DE102022116813A1

DE102022116813A1 - Verfahren zum generieren eines physikalischen prüfsignals für ein fahrerassistenzsystem für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022116813A1
Application number: DE102022116813.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Ehmann; Alexander Suhre; Nicolas Bellaize; Jens Bammert
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11

Abstract

Ein Verfahren zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals (8) für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst: Erfassen (S1) einer mehrere Flächensegmente (12) umfassenden Darstellung (11) einer Geometrie eines virtuellen Objekts (9) in einer virtuellen Umgebung eines Ultraschallsensors (4) eines Kraftfahrzeugs; Modellieren (S2) jeweils eines oder mehrerer der Flächensegmente (12) durch eine dreidimensionale, gewölbte Fläche (15) mit veränderlicher Oberflächenkrümmung; Berechnen (S3) eines virtuellen Sendesignals (8a) eines virtuellen sendenden Ultraschallsensors (4a) in Abhängigkeit von Sensorparametern des virtuellen sendenden Ultraschallsensors (4a); Berechnen (S4) eines virtuellen Empfangssignals (8b), welches als Reflexion des virtuellen Sendesignals (8a) an dem virtuellen Objekt (9) durch einen virtuellen empfangenden Ultraschallsensor (4b) empfangen wird, in Abhängigkeit der Geometrie des virtuellen Objektes (9) und von Sensorparametern des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors (4b) als Summe von an den jeweiligen gewölbten Flächen (15) reflektierten Signalanteilen; und Erzeugen (S5) des physikalischen Prüfsignals (8) basierend auf dem virtuellen Empfangssignal (8b).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Prüfvorrichtungen für Fahrerassistenzsysteme und insbesondere ein Verfahren zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug.
Kraftfahrzeuge können mit Ultraschallsensoren ausgerüstet sein. Ein Ultraschallsensor ist dazu ausgelegt, ein Ultraschall-Sensorsignal auszusenden und das von einem Objekt in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs reflektierte Ultraschall-Sensorsignal als Echosignal (Empfangssignal) zu empfangen. Ein Ultraschallsensor kann Teil eines Fahrerassistenzsystems, wie etwa einer Einparkhilfe, eines Abstandsregeltempomaten oder eines Totwinkel-Assistenten sein.
Bei der Entwicklung von Ultraschallsensoren und bei der Entwicklung von Steuergeräten eines Fahrerassistenzsystems kann es wünschenswert sein, die jeweilige Vorrichtung im Betrieb anhand einer simulierten Umgebung eines Fahrzeugs, einer simulierten Fahrsituation oder dergleichen zu prüfen, ohne die Vorrichtung tatsächlich in ein Fahrzeug einbauen und/oder eine tatsächliche Testfahrt in einer realen Umgebung absolvieren zu müssen.
Die DE 10 2014 118625 A1 offenbart eine Sensoranordnung für einen Prüfstand eines Fahrerassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Sensor, welcher dazu ausgelegt ist, ein Sensorsignal auszusenden und das von einem Objekt in einem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs reflektierte Sensorsignal als Echosignal zu empfangen. Die Sensoranordnung weist eine Recheneinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, ein von einem virtuellen Objekt in einem virtuellen Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs virtuell reflektiertes Sensorsignal zu bestimmen, und weist ferner eine Vorrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, anhand des bestimmten, virtuell reflektierten Sensorsignals ein nachgebildetes Echosignal als physikalisches Prüfsignal zu erzeugen und den Sensor mit dem nachgebildeten Echosignal zu beaufschlagen.
Bei der Simulation eines virtuell reflektierten Sensorsignals stellt sich das Problem, dass die Geometrien von virtuellen Objekten typischerweise durch sogenannte Meshes aus einer Vielzahl von Flächenelementen bzw. Primitives, wie Vierecken oder Dreiecken, angenähert werden. Simulierte Signale können somit nur auf ebene Flächen oder auf scharfe Kanten auftreffen, was nicht der physikalischen Realität entspricht.
In der DE 10 2011 015094 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des von einem virtuellen Objekt in einem virtuellen Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs virtuell reflektierten Sensorsignals angegeben. Das Verfahren errechnet ein Sendesignal, das durch einen Sensor ausgesendet wird, und errechnet in Abhängigkeit von der Geometrie des virtuellen Objekts ein Empfangssignal, welches das von dem Objekt reflektierte Sendesignal ist und durch den Sensor empfangen wird. Hierbei wird zum Errechnen des Empfangssignals die Oberfläche des Objekts in eine Vielzahl von Flächensegmenten unterteilt. Die Flächensegmente werden durch einen dreidimensionalen, gewölbten Oberflächenbereich einer Kugel und/oder eines Zylinders modelliert. Das Empfangssignal wird als Summe von an den jeweiligen Oberflächenbereichen reflektierten Signalanteilen berechnet.
Die Kugel und/oder der Zylinder sind geometrische Formen mit gewölbten Oberflächen. Auf diese Weise kann eine Oberflächenkrümmung des virtuellen Objekts in erster Näherung bei der Bestimmung der Amplitude des virtuell reflektierten Signals mitberücksichtigt werden. Allerdings weisen die Kugel und/oder der Zylinder konvexe gewölbte Oberflächen mit konstanter Krümmung auf, für die eine konstante Reflexionsdämpfung (ein konstanter Reflexionsfaktor) angegeben werden kann. Somit entsteht kein hoher Rechenaufwand beim Bestimmen der Amplitude des virtuell reflektierten Signals. Es ist jedoch beispielsweise nicht möglich, mit der hier vorgeschlagenen Technik auch konkave gewölbte Flächen zu modellieren.
Literatur [4] gibt Formeln zur Bestimmung einer Reflexionsdämpfung für unterschiedliche Geometrien und Sensoranwendungen auf, die sich jedoch nicht für die auf dem Gebiet der Fahrerassistenzsysteme üblichen geringen Entfernungen eignen. Literatur [5] beschreibt die Schallreflexion an kreiszylindrischen Flächen mit konstanter Krümmung.
Wünschenswert bleibt eine weitere Annäherung an die physikalische Realität.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zugrunde, die Qualität eines physikalischen Prüfsignals zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt wird demgemäß ein Verfahren zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das die folgenden Schritte a) bis e) umfasst: a) Erfassen, mittels einer Recheneinrichtung, einer eine Vielzahl von Flächensegmenten umfassenden Darstellung einer Geometrie eines virtuellen Objekts in einer virtuellen Umgebung eines Kraftfahrzeugs; b) Modellieren, mittels der Recheneinrichtung, jeweils eines oder mehrerer der Flächensegmente durch eine dreidimensionale, gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung; c) Berechnen, mittels der Recheneinrichtung, eines virtuellen Sendesignals, das von einem virtuellen sendenden Ultraschallsensor des Kraftfahrzeugs ausgesendet wird, in Abhängigkeit von einer Anzahl von Sensorparametern des virtuellen sendenden Ultraschallsensors; d) Berechnen, mittels der Recheneinrichtung, eines virtuellen Empfangssignals, welches als Reflexion des virtuellen Sendesignals an dem virtuellen Objekt durch einen virtuellen empfangenden Ultraschallsensor des Kraftfahrzeugs empfangen wird, in Abhängigkeit der Geometrie des virtuellen Objektes und einer Anzahl von Sensorparametern des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors, wobei das virtuelle Empfangssignal als Summe von an den jeweiligen gewölbten Flächen reflektierten Signalanteilen berechnet wird; und e) Erzeugen und Ausgeben, mittels eines Signalgeneratormittels, des physikalischen Prüfsignals basierend auf dem berechneten virtuellen Empfangssignal.
Dadurch, dass die Flächensegmente jeweils durch eine dreidimensionale, gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung modelliert werden, ist es vorteilhaft möglich, einen Krümmungsgradienten darzustellen, die veränderliche Oberflächenkrümmung des virtuellen Objekts realitätsgetreuer zu modellieren, sowohl konvexe als auch konkave Flächen zu modellieren, demgemäß die Amplitude der reflektierten Signalanteile realitätsgetreuer zu bestimmen und somit die Qualität des basierend auf der Simulation in Schritt e) rekonstruierten physikalischen Prüfsignals zu verbessern.
Eine „veränderliche Oberflächenkrümmung“ bedeutet, dass die Oberflächenkrümmung der gewölbten Fläche nicht notwendigerweise konstant zu sein braucht, sondern von einem Einfallswinkel und/oder einer Einfallsposition des virtuellen Sendesignals auf die gewölbte Fläche abhängen kann. Beispiele für eine gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung umfassen eine Oberfläche eines Ellipsoids oder eines Rotationsellipsoids.
Für eine gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung lässt sich zwar kein konstanter Reflexionsfaktor angeben. Im weiteren Verlauf werden jedoch anhand von Ausführungsformen und -beispielen der Erfindung verschiedene Techniken beschrieben, wie eine von der Oberflächenkrümmung, dem Einfallswinkel und/oder der Einfallsposition des virtuellen Sendesignals abhängige Reflexionsdämpfung hinreichend exakt und effizient für eine Echtzeit-Simulation bestimmt werden kann.
Die Rechenrichtung kann ein Computer, ein Embedded-System, ein elektronisches Steuergerät und dergleichen sein.
Bei dem virtuellen Sendesignal und dem virtuellen Empfangssignal handelt es sich insbesondere jeweils um simulierte Ultraschallsignale.
In Schritt a) des „Erfassens“ erfolgt beispielsweise ein Einlesen von digitalen Daten und/oder ein Empfangen eines digitalen Signals, worin die Darstellung der Geometrie des virtuellen Objekts codiert ist. Bei der Darstellung der Geometrie kann es sich beispielsweise um ein Netz oder ein Mesh handeln. Die Flächensegmente sind insbesondere ebene Flächensegmente und können beispielsweise Dreiecke und/oder Vierecke umfassen.
In Schritt b) des „Modellierens“ wird beispielsweise für jedes, für jeweils zwei oder für jeweils mehrere der ebenen Flächensegmente eine zugehörige dreidimensionale, gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung bestimmt, indem beispielsweise anhand der Flächensegmente Parameter der dreidimensionalen, gewölbten Fläche rechnerisch bestimmt oder approximiert werden.
In Schritt c) können die Anzahl von Sensorparameter insbesondere eine Richtcharakteristik des virtuellen sendenden Ultraschallsensors, Koordinaten des virtuellen sendenden Ultraschallsensors, und/oder eine Sendesignalstärke (einen Sende-Schalldruck oder eine Sendesignalamplitude) und/oder eine Frequenz, eine Wellenzahl und/oder ein Frequenzspektrum des Sendesignals des virtuellen sendenden Ultraschallsensors umfassen. Somit kann in Schritt c) beispielsweise eine richtungsabhängige Amplitude und Phase eines jeweiligen Signalanteils des Sendesignals berechnet werden, der auf einer jeweiligen der gewölbten Flächen eintrifft. Hierbei kann insbesondere außerdem eine Reduzierung des Schalldrucks in Abhängigkeit von der zurückgelegten Distanz und/oder in Abhängigkeit von Frequenz, relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf dem Weg von dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor zu der jeweiligen gewölbten Fläche berücksichtigt werden.
In Schritt d) kann der jeweilige reflektierte Signalanteil insbesondere berechnet werden in Abhängigkeit von: der in Schritt c) bestimmten Amplitude und Phase des jeweiligen Signalanteils des Sendesignals am Ort dessen Eintreffens auf die jeweilige gewölbte Fläche; der von dem Einfallswinkel und/oder der Einfallsposition des Signalanteils des Sendesignals abhängigen Oberflächenkrümmung der jeweiligen gewölbte Fläche; einer Reduzierung des Schalldrucks in Abhängigkeit von der zurückgelegten Distanz und/oder in Abhängigkeit von Frequenz, relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf dem Weg von der jeweiligen gewölbten Fläche zurück zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor; und einer Richtcharakteristik des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors.
Bei dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor und bei dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor kann es sich um identische virtuelle Ultraschallsensoren handeln (das heißt, ein und derselbe virtuelle Ultraschallsensor sendet das Sendesignal und empfängt daraufhin das virtuelle Empfangssignal) oder um unterschiedliche virtuelle Ultraschallsensoren handeln, die unterschiedliche Sensorparameter aufweisen und/oder an unterschiedlichen virtuellen Positionen angeordnet sind.
In Schritt e) sind verschiedene Prüfszenarien denkbar.
Das Prüfsignal für ein Fahrerassistenzsystem ist insbesondere ein Prüfsignal für mindestens eine Komponente des Fahrerassistenzsystems. Beispiele für Komponenten eines Fahrerassistenzsystems sind ein Steuergerät und/oder ein physikalischer Ultraschallsensor.
Gemäß einer Variante ist das Signalgeneratormittel ein Mittel zum Erzeugen von Ultraschallsignalen, und das physikalische Prüfsignal ist ein akustisches Signal, das ein von dem berechneten virtuellen Empfangssignal modelliertes physikalisches Ultraschall-Empfangssignal nachbildet.
Das akustische Signal kann beispielsweise sodann an einen physikalischen Ultraschallsensor des Fahrerassistenzsystems bereitgestellt (von diesem empfangen) werden.
Das Signalgeneratormittel kann insbesondere ein weiterer physikalischer Ultraschallsensor oder ein physikalischer Ultraschallsender sein.
Das vorgeschlagene Verfahren gemäß der vorliegenden Variante kann zum Prüfen des Fahrerassistenzsystems, des physikalischen Ultraschallsensors und/oder des Steuergeräts verwendet werden, ohne dass eine Notwendigkeit für eine reale Testfahrt in einer realen Testumgebung besteht.
Gemäß einer anderen Variante ist das Signalgeneratormittel ein Mittel zum Erzeugen von elektrischen Signalen, und das physikalische Prüfsignal ist ein elektrisches Signal, das ein Ausgangssignal eines durch den virtuellen empfangenen Ultraschallsensor modellierten physikalischen Ultraschallsensors nachbildet.
Insbesondere kann das physikalische Prüfsignal ein Ausgangssignal nachbilden, das der durch den virtuellen empfangenden Ultraschallsensor modellierte physikalische Ultraschallsensor ausgegeben würde, wenn dieser ein durch das berechnete virtuelle Empfangssignal modelliertes physikalisches Ultraschall-Empfangssignal empfangen würde.
Das physikalische elektrische Signal kann beispielsweise sodann an ein Steuergerät eines Fahrerassistenzsystems bereitgestellt werden.
Das physikalische elektrische Signal kann insbesondere anhand des berechneten virtuellen Empfangssignals und eines Modells des physikalischen Ultraschallsensors erzeugt werden. Das Modell kann ein Modell einer Ultraschallmembran, eines Piezoelements und dergleichen des Ultraschallsensors oder dergleichen sein.
Das vorgeschlagene Verfahren gemäß der vorliegenden Variante kann zum Prüfen des Steuergeräts des Fahrerassistenzsystems verwendet werden, ohne dass eine Testfahrt durchgeführt zu werden braucht und ohne, dass ein physikalischer Ultraschallsensor des Fahrerassistenzsystems vorhanden zu sein braucht.
Das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere bei stehendem Kraftfahrzeug, bei fahrendem Kraftfahrzeug, bei einem stehenden simulierten Kraftfahrzeug oder bei einem fahrenden simulierten Kraftfahrzeug zur Anwendung kommen.
Gemäß einer Ausführungsform werden mindestens die Schritte c) und d) während einer simulierten oder realen Fahrt des Kraftfahrzeugs in Echtzeit oder schneller als in Echtzeit ausgeführt.
Somit kommen zur Berechnung des virtuellen Sendesignals und des virtuellen Empfangssignals Techniken in Betracht, die ein Echtzeiterfordernis erfüllen oder übererfüllen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden in den Schritten c) und d) eine Ausbreitung des virtuellen Sendesignals von dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor zu dem virtuellen Objekt und eine Ausbreitung des reflektierten virtuellen Sendesignals von dem virtuellen Objekt zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor mittels Strahlverfolgung simuliert.
Strahlverfolgung bzw. Raytracing ist eine Technik zum schnellen Berechnen der Signalanteile des Sendesignals und der reflektierten Signalanteile, die - anders als beispielsweise FEM-Rechnungen - ein Echtzeiterfordernis bei der Berechnung der Ausbreitung von Sende- und Empfangssignal erfüllen kann.
Hierbei kann ein jeweiliger der Signalanteile (Signalanteile des Sendesignals, die auf den jeweiligen gewölbten Flächen auftreffen, und reflektierte Signalanteile, die von den jeweiligen gewölbten Flächen reflektiert werden) als ein jeweiliger Strahl oder als eine jeweilige Strahlenröhre („ray tube“) identifiziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden nur diejenigen Strahlen verfolgt, die an einer der gewölbten Flächen zurück zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor reflektiert werden.
Indem insbesondere Strahlen, die nicht auf eine der gewölbten Flächen treffen, und/oder reflektierte Strahlen, die nicht zurück auf den virtuellen empfangenden Ultraschallsensor reflektiert werden, bei der Strahlverfolgung nicht weiter berücksichtigt werden, kann Rechenleistung eingespart werden. Insbesondere braucht in diesem Fall für solche nicht zu berücksichtigende Strahlen keine Reflexionsdämpfung an der gewölbten Fläche bestimmt zu werden. Somit kann die Echtzeitfähigkeit verbessert und/oder eine Leistungsanforderung an die Recheneinrichtung gesenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird in Schritt d) eine Amplitude des jeweiligen reflektierten Signalanteils unter Berücksichtigung einer Reflexionsdämpfung bestimmt, die von einer Krümmung der jeweiligen gewölbten Fläche am Ort der Reflexion des virtuellen Sendesignals an der gewölbten Fläche abhängt.
Die Reflexionsdämpfung kann hierbei anhand einer analytischen Formel berechnet oder anhand eines Modells geschätzt werden. Auf diese Weise kann die Reflexionsdämpfung vorteilhafterweise hinreichend schnell bestimmt werden, um ein Echtzeiterfordernis zu erfüllen.
Unter einer Reflexionsdämpfung ist insbesondere ein Faktor zu verstehen, mit dem eine Amplitude des an einer jeweiligen gewölbten Fläche von dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor eintreffenden Signalanteils zu multiplizieren ist, um eine Amplitude des von der gewölbten Fläche in Richtung des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors reflektierten Signalanteils zu erhalten, und/oder ein Dämpfungsterm, der von einem Schalldruckpegel des eintreffenden Signalanteils abzuziehen ist, um einen Schalldruckpegel des reflektierten Signalanteils zu erhalten.
Die Reflexionsdämpfung des Ultraschallsignals kann von der Oberflächenkrümmung der gewölbten Fläche abhängen. Die Oberflächenkrümmung der gewölbten Fläche ist veränderlich, das heißt, sie ist davon abhängig, an welcher Position bzw. unter welchem Winkel der jeweilige Signalanteil des Sendesignals auf der gewölbten Fläche eintrifft.
Unter einem Eintreffwinkel ist hierbei beispielsweise ein Raumwinkel zu verstehen, den der Strahl des eintreffenden Sendesignalanteils (der Schwerpunkt des Strahls) mit einer Koordinatenachse eines Koordinatensystems bildet, in dem ein Körper, wie ein Ellipsoid oder dergleichen, definiert ist, dessen Oberfläche die gewölbte Fläche umfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die jeweilige gewölbte Fläche ein Abschnitt einer Oberfläche eines Rotationsellipsoids.
Für ein Rotationsellipsoid lässt sich vorteilhafterweise eine analytische Formel zur Bestimmung einer Reflexionsdämpfung angeben. Gleichzeitig erlaubt ein Rotationsellipsoid eine für die Zwecke der Simulation reflektierter Signalanteile hinreichend genaue und gegenüber bekannten Lösungen verbesserte Modellierung der tatsächlichen, veränderlichen Oberflächenkrümmung des virtuellen Objekts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden in Schritt b) für jeweils vier Eckpunkte eines oder mehrerer der Flächensegmente die folgenden Schritte ausgeführt: Definieren einer Kugel, deren Mittelpunkt entlang einer Flächennormalenrichtung von einem ersten der vier Eckpunkte beabstandet ist und deren Radius derart gewählt ist, dass die Kugel den ersten und einen zweiten der vier Eckpunkte berührt; Definieren eines Rotationsellipsoids, dessen Mittelpunkt der Mittelpunkt der definierten Kugel ist und dessen Halbachsen derart gewählt sind, dass das Rotationsellipsoid den ersten, den zweiten und einen dritten der vier Eckpunkte berührt; und Skalieren des definierten Rotationsellipsoids derart, dass ein mittlerer quadratischer Abstand des Rotationsellipsoids zu den vier Eckpunkten minimiert ist.
Demgemäß wird ein vorteilhaftes Verfahren angegeben, um Rotationsellipsoide in die Flächensegmente eines Meshes oder dergleichen einzupassen. Handelt es sich bei den Flächensegmenten beispielsweise um Dreiecke, können beispielsweise je zwei Dreiecke mit einer gemeinsamen Kante ein nicht planares Viereck mit vier Eckpunkten bilden, in das auf die beschriebene Weise ein Rotationsellipsoid eingepasst wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die jeweilige Reflexionsdämpfung mittels einer analytischen Formel bestimmt.
Eine analytische Formel lässt sich vorteilhafterweise einfach auswerten. Demgemäß kann ein Echtzeiterfordernis vorteilhaft erfüllt werden.
Die Formel kann beispielsweise abhängen von: einer Wellenzahl des virtuellen Sendesignals; Krümmungsparametern der gewölbten Fläche; einem Einfallswinkel des Ultraschall-Sendesignals und einem Streuwinkel des Ultraschall-Empfangssignals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die jeweilige Reflexionsdämpfung mittels eines Prädiktors bestimmt, welcher dazu eingerichtet ist, abhängig von Parametern einer gewölbten Fläche und Parametern eines Sendesignals, das auf die gewölbte Fläche eintrifft, eine Schätzung für eine Reflexionsdämpfung zu bestimmen, die das Sendesignal bei der Reflexion an der gewölbten Fläche erfährt.
Beispielsweise wenn die gewölbte Fläche eine Form aufweist, für die keine geschlossene analytische Formel zur Berechnung der Reflexionsdämpfung angegeben werden kann oder eine solche Formel nicht bekannt oder aus anderen Gründen unzweckmäßig ist, kann ein Prädiktor, bei dem es sich beispielsweise um ein neuronales Netzwerk oder um ein ordnungsreduziertes Modell (Reduced Order Model) der zugrunde liegenden Differenzialgleichungen handeln kann, vorteilhaft eingesetzt werden, um innerhalb des geltenden Echtzeiterfordernis eine hinreichend präzise Schätzung für die Reflexionsdämpfung zu erhalten.
Bei den Parametern der gewölbten Fläche kann es sich beispielsweise um die Längen der drei Halbachsen eines Ellipsoids, dessen Oberfläche die gewölbte Fläche ist, handeln. Die Parameter der gewölbten Fläche können außerdem Winkelangaben umfassen, die eine räumliche Orientierung des Ellipsoids beschreiben. Bei den Parametern des Sendesignals kann es sich beispielsweise um eine Wellenzahl und/oder eine Amplitude des Sendesignals handeln. Die Parameter des Sendesignals können außerdem mindestens eines von einer Ausbreitungsrichtung des Sendesignals, einem Einfallswinkel des Sendesignals auf das Ellipsoid und einer Einfallsposition des Sendesignals auf das Ellipsoid sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Prädiktor vorab im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung erstellt, wobei für unterschiedliche gewölbte Flächen und unterschiedliche Parameter des Sendesignals eine jeweilige Reflexionsdämpfung mittels Finiter-Elemente-Methoden ermittelt wird.
Mittels Finite-Elemente-Methoden (FEM) kann die Reflexionsdämpfung an gewölbten Flächen mit veränderlicher Oberflächenkrümmung mit beliebiger Geometrie mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Diese FEM-Rechnungen benötigen jedoch prohibitiv hohe Mengen an Rechenzeit und eignen sich nicht für Echtzeitanwendungen. Jedoch können vorschlagsgemäß die FEM-Rechnungen vorteilhafterweise vorab an einer Auswahl von einschlägigen Geometrien, Einfallswinkeln und dergleichen durchgeführt werden. Die solchermaßen präzise bestimmten Reflexionsdämpfungen für die ausgewählten Geometrien können dann zum Erstellen des Prädiktors auch für andere Geometrien benutzt werden. Die Verwendung des solchermaßen vorbereiteten Prädiktors ist recheneffizient und kann vorteilhafterweise in Echtzeit oder schneller als in Echtzeit erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Prädiktor ein trainiertes neuronales Netzwerk oder ein ordnungsreduziertes Modell.
Das Erstellen des Prädiktors kann demgemäß ein Trainieren des neuronalen Netzwerks umfassen. Das Trainieren kann beispielsweise mittels der zuvor gemäß FEM-Rechnungen bestimmten Reflexionsdämpfungen der ausgewählten Geometrien erfolgen. Alternativ hierzu kann das Trainieren auch anhand von an ausgewählten Geometrien physikalisch gemessenen Reflexionsdämpfungen erfolgen.
Bei einem ordnungsreduzierten Modell handelt es sich um ein Modell, das mithilfe einer Modellordnungsreduktion eines Systems von Differenzialgleichungen, die die Reflexion des Ultraschallsignals an der gewölbten Fläche beschreiben, berechnet wird. Es kann sich bei dem System von Differenzialgleichungen um dieselben Differenzialgleichungen handeln, die auch den vorstehend beschriebenen FEM-Rechnungen zugrunde liegen. Eine Modellordnungsreduktion umfasst insbesondere das Reduzieren des Systems von Differenzialgleichungen mittels mathematischer Theorien und/oder numerischen Verfahren in ein System mit weniger Gleichungen und/oder weniger Unbekannten. Das ordnungsreduzierte System von Differenzialgleichungen kann beispielsweise einfach genug sein, um während des vorgeschlagenen Verfahrens für das jeweilige Ultraschall-Sendesignal und die jeweilige gewölbte Fläche in Echtzeit numerisch gelöst zu werden. Es ist aber auch denkbar, dass vorab eine analytische Lösung des ordnungsreduzierten Systems in Form einer analytischen Formel ermittelt wird. Hierbei können beispielsweise Parameter der analytischen Formel anhand der mehreren ausgewählten Geometrien und den mittels FEM-Rechnungen für diese bestimmten Reflexionsdämpfungen bestimmt bzw. angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt f): Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung des Fahrerassistenzsystems, wobei das erzeugte physikalische Prüfsignal an die zu prüfende Vorrichtung bereitgestellt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren kann demnach auch als ein Verfahren zum Prüfen eines Fahrerassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs bezeichnet werden.
Die zu prüfende Vorrichtung kann eine Komponente des Fahrerassistenzsystems, wie beispielsweise ein Ultraschallsensor und/oder ein Steuergerät des Fahrerassistenzsystems, und/oder das gesamte Fahrerassistenzsystem sein.
Das Prüfen des Fahrerassistenzsystems (oder der zu prüfenden Vorrichtung) kann beispielsweise ein Messen von Ausgangssignalen des Fahrerassistenzsystems (oder der zu prüfenden Vorrichtung) während einer simulierten oder realen Fahrt durch eine virtuelle Umgebung des Kraftfahrzeugs oder während eines simulierten oder realen Stands des Fahrzeugs in der simulierten Umgebung umfassen.
Insbesondere wird während der Fahrt oder des Stands des Kraftfahrzeugs gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren insbesondere die Ausbreitung eines virtuellen Sendesignals in einer virtuellen Umgebung des Kraftfahrzeugs simuliert, die Ausbreitung eines virtuellen Empfangssignals, welches eine Reflexion des virtuellen Sendesignals in der virtuellen Umgebung des Kraftfahrzeugs ist, wird simuliert, und ein physikalisches Prüfsignal wird basierend auf dem simulierten Empfangssignal erzeugt und der zu prüfenden Vorrichtung bereitgestellt, die in Reaktion auf das Bereitstellen des physikalischen Prüfsignals die Ausgangssignale erzeugt. Die Ausgangssignale können beispielsweise Steuersignale, Warnsignale, Anzeigesignalen und dergleichen umfassen. Die gemessenen Ausgangssignale können ausgewertet, beispielsweise mit erwarteten Signalen, mit Parametern der simulierten Umgebung des Kraftahrzeugs oder dergleichen werden oder dergleichen. Ein Ergebnis des Prüfens kann beispielsweise eine Beurteilung der Eignung oder Konformität des Fahrerassistenzsystems, eine Empfehlung zur Verbesserung oder Weiterentwicklung des Fahrerassistenzsystems, eine Anpassung eines Parameters des Fahrerassistenzsystems oder dergleichen mehr umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Simulationsvorrichtung zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, die eine Recheneinrichtung und ein Signalgeneratormittel umfasst, welche dazu eingerichtet sind, das Verfahren des ersten Aspekts oder einer der Ausführungsformen des ersten Aspekts auszuführen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der ihrer Ausführung durch eine Simulationsvorrichtung, die eine Recheneinrichtung und ein Signalgeneratormittel umfasst, die Simulationsvorrichtung dazu veranlassen, das Verfahren des ersten Aspekts oder einer der Ausführungsformen des ersten Aspekts auszuführen.
Hierbei werden die Befehle insbesondere durch eine Recheneinrichtung der Simulationsvorrichtung ausgeführt. Die Schritte a) bis d) werden insbesondere in Reaktion auf Ausführung der Befehle von der Recheneinrichtung der Simulationsvorrichtung durchgeführt. Der Schritt e) wird beispielsweise durchgeführt, indem die Recheneinrichtung in Reaktion auf Ausführung der Befehle das Signalgeneratormittel ansteuert und dieses dadurch dazu veranlasst, das physikalische Prüfsignal zu erzeugen und auszugeben.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z. B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z. B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Prüfanordnung vorgeschlagen, die eine zu prüfende Vorrichtung und die Simulationsvorrichtung des zweiten Aspekts umfasst, wobei die zu prüfende Vorrichtung derart an die Simulationsvorrichtung angeschlossen ist, dass das von dem Signalgeneratormittel der Simulationsvorrichtung erzeugte und ausgegebene physikalische Prüfsignal an die zu prüfende Vorrichtung bereitgestellt wird.
Die zu prüfende Vorrichtung ist insbesondere eine physikalische Vorrichtung und kann ein Fahrerassistenzsystem oder eine oder mehrere Komponenten eines Fahrerassistenzsystems wie einen Ultraschallsensor, ein Steuergerät und dergleichen umfassen.
Bei der Prüfanordnung kann es sich beispielsweise um einen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand, einen Vehicle-in-the-Loop-Prüfstand oder einen Driver-in-the-Loop-Prüfstand handeln.
Die für das vorgeschlagene Verfahren des erstens Aspekts beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für die vorgeschlagene Simulationsvorrichtung, das vorgeschlagene Computerprogrammprodukt und die vorgeschlagene Prüfanordnung entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine Prüfanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine simulierte Umgebung eines Kraftfahrzeugs;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
4 veranschaulicht eine Gitternetzdarstellung eines virtuellen Objekts;
5 veranschaulicht ein Rotationsellipsoid;
6 veranschaulicht Schritte zum Modellieren eines oder mehrerer Flächensegmente durch ein jeweiliges Rotationsellipsoid;
7 veranschaulicht eine Richtcharakteristik eines Ultraschallsensors;
8 veranschaulicht eine Strahlenröhre; und
9 veranschaulicht schematisch eine Recheneinrichtung einer Prüfanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt eine Prüfanordnung 100 und 2 zeigt eine simulierte virtuelle Umgebung 10 eines Kraftfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Es wird auf 1 und 2 Bezug genommen.
Die Prüfanordnung 100 umfasst eine Simulationsvorrichtung 1 und ein Fahrerassistenzsystem 2. Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst ein Steuergerät 3 und einen physikalischen Ultraschallsensor 4 (beides Beispiele für eine zu prüfende Vorrichtung). Die Simulationsvorrichtung 1 umfasst eine Recheneinrichtung 6 und ein Signalgeneratormittel 7. Das Fahrerassistenzsystem 2 und die Simulationsvorrichtung 1 können in ein Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) eingebaut sein oder in einem Labor betrieben werden.
Das Fahrerassistenzsystem 2 kann beispielsweise ein ADAS (Autonomous Driving Assistance System), eine Parkassistenzsystem oder dergleichen eines Kraftfahrzeugs sein. Das Fahrerassistenzsystem 2 kann neben dem Steuergerät 3 und dem physikalischen Ultraschallsensor 4 weitere nicht gezeigte Komponenten, wie weitere Steuergeräte, andere Sensoren und dergleichen, umfassen, die ebenfalls Beispiele für zu prüfende Vorrichtungen sind. Auch das Fahrerassistenzsystem 2 als Ganzes ist ein Beispiel für eine zu prüfende Vorrichtung.
Wenn das Fahrerassistenzsystem 2 in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, verwendet es den mindestens einen Ultraschallsensor 4, um Ultraschallsignale in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs zu senden, und um an Objekten in der Umgebung reflektierte Ultraschallsignale zu empfangen. Zum Senden und zum Empfangen kann dabei derselbe Ultraschallsensor 4 oder können verschiedene Ultraschallsensoren 4 verwendet werden. Anhand der empfangenen Ultraschallsignale ermittelt das Fahrerassistenzsystem 2 Informationen über Objekte in der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Diese Informationen werden von der von dem Fahrerassistenzsystem 2 implementierten Assistenzfunktionalität - wie Totwinkelwarnung, Hinderniswarnung, Fahrspurassistenz, autonomes Einparken, teil- oder vollautonomes Fahren und dergleichen - weiter ausgewertet.
Wenn das Fahrerassistenzsystem 2, wie in 1 gezeigt, in der Prüfanordnung 100 benutzt (geprüft) wird, wird der Ultraschallsensor 4 lediglich zum Empfangen benutzt. Ein von dem Steuergerät 3 ausgegebenes Ansteuersignal zum Aussenden eines Ultraschallsignals wird in der Prüfanordnung 100 nicht an den Ultraschallsensor 4, sondern über eine Signalleitung 5 an die Recheneinrichtung 6 der Simulationsvorrichtung 1 übermittelt. Die Recheneinrichtung 6 simuliert die Ausbreitung eines virtuellen Ultraschallsignals von einem virtuellen sendenden Ultraschallsensor 4a, der den Ultraschallsensor 4 modelliert, in eine simulierte Fahrzeugumgebung 10 (2), simuliert die Reflexion des virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8a an einem virtuellen Objekt 9 in der simulierten Fahrzeugumgebung 10, und simuliert die Ausbreitung des virtuellen reflektierten Ultraschalsignals 8b zurück zu einem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor 4b, der den Ultraschallsensor 4 modelliert. Auf diese Weise berechnet die Recheneinrichtung 6 Parameter, wie eine Amplitude und/oder eine Phase, des virtuellen Empfangssignals 8b bei Eintreffen an dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor 4b. Basierend auf diesen Parametern steuert die Recheneinrichtung 6 das Signalgeneratormittel 7 an, um ein auf den Parametern basierendes physikalisches Ultraschall-Empfangssignal 8 (Beispiel für ein physikalisches Prüfsignal) zu erzeugen. Das Signalgeneratormittel 7 gibt das physikalische Ultraschall-Empfangssignal 8 aus, und der Ultraschallsensor 4 des Fahrerassistenzsystems 2 empfängt das solchermaßen aus der Simulation rekonstruierte physikalische Ultraschall-Empfangssignal 8. Man kann also sagen, dass das Ultraschall-Empfangssignal 8 an den Ultraschallsensor 4 des Fahrerassistenzsystems 2 bereitgestellt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, Eigenschaften des Fahrerassistenzsystems 2, wie etwa Ansprechempfindlichkeiten des Ultraschallsensors 4, Auswertealgorithmen des Steuergeräts 3 und dergleichen in unterschiedlichen simulierten Fahrzeugumgebungen zu prüfen, weiterzuentwickeln und zu optimieren, ohne dass tatsächliche Testfahrten mit einem Kraftfahrzeug in einer tatsächlichen Umgebung mit tatsächlichen Objekten darin durchgeführt zu werden brauchen.
Es sei in Bezug auf 2 noch angemerkt, dass der virtuelle sendende Ultraschallsensor 4a und der virtuelle empfangene Ultraschallsensor 4b sich an gleichen Positionen befinden und somit einen selben Ultraschallsensor 4 eines Fahrzeugs modellieren können. Der virtuelle sendende Ultraschallsensor 4a und der virtuelle empfangende Ultraschallsensor 4b können sich auch an unterschiedlichen Positionen befinden und unterschiedliche, an einem Fahrzeug montierte Ultraschallsensor 4 modellieren oder einen selben an einem Fahrzeug montierten Ultraschallsensor 4 modellieren, der während einer simulierten oder realen Fahrt des Fahrzeugs zwischen einem Sendezeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt seine Position verändert hat.
Details des vorgeschlagenen Verfahrens zum Simulieren der Ausbreitung und Reflexion virtueller Ultraschallsignale werden nachstehend beschrieben.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. 4 veranschaulicht eine stark vereinfachte Gitternetzdarstellung eines virtuellen Objekts. Es wird auf 1 bis 4 Bezug genommen.
In Schritt S1 erfasst die Recheneinrichtung 6 eine Gitternetzdarstellung 11 eines virtuellen Objekts 9 in einer virtuellen Umgebung 10 des Ultraschallsensors 4. Die Gitternetzdarstellung 11 umfasst eine Vielzahl von polygonalen Flächensegmenten 12, bei denen es sich im vorliegenden Beispiel um Dreiecke handelt. Eine derartige Gitternetzdarstellung 11 eignet sich nur bedingt zur Simulation der Reflexion von Ultraschallsignalen an dem von der Gitternetzdarstellung 11 repräsentierten virtuellen Objekt 9, da die Gitternetzdarstellung 11 lediglich aus ebenen Flächen und scharfen Kanten besteht und dadurch eine tatsächliche Oberflächenkrümmung des virtuellen Objekts 9, die in aller Regel zwischen den Extremen „keine Krümmung“ und „scharfe Kante“ liegt und die sich auf eine Reflexionsdämpfung bei Reflexion eines Ultraschallsignals an dem virtuellen Objekt 9 auswirkt, nicht akkurat widerspiegelt.
In Schritt S2 modelliert die Recheneinrichtung 6 jeweils ein oder mehrere der Flächensegmente 12 durch eine dreidimensionale gewölbte Fläche 16 (5) mit veränderlicher Oberflächenkrümmung. Auf diese Weise kann die Krümmung des virtuellen Objekts 9 in der Nachbarschaft eines Reflexionsorts eines einfallenden virtuellen Ultraschall-Sendesignals 9a akkurater abgebildet werden und demgemäß eine berechnete Reflexionsdämpfung näher an der physikalischen Realität sein.
Ein Beispiel für eine dreidimensionale gewölbte Fläche mit veränderlicher Oberflächenkrümmung ist ein Ellipsoid. Literatur [8] beschreibt eine Technik zur Modellierung eines dreidimensionalen Modells - wie der Gitternetzdarstellung 11 - durch Ellipsoide.
Um eine einfache analytische Formel zur Berechnung einer Reflexionsdämpfung bei Reflexion des Ultraschall-Sendesignals an der gewölbten Fläche 16 (5) angeben zu können, wird jedoch vorgeschlagen, die Gitternetzdarstellung 9 durch Rotationsellipsoide 15 (5) zu modellieren. Ein Verfahren dazu wird nun beschreiben.
5 veranschaulicht ein Rotationsellipsoid 15, und 6 veranschaulicht Schritte zum Modellieren eines oder mehrerer der Flächensegmente 12 durch ein jeweiliges Rotationsellipsoid 15. Es wird auf 2 bis 6 Bezug genommen.
Im Speziellen bildet die Recheneinrichtung 6 im vorliegenden Ausführungsbeispiel zunächst Gruppen aus je zwei Dreiecken 12a, 12b mit gemeinsamer Kante 13, wodurch unebene Flächensegmente 12c mit jeweils vier Eckpunkten 14 gebildet werden.
In Schritt S21 definiert die Recheneinrichtung 6 für jedes der unebenen Flächensegmente 12c eine Kugel, deren Mittelpunkt entlang einer Flächennormalenrichtung N einer Oberfläche des virtuellen Objekts 9 von einem ersten Eckpunkt 14a der vier Eckpunkte 14 beabstandet ist und deren Radius a derart gewählt ist, dass die Kugel den ersten Eckpunkt 14a sowie einen zweiten Eckpunkt 14b der vier Eckpunkte 14 berührt.
Sodann dehnt die Recheneinrichtung 6 in Schritt S22 die Kugel zu dem Rotationsellipsoid 15 aus. Das Rotationsellipsoid 15 weist den Radius a der Kugel als erste Halbachse auf und weist eine zweite Halbachse b auf, die derart gewählt ist, dass das Rotationsellipsoid 15 ferner einen dritten Eckpunkt 14c der vier Eckpunkte 14 berührt.
In 5 ist ein Spezialfall gezeigt, bei dem das Rotationsellipsoid 15 zu diesem Zeitpunkt bereits auch den vierten Eckpunkt 14d berührt. In diesem Fall ist nichts weiter zu tun. In einem allgemeinen Fall wird das Rotationsellipsoid 14 den vierten Eckpunkt 14d jedoch nicht berühren, da für einen allgemeinen Fall die Anzahl der Freiheitsgrade eines Rotationsellipsoids 15 nicht ausreichend sind, um das Rotationsellipsoid an alle vier Eckpunkte 14 anzupassen.
Deswegen führt die Recheneinrichtung 6 in Schritt S23 eine Skalierung durch, bei welcher das Rotationsellipsoid 15 (die Halbachsen a und/oder b) derart skaliert wird, dass ein mittlerer quadratischer Abstand der Oberfläche 16 des Rotationsellipsoids 15 zu den vier Eckpunkten 14 minimal ist. Zur Ermittlung der optimalen Skalierung kann beispielsweise das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate verwendet werden.
Es ist gemäß einer Weiterbildung auch denkbar, die Bestimmung eines Rotationsellipsoids 15 wie vorstehend beschrieben zu wiederholen, wobei jeweils ein anderer der vier Eckpunkte 14 als Ausgangspunkt gewählt wird, und am Ende unter den vorläufig bestimmten Rotationsellipsoiden 15 dasjenige Rotationsellipsoid 15 als das bestimmte Rotationsellipsoid 15 ausgewählt wird, für das sich der kleinste quadratische Fehler ergibt.
Das bestimmte Rotationsellipsoid 15 kann in dem in 5 gezeigten, auf das Rotationsellipsoide bezogenen Koordinatensystem, in welchem die z-Achse entlang der Halbachse b des Rotationsellipsoids 15 gewählt ist, durch folgende Formel beschrieben werden (siehe auch Literatur [7]): $\frac{x^{2} + y^{2}}{a^{2}} + \frac{z^{2}}{b^{2}} = 1$
Es sei angemerkt, dass für a=b das Rotationsellipsoid 15 zu einer Kugel mit a=c=1,5 wird. Für große a und große b kann mit dem Rotationsellipsoid in einem gewissen Intervall eine Wand angenähert werden. Für a=1 und sehr große b kann mit dem Rotationsellipsoid ein Zylinder angenähert werden.
Jedes der Rotationsellipsoide 15, mit denen die Gitterdarstellung 9 der Geometrie des virtuellen Objekts modelliert wird, lässt sich somit durch die Parameter a und b (Halbachsen) sowie zwei weitere Parameter ϑ und ϑ vollständig beschreiben. Die Parameter ϑ und φ geben hierbei Elevation und Azimut, d. h. die räumliche Ausrichtung des Rotationsellipsoids 15 relativ zu einem Laborkoordinatensystem an.
Ein Abschnitt der Oberfläche des Rotationsellipsoids 15 ist eine gewölbte Fläche 16 mit veränderlicher Oberflächenkrümmung im Sinne der vorliegenden Offenbarung.
In Schritt S3 berechnet die Recheneinrichtung 6 ein virtuelles Ultraschallsendesignal 8a, das von dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor 4a (2) ausgesendet wird, in Abhängigkeit einer Anzahl von Sensorparametern des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a (2). Details dieser Berechnung werden nachstehend beschrieben.
Es wird auf 1 bis 5 Bezug genommen. Die Recheneinrichtung 6 verwendet in Schritt S3 im Speziellen ein Strahlverfolgungsverfahren (Raytracing), um die Ausbreitung einzelner Strahlen (Strahlenröhren, „ray tubes“) 20 (8) von dem virtuellen Sensor zu einem jeweiligen der Flächensegmente 12 oder genauer, zu der Oberfläche 16 eines jeden der in Schritt S2 bestimmten Rotationsellipsoide 15 zu berechnen. Besonders vorzugsweise werden hierbei nur diejenigen Strahlen berücksichtigt, die eines der Rotationsellipsoide 15 treffen und von dort auch zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor 4b zurückreflektiert werden. Auf diese Weise kann Rechenzeit gespart und ein Echtzeiterfordernis noch besser erfüllt werden. Für das Raytracing kann eine kommerziell verfügbare Software, wie IPG Car-Maker, ASM dSPACE oder dergleichen verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass der virtuelle sendende Ultraschallsensor 4a eine Signalkeule mit einer Winkelausdehnung in Azimut- und Elevationsrichtung aussendet, die als das virtuelle Ultraschall-Sendesignal 8a bezeichnet wird. Bei den einzelnen per Raytracing ermittelten Strahlen bzw. Strahlenröhren 20 (8) handelt es sich somit um jeweilige Signalanteile des Ultraschall-Sendesignals 8a, die zusammen das Ultraschall-Sendesignal 8a bilden.
7 veranschaulicht eine Richtcharakteristik 17 des sendenden virtuellen Ultraschallsensors 4a (des von diesem modellierten Ultraschallsensors 4). Es wird auf 7 in Verbindung mit 1 bis 5 Bezug genommen. Die Richtcharakteristik 17 gibt an, mit welcher Intensität ein Schalldruckpegel L(θ, ϕ) in dB in Abhängigkeit von einem Elevationswinkel θ und einem Azimutwinkel ϕ abgestrahlt oder empfangen werden kann. Die Richtcharakteristik, das heißt der Schalldruckpegel L(θ, ϕ), ist in Abhängigkeit des Azimutwinkels ϕ (Bezugszeichen 18) sowie in Abhängigkeit des Elevationswinkels θ (Bezugszeichen 19) aufgetragen. Die Richtcharakteristik 17 ist zum Beispiel Teil der Sensorparameter des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a.
An der Richtcharakteristik 17 kann somit für jeden der in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Strahlen ein von dessen Richtung abhängiger Sende-Schalldruckpegel L_tr,i an einem Ort in der Nähe des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a abgelesen werden. Hierbei gibt i eine Nummer des Strahls an. Unter einem Ort „in der Nähe“ des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a ist ein Ort in einem Abstand r₁ zu dem Ort des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a zu verstehen, wobei r₁ klein ist gegen einen Abstand r₂, in dem das virtuelle Objekt 9 (die jeweilige gewölbte Fläche 16) angeordnet ist. r₁ ist hingegen derart gewählt, dass sich der Ort im Abstand r₁ bereits außerhalb des Nahfelds des virtuellen sendenden Ultraschallsensors 4a befindet und somit eine Messung des Schalldruckpegels zur Bestimmung der Richtcharakteristik 17 gestattet.
Der am Ort der jeweiligen i-ten gewölbten Fläche 16 des virtuellen Objekts 9 einfallende Schalldruckpegel L_nc,i, kann durch Subtraktion einer Freiraumdämpfung und einer Luftdämpfung von dem Sende-Schalldruckpegel L_tr,i bestimmt werden. Hierbei berücksichtigt die Freiraumdämpfung eine Reduzierung des Schalldruckpegels in Abhängigkeit von einer Distanz zwischen dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor 4a und dem virtuellen Objekt 9. Die Luftdämpfung berücksichtigt eine Reduzierung des Schalldruckpegels in Abhängigkeit von einer Frequenz des Ultraschall-Sendesignals 8a, einer relativen Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur.
Literatur [1] gibt für die Freiraumdämpfung die sogenannte 6-dB-Formel zu $| 20 \cdot log \frac{r 1}{r 2} |$
an. Ausführungen zur Luftdämpfung finden sich in Literatur [2] und [3]. Literatur [1] bis [3] behandelt lediglich summarisch die Ausbreitung akustischen Schalls.
Vorgeschlagen wird daher, die Entwicklung des Schalldruckpegels L entlang der einzelnen im Rahmen des Raytracings bestimmten Strahlenröhren 20 (8) zu betrachten. Literatur [12] stellt in Kapitel 4.1.2 eine Reihenentwicklung für die elektrische Feldstärke entlang einer Strahlenröhre vor, und Literatur [13] gibt in Kapitel 8.6 eine Differenzialgleichung für akustische Wellen in einer Strahlenröhre und deren Lösung an. Diese Lösungen werden nachstehend kurz skizziert.
8 stellt schematisch eine Strahlenröhre 20 dar. Für den Schalldruck entlang der Strahlenröhre (20) gilt (vergleiche auch Formel (8.7.1) aus Literatur [13]): $p^{2} (x) \cdot c (x) \cdot A (x) = const .$
Hierbei ist: p die Amplitude der Schallwelle, d. h. der Schalldruck, x der Abstand entlang der radialen Achse 21 der Strahlenröhre 20, c die im Allgemeinen vom Ort und damit von x abhängige Schallgeschwindigkeit, und A der Flächeninhalt einer jeweiligeb Äquiphasenfläche der Strahlenröhre 20 am Ort x.
Es sei angemerkt, dass vorliegend der Begriff „Schalldruck“ p die gemessene Ultraschallamplitude bezeichnet, währen der Begriff „Schalldruckpegel“ L den Schalldruckpegel in dB bezeichnet. Eine Umrechnung zwischen Schalldruckpegeln und Schalldrücken kann gemäß $L = 20 {log}_{10} \frac{p}{p_{0}}$
erfolgen, mit p₀ = 2*10^-5 Pa in Luft.
Wird lediglich die Freiraumdämpfung betrachtet, ist die Schallgeschwindigkeit konstant, und Formel 2 vereinfacht sich zu (vergleiche auch Formel (4.15) von Literatur [12]): $p (r_{2}) = p (r_{1}) \cdot \sqrt{\frac{S (r_{1})}{S (r_{2})}}$
Aus Formel 4 kann direkt der einfallende Schalldruck p_inc = p(r₂) am Ort des jeweiligen Rotationsellipsoids 15 (5) abgelesen werden. Sodann kann nach Formel (3) der zugehörige Schalldruckpegel L_inc bestimmt werden.
Im allgemeinen Fall wird die Luftdämpfung berücksichtigt und die Schallgeschwindigkeit c(x) wird ggf. nicht konstant sein. Der einfallende Schalldruck p_inc bzw. der einfallende Schalldruckpegel L_inc kann in diesem Fall etwa durch numerische Integration von Formel (2) entlang der radialen Achse 21 der Strahlenröhre 20 ermittelt werden.
Es sei angemerkt, dass ein Schalldruck p einer Strahlenröhre 20 ein Beispiel für eine Amplitude eines Signalanteils des Sendesignals 8a (2) ist.
Es wird weiter auf 1-5 Bezug genommen. In Schritt S4 berechnet die Recheneinrichtung 6 das virtuelle Empfangssignal 8b.
Im Speziellen berechnet die Recheneinrichtung 6, nachdem in Schritt S3 für eine jeweilige i-te Strahlenröhre der Schalldruckpegel L_inc,i bestimmt worden ist, der auf der ein jeweiliges i-tes Flächensegment 12 des virtuellen Objekts 9 modellierendem i-ten gewölbten Fläche 16 eintrifft, in Schritt S4 einen reflektierten Schalldruckpegel L_ref,i, der von der i-ten gewölbten Fläche 16 in Richtung des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b reflektiert wird. Der Schalldruckpegel L_ref,i ergibt sich in Abhängigkeit von einer Reflexionsdämpfung, die im Allgemeinen von einem Einfallswinkel der jeweiligen, i-ten Strahlenröhre 20 auf die jeweilige, i-te gewölbte Fläche 16 des entsprechenden i-ten Rotationsellipsoids 15 abhängig ist.
Literatur [9] betrachtet eine auf ein Rotationsellipsoid einfallende Strahlenröhre einer elektromagnetischen Welle und leitet eine analytische Formel für die Amplitude einer reflektierten elektromagnetischen Welle in einer reflektierten Strahlenröhre her. Demnach ist (vergleiche Formel (35) in Literatur [9]) und die zugehörige Herleitung): $S_{ref} (Θ, Φ) = \frac{k b / 2}{1 + (\frac{b^{2}}{a^{2}} - 1) {[cos (\frac{Θ}{2}) cos (Φ - φ) sin ϑ - sin (\frac{Θ}{2}) cos ϑ]}^{2}}$
Hierbei sind:

Sref: Reflexionsdämpfung (dimensionsloser Betrag des reflektierten elektromagnetischen Feldes);
a, b: Halbachsen (Krümmungsparameter) des Rotationsellipsoids 15 (vgl. Formel 1);
ϑ, φ: Einfallswinkel, das heißt Elevation und Azimut (räumliche Ausrichtung) des Rotationsellipsoids 15 relativ zu einem Laborkoordinatensystem, entlang dessen z-Achse sich der Signalanteil des virtuellen Ultraschallsendesignals 8a ausbreitet, der an dem Rotationsellipsoid 15 reflektiert wird (siehe auch in Literatur [9]);
Θ, Φ: Streuwinkel, das heißt Elevation und Azimut des virtuellen empfangenden Sensors 4b (siehe auch 1 in Literatur [9]) relativ zu dem Laborkoordinatensystem; und
k: Wellenzahl der elektromagnetischen Welle.

Für eine Phase des reflektierten elektromagnetischen Feldes gilt (vgl. Formel (45) in [9]): $\begin{array}{l} δ_{ref} (Θ, Φ) \\ = - \frac{4 π a}{λ} sin (\frac{Θ}{2}) \sqrt{1 + (\frac{b^{2}}{a^{2}} + 1) \times {[cos (\frac{Θ}{2}) cos (Φ - φ) sin ϑ - sin (\frac{Θ}{2}) cos ϑ]}^{2}} - \frac{π}{2} \end{array}$
Hierbei gibt δ_ref die reflektierte Phase und λ die Wellenlänge an.
Es wird zunächst angekommen, dass die Formeln (5) und (6) auch für den Fall der Ausbreitung einer Ultraschallwelle Gültigkeit haben. Dann kann der jeweilige reflektierte Schalldruck p_ref,i mit der Formel (5) für S_ref mit den Parametern des jeweiligen i-ten Rotationsellipsoids 15 berechnet werden aus diesem nach Formel (3) der jeweilige reflektierte Schalldruckpegel L_ref,i bestimmt werden.
Es sei angemerkt, dass Formel (5) abhängig von dem Einfallswinkel (Elevation Θ und Azimut ϕ des virtuellen empfangenden Sensors 4b und dem Streuwinkel (Elevation ϑ und Azimut φ) relativ zu einem Laborkoordinatensystem formuliert ist, entlang dessen z-Achse sich der Signalanteil des virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8b ausbreitet, der an der Oberfläche 16 des Rotationsellipsoids 15 reflektiert wird. Der Einfallswinkel und der Streuwinkel relativ zu dem Laborkoordinatensystem lassen sich jedoch durch einfache Koordinatentransformation in einen Einfallswinkel und einen Ausfallswinkel relativ zu einem Koordinatensystem, in dem das Rotationsellipsoid 15 definiert ist, überführen. Zudem ist der Mittelpunkt des Rotationsellipsoids 15 im vorliegenden Beispiel stets auf der z-Achse des Laborkoordinatensystems angeordnet. Demnach definieren der Einfallswinkel Θ, Φ und der Streuwinkel ϑ, φ auf eindeutige Weise eine Einfallsposition auf das Rotationsellipsoid 15 und damit eine anhand der Parameter a, b, c des Rotationsellipsoids bestimmbare Krümmung der Oberfläche 16 des Rotationsellipsoids 15 (der gewölbten Fläche 16). Somit sind in Bezug auf die Reflexionsdämpfung insbesondere die Formulierungen „abhängig von einem Einfallswinkel des Ultraschall-Sendesignals auf die gewölbte Fläche“, „abhängig von einem Ausfallswinkel des Ultraschall-Empfangssignals von der gewölbten Fläche“, „abhängig von einem Streuwinkel des reflektierten Ultraschall-Sendesignals“, „abhängig von einer Position auf der gewölbten Fläche, an der das Ultraschall-Sendesignal reflektiert wird“ und „abhängig von einer Oberflächenkrümmung des Rotationsellipsoids an einem Ort der Reflexion des Ultraschall-Sendesignals“ als äquivalent zueinander zu betrachten.
Die Recheneinrichtung 6 berechnet sodann in Schritt S4 auf gleiche Weise, wie vorstehend anhand der Formeln (2) und (4) für die jeweilige Strahlenröhre 20 des virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8a beschrieben, ausgehend von dem reflektierten Schalldruckpegel L_ref,i am Ort des jeweiligen i-ten Rotationsellipsoids 15, den Empfangsschalldruckpegel L_rec,i, beim Eintreffen einer jeweiligen i-ten reflektierten Strahlenröhre 20 des virtuellen reflektierten Ultraschall-Empfangssignals 8b am Ort des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b.
Es sei angemerkt, dass ein jeweiliger Schalldruck p_rel,i, p_rec,i einer jeweiligen i-ten Strahlenröhre 20 des virtuellen Ultraschall-Empfangssignals 8b ein jeweiliges Beispiel für eine Amplitude eines jeweiligen Signalanteils des virtuellen Ultraschall-Empfangssignals 8b ist. Die Schalldrücke p_ref,i, p_rec,i können nach Formel (3) in die Schalldruckpegel L_ref,i, L_rec,i umgerechnet werden.
Sodann überlagert die Recheneinrichtung 6 in Schritt S4 alle bei dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor 4b eintreffenden Signalanteile (Strahlen), um das Empfangssignal 8b zu berechnen. Anders ausgedrückt summiert die Recheneinrichtung 6 in Schritt S4 die Schalldrücke p_rec,i, unter Berücksichtigung der jeweiligen Phasenlagen δ_rec(Θ_i, Φ_i) am Ort des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b, um einen empfangenen Gesamtschalldruck p_rec,tot und/oder den zugehörigen Gesamtschalldruckpegel L_rec,tot am Ort des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b zu bestimmen. Bei der Überlagerung bzw. Summierung kann weiterhin eine Empfangsrichtcharakteristik des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b berücksichtigt werden, die eine raumwinkelabhängige Empfindlichkeit des Ultraschallsensors 4b angibt. Somit können Signalanteile, die unter einer Detektionsschwelle des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b liegen, bei der Summation bzw. Überlagerung nicht berücksichtigt werden und/oder Signalanteile können abhängig von ihrem Einfallswinkel auf den virtuellen empfangenden Ultraschallsensor 4b abhängig von der Empfangsrichtcharakteristik gedämpft werden. Die Empfangsrichtcharakteristik kann gleichartig aufgebaut sein wie die in 7 dargestellte Senderichtcharakteristik 17. Die Empfangsrichtcharakteristik kann Teil der Sensorparameter des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors 4b sein.
In Schritt S5 verwendet die Recheneinrichtung 6 das Signalgeneratormittel 7, bei dem es sich beispielsweise um einen zu dem Ultraschallsensor 4 baugleichen Ultraschallsensor handelt, um ein physikalisches Ultraschallsignal 8 (1) mit dem Gesamtschalldruck L_rec,tot zu erzeugen. Der Ultraschallsensor 4 des Fahrerassistenzsystems 2 wird somit mit einem physikalischen Ultraschallsignal stimuliert, das einem Ultraschallsignal entspricht, wie es bei einer tatsächlichen Testfahrt mit einem Kraftfahrzeug in einem Umfeld, das ein dem virtuellen Objekt 9 entsprechendes reales Objekt enthält, aus dem Umfeld empfangen worden wäre. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise das Verhalten des Ultraschallsensors 4 und/oder des Steuergeräts 3 und/oder anderer Komponenten des Fahrerassistenzsystems 2 prüfen und ggf. optimieren, ohne dass reale Testfahren erforderlich sind.
Durch Modellierung der Flächensegmente 14 der Gitternetzdarstellung 11 des virtuellen Objekts 9 mittels einer Vielzahl von Rotationsellipsoiden 15 und durch das Berechnen der von einem Eintreffwinkel der Signalanteile des Ultraschallsendesignals 8a auf die Rotationsellipsoide 15 abhängigen Reflexionsdämpfungen beim Berechnen des Ultraschall-Empfangssignals 8b sowie die Berücksichtigung der Richtcharakteristiken des sendenden und des empfangenden virtuellen Ultraschallsensors 4a, 4b kann hierbei das physikalische Ultraschallsignal 8, mit dem der Ultraschallsensor 4 stimuliert wird, besonders realitätsgetreu erzeugt werden. Da zum Berechnen der einzelnen Strahlen 21 des virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8a und des virtuellen Ultraschall-Empfangssignals 8b Raytracing verwendet wird und die von der Oberflächenkrümmung abhängige Reflexionsdämpfung für den jeweiligen Strahl 20 mit einer analytischen Formel bestimmt wird, ohne eine partielle Differenzialgleichung numerisch lösen zu müssen, kann das Verfahren zudem während einer realen oder simulierten Fahrt eines Kraftfahrzeugs vorteilhafterweise in Echtzeit oder während einer simulierten Fahrt eines Kraftfahrzeugs auch schneller als in Echtzeit ausgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung werden die vorstehend für das erste Ausführungsbeispiel geschilderten Berechnungen mit einer kommerziell verfügbaren Software für Radarsimulationen wie beispielsweise Ansys HFSS SBR+ berechnet. Literatur [10] behandelt die Frage, inwiefern solche für elektromagnetische Wellen erlangte Simulationsergebnisse auf Ultraschallsignale angewandt werden können, und bejaht diese Frage, sofern die für elektromagnetische Wellen erhaltenen Ergebnisse korrekt skaliert werden. Literatur [10] schlägt dazu einen Kalibrierungsschritt vor, bei dem in einem Abstand dzu einem Sensor ein empfangender Kalibrierungs-Schalldruck p_cal in Bezug zu einer per Konvention definierten Bezugsgröße p₀ sowie eine elektrische Kalibrierungs-Empfangsleistung P_cal in Bezug zu einer elektrischen Sendeleistung P_tr bestimmt werden. Der Abstand d liegt außerhalb eines Nahbereichs des sendenden Sensors und beträgt beispielsweise 30 cm. Der Abstand d kann der vorstehend diskutierte Abstand r₁ sein. Sodann wird die Simulation der Ausbreitung eines elektrischen Sendesignals, dessen Reflexion an einem virtuellen Objekt 9 und die Ausbreitung eines elektrischen Empfangssignals, welches das an dem virtuellen Objekt 9 reflektierte Sendesignal ist, in der elektromagnetischen Domäne simuliert. Hierbei wird insbesondere, wie im ersten Ausführungsbeispiel, die von der Oberflächenkrümmung abhängige Reflexionsdämpfung mittels Formel (5) bestimmt. Schließlich wird die durch diese Simulation ermittelte („gemessene“) elektrische Empfangsleistung P_rec,M mit einem Faktor skaliert, welcher die elektrische Kalibrierungs-Empfangsleistung P_cal mit dem Kalibrierungs-Schalldruck P_cal in Beziehung setzt. Somit ergibt sich (vgl. Formel (3) in Literatur [10]): $L_{rec} = 10 {log}_{10} \frac{P_{rec}}{P_{tr}} - 10 {log}_{10} \frac{P_{cal}}{P_{tr}} + 20 {log}_{10} \frac{p_{cal}}{p_{0}}$
mit $L_{rec} = 20 {log}_{10} \frac{p_{rec}}{p_{0}}$
Hierbei ist die simulierte elektrische Empfangsleistung P_rec das Quadrat der elektrischen Feldstärke (Amplitude des elektrischen Feldes) E_rec, wie sie durch Simulation der Ausbreitung einer elektrischen Welle, deren Reflexion an einem jeweiligen Rotationsellipsoid 15 und der Ausbreitung der reflektierten elektrischen Welle zurück zu dem virtuellen empfangenden Sensor 4b bestimmt wurde. Für die Bestimmung der elektrischen Feldstärke E_rec kann die verwendete Software beispielsweise die Formeln (2), (4), (5), (6) anwenden mit der Maßgabe, dass die Schalldrücke p entsprechend durch elektrische Feldstärken E ersetzt sind.
Die elektrische Sendeleistung P_tr kann beliebig vorgegeben werden. P_rec ergibt sich aus der Simulation, wie vorstehend erläutert. P_cal kann durch eine Simulation der Ausbreitung elektrischer Wellen in einem Kalibrierungsszenario bestimmt werden. Der raumwinkelabhängige Systemparameter p_cal kann unter Verwendung einer Inversion von Formel (3) der Richtcharakteristik 17 des zu modellierenden Ultraschallsensors 4 entnommen werden.
Mit der in Gleichung (7) gegebenen Kalibrierung können somit die für einen jeweiligen i-ten elektromagnetischen Strahl simulierten Empfangsleistungen P_rec,_i in jeweilige Empfangsschalldrücke L_rec,i skaliert werden, die anschließend auf die gleiche Weise wie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben aufsummiert bzw. überlagert werden.
Gemäß der beschriebenen Abwandlung kann vorteilhafterweise vorhandene Software zur Simulation elektromagnetischer Wellenausbreitung verwendet werden und das Ergebnis dieser Simulation durch eine einfache Rekalibrierung auf die Ausbreitung von Ultraschallsignalen übertragen werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Recheneinrichtung 106 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Es wird auf die 2, 5 und 9 Bezug genommen. Die Recheneinrichtung 106 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Recheneinrichtung 6 (1) des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass die Recheneinrichtung 106 einen Prädiktor 22 umfasst. Das heißt, im zweiten Ausführungsbeispiel wird die jeweilige Reflexionsdämpfung S_ref nicht mittels einer geschlossenen analytischen Formel berechnet. Vielmehr ist der Prädiktor 22 dazu eingerichtet, abhängig von einer Anzahl von Parametern einer gewölbten Fläche 16 mit veränderlicher Oberflächenkrümmung sowie eines Einfallswinkels des Ultraschall-Sendesignals 8a und/oder eines Ausfallswinkels des Ultraschall-Empfangssignals 8b und/oder einer Einfallsposition des Ultraschall-Sendesignals 8a (2) eine Schätzung für eine Reflexionsdämpfung zu bestimmen, die das virtuelle Ultraschall-Sendesignal 8a bei der Reflexion an der gewölbten Fläche 16) erfährt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst der Prädiktor 22 ein neuronales Netzwerk 23. Das neuronale Netzwerk 23 umfasst eine Vielzahl von künstlichen Neuronen 24, die als eine Eingangsschicht 25, mindestens eine, im vorliegenden Beispiel mehrere, Zwischenschichten 26 und eine Ausgangsschicht 27 angeordnet und miteinander vernetzt sind.
Ein jeweiliges Neuron 24 weist mindestens einen einstellbaren Parameter auf, der eine Wahrscheinlichkeit angibt, mit der ein jeweiliger Ausgang des Neurons 24 ein Signal ausgibt, wenn ein Eingang des Neurons 24 ein Signal empfängt.
Das neuronale Netzwerk 23 wird vorab, das heißt, bevor die Simulation durchgeführt wird, im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung anhand einer Vielzahl von Trainingsdatensätzen trainiert. Ein jeweiliger Trainingsdatensatz umfasst hierbei einen Trainings-Eingangsdatensatz und einen Trainings-Ausgangsdatensatz. Der jeweilige Trainings-Eingangsdatensatz umfasst Parameter einer gewölbten Fläche 16. Im Falle des Rotationsellipsoids 15 umfasst der Trainings-Eingangsdatensatz beispielsweise die vorstehend für das erste Ausführungsbeispiel diskutierten Krümmungsparameter (Halbachsen) a, b sowie die Raumwinkelparameter, ϑ, φ, die die Ausrichtung des Rotationsellipsoids 15 relativ zu einer Achse eines Laborkoordinatensystems angeben, in dem sich das virtuelle Ultraschall-Sendesignal 8a ausbildet. Der jeweilige Trainings-Eingangsdatensatz umfasst weiterhin Parameter eines virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8a, wie beispielsweise eine Wellenzahl des virtuellen Ultraschall-Sendesignals 8a. Der zugehörige Trainings-Ausgangsdatensatz umfasst eine Reflexionsdämpfung S_ref, die das durch die Parameter beschriebene virtuelle Ultraschall-Sendesignal 8a bei einer Reflexion an der durch die Parameter beschriebenen gewölbten Fläche 16 (Oberfläche des Rotationsellipsoids 15) erfährt.
Die jeweiligen Trainingsdatensätze können vorab beispielsweise mittels einer Finite-Elemente-Methode (FEM) präzise bestimmt werden. Das heißt, mittels FEM kann eine Differenzialgleichung, die die Reflexion an der gewölbten Fläche 16 beschreibt, numerisch mit hoher Präzision gelöst werden, und die Reflexionsdämpfung S_ref kann numerisch mit hoher Präzision bestimmt werden. Der hohe Rechenaufwand für eine Finite-Elemente-Methode stellt hierbei kein Problem dar, da das Training vorab durchgeführt wird, wo keine Echtzeitanforderungen bestehen.
Die virtuellen Ultraschall-Sendesignale 8a und die gewölbten Flächen 16, für die Trainingsdatensätze erstellt werden, werden dabei geeignet gewählt, um typische zu erwartende Parameterbereiche möglichst gleichmäßig und hinreichend dicht abzudecken.
Der Vorgang des Trainings kann umfassen, dass für einen jeweiligen Trainingsdatensatz die Parameter der künstlichen Neuronen 24 in den Schichten 25-27 des neuronalen Netzwerks 23 angepasst werden, bis ein Ausgabewert des neuronalen Netzwerks 23, dem der Trainings-Eingabedatensatz bereitgestellt wird, dem Trainings-Ausgabedatensatz bestmöglich entspricht.
Die Verwendung des Prädiktors 22 erlaubt es, gewölbte Flächen zu verwenden, für welche, anders als für die Rotationsellipsoide 15 (5), keine einfache analytische Formel für die Reflexionsdämpfung S_ref angegeben werden kann. Insbesondere kann zum Beispiel die Gitternetzdarstellung 11 (4) durch Ellipsoide mit drei verschiedenen Halbachsen modelliert werden, wie dies in Literatur [8] beschrieben wird. Hierdurch kann die Simulation noch realitätsgetreuer erfolgen. Dennoch kann das vorgeschlagene Verfahren in Echtzeit oder schneller als in Echtzeit ausgeführt werden, da die Anwendung des Prädiktors 22 nur einen geringen Rechenaufwand erfordert.
Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, ist jedoch vielfältig modifizierbar.
Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Fahrerassistenzsystem ein Steuergerät 3 und einen Ultraschallsensor 4, und das Signalgeneratormittel 7 der Simulationsvorrichtung 1 erzeugt ein physikalisches Ultraschallsignal 8, mit welchem der Ultraschallsensor 4 stimuliert wird. Hierbei sind das Fahrerassistenzsystem 2, das Steuergerät 3 sowie der Ultraschallsensor 4 jeweils Beispiele für eine zu prüfende Vorrichtung. Denkbar ist jedoch auch, dass das Steuergerät 3 geprüft werden soll, ohne den Ultraschallsensor 4 zu prüfen, oder dass das Steuergerät 3 lediglich im Zusammenspiel mit einem Modell des Ultraschallsensors 4 geprüft werden soll. In diesem Fall kann das Signalgeneratormittel 7 weiterhin ein Modell des Ultraschallsensors 4 umfassen und anhand des berechneten Ultraschall-Empfangssignals 8b (des berechneten Gesamtschalldruckpegels L_rec,tot) ein physikalisches, elektrisches Signal (weiteres Beispiel für ein physikalisches Prüfsignal) erzeugen, das einem elektrischen Signal nachgebildet ist, welches der (in der Abwandlung nicht physikalisch nicht vorhandene) Ultraschallsensor 4 liefern würde, wenn er ein dem berechneten virtuellen Ultraschall-Empfangssignal 8b entsprechendes physikalisches Ultraschall-Empfangssignal empfangen würde. Das solchermaßen erzeugte physikalische elektrische Signal kann sodann als Eingangssignal 8 dem Steuergerät 3 (Beispiel für eine zu prüfende Vorrichtung) des Fahrerassistenzsystems 2 bereitgestellt werden. Demgemäß kann die Funktionalität des Steuergeräts 3 in Bezug auf das Auswerten von Ultraschallechos aus einer Fahrzeugumgebung bei simulierte Testfahrten in einer simulierten Umgebung geprüft werden, ohne dass der Ultraschallsensor 4 physikalisch zu existieren braucht.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das neuronale Netzwerk 23 ein tiefes neuronales Netzwerk, das mittels überwachten Trainings trainiert wurde. Es können jedoch auch andere Arten von neuronalen Netzwerken und andere Trainingstechniken, wie etwa nicht überwachtes Lernen, gradientenbasiertes Lernen und dergleichen verwendet werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel umfasst der Prädiktor 22 ein trainiertes neuronales Netzwerk 23. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht erforderlich. Der Prädiktor 22 kann auch ein ordnungsreduziertes Modell umfassen und/oder darauf basieren. Das heißt, der Prädiktor 22 kann die Schätzung der Reflexionsdämpfung basierend auf einer analytischen Formel bestimmen, bei der es sich um eine Lösung für ein modellordnungsreduziertes System von Differenzialgleichungen handelt, und/oder der Prädiktor 22 kann während des vorgeschlagenen Verfahrens in Echtzeit das modellordnungsreduzierte System von Differenzialgleichungen für das jeweilige virtuelle Ultraschall-Sendesignal 8a und die jeweilige gewölbte Fläche 16 in Echtzeit numerisch lösen.
WEITERFÜHRENDE LITERATUR

[1] http://www.sengpielaudio.com/Rechner-entfernung.htm, aufgerufen: 9.4.2021,14:52 Uhr
[2] http://www.sengpielaudio.com/Rechner-luft.htm, aufgerufen: 9.4.2021, 14:52 Uhr
[3] https://www.iso.org/standard/17426.html, aufgerufen: 9.4.2021, 14:52 Uhr
[4] Massa, „Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement“, reprinted from Sensors, Feb/March 1999, www.sensorsmag.com. Copyright © 1999 by Helmers Publishing, Inc., 174 Concord 51., Peterborough, NH 03458
[5] W. Probst und B. Huber, „Schallreflexion an kreiszylindrischen Flächen“, in Lärmbekämpfung Bd. 5 (2010) Nr. 3 - Mai
[6] DE 10 2011 015094 B4 , „Verfahren zum simulativen Ermitteln von Messeigenschaften eines Sensors eines Kraftfahrzeugs und Rechensystem“
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Spheroid, aufgerufen: 30.9.2021, 10:14 Uhr
[8] Stephan Bischoff und Leif Kobbelt, „Ellipsoid decomposition of 3D-models", in 3DPVT proceedings, 480-488, 2002
[9] James A. Lock, „Ray Scattering by an Arbitrarily Oriented Spheroid: I. Diffraction and Specular Reflection", in Applied Optics 35 (1996): 500-514
[10] Alexander Suhre, Amazir Moknache et al.: „Automotive Ultrasonic System Simulation Using a Shooting and Bouncing Rays Solver: A Proof of Concept“
[11] DE 10 2014 118 625 A1 „Sensoranordnung für einen Prüfstand eines Fahrerassistenzsystems eines Kraftfahrzeugs, Prüfstand sowie dazugehöriges Verfahren“
[12] Maurer, „Strahlenoptisches Kanalmodell für die Fahrzeug-Fahrzeug-Funkkommunikation“, Forschungsberichte aus dem IHE der Universität Karlsruhe (TH), Band 43
[13] Rienstra, „An Introduction to Acoustics“, 13. Nov. 2020, S.W. Rienstra & A. Hirschberg 2004.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Simulationsvorrichtung
2: Fahrerassistenzsystem, zu prüfende Vorrichtung
3: Steuergerät, zu prüfende Vorrichtung
4: physikalischer Ultraschallsensor, zu prüfende Vorrichtung
4a: virtueller sendender Ultraschallsensor
4b: virtueller empfangender Ultraschallsensor
5: Signalleitung
6: Recheneinrichtung
7: Signalgeneratormittel, Ultraschallsensor
8: physikalisches Ultraschall-Empfangssignal, physikalisches Prüfsignal
8a: virtuelles Ultraschall-Sendesignal
8b: virtuelles Ultraschall-Empfangssignal
9: virtuelles Objekt
10: virtuelle Umgebung eines Kraftfahrzeugs
11: Gitternetzdarstellung
12: Flächensegmente
12a: Dreieck, Flächensegment
12b: Dreieck, Flächensegment
12c: viereckiges unebenes Flächensegment
13: gemeinsame Kante
14: Eckpunkte
14a-d: Eckpunkte
15: Rotationsellipsoid
16: gewölbte Fläche
17: Richtcharakteristik
18: Schalldruck in Abhängigkeit des Azimutwinkels
19: Schalldruck in Abhängigkeit des Elevationswinkels
20: Strahlenröhre, Signalanteil, Strahl
21: radiale Achse
22: Prädiktor
23: neuronales Netzwerk
24: Neuronen
25: Eingangsschicht
26: Zwischenschicht
27: Ausgangsschicht
100: Prüfanordnung
106: Recheneinrichtung
a: Halbachse
b: Halbachse
r1, r2: Abstände entlang der radialen Achse 21
A: Äquiphasenflächen
L: Schalldruckpegel
N: Normalenrichtung
S1-S5: Verfahrensschritte
S21-S23: Verfahrensschritte
ϕ: Azimutwinkel
Θ: Elevationswinkel

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 102014118625 A1 [0004, 0145]
DE 102011015094 A1 [0006]
DE 102011015094 B4 [0145]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Stephan Bischoff und Leif Kobbelt, „Ellipsoid decomposition of 3D-models“, in 3DPVT proceedings, 480-488, 2002 [0145]
James A. Lock, „Ray Scattering by an Arbitrarily Oriented Spheroid: I. Diffraction and Specular Reflection“, in Applied Optics 35 (1996): 500-514 [0145]

Claims

Verfahren zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend: a) Erfassen (S1), mittels einer Recheneinrichtung (6), einer eine Vielzahl von Flächensegmenten (12) umfassenden Darstellung (11) einer Geometrie eines virtuellen Objekts (9) in einer virtuellen Umgebung (10) des Kraftfahrzeugs; b) Modellieren (S2), mittels der Recheneinrichtung (6), jeweils eines oder mehrerer der Flächensegmente (12) durch eine dreidimensionale, gewölbte Fläche (16) mit veränderlicher Oberflächenkrümmung; c) Berechnen (S3), mittels der Recheneinrichtung (6), eines virtuellen Sendesignals (8a), das von einem virtuellen sendenden Ultraschallsensor (4a) des Kraftfahrzeugs ausgesendet wird, in Abhängigkeit von einer Anzahl von Sensorparametern des virtuellen sendenden Ultraschallsensors (4a); d) Berechnen (S4), mittels der Recheneinrichtung (6), eines virtuellen Empfangssignals (8b), welches als Reflexion des virtuellen Sendesignals (8a) an dem virtuellen Objekt (9) durch einen virtuellen empfangenden Ultraschallsensor (4b) des Kraftfahrzeugs empfangen wird, in Abhängigkeit der Geometrie des virtuellen Objektes (9) und einer Anzahl von Sensorparametern des virtuellen empfangenden Ultraschallsensors (4b), wobei das virtuelle Empfangssignal als Summe von an den jeweiligen gewölbten Flächen (16) reflektierten Signalanteilen berechnet wird; und e) Erzeugen und Ausgeben (S5), mittels eines Signalgeneratormittels (7), des physikalischen Prüfsignals (8) basierend auf dem berechneten virtuellen Empfangssignal (8b).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Schritte c) und d) während einer simulierten oder realen Fahrt des Kraftfahrzeugs in Echtzeit oder schneller als in Echtzeit ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten c) und d) eine Ausbreitung des virtuellen Sendesignals (8a) von dem virtuellen sendenden Ultraschallsensor (4a) zu dem virtuellen Objekt (9) und eine Ausbreitung des reflektierten virtuellen Sendesignals (8b) von dem virtuellen Objekt (9) zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor (4b) mittels Strahlverfolgung simuliert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur diejenigen Strahlen (20) verfolgt werden, die an einer der gewölbten Flächen (16) zurück zu dem virtuellen empfangenden Ultraschallsensor (4b) reflektiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) eine Amplitude des jeweiligen reflektierten Signalanteils unter Berücksichtigung einer Reflexionsdämpfung bestimmt wird, die von einer Krümmung der jeweiligen gewölbten Fläche (16) am Ort der Reflexion des virtuellen Sendesignals (8a) an der gewölbten Fläche (16) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige gewölbte Fläche (16) ein Abschnitt einer Oberfläche eines Rotationsellipsoids (15) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) für jeweils vier Eckpunkte (14) eines oder mehrerer der Flächensegmente (12) die folgenden Schritte ausgeführt werden: - Definieren (S21) einer Kugel, deren Mittelpunkt entlang einer Flächennormalenrichtung (N) von einem ersten (14a) der vier Eckpunkte beabstandet ist und deren Radius derart gewählt ist, dass die Kugel den ersten (14a) und einen zweiten (14b) der vier Eckpunkte (14) berührt; - Definieren (S22) eines Rotationsellipsoids (15), dessen Mittelpunkt der Mittelpunkt der definierten Kugel ist und dessen Halbachsen (a, b) derart gewählt sind, dass das Rotationsellipsoid (15) den ersten (14a), den zweiten (14b) und einen dritten (14c) der vier Eckpunkte (14) berührt; und - Skalieren (S23) des definierten Rotationsellipsoids (15) derart, dass ein mittlerer quadratischer Abstand des Rotationsellipsoids zu den vier Eckpunkten (14a-14d) minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Reflexionsdämpfung mittels einer analytischen Formel bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Reflexionsdämpfung mittels eines Prädiktors (22) bestimmt wird, welcher dazu eingerichtet ist, abhängig von Parametern einer gewölbten Fläche (16) und Parametern eines Sendesignals (8a), das auf die gewölbte Fläche (16) eintrifft, eine Schätzung für eine Reflexionsdämpfung zu bestimmen, die das Sendesignal bei der Reflexion an der gewölbten Fläche (16) erfährt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktor (22) vorab im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung erstellt wird, wobei für unterschiedliche gewölbte Flächen (16) und unterschiedliche Parameter des Sendesignals (8a) eine jeweilige Reflexionsdämpfung mittels Finiter-Elemente-Methoden ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktor (22) ein trainiertes neuronales Netzwerk (23) oder ein ordnungsreduziertes Modell umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch: f) Prüfen einer zu prüfenden Vorrichtung (3, 4) des Fahrerassistenzsystems (2), wobei das erzeugte physikalische Prüfsignal (8) an die zu prüfende Vorrichtung (3, 4) bereitgestellt wird.
Simulationsvorrichtung (1) zum Generieren eines physikalischen Prüfsignals (8) für ein Fahrerassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Recheneinrichtung (6) und ein Signalgeneratormittel (7), die dazu eingerichtet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei ihrer Ausführung durch eine Simulationsvorrichtung (1), die eine Recheneinrichtung (6) und ein Signalgeneratormittel (7) umfasst, die Recheneinrichtung (6) dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11 auszuführen.
Prüfanordnung (100), umfassend eine zu prüfende Vorrichtung (3,4) eines Fahrerassistenzsystems (2) für ein Kraftfahrzeug und die Simulationsvorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die zu prüfende Vorrichtung (3, 4) derart an die Simulationsvorrichtung (1) angeschlossen ist, dass das von dem Signalgeneratormittel (7) der Simulationsvorrichtung (1) erzeugte und ausgegebene physikalische Prüfsignal (8) an die zu prüfende Vorrichtung (3, 4) bereitgestellt wird.