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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Erblindung eines Radarsensors in einem Kraftfahrzeug anhand einer Messung der Empfangsleistung eines Radarechos.
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Stand der Technik
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Radarsensoren werden in Kraftfahrzeugen zur Erfassung des Verkehrsumfelds eingesetzt und liefern Ortungsdaten wie Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Richtungswinkel von Objekten im Umfeld des Fahrzeugs. Diese Ortungsdaten dienen als Grundlage für verschiedene Fahrerassistenzfunktionen wie beispielsweise eine automatische Abstandsregelung, ein Kollisionswarnsystem oder ein Kollisionsvermeidungssystem. Auch in Systemen für autonomes Fahren werden die Ortungsdaten solcher Radarsensoren benötigt.
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Unter ungünstigen Bedingungen, beispielsweise wenn sich bei starkem Schneefall ein Belag aus Schneematsch auf dem Radom des Radarsensors bildet, können die Radarsignale so stark gedämpft werden, dass es praktisch zu einer Erblindung des Radarsensors kommt. Da die auf den Ortungsdaten des Radarsensors aufbauenden Funktionen sicherheitsrelevant ist, sollte der Radarsensor während des Betriebs engmaschig auf eine etwaige Erblindung geprüft werden.
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In
DE 199 45 268 A 1 und
WO 01/22113 A1 werden Verfahren beschrieben, bei denen als Indikator zur Radarsensor-Blindheitserkennung die mittlere Leistung der vom Radarsensor empfangenen Signale benutzt wird. Diesem Indikator liegt die Idee zu Grunde, dass mit steigender Blindheit des Sensors die von außen aufnehmbare Leistung absinkt. Bei einem FMCW-Radar lässt sich eine Verbesserung dieses Indikators dadurch erreichen dass die Sendleistung beim Senden von mindestens zwei aufeinanderfolgenden, identischen Frequenzrampen variiert wird. Dabei werden die identischen Rampen nacheinander mit unterschiedlichen Sendeleistungen gefahren und die vom Sensor empfangenen, gemittelten Leistungen werden miteinander verglichen.
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Die bisher vorgeschlagenen Indikatoren ermöglichen jedoch nur eine quasi binäre Aussage, ob der Sensor absorptiv belegt ist oder nicht. Mit steigenden Anforderungen der Assistenzfunktionen an die Sensor-Belagserkennung (und erst recht bei Systemen für autonomes Fahren) besteht zunehmendes Interesse an einer Antwort auf die Frage, wie stark der Sensor belegt ist und ob die angeforderte Funktion bei dem vorhandenen Belag noch ausführbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, dass eine verlässlichere quantitative Bestimmung des Ausmaßes der Erblindung des Radarsensors ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte, die ausgeführt werden, wenn mindestens ein Objekt von dem Radarsensor geortet wird:
- - bestimmen eines Erwartungswertes für den Radarstreuquerschnitt des Objekts anhand bekannter Eigenschaften von zu ortenden Objekten,
- - schätzen des Radarstreuquerschnitts des georteten Objekts anhand der gemessenen Empfangsleistung, und
- - berechnen eines Indikators für das Ausmaß der Erblindung des Radarsensors als monoton steigende Funktion der Differenz zwischen dem geschätzten Radarquerschnitt und dem Erwartungswert .
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Die Erfindung nutzt den Umstand aus, dass die Radarstreuquerschnitte der typischerweise von einem Radarsensor in einem Kraftfahrzeug georteten Objekte in der Regel bekannt sind. Zumeist handelt es sich bei dem georteten Objekt um die Rückfront eines vorausfahrenden Pkw, und da sich die Radarstreuquerschnitte verschiedener Pkw nur wenig voneinander unterscheiden, kann der mittlere Streuquerschnitt dieser Fahrzeuge als Erwartungswert benutzt werden.
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Der tatsächliche Radarstreuquerschnitt S eines aktuell georteten Objekts ist gegeben durch die Formel:
Darin ist:
- P_r
- die Empfangsleistung, also die Leistung des von einem georteten Objekt empfangenen Radarechos,
- P_t
- die bekannte Sendeleistung des Radarsensors,
- λ
- die - ebenfalls bekannte - Wellenlänge der Radarstrahlung,
- G
- der bekannte Antennengewinn (Einwegegewinn, jeweils für Sende- und Empfangsfall) und
- R
- Abstand zwischen dem Radarsensor und dem georteten Objekt.
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Der Abstand R kann unmittelbar mit dem Radarsensor gemessen werden. Auch die Empfangsleistung P_r kann unmittelbar im Radarsensor gemessen werden. Beispielsweise wird bei einem FMCW-Radar das empfangene Radarecho mit einem Anteil des Sendesignals gemischt, und das Mischprodukt wird einer Fourier-Transformation unterzogen. So erhält man ein Spektrum, in dem sich jedes geortete Objekt durch einen Peak bei einer bestimmten Frequenz abzeichnet. Die Empfangsleistung für ein geortetes Objekt lässt sich folglich bestimmen, indem man das Spektrum über den von dem Peak eingenommenen Frequenzbereich integriert. Bei der digitalen Signalauswertung ist der Frequenzraum in einzelne Frequenzbins unterteilt. Im allgemeinen wird der Peak innerhalb eines einzelnen Frequenzbins liegen, so dass die Empfangsleistung dann unmittelbar durch den Wert des Spektrums in diesem Bin gegeben ist.
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Da somit alle in der oben angegebenen Formel auftretenden Größen bekannt oder messbar sind, lässt sich im Prinzip bei jeder Objektortung eine Schätzung für den Radarstreuquerschnitt des Objekts vornehmen. Dieser geschätzte Radarstreuquerschnitt kann dann mit dem Erwartungswert verglichen werden. Je größer das Ausmaß der Erblindung des Radarsensors ist, desto stärker wird der geschätzte Streuquerschnitt hinter dem Erwartungswert zurückbleiben. Die Differenz zwischen dem geschätzten Radarquerschnitt und dem Erwartungswert bildet deshalb einen Indikator für das Ausmaß der Erblindung. Ebenso kann als Indikator jede andere monoton steigende Funktion der Differenz zwischen dem geschätzten Radarstreuquerschnitt und dem Erwartungswert verwendet werden.
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Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass man als Ergebnis nicht nur eine Ja/Nein-Aussage erhält, sondern einen Indikator, der quantitativ das Ausmaß der Erblindung des Radarsensors angibt. Das ermöglicht es, die Verfügbarkeit des Radarsensors für verschiedene Assistenz- oder Steuerungsfunktionen sowie die Verlässlichkeit der vom Radarsensor erhaltenen Ortungsdaten differenzierter zu bewerten.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der auf diese Weise erhaltene Indikator für die Erblindung des Radarsensors weitgehend unabhängig von Temperatur- und Alterungseinflüssen und auch weitgehend unabhängig vom Einbauort des Radarsensors sowie von der Bauart des jeweiligen Radarsensors ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Als Indikator für das Ausmaß der Erblindung des Radarsensors kann mit Vorteil ein Reichweiten-Vorfaktor verwendet werden, der die prozentuale Abnahme der Reichweite des Radarsensors infolge der teilweisen Erblindung angibt.
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Die Verlässlichkeit und Genauigkeit des Indikators lässt sich dadurch steigern, dass die Bestimmung oder Schätzung des Indikators für eine Vielzahl von Messungen an unterschiedlichen Objekten wiederholt wird und die Ergebnisse dann statistisch ausgewertet werden. Im allgemeinen werden während eines Messzyklus mehrere Objekte gleichzeitig geortet werden. In dem Fall ist es auch möglich, die Werte für die Radarstreuquerschnitte der einzelnen Objekte zu einem einzigen Wert zusammenzufassen, beispielsweise durch Mittelung, Histogrammbildung oder mit Hilfe eines Kerndichteschätzers, mit anschließender Maximum-Suche, so dass man pro Messzyklus nur einen einzigen Reichweiten-Vorfaktor erhält.
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Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit können Hilfsalgorithmen verwendet werden, mit denen zwischen verschiedenen Objekttypen und/oder Situationen (z.B. Ortung eines Objekts unter einem großen Azimutwinkel und folglich mit veränderten Reflexionseigenschaften des Objekts) unterschieden wird und der Erwartungswert modellabhängig an den Objekttyp bzw. die Situation angepasst wird.
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Sofern der Radarsensor für die Ausführung mehrerer Assistenz- oder Steuerungsfunktionen genutzt wird, lässt sich anhand des erhaltenen Wertes für den Indikator für jede einzelne Funktion unabhängig, ggf. unter Berücksichtigung der aktuellen Verkehrssituation, entscheiden, ob die Verlässlichkeit des Radarsensors für diese Funktion noch ausreicht.
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Beispielsweise kann bei verminderter Reichweite des Radarsensors die Abstandsregelfunktion bei Fahrten mit höherer Geschwindigkeit abgeschaltet werden, während der Radarsensor für eine Stop&Go-Funktion in einer Stausituation weiterhin genutzt werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Radarsensor, der zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Diagramm eines Ortungsvorgangs mit einem Radarsensor;
- 2 ein Diagramm zur Illustration von Messergebnissen, die die Abhängigkeit gemessener Radarstreuquerschnitte von einer simulierten teilweisen Erblindung des Radarsensors angeben; und
- 3 ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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In 1 ist ein Radarsensor 10 gezeigt, der in der Frontpartie eines nicht gezeigten Kraftfahrzeugs verbaut ist und dazu dient, Objekte 12 wie beispielsweise vorausfahrende Fahrzeuge zu orten und deren Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Richtungswinkel zu messen. Ein gewisses Winkelauflösungsvermögen des Radarsensors 10 erlaubt es auch, zwischen breiteren und schmalen Objekten zu unterscheiden, so dass beispielsweise auch festgestellt werden kann, zu welcher Klasse von Objekten das Objekt 12 gehört, beispielsweise ob es sich um einen Pkw, einen Lkw oder ein Zweirad oder ggf. auch ein Verkehrsschild am Fahrbahnrand handelt.
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Eine elektronische Auswerte- und Steuereinrichtung 14 dient dazu, den Radarsensor 14 anzusteuern und die empfangenen Signale auszuwerten. Die auf diese Weise ermittelten Daten über das Verkehrsumfeld werden in digitaler Form an ein Datenverarbeitungssystem 16 übermittelt, in dem verschiedene Fahrerassistenzfunktionen und/oder autonome Fahrzeugführungsfunktionen implementiert sind, beispielsweise eine automatische Abstandsregelung zur Regelung des Abstands zum vorausfahrenden Fahrzeug, ein Kollisionswarnsystem und/oder ein Kollisionsvermeidungssystem.
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Der Radarsensor 10 ist hinter einem Radom 18 verbaut, beispielsweise einem für Radarstrahlung durchlässigen Teil der Fahrzeugkarosserie. Im gezeigten Beispiel ist schematisch ein Schmutzbelag 20 gezeigt, mit dem die Oberfläche des Radoms 18 belegt ist. Da ein gewisser Anteil des gesendeten Radarsignals und auch ein gewisser Anteil des vom Objekt 12 empfangenen Radarechos durch das Radom 18 und den Schmutzbelag 20 absorbiert wird, stellen das Radom und der Schmutzbelag Absorber dar, die die Empfindlichkeit des Radarsensors herabsetzen. Ein weiterer Absorber wird durch die hier symbolisch dargestellte Atmosphäre 22 zwischen dem Radarsensor 10 und dem Objekt 12 gebildet, die ebenfalls einen Teil der Radarstrahlung absorbiert, insbesondere bei ungünstigen Witterungsbedingungen wie beispielsweise Starkregen oder Schnee. Unter ungünstigen Bedingungen, beispielsweise bei Ablagerungen von Schneematsch auf dem Radom 18, kann der Gesamteffekt der Absorber so stark werden, dass der Radarsensor 10 praktisch völlig erblindet und somit die Assistenzfunktionen, die auf den Daten des Radarsensors aufbauen, nicht mehr zur Verfügung stehen oder zumindest nicht mehr mit der nötigen Verlässlichkeit arbeiten. Auch bei geringerer Beeinträchtigung der Empfindlichkeit des Radarsensors kann die Verlässlichkeit der Assistenzfunktionen bereits so stark eingeschränkt sein, dass diese Funktionen abgeschaltet werden müssen und der Fahrer aufgefordert werden muss, selbst die Kontrolle zu übernehmen. Die Schwelle, bei der eine Assistenzfunktion abgeschaltet werden muss, kann dabei von der Art und Relevanz der jeweiligen Funktion sowie ggf. auch von der aktuellen Verkehrssituation abhängig sein.
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Als Maß für die Empfindlichkeit des Radarsensors kann ein Reichweiten-Vorfaktor K gebildet werden, der angibt, wie stark die Reichweite des Radarsensors
10 aufgrund der Absorber gegenüber der unter Idealbedingungen erreichbaren vollen Reichweite herabgesetzt ist. Unter „Reichweite“ des Radarsensors ist dabei derjenige Abstand R zwischen Radarsensor und Objekt zu verstehen, bei dem ein Standardobjekt gerade noch geortet werden kann. Wenn R_max die unter Idealbedingungen erreichbare maximale Reichweite ist, so gilt für die aktuelle Reichweite R_akt:
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Der Reichweiten-Vorfaktor K variiert somit im allgemeinen zwischen 0 und 1, wobei K = 0 bedeutet, dass der Radarsensor 10 vollständig erblindet ist.
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Damit während des Betriebs des Radarsensors 10 der aktuelle Reichweiten-Vorfaktor K gemessen oder zumindest mit hinreichender Verlässlichkeit geschätzt werden kann, ist es erforderlich, den Effekt der zum aktuellen Zeitpunkt wirksamen Absorber abzuschätzen.
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Dazu wird erfindungsgemäß der Umstand ausgenutzt, dass jedes in Frage kommende Objekt
12 einen gewissen Radarstreuquerschnitt hat und dass diese Radarstreuquerschnitte zumindest für Objekte, die derselben Klasse angehören, annähernd gleich sind. Jedem Objekt kann somit ein gewisser Erwartungswert E für den Radarstreuquerschnitt zugeordnet werden. Im einfachsten Fall kann angenommen werden, dass das Objekt
12 ein Pkw ist, dessen typischer Radarstreuquerschnitt bekannt ist und somit den Erwartungswert E für diese Objektklasse bildet. Der tatsächliche Radarstreuquerschnitt S des Objekts 12 ist gegeben durch die Formel:
und kann folglich mit Hilfe des Radarsensors
10 geschätzt werden, indem die Größen P_r und R anhand des für das betreffende Objekt empfangene Radarsignals bestimmt werden.
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Für den Reichweiten-Vorfaktor gilt dann näherungsweise:
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2 illustriert die Ergebnisse von Messungen des Reichweiten-Vorfaktors K mit einem realen Radarsensor, bei denen der Gesamteffekt der Absorber (Radorn 18, Belag 20 und Atmosphäre 22) mit Hilfe von zwei verschiedenen Standard-Absorbern simuliert wurde, die eine Dämpfung von 10 dB bzw. 20 dB hatten.
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Man erkennt, dass die Werte, die man für den Reichweitenfaktor K in verschiedenen Messzyklen erhält, zwar von Messzyklus zu Messzyklus variieren, insgesamt jedoch eine deutliche Abhängigkeit von der Anwesenheit oder Abwesenheit und der Art des Absorbers haben. Bei Messungen ohne Absorber liegt der Reichweiten-Vorfaktor typischerweise zwischen 0,6 und 0,7, während er bei dem 10 dB Absorber zwischen 0,3 und 0,4 und bei dem 20 dB Absorber zwischen 0,2 und 0,25 liegt. Diese Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit der Theorie, wenn man als Objekt 12 ein Radarnormziel mit realistischen Eigenschaften zugrundelegt.
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Somit ist es möglich, durch Messungen, die mit dem Radarsensor 10 selbst vorgenommen werden können, aussagekräftige Informationen über die aktuelle Reichweite dieses Radarsensors zu erhalten.
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Da die Bestimmung des Reichweiten-Vorfaktors K sehr oft wiederholt werden kann, im Prinzip jedes Mal, wenn irgendein Objekt geortet wird, lässt sich die Genauigkeit und Verlässlichkeit durch statistische Auswertung weiter steigern. Beispielsweise lässt eine solche statistische Auswertung Ausreißer erkennen, die dadurch entstehen, dass es sich bei dem aktuell georteten Objekt 12 nicht um einen Pkw, sondern um ein Objekt mit einem größeren oder kleineren Streuquerschnitt handelt.
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Gemäß einer Verfeinerung des Verfahrens können die Objekte auch einer Vorfilterung unterzogen werden, um für die Messung des Reichweiten-Vorfaktors ungeeignete Objekte oder Situationen auszuschließen. Beispielsweise ist es möglich, Objekte auszuschließen, bei denen wegen des sehr großen Objektabstands oder aufgrund von Indizien im FMCW-Spektrum zu erwarten ist, dass der Radarstreuquerschnitt durch Mehrfachreflexionen verfälscht ist. (Solche Mehrfachreflexionen können auch dazu führen, dass der Radarstreuquerschnitt überschätzt wird und man einen Reichweiten-Vorfaktor K > 1 erhält).
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Weiterhin kann das Winkelauflösungsvermögen des Radarsensors 10 dazu benutzt werden, die Breite des georteten Objekts zu schätzen und so das Objekt einer bestimmten Klasse zuzuordnen. Für die Bestimmung des Reichweiten-Vorfaktors K kann dann der für diese Klasse geltende Erwartungswert E für den Radarstreuquerschnitt zugrunde gelegt werden.
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Ein Beispiel für einen möglichen Verfahrensablauf ist in 3 in einem Flussdiagramm dargestellt. Die zur Durchführung dieses Verfahrens notwendige Software kann in der Auswerte- und Steuereinrichtung 14 und/oder im Datenverarbeitungssystem 16 implementiert sein.
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In Schritt S1 wird geprüft, ob ein Objekt geortet wird. Solange dies nicht der Fall ist (nein), wird dieser Schritt zyklisch wiederholt. Sobald ein Objekt geortet wurde (ja), wird in Schritt S2 die Objektklasse für dieses Objekt bestimmt. Objektklassen sind nur für solche Objekte 12 definiert, für die der zugehörige Radarstreuquerschnitt (Erwartungswert E) bekannt ist. Objekte, bei denen eine Verfälschung des Radarstreuquerschnitts durch Störeffekte zu erwarten ist, werden keiner der vordefinierten Objektklassen zugeordnet.
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In Schritt S3 wird dann geprüft, ob das Objekt in Schritt in S2 einer bestimmten Objektklasse zugeordnet werden konnte, so dass eine unverfälschte Schätzung des Radarstreuquerschnitts (RCS) und ein Vergleich mit einem zugehörigen Erwartungswert als möglich erscheint. Wenn dies nicht der Fall ist (nein), erfolgt ein Rücksprung zu Schritt S1. Andernfalls (ja) wird in Schritt S4 der Erwartungswert E für die in Schritt S2 bestimmte Objektklasse gelesen.
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In Schritt S5 wird dann durch Messung der Empfangsleistung P_r und des Abstands R für das betreffende Objekt der Schätzwert S für den Radarstreuquerschnitt berechnet. In Schritt S6 wird dann anhand der in den Schritten S4 und S5 erhaltenen Daten der Reichweiten-Vorfaktor K berechnet, und durch Multiplikation mit der maximalen Reichweite R_max wird die aktuelle Reichweite R_akt des Radarsensors berechnet.
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In einer abgewandelten Ausführungsform werden die Schritte S1 bis S6 für mehrere Objekte wiederholt, um durch statistische Auswertung eine höhere Genauigkeit und Verlässlichkeit zu erreichen.
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In Schritt S7 wird ein Zähler i auf „1“ gesetzt. Dieser Zähler i zählt die im Datenverarbeitungssytem 16 implementierten Assistenz- und Steuerungsfunktionen F_i, wobei angenommen wird, dass für jede dieser Funktionen eine Mindestreichweite R_i definiert ist, die der Radarsensor 10 mindestens haben muss, damit die zugehörige Assistenzfunktion F_i sicher genutzt werden kann.
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In Schritt S8 wird dann die Mindestreichweite R_i für die durch den Index i gekennzeichnete Assistenzfunktion gelesen, und in Schritt S9 wird geprüft, ob für diese Assistenzfunktion die Bedingung R_akt > R_i erfüllt ist oder nicht. Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist (nein), so bedeutet dies, dass die Empfindlichkeit des Radarsensors für diese spezielle Funktion nicht ausreicht, und in Schritt S10 wird die betreffende Assistenzfunktion deaktiviert. Der Fahrer erhält einen Hinweis, dass die Assistenzfunktion nicht mehr zur Verfügung steht. Sofern der Radarsensor nicht für ein Fahrerassistenzsystem, sondern für ein autonomes Fahrsystem genutzt wird, wird in Schritt S10 das Fahrzeug automatisch in den Stand gebremst und die Insassen des Fahrzeugs werden aufgefordert, das Radom zu reinigen oder einen Reparaturdienst zu rufen.
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Falls die Bedingung in Schritt S9 erfüllt ist (ja), wird der Schritt S10 übersprungen.
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In Schritt S11 wird in jedem Fall geprüft, ob im Datenverarbeitungssystem 16 noch mindestens eine weitere Assistenzfunktion F_i+1 implementiert ist. Wenn dies der Fall ist (ja), so wird in Schritt S12 der Zähler i um 1 erhöht und die Schritte S8 bis S11 (und ggf. S12) werden für die nächste Assistenzfunktion wiederholt. Wenn sämtliche Assistenzfunktionen in dieser Weise überprüft wurden, wird das Verfahren mit Schritt S13 beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19945268 A [0004]
- WO 0122113 A1 [0004]