilterverfahrenszu gefilterten (u+1)-ten Lösungen.
Eine sechste weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Clusterung. Die Clusterung dabei nun so, dass das Verfahren gefilterte u-te Lösungen in der Menge der gefilterten u-ten Lösungen dieses u-ten Kanals eines oder mehrerer Messzyklen zu akzeptierten u-ten Lösungen clustert. Außerdem verwirf das Verfahren nicht akzeptierte gefilterten u-te Lösungen dieses u-ten Kanals dieser Messzyklen.
Diese Clusterung ermöglicht die Erkennung einzelner, isolierter Lösungen, deren Korrektheit daher weniger Wahrscheinlich ist. Eine Quantisierung dieser „Isolation“ ist möglich und ermöglicht die nachvollziehbare Identifikation solcher Insellösungen, die erfahrungsgemäß mit erhöhter Wahrscheinlichkeit Scheinlösungen sind. Ein Clusterung mittels neuronalen Netzen ist ausdrücklich Teil einer möglichen Implementierung solcher Clusterverfahren. Hierbei umfasst das Verfahren dann die Ausführung eines neuronalen Netzwerkmodells. Dabei dient die Liste der gefundenen gefilterten Lösungen und/oder der plausibilitätsgeprüften Lösungen und/oder der Lösungen des Trilatarationsverfahrens als Eingabe Vektor für das neuronale Netzwerkmodell. Der Eingabevektor kann dabei auch Listen der gefundenen gefilterten Lösungen und/oder der plausibilitätsgeprüften Lösungen und/oder der Lösungen des Trilatarationsverfahrens aus vorausgegangenen Messzyklen umfassen. Ggf. kann das Verfahren vor dem Start zum Ausführen des neuronalen Netzwerkmodells noch eine Merkmalsextraktion durchführen. Üblicherweise erzeugt die Merkmalsextraktion aus dem Eingabevektor dann einen Merkmalsvektor, den sogenannten Feature-Vektor. Zur Signifikanzsteigerung führt das vorgeschlagene Verfahren, wenn es ein neuronales Netzwerkmodell ausführt, typischerweise eine Abbildung mittels eines Vektor-Polynoms auf einen Zwischenvektor durch, der dann als eigentlicher Eingabevektor für das neuronale Netzwerkmodell, dass das Verfahren ausführt, dient. Typischerweise ist das Vektor Polynom eine lineare Abbildung. Insbesondere umfasst typischerweise diese lineare Abbildung oft nur die Multiplikation des Merkmalsvektors mit einer sogenannten LDA-Matrix zu dem Zwischenvektor. In moderneren sogenannten Machine-Learning-Verfahren ist diese Vorverarbeitung mittels Merkmalsextraktion, Merkmalsvektor, Signifikanzsteigerung, Zwischenvektor nicht mehr unbedingt nötig. In Folge der permanenten Rechenleistungssteigerung können die Ultraschallsensorsystem USSS immer komplexere neuronale Netzwerkmodelle emulieren. Hierdurch kann die Konstruktion der Ultraschallsensorsystem USSS in absehbarer Zeit zukünftig auf die Merkmalsextraktion und die Signifikanzsteigerung möglicherweise sogar verzichten und den Eingabevektor direkt bei der Ausführung des neuronalen Netzwerkmodells zur Clusterung der verschiedenen Lösungen verwenden.
Eine siebte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Clusterung. Das Verfahren clustert dabei gefilterte u-te Lösungen in der Vereinigungsmenge aus der Menge der gefilterten u-ten Lösungen dieses u-ten Kanals und der Menge der gefilterten (u+1)-ten Lösungen dieses (u+1)-ten Kanalseines oder mehrerer Messzyklen zu akzeptierten u-ten Lösungen. Das Verfahren verwirft dabei nicht akzeptierte gefilterte u-ten Lösungen dieses u-ten Kanals und nicht akzeptierte gefilterte (u+1)-ten Lösungen dieses (u+1)-ten Kanals dieser Messzyklen. Die vorstehenden Ausführungen zu neuronalen Netzen gelten hier entsprechend.
Eine achte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Schaffung von Ersatzwerten für die verworfenen Lösungen. Hierzu ersetzt das Verfahren verworfene u-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten u-ten Lösungen. Das Verfahren verwendet diese zuletzt akzeptierten u-ten Lösungen dann als plausibilitätsgeprüfte u-te Lösungen. Typischerweise verwirft die Plausibilitätsüberprüfung die verworfenen Lösungen. Typischerweise ersetzt die Plausibilitätsüberprüfung die verworfenen Lösungen durch diese Ersatzwerte. D
Eine neunte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Schaffung von Ersatzwerten für die verworfenen Lösungen. Hierzu ersetzt das Verfahren verworfene (u+1)-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten (u+1)-ten Lösungen. Das Verfahren verwendet diese zuletzt akzeptierten u-ten Lösungen dann als plausibilitätsgeprüfte (u+1)-te Lösungen. Typischerweise verwirft die Plausibilitätsüberprüfung die verworfenen Lösungen. Typischerweise ersetzt die Plausibilitätsüberprüfung die verworfenen Lösungen durch diese Ersatzwerte.
ie Löschung von Lösungen hat den Nachteil, dass es hierzu zu Sprüngen im Signalfluss kommen kann, die zu nachhaltigen Störungen der nachfolgenden Verfahrensschritte und daher zu weiteren Artefakten führen, die das Erkennungsergebnis verschlechtern. Experimente haben gezeigt, dass die hier vorgestellte Lösung dies verhindert.
Eine zehnte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Plausibilitätsprüfung der erfassten Laufzeiten des reflektierten Ultraschallbursts von der Aussendung durch den u-ten bzw. den (u+1)-ten Ultraschallsensor bis zum Empfang durch die Ultraschallsensoren des u-ten bzw. (u+1)-ten Kanals. In dieser Ausprägung verwirft daher die Plausibilitätsüberprüfung jene der u-ten Lösungen bzw. (u+1)-ten Lösungen, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als eine maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, insbesondere größer als eine Laufzeit von Δe_max>1,4ms, sind. Einfacher ausgedrückt verwirft die Plausibilitätsüberprüfung jene der u-ten Lösungen bzw. (u+1)-ten Lösungen, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als die maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, insbesondere größer als eine Laufzeit von Δe_max>1,4ms, sind. Dies löscht zum Beispiel Störungen durch andere Ultraschallquellen oder Überreichweiten. Der Empfangsbereich wird hierdurch auf einen sichereren Empfangsbereich ergänzt. In Experimenten hat sich erwiesen, dass eine solche Begrenzung für die Qualität der erstellten Umfeldkarte verbessernd wirkt.
Eine elfte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft die Plausibilitätsüberprüfung, die jene der (u+1)-ten Lösungen bzw. u-ten Lösungen verwirft, die nicht auf mindestens drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren, zurückzuführen sind. Dass bedeutet, dass die (u+1)-ten Lösungen bzw. die u-ten Lösungen zumindest auf genau ein Ultraschallecho eines zugehörigen Ultraschallsensors und genau ein weiteres Ultraschallecho eines zugehörigen weiteren Ultraschallsensors und genau ein zusätzliches Ultraschallecho eines zugehörigen zusätzlichen Ultraschallsensors zurückzuführbar sein müssen. Diese Schrift führt die Vorteile der Plausibilitätsüberprüfung weiter oben auf. Sie treffen auch hier zu.
Eine zwölfte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft eine Plausibilitätsüberprüfung, die das Kalman-Filterverfahren bzw. das Schätzfilterverfahren deaktiviert, wenn sich das Signal des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos, also einer u-ten-Lösung oder einer (u+1)-ten Lösung in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um mehr als Δe_{filter_max} oder um Δe_{fiiter_max} ändert, wobei Δe_{filter_max} bevorzugt Δe_{filter_max}≥ 500µs gilt. Dabei bedeutet „deaktivieren“ in diesem Zusammenhang, dass das Verfahren alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen als gefilterte u-te Lösungen verwendet und/oder alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen als gefilterte (u+1)-te Lösungen für die Zeit der Deaktivierung direkt verwendet. Dies Plausibilitätsprüfung nutz also den Umstand aus, dass Änderungen um Umfeld eines Fahrzeugs typischerweise nicht beliebig schnell ablaufen. Zu schnelle Änderungen akzeptiert das Ultraschallsensorsystem USSS daher nicht.
Eine dreizehnte weitere Ausprägung des Verfahrens betrifft eine Ausprägung, bei der das Verfahren die Deaktivierung des Kalman-Filterverfahrens bzw. des Schätzfilterverfahrens nach einer vorbestimmten Anzahl von Messzyklen wieder aufhebt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Störung nur zeitweiser Natur ist. Sollte die Störung fortbestehen, detektier das Verfahren und damit das Ultraschallsensorsystem USSS das Kalman-Filterverfahren bzw. das Schätzfilterverfahren erneut. Dies hat den Vorteil, dass sich das Ultraschallsensorsystem immer auf die optimale Konfiguration umstellen kann. Selbst bei Deaktivierung des Kalman-Filters prüft das Ultraschallsensorsystem immer wieder, ob die Standard-Konfiguration nicht doch wieder besser ist als die Konfiguration mit Deaktivierung des Kalman-Filterverfahrens und damit des Kalman-Filters bzw. mit Deaktivierung des Schätzfilterverfahrens und damit des Schätzfilters.
In einer viertzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens verwirft die Plausibilitätsüberprüfung solche u-ten Lösungen bzw. (u+1)-ten Lösungen, bei denen die Linie vom Ort der ggf. gefilterten u-ten Lösung bzw. (u+1)-ten Lösungen zum Ort des u-ten Ultraschallsensors bzw. (u+1)-ten Ultraschallsensors einen Winkel α zur zu dieser Sichtachse u-ten Ultraschallsensors bzw. (u+1)-ten Ultraschallsensors aufweist, dessen Betrag größer als der Betrag eines maximalen Winkels α_lim ist. Hierbei nutz das Verfahren aus, dass die Ultraschallsensoren aus bestimmten Winkeln keine Ultraschallechos empfangen können. Daher können nur fehlerhafte Vorgänge zu solchen Signalen beispielsweise durch Störungen führen. Die hier vorgeschlagene Plausibilitätsprüfung filtert diese offensichtlich falschen Lösungen heraus.
In einer fünfzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens extrahiert ein Ultraschallsensor ein jeweiliges ultraschallsensorspezifisches Hüllkurvensignal (HK) aus dem Signal der reflektierten Ultraschallwelle (USW), das dieser Ultraschallsensor empfängt. Der Ultraschallsensor extrahiert dann eine Reihe von ultraschallsensorspezifischen Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6) mit Hilfe einer ultraschallsensorspezifischen Schwellwertkurve (SWK) dieses Ultraschallsensors aus dem ultraschallsensorspezifischen Hüllkurvensignal (HK) dieses Ultraschallsensors. Der besondere Vorschlag dieser Ausprägung des Verfahrens ist nun, dass die ultraschallsensorspezifische Schwellwertkurve (SWK) dieses Ultraschallsensors von den geclusterten und akzeptieren Lösungen des Ultraschallsensorsystems abhängt, die das Verfahren zuvor ermittelt hat. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren des Ultraschallsensorsystems den Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Scheinechos, die der betreffende Ultraschallsensor extrahiert, permanent optimieren und nachführen kann.
In einer sechzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens clustert das Verfahren mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen bzw. die gefilterten u-ten Lösungen und die gefilterten (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen, wenn die Abstände zwischen zumindest einer der Lösungen des Clusters und mindesten e anderen Lösungen des Clusters kleiner als ein Schwellwertabstand ε sind. Dabei ist hier e eine ganze positive Zahl größer 0 ist, die oder besser größer1 oder besser größer 2 ist und wobei e=3 besonders bevorzugt ist.
In dieser sechzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens clustert das Verfahren anders gesagt mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen bzw. die gefilterten u-ten Lösungen und die gefilterten (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen, wenn die Anzahl der u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen eines Clusters mindestens drei ist. In dieser sechzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens verwirft das Verfahren nicht akzeptierte ggf., gefilterte u-te Lösungen und/oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen.
Experimentelle Erfahrungen zeigen, dass das Verfahren des Ultraschallsensorsystems mit hoher Wahrscheinlichkeit vorteilhafterweise dann gute Ergebnisse erzielt.
In einer achtzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens clustert das Verfahren mittels eines Clustering-Verfahrens u-te Lösungen und (u+1)-te Lösungen bzw. gefilterte u-te Lösungen und gefilterte (u+1)-te Lösungen dann zu einem bereits existierenden Cluster als akzeptierten Lösungen hinzu, wenn die Anzahl der u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen des Clusters, die in der Nachbarschaft einer solchen ggf. gefilterten u-ten Lösung oder ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösung liegen, mindestens eins ist. In dieser achtzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens verwirft das Verfahren nicht akzeptierte ggf. gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen.
In einer neunzehnten weiteren Ausprägung des Verfahrens umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Aussendens eines Ultraschallrauschsignals mit einer zumindest in einem Parameter zumindest teilweise zufälligen Modulation.
In einer zwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens bestimmt das Verfahren zuerst eine Lösung auf Basis von zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren. Das Verfahren akzeptiert die Lösung, wenn es sich um eine Lösung aus dem Fallback-Bereich handelt. Das Verfahren akzeptiert die Lösung auf Basis von nur zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren nicht, wenn es sich um eine Lösung aus dem Dreisensorbereich handelt. Für eine Akzeptanz einer Lösung auf Basis von nur zwei Ultraschallechos reichen ja zwei Ultraschallechos im Dreisensorbereich (siehe 22) ausdrücklich nicht aus. Das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, bestimmt in diesem Fall dann eine Lösung auf Basis von drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren. Auf diese Weise erhält das Verfahren dann eine Lösung auf Basis von drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren für den Dreisensorbereich.
Hierdurch stellt das vorgeschlagene Verfahren sicher, dass der Vertrauenswert einer Lösung abhängig von dem Ort der detektierten Lösung angemessen ist.
In einer einundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens hängt die Clusterung von einem Schwellwertabstand ε ab. Der Schwellwertabstand ε ist in dieser zwanzigsten Ausprägung des Verfahrens von der Veränderung akzeptierter Lösungen der Clusterung zwischen mindestens zwei Messzyklen abhängig. Dies hat den Vorteil, dass für den Fall, dass das Fahrzeug sich bewegt, oder dass ein Objekt im Messbereich stark divergierende Geschwindigkeiten zeigt, der Schwellwertabstand ε optimal ist. Dies ermöglicht beispielsweise die sinnvolle Behandlung von Ultraschallechos komplexer bewegter Objekte. Ein solches Objekt können beispielsweise die vom Wind bewegten Blätter und Zweige einer Pflanze, beispielsweise eines Busches, bilden.
In einer zweiundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens ermittelt das Verfahren die zeitlichen Veränderungen des Empfangs eines Ultraschallechos eines Ultraschallsensors aus den Empfangsdaten dieses Ultraschallechos dieses Ultraschallsensors der letzten v Messzyklen. Hierbei ist v eine ganze positive Zahl größer 1. Das Verfahren bestimmt dann daraus mittels einer Polynomapproximation den Zeitpunkt des nächsten Empfangs des dieses Ultraschallechos durch diesen Ultraschallsensor.
In einer dreiundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrensmodifiziert das Verfahren die Schwellwertkurve (SK) dieses Ultraschallsensors der zwanzigsten Ausprägung des Verfahrens in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Vorhersage.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren auf diese Weise den Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und dem Auftreten von Scheinechos für diesen Ultraschallsensor optimiert. Das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, passt sich somit wechselnden Bedingungen kontinuierlich an.
In einer vierundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens ermittelt das Verfahren die zeitlichen Veränderungen der akzeptierten Lösungen aus Daten der akzeptierten Lösungen der letzten v Messzyklen. Hierbei ist wieder v eine ganze positive Zahl größer 1. Das Verfahren bestimmt daraus, insbesondere mittels einer Polynomapproximation, für einen oder mehrere Ultraschallsensoren den jeweiligen Zeitpunkt des erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden Ultraschallechos für diese Ultraschallsensoren. Das Verfahren modifiziert dann die Schwellwertkurve SK eines oder mehrerer dieser Ultraschallsensoren in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Vorhersage insbesondere für einen Zeitbereich um den jeweiligen Zeitpunkt des jeweils erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden jeweiligen Ultraschallechos für diese jeweiligen Ultraschallsensoren.
Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass das Verfahren auf diese Weise den Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und dem Auftreten von Scheinechos für diesen Ultraschallsensor optimiert. Das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem USSS ausführt, passt sich somit wechselnden Bedingungen kontinuierlich an.
In einer fünfundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens wendet das Verfahren ein Teilverfahren an, das in den Abstandswerten der Ultraschallechos der Ultraschallsensoren Ultraschallechos von Scheinobjekten zu identifiziert und aus den Messdaten zu entfernen.
In einer sechsundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens sind die Eingabewerte des Kalman-Filterverfahrens bzw. des Schätzfilterverfahrens die erkannten Objektpositionen in Form der Lösungen des Trilaterationsverfahrens und/oder die Geschwindigkeit der Veränderung der erkannten Objektpositionen in Form der Lösungen des Trilaterationsverfahrens einerseits und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs andererseits.
In einer sechsundzwanzigsten weiteren Ausprägung des Verfahrens setzt das Verfahren Abstandswerte entsprechend Messwerten einer Laufzeit die größer als eine maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, ist auf null oder eine sehr kleine Zahl gleicher Wirkung. Dies führt typischerweise zu Clustern an den Orten, an denen sich die Ultraschallsensoren befinden. Diese entfernt das vorgeschlagene Verfahren des Ultraschallsensorsystems USSS vorzugsweise während der Plausibilitätsprüfung.
Vorteil
Das hier beschriebene Ultraschallsensorsystem ermöglicht die robustere Erkennung von Objekten im Umfeld von Fahrzeugen und die Erzeugung einer Umfeldkarte des Fahrzeugumfelds.
Figurenliste

1 zeigt das aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallverhalten auf verschiedenen Oberflächen, hier einer beispielhaften ersten Oberfläche OF1 und einer beispielhaften zweiten Oberfläche OF2. Eine einfallende Ultraschallwelle USW trifft auf eine erste Oberfläche OF1. Die erste Oberfläche OF1 ist nicht ideal. Daher streut die erste Oberfläche OF1 die einfallende Ultraschallwelle USW mittels eines Streuprozesses diff in eine gestreute Ultraschallwelle DUSW. Die technische Lehre der 1 entstammt dem Stand der Technik und wird hier nicht beansprucht.
2 veranschaulicht die Schallwandlerkennlinie eines beispielhaften Ultraschallsensors, den die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
3 stellt die Komponenten und die Verschaltung dieser Komponenten zu Ermöglichung der Kommunikation zwischen diesen verschiedenen Komponenten, die das Laborparksystem umfasst dar, wie es die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben,.
4 veranschaulicht die Struktur der Board-Kommunikation, wie sie die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
5 stellt ein Beispiel für einen grundlegenden Gerätebefehl dar, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
6 visualisiert einen beispielhaften Vorgang des Sendens und Empfangens von Befehlen, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
7 zeigt das Messprinzip der Abstandsmessung einer beispielhaften Ultraschallsensoranwendung des von den Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des verwendeten und hier vorgeschlagenen Einparkhilfesystem.
8 zeigt das beispielhafte Zeitdiagramm der Signale und des Zustands des beispielhaften Treibers eines Ultraschalltransducers.
9 zeigt ein Beispiel für ein Hüllkurvensignal mit drei erkannten Echos.
10 zeigt im Vergleich zum beispielhaften Befehl „ReceiveA“ das Prinzip einer Ultraschallechoerkennung mit dem beispielhaften Profil „SendA“.
11 veranschaulicht die Auswirkungen der Verschiebung der Schwellenwertkurve.
12 zeigt eine grobe Skizze des beispielhaften Versuchsaufbaus, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
13 veranschaulicht eine Situation in der der Ultraschallsensor 2 von beispielhaft vier Ultraschallsensoren in der beispielhaften Rückstoßstange eines beispielhaften Fahrzeugs ein Burst-Signal sendet, während die beispielhaft anderen drei Ultraschallsensoren 1, 2 und 3 als Ultraschallempfänger arbeiten.
14 veranschaulicht die einfachste Möglichkeit, einen 2D-Punkt durch Interpretation der ersten Ultraschallecho , die von zwei Ultraschallsensoren erkannt wurden, mittels Trilateration zu finden.
15 zeigt ein mögliches Szenario für die Trilateration von zwei Ultraschallsensoren zur Berechnung der Position eines Objekts, wobei sich in dem Beispiel der 15 jedoch mehrere Objekte im Bereich der beiden Ultraschallsensoren befinden, was zu Fehlinterpretationen der Ultraschallechos und damit zu falschen Lösungen führen kann.
16 veranschaulicht beispielhaft die Idee des vorgeschlagenen Trilaterationsverfahrens.
17 veranschaulicht den Ablauf des vorgeschlagenen Trilaterationsverfahrens.
18 zeigt ein Beispiel, wie mit Hilfe des oben beispielhaft beschriebenen Verfahrens das Ultraschallsensorsystem maximal drei Hindernisse in jedem Kanal erkennen kann, indem das Ultraschallsensorsystem das vorgeschlagene Trilaterationsverfahren für das erste, zweite und dritte Ultraschallecho anwendet, wobei die 18 beispielhaft beispielhafte Lösungen des Verfahrens bei der Messung von sechs verschiedenen, beispielhaften Pfosten auf einer gepflasterten Fläche zeigt.
19 verdeutlicht, dass die Erkennung einer breiten Fläche wie einer Wand zum Beispiel mehr Iterationen als die Erkennung eines kleinen Pfostens benötigt.
20 visualisiert die mit beispielhaft drei Ultraschallsensoren erfassten drei beispielhaften Abstandswerte über zugehörige Ultraschallechos einer Wandmessung.
21 zeigt beispielhafte Reichweiten von beispielhaft vier beispielhaften Ultraschallsensoren.
22 zeigt verschieden beispielhafte Betriebsbereiche für die beispielhaft vier beispielhaften Ultraschallsensoren der 21.
23 veranschaulicht, warum die Verwendung eines Fallback-Verfahrens auf einen Ultraschallsensor notwendig ist, wenn das Verfahren ein Hindernis in dem äußeren Bereich bemerkt und wenn nur der sendende Ultraschallsensor ein Echo zurückbekommt, wobei das Verfahren zunächst prüft, ob das Ultraschallecho nicht zu einem anderen Objekt gehört, indem das Verfahren das Ultraschallecho mit den von anderen Kanälen berechneten Abständen zu Objekten vergleicht.
24 veranschaulicht die Vermeidung falscher Lösungen ohne Einschränkung des Lösungsbereichs für die außen liegenden Kanäle, hier beispielhaft die Kanäle 0 und 3, wobei das Ultraschallsensorsystem Lösungen, die auf Messwerten dieser Kanäle beruhen, hinsichtlich eines Winkels zur Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals jeweils prüft.
25 visualisiert, wie entsprechend dem Stand der Technik der Kalman-Filter den nächsten Zustand durch den Einfluss der beiden Parameter, der Kovarianz R des Messrauschens und des Varianzwerts Q des Prozessrauschens, und vorhersagt.
26 vergleicht zwei verschiedene beispielhafte Filterparameter das Kalman-Filters.
27 zeigt, dass der Kalman-Filter mit dem kleineren Q dem dynamischen Teil der Messung nicht folgen kann.
28 vergleicht die Ausgabe des Kalman-Filters mit und ohne Geschwindigkeitsinformation.
29 zeigt die Verteilung des ersten Ultraschallechos von Ultraschallsensor 0 in Kanal 0 während einer beispielhaften Wandmessung.
30 verdeutlich, dass die Konfiguration der Parameter für den Kalman-Filter vom Ultraschallechosignal abhängt, weil die Standardabweichung der Ultraschallechos sich bei verschiedenen Oberflächen und unterschiedliche Umgebungen unterscheidet, wobei die Verdeutlichung anhand des Beispiels einer Simulation einer Parksituation erfolgt, die z. B. zu deutlichen Unterschieden in der Standardabweichung führt.
31 vergleicht zwei verschiedene Parameter für R durch eine dynamische Messung anhand des Beispiels einer Pflanze als erkanntes Hindernis.
32 zeigt ein beispielhaftes Ultraschallechosignal einer beispielhaften statischen Messung, bei der der Kalman-Filter wird durch eine manuelle Abfrage erweitert ist, um das Rauschverhalten zu verbessern.
33 zeigt beispielhaft ein instabiles Echo während einer dynamische Messung des Pflanzenhindernisses der 31.
34 veranschaulicht ein Szenario, bei dem die Ultraschallsensoren vier Pfosten-Hindernisse vermessen und ein Fußgänger zwischen den Pfosten und den Sensoren hindurchgeht und während sich das Fahrzeug nicht bewegt, wobei 34a den 40. Zyklus der Messung und das erste Ultraschallecho von Ultraschallsensor 1 in Kanal 1 zeigt und 34b die Messsituation veranschaulicht.
35 zeigt das Ultraschallecho des Ultraschallsensors 1 in Kanal 1 während der Messung eines mittels eines steuerbaren Schlittens auf einer Schiene beweglichen Pfostens.
36 zeigt die Verbesserung des Geräuschverhaltens durch eine Geschwindigkeitsabfrage.
37 vergleicht die Lösungen ohne und mit Kalman-Filterung.
38 zeigt den Unterschied zwischen „Kernwerten“ und „Nicht-Kernwerten“ des DBSCAN-Verfahrens.
39 zeigt eine beispielhafte Ausgabe des DBSCAN -Verfahrens anhand generierter Daten, um die Lieferung unterschiedlicher Cluster in Abhängigkeit von den gewählten Parametern zu verdeutlichen.
40 'zeigt das Flussdiagramm des neuen, vorgeschlagenen Clustering-Verfahrens.
41 zeigt eine Beispielausgabe des Clustering-Verfahrens, wobei die visualisierten Lösungen zu einer statischen Fahrzeugmessung (30) gehören und ein fünfter Rauschsensor die Messung stört.
42 verdeutlicht die Reduktion der Streuung der 2D-Positionen durch den Kalman-Filter, der noch falsche 2D-Positionen liefern kann, und dass die manuellen Teile die Filterung von Rauschwerten und die schnelle Verfolgung der Messung ermöglichen, wobei 42 eine beispielhafte dynamische Wandmessung visualisiert, bei der das Verfahren auf die Ultraschallechos eine Kalman-Filterung und anschließend ein Clustering anwendet. Die linke Visualisierung (42a) zeigt Lösungen während der beispielhaften Messung, wobei eine beispielhafte falsche Lösung durch die Anwendung des Kalman-Filters entsteht und der Clustering-Verfahren diese Lösung herausfiltert.

Beschreibung der Figuren
Figur 1
1 zeigt das aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallverhalten auf verschiedenen Oberflächen, einer beispielhaften ersten Oberfläche OF1 und einer beispielhaften zweiten Oberfläche OF2.
Eine Oberfläche im Sinne dieser Schrift stellt dabei den flächenhaften Übergang von einem weniger dichten Medium, im Sinne dieser Schrift in der Regel Luft, mit einem ersten akustischen Wellenwiderstand Z1 in ein zweites Medium mit einem zweiten akustischen Wellenwiderstand Z2, der vom ersten Wellenwiderstand Z1 abweicht und betragsmäßig größer ist, dar.
In dem ersten Beispiel der 1 trifft eine einfallende Ultraschallwelle USW auf die erste Oberfläche OF1. Die erste Oberfläche OF1 weist dabei eine Rauigkeit auf, die gegenüber der Wellenlänge der Ultraschallwelle USW signifikant ist. Daher streut die raue erste Oberfläche OF1 die Ultraschallwelle USW mittels eines Streuprozesses diff zu einer gestreuten Ultraschallwelle DUSW.
In dem zweiten Beispiel der 1 trifft eine einfallende Ultraschallwelle USW auf die glatte zweite Oberfläche OF2. Die erste Oberfläche OF2 weist dabei eine Rauigkeit auf, die gegenüber der Wellenlänge der Ultraschallwelle USW vernachlässigbar ist. Daher reflektiert die raue erste Oberfläche OF1 die Ultraschallwelle USW mittels eines Reflexionsprozesses refl zu einer reflektierten Ultraschallwelle RUSW. Der Anteil der Ultraschalwelle USW, den die zweite Oberfläche OF2 als reflektierte Ultraschallwelle RUSW reflektiert, hängt dabei von dem Verhältnis des ersten akustischen Wellenwiderstands Z1 zum zweiten akustischen Wellenwiderstand Z2 ab. Das Material M transmittiert den Anteil der Ultraschallwelle USW, den die zweite Oberfläche OF2 nicht als reflektierte Ultraschalwelle RUSW mittels eines Reflexionsprozesses refl reflektiert und der nicht im Material M unter der zweiten Oberfläche OF2 absorbiert wird, mittels eines Brechungsprozesses ref als transmittierte Ultraschallwelle TUSW. Der Einfallswinkel θ₁ ist dabei gleich dem Ausfallswinkel θ₂. Der Ausfallwinkel θ_r hängt vom Einfallswinkel θ₁ und dem ersten akustischen Wellenwiderstands Z1 und dem zweiten akustischen Wellenwiderstand Z2 ab.
Figur 2
veranschaulicht die Schallwandlerkennlinie eines beispielhaften Ultraschallsensors, den die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben. In der 2 befindet sich die Position des Ultraschallsensors an der Position PosUS. 2 zeigt beispielhaft die horizontale Ausbreitung Hor der Ultraschallwelle des Ultraschallsensors und die vertikale Ausbreitung Ver der Ultraschallwelle des Ultraschallsensors von einem beispielhaften Ultraschalltransducers des Ultraschallsensors aus. In dem Beispiel der 2 arbeitete der Ultraschalltransducer des Ultraschallsensors mit ca. 58kHz und lieferte einen beispielhaften maximalen Schalldruckpegel (SPL) von ca. 95,24dB. 2 zeigt darüber hinaus die Abschwächung des maximalen Schalldruckpegels (SPL) bezogen auf P₀ den Referenzschalldruck (SPL) von 95,24dB bei einem Winkel von 0°. Die Dämpfung steigt mit größer werdendem Winkel ϑ. Der Winkel ϑ ist hierbei der Winkel der Abstrahlrichtung zur Achse der Abstrahlkeule des Ultraschalltransducers des Ultraschallsensors. Die gestrichelte Linie in 2 zeigt die Dämpfung der vertikalen Ausbreitung Ver der Ultraschallwelle USW. Die durchgezogene Linie in 2 steht für die Dämpfung der horizontalen Ausbreitung Hor der Ultraschallwelle USW. Die horizontalen Ausbreitung Hor der Ultraschallwelle USW ist stärker als die vertikale Ausbreitung Ver der Ultraschallwelle USW. Die vertikale Welle erreicht die 6dB-Grenze in einem Winkelbereich des Winkels ϑ zwischen 15 und 20 Grad. Das bedeutet, dass der Schalldruckpegel der vertikalen Ausbreitung Ver der Ultraschallwelle USW bei diesem Winkel ϑ bereits um 50 % kleiner ist als das Maximum des Schalldruckpegels (SPL) bei einem Winkel ϑ von 0°. Im Vergleich dazu durchschneidet horizontalen Ausbreitung Hor der Ultraschallwelle USW die 6dB-Grenze erst in einem Winkelbereich des Winkels ϑ zwischen 40 und 45 Grad. Der beispielhafte Ultraschalltransducer des Ultraschallsensors mit der Ultraschallabstrahlcharakteristik der 2 ist für Anwendungen im Parkbereich entwickelt worden. Die vertikale Ausbreitung Ver der Ultraschallwelle USW ist weniger gespreizt als die horizontalen Ausbreitung Hor der Ultraschallwelle USW, um Bodenreflexionen zu vermeiden. Solche Ultraschalltransducer sind für vorschlagsgemäße Ultraschallsensorsysteme besonders bevorzugt. Die Konstruktion des Ultraschalltransducers spreizt das horizontale Schallfeld stärker als das vertikale Schallfeld, da der Ultraschallsensor, der den Ultraschalltransducer umfassen soll, Hindernisse in einer 2D-Ebene parallel zur Oberfläche einer ebenen Fahrzeugumgebung erkennen soll. Ein maximaler Winkel für die Erkennung von Hindernissen ist somit ein wesentlicher Parameter des vorschlagsgemäßen Ultraschallsensorsystems. Daher könnte der Dämpfungswert bei 60 Grad kennzeichnend sein. Bei einem 60 Grad-Winkel beträgt der Schalldruckpegel etwa ein Fünftel des Schalldrucks P₀ bei einem Winkel ϑ von 0°. Danach konvergiert der Schalldruckpegel gegen Null /8/.
Figur 3
3 stellt die Komponenten und die beispielhafte Verschaltung von Komponenten zu Ermöglichung der Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten, die das zur Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift verwendete, beispielhafte Laborparksystem umfasst, dar, wie es die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
Ein Laptop-Computer dient in dem Laboraufbau als Steuerrechner und USB-Host USBH. Der Steuerrechner ist in seiner Rolle als USB-Host USBH ist über einen beispielhaften USB-Datenbus USB mit einem NXP-Board NXPB verbunden. Das NXP-Board NXPB umfasst einen Mikrorechner der Fa. NXP, mit dem das Laborultraschallsystem, das zur Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift benutzt wurde, betrieben wurde. Eine Adapterplatine ADPB ist über einen ersten Datenbus DB1 mit dem NXP-Board NXPB verbunden. Die Adapterplatine ADPB stellt in dem Beispiel der 3 die Schnittstelle zwischen dem NXP-Board NXPB und der Sensorplatine SNSB dar. Ein nicht eingezeichnete externes 12V-Netzteil ist bevorzugt an die Adapterplatine ADPB angeschlossen und versorgt die Adapterplatine ADPB und die n Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn) mit ihren jeweiligen n Ultraschallsensoren. Jeder der Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn) ist über einen Sensordatenbus SDB mit der Adapterplatine ADPB verbunden. Hierbei soll n im Sinne dieser Schrift eine ganze positive Zahl größer 2 sein. In dem hier gezeichneten Beispiel, ist der Sensordatenbus SDB in einer Sternkonfiguration ausgeführt. Bei den Experimenten zur Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift benutzten die Vorschlagenden mehrere Sensordatenbusse und zwar je Sensorplatine (SNSB1 bis SNSBn) genau einen separaten der jeweiligen Sensorplatine der n Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn) zugehörigen Sensordatenbus in einer Punkt-Zu-Punkt-Verbindung.
Wenn in dieser Schrift davon die Rede ist, dass das Ultraschallsensorsystem ein Verfahren durchführt, so ist dies in der Regel so, dass das Steuergerät ECU des Ultraschallsensorsystems das betreffende Verfahren durchführt. In dem Beispiel des Labormusters der 3 umfasst das Steuergerät ECU des experimentellen beispielhaften Ultraschallsensorsystems USSS den USB-Host USBH, das NXP-Board NXPB und die Adapterplatine ADPB.
Figur 4
zeigt ein „Open-SDA Blockdiagramm“ aus dem Stand der Technik. Die 4 veranschaulicht die Struktur der Board-Kommunikation, wie sie die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben. Der USB-Host USBH kommuniziert mittels des USB-Protokolls über einen USB-Datenbus USB mit dem Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB. Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift war der Mikrorechner MCU ein K20DX128Vxx5 Mikrorechner der Fa. NXP. Die Hauptkomponente des Kommunikationskonzepts, das die Vorschlagenden bei der Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift verwendeten, ist das NXP Development Board S32K144EVB, das als NXP Board NXPB diente. Das NXP-Board NXPB ermöglichte das Prototyping von Automotive-Anwendungen. Es bietet einen einfachen Zugriff auf die den Mikrorechner MCU M4F über die I/O-Header-Pins GPIO/ADC. Das verwendete NXP-Board NXPB war mit Schnittstellen für CAN, LIN und UART/SCI ausgestattet. Ein Potentiometer ermöglicht die
Präzision der Spannungs- und Analogmessungen. Das NXP-Board NXPB umfasst einen Open-Standard-Serial-Debug-Adapter (OpenSDA) als Brücke zwischen dem Zielprozessor und dem USB-Host. OpenSDA verfügt über einen Massenspeicher-Bootlader MSDBL. Dieser Massenspeicher-Bootlader MSDBL stellt eine einfache Schnittstelle bereit, um verschiedene Open-SDA-Anwendungen OSDAAP zu laden /10/. Der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB kommuniziert unter Zuhilfenahme dieser Komponenten über eine Ein-/Ausgabeleitung GPIO und serielle Schnittstellen UART, SPI über die Adapterplatine ADPB mit dem jeweiligen Zielprozessor, dem jeweiligen Sensorprozessor SMCU des jeweiligen Ultraschallsensors auf der jeweiligen Sensorplatine der n Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn). Ggf. kann der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB den betreffenden Zielprozessor, d.h. den jeweiligen Sensorprozessor SMCUj des jeweiligen Ultraschallsensors auf der jeweiligen Sensorplatine SNSBj der n Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn) mittels einer Rücksetzleitung nRESET in einen vordefinierten oder einstellbaren Startzustand bringen und neu starten. Die Kommunikation zwischen Adapterplatine ADPB und dem jeweiligen Zielprozessor, dem jeweiligen Sensorprozessor SMCU des jeweiligen Ultraschallsensors auf der jeweiligen Sensorplatine der n Sensorplatinen (SNSB1 bis SNSBn) erfolgt dabei über den Sensordatenbus SDB.
Figur 5
5 stellt ein Beispiel für einen grundlegenden Gerätebefehl dar, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
Die Adapterplatine ADPB stellt die Schnittstelle zwischen dem NXP-Board NXPB und den Sensorplatinen SNSB1 bis SNSBn mit den jeweiligen Ultraschallsensoren auf den n Ultraschallsensorplatinen SNSB1 bis SNSBn dar. Der Sensordatenbus SDB ermöglicht zusammen mit der Adapterplatine ADPB die Kommunikation zwischen der dem Mikrorechner MCU auf dem NXP-Board NXPB und den jeweiligen Ultraschallsensoren auf den jeweiligen Ultraschallsensorplatinen der n Ultraschallsensorplatinen SNSB1 bis SNSBn. Bevorzugt ist der Zugriff auf den Sensorprozessor SMCUj eines Ultraschallsensors einer Ultraschallsensorplatine SNSBj über einen hierarchischen JTAG-Testbus möglich. Bevorzugt handelt es sich bei dem Sensordatenbus SDB um einen LIN-Datenbus oder einen DSI3-Datenbus oder einen PSI5-Datenbus. Die Vorschlagenden benutzen bei der Ausarbeitung des technischen Inhalts der hier vorgelegten Schrift einen LIN-Datenbus als Sensordatenbus SDB. Das bei der Ausarbeitung verwendete Adapterboard ADPB umfasste zur Ansteuerung der Ultraschallsensorplatinen SNSB1 bis SNSBn enthält einen „Quad LIN Transceiver IC“, um die Sensordatenbusse SDB der Sensorprozessoren SMCU1 bis SMCUn der Ultraschallsensoren mit dem Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB über die Adapterplatine ADPB zu verbinden. Die Kommunikation zwischen dem jeweiligen Sensorprozessor SMCUj und dem Mikrorechner MCU der NXP-Platine NXPB erfolgte in dem Laboreinparksystem zeitbasiert.
5 zeigt den Sensordatenbus zwischen dem Mikrorechner der NXP-Platine NXPB und dem Sensorprozessor SMCU eines Ultraschallsensors auf einer Ultraschallsensorplatine SNSBj für die Befehld „SendB“ und „ReceiveB“. Der Befehl SendB“ zwingt den betreffenden Ultraschallsensor zum Aussenden akustischer Ultraschallburstsignal mit den Eigenschaften eines Profils B. Die Ultraschallbursterzeugung und die verschiedenen Profile wurden oben bereits erläutert.
Der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB initialisiert den Befehl, indem sie mittels des Adapterboards ADPB den Sensordatenbus SDB für die Zeit T_MEAS herunterzieht. Nach dieser Initialisierung danach folgt eine High-Phase mit einer zeitlichen Länge von T_D. Daran schließt sich die Übertragung einer Bitfolge an. Die Bitfolge „10“ stellt einen Sendecode TxC dar und initialisiert in dem Beispiel den Sendebefehl. Der Ultraschallsensor empfängt diesen Sendecode TxC und veranlasst seinen Ultraschalltransducer zur Aussendung eines Ultraschallbursts. Die Bitfolge „00“ hingegen stellt einen Empfangscode RxC dar und initialisiert in dem Beispiel den Empfangsbefehl. Der Ultraschalltransducer des Ultraschallsensors der den Empfangscode RxC empfangen hat, sendet in diesem Beispiel dann keinen Ultraschallburst aus und geht direkt in den Empfangszustand. Nachdem der Sensorrechner SMCUj des betreffenden Ultraschallsensors die jeweilige Sequenz empfangen hat, meldet der Ultraschallsensor die empfangenen Ultraschallechos, die dieser Ultraschallsensor empfängt, im Folgenden auch Ultraschallechos des Sensors genannt, auf dem Sensordatenbus SDB. Diese Meldung der Ultraschallechos erfolgt in der Zeit der Echosignalisierung erm. Der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB erhält diese Meldung über die Empfangsleitung Rx der UART-Schnittstelle UART. Das Senden des Befehls erfolgt dagegen über die Sendeleitung Tx der UART-Schnittstelle UART. Der „Quad LIN Transceiver IC“ auf der Adapterplatine ADPB verbindet beide Leitungen, die Empfangsleitung Rx und die Sendeleitung Tx mit dem Sensordatenbus SDB des jeweiligen Ultraschallsensors. Der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB verwendet einen Zeitgeber für das Senden von Befehlen über die Sendeleitung Tx und einen weiteren Zeitgeber für den Empfang der Sensordaten des Ultraschallsensors über die Empfangsleitung Rx. Beide Zeitgeber liefen in dem Versuchsaufbau für die Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift mit einer Frequenz von 1MHz, was zu einer Auflösung von 1µs führt.
Figur 6
6 visualisiert einen beispielhaften Vorgang des Sendens und Empfangens von Befehlen, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben.
Der Ablauf des beispielhaften Sendemodus dieses Beispiels ist in 6 als Sendemodus TxM visualisiert.
Der erste Schritt LCD des beispielhaften Sendemodus ist das Laden der Kanaldaten. Der beispielhafte Mikrorechner MCU verfügt über einen Datenspeicher. Der beispielhafte Mikrorechner MCU bereitet in diesem Datenspeicher das Ereignis-Array „outTimeFrame“ OTF auf der Grundlage des Sendebefehls vor. Dieses Ereignis-Array OTF enthält bevorzugt Zeit- und Wertepaare in Form entsprechender Datenpaare. Eine beispielhafte Interrupt-Service-Routine ISR, die der beispielhafte Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB beispielhaft ausführt, initialisiert einen Ausgangsvergleichszeitgeber FTM1. Das beispielhafte Zeitgeber-Modul FTM1 aktualisiert in diesem Beispiel die Werte aus dem vorbereiteten Ereignis-Array OTF, um die Befehlssequenz für das Aussenden der Signale über den Sende-Anschluss der UART-Schnittstelle UART zu erzeugen. In dem beispielhaften Sendemodus TxM der 6 meldet der Ultraschallsensor über den Sensordatenbus SDB während der Echosignalisierung erm zeitlich zuerst ein erstes Ultraschallecho ec1 und zeitlich zu diesem ersten Ultraschallecho ec1 nachfolgend ein zweites Ultraschallecho ec2. In dieser Schrift wird das zeitlich zuerst von einem Ultraschallsensor übermittelte Ultraschallecho ec1 als erstes Ultraschallecho ec1 dieses Ultraschallsensors bezeichnet und das zeitlich als zweites von einem Ultraschallsensor übermittelte Ultraschallecho ec2 als zweites Ultraschallecho ec2 dieses Ultraschallsensors bezeichnet und so fort. Dies Schnittstelle des Ultraschallsensors übermittelt das Eintreffen des Ultraschallsignals am Ultraschallsensor, indem die Schnittstelle des Ultraschallsensors den Sensordatenbus SDB herunterzieht und so den Schaltkreis, der den Sensordatenbus SDB auf einen High-Pegel vorlädt, überschreibt.
Danach wechselt in diesem Beispiel der Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB in den Empfangsmodus RxM. Der Ablauf des beispielhaften Empfangsmodus RxM dieses Beispiels ist ebenfalls in 6 visualisiert. Der Ultraschallsensor meldet in diesem Beispiel die Erkennung eines einzelnen Echos, das das erste Ultraschallecho ec1 dieses Ultraschallsensors ist, indem die Schnittstelle des Ultraschallsensors den Sensordatenbus SDB herunterzieht und so den Schaltkreis, der den Sensordatenbus SDB auf einen High-Pegel vorlädt, überschreibt. Nach der Übertragung der Ultraschallechomeldungen in der Zeit der Echosignalisierung erm legt in diesem Beispiel der Ultraschallsensor zeitlich der Echosignalisierung erm nachfolgend auch eine zeitliche Statusinformation auf diesen Sensordatenbus SDB. Ein weiteres Zeitgebermodul FTM0 erfasst in diesem Beispiel den resultierenden Frame (Datenrahmen) aus Echo und Statusinformation.
Der beispielhafte Mikrorechners MCU des NXP-Boards NXPB speichert in diesem Beispiel mittels einer auf einer Interrupt-Service-Routine ISR den resultierenden Frame (Datenrahmen) aus Echo und Statusinformation im Array „CHnCaptureResult“ CRA im Datenspeicher des Mikrorechners MCU des NXP-Boards NXPB. Damit stehen die Daten dem beispielhaften Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB in diesem Beispiel für Verarbeitungs- und Auswertungsschritte VAS als weitere Verfahrensschritte auf dem Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB zur Verfügung.
Figur 7
7 zeigt das Messprinzip der Abstandsmessung innerhalb eines beispielhaften Ultraschallsensors des von den Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des verwendeten und hier vorgeschlagenen Einparkhilfesystems. Der hier vorgestellte Ultraschallsensor USS umfasst hier beispielhaft einen Kontrollschaltkreis CC, eine Pulserzeugungsvorrichtung PG, einen Ultraschalltransceiver UST und einen Empfangsschaltkreis RC. Der Kontrollschaltkreis CC des Ultraschallsensors USS umfasst bevorzugt den Sensorprozessor SMCU, der in dem hier diskutierten Beispiel die Verbindung mit dem Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB über den Sensordatenbus SDA herstellt. Aufgrund des Empfangs des Sendecodes TxC erzeugt der Kontrollschaltkreis CC mittels einer Sendeleitung TXL ein Sendesignal mit einem Puls oder Burst USSB, der zu einem Startzeitpunkt t₀ beginnt. Die Pulserzeugungsvorrichtung PG treibt mittels einer ersten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv1 und einer zweiten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv2 den Ultraschalltransducer UST und formt so mit Hilfe des Ultraschalltransducers UST den Puls oder Burst USSB auf der Sendeleitung TXL zur einem akustischen Ultraschallburst um, den der Ultraschalltransducer UST als Ultraschallwelle USW aussendet. Die akustische Ultraschalwelle USW dieses akustischen Ultraschallbursts breitet sich dann vorzugsweise in einem Kugelsegment vom Ultraschalltransducer UST ausgehend in den Raum vor dem Ultraschalltransducer UST aus. Objekte, die von dieser akustischen Ultraschallwelle USW getroffen werden reflektieren diese akustische Ultraschallwelle USW oder deformieren sie. Der Zeitpunkt der Reflexion hängt dabei von der Entfernung des reflektierenden Objekts O zum Ultraschalltransducer UST ab. Ein Teil der reflektierten Ultraschallwelle USWR wird in Richtung auf den Ultraschalltransducer UST reflektiert. Die Pulserzeugungsvorrichtung PG stoppt nach kurzer Zeit die Aussendung des Ultraschallbursts. Bevorzugt dämpft die Pulserzeugungsvorrichtung PG das typischerweise auftretende Nachschwingen des typischerweise piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschalltransducers UST, sodass der Ultraschalltransducer UST möglichst kurze Zeit nach dem Aussenden des Ultraschallbursts, also der Ultraschallwelle USW, als Ultraschallempfänger für den Empfang der reflektierten Ultraschallwelle USWR arbeiten kann. Nach dem Ablauf dieser Totzeit t_damp zwischen dem Ende des Aussendens des Ultraschallbursts in der Ultraschallburstsendezeit ttx und dem ausreichenden Absinken der Amplitude des Nachschwingend des piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschalltransducers UST ist der Ultraschalltransducer UST in der Lage, eine einkommende reflektierte Ultraschallwelle USWR zu empfangen und in ein Ultraschallempfangssignal RXL zu wandeln. Der Ultraschalltransducer UST wandelt den Teil der reflektierten Ultraschallwelle USWR, der den Ultraschalltransducer UST trifft, in ein Signal um, dass der Empfangsschaltkreis RC zwischen der ersten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv1 und der zweiten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv2 am Ultraschalltransducer UST abgreift und zum Ultraschallempfangssignal RXL wandelt. Der Empfang des reflektierten Ultraschallbursts der reflektieren Ultraschallwelle USWR macht sich dabei als reflektierter Ultraschallburst RXB in dem zeitlichen Werteverlauf des Ultraschallempfangssignals RXL bemerkbar. Zwischen der ersten Flanke des Pulses oder Bursts USSB auf der Sendeleitung TXL und der ersten Flanke des reflektierten Ultraschallbursts RXB im zeitlichen Werteverlauf des Ultraschallempfangssignals RXL besteht eine Verzögerung, die sich aus der Signallaufzeit in Pulserzeugungsvorrichtung PG und Ultraschalltransducer UST im Sendepfad plus aus der Signallaufzeit in Ultraschalltransducer UST und Empfangsschaltkreis RC im Empfangspfad einerseits und der Signallaufzeit der durch den Ultraschalltransducer UST abgestrahlten Ultraschallwelle USW vom Ultraschalltransducer UST zum Objekt und vom Objekt zurück zum Ultraschalltransducer UST andererseits zusammensetzt. Diese Signallaufzeit wird in dieser Schrift als Reflexionszeit t_r bezeichnet. Wie leicht zu verstehen ist, kann mittels einer linearen Abbildung von der Reflexionszeit t_r auf die räumliche Distanz d zwischen Ultraschalltransducer UST und Objekt geschlossen werden. Die Ultraschallburstsendezeit t_tx bestimmt die Länge des Ultraschallbursts.
Figur 8
zeigt das beispielhafte Zeitdiagramm der Signale und des Zustands der beispielhaften, als Treiber fungierenden Pulserzeugungsvorrichtung PG eines Ultraschalltransducers UST. Mit dem Beginn der Ultraschallburstsendezeit ttx beginnt die gepulste und gegentaktige Ansteuerung des Ultraschalltransducers UST über die erste Ultraschalltransduceranschlussleitung drv1 und die zweite Ultraschalltransduceranschlussleitung drv2. Nach dem Ausschwingen des Schwingelements des Ultraschalltransducers UST in der Totzeit t_damp zwischen dem Ende des Aussendens des Ultraschallbursts in der Ultraschallburstsendezeit t_tx und dem ausreichenden Absinken der Amplitude des Nachschwingend des piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschalltransducers UST beginnt der Ultraschalltransducer UST, während der Empfangszeit t_rx eine einkommenden reflektierten Ultraschallwellen USWR zu empfangen und in ein Ultraschallempfangssignal RXL zu wandeln. Bevorzugt ist die Empfangszeit t_rx im Wesentliche deckungsgleich mit der Zeit, in der die Echosignalisierung erm stattfindet.
Figur 9
zeigt ein Beispiel für ein Hüllkurvensignal mit drei erkannten Echos. Das Beispiel beruht auf dem Profil zum beispielhaften Befehl „ReceiveA“, bei dem Ultraschalltransducer ausschließlich als Empfänger betrieben wird. Die X-Achse stellt die Laufzeit die aus der Laufzeit in Form der Reflexionszeit t_r der Ultraschallburstechos berechnete Entfernung von dem Ultraschallsensor zu einem reflektierenden Objekt dar. Der Nullpunkt der X-Achse soll der Referenzzeitpunkt tref sein, zu dem der Antrieb des Schwingelements des sendenden Ultraschalltransducers abgeschaltet wird und die Ausschwingphase und damit die Totzeit t_damp beginnt. Dies soll auch für folgende Diagramme der gleichen Art gelten. In diesem Fall ist also der sendende Ultraschalltransducer nicht der Ultraschalltransducer, dessen Hüllkurvensignal HK hier in 9 dargestellt ist. Die y-Achse zeigt die Amplitude eines jeden Wertes in willkürlichen Einheiten. Die gepunktete Linie stellt den Verlauf der Schwellwertkurve SWK dar. Die durchgezogene Linie stellt den Verlauf des Hüllkurvensignals HK des Ultraschallempfangssignals RXL dar. Die dünne, gestrichelte Kurve stellt den logischen Wert auf dem Sensordatenbus SDA während der Echosignalisierung erm dar. (Siehe auch 5). In dem Beispiel der 9 Überschreitet der Wert des Hüllkurvensignals HK an drei Stellen im zeitlichen Verlauf nach dem Referenzzeitpunkt tref die Schwellwertkurve SWK. In dem Beispiel der 9 detektieren der Empfangsschaltkreis RC im Zusammenwirken mit dem Kontrollschaltkreis CC den zeitlichen Punkt des Maximums des Verlaufs des Hüllkurvensignals HK und setzt mit dem Erreichen des lokalen zeitlichen Maximums des Hüllkurvensignals HK den Sensordatenbus SDA auf einen Low-Pegel. In dem Beispiel der 9 ermittelt der Ultraschallsensor ein erstes Ultraschallecho ec1, ein zweites Ultraschallecho ec2 und ein drittes Ultraschallecho ec3. Das erste Ultraschallecho ec1 wird in dieser Schrift als erstes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors bezeichnet. Das zweite Ultraschallecho ec1 wird in dieser Schrift als zweites Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors bezeichnet. Das dritte Ultraschallecho ec3 wird in dieser Schrift als drittes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors bezeichnet.
Figur 10
10 zeigt im Vergleich zur 9 zum beispielhaften Befehl „ReceiveA“ das Prinzip einer Ultraschallechoerkennung mit dem beispielhaften Profil „SendA“. Der empfangende Ultraschalltransducer UST ist hier in dem Beispiel der 10 auch der sendende Ultraschalltransducer UST. Daher wird der Ultraschallsensor in der Anfangsphase unmittelbar nach dem Referenzzeitpunkt tref auch übersteuert und kein Empfang ist möglich. Eine niedrige Schwellwertkurve SWK führt hier im Gegensatz zur 9 zu dem Empfang von sechs Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6) des Ultraschallsensors. Das Problem ist, dass die Testanordnung der testweise aufgestellten Pfosten nur drei Pfosten umfasste, die zu erkennen waren.
Figur 11
veranschaulicht die Auswirkungen der Verschiebung der Schwellenwertkurve SWK aus 10 zu höheren Werten. Durch diese Verschiebung reduziert sich die Anzahl der erkannten Ultraschallechos in dem Signal des Sensordatenbusses SDB auf drei Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3).
Die Lage und Form der Schwellwertkurve SWK hängt von vielen Faktoren der jeweiligen Anwendung ab und sollte experimentell durch einen DoE ermittelt werden. Informationen zu einem DOE kann der nacharbeitende Fachmann zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift beispielsweise unter dem Link https://www.projektmagazin.de/methoden/Design-of-Experiments-DoE-Beispiel-Anwendung im Internet finden.
Die Reduktion auf drei wesentliche Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3) vereinfacht die nachfolgende Trilaterationsverarbeitung.
Bis hierhin umfasst das vorgeschlagene Verfahren somit das Aussenden einer Ultraschallwelle USW eines Ultraschallbursts durch einen Ultraschallsender, der in der Regel einer von mehreren Ultraschallsensoren ist, der zeitweise als Ultraschallsender zum Zweck der Aussendung eines Ultraschallbursts als Ultraschallwelle USW arbeitet. In der Regel umfasst zu diesem Zweck der Ultraschallsender einen Ultraschalltransducer UST. Es folgt die Reflexion der Ultraschallwelle USW an einem oder mehreren Objekten O. Diese Reflexion der der Ultraschallwelle USW an einem oder mehreren Objekten O erzeugt eine oder mehrere reflektierte Ultraschallwellen USR. Die Ultraschallsensoren empfangen beispielsweise mittels Ultraschalltransducern UST die reflektierte Ultraschallwelle USR. Jeder der Ultraschallsensoren wandelt das jeweils durch diesen Ultraschallsensor empfangene jeweilige Ultraschallsensor spezifische Ultraschallsignal der von diesem jeweiligen Ultraschallsensor empfangenen reflektierten Ultraschallwellen in ein jeweiliges Ultraschallsensorempfangssignal um. Im Falle eines Ultraschalltransducers UST als empfangendes Element des Ultraschallsensors liegt das Ultraschallsensorempfangssignal typischerweise in der Empfangsphase des Ultraschallsensors als differentielles Spannungssignal zwischen der ersten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv1 und der zweiten Ultraschalltransduceranschlussleitung drv2 an. Typischerweise entfernt der Empfangsschaltkreis RC beispielsweise mittels eines Hüllkurvendemodulators oder Hüllkurvendetektors oder inkohärenten Demodulators aus dem Ultraschallsensorempfangssignal das besagte Hüllkurvensignal HK. Bevorzugt umfasst also der Empfangsschaltkreis RC einen solchen Hüllkurvendemodulator, der das Hüllkurvensignal HK aus dem Ultraschallsensorempfangssignal erzeugt. Eine Schwellwertkurvenerzeugungsvorrichtung erzeugt bevorzugt beginnend mit der Aussendung des Ultraschallbursts, bevorzugt zumindest aber in einem festen zeitlichen Verhältnis tu dem Beginn oder dem Ende der Aussendung des Ultraschallbursts ein Schwellwertkurvensignal mit einem zeitlichen Werteverlauf. Gleichzeitig überwacht eine Hüllkurvenstrukturerkennungsvorrichtung in dem Empfangsschaltkreis RC die Struktur des Hüllkurvensignals. Beispielsweise kann festgelegt sein, dass der Sensordatenbus SDB während der Echosignalisierung erm sich auf einem logischen 1 Wert befindet, wenn das Hüllkurvensignal HK unterhalb der Schwellwertkurve SWK des Schwellwertkurvensignals liegt und dass der Sensordatenbus SDB auf einen logischen Wert 0 während der Echosignalisierung erm wechselt, wenn die Hüllkurvenstrukturerkennungsvorrichtung ein lokales Maximum des Hüllkurvensignals HK erkennt und gleichzeitig der Wert des Hüllkurvensignals HK oberhalb des momentanen Werts der Schwellwertkurve SWK des Schwellwertkurvensignals liegt. Durch die Flanke von logisch 1 auf logisch 0 auf dem Sensordatenbus SDB signalisiert der Ultraschallsensor eine größere Reflexion in einem zeitlichen Abstand von dem Ultraschallsensor.
Diese Schrift schlägt vor, die Schwellwertkurve SWK in Abhängigkeit von den zuvor gemessenen Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3) nachzuführen. Hierzu sagt der Empfangsschaltkreis RC, beispielsweise aufgrund der beispielsweise drei letzten Messungen des Zeitpunkts des Eintreffens des ersten Ultraschallechos ec1 ein wahrscheinliches Zeitfenster für das Eintreffen des ersten Ultraschallechos ec1 bei der nächsten Messung voraus. In diesem zeitlichen Bereich des Zeitfensters für das wahrscheinliche Eintreffen des ersten Ultraschallechos ec1 bei der nächsten Messung kann der Empfangsschaltkreis RC die den Wert der Schwellwertkurve zeitlich temporär absenken, währen der Wert der Schwellwertkurve in dem Bereich unmittelbar zeitlich vor und hinter diesem zeitlichen Bereich des Zeitfensters für das wahrscheinliche Eintreffen des ersten Ultraschallechos ec1 wertmäßig bevorzugt höher als in dem zeitlichen Bereich des Zeitfensters für das wahrscheinliche Eintreffen des ersten Ultraschallechos ec1 ist. Beispielsweise kann der Empfangsschaltkreis RC die zeitlichen Positionen der beispielsweise letzten drei Empfänge des ersten Ultraschallechos ec1 verwenden und daraus mittels einer Polynomapproximation den Zeitpunkt des nächsten Empfangs des ersten Ultraschallechos ec1 bestimmen. Hier ist eine Filterung empfohlen, um sprunghafte Änderungen aufgrund von fehlerhaft empfangenen Ultraschallechos zu vermeiden. Ganz besonders empfohlen ist die Vorhersage des Empfangszeitpunks auf Grundlage der Ergebnisse des Gesamtverfahrens. Das Gesamtverfahren liefert die wahrscheinliche Position von Hindernissen. Durch eine Ultraschallmesssimulation kann das Ultraschallsensorsystem für jeden Ultraschallsensor das wahrscheinliche Eintreffen der Ultraschallechos für den jeweiligen Ultraschallsensor voraussagen und die Schwellwertkurve SK hieran anpassen, wobei bevorzugt der Wert der Schwellwertkurve im Zeitbereich des wahrscheinlichen Eintreffens der reflektierten Ultraschallwelle des Ultraschallbursts gegenüber anderen Zeiträumen zumindest im direkten zeitlichen Umfeld abgesenkt ist.
Figur 12
12 zeigt eine grobe Skizze des beispielhaften Versuchsaufbaus, wie ihn die Vorschlagenden der hier vorgelegten Schrift im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift für ein Labormuster des vorgeschlagenen Einparksystems verwendet haben. Der Versuchsaufbau umfasste ein Fahrzeug CAR. Das Fahrzeug CAR war in dem Beispiel der 12 ein Kombi-Fahrzeug. Eine Halterung HAL war auf die Ladefläche des Fahrzeugs CAR montiert. Ein Laptop bildete den USB-Host USBH. Der USB-Host USBH war auf die Halterung auf der Ladefläche des Fahrzeugs CAR montiert. Die Halterung HAL war so ausgeformt, dass außerhalb des Fahrzeugs CAR vier Sensorplatinen (SNSB1, SNSB2, SNSB3, SNSB4) in etwa in Höhe der Position der Stoßstange montiert waren. Die jeweiligen Ultraschallsensoren der jeweiligen Sensorplatinen der Sensorplatinen (SNSB1, SNSB2, SNSB3, SNSB4) strahlten in den Rückraum des Fahrzeugs CAR ihre jeweiligen Ultraschallwellen in der zeitlichen Sendephase des jeweiligen Ultraschallsensors aus. Die jeweiligen Ultraschallsensoren der jeweiligen Sensorplatinen der Sensorplatinen (SNSB1, SNSB2, SNSB3, SNSB4) empfingen in er Empfangsphase des jeweiligen Ultraschallsensors reflektierte Ultraschallwellen USR aus diesem Rückraum des Fahrzeugs CAR. Die Adapterplatine ADPB war auf der Halterung HAL zusammen mit der notwendigen Verkabelung befestigt.
Zusätzlich verfügte die experimentelle Vorrichtung über eine fünfte Sensorplatine SNSB5, die zur Erzeugung von Störsignalen diente.
Vorschlagsgemäß kann vorgesehen sein, dass das vorgeschlagene Ultraschallsensorsystem Störsignale mittels dieses fünften Ultraschallsenders der fünften Sensorplatine SNSB5 aussendet. Die fünfte Sensorplatine SNSB5 kann also einen Ultraschallsender oder einen Ultraschalltransducer UST zu diesem Zweck umfassen. In Abhängigkeit von der Auswirkung des Störsignals des fünften Ultraschallsenders der fünften Sensorplatine SNSB5 kann vorgesehen sein, durch Änderung von Parametern des Ultraschallsensorsystems das Filterverhalten des Empfangsschaltkreises RC des jeweiligen Ultraschallsensors und/oder das Filterverhalten des Ultraschallsensorsystems als Gesamtes zu ändern. Beispielsweise ist es denkbar, die Schwellwertkurve SWK eines oder mehrerer Ultraschallsensoren anzuheben.
Figur 13
veranschaulicht eine Situation in der der Ultraschallsensor 2 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 von beispielhaft vier Ultraschallsensoren auf vier Ultraschallsensorplatinen SNSB1, SNSB2, SNSB3, SNSB4 in der beispielhaften Rückstoßstange eines beispielhaften Fahrzeugs CAR ein Ultraschallburst-Signal in Form einer Ultraschallwelle USW aussendet. Die beispielhaft anderen drei Ultraschallsensoren 1, 2 und 3 der anderen Ultraschallsensorplatinen SNSB1, SNSB3, SNSB4 arbeiten in dem Beispiel der 13 als Ultraschallempfänger. Der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 hat einen ersten Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich USSE1. In dieser Schrift nehmen wir in der Beschreibung an, dass der Ultraschallsensorsendebereich eines Ultraschallsensors einer Ultraschallsensorplatine zur vereinfachten Darstellung deckungsgleich mit dem Ultraschallsensorempfangsbereich dieses Ultraschallsensors dieser Ultraschallsensorplatine ist. In der Realität dürfte dies nicht zutreffen. Der Fachmann wird dies bei der Nacharbeit des hier vorgestellten Vorschlags berücksichtigen. Diese Vereinfachung reduziert daher den Beanspruchungsumfang nicht.
Der zweite Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 weist einen zweiten Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich USSE2 auf.
Der dritte Ultraschallsensor der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 weist einen dritten Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich USSE3 auf.
Der vierte Ultraschallsensor der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 weist einen vierten Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich USSE4 auf.
Das Objekt O reflektiert in dem Beispiel der 13 die Ultraschallwelle des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 teilweise als eine erste reflektierte Ultraschallwelle USR1, die vom Objekt O zu dem ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 als erste reflektierte Ultraschallwelle USR1 läuft.
Das Objekt O reflektiert in dem Beispiel der 13 die Ultraschallwelle des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 teilweise als eine zweite reflektierte Ultraschallwelle USR2, die vom Objekt O zu dem zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 als zweite reflektierte Ultraschallwelle USR2 zurückläuft.
Das Objekt O reflektiert in dem Beispiel der 13 die Ultraschallwelle des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 teilweise als eine dritte reflektierte Ultraschallwelle USR3, die vom Objekt O zu dem dritten Ultraschallsensor der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 als dritte reflektierte Ultraschallwelle USR3 läuft.
In dem Beispiel der 13 reflektiert das Objekt O die Ultraschallwelle des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 nicht ausreichend in Richtung des vierten Ultraschallsensors der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4. Die beispielhafte Situation der 13 zeigt daher keine vierte reflektierte Ultraschallwelle USR4.
Da keine vierte reflektierte Ultraschallwelle USR4 den vierten Ultraschalsensor der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 erreicht, empfängt der vierte Ultraschallsensor der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 kein Ultraschallecho des Objekts O. Eine Information über die Existenz und den Abstand des Objekts O erhalten also nur der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und der zweite Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 und der dritte Ultraschallsensor der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3. Der vierte Ultraschallsensor der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 erhält keine Information über die Existenz und den Abstand des Objekts O bei dieser Messung.
Figur 14
14 veranschaulicht die einfachste Möglichkeit, einen 2D-Punkt durch Interpretation der ersten Ultraschallechos (ec1), die von zwei Ultraschallsensoren erkannt wurden, mittels Trilateration zu finden.
Der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 erzeugt beispielsweise aus seinem ersten Ultraschallsensorempfangssignal seines ersten Ultraschalltransducers UST ein erstes Hüllkurvensignal HK. Das diesem ersten Ultraschallsensor auf einer ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zugeordnet ist. Beispielsweise erzeugt er mit Hilfe einer Schwellwerkkure, die diesem ersten Ultraschallsensor auf der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zugeordnet ist eine erste Signalisierung auf dem Sensordatenbus SDB dieser ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1. Diese Signalisierung des ersten Ultraschallsensors der ersten Sensorplatine SNSB1 zeigt beispielsweise in einer zeitlichen Reihenfolge ein erstes Ultraschallecho ec1 und ein zweite Ultraschallecho ec2 und ein drittes Ultraschallecho ec3 usw. Dieses erste Ultraschallecho ec1 wird in dieser Schrift als erstes Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 bezeichnet. Dieses zweite Ultraschallecho ec2 wird in dieser Schrift als zweites Ultraschallecho ec2 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 bezeichnet. Dieses dritte Ultraschallecho ec3 wird in dieser Schrift als drittes Ultraschallecho ec3 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 bezeichnet. Der Zeitraum zwischen Aussendung der Ultraschallwelle USW und dem jeweiligen Eintreffen des jeweiligen Ultraschallechos ec1, ec2, ec3 ist abhängig vom Anstand zwischen diesem ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und dem Objekt O und dem Abstand zwischen dem die Ultraschallwelle aussendenden Ultraschallsensor und dem Objekt O.
In analoger Weise erzeugt der zweite Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 beispielsweise aus seinem zweiten Ultraschallsensorempfangssignal seines zweiten Ultraschalltransducers UST ein zweites Hüllkurvensignal HK, das diesem zweiten Ultraschallsensor auf einer zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 zugeordnet ist. Beispielsweise erzeugt er mit Hilfe einer Schwellwerkkure, die diesem zweiten Ultraschallsensor auf der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 zugeordnet ist, eine zweite Signalisierung auf dem Sensordatenbus SDB dieser zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2. Diese Signalisierung des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Sensorplatine SNSB2 zeigt beispielsweise in einer zeitlichen Reihenfolge ebenfalls ein erstes Ultraschallecho ec1 und ein zweite Ultraschallecho ec2 und ein drittes Ultraschallecho ec3 usw. Dieses erste Ultraschallecho ec1 wird in dieser Schrift als erstes Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 bezeichnet. Dieses zweite Ultraschallecho ec2 wird in dieser Schrift als zweites Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 bezeichnet. Dieses dritte Ultraschallecho ec3 wird in dieser Schrift als drittes Ultraschallecho ec3 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB1 bezeichnet. Der Zeitraum zwischen Aussendung der Ultraschallwelle USW und dem jeweiligen Eintreffen des jeweiligen Ultraschallechos ec1, ec2, ec3 ist abhängig vom Anstand zwischen diesem zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 und dem Objekt O und dem Abstand zwischen dem die Ultraschallwelle aussendenden Ultraschallsensor und dem Objekt O.
Der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 weist in dem Beispiel der 14 einen beispielhaften Abstand Xd zu dem zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 auf.
Aus der zeitlichen Position des Eintreffens des ersten Ultraschallechos ec1 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts kann das Ultraschallsensorsystem auf einen ersten Abstand d0 zwischen dem ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zu dem Objekt O schließen. Wenn eine Fehlmessung vorliegt, sollte das Objekt O grob auf einem Kreis um den ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 mit einem Radius entsprechend dem ersten Abstand d0 zwischen dem ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zu dem Objekt O liegen. Da der sendende Ultraschallsensor nicht unbedingt identisch mit dem empfangenden Ultraschallsensor ist, muss das Objekt O genauer gesagt auf einer ersten Ellipse liegen, wobei sich in einem ersten Brennpunkt der ersten Ellipse der sendende Ultraschallsensor befindet und wobei sich in dem anderen Brennpunkt der ersten Ellipse sich der empfangende Ultraschallsensor befindet.
Aus der zeitlichen Position des Eintreffens des ersten Ultraschallechos ec1 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts kann das Ultraschallsensorsystem auf einen zweiten Abstand d0 zwischen dem zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 zu dem Objekt O schließen. Wenn eine Fehlmessung vorliegt, sollte das Objekt O grob auf einem Kreis um den zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 mit einem Radius entsprechend dem zweiten Abstand d1 zwischen dem zweiten Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 zu dem Objekt O liegen. Da der sendende Ultraschallsensor nicht unbedingt identisch mit dem empfangenden Ultraschallsensor ist, muss das Objekt O genauer gesagt auf einer zweiten Ellipse liegen, wobei sich in einem ersten Brennpunkt der zweiten Ellipse der sendende Ultraschallsensor befindet und wobei sich in dem anderen Brennpunkt der zweiten Ellipse sich der empfangende Ultraschallsensor befindet.
Um die Bedingung zu erfüllen, dass das Objekt sowohl auf der ersten Ellipse als auch auf der zweiten Ellipse liegt, sollte das Objekt auf dem Schnittpunkt der ersten Ellipse mit der zweiten Ellipse liegen. Leider gilt diese Näherung nur für ideale punktförmige Objekte ohne Durchmesser und ungleichmäßig reflektierende Oberflächen etc.
Über einfache trigonometrische Annahmen kann der Abstand y von der Verbindungslinie zwischen dem ersten Ultraschallsensor und dem zweiten Ultraschallsensor bestimmt werden.
Figur 15
zeigt ein mögliches Szenario für die Trilateration von zwei Ultraschallsensoren zur Berechnung der Position eines Objekts O, wobei sich in dem Beispiel der 15 jedoch mehrere Objekte O1, O2 im Bereich der beiden Ultraschallsensoren befinden, was zu Fehlinterpretationen der Ultraschallechos und damit zu falschen Lösungen führen kann.
In dem Beispiel der 15 sendet der erste Ultraschallsensor der ersten Sensorplatine SNSB1 einen Ultraschallburst in Form einer ersten Ultraschallwelle in Richtung des ersten Objekts O1 und des zweiten Objekts O2 aus. Die beiden durchgezogenen Pfeile symbolisieren diese Aussendung der ersten Ultraschallwelle.
Das erste Objekt O1 reflektiert in Richtung des ersten Ultraschallsensors der ersten Sensorplatine SNSB1 die Ultraschallwelle als erste reflektierte Ultraschallwelle USR_1,1 des ersten Objekts O1 in Richtung des ersten Ultraschallsensors.
Das erste Objekt O1 reflektiert in Richtung des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Sensorplatine SNSB2 die Ultraschallwelle als zweite reflektierte Ultraschallwelle USR_1,2 des ersten Objekts O1 in Richtung des zweiten Ultraschallsensors.
Das zweite Objekt O2 reflektiert in Richtung des ersten Ultraschallsensors der ersten Sensorplatine SNSB1 die Ultraschallwelle als erste reflektierte Ultraschallwelle USR_2,1 des zweiten Objekts O2 in Richtung des ersten Ultraschallsensors.
Das zweite Objekt O2 reflektiert in Richtung des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Sensorplatine SNSB2 die Ultraschallwelle als zweite reflektierte Ultraschallwelle USR_2,2 des zweiten Objekts O2 in Richtung des zweiten Ultraschallsensors.
Das erste Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 ist in dem Beispiel der 15 dann das Ultraschalecho des ersten Objekts O1, das der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 nach dem Aussenden der Ultraschallwelle durch das Sensorsystem zeitlich als erstes erfasst.
Das zweite Ultraschallecho ec2 des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 ist in dem Beispiel der 15 dann das Ultraschalecho des zweiten Objekts O2, das der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 nach dem Aussenden der Ultraschallwelle durch das Sensorsystem zeitlich als zweites erfasst.
Das erste Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 ist in dem Beispiel der 15 dann das Ultraschalecho des ersten Objekts O1, das der zweite Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 nach dem Aussenden der Ultraschallwelle durch das Sensorsystem zeitlich als zweites erfasst.
Das zweite Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 ist in dem Beispiel der 15 dann das Ultraschalecho des zweiten Objekts O2, das der zweite Ultraschallsensor der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 nach dem Aussenden der Ultraschallwelle durch das Sensorsystem zeitlich als erstes erfasst.
Das Ultraschallsensorsystem hat somit die Wahl, zwei verschiedene Paarungen von Laufzeiten der Ultraschallechos der beiden Ultraschallsensoren zu bilden. Mit mehr Objekten wird die Situation noch komplizierter.
Zum Ersten als Möglichkeit I kann das Ultraschallsystem annehmen, dass das erste Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und das erste Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschallsensors durch ein hypothetische Objekt A verursacht wurden und dass das zweite Ultraschallecho ec2 des ersten Ultraschallsensors und das zweite Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschallsensors durch ein hypothetische Objekt B verursacht wurden.
Zum Ersten als Möglichkeit II kann das Ultraschallsystem annehmen, dass das erste Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und das zweite Ultraschallecho ec2 des zweiten Ultraschallsensors durch ein hypothetische Objekt a verursacht wurden und dass das zweite Ultraschallecho ec2 des ersten Ultraschallsensors und das erste Ultraschallecho ec1 des zweiten Ultraschallsensors durch ein hypothetische Objekt b verursacht wurden.
Hier ist offensichtlich die Möglichkeit b die richtige. Nimmt jedoch das Ultraschallsystem beispielsweise aufgrund einer Präferenz für die ersten Ultraschallechos ec1 an, dass Möglichkeit I die richtige ist, so kommt das Ultraschallsensorsystem zu dem Schluss, dass die in 15b gezeigte Situation vorliegt und nicht die in 15a gezeigte Ursprungssituation. Dies ist ein für sicherheitsrelevante System nicht hinnehmbarer Zustand.
Figur 16
veranschaulicht beispielhaft die Idee des vorgeschlagenen Trilaterationsverfahrens. Das vorgeschlagene Trilaterationsverfahren umfasste einen Verfahrensschritt zur Erkennung einer unzulässigen Paarung zwischen einem Ultraschallecho eines Ultraschallsensors und einem weiteren Ultraschallecho eines anderen Ultraschallechos. Hierbedeutet diese Paarung, dass das Ultraschallsensorsystem einen Wert basierend auf der Laufzeit vom Aussenden der Ultraschallwelle bis zum Eintreffen des Ultraschallechos bei dem Ultraschallsensor mit einem weiteren Wert basierend auf der weiteren Laufzeit vom Aussenden der Ultraschallwelle bis zum Eintreffen des weiteren Ultraschallechos bei dem weiteren Ultraschallsensor, der vom Ultraschallsensor verschieden ist, zu einem Wertepaar paart.
Das Beispiel der 16 zeigt zur Vereinfachung nur ein Objekt O, das sich im Zentrum des gestrichelten Quadrats befinden soll. Der erste Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 sendet die Ultraschallwelle aus. Die durchgezogenen Pfeile symbolisieren dies. Das Ultraschallsensorsystem paart nun einen Laufzeitwert eines Ultraschallechos eines Ultraschallsensors mit einem Laufzeitwert eines anderen Ultraschallechos eines anderen Ultraschallsensors. Wählt das Ultraschallsensorsystem für jeden der Ultraschallsensoren das richtige Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors für diese drei möglichen Paarungen aus, so ergeben sich zwei Schnittpunkte der zugehörigen Ellipsen der empfangenden Ultraschallsensoren mit der Ellipse des sendenden und empfangenden Ultraschallsensors, die innerhalb einer Fehlertoleranz nahegenug beieinanderliegen. In dem Beispiel der 16 liegt der Schnittpunkt der Ellipse der Paarung aus Ellipse des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und der Ellipse des dritten Ultraschallsensors der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB um den Schnittpunkt der Ellipse der Paarung aus Ellipse des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und der Ellipse des zweiten Ultraschallsensors der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2. Der Fehlertoleranzbereich FB ist in dem Beispiel der 16 ein beispielhaft quadratischer Fehlertoleranzbereich FB, der eine Abweichung in X-Richtung von +/- eines X-Abweichungswerts x_lim in X-Richtung und in Y-Richtung von +/- eines Y-Abweichungswerts y_lim von den Koordinaten des erstgenannten Schnittpunks zu den Koordinaten des zweitgenannten Schnittpunkts zulässt.
Beispielsweise kann dann das Ultraschallsensorsystem die beiden Koordinatenpaare dann durch Mittelwertbildung zusammenfassen.
Figur 17
17 veranschaulicht den Ablauf des vorgeschlagenen Trilaterationsverfahrens.
Das Verfahren basiert auf dem zu den 16 und 15 beschrieben Verfahren und ist eine Ausgestaltung des Grundprinzips.
Das vorschlagsgemäße Verfahren beginnt damit, dass das Ultraschallsensorsystem zunächst eine Messung durchführt. Dann beginnt das Verfahren gemäße der 17 am Punkt „Start“ Bezugszeichen 1.
Zunächst startet das Verfahren mit einer ersten Größe des Fehlertoleranzbereiches FB der 16. In dem Verfahren der 17 ist zugrunde gelegt, dass die erlaubte Abweichung in X-Richtung von +/eines X-Abweichungswerts x_lim und in Y-Richtung von +/- eines Y-Abweichungswerts y_lim in beide Richtungen gleich ist und einem Wert diff entspricht.
In dem beispielhaften Initialisierungsschritt setzt das Ultraschallsensorsystem diese Größe zunächst auf einen Initialwert i-step. (Bezugszeichen 2)
Dann führt das Ultraschallsensorsystem eine erste Trilateration basierend auf dem ersten Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und dem ersten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors aus (Bezugszeichen 3). Das Ergebnis ist ein erster Trilaterationspunkt.
Das Ultraschallsensorsystem vergleicht dann, ob der ermittelte erste Trilaterationspunkt in einem zulässigen Koordinaten Bereich liegt. (Bezugszeichen 4)
Ist dies nicht der Fall (Bezugszeichen N4), springt das Verfahren direkt zu einer Trilateration des ersten Ultraschallechos des ersten Ultraschallsensors mit dem zweiten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors. (Bezugszeichen 8)
Ist dies der Fall (Bezugszeichen J4), so führt das Verfahren eine zweite Trilateration zwischen dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem ersten Echo des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so ein zweites Trilaterationsergebnis. (Bezugszeichen 5)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J5), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N5), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem zweiten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 6)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J6), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N6), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem dritten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 7)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis dann innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J7), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N7), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem verwirft das erste Trilaterationsergebnis.
Lag das erste Trilaterationsergebnis außerhalb eines zulässigen Bereiches (Bezugszeichen N4) oder hat das Ultraschallsensorsystem das erste Trilaterationsergebnis verworfen (Bezugszeichen N7), so führt nun das Ultraschallsensorsystem die erste Trilateration basierend auf dem ersten Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und dem zweiten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors aus. Das Ergebnis ist wieder ein erster Trilaterationspunkt. (Bezugszeichen 8)
Das Ultraschallsensorsystem vergleicht dann wieder, ob der nun zum zweiten Mal ermittelte erste Trilaterationspunkt nun in einem zulässigen Koordinaten Bereich liegt. (Bezugszeichen 9)
Ist dies nicht der Fall (Bezugszeichen N9), springt das Verfahren direkt zu einer Trilateration des ersten Ultraschallechos des ersten Ultraschallsensors mit dem dritten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors (Bezugszeichen 13).
Ist dies der Fall (Bezugszeichen J9), so führt das Verfahren eine zweite Trilateration zwischen dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem ersten Echo des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so ein zweites Trilaterationsergebnis. (Bezugszeichen 10)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J10), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N10), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem zweiten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 11)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J11), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N11), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem dritten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 12)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis dann innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J12), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N12), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem verwirft das erste Trilaterationsergebnis.
Lag das erste Trilaterationsergebnis außerhalb eines zulässigen Bereiches (Bezugszeichen N9) oder hat das Ultraschallsensorsystem das erste Trilaterationsergebnis verworfen (Bezugszeichen N12), so führt nun das Ultraschallsensorsystem die erste Trilateration basierend auf dem ersten Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und dem dritten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors aus. Das Ergebnis ist wieder ein erster Trilaterationspunkt. (Bezugszeichen 13)
Das Ultraschallsensorsystem vergleicht dann wieder, ob der nun zum dritten Mal ermittelte erste Trilaterationspunkt nun in einem zulässigen Koordinaten Bereich liegt. (Bezugszeichen 14)
Ist dies nicht der Fall (Bezugszeichen N14), springt das Verfahren direkt zur Änderung des Fehlertoleranzbereichs FB. (Bezugszeichen 19)
Ist dies der Fall (Bezugszeichen J14), so führt das Verfahren eine zweite Trilateration zwischen dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem ersten Echo des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so ein zweites Trilaterationsergebnis. (Bezugszeichen 15)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J15), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist. (Bezugszeichen 18)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N15), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem zweiten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 16)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J16), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N16), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem führt eine zweite Trilateration basierend auf dem ersten Echo des ersten Ultraschallsensors und dem dritten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors aus und ermittelt so das zweite Trilaterationsergebnis erneut auf Basis anderer Daten. (Bezugszeichen 17)
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis dann innerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen J17), so handelt es sich um ein gültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem ermittelt aus dem ersten Trilaterationsergebnis und dem zweiten Trilatertationsergebnis ein finales Trilaterationsergebnis, womit das Trilaterationsverfahren abgeschlossen ist (Bezugszeichen 18).
Liegt das zweite Trilaterationsergebnis erneut außerhalb des Fehlertoleranzbereiches FB des ersten Trilaterationsergebnisses (Bezugszeichen N17), so handelt es sich um ein ungültiges Ergebnis und das Ultraschallsensorsystem verwirft erneut das erste Trilaterationsergebnis.
Lag das erste Trilaterationsergebnis außerhalb eines zulässigen Bereiches (Bezugszeichen N14) oder hat das Ultraschallsensorsystem das erste Trilaterationsergebnis verworfen (Bezugszeichen N17), so vergrößert das Ultraschallsystem den Fehlertoleranzbereiches FB. (Bezugszeichen 19) Sofern er nicht eine maximale Größe erreicht oder überschritten hat.
Hat der Fehlertoleranzbereiches FB eine maximale Größe erreicht oder überschritten (Bezugszeichen 20), so bricht das Ultraschallsensorsystem das Verfahren ab (Bezugszeichen 21).
Hat der Fehlertoleranzbereiches FB eine maximale Größe noch nicht erreicht oder überschritten, so führt das Ultraschallsensorsystem das Verfahren mit einem vergrößerten Fehlertoleranzbereiches FB erneut durch und beginnt hierzu wieder mit der Durchführung der ersten Trilateration basierend auf dem ersten Ultraschallecho ec1 des ersten Ultraschallsensors und dem ersten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors aus. (Bezugszeichen 3) Das Ergebnis ist wieder ein erster Trilaterationspunkt. Das Ultraschallsensorsystem setzt das Verfahren von diesem Punkt an, wie oben beschrieben, weiter fort. (Bezugszeichen 4)
In der Regel gelingt auf diese Weise die Trilateration einzelner Objekte.
Bevorzugt verwendet das Verfahren immer drei nebeneinander platzierte Ultraschallsensoren.
Führt das Verfahren zu keinem Ergebnis oder wurde das Verfahren sonst wie beendet, so wählt das Ultraschallsystem drei andere bevorzugt nebeneinanderliegende Ultraschallsensoren für das Verfahren aus und führt das Verfahren für diese drei neuen Ultraschallsensoren durch.
Es kann sich ergeben, dass das Ultraschallsystem auch andere Dreierkombinationen von drei Ultraschallsensoren aus der Menge der Ultraschallsensoren auswählt und das Verfahren auf die Daten der Ultraschallechos dieser Ultraschallsensoren anwendet. Werden sehr viele Ultraschallsensoren verwendet würde die Anzahl der möglichen Kombinationen explodieren. Daher hat es sich bewährt, nur vorbestimmte Kombinationen von drei Ultraschallsensoren jeweils für jeden Verfahrensdurchgang zu benutzen.
Nach Anwendung des Verfahrens in mit einer ausreichenden Anzahl von Verfahrensdurchgängen hat das Ultraschallsensorsystem eine gewisse Menge hypothetischer Objektorte mittels dieser vorschlagsgemäßen Trilateration der Ultraschallechos der Ultraschallsensoren ermittelt, die Basis des weiteren Gesamtverfahrens sind.
Figur 18
18 zeigt ein Beispiel, wie mit Hilfe des oben beispielhaft beschriebenen Trilaterationsverfahrens das Ultraschallsensorsystem maximal drei Hindernisse in jedem Kanal erkennen kann, indem das Ultraschallsensorsystem das in 17 vorgeschlagene Trilaterationsverfahren für das erste, zweite und dritte Ultraschallecho jedes Ultraschallsensors anwendet, wobei die 18 beispielhaft beispielhafte Lösungen des Verfahrens bei der Messung von sechs verschiedenen, beispielhaften Pfosten auf einer gepflasterten Fläche zeigt.
18a zeigt die ermittelten zweidimensionalen Koordinaten einer 2D-Umfeldkarte. Zur besseren Orientierung sind die Ultraschallsensoren als Halbkreise bei der Y-Koordinate 0 auf der X-Achse als Halbkreise eingezeichnet. Die Kodierung der Positionsbezeichnung der Halbkreise entspricht der Kodierung der ermittelten Punkte
Die 18b stellt eine zeichnerische Darstellung der verwendeten Anordnung der Pfosten bei der Ausarbeitung des Vorschlags dar. Es zeigt den Blick aus dem Heck des Fahrzeugs der 12 auf die sechs Pfosten, die auf einer Asphaltfläche aufgestellt sind.
Figur 19
verdeutlicht, dass die Erkennung einer breiten Fläche wie einer Wand zum Beispiel mehr Iterationen als die Erkennung eines kleinen Pfostens benötigt. 19a zeigt die Ellipsen der Ultraschallsensoren der Ultraschallsensorboards SNSB1, SNSB2 und SNSB3 für einen Pfosten, den alle n drei Ultraschallsensoren erfassen. 19a zeigt die Ellipsen für eine Wand. Es wird deutlich, dass die Voraussetzung der Trilateration, dass das reflektierende Objekt punktförmig ist, zu Problemen führt, da die drei Ellipsen der 19a sich nicht in einem Punkt schneiden. In der Figur sendet der erste Ultraschallsensor des ersten Ultraschallsensorboards SNSB1 den Ultraschallburst als Ultraschallwelle USW aus. Die anderen Ultraschallsensoren der anderen Ultraschallsensorboards empfangen nur die Reflexionen dieses Ultraschallbursts.
Figur 20
visualisiert die mit beispielhaft drei Ultraschallsensoren der drei Ultraschallsensorboards SNSB1, SNSB2 und SNSB3 erfassten drei beispielhaften Abstandswerte über zugehörige Ultraschallechos einer Wandmessung. In dem Fall der 20 arbeitete das Ultraschallsensorsystem mit der gleichen Testumgebung wie in 19b. Allerdings sendete nun der Ultraschallsensor des zweiten Ultraschallsensorboards SNSB2 du nicht der des ersten Ultraschallsensorboards SNSB1. In dieser Konfiguration hat sich die Situation gegenüber der Situation in 19b verschlechtert.
Figur 21
zeigt beispielhafte Reichweiten von beispielhaft vier beispielhaften Ultraschallsensoren.
In 21 sind die beispielhaften Reichweiten der vier beispielhaften Ultraschallsensoren der vier Ultraschallsensorplatinen SNSB1, SNSB2, SNSB3, SNSB4 dargestellt. Jeder Ultraschallsensor erkennt das Pfostenobjekt etwa 80cm links und 80cm rechts vor dem jeweiligen Ultraschallsensor, unter Berücksichtigung des jeweiligen Blickwinkels. Diese Grenze ist bei praktischen Messungen nicht absolut. Objekte jenseits dieses Bereichs des jeweils betreffenden Ultraschallsensors kann dieser betreffende Ultraschallsensor ebenfalls wahrnehmen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wahrnehmung durch den jeweiligen betreffenden Ultraschallsensor sinkt aber in Abhängigkeit von der Oberfläche des Objekts und von dem Winkel zur Abstrahl- und/oder Empfangsachse der Abstrahlkeule bzw. der Empfangskeule des betreffenden Ultraschallsensors. Das durch das vorgeschlagene Ultraschallsensorsystem verwendete Verfahren arbeitet mit diesen Winkelgrenzen, um falsche Positionen zu minimieren, die möglicherweise nicht zu einem Objekt gehören. Objekte, die sich außerhalb erlaubter maximaler Empfangswinkel befinden ignoriert das vorgeschlagene Ultraschallsensorsystem. Außerdem ist es nicht notwendig, die Bereiche zu erweitern, denn wenn die Lösung eines Kanals sehr weit entfernt ist, erkennt ein anderer Kanal dieses Objekt.
Die Trilaterationen eines jeden Kanals benötigen in dem vorschlagsgemäßen Verfahren jeweils je Kanal drei Ultraschallsensoren. Die Zuordnung wird konstruktionsseitig festgelegt. Bevorzugt sind die drei Ultraschallsensoren längs einer Linie zueinander benachbart. Bevorzugt müssen somit jeweils drei Ultraschallsensoren dreier Ultraschallsensorplatinen der beispielhaft vier Ultraschallsensorplatinen SNSB1, SNSB2, SNSB3 und SNSB4 ein Objekt O erfassen. Die Objekte O sollten bevorzugt also zwischen dem ersten und vierten Ultraschallsensor platziert werden. Die Zahlen in 21 stellen dar, welcher Ultraschallsensor Ultraschallechos aus diesem Bereich erhält.
Hierbei repräsentiert die Zahl 0 den ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1.
Hierbei repräsentiert die Zahl 1 den ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB2.
Hierbei repräsentiert die Zahl 2 den ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB3.
Hierbei repräsentiert die Zahl 3 den ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB4.
Im Sinne dieser Schrift sind die Ultraschallsensoren auf den Ultraschallsensorplatinen SNSB1, SNSB2, SNSB3 und SNSB4, längs einer Linie von links nach rechts angeordnet. Diese Linie betrachten wir in dieser Schrift als X-Achse. Der Nullpunkt der X-Achse soll am Ort des ersten Ultraschallsensors der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 liegen. Die X-Achse soll ausgehend vom 0-Punkt beim ersten Ultraschallsensor der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 hin zum vierten Ultraschallsensor SNSB4 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 parametrisiert sein. Die Zählung der Ultraschallsensorplatinen erfolgt hier bevorzugt von links nach rechts längs der X-Achse auf der besagten Linie. Die ersten beiden Kanäle erkennen in dem zur Ausarbeitung dieser Schrift benutzten Beispiel nun bevorzugt Objekte im x-Bereich der X-Achse zwischen 0 und 80cm. Die zweiten beiden Kanäle erkennen Hindernisse mit einer x-Position zwischen 40cm und 120cm. Die Ultraschallsensoren können im x-Bereich zwischen 0cm und 120cm nicht jede y-Position erfassen. Wenn Objekte zu nahe dem Ultraschallsensorsystem sind, empfängt der äußere Ultraschallsensor kein Echo dieses Objekts. Das gleiche Problem tritt bei Objekten mit einer x-Position mehr oder weniger unmittelbar neben den vier Ultraschallsensoren auf. Beide Probleme könnten zu einigen ungünstigen Szenarien bei Einparksituationen führen. Mit dem englischen Wort „Fallback“ ist in dieser Schrift eine Behelfslösung gemeint, die eine nicht optimale, aber in der praktischen Realität hilfsweise brauchbare Überbrückungslösung für solche Probleme darstellt. Der folgende Fallback ist ein vorzugsweise implementierter Teil des Verfahrens, um diese schlechten Szenarien zu verhindern. Der Versuchsaufbau, den die Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift verwendet, nutzte diese Fallbacks.
Figur 22
zeigt verschieden beispielhafte Betriebsbereiche für die beispielhaft vier beispielhaften Ultraschallsensoren der 21.
Fallback
Wie zuvor erläutert treten verschiedene Probleme bei der Umfeldkartenerzeugung mittels Ultraschallsensoren auf. Das vorgeschlagene Verfahren enthält bevorzugt daher einen Fallback, um Objekte mit einer geringeren Anzahl an empfangenden Ultraschallsensoren im äußeren und näheren Bereich des untersuchten Fahrzeugumfelds zu erkennen. Fallback bedeutet hier, dass das Verfahren die Lösung von zwei Ultraschallsensoren nicht mit einer dritten Sensorlösung vergleichen kann und daher die Messdaten einer entsprechend geringeren Anzahl an Ultraschallsensoren verwendet. In der Regel sind dies die Messdaten der Ultraschallsensoren, die Ultraschallechos empfangen. Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert dann eine Lösung von zwei Ultraschallsensoren ohne weiteren Nachweis. Dementsprechend besitzen solche Lösungen einen geringeren Vertrauenswert als Lösungen auf der Basis von Messwerten von drei Ultraschallsensoren. In dem Labormuster des Ultraschallsensorsystems, das zur Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift diente, ist dieser Fallback nur für die Nah- und Außenfelderkennung implementiert. Dieser beispielhafte Fallback berücksichtigt nur die ersten Ultraschallechos der Ultraschallsensoren. Die Berücksichtigung von zweiten und dritten Ultraschallechos könnte durch falsche Echozuordnungen zu falschen Lösungen führen. Eine Mehrfach-Objekterkennung ist auch im Fallback-Bereich möglich. Jeder Kanal kann ein Objekt durch das erste Ultraschallecho und zwei weitere Objekte durch das zweite und dritte Ultraschallecho erkennen. Der Fallback erhöht den Erfassungsbereich und die sichere Objekterkennung bei geringen Abständen. Wie oben bereits bei 21 beschrieben zeigt 22 die verschiedenen Betriebsbereiche.
Das fett markierte Rechteck der 23 zeigt die Reichweite der Sensorlösungen auf Basis der Messwerte von drei Ultraschallsensoren ohne Nutzung eines Fallbacks. Das fett gezeichnete Rechteck ist in positiver y-Richtung offen, da sich die 23 auf die Nahfelderkennung konzentriert und nicht den vollen Bereich in y-Richtung zeigt. Die durchgezogene Linie symbolisiert, dass die Begrenzung des Rechtecks starr ist. Die Ultraschallsensorvorrichtung akzeptiert innerhalb dieses fett gezeichneten Rechtecks nur Lösungen die auf den Messwerten von drei Ultraschallsensoren basieren ohne Nutzung des Fallbacks. Im Gegensatz dazu akzeptiert die Ultraschallsensorvorrichtung Lösungen auf Basis von Messwerten von zwei Ultraschallsensoren auch um das fett markierte Rechteck herum. Dieser Bereich ist der Rückfallbereich. Daher das englische Wort „Fallback“. Er bedeutet, dass Lösungen, die aus weniger als drei Ultraschallsensoren resultieren, zu akzeptierten Punkten in diesem Bereich führen können. Zwei-Sensor-Lösungen werden generell überall im Fallback-Bereich akzeptiert. Eine Zwei-Sensor-Lösung ist dabei eine ermittelte Objektkoordinate, die das Ultraschallsensorsystem aufgrund der Messdaten von nur zwei Ultraschallsensoren ermittelt hat. Eine Drei-Sensor-Lösung ist dabei eine ermittelte Objektkoordinate, die das Ultraschallsensorsystem aufgrund der Messdaten von drei Ultraschallsensoren ermittelt hat. Eine Ein-Sensor-Lösung sind dabei die ermittelten Objektkoordinaten der Abstandsellipse, die das Ultraschallsensorsystem aufgrund der Messdaten von nur einem Ultraschallsensor ermittelt hat. Die Akzeptanz von zwei-Sensor-Lösungen im Fallback-Bereich durch das Ultraschallsensorsystem ist abhängig vom aktuell sendenden Ultraschallsensor.
Wir unterscheiden hier die Kanäle 0, 1, 2 und 3.
Die Kanäle 1 und 2 der beiden mittleren Ultraschallsensoren berechnen Punkte mittels ihres ersten Ultraschallechos und des ersten Ultraschallechos der beiden Ultraschallsensoren jeweils links und rechts neben ihnen.
Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert für den Kanal 1 Drei-Sensorlösungen Lösungen mit einer x-Position zwischen dem ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und dem dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB2, wobei bei Kanal 1 beispielsweise der zweite Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 sendet und der erste Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 empfängt und der zweite Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Ultraschallwelle USW empfängt und der dritte Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 empfängt.
Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert für den Kanal 2 Drei-Sensorlösungen Lösungen mit einer x-Position zwischen dem zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 und dem vierten Ultraschallsensor 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4, wobei bei Kanal 2 beispielsweise der dritte Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 sendet und der zweite Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 empfängt und der dritte Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Ultraschallwelle USW empfängt und der vierte Ultraschallsensor 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 empfängt.
Kanal 1 berechnet für die Auswertung z. B. zunächst eine Trilaterale mit dem ersten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 und dem ersten Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1. Führt das nicht zu einer Lösung, trilateriert das Ultraschallsensorsystem das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 mit dem ersten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3.
Kanal 2 berechnet für die Auswertung z. B. zunächst eine Trilaterale mit dem ersten Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 und dem ersten Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2. Führt das nicht zu einer Lösung, trilateriert das Ultraschallsensorsystem das erste Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 mit dem ersten Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4.
Dadurch erkennt das Ultraschallsensorsystem Objekte, die sich vor den vier Ultraschallsensoren 0,1,2,3 der vier Sensorplatinen SNSB1, SNSB2, SNSB3 und SNSB4 befinden, immer in zwei Kanälen, nämlich den Kanälen 1 und 2. Dies führt zu mehr Sicherheit im Nahbereich.
Kanal 0 und Kanal 3 messen Hindernisse im seitlichen Bereich. Es ist keine redundante Objekterkennung möglich, da nur die beiden äußeren Ultraschallsensoren Ultraschallechos von Objekten neben den Ultraschallsensoren empfangen können.
Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert für den Kanal 0 Zwei-Sensor-Lösungen mit einer x-Position links des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und von dort nach rechts bis zum zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2, wobei bei Kanal 0 beispielsweise der erste Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 sendet und der erste Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Ultraschallwelle USW empfängt und der zweite Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 empfängt.
Das Ultraschallsensorsystem akzeptiert für den Kanal 3 Zwei-Sensor-Lösungen mit einer x-Position rechts des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 und von dort nach links bis zum dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3, wobei bei Kanal 4 beispielsweise der vierte Ultraschallsensor 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 sendet und der vierte Ultraschallsensor 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 nach dem Aussenden des Ultraschallbursts als Ultraschallwelle USW empfängt und der dritte Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 empfängt.
Daher ermittelt das Ultraschallsensorsystem in jedem Kanal dieser zwei außenliegenden Kanäle, also den Kanälen 0 und 3 bevorzugt jeweils nur eine Trilateration der beiden ersten Ultraschallechos des jeweiligen Ultraschallsensors durch. Führt diese Trilateration nicht zu einer Lösung, enthält das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem ausführt, auch einen Fallback auf einen einzelnen Ultraschallsensor.
Das Verfahren detektiert somit ein Hindernis oder ein anderes Objekt in diesen äußeren Bereichen, wenn nur der jeweils sendende Ultraschallsensor ein Ultraschallecho der von ihm ausgestrahlten Ultraschallwelle USW empfängt. Das Ultraschallsensorsystem prüft bevorzugt zunächst, ob das von dem außenliegenden Ultraschallsensor, hier ein Ultraschallsensor der Ultraschallsensoren 0 und 3, empfangene Ultraschallecho nicht zu einem anderen Objekt gehört, indem er den Abstand, den das empfangene Ultraschallecho repräsentiert, mit den auf Basis der Messwerte anderer Kanäle vom Ultrasachallsensorsystem berechneten Abständen zu bereits erkannten Objekten vergleicht.
Figur 23
veranschaulicht, warum die Verwendung eines Fallback-Verfahrens auf erst zwei und dann einen Ultraschallsensor notwendig ist, wenn das Ultraschallsensorsystem ein Hindernis in Form eines Objekts in einem der äußeren Bereiche detektiert und wenn nur der sendende Ultraschallsensor ein Ultraschallecho seines als Ultraschallwelle USW ausgesendeten Ultraschallbursts empfängt. Bevorzugt prüft das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem bevorzugt anwendet, zunächst, ob das Ultraschallecho nicht zu einem anderen Objekt gehört, indem das Ultraschallsensorsystems innerhalb dieses Verfahrens das Ultraschallecho des betreffenden außenliegenden Ultraschallsensors mit den von anderen Kanälen berechneten Abständen zu Objekten vergleicht.
Die linke Seite der 23 (23a) zeigt die Ultraschallechos von Kanal 0 und Kanal 1.
Im Falle des Kanal 0 sendet der erste Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 einen Ultraschallburst als Ultraschallwelle USW aus. In der 23 ist diese Aussendung als Pfeil mit einem durchgezogenen Strich von dem ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 hin zu dem Objekt O eingezeichnet. In dem beispielhaften Fall der 23 reflektiert das Objekt O die Ultraschallwelle USW des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallplatine SNSB1 aber nur in ausreichendem Maße in zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallplatine SNSB1 zurück. Diese Reflexion der Ultraschallwelle USW vom Objekt O zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zurück ist in der 23 als schwarzer durchgezogener Pfeil vom Objekt O zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 eingetragen. Da die anderen Ultraschallsensoren in dem Beispiel der 23 nichts in Kanal 0 empfangen, sind keine durchgezogenen Pfeile vom Objekt O zu diesen Ultraschallsensoren eingetragen.
Im Falle des Kanal 1 sendet der zweite Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 einen Ultraschallburst als Ultraschallwelle USW aus. Dies erfolgt logischer Weise bevorzugt im Zeitmultiplex mit Kanal 0. In der 23 ist diese Aussendung als Pfeil mit einem gestrichelten Strich von dem zweiten Ultraschallsensor 2 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 hin zu dem Objekt O eingezeichnet. In dem beispielhaften Fall der 23 reflektiert das Objekt O die Ultraschallwelle USW des zweiten Ultraschallsensors 1 der zweiten Ultraschallplatine SNSB2 aber in ausreichendem Maße zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallplatine SNSB1 und zum zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallplatine SNSB2 und zum dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallplatine SNSB3 zurück. Die Reflexion der Ultraschallwelle USW vom Objekt O zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zurück ist in der 23 als schwarzer gestrichelter Pfeil vom Objekt O zum ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB2 eingetragen. Die Reflexion der Ultraschallwelle USW vom Objekt O zum zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 zurück ist in der 23 als schwarzer gestrichelter Pfeil vom Objekt O zum zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2 eingetragen. Die Reflexion der Ultraschallwelle USW vom Objekt O zum dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 ist in der 23 als schwarzer gestrichelter Pfeil vom Objekt O zum dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3 eingetragen. Da die anderen Ultraschallsensoren, der erste Ultraschallsensor 0 und der vierte Ultraschallsensor 3, in dem Beispiel der 23 nichts in Kanal 1 empfangen, sind keine durchgezogenen Pfeile vom Objekt O zu diesen Ultraschallsensoren eingetragen.
Kanal 1 detektiert ein Hindernis durch drei erste Ultraschallechos. Kanal 1 detektiert ein erstes Ultraschallecho über den ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1. Kanal 1 detektiert ein erstes Ultraschallecho über den zweiten Ultraschallsensor 1 der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2. Kanal 1 detektiert ein erstes Ultraschallecho über den dritten Ultraschallsensor 2 der dritten Ultraschallsensorplatine SNSB3.
Im Gegensatz dazu wird die Reflexion des Ultraschallsendebursts des Ultraschallsensors 0 nur von Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 empfangen. Gemäß dem Fallback auf einen Ultraschallsensor würde das Verfahren die durch den ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 gemessene Reflexion des Ultraschallsendebursts des Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 als Lösung akzeptieren. Das Ultraschallsensorsystem berechnet im Kanal 1 den Abstand zwischen dem ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 und dem Objekt O. Das Ultraschallsensorsystem vergleicht diesen neu berechneten Abstand mit dem vom Ultraschallsensorsystem im Kanal 0 berechneten Abstand, um eine falsche Lösung zu verhindern. Wenn der der neu berechnete Abstand wertmäßig nahe an dem Abstandswert des im Kanal 0 berechneten Abstands liegt, bewertet das Ultraschallsensorsystem das Ultraschallecho nicht als eine zulässige Ein-Sensor-Lösung und verwirft diese Ein-Sensor-Lösung. Die Ein-Sensor-Lösung ist in der 23 als Objekt (O) eingezeichnet, wobei das O in Klemmern gesetzt ist und kursiv gezeichnet ist, um es als Scheinobjekt zu kennzeichnen. Der Hintergrund ist, dass das Ultraschallsensorsystem davon ausgeht, dass dieses Ultraschallecho auf das in Kanal 1 bereits erfasste Objekt zurückzuführen ist. Das Ultraschallsensorsystem reduziert auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit von Fehllösungen durch Fehlinterpretation von Ultraschallechos. Insbesondere bei Objekten mit unregelmäßigen und verwinkelten Oberflächen kann es zu Szenarien kommen, wie sie in 23 dargestellt sind.
Das Sensorsystem wendet also ein Verfahren an, das in den Messwerten der Ultraschallechos der Ultraschallsensoren Ultraschallechos von Scheinobjekten zu identifizieren und zu entfernen. Diese Schrift bezeichnet diese Ultraschallechos als Scheinechos. Es handelt sich somit um ein Verfahren zur Identifikation von Ultraschallscheinechos und zur Entfernung der Messdaten dieser Ultraschallscheinechos aus den Messdaten.
Das Ultraschallsensorsystem wendet bevorzugt den Fallback auf einen Ultraschallsensor auch in Kanal 1 und 2 an, um Hindernisse im sehr nahen Bereich zu erkennen, die nur von einem Ultraschallsensor erfasst werden können. 22 symbolisiert diesen Bereich durch die gestrichelte fette Linie.
Figur 24
Die 24 veranschaulicht die Vermeidung falscher Lösungen ohne Einschränkung des Lösungsbereichs für die außenliegenden Kanäle, hier beispielhaft die Kanäle 0 und 3. Das Ultraschallsensorsystem prüft Lösungen, die auf Messwerten der entsprechenden Kanäle 0 und 3 beruhen, hinsichtlich eines Winkels α_lim zur Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals.
Das Ultraschallsensorsystem ermittelt also beispielsweise basierend auf Messwerten des Kanals 0 eine mögliche Position eines Objekts O als Lösungen. Das Ultraschallsensorsystem bestimmt dann basierend auf der möglichen Position des Objekts O und der bekannten Position des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 einen Winkel α zwischen der Linie von der bekannten Position des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1. Ist der Wert dieses Winkels α zwischen der Linie von der bekannten Position des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 kleiner als der Wert eines Winkels α_lim zu dieser Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals, so verwirft das Ultraschallsensorsystem die Daten dieser möglichen Position des Objekts O nicht. Ist der Wert dieses Winkels α zwischen der Linie von der bekannten Position des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 größer als der Wert eines Winkels α_lim zu dieser Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals, so verwirft das Ultraschallsensorsystem die Daten dieser möglichen Position des Objekts O.
Das Ultraschallsensorsystem ermittelt also beispielsweise basierend auf Messwerten des Kanals 3 eine mögliche Position eines Objekts O als Lösungen. Das Ultraschallsensorsystem bestimmt dann basierend auf der möglichen Position des Objekts O und der bekannten Position des vierte Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 einen Winkel α zwischen der Linie von der bekannten Position des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4. Ist der Wert dieses Winkels α zwischen der Linie von der bekannten Position des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 größer als der Wert eines Grenzwinkels α_lim zu dieser Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals, so verwirft das Ultraschallsensorsystem die Daten dieser möglichen Position des Objekts O nicht. Ist der Wert dieses Winkels α zwischen der Linie von der bekannten Position des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 zur möglichen Position des besagten Objekts O und der Sichtachse des vierten Ultraschallsensors 3 der vierten Ultraschallsensorplatine SNSB4 kleiner als der Wert eines Winkels α_lim zu dieser Sichtachse des zugehörigen Ultraschallsensors des betreffenden Kanals, so verwirft das Ultraschallsensorsystem die Daten dieser möglichen Position des Objekts O.
Der Wert des Winkels α ist in diesem Sinne also vorzeichenbehaftet. Wir gehen hier von einem Rechtssystem aus.
Die Motivation für dieses Vorgehen ist, dass praktische Messungen einige falsche Lösungen ohne Einschränkung des Lösungsbereichs für die Kanäle 0 und 3 ergaben. Das Labormuster des Ultrasachallsensorsystems, das bei der Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift verwendet wurde, nutzt einen Wert von 45° für den Grenzwinkel θ_lim.
Figur 25
visualisiert, wie entsprechend dem Stand der Technik der Kalman-Filter den nächsten Zustand durch den Einfluss der beiden Parameter, der Kovarianz R des Messrauschens und des Varianzwerts Q des Prozessrauschens, und vorhersagt.
Die 25 zeigt beispielhaft die Messung einer Position eines Fahrzeugs oder beweglichen Objekts. Die durchgezogene Kurve in der 25 symbolisiert die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Vorhersage durch das Ultraschallsensorsystem, das das Verfahren zur Berechnung einer Kalman-Filterfunkton ausführt. Die lang gestrichelte Kurve in der 25 stellt die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Messung mittels der Ultraschallsensoren dar. In diesem Szenario ist die Standardabweichung der Messung im Vergleich zur Vorhersage geringer. Das bedeutet, dass der Parameter Q höher ist als R. Die kurz gestrichelte Kurve beschreibt die resultierende Position, das Ultraschallsensorsystem in dem vorgeschlagenen Verfahren durch Berechnung einer Kalman-Filterfunktion berechnet. Als Eingangsparameter der Kalman-Filterfunktion dienen dem Ultraschallsensorsystem dabei die mittels Trilateration berechneten Trilaterationspositionen der als potenziell vorhanden detektierten Objekte. Die Kurve ergibt sich durch die Multiplikation der beiden anderen Gauß-Kurven. Bevorzugt skaliert das Ultraschallechosystem diese Kurve hoch, um den Integralwert eins als Normwert zu erhalten. Die folgenden beiden Formeln beschreiben den genauen Zusammenhang zwischen dem Parameter und den Standardabweichungen der Gauß-Kurven: $R = σ_{m e a s}^{2}, Q = σ_{p r e d}^{2} - P_{k - 1}$
R stellt das Quadrat der Standard Abweichung, der Varianz, dar. Eine Iteration ermittelt die Kohärenz zwischen Q und der Vorhersagevarianz. Eine weitere Iteration ermittelt die resultierende Varianz der kurz gestichelten Kurve der berechneten Position mittels der folgenden Formel: $σ_{r e s u l t}^{2} = σ_{p r e d}^{2} - K * σ_{p r e d}^{2} .$
25 zeigt, dass die Varianz der Messung und die Vorhersage das Filterverhalten bestimmen. Die Filterausgabe liegt näher an dem Wert mit einer kleineren Verteilung. Dies reduziert die Beeinflussung des Messergebnisses durch Störprozesse wie Wind oder andere Ultraschallquellen anderer Autos oder durch komplexe Oberflächen. Der Kalman-Filter des Ultraschallsensorsystems erhält die Informationen über die Verteilungen durch die Parameter. Daher ist eine gute Wahl von R und Q für die gute Funktion des Ultraschallsensorsystems wesentlich /15/, /16/.
Für das 1D-System könnte die Prozessrauschvarianz Q gleich Null sein, da es keine Vorhersage durch eine Systembeziehung gibt. Wenn Q auf null gesetzt wird, verringert sich jedoch die Flexibilität für die „Abstimmung“ des Filters. Daher besteht eine mögliche Lösung darin, Q auf einen kleinen Wert wie 10^-5 zu setzen und R anzupassen, um die gewünschte Filterleistung zu erhalten. Das Verhalten des Kalman-Filters des Ultraschallsensorsystems und insbesondere des Verfahrens zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors hängt vom Verhältnis zwischen Q und R ab. Daher empfiehlt die hier vorgelegte Schrift zunächst die Messrauschvarianz R einzustellen. Das anschließende Einstellen des Filters verwendet bevorzugt den Parameter Q.
Figur 26
26 dient dem Vergleich zweier verschiedener, beispielhafter Filterparameter des Kalman-Filters, das das Ultraschallsensorsystem durch Ausführung einer Kalman-Filterfunktion typischerweise realisiert.
26 vergleicht zwei verschiedene beispielhafte Filterparameter. Die durchgezogene Linie in 26 stellt eine Abstandsmessung dar. Die x-Achse ist die Zeitachse. Die Y-Achse ist der gemessene Abstandswert eines Objekts. Das reale Abstandssignal zur Stimulierung des Systems ist ein Objekt O vor dem Ultraschallsensorsystem mit einem konstanten realen Abstandswert von 2,5 Metern zwischen Objekt und Ultraschallsensorsystem. Dieser Abstandswert ist mit einem normalverteilten verrauschten Signalanteil überlagert. Die beispielhafte Standardabweichung des Rauschsignals ist σ_meas=50. Daher ist in diesem Beispiel R definiert als σ_meas ²=250. 26 zeigt die Ausgabe des beispielhaften Kalman-Filters des Ultraschallsensorsystems für zwei verschiedene beispielhaft ausgewählte Werte des Kalman-Filter-Parameters Q. Der höhere Wert es Kalman-Filter-Parameters, hier ein Wert von beispielhaft 75, führt zu einem höheren Vertrauen des Ultraschallsensorsystems in die Werte der Ultraschallmessung. Daher ist die kurz gestrichelte Linie mit Q=75 und R=250 weniger glatt im Vergleich zur lang gestrichelten Linie mit Q=5 und R=250. Daher ist bevorzugt in diesem Beispiel ein kleinerer Wert des Kalman-Filter-Parameters Q besser, um einen Messwert während einer statischen Messung zu glätten.
Figur 27
27 zeigt, dass der Kalman-Filter mit dem kleineren Q dem dynamischen Teil der Messung nicht folgen kann. Die 27 wendet die gleichen Parameter wie 26 nun aber für eine dynamische Messung an. Die Standardabweichung des Messsignals ist wieder beispielhaft 50. Die Bewegung zwischen der 20sten und 50sten Iteration entspricht in dem Beispiel der 27 einer Geschwindigkeit von ±2,67m/s bei einer Iterationsschrittweite von 50ms.
Die 27 zeigt, dass der Kalman-Filter mit dem kleineren Kalman-Filter-Parameterwert Q dem dynamischen Teil der Messung nicht folgen kann. Je kleiner der Wert des Kalman-Filter-Parameters Q, den das Ultraschallsensorsystem benutzt, desto mehr Iterationen sind notwendig, damit der Kalman-Filter des Ultraschallsensorsystems den Bewegungen des Objekts, dessen Position das Ultraschallsensorsystem ermitteln soll, folgen kann. Der Kalman-Filter benötigt Informationen über die Bewegungen des Objekts, um das Filterverhalten bei dynamischen Messungen zu verbessern. Im Falle eines Einparksystems als Ultraschallsensorsystem soll die Geschwindigkeit des Autos, das das Ultraschallsensorsystem umfasst, in den Kalman-Filter einbezogen werden. Für die eindimensionale Filterung wird die Geschwindigkeit des Autos als Eingangssignal des Kalman-Filters konfiguriert.
Figur 28
28 vergleicht die Ausgabe des Kalman-Filters des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems mit und ohne Geschwindigkeitsinformation. An dieser Stelle sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, dass unter dem Kalman-Filter im Sinne dieser Schrift eine Kalman-Filterfunktion gemeint ist, die das Ultraschallsensorsystem und zwar bevorzugt einer der zuvor erwähnten Rechner ausführt.
Die lang gestrichelte Kurve in 28 veranschaulicht den Kalman-Filter ohne Geschwindigkeitsinformationen. Die kurz gestrichelte Kurve in 28 demonstriert den Vorteil der Geschwindigkeitseingabe. Der beispielhafte Kalman-Filter des Ultraschallsensorsystems benötigt durch Berücksichtigung der Geschwindigkeitsinformation des Autos praktisch keine Iterationen, um dem Wert zu folgen, da die Geschwindigkeit des Fahrzeugs direkt die Berechnung des nächsten Zustands beeinflusst.
Figur 29
29 zeigt die Verteilung des ersten Ultraschallechos des ersten Ultraschallsensors 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 bei Messungen des Ultraschallsensorsystems über den Kanal 0 des Ultraschallsensorsystems während einer beispielhaften Wandmessung.
Die Versuche während der Ausarbeitung dieser Schrift nutzten das Ultraschallsensorsystem als Ultraschall-Parksystem. Insofern sind in dieser Schrift die Begriffe Ultraschallsensorsystem und Ultraschall-Parksystem zueinander als synonym zu verstehen. Das beispielhafte Laborsystem des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems setzte das Kalman-Filter ein, um die Ultraschallechosignale des Ultraschallsensorsystems nach erfolgter Trilateration der Ultraschallechos und Verwurf der offensichtlich falschen Positionen der erkannten Scheinobjekte zu filtern. Die Eingabesignale des Kalman-Filters sind also die erkannten Objektpositionen und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Jeder Zyklus der Messung bestand beispielhaft aus 36 Ultraschallechos:

1. Das erste Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 0.
2. Das zweite Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 0.
3. Das dritte Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 0.
4. Das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 0.
5. Das zweite Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 0.
6. Das dritte Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 0.
7. Das erste Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 0.
8. Das zweite Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 0.
9. Das dritte Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 0.
10. Das erste Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 1.
11. Das zweite Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 1.
12. Das dritte Ultraschallecho des ersten Ultraschallsensors 0 bei der Messung von Kanal 1.
13. Das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 1.
14. Das zweite Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 1.
15. Das dritte Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 1.
16. Das erste Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 1.
17. Das zweite Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 1.
18. Das dritte Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 1.
19. Das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 2.
20. Das zweite Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 2.
21. Das dritte Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 2.
22. Das erste Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 2.
23. Das zweite Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 2.
24. Das dritte Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 2.
25. Das erste Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 2.
26. Das zweite Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 2.
27. Das dritte Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 2.
28. Das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 3.
29. Das zweite Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 3.
30. Das dritte Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei der Messung von Kanal 3.
31. Das erste Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 3.
32. Das zweite Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 3.
33. Das dritte Ultraschallecho des dritten Ultraschallsensors 2 bei der Messung von Kanal 3.
34. Das erste Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 3.
35. Das zweite Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 3.
36. Das dritte Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei der Messung von Kanal 3.

Das Ultraschallsensorsystem filtert daher diese beispielhaften 36 Ultraschallechos in separaten Kalman-Filtern. Da das Ultraschallsensorsystem in der Regel diese Kalman-Filter als Programme eines Prozessors MCU des Ultraschallsensorsystems ausführt, führt somit das Ultraschallsensorsystem typischerweise mehrere, hier beispielhaft 36 Verfahren aus, die eine Kalman-Filterfunktion ausüben.
Jede dieser Kalman-Filterfunktionen, die das Ultraschallsensorsystem ausführt, ist vorschlagsgemäß genau einem Ultraschallecho also beispielsweise dem ersten Ultraschallecho oder dem zweiten Ultraschallecho oder dem dritten Ultraschallecho zugeordnet, das ein Eingangssignal der jeweiligen Kalman-Filterfunktion aus der Menger der hier beispielhaft 36 Kalman-Filterfunktionen ist, die das Ultraschallsensorsystem ausführt. 12 der 36 Ultraschallechos sind erste Ultraschallechos.
Der hier vorgestellte Vorschlag ist, sich auf die Filterung dieser 12 ersten Ultraschallechos zu begrenzen, um die Auswertung und den Test der Kalman-Filterfunktionen zu vereinfachen. Vor der Anwendung der jeweiligen Kalman-Filterfunkton dieser 12 Kalman-Filterfunktionen sollte das Ultraschallsensorsystem beispielsweise prüfen, ob die Ultraschallechos normalverteilt sind.
29a zeigt die Verteilung des ersten Ultraschallechos des Ultraschallsensors 0 bei einer Messung über den Kanal 0 während einer beispielhaften Wandmessung.
Die beispielhafte Verteilung der 29a enthält 225 Ultraschallechos. Der Mittelwert der Zeit zwischen Aussendung des Ultraschallbursts durch den ersten Ultraschallsensor 0 der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1 beträgt 4871µs, was einem Abstand von ca. 1,67 Metern entspricht. Die Standardabweichung beträgt etwa 10µs. Die 29a verdeutlicht, dass die Ankunftszeiten des ersten Ultraschallechos des ersten Ultraschallsensors 0 der erste Ultraschallsensorplatine SNSB1 im Ultraschalechosignal im wesentlichen normalverteilt sind. Auch andere Messungen ergaben im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift, dass die Ankunftszeiten der verschiedenen Ultraschallechos der verschiedenen Ultraschallsensoren in den jeweiligen Ultraschalechosignalen der jeweiligen Ultraschallsensoren im Wesentlichen ebenfalls normalverteilt sind. Daher kann das Ultraschallsensorsystem in der Regel die Kalman-Filterfunktionen für die Filterung der Objektkoordinaten anwenden. Es ist übrigens nicht unbedingt erforderlich, dass das Ultraschallsensorsystem die Normalverteilung dieser Daten prüft. Das Ultraschallsensorsystem kann dies während des Betriebs durchführen, es muss dies aber nicht tun. Experimente haben gezeigt, dass der Qualitätsgewinn sehr gering ist.
29b zeigt die Messsituation die der 29a zugrunde liegt.
Figur 30
30 verdeutlich, dass die Konfiguration der Parameter für die Kalman-Filterfunktion vom Ultraschallechosignal abhängt, weil die Standardabweichung der Ultraschallechos sich bei verschiedenen Oberflächen und unterschiedliche Umgebungen unterscheidet, wobei in dieser Schrift beispielhafte die Verdeutlichung anhand des Beispiels einer Simulation einer Parksituation erfolgt, die z. B. zu deutlichen Unterschieden in der Standardabweichung führt. 30 zeigt das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei einer Messung über Kanal 1 und das erste Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3 bei einer Messung über Kanal 3. Das Ultraschallsensorsystem filtert mittels einer ersten Kalman-Filterfunktion das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1. Das Ultraschallsensorsystem filtert mittels einer zweiten Kalman-Filterfunktion das erste Ultraschallecho des vierten Ultraschallsensors 3. Die Parameter der ersten Kalman-Filterfunktion und der zweiten Kalman-Filterfunktion sind in dem Beispiel der 30 beispielhaft gleich.
Die Ankunftszeiten für das Ultraschallecho, die das Ultraschallsensorsystem mittels einer Messung und Trilateration über den Kanal 3 ermittelt, haben eine Standardabweichung von 10µs.
Die Ankunftszeiten für das Ultraschallecho, die das Ultraschallsensorsystem mittels einer Messung und Trilateration über den Kanal 0 ermittelt, haben eine Standardabweichung von 63µs.
Das Beispiel der 30 benutzt beispielhaft den Kalman-Filterparameter Q mit dem Wert 100.
Das Beispiel der 30 benutzt beispielhaft den Kalman-Filterparameter R mit dem Wert 3600. Ein solch hoher Kalman-Filterparameter R von R=3600 entspricht in etwa einer Varianz der Ankunftszeit des ersten Ultraschallechos über Kanal 0 von 0. Die 30 zeigt, dass sich die Verteilungen der Ankunftszeiten der Ultraschallechos im gleichen Szenario unterscheiden. Bei statischen Messungen könnten die Kalman-Filterparameter beispielsweise Parameter unter Berücksichtigung des Ultraschallechos mit der größten Streuung gewählt werden. Im Vergleich dazu haben filternde dynamische Messungen das bereits erläuterte Problem, dem Messwert zu folgen. Die Integration der Geschwindigkeit des Fahrzeugs würde das Verhalten des dynamischen Filters verbessern. Allerdings würde diese Integration in vielen Parksituationen nicht das richtige Ultraschallechosignal liefern. Ein Problem ist, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs nicht in jeder Situation die Änderung der Echostrecke repräsentiert. Zum Beispiel, wenn das Auto mit einer langsamen Geschwindigkeit einparkt und der Fahrer schnell in eine Richtung lenkt. In diesem Fall würde sich das Signal sehr schnell ändern, weil es Ultraschallechos von Hindernissen erhalten würde, die sich vorher nicht in der Reichweite des Ultraschallsensors befanden. Das gleiche Problem tritt auf, wenn das Fahrzeug eine Wand misst und ein Fußgänger zwischen der Wand und dem Fahrzeug läuft. Die Parameter der Kalman-Filterfunktionen müssen angepasst werden, um dynamische Ultraschallechos korrekt zu erkennen.
Kanal 3 streut in dem Beispiel der 30 so wenig, dass die Autoren zur Vereinfachung nur eine gemeinsame Linie eingezeichnet haben.
Die 30b zeigt die Aufnahmesituation der Messdaten.
Figur 31
31 vergleicht zwei verschiedene Kalman-Filterparameter R durch eine dynamische Messung anhand des Beispiels einer Pflanze als Objekt O. Das erkannte Hindernis ist in diesem Szenario der 31 die abgebildete Pflanze. Die Zeichnung basiert auf einem Bild, das im 100. Zyklus aufgenommen wurde. Die unregelmäßige Oberfläche der Pflanze führt zu einer sehr hohen Streuung des Ultraschallechosignals. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs war aufgrund des Messaufbaus nicht verfügbar. Sie wurde für diese Messung daher nicht in die Systembeschreibung integriert.
Das Diagramm zeigt zwei verschiedene Wahlmöglichkeiten für den Parameter R. Der erste Kalman-Filter (durchgezogene Linie) glättet die Kurve besser. Im Vergleich dazu folgt der zweite Kalman-Filter (gestrichelte Linie) der Messung schneller. Die maximale Geschwindigkeit der gezeigten Messung beträgt etwa 0,3m/s. Eine Messung mit einer höheren Geschwindigkeit würde den Unterschied zwischen den beiden Kurven verstärken. Die Tatsache, dass es sich bei Parksituationen um dynamische Messungen handelt, führte bei den Vorversuchen bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift zur Anwendung der beispielhaften Parameter Q=100 und R=200. Die schnelle Reaktion auf eine sich ändernde Umgebung ist wichtiger als die Glättung der Kurve.
Figur 32
32 zeigt ein beispielhaftes Ultraschallechosignal einer beispielhaften statischen Messung, bei der der Kalman-Filter wird durch eine manuelle Abfrage erweitert ist, um das Rauschverhalten zu verbessern.
Eine manuell festgelegte Abfrage erweitert die vom Ultraschallsensorsystem verwendeten Kalman-Filterfunktionen. Ziel ist eine Verbesserung des Rauschverhaltens. 32 verdeutlicht dies. Die 32 zeigt ein Ultraschallechosignal einer statischen Messung. Ein Rauschsensor einer fünften Ultraschallsensorplatine SNSB5 (siehe 12) arbeitet als Rauschsensor und beeinflusst über abgestrahltes Rauschen im Ultraschallbereich den Messwert (durchgezogene Linie). Die gestrichelte Linie stellt den Ausgang des Standard-Kalman-Filters der 31 dar. Aufgrund der Kalman-Filterparameter, reagiert der mittels die mittels der manuellen Abfrage modifizierte Kalman-Filterfunktion schnell auf aufgefrischte Werte. Die gepunktete Linie in der 32 zeigt das Ergebnis eines solchen manuell eingefügten Abfrage in der Kalman-Filterfunktion.
Das Ultraschallsensorsystem führt diese manuell eingeführte Abfrage bei der Ausführung der Kalman-Filterfunktion unmittelbar vor dem Beginn der Ausführung der Kalman-Filterfunktion aus. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Plausibilitäts-Check der Eingangsdaten des Kalman-Filters, also der Kalman-Filterfunktion. Das Ultraschallsensorsystem führt diesen Plausibilitätscheck bevorzugt durch. Beispielsweise kann der Plausibilitätscheck eine „if“-Anweisung sein, die das Ultraschallsensorsystem vor der Beschickung des Kalman-Filters mit Trilaterationsdaten mit Trilaterationswerten ausführt. Bevorzugt benutzt das Ultraschallsensorsystem diesen Plausibilitätscheck beispielsweise zum Aussortieren eines Rauschwertes im Datenstrom der Trilaterationswerte. Die beispielhaft als Plausibilitätsprüfung dienende „if“-Anweisung kann beispielsweise keinen Wert für die Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos akzeptieren und in das Kalman-Filter einspeisen, der höher ist als der letzte Wert plus 1400µs. Die Grenze für diese Abfrage ergibt sich aus der Annahme der maximalen Systemdynamik und muss anwendungsspezifisch empirisch durch Versuche ermittelt werden. Nach dieser Annahme ist das Maximum der Geschwindigkeit eines Objekts in der Parklücke oder die Geschwindigkeit des Autos 2m/s. Geschwindigkeiten oberhalb dieser Grenze können daher aussortiert werden. Das Einparksystem sollte unter der Verwendung des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems in der Lage sein, Hindernisse mit geringeren Geschwindigkeiten zu erkennen. Der Plausibilitätscheck in Form der manuellen Abfrage kann das Ultraschallsensorsystem wie folgt berechnen: $Δ e_{m a x} = \underset{c y c l e t i m e}{\underset{︸}{120 m s}} * \underset{v_{m a x}}{\underset{︸}{2 \frac{m}{s}}} * \frac{2}{\underset{v_{u s}}{\underset{︸}{343 \frac{m}{s}}}} * \underset{w a y s}{\underset{︸}{2}} = 1400 μ s .$
Die Formel errechnet die maximale Differenz eines Ultraschallechosignals pro Zyklus. Wenn der Messwert für die Geschwindigkeit größer ist als der letzte Messwert für die Geschwindigkeit plus 1400µs ist, wird der aktuelle Wert für die Ankunftszeit des Ultraschalechos durch den letzten gültigen Wert für die Ankunftszeit des Ultraschalechos des betreffenden Kanals des betreffenden Ultraschallechos des betreffenden Ultraschallsensors ersetzt, da das Ultraschallsensorsystem davon ausgehen muss, dass es sich um eine Fehlmessung handelt. D.h. das vorgeschlagene Ultrasachallsensorsystem zeichnet sich dadurch aus, dass es zum Ersten einen Kalman-Filter in Form einer vom Ultraschallsensorsystem ausgeführten Kalman-Filterfunktion verwendet, um mindestens das Ultraschallempfangssignal zumindest eines Ultraschallsensors zu filtern, und dass das Ultraschallsensorsystem einen Plausibilitätscheck der Eingangswerte des Kalman-Filters durchführt und dass das Ultraschallsensorsystem Eingangswerte des Kalman-Filters, die nicht plausibel sind durch alte, plausible Werte ersetzt.
Figur 33
33 zeigt beispielhaft ein instabiles Echo während einer dynamische Messung des Pflanzenhindernisses der 31. Auch hier ist eine Optimierung notwendig. Eine weitere manuelle Abfrage in dem Plausibilitätscheck zur Verbesserung des Filterverhaltens kann den Sprung des Werts der Ankunftszeit des Ultraschallechos zwischen einem gültigen zeitlich vorausgehenden Ultraschallechowert und einem nachfolgenden fehlenden Ultraschallechowert, also keinem erkannten Ultraschallecho verhindern. Hindernisse wie das Pflanzenobjekt (31) können zu sehr unstabilen Echos führen. Ein Ultraschallsensor ist dann nicht in der Lage, in jedem Zyklus ein Ultraschallecho zu erkennen. Eine Möglichkeit zum Umgang mit diesem Umstand ist, dass das Ultraschallsensorsystem den aktuellen Wert auf die maximale Messzeit des Profils setzt. In den Versuchen zur Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift betrug dieser Wert beispielhafte 14,58 ms für Profil A. Dies würde jedoch zu zusätzlichen Lösungen durch ein solches Verfahren mit einem solchen Plausibilitätscheck führen. Jeder Zyklus ohne Lösung würde Lösungen durch die Maximalwerte der Echos liefern. Um diese zusätzlichen Lösungen zu ermöglichen, hat das Labormuster des vorgeschlagenen Ultraschallsensorsystems die Echo-Werte auf null gesetzt.
Die durchgezogene Linie zeigt das Messsignal in 33. Die gepunktete Linie zeigt das Signal des Kalman-Filters ohne Plausibilitätscheck. Die gestrichelte Linie zeigt das Signal mit Plausibilitätscheck. Der Unterschied des Messsignals zum Kalman-Filter-Ausgangssignal mit Plausibilitätscheck ist sehr gering.
Figur 34
34 veranschaulicht ein Szenario, bei dem die Ultraschallsensoren vier Pfosten-Hindernisse vermessen und ein Fußgänger zwischen den Pfosten und den Sensoren hindurchgeht und während sich das Fahrzeug nicht bewegt, wobei 34a den 40. Zyklus der Messung und das erste Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 bei einer Messung über Kanal 1 zeigt und 34b die Messsituation veranschaulicht.
Somit ist bevorzugt eine weitere manuelle Anpassung des Kalman-Filters eine weitere Abfrage hinsichtlich springender Werte für die Ankunftszeit des Ultraschallechos. Das Problem des Springens zwischen Echo-Werten und Null tritt auch zwischen zwei Echo-Werten auf.
Der Wert des Ultraschallechosignals springt im zeitliche Verlauf im Zeitraum zwischen ca. 9000µs und 3000µs. Der reguläre Kalman-Filter (kurz gestrichelte Linie) benötigt mehrere Iterationen, um der Messung zu folgen. Im Vergleich dazu springt der Kalman-Filter mit einer geeigneten Abfrage nach einer Verzögerung von einer Iteration auf den Messwert. (lang gestrichelte Linie) Diese Verzögerung tritt aufgrund der Rauschfilterung auf. Der erste Wert mit einer größeren Änderung als Δe_max(1400µs) wird als Rauschen interpretiert. Nach einem Rauschwert prüft die manuelle Abfrage, ob der aktuelle Messwert um mehr als Δe_max bezogen auf den letzten vorhergesagten Wert abweicht. Wenn das wahr ist, ersetzt der aktuelle Messwert den aktuellen vorhergesagten Wert. Wenn das nicht wahr ist, gibt der Kalman-Filter den vom Kalman-Filter vorhergesagten Wert aus. Die Abfrage ist während des Beispiels dieses Szenarios der 34 dreimal aktiviert. Das erste Mal in der 38. Iteration, wenn das Echosignal auf einen niedrigeren Wert fällt. Das zweite und dritte Mal in der 46. und 48. Iteration. Die Abfrage wird zwei Mal aktiviert, als der Fußgänger den Sensorbereich verlässt. Dies geschieht, weil das Echo zweimal zwischen den Pfosten und dem Fußgänger wechselt. Daher werden zwei Messwerte, die zu den Pfosten gehören, als Rauschen interpretiert. Das verursacht letztlich zwei akzeptierte Sprungwerte.
Figur 35
35a zeigt das Ultraschallecho des zweiten Ultraschallsensors 1 in Kanal 1 während der Messung eines mittels eines steuerbaren Schlittens auf einer Schiene beweglichen Pfostens (35b).
Der letzte in den Vorversuchen implementierte manuelle Teil des Kalman-Filters mit einer Abfrage für den Plausibilitätscheck der Trilaterationsdaten ist die Abschaltung und Überbrückung des Kalman-Filters, wenn die Dynamik zu hoch ist. Im Vergleich zu Echosprüngen durch Objektänderungen befasst sich dieser Teil mit schnellen Echoänderungen ohne Objektänderung. Diese Änderungen können verursacht werden durch eine hohe Geschwindigkeit beim Einparken oder durch Hindernisse, die sich im Bereich des Ultraschallsensors bewegen. Um dieses Szenario mit einer definierten Geschwindigkeit zu simulieren, wurden während der Vorversuche die Ultraschallechos in einem Ultraschall-Labor gemessen. Ein auf eine Schiene montierter Pfosten konnte mit konstanten Geschwindigkeiten bewegt werden. Die Maximalgeschwindigkeit war 1m/s. 35 zeigt das Ultraschallecho des Ultraschallsensors 1 bei einer Messung über Kanal 1 während der Messung eines beweglichen Pfostens. Der Pfosten bewegte sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1m/s in Richtung der Sichtachse der Ultraschallsensoren, die vertikal auf die jeweilige Ultraschallsensorplatine bezogen ist, auf der die jeweiligen Ultraschallsensoren montiert waren.
Zunächst bewegt sich der Pfosten von den Sensoren weg. Danach bleibt die Position für ca. 15 Zyklen konstant. Am Ende kehrt der Pfosten wieder in die Startposition zurück. 35a vergleicht den normalen Kalman-Filter mit einem manuellen Kalman-Filter mit angepasstem, vorgeschalteten Plausibilitätscheck als manuellen Filter. Der manuelle Kalman-Filter deaktiviert die Filterung des Echosignals, wenn die Geschwindigkeit größer als V_{fllter_max} ist. Basierend auf den Messungen der beispielhaften Pfosten und anderen dynamischen Messungen war die Wahl der maximalen Geschwindigkeit mit v_{filter_max}=0,75m/s bei den Vorversuchen zur Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift.
Die gewählte maximale Geschwindigkeit führt in diesem Beispiel zu einer maximalen Echodifferenz von: $Δ e_{f i l t e r_m a x} = \underset{c y c l e t i m e}{\underset{︸}{120 m s}} * \underset{v_{f i l t e r_m a x}}{\underset{︸}{0.75 \frac{m}{s}}} * \frac{1}{\underset{v_{u s}}{\underset{︸}{343 \frac{m}{s}}}} * \underset{w a y s}{\underset{︸}{2}} = 525 μ s \approx 500 μ s$
Der von der Ultraschallsensorvorrichtung durchgeführte Plausibilitätsscheck deaktivierte das Kalman-Filter, wenn sich das Signal des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um mehr als Δe_{filter_max} oder um Δe_{filter_max} änderte.
Ein erster Sprung führt somit nicht zu einer Deaktivierung, da es sich auch um ein Rauschsignal handeln könnte. Wenn das Signal des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos in der zweiten Iteration springt, wird der aktuelle Vorhersagewert durch den aktuellen Messwert des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos ersetzt.
Figur 36
zeigt die Verbesserung des Geräuschverhaltens durch eine Geschwindigkeitsabfrage.
Ein weiterer positiver Effekt der Abfrage der 35 ist eine verbesserte Robustheit gegenüber einem rauschenden Störer. In dem Beispiel der 36 beeinflusst ein Rauschsensor das gemessene Signal der Werte der Ankunftszeiten der Ultraschallechos. Dieser Rauschsensor löst beim 11. Zyklus einen Signalsprung des Messwertsignals der Werte der Ankunftszeiten der Ultraschallechos eines Ultraschallsensors aus. Die Differenz zwischen dem Rauschwert und dem tatsächlichen Wert ist kleiner als Δe_max(1400µs). Daher interpretiert der Plausibilitätscheck des Kalman-Filters den Wert nicht als Rauschen. Der reguläre Kalman-Filter reagiert auf diesen Sprung und benötigt einige Iterationen, um auf den realen Wert zurückzukehren. Im Vergleich dazu springt der manuelle Filter direkt auf den realen Messwert zurück. Dies geschieht, weil das Signal in der ersten Iteration auf das Rauschen springt und in der nächsten Iteration auf den realen Wert zurückspringt. Dadurch registriert der Plausibilitätscheck der 35 zwei Sprünge, und das Ultraschallsensorsystem deaktiviert den betreffenden Kalman-Filter des betreffenden Ultraschallsensors in der zweiten Iteration.
Figur 37
vergleicht die Lösungen ohne und mit Kalman-Filterung. Ziel der Filterung von Echosignalen ist es, einen positiven Einfluss auf die resultierenden 2D-Positionen zu haben. Ein besseres Rauschverhalten und glattere Positionen mit geringerer Streuung sind beabsichtigt. Alle manuellen Teile des Kalman-Filters, also die Funktionen, die der Plausibilisierungsprüfung dienen, sind aktiviert. Die Parameter sind auf ihre Standardwerte eingestellt (Q=100, R=200). Die Lösungen gehören zu den ersten Echos der dynamischen Wandmessung. Ein zusätzlicher Rauschsensor stört absichtlich die Messung, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren. 37 zeigt die letzten 25 Lösungen jedes Kanals, um den Verlauf der Lösungen zu verdeutlichen. Es wird deutlich, dass der Weg der Lösungen durch die Anwendung des Kalman-Filters geglättet wird. Außerdem werden zwei Störwerte von Kanal 2 und ein Störwert von Kanal 3 aussortiert.
Figur 38
zeigt den Unterschied zwischen „Kernwerten“ und „Nicht-Kernwerten“ des DBSCAN-Verfahrens. Das DBSCAN-Verfahren bestimmt in der 2D-Ebene der Umfeldkarte des Fahrzeugs die Cluster durch Berücksichtigung der Dichte der 2D-Datenpunkte. Dazu werden die Abstände zwischen den Datenpunkten berechnet. Die Datenpunkte liegen typischerweise als x/y-Koordinaten aus der Trilateration der Ultraschallechos der Ultraschallsensoren für die Messungen über die verschiedenen, hier beispielhaft vier Kanäle vor. Das Verfahren unterscheidet zwischen „Kernwerten“ und „Nicht-Kernwerten“. Man könnte auch von Kern-Objekt-Positionen und Nicht-Kern-Objekt-Positionen sprechen. 38 zeigt den Unterschied zwischen diesen beiden. Die Punkte A in 38 mit nicht unterbrochenen Kreisen stellen die Kernwerte eines beispielhaften, nur der Erläuterung dienenden Clusters dar. Ein Punkt ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen A versehen. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Bezugszeichen A bei den anderen Punkten mit durchgezogener Kreislinie weggelassen. Die Punkte B mit kurz gestrichelten Kreisen gehören zum Cluster, aber nicht zum Kern des Clusters. Ein solcher Punkt B ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen B versehen. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Bezugszeichen B bei den anderen Punkten mit kurz gestrichelter Kreislinie weggelassen. Den beispielhaft einzelnen Punkt Np mit einem lang gestrichelten Kreis interpretiert das Ultraschallsensorsystem als Rauschen. Ein solcher Punkt Np ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen Np versehen. Der jeweilige Kreis 3801, 3802, 3803 um einen zugehörigen jeweiligen Datenpunkt A, B, Np als Kreismittelpunkt dieses jeweiligen Kreises 3801, 3802, 3803 visualisiert einen Schwellabstand ε, der ein Parameter des Verfahrens ist. In dem Beispiel der Figur ist dieser Schwellwertabstand ε einmal beispielhaft für den Punkt mit dem Bezugszeichen N eingezeichnet und bei den anderen Punkten A, B zur besseren Übersicht nicht eingezeichnet. Alle Punkte A, B mit einem Abstand kleiner als dieser Schwellabstand ε zu einem Punkt sind Nachbarpunkte dieses Punkts zu dem ihr Abstand kleiner als dieser Schwellwertabstand ε ist. Alle Punkte mit einem Abstand größer als dieser Schwellabstand ε zu diesem Punkt sind keine Nachbarpunkte dieses Punkts. Den Kreis mit dem Abstandsschwellwert ε als Radius um einen Punkt nennen wir im Folgenden den Abstandskreis dieses Punkts. Der andere Parameter ist der Parameter „inPts“. Dieser Parameter definiert die minimale Anzahl von Datenpunkten eines Clusters, die innerhalb des Abstandskreises eines Punktes liegen sollten, um diesen Punkt als Mitglied dieses Clusters zu interpretieren. 38 zeigt ein Szenario mit dem Parameter minPts = 3 oder minPts=4. Jeder Datenpunkt, also jeder Punkt A, mit einer durchgezogenen Kreislinie als Umrandung hat drei andere Werte innerhalb seines Abstandskreises 3801. Der Abstandskreis 3801 wird auch Nachbarschaft des Datenpunkts A genannt. Die Punkte B, C mit einer kurzgestrichelten Kreislinie als Abstandskreis 3802, 3803 haben nur einen weiteren Punkt in ihrer Nachbarschaft. Daher sind sie kein Kernwert des Clusters. Diese Punkte B, C gehören aber trotzdem als Nichtkernwerte zum Cluster, da die Nachbarn der Punkte B, C mit einer kurzgestrichelten Kreislinie zu den Kernwerten gehören. Der Punkt Np mit der lang gestrichelten Kreislinie und dem Abstandskreis 3803 hat keine Punkte A, B, C Nachbarn in seiner Nachbarschaft in Form seines Abstandskreises 3803 und wird als Rauschwert interpretiert /19/. Die Pfeile zwischen den Punkten symbolisieren die Abstände, die für die Bewertung ob die Punktepaare zueinander einen Abstand kleiner oder Größer als der Schwellwertabstand ε besitzen, relevant sind.
Figur 39
zeigt eine beispielhafte Ausgabe des DBSCAN -Verfahrens anhand generierter Daten, um die Lieferung unterschiedlicher Cluster in Abhängigkeit von den gewählten Parametern zu verdeutlichen. Das DBSCAN Verfahren nutzt die Trilaterationsdaten als Eingangswerte. Das DBSCAN-Verfahren liefert in Abhängigkeit von den gewählten Parametern unterschiedliche Cluster. 39 veranschaulicht die Ausgabe des Verfahrens anhand von beispielhaft generierten Daten. Das Verfahren teilt die beispielhaften Daten in drei beispielhafte Cluster ein. Das DBSCAN Verfahren ordnet die Werte einem Cluster zu, indem es sie mit einem Cluster-Label abspeichert. Weiterhin unterscheidet das Verfahren zwischen Kern- und Nichtkernwerten. Die Kernwerte werden mit größeren Punkten visualisiert als die Nichtkernwerte.
Die Parameter dieser Darstellung wurden auf minPts=10 und ε =0,3 gesetzt. Die schwarzen Punkte visualisieren die Rauschwerte /19/.
Figur 40
zeigt das Flussdiagramm des neuen, vorgeschlagenen Clustering-Verfahrens. Die Verfahrensschritte dieser Clustering-Funktion werden nach den Trilaterationen durchgeführt.
Immer, wenn es in einem Kanal eine Lösung der Trilateration in Form einer x/y-Ortskoordinate (sol) eines Lösungspunkts gibt, ruft das Ultraschallsensorsystem die Funktion des Clustering-Verfahrens mit dieser Lösung als Parameter (sol) in Schritt 401 auf. Zunächst initialisiert in Schritt 402 das Ultraschallsensorsystem den Cluster-Index k beispielsweise mit 0 und den Zähler der Anzahl der Nachbarpunkte innerhalb der Nachbarschaft des Lösungspunkts mit 0. Danach berechnet das Ultraschallsensorsystem in Schritt 403 das Quadrat des Abstands (distance) zwischen der Lösung und dem ersten Element des Cluster-Arrays, also einem ersten schon bekannten Lösungspunkt. Das Cluster-Array enthält dabei die letzten Lösungen in Form der x/y-Koordinaten der Lösungspunkte. Jedem der schon bekannten Lösungspunkte ist dabei bevorzugt ein Clusterindex zugeordnet, der angibt, zu welchem Cluster er gehört. Bevorzugt gibt es dabei einen Indexwert für solche Lösungspunkte, die keinem Cluster bisher zugeordnet werden konnten. Der bei der Ausarbeitung des Verfahrens benutzte Standardwert für die Arraygröße war 25, was bedeutete, dass das Verfahren Cluster anhand der letzten 25 Punkte bildete. Dieser Wert ist aber willkürlich und kann daher abweichen. Er hat sich aber als zweckmäßig erwiesen. Das Ultraschallsensorsystem berechnet mit Hilfe des Verfahrens das Quadrat des Abstands zwischen der aktuellen Lösung in Form einer aktuellen x/y-Koordinate und dem der x/y-Koordinate des gerade über den Index k festgelegten Elements des Cluster-Arrays in Schritt 403. Danach vergleicht in Schritt 404 das Ultraschallsensorsystem das so ermittelte Abstandsquadrat mit dem Quadrat ε² des Schwellwertabstands ε, der die Nachbarschaft festlegt. Die Idee der Verwendung des Quadrats des Abstands und des Quadrats ε² des Schwellwertabstands ε ist, dass es so keine Notwendigkeit gibt, eine Quadratwurzel aufwendig zu berechnen, um den richtigen Abstand zu ermitteln. Das Quadrat ε² des Schwellwertabstands ε kann hier vor Anwendung des Verfahrens vorberechnet werden. Ist der Abstand zwischen der aktuellen Lösung und dem Cluster-Array-Element kleiner als der Schwellwertabstands ε, so folgt das Verfahren, das das Ultraschallsensorsystem ausführt, dem mit „Y“ markierten Pfad und das Ultraschallsensorsystem inkrementiert in Schritt 405 den Zähler der Anzahl der Nachbarn. Dann inkrementiert das Ultraschallsensorsystem den Index in Schritt 406, und die Berechnung beginnt erneut mit dem Schritt 403 mit dem nächsten Element des Cluster-Arrays. Hierzu prüft in Schritt 407 das Ultraschalsensorsystem, ob alle Abstände zwischen der aktuellen Lösung und jedem Element des Cluster Arrays geprüft wurden. Ist dies der Fall, folgt das Verfahren dem Pad, der mit einem „N“ gekennzeichnet ist. Ist dies nicht der Fall beginnt das Ultraschallsensorsystem, wie bereits beschrieben, die Berechnung beginnt erneut mit dem Schritt 403 mit dem nächsten Element des Cluster-Arrays. Wurden jedoch die Abstände zwischen der aktuellen Lösung und jedem Element geprüft, vergleicht das Ultraschallsensorsystem in Schritt 408 die Anzahl der Nachbarn mit dem beispielhaften Schwellwertparameter minPts. Beispielsweise für minPts= 3 akzeptiert in dem zur Ausarbeitung des Vorschlags benutzten Labormuster das beispielhafte Ultraschallsensorsystem in Schritt 408 die Lösung, wenn es zwei oder mehr Nachbarn gibt, als zwei oder mehr Lösungen mit einem Abstand keiner als der Schwellwertabstand ε. Eine solche Lösung ist eine akzeptierte Lösung. Ggf. markiert das Ultrasachallsensorsystem eine solche Akzeptierte Lösung innerhalb des Cluster-Arrays in Schritt 410 als akzeptierte Lösung beispielsweise mittels eines Flags. Wenn es nur einen Nachbarn gibt folgt das Ultraschallsensorsystem wieder dem mit „N“ markierten Pfad zu Schritt 409 und erzeugt bevorzugt mittels des Verfahrens einen booleschen True-Noise-Wert, der dieser Lösung, die gerade in Bearbeitung ist, zugeordnet ist und der diese Lösung als Rauschen markiert. Bevor das Ultraschallsensorsystem diesen Boolean im Rahmen des Verfahrens erzeugt, fügt das Ultraschallsensorsystem den aktuellen Wert dem Cluster-Array für den nächsten Aufruf dieses Unterverfahrens der Clusterung hinzu.
Figur 41
41 zeigt eine Beispielausgabe des Clustering-Verfahrens, wobei die visualisierten Lösungen zu einer statischen Fahrzeugmessung (30) gehören und ein fünfter Rauschsensor die Messung stört. Das von dem Ultraschallsensorsystem ausgeführte Clustering-Verfahren verwendete bei der Ausarbeitung des Vorschlags eine Nachbarschaft mit einem Schwellwertabstand von ε=50cm, um mit hohen Geschwindigkeiten umgehen zu können. Die Größe des Cluster-Arrays betrug hier beispielhaft 25 Einträge von Lösungen - d.h. x/y-Koordinaten. In dem Beispiel der 41 war die minimale Anzahl an Lösungen für die Bildung eines Clusters 3 (minPts=3) als ein möglicher beispielhafter Wert. Die Rauschwerte des Verfahrens sind durch gepunktete Kreise 4101 markiert. In 41 sind beispielhaft zwei Rauschwerte 4101 zur Verdeutlichung dargestellt. Zwei andere falsche Lösungen 4102 (Kanal 1 und Kanal 3), die durch Kreise mit gestrichelten Kreislinien dargestellt sind, werden durch das Clustering-Verfahren nicht gefiltert.
Bei statischen Szenarien arbeitet der Filter ähnlich wie der Kalman-Filter ohne Verzögerung. In dynamischen Szenarien benötigt der Filter Iterationen, um neue Lösungen zu akzeptieren. Das Szenario des bewegten Fußgängers (34) ist hierfür nur ein Beispiel. Abhängig von dem Parameter minPts interpretiert das Verfahren die ersten Werte von neuen Objekten als Rauschen. Für minPts = 3 werden die ersten beiden Lösungen, die auf das Hinzutreten des Fußgängers zurückzuführen sind, nicht akzeptiert, da der Cluster drei Lösungen benötigt. Der ungünstigste Fall für minPts=3 ist, wenn nur ein Kanal den Fußgänger erkennt. Dies verursacht eine Verzögerung von zwei Zyklen.
Figur 42
42 verdeutlicht die Reduktion der Streuung der 2D-Positionen durch den Kalman-Filter, der noch falsche 2D-Positionen liefern kann, und dass die manuellen Teile die Filterung von Rauschwerten und die schnelle Verfolgung der Messung ermöglicht. 42 visualisiert dabei eine beispielhafte dynamische Wandmessung, bei der das Verfahren auf die Ultraschallechos der Trilateration erst eine Kalman-Filterung und anschließend ein Clustering anwendet. Die linke Visualisierung (42a) zeigt Lösungen während der beispielhaften Messung, wobei eine beispielhafte falsche Lösung durch die Anwendung des Kalman-Filters entsteht und der Clustering-Verfahren diese Lösung herausfiltert.
42 verdeutlicht beispielhaft, dass es auch Szenarien gibt, die zu falschen Lösungen durch den Kalman-Filter führen.
Beide Visualisierungen 42a und 42b gehören zu einer dynamischen Wandmessung. Auf die Ultraschallechos aus der vorausgegangenen Trilateration wendet das Ultraschallsensorsystem zunächst eine Kalman-Filterung an. In dem Beispiel der Implementierung bei der Ausarbeitung des Vorschlags verwendete das beispielhafte Ultraschallsensorsystem die 36 Kombinationen aus a) erstem, zweiten oder drittem Ultraschallecho von b) des ersten, zweiten, dritten oder vierten Ultraschallsensors, wobei c) der erste, zweite, dritte oder vierte Ultraschallsensor sendete und wobei zu jedem dieser vier Kanäle zwei weitere Ultraschallsensoren zugeordnet waren, die nur empfingen. In einer dritten Verarbeitungsstufe wendete das beispielhafte Ultraschallsensorsystem des Labormusters das oben beschriebene Clustering an. Die linke Visualisierung in Form von 42a zeigt Lösungen während der Messung. Eine falsche Lösung (gepunkteter Kreis unten rechts) entsteht durch die Anwendung des Kalman-Filters. Der Clustering-Verfahren filtert diese Lösung. Daher ist sie als gepunkteter Kreis unten rechts eingezeichnet. 42b zeigt einige Zyklen des ersten Ultraschallechos des Ultraschallsensors 3 in Kanal 3, was der Grund für die falsche Lösung des Kalman-Filters (gepunkteter Kreis in 41a) ist. Das gemessene Ultraschallecho hat zwei Rauschsignale in drei aufeinanderfolgenden Zyklen. Den ersten Sprung (Zyklus = 174) interpretiert das Ultraschallsensorsystem nicht als Rauschen, weil der Sprung kleiner als Δe_max = 1400µs ist. Den Rücksprung (Zyklus = 175) auf den realen Wert missversteht das Ultraschallsensorsystem jedoch als Rauschen. Daher interpretiert das Ultraschallsensorsystem den dritten Sprung (Zyklus = 176) zum Rauschsignal als gültiges Ereignis und den Sprung zurück zur Messung (Zyklus = 177) als Rauschen. Diese Fehlinterpretation des Ultraschallsensorsystems führt zu dem als gepunkteten Kreis gezeichneten 2D-Punkt in 42a unten rechts. Die Lösung ergibt sich aus dem Fallback auf einen Ein-Sensor-Szenario. Die Trilateration findet keine Lösung für das erste Ultraschallecho im Zyklus 176 und 177. Das Beispiel verdeutlicht den Vorteil der Anwendung des Clustering-Verfahrens auf 2D-Lösungen. Der Nachteil der Anwendung des Verfahrens ist, dass die Lösungen in sich schnell ändernden Umgebungen verzögert werden. Die Wahl des Parameters minPts = 2 könnte zu einer Verzögerung von einem Zyklus führen.
Generell sind drei Gründe für einen verzögerten Filterausgang zu unterscheiden. Der erste ist die Verzögerung, die durch das Trilaterationsverfahren entsteht. Wenn sich z. B. ein Fußgänger von der rechten auf die linke Seite bewegt. Kanal 3 würde den Fußgänger in den ersten Zyklen erkennen. Bewegt sich der Fußgänger jedoch in den Bereich von Kanal 3, nachdem Ultraschallsensor 3 seine Echos gesendet und empfangen hat, würde sich die erste Lösung für den Fußgänger um die Laufzeit der ersten drei Kanäle verzögern. Bei einer Zykluszeit von 120ms und einer Kanalverzögerung von 30ms würde diese Verzögerung etwa 90ms betragen. Die zweite Verzögerung, die im Fußgängerszenario auftreten würde, ist die Verzögerung, die durch den Kalman-Filter verursacht wird. Der erste Sprung würde als Rauschen im ersten Zyklus interpretiert werden. Die dritte Verzögerung wird durch Clustering verursacht, abhängig von der Wahl von den Parameter minPts. Die folgende Gleichung fasst die drei verschiedenen Verzögerungen zusammen: $D e l a y_{m a x} = \underset{t r i l a t e r a t i o n}{\underset{︸}{t_{c h}}} + \underset{K a l m a n}{\underset{︸}{t_{c y c l e}}} + \underset{c l u s t e r i n g}{\underset{︸}{(m i n P t s - 1) * t_{c y c l e}}}$
Unter der Annahme des schlechtesten Timings des Fußgängers und eines Clustering-Parameters minPts = 2, würde die Verzögerung 330ms betragen. Damit ist die Anforderung des Systems an eine maximale Reaktionszeit von 500ms gewährleistet
Die praktischen Messungen bei den Vorversuchen zur Ausarbeitung dieses Vorschlags zeigen das beste Filterverhalten, wenn im Signalpfad das Ultraschallsensorsystem zuerst einen Kalman-Filter auf die Ergebnisse des Trilaterationsverfahrens anwendet und danach im Signalpfad das Ultraschallsensorsystem das Clustering-Verfahren, insbesondere mit den Parametern der 42 anwendet.
Bezugszeichenliste

0: erster Ultraschallsensor;
1: zweiter Ultraschallsensor;
2: dritter Ultraschallsensor;
3: vierter Ultraschallsensor;
401: Start des Clustering-Verfahrens mit einer Lösung der Trilateration in Form einer x/y-Ortskoordinate (sol) eines Lösungspunkts als Eingangsparameter;
402: Initialisierung des Cluster-Index k und des Zählers der Nachbarn des Lösungspunkts durch das Ultraschallsensorsystem;
403: Abstandsberechnung. Die Abstandsberechnung kann beispielsweise mit der einfachen Formel von Pythagoras erfolgen: distance[k]² = (x_sol - x_cluster[k] ² + (y_sol- y_cluster[k])² Hierbei ist k der Index der bereits bekannten Lösungspunkte, distance[k] der Abstand des betreffenden schon bekannten Lösungspunkts von dem nun in der Bewertung befindlichen Lösungspunkt, x_cluster[k], die x-Koordinate des betreffenden k-ten schon bekannten Lösungspunkts, y_cluster[k], die y-Koordinate des betreffenden k-ten schon bekannten Lösungspunkts, x_sol die x-Koordinate des in der Bewertung befindlichen Lösungspunkts, y_sol die y-Koordinate des in der Bewertung befindlichen Lösungspunkts;
404: Vergleich des ermittelte Abstandsquadrats mit dem Quadrat ε² des Schwellwertabstands ε, der die Nachbarschaft festlegt, durch das Ultraschallsensorsystem;
405: Inkrementieren des Zählers der Anzahl der Nachbarn des betrachteten Lösungspunkts durch das Ultraschallsensorsystem;
406: Inkrementieren des Index durch das Ultraschallsensorsystem;
407: Prüfung durch das Ultraschallsensorsystem, ob alle Abstände zwischen der aktuellen Lösung und jedem Element des Cluster Arrays geprüft wurden.
408: Überprüfung durch das Ultraschallsensorsystem, ob die Anzahl der Nachbarn der betrachteten Lösung zu niedrig ist, und Wertung der Lösung als Rauschen durch die Ultraschallsensorvorrichtung, wenn die Anzahl zu niedrig ist und Akzeptanz der Lösung durch die Ultraschallsensorvorrichtung, wenn die se Anzahl ausreichend ist;
409: ggf. Markierung der betrachteten Lösung als Rauschen durch die Ultraschallsensorvorrichtung;
410: ggf. Markierung der betreffenden Lösung als akzeptierte Lösung durch die Ultraschallsensorvorrichtung;
3801: Abstandskreis mit Schwellwertradius ε um einen Punkt A mit mindestens drei Nachbarpunkten in 38. Der Abstandskreis wird synonym auch als Nachbarschaft oder Schwellwertkreis dieses Punkts A in dieser Schrift bezeichnet;
3802: Abstandskreis mit Schwellwertradius ε um einen Punkt B, C mit mindestens einem Nachbarpunkt in 38. Der Abstandskreis wird synonym auch als Nachbarschaft oder Schwellwertkreis dieses Punkts B, C in dieser Schrift bezeichnet;
3803: Abstandskreis mit Schwellwertradius ε um einen Punkt Np ohne einen Nachbarpunkt in 38. Der Abstandskreis wird synonym auch als Nachbarschaft oder Schwellwertkreis dieses Punkts Np in dieser Schrift bezeichnet;
4101: beispielhafte Rauschwerte des Verfahrens in 41, die das Ultraschallsensorsystem USSS nicht berücksichtigt;
4102: beispielhafte Lösungen des Verfahrens in 41, die das Ultraschallsensorsystem USSS aus anderen Gründen nicht berücksichtigt;
A: Punkt mit mindestens drei Nachbarpunkten in seinem Abstandskreis 3801 mit Schwellwertradius ε um diesen Punkt herum einen in 38;
ADPB: Adapterplatine;
au: willkürliche Einheiten (Englisch: Arbitrary Units);
B: Punkt mit mindestens einem Nachbarpunkt in seinem Abstandskreis 3802 mit Schwellwertradius ε um diesen Punkt herum einen in 38;
C: Punkt mit mindestens einem Nachbarpunkt in seinem Abstandskreis 3802 mit Schwellwertradius ε um diesen Punkt herum einen in 38;
CAR: Fahrzeug;
CRA: Array „CHnCaptureResult“, dass die Daten des resultierenden Frames (Datenrahmen) aus Echo und Statusinformation umfasst und in dem Datenspeicher des Mikrorechners MCU des NXP-Boards NXPB abgelegt ist;
d: räumliche Distanz zwischen Ultraschalltransducer UST und Objekt;
DB1: erster Datenbus;
diff: Streuprozess;
drv1: erste Ultraschalltransduceranschlussleitung;
drv2: zweite Ultraschalltransduceranschlussleitung;
DUSW: gestreute Ultraschallwelle;
ε: Schwellwertabstand für die Beurteilung, ob der Abstand zwischen zwei Punkten, die als potenzielle Lösungen ermittelt wurden, klein genug für eine Clusterung durch einen Clustering-Verfahren ist;
ec1: erstes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ec2: zweites Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ec3: drittes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ec4: viertes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ec5: fünftes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ec6: sechstes Ultraschallecho dieses Ultraschallsensors;
ECU: Steuergerät des beispielhaften experimentellen Ultraschallsensorsystems der 3;
erm: Echosignalisierung (eigentliche Ultraschallmessung). In dieser Phase wechselt das Signal von 1 auf 0, wenn der Ultraschallsensor ein Echo detektiert, indem die Schnittstelle des Ultraschallsensors die Leitung auf Masse liegt. Der Transceiver in der Adapterplatine zieht ansonsten in dieser Phase den Bus mittels einer Pull-Up-Stufe auf einen High-Pegel, wenn kein Busteilnehmer diese Pull-Up-Stufe überschreibt.
FB: Fehlertoleranzbereich;
FTM0: in weiteres Zeitgebermodul;
FTM1: Ausgangsvergleichszeitgeber;
GPIO: Ein-/Ausgabeleitung;
HAL: Halterung;
HK: Hüllkurvensignals des Ultraschallempfangssignals RXL. Der Kontrollschaltkreis und der Empfangsschaltkreis RC bilden das Hüllkurvensignal aus dem Wert des Ausgangssignals des Ultraschalltransducers UST durch Bestimmung des Amplitudenverlaufs des Signals;
MCU: Mikrorechner des NXP-Boards NXPB;
MSDBL: Massenspeicher-Bootlader;
N: Anzahl der Ultraschallsensoren in dem Ultraschallsensorsystem mit n als ganzer positiver Zahl;
Np: Punkt ohne einem Nachbarpunkt in seinem Abstandskreis 3803 mit Schwellwertradius ε um diesen Punkt herum einen in 38;
nRESET: Rücksetzleitung;
NXPB: NXP-Board;
O: Objekt;
O1: erstes Objekt;
O2: zweites Objekt;
OF1: erste Oberfläche;
OF2: zweite Oberfläche;
OSDAAP: Open-SDA-Anwendungen;
OTF: Ereignis-Array „outTimeFrame“;
P0: Referenzschalldruck (SPL) bei einem Winkel von 0° zur Abstrahlachse des Ultraschallsensors;
PosUS: Position des Ultraschallsensors;
RC: Empfangsschaltkreis;
ref: Beugungsprozess;
refl: Reflexionsprozess;
RUSW: reflektierte Ultraschallwelle;
Rx: Empfangsleitung der UART-Schnittstelle UART zwischen Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB und der Adapterplatine ADPB;
RXB: empfangener reflektierter Ultraschallburst;
RxC: Empfangscode „00“;
RXL: Ultraschallempfangssignal;
RxM: Empfangsmodus;
SB: Synchronisationsbits;
SDB: Sensordatenbus;
SMCU: Sensorprozessor SMCU des jeweiligen Ultraschallsensors;
SMCU1: Sensorprozessor des ersten Ultraschallsensors auf der ersten Ultraschallsensorplatine SNSB1;
SMCU2: Sensorprozessor des zweiten Ultraschallsensors auf der zweiten Ultraschallsensorplatine SNSB2;
SMCUj: Sensorprozessor des j-ten Ultraschallsensors auf der j-ten Ultraschallsensorplatine SNSBj mit 1≤j≤n und j als ganzer positiver zahl;
SMCUn: Sensorprozessor des ersten Ultraschallsensors auf der ersten Ultraschallsensorplatine SNSBn mit n als ganzer positiver Zahl;
SNSB1: erste Sensorplatine;
SNSB2: zweite Sensorplatine;
SNSB3: dritte Sensorplatine;
SNSB4: vierte Sensorplatine;
SNSB5: fünfte Sensorplatine;
SNSBj: j-te Sensorplatine mit 1≤j≤n und j als ganzer positiver Zahl;
SNSBn: n-te Sensorplatine, wobei n eine ganze positive Zahl ist;
SPI: SPI-Schnittstelle;
std: Status + 1 Echo high.
SWK: Schwellwertkurve;
ϑ: Winkel der Abstrahlrichtung zur Achse der Abstrahlkeule des Ultraschalltransducers des Ultraschallsensors;
θ1: Einfallswinkel;
θ2: Ausfallswinkel;
t: Zeit;
t0: Startzeitpunkt;
TD: zeitliche Dauer der High-Phase auf dem Sensordatenbus nach dem Ablauf der Initialisierungszeit T_MEAS;
tdamp: Totzeit t_damp zwischen dem Ende des Aussendens des Ultraschallbursts in der Ultraschallburstsendezeit t_tx und dem ausreichenden Absinken der Amplitude des Nachschwingend des piezoelektrischen Schwingelements des Ultraschalltransducers UST;
TMEAS: Initialisierungszeit, den das Adapterboard ADPB den Sensordatenbus im Falle der Verwendung eines LIN-Datenbusses als Sensordatenbus für die Initialisierung auf Masse zieht;
tr: Reflexionszeit;
ttx: Ultraschallburstsendezeit;
tref: Referenzzeitpunkt, zu dem der Antrieb des Schwingelements des Ultraschalltransducers abgeschaltet wird und die Ausschwingphase und damit die Totzeit t_damp beginnt;
trx: Empfangszeit;
TUSW: transmittierte Ultraschallwelle;
Tx: Sendeleitung der UART-Schnittstelle UART zwischen Mikrorechner MCU des NXP-Boards NXPB und der Adapterplatine ADPB;
TxC: Sendecode „10“;
TXL: Sendesignal;
TxM: Empfangsmodus;
UART: serielle Schnittstelle;
USB: USB-Datenbus;
USBH: USB-Host;
USR: reflektierte Ultraschallwelle;
USR1: erste reflektierte Ultraschallwelle;
USR2: zweite reflektierte Ultraschallwelle;
USR3: dritte reflektierte Ultraschallwelle;
USR4: vierte reflektierte Ultraschallwelle;
USSB: Puls oder Burst auf dem Sendesignal TXL;
USSE1: erster Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich;
USSE2: zweiter Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich;
USSE3: dritter Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich;
USSE4: vierte Ultraschallsensorsende- und empfangsbereich;
USSS: Ultraschallsensorsystem;
UST: Ultraschalltransducer;
USW: Ultraschallwelle. In 1 die einfallende Ultraschallwelle;
VAS: Verarbeitungs- und Auswertungsschritte;
x: X-Koordinate;
Xd: Abstand zwischen einem Ultraschallsensor und einem weiteren Ultraschallsensor;
x_lim: X-Abweichungswert;
y: Y-Koordinate;
y_lim: y-Abweichungswert;
Z1: erste akustischer Wellenwiderstand;
Z2: zweiter akustischer Wellenwiderstand;

Liste der zitierten Schriften

[1] J. F. Hallie Clark, „Semi-Autonomous Vehicles:
- Examining Driver Performance during the Take-Over“, 2016. [Online]. verfügbar: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1541931215591241.
[2] „Experiencing Autonomous Vehicles“:
- Crossing the Boundaries between a Drive and a Ride“ [Online]. verfügbar: https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/2702613.2702661.
[3] A. S. I. R. Jean-François Bonnefon, „The social dilemma of autonomous vehicles,“ [Online]. verfügbar: https://science.sciencemag.org/content /352/6293/1573.abstract.
[4] S. Suherman, R. A. Putra und M. Pinem, „Ultrasonic Sensor Assessment for Obstacle Avoidance in Quadcopter-based Drone System,“ [Online]. Verfügbar: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9166607.
[5] „Obstacle avoidance design for a humanoid intelligent robot with ultrasonic sensors “, [Online]. Verfügbar: https://journals.sagepub.com/ doi/abs/10.1177/1077546310381101.
[6] K. Reif, „12.2 Umgebungserfassung“, in Fahrerassistenzsysteme, Springer, 2014.
[7] D. L. (. BARTYLLA, „Ultraschallsensor sowie Vorrichtung und Verfahren zur Messung eines Abstands zwischen einem Fahrzeug und einem Hindernis“. Patent EP2856206B1 , 2012.
[8] E. Semiconductor, „Ultraschallprinzip, Präsentation“.
[9] ARM Cortex M4 Prozessor“, [Online]. Verfügbar: https://developer.arm.com/ip-products/processors/cortex-m/cortex-m4.
[10] „NXP Open SDA User's Guide“, [Online]. Verfügbar: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/OPENSDAUG.pdf.
[11] E. Semiconductor, „Datasheet E524.09“.
[12] G. B. J. M. T. A. B Cook, „Indoor Location Using Trilateration Characteristics,“ [Online]. verfügbar: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.505.7750&rep=repl&type=pdf.
[13] „Modified unscented Kalman filtering and its application in autonomous satellite navigation,“ [Online]. verfügbar: https://www.sciencedirect.com/science/ article/abs/pii/S127096380900011X.
[14] „A Kalman filtering tutorial for undergraduate students,“ [Online]. verfügbar: https://scholar.google.de/scholar?hl=de&as_sdt=0%2C5&q= A+Klaman+Filtering+tutorila+for+undergratuated+&btnG=.
[15] „Understanding the Basis of the Kalman Filter Via a Simple and Intuitive Derivation,“ [Online]. verfügbar: https://courses.engr.illinois.edu/ece420/sp2017/UnderstandingKalmanFilter.pdf.
[16] „DBSCAN Wikipedia,“ [Online]. Available: https://de.wikipedia.org/wiki/DBSCAN.
[17] „Corona-Cluster und Infektionsketten,“ [Online]. verfügbar: https://zdfheute-stories-scroll.zdf.de/Corona_Cluster/index.html.
[18] M. McGregor, „8 Clustering Algorithms in Machine Learning that All Data Scientists Should Know,“ [Online]. verfügbar: https://www.freecodecamp.org/news/ 8-clustering-algorithms-in-machine-learning-that-all-data-scientists-should-know/
[19] „DBSCAN,“ [Online]. Available: https://scikit-learn.org/stable/modules/clustering.html#dbscan.
[20] „KalmanFilter.Net,“ [Online]. Available: https://www.kalmanfilter.net/alphabeta.html.

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 102018106244 B3 [0174]
WO 2020182963 A1 [0174]
WO 2018219966 A1 [0174]
EP 2856206 B1 [0524]

Claims

Ultraschallsensorsystem (USSS) für ein Fahrzeug oder für eine mobile Vorrichtung zur Ermittlung einer Umfeldkarte mit Koordinaten von Objekten in der Umgebung des Ultraschallsensorsystems (USSS) in Form von akzeptierten Lösungen, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) zumindest n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) umfasst, - wobei n eine ganze positive Zahl ist für die gilt 3<n und - wobei die Ultraschallsensoren (0,1,2,3) längs einer kreuzungsfreien, geraden oder gebogenen Linie angeordnet sind und - wobei im Sinne dieses Anspruchs die Ultraschallsensoren entsprechend ihrer Position längs dieser Linie so durch Abzählen durchnummeriert werden können, dass unmittelbar auf der Linie benachbart liegende Ultraschallsensoren sich hinsichtlich ihrer Nummer um einen Wert von genau 1 unterscheiden, und - wobei jeder der n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) zumindest einen Ultraschallsender oder einen Ultraschalltransducer (UTR) zum Aussenden von Ultraschallbursts als Ultraschallwellen (USW) umfasst und - wobei jeder der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) zumindest einen Ultraschallempfänger oder den Ultraschalltransducer (UTR) zum Empfangen der reflektierten Ultraschallbursts als reflektierte Ultraschallwellen (USR) umfasst und - wobei die n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) jeweils ein jeweiliges Ultraschallempfangssignal mit einer jeweiligen Echosignalisierung (erm) erzeugen und - wobei die jeweilige Echosignalisierung (erm) eines solchen r-ten Ultraschallsensors der n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) mit 1≤r≤n jeweils die zeitlich aufeinander folgenden Signalisierungen von 0 bis k_r Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6) nach dem Aussenden eines Ultraschallbursts durch das Ultraschallsensorsystem (USSS) umfasst, wobei k_r eine positive ganze Zahl größer gleich 0 ist, und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) zumindest über 2 Kanäle und zwar zumindest über einen u-ten Kanal und einen u+1-ten Kanal Messwerte seines Umfelds erzeugt, wobei mit 1<u<n-1 gilt und u eine ganze positive Zahl ist, und - wobei das Erzeugen von Messwerten über einen j-ten der n-2 möglichen Kanäle mit j>1 und j<n jeweils bedeutet, - dass der j-te Ultraschallsensor (1,2) der n Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen Ultraschallburst in das Umfeld des Fahrzeugs aussendet und - dass der (j-1)-te Ultraschallsensor (0,1) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) den reflektierten Ultraschallburst empfängt und - dass der j-te Ultraschallsensor (1,2) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) den reflektierten Ultraschallburst nach dem Aussenden des Ultraschallbursts empfängt und - dass der (j+1)-te Ultraschallsensor (2,3)der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) den reflektierten Ultraschallburst empfängt und - dass der (j-1)-te Ultraschallsensor (0,1) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho (ec1) des (j-1)-ten Ultraschalsensors (0,1) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der (j-1)-te Ultraschallsensor (0,1) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (j-1)-ten Ultraschalsensors (0,1) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der (j-1)-te Ultraschallsensor (0,1) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho (ec3) des (j-1)-ten Ultraschalsensors (0,1) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der j-te Ultraschallsensor (1,2) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho (ec1) des j-ten Ultraschalsensors (1,2) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der j-te Ultraschallsensor (1,2) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho (ec2) des j-ten Ultraschalsensors (1,2) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der j-te Ultraschallsensor (1,2) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho (ec3) des j-ten Ultraschalsensors (1,2) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der (j+1)-te Ultraschallsensor (2,3) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen ersten Abstandswert entsprechend einem ersten Ultraschallecho (ec1) des (j+1)-ten Ultraschalsensors (2,3) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der (j+1)-te Ultraschallsensor (2,3) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen zweiten Abstandswert entsprechend einem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (j+1)-ten Ultraschalsensors (2,3) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und - dass der (j+1)-te Ultraschallsensor (2,3) der Ultraschallsensoren (0,1,2,3) einen dritten Abstandswert entsprechend einem dritten Ultraschallecho (ec3) des (j+1)-ten Ultraschalsensors (2,3) sofern ein solches Ultraschallecho auftritt signalisiert und gekennzeichnet dadurch, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem ersten Ultraschallecho (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals - u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals - (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens und/oder Schätzfilterverfahrens jede der u-ten Lösungen zu gefilterten u-ten Lösungen filtert und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens und/oder Schätzfilterverfahrens jede der (u+1)-ten Lösungen zu gefilterten (u+1)-ten Lösungen filtert und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen verwirft.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und/oder - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und/oder - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und/oder - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und/oder - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und/oder - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem zweiten Ultraschallecho (ec2) des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals - u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals - (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen verwirft.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des (u-1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den u-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des u-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) nach dem Aussenden und Empfangen des Ultraschallbursts aus dem dritten Ultraschallecho (ec3) des (u+2)-ten Ultraschalsensors bei der Messung über den (u+1)-ten Kanal, sofern vorhanden, einen Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u-1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des u-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des u-ten Kanals - u-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Trilaterationsverfahrens - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des ersten Ultraschallechos (ec1) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert es zweiten Ultraschallechos (ec2) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des zweiten Ultraschallechos (ec2) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des u-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+1)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals und - aus dem ggf. ermittelten Abstandswert des dritten Ultraschallechos (ec3) des (u+2)-ten Ultraschalsensors des (u+1)-ten Kanals - (u+1)-te Lösungen in Form von Y/Y-Koordinaten potenzieller Objekte (O) im Umfeld des Fahrzeugs ermittelt und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte (u+1)-ten Lösungen verwirft.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung jede der u-ten Lösungen zu plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen filtert oder verwirft und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung jede der (u+1)-ten Lösungen zu plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen filtert oder verwirft und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens und/oder mittels eines jeweiligen Schätzfilterverfahrens nun jede der plausibiltätsgeprüften u-ten Lösungen zu gefilterten u-ten Lösungen filtert und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens und/oder Schätzfilterverfahrens nun jede der plausibiltätsgeprüften (u+1)-ten Lösungen zu gefilterten (u+1)-ten Lösungen filtert und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die gefilterten u-ten Lösungen und die gefilterten (u+1)-ten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte gefilterte u-ten Lösungen und nicht akzeptierte gefilterte (u+1)-ten Lösungen verwirft.
Ultraschallsystem (USSS) nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) die mittels eines Verfahrens zur Plausibilitätsüberprüfung verworfenen u-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten u-ten Lösungen ersetzt und diese dann als plausibilitätsgeprüfte u-te Lösungen weiterverwendet und - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) die mittels eines Verfahrens zur Plausibilitätsüberprüfung verworfenen (u+1)-ten Lösungen durch die jeweiligen zuletzt akzeptierten (u+1)-ten Lösungen ersetzt und diese dann als plausibilitätsgeprüfte (u+1)-te Lösungen weiterverwendet.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, - dass das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, jene der u-ten Lösungen verwirft, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als eine maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, insbesondere größer als eine Laufzeit von Δe_max>1,4ms, sind und/oder - dass das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, jene der (u+1)-ten Lösungen verwirft, die einer Laufzeit des Ultraschallbursts von seiner Aussendung bis zum Empfang durch zumindest einen der Ultraschallsensoren entsprechen, die größer als die maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, insbesondere größer als eine Laufzeit von Δe_max>1,4ms, sind.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, jene der (u+1)-ten Lösungen bzw. u-ten Lösungen verwirft, die nicht auf mindestens genau ein Ultraschallecho eines zugehörigen Ultraschallsensors und genau ein weiteres Ultraschallecho eines zugehörigen weiteren Ultraschallsensors und genau ein zusätzliches Ultraschallecho eines zugehörigen zusätzlichen Ultraschallsensors, als auf drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren zurückzuführen sind.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, - das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, das Kalman-Filterverfahren und/oder Schätzfilterverfahren deaktiviert, wenn sich das Signal des Werts der Ankunftszeit des betreffenden Ultraschallechos, also einer u-ten-Lösung oder einer (u+1)-ten Lösung in zwei aufeinanderfolgenden Iterationen um mehr als Δe_{filter_max} oder um Δe_{filter_max} ändert, wobei Δe_{filter_max} bevorzugt Δe_{filter_max}≥ 500µs gilt und - wobei „deaktivieren“ bedeutet, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften u-te Lösungen als gefilterte u-te Lösungen verwendet und/oder alle oder mehrere oder einzelne der plausibiltätsgeprüften (u+1)-te Lösungen als gefilterte (u+1)-te Lösungen für die Zeit der Deaktivierung direkt verwendet.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass das Ultraschallsensorsystem (USSS) eine Deaktivierung nach einer vorbestimmten Anzahl von Messzyklen wieder aufhebt.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, - dass das Verfahren zur Plausibilitätsüberprüfung, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, solche u-ten Lösungen verwirft, bei denen die Linie vom Ort der ggf. gefilterten u-ten Lösung zum Ort des u-ten Ultraschallsensors einen Winkel α_lim zur zu dieser Sichtachse u-ten Ultraschallsensors aufweist dessen Betrag größer als der Betrag eines maximalen Winkels α_lim ist.
Ultraschallsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, - wobei Ultraschallsensoren jeweils ein jeweiliges Hüllkurvensignal (HK) aus dem Signal der reflektierten Ultraschallwelle (USW) und mit Hilfe einer jeweiligen Schwellwertkurve (SWK) aus diesem jeweiligen Hüllkurvensignal (HK) die jeweiligen Ultraschallechos (ec1, ec2, ec3, ec4, ec5, ec6) des jeweils betreffenden Ultraschallsensors extrahieren, gekennzeichnet dadurch, - dass die Schwellwertkurve (SWK) eines Ultraschallsensors von den geclusterten und akzeptieren Lösungen abhängt, die das Ultraschallsensorsystem (USSS) zuvor ermittelt hat.
Ultraschallsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen bzw. die gefilterten u-ten Lösungen und die gefilterten (u+1)-ten Lösungen dann zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht als akzeptierte ggf., gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen verwirft, - wenn die Abstände zwischen zumindest einer der Lösungen des Clusters und mindesten e anderen Lösungen des Clusters kleiner als ein Schwellwertabstand ε sind, wobei e eine ganze positive Zahl größer 0 ist, die oder besser größer1 oder besser größer 2 ist und wobei e=3 besonders bevorzugt ist.
Ultraschallsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 12, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen bzw. die gefilterten u-ten Lösungen und die gefilterten (u+1)-ten Lösungen dann zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht als akzeptierte ggf., gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen verwirft, - wenn die Anzahl der u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen eines Clusters mindestens drei ist.
Ultraschallsensorsystem nach Anspruch 13, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens u-te Lösungen und (u+1)-te Lösungen bzw. gefilterte u-te Lösungen und gefilterte (u+1)-te Lösungen dann zu einem bereits existierenden Cluster als akzeptierten Lösungen hinzu-clustert und nicht als nicht akzeptierte ggf. gefilterte u-te Lösungen oder nicht akzeptierte ggf. gefilterte (u+1)-te Lösungen verwirft, - wenn die Anzahl der u-ten Lösungen und die (u+1)-ten Lösungen des Clusters, die in der Nachbarschaft einer solchen ggf. gefilterten u-ten Lösung oder ggf. gefilterten (u+1)-ten Lösung liegen, mindestens eins ist.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, - wobei ein Ultraschallsensor 5 ein Ultraschallrauschsignal mit einer zumindest in einem Parameter zumindest teilweise zufälligen Modulation aussendet.
Ultraschallsensorsystem (USSS), - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) Abstandswerte auf Basis Ultraschallechos, die mindestens vier Ultraschallsensoren erfassen, ermittelt und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) Lösungen mittels eines Trilaterationsverfahrens aus diesen Abstandswerten ermittelt und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines jeweiligen Kalman-Filterverfahrens und/oder mittels eines jeweiligen Schätzfilterverfahrens jede dieser Lösungen zu gefilterten Lösungen filtert und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) mittels eines Clustering-Verfahrens die gefilterten Lösungen zu akzeptierten Lösungen clustert und nicht akzeptierte nicht akzeptierte gefilterte Lösungen verwirft.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, - wobei das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, zuerst eine Lösung auf Basis von zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren bestimmt und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) die Lösung akzeptiert, wenn es sich um eine Lösung aus dem Fallback-Bereich handelt, und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) die Lösung auf Basis von zwei Ultraschallechos zweier verschiedener Ultraschallsensoren nicht akzeptiert, wenn es sich um eine Lösung aus dem Dreisensorbereich handelt, und - wobei das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, dann eine Lösung auf Basis von drei Ultraschallechos dreier verschiedener Ultraschallsensoren bestimmt.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, - wobei das Trilaterationsverfahren, das das Ultraschallsensorsystem (USSS) ausführt, jedes Ultraschallecho nur einmal für die Bestimmung einer Lösung in einem Messzyklus verwendet.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, - wobei die Clusterung von einem Schwellwertabstand ε abhängt und - wobei der Schwellwertabstand ε von der Veränderung akzeptierter Lösungen der Clusterung zwischen mindestens zwei Messzyklen abhängig ist.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, - wobei der Empfangsschaltkreis (RC) eines Ultraschallsensors des Ultraschallsensorsystems (USSS) und/oder das Ultraschallsensorsystem (USSS) selbst die zeitlichen Veränderungen des Empfangs eines Ultraschallechos dieses Ultraschallsensors ermittelt aus den Empfangsdaten dieses Ultraschallechos dieses Ultraschallsensors der letzten v Messzyklen, mit v als ganzer positiver Zahl größer 1, verwendet und daraus mittels einer Polynomapproximation den Zeitpunkt des nächsten Empfangs des dieses Ultraschallechos bestimmt und - wobei der Empfangsschaltkreis (RC) eines Ultraschallsensors des Ultraschallsensorsystems (USSS) und/oder das Ultraschallsensorsystem (USSS) selbst die Schwellwertkurve (SK) dieses Ultraschallsensors in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Vorhersage modifiziert.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, - wobei das Ultraschallsystem (USSS) die zeitlichen Veränderungen der akzeptierten Lösungen aus Daten der akzeptierten Lösungen der letzten v Messzyklen, mit v als ganzer positiver Zahl größer 1, ermittelt und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) daraus, insbesondere mittels einer Polynomapproximation, für einen oder mehrere Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorsystems (USSS) den jeweiligen Zeitpunkt des erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden Ultraschallechos für diese Ultraschallsensoren bestimmt und - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) die Schwellwertkurve SK eines oder mehrerer dieser Ultraschallsensoren in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Vorhersage insbesondere für einen Zeitbereich um den jeweiligen Zeitpunkt des jeweils erwarteten nächsten Empfangs der zu der betreffenden Lösung gehörenden jeweiligen Ultraschallechos für diese jeweiligen Ultraschallsensoren modifiziert.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) ein Verfahren anwendet, das in den Messwerten der Ultraschallechos der Ultraschallsensoren Ultraschallechos von Scheinobjekten zu identifiziert und aus den Messdaten zu entfernen.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, - wobei die Eingabesignale des Kalman-Filters bzw. des Schätzfilters bzw. des Kalman-Filterverfahrens des Kalman-Filters bzw. des Schätzfilterverfahrens des Schätzfilters die erkannten Objektpositionen in Form der akzeptierten Lösungen und/oder die Geschwindigkeit der Veränderung der erkannten Objektpositionen in Form der akzeptierten Lösungen einerseits und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs andererseits sind.
Ultraschallsensorsystem (USSS) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, - wobei das Ultraschallsensorsystem (USSS) Messwerte mit einer Laufzeit die größer als eine maximal erlaubte Laufzeit Δe_max, ist auf null oder eine sehr kleine Zahl gleicher Wirkung setzt.