WO2022018194A1 - Verfahren zum betreiben eines ultraschallsensorsystems eines fahrzeugs und ultraschallsensorsystem - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines ultraschallsensorsystems eines fahrzeugs und ultraschallsensorsystem Download PDF

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WO2022018194A1
WO2022018194A1 PCT/EP2021/070494 EP2021070494W WO2022018194A1 WO 2022018194 A1 WO2022018194 A1 WO 2022018194A1 EP 2021070494 W EP2021070494 W EP 2021070494W WO 2022018194 A1 WO2022018194 A1 WO 2022018194A1
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air
signal
ultrasonic sensor
determined
sensor system
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PCT/EP2021/070494
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Ulrich Pressel
Sebastian Olbrich
Peter Schroeder
Timo Pfeiffer
Wilhelm Christopher Von Rosenberg
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G01S2007/52014—Means for monitoring or calibrating involving a reference reflector integrated in the sensor or transducer configuration

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor system of a vehicle and a corresponding ultrasonic sensor system.
  • a vehicle may include an ultrasonic sensor system. Sensors of the ultrasonic sensor system emit pulses and receive echoes of these pulses. A distance between the sensor and an object generating the echo is calculated from a transit time of the pulses using the speed of sound in air. Since the speed of sound is temperature-dependent, an ambient temperature is detected by a temperature sensor in the vehicle and used to compensate for temperature-related variations in the speed of sound in the ultrasonic sensor system.
  • Embodiments of the present invention may advantageously enable an ultrasonic sensor system of a vehicle to be used in order to ultrasonically detect at least one parameter of the ambient air used as a transmission medium.
  • the parameter can be detected directly where it influences an intended distance measurement of the ultrasonic sensor system. Deviations due to detection far from the sensors can thus be avoided. Signal components that are conventionally filtered out and discarded can be used to detect the parameter.
  • a method for operating an ultrasonic sensor system of a vehicle is proposed, with at least one transmission signal being sent by a transmitter of the ultrasonic sensor system, traversing a known air path and at least one received signal resulting from the transmission signal being received by a receiver of the ultrasonic sensor system, with at least one air parameter of the air path is determined using information about a length of the air link and at least one signal parameter characterizing the received signal.
  • An ultrasonic sensor system can have a number of ultrasonic sensors distributed over a vehicle and networked with one another, and a central control unit.
  • An ultrasonic sensor can be configured as a transmitter and as a receiver.
  • the ultrasonic sensor can be controlled in a measurement cycle at a transmission time by an electrical signal from the control unit to emit one or more ultrasonic pulses as a transmission signal. After a decay period, the ultrasonic sensor can again map incoming ultrasonic waves as a received signal in an electrical signal for the control device over a receiving period.
  • the incoming ultrasonic waves can be echoes of the transmitted transmission signal, cross-echoes of a transmission signal transmitted by another ultrasonic sensor, or also directly a transmission signal of another ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensor can also be operated in a different mode, for example only map incoming ultrasonic waves as a received signal in the electrical signal for the control unit or only be controlled to send transmit signals.
  • An air path between the transmitter and the receiver can be calculated using a transit time resulting from the transmission time and a reception time of the received signal and the speed of sound in the medium. If the transmitted signal is reflected by an object and the received signal is an echo or cross-echo, the airway over the reflecting object can be calculated from the propagation time.
  • a distance between the ultrasonic sensor and the object is half the airway. If different ultrasonic sensors have sent and received, the object is located on an ellipsoid of revolution, which is defined by a geometric arrangement of the transmitter and receiver on the vehicle and by the air path.
  • the ultrasonic sensor can also receive unreflected, direct transmission signals from other ultrasonic sensors in the vehicle. Since the directly received transmission signals do not contain any information about reflecting objects, the directly received transmission signals are conventionally discarded. Echoes from known objects, such as parts of the vehicle and the road, are also conventionally rejected since the position of the known objects is known.
  • echoes from known objects are used to improve a measurement accuracy of the ultrasonic sensor system.
  • Directly received transmission signals can also be used.
  • the length of the airway is known with a high level of accuracy. Therefore, using the echoes from known objects or the directly received transmission signals properties of the air on the airway traversed can be determined.
  • the properties can be represented by air parameters. In general and specifically at a higher speed, the vehicle speed can be included in the calculation, since the position of the receiver may have changed between the time of transmission and reception. Changing the position can affect the length of the air gap depending on the orientation of the air gap.
  • a speed of sound in the air gap can be determined as an air parameter.
  • a transit time between the transmission of the transmission signal and the reception of the reception signal can be evaluated as a signal parameter.
  • the speed of sound can be calculated using the known length of air travel and travel time. By directly detecting the speed of sound without any conversion errors when converting a measured temperature that may deviate from a temperature in the air gap into the speed of sound, an increased accuracy of a value of the speed of sound can be achieved.
  • a measurement accuracy of the ultrasonic sensor system can be improved by knowing the actual speed of sound.
  • the speed of sound depends on the air humidity, since the molar mass changes depending on the air humidity. However, the influence is very small compared to the temperature. This influence can also be taken into account by measuring over the known clearance.
  • a transmission signal can be sent from the transmitter via an unknown path.
  • the unknown path can be from the sender to an unknown object and from the object to the receiver.
  • An echo of the transmitted signal reflected on the object can be received as the received signal at the receiver.
  • the route can be determined using the speed of sound determined according to the approach presented here and a transit time between the transmission of the transmission signal and the reception of the echo.
  • the calculation of the speed of sound can be done in the same measurement cycle as the determination of the length of the measurement section.
  • the same transmission signal can be used to determine the transit time on the known air route and the transit time over the travel path. At least two reception signals can then be received within the reception period will. Likewise, the measurements can be carried out in different measurement cycles.
  • an air temperature of air within the air gap can be determined.
  • a connection between the speed of sound and the air temperature is known from physical laws.
  • the relationship can be stored, for example, as a calculation rule or in tabular form.
  • An attenuation of a signal caused by air within the air gap can be determined as an air parameter.
  • An amplitude difference between a transmission amplitude of the transmission signal and a reception amplitude of the reception signal can be evaluated as a signal parameter.
  • Attenuation can be determined using the amplitude difference and the length of the air gap.
  • Expected values for the reception amplitude for different propagation times can be determined using the current attenuation.
  • echoes with received amplitudes that essentially correspond to the expected values for their respective propagation time are real echoes.
  • a safety value can be assigned to such echoes. If a received amplitude deviates from the expected value by more than a tolerance, an uncertainty value can be assigned to the echo. In this way, uncertain echoes can be discarded and real echoes can be processed further.
  • a humidity of the air within the air gap can be determined.
  • Humidity can be determined using attenuation and a temperature.
  • the temperature can be detected by a sensor of the vehicle or, in particular, can also be detected using the approach presented here.
  • the humidity can thus be determined without an additional humidity sensor in the vehicle.
  • Current road conditions and/or weather conditions can be inferred using the humidity. For example, if the humidity is high, the road may be damp or wet with a high probability. High humidity combined with low temperature can be a sign of fog coming up.
  • the air path can run from the transmitter to a reference object on the vehicle and from the reference object to the receiver. An echo of the transmission signal reflected on the reference object can be received as a reception signal at the receiver.
  • the reference object can be, for example, an exterior mirror of the vehicle and/or a number plate of the vehicle.
  • a reference object on the vehicle can have at least one partial area with a surface that is oriented essentially transversely to the sound waves of the transmission signal that are incident. A clear echo then results as the received signal.
  • a reference object on the vehicle has the advantage that its position relative to the sensors of the ultrasonic sensor system is clearly known and does not change significantly over time. As a result, the same reference object can be used again and again for recurring determinations of the air parameter. Thanks to the reference object on the vehicle, reference measurements can also be carried out under controlled conditions.
  • the air path may be from the transmitter to a footprint of the vehicle and from the footprint to the receiver.
  • An echo of the transmitted signal reflected on the contact area can be received at the receiver as the received signal.
  • the contact area generates a massive echo through a very large reflection surface.
  • the echo from the footprint is usually easy to identify and can be safely distinguished from other echoes.
  • the footprint echo can be discarded.
  • the length of the air gap can be determined with a high level of accuracy by evaluating the vehicle's level sensors.
  • the ultrasonic sensor system can also have at least one reference sensor, which is aligned with the contact area or the reference object.
  • the reference sensor can thus be essentially aligned with the air gap and thus receive a received signal that can be clearly assigned.
  • the surface type and structure of the contact area can be read out on a map. This increases the accuracy of the result.
  • the air parameter can be determined for at least two different air distances.
  • a secured air parameter can be determined using the multiple air parameters.
  • the Air gaps can be arranged on different sides of the vehicle. Likewise, the air gaps can extend from a transmitter in different directions and/or end at a receiver from different directions. Environmental influences, such as air movements within the air gaps, can be compensated for by several air gaps. In particular, if the air gaps are between the respective transmitter, the contact area and the respective receiver, a right air gap and a left air gap can be used in relation to the vehicle in order to avoid an inclined position of the vehicle relative to the contact area and/or a change in height of the contact area, for example at a to recognize the edge stone.
  • the method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also creates an ultrasonic sensor system that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of the method presented here in corresponding devices.
  • the ultrasonic sensor system can be an electrical device with at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, and at least one interface and/or one communication interface for reading in or outputting data that are embedded in a communication protocol, include.
  • the arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a so-called system ASIC or a microcontroller for processing sensor signals and outputting data signals as a function of the sensor signals.
  • the storage unit can be, for example, a flash memory, an EPROM or a magnetic storage unit.
  • the interface can be designed as a sensor interface for reading in the sensor signals from a sensor and/or as an actuator interface for outputting the data signals and/or control signals to an actuator.
  • the communication interface can be designed to read in or output the data in a wireless and/or wired manner.
  • the interfaces can also be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and/or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous used, especially when the program product or program is run on a computer or device.
  • FIG. 1 shows an illustration of a vehicle with an ultrasonic sensor system according to an embodiment
  • FIG. 2 shows an illustration of a vehicle with an ultrasonic sensor system according to an embodiment
  • FIG 3 shows an illustration of a measurement with an ultrasonic sensor system according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a representation of a measurement without a speed of sound determined according to an exemplary embodiment.
  • the figures are merely schematic and not true to scale.
  • the same reference symbols denote the same features or features that have the same effect.
  • Ultrasonic sensor system 102 has a plurality of ultrasonic sensors 104 arranged distributed over vehicle 100 .
  • the ultrasonic sensors 104 are networked with one another via a control unit 106 of the ultrasonic sensor system 102 .
  • Ultrasonic sensor system 102 is designed to determine at least one air parameter 108 within at least one known air gap 110 between a transmitter 112 and a receiver 114 of ultrasonic sensor system 102 .
  • the air parameter 108 is determined using a known length of the air path 110 and at least one signal parameter 118 contained in a received signal 116 received by the receiver 114 .
  • the clearance 110 is specified by a geometry of the vehicle 100 .
  • the received signal 116 can be a transmitted signal 120 of the transmitter 112 received directly via the air gap 110 .
  • the received signal can be an echo of the transmitted signal 120 reflected on a reference object 122 . If the same ultrasonic sensor 104 is used for transmission and reception, the reception signal 116 is always an echo of the transmission signal 120 previously transmitted and reflected on the reference object 122.
  • the air distance 110 corresponds to a distance between the transmitter 112 and the receiver 114.
  • the air distance 110 corresponds to a distance from the transmitter 112 to the reference object 122 and from the reference object 122 to the receiver 114.
  • the reference object 122 is an exterior mirror 124 of the vehicle here. Alternatively or additionally for a further air gap 110, the reference object 122 also be a license plate 126 or a holder of the license plate 126.
  • the transmitter 112 is controlled by the control unit 106 via an electrical control signal to emit the transmission signal 120.
  • the transmission signal 120 consists of at least one ultrasonic pulse.
  • the transmission signal 120 can also be emitted in coded form and can include a plurality of ultrasonic pulses.
  • the ultrasonic pulses can have different frequencies, amplitudes, lengths and distances from one another.
  • the transmission signal 120 propagates from the transmitter 112 essentially as a spherical wave or part of a spherical wave through the air.
  • the transmission signal 120 also traverses at least a portion of the air gap 110. While the transmission signal 120 traverses the air of the air gap, the air influences the transmission signal 120.
  • the signal parameter 118 represents this influence.
  • the transmission signal 120 strikes the reference object 122, it is reflected on a surface of the reference object 122 and is also emitted spherically from the reference object 122 as an echo of the transmission signal 120.
  • the echo or the directly received transmission signal 120 is received at the receiver 114 as a reception signal 116 and is again imaged in an electrical signal.
  • the signal parameter 118 is also mapped at least implicitly in the electrical signal.
  • the control unit 106 evaluates the received signal 116 and extracts the signal parameter 118. For the purpose of extraction, the control unit 106 can also evaluate the activation signal.
  • the reflection at the reference object 122 is directed. If the same ultrasonic sensor 104 is used for sending and receiving, it is advantageous if the surface of the reference object 122 is aligned approximately at a right angle to an angle of incidence of the sending signal 120 . If another ultrasonic sensor is used as receiver 114, it is advantageous if the surface of reference object 122 is aligned approximately tangentially to an ellipsoid of revolution, which has transmitter 112 and receiver 114 as focal points. Here the same ultrasonic sensor 104 is used as transmitter 112 and receiver 114 . An underside of exterior mirror 124 is aligned approximately perpendicular to the angle of incidence of transmission signal 120 .
  • a speed of sound 128 in the air gap 110 is determined as the air parameter 108 .
  • a propagation time 130 of the transmission signal 120 and/or the echo is used as the signal parameter 118 until the reception signal 116 is received at the receiver.
  • the speed of sound 128 can be calculated directly from the length 132 of the air gap 110 and the transit time 130 .
  • the speed of sound 128 is converted into an air temperature 134 of the air gap 110 .
  • the speed of sound 128 in a transmission medium is dependent on a density and a pressure of the transmission medium.
  • the density is strongly temperature-dependent.
  • the pressure can be measured by a pressure sensor or a pressure value can be read from a weather report, for example.
  • the air pressure under normal conditions does not have a major influence. Therefore, sufficient accuracy can be achieved through estimation in practice. Based on these relationships, the air temperature 134 can be calculated from the speed of sound 128 .
  • damping 136 of air gap 110 is determined as air parameter 108 .
  • an intensity difference 138 between the transmission signal 120 and the reception signal 116 is used as the signal parameter 118 .
  • the intensity difference 138 characterizes how strongly the transmission signal 120 weakens on the way over the air gap 110 .
  • Part of the attenuation is due to the scattering of the transmission signal 120 and the echo geometrically due to the length 132 of the air gap 110, another part is due to at least one property of the air.
  • the attenuation 136 can be calculated directly from the length 132 of the air gap 110 and the intensity difference 138 .
  • the geometry-independent component of the damping 136 is converted into an air humidity 140 of the air gap 110 .
  • a temperature is taken into account when converting.
  • the previously determined air temperature 134 can be used as the temperature.
  • a measured value of a temperature sensor of the vehicle 100 can also be used.
  • a secured air parameter 142 is calculated in controller 106 .
  • a smoothing algorithm can be applied to a profile of the air parameter 108 .
  • the smoothing algorithm can be used to filter out outliers and to compensate for short-term disruptions when determining the air parameter 108 .
  • the secured air parameter 142 is determined using at least two air gaps 110 on the vehicle 100 .
  • a right air gap 110 arranged on the right of vehicle 100 and a left air gap 110 arranged symmetrically thereto on the left of vehicle 100 are used.
  • the right exterior mirror 124 is used as the reference object 122 in the case of the right air gap 110 .
  • Left exterior mirror 124 is used as reference object 122 for left air gap 110 .
  • the air gaps 110 can also be arranged between two ultrasonic sensors 104 on each side of the vehicle 100 .
  • the right air parameter 108 is determined.
  • the left signal parameter 118 measured at the left air gap 110 the left air parameter 108 is determined.
  • the right air parameter 108 and the left air parameter 108 are merged in the control unit 106 and the secured air parameter 142 is calculated.
  • the secured air parameter 142 can be an average of the two air parameters 108 .
  • the curves of the two air parameters 108 can be smoothed using the smoothing algorithm and outliers can be better compensated.
  • FIG. 2 shows an illustration of a vehicle 100 with an ultrasonic sensor system 102 according to an embodiment.
  • the ultrasonic sensor system 102 essentially corresponds to the ultrasonic sensor system in FIG. 1 .
  • the ultrasonic sensor system 102 has a reference sensor 200 .
  • reference sensor 200 is directed at a contact area 202 of vehicle 100 and is used in particular only for determining air parameter 108 .
  • a distance of the reference sensor 200 from the contact area 202 corresponds to half the air distance 110.
  • a level signal 204 from at least one level sensor 206 of the vehicle 100 is used when determining the air parameter 108 .
  • Dynamic changes in the air gap 110 while the vehicle 100 is driving can also be compensated for by a smoothing algorithm for the air parameter 108 over an averaging period.
  • the reference sensor 200 is arranged on the exterior mirror 124 and emits the transmitted signal 120 downwards in the direction of the contact area 202 or the road.
  • the transmission signal 120 is reflected as an echo at the contact area 202 and thrown back to the reference sensor 200 .
  • the echo is received as a received signal 116 at the reference sensor 200 and is imaged in the electrical signal.
  • the ultrasonic sensor system 102 has two reference sensors 200 .
  • the reference sensors 200 are arranged on opposite sides of the vehicle 100 .
  • the air parameters 108 can be used to obtain the secured air parameter 142 through two reference sensors 200 .
  • the right reference sensor 200 and the left reference sensor 200 can detect whether the contact area 202 is hit by the transmission signal 120 .
  • a curb or pothole next to vehicle 100 can be easily recognized and the determination of air parameter 108 on this side can be aborted or air parameter 108 determined on this side can be discarded.
  • FIG. 3 shows a representation of a measurement with an ultrasonic sensor system 102 according to an embodiment.
  • the ultrasonic sensor system 102 is as shown in Figs. 1 and 2 are part of a vehicle 100.
  • the ultrasonic sensor system 102 here has three ultrasonic sensors 104 distributed along a front, a side or a rear of the vehicle.
  • One of ultrasonic sensors 104 is controlled by control unit 106 to To send transmission signal 120.
  • the transmit signal 120 propagates from the transmitter 112 in a substantially spherical shape.
  • the transmission signal 120 strikes an object 300.
  • the transmission signal 120 is reflected on the object 300 as an echo.
  • the echo propagates from the object 300 again spherically.
  • the sender 112 has been configured as a receiver 114 after sending.
  • the other ultrasonic sensors 104 have already been configured as receivers 114 at the beginning of the measurement cycle shown.
  • the echo is received as a received signal 116 at all three ultrasonic sensors 104 and is mapped in each case in the electrical signal for the control unit 106 .
  • the transmission signal 120 Before the echo reaches the receiver 114 located closest to the transmitter 112, the transmission signal 120 has already reached this receiver 114 and is received by the receiver 114 as a reception signal 116 and mapped in the electrical signal for the control device. Since a distance between the transmitter 112 and the receiver 114 is known, the length 132 of the air gap 110 is also known.
  • the control unit 106 calculates the speed of sound 128 on the air path 110 from a time offset between the transmission and the reception and the length 132 of the air path 110 and uses the speed of sound 128 for its further calculations.
  • control unit 106 calculates a path 302 of the transmission signal 120 to the object 300 and of the echo to the respective receiver 114.
  • No directional information or position of the object 300 can yet be derived from the route 302 .
  • the object 300 is on a sphere around the transmitter with half the path 302 as the radius.
  • the object 300 lies on an ellipsoid of revolution, which has the transmitter 112 and the receiver 114 each arranged at the focal points.
  • FIG. 4 shows a representation of a measurement without a speed of sound determined according to an exemplary embodiment.
  • the representation essentially corresponds to the representation in FIG.
  • the speed of sound used is too high, which is why the travel distances 302 are calculated too long.
  • the ellipsoids of revolution and the sphere do not intersect in one point.
  • There are several points of intersection 400 which, however, are more or less far away from the object 300 .
  • the position of the object 300 can thus only be determined with a great deal of uncertainty.
  • the propagation times of ultrasonic pulses are measured in ultrasonic systems.
  • ultrasonic systems are also used for driver assistance systems and (partly) automated driving.
  • One or more transmitters in an ultrasonic sensor system emit a well-defined pulse, which is reflected by one or more objects and then received by one or more sensors.
  • a sensor can be a transmitter and receiver at the same time in a cycle. The transit time is converted to a travel distance using the speed of sound. Since the path does not contain any angle information, it is only known that the location of the ultrasound pulse reflection is at a point on the surface of an ellipsoid of revolution, which is defined by the two sensor positions as focal points and half of the echo path as the semimajor axis. If the transmitter corresponds to the receiver, the surface is a spherical surface.
  • Further ellipsoids of revolution can be created by further received echoes, which were emitted by the same or another transmitter and were received by another or the same receiver.
  • the reflection object can be determined by, for example, the point of intersection of the ellipsoids of rotation or a tangent plane to the ellipsoids of rotation.
  • parameters e.g. the coordinates for points
  • the speed of sound mentioned depends on the air temperature between the sensors and the reflecting object. It is therefore essential to know this temperature for a correct distance measurement.
  • the attenuation which depends not only on the temperature but also on the humidity, has an influence on the amplitude of the echoes received. The amplitude, in turn, is relevant in order to distinguish relevant reflections from noise or background reflections.
  • the measuring principle can be used in three-dimensional space by installing sensors at different heights. Without loss of generality, a two-dimensional geometry is assumed in the figures.
  • FIGS. 3 and 4 three ultrasonic sensors and an object in front of the vehicle are shown.
  • the exact temperature is known and the calculated echo distances correspond to the actual echo travel paths. Therefore, the circle and the two ellipses intersect where the reflecting object stands. Its position can therefore be determined correctly and reliably.
  • Fig. 4 an incorrect temperature was assumed, which is why the echo distances were calculated incorrectly - in this case they are all too large.
  • the same effect is observed, with a shift always taking place and the multiple intersections occurring at at least four echoes.
  • the safety rating of the ultrasound system can only ever be as good as that of the temperature measurement.
  • the outside temperature measured by the vehicle - and potentially filtered - is fed to the transmitted to the ultrasonic control unit. This usually does not meet the safety requirements that are necessary for fully autonomous driving.
  • An additional advantage is that the air temperature in front of the sensors and not the temperature of the vehicle body is recorded.
  • ultrasonic sensors can be installed in the vehicle and measure the direct distance to the road. Doing this on both sides can prevent erroneously measuring the distance to a curb surface or other objects.
  • the attenuation can be determined using known echo amplitudes from known reflectors.
  • Vehicle parts or the environment can again be used as reflectors, whereby the underground should be known in the case of the latter.
  • the reflectivity of the underground can be read from a map.
  • the card can either be created separately or read in with the ultrasound system. It can be created, for example, at the vehicle's home location.
  • the humidity can be calculated with the knowledge of the attenuation and the temperature.
  • Attenuation and humidity is independent of the measurement of temperature. This means that the temperature can be determined with the method shown alone and Attenuation and humidity can be measured even when temperature is determined from a source other than this approach.
  • Fig. 2 additional sensors are installed on the vehicle in such a way that they radiate onto the road.
  • the distance from the sensors to the road is known and the speed of sound and temperature are calculated from the height of the vehicle above the road and the measured echo travel time from the sensor to the road surface and back.
  • the sensors already installed on the vehicle are used and the distance to body parts such as exterior mirrors or vehicle license plates is used to calculate the speed of sound and temperature.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems (102) eines Fahrzeugs (100), wobei zumindest ein Sendesignal (120) von einem Sender (112) des Ultraschallsensorsystems (102) gesendet wird, eine bekannte Luftstrecke (110) durchquert und zumindest ein aus dem Sendesignal (120) resultierendes Empfangssignal (116) von einem Empfänger (114) des Ultraschallsensorsystems (102) empfangen wird, wobei zumindest ein Luftparameter (108) von Luft innerhalb der Luftstrecke (108) unter Verwendung einer Information über eine Länge (132) der Luftstrecke (110) und zumindest eines das Empfangssignal (116) charakterisierenden Signalparameters (118) bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs und Ultraschallsensorsystem
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs sowie ein entsprechendes Ultraschallsensorsystem.
Stand der Technik
Ein Fahrzeug kann ein Ultraschallsensorsystem aufweisen. Sensoren des Ultraschallsensorsystems senden Impulse aus und empfangen Echos dieser Impulse. Aus einer Laufzeit der Impulse wird unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit in Luft eine Entfernung zwischen dem Sensor und einem das Echo erzeugenden Objekt berechnet. Da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, wird eine Umgebungstemperatur durch einen Temperaturfühler des Fahrzeugs erfasst und zur Kompensation von temperaturbedingten Variationen der Schallgeschwindigkeit im Ultraschallsensorsystem verwendet.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs und ein entsprechendes Ultraschallsensorsystem, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Ultraschallsensorsystem eines Fahrzeugs zu verwenden, um zumindest einen Parameter der als Übertragungsmedium verwendeten Umgebungsluft mit Ultraschall zu erfassen. Dadurch kann der Parameter unmittelbar dort erfasst werden, wo er eine bestimmungsgemäße Entfernungsmessung des Ultraschallsensorsystems beeinflusst. Abweichungen durch eine Erfassung fern der Sensoren können so vermieden werden. Zum Erfassen des Parameters können Signalanteile verwendet werden, die herkömmlicherweise ausgefiltert und verworfen werden.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei zumindest ein Sendesignal von einem Sender des Ultraschallsensorsystems gesendet wird, eine bekannte Luftstrecke durchquert und zumindest ein aus dem Sendesignal resultierendes Empfangssignal von einem Empfänger des Ultraschallsensorsystems empfangen wird, wobei zumindest ein Luftparameter der Luftstrecke unter Verwendung einer Information über eine Länge der Luftstrecke und zumindest eines das Empfangssignal charakterisierenden Signalparameters bestimmt wird.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Ein Ultraschallsensorsystem kann mehrere über ein Fahrzeug verteilte, miteinander vernetzte Ultraschallsensoren und ein zentrales Steuergerät aufweisen. Ein Ultraschallsensor kann als Sender und als Empfänger konfiguriert sein. Der Ultraschallsensor kann in einem Messzyklus zu einem Sendezeitpunkt durch ein elektrisches Signal des Steuergeräts dazu angesteuert werden, einen oder mehrere Ultraschallimpulse als Sendesignal auszusenden. Nach einer Abklingdauer kann der Ultraschallsensor über eine Empfangsdauer ankommende Ultraschallwellen als Empfangssignal wieder in einem elektrischen Signal für das Steuergerät abbilden. Die ankommenden Ultraschallwellen können Echos des ausgesandten Sendesignals, Kreuzechos eines von einem anderen Ultraschallsensor ausgesandten Sendesignals oder auch direkt ein Sendesignal eines anderen Ultraschallsensors sein. Nach dem Ende der Empfangsdauer kann ein neuer Messzyklus beginnen. Im neuen Messzyklus kann der Ultraschallsensor auch in einer anderen Betriebsweise betrieben werden, also beispielsweise nur ankommende Ultraschallwellen als Empfangssignal in dem elektrischen Signal für das Steuergerät abbilden oder nur zum Senden von Sendesignalen angesteuert werden.
Unter Verwendung einer aus dem Sendezeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt des Empfangssignals resultierenden Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit im Medium kann ein Luftweg zwischen dem Sender und dem Empfänger berechnet werden. Wenn das Sendesignal an einem Objekt reflektiert wird und das Empfangssignal ein Echo oder Kreuzecho ist, kann aus der Laufzeit der Luftweg über das reflektierende Objekt berechnet werden.
Wenn derselbe Ultraschallsensor gesendet und empfangen hat, entspricht eine Entfernung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt dem halben Luftweg. Wenn unterschiedliche Ultraschallsensoren gesendet und empfangen haben, befindet sich das Objekt auf einem Rotationsellipsoiden, der durch eine geometrische Anordnung des Senders und des Empfängers am Fahrzeug, sowie durch den Luftweg definiert ist.
Der Ultraschallsensor kann während der Empfangsdauer auch unreflektierte, direkte Sendesignale von anderen Ultraschallsensoren des Fahrzeugs empfangen. Da die direkt empfangenen Sendesignale keine Information über reflektierende Objekte enthalten, werden die direkt empfangenen Sendesignale herkömmlicherweise verworfen. Auch Echos von bekannten Objekten, wie Bestandteilen des Fahrzeugs und der Straße werden herkömmlicherweise verworfen, da die Position der bekannten Objekte bekannt ist.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden Echos von bekannten Objekten zum Verbessern einer Messgenauigkeit des Ultraschallsensorsystems verwendet. Ebenso können direkt empfangene Sendesignale verwendet werden. Bei bekannten Objekten und direkt empfangenen Sendesignalen ist die Länge des Luftwegs mit einer hohen Genauigkeit bekannt. Daher können unter Verwendung der Echos von bekannten Objekten beziehungsweise der direkt empfangenen Sendesignale Eigenschaften der Luft auf dem durchquerten Luftweg bestimmt werden. Die Eigenschaften können durch Luftparameter repräsentiert werden. Allgemein und Speziell bei einer höheren Geschwindigkeit kann die Fahrzeuggeschwindigkeit in die Berechnung aufgenommen werden, da sich die Position des Empfängers zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt verändert haben kann. Die Veränderung der Position kann je nach Ausrichtung der Luftstrecke einen Einfluss auf die Länge der Luftstrecke haben.
Als Luftparameter kann eine Schallgeschwindigkeit in der Luftstrecke bestimmt werden. Als Signalparameter kann eine Laufzeit zwischen dem Senden des Sendesignals und dem Empfangen des Empfangssignals ausgewertet werden. Die Schallgeschwindigkeit kann unter Verwendung der bekannten Länge der Luftstrecke und der Laufzeit berechnet werden. Durch ein direktes Erfassen der Schallgeschwindigkeit ohne eventuelle Umrechnungsfehler beim Umrechnen einer gemessenen und eventuell von einer Temperatur in der Luftstrecke abweichenden Temperatur in die Schallgeschwindigkeit kann eine erhöhte Genauigkeit eines Werts der Schallgeschwindigkeit erreicht werden. Durch die Kenntnis der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit kann eine Messgenauigkeit des Ultraschallsensorsystems verbessert werden. Zusätzlich ist die Schallgeschwindigkeit von der Luftfeuchtigkeit abhängig, da sich die Molmasse in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit ändert. Der Einfluss im Vergleich zur Temperatur jedoch sehr klein. Durch die Messung über die bekannte Luftstrecke kann auch dieser Einfluss berücksichtigt werden.
Vom Sender kann ein Sendesignal über einen unbekannten Laufweg gesendet werden. Der unbekannte Laufweg kann von dem Sender zu einem unbekannten Objekt und von dem Objekt zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein am Objekt reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Der Laufweg kann unter Verwendung der gemäß dem hier vorgestellten Ansatz bestimmten Schallgeschwindigkeit und einer Laufzeit zwischen dem Senden des Sendesignals und dem Empfangen des Echos bestimmt werden. Die Berechnung der Schallgeschwindigkeit kann im gleichen Messzyklus erfolgen, wie die Bestimmung der Länge der Messtrecke. Zum Bestimmen der Laufzeit auf der bekannten Luftstrecke und der Laufzeit über den Laufweg kann dasselbe Sendesignal verwendet werden. Dann können zumindest zwei Empfangssignale innerhalb der Empfangsdauer empfangen werden. Ebenso können die Messungen in unterschiedlichen Messzyklen erfolgen.
Weiterhin kann eine Lufttemperatur von Luft innerhalb der Luftstrecke bestimmt werden. Ein Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Lufttemperatur ist durch physikalische Gesetzmäßigkeiten bekannt. Der Zusammenhang kann beispielsweise als Berechnungsvorschrift oder in Tabellenform hinterlegt sein. Durch die Bestimmung der Lufttemperatur können Einflüsse des Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Erwärmung der Karosserie des Fahrzeugs bei der Temperaturbestimmung ausgeschlossen werden.
Als Luftparameter kann eine durch Luft innerhalb der Luftstrecke bewirkte Dämpfung eines Signals bestimmt werden. Als Signalparameter kann eine Amplitudendifferenz zwischen einer Sendeamplitude des Sendesignals und einer Empfangsamplitude des Empfangssignals ausgewertet werden. Die Dämpfung kann unter Verwendung der Amplitudendifferenz und der Länge der Luftstrecke bestimmt werden. Unter Verwendung der aktuellen Dämpfung können Erwartungswerte für die Empfangsamplitude für verschiedene Laufzeiten bestimmt werden. Echos mit Empfangsamplituden, die im Wesentlichen den Erwartungswerten für ihre jeweilige Laufzeit entsprechen, sind mit einer hohen Sicherheit echte Echos. Entsprechend kann solchen Echos ein Sicherheitswert zugeordnet werden. Wenn eine Empfangsamplitude um mehr als eine Toleranz von dem Erwartungswert abweicht, kann dem Echo ein Unsicherheitswert zugeordnet werden. So können unsichere Echos verworfen werden und echte Echos weiterverarbeitet werden.
Weiterhin kann eine Luftfeuchtigkeit von Luft innerhalb der Luftstrecke bestimmt werden. Die Luftfeuchtigkeit kann unter Verwendung der Dämpfung und einer Temperatur bestimmt werden. Dabei kann die Temperatur durch einen Sensor des Fahrzeugs erfasst werden oder auch insbesondere unter Verwendung des hier vorgestellten Ansatzes erfasst werden. Die Luftfeuchtigkeit kann so ohne zusätzlichen Feuchtigkeitssensor des Fahrzeugs bestimmt werden. Unter Verwendung der Luftfeuchtigkeit kann auf aktuelle Straßenbedingungen und/oder Wetterbedingungen geschlossen werden. Beispielsweise kann die Straße bei einer hohen Luftfeuchtigkeit mit einer hohen Wahrscheinlichkeit feucht oder nass sein. Eine hohe Luftfeuchtigkeit in Kombination mit einer niedrigen Temperatur kann ein Anzeichen für aufkommenden Nebel sein. Die Luftstrecke kann von dem Sender zu einem Referenzobjekt am Fahrzeug und von dem Referenzobjekt zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein am Referenzobjekt reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Das Referenzobjekt kann beispielsweise ein Außenspiegel des Fahrzeugs und/oder ein Nummernschild des Fahrzeugs sein. Allgemein kann ein Referenzobjekt am Fahrzeug zumindest eine Teilfläche mit einer im Wesentlichen quer zu auftreffenden Schallwellen des Sendesignals ausgerichtete Oberfläche aufweisen. Dann resultiert ein deutliches Echo als Empfangssignal. Ein Referenzobjekt am Fahrzeug weist den Vorteil auf, dass seine Position relativ zu den Sensoren des Ultraschallsensorsystems eindeutig bekannt ist und sich über die Zeit nicht wesentlich verändert. Dadurch kann für wiederkehrende Bestimmungen des Luftparameters immer wieder dasselbe Referenzobjekt verwendet werden. Durch das Referenzobjekt am Fahrzeug können auch Referenzmessungen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden.
Die Luftstrecke kann von dem Sender zu einer Aufstandsfläche des Fahrzeugs und von der Aufstandsfläche zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein an der Aufstandsfläche reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Die Aufstandsfläche erzeugt durch eine sehr große Reflexionsfläche ein massives Echo. Das Echo von der Aufstandsfläche ist meist einfach zu identifizieren und kann sicher von anderen Echos unterschieden werden. Herkömmlicherweise kann das Echo der Aufstandsfläche verworfen werden. Durch eine Auswertung von Niveausensoren des Fahrzeugs kann die Länge der Luftstrecke mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden.
Dynamische Änderungen der Luftstrecke, beispielsweise aufgrund von Karosseriebewegungen des Fahrzeugs können über mehrere Messungen gemittelt werden. Das Ultraschallsensorsystem kann auch zumindest einen Referenzsensor aufweisen, der auf die Aufstandsfläche beziehungsweise das Referenzobjekt ausgerichtet ist. Der Referenzsensor kann damit im Wesentlichen an der Luftstrecke ausgerichtet sein und somit ein eindeutig zuordenbares Empfangssignal empfangen. Zusätzlich kann über eine Karte die Oberflächenart und -Struktur der Aufstandsfläche ausgelesen werden. Das erhöht die Genauigkeit des Ergebnisses.
Der Luftparameter kann für zumindest zwei unterschiedliche Luftstrecken bestimmt werden. Ein abgesicherter Luftparameter kann unter Verwendung der mehreren Luftparameter bestimmt werden. Beispielsweise können die Luftstrecken auf unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs angeordnet sein. Ebenso können sich die Luftstrecken von einem Sender aus in unterschiedliche Richtungen erstrecken und/oder aus unterschiedlichen Richtungen an einem Empfänger enden. Durch mehrere Luftstrecken können Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Luftbewegungen innerhalb der Luftstrecken kompensiert werden. Insbesondere wenn die Luftstrecken zwischen dem jeweiligen Sender, der Aufstandsfläche und dem jeweiligen Empfänger liegen, kann bezogen auf das Fahrzeug eine rechte Luftstrecke und eine linke Luftstrecke verwendet werden, um eine Schräglage des Fahrzeugs relativ zur Aufstandsfläche und/oder einen Höhensprung der Aufstandsfläche beispielsweise an einem Randstein erkennen zu können.
Das Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Ultraschallsensorsystem, das dazu ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.
Das Ultraschallsensorsystem kann ein elektrisches Gerät mit zumindest einer Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest einer Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, und zumindest einer Schnittstelle und/oder einer Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind, umfassen. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein sogenannter System-ASIC oder ein Mikrocontroller zum Verarbeiten von Sensorsignalen und Ausgeben von Datensignalen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen sein. Die Speichereinheit kann beispielsweise ein Flash- Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein. Die Schnittstelle kann als Sensorschnittstelle zum Einlesen der Sensorsignale von einem Sensor und/oder als Aktorschnittstelle zum Ausgeben der Datensignale und/oder Steuersignale an einen Aktor ausgebildet sein. Die Kommunikationsschnittstelle kann dazu ausgebildet sein, die Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Die Schnittstellen können auch Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Steuergeräts und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Messung mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Messung ohne eine gemäß einem Ausführungsbeispiel bestimmte Schallgeschwindigkeit. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 weist mehrere über das Fahrzeug 100 verteilt angeordnete Ultraschallsensoren 104 auf. Die Ultraschallsensoren 104 sind über ein Steuergerät 106 des Ultraschallsensorsystems 102 miteinander vernetzt.
Das Ultraschallsensorsystem 102 ist dazu ausgebildet, zumindest einen Luftparameter 108 innerhalb zumindest einer bekannten Luftstrecke 110 zwischen einem Sender 112 und einem Empfänger 114 des Ultraschallsensorsystems 102 zu bestimmen. Der Luftparameter 108 wird dabei unter Verwendung einer bekannten Länge der Luftstrecke 110 und zumindest einem in einem von dem Empfänger 114 empfangenen Empfangssignal 116 enthaltenen Signalparameter 118 bestimmt. Die Luftstrecke 110 ist dabei durch eine Geometrie des Fahrzeugs 100 vorgegeben.
Wenn der Empfänger 114 ein anderer Ultraschallsensor 104 ist als der Sender 112, kann das Empfangssignal 116 ein auf direktem Weg über die Luftstrecke 110 empfangenes Sendesignal 120 des Senders 112 sein. Ebenso kann das Empfangssignal ein an einem Referenzobjekt 122 reflektiertes Echo des Sendesignals 120 sein. Wenn der gleiche Ultraschallsensor 104 zum Senden und Empfangen verwendet wird, ist das Empfangssignal 116 immer ein Echo des zuvor ausgesendeten, am Referenzobjekt 122 reflektierten Sendesignals 120.
Bei dem direkten Empfang des Sendesignals 120 entspricht die Luftstrecke 110 einer Entfernung zwischen dem Sender 112 und dem Empfänger 114. Bei dem Empfang des Echos von dem Referenzobjekt 122 entspricht die Luftstrecke 110 einer Entfernung von dem Sender 112 zu dem Referenzobjekt 122 und von dem Referenzobjekt 122 zu dem Empfänger 114.
Das Referenzobjekt 122 ist hier ein Außenspiegel 124 des Fahrzeugs. Alternativ oder ergänzend für eine weitere Luftstrecke 110 kann das Referenzobjekt 122 auch ein Nummernschild 126 beziehungsweise ein Halter des Nummernschilds 126 sein.
Um den Luftparameter 108 zu bestimmen wird der Sender 112 von dem Steuergerät 106 über ein elektrisches Ansteuerungssignal dazu angesteuert, das Sendesignal 120 zu emittieren. Das Sendesignal 120 besteht dabei aus zumindest einem Ultraschallimpuls. Das Sendesignal 120 kann auch codiert emittiert werden und mehrere Ultraschallimpulse umfassen. Dabei können die Ultraschallimpulse unterschiedliche Frequenzen, Amplituden, Längen und Abstände zueinander aufweisen.
Das Sendesignal 120 breitet sich von dem Sender 112 im Wesentlichen als Kugelwelle beziehungsweise Teilbereich einer Kugelwelle durch die Luft aus.
Das Sendesignal 120 durchquert dabei auch zumindest einen Teilbereich der Luftstrecke 110. Während das Sendesignal 120 die Luft der Luftstrecke durchquert, beeinflusst die Luft das Sendesignal 120. Der Signalparameter 118 repräsentiert diese Beeinflussung.
Wenn das Sendesignal 120 auf das Referenzobjekt 122 trifft, wird es an einer Oberfläche des Referenzobjekts 122 reflektiert und als Echo des Sendesignals 120 ebenfalls kugelförmig vom Referenzobjekt 122 abgestrahlt. Das Echo oder das direkt empfangene Sendesignal 120 wird am Empfänger 114 als Empfangssignal 116 empfangen und wieder in einem elektrischen Signal abgebildet. Beim Abbilden wird auch der Signalparameter 118 zumindest implizit im elektrischen Signal abgebildet. Das Steuergerät 106 wertet das Empfangssignal 116 aus und extrahiert den Signalparameter 118. Zum Extrahieren kann das Steuergerät 106 auch das Ansteuerungssignal mit auswerten.
Die Reflexion am Referenzobjekt 122 erfolgt gerichtet. Wenn der gleiche Ultraschallsensor 104 zum Senden und Empfangen verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Referenzobjekts 122 näherungsweise in einem rechten Winkel zu einem Einfallswinkel des Sendesignals 120 ausgerichtet ist. Wenn ein anderer Ultraschallsensor als Empfänger 114 verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Referenzobjekts 122 näherungsweise tangential zu einem Rotationsellipsoid ausgerichtet ist, der Sender 112 und Empfänger 114 als Brennpunkte aufweist. Hier wird der gleiche Ultraschallsensor 104 als Sender 112 und Empfänger 114 verwendet. Eine Unterseite des Außenspiegels 124 ist näherungsweise senkrecht zu dem Einfallswinkel des Sendesignals 120 ausgerichtet.
In einem Ausführungsbeispiel wird als Luftparameter 108 eine Schallgeschwindigkeit 128 in der Luftstrecke 110 bestimmt. Dazu wird als Signalparameter 118 eine Laufzeit 130 des Sendesignals 120 und/oder des Echos verwendet bis das Empfangssignal 116 am Empfänger empfangen wird. Die Schallgeschwindigkeit 128 kann direkt aus der Länge 132 der Luftstrecke 110 und der Laufzeit 130 berechnet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Schallgeschwindigkeit 128 in eine Lufttemperatur 134 der Luftstrecke 110 umgerechnet. Die Schallgeschwindigkeit 128 in einem Übertragungsmedium ist abhängig von einer Dichte und einem Druck des Übertragungsmediums. Bei Luft ist die Dichte stark temperaturabhängig. Der Druck kann durch einen Drucksensor gemessen werden oder ein Druckwert aus beispielsweise einem Wetterbericht eingelesen werden. Der Luftdruck unter Normalbedingungen hat jedoch keinen großen Einfluss. Daher kann über eine Abschätzung in der Praxis eine genügende Genauigkeit erreicht werden. Aufgrund dieser Zusammenhänge kann aus der Schallgeschwindigkeit 128 die Lufttemperatur 134 berechnet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird als Luftparameter 108 eine Dämpfung 136 der Luftstrecke 110 bestimmt. Dazu wird als Signalparameter 118 eine Intensitätsdifferenz 138 zwischen dem Sendesignal 120 und dem Empfangssignal 116 verwendet. Die Intensitätsdifferenz 138 kennzeichnet dabei, wie stark sich das Sendesignal 120 auf dem Weg über die Luftstrecke 110 abschwächt. Ein Teil der Abschwächung ist dabei aufgrund der Streuung des Sendesignals 120 und des Echos geometrisch durch die Länge 132 der Luftstrecke 110 bedingt, ein anderer Teil ist durch zumindest eine Eigenschaft der Luft bedingt. Die Dämpfung 136 kann direkt aus der Länge 132 der Luftstrecke 110 und der Intensitätsdifferenz 138 berechnet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird der geometrieunabhängige Anteil der Dämpfung 136 in eine Luftfeuchtigkeit 140 der Luftstrecke 110 umgerechnet. Beim Umrechnen wird eine Temperatur berücksichtigt. Als Temperatur kann beispielsweise die zuvor bestimmte Lufttemperatur 134 verwendet werden. Ebenso kann ein Messwert eines Temperaturfühlers des Fahrzeugs 100 verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird im Steuergerät 106 ein abgesicherter Luftparameter 142 berechnet. Dazu kann beispielsweise ein Glättungsalgorithmus auf einen Verlauf des Luftparameters 108 angewendet werden. Durch den Glättungsalgorithmus können Ausreißer ausgefiltert werden und kurzfristige Störungen bei der Bestimmung des Luftparameters 108 kompensiert werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird der abgesicherte Luftparameter 142 unter Verwendung von zumindest zwei Luftstrecken 110 am Fahrzeug 100 bestimmt. Hier werden eine rechts am Fahrzeug 100 angeordnete rechte Luftstrecke 110 und eine symmetrisch dazu links am Fahrzeug 100 angeordnete linke Luftstrecke 110 verwendet. Bei der rechten Luftstrecke 110 wird der rechte Außenspiegel 124 als Referenzobjekt 122 verwendet. Bei der linken Luftstrecke 110 wird der linke Außenspiegel 124 als Referenzobjekt 122 verwendet. Alternativ können die Luftstrecken 110 auch zwischen je zwei Ultraschallsensoren 104 pro Seite des Fahrzeugs 100 angeordnet sein.
Unter Verwendung des an der rechten Luftstrecke 110 gemessenen rechten Signalparameters 118 wird der rechte Luftparameter 108 bestimmt. Unter Verwendung des an der linken Luftstrecke 110 gemessenen linken Signalparameters 118 wird der linke Luftparameter 108 bestimmt. Im Steuergerät 106 werden der rechte Luftparameter 108 und der linke Luftparameter 108 fusioniert und der abgesicherte Luftparameter 142 berechnet. Beispielsweise kann der abgesicherte Luftparameter 142 ein Mittelwert der beiden Luftparameter 108 sein. Ebenso können die Verläufe der beiden Luftparameter 108 unter Verwendung des Glättungsalgorithmus geglättet werden und Ausreißer verbessert kompensiert werden.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Ultraschallsensorsystem in Fig. 1. Zusätzlich dazu weist das Ultraschallsensorsystem 102 einen Referenzsensor 200 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Referenzsensor 200 auf eine Aufstandsfläche 202 des Fahrzeugs 100 gerichtet und wird insbesondere nur für die Bestimmung des Luftparameters 108 verwendet. Ein Abstand des Referenzsensors 200 von der Aufstandsfläche 202 entspricht der halben Luftstrecke 110. Um bei verschiedenen Beladungssituationen des Fahrzeugs 100 die genaue Länge 132 der Luftstrecke 110 zu kennen, wird ein Niveausignal 204 von zumindest einem Niveausensor 206 des Fahrzeugs 100 beim Bestimmen des Luftparameters 108 verwendet.
Dynamische Veränderungen der Luftstrecke 110 während der Fahrt des Fahrzeugs 100 können auch durch einen Glättungsalgorithmus des Luftparameters 108 über einen Mittelungszeitraum ausgeglichen werden.
Hier ist der Referenzsensor 200 am Außenspiegel 124 angeordnet und strahlt das Sendesignal 120 nach unten in Richtung der Aufstandsfläche 202 beziehungsweise Straße ab. An der Aufstandsfläche 202 wird das Sendesignal 120 als Echo reflektiert und wieder zurück zu dem Referenzsensor 200 geworfen. Am Referenzsensor 200 wird das Echo als Empfangssignal 116 empfangen und in dem elektrischen Signal abgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Ultraschallsensorsystem 102 zwei Referenzsensoren 200 auf. Die Referenzsensoren 200 sind an entgegengesetzten Seiten des Fahrzeugs 100 angeordnet. Durch zwei Referenzsensoren 200 können die Luftparameter 108 verwendet werden, um den abgesicherten Luftparameter 142 zu erhalten. Insbesondere kann durch den rechten Referenzsensor 200 und linken Referenzsensor 200 erkannt werden, ob die Aufstandsfläche 202 durch das Sendesignal 120 getroffen wird. Beispielsweise kann so ein Randstein oder Schlagloch neben dem Fahrzeug 100 einfach erkannt werden und die Bestimmung des Luftparameters 108 auf dieser Seite abgebrochen werden oder der auf dieser Seite bestimmte Luftparameter 108 verworfen werden.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Messung mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 ist wie in den Fign. 1 und 2 Bestandteil eines Fahrzeugs 100. Das Ultraschallsensorsystem 102 weist hier drei entlang einer Front, einer Seite oder einem Heck des Fahrzeugs verteilte Ultraschallsensoren 104 auf. Einer der Ultraschallsensoren 104 wird durch das Steuergerät 106 dazu angesteuert, das Sendesignal 120 zu senden. Das Sendesignal 120 breitet sich im Wesentlichen kugelförmig von dem Sender 112 aus. Das Sendesignal 120 trifft auf ein Objekt 300. Am Objekt 300 wird das Sendesignal 120 als Echo reflektiert. Das Echo breitet sich von dem Objekt 300 wieder kugelförmig aus. Der Sender 112 ist nach dem Senden als Empfänger 114 konfiguriert worden. Die anderen Ultraschallsensoren 104 sind bereits am Anfang des dargestellten Messzyklus als Empfänger 114 konfiguriert worden. Das Echo wird an allen drei Ultraschallsensoren 104 als Empfangssignal 116 empfangen und jeweils im elektrischen Signal für das Steuergerät 106 abgebildet.
Bevor das Echo den am nächsten am Sender 112 gelegenen Empfänger 114 erreicht, hat das Sendesignal 120 diesen Empfänger 114 bereits erreicht und wird von dem Empfänger 114 als Empfangssignal 116 empfangen und in dem elektrischen Signal für das Steuergerät abgebildet. Da eine Entfernung zwischen dem Sender 112 und dem Empfänger 114 bekannt ist, ist auch die Länge 132 der Luftstrecke 110 bekannt. Aus einem Zeitversatz zwischen dem Senden und dem Empfangen und der Länge 132 der Luftstrecke 110 berechnet das Steuergerät 106 die Schallgeschwindigkeit 128 auf der Luftstrecke 110 und verwendet die Schallgeschwindigkeit 128 für seine weiteren Berechnungen.
Aus dem Zeitversatz zwischen dem Senden des Sendesignals 120 und dem Empfangen der Echos und der bestimmten Schallgeschwindigkeit 128 berechnet das Steuergerät 106 jeweils einen Laufweg 302 des Sendesignals 120 zum Objekt 300 und des Echos zum jeweiligen Empfänger 114.
Aus dem Laufweg 302 kann noch keine Richtungsinformation beziehungsweise Position des Objekts 300 abgeleitet werden. Das Objekt 300 befindet sich auf einer Kugel um den Sender mit dem halben Laufweg 302 als Radius. Bei den anderen Ultraschallsensoren 104 liegt das Objekt 300 jeweils auf einem Rotationsellipsoiden, der den Sender 112 und den Empfänger 114 jeweils in den Brennpunkten angeordnet hat.
Da die Schallgeschwindigkeit 128 hier richtig bestimmt worden ist, schneiden sich die Ellipsoiden und die Kugel an einem einzelnen Punkt 304. Der Punkt 304 entspricht dabei dem Punkt auf einer Oberfläche des Objekts, an dem das Sendesignal 120 reflektiert worden ist. Eine Position des Objekts 300 kann so sehr exakt bestimmt werden. Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer Messung ohne eine gemäß einem Ausführungsbeispiel bestimmte Schallgeschwindigkeit. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in Fig. 3. Im Gegensatz dazu wird hier ein falscher Wert der Schallgeschwindigkeit verwendet, um die Laufwege 302 zu berechnen. Die verwendete Schallgeschwindigkeit ist zu hoch, weshalb die Laufwege 302 zu lang berechnet werden. Hier schneiden sich die Rotationsellipsoiden und die Kugel nicht in einem Punkt. Es ergeben sich mehrere Schnittpunkte 400, die jedoch mehr oder weniger weit von dem Objekt 300 entfernt liegen. Die Position des Objekts 300 kann so nur mit einer großen Unsicherheit bestimmt werden.
Mit anderen Worten wird eine Messung von beispielsweise Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit mit Ultraschallechos von bekannten Objekten vorgestellt.
In Ultraschallsystemen werden Laufzeiten von Ultraschallpulsen gemessen.
Diese Ultraschallsysteme werden auch für Fahrerassistenzsysteme und (teil)automatisiertes Fahren verwendet. Ein oder mehrere Sender eines Ultraschallsensorsystems emittieren einen wohldefinierten Puls, der von einem oder mehreren Objekten reflektiert und anschließend von einem oder mehreren Sensoren empfangen wird. Ein Sensor kann in einem Zyklus gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Die Laufzeit wird unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit in einen Laufweg umgerechnet. Da der Laufweg keine Winkelinformation enthält, ist nur bekannt, dass der Ort der Ultraschallpulsreflektion an einer Stelle auf der Oberfläche eines Rotationsellipsoids liegt, der durch die beiden Sensorpositionen als Brennpunkte und die Hälfte des Echolaufwegs als große Halbachse definiert ist. Wenn der Sender dem Empfänger entspricht, handelt es sich bei der Oberfläche um eine Kugeloberfläche.
Durch weitere empfangene Echos, die von dem gleichen oder einem anderen Sender emittiert wurden und von anderen oder dem gleichen Empfänger empfangen wurden, lassen sich weitere Rotationsellipsoide erstellen. Je nach Modellannahme kann das Reflektionsobjekt durch z.B. den Schnittpunkt der Rotationsellipsoide oder eine Tangentialebene an die Rotationsellipsoide bestimmt werden. Durch geeignete Kombination mehrerer Echos, teilweise über mehrere Sendezyklen hinweg, können Parameter (z.B. für Punkte die Koordinaten) des reflektierenden Objekts extrahiert werden. Die erwähnte Schallgeschwindigkeit hängt von der Lufttemperatur zwischen den Sensoren und dem reflektierenden Objekt ab. Für eine korrekte Laufwegmessung ist es daher essentiell diese Temperatur zu kennen. Außerdem hat die Dämpfung, die neben der Temperatur von der Luftfeuchtigkeit abhängt, einen Einfluss auf die Amplitude der empfangenen Echos. Die Amplitude wiederum ist relevant, um relevante Reflektionen von Rausch- oder Untergrundreflektionen zu unterscheiden.
Das Messprinzip lässt sich im dreidimensionalen Raum anwenden, indem Sensoren in unterschiedlichen Höhen verbaut werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in den Figuren eine zweidimensionale Geometrie angenommen.
In den Fign 3 und 4 sind drei Ultraschallsensoren und ein Objekt vor dem Fahrzeug gezeigt. In Fig. 3 ist die genaue Temperatur bekannt und die berechneten Echodistanzen entsprechen den tatsächlichen Echolaufwegen. Daher schneiden sich der Kreis und die beiden Ellipsen dort, wo das reflektierende Objekt steht. Dessen Position kann daher korrekt und zuverlässig bestimmt werden. In Fig. 4 wurde eine falsche Temperatur angenommen, weshalb die Echodistanzen inkorrekt berechnet wurden - in diesem Fall sind alle zu groß. Das führt dazu, dass es nicht mehr einen Schnittpunkt aller drei Rotationsellipsoiden, sondern drei Schnittpunkte von jeweils zwei der Rotationsellipsoide gibt, die alle nicht an der eigentlichen Objektposition liegen, sondern weiter weg vom Fahrzeug. (In einer dreidimensionalen Welt wird der gleiche Effekt beobachtet, wobei eine Verschiebung immer stattfindet und die mehrfachen Schnittpunkte bei mindestens vier Echos entstehen.)
Zusätzlich haben Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine Auswirkung auf die Dämpfung. Wenn diese falsch eingeschätzt wird, ist es schwieriger zu erkennen, ob ein empfangenes Echo von einem echten, relevanten Objekt oder dem Boden reflektiert wurde. Weiterhin hängt auch die Blindheitserkennung von der Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab. Ohne Kenntnis der Temperatur wird - bei einer Sicherheits-optimierten Einstellung der Sensoren - zu häufig eine Blindheit gemeldet, was zu einer Leistungsreduktion des Ultraschallsystems führt.
Die Sicherheitseinstufung des Ultraschallsystems kann immer nur so gut sein wie die der Temperaturmessung. In typischen Fahrerassistenzsystemen wird die vom Fahrzeug gemessene - und potentiell gefilterte - Außentemperatur an das Ultraschallsteuergerät weitergegeben. Diese erfüllt üblicherweise nicht die Sicherheitsanforderungen, welche für vollautonomes Fahren notwendig sind. Mit der hier vorgestellten Idee ist es möglich mithilfe der Ultraschallsensoren selbst die Temperatur zu messen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass dabei die Lufttemperatur vor den Sensoren und nicht die Temperatur der Fahrzeugkarosserie erfasst wird.
Durch den breiten Öffnungswinkel von Ultraschallsensoren kommt es vor, dass hervorstehende Teile der Karosserie manche Ultraschallpulse an die Sensoren zurückreflektieren. Normalerweise werden diese als ungewollte Echos herausgefiltert. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ausgenutzt, dass die Distanz von Sender zu Karosserieteil zu Empfänger bekannt ist. Über die bekannte Strecke und die gemessene Zeit kann die Schallgeschwindigkeit und damit die Lufttemperatur gemessen werden. Beispiele für nutzbare Karosserieteile sind die Außenspiegel und das Fahrzeugkennzeichen.
Alternativ oder zusätzlich können weitere Ultraschallsensoren im Fahrzeug verbaut werden und den direkten Abstand zur Straße messen. Wenn das auf beiden Seiten passiert, kann verhindert werden, dass fälschlicherweise der Abstand zu einer Bordsteinoberfläche oder anderen Objekten gemessen wird.
Nachdem die Temperatur berechnet oder von einem anderen Sensor gemessen wurde, kann die Dämpfung mithilfe von bekannten Echoamplituden von bekannten Reflektoren bestimmt werden. Als Reflektoren können wieder Fahrzeugteile oder auch die Umgebung verwendet werden, wobei bei letzterem der Untergrund bekannt sein sollte. Die Reflektivität des Untergrunds kann aus einer Karte eingelesen werden. Die Karte kann dabei entweder separat erstellt oder mit dem Ultraschallsystem eingelesen worden sein. Die Erstellung kann z.B. am Heimatstandort des Fahrzeugs vorgenommen werden.
Da die Dämpfung von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, kann mit dem Wissen der Dämpfung und der Temperatur die Luftfeuchtigkeit berechnet werden.
Es ist zu beachten, dass die Berechnung der Dämpfung und Luftfeuchtigkeit unabhängig von der Messung der Temperatur ist. Das heißt, dass die Temperatur mit dem dargestellten Verfahren alleine bestimmt werden kann und Dämpfung und Luftfeuchtigkeit auch dann gemessen werden können, wenn die Temperatur von einer anderen Quelle als diesem Ansatz bestimmt wurde.
In Fig. 2 sind am Fahrzeug zusätzliche Sensoren so verbaut, dass sie auf die Straße abstrahlen. Der Abstand von den Sensoren zur Straße ist bekannt und über die Höhe des Fahrzeugs über der Straße und die gemessene Echolaufzeit vom Sensor zur Straßenoberfläche und zurück wird die Schallgeschwindigkeit und Temperatur berechnet. In Fig. 1 werden die bereits am Fahrzeug verbauten Sensoren verwendet und der Abstand zu Karosserieteilen wie Außenspiegel oder Fahrzeugkennzeichen wird zur Berechnung von Schallgeschwindigkeit und Temperatur benutzt.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems (102) eines Fahrzeugs (100), wobei zumindest ein Sendesignal (120) von einem Sender (112) des Ultraschallsensorsystems (102) gesendet wird, eine bekannte Luftstrecke (110) durchquert und zumindest ein aus dem Sendesignal (120) resultierendes Empfangssignal (116) von einem Empfänger (114) des Ultraschallsensorsystems (102) empfangen wird, wobei zumindest ein Luftparameter (108) von Luft innerhalb der Luftstrecke (110) unter Verwendung einer Information über eine Länge (132) der Luftstrecke (110) und zumindest eines das Empfangssignal (116) charakterisierenden Signalparameters (118) bestimmt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem als Luftparameter (108) eine Schallgeschwindigkeit (128) in der Luftstrecke (110) bestimmt wird und als Signalparameter (118) eine Laufzeit (130) zwischen dem Senden des Sendesignals (120) und dem Empfangen des Empfangssignals (116) ausgewertet wird, wobei die Schallgeschwindigkeit (128) unter Verwendung der Information über die Länge (132) und der Laufzeit (130) berechnet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem vom Sender ein Sendesignal (120) über einen unbekannten Laufweg (302) gesendet wird, wobei der unbekannte Laufweg (302) von dem Sender (112) zu einem Objekt (300) und von dem Objekt (300) zu dem Empfänger (114) verläuft, wobei am Empfänger (114) als Empfangssignal (116) ein am Objekt (300) reflektiertes Echo des Sendesignals (120) empfangen wird, wobei der Laufweg (302) unter Verwendung der gemäß Anspruch 2 bestimmten Schallgeschwindigkeit (128) und einer Laufzeit (130) zwischen dem Senden des Sendesignals (120) und dem Empfangen des Echos bestimmt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Luftparameter (108) eine auf ein Signal bewirkte Dämpfung (136) bei einem Durchlaufen der Luftstrecke (110) bestimmt wird und als Signalparameter (118) eine Amplitudendifferenz (138) zwischen einer Sendeamplitude des Sendesignals (120) und einer Empfangsamplitude des Empfangssignals (116) ausgewertet wird, wobei die Dämpfung (136) unter Verwendung der Amplitudendifferenz (138) und der Information über die Länge (132) bestimmt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem als Luftparameter (108) eine Luftfeuchtigkeit (140) von Luft innerhalb der Luftstrecke (110) bestimmt wird, wobei die Luftfeuchtigkeit (140) unter Verwendung der Dämpfung (136) und einer Temperatur bestimmt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luftstrecke (110) von dem Sender (112) zu einem Referenzobjekt (122) am Fahrzeug (100) und von dem Referenzobjekt (122) zu dem Empfänger (114) verläuft, wobei am Empfänger (114) als Empfangssignal (116) ein am Referenzobjekt (112) reflektiertes Echo des Sendesignals (120) empfangen wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luftstrecke (110) von dem Sender (112) zu einer Aufstandsfläche (202) des Fahrzeugs (100) und von der Aufstandsfläche (202) zu dem Empfänger (114) verläuft, wobei am Empfänger (114) als Empfangssignal (116) ein an der Aufstandsfläche (202) reflektiertes Echo des Sendesignals (120) empfangen wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Luftparameter (108) für zumindest zwei unterschiedliche Luftstrecken (110) bestimmt wird, wobei ein abgesicherter Luftparameter (142) unter Verwendung der mehreren Luftparameter (108) bestimmt wird.
9. Ultraschallsensorsystem (102), wobei das Ultraschallsensorsystem (102) dazu ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in entsprechenden Einrichtungen auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
10. Computerprogrammprodukt, das dazu eingerichtet ist, einen Prozessor bei Ausführung des Computerprogrammprodukts dazu anzuleiten, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.
11. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das
Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 gespeichert ist.
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