NIEDERSCHLAGINTENSITÄT MITTELS ULTRASCHALLMESSDATEN

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Niederschlag insbesondere an einem Fahrzeug und ein Steuergerät zum Messen von Niederschlag.

Stand der Technik

Regen kann durch einen Regensensor eines Fahrzeugs erkannt werden. Der Regensensor erkennt eine Intensität des Regens aufgrund unterschiedlicher Benetzungen einer Frontscheibe des Fahrzeugs. Ein Scheibenwischerintervall kann durch den Regensensor beeinflusst werden. Dabei ist es jedoch nicht möglich eine tatsächliche Regenmenge zu bestimmen. Eine Messung der Regenmenge kann durch volumetrische Messgeräte erfolgen. Diese Messgeräte sind in der Regel ortsgebunden und Teil eines meteorologischen Messnetzes.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Messen von Niederschlag und ein Steuergerät zum Messen von

Niederschlag, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 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, mit einem Ultraschallsensorsystem, insbesondere

Ultraschallsensoren eines Fahrzeugs, Niederschlag zu quantifizieren. In

Kombination mit einem Positionsbestimmungssystem des Fahrzeugs kann bestimmt werden, wo es wieviel geregnet hat. Diese Information kann zur Vorhersage von Überschwemmungsereignissen und zur Vorhersage von Straßenzuständen verwendet werden.

Es wird ein Verfahren zum Messen von Niederschlag vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Einlesen von Datenpaketen zumindest eines Ultraschallsensors, wobei in einem Datenpaket durch den Ultraschallsensor innerhalb eines Messzeitfensters erfasste Anregungen abgebildet sind, wobei die Anregungen als Zeitwerte abgebildet sind, wobei der Zeitwert einen Erfassungszeitpunkt einer Anregung repräsentiert;

Erkennen von Anregungen als Tropfenereignisse, wobei eine Anregung als durch einen Impuls eines auftreffenden Tropfens hervorgerufenes Tropfenereignis erkannt wird, wenn der Zeitwert der Anregung zumindest ein Merkmal eines Tropfenereignisses erfüllt; und

Bestimmen einer Niederschlagsintensität unter Verwendung einer Anzahl pro Zeiteinheit erkannter Tropfenereignisse.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Ein Ultraschallsensor kann als Umfeldsensor eines Fahrzeugs verwendet werden. Der Ultraschallsensor kann jedoch auch ortsfest als

Niederschlagssensor angeordnet sein. Beim Senden wird eine Oberfläche des Ultraschallsensors durch eine elektrische Anregung in Schwingung versetzt. Die Schwingung wird als Ultraschall in die umgebende Luft abgestrahlt. Nach dem Senden ist der Ultraschallsensor für ein Messzeitfenster empfangsbereit. Die elektrische Anregung kann beispielsweise durch einen Piezokristall in die Schwingung umgewandelt werden. Der Ultraschall wird an Objekten reflektiert und als Echo zurückgeworfen. Wenn das Echo auf die Oberfläche trifft, wird beim Empfangen die Oberfläche wieder zu Schwingungen angeregt. Die

Schwingungen werden in einem elektrischen Signal abgebildet. Die

Schwingungen können beispielsweise durch den Piezokristall in dem

elektrischen Signal abgebildet werden. Aus einer Laufzeit zwischen dem

Emittieren des Ultraschalls und dem Empfangen des Echos kann eine

Entfernung zu dem Objekt ermittelt werden. Wenn das Echo nach Ablauf des Messzeitfensters auftrifft liegt das Objekt außerhalb eines Erfassungsbereichs des Ultraschallsensors.

Beim Aufprall eines Tropfens auf die Oberfläche des Ultraschallsensors wird ein Impuls des Tropfens auf die Oberfläche übertragen. Der Impuls regt die

Oberfläche ebenfalls zu einer Schwingung an. Die Oberfläche wird insbesondere zu einer Schwingung nahe einer Eigenfrequenz der Oberfläche angeregt. Der Ultraschallsensor zeichnet auch diese Schwingung auf und bildet sie in dem elektrischen Signal ab.

Da der Ultraschallsensor bei einem Tropfenereignis zu einer Schwingung mit der Eigenfrequenz oder näherungsweise der Eigenfrequenz angeregt wird, schwingt die Oberfläche mit einer großen Amplitude. Dementsprechend wird die Anregung durch den Tropfen im elektrischen Signal durch einen starken Signalausschlag abgebildet. Durch den starken Ausschlag kann das Tropfenereignis erkannt werden.

Ein Tropfenereignis kann erkannt werden, wenn innerhalb eines dem Datenpaket vorausgehenden und/oder nachfolgenden Datenpakets keine Anregung mit einem ähnlichen Zeitwert abgebildet ist. Jeder Tropfen ist einzigartig und unterscheidet sich geringfügig von anderen Tropfen. Daher ist jedes

Tropfenereignis anders als weitere Tropfenereignisse und tritt nur einmal auf. Wenn über mehrere Messzeiträume eine Anregung mit einem ähnlichen Zeitwert erkannt wird, repräsentiert diese Anregung mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Echo von einem tatsächlichen Objekt und wird folglich nicht als Tropfenereignis gewertet.

Ein Tropfenereignis kann erkannt werden, wenn in unterschiedlichen, das gleiche Messzeitfenster abbildenden Datenpaketen zumindest zweier

Ultraschallsensoren keine Anregung mit dem gleichen Zeitwert abgebildet ist. Unterschiedliche Ultraschallsensoren können zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb des gleichen Messzeitfensters Tropfenereignisse abbilden. Innerhalb eines Messzeitfensters können an einem Ultraschallsensor auch mehrere Tropfenereignisse aufgezeichnet werden. Wenn die Zeitwerte zweier

Anregungen auf unterschiedlichen Ultraschallsensoren gleich sind, ist eine Signalquelle wahrscheinlich eine elektromagnetische Einkopplung in die Ultraschallsensoren beispielsweise durch einen Blitz.

Kein Tropfenereignis kann erkannt werden, wenn in unterschiedlichen

Datenpaketen zweier Ultraschallsensoren zwei Zeitwerte von zwei Anregungen um eine Zeitdauer verschieden sind, die einer Laufzeit eines Schallsignals zwischen den Ultraschallsensoren entspricht. Insbesondere kann kein

Tropfenereignis erkannt werden, wenn die Zeitwerte um eine Zeitdauer verschieden sind, die kleiner oder gleich der Laufzeit zwischen den

Ultraschallsensoren ist. Zwei Ultraschallsensoren können innerhalb des gleichen Messzeitfensters dasselbe Schallsignal empfangen. Dabei erreichen die Schallwellen zuerst den ersten Ultraschallsensor und dann den zweiten

Ultraschallsensor. Die Anregung durch das Schallsignal kann ignoriert werden.

Im Schritt des Einlesens können ferner Intensitätswerte der Anregungen eingelesen werden. Der Intensitätswert kann eine Amplitude der Anregung repräsentieren. Ein Tropfenereignis kann erkannt werden, wenn der

Intensitätswert zumindest ein Merkmal eines Tropfenereignisses erfüllt. Bei einem Echo kann aus der Intensität beziehungsweise Amplitude auf eine Wahrscheinlichkeit geschlossen werden, dass es sich tatsächlich um ein Echo von einem Objekt handelt. Anhand der Intensitätswerte von Tropfenereignissen kann die Tropfengröße bestimmt und damit die Niederschlagsmenge genauer berechnet werden

Im Schritt des Einlesens können ferner Frequenzwerte der Anregungen eingelesen werden. Der Frequenzwert kann eine Frequenz der Anregung repräsentieren. Ein Tropfenereignis kann erkannt werden, wenn der

Frequenzwert zumindest ein Merkmal eines Tropfenereignisses erfüllt. Die Sensoren codieren die Ultraschallsignale indem sie die Frequenz auf charakteristische Weise innerhalb eines Sendevorgangs ändern. Regentropfen erzeugen diese Frequenzverläufe in der Regel nicht. Dadurch kann eine Anregung durch Regentropfen von einer Anregung durch Echos unterschieden werden. Beispielsweise kann der Ultraschallsensor auch Frequenzrampen beziehungsweise Frequenzsweeps emittieren. Die Anregung durch den Tropfen kann dann mit einer anderen Frequenz erfolgen, als aufgrund der emittierten Frequenz erwartet wird. Das Tropfenereignis kann so ebenfalls erkannt werden.

Die Niederschlagsintensität kann ferner unter Verwendung einer

Aufprallgeschwindigkeit der die Tropfenereignisse verursachenden Tropfen bestimmt werden. Die Aufprallgeschwindigkeit steht im Zusammenhang mit dem Impuls des Tropfens. Wenn die Aufprallgeschwindigkeit bekannt ist, kann auf eine Masse des Tropfens geschlossen werden. Bei der gleichen Anzahl Tropfen fällt bei größeren Tropfen eine größere Niederschlagsmenge als bei kleineren Tropfen.

Die Aufprallgeschwindigkeit kann unter Verwendung einer

Fahrzeuggeschwindigkeit eines den Ultraschallsensor aufweisenden Fahrzeugs und/oder einer Windgeschwindigkeit an dem Ultraschallsensor bestimmt werden. Die Aufprallgeschwindigkeit kann durch eine Vektoraddition der

Fahrzeuggeschwindigkeit und der Windgeschwindigkeit bestimmt werden. Dabei kann eine Geschwindigkeitskomponente quer zu einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs vernachlässigt werden, da eine Fallgeschwindigkeit von Tropfen in Luft bekannt ist.

Ein Tropfenereignis kann ferner unter Verwendung eines in dem Datenpaket abgebildeten Nachschwingzeitwerts der Anregung bestimmt werden. Ein

Nachschwingzeitwert kennzeichnet eine Schwingungsdauer des

Ultraschallsensors nach der Anregung. Ein Tropfenereignis klingt mit der systemspezifischen Dämpfung des Ultraschallsensors ab, da der Impuls des Tropfens eine einmalige Anregung darstellt. Eine Anregung durch einen Tropfen klingt im Vergleich zu einer Anregung durch ein empfangenes Echo schneller ab, da das Echo mehrere aufeinanderfolgende Ultraschallimpulse umfassen kann.

Die Tropfenereignisse können nicht ausgewertet werden, wenn ein Objekt in einem Spritzbereich vor dem Ultraschallsensor erkannt wird. Auch von anderen Fahrzeugen oder dem eigenen Fahrzeug hochgerissene Tropfen regen den Ultraschallsensor zum Schwingen an. Diese Anregungen würden die

Bestimmung der Niederschlagsintensität verfälschen und können ignoriert werden. Spritzwasser und Schwallwasser von anderen Fahrzeugen würde als eine zu hohe Niederschlagsintensität bewertet werden. Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens aufweisen, in dem eine die Niederschlagsintensität repräsentierende Niederschlagsinformation und eine zu der Niederschlagsinformation zugehörige Positionsinformation für ein

übergeordnetes Informationsnetzwerk bereitgestellt werden. Die

Niederschlagsinformation kann beispielsweise für einen Wetterdienst zur Verfügung gestellt werden. Damit können Niederschlagsinformationen von vielen Fahrzeugen gesammelt und verarbeitet werden. So kann die

Niederschlagsintensität nahezu flächendeckend erfasst werden. Vorhersagen von Wetterereignissen können so verbessert werden.

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 Steuergerät zum Messen von Niederschlag, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, die Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.

Das Steuergerät 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 eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind, sein. 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 als Verfahren und Ultraschallsensorsteuergerät beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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 Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Signals eines Ultraschallsensors mit einer Anregung durch ein Tropfenereignis; und

Fig. 3 zeigt eine Darstellung von Datenpaketen eines Ultraschallsensors aus einer Vielzahl von Messzeiträumen.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Vorhersage einer Aquaplaninggefahr durch genaue Niederschlagsmessung. Durch die Vorhersage kann die

Verfügbarkeit autonomer Fahrten erhöht werden.

Bei einem leichten Regenschauer fällt in 10 Minuten eine Niederschlagsmenge zwischen 0,1 mm und 0,4 mm. Bei einem mäßigen Regenschauer fällt in 10 Minuten eine Niederschlagsmenge zwischen 0,4 mm und 2 mm. Bei einem starken Regenschauer fällt in 10 Minuten eine Niederschlagsmenge zwischen 2 mm und 8 mm. Bei einem sehr starken Regenschauer fällt in 10 Minuten eine Niederschlagsmenge ab 8 mm.

Bei leichtem Regen fällt in einer Stunde eine Niederschlagsmenge zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Bei mäßigem Regen fällt in einer Stunde eine

Niederschlagsmenge zwischen 0,5 mm und 4 mm. Bei starkem Regen fällt in einer Stunde eine Niederschlagsmenge zwischen 4 mm und 10 mm.

Wetterstationen im Abstand von mehreren Kilometern können die Niederschläge messen. Die Messung erfolgt dabei in der Regel durch die Integration einer Regenmenge über einen größeren Zeitraum.

Zur Steuerung der Scheibenwischeraktivität können Regensensoren verwendet werden. Bei einem innen an der Windschutzscheibe angebrachten Regensensor, der die Wischerbetätigung entsprechend der Wassermenge auf der Scheibe steuert, sendet eine LED (Leuchtdiode) infrarotes Licht aus. Bei trockener Scheibe wird dieses Licht fast vollständig reflektiert, sodass die Fotodiode viel Licht empfängt. Je mehr Wasser auf der Scheibe ist, desto geringer ist die Lichtreflektion. Die Wischer arbeiten schneller. Integrierte Lichtsensoren schalten bei zunehmender Dunkelheit und bei Einfahrt in einen Tunnel automatisch die Scheinwerfer ein.

Der Unterschied zum echten Niederschlagsmesser besteht darin, dass nicht die exakte Niederschlagsmenge gemessen wird, sondern nur sekundäre Effekte wie die Benetzung oder die Sichtbehinderung einer beregneten Scheibe registriert werden.

Der Regensensor misst bei starkem Regen eine sehr geringe Lichtreflexion und lässt die Wischer mit maximaler Geschwindigkeit arbeiten. Sehr viele Tropfen nebeneinander zerfließen jedoch auf der Sensorfläche ineinander und bewirken, dass nicht weniger, sondern mehr Licht reflektiert wird. Darum lässt sich die tatsächliche Regenmenge nur begrenzt mit den herkömmlichen Sensoren erfassen. Eine quantitative Messung der Niederschlagsmenge ist bei starkem Regen nicht mehr möglich.

Regentropfen können die Abstandsmessung mit Ultraschallsystemen stören, da diese beim Auftreffen auf die Sensoroberfläche zum Teil sehr intensive

Ultraschallgeräusche verursachen. Der Aufprall des Tropfens regt den Sensor dazu an, mit dessen Eigenfrequenz zu schwingen. Die Eigenfrequenz des Sensors ist so gewählt, dass diese der Arbeitsfrequenz des Sensors entspricht. Dadurch resultiert eine hohe Empfindlichkeit des Sensors für aufprallende Regentropfen. Bei stehendem Fahrzeug oder bei geringen

Bewegungsgeschwindigkeiten und normalem Regen sind kaum Beeinflussungen messbar. Insbesondere bei Nieselregel oder Gischt scheint die Energie der Tropfen nicht auszureichen, um den Sensor anzuregen. Bei größeren

Geschwindigkeiten und leichtem Regen ist dies aber der Fall, allerdings auch nur bei den in Fahrtrichtung vorderen Sensoren. Es wird viel Entwicklungsaufwand betrieben, um die Abstandsmessung auch bei stärkerem Regen durchführen zu können, vor allem wenn sich das Fahrzeug mit höherer Geschwindigkeit bewegt und dadurch die Tropfen besonders schnell auf der Sensorfläche auftreffen.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Steuergerät 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuergerät 102 wertet Datenpakete 104 von Ultraschallsensoren 106 des Fahrzeugs 100 aus. Die Datenpakete 104 empfängt das Steuergerät 102 über eine Datenleitung des Fahrzeugs 100. Das Steuergerät 102 ist dazu ausgebildet, eine Niederschlagsintensität unter

Verwendung von in den Datenpaketen 104 abgebildeten Tropfenereignissen 108 zu bestimmen.

Ein Tropfenereignis 108 repräsentiert einen Impuls eines auf den

Ultraschallsensor 106 auftreffenden Tropfens 110. Der Tropfen 110 überträgt beim Aufprall seinen Impuls auf den Ultraschallsensor 106 und regt diesen zu einer Schwingung mit seiner Eigenfrequenz an. Ein Zeitpunkt der Anregung und eine Intensität der Anregung werden in einem elektrischen Signal abgebildet. Die Anregung unterscheidet sich dabei nicht von einer Schwingung, die durch ein empfangenes Echo 112 eines zuvor ausgesandten Ultraschallsignals 114 hervorgerufen wird. In einem Datenpaket 104 werden alle Anregungen abgebildet, deren Zeitpunkte der Anregung innerhalb eines Messzeitfensters nach dem Aussenden des Ultraschallsignals 114 liegen und deren Intensitäten größer als ein Schwellenwert sind. Zu jeder Anregung wird zumindest ein den Zeitpunkt repräsentierender Zeitwert in dem Datenpaket 104 abgebildet. Mit dem Aussenden des nächsten Ultraschallsignals 114 beginnt ein neues Messzeitfenster. Im neuen Messfenster erfasste Anregungen werden in einem neuen Datenpaket 104 abgebildet.

Bei einem tatsächlichen Echo 112 bildet der Zeitpunkt der Anregung eine Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals 114 und der Ankunft des Echos 112 ab. Die Laufzeit ist proportional zu einer Entfernung zwischen dem Ultraschallsensor 106 und einem das Ultraschallsignal 114

zurückwerfenden Objekt 116.

Bei einem Tropfenereignis 108 bildet der Zeitpunkt der Anregung nur den Zeitpunkt ab, an dem der Tropfen 110 auf den Ultraschallsensor 106 getroffen ist.

In einem Datenpaket kann ferner zu jeder Anregung ein die Intensität

repräsentierender Intensitätswert abgebildet werden. Die Intensität der Anregung ist bei einem tatsächlichen Echo 112 proportional zu der Entfernung, da sich das Ultraschallsignal 114 und das Echo 112 mit zunehmender Entfernung

abschwächen. Zusätzlich ist die Intensität eines echten Echos 112 abhängig von einer Oberflächenbeschaffenheit des Objekts 116 und einer Ausrichtung des Objekts 116.

Bei einem Tropfenereignis 108 bildet die Intensität den Impuls und damit eine Aufprallenergie des Tropfens 110 ab. Der Impuls ist abhängig von einer Masse des Tropfens 110 und einer Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens 110. Die Masse repräsentiert eine Größe des Tropfens 110. Die Aufprallgeschwindigkeit ist abhängig von einer Horizontalgeschwindigkeit des Tropfens 110 in der Luft und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs 100.

Die Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens 110 entspricht einer Geschwindigkeit eines Fahrtwinds am Fahrzeug 100. Der Fahrtwind kann über eine einen

Staudruck vor dem Fahrzeug 100 erfasst werden. Beispielsweise kann der Fahrtwind über eine Drehgeschwindigkeit eines angeströmten Lüfterrads des Fahrzeugs 100 erfasst werden. Somit kann die Aufprallgeschwindigkeit rechnerisch aus dem Impuls kompensiert werden. Damit ist die Intensität der Anregung abhängig von der Tropfengröße. Das Steuergerät 102 weist eine Erkennungseinrichtung 118 und eine

Bestimmungseinrichtung 120 auf. In der Erkennungseinrichtung 118 werden die Tropfenereignisse 108 aus den in den Datenpaketen 104 abgebildeten

Anregungen gefiltert. Dazu werden die Anregungen auf Merkmale von

Tropfenereignissen 108 überprüft. In der Bestimmungseinrichtung 120 werden die Tropfenereignisse 108 gezählt und eine Tropfenrate beziehungsweise eine

Anzahl der Tropfenereignisse pro Zeiteinheit gebildet. Eine

Niederschlagsintensität ist umso hoher, je mehr Tropfenereignisse 108 pro Zeiteinheit gezählt werden können. Die Bestimmungseinrichtung 120 bildet die Niederschlagsintensität in einer Niederschlagsinformation 122 ab.

Wenn eine Anregung des Ultraschallsensors 106 durch ein von dem Objekt 116 zurückgeworfenes Echo 112 hervorgerufen wird, ergeben sich in mehreren aufeinander abfolgenden Messzeitfenstern Anregungen mit ähnlichen

Intensitäten und Zeitpunkten. Das Messzeitfenster ist beispielsweise 70

Millisekunden lang. Selbst bei einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen dem

Fahrzeug 100 und dem Objekt 116 verändert sich der Zeitpunkt der Anregung über mehrere Messzeitfenster wenig. Anregungen zu ähnlichen Zeitpunkten und/oder ähnlichen Intensitäten über mehrere Messfenster hinweg werden nicht als Tropfenereignisse 108 erkannt.

Anregungen durch Tropfen 110 sind statistisch verteilt und folgen keinem Muster. In zumindest einem vorausgehenden Messzeitfenster und zumindest einem nachfolgenden Messzeitfenster wird bei einem echten Tropfenereignis 108 keine Anregung zu einem ähnlichen Zeitpunkt wie in dem Messzeitfenster registriert.

Zusätzlich trifft ein Tropfen 110 nur auf einen Ultraschallsensor 106. Zeitgleiche Anregungen können nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit durch zwei zeitgleich auftreffende Tropfen 110 hervorgerufen werden. Zeitgleiche

Anregungen mehrerer Ultraschallsensoren werden nicht als Tropfenereignisse 108 erkannt.

Anregungen an benachbarten Ultraschallsensoren 106, die maximal mit einem Zeitversatz registriert werden, der einer Laufzeit eines akustischen Signals zwischen den Ultraschallsensoren entspricht, werden ebenfalls nicht als

Tropfenereignisse 108 erkannt.

In einem Ausführungsbeispiel werden die Tropfenereignisse unter

Berücksichtigung der Tropfengröße gezählt. Dabei werden auch die

Intensitätswerte der Tropfenereignisse 108 berücksichtigt. Die

Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens 110 kann aus dem Intensitätswert herausgerechnet werden, um die Tropfengröße zu erhalten. Damit kann die Niederschlagsmenge mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Steuergerät 102 ferner eine

Bereitstellungseinrichtung 124 auf, über die die Niederschlagsinformationen 122 und zu den Niederschlagsinformationen 122 zugehörige Positionsinformationen 126 für ein übergeordnetes Informationsnetzwerk 128 bereitgestellt werden. Die Niederschlagsinformationen 122 und Positionsinformationen 126 werden drahtlos übertragen. Die Positionsinformationen 126 werden von einem

Positionserfassungssystem 130 des Fahrzeugs 100 eingelesen.

Für die Berechnung einer Gefahr für überspülten Straßen sendet das Fahrzeug 100 die Niederschlagsmenge zusammen mit der GPS-Position an eine Cloud. Die Gefahr für eine Überspülung ist sehr von der Straße und der Umgebung abhängig. Ebenfalls mit Hilfe der Ultraschallsensorik kann das Fahrzeug erfassen, wie hoch das Wasser auf der Straße steht und sendet diese

Information ebenfalls an die Cloud. Dadurch kann die Cloud lernen, bei welchem Straßenabschnitt welche Niederschlagsmenge über welchen Zeitraum zu welchem Wasserstand und zu Überspülungen führt.

EMV und Störgeräusche aus der Umgebung können zu ähnlichen

Messergebnissen wie Regentropfen führen. Um diese Störungen von

Regentropfen unterscheiden zu können, werden nicht nur die Signale der nach vorne gerichteten Sensoren ausgewertet. Da sich die Störungen in der Regel nicht ausschließlich auf einen einzelnen der vorderen Sensoren beschränken sondern gleichzeitig auf mehrere Sensoren gleichzeitig und auch auf die hinteren Sensoren auswirken, kann das Steuergerät 102 die Störungen durch das Einbeziehen aller Sensoren identifizieren. Signale, die von mehreren

benachbarten Sensoren zur gleichen Zeit erfasst werden können, werden nicht als Regentropfen interpretiert. Zusätzlich kann in Umgebungen mit hohem Störungsniveau dieses über den Durchschnitt der Signale der hinteren Sensoren berechnet werden, wenn durch Messung der Windgeschwindigkeit

ausgeschlossen werden kann, dass durch Rückenwind Regen auf die hinteren Sensoren getragen wird. Zur Berechnung der tatsächlichen Niederschlagsmenge wird das Störungsniveau von den Messwerten der vorderen Sensoren abgezogen.

Die Sensoren weisen außerdem ein natürliches Messrauschen auf, das ebenfalls zur fälschlichen Erkennung von Objekten führt (false positive oder FP-Objekte). Die Sensoren werden so ausgelegt, dass theoretisch 20% der FP-Objekte auf das Messrauschen zurückzuführen sind. Durch diese Auslegung ist

gewährleistet, dass auch sehr schwache Echos 112 noch vom Sensor erkannt, an das Steuergerät 102 weitergeleitet und von diesem ausgewertet werden können. Kleine Regentropfen verursachen bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr ähnliches Objektmuster wie das Messrauschen, dennoch kann erhöhter Niederschlag durch eine Erhöhung der Intensität erkannt werden. Die Anzahl fälschlich erkannter Objekte durch Messrauschen kann für jeden Sensor mit der Zeit individuell stärker oder schwächer werden und kann auch von

Umgebungsbedingungen wie der Temperatur abhängig sein. Sollte sich allerdings die Anzahl dieser Objekte an allen vier Sensoren plötzlich deutlich erhöhen, obwohl die Umgebungsbedingungen sich nur unwesentlich geändert haben, dann kann diese Erhöhung sehr gut einem erhöhten Niederschlag zugeschrieben werden. Wenn die Anzahl der FP-Objekte 20% wesentlich überschreitet, dann kann diese Überschreitung sehr gut dem Niederschlag zugeschrieben werden. Außerdem ist die Anzahl und die

Erkennungswahrscheinlichkeit der Objekte, die dem Messrauschen

zugeschrieben werden kann, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit, während die Anzahl und die Erkennungswahrscheinlichkeit der Objekte, die den Regentropfen zugeschrieben werden können, sich mit steigender

Aufprallgeschwindigkeit erhöhen. FP-Objekte durch Niederschlag können also besonders gut bei häufig variierender Fahrzeuggeschwindigkeit von FP-Objekten durch Messrauschen unterschieden werden.

Windgeräusche und Nässe können das Rauschen an den Sensoren erhöhen und dadurch auch die Anzahl an FP-Objekten über 20% steigen lassen. Darum ist es günstig die Anzahl an erwarteten FP-Objekten mit Hilfe des berechneten

Rauschlevels zu kompensieren d.h. für die Bestimmung der Anzahl der

Regentropfen die Anzahl der erwarteten FP-Objekte wegen des Rauschens von der Anzahl der gemessenen FP-Objekte abzuziehen. Immer wenn ein„Objekt" nur einmalig innerhalb eines Messfensters erkannt wurde während im vorausgehenden und im nachfolgenden Messfenster das Objekt nicht erkannt wurde, dann lässt dies einen Regentropfen vermuten. Wenn das Objekt allerdings zur selben Zeit von benachbarten Sensoren erkannt wurde, dann lässt dies auf eine EMV-Störung schließen. Immer wenn das Objekt zur annähernd gleichen Zeit von benachbarten Sensoren erkannt wurde, dann lässt dies auf ein Störgeräusch schließen. Die maximale Zeitdifferenz kann mit Hilfe des Sensorabstandes von z.B. 0,343 m und der Schallgeschwindigkeit von z.B. 343 m/s zu 1ms berechnet werden. Die gemeldete Abstandsinformation des

Sensors kann bei der Erkennung eines Regentropfens verworfen werden, da die Anregung des Sensors nicht durch den Empfang eines Echos 112 geschehen ist. Um die Größe und Aufprallgeschwindigkeit besonders genau berechnen zu können, kann der Sensor den Absolutwert der Anregung an das Steuergerät 102 melden. Alternativ kann der Sensor auch den berechneten Durchschnittswert an das Steuergerät 102 senden damit das Steuergerät 102 zusammen mit der Erkennungswahrscheinlichkeit den Absolutwert der Anregung berechnen kann.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Signals 200 eines Ultraschallsensors mit einer Anregung 202 durch ein Tropfenereignis 108. Das Signal 200 bildet eine

Intensität 204 von Schwingungen des Ultraschallsensors über einen

Messzeitraum 206 ab. Der Ultraschallsensor entspricht dabei beispielsweise einem Ultraschallsensor, wie er in Fig. 1 abgebildet ist. Der Messzeitraum 206 beginnt mit dem Aussenden eines hier nicht dargestellten Ultraschallsignals durch den Ultraschallsensor. Der Ultraschallsensor wird durch auftreffende

Schallwellen zu Schwingungen angeregt. Der Ultraschallsensor wird auch durch ein Umgebungsgeräusch 208 zu Schwingungen angeregt. Schwingungen durch das Umgebungsgeräusch 208 können nur durch ihre Intensität 204 von

Schwingungen durch Echos des Ultraschallsignals unterschieden werden.

In dem Signal werden alle Schwingungen des Ultraschallsensors abgebildet. Auch die durch die Impulsübertragung beim Aufprall des Tropfens während des Tropfenereignisses 108 hervorgerufene Schwingung ist in dem Signal 200 wie empfangener Schall abgebildet.

Um Anregungen 202 durch echte Echos und Tropfenereignisse 108 von dem Umgebungsgeräusch 208 unterscheiden zu können, wird im Ultraschallsensor ein gleitender Mittelwert 210 der Intensitäten 204 gebildet. Der gleitende Mittelwert 210 wird beispielsweise um einen Betrag und/oder Faktor hin zu höheren Intensitäten 204 verschoben und ergibt einen adaptiven Grenzwert 212. Anregungen, die größere Intensitäten 204 aufweisen, als der Grenzwert 212 werden in dem zu diesem Messzeitraum 206 zugehörigen Datenpaket als Datensatz 214 abgebildet. Der Datensatz 214 umfasst dabei zumindest einen den Zeitpunkt der Anregung 202 repräsentierenden Zeitwert 216 und einen die maximale Intensität 204 der Anregung 202 repräsentierenden Intensitätswert 218.

Der Datensatz 214 kann auch den Wert des Grenzwerts 212 zu dem Zeitwert 216 und/oder den Mittelwert 210 und/oder eine Zeitdauer der Anregung 202 umfassen. Der Grenzwert 212 beziehungsweise Mittelwert 210 können als Rauschlevel bezeichnet werden.

Ein Ultraschallsystem berechnet beispielsweise über ein Messfenster von 70 Millisekunden die Schallintensität. Dabei berechnet es für jede Millisekunde einen Durchschnittswert aus vorhergehenden und nachfolgenden Intensitäten (Moving Average). Ist die Schallintensität der betrachteten Millisekunde um einen kleinen Schwellwert höher als der Durchschnittswert, dann meldet der Sensor ein Objekt mit niedriger Wahrscheinlichkeit an das Steuergerät (Adaptive Threshold). Ist die Schallintensität außerdem um einen großen Schwellwert höher als der

Durchschnittswert, dann meldet der Sensor stattdessen ein Objekt mit hoher Wahrscheinlichkeit.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung von Datenpaketen 104 eines Ultraschallsensors aus einer Vielzahl von Messzeiträumen. Ein Datenpaket 104 repräsentiert jeweils einen Messzeitraum, wie er beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Die innerhalb eines Messzeitraums erfassten Anregungen 202 sind in Spalten eines

Diagramms dargestellt, das auf der Abszisse eine fortlaufende Zeit in Sekunden [s] und auf der Ordinate eine Entfernung in Zentimetern [cm] angetragen hat. Ein Entfernungswert einer Anregung 202 entspricht dem Zeitwert innerhalb des jeweiligen Messzeitraums. Ein Grauwert der Anregung 202 entspricht dem Intensitätswert der Anregung 202.

Zusätzlich ist auf der Ordinate eine Lautstärke des Umgebungsgeräuschs 208 in den Messzeiträumen angetragen. Das Umgebungsgeräusch 208 ist in Dezibel [dB] angetragen. Gerade bei starkem Regen ist von Interesse, wie groß die Niederschlagsmenge genau ist, weil mit dieser Information die Vorhersage von plötzlich überspülten Straßen und damit Aquaplaning zuverlässiger gemacht werden kann.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wertet das Steuergerät die Störgeräusche aus, die von den Regentropfen verursacht werden, um daraus die genaue

Niederschlagsmenge zu berechnen. Dies kann gleichzeitig oder abwechselnd zur Objekterkennung mittels Echo-Ortung und/oder einer Feuchtigkeitserkennung unter Verwendung der Ultraschallsensoren geschehen.

Die Regentropfen verursachen einen plötzlich auftretenden und schnell abklingenden Ton in Höhe der Eigenfrequenz des Sensors. Je größer der Tropfen ist und je größer die Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens auf dem Sensor ist, umso größer ist die gemessene Schallintensität und Nachschwingzeit der Anregung. Die gemessene Intensität bzw. Nachschwingzeit wird zur

Berechnung der Tropfengröße durch die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit (Raddrehzahlsensorik) und Windgeschwindigkeit (Lüfterrad) korrigiert. Das Steuergerät zählt wie viele, wie große Regentropfen in welcher Zeit gemessen wurden und berechnet daraus die genaue Niederschlagsmenge. Da auch entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge z.B. durch Gischt einen Einfluss auf die den Sensor treffenden Tropfen haben können, werden insbesondere Messungen ausgewertet, bei denen keine entgegenkommenden und vorausfahrenden Fahrzeuge im Umfeld erkannt wurden (Ultraschall-Echo- Ortung, Radar, Video oder Lidar).

Mit anderen Worten zeigt Fig. 3 Messungen des vorderen seitlichen Sensors bei einer Durchfahrt durch ein Aquaplaningbecken bei Fahrzeuggeschwindigkeiten zwischen 30 km/h und 100 km/h.

Der Rauschlevel 208 nimmt bei der Durchfahrt durch das Aquaplaningbecken deutlich zu, weshalb zu dieser Zeit auch vermehrt FP-Objekte erkannt werden. Im weiteren Verlauf nehmen Rauschlevel 208 und Anzahl der FP-Objekte wieder ab.

Eine Beispielrechnung erfolgt unter der Annahme eines Sensordurchmessers von zwei cm beziehungsweise einer Sensoroberfläche von 314,16 mm ² und einem Messfenster von 70 ms. Bei einer Fallgeschwindigkeit von sechs m/s, einer Windgeschwindigkeit von null km/h, einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h beziehungsweise 13,89 m/s, einem Tropfendurchmesser von einem mm beziehungsweise einem Volumen von 0,52 mm ³ trifft ein Tropfen mit 15,13 m/s beziehungsweise einer Aufprallenergie von 50,5 mJ auf den Sensor.

Bei zwei Millimeter Niederschlag innerhalb von 600 Sekunden befinden sich innerhalb eines Kubikmeters Luft 1061 Tropfen. Es treffen 4,63 Tropfen pro Sekunde beziehungsweise alle 0,216 Sekunden ein Tropfen auf einen Sensor. Unter Berücksichtigung des Messfensters von 0,07 Sekunden wird in 32,4% all Messungen ein Tropfen registriert. Bei vier Sensoren trifft sogar alle 0,054 Sekunden ein Tropfen auf einen der vier Sensoren.

Bei starkem bis sehr starkem Schauer (8 mm/10 min) sind 130% der Messungen vom Aufprall von Regentropfen betroffen, es kommt also in mehr als 30% der Messungen vor, dass zwei Tropfen während eines Messfensters auf den Sensor treffen, wobei diese trotzdem getrennt voneinander gemessen werden können.

Bei mäßigem bis starkem Schauer (2 mm/10 min) sind wie gezeigt 32,4% aller Messungen betroffen. Bei leichtem bis mäßigem Schauer (0,4 mm/10 min) sind immer noch 6,4% aller Messungen betroffen, was einer Tropfen messung alle 0,27 Sekunden beim Einsatz von vier nach vorne gerichteten Sensoren entspricht.

Bei doppelter Fahrzeuggeschwindigkeit treffen ungefähr doppelt so viele Tropfen auf die Sensoroberfläche, wobei sich die Aufprallenergie der Tropfen

vervierfacht.

Die Niederschlagsmenge kann quantitativ sehr genau und über einen sehr großen Messbereich erfasst werden. Dabei können auch sehr kurzfristige Niederschlagsänderungen gut erfasst werden. Die Robustheit der Warnung vor Aquaplaning steigt.

Die autonome Fahrt muss nicht wegen stärkerem Regen beendet werden, wenn mit Ultraschall zuverlässig die Regenmenge gemessen und Aquaplaning durch plötzlich überspülte Straßen ausgeschlossen werden kann.

Es können mehr genaue Niederschlagsmessungen in kleineren Gebieten erhoben und dem Wetterdienst zur Verfügung gestellt werden. Mit Hilfe dieser Daten gelingt es dem Wetterdienst besser lokale Wetterereignisse wie Sommergewitter zumindest kurzfristig vorherzusagen. Eine bessere Vorhersage von lokalen Überflutungen wird möglich.

Es kann das ohnehin in sehr vielen Fällen verbaute Ultraschallsystem für den Parkpiloten für die Regenerkennung verwendet werden. Es entstehen keine zusätzlichen Bauteilkosten. Die Regenintensität wird berechnet und zum Teil mit Unterstützung von Informationen aus der Cloud eine Aquaplaningwarnung generiert.

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.