DE102013200793A1

DE102013200793A1 - Fahrerassistenzsystem

Info

Publication number: DE102013200793A1
Application number: DE102013200793.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schmid; Burkhard Iske; Michael Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-24
Also published as: FR3001189B1; GB2512440B; FR3001189A1; GB201400811D0; GB2512440A

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeugs (1) vorgeschlagen, das zumindest eine Sensorgruppe (5, 60, 70) aufweist, die zumindest einen ersten Ultraschallsensor (10, 10‘) eines ersten Typs und zumindest einen zweiten Ultraschallsensor (20, 20‘) eines zweiten Typs umfasst. Die Ultraschallsensoren sind derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise überlappende Erfassungsbereiche (12, 22) aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Ultraschallsensoren des ersten Typs zur Erfassung eines Nahbereichs ausgebildet und die Ultraschallsensoren des zweiten Typs zur Erfassung eines Fernbereichs.

Description

Stand der Technik
Ultraschallsensoren, die nach dem Prinzip des Echolots funktionieren, werden mittlerweile nicht nur für die bekannte Einparkhilfe eingesetzt, sondern bilden das grundlegende Messsystem zur Umfelderfassung für eine Vielzahl weiterer Fahrerassistenzsysteme. Beispiele hierfür sind der Einparkassistent (Sensoren vermessen die Parklücke beim Vorbeifahren und das Fahrzeug lenkt automatisch beim Rangieren in die Parklücke) oder Side View Assist (Anzeige überholender Fahrzeuge im toten Winkel).
So ist beispielsweise aus der DE 10 2004 047 479 A1 ein Verfahren zum Klassifizieren von Seitenbegrenzungen einer Parklücke für ein Einparkassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs bekannt. Ein Fahrzeug weist pro Fahrzeugseite einen vorderen und einen hinteren Abstandssensor auf. Die Abstandssensoren sind als Ultraschallsensoren ausgeführt. Bei Vorbeifahrt des Fahrzeugs an einer Parklücke werden mittels der Abstandssensoren die Länge und Tiefe der Parklücke abgetastet. Mithilfe des hinteren Abstandssensors erfolgt zusätzlich die Ermittlung der Seitenbegrenzung der Parklücke.
DE 10 2007 002 738 A1 beschreibt ein Verfahren zur Unterstützung eines Einparkvorgangs, wobei Objekte, die sich in dem Umfeld des Fahrzeugs befinden hinsichtlich ihres Bewegungszustands unterschieden werden. So kann beispielsweiseein Ausblenden des fließenden Verkehrs erfolgen. Hierzu werden bei einer Vermessung der Parklücke Ultraschallsensoren einer Tote-Winkel-Detektion genutzt. Überholt beispielsweise ein Fahrzeug das einzuparkende Fahrzeug an einer Gegenseite zur Parklücke wird das überholende Fahrzeug mittels der Tote-Winkel-Detektion als ein sich bewegendes Objekt erkannt und daher ignoriert.
In naher Zukunft werden weitere Funktionen realisiert werden, die ebenfalls auf der Objektdetektion durch Ultraschallsensoren beruhen, z.B. ACC-Anfahrunterstützung, Fußgängerdetektion, automatischer „Garagenparker“ oder Precrash-Detektion.
Die Erweiterung des Funktionsspektrums geht einher mit erhöhten Anforderungen an die Ultraschallsensorik. Insbesondere die Erweiterung des Erfassungsbereichs hin zu größeren Messentfernungen bereitet hierbei Schwierigkeiten, da für die „Grundfunktion Einparkhilfe“, für die die eingesetzten Ultraschallsensoren ursprünglich entwickelt wurden, die Abdeckung des Nahbereichs (ungefähr 0,1 m–2,5 m) im Vordergrund steht. Soll die Reichweite der Sensoren erhöht werden, muss ein Kompromiss zumindest bei folgenden Konstruktions- bzw. Auslegungsmerkmalen gefunden werden:
Öffnungswinkel der Schallkeule:
Für die lückenlose Abdeckung des Nahbereichs sollte er möglichst groß sein. Zur Erzielung einer hoher Reichweite soll er jedoch schmal und in die Haupterfassungsrichtung fokussiert sein, auch um unerwünschte Echos von seitlichen Objekten in großer Entfernung zu vermeiden.
Dauer und Maximalleistung des Sendeimpulses:
Zur Minimierung des blinden Bereichs unmittelbar vor der Sensormembran nach dem Aussenden des Schallimpulses muss der Impuls möglichst kurz, beispielsweise zwischen 150 µs und 400 µs, sein. Durch derartig kurze Impulse ergibt sich eine gute Abdeckung des Nahbereichs. Zur Erzielung einer hohen Reichweite sollte der Impuls jedoch möglichst lang sein, in etwa bis zu 2 ms, und viel Energie (Leistung) enthalten.
Diese beiden Auslegungsmerkmale hängen mit weiteren Sensoreigenschaften zusammen, wie z.B. der Membrangeometrie, der Leistungsaufnahme und sie beeinflussen damit auch direkt die anfallenden Herstellungskosten. Soll mit einem einzigen Typ Ultraschallsensor der gesamte Detektionsbereich von Nah bis Fern erfasst werden, ist bei der Sensorauslegung immer ein Kompromiss zwischen den möglichen Extremen erforderlich. Die möglichst gute gleichzeitige Erfüllung widerstrebender Anforderungen führt auch immer zu höheren Kosten bei Entwicklung und Herstellung als dies bei Optimierung für einen bestimmten Detektionsbereich der Fall wäre.
Offenbarung der Erfindung
Um die Nachteile der bekannten Systeme zu umgehen, wird erfindungsgemäß ein Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeugs vorgeschlagen, das zumindest eine Sensorgruppe aufweist, die zumindest einen ersten Ultraschallsensor eines ersten Typs und zumindest einen zweiten Ultraschallsensor eines zweiten Typs umfasst. Die Ultraschallsensoren sind derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise überlappende Erfassungsbereiche aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Ultraschallsensoren des ersten Typs zur Erfassung eines Nahbereichs ausgebildet und die Ultraschallsensoren des zweiten Typs zur Erfassung eines Fernbereichs. Unter Nahbereich soll hierbei ein Entfernungsbereich von ca. 0,1 bis 2,5 Metern ausgehend von dem entsprechenden Ultraschallsensor verstanden werden. Unter dem Fernbereich soll ein Entfernungsbereich von ca. 1 bis 8 Metern verstanden werden.
Vorzugsweise umfasst das Fahrerassistenzsystem eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, die verschiedenen Ultraschallsensoren anzusteuern und die von den Ultraschallsensoren empfangenen Echosignale auszuwerten um auf Objekte im Erfassungsbereich der Ultraschallsignale zu schließen. Durch die überlappenden Erfassungsbereiche können die Echosignale derart kombiniert werden, dass sich ein zusammenhängender und lückenloser Gesamterfassungsbereich ergibt.
Die Erfindung zielt darauf ab, die widerstrebenden Anforderungen an die Ultraschallsensoren für die Erfassung des Nahbereich und des Fernbereich zu entflechten, indem zwei verschiedene Varianten von Ultraschallsensoren eingesetzt werden. Die erste Variante (Typ 1) ist für den Nahbereich optimiert, die zweite Variante (Typ 2) für den Fernbereich.
Neu ist die besondere Anordnung der beiden Sensortypen in einer Sensorgruppe, wobei die beiden Typen teilweise überlappende Erfassungsbereiche besitzen. Beide Sensortypen sind vorzugsweise an dasselbe Steuergerät angeschlossen, in welchem die Echosignale der beiden Sensortypen so kombiniert werden, dass sich ein zusammenhängender und lückenloser Erfassungsbereich ergibt. Durch die Zusammenführung der Erfassungsbereiche beider Sensortypen in einem Steuergerät werden die Vorteile beider Typen kombiniert, ohne ihre Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Sensor-Typ 1 kann für den Nahbereich, Sensor-Typ 2 für den Fernbereich optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind mindestens zwei Sensorgruppen (auch als Sensor-Cluster bezeichnet) vorgesehen, wobei eine erste Sensorgruppe am Heck des Fahrzeugs angeordnet ist und eine zweite Sensorgruppe an der Front des Fahrzeugs angeordnet ist. Jede Sensorgruppe weist beide Ultraschallsensor-Typen auf.
Die verschiedenen Sensortypen unterscheiden sich beispielsweise durch folgende Parameter: Typ 1:

– Großer Schallöffnungswinkel (horizontal ca. +/–60°, vertikal ca. +/–30°),
– Kurzer Sendeschallimpuls (ca. 300 µs), mittlere Sendeleistung, geringe Sendeenergie,
– Hohe Dämpfung, kurze Nachschwingdauer nach Senden (kleiner als 1 ms), aber niedriger Schalldruck (ca. 2 Pa in 30 cm Abstand) und kleinere Empfangsempfindlichkeit. Typ 2:
– Kleiner Schallöffnungswinkel (horizontal ca. +/–30° oder weniger, vertikal ca. +/–15°),
– Langer Sendeschallimpuls (ca. 1–2 ms), hohe Sendeleistung, hohe Sendeenergie,
– Geringe Dämpfung, dadurch längere Nachschwingdauer nach Senden, aber höherer Schalldruck (min. 3 Pa in 30 cm Abstand) und höhere Empfangsempfindlichkeit.
– Es ist auch möglich, die äußeren Abmessungen des Sensors und den mechanischen Aufbau für beide Sensor-Typen gleich zu wählen, wodurch ein annähernder Gleichteilansatz darstellbar ist. Das bedeutet, dass viele mechanische Bauelemente, z.B. das Sensorgehäuse und die Halterung identisch sein können, lediglich Schallwandler und Elektronik sind verschieden. Dadurch können die Komplexität der Herstellung und die Kosten des Fahrerassistenzsystems und die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen gesenkt werden. Eine Unterscheidung kann durch mechanische Kodierung des Gehäuses/Halters, z.B. durch Nuten und Zapfen an verschiedenen Positionen, erreicht werden, oder durch Unterschiede im Datenprotokoll auf der Schnittstelle zw. Sensor und Steuergerät.

Diese getrennte Optimierung führt zu besseren Ergebnissen und geringeren Gesamtkosten als eine Kompromiss-Auslegung mit nur einem Sensortyp. Unter anderem folgende Assistenz-Funktionen können somit besser als bisher dargestellt werden:

– ACC Anfahrunterstützung: Verbesserte Freiraumaussage durch höhere Reichweite, mehr Redundanz im Überlappungsbereich der Ultraschallsensoren, d.h. robustere Aussage möglich
– Verbesserte Blindheitserkennung durch redundante Sensoren
– Frühere Erkennung von Pre-Crash Situationen und damit Erweiterung auf höheren Geschwindigkeitsbereich möglich.
– Funktionen mit Bremseingriff können auch bei höheren Geschwindigkeiten realisiert werden (Erweiterung Geschwindigkeitsbereich)
– Verbesserte SVA Funktion mit höherer Reichweite und früherer Warnung für den Fahrer
– Verbesserte Vermessung (Orientierung der PL und Versperrungserkennung) bei Querparklücken
– Verbesserte Funktionsdarstellung für Back Over Avoidance durch lückenlose Abdeckung des Rückraums von 0,1 m bis 6 m und gleichzeitiger Begrenzung des seitlichen Detektionsbereichs auf den Fahrschlauch.

Die ersten und zweiten Ultraschallsensoren werden bevorzugt so gesteuert, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen, beispielsweise, indem sie zeitlich nacheinander zur Aussendung von Ultraschallpulsen angesteuert werden oder mit indem sie mit verschiedenen Frequenzen senden.
In vorteilhafter Weise kann bei einer Verwendung überlappender Frequenzbereiche für die ersten und zweiten Ultraschallsensoren Kreuzechos zwischen den beiden Sensortypen ausgewertet werden, wodurch die Detektionssicherheit erhöht wird und auch eine Objekthöhenschätzung durch vertikale Trilateration ermöglicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einem Fahrerassistenzsystem nach einer ersten Ausführung der Erfindung
2 zeigt schematisch in Aufsicht ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem nach einer zweiten Ausführung der Erfindung
Ausführungen der Erfindung
Eine erste Ausführung der Erfindung ist in 1 dargestellt. Ein Fahrzeug 1 ist mit einem erfindungsgemäßen Fahrerassistenzsystem ausgestattet. Dazu sind am Heck des Fahrzeugs 1 ein erster Ultraschallsensor eines ersten Typs 10 und ein zweiter Ultraschallsensor eines zweiten Typs 20 angeordnet. Die beiden Ultraschallsensoren 10 und 20 bilden eine Sensorgruppe 5. Die beiden Sensortypen sind hierbei in verschiedener Höhen h, h‘ über Grund eingebaut. Die Sensoren sind also in einem vertikalen Abstand zueinander angeordnet. Der erste Ultraschallsensor 10 ist ausgebildet um einen Nahbereich 12 zu erfassen, der zweite Ultraschallsensor 20 ist ausgebildet um einen Fernbereich 22 zu erfassen. Die Messbereiche 12 und 22 weisen erfindungsgemäß einen Überlapp auf, so dass ein zusammenhängender Gesamtmessbereich entsteht.
Je nach Höhe des Reflexpunktes am jeweiligen Objekt 30 bzw. 40 sind die Schalllaufwege d, d‘, d‘‘ zwischen Objekten 30 und 40 und den Ultraschallsensoren 10 bzw. 20 verschieden lang. Aus der Differenz der Schalllaufwege d, d‘, d‘‘ und der Differenz der Einbauhöhen h, h‘ kann über trigonometrische Funktionen auf die Höhe des Reflexpunktes geschlossen werden (bekanntes Verfahren der Trilateration).Die Trilateration zwischen zwei Sensoren wird in horizontaler Ebene schon seit vielen Jahren als Standardverfahren bei der Einparkhilfe verwendet, um die zweidimensionale Position eines Objekts in der horizontalen Ebene (parallel zum Boden) zu berechnen.
Ein zusätzlicher nützlicher Effekt ergibt sich in dieser Ausführung dadurch, dass die Erfassungsbereiche in der vertikalen Richtung nicht vollständig überlappen. So taucht das kleinere Objekt 30 der beiden dargestellten Objekte 30, 40 im Nahbereich 12 unter der Schallkeule 22 des zweiten Ultraschallsensors 20 durch, und wird somit nur vom ersten Ultraschallsensor 10 erfasst. Dies wird von einer Steuereinheit 50 (in dieser Darstellung nicht sichtbar) registriert und als Hinweis auf eine vergleichsweise geringe Objekthöhe gewertet.
Es ist denkbar, dass die beiden Ultraschallsensoren 10 und 20 bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Dies erlaubt eine Trennung und Zuordnung der empfangenen Echosignale. Bei nicht überlappenden Frequenzbereichen kann außerdem die Sendeschussrate erhöht und damit die Reaktionszeit verringert werden. Beide Sensortypen können dann gleichzeitig senden, ohne sich gegenseitig zu stören.
Alternativ können bei einer Verwendung von überlappenden Frequenzbereichen (beispielsweise können typische Arbeitsbereiche bei 45–55 kHz für Typ 1 und bei 40–50 kHz für Typ 2 liegen) für die ersten und zweiten Ultraschallsensoren Kreuzechos zwischen den beiden Sensortypen ausgewertet werden, wodurch die Detektionssicherheit erhöht wird und auch eine Objekthöhenschätzung durch vertikale Trilateration ermöglicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Anordnung von Ultraschallsensoren der unterschiedlichen Typen gemäß der Erfindung ist in 2 als Aufsicht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Sensorgruppen 60, 70 vorgesehen. Eine erste Sensorgruppe 60 ist am Heck des Fahrzeugs 1 angeordnet und umfasst vier Ultraschallsensoren 10 des ersten Typs zur Erfassung des Nahbereichs und vier Ultraschallsensoren 20, 20‘ des zweiten Typs zur Erfassung des Fernbereichs. Die Ultraschallsensoren 10 und 20 sind erfindungsgemäß so angeordnet, dass sich überlappende Erfassungsbereiche 12 und 22 ergeben. Eine zweite Sensorgruppe 70 ist an der Front des Fahrzeugs 1 angeordnet und umfasst sechs Ultraschallsensoren 10, 10‘ des ersten Typs zur Erfassung des Nahbereichs und zwei Ultraschallsensoren 20 des zweiten Typs zur Erfassung des Fernbereichs. Eine Steuereinheit 50 steuert alle Ultraschallsensoren 10, 10‘, 20, 20‘ und wertet die empfangenen Signale aus. Objekte in der Fahrzeugumgebung können erkannt werden und die Information für unterschiedliche Fahrassistenzfunktionen genutzt werden.
Mit der in 2 dargestellten Anordnung können unterschiedliche Funktionen realisiert werden. Die beiden in Fahrtrichtung ausgerichteten Ultraschallsensoren 20 des zweiten Typs in der zweiten Sensorgruppe 70 (Frontcluster) ermöglichen die optimale Abdeckung des Fahrschlauchs nach vorne für die Funktionen ACC Anfahrunterstützung, Precrash Detection und Parkbremsassistent.
Die schmale Schallkeule (entspricht dem Erfassungsbereich 22) beim zweiten Typ ermöglicht eine einfache Zuordnung der detektierten Objekte zum Fahrschlauch. Eine horizontale Trilateration ist hierfür nicht erforderlich, wodurch auch keine lateralen Messfehler entstehen können. Die lückenlose Abdeckung des Fahrschlauchs bis an den Stoßfänger heran wird durch die sechs Ultraschallsensoren 10, 10‘ des ersten Typs gewährleistet. Diese ermöglichen auch die Grundfunktion Einparkhilfe.
In der ersten Sensorgruppe 60 (Heck-Cluster) können die beiden entgegen der Fahrtrichtung ausgerichteten Ultraschallsensoren 20 des zweiten Typs für die Precrash Detection und Parkbremsassistent genutzt werden. Die an den Ecken schräg nach hinten ausgerichteten Ultraschallsensoren 20‘ können beispielsweise für eine Side-View-Assist (SVA)-Funktion oder eine Spurwechselhilfefunktion mit höherer Reichweite als bisher benutzt werden.
Die Systemkonfiguration aus 2 ist nur ein Beispiel für eine besonders vorteilhafte Ausführung. Die Anzahl der Ultraschallsensoren von Typ 1 und Typ 2 innerhalb einer Sensorgruppe, die Anordnung der Sensoren und/oder die Anzahl der Sensorgruppen kann von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004047479 A1 [0002]
DE 102007002738 A1 [0003]

Claims

Fahrerassistenzsystem zur Unterstützung eines Fahrers eines Fahrzeugs (1), umfassend mindestens eine Sensorgruppe (5, 60, 70), die zumindest einen ersten Ultraschallsensor (10, 10‘) eines ersten Typs und zumindest einen zweiten Ultraschallsensor (20, 20‘) eines zweiten Typs aufweist, wobei die Ultraschallsensoren (10, 10‘, 20, 20‘) eingerichtet sind Ultraschallsignale auszusenden und reflektierte Echosignale zu empfangen, um einen Bereich im Umfeld des Fahrzeugs zu erfassen, und wobei die ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘) zur Erfassung eines Nahbereichs (12) ausgebildet sind und die zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) zur Erfassung eines Fernbereichs (22) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Ultraschallsensor (10, 10‘) und mindestens ein zweiter Ultraschallsensor (20, 20‘) einer Sensorgruppe (5, 60, 70) derart angeordnet sind, dass die Ultraschallsensoren (10, 10‘, 20, 20‘) zumindest teilweise überlappende Erfassungsbereiche (12, 22) aufweisen.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem eine Steuereinheit (50) umfasst, die ausgebildet ist, die Ultraschallsensoren (10, 10‘, 20, 20‘) anzusteuern und die von den Ultraschallsensoren (10, 10‘, 20, 20‘) empfangenen Echosignale auszuwerten um auf Objekte (30, 40) im Erfassungsbereich (12, 22) der Ultraschallsignale zu schließen, wobei die Echosignale derart kombiniert werden, dass sich ein zusammenhängender und lückenloser Erfassungsbereich ergibt.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorgruppen (60, 70) vorgesehen sind, wobei eine erste Sensorgruppe (60) am Heck des Fahrzeugs (1) angeordnet ist und eine zweite Sensorgruppe (70) an der Front des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ultraschallsensor (10) einer Sensorgruppe (5) und ein zweiter Ultraschallsensor (20) der Sensorgruppe (5) in einem vertikalen Abstand zueinander angeordnet sind.
Fahrerassistenzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich (12) des ersten Ultraschallsensors (10) und der Erfassungsbereich (22) des zweiten Ultraschallsensors (20) in der vertikaler Richtung nicht vollständig überlappen.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) einen Schallöffnungswinkel aufweisen, der in der Horizontalen und in der Vertikalen höchstens halb so groß ist wie der Schallöffnungswinkel der ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘).
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘) zur Erfassung eines Nahbereichs Ultraschallsignale mit einer Dauer von 0,1 ms bis 0,4 ms aussenden und die zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) zur Erfassung eines Fernbereichs Ultraschallsignale mit einer Dauer von 1 ms bis 2 ms aussenden.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘) zur Erfassung eines Nahbereichs eine kleinere Empfangsempfindlichkeit als die zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) zur Erfassung eines Fernbereichs aufweisen.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘) zur Erfassung eines Nahbereichs bei einer anderen Frequenz betrieben werden als die zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) zur Erfassung eines Fernbereichs.
Fahrerassistenzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignale der ersten Ultraschallsensoren (10, 10‘) zur Erfassung eines Nahbereichs und die Ultraschallsignale der zweiten Ultraschallsensoren (20, 20‘) zur Erfassung eines Fernbereichs zeitlich getrennt voneinander ausgesendet werden.