用于移动工具的环境探测的设备和方法与流程

1.本发明涉及用于移动工具的环境探测的一种设备以及一种方法。特别是，本发明涉及一种用于按需提高与环境相关的信息密度的可能性。


背景技术：

2.超声波传感器在现有技术中被用于移动工具中的环境识别。特别是针对泊车辅助和其他短距离应用，为此将多个超声换能器(ultraschallwandler)分布在车辆上的不同区域(如前挡板、后挡板、外后视镜等)处。通常，这些超声换能器通过对应的独立线路与控制器连接。该控制器监测超声波信号的发射以及接收，并根据接收的信号来求取周围环境对象的存在和停留位置。通过独立的布线此外可以实现称为“三角测量(triangulation)”的方法，因为存在关于信号在怎样的时间点时被发射和接收的时间点的准确的知识。特别是用于缩减车辆中的电缆长度的另一方案在于总线拓扑，超声换能器与电子控制器通过该总线拓扑在信息技术和能源上连接。在此，能够显著减少导线长度，然而这以关于各个信号的时间戳的准确的知识为代价。由此，三角测量根据现今的现有技术不可以实现。
3.在使用总线系统的情况下，缩减的信息密度使得产生对这种系统在批量生产成熟度方面的偏见。
4.de 10 2017 201 214 a1公开了一种超声波传感器设备，在该超声波传感器设备中，将不同激励模式分组式地用于超声波传感器。
5.de 10 2016 224 932 a1公开了一种用于运行超声波传感器的方法，在该方法中，随机地或根据预给定的顺序选择可变的测量周期。特别是，可以使发射时间点在对应的测量周期内随机地抖动(verjittert)。第一测量周期的第一激励脉冲的振幅也可以与第二测量周期的第二激励脉冲的振幅不同。
6.de 10 2016 224 928 a1公开了一种用于运行超声波传感器的方法，在该方法中定义有多个测量周期。视所使用的发射信号而定，期望寄生振荡放大或缩减，从而能够通过激励信号的变化来减少寄生振荡对测量结果或者说测量精度的影响。


技术实现要素：

7.本发明旨在提高基于超声波的环境探测系统中的信息密度或者说每时间单位的测量周期的数量。这特别是、但不仅仅是有利于基于总线的拓扑的实用性。可以将can、can-fd、can-xl、flexray和10base-t1s以太网用作这种总线系统。根据本发明的方法用于移动工具中的环境探测，例如用于在移动工具的更近的环境中识别碰撞重要相关(kollisionsrelevanter)的对象。在第一步骤中，向移动工具的周围环境中发射预定义的第一超声波信号模式。该超声波信号模式的特征可以在于频率、频率变化走向、所使用的传感器、重复率或者说各个突发的发射之间的间隔长度等。该超声波信号模式也可以理解为传感器或传感器聚类(sensorcluster)的工作方式或工作模式。传感器聚类的特征特别是在于存在于移动工具中的超声换能器中的各个超声换能器在空间上的关系性
(verwandtschaft)。特别是，超声换能器定向到移动工具的周围环境的相似的分区中。在另一步骤中，借助该移动工具接收该第一超声波信号模式的那些回波。换言之，接收属于该第一超声波信号模式的那些信号的回波。该回波可以被辨识为属于该第一超声波信号模式的，其方式例如是，再识别时间序列、频率(-变化走向)、各个信号突发或啁啾(chirps)之间的距离，并将其配属给该第一传感器聚类。随后，根据该回波识别第一周围环境对象。该周围环境对象尤其可以是交通参与者、碰撞重要相关的对象、人或动物。由于该周围环境对象具有一定的重要相关性，或者说求取关于该周围环境对象的进一步和未来的信息具有高优先级，所以响应于此地，使用与该第一超声波信号模式不同的、预定义的第二超声波信号模式。特别是，该第二超声波信号模式可以为更高的信息密度或者说信息率建立基础。例如，这可以通过每时间单位的所发射的突发的更高数量、改变的频率范围、同时被发射和/或接收的超声换能器的改变的数量等来实现。在此当然地，被用于分析处理或者说用于运行第一传感器聚类的电子控制器的负荷也提高。第二超声波信号模式可以由先前也被用于发射第一超声波信号模式和接收该第一超声波信号模式的反射的一个或多个相同的超声换能器来发射和接收。换言之，由于“在移动工具的周围环境中识别到了周围环境对象”的事实，用于环境探测的系统的工作模式这样改变，使得该环境探测系统的配属于该周围环境对象的区域产生提高的信息密度(每时间单位所求取的数据和信息)。特别是，这可以相对于移动工具的周围环境的其他如下区域适用：在这些区域中没有探测到周围环境对象或者仅仅探测到了很远的周围环境对象。以这种方式也可以减少或仅在需要的情况下提高被用于分析处理超声波回波的电子控制器的负荷。在现有技术中，有的公开了针对超声换能器的随时间推移的不同的运行方式。然而，所公开的本算法由于“已经在移动工具周围的预定义区域内求取到了周围环境对象”的事实而干预预定义的流程。无论是否在根据现有技术发射/使用第一超声波信号模式后重新使用第一超声波信号模式还是循环或随机地使用第三超声波信号模式，都根据本发明地响应于周围环境对象的存在这样改变预定义的或者随机变化的工作模式，使得现在，至少在预定义的时间段内或直至求取到预定义的事件将第二超声波信号模式用于基于超声波的环境探测。
8.本发明的优选扩展方案能够通过在优选实施方式中所列举的措施实现。
9.优选，朝着第一周围环境对象的方向发射第一超声波信号模式和第二超声波信号模式。换言之，将其主轴线最倾向于指向第一周围环境对象的方向的那些超声换能器用于发射第一和第二超声波信号模式。在此也可能出现关于第三超声波信号模式的不同，该第三超声波信号模式将在没有第一周围环境对象在探测区域中的情况下被发射。换言之，可能将由其他超声换能器(特别是向车辆环境的其他分区中)发射第三超声波信号模式。由此也提高关于第一周围环境对象处于其中的周围环境区域的信息密度。
10.第一超声波信号模式的特征可以在于，同时使用在移动工具中所包含的超声换能器的预定义的(子)组。因此，超声换能器的该子组是少于移动工具中用于环境探测的超声换能器的总数的多个超声换能器。特别是，预定义的子组的特征可以在于，该子组朝移动工具的左前方区域定向或者说应求取布置在那里的周围环境对象。这相应地适用于象限：右前、右后和左后。替代的预定义的子组可以是处于前保险杠中的多个超声换能器或处于后保险杠中的多个超声换能器。因此能够减少超声波系统的可能被使用的总线上的计算性能和信号负荷，并且可以将可用资源更好地集中或者说花费在(特别是具有当前最高的碰撞
重要相关性的)周围环境对象布置在其中的那些区域。
11.关于“超声换能器应将第一超声波信号模式用于环境探测”的决策可以借助将来自用于运行环境探测系统的电子控制器的第一总线消息发送到第一超声换能器。换言之，借助该第一总线消息告知该超声换能器应发射哪个超声波信号模式。替代地可以向超声换能器发送定义第一超声波信号模式的参数(例如频率、重复率、待使用的超声波传感器、可用的频率响应、时间函数等)。响应于求取周围环境对象，使用第二超声波信号模式也能够通过总线通知超声换能器。对于所述第二总线消息，结合第一总线消息所述的内容以相应的方式适用。因此，响应于对周围环境对象的存在的识别促使发送第二总线消息。因此，根据本发明所使用的环境探测系统的布线开销或者说硬件和质量可以以显著更少的开销来设计。
12.可选地，也可以向环境探测系统的多个超声换能器发送第三总线消息，通过该第三总线消息对时间戳进行通知，参加的各个超声换能器(全部的或属于子组的)能够将该时间戳用于同步。以这种方式，由超声换能器接收的回波的时间相关关系能够更好地被已知并且这些信息更有价值或者说启发性。
13.相对于第一超声波信号模式，第二超声波信号模式的更高的信息密度例如可以由以下特性之一或这些特性的任意组合得出。频率可以是绝对的和/或随时间推移地不同(突发或啁啾)。此外，第二超声波信号模式可以具有与第一超声波信号模式不同的频率响应或不同的带宽。特别是，超声波信号模式可以不同地建模。调制可以涉及对应的超声波信号模式的对应的基频的相位和/或频率和/或振幅。特别是，时间特性参量可以将两个超声波信号模式彼此区分。特别是，各个信号区段(这些信号区段之间特别是存在发射暂停或具有显著更低的振幅的区域)可以形成得更长或更短，从而每时间单位发射更多或更少的单个突发或啁啾。彼此相继的突发或啁啾的基频的时间变化也可以发生变化。以这种方式，能够每时间单位发送更多的信号，并且这些信号的回波仍可以成功地彼此区分。第一和第二超声波信号模式之间的另一区别可能在于，特定的、背向第一周围环境对象布置的超声换能器不(不再)被用作第二超声波信号模式的组成部分。因此，优选能够将计算性能花费用于分析处理对被分级为关键的(碰撞重要相关的)周围环境对象进行采样的那些超声波信号模式和超声波信号回波。
14.可选地，第一周围环境对象的识别附加地可以借助光学传感器、特别是摄像机(2d摄像机和/或3d摄像机)进行。换言之，光学传感器可以有助于识别在移动工具的周围环境中的周围环境对象的存在，并响应于此触发使用预定义的第二超声波信号模式。以相应的方式，能够使用另外的周围环境传感器(例如雷达传感器、激光雷达传感器、激光扫描仪等)，以便识别周围环境对象或验证其存在。因此能够避免非有意地使用预定义的第二超声波信号模式和避免随之而来的计算负荷/总线负荷。
15.特别优选可以求取，第二周围环境对象进入到移动工具的周围环境中。特别是，该第二周围环境对象由于其运动方向和/或运动速度和/或尺寸和/或与移动工具的相对距离等而具有针对该移动工具的驾驶员或者说引导的更高的重要相关性。特别是，相对于第一周围环境对象，涉及该第二周围环境对象可能存在更高/更紧急的碰撞重要相关性。响应于此地，使用预定义的第二超声波信号模式用于朝着该第二周围环境对象的方向发射超声波信号。换言之，上文中结合第一周围环境对象所描述的且根据本发明提出的措施现在被应
用于第二周围环境对象，以便提高关于第二周围环境对象的可用信息的及时性和准确性。
16.为进一步支持对在移动工具的周围环境中的第二周围环境对象的研究，可以设置，将第二周围环境对象的存在作为动机，通过使用第一超声波信号模式持续地(在未来)监测第一周围环境对象。换言之，可以接受在第一周围环境对象的研究方面的更低的及时性或者说信息率，该第一周围环境对象现在具有比第二周围环境对象更低的重要相关性，以便使第二周围环境对象的研究受益。因此，能够增强地且根据重点地将用于分析处理接收到的回波的发送频率、发送能量、总线负荷和计算性能用于朝着第二周围环境对象的方向的环境探测。
17.根据本发明的环境探测特别是可以在由电子控制器和多个传感器组成的联合的情况下以如下方式进行：
18.首先，通过电子控制器对传感器执行同步。随后，该电子控制器向这些传感器通知测量的开始时间点，并定义应开始该测量的一个或多个传感器。一个或多个第一传感器选择预定义的且尚空闲的频率，并同时向移动工具的周围环境中发射脉冲。同时，进行发射的传感器将其所占用的频率通知其他传感器。由于该电子控制器不仅已知逻辑地址并且还已知物理地址(移动工具中的传感器的空间定位)，所以不与进行发射的传感器相邻的传感器可以使用其他的频率/基频发射相应的超声波发送脉冲。现在，该传感器也向其余的超声换能器发送消息，该传感器通过该消息通知其刚刚所使用的频率。如接下来的发送过程那样，这些频率同样被占用或“被使用”。一旦对应的传感器接收到了由其所发射的信号的回波，这些传感器就将这些信息转发给电子控制器。随后，这些传感器选择至今未被占用(非“被使用”)的频率，并重新向车辆周围环境中进行发射。相比于在其中使用多个超声换能器以便接收同一被发射的超声波信号的回波的拓扑中的情况，通过灵活选择发送频率和多个可用频率能够明显更频繁地发射超声波脉冲或超声波啁啾。由超声换能器以时间戳设置接收到的回波信息，以便使信息的分析处理更容易。因此必须通过电子控制器将这些传感器同步。与其他测量原理(例如基于视频和/或基于雷达和/或基于激光)的传感器结合，也可以将信息配属于一个方向，或者相应于周围环境对象的存在促使从第一超声波信号模式到第二超声波信号模式的变更。
19.根据本发明的第二方面，提出一种用于环境探测的设备，该设备可以布置在例如移动工具中。该设备可以构型为驾驶员辅助系统或被用作驾驶机器人(自动驾驶仪(autopilot)等)的组成部分。该设备包括多个适合用于环境探测的超声换能器。换言之，将超声换能器引入到外壳(auβenhaut)(特别是保险杠和/或外后视镜等)中，并在信息技术上与分析处理单元连接。该分析处理单元可以是电子控制器的组成部分，并构型为微控制器、可编程处理器(asic)。借助超声换能器，该设备被设置为用于向移动工具的周围环境中发射预定义的第一超声波信号模式。第一超声波信号模式也可以理解为基本环境探测模式。此外，超声换能器设置为用于接收该第一超声波信号模式的回波。特别是可以为此使用已被用于发射第一超声波信号模式的相同的超声换能器。替代或附加地也可以至少在一个周期内将超声换能器仅仅用于接收由其他的超声换能器所发送的信号的回波。该回波通过与用于发射超声波信号模式相同的设备接收。借助分析处理单元，该设备设置为用于根据该回波来识别第一周围环境对象，并响应于此促使在进一步的流程中使用预定义的第二超声波信号模式用于发射超声波信号。换言之，相应于在上文中所描述的方法提出，将“周围环
境对象处于车辆传感装置的检测范围内或者说具有在碰撞重要相关方面的预定义的度量”的事实作为在第二工作模式下运行周围环境传感器的动机，这在能源和信息技术方面更具挑战性，然而提供关于第二周围环境对象的更新的数据和更好的启发。换言之，根据本发明的设备的特征、特征组合和由此产生的优点以相应于上述方法的方式如此显而易见，使得为了避免重复参考其自身。
附图说明
20.以下参照所附示图详细描述本发明的实施例。在这些示图中：
21.图1是根据本发明的设备的一个实施例在实施根据本发明的方法时的示意性俯视图；和
22.图2是表明根据本发明的用于环境探测的方法的一个实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
23.图1示出呈乘用车10形式的、根据本发明构型的移动工具，该移动工具具有根据本发明的一个实施例的设备13。该设备13具有电子控制器9作为分析处理单元，该分析处理单元作为星形拓扑的节点运行多个超声换能器1至8。超声波传感器1至4布置在乘用车10的前保险杠中，并且分为第一子组i和第二子组ii。其余的超声波传感器5至8布置在乘用车10的后保险杠中。超声波传感器1至8分别设置为用于发射所示出的超声波信号模式s1至s8。在所示出的状况中，全部的超声波传感器1至8发射彼此不同的超声波信号模式s1至s8。在所示出的状况中，第一周围环境对象11和第二周围环境对象12处于乘用车10的周围环境中。超声波信号模式s1和s2所具有的间隔长度明显高于超声波信号模式s3和s4所具有的那些间隔长度。换言之，通过传感器3和4发射的信号的信息密度高于由超声波传感器1和2发射的信号的信息密度。这归咎于事实：第二周围环境对象12与乘用车10的距离小于第一周围环境对象11与乘用车10的距离。换言之，第二周围环境对象12具有涉及乘用车10的当前运动(轨迹)的更高的碰撞重要相关性。响应于该知识，将先前也被用于测量第二周围环境对象12的、关联更低的信息密度、然而更少的总线负荷和计算性能的工作模式(第一超声波信号模式)换为开销更大的工作模式(第二超声波信号模式)。特别是对于设备13的计算性能或总线容量由于周围环境对象11、12的存在而达到预定义的阈值的情况，则可能促使后向的超声换能器5至8的环境识别进一步减少或暂时地中止，因为目前在该区域中没有明显的碰撞重要相关的周围环境对象。以这种方式能够采取状况相当的环境探测。
24.图2示出根据本发明的用于环境探测的方法的实施例的步骤。在步骤100中，向环境探测系统的超声换能器发送第一总线消息，该第一总线消息指示该超声换能器使用第一超声波信号模式。例如可以在系统起动时针对初始的然而不紧急的或在时间关键(zeitkritisch)方面被分级的基本识别发送该第一总线消息。随后在步骤200中，向移动工具的周围环境中发射预定义的第一超声波信号模式。第一超声波信号模式具有能够被并且足够被用于如下区域的基本识别性能：在这些区域中至今没有探测到碰撞重要相关的周围环境对象。在步骤300中，借助移动工具接收第一超声波信号模式的回波。在步骤400中，在该回波中确定第一周围环境对象。由于在目前时间点该周围环境对象是唯一的碰撞重要相关的周围环境对象，所以能够接受提高的总线负荷和计算性能，以便创造涉及第一周围环
境对象的尽可能好的信息情况。因此，响应于“已经识别到周围环境对象”的事实，在步骤500中向超声换能器发送第二总线消息，该第二总线消息指示该超声换能器使用第二超声波信号模式，该第二超声波信号模式针对更高的识别率被预定义。这些参数可以已事先存储在超声换能器(智能超声换能器)中，并通过第二总线消息被引入使用。替代地，第二总线消息可以包含用于在超声换能中的使用的参数(频率、频率变化走向、时间特性(zeitverhalten)、间隔长度等)，这些参数被超声换能器采用并用于超声换能。随后，在步骤600中，则使用预定义的第二超声波信号模式用于发射与第一超声波信号模式不同的超声波信号。以这种方式，今后将提高的信息密度和更短的间隔大小以及更多的频率用于向该移动工具的周围环境中发射更多的超声波突发和超声波啁啾，以便相对于移动工具的其他周围环境区域，将基于超声波的环境探测集中在该第一周围环境对象的区域中。

技术特征：
1.一种用于环境探测的方法，所述方法包括步骤：-向移动工具(10)的周围环境中发射(200)预定义的第一超声波信号模式(s1，s2)，-接收(300)所述第一超声波信号模式(s1，s2)的回波(s1'，s2')，-根据所述回波(s1'，s2')识别(400)第一周围环境对象(11)，并响应于此地，-使用(600)与所述第一超声波信号模式(s1，s2)不同的、预定义的第二超声波信号模式(s3，s4)用于发射超声波信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中，朝着所述第一周围环境对象(11)的方向发射所述第一超声波信号模式(s1，s2)和所述第二超声波信号模式(s3，s4)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一超声波信号模式(s1，s2)通过同时使用从在所述移动工具(10)中存在的多个超声换能器(1-8)中选择的超声换能器(1，2)的预定义的组(i)来定义。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括，-向超声换能器(1，2)发送(100)第一总线消息，所述第一总线消息指示所述超声换能器使用所述第一超声波信号模式(s1，s2)，和/或，-向所述超声换能器(1，2)发送(500)第二总线消息，所述第二总线消息指示所述超声换能器使用所述第二超声波信号模式(s3，s4)。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括，-向多个超声换能器(1，2)发送第三总线消息，用于传输和/或产生用于同步的时间戳。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于所述第一超声波信号模式(s1，s2)，所述第二超声波信号模式(s3，s4)的特征在于，-不同的频率，和/或-不同的频率变化走向，和/或-不同的带宽，和/或-不同的时间变化走向，和/或-各个超声波信号突发之间的更小的时间间隔，和/或-不使用背向所述第一周围环境对象(11)布置的超声波传感器(1-8)，和/或-所使用的超声波传感器(1-8)的用于发射的更高密度，特别是在所述移动工具(10)面向所述第一周围环境对象(11)的区域中。7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，对所述第一周围环境对象(11)的识别附加地借助-光学传感器，和/或-雷达传感器，和/或，-激光雷达传感器进行。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法进一步包括，-求取(700)，在所述移动工具(10)的周围环境中存在第二周围环境对象(12)，并响应于此地，-朝着所述第二周围环境对象(12)的方向使用(800)所预定义的第二超声波信号模式(s3，s4)。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括，-响应于求取所述第二周围环境对象(12)，使用(900)所述第一超声波信号模式(s1，s2)用于对所述第一周围环境对象(11)的持续的识别。10.一种用于环境探测的设备，所述设备包括：-多个超声波传感器(1-8)，和，-分析处理单元(9)，其中，-所述设备(13)设置为用于借助所述超声波传感器(1-8)，-向所述移动工具(10)的周围环境中发射预定义的第一超声波信号模式(s1，s2)，和，-接收所述第一超声波信号模式(s1，s2)的回波，和，-借助所述分析处理单元(9)-根据所述回波(s1'，s2')来识别第一周围环境对象(11)，并响应于此地，-使用预定义的第二超声波信号模式(s3'，s4')用于发射超声波信号。

技术总结
提出用于环境探测的一种设备以及一种方法。该方法包括步骤：向移动工具(10)的周围环境中发射预定义的第一超声波信号模式(S1，S2)，接收该第一超声波信号模式(S1，S2)的回波(S1'，S2')，根据该回波(S1'，S2')来识别第一周围环境对象(11)，并响应于此使用不同于该第一超声波信号模式(S1，S2)的、预定义的第二超声波信号模式(S3，S4)用于发射超声波信号。S4)用于发射超声波信号。S4)用于发射超声波信号。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2023/8/24