基于超声波传感器的仰角估计方法与流程

1.本发明总体上涉及超声波传感器领域。更具体地说，本发明涉及用于确定超声波传感器所接收信号的仰角和/或方位角的方法和系统。


背景技术：

2.由于物理限制，用一维(1d)超声波传感器进行高度角或仰角估计原则上非常困难。这类超声波传感器通常用于距离测量。仰角可基于例如接近速率法等几何方法确定。所述方法以对接近例如路缘石等目标物体的速率进行跟踪为基础，并充分利用将超声波到传感器下方的反射目标物体与到位于传感器高度处的反射目标物体比较得出的距离差。
3.其他感测方法包括在二维(2d)图像中对目标物体的高度进行估计的摄像机辅助方法，或基于多个传感器的到达方向方法，其用于基于三角测量对仰角进行估计。
4.上述方法有若干缺点。一维接近速率法取决于随时间推移对同一目标物体反射的正确关联。错误的关联不仅意味着错误的高度估计，还意味着漏检。基于摄像机和多天线的方法没有充分利用一维超声波传感器的成本优势和机械鲁棒性优势。


技术实现要素：

5.本发明的实施例的一个目的是提供一种以鲁棒性和成本效益高的方式确定由超声波传感器、尤其是一维超声波传感器接收到的信号的仰角的方法。所述目的通过独立权利要求的特征解决。优选实施方式在从属权利要求中给出。只要没有另外明确说明，则本发明的实施例彼此之间可以自由组合。
6.根据一个方面，本发明涉及一种用于确定超声波传感器接收到的信号的仰角和/或方位角的方法。所述超声波传感器尤其可以是一维(1d)超声波传感器，即，不包括用于确定仰角的物理传感器装置(例如，具有用于确定高度的不同对准的两个传感器部分)的传感器。所述方法包括以下步骤：
7.首先，提供具有频率相关的辐射图的超声波传感器，尤其是一维超声波传感器。“频率相关的辐射图”是指传感器在由方位角和仰角限定的特定方向上的增益或灵敏度显示出频率相关性，即，随着超声波频率的改变而变化。
8.作为进一步的步骤，以第一频率发射至少一个第一超声波。所述第一频率可以是发射脉冲的固定频率。作为一种替代，所述第一频率可以是啁啾信号的一个频率值，啁啾信号即频率按照斜坡或以阶梯方式变化的信号。
9.作为进一步的步骤，以第二频率发射第二超声波。所述第二频率可以是发射脉冲的固定频率。作为一种替代，所述第二频率可以是啁啾信号的一个频率值，啁啾信号即频率按照斜坡或以阶梯方式变化的信号。所述第二频率具有与第一频率不同的频率值。
10.在发射第一和第二超声波之后，第一和第二超声波的反射被所述超声波传感器接收。所述反射是由特定目标物体引起的，尤其是同一个目标物体，例如超声波传感器周围环境中的路缘石、汽车或墙壁。
11.最后，基于第一和第二超声波的反射幅度确定所反射的第一和第二超声波的仰角和/或方位角。所述确定步骤可以使用有关辐射图的频率相关性的信息来确定或估计仰角和/或方位角。
12.通过计算接收到的第一和第二超声波反射的幅度之间的比率并将所计算的比率映射到仰角和/或方位角上来确定仰角和/或方位角，其中，所述映射是基于将特定幅度比率与仰角和/或方位角相关联的预定比率曲线或比率数据集实施的。所述比率曲线或比率数据集可以是表示超声波传感器辐射图的频率相关性的传感器特定信息。
13.所述方法是有益的，因为可以通过使用超声波传感器的频率相关性推导出高度信息和/或方位信息，从而保持超声波传感器的成本优势和机械鲁棒性优势。此外，基于幅度比率，可以独立于超声波的实际幅度的高度确定仰角和/或方位角。
14.根据一种实施方式，超声波传感器的辐射图随频率的增加而变窄。换句话说，传感器灵敏度降低到一特定灵敏度值时的辐射图的孔径角在较高频率时较小。也可实施相反的配置，即，超声波传感器的辐射图随频率的降低而变宽。由此，使用具有特定频率间隙的至少两个超声波频率会导致表示仰角和/或方位角的幅度差。
15.根据一种实施方式，确定仰角的步骤包括消除辐射图在竖直方向的模糊性。超声波传感器的辐射特性可以相对于水平面或基本水平的面对称。所述对称可导致模糊性，即，特定检测不与单一仰角相关联，而是至少与一对仰角相关联。通过消除模糊性，可以明确将检测与一仰角相关联。
16.根据一种实施方式，通过使用提供竖直方向的不对称辐射图的至少一个超声波传感器来消除辐射图在竖直方向的模糊性。所述不对称可以是频率相关的不对称。由此，使用具有不同频率的两个或更多个超声波可导致明确的高度信息。
17.根据一种实施方式，通过使用接收到的至少一个另外的超声波传感器的反射来消除辐射图在竖直方向的模糊性。所述另外的超声波传感器可以包括不同的对准，或可以包括竖直方向的不对称辐射图。
18.根据一种实施方式，假设所检测的目标物体设置在下半空间中，以消除辐射图在竖直方向的模糊性。所述假设利用的事实是：在通常的驾驶情形下，目标物体更可能低姿置放在地面上，而不是高姿向下悬置。
19.根据一种实施方式，通过使用利用不同于超声的其他技术的至少一个另外的传感器来消除辐射图在竖直方向的模糊性。这类传感器例如可以是已安装在车辆上的用于其他驾驶辅助应用的摄像机、雷达传感器和/或激光雷达传感器。基于这类另外的传感器，可通过评估由所述另外的传感器提供的信息来解决模糊性。
20.根据一种实施方式，基于位于不同位置的至少一个另外的超声波传感器来确定目标物体的方位角。通常多个超声波传感器围绕汽车设置，例如设置在保险杠的不同位置。由一个或多个相邻的超声波传感器提供的信息可用于确定方位信息。
21.根据一种实施方式，通过向超声波传感器提供调频发射脉冲来实施第一和第二超声波的发射。在此，发射脉冲包括可基于其确定仰角的至少两个不同频率。
22.根据一种实施方式，所述调频发射脉冲包括随时间线性或非线性(例如指数形式)变化的频率。例如，发射脉冲的频率可以从起始频率啁啾到停止频率。在此，发射包括多个频率的超声波信号，并可以评估所述信号的反射以确定仰角。
23.根据一种实施方式，所述调频发射脉冲包括随时间阶梯式变化的频率。换句话说，发射阶梯式调频的超声波信号。这种阶梯式调频超声波信号包括可用于确定仰角的多个不同频率。
24.作为一种替代，将具有不同中心频率的多个发射脉冲提供给超声波传感器。所述发射脉冲可在不同时间点发射，以便能够评估所述脉冲之间的反射信号。
25.根据另一个方面，本发明涉及一种驾驶辅助系统，其包括具有频率相关辐射图的至少一个超声波传感器和用于控制向超声波传感器提供超声波信号的控制实体。所述控制实体配置用于：
[0026]-启动发射第一频率的至少一个第一超声波；
[0027]-启动发射不同于第一频率的第二频率的至少一个第二超声波；
[0028]-接收关于第一和第二超声波的反射的信息，所述反射是由特定目标物体引起的；
[0029]-基于第一和第二超声波的反射幅度确定所反射的第一和第二超声波的仰角和/或方位角；
[0030]-通过计算接收到的第一和第二超声波的反射的幅度之间的比率并将所计算的比率映射到仰角和/或方位角上来确定仰角和/或方位角，其中，所述映射是基于将特定幅度比率与仰角和/或方位角相关联的预定比率曲线或比率数据集实施的。
[0031]
根据又一个方面，本发明涉及一种包括驾驶辅助系统的车辆。所述驾驶辅助系统配置用于实施根据任一上述实施方式的方法。
[0032]
在本公开中使用的术语“车辆”可以指汽车、卡车、巴士、有轨车辆或任意其他交通工具。
[0033]
术语“超声波传感器”可以指配置用于发射和接收频率高于20khz的声波的传感器。
[0034]
本发明中使用的术语“基本上”或“大约”是指与精确值偏差 /-10％，优选 /-5％，和/或其形式为对于功能和/或交通规则不重要的变化的偏差。
附图说明
[0035]
从以下详细描述和附图中将更容易理解本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，其中：
[0036]
图1示出车辆在一泊车空档中进行泊车的泊车情形的示意图；
[0037]
图2示意性示出在图1的泊车情形中包括在保险杠中的超声波传感器的辐射图；
[0038]
图3示出对于两个不同超声波频率，超声波传感器增益取决于仰角；
[0039]
图4示出根据图3的取决于仰角的超声波传感器增益的比；
[0040]
图5示出对于两个不同超声波频率，超声波传感器的二维辐射图取决于方位角和仰角；
[0041]
图6示出线性调频的第一超声波信号，和阶梯调频的第二超声波信号；以及
[0042]
图7示出的示意性框图用于说明确定超声波传感器接收到的信号的仰角的方法步骤。
具体实施方式
[0043]
现参照展示实施方式示例的附图对本发明进行更详细的描述。附图中的实施方式涉及优选实施方式，同时，结合实施方式描述的所有要素和特征可以适当地与本文讨论的任何其他实施方式和特征结合使用，尤其是与上面进一步讨论的任何其他实施方式相关联。然而，本发明不应被解释为限于这里所述的实施方式。在后面所有描述中，在适用的情况下，相似的参考标记用于指代相似的要素、部分、项目或特征。
[0044]
在说明书、权利要求书、实施方式和/或附图中公开的本发明的特征既可单独地、也可以其任意组合通过各种形式用于实现本发明。
[0045]
图1示出在泊车情形中的俯视示意图，其中，车辆1正停泊到以路缘石3为边界的泊车空档。所述车辆1包括具有设置在车辆1不同位置的多个超声波传感器2的驾驶辅助系统。路缘石3可具有特定高度，并可由所述驾驶辅助系统、尤其是由所述驾驶辅助系统的一个或多个超声波传感器2检测到。
[0046]
图2示出泊车情形的侧视图。左侧示出车辆1的可包括一个或多个超声波传感器2的保险杠1.1。超声波传感器2可具有辐射图2.1，该辐射图2.1包括覆盖下半空间lhs的辐射图下部部分和覆盖上半空间uhs的辐射图上部部分。虚线表示将辐射图2.1划分为所述辐射图下部部分和所述辐射图上部部分的一个水平面。路缘石3可处于下半空间lhs中。
[0047]
图3示出在不同频率值，超声波传感器2在竖直方向的辐射图2.1，即，该角度值指的是仰角。实线表示在第一频率时的辐射图2.1，虚线表示在第二频率时的辐射图2.1，其中，第一频率和第二频率不同，并且第一频率高于第二频率。如图所示，超声波传感器2的辐射图2.1随频率的增加而变窄。
[0048]
因此，通过将至少两个不同频率的超声波提供给超声波传感器2并对具有不同频率的反射波的幅度加以评估，可以确定引起所述反射的目标物体(在本示例中为路缘石3)的仰角α。更准确地说，可通过比较反射波的幅度确定仰角α。由于导致辐射图的不同形状的辐射图的频率相关性以及因此辐射图的高度相关性，目标物体的仰角α可被确定。
[0049]
比较反射波幅度的步骤包括计算反射波幅度的比率，并将所述比率映射到高度值上，其中，所述映射是基于将一特定幅度比率与一仰角和/或方位角相关联的预定比率曲线或比率数据集来实施的。
[0050]
图4的图表示出了具有不同频率并从不同仰角接收到的反射波的幅度的商。借助所述图表，可将具有第一频率的第一反射波和具有第二频率的第二反射波的比率值与仰角相关联。
[0051]
如图3至图5所示，辐射图2.1可关于一中心仰角对称或基本对称。在本示例中，中心仰角例如可以是0度或基本0度，即，辐射图2.1可关于一水平面对称。根据其他实施方式，安装在车辆中的超声波传感器可略微向上倾斜。这样，中心仰角例如可在1度到10度之间的范围内，尤其是在1度到4度之间的范围内。辐射图2.1的所述对称性可在确定仰角时造成模糊性，即，反射波的一特定幅度比率可与至少两个仰角相关联。在上半空间uhs中可设置第一正仰角，而在下半空间lhs中可设置第二负仰角。
[0052]
该仰角模糊性可通过不同方式解决：
[0053]
根据第一实施方式，可使用另一传感器，特别是这样的超声波传感器：其具有相对于其他传感器的水平对称面不对称的辐射图。基于从所述另一传感器获得的测量幅度，可
以对模糊性进行纠正。
[0054]
根据另一实施方式，通过假设检测到的目标物体总是设置在下半空间lhs中，可以对模糊性进行纠正，因为在绝大多数情况下，所述假设都导致正确的检测结果。
[0055]
根据又一实施方式，通过使用另一信息源，例如具有倾斜辐射图(即，辐射图的最大射束没有设置在第一传感器的水平面中)的另一超声波传感器，可以对模糊性进行纠正。另一示例可以是使用不同于超声波的技术的传感器，例如摄像机、雷达传感器、lidar传感器(激光雷达传感器)等。
[0056]
从车辆1不同位置处的所述一个或多个超声波传感器获得的信息也可用于消除模糊性。换句话说，沿轨迹在不同车辆位置处收集的多个信息可用以消除模糊性。
[0057]
如图5所示，超声波传感器的辐射图可具有二维形状，即，从方位和高度来看的特定射束形状。因此，检测结果的模糊性也出现在水平方向，即出现在方位中。为解决方位模糊性，可以使用位于一个不同位置(例如在保险杠上的一个不同位置)的另一传感器的信息。用于纠正方位模糊性的一种优选技术可以是三边测量法。
[0058]
如前文所述，仰角的确定利用了超声波传感器2的辐射图的频率相关性，即，辐射束的二维形状取决于超声波的频率。所述具有至少两种不同频率的超声波可以下列方式生成：
[0059]
根据第一实施方式，可使用具有不同中心频率的两个或更多个发射脉冲。
[0060]
根据第二实施方式，可使用调频发射脉冲。所述调频发射脉冲例如可以是线性调频信号(也称为“啁啾信号”)。
[0061]
根据第三实施方式，可使用单个调频发射脉冲，其中，频率遵循阶梯函数。
[0062]
图6示出了线性调频信号和阶梯调频信号。线性调频信号的频率随时间线性变化，而阶梯调频信号的频率随时间阶梯式变化。
[0063]
图7示出的框图说明了确定由超声波传感器2接收到的信号的仰角α的方法步骤。
[0064]
首先，提供具有频率相关的辐射图的超声波传感器(2)(s10)。
[0065]
所述超声波传感器2发射具有第一频率的至少一个第一超声波(s11)，和具有与第一频率不同的第二频率的至少一个第二超声波(s12)。
[0066]
在发射所述超声波后，接收由特定目标物体造成的第一和第二超声波的反射(s13)。
[0067]
在接收到所述反射后，基于第一和第二超声波的反射幅度确定第一和第二反射超声波的仰角α(s14)，其中，通过计算接收到的第一和第二超声波的反射的幅度之间的比率并将所计算的比率映射到仰角α来确定仰角α，其中，所述映射是基于将特定幅度比率与仰角相关联的预定比率曲线或比率数据集实施的。
[0068]
应注意的是，说明书和附图仅说明本发明的原理。本领域技术人员将能够实施在此没有明确描述或图示但体现本发明原理的各种设置。
[0069]
参考标记列表
[0070]
1车辆
[0071]
1.1保险杠
[0072]
2超声波传感器
[0073]
2.1辐射图
[0074]
3路缘石
[0075]
lhs下半空间
[0076]
uhs上半空间