DE102012004320A1

DE102012004320A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umfelderfassung unter Ausnutzung des Dopplereffekts

Info

Publication number: DE102012004320A1
Application number: DE201210004320
Authority: DE
Inventors: Stephan Max; Claudia Prauße; Peter Baumann; Reiner KATZWINKEL
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-03-03
Filing date: 2012-03-03
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Umfelderfassung und ein Verfahren, welches Schritte umfasst: Ausführen einer Impulsechomessung, indem ein Impuls, der einen Schwingungen aufweisenden Sendewellenzug umfasst, ausgesendet wird, wobei die Schwingungen des Sendewellenzugs eine Sendefrequenz (fS) aufweisen, und eine Echosignal zeitaufgelöst erfasst wird, Auswerten des Echosignals, indem ermittelt wird, ob zumindest ein erster Echopuls in dem Echosignal enthalten ist, und sofern dieses der Fall ist, zumindest für den ersten Echopuls, welcher einen Schwingungen aufweisenden Echowellenzug umfasst, eine Frequenzinformation (fE) über die Schwingungen des Echowellenzugs bestimmt wird, Erfassen oder Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v), und Ermitteln einer Winkelinformation (α) anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Frequenzinformation (fE) für mindestens ein erkanntes Objekt (24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Umfelderfassung eines Fahrzeugs sowie eine entsprechende Vorrichtung.
In Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, kommen Systems zum Einsatz, welche zur Erfüllung ihrer Funktionalität Informationen über ein Vorhandensein von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs und über deren Position und/oder Ausdehnung benötigen. Beispielhaft seien hier Parkunterstützungssysteme genannt, welche einen Fahrer eines Fahrzeugs beim Einparken des Fahrzeugs in eine Parklücke unterstützen oder diesen Einparkvorgang teilautomatisiert mit reduziertem Fahrereingriff ausführen.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Umfelderfassungsvorrichtungen bekannt, welche nach dem so genannten Impulsechomessverfahren arbeiten. Mittels eines Sensors, der als Sender arbeitet, wird ein zeitlich kurzer Impuls in die Umgebung ausgesandt. Dieser wird an Objekten in der Umgebung reflektiert und von einem als Empfänger betriebenen Sensor erfasst. Anhand der Laufzeit kann bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit. des ausgesandten Signals auf die Entfernung des Objekts von Sender und Empfänger unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung von Sender und Empfänger am Fahrzeug zurückgeschlossen werden. Häufig wird ein und derselbe Sensor sowohl als Sender als auch nachfolgend als Empfänger genutzt. Besonders verbreitet sind so genannte Ultraschallmesssysteme, bei denen Ultraschallwandler als Messsensoren verwendet werden, die Schallsignale im Ultraschallbereich, beispielsweise bei einer Schallfrequenz von etwa 50 kHz, abstrahlen.
Mit den aus dem Stand der bekannten automotiven Systemen kann somit eine radiale Abstandsinformation, nicht jedoch eine Winkelinformation, ermittelt werden. Dies hat seine Ursache darin, dass die verwendeten Sensoren in einen relativ großen Winkelbereich Schall abstrahlen und ebenfalls aus einem relativ großen Winkelbereich reflektierte Schallpulse erfassen können.
Um somit Objekte in der Umgebung lokalisieren zu können, ist es notwendig, mehrere Messungen mit unterschiedlichen Messgeometrien auszuführen. Eine Messgeometrie ist hierbei durch die relative Positionierung von Sender und Empfänger relativ zueinander und insbesondere relativ zur Umgebung gegeben. Wird ein Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger genutzt, so kann eine zweite von der ersten abweichende Messgeometrie dadurch hergestellt werden, dass der Ultraschallwandler relativ zur Umgebung, d. h. in dieser, bewegt wird.
Die Lokalisierung wird häufig anhand einer Umgebungskarte vorgenommen, in der jedem Gebiet in der Umgebung eine Zelle einer Umgebungskarte zugeordnet ist. Jeder Zelle ist wiederum mindestens ein Belegungswert zugeordnet, welcher ein Maß dafür ist, dass das mit der Zelle korrespondierende Gebiet in der Umgebung belegt ist. Die Belegungswerte werden anhand der Messergebnisse aufeinanderfolgender Messungen in der Regel unter Verwendung eines wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatzes, beispielsweise gemäß dem Bayes'schem Theorem, aus den erhaltenen Messdaten fusioniert. Nach einer Vielzahl von Messungen weisen die Zellen einen hohen Belegungswert auf, an denen gemäß der Abstandsmessung ein Objekt detektiert wurde, und jene Zellen, für die in den Abstandsmessungen selten oder nie aufgrund der Abstandsinformation ein Gegenstand gemessen wurde, einen geringen Belegungswert auf. Bei einer Messung werden hier die Belegungswerte aller Zellen erhöht, deren Gebiete in der Umgebung einen radialen Abstand aufweisen, der mit dem ermittelten Abstand übereinstimmt und die zusätzlich in dem Winkelbereich liegen, aus dem Ultraschallsignale zurückreflektiert sein können.
Aus der DE 10 2004 047 087 A1 ist ein Verfahren zur Objektverifikation in einem Radarsystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem Abstände und Relativgeschwindigkeiten von georteten Objekten anhand von empfangenen Radarechos bestimmt werden. Bei dem System wird ein so genannten Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW)-Radar eingesetzt, bei dem die Frequenz des gesendeten Radarsignals rampenförmig moduliert wird. Aus einem Frequenzunterschied zwischen gesendetem und empfangenem Signal kann auf den Abstand und die Relativgeschwindigkeit geschlossen werden, wobei die Frequenzverschiebung zusätzlich zu dem Laufzeiteffekt auch einen durch eine Dopplerverschiebung verursachten Frequenzanteil aufweist.
Aus der DE 10 2009 028 992 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Hindernisses relativ zu einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, zur Verwendung in einem Fahrassistenzsystem des Fahrzeugs bekannt. Hierbei wird mindestens ein Ultraschallpuls mit einer vorgegebenen Sendefrequenz ausgesendet, der ausgesendete Ultraschallpuls an dem Hindernis reflektiert und als Echoimpuls wieder empfangen. Es wird die Empfangsfrequenz des empfangenen Echopulses bestimmt und in Abhängigkeit davon ein Absolutwert eines Einfallwinkels des Echopulses ermittelt. Aus dem Absolutwert des Einfallswinkels des Echopulses werden zwei Hypothesen für eine Winkelposition des Hindernisses aufgestellt und eine der Hypothesen wird mit Hilfe eines Absolutwerts eines Einfallwinkels mindestens eines weiteren an dem Hindernis reflektierten Echopulses als wahr identifiziert. Die Winkelbestimmung beruht auf der Auswertung eines Kennfelds des Sensors. Die von dem Sensor empfangene Frequenz ist abhängig von dem Einfallswinkel der Schallwelle auf dem Sensor. Bei der Methode wird eine aufgrund einer Dopplerverschiebung verursachten Frequenzbeeinflussung kompensiert.
Aus der EP 1 879 048 A1 sind ein Verfahren zur Abstandsmessung und Ultraschallabstandssensor bekannt, bei dem eine Membran zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall vorgesehen ist, wobei die Membran einen Resonanzfrequenzbereich aufweist und mit einer Ansteuereinrichtung zur Ansteuerung der Membran zu einer Schwingung zum Erzeugen von Ultraschall gekoppelt ist, wobei eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer Differenzgeschwindigkeit zu einem Hindernis vorgesehen ist und wobei die Membran durch die Ansteuereinrichtung zu einer Schwingung außerhalb des Resonanzfrequenzbereichs in Abhängigkeit von der Differenzgeschwindigkeit derart angeregt wird, dass die Frequenz eines empfangenen, von dem Hindernis reflektierten Signals im Resonanzfrequenzbereich der Membran liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Umfelderfassungsverfahren und eine verbesserte Umfelderfassungsvorrichtung zu schaffen, welche insbesondere auf einfache Weise eine zuverlässigere Winkelpositionsbestimmung von Objekten in der Umgebung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass bei einer Umfelderfassung, welche in einem bewegten Fahrzeug stattfindet, eine Kenntnis der Fahrzeugbewegung ausgenutzt werden kann, um eine deutlich verbesserte Winkelinformation bei einer Auswertung von Ultraschallmesssignalen bei einer Impulsechomessvorrichtung zu erhalten. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Bewegung der Messanordnung, d. h. des Senders und des Empfängers, relativ zu den Objekten in der Umgebung zu einer Frequenzverschiebung zwischen den Schwingungen des ausgesandten Sendeimpulses und den Schwingungen in dem empfangenen Echopuls führt. Diese Frequenzverschiebung ist abhängig von der Relativgeschwindigkeit des Messsystems relativ zum Objekt jeweils entlang des Signalausbreitungswegs. Die Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit, welche entlang der Signalausbreitungsrichtung wirksam ist, hängt somit von dem Winkel des Signallaufweges bezogen auf die Bewegungsrichtung ab, entlang derer sich die Messeinrichtung mit der Fahrzeuggeschwindigkeit bewegt.
Insbesondere wird somit ein Verfahren zur verbesserten Umfelderfassung eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte vorgeschlagen:
Ausführen einer Impulsechomessung, indem ein Impuls, der einen Schwingungen aufweisenden Sendeimpulswellenzug umfasst, ausgesendet wird, wobei die Schwingungen des Sendewellenzugs eine Sendefrequenz aufweisen, und eine Echosignal zeitaufgelöst erfasst wird; Auswerten des Echosignals, indem ermittelt wird, ob zumindest ein erster Echopuls in dem Echosignal enthalten ist, und sofern dieses der Fall ist, zumindest für den ersten Echopuls, welcher einen Schwingungen aufweisenden Echowellenzug umfasst, eine Frequenzinformation über die Schwingungen des Echowellenzugs bestimmt wird; Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit; Ermitteln einer Winkelinformation anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Frequenzinformation für mindestens ein erkanntes Objekt.
Ferner wird vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur verbesserten Umfelderfassung eines Fahrzeugs geschaffen, welche umfasst: eine Impulsechomesseinrichtung zum Ausführen einer Impulsechomessung, bei der ein Impuls, der einen Schwingungen aufweisenden Sendeimpulswellenzug umfasst, ausgesendet wird, wobei die Schwingungen des Sendewellenzugs eine Sendefrequenz aufweisen, und eine Echosignal zeitaufgelöst erfasst wird, und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Echosignals, welche eine Echopulserkennungseinrichtung zum Ermitteln, ob zumindest ein erster Echopuls in dem Echosignal enthalten ist, und eine Frequenzermittlungseinrichtung, um zumindest zu einem erkannten ersten Echopuls, welcher einen Schwingungen aufweisenden Echowellenzug umfasst, eine Frequenzinformation über der Schwingungen des Echowellenzugs zu bestimmen, Fahrzeuggeschwindigkeitseinrichtung zum Empfangen oder Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, und eine Winkelinformationsermittlungseinrichtung zum Ermitteln einer Winkelinformation anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Frequenzinformation für mindestens ein dem zumindest einen Echopuls zugeordnetes erkanntes Objekt umfasst.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass anhand der ermittelten Frequenzinformation, welches ein Frequenzunterschied zur vorbekannten Sendefrequenz sein kann oder eine Absolutinformation über die Frequenz des Wellenzugs in dem empfangenen Echopuls sein kann, auf einfache Weise eine Winkelinformation ableitbar ist, die eine Lokalisierung von Objekten in der Umgebung deutlich verbessert, da der Winkelbereich, aus dem die Reflexion erfolgt sein kann, deutlich unter jenem Winkelbereich eingeschränkt wird, der ursprünglich durch den Erfassungswinkelbereich der Messanordnung festgelegt war. Je nachdem, ob die absolute Frequenz oder nur die Differenzfrequenz der Schwingungen des Empfangspulses relativ zu der Frequenz der Schwingungen des Sendepulses ermittelt wird, wird bei einer Ausführungsform die Winkelinformation anhand der Frequenzinformation auf Basis einer Dopplerverschiebungsgleichung errechnet, wobei die Winkelinformation alle plausiblen Lösungen der Gleichung c / v( β–1 / β+1) = cos(α) mit
wobei f_E die Empfangsfrequenz, f_S die Sendefrequenz, v die Fahrzeugsgeschwindigkeit, und c die Schallausbreitungsgeschwindigkeit und α der Winkel gemessen gegen die Richtung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist, oder der Gleichung c / v( 1 / Y+1) = cos(α) mit
mit Δf = f_E – f_S umfasst. Mit plausiblen Lösungen ist hierbei gemeint, dass nur solche Lösungen betrachtet werden sollen, die zu einem Schallausbreitungsweg gehören, der in dem Winkelmessbereich des Sensors liegt. Die Gleichungen sind nämlich teilweise für Werte von α lösbar, die mit einer Richtung korrespondieren, welche eine Schallausbreitung in oder aus einer Winkelbereich andeutet, der außerhalb des Winkelmessbereichs des Sensors liegt. Welche Lösungen nicht plausibel sind, ergibt sich aus einfachen geometrischen Überlegungen. Z. B. wird geprüft, ob ein ermittelter Winkel in einem Winkelmessbereich des Sensors liegt, der bezüglich der Bewegungsrichtung durch eine Sensorcharakteristik und die Anordnung im Fahrzeug gegeben ist. Die angegebenen Gleichungen sind äquivalent und unterscheiden sich lediglich dadurch, dass diese für bereits unterschiedlich errechnete bzw. ermittelte Anfangswerte ausgelegt sind. Insgesamt ergibt sich die Gleichung anhand folgender Überlegungen.
Während der Annäherung an ein Objekt sendet der Sender Schwingungen mit einer konstanten Sendefrequenz. Im Übertragungsmedium Luft breitet sich eine Schallwelle aus, deren Wellenlänge mit der Sendefrequenz über die Schallausbreitungsgeschwindigkeit, einer Eigenschaft des Übertragungsmediums, verknüpft ist. Bei bekannter Schallausbreitungsgeschwindigkeit lässt sich somit die Wellenlänge ermitteln. Im Abstand dieser Wellenlänge werden bei einem ruhenden Sensor die Wellenfronten eines Schallsignals erwartet. Da sich das Fahrzeug jedoch in Richtung der Schallabstrahlung bewegt, ist das Fahrzeug einer zuvor ausgesandten Wellenfront ”nachgefahren”, sodass die Aussendung der nächsten Wellenfront in einem räumlich kürzeren Abstand zu der voraus ausgesandten Wellenfront erfolgt, als dies für einen ruhenden Sensor der Fall gewesen wäre. Somit trifft an einem ruhenden Objekt eine Schallwelle mit einer kürzeren Wellenlänge ein, was wiederum gleichbedeutend damit ist, dass die Schallfronten in kürzeren Zeitabständen eintreffen und somit eine erhöhte Frequenz gemessen wird. An dem ruhenden Objekt werden nun gemäß des Huygens'schen Prinzips die Schallfronten reflektiert, und zwar mit der Frequenz, die der ruhende Beobachter für die eintreffende Welle an dem Objekt ermittelt hat. Da sich das Fahrzeug gemäß der Annahme auf das Objekt zubewegt, welches den Schall reflektiert, fährt es somit den Wellenfronten entgegen, aus denen das reflektierte Schallsignal besteht. Da das Fahrzeug den Wellenfronten entgegenfährt, werden die Zeitabstände zwischen den Zeitpunkten verkürzt, an denen das Fahrzeug eine Wellenfront detektiert. Die von dem Fahrzeug gemessene Frequenz ist somit höher als die Frequenz, mit der die Wellenfronten bei dem ruhenden Objekt reflektiert wurden.
Bei einer Ausführungsform wird zusätzlich eine Signallaufzeit des ersten Echopulses ermittelt und hieraus eine radiale Abstandsinformation für das mindestens eine erkannte Objekt bestimmt. Eine entsprechende Vorrichtung sieht hierfür eine Abstandsermittlungseinrichtung vor. Somit ist eine eindeutigere Lokalisation des Objekts in der Umgebung möglich. In einer Ebene sind jedoch noch Mehrdeutigkeiten bei der Lokalisation aufgrund von Mehrdeutigkeiten der Winkelinformation möglich.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der Raumbereichen eines Umfelds des Fahrzeugs basierend auf der Winkelinformation und gegebenenfalls zusätzlich auf Basis der radialen Abstandsinformation für das mindestens eine erkannte Objekt Evidenzinformation für ein Vorhandensein des mindestens einen erkannten Objekts zugefügt wird. Eine radiale Abstandinformation wird auch als Radialinformation bezeichnet. Eine entsprechende Vorrichtung sieht vor, dass Raumbereichen eines Umfelds des Fahrzeugs basierend auf der Winkelinformation und gegebenenfalls zusätzlich auf Basis der Radialinformation für das mindestens eine erkannte Objekt Evidenzinformation für ein Vorhandensein des mindestens einen erkannten Objekts zugefügt wird. Hierdurch kann eine Umfeldkarte erstellt werden.
Ein besonders günstiges Verfahren zum Bestimmen der absoluten Frequenz der Schwingungen im Echopuls sieht vor, dass die Frequenz des Echopulswellenzugs anhand einer Transformation des zeitaufgelösten Echosignals oder Echosignalabschnitts in einen Frequenzraum ermittelt wird. Eine entsprechende Vorrichtung sieht vor, dass die Frequenzermittlungseinrichtung eine Transformationseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die Frequenz des Echopulswellenzugs anhand einer Transformation des zeitaufgelösten Echosignals oder Echosignalabschnitts in einen Frequenzraum zu ermitteln.
Bei einer Ausführungsform wird als die Transformation eine Fast Fourier Transform (FFT) verwendet. Die Transformationseinrichtung ist dann vorzugsweise eine FFT-Transformationseinrichtung.
Aufgrund der Tatsache, dass es unterschiedliche Winkel gibt, welche zur selben Frequenzverschiebung führen und somit eine Mehrdeutigkeit der absoluten Winkelposition besteht, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass mindestens eine weitere Impulsechomessung mit einer veränderten Sender-Empfänger-Geometrie gegen über der Sender-Empfänger-Geometrie der einen Impulsechomessung ausgeführt wird und ein hierbei erhaltenes weiteres Echosignal analog zu dem einen Echosignal ausgewertet wird, und die Winkelinformation der einen Messung mit der Winkelinformation der mindestens einen weiteren Messung unter Berücksichtigung der Änderung der Sender-Empfänger-Geometrie fusioniert wird, um die Winkelinformation zu präzisieren und vorher gegebenenfalls vorhandene Mehrdeutigkeiten zu eliminieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines an einem Ultraschallwandler gemessenen Echosignals;
2a–2d schematische Darstellungen von Umfeldkarten, in die Messwerte eines relativ zu einem Objekt bewegten Sensors unter Auswertung ausschließlich der aus den Messungen resultierenden Radialinformationen fusioniert sind;
3a eine Darstellung einer Umgebungsszene, wie sie sich für einen Fahrer eines Fahrzeugs beim Blick durch dessen Frontscheibe darstellt;
3b eine schematische Darstellung einer Umgebungskarte, in die ein die Umgebung vermessendes Fahrzeug sowie die anhand der Messergebnisse ermittelten Positionen von Objekten in der Umgebung gemäß der Szene der 3a eingezeichnet sind;
4 eine schematische Darstellung eines Sensors relativ zu zwei Objekten in der Umgebung;
5a–5d schematische Darstellungen von Umgebungskarten, in die Messwerte eines relativ zu einem Objekt bewegten Sensors unter Verwendung der Radialinformation und der Winkelinformation fusioniert sind;
6 eine weitere schematische Darstellung eines Fahrzeugs relativ zu zwei Objekten in der Umgebung;
7 eine schematische Darstellung der aus der Radialinformation und der Winkelinformation abgeleiteten Evidenzinformationen für ein Vorhandensein eines Objekts in der Umgebung des bewegten Messsensors und
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umfelderfassung in einem Fahrzeug.
In 1 ist schematisch ein an einem Ultraschallwandler gemessenes Echosignal 1 grafisch dargestellt. Auf einer Abszisse 2 ist die Zeit und auf der Ordinate 3 eine Signalamplitude dargestellt. Unmittelbar nach dem Aussenden des Sendeimpulses ist ein Ausschwingen in Form einer Abschwingkurve 4 der zur Ultraschallwandlung verwendeten Membran erkennbar. Es schließt sich ein Abschnitt des Echosignals 1 an, in dem eine Signalintensität unterhalb definierter Schwellenwerte 5, 6 liegt. Zeitlich schließt sich dann ein sogenannter direkter Echopuls 7 an. Die Schwingungen in dem direkten Echopuls 7 weisen eine Amplitude auf, welche die Schwellenwerte 5, 6 überschreitet. Im weiteren zeitlichen Verlauf sind noch Echopulse 8, 9, 10 zu erkennen, die von Mehrfachreflexionen und/oder Reflexionen an anderen Objekten herrühren können.
Wird nur die Zeitspanne 11 zwischen dem Aussenden des Sendepulses und dem Eintreffen des ersten direkten Echopulses 7 ausgewertet, so erhält man anhand der Signallaufzeit eine radiale Abstandsinformation für das Objekt an dem der ausgesandte Ultraschallpuls reflektiert ist. Der in der Zeitspanne 11 zurückgelegte Weg des Schallpulses entspricht dem doppelten (radialen) Abstand zwischen Ultraschallsensor und Objekt.
In den 2a bis 2d ist schematisch eine Messdatenfusionierung in einer Umgebungskarte 21 schematisch dargestellt. Die Umgebungskarten 21 stellen jeweils eine Abbildung der Umgebung in Draufsicht dar. X-Achse 22 und Y-Achse 23 der Umgebungskarten 21 korrespondieren mit eben solchen Achsen in der Umgebung des Messsensors bzw. Fahrzeugs, wobei das entsprechende Koordinatensystem in der Umgebung ortsfest ist. Eine Position eines vorhandenen Objekts 24 ist über einen Kreis angedeutet. Die Position des sich bewegenden Sensors 25 bzw. des Fahrzeugs, an dem der Sensor 25 befestigt ist, ist über ein Rechteck angedeutet. Zu erkennen ist, dass sich das Fahrzeug bzw. der Sensor 25 entlang der X-Achse bewegt. Die Umgebungskarten 21 zeigen wie die Messdaten für vier nacheinander erfolgte Messungen, die sukzessiv erfasst sind und fusioniert werden. Aus einer Messung kann eine Radialinformation ermittelt werden, welche angibt, in welchem Abstand sich ein Objekt zu dem Messsensor bzw. Fahrzeug befindet. Eine Unsicherheit in dem radialen Abstand äußert sich durch eine Strichbreite 28 eines Kreissektorelements 29. Ein Winkelbereich 30 des Kreissektorelements 29 spiegelt den Winkelmessbereich wieder, aus dem ein reflektierter Echopuls empfangen sein kann. Die Fläche des Kreissektorelements 29 kennzeichnet somit solche Raumbereiche, in denen sich gemäß der Impulsechomessung ein Objekt befinden kann, welches den ersten erfassten Echopuls verursacht hat.
In 2b ist nun diese erste Messung mit einer zweiten Messung, die an der Position ausgeführt worden ist, an der das Fahrzeug bzw. der Sensor 25 in der zweiten Umgebungskarte 21 der 2b eingezeichnet ist, erfasst ist. Das zu dieser zweiten Messung zugehörige Kreissektorelement 29-2 ist ebenfalls eingezeichnet. Punkte der Umgebungskarte bzw. Gebiete der Umgebungskarte, die in einem Überlappungsbereich der beiden Kreissektorelemente 29-1, 29-2 liegen, d. h. in einem Überlappungsgebiet 32, wird durch die Fusionierung eine höhere Belegungswahrscheinlichkeit zugewiesen. Allgemein wird jedem Punkt, welcher auf einem ermittelten Kreissektorelement 29 liegt, eine erhöhte Belegungswahrscheinlichkeit, also ein erhöhter Belegungswert zugewiesen. Dies erfolgt vorzugsweise mittels wahrscheinlichkeitstheoretischer Verfahren, beispielsweise des aus dem Stand der Technik bekannten Bayes'schen Theorems. Dem Fachmann sind diese Verfahren wohl bekannt, sodass diese hier nicht genauer erläutert werden. Ebenso können solche Verfahren auch eine Alterung von Informationen berücksichtigen, was dazu führt, dass ein Belegungswert für solche Zellen in der Umgebungskarte verringert wird, für die gemäß einer neu ausgeführten Messung keine Evidenz für ein Vorhandensein eines Objekts in der Umgebung ermittelt werden kann.
In den 2c und 2d sind dann analog die Situationen dargestellt, bei denen drei bzw. vier Messungen miteinander fusioniert sind. Es zeigt sich, dass tatsächlich im Bereich des Objekts 24 die höchsten Belegungswerte, die über eine Schraffurdichte angedeutet sind, in der Karte gefunden werden, sodass auf diese Weise tatsächlich eine Lokalisierung von Objekten in der Umgebung möglich ist, jedoch eine Vielzahl von Messungen auszuwerten ist.
In 3a ist schematisch eine Situation dargestellt, wie sie sich für einen Fahrer bei einem Blick durch eine Frontscheibe darstellt. Zu erkennen sind eine Fahrbahn 41, ein Kantstein 42 sowie ein Bürgersteig 43. Auf diesem befinden sich beabstandet seitlich vor dem Fahrzeug zwei Pfosten 44, 45.
In 3b ist schematisch eine Umgebungskarte dieser Szene der 3a dargestellt, wie sie sich nach der Vorbeifahrt des Fahrzeugs 52, welches ebenfalls schematisch in die Umgebungskarte 51 eingezeichnet ist, darstellt. Schraffiert sind die Bereiche 54, 55 markiert, die gemäß dem Ultraschallmessverfahren, bei dem nur die Radialinformationen ausgewertet werden, eine Lokalisierung der Pfosten 44, 45 andeuten. Gut zu erkennen ist, dass die Ausdehnungen 56, 57 der Bereiche 54, 55 parallel zur Fahrtrichtung 58 des Fahrzeugs wesentlich größer angegeben sind, als es gemäß der tatsächlichen Ausdehnung der Pfosten 44, 45 gemäß 3a korrekt wäre.
In 4 ist schematisch eine Situation dargestellt, bei der sich ein Fahrzeug 52 auf zwei Objekte A 62 und B 63 im Umfeld 50 zubewegt. Die Fahrzeugbewegung legt eine Vorzugsrichtung 64 fest. Im dargestellten Beispiel weist diese unmittelbar auf das mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnete Objekt A. Nimmt man an, dass sich das Fahrzeug 52 mit einer Geschwindigkeit v dem Objekt A 62 annähert, so ist die Relativgeschwindigkeit entlang des Signalausbreitungswegs 65 für ein an dem Objekt A 62 reflektiertes Ultraschallsignal diese Geschwindigkeit v. Misst man einen Winkel zwischen dem Signalausbreitungsweg und der durch die Fahrzeuggeschwindigkeit festgelegten Vorzugsrichtung 64, so beträgt dieser Winkel α_A = 0° für den Schallausbreitungsweg 65 zwischen dem Sensor 66 und dem Objekt A 62.
Für das Objekt B 63 stellt sich die Situation anders dar. Der Signalausbreitungsweg 67 von dem Sensor 66 zu dem Objekt B 63 und zurück zum Sensor 66 schließt einen Winkel α_B = 45° bezüglich der Vorzugsrichtung 64 ein. Parallel zur Signalausbreitungsrichtung beträgt somit die Relativgeschwindigkeit, welche für eine Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts von Belang ist: v_Messung = v_Fahrzeug·cos(α_B)
Die Relativgeschwindigkeit ist somit geringer, sodass auch eine geringere Frequenzerhöhung in dem Messsignal erwartet wird. Anhand der Frequenzänderung kann somit auf den Winkel α geschlossen werden, der zwischen dem Signallaufweg und der Bewegungsrichtung eingeschlossen wird. Allgemein gilt: v_Messung(t) = V_Fahrzeug(t)·cos(α).
Da gilt cos(+α) = cos(–α), kann nicht entschieden werden, ob sich das Objekt bezogen auf die ausgezeichnete Vorzugsrichtung 64 des Fahrzeugs rechts, wie in 4 dargestellt, befindet oder links, wie durch das gestrichelte Objekt B' 63' angedeutet ist. Somit weist das Messergebnis eine Mehrdeutigkeit hinsichtlich der absoluten Messposition auf. Betrachtet man das Problem dreidimensional, in Polarkoordinaten, so gibt α den Azimutalwinkel an. Hinsichtlich des Polarwinkels, der eine Rotation um die durch die Vorzugsrichtung 64 gegebene Achse angeben würde, ist das Problem rotationssymmetrisch.
In 5 ist diese Situation noch einmal dargestellt, bei der sich das Fahrzeug 52 an zwei Objekte B 63, C 69 annähert. Die Signalausbreitungswege 66, 69 schließen bezüglich der Fahrtrichtung bzw. hierdurch festgelegten Vorzugsrichtung 64 betragsmäßig denselben Winkel |α_B| = |α_C| ein. Somit verursachen diese in dem Ultraschallsignal dieselbe Frequenzverschiebung.
In 6 ist ein Kreissektor 29 dargestellt, dessen Fläche das Vorhandensein eines Objekts gemäß der Auswertung angibt, die nur Radialinformationen berücksichtigt. Über eine zusätzliche Schraffur sind die beiden Gebiete 74, 75 gezeigt, auf die die Fläche eingegrenzt werden kann, in der sich ein Objekt befinden kann, sofern zusätzlich die Winkelinformation ausgewertet wird. Zu erkennen ist, dass eine Lokalisierung deutlich verbessert wird.
In den 7a bis 7d ist nun die Situation für die Vorbeifahrt an einem Fahrzeug schematisch dargestellt, analog zu der Situation in den 2a bis 2d. Die Abstrahlung von Schall erfolgt in einen Winkelsektorbereich, dessen Mittelachse 81 senkrecht zur Fahrzeugbewegungsrichtung 82 orientiert ist. In 3a ist nur ein kleiner Winkelbereich 29'-1a des ursprünglichen Kreissektors als möglicher Bereich verblieben, in dem sich ein Objekt befindet. In 7b treten jedoch zwei Kreissektorbereiche 29'-2a und 29'-2b auf, die aufgrund der zweiten ausgeführten Messung einen Hinweis für die Existenz eines Objekts liefern. Die Doppeldeutigkeit hat hier ihre Ursache darin, dass ein Annähern an ein Objekt, welches sich unter einem Winkel α oder –α zur Fahrtrichtung befindet, dieselbe Frequenzverschiebung verursacht, wie ein Entfernen von einem Objekt, welches sich unter dem Winkel α + 180° oder α-180° befindet. (Hierbei wird für α ein Winkel im Bereich von 0° bis 90° angenommen.) Bei einer Betrachtung, bei der der Winkel α Werte in einem Winkelbereich von 0 bis 360° annehmen kann, gilt, dass Winkel zwischen 0° und 90° sowie 270° und 360° einer Annäherung entsprechen. Ferner erhält man dieselbe Frequenzverschiebung für α = β und α = 360° – β mit 0° < β < 90°. Winkel zwischen 90° und 270° entsprechen einem Entfernen, wobei α = 180 – β und α = 180 + β mit 0° < β < 90° erneut die gleiche Frequenzverschiebung bewirken. Allgemein gilt bei einer Betrachtung in der Ebene, dass für Signalausbreitungswege mit den Winkeln α = β, α = 360° – β, α = 180° – β und α = 180° + β mit 0 ≤ β ≤ 90° jeweils dieselbe Frequenzverschiebung gemessen werden kann. Zwei dieser Lösungen lassen sich aufgrund des Winkelmessbereiches des verwendeten Sensors in der Regel im Fahrzeug unter Berücksichtigung der Anordnung am Fahrzeug relativ zur Fahrtrichtung als nicht plausibel ausschließen. Für β = 0° und β = 90° gibt es nur zwei Lösungen, von denen in der Regel eine nicht plausibel ist.
Vermisst man beispielsweise eine Umgebung mit einem Sensor, dessen den Messbereich halbierende Richtung senkrecht zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist, so grenzt die Winkelinformation Winkelbereiche ein, die entweder zu einer Annäherung an ein Objekt oder zu einer Entfernung von einem Objekt passen würden. Unmittelbar bei einer Vorbeifahrt unter 90° an dem Hindernis fallen dann diese beiden Winkelbereiche zusammen. Insgesamt ist in den 7a bis 7d die Messdatenfusion für eine, zwei, drei und vier Messungen gezeigt, bei denen sowohl die Winkelinformation als auch die, Radialinformation ausgewertet ist. Die einzelnen Kreissektorbereiche 29'-1b, 29'-2a, 29'-2b, 29'-3a, 29'-3b und 29'-4a sind dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass eine zuverlässige Lokalisierung des Objekts 24 in der Umgebung bereits nach zwei Messungen deutlich verbessert gegenüber der Situation ist, bei der nur die Radialinformation ausgewertet wird, wie dies in 2a bis 2d dargestellt ist. – Bei den vier Messungen überlagern sich die Kreissektorbereiche 29'-1b, 29'-2b, 29'-3a, und 29'-4a.
Bei der bisherigen Beschreibung im Zusammenhang mit 7a bis 7d wurde davon ausgegangen, dass lediglich der Betrag der Frequenzverschiebung ausgewertet wurde. Beachtet man das Vorzeichen, d. h. ob eine Frequenzerhöhung oder eine Frequenzerniedrigung gegenüber der ursprünglichen Sendefrequenz gemessen wird, so kann eine Uneindeutigkeit hinsichtlich Lösungen im Winkelbereich –90°(–π/2) bis +90°(+π/2) und Lösungen im Winkelbereich 90°(π/2) bis 260°(3π/2) beseitigt werden. Bei einer Frequenzerhöhung können plausible Lösungen, die zu einer Annäherung an ein Objekt passen, nur Winkel zwischen 0°(0) und 90°(π/2) oder 270°(3π/2) und 360°(2π) aufweisen. Bei einer Frequenzerniedrigung kann der Winkel nur im Bereich 90°(π/2) bis 270°(3π/2) liegen, was einer Entfernung von dem Objekt entspricht. Der Winkel 0°(0) fällt immer ist dem Fahrrichtungsvektor zusammen. In 7a bis 7d könnten die dargestellten Lösungen 29'-2a und 29'-3b ausgeschlossen werden. Lösungen mit dem Kleinbuchstaben ”a” gehören zu einer Entfernung und sind nur plausibel für ein f_E < f_S. Lösungen mit dem Kleinbuchstaben ”b” gehören zu einer Annäherung f_E > f_S.
In 8 ist schematisch eine Vorrichtung zum Vermessen der Umgebung unter Ausnutzung der Winkelinformation dargestellt. Das Fahrzeug 52 umfasst eine Messvorrichtung 100 zur Umfelderfassung. Dies umfasst eine Impulsechomesseinrichtung 101. Die Impulsechomesseinrichtung 101 umfasst einen oder mehrere Sensoren, im dargestellten Beispiel einen Messsensor 102. Dieser ist beispielsweise als Ultraschallwandler ausgebildet. Die Impulsechomesseinrichtung 101 ist ausgebildet, Impulsechomessungen auszuführen und ein Echosignal zu erfassen. Dieses wird an eine Steuereinrichtung 103 weitergeleitet, welches das Echosignal auswertet. Die Steuereinrichtung 103 umfasst eine Auswerteeinrichtung 104. Mittels einer Echopulserkennungseinrichtung 105 wird das Echosignal untersucht, um ein Vorhandensein eines ersten Echopulses zu ermitteln. Die Echopulserkennungseinrichtung 105 bestimmt vorzugsweise ebenfalls eine Signallaufzeit bis zum Eintreffen des ersten Echopulses. Ferner ermittelt sie den Zeitbereich des Echosignals, in dem der erste Echopuls in dem Echosignal lokalisiert ist. Mit einer Frequenzermittlungseinrichtung 106 wird anschließend die Frequenz der Schwingungen in dem Zeitabschnitt des Echosignals ermittelt, der dem ersten Echopuls entspricht. Die hierbei ermittelte Frequenzinformation kann beispielsweise die absolute Frequenz der Schwingungen des Wellenzugs im Echopuls sein oder eine Differenzfrequenz zu der Sendefrequenz, mit der die Schwingungen im Sendeimpuls erzeugt sind. Die absolute Empfangsfrequenz kann vorteilhafterweise mittels einer Fouriertransformation bestimmt werden. Hierfür kann die Frequenzermittlungseinrichtung 106 eine Transformationseinrichtung 112 umfassen. Die Differenzfrequenz kann alternativ durch ein Frequenzmischungsverfahren ermittelt werden.
Das Fahrzeug 52 umfasst beispielsweise einen Radimpulssensor 110, welcher eine Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt. Über einen Gierratensensor 111 kann zusätzlich eine Gierrate bestimmt werden. Die Messsignale des Radimpulssensors 110 und des Gierratensensors 111 werden ebenfalls an die Auswerteeinrichtung 104 der Vorrichtung 100 zur Umfelderfassung übermittelt. Eine Fahrzeuggeschwindigkeitseinrichtung 107 ermittelt die Geschwindigkeit oder empfängt eine Geschwindigkeitsinformation. In letzterem Fall kann die Fahrzeuggeschwindigkeitseinrichtung 107 nur eine Schnittstelle sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Fahrzeuggeschwindigkeit hinsichtlich Betrag und Richtung aus den Messsignalen des Radimpulssensors 110 und des Gierratensensors 111 ermittelt werden. Die Geschwindigkeitsinformation kann auch durch andere Informationen bereitgestellt werden, beispielsweise anhand eines GPS-Systems, anderer Trägheitsnavigationssensoren usw. Diese können ebenso Bestandteil der Vorrichtung zur Umfelderfassung 100 sein.
Die Auswerteeinrichtung umfasst ferner eine Winkelinformationsbestimmungseinrichtung 108, die anhand der Geschwindigkeitsinformation und der Frequenzinformation eine Winkelinformation, wie oben erläutert, unter Verwendung von Gleichungen zur Dopplerverschiebung ermittelt. Eine Abstandsermittlungseinrichtung 109 kann optional aus der Signallaufzeit, die von der Echopulserkennungseinrichtung 105 geliefert ist, eine Radialinformation bestimmen. Die Winkelinformation und gegebenenfalls die Radialinformation werden dann von einer Fusionierungseinrichtung 120 verwendet, um diese in eine Umgebungskarte 121 zu fusionieren, welche beispielsweise in einem Speicher 123 abgelegt ist. Die einzelnen beschriebenen Einrichtungen der Auswerteeinrichtung können ganz oder teilweise in eigenen speziellen Schaltungen umgesetzt sein oder auch mittels einer oder mehrerer Mikroprozessoren oder eines oder mehrerer Field Programmable Gatearrays umgesetzt sein. Bevorzugt werden Umsetzungen mittels eines programmgesteuerten Mikroprozessors. Das entsprechende Programm kann in dem Speicher 123 abgelegt sein. Die Vorrichtung kann die Winkelinformation, die Radialinformation und/oder Informationen aus der Umgebungskarte anderen Fahrzeugsystemen des Fahrzeugs 52 zur Verfügung stellen, sodass diese ihre Funktionalität erfüllen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004047087 A1 [0007]
DE 102009028992 A1 [0008]
EP 1879048 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur verbesserten Umfelderfassung eines Fahrzeugs (52) umfassend die Schritte: Ausführen einer Impulsechomessung, indem ein Impuls, der einen Schwingungen aufweisenden Sendewellenzug umfasst, ausgesendet wird, wobei die Schwingungen des Sendewellenzugs eine Sendefrequenz (f_S) aufweisen, und eine Echosignal zeitaufgelöst erfasst wird, Auswerten des Echosignals, indem ermittelt wird, ob zumindest ein erster Echopuls in dem Echosignal enthalten ist, und sofern dieses der Fall ist, zumindest für den ersten Echopuls, welcher einen Schwingungen aufweisenden Echowellenzug umfasst, eine Frequenzinformation (f_E, Δf) über die Schwingungen des Echowellenzugs bestimmt wird, Erfassen oder Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit (v), Ermitteln einer Winkelinformation (α) anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Frequenzinformation (f_E, Δf) für mindestens ein erkanntes Objekt (24).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelinformation (α) anhand der Frequenzinformation (f_E, Δf) auf Basis einer Dopplerverschiebungsgleichung errechnet wird, wobei die Winkelinformation alle plausiblen Lösungen der Gleichung c / v( β–1 / β+1) = cos(α) mit
wobei f_E die Empfangsfrequenz, f_S die Sendefrequenz, v die Fahrzeugsgeschwindigkeit, und c die Schallausbreitungsgeschwindigkeit und α der Winkel gemessen gegen die Richtung der Fahrzeuggeschwindigkeit sind, oder der Gleichung c / v( 1 / Y+1) = cos(α) mit
mit Δf = f_E – f_S umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Signallaufzeit für den ersten Echopuls ermittelt wird und hieraus eine radiale Abstandsinformation für das mindestens eine erkannte Objekt bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Raumbereichen eines Umfelds des Fahrzeugs (52) basierend auf der Winkelinformation (α) und gegebenenfalls zusätzlich auf Basis der Radialinformation für das mindestens eine erkannte Objekt (24) Evidenzinformation für ein Vorhandensein des mindestens einen erkannten Objekts (24) zugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Echowellenzugs anhand einer Transformation des zeitaufgelösten Echosignals oder Echosignalabschnitts in einen Frequenzraum ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Impulsechomessung mit einer veränderten Sender-Empfänger-Geometrie gegen über der Sender-Empfänger-Geometrie der einen Impulsechomessung ausgeführt wird und ein hierbei erhaltenes weiteres Echosignal analog zu dem einen Echosignal ausgewertet wird, und die Winkelinformation der einen Messung mit der Winkelinformation der mindestens einen weiteren Messung unter Berücksichtigung der Änderung der Sender-Empfänger-Geometrie fusioniert wird, um die Winkelinformation zu präzisieren und eine gegebenenfalls vorhandene Mehrdeutigkeiten zu eliminieren.
Vorrichtung (100) zur verbesserten Umfelderfassung eines Fahrzeugs (52) umfassend: eine Impulsechomesseinrichtung (101) zum Ausführen einer Impulsechomessung, bei der ein Impuls, der einen Schwingungen aufweisenden Sendewellenzug umfasst, ausgesendet wird, wobei die Schwingungen des Sendewellenzugs eine Sendefrequenz (f_S) aufweisen, und eine Echosignal zeitaufgelöst erfasst wird, und eine Auswerteeinrichtung (104) zum Auswerten des Echosignals, welche eine Echopulserkennungseinrichtung (105) zum Ermitteln, ob zumindest ein erster Echopuls in dem Echosignal enthalten ist, und eine Frequenzermittlungseinrichtung (106), um zumindest zu einem erkannten ersten Echopuls, welcher einen Schwingungen aufweisenden Echowellenzug umfasst, eine Frequenzinformation über die Schwingungen des Echowellenzugs zu bestimmen, Fahrzeuggeschwindigkeitseinrichtung (107) zum Empfangen, Ermitteln und/oder Erfassen einer Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs, und eine Winkelinformationsermittlungseinrichtung (108) zum Ermitteln einer Winkelinformation (α) anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Frequenzinformation (f_E, Δf) für mindestens ein dem zumindest einen Echopuls zugeordnetes erkanntes Objekt (24).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzermittlungseinrichtung (106) eine Transformationseinrichtung (112) umfasst, die ausgebildet ist, die Frequenz des Echowellenzugs anhand einer Transformation des zeitaufgelösten Echosignals oder Echosignalabschnitts in einen Frequenzraum zu ermitteln.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (104) eine Abstandsermittlungseinrichtung (109) zum Ermitteln einer radialen Abstandsinformation für das dem zumindest einen erkannten Echopuls zugeordnete Objekt anhand der Signallaufzeit des zumindest einen erkannten Echopulses umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (104) eine Fusionseinrichtung (121) umfasst, die Bereichen in der Umgebung des Fahrzeugs basierend zumindest auf der Winkelinformation (α) und gegebenenfalls zusätzlich auf Basis der radialen Abstandsinformation für das zumindest eine erkannte Objekt (24) Evidenzinformation für ein Vorhandensein des mindestens einen erkannten Objekts (24) zufügt.