Feld der Erfindung

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des dreidimensionalen oder des zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektors eines Objekts im Umfeld eines Fahrzeugs.

Allgemeine Einleitung

Diese Schrift befasst sich mit der Geschwindigkeitsbestimmung von Objekten im Umfeld eines Fahrzeugs mittels Auswertung der Dopplerverschiebung.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Schriften zur Bestimmung von Parametern von Objekten mittels Ultraschallmessung bekannt. Aufgrund dessen können einige Voraussetzungen angegeben werden, ohne dass eine Erläuterung der entsprechenden, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen hier notwendig wären.

Dementsprechend können einige Voraussetzungen hier angenommen werden, die solche Messungen mit den zur Verfügung stehenden Ultraschall-Transducern ermöglichen.

Vorausgesetzt wird in dieser Schrift, dass die Objekt-Position x ₀ eines Objekts bestimmt werden kann. Vereinfachend wird hier angenommen, dass dies zeitlich vor der Bestimmung der Dopplergeschwindigkeiten bereits durch Auswertung der Ultraschallsignallaufzeiten vom jeweiligen Ultraschall-Transducer zum Objekt und wieder zurück zu einem oder mehreren der Uraschall- Transducer geschehen ist und dass somit die Objekt-Position x ₀ als bekannt vorausgesetzt werden kann.

Des Weiteren wird vorausgesetzt, dass im Falle der Bestimmung der Koordinaten in einer zweidimensionalen Ebene, in der sich mindestens zwei Ultraschall-Transducer nicht an einem Punkt befinden und dass im Falle der Bestimmung der Koordinaten in einem dreidimensionalen Raum, die mindestens drei Ultraschall-Transducer sich nicht an einem Punkt und nicht in einer Linie befinden Das Ultraschallmesssystem jedes Ultraschall-Transducers bestimmt eine Dopplerfrequenz f _d,i , wobei der Index i für den i-ten der N Ultraschall-Transducer steht.

Aufgabe

Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes in Betrag und Richtung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Ansprüchen gelöst.

Lösung der Aufgabe

Die Grundidee des hier vorgelegten Vorschlags ist es, bei einer Bewegung eines Objekts mit einer Geschwindigkeit v ₀ quer zum Ultraschallmesssystem eines Fahrzeugs von mehreren Ultraschall- Transducern an verschiedenen Punkten der Stoßstange mittels der Auswertung der durch mehrere Ultraschall-Transducer und deren Auswertesystem erfassten mehreren unterschiedlichen Doppler- Verschiebungen die Bewegungsrichtung des Geschwindigkeitsvektors in x-y-und z-Richtung zu bestimmen. Somit kann bei einer Bewegung eines Objekts quer zum Ultraschallmesssystem eines Fahrzeugs von mehreren Ultraschallmesssystemen mit Ultraschall-Transducern an verschiedenen Punkten eines Fahrzeugs, beispielsweise an verschiedenen Punkten der Stoßstange eines solchen Fahrzeugs, über die dann auftretenden unterschiedliche Doppler-Verschiebungen die echte Bewegungsrichtung geschätzt werden.

Wie oben beschrieben, wird hier vorausgesetzt, dass die Position x ₀ des Objekts im Umfeld des Fahrzeugs bekannt ist. Die Aufgabe ist nun, den Geschwindigkeitsvektor in Betrag und Richtung für das Objekt an der Objekt-Position x ₀ zu ermitteln. Die Anzahl der Ultraschall-Transducer sei N mit N als ganzer positiver Zahl größer 1 bei zweidimensionalen Problemen und größer 2 bei dreidimensionalen Problemen. Somit sollten für zwei-dimensionale Probleme mindestens zwei Ultraschall-Transducer vorhanden sein, wobei ein erster Ultraschall-Transducer an einer Position und ein zweiter Ultraschall-Transducer an einer von der ersten Position verschiedenen Position mit dem Fahrzeug verbunden sind. Für drei-dimensionale Probleme sollten mindestens drei Ultraschall- Transducer mit dem Fahrzeug verbunden sein, wobei die Positionen der Ultraschall-Transducer sich jeweils voneinander unterscheiden. Jeder der Ultraschall-Transducer, der an dem hier beschriebenen Verfahren teilnimmt, ist dazu eingerichtet, im Zusammenwirken mit einem Auswertesystem eine Dopplergeschwindigkeit zu dem Objekt an der Objekt-Position x ₀ zu ermitteln.

In dem hier beschriebenen Verfahren erfasst ein Ultraschall-Transducer der N Ultraschall-Transducer nur den Richtungsanteil der Dopplergeschwindigkeit des Objekts in Richtung vom Objekt zu dem betreffenden Ultraschall-Transducer.

Somit besitzen Objekte, die sich senkrecht zur Sichtlinie zwischen einem Ultraschall-Transducer und dem betreffenden Objekt bewegen, für den betreffenden Ultraschall-Transducer die Geschwindigkeit v=0m/s. Daher werden mehrere Messwerte mehrerer Ultraschall-Transducer dafür verwendet, die Komponenten des Geschwindigkeitsvektors zu ermitteln. Die mehreren Ultraschall-Transducer müssen zueinander beabstandet angeordnet sein. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem sich mit einer relevanten Geschwindigkeit bewegenden Objekt nicht alle erfassten Richtungsanteile der Dopplergeschwindigkeit des Objekts zur gleichen Zeit 0m/s betragen.Zur Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors des Objekts misst eine Mehrzahl von N Ultraschall-Transducern US ₁ bis US _N jeweils eine Dopplerfrequenz f _d,1 bis f _d,N .

Auf Basis der erfassten Dopplerfrequenzen f _d,1 bis f _d,N im Verhältnis zur ursprünglichen Sendefrequenz f _s und unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c lässt sich das folgende Gleichungssystem aufstellen:

Dabei bedeuten: unbekannter und gesuchter Geschwindigkeitsvektor; Dies ist ein Vektor N Dopplergeschwindigkeiten. Wobei sich die N Dopplergeschwindigkeiten aus den mittels den N Ultraschall-Transducern gemessenen Dopplerfrequenzen f _d,1 bis f _d,N bei der jeweiligen Sendefrequenz f _s unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c ergeben. X ist eine Matrix mit bekannten Größen. Sie kodiert die Positionen und Ausrichtungen der einzelnen Ultraschall-Transducer.

Im Folgenden wird oft ein einzelner Ultraschall-Transducer oder nur eine Zeile des linearen Gleichungssystems betrachtet. Hierzu führen wir den positiven, ganzzahligen Index i mit 1≤i≤N ein. Jede i-te Zeile der Matrix wird nun folgendermaßen berechnet, wobei sich die i-te Zeile von X aus den Zeilenvektoren e _i D _i (ß _i ) ergibt:

X _i =e _i D _i (ß _i )=e _i D _i (ß _i,x , ß _i,y , ß _i,z ) e _i ist der normierte Einheitsrichtungsvektor längs der Strecke zwischen dem Objekt und dem i- ten Ultraschall-Transducer US _i gemäß der Formel: e _i = (x ₀ -x _i )/||x ₀ -x _i ||

D _i (ß _i ) ist eine Drehmatrix in Abhängigkeit der drei Drehwinkel (ß _i,x , ß _i,y , ß _i,z ) des i-ten Ultraschall- Transducer US _i spezifischen i-ten Drehwinkelvektors ß _i

Die i-te Drehmatrix D _i (ß _i ) ergibt sich dabei aus der Formel

D _i (ß _i )=R _x (ß _i,x )R _y (ß _i,y )R _z (ß _i,z ) Hierbei ist R _x (ß _i,x ) eine übliche Drehmatrix für eine Drehung um den Winkel ß _i,x um die x-Achse und R _y (ß _i,y ) eine übliche Drehmatrix für eine Drehung um den Winkel ß _i,y um die y-Achse und R _z (ß _i,z ) eine übliche Drehmatrix für eine Drehung um den Winkel ß _i,z um die z-Achse.

Da in der Regel die N Orte x ₁ bis x _N der N Ultraschall-Transducer am Fahrzeug und die Drehwinkel (ß _1,x , ß _1,y , ß _1,z ) bis (ß _N,x , ß _N,y , ß _N,z ) für die N Ultraschall-Transducer in Abhängigkeit von der

Fahrzeugkonstruktion bereits feststehen, kann die i-te Drehmatrix D _i (ß _i ) für den i-ten Ultraschall- Transducer vorausberechnet werden. Der nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelte Geschwindigkeitsvektor des Reflexionspunktes ergibt sich aus:

Somit handelt es sich bei dem hier vorgestellten Verfahren um ein Verfahren zur Bestimmung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors eines Objekts im Umfeld eines Fahrzeugs.

Das Fahrzeug weist bevorzugt eine Mehrzahl von N Ultraschall-Transducern US ₁ bis US _N und ein Auswertesystem auf. Das Auswertesystem kann ein zentrales Auswertesystem für alle Ultraschall- Transducer sein. Das Auswertesystem kann jedoch auch ganz oder in Teilen ein dezentrales Auswertesystem sein. Im Falle eines solchen dezentralen Auswertesystems , kann im Extremfall jedem Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N mit 1≤i≤N ein Teilauswertesystem AS _i des Auswertesystems AS zugeordnet sein, sodass ggf. dieses einem Ultraschall-Transducer US _i zugeordnete Teilauswertesystem AS _i als Teil des betreffenden Ultraschall- Transducers US _i angesehen werden kann. Statt N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N können auch N Ultraschall-Empfänger im Zusammenwirken mit mindestens einem Ultraschall-Sender verwendet werden. Unter Ultraschall-Transducern werden also hier ausdrücklich, solange keine Ultraschallsendefunktion erforderlich ist, auch Ultraschall-Empfänger mitverstanden. Die Zahl N ist wie in dieser ganzen Schrift eine ganze positive Zahl mit N≥2. Die N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N befinden sich an N zueinander verschiedenen Positionen x ₁ bis x _N . Die N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N befinden sich nicht auf einer geraden Linie. Zumindest ein Ultraschall-Transducer, hier beispielhaft der i-te Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N sendet Ultraschallsignale aus. Für die Funktionstüchtigkeit des Systems reicht es aus, wenn statt eines Ultraschall-Transducers US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N ein Ultraschallsender das Ultraschallsignal aussendet. Die N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N empfangen das durch ein Objekt im Umfeld des Fahrzeugs reflektierte Ultraschallsignal. Jeder Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N wandelt das von ihm jeweils empfangene reflektierte Ultraschallsignal in ein jeweiliges Ultraschallempfängerausgangssignal um. Somit wandeln die N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N das reflektierte Ultraschallsignal in N

Ultraschallempfängerausgangssignale um. Auf Basis dieser N Ultraschallempfängerausgangssignale ermittelt das Auswertesystem N Laufzeiten des Ultraschallsignals beginnend mit dem Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallsignals durch den sendenden Ultraschall-Transducer bzw. durch einen Ultraschallsender und endend zum jeweiligen Zeitpunkt des jeweiligen Empfangs des durch das Objekt reflektierten Ultraschallsignals durch den jeweiligen Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N . AUS diesen N Laufzeiten ermittelt typischerweise das Auswertesystem eine Objekt-Position x ₀ des Objekts .

Jeder Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N , im Folgenden wieder als i- ter Ultraschall-Transducer US _i mit 1≤i≤N bezeichnet, ermittelt nun im Zusammenwirken mit dem Auswertesystem eine Dopplerfrequenz f _d,i für diesen i-ten Ultraschall-Transducer US _i , die das durch das Objekt reflektierte Ultraschallsignal beim Empfang durch diesen i-ten Ultraschall-Transducer US _i aufweist.

Wie oben beschrieben wird bei dem hier beschriebenen Verfahren vorausgesetzt, dass für jeden i- ten Ultraschall-Transducer US _i der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N die Orientierungswinkel ß _i,x , ß _i,y , ß _i,z relativ zum Fahrzeugkoordinatensystem bekannt sind. Des Weiteren wird, wie oben bereits beschrieben, vorausgesetzt, dass für jeden i-ten Ultraschall-Transducer der N Ultraschall-Transducer US ₁ bis US _N dessen i-te Position x, am Fahrzeug genauso wie die N-1 Positionen (x ₁ bis x _N ohne x _i ) der übrigen Ultraschall-Transducer am Fahrzeug bekannt sind.

Das vorgeschlagene Verfahren setzt also voraus, dass eine Bestimmung der Objekt-Position x ₀ relativ zum Fahrzeug erfolgreich als ein erster Schritt des Verfahrens durchgeführt wurde. Ein weiterer Schritt umfasst dann das Erfassen der N Dopplerfrequenzen f _d,1 bis f _d,N durch die N Ultraschall- Transducer US ₁ bis US _N und deren Auswertesystem. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Berechnen der N Dopplergeschwindigkeiten auf Basis der so erfassten N Dopplerfrequenzen f _d,1 bis f _d,N bei der jeweiligen Sendefrequenz f _s des ursprünglich ausgesendeten Ultraschallsignals unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c. Das Verfahren umfasst dann noch die Bestimmung des N-dimensionalen Vektors y der durch die N Ultraschall-Transducer gemessenen N Dopplergeschwindigkeiten und das Berechnen der Matrix X, mit Hilfe der Formel:

X _i =e _i D _i (ß _i ).

In der Regel werden diese Werte schon in der Fabrik typspezifisch pauschal vorausberechnet und in das System einprogrammiert oder sonst wie anderweitig konstruktiv vorgegeben. Als letzter Schritt erfolgt das Schätzen der Werte des Geschwindigkeitsvektors des Reflexionspunktes des Objekts mittels der Berechnung der folgenden Gleichung durch das Auswertesystem:

Das Auswertesystem gibt die so berechneten Werte des Geschwindigkeitsvektors z.B. über eine Datenschnittstelle aus oder hält sie zum Abruf durch eine andere Vorrichtung bereit oder verarbeitet diese zu anderen Zwecken weiter. Auf diese Weise erfolgt als Abschluss des Verfahrens ein Verwenden der Werte des Geschwindigkeitsvektors als Werte des Geschwindigkeitsvektors der Bewegung des Objekts.

Auf dieser Basis lässt sich ein einfaches, grobes Verfahren zur Unterscheidung zwischen lebenden und toten Objekten beim autonomen Fahren mit einem Fahrzeug angeben, das aber für sich alleine für eine sichere Unterscheidung noch nicht ausreicht. Die Unterscheidung zwischen lebenden und toten Gegenständen erfolgt zunächst dadurch, dass das Auswertesystem sich bewegende Objekte als potenziell lebend einstuft. Hierbei können alle Objekte, die sich in einem vorgebbaren Zeitraum gegenüber der Umgebung bewegt haben als möglicherweise lebend eingestuft werden. Für die Lebend/unbelebt-Unterscheidung zieht die Auswertevorrichtung typischerweise andere Parameter wie beispielsweise Dämpfung, Verzerrung und Phasenverschiebung heran. Insofern ist das im Folgenden beschrieben Verfahren nur als ein teilverfahren zur Unterscheidung zwischen lebenden und toten Objekten beim autonomen Fahren mit einem Fahrzeug zu verstehen. Es umfasst die Schritte des Ermittelns der Objekt-Position x ₀ eines Objekts im Fahrzeugumfeld, des Ermittelns der Werte des Geschwindigkeitsvektors der Bewegung des Objekts mit Hilfe eines der zuvor vorgestellten beiden Verfahren, des Erhöhens eines Wahrscheinlichkeitswerts, dass das Objekt ein lebendes Objekt ist, wenn der Betrag des Geschwindigkeitsvektors der Bewegung des Objekts unter einem ersten Schwellwert liegt, des Erniedrigens dieses Wahrscheinlichkeitswerts, dass das Objekt ein lebendes Objekt ist, wenn der Betrag des Geschwindigkeitsvektors der Bewegung des Objekts über einem zweiten Schwellwert liegt, wobei dieser zweite Schwellwert ggf. gleich dem ersten Schwellwert sein kann und wobei der Wahrscheinlichkeitswert von weiteren Parametern abhängen kann, und abschließend der Bewertung des Objekts als lebendes Objekt, wenn dieser Wahrscheinlichkeitswert über einem dritten Schwellwert liegt.

Vorteil

Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine bessere Unterscheidung von bewegten Objekten, wie Menschen, von der stationären Umgebung, wie beispielsweise einem Isopol (senkrecht stehendes lm langes DN5 PVC Abwasser-Rohr als Referenzhindernis) oder einer Wand.

Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.

Beschreibung der Figur

Figur 1

Figur 1 veranschaulicht die Messsituation. Im Fahrzeugumfeld eines Fahrzeugs F, dessen Kontur teilweise als fette Linie beispielhaft angedeutet ist, befindet sich ein Objekt O. Nachdem ein Ultraschallsender und/oder ein Ultraschall-Transducer US _i ein akustisches Ultraschallsignal in dieses Fahrzeugumfeld hinein gesendet haben, reflektiert das Objekt O dieses Ultraschallsignal, dass dann als reflektiertes Ultraschallsignal von den hier mit N=3 beispielhaften drei Ultraschall-Transducern US ₁ bis US ₃ und/oder Ultraschall-Empfängern jeweils mit einer spezifischen Laufzeit, die vom jeweils zurückgelegten Schallweg abhängt empfangen wird. Das Objekt O bewegt sich mit der Objektgeschwindigkeit v ₀ relativ zum Fahrzeug F. Die beispielhaften Ultraschall-Transducer US ₁ , US ₂ , US ₃ und ein Auswertesystem AS ermitteln die Position x ₀ des Objekts O relativ zum Fahrzeug F anhand der Laufzeiten des Ultraschallsignals beginnend mit dem Zeitpunkt der Aussendung des Ultraschallsignals durch den sendenden Ultraschall-Transducer bzw. durch einen Ultraschallsender und endend zum jeweiligen Zeitpunkt des jeweiligen Empfangs des durch das Objekt reflektierten Ultraschallsignals durch den jeweiligen Ultraschall-Transducer US ₁ bis US ₃ . Durch die Bewegung des Objekts O mit der Objektgeschwindigkeit Vo relativ zum Fahrzeug F wird die Frequenz des reflektierten Ultraschallsignals von der Ultraschallsendefrequenz f _s , mit der das Ultraschallsignal ausgesendet wurde, zu einer Dopplerfrequenz f _d transformiert. Diese Transformation ist aber richtungsabhängig. Da sich die Ultraschall-Transducer US ₁ bis US ₃ an unterschiedlichen Koordinaten x ₁ bis x ₃ relativ zum Fahrzeugkoordinatensystem befinden, kommt diese Richtungsabhängigkeit zur Geltung, wodurch die drei Ultraschall-Transducer (US ₁ bis US ₃ ) drei unterschiedliche Dopplerfrequenzen f _d,1 , f _d,2 , f _d,3 erfassen. Die drei Ultraschall-Transducer US ₁ bis US ₃ und/oder das Auswertesystem AS ermitteln auf Basis des durch den jeweiligen Ultraschall-Transducer US _i mit i=1 oder i=2 oder i=3 die jeweilige, diesem Ultraschall-Transducer US _i und dem Objekt zugeordnete Dopplerfrequenz f _d,i . Auf Basis der so ermittelten Dopplerfrequenzen f _d,i ermittelt das Auswertesystem AS ggf. im Zusammenwirken mit den beispielhaften drei Ultraschall-Transducern US ₁ , US ₂ , US ₃ dann eine geschätzte Objektgeschwindigkeit , die dann durch das Fahrzeug und/oder Teilsysteme des Fahrzeugs z.B abgerufen und für andere Zwecke verwendet werden kann.

Bezugszeichen

F Fahrzeug

US _i Ultraschall-Transducer AS Auswertesystem

O Objekt f _s Ultraschallsendefrequenz f _d Dopplerfrequenz ß _i,x , ß _i,y , ß _i,z Orientierungswinkel x ₀ Position des Objektes x _i Position des i-ten Ultraschall-Transducers

Geschwindigkeitsvektor c Schallgeschwindigkeit