Ultraschallsignalen

Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Objekten anhand von

Ultraschallsignalen. Weiterhin werden ein Computerprogramm und ein System zur Durchführung des Verfahrens angegeben sowie ein Fahrzeug mit einem Fahrassistenzsystem, das ein derartiges System aufweist. Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Fahrassistenzsystemen ausgestattet, die mit Hilfe von Daten über die Umgebung des Fahrzeugs den Fahrer bei der Durchführung verschiedener Fahrmanöver unterstützen. Zur Erfüllung ihrer Aufgaben benötigen derartige Fahrassistenzsysteme ein möglichst genaues Abbild der Umgebung des Fahrzeugs. Das Abbild der Umgebung des Fahrzeugs wird mit verschiedenen Sensoren erzeugt, beispielsweise mit Hilfe von Ultraschallsensoren. Durch die Ultraschallsensoren wird dabei ein Signal ausgesendet, dessen Echo bei Reflexion an einem Hindernis wieder von den Ultraschallsensoren, d. h. demselben oder einem anderen als dem

aussendenden, am Fahrzeug registriert wird. Aus der Zeit, die zwischen

Aussenden und Empfangen des Signals vergangen ist, und der bekannten

Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals kann der Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem reflektierenden Hindernis berechnet werden.

Ultraschallsensoren verfügen über ein Sichtfeld, innerhalb dessen diese/sie Hindernisse wahrnehmen können. Dabei nimmt die Empfindlichkeit der

Ultraschallsensoren zum Rand ihres Sichtfeldes hin ab.

Aus der DE 31 00 479 C2 ist eine Vorrichtung zur Verarbeitung von

Ultraschallsignalen bekannt, die einen Ultraschallschwinger umfasst, um einen Ultraschallimpuls zu einem Werkstück auszusenden und um Fehler oder Defekte in dem Werkstück zu detektieren. Dabei wird ein reflektiertes Echosignal empfangen und in einem Analog-/Digitalwandler umgewandelt. Da wegen der Ausbreitungsentfernung die Amplitude der Echosignale abnimmt, wird diese in diskreten Schritten nach einer Amplitudenkorrekturkurve auf einen festen Spitzenwert korrigiert.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, anhand von Ultraschallsignalen nicht nur die Entfernung von Objekten zu einer Sendeempfangseinheit zu bestimmen, sondern auch die Objekte zu erkennen oder zumindest zu plausibilisieren.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallmesseinrichtung vorgeschlagen, umfassend die Schritte des Empfangens von Echoamplituden, des Ermitteins von Objektabständen zu den empfangenen Echoamplituden, des Berechnens normierter Echoamplituden zu den empfangenen Echoamplituden, wobei eine empfangene Echoamplitude mit einem bestimmten Objektabstand durch eine Referenzechoamplitude zu dem gleichen oder ähnlichen Objektabstand dividiert wird, des Kodierens der normierten Echoamplituden und des Übertragens der kodierten Echoamplituden an ein Steuergerät.

Hierzu werden während des Betriebs der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit Pulsechomessungen ausgeführt, wobei mithilfe eines Ultraschallsensors Ultraschallsignale ausgesendet werden und Echos von Objekten in der Umgebung wieder von demselben oder einem anderen als dem aussendenden Ultraschallsensor empfangen werden.

Anhand bekannter Rückstrahlquerschnitte von Referenzobjekten lassen sich Aussagen zu einem aktuell detektierten Objekt ableiten. Insbesondere kann bei einem nicht-statischen Abstand des aktuell detektierten Objekts zur Sende- /Empfangseinheit anhand des bekannten Verhaltens eines Referenzobjekts auf die Natur des gerade detektierten Objekts geschlossen werden. Zu einem Objekt kann es aber auch nur ein einziges Echo geben und das Verfahren ist bereits anwendbar. Durch die Normierung ist auf den

Reflexionsquerschnitt des Objektes zu schließen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Folge von

Echoamplituden zeitlich nacheinander ausgesendeter Ultraschallpulse nach Reflexion an einem Objekt empfangen wird, und wobei die Folge daraus berechneter normierter Echoamplituden zur Ermittlung einer Signifikanz des Objekts analysiert wird. Hier hilft die Normierung die abstandsabhängige Komponente zu„eliminieren". Und es ergibt sich ein Reflexionsmuster, das als ein objektspezifischer Fingerabdruck gewertet werden kann.

In einer Weiterentwicklung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Schritt des Vergleichens der Folge berechneter normierter Echoamplituden für verschiedene Referenzobjekte zur Ermittlung einer Signifikanz des Objekts umfasst. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass für verschiedene Referenzobjekte wie beschrieben ermittelt wird, ob es sich um das gleiche oder ein ähnliches Objekt handelt. Die Echoamplitude ist dabei von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Zum einen ist die Echoamplitude vom Abstand des Objekts zur Sende- /Empfangseinheit abhängig. Weiterhin hängt die Echoamplitude auch vom Rückstrahlquerschnitt des Objekts ab, so ist der Rückstrahlquerschnitt bei einem sehr schmalen, dünnen Objekt beispielsweise wesentlich geringer als bei einem dicken, großen Objekt. Weiterhin hängt die Echoamplitude auch von der Art der

Oberfläche des Objekts ab, so ist bei glatten Oberflächen weniger Verlust durch Absorption und Streuung zu erwarten. Auch die Struktur des Objekts kann einen Einfluss auf die Echoamplitude haben, beispielsweise durch Interferenzeffekte. Dies hat zur Folge, dass die verwendete Referenzechoamplitude gut und vor allem entsprechend den erwarteten Verhältnissen gewählt werden muss.

Bevorzugt wird das Referenzobjekt auf einer Hauptachse des Sensors angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Referenzobjekt aus der Gruppe bestehend aus geometrischen Figuren wie Rohr, senkrechte Wand oder Kugel ausgewählt. Besonders bevorzug wird ein Rohr verwendet. Das Rohr hat bevorzugt einen Durchmesser von 30 mm bis 30 cm, weiter bevorzugt von 50 mm bis 5 cm, noch weiter bevorzugt von 50 mm bis 100 mm, insbesondere von ca. 75 mm. Bei Objekten wie z.B. einem Fahrzeug wird ein Echomuster erhalten, das eine

Folge von Echos mit unterschiedlichen normierten Amplituden beinhaltet. Diese bekannten Echomuster werden in Weiterentwicklungen der Erfindung hinterlegt, also abrufbar abgespeichert. Neu gemessene Echomuster können mit den bekannten Echomustern verglichen werden. Dadurch erhält man eine

Klassifikation, wobei auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse ggf. auch das

Fahrzeugverhalten eines Fahrzeugs gesteuert werden kann, z.B. um

Gefahrensituationen abzuwenden.

Echoamplituden hängen weiterhin von den Umgebungsbedingungen ab. Die Dämpfung ist abhängig von der zurückgelegten Echodistanz, daher wird in der distanzabhängigen Referenzamplitudenabhängigkeit auch eine Angabe zur Temperatur und Luftfeuchte gemacht. Insbesondere ist die Absorption des Ultraschalls in Luft abhängig von der Temperatur, dem Luftdruck und der Luftfeuchte. Luftfeuchte und Temperatur sind dabei dominierend. Die Abnahme einer Echoamplitude wird typischerweise in dB/m angegeben. Bei einer

Lufttemperatur von -20°C und einer Luftfeuchte von 90%rF beträgt diese typischerweise 0,4 dB/m, bei +40°C und 20%rF beträgt sie 2,2 dB/m. Aufgrund dieser großen Unterschiede kommt es zu erheblichen Reichweitenunterschieden. Die im Verfahren verwendete Referenzechoamplitude des Referenzobjekts wird daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unter Normbedingungen ermittelt, z. B. bei 22,5 °C Lufttemperatur und 40 % relativer Luftfeuchte.

Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor bei bekannten

Umgebungsbedingungen die normierten Echoamplituden auf die aktuell vorherrschenden Umgebungsbedingungen umrechnet. Die aktuell

vorherrschenden Umgebungsbedingungen werden dann zuvor von der ECU an den Sensor übermittelt. Alternativ kann vorgesehen sein, nachträglich eine Korrektur in der ECU durchzuführen. Ein weiterer Aspekt, der die Echoamplituden beeinflusst, ist die Richtcharakteristik des Sensors. Diese beschreibt die Winkelabhängigkeit der Schallemission und der Empfindlichkeit des Sensors. Sie ist auf

Sensorhauptachse am größten und nimmt zu höheren Winkeln ab. Diese

Winkelabhängigkeit ist allerdings bekannt und kann nachträglich im ECU korrigiert werden.

Die Referenzechoamplituden sind bevorzugt in einem lokalen Speicher der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit abgelegt, sodass diese während des Betriebs der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit zur Verfügung stehen.

Zweckmäßigerweise sind die Referenzechoamplituden in einer Tabelle abgelegt, die mit dem Objektabstand indiziert ist.

Die empfangene Echoamplitude, der ein bestimmter Objektabstand zugeordnet wurde, wird durch eine Referenzechoamplitude mit dem gleichen oder ähnlichen Objektabstand dividiert. In der Praxis wird unter„ähnlichem Objektabstand" beispielsweise verstanden, dass zu dem Objektabstand des momentan detektierten Objekts eine möglichst geringe Abweichung vorliegt. In einer Tabelle, die mit dem Objektabstand indiziert ist, lässt sich dies sehr schnell durchführen. Alternativ kann vorgesehen sein, zwischen den Stützstellen zu interpolieren.

Bevorzugt umfasst der Schritt des Kodierens eine Logarithmierung der normierten Echoamplituden. Die Logarithmierung ist vorteilhaft, da bei der Auswertung der Amplituden der Echosignale eine große Dynamik zu erwarten ist. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass bei der Vielzahl der möglichen Objekte die Rückstrahlquerschnitte sehr stark variieren. Weiterhin wird damit der Tatsache Rechnung getragen, dass die Amplitude im Allgemeinen polynomiell abfällt, beispielsweise wie 1/x. Auch schwache Signale entfernter Objekte können damit adäquat verwertet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des

Logarithmierens unter Verwendung einer Tabelle (engl, look-up table). Mithilfe der Tabelle kann das Verfahren quasi in Echtzeit ablaufen. Es kann vorgesehen sein, zwischen den Stützstellen zu interpolieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Echoamplituden als 6- Bit-Werte diskretisiert. Die dadurch entstehende Datenreduktion ist insbesondere in Verbindung mit der Logarithmierung der Echoamplituden vorteilhaft, und das System kann in einem Netzwerk mit geringer Datenübertragungsrate

implementiert werden, beispielsweise in einem CAN-Bus eines Fahrzeugs.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist es, Objekte im Umfeld eines Fahrzeugs zu erkennen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren vorgeschlagen, welches zumindest eine Sende-/Empfangseinheit aufweist, welche eingerichtet ist, Ultraschallpulse auszusenden und Echoamplituden zu empfangen, einem ersten Modul, das dazu eingerichtet ist, Objektabstände zu empfangenen Echoamplituden zu ermitteln, einem zweiten Modul, das dazu eingerichtet ist, normierte Echoamplituden zu den empfangenen Echoamplituden zu berechnen, wobei eine empfangene Echoamplitude mit einem bestimmten Objektabstand durch eine

Referenzechoamplitude zu dem gleichen oder ähnlichen Objektabstand dividiert wird, und mit einem dritten Modul, das dazu eingerichtet ist, die normierten Echoamplituden zu kodieren und an ein Steuergerät zu übertragen.

Das System ist dazu eingerichtet, eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen. Daher gelten die im Rahmen eines der Verfahren beschriebenen Merkmale entsprechend für das System und umgekehrt gelten im Rahmen des Systems beschriebene Merkmale entsprechend für die Verfahren.

Grundsätzlich kann dabei alles durch entsprechende Module im Steuergerät gerechnet werden. Das erfordert aber viel Rechenzeit und würde außerdem eine genaue Ermittlung der gemessenen Amplituden voraussetzen.

Bevorzugt wird daher in der Sende-/Empfangseinheit berechnet: a) Abstandsabhängige Normierung wie zuvor beschreiben. Entweder in der Sende-/Empfangseinheit oder im Steuergerät wird durchgeführt: b) Die Korrektur der Umgebungsbedingungen. Die

Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen in der Sende- /Empfangseinheit setzt deren Kenntnis voraus. Entsprechend ist bei diesen Ausführungsformen eine Kommunikation der

Umgebungsbedingungen vom Steuergerät an die Sende- /Empfangseinheit vorgesehen. c) Signifikanzberechnung. d) Klassifikation anhand Echomuster. Ausschließlich das Steuergerät berechnet dabei: e) Die Korrektur der Richtcharakteristik. Die Winkelgebung ist im Systemverbund berechenbar.

Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Teile des Computerprogramms, insbesondere die Berechnung normierter Echoamplituden und das Kodieren der normierten Echoamplituden, können von einem Mikrocontroller einer Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit ausgeführt werden, weitere Teile auf damit verbundenen einem Steuergerät (ECU). Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielweise um ein Modul zur Implementierung eines Fahrassistenzsystems oder eines Subsystems hiervon in einem Fahrzeug handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium, oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-ROM, DVD, Blu- ray-Disc oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das

Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa einem Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, zum Beispiel bei einem Datennetzwerk wie dem Internet oder einer Kommunikationsverbindung wie etwa einer

Telefonleitung oder einer drahtlosen Verbindung.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Fahrassistenzsystem vorgeschlagen, das ein derartiges System umfasst.

Das Fahrassistenzsystem kann beispielsweise als ein Einparkassistent ausgestaltet sein, mit dem Parkplätze in der Umgebung des Fahrzeugs ermittelt werden und ggf. das Fahrzeug in eine der ermittelten Parklücken geführt wird. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten sind beispielsweise ein Totwinkelassistent, der einen Fahrer des Fahrzeugs vor Objekten im toten Winkel warnt, oder ein Rückfahrassistent, der den Fahrer bei einer Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs unterstützt.

Vorteile der Erfindung

Beim vorgeschlagenen Verfahren zum Erkennen von Objekten anhand von Ultraschallsignalen wird nicht nur der Objektabstand zu einer Folge von

Echoamplituden ermittelt, sondern es können Aussagen darüber getroffen werden, welcher Typ Objekt detektiert wurde. Insbesondere können

Rückschlüsse auf die Geometrie des Objekts oder sogar Rückschlüsse auf die Natur des Objekts getroffen werden, ob beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Mensch detektiert wurde.

Das Verfahren setzt dabei lediglich eine zuvor bestimmte Datenbank mit

Echoamplituden eines oder mehrerer Referenzobjekte bei variierendem

Objektabstand voraus, welche in einem Speicher der Ultraschall-Sende- /Empfangseinheit abgelegt sein kann. Der tatsächliche Vergleich erfordert im Falle der Implementation mit einer Tabelle lediglich wenige Rechenschritte.

Das Verfahren kann außerdem vorteilhaft auf schmalbandigen Bussystemen wie etwa ein CAN-Bus eingesetzt werden, wenn eine Logarithmierung und

Quantisierung der Echoamplituden vor der Übertragung von der Ultraschall- Sende-/Empfangseinheit zum Steuergerät vorgenommen wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Situation mit einem Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes

System aufweist, und mit drei Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs, und

Figur 2 ein Diagramm mit der Abstandsabhängigkeit der Echoamplitude

verschiedener Objekte.

In Figur 1 ist schematisch ein Fahrzeug 2 mit einem erfindungsgemäßen

Fahrassistenzsystem 4 dargestellt. Das Fahrassistenzsystem 4 umfasst eine Sende-/Empfangseinheit 6 und ein Steuergerät 8.

Die Sende-/Empfangseinheit 6 kann einen oder mehrere Ultraschallwandler umfassen, mithilfe welcher die Umgebung des Fahrzeugs 2 erfasst werden kann. Hierzu werden von der Sende-/Empfangseinheit 6 Sendesignale in Form von Ultraschallpulsen 10 ausgestrahlt und von Objekten 14, 16, 18 reflektierte Empfangssignale empfangen, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als Echoamplituden 12 bezeichnet werden.

Die Abstände der Objekte 14, 16, 18 zur Sende-/Empfangseinheit 6 können mittels Laufzeitanalyse ermittelt werden. Bei zeitlich nacheinander

ausgesendeten Ultraschallpulsen 10 ergibt sich bei Reflexion an demselben Objekt 14,16, 18 eine Folge von Echoamplituden 12, die von der Sende- /Empfangseinheit 6 detektiert wird, bzw. werden.

Entsprechend einer typischen Verkehrssituation nähert sich das Fahrzeug 2 den Objekten 14, 16, 18. Mit gestrichelten Linien ist die Lage der Objekte 14, 16, 18 zu einem späteren Zeitpunkt dargestellt. Die Abstände von der Sende- /Empfangseinheit 6 zu den jeweiligen Objekten 14, 16, 18 haben sich dabei verringert. Bei dem Objekt 14 handelt es sich um ein schmales kreisrundes Objekt, beispielsweise um einen Laternenpfahl oder Ähnliches. Die

Abstandsabhängigkeit der Echoamplitude bei diesem Objekt ermittelt sich bei Normbedingungen von 22,5 °C und 40 % relativer Luftfeuchtigkeit als 1/r ¹ ' ⁵ , wobei r den Abstand bezeichnet, was in Figur 2 als Kurve Ki dargestellt ist.

Das Objekt 16 ist eine vertikale Wand, beispielsweise ein Garagentor, auf das das Fahrzeug 2 zufährt. Die vertikale Wand ergibt bei Normbedingungen von 22,5 °C und 40 % relativer Luftfeuchtigkeit eine Abstandsabhängigkeit von 1/ r, was in Figur 2 als Kurve K2 dargestellt ist.

Das dritte Objekt 18 ist ein Busch, welcher eine diffuse Rückstrahlcharakteristik aufweisen kann.

Bei einem ausgesendeten Ultraschallpuls 10 ergibt sich in der dargestellten Situation für jedes einzelne der drei Objekte 14, 16, 18 eine Echoamplitude 12, die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens untersucht wird. Dabei wird zunächst der jeweilige Objektabstand der Echoamplitude 12 aus der Laufzeit des Echosignals bestimmt.

Daraufhin wird eine Referenzechoamplitude eines Referenzobjekts bei gleichem oder ähnlichem Objektabstand ermittelt und zu den detektierten Echoamplituden 12 werden normierte Echoamplituden durch Division der empfangenen

Echoamplituden 12 durch die Referenzechoamplitude berechnet. Die normierten Echoamplituden werden logarithmiert, diskretisiert und an das Steuergerät 8 übertragen.

Das Steuergerät 8 gewinnt bereits aus einer einzigen normierten Echoamplitude erste Informationen über das Objekt. Objekt 16, die vertikale Wand, hat einen wesentlich größeren Reflektionsquerschnitt als Objekt 14, das Rohr.

Ist das Referenzobjekt beispielsweise ein Rohr, dann wird für das Objekt 14 die normierte Echoamplitude im Wesentlichen konstant sein. Hieraus kann geschlossen werden, dass das Objekt 14 mit dem Referenzobjekt übereinstimmt oder diesem sehr ähnlich ist. Für das Objekt 16, die vertikale Wand, wird dagegen die Echoamplitude nicht konstant sein, woraus geschlossen werden kann, dass es sich nicht um ein Rohr sondern um ein größeres Objekt handelt. Entsprechende Aussagen können für das dritte Objekt 18, den Busch getroffen werden.

Das Steuergerät 8 erhält typischerweise eine zeitliche Folge von normierten, kodierten Echoamplituden und ermittelt daraus weitergehend die Signifikanz des detektierten Objekts 14, 16, 18. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.