WO2020048807A1 - Sensorvorrichtung zum detektieren akustischer signale in der umgebung eines fahrzeugs - Google Patents

Sensorvorrichtung zum detektieren akustischer signale in der umgebung eines fahrzeugs Download PDF

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WO2020048807A1
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acoustic
sensor
cavity
sensor device
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PCT/EP2019/072691
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Michael Schumann
Kathrin Klee
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones

Definitions

  • Corresponding sensor systems which currently still serve as assistance systems to support the driver, form the basis for future autonomous vehicles.
  • Different measuring methods are used to detect the vehicle environment, such as video cameras, lidar, radar or ultrasonic sensors.
  • acoustic signals in the audible range in the vehicle environment are not recorded as standard.
  • valuable additional information is lost, which could contribute significantly to road safety.
  • the driver can record corresponding additional acoustic information with his hearing.
  • the surrounding noise can be loud
  • Noises inside the vehicle such as B. radio or child shouting, drowned out.
  • the driver can also be distracted by corresponding interior noise or otherwise.
  • the ambient noise recorded by the driver is not included in the assessment of the vehicle environment by the vehicle's control system. In this case, the information contained in the audible area is disregarded.
  • the human vehicle driver can usually also determine the direction of the acoustic signal with his two ears. However, that falls
  • a sensor device for detecting acoustic signals in the vicinity of a vehicle.
  • the sensor device comprises at least one acoustic sensor with a sound pickup for detecting acoustic signals from an acoustic signal source in the vicinity of the vehicle, the sound pickup being arranged in a cavity of the vehicle which is delimited at least on one side by an outer wall of the vehicle.
  • the sensor device further comprises a control device for evaluating the detected acoustic signals.
  • the control device is designed to use the acoustic signals to identify the at least one acoustic signal source and to determine its direction and / or its position relative to the vehicle.
  • the detection of acoustic signals in the vehicle environment provides valuable additional information. In this case, acoustic signals can be used even for acoustic signals Identify signal sources or determine their relative position to your own vehicle, which is outside the field of vision or range
  • the cavity is designed as a resonator for amplifying at least one predetermined frequency.
  • This special design of the cavity makes it possible to achieve a particularly high sensitivity of the acoustic sensor for acoustic signals from certain acoustic signal sources.
  • the sensor device is optimized for the detection of frequencies which are typical for acoustic signals of at least one specific acoustic signal source.
  • the acoustic signal sources include, for example, special signals from emergency or emergency vehicles, tunnel entrances, child noise cries,
  • This special arrangement enables a particularly good coupling of the microphone to the acoustic one Environment of the vehicle with good decoupling from the interior of the vehicle.
  • the at least one acoustic sensor comprises a functional layer in the form of a 1/4 layer for adapting the acoustic impedance, which is arranged on an inside of the outer wall of the vehicle delimiting the cavity.
  • Structure-borne sound transducer is designed. Such an arrangement enables a particularly good coupling to the acoustic environment of the vehicle with good decoupling from the vehicle interior.
  • the sensor device comprises an arrangement of a plurality of acoustic sensors which are spaced apart on one or more sides of the vehicle. The use of several sensors enables an increase in sensitivity. Furthermore, the special arrangement of the sensors on several sides of the vehicle can improve the direction detection of the signal source.
  • the acoustic sensors are arranged in pairs on opposite sides of the vehicle. This special arrangement of the acoustic sensors significantly improves the direction determination of the acoustic signal sources.
  • the at least one acoustic sensor is arranged in a door or in a roof structure of the vehicle.
  • the arrangement of the acoustic sensor within a vehicle door enables the use of the cavities already present inside the door.
  • the arrangement of the acoustic sensors in a roof structure enables an increase in sensitivity, because of the relatively high installation position a possible shading of the acoustic signals is reduced.
  • the already existing roof structures can be used as the installation location.
  • sensor signals which are output by at least one acoustic sensor arranged on the inside of a vehicle outer wall as a result of received acoustic signals, in order to identify an acoustic signal source emitting the acoustic signals and to determine their direction and / or position relative to the vehicle.
  • FIG. 1 shows a driving situation in which a vehicle equipped with an acoustic sensor device detects a vehicle traveling behind it;
  • FIG. 2 shows a block circuit diagram of the sensor device of the vehicle from FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of the roof structure from FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a simplified embodiment of the roof structure with two acoustic sensors
  • FIG. 7 shows an embodiment of the acoustic sensor 110 with a microphone as a sound pickup
  • Fig. 8 shows an alternative design of the acoustic sensor with a
  • Fig. 10 shows schematically the frequency response of three different
  • Figure 1 1 schematically shows the roof structure from Figure 5, in which the acoustic sensors are equipped with microphones.
  • FIG. 12 schematically shows the roof structure from FIG. 5, in which the acoustic sensors are equipped with structure-borne noise sensors;
  • Cavities that are already present in the vehicle body for example cavities in vehicle doors or in, are basically suitable for this
  • structure-borne noise sensors such as acceleration sensors, can be used for converting the sound signals into the corresponding electrical sensor signal.
  • These will be on the inside of the vehicle's outer wall, such as the inside of the door or the roof structure.
  • the vehicle outer wall thus becomes part of the converter element, the geometry and material also determining the transmission behavior.
  • FIG. 1 shows the basic concept of identifying and locating external sound sources by means of one installed in a vehicle 200
  • 202, 203, 204 of the vehicle 200 arranged acoustic sensors 110, 120, 130, 140. Two of the sensors, 130, 140 are in two
  • a further acoustic sensor 110 in the front area of the vehicle 200 and a fourth acoustic sensor in the rear area of the vehicle 200 receive an acoustic signal 311 from a further vehicle 300 traveling behind the vehicle 200.
  • the further vehicle 300 is, for example, a vehicle Emergency or emergency vehicle, which is equipped with a corresponding special signal system 310 for outputting an acoustic special signal 31 1.
  • the acoustic signal 311 received by the sensor arrangement 101 of the vehicle 200 is evaluated in a specially designed control device 150 of the vehicle 200, wherein the control device 150 can both identify the signal source 310 or 300 and also determine its relative position to the vehicle 200.
  • FIG. 2 shows schematically a block circuit diagram of the
  • Control device 150 further, which is connected to the acoustic sensors 110 to 140 by means of corresponding signal lines.
  • the control control device 150 is a separate control unit, which forwards the additional information obtained from the evaluation of the acoustic signals 311 via corresponding data lines, for example to a central control unit 270 of the vehicle.
  • the central control unit 270 can carry out corresponding control operations of the vehicle 200 on the basis of the additional information received.
  • the transmission of the signals to the control unit can be transmitted either analog or digitally sampled analog signals). In this respect, an integration of the control device 150 into the roof structure 250 is particularly advantageous.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the vehicle from FIG. 1. It can be seen that a first acoustic sensor 110 is arranged in the front area 201 of the vehicle, for example in the bonnet. Furthermore, a second acoustic sensor 120 is arranged in the rear area 202 of the vehicle 200, for example in the trunk lid. A third acoustic sensor 130 is arranged inside a vehicle door 260 on the right side 203 of the vehicle. The fourth acoustic sensor 140, which is not visible here, is
  • FIG. 4 shows an alternative accommodation of the sensor arrangement 101 in a roof structure 250 of the vehicle 200.
  • the roof structure 250 is
  • the sensor arrangement 101 comprises four acoustic sensors 110, 120, 130, 140, which are arranged in a cavity located inside the roof structure 250, in each case behind the outer wall 201 of the roof structure 250.
  • the cavity can be divided into partial areas front / rear / left side and right side, which are separated from one another by partitions.
  • the installation of the sensors in a central area of the respective vehicle outer wall proves to be particularly favorable in terms of design.
  • the acoustic sensors are preferably arranged in pairs on opposite sides 201, 202, 203, 204 of the roof structure 250. Depending on the application, the number and arrangement of the acoustic sensors of the sensor arrangement 101 can fundamentally be different.
  • Figure 6 shows a simplified compared to the variant of Figure 5
  • the first acoustic sensor 110 is arranged on the front 201 of the box-shaped roof structure 250, while the second acoustic sensor 120 is arranged on the rear 202 of the roof structure 250.
  • FIG. 7 shows a first embodiment of the acoustic sensor 110, which uses a microphone 11 1 as a sound pickup.
  • the microphone 11 1 is arranged in a cavity 112 which is delimited on one side by a vehicle outer wall 210.
  • the cavity 1 12 serving to amplify certain frequencies is cylindrical in the present exemplary embodiment, the microphone 11 on the front side 113 of the vehicle wall 210 opposite cylindrical cavity 1 12 is arranged.
  • the cavity 112 serving as an acoustic resonator furthermore has a functional layer 114 for adapting the acoustic impedance, which is on the inside 211 of the
  • Vehicle outer wall 210 is arranged.
  • the functional layer 114 is preferably designed as a 1/4 layer, which is formed from a suitable material and in a suitable layer thickness. When using microphones as sound recorders, the microphone is inside the
  • Vehicle outer wall 210 mounted.
  • Cavity 112 which is cylindrical in the present embodiment.
  • the cavity 1 12 of the acoustic sensor 1 10 from FIGS. 7 and 8 is preferably designed to amplify certain frequencies.
  • the acoustic properties of such an acoustic cavity resonator are determined primarily by its geometry and in particular by its length. Other properties, such as
  • a cavity resonator is characterized in that a standing wave and thus a further reinforcing effect is generated in the space between the outer wall and the inner wall by constructive interference.
  • FIG. 9 schematically shows a frequency response of a cavity resonator 112, 122, 132, 142 tuned to a specific frequency f1. Due to a constructive interference, the cavity resonator 1 12, 122, 132, 142 shows a particularly high in the region of its resonance frequency f1
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the frequency response of a cavity senator 1 12, 122, 132, 142 tuned to a total of three resonance frequencies f 1, f2, f3.
  • the partial superimposition of the frequency responses of the respective resonance frequencies fl, f2, f3 results in a relatively high level
  • the resonance behavior of the cavity 1 12, 122, 132, 142 of an acoustic sensor 1 10, 1209, 130, 140 and possibly also the vehicle outer wall 210 delimiting the cavity from the vehicle surroundings can be tuned to frequencies which are typical of certain driving situations or acoustic Signals. These include, for example, the special acoustic signals from emergency and emergency vehicles. For the German Tatutata “, an optimization for the two frequencies 400 and 700 Hz would therefore make sense. These frequencies are calculated from the DIN standard and include, among other things, a frequency increase due to the Doppler effect in the event of an assumed movement towards each other. For the two frequencies 400 and 700 Hz, the formula shown above results in the optimal lengths L (in meters) of the cavity resonator given in the following table:
  • the upper modes or upper frequencies of a signal can also be used to design the resonance behavior of the resonator. Since the upper modes or upper frequencies are typically in higher frequency ranges, their detection is less disturbed by typical driving noises. This results depending on
  • the outer skin becomes part of the transducer. Geometry and material thus determine the transmission behavior.
  • Typical interesting frequency ranges for speech detection are in the range of 200 Hz to 1 kHz and for the detection of emergency signals in the range of emission frequencies (Germany: 400 Hz and 700 Hz, USA: 300 Hz - 1, 9 kHz, etc.) or corresponding upper modes or Upper frequencies of the signal to be detected.
  • the exterior wall of the vehicle can be designed in such a way that several modes (and thus natural resonances) are excited.
  • the vehicle outer walls can be designed by a suitable manufacturing process, such as CFRP fibers, so that inhomogeneous disputes result. In this way, several modes can be selectively incorporated into the component in question.
  • Another advantage of using structure-borne noise sensors is that parking bumps (impacts) can be detected by the sensors.
  • FIG. 11 schematically shows the roof structure 250 from FIG. 5, in which the acoustic sensors 110, 120, 130, 140 corresponding to the embodiment from FIG. 7 are each equipped with a sound pickup 11 1, 121, 131, 141 in the form of a microphone.
  • FIG. 12 shows schematically the roof structure 250 from FIG. 5, in which the acoustic sensors 110, 120, 130, 140 in accordance with the embodiment from FIG. 8 each have a
  • Sound pickups 11 1, 121, 131, 141 are equipped in the form of a structure-borne sound pickup.

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Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren akustischer Signalquellen (310) in der Umgebung eines Fahrzeugs (200) beschrieben, umfassend: - wenigstens einen akustischen Sensor (110, 120, 130, 140) mit einem Schallaufnehmer (111, 121, 131, 141) zum Erfassen von akustischen Signalen einer akustischen Signalquelle (310) in der Umgebung des Fahrzeugs (200), wobei Schallaufnehmer (111, 121, 131, 141) in einem Hohlraum (112, 122, 132, 42) des Fahrzeugs (200) angeordnet ist, welcher wenigsten einseitig von einer Außenwand (210) des Fahrzeugs (200) begrenzt ist; und - eine Steuereinrichtung (150) zum Auswerten der erfassten akustischen Signale (311), wobei die Steuereinrichtung (150) ausgebildet ist, anhand der erfassten akustischen Signale (311) die wenigstens eine akustische Signalquelle (310) zu identifizieren und ihre Position relativ zum Fahrzeug (200) zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorvorrichtunq zum Detektieren akustischer Signale in der Umgebung eines
Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Detektieren akustischer Signale in der Umgebung eines Fahrzeugs sowie eine Steuereinrichtung für eine entsprechende Sensorvorrichtung.
Moderne Fahrzeuge verwenden verschiedene Umfeldsensoren zur
Überwachung der Fahrzeugumgebung und zur Detektion möglicher Gefahren. Entsprechende Sensorsysteme, welche derzeit noch als Assistenzsysteme zur Unterstützung des Fahrers dienen, bilden die Grundlage für zukünftige autonom fahrende Fahrzeuge. Zur Detektion der Fahrzeugumgebung kommen dabei unterschiedliche Messverfahren zum Einsatz, wie zum Beispiel Videokameras, Lidar, Radar oder Ultraschallsensoren. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden akustische Signale im hörbaren Bereich im Fahrzeug Umwelt standardmäßig nicht erfasst. Hierdurch gehen wertvolle Zusatzinformationen verloren, welche maßgeblich zur Sicherheit im Straßenverkehr beitragen könnten. Bei derzeitigen Fahrzeugen, welche noch von einem Fahrer gesteuert werden, kann dieser entsprechende akustische Zusatzinformationen mit seinem Hörsinn erfassen. Allerdings können die Umfeld-Geräusche durch laute
Geräusche im Fahrzeuginneren, wie z. B. Radio oder Kindergeschrei, übertönt werden. Der Fahrer kann ferner auch durch entsprechende Innenraumgeräusche oder anderweitig abgelenkt sein. In automatisierten Fahrzeugen fließen die durch den Fahrer erfassten Umfeld-Geräusche jedoch nicht in die Beurteilung des Fahrzeugumfelds durch das Steuersystem des Fahrzeugs ein. In diesem Fall bleiben die im hörbaren Bereich enthaltenen Informationen unberücksichtigt. Neben der Erfassung akustische Signale im Straßenverkehr kann der menschliche Fahrzeugführer mit seinen zwei Ohren in der Regel auch die Richtung des akustischen Signals bestimmen. Allerdings fällt dem
Fahrzeugführer die Richtungsbestimmung aufgrund der geschlossenen
Bauweise der Fahrzeugkabine in der Regel relativ schwer und erfolgt daher oft recht spät. Somit ist die Richtungserkennung von akustischen Signalen aus dem Fahrzeugumfeld der Regel nur eingeschränkt möglich.
Die Entwicklung Automotive-tauglicher Mikrofone für die Anwendung außen am Fahrzeug erweist sich als schwierig, da an der Fahrzeugaußenseite angebrachte Mikrofone Wind, Feuchtigkeit, Schmutz und weiteren Bedrohungseinflüssen ausgesetzt sind. Die Anordnung entsprechender Mikrofone innerhalb des Fahrgastraums hat hingegen den Nachteil, dass laute Innengeräusche, beispielsweise durch Radio oder Lüftung, als Störung vorhanden sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Detektion akustischer Signale in der Umgebung eines Fahrzeugs bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung noch Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Steuereinrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Sensorvorrichtung zum Detektieren akustischer Signale in der Umgebung eines Fahrzeugs vorgesehen. Die Sensorvorrichtung umfasst dabei wenigstens einen akustischen Sensor mit einem Schallaufnehmer zum Erfassen akustischer Signale einer akustischen Signalquelle in der Umgebung des Fahrzeugs, wobei der Schallaufnehmer in einem Hohlraum des Fahrzeugs angeordnet ist, welcher wenigstens einseitig von einer Außenwand des Fahrzeugs begrenzt ist. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung zum Auswerten der erfassten akustischen Signale. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, anhand der akustischen Signale, die wenigstens eine akustische Signalquelle zu identifizieren und ihre Richtung und/oder ihre Position relativ zum Fahrzeug zu bestimmen. Die Detektion akustischer Signale im Fahrzeugumfeld liefert wertvolle Zusatzinformationen. Dabei lassen sich durch akustische Signale selbst solche akustischen Signalquellen identifizieren bzw. ihre relative Position zum eigenen Fahrzeug bestimmen, welche sich außerhalb des Blickfelds bzw. Reichweite
herkömmlicher Fahrzeugsensoren befindet. Somit trägt die akustische
Sensorvorrichtung sowohl in Fahrzeugen mit Fahrer als auch in
vollautomatisierten Fahrzeugen wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit im Straßenverkehr bei.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hohlraum als Resonator zum Verstärken wenigstens einer vorgegebenen Frequenz ausgebildet ist. Durch diese spezielle Gestaltung des Hohlraums kann eine besonders hohe Sensitivität des akustischen Sensors für akustische Signale bestimmter akustischer Signalquellen erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die den Hohlraum begrenzende Außenwand des Fahrzeugs als Resonator für wenigstens eine vorgegebene Frequenz ausgebildet ist. Auch mithilfe dieser Maßnahme lässt sich die Sensitivität des akustischen Sensors für akustische Signale bestimmter akustischer Signalquellen deutlich erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung zum Detektieren von Frequenzen optimiert ist, welche typisch für akustische Signale wenigstens einer bestimmten akustischen Signalquelle sind. Als akustische Signalquellen sind dabei beispielsweise Sondersignale von Notfall-, oder Einsatzfahrzeugen, Tunneleinfahrten, Kinderlärmgeschrei,
Straßenkreuzungen oder Verkehrsunfällen vorgesehen. Die gezielte Optimierung der Sensorvorrichtung in Bezug auf Frequenzen bestimmter akustischer Signale ermöglicht eine bessere Detektion der jeweiligen akustischen Signalquellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hohlraum des wenigstens einen akustischen Sensors zylinderförmig ausgebildet ist und dass der Schallaufnehmer in Form eines Mikrofons ausgebildet ist, welches auf einer der Außenwand des Fahrzeugs entgegengesetzten Seitenwand des
zylinderförmigen Hohlraums angeordnet ist. Diese spezielle Anordnung ermöglicht eine besonders gute Ankopplung des Mikrofons an die akustische Umgebung des Fahrzeugs bei gleichzeitig guter Entkopplung vom Innenraum des Fahrzeugs.
In einer weiteren Ausgangsbasis ist vorgesehen, dass der wenigstens eine akustische Sensor eine Funktionsschicht zur Form einer l/4-Schicht zur Anpassung der akustischen Impedanz umfasst, welche auf einer Innenseite der den Hohlraum begrenzenden Außenwand des Fahrzeugs angeordnet ist.
Dadurch kann die Verstärkungswirkung des Hohlraumresonators in Bezug auf bestimmte Frequenzen erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schallaufnehmer des wenigstens einen akustischen Sensors in Form eines auf der Innenseite der den Hohlraum begrenzenden Außenwand des Fahrzeugs angeordneten
Körperschallaufnehmers ausgebildet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht eine besonders gute Ankopplung an das akustische Umfeld des Fahrzeugs bei gleichzeitig guter Entkopplung vom Fahrzeuginnenraum. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung eine Anordnung aus mehreren auf einer oder mehreren Seiten des Fahrzeugs voneinander beabstandet angeordneten akustischen Sensoren umfasst. Die Verwendung mehrerer Sensoren ermöglicht eine Erhöhung der Sensitivität. Ferner kann durch die spezielle Anordnung der Sensoren auf mehreren Seiten des Fahrzeugs die Richtungserkennung der Signalquelle verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die akustischen Sensoren jeweils paarweise auf sich jeweils gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs angeordnet sind. Durch diese spezielle Anordnung der akustischen Sensoren wird die Richtungsbestimmung der akustischen Signalquellen deutlich verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der wenigstens eine akustische Sensor in einer Tür oder in einem Dachaufbau des Fahrzeugs angeordnet ist. Dabei ermöglicht die Anordnung des akustischen Sensors innerhalb einer Fahrzeugtür die Nutzung der innerhalb der Tür bereits vorhandenen Hohlräume. Hingegen ermöglicht die Anordnung der akustischen Sensoren in einem Dachaufbau eine Erhöhung der Sensitivität, da durch die relativ hohe Einbauposition eine mögliche Abschattung der akustischen Signale reduziert wird. Ferner können insbesondere bei vollautomatisierten Fahrzeugen, die bereits vorhandenen Dachaufbauten als Einbauort genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinrichtung für eine
Sensorvorrichtung zum Detektieren akustischer Signale in der Umgebung eines Fahrzeugs vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet,
Sensorsignale auszuwerten, welche von wenigstens einem an einer Innenseite einer Fahrzeugaußenwand angeordneten akustischen Sensor infolge empfangener akustische Signale ausgegeben werden, um eine die akustischen Signale emittierende akustische Signalquelle zu identifizieren und ihre Richtung und/oder Position relativ zum Fahrzeug zu bestimmen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Fahrsituation, bei dem ein einer akustischen Sensorvorrichtung ausgestattetes Fahrzeug ein dahinterfahrendes Fahrzeug detektiert;
Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm der Sensorvorrichtung des Fahrzeugs aus Figur
1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs aus Figur 1 ;
Fig. 4 eine in einem Dachaufbau untergebrachte Sendeanordnung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Dachaufbaus aus Figur 4;
Fig. 6 eine vereinfachte Ausführungsform des Dachaufbaus mit zwei akustischen Sensoren;
Fig. 7 eine Ausführungsform des akustischen Sensors 110 mit einem Mikrofon als Schallaufnehmer; Fig. 8 eine alternative Gestaltung des akustischen Sensors mit einem
Schallaufnehmer in Form eines Körperschallaufnehmers;
Fig. 9 schematisch ein Frequenzgang eines auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten Hohlraumresonators;
Fig. 10 schematisch den Frequenzgang eines auf drei verschiedene
Resonanzfrequenzen abgestimmten Hohlraumsenators;
Fig. 1 1 schematisch den Dachaufbau aus Figur 5, bei dem die akustischen Sensoren mit Mikrofonen ausgestattet sind; und
Fig. 12 schematisch den Dachaufbau aus Figur 5, bei dem die akustischen Sensoren mit Körperschallaufnehmern ausgestattet sind;
Das erfinderische Konzept sieht die Verwendung von Zusatzinformationen durch Detektion akustischer Signale aus der Umgebung des Fahrzeugs vor. Dabei werden akustische Sensoren mit Schallaufnehmern verwendet, welche weder außen am Fahrzeug noch im Fahrzeuginnenraum angeordnet sind. Stattdessen werden Hohlräume im Fahrzeug genutzt, welche die Vorteile eines vor
Witterungseinflüssen geschützten Innenraums nutzen, ohne die Nachteile einer akustischen Störumgebung des Fahrgastraums in Kauf zu nehmen. Hierfür sind grundsätzlich Hohlräume geeignet, welche bereits in der Fahrzeugkarosserie vorhanden sind, beispielsweise Hohlräume in Fahrzeugtüren oder in
Dachaufbauten, die bei hochautomatisierten Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Ferner kann die Karosserie des Fahrzeugs auch für den Einsatz solcher akustischen Sensoren angepasst werden, wobei beispielsweise ein Dachaufbau in einem autonomen Fahrzeug dahingehend optimiert wird, dass er sieh besonders gut als verstärkender Hohlraum für die Schallaufnahme eignet. Die typischen Wellenlängen von Hörschall und damit die geometrischen Ausmaße des Hohlraums liegen in der Größenordnung von 1 m und weniger.
Grundsätzlich lassen sich für die Wandlung der Schallsignale in entsprechendes elektrisches Sensorsignal neben Mikrofonen auch Körperschallaufnehmer verwenden, wie zum Beispiel Beschleunigungssaufnehmer. Diese werden auf der Innenseite der Fahrzeugaußenwand, wie zum Beispiel der Innenseite der Tür oder des Dachaufbaus aufgebracht. Somit wird die Fahrzeugaußenwand Teil des Wandlerelements, wobei die Geometrie und Material das Übertragungsverhalten mitbestimmen.
In der Figur 1 ist das grundlegende Konzept der Identifikation und Ortung externer Schallquellen durch ein in einem Fahrzeug 200 verbautes
Sensorsystem verdeutlicht. Dabei weist das Fahrzeug 200 eine
Sensoranordnung 101 umfassend vier jeweils auf verschiedenen Seiten 201 ,
202, 203, 204 des Fahrzeugs 200 angeordnete akustische Sensoren 110, 120, 130, 140 auf. Dabei sind zwei der Sensoren, 130, 140 in zwei sich
gegenüberliegenden Fahrzeugtüren, ein weiterer akustischer Sensor 110 im Frontbereich des Fahrzeugs 200 und ein vierter akustischer Sensor in dem Heckbereich des Fahrzeugs 200 angeordnet. Diese spezielle Anordnung ermöglicht eine gute Lokalisation externer Schallquellen aus allen Richtungen. Grundsätzlich sind hier auch andere Sensor-Anordnungen oder Sensor Arrays möglich. Wie in der Figur 1 ferner dargestellt ist, empfangen die akustischen Sensoren 1 10, 120, 130, 140 des Fahrzeugs 200 ein akustisches Signal 31 1 eines hinter dem Fahrzeug 200 fahrenden weiteren Fahrzeugs 300. Bei dem weiteren Fahrzeug 300 handelt es sich beispielsweise um einen Notfall-, oder Einsatzwagen, welcher mit einer entsprechenden Sondersignalanlage 310 zur Ausgabe eines akustischen Sondersignals 31 1 ausgestattet ist. Das von der Sensoranordnung 101 des Fahrzeugs 200 empfangene akustische Signal 311 wird in einer speziell eingerichteten Steuereinrichtung 150 des Fahrzeugs 200 ausgewertet, wobei die Steuereinrichtung 150 sowohl die Signalquelle 310 bzw. 300 identifizieren, als auch ihre relative Position zum Fahrzeug 200 ermitteln kann.
Die Figur 2 zeigt hierzu schematisch ein Blockschaltdiagramm der
Sensorvorrichtung 100 des Fahrzeugs 200 aus Figur 1. Wie hier ersichtlich ist, senden die akustischen Sensoren 110, 120, 130, 140 nach Empfang des akustischen Signals 31 1 jeweils ein entsprechendes Sensorsignal an die
Steuereinrichtung 150 weiter, welche mittels entsprechender Signalleitungen mit den akustischen Sensoren 110 bis 140 verbunden ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Steuersteuereinrichtung 150 um eine separate Steuereinheit, welche die aus der Auswertung der akustischen Signale 311 gewonnenen Zusatzinformationen über entsprechende Datenleitungen beispielsweise an eine zentrale Steuereinheit 270 des Fahrzeugs weiterleitet. Die zentrale Steuereinheit 270 kann anhand der erhaltenen Zusatzinformationen entsprechende Steuervorgänge des Fahrzeugs 200 durchführen. Um möglichst kurze Signallaufzeiten zu erhalten, kann es vorteilhaft sein, die Steuereinrichtung 150 in unmittelbarer Nähe zu den akustischen Sensoren ein 110, 120, 130, 140 anzuordnen. Hierdurch wird auch die EMV-Robustheit erhöht. Die Übertragung der Signale an das Steuergerät kann dabei wahlweise analog oder digital abgetastete Analogsignale) übertragen werden. Besonders vorteilhaft ist insofern eine Integration der Steuereinrichtung 150 in den Dachaufbau 250.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Fahrzeugs aus Figur 1. Dabei ist ersichtlich, dass ein erster akustischer Sensor 1 10 im Frontbereich 201 des Fahrzeugs angeordnet ist, beispielsweise in der Motorhaube. Ferner ist ein zweiter akustischer Sensor 120 im Heckbereich 202 des Fahrzeugs 200 angeordnet, beispielsweise im Kofferraumdeckel. Ein dritter akustischer Sensor 130 ist innerhalb einer Fahrzeugtür 260 auf der rechten Fahrzeugseite 203 angeordnet. Der hier nicht sichtbare vierte akustische Sensor 140 ist
entsprechend in der linken Fahrzeugtür angeordnet.
Die Figur 4 zeigt eine alternative Unterbringung der Sensoranordnung 101 in einem Dachaufbau 250 des Fahrzeugs 200. Der Dachaufbau 250 ist
kastenförmig ausgebildet, wobei die akustischen Sensoren 1 10, 120, 130, 140 auf jeweils verschiedenen Seiten 201 , 202, 203, 204 des Dachaufbaus 250 angeordnet sind. Ein solcher Dachaufbau 250 wird bereits bei autonom fahrenden Fahrzeugen zu Unterbringung von Umfeldsensoren verwendet, beispielsweise für den Lidar-Sensor. Grundsätzlich lässt sich ein solcher Dachaufbau 250 jedoch auch als optionales Zubehörteil vorsehen, mit welchem Fahrzeuge ohne entsprechende Dachaufbauten nachgerüstet werden können.
Im Folgenden wird der Dachaufbau 250 als ein Teil des Fahrzeugs 200 aufgefasst. Insofern bildet die Außenwand des Dachaufbaus 250 einen Teil der Fahrzeugaußenwand 210. In der Figur 5 ist eine schematische Darstellung des Dachaufbaus 250 aus Figur 4 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Dachaufbau 250 kastenförmig aufgebaut und weist eine im Wesentlichen rechteckförmige
Grundfläche auf. Die Sensoranordnung 101 umfasst vier akustische Sensoren 1 10, 120, 130, 140, welche in einem im Inneren des Dachaufbaus 250 liegenden Hohlraum jeweils hinter der Außenwand 201 des Dachaufbaus 250 angeordnet sind. Der Hohlraum kann dabei in Teilbereiche Front/Heck/Iinke Seite und rechte Seite aufgeteilt sein, welche durch Trennwände voneinander abgeteilt sind. Um einen möglichst großen Verstärkungseffekt zu erzielen, ist es vorteilhaft für jeden akustischen Sensor 110, 120, 130, 140 einen separaten Hohlraum vorzusehen und diesen Hohlraum zylindrisch zu gestalten. Hierdurch werden Mehrwege- ausbreitungen akustischer Wellen wirkungsvoll verhindert. Konstruktiv besonders günstig erweist sich die Installation der Sensoren in einem mittleren Bereich der jeweiligen Fahrzeugaußenwand. Die akustischen Sensoren sind vorzugsweise jeweils paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten 201 , 202, 203, 204 des Dachaufbaus 250 angeordnet. Je nach Anwendung kann die Anzahl und Anordnung der akustischen Sensoren der Sensoranordnung 101 dabei grundsätzlich unterschiedlich ausfallen.
Die Figur 6 zeigt eine gegenüber der Variante aus Figur 5 vereinfachte
Ausführung des Dachaufbaus 250, welcher lediglich zwei akustische Sensoren 1 10, 120 umfasst. Der erste akustische Sensor 110 ist dabei auf der Vorderseite 201 des kastenförmig ausgebildeten Dachaufbaus 250 angeordnet, während der zweite akustische Sensor 120 auf der Rückseite 202 des Dachaufbaus 250 angeordnet ist.
Als Schallaufnehmer der akustischen Sensoren können grundsätzlich
verschiedene Geräte zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Mikrofone oder Körperschallaufnehmer. Die Figur 7 zeigt eine erste Ausführungsform des akustischen Sensors 110, weicher ein Mikrofon 11 1 als Schallaufnehmer verwendet. Das Mikrofon 11 1 ist dabei in einem Hohlraum 112 angeordnet, weicher einseitig von einer Fahrzeugaußenwand 210 begrenzt ist. Der zur Verstärkung bestimmter Frequenzen dienende Hohlraum 1 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet, wobei das Mikrofon 1 11 , auf der der Fahrzeugaußenwand 210 entgegengesetzten Stirnseite 113 des zylinderförmigen Hohlraums 1 12 angeordnet ist. Der als akustischer Resonator dienende Hohlraum 112 weist ferner eine Funktionsschicht 114 zur Anpassung der akustischen Impedanz auf, welche auf der Innenseite 211 der
Fahrzeugaußenwand 210 angeordnet ist. Die Funktionsschicht 1 14 ist dabei vorzugsweise als eine l/4-Schicht ausgebildet, welche aus einem geeigneten Material und in einer geeigneten Schichtdicke ausgebildet ist. Bei Verwendung von Mikrofonen als Schallaufnehmer wird das Mikrofon innerhalb des
Dachaufbaus möglichst schwingungsisoliert über geeignete
Entkopplungselemente an einer der Fahrzeugaußenwand 210
gegenüberliegenden Hohlraumseitenwand 113 oder direkt auf die
Fahrzeugaußenwand 210 montiert.
Die Figur 8 zeigt hingegen eine alternative Gestaltung des akustischen Sensors 1 10, bei dem der Schallaufnehmer 1 11 in Form eines Körperschallaufnehmers ausgebildet ist. Der Körperschallaufnehmer 1 11 ist dabei vorzugsweise direkt auf der Innenseite 211 der Fahrzeugaußenwand 210 angeordnet. Der akustische Sensor 1 10 umfasst ebenfalls einen als akustischer Resonator dienende
Hohlraum 112, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet ist.
Der Hohlraum 1 12 des akustischen Sensors 1 10 aus den Figuren 7 und 8 ist vorzugsweise jeweils zum Verstärken bestimmter Frequenzen ausgebildet. Die akustischen Eigenschaften eines solchen akustischen Hohlraumresonators werden dabei vor allem durch seine Geometrie und insbesondere durch seine Länge bestimmt. Auch andere Eigenschaften, wie zum Beispiel
Oberflächenbeschaffenheit oder Material können das akustische Verhalten des Hohlraumsenators mitbestimmen. Ein Hohlraumresonator zeichnet sich dadurch aus, dass im Raum zwischen Außenwand und Innenwand durch konstruktive Interferenz eine stehende Welle und somit ein weiterer Verstärkungseffekt erzeugt wird. Die Dimensionen des Hohlraumresonators müssen dabei so gestaltet sein, dass seine Länge L = n ·l/2 + l/4 entspricht. Sofern eine
Verstärkung von mehreren Frequenzen oder eines Frequenzbereichs erfolgen soll, ist es günstig einen Kompromiss für die Länge L über die obige Formel darzustellen. In jedem Fall muss jedoch eine negative Interferenz für die gewünschten Frequenzen vermieden werden, welche zu einer Auslöschung der betreffenden Schallwellen führen würde.
In der Figur 9 ist schematisch ein Frequenzgang eines auf eine bestimmte Frequenz f1 abgestimmten Hohlraumresonators 112, 122, 132, 142 dargestellt. Aufgrund einer konstruktiven Interferenz zeigt der Hohlraumresonator 1 12, 122, 132, 142 im Bereich seiner Resonanzfrequenz f1 eine besonders hohe
Verstärkung G, welche zu den beiden Seiten jeweils stark abfällt. Weiter entfernt liegende Frequenzbereiche erfahren dabei jeweils eine deutlich geringere Verstärkung.
Die Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung des Frequenzgangs eines auf insgesamt drei Resonanzfrequenzen f 1 , f2, f3 abgestimmten Hohlraumsenators 1 12, 122, 132, 142. Durch die teilweise Überlagerung der Frequenzgänge der jeweiligen Resonanzfrequenzen fl , f2, f3 ergibt sich eine relativ hohe
Verstärkung im gesamten mittleren Frequenzbereich, während der untere und der obere Frequenzbereich durch den Hohlraumresonator 1 12, 122, 132, 142 jeweils deutlich geringer verstärkt werden.
Das Resonanzverhalten des Hohlraums 1 12, 122, 132, 142 eines akustischen Sensors 1 10, 1209, 130, 140 und gegebenenfalls auch der den Hohlraum gegenüber der Fahrzeugumgebung abgrenzenden Fahrzeugaußenwand 210 kann auf Frequenzen abgestimmt werden, welche typisch sind für bestimmte Fahrsituationen bzw. akustischen Signale. Hierzu zählen beispielsweise die akustischen Sondersignale von Einsatz-, und Notfallfahrzeugen. Für das deutsche Tatütata“ wäre somit eine Optimierung für die beiden Frequenzen 400 und 700 Hz sinnvoll. Diese Frequenzen berechnen sich aus der DIN-Norm und sehen unter anderem eine Frequenzerhöhung durch den Dopplereffekt vor bei einer angenommenen Bewegung aufeinander zu. Für die beiden Frequenzen 400 und 700 Hz ergeben sich mit der oben dargestellten Formel somit die in der folgenden Tabelle angegebenen optimalen Längen L (jeweils in Meter) des Hohlraumresonators:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000014_0001
Wie aus der oberen Tabelle ersichtlich ist, liegen die Länge 0,64 m für die 400 Hz und die 0,61 m für die 700 Hz relativ nah beieinander. Als bester Kompromiss eignet sich somit ein Hohlraum mit der Länge L gleich 0,625 m, welche damit annähernd das Optimum für beide Frequenzen trifft. Alternativ zum obigen Beispiel können auch weitere Frequenzen im Design auch unter
Berücksichtigung von Dopplerverschiebungen berechnet werden. Grundsätzlich können neben den Grundmoden bzw. Grundfrequenzen auch die Obermoden bzw. Oberfrequenzen eines Signals zur Auslegung des Resonanzverhaltens des Resonators verwendet werden. Da die Obermoden bzw. Oberfrequenzen typischerweise in höheren Frequenzbereichen liegen, ist ihre Detektion weniger stark von typischen Fahrgeräuschen gestört. Damit ergibt sich je nach
Anwendung ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei Einsatz von Körperschallaufnehmern anstelle von Mikrofonen wird die Außenhaut Teil des Wandlers. Geometrie und Material bestimmend somit das Übertragungsverhalten.
Eine vorteilhafte Variante ergibt sich, wenn die Dimensionierung und das Material der Fahrzeugaußenwand so gewählt werden, dass diese eine oder mehrere Eigenfrequenzen im Bereich des zu detektierenden akustischen Signals aufweist. Dadurch kann ein Verstärkungseffekt für das Nutzsignal generiert werden.
Typische interessante Frequenzbereiche liegen für die Sprachdetektion im Bereich 200 Hz bis 1 kHz und für die Detektion von Notfallsignalen im Bereich der Emissionsfrequenzen (Deutschland: 400 Hz und 700 Hz, USA: 300 Hz - 1 ,9 kHz, etc.) oder entsprechende Obermoden bzw. Oberfrequenzen der zu detektierenden Siganle.
Bestimmend für die Lage der Eigenresonanzen ist die Größe, Dicke und
Steifigkeit der schwingenden Platte (Fahrzeugaußenwand). Über diese
Eigenschaften lässt sich die Fahrzeugaußenwand so gestalten, dass auch mehrere Moden (und damit Eigenresonanzen) angeregt werden. Alternativ hierzu können die Fahrzeugaußenwände durch ein geeignetes Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel CFK-Fasern, so gestaltet werden, dass inhomogene Streitigkeiten resultieren. Hierdurch lassen sich in das betreffende Bauteil gezielt mehrere Moden per Design einbringen.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn diese Moden im Intervall zwischen 200 Hz und 2 kHz liegen.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Körperschallaufnehmern besteht darin, dass Parkrempler (Stöße) durch die Sensoren detektiert werden können.
Bei hochautomatisierten Fahrzeugen ist diese Information für die Qualifizierung der Funktionsfähigkeit aller Sensoren im Fahrzeug wichtig. Hierdurch kann auf eine einfache Weise eine Dejustageerkennung realisiert werden. Die Figur 11 zeigt schematisch den Dachaufbau 250 aus Figur 5, bei dem die akustischen Sensoren 110, 120, 130, 140 entsprechend der Ausführungsform aus Figur 7 jeweils mit einem Schallaufnehmer 11 1 , 121 , 131 , 141 in Form eines Mikrofons ausgestattet sind. Hingegen zeigt die Figur 12 schematisch den Dachaufbau 250 aus Figur 5, bei dem die akustischen Sensoren 110, 120, 130, 140 entsprechend der Ausführungsform aus Figur 8 jeweils mit einem
Schallaufnehmer 11 1 , 121 , 131 , 141 in Form eines Körperschallaufnehmers ausgestattet sind.

Claims

Ansprüche
1. Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren akustischer Signale (311 ) in der Umgebung eines Fahrzeugs (200) umfassend:
- wenigstens einen akustischen Sensor (1 10, 120, 130, 140) mit einem Schallaufnehmer (1 11 , 121 , 131 , 141 ) zum Erfassen akustischer Signale (31 1 ) einer akustischen Signalquelle (310) in der Umgebung des Fahrzeugs (200), wobei der Schallaufnehmer (1 11 , 121 , 131 , 141 ) in einem Hohlraum (1 12, 122, 132, 142) des Fahrzeugs (200) angeordnet ist, welcher wenigsten einseitig von einer Außenwand (210) des Fahrzeugs (200) begrenzt ist; und
- eine Steuereinrichtung (150) zum Auswerten der erfassten akustischen Signale (31 1 ), wobei die Steuereinrichtung (150) ausgebildet ist, anhand der erfassten akustischen Signale (31 1 ) die wenigstens eine akustische
Signalquelle (310) zu identifizieren und ihre Richtung und/oder Position relativ zum Fahrzeug (200) zu bestimmen.
2. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 ,
wobei der Hohlraum (112, 122, 132, 142) als Resonator zum Verstärken wenigstens einer vorgegebenen Frequenz (fi, f2, f3) ausgebildet ist.
3. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die den Hohlraum (1 12, 122, 132, 142) begrenzende Außenwand (210) des Fahrzeugs (200) als Resonator für wenigstens eine vorgegebene
Frequenz (fi, f2, f3) ausgebildet ist.
4. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 3,
die Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren von Frequenzen (fi, f2, f3) optimiert ist, welche typisch für akustische Signale (311 ) wenigsten einer der folgenden akustischen Signalquellen (310) sind:
- Sondersignalanlage von Notfall- oder Einsatzfahrzeugen,
- Tunneleinfahrten,
- Kindergeschrei,
- Straßenkreuzungen, - Verkehrsunfälle.
5. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Hohlraum (112, 122, 132, 142) des wenigstens einen akustischen Sensors (110, 120, 130, 140) zylinderförmig ausgebildet ist, und
wobei der Schallaufnehmer (1 11 , 121 , 131 , 141 ) in Form eines Mikrofons ausgebildet ist, welches auf einer der Außenwand (210) des Fahrzeugs (200) entgegengesetzten Seitenwand (133) des zylinderförmigen Hohlraums (1 12, 122, 132, 142) angeordnet ist.
6. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 5,
wobei der wenigstens eine akustische Sensor (110, 120, 130, 140) eine Funktionsschicht (1 14, 124, 134, 144) in Form einer l/4-Schicht zur
Anpassung der akustischen Impedanz umfasst, welche auf einer Innenseite (21 1 ) der den Hohlraum (1 12, 122, 132, 142) begrenzenden Außenwand
(210) des Fahrzeugs (200) angeordnet ist.
7. Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Schallaufnehmer (11 1 , 121 , 131 , 141 ) des wenigstens einen akustischen Sensors (1 10, 120, 130, 140) in Form eines auf einer Innenseite
(211 ) der den Hohlraum (1 12, 122, 132, 142) begrenzenden Außenwand (210) des Fahrzeugs (200) angeordneten Körperschallaufnehmers ausgebildet ist.
8. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Sensorvorrichtung (100) eine Anordnung (101 ) aus mehreren auf einer oder mehreren Seiten (201 , 202, 203, 204) des Fahrzeugs (200) voneinander beabstandet angeordneten akustischen Sensoren (1 10, 120, 130, 140) umfasst.
9. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 8,
wobei die akustischen Sensoren (1 10, 120, 130, 140) jeweils paarweise auf sich jeweils gegenüberliegenden Seiten (201 , 202, 203, 204) des Fahrzeugs (200) angeordnet sind.
10. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine akustische Sensor (110, 120, 130, 140) in einer Tür (230) oder in einem Dachaufbau (250) des Fahrzeugs (200) angeordnet ist.
1 1. Steuereinrichtung (150) für eine Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren akustischer Signale in der Umgebung eines Fahrzeugs (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Steuereinrichtung (150) ausgebildet ist, Sensorsignale, welche von wenigstens einem an einer Innenseite (21 1 ) einer Außenwand (210) des
Fahrzeugs (200) angeordneten akustischen Sensor (1 10, 120, 130, 140) infolge empfangener akustischer Signale (31 1 ) ausgegeben werden, auszuwerten, um eine die akustischen Signale (31 1 ) emittierende akustische Signalquelle (310) zu identifizieren und ihre Richtung und/oder Position relativ zum Fahrzeug (200) zu bestimmen.
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