Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines akustischen Sensors

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum

Betreiben eines akustischen Sensors.

Insbesondere bei Umfelderfassungssystemen im Automobilbereich ist es wünschenswert, die Höhe eines Objektes bestimmen zu können, um damit eine Überfahrbarkeit des Objektes zu klassifizieren.

Zur Umfelderfassung im Nahbereich eines Fahrzeuges werden typischerweise Ultraschallsysteme mit bis zu sechs Sensoren pro Stoßfänger eingesetzt. Die Systeme aus dem Stand der Technik können, da sie in einer Ebene verbaut sind, über Trilateration die laterale Position eines Objektes erfassen, jedoch kann die Objektposition nicht in einer Elevation bestimmt werden.

Ein Ansatz, die Überfahrbarkeit dennoch zu bestimmen, besteht darin, den Echoamplitudenverlauf zu verfolgen. Reflexe auf Sensorebene zeigen bei Annäherung eine höhere Signalamplitude als bodennahe Objekte, deren

Echoamplitude aufgrund des schmalen vertikalen Öffnungswinkels stark abnimmt. Dieser Ansatz scheitert jedoch, wenn keine relative Bewegung zwischen Objekt und Fahrzeug stattfindet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Fahrzeug steht oder sich senkrecht zum Objekt bewegt.

Bei hochautomatisierten Systemen kommt dem Anwendungsfall der

Anfahrtfreigabe nach Startup (Fahrzeug steht) eine besondere Bedeutung zu. Hierfür ist eine Kenntnis einer Objekthöhe bereits erforderlich, wobei das

Fahrzeug typischerweise steht. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines akustischen Sensors umfasst ein Aussenden eines akustischen Signals mittels des akustischen Sensors, wobei ein erster Signalanteil des akustischen Signals eine erste Frequenz aufweist und ein zweiter Signalanteil des akustischen Signals eine zweite Frequenz aufweist, wobei ein Öffnungswinkel des akustischen Sensors für die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich ist, ein Empfangen des akustischen Signals mittels des akustischen Sensors, nachdem dieses an einem Objekt reflektiert wurde und ein Auswerten des empfangenen akustischen Signals, um basierend auf einer Signalamplitude des ersten Signalanteils und einer Signalamplitude des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals einen Elevationswinkels zu ermitteln, wobei der Elevationswinkel eine Positionsabweichung des Objektes von einer Sensorachse des akustischen Sensors beschreibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines akustischen Sensors umfasst eine Steuervorrichtung, welche dazu eingerichtet ist ein akustisches Signal mittels des akustischen Sensors auszusenden, wobei ein erster

Signalanteil des akustischen Signals eine erste Frequenz aufweist und ein zweiter Signalanteil des akustischen Signals eine zweite Frequenz aufweist, wobei ein Öffnungswinkel des akustischen Sensors für die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich ist, das akustische Signal mittels des akustischen Sensors zu empfangen, nachdem dieses an einem Objekt reflektiert wurde, und das empfangene akustische Signal auszuwerten, um basierend auf einer Signalamplitude des ersten Signalanteils und einer Signalamplitude des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals einen

Elevationswinkels zu ermitteln, wobei der Elevationswinkel eine

Positionsabweichung des Objektes von einer Sensorachse beschreibt.

Der akustische Sensor ist dabei ein Sensor, der auf dem Echoprinzip arbeitet.

Der Öffnungswinkel des akustischen Sensors ist ein Winkel, welcher einen Bereich definiert, in welchem das akustische Signal von dem akustischen Sensor in seine Umwelt abgegeben wird. Der Öffnungswinkel beschreibt dabei insbesondere einen Wnkel zwischen der Sensorachse und einer von dem akustischen Sensor ausgehenden Senderichtung, wobei eine Signalamplitude des akustischen Signals für eine zugehörige Frequenz signifikant abnimmt, wenn der Winkel größer als der Öffnungswinkel ist. Der einer Frequenz zugehörige Öffnungswinkel ist zumeist nicht scharf abgegrenzt. Der Öffnungswinkel gibt typischerweise den Wnkel an, bei dem die Sendeamplitude um 3 dB abfällt. Erfindungsgemäß ist es jedoch nicht notwendig den einer Frequenz zugehörigen Öffnungswinkel genau zu kennen, solange der Öffnungswinkel des akustischen Sensors für die erste Frequenz und die zweite Frequenz bei gleichartiger Betrachtung unterschiedlich ist. Es ist somit ausreichend, wenn der

Öffnungswinkel bekannt ist, wobei eine grobe und somit nicht genaue Angabe über den Öffnungswinkel hinreichend ist.

Das empfange akustische Signal ist das an einem Objekt reflektierte

ausgesendete akustische Signal. Daher umfasst das empfangene akustische Signal ebenfalls den ersten Signalanteil und den zweiten Signalanteil des akustischen Signals. Das bedeutet, dass das empfange akustische Signal und das ausgesendete akustische Signal zueinander korrespondierende

Signalanteile aufweisen.

Der Elevationswinkel ist ein Wnkel zwischen der Sensorachse und einer Senderichtung, in welcher das Objekt gelegen ist, an dem das akustische Signal reflektiert wurde. Durch den Elevationswinkel wird bei entsprechender

Anbringung des akustischen Sensors eine Höhenlage des Objektes beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei einer entsprechenden Anordnung des akustischen Sensors auch eine Lage des Objektes gegenüber dem akustischen Sensor in einer horizontalen Ebene ermittelt werden kann.

Erfindungsgemäß erfolgt durch das Ändern einer Frequenz des akustischen Signals eine Variation des Öffnungswinkels des akustischen Sensors. Eine Änderung des Öffnungswinkels des akustischen Sensors wird somit durch Modulation der Sendefrequenz erreicht. Es wird darauf hingewiesen, dass dies bei einer Vielzahl von aktuellen Ultraschallsensoren bereits der Fall ist, ohne dass diese speziell dafür entwickelt wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines akustischen Sensors bzw. die dazugehörige Vorrichtung können somit mit einer Vielzahl von akustischen Sensoren genutzt werden, welche oftmals auch besonders kostengünstig verfügbar sind. Dies schließt jedoch nicht aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die

erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit akustischen Sensoren betrieben werden kann, welche speziell so ausgeführt sind, dass ein Öffnungswinkel des akustischen Sensors sich mit der Frequenz des akustischen Signals verändert.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Das akustische Signal ist bevorzugt ein Chirp. Ein Chirp ist ein Signal mit einer sich über einen Zeitverlauf ändernden, insbesondere kontinuierlich ändernden, Frequenz. Durch solch einen Chirp werden besonders viele Frequenzen, also besonders viele Signalanteile unterschiedlicher Frequenz, in einem akustischen Signal bereitgestellt. Gleichzeitig kann durch einen Chirp eine weitere

Optimierung des akustischen Sensors für sein Umfeld erfolgen, so kann beispielsweise das akustische Signal des akustischen Sensors nach einer Reflektion an dem Objekt von solchen Signalen unterschieden werden, welche von anderen Sensoren ausgesandt werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das akustische Signal ein gepulstes Signal mit Pulsen jeweils konstanter Frequenz ist. Dadurch wird es besonders einfach, einen Signalanteil des ausgesandten akustischen Signals in dem empfangenen akustischen Signal zu identifizieren. Das Verfahren mit gepulsten

Festfrequenzen, also eine Verwendung eines gepulsten Signals mit Pulsen jeweils konstanter Frequenz, funktioniert besonders gut, wenn eine große Anzahl von Pulsen mit unterschiedlichen Frequenzen genutzt wird.

Auch ist es vorteilhaft, wenn bei dem Auswerten des empfangenen akustischen Signals ein Normieren der Signalamplituden des ersten Signalanteils und des zweiten Signalanteils erfolgt, und der Elevationswinkels basierend auf einer normierten Signalamplitude des ersten Signalanteils und einer normierten Signalamplitude des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals ermittelt wird. Bei dem Normieren werden die Signalamplituden bevorzugt mit einem frequenzabhängigen Korrekturfaktor multipliziert. Dadurch kann bei einer Auswertung ausgeglichen werden, dass eine Signalamplitude von solchen Signalanteilen, denen ein weiter Öffnungswinkel zugehörig ist, zumeist geringer ist als eine Signalamplitude von solchen Signalanteilen, welchen ein geringerer Öffnungswinkel zugehörig ist, da bei einem geringeren Öffnungswinkel eine Energie des jeweiligen Signalanteils fokussierter abgegeben wird. Auch ist es vorteilhaft, wenn bei dem Auswerten des empfangenen akustischen Signals auf eine Richtcharakteristik des akustischen Sensors zugegriffen wird, welcher für die erste Frequenz und für die zweite Frequenz einen

Zusammenhang zwischen Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals und Elevationswinkel definiert. Durch die Richtcharakteristik des akustischen Sensors werden alle für das Auswerten relevanten Informationen in einem einzigen Datensatz zusammengefasst. Die Richtcharakteristik wird dabei bevorzugt durch Tabellen oder Kurven beschrieben.

Auch ist es vorteilhaft, wenn das Auswerten des empfangenen akustischen Signals, um den Elevationswinkels zu ermitteln, eine Trilateration umfasst, wobei eine Lage des Objektes gegenüber dem akustischen Sensor in einem

Azimuthwinkel, insbesondere in einer horizontalen Richtung gegenüber dem akustischen Sensor, beschrieben wird, und eine Korrektur der Richtcharakteristik basierend auf dem Azimuthwinkel erfolgt. So kann ein Einfluss einer

Positionsabweichung des Objektes in einer Richtung, welche nicht durch den Elevationswinkel beschrieben wird, kompensiert werden.

Auch ist es vorteilhaft, wenn ein horizontaler Öffnungswinkel des akustischen Sensors größer ist als ein vertikaler Öffnungswinkel des akustischen Sensors.

Dabei ist der vertikale Öffnungswinkel ein Winkel, welcher in einer gemeinsamen Ebene mit dem Elevationswinkel liegt. Der horizontale Öffnungswinkel ist ein Winkel, welcher in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der gemeinsamen Ebene steht, in welcher der Elevationswinkel liegt. Es erfolgt bevorzugt eine

entsprechende Anordnung des akustischen Sensors, so dass der horizontale Öffnungswinkel in einer horizontalen Ebene liegt und der vertikale

Öffnungswinkel in einer vertikalen Ebene liegt. Der horizontale Öffnungswinkel liegt bevorzugt in einem Bereich von ± 60°, der vertikale Öffnungswinkel liegt bevorzugt in einem Bereich von ± 30°. Mit dem Bereich ist dabei bevorzugt eine Abweichung von 5° anzusehen. Bei solchen Öffnungswinkeln ergibt sich der Vorteil, dass ein Einfluss von ungewollten Reflexionen, insbesondere

Bodenreflexionen, gering gehalten wird und zugleich der Unterschied für die Öffnungswinkel für unterschiedliche Frequenzen in vertikaler Richtung größer ist als in horizontaler Richtung. Somit kann eine Höhe von Objekten besonders gut erkannt werden.

Bevorzugt ist der akustische Sensor ein Ultraschallsensor, welcher ein

Membrantropfdesign aufweist. Solche akustischen Sensoren sind weit verbreitet und weisen bereits die für den akustischen Sensor notwendigen Eigenschaften auf. Es ist somit möglich, das Verfahren auf bereits bestehende Sensorsysteme anzuwenden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Auswerten des empfangenen akustischen Signals, um einen Elevationswinkel zu ermitteln, in Reaktion darauf ausgeführt wird, dass ein den akustischen Sensor umfassendes System gestartet wurde oder ein Vorhandensein eines Objektes detektiert wurde. Insbesondere wird das Verfahren so lange widerholt, bis ein vorgegebener Zeitraum verstrichen ist, kein Objekt mehr detektiert wird oder ein alternatives System betriebsbereit ist.

Gerade wenn das den akustischen Sensor umfassendes System gestartet wurde, liegt oftmals eine Situation vor, in welcher beispielsweise ein das System umfassendes Fahrzeug sich in einem Stillstand befindet und andere Verfahren zum Ermitteln eines Elevationswinkels nicht funktionsfähig sind. Eine besonders einfache Signalverarbeitung kann erreicht werden, wenn das erfindungsgemäße Auswerten des empfangenen akustischen Signals erst gestartet wird, wenn überhaupt ein Objekt detektiert wurde. Auf diese Weise können

Systemressourcen und Energie gespart werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine Darstellung eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zum

Betreiben eines akustischen Sensors gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines akustischen Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 3 eine graphische Darstellung einer Richtcharakteristik eines akustischen Sensors, welche einen Zusammenhang zwischen einem Elevationswinkel, einer Signalamplitude des

empfangenen akustischen Signals und einer zugehörigen Frequenz darstellt. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines akustischen Sensors 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren wird dabei von einer Vorrichtung zum Betreiben des akustischen Sensors 1 ausgeführt, wobei die Vorrichtung eine Steuervorrichtung 4 und den akustischen Sensor 1 umfasst.

Die Vorrichtung zum Betreiben des akustischen Sensors 1 ist in Figur 2 dargestellt, wobei die Vorrichtung an einem Fahrzeug 5 angeordnet ist. Dabei ist der akustische Sensor 1 an einer Front des Fahrzeuges 5 angeordnet. Der akustische Sensor 1 ist mit der Steuervorrichtung 4 gekoppelt, welche beispielsweise eine analoge Signalverarbeitungseinheit, welche beispielsweise eine Filterbank umfasst, oder eine digitale Signalverarbeitungseinheit ist. Eine Sensorachse 3 des akustischen Sensors 1 ist so ausgerichtet, dass ein vor dem Fahrzeug 5 gelegenes Umfeld des Fahrzeuges 5 erfasst wird. So werden mittels des akustischen Sensors 1 solche Objekte 2 erfasst, welche sich vor dem Fahrzeug 5 befinden.

Der akustische Sensor 1 hat eine primäre Erfassungsrichtung. Diese primäre Erfassungsrichtung wird durch eine Sensorachse 3 des akustischen Sensors 1 beschrieben. Das bedeutet beispielsweise, dass der akustische Sensor 1 eine maximale Reichweite in Richtung der Sensorachse 3 aufweist. Es ist ersichtlich, dass die Sensorachse 3 kein physikalisches Bauelement ist, sondern lediglich eine Eigenschaft des akustischen Sensors 1 beschreibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird gestartet, wenn die Vorrichtung zum Betreiben des akustischen Sensors 1 in Betrieb genommen wird. Dies ist typischerweise dann der Fall, wenn das Fahrzeug 5 in Betrieb genommen wird. Ein erster Verfahrensschritt 101 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit in Reaktion darauf ausgeführt, dass ein den akustischen Sensor 1 umfassendes System gestartet wird.

In dem ersten Verfahrensschritt 101 erfolgt ein Aussenden eines akustischen Signals mittels des akustischen Sensor 1 , wobei ein erster Signalanteil des akustischen Signals eine erste Frequenz aufweist und ein zweiter Signalanteil des akustischen Signals eine zweite Frequenz aufweist. So wird von dem akustischen Sensor entweder ein Chirp ausgesendet oder es wird ein gepulstes Signal mit Pulsen jeweils konstanter aber unterschiedlicher Frequenz

ausgesendet. Ist das akustische Signal ein Chirp, so weist dieses eine kontinuierlich über die Zeit veränderliche Frequenz auf. Der erste Signalanteil und der zweite Signalanteil sind dabei bestimmte Zeitbereiche in dem Chirp. Ist das akustische Signal ein gepulstes Signal mit Pulsen jeweils konstanter Frequenz, so wird für einen ersten Zeitraum ein akustisches Signal mit der ersten Frequenz und für einen darauf folgenden Zeitraum das akustische Signal mit der zweiten Frequenz ausgesendet. Der zeitbereich des akustischen Signals, in dem dieses die erste Frequenz aufweist wird als erster Signalanteil bezeichnet, der Anteil des akustischen Signals in dem dieses die zweite Frequenz aufweist wird als zweiter Signalanteil bezeichnet. Zwischen dem ersten Signalanteil und dem zweiten Signalanteil kann das akustische Signal weitere Signalanteile mit beliebiger Frequenz umfassen. Alternativ erfolgt der zweite Signalanteil zeitlich unmittelbar auf den ersten Signalanteil.

Das akustische Signal kann beliebig viele Signalanteile haben, die mit dem gleichen Verfahren ausgewertet werden. Je mehr„Frequenzstützstellen“ existieren, desto besser funktioniert das Verfahren und genauer wird die

Winkelermittlung. Ist das akustische Signal ein linearer Chirp ergibt sich der Vorteil, dass viele Frequenzen innerhalb kurzer Zeit durchfahren werden und damit viele Stützstellen vorliegen.

Ein Öffnungswinkel des akustischen Sensors 1 ist für die erste Frequenz und die zweite Frequenz unterschiedlich. Der Öffnungswinkel ist dabei ein Winkel zwischen einer von dem akustischen Sensor 1 ausgehenden Richtung und der Sensorachse 3, wobei eine Signalamplitude des akustischen innerhalb der durch den Öffnungswinkel definierten Senderichtung des akustischen Sensors 1 größer ist als außerhalb dieser durch den Öffnungswinkel definierten Senderichtung. Entsprechend ist eine Signalamplitude eines von dem Objekt 2 reflektierten akustischen Signals größer, wenn sich das reflektierende Objekt 2 in der durch den Öffnungswinkel definierten Senderichtung des akustischen Sensors 1 befindet, als wenn dieses außerhalb liegt. Entsprechend würde bei der in Figur 2 links dargestellten beispielhaften Lage des Objektes 2 das reflektierte akustische Signal eine höhere Signalamplitude aufweisen als bei der in Figur 2 rechts dargestellten beispielhaften Lage des Objektes 2. Dies gilt sowohl für den ersten Signalanteil mit der ersten Frequenz als auch für den zweiten Signalanteil mit der zweiten Frequenz.

Der Öffnungswinkel definiert keinen scharf begrenzten Bereich. So können auch Reflexionen des akustischen Signals zu dem akustischen Sensor 1

zurückgeworfen und empfangen werden, wenn dieses außerhalb eines durch den Öffnungswinkel definierten Bereichs liegt. Allerdings fällt eine

Signalamplitude des reflektierten akustischen Signals und somit des

empfangenen akustischen Signals für die erste Frequenz und die zweite

Frequenz unterschiedlich schnell ab, wenn das Objekt 2 aus der Sensorachse 3 heraus bewegt wird.

Der akustische Sensor 1 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform ein Ultraschallsensor. Dieser weist ein Membrantopfdesign auf. Das bedeutet, dass ein Boden eines Membrantopfes als Membran dient und mittels eines

anregenden Elementes, beispielsweise eines Piezoelementes zu Schwingungen angeregt wird. Solche Ultraschallsensoren mit Membrantopfdesign sind weit verbreitet und weisen eine günstige Richtcharakteristik auf. Ultraschallsensoren haben sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen eine gerichtete Schallabstrahlung und Empfindlichkeit. Typischerweise liegt der horizontale Öffnungswinkel im Bereich von +/-60 , der vertikale Öffnungswinkel bei +/- 30°. Die enge Schallabstrahlung in der vertikalen ist darin begründet, unerwünschte Bodenreflexionen zu vermeiden, da diese eine höhere Ausblendungsschwelle und damit eine geringere Empfindlichkeit des Sensors bedingen.

Der Öffnungswinkel der Schallabstrahlung ist bei Ultraschallsensoren mit Membrantopfdesign abhängig von dem Verhältnis von Wellenlänge zu

Membrantopfdurchmesser. Letzterer ist ein festes geometrisches Designmerkmal des Wandlers und kann naturgemäß während des Betriebs nicht verändert werden. Die Wellenlänge hingegen kann durch die Sendefrequenz beeinflusst werden. Um die typischen oben genannte Öffnungswinkel zu erreichen, werden die Sensoren bei ca. 15mm Membranaußendurchmesser üblicherweise um 48 kHz betrieben. Bei höheren Sendefrequenzen ergeben sich kleinere

Öffnungswinkels, bei niedrigeren Frequenzen größere Öffnungswinkels. Die sich daraus ergebende frequenzabhängige Richtcharakteristik ist somit ebenfalls ein Designmerkmal eines Wandlers. Alternativ können auch andere akustische Sensoren genutzt werden, da viele akustische Sensoren für unterschiedliche Frequenzen einen unterschiedlichen Öffnungswinkel aufweisen. Bevorzugt ist der akustische Sensor 1 ein solcher Sensor, bei dem dieses Verhalten besonders ausgeprägt ist.

Nach dem ersten Verfahrensschritt 101 wird ein zweiter Verfahrensschritt 102 ausgeführt. In dem zweiten Verfahrensschritt 102 erfolgt ein Empfangen des akustischen Signals mittels des akustischen Sensors 1 , nachdem dieses an dem Objekt 2 reflektiert wurde. Das empfangene akustische Signal und somit das reflektierte akustische Signal wird durch den akustischen Sensor 1 in ein elektrisches Signal umgesetzt und der Steuervorrichtung 4 bereitgestellt. In einem folgenden dritten Verfahrensschritt 103 wird das elektrische Signal und somit das empfangene akustische Signal ausgewertet.

Bei dem Auswerten des empfangenen akustischen Signals wird basierend auf einer Signalamplitude des ersten Signalanteils und einer Signalamplitude des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals ein Elevationswinkel Q ermittelt, wobei der Elevationswinkel eine Positionsabweichung des Objektes 2 von der Sensorachse 3 des akustischen Sensors 1 beschreibt. In Figur 2 ist der Elevationswinkel Q ein Winkel, der in der gezeigten Zeichenebene gelegen ist. Auf das Fahrzeug 5 bezogen ist der Elevationswinkel Q somit ein vertikal gelegener Wnkel. Bei der in Figur 2 links gezeigten beispielhaften Szenario liegen zumindest Anteile des Objektes 2 direkt auf der Sensorachse 3. Somit ist die Abweichung des Objektes 2 von der Sensorachse gleich Null oder kann durch den Elevationswinkel Q von 0° beschrieben werden. Bei der in Figur 2 rechts dargestellten beispielhaften Szenario erstreckt sich das Objekt 2 nicht bis in die Sensorachse 3 hinein, sondern ist so niedrig, dass dieses unterhalb der Sensorachse 3 liegt. Die Position des Objektes 2 weicht somit von der

Sensorachse 3 ab. Dies kann entweder durch einen Abstand D beschrieben werden, welcher ein kürzester Abstand zwischen dem Objekt 2 und der

Sensorachse 3 ist, oder kann durch den Elevationswinkel Q beschrieben werden, welcher zwischen der Sensorachse 3 und einer Gerade besteht, welche den akustischen Sensor 1 mit dem Objekt 2 verbindet. Es ist ersichtlich, dass hier eine direkte geometrische Abhängigkeit zwischen dem Elevationswinkel Q und dem Abstand D gegeben ist. Im Folgenden wird der Elevationswinkel Q ermittelt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass auch der Abstand D ermittelt werden kann, da durch den akustischen Sensor 1 mittels des Echoprinzips auch ein Abstand zu dem Objekt 2 bekannt ist und somit eine Umrechnung möglich ist.

Der Elevationswinkel Q muss dabei nicht zwingend als ein exakter Wert ermittelt werden. So ist es beispielsweise hinreichend zu ermitteln, ob der

Elevationswinkel Q größer oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist, um eine Überfahrbarkeit eines Objektes 2 zu erkennen.

Bei dem Auswerten des empfangenen akustischen Signals wird von der

Steuervorrichtung 4 auf eine Richtcharakteristik 10 des akustischen Sensors 1 zugegriffen. Diese Richtcharakteristik 10 definiert für die erste Frequenz und für die zweite Frequenz einen Zusammenhang zwischen Signalamplitude und Elevationswinkel des empfangenen akustischen Signals. Eine solche

Richtcharakteristik 10 ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt. Dabei ist in Figur 3 links eine Richtcharakteristik 10 vor einer Normierung dargestellt. Es ist dabei eine vertikale Richtcharakteristik der Echoamplitude mit einer Abhängigkeit zur Sendefrequenz des akustischen Sensors 1 dargestellt. In Figur 3 mittig die Richtcharakteristik nach einer Normierung dargestellt. Mittig ist somit eine normierte vertikale Richtcharakteristik 20 mit Abhängigkeit zur Sendefrequenz dargestellt. In Figur 3 rechts ist eine Darstellung 30 der normierten

Richtcharakteristik 20 abgebildet in der ein Verlauf der Echoamplituden bei Variation der Sendefrequenz für Reflexe aus unterschiedlichen Elevationswinkeln Q dargestellt ist.

Es wird zunächst auf die in Figur 3 links dargestellte Richtcharakteristik 10 Bezug genommen. Diese ist als Datensatz in der Steuervorrichtung 4 hinterlegt und wurde vorab beispielsweise rechnerisch oder experimentell ermittelt. Bei der Richtcharakteristik 10 ist auf einer X-Achse der Elevationswinkel Q und auf einer Y-Achse die Signalamplitude A des empfangenen akustischen Signals dargestellt. Dabei ist für jeden Elevationswinkel Q jeweils die Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals gegeben, die zu erwarten ist, wenn das akustische Signal an einem Objekt 2 reflektiert wurde, dessen Lage gegenüber dem akustischen Sensor 1 durch den jeweiligen Elevationswinkel Q beschrieben ist. Dazu ist in der Richtcharakteristik 10 eine erste Kurve 11 , eine zweite Kurve 12 und eine dritte Kurve 13 dargestellt. Die erste Kurve 11 ist der ersten

Frequenz zugehörig, welche beispielsweise 40 kHz beträgt. Die zweite Kurve 12 ist der zweiten Frequenz zugehörig, welche beispielsweise 48 kHz beträgt. Die dritte Kurve 13 ist einer dritten Frequenz zugehörig, welche beispielsweise 60 kHz beträgt. Im Ursprung des dargestellten Diagramms liegt ein Elevationswinkel Q von 0° vor. Es ist ersichtlich, dass eine Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals für jede der ersten bis dritten Frequenz ein Maximum für den Elevationswinkel Q von 0° aufweist. Je weiter das Objekt 2 von der Sensorachse 3 abweicht, d.h., je größer der Elevationswinkel Q wird, desto geringer ist die Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals für die zugehörige Senderichtung. Dabei ist ersichtlich, dass die Signalamplitude mit dem

Elevationswinkel Q für die unterschiedlichen Frequenzen unterschiedlich schnell abfällt. Aus diesem Unterschied lässt sich auf die Position des Objektes 2, also auf den Elevationswinkel Q schließen. Dazu folgt beim dem Auswerten des empfangenen akustischen Signals in dieser Ausführungsform zunächst ein Normieren der Signalamplituden des ersten Signalanteils und des zweiten Signalanteils. Der Elevationswinkels Q wird im weiteren Verlauf des Verfahrens basierend auf der normierten Signalamplitude des ersten Signalanteils und einer normierten Signalamplitude des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals ermittelt.

Bei dem Normieren werden die Werte der ersten bis dritten Kurve 11 bis 13 mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert. Dieser ist für jede der Kurven 11 bis 13 so gewählt, dass die jeweilige der ersten bis dritte Kurve 11 bis 13 so entlang der Hochachse verschoben wird, dass alle Kurven 11 bis 13 für einen

Elevationswinkel Q von 0° einen gleichen Wert aufweisen. Dies ist in der in Figur 3 mittig dargestellten normierten Richtcharakteristik 20 dargestellt. Bei der normierten Richtcharakteristik 20 ist auf einer X-Achse der Elevationswinkel Q und auf einer Y-Achse die normierte Signalamplitude A _n des empfangenen akustischen Signals dargestellt. Es ist somit eine normierte erste Kurve 11‘ abgebildet, welche der ersten Frequenz zugehörig ist, eine normierte zweite Kurve 12‘ dargestellt, welche der zweiten Frequenz zugehörig ist und eine normierte Kurve 13‘ dargestellt, welche der dritten Frequenz zugehörig ist. Die normierte erste, zweite und dritte Kurve 11 ^' , 12 ^' , 13 ^' weisen für den

Elevationswinkel Q von 0° den gleichen Wert auf.

Basierend auf der normierten Richtcharakteristik 20 wird gemessenen

Signalamplituden des ersten Signalanteils und des zweiten Signalanteils des empfangenen akustischen Signals der zugehörige Elevationswinkel Q ermittelt.

Dieses Ermitteln des zugehörigen Elevationswinkels Q sei beispielhaft basierend auf der in Figur 3 rechts gezeigten Darstellung 30 der normierten Richtcharakteristik 20 beschrieben. In der gezeigten Darstellung 30 ist für jeden Elevationswinkel Q eine eigene Kurve dargestellt. So ist ersichtlich, dass beispielsweise die für einen ersten Elevationswinkel qi vorliegenden

Signalamplituden für die erste bis dritte Frequenz auf einer gemeinsamen Kurve liegen. Diese Kurve ist als eine erste Elevationskurve 21 in Figur 3 rechts dargestellt. Entsprechendes gilt auch für andere Elevationswinkel als den ersten Elevationswinkel qi. So liegen beispielsweise auch die für einen zweiten

Elevationswinkel q ₂ vorliegenden Signalamplituden für die erste bis dritte Frequenz auf einer gemeinsamen Kurve. Diese Kurve ist als eine zweite

Elevationskurve 22 in Figur 3 rechts dargestellt. Es ergibt sich in der in Figur 3 rechts dargestellten Darstellung 30 der normierten Richtcharakteristik 20 für jeden möglichen Elevationswinkel Q eine eigene Kurve.

Die in Figur 3 dargestellten Kurven entsprechen einander im Informationsgehalt. Die Steuervorrichtung 4 kann somit beliebig auf eine dieser Kurven zugreifen, und diese entsprechend auswerten. In der hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsform der Erfindung umfasst das akustische Signal den ersten Signalanteil, welcher die erste Frequenz aufweist und den zweiten Signalanteil, welcher die zweite Frequenz aufweist.

Beispielhaft sei angenommen, dass die erste Frequenz den Wert f1 aufweist und die zweite Frequenz den Wert f2 aufweist. Gleichzeitig sein angenommen, dass ein Wert der Signalamplitude des empfangenen akustische Signals für die den ersten Signalanteil und somit für die erste Frequenz den Wert A1 aufweist.

Ferner sein angenommen, dass ein Wert der Signalamplitude des empfangenen akustische Signals für die den zweiten Signalanteil und somit für die zweite Frequenz den Wert A2 aufweist. Die so definierten Punkte sind in Figur 3 rechts dargestellt. Es ist ersichtlich, dass diese auf einer gemeinsamen Kurve liegen, hier auf der ersten Elevationskurve 21 , wobei diese Kurve einem bestimmten Elevationswinkel Q, hier dem ersten Elevationswinkel qi, zugehörig ist. Der so ermittelte zugehörige Elevationswinkel Q beschreibt die Positionsabweichung des Objektes 2 von der Sensorachse 3.

Die Steuervorrichtung 4 ermittelt somit in der hier beschriebenen

Ausführungsform für den ersten Signalanteil und für den zweiten Signalanteil eine Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals und normiert diese, indem diese mit dem der jeweiligen Frequenz zugehörigen Verstärkungsfaktor multipliziert. Basierend auf diesen normierten Signalamplituden und den bekannten Frequenzen kann somit eine zugehörige Elevationskurve identifiziert werden, welche einem Elevationswinkel Q zugehörig ist. Der so ermittelte zugehörige Elevationswinkel Q beschreibt die Positionsabweichung des Objektes 2 von der Sensorachse 3.

Es ist ersichtlich, dass zwei Frequenzen hinreichend sind, um die

Positionsabweichung des Objektes 2 von der Sensorachse 3 zu bestimmen. Es ergibt sich jedoch, dass eine weitere Verbesserung einer Genauigkeit und Zuverlässigkeit erreicht wird, wenn das akustische Signal ferner einen

Signalanteil mit der dritten Frequenz oder weiteren Frequenzen aufweist.

Insbesondere wenn das akustische Signal ein Chirp ist, ist es ferner vorteilhaft, wenn eine Auswertung hinsichtlich einer Vielzahl von Frequenzen folgt, da das empfangene akustische Signal ebenfalls eine Vielzahl von Frequenzen aufweist.

Bei einigen akustischen Sensoren 1 ergibt sich das Problem, dass bei der zuvor beschriebenen Auswertung des akustischen Signals nicht unterschieden werden kann, ob das Objekt 2 in horizontaler oder in vertikaler Richtung abseits der Sensorachse 3 liegt. Daher ist es vorteilhaft, wenn der akustische Sensor 1 einen horizontalen Öffnungswinkel aufweist, welcher größer ist als ein vertikaler Öffnungswinkel des akustischen Sensors 1. Dies erweist sich zum einen deswegen vorteilhaft, da bei einer solchen Anordnung ein Einfluss von

Bodenreflexionen auf das empfangene akustische Signal minimiert wird. Ferner ergibt sich dadurch, dass in horizontaler Richtung eine geringere Abweichung des Öffnungswinkels zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz vorliegt. Somit wird eine Bewegung des Objektes 2 in vertikaler Richtung gegenüber dem akustischen Sensor 1 kaum Einfluss auf die den ermittelten Elevationswinkel Q haben.

Optional erfolgt eine Trilateration basierend auf den Messwerten mehrerer akustischer Sensoren, um eine Lage des Objektes gegenüber dem akustischen Sensor in einem Azimuthwinkel zu bestimmen, welcher eine Lage des Objektes 2 gegenüber dem akustischen Sensor 1 in einer horizontalen Richtung beschreibt. Dabei erfolgt eine Korrektur der Richtcharakteristik 10 basierend auf dem Azimuthwinkel. Dazu erfolgt einer Auswahl der Richtcharakteristik 10 basierend auf dem Azimuthwinkel, wobei für jeden Azimuthwinkel eine eigene

Richtcharakteristik 10 hinterlegt ist. So kann ein Einfluss einer Positionsabweichung des Objektes 2 in einer Richtung, welche nicht durch den Elevationswinkel Q beschrieben wird, kompensiert werden und führt nicht zu einer Verfälschung des ermittelten Elevationswinkels Q.

Der ermittelte Elevationswinkel Q beschreibt die Positionsabweichung des Objektes 2 von der Sensorachse 3 und wird für eine weitere Verwendung bereitgestellt. So wird der Elevationswinkel Q zusammen mit einem durch den akustischen Sensor 1 erfassten Abstand zu dem Objekt 2 für ein System bereitgestellt, durch welches eine Überfahrbarkeit von Objekten abgeschätzt wird. Dazu wird beispielsweise basierend auf dem erfassten Abstand ein

Schwellenwert bereitgestellt, welcher einen zugehörigen Elevationswinkel Q beschreibt, der nicht unterschritten werden darf, um eine Überfahrbarkeit des Objektes 2 zu gewährleisten.

Nach dem Ausführen des dritten Verfahrensschrittes 103 wird das Verfahren in einer Schleife ausgeführt, indem dieses zurück auf den ersten Verfahrensschritt 101 verzweigt.

Allgemein gilt, dass Objekte, die höher als die Sensoreinbauhöhe h sind, sich die Reflexpunkte aufgrund des Reflexionsgesetzes (annähernd) auf Sensorhöhe und damit auf der Sensorachse 3 befinden. Die Sensoreinbauhöhe h ist dabei in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform eine Distanz, die der akustische Sensor 1 über einer Fahrbahnoberfläche an dem Fahrzeug 5 angeordnet ist. Für Objekte 2 kleiner als die Sensoreinbauhöhe h werden die Reflexe je nach Objekthöhe unter dem Elevationswinkel Q bezogen auf die vertikale Sensorachse 3 gemessen.

Die Sendefrequenz des akustischen Sensors 1 wird über einen möglichst großen Frequenzbereich verändert, um damit den Öffnungswinkel zu variieren, und den Verlauf der normierten Echoamplitude, also der normierten Signalamplitude des empfangenen akustischen Signals, zu analysieren.

Die normierte Echoamplitude ergibt sich bei dem Normieren aus der

gemessenen Echoamplitude unter Berücksichtigung der normierten

Richtcharakteristik des Sensors mittels A _n = k(f) * A, also durch Multiplikation mit einem frequenzabhängigen Korrekturfaktor k(f) mit k(f) = 1 / A(f, für 0=0°)

(woraus für alle Frequenzen A=1 bei 0=0° folgt). Der Korrekturfaktor k(f) ist damit ein bekanntes Designmerkmal des Wandlers. Zur Erreichung höherer Genauigkeiten kann k(f) auch am Bandende einer Produktionslinie vermessen und im akustischen Sensor 1 hinterlegt werden.

Aus dem Verlauf der frequenzabhängigen normierten Echoamplitude lässt sich auf den Elevationswinkel Q schließen. Reflexe auf Sensorhauptachse (Q =0°) zeigen einen konstanten Echoamplitudenverlauf (siehe Figur 2). Niedrigere Objekte 2 zeigen dagegen je nach Höhe einen mit zunehmender Frequenz abnehmenden Echoamplitudenverlauf, wobei der Verlauf selbst charakteristisch für den jeweiligen Elevationswinkel, und damit für die Objekthöhe ist. Der Verlauf ist nicht abhängig von der Objektdistanz, bei höheren Objektdistanzen ist Q lediglich in der Größe limitiert. Die Verläufe sind, wie auch schon die

Richtcharakteristik, ein Designmerkmal und können im Sensor zu jedem

Elevationswinkel Q hinterlegt werden. Für den Vergleich der gemessenen Daten mit den hinterlegten Daten können die Verfahren aus dem Stand der Technik (z.B. Fitting, Korrelationsanalyse) verwendet werden.

Eine Veränderung der Sendefrequenz bewirkt nicht nur eine Änderung in der vertikalen, sondern auch in der horizontalen Richtcharakteristik, so dass Objekte, die nur eine Azimuthablage und keine Elevationsablage (0=0°) gegenüber der Hauptachse haben, ebenfalls einen nicht konstanten Echoverlauf zeigen. Bei asymmetrischen Ultraschallwandern ist einerseits der Effekt nicht so stark ausgeprägt, anderseits kann er bei bekannten Azimuthwinkel korrigiert werden. Der Azimuthwinkel ergibt sich mittels Trilateration im Sensorsystem.

Um zu einer möglichst genauen Winkelmessung zu gelangen, ist eine möglichst hohe Zahl von Sendefrequenzen wünschenswert. Dies kann durch

entsprechende Abfolge von Kurzpulsen mit fester Sendefrequenz und gleicher Dauer, vorzugsweise im Bereich 200-400ps, erfolgen. Generell kann das Verfahren aber auch mit weniger Pulsen, mindestens jedoch mit zwei durchgeführt werden.

Alternativ kann auch eine frequenzmodulierter Anregung mit ansteigender oder absteigender Frequenz, vorzugsweise mit einer linearen Änderung der Frequenz über Zeit, durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Auslegung des Chirps mit langer Pulsdauer, vorzugsweise im Bereich 10ms bis 2ms. Die Analyse der Echoamplituden erfolgt für diesen Fall bevorzugt durch eine Filterbank mit möglichst fein gegliederter aufsteigender Mittenfrequenzen der Filter. Damit ist dieses Verfahren aufwendiger als die Anregung mit Festfrequenz hat aber den Vorteil, dass die Winkelinformation schon mit einem Sendezyklus verfügbar ist.

Entscheidend für die Ausprägung eines Amplitudenabfalls ist das Verhältnis der Wellenlänge l des akustischen Signals zum Membrandurchmesser. Daher empfiehlt sich, die Sendefrequenzbandbreite nicht fest vorzugeben, sondern über das Verhältnis l/d einzuschränken. Besonders vorteilhaft erscheint (ausgehend von einer niedrigen Sendefrequenz) das Verhältnis l/d im Bereich 1 bis 0,5, mindestens jedoch <0,8 zu variieren.

Prinzipiell ist das Verfahren auch während des Fährbetriebs des Fahrzeuges 5 geeignet. Allerdings gibt es während der Fahrt auch weitere Merkmale, die für eine Höhenklassifikation ausgewertet werden können. Ein für das Verfahren besonders interessanter Anwendungsfall ist das Aufstarten des Systems für hochautomatisierte Fahrzeuge. So erscheint es besonders vorteilhaft einen speziellen„Höhenmess“-Betriebsmodus nach Startup vorzuhalten und danach in einen normalen Messmodus wieder überzugehen. Der„Höhenmess“ Modus könnte dabei entweder immer nach Startup oder nur getriggert durch eine Objektdetektion durchlaufen werden.

Nebst oben stehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der Figuren 1 bis 3 verwiesen.