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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs sowie ein entsprechendes Ultraschallsensorsystem.
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Stand der Technik
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Ein Fahrzeug kann ein Ultraschallsensorsystem aufweisen. Sensoren des Ultraschallsensorsystems senden Impulse aus und empfangen Echos dieser Impulse. Aus einer Laufzeit der Impulse wird unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit in Luft eine Entfernung zwischen dem Sensor und einem das Echo erzeugenden Objekt berechnet. Da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, wird eine Umgebungstemperatur durch einen Temperaturfühler des Fahrzeugs erfasst und zur Kompensation von temperaturbedingten Variationen der Schallgeschwindigkeit im Ultraschallsensorsystem verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs und ein entsprechendes Ultraschallsensorsystem, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Ultraschallsensorsystem eines Fahrzeugs zu verwenden, um zumindest einen Parameter der als Übertragungsmedium verwendeten Umgebungsluft mit Ultraschall zu erfassen. Dadurch kann der Parameter unmittelbar dort erfasst werden, wo er eine bestimmungsgemäße Entfernungsmessung des Ultraschallsensorsystems beeinflusst. Abweichungen durch eine Erfassung fern der Sensoren können so vermieden werden. Zum Erfassen des Parameters können Signalanteile verwendet werden, die herkömmlicherweise ausgefiltert und verworfen werden.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensorsystems eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei zumindest ein Sendesignal von einem Sender des Ultraschallsensorsystems gesendet wird, eine bekannte Luftstrecke durchquert und zumindest ein aus dem Sendesignal resultierendes Empfangssignal von einem Empfänger des Ultraschallsensorsystems empfangen wird, wobei zumindest ein Luftparameter der Luftstrecke unter Verwendung einer Information über eine Länge der Luftstrecke und zumindest eines das Empfangssignal charakterisierenden Signalparameters bestimmt wird.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Ein Ultraschallsensorsystem kann mehrere über ein Fahrzeug verteilte, miteinander vernetzte Ultraschallsensoren und ein zentrales Steuergerät aufweisen. Ein Ultraschallsensor kann als Sender und als Empfänger konfiguriert sein. Der Ultraschallsensor kann in einem Messzyklus zu einem Sendezeitpunkt durch ein elektrisches Signal des Steuergeräts dazu angesteuert werden, einen oder mehrere Ultraschallimpulse als Sendesignal auszusenden. Nach einer Abklingdauer kann der Ultraschallsensor über eine Empfangsdauer ankommende Ultraschallwellen als Empfangssignal wieder in einem elektrischen Signal für das Steuergerät abbilden.
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Die ankommenden Ultraschallwellen können Echos des ausgesandten Sendesignals, Kreuzechos eines von einem anderen Ultraschallsensor ausgesandten Sendesignals oder auch direkt ein Sendesignal eines anderen Ultraschallsensors sein. Nach dem Ende der Empfangsdauer kann ein neuer Messzyklus beginnen. Im neuen Messzyklus kann der Ultraschallsensor auch in einer anderen Betriebsweise betrieben werden, also beispielsweise nur ankommende Ultraschallwellen als Empfangssignal in dem elektrischen Signal für das Steuergerät abbilden oder nur zum Senden von Sendesignalen angesteuert werden.
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Unter Verwendung einer aus dem Sendezeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt des Empfangssignals resultierenden Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit im Medium kann ein Luftweg zwischen dem Sender und dem Empfänger berechnet werden. Wenn das Sendesignal an einem Objekt reflektiert wird und das Empfangssignal ein Echo oder Kreuzecho ist, kann aus der Laufzeit der Luftweg über das reflektierende Objekt berechnet werden.
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Wenn derselbe Ultraschallsensor gesendet und empfangen hat, entspricht eine Entfernung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Objekt dem halben Luftweg. Wenn unterschiedliche Ultraschallsensoren gesendet und empfangen haben, befindet sich das Objekt auf einem Rotationsellipsoiden, der durch eine geometrische Anordnung des Senders und des Empfängers am Fahrzeug, sowie durch den Luftweg definiert ist.
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Der Ultraschallsensor kann während der Empfangsdauer auch unreflektierte, direkte Sendesignale von anderen Ultraschallsensoren des Fahrzeugs empfangen. Da die direkt empfangenen Sendesignale keine Information über reflektierende Objekte enthalten, werden die direkt empfangenen Sendesignale herkömmlicherweise verworfen. Auch Echos von bekannten Objekten, wie Bestandteilen des Fahrzeugs und der Straße werden herkömmlicherweise verworfen, da die Position der bekannten Objekte bekannt ist.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden Echos von bekannten Objekten zum Verbessern einer Messgenauigkeit des Ultraschallsensorsystems verwendet. Ebenso können direkt empfangene Sendesignale verwendet werden. Bei bekannten Objekten und direkt empfangenen Sendesignalen ist die Länge des Luftwegs mit einer hohen Genauigkeit bekannt. Daher können unter Verwendung der Echos von bekannten Objekten beziehungsweise der direkt empfangenen Sendesignale Eigenschaften der Luft auf dem durchquerten Luftweg bestimmt werden. Die Eigenschaften können durch Luftparameter repräsentiert werden. Allgemein und Speziell bei einer höheren Geschwindigkeit kann die Fahrzeuggeschwindigkeit in die Berechnung aufgenommen werden, da sich die Position des Empfängers zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt verändert haben kann. Die Veränderung der Position kann je nach Ausrichtung der Luftstrecke einen Einfluss auf die Länge der Luftstrecke haben.
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Als Luftparameter kann eine Schallgeschwindigkeit in der Luftstrecke bestimmt werden. Als Signalparameter kann eine Laufzeit zwischen dem Senden des Sendesignals und dem Empfangen des Empfangssignals ausgewertet werden. Die Schallgeschwindigkeit kann unter Verwendung der bekannten Länge der Luftstrecke und der Laufzeit berechnet werden. Durch ein direktes Erfassen der Schallgeschwindigkeit ohne eventuelle Umrechnungsfehler beim Umrechnen einer gemessenen und eventuell von einer Temperatur in der Luftstrecke abweichenden Temperatur in die Schallgeschwindigkeit kann eine erhöhte Genauigkeit eines Werts der Schallgeschwindigkeit erreicht werden. Durch die Kenntnis der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit kann eine Messgenauigkeit des Ultraschallsensorsystems verbessert werden. Zusätzlich ist die Schallgeschwindigkeit von der Luftfeuchtigkeit abhängig, da sich die Molmasse in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit ändert. Der Einfluss im Vergleich zur Temperatur jedoch sehr klein. Durch die Messung über die bekannte Luftstrecke kann auch dieser Einfluss berücksichtigt werden.
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Vom Sender kann ein Sendesignal über einen unbekannten Laufweg gesendet werden. Der unbekannte Laufweg kann von dem Sender zu einem unbekannten Objekt und von dem Objekt zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein am Objekt reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Der Laufweg kann unter Verwendung der gemäß dem hier vorgestellten Ansatz bestimmten Schallgeschwindigkeit und einer Laufzeit zwischen dem Senden des Sendesignals und dem Empfangen des Echos bestimmt werden. Die Berechnung der Schallgeschwindigkeit kann im gleichen Messzyklus erfolgen, wie die Bestimmung der Länge der Messtrecke. Zum Bestimmen der Laufzeit auf der bekannten Luftstrecke und der Laufzeit über den Laufweg kann dasselbe Sendesignal verwendet werden. Dann können zumindest zwei Empfangssignale innerhalb der Empfangsdauer empfangen werden. Ebenso können die Messungen in unterschiedlichen Messzyklen erfolgen.
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Weiterhin kann eine Lufttemperatur von Luft innerhalb der Luftstrecke bestimmt werden. Ein Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Lufttemperatur ist durch physikalische Gesetzmäßigkeiten bekannt. Der Zusammenhang kann beispielsweise als Berechnungsvorschrift oder in Tabellenform hinterlegt sein. Durch die Bestimmung der Lufttemperatur können Einflüsse des Fahrzeugs, wie beispielsweise eine Erwärmung der Karosserie des Fahrzeugs bei der Temperaturbestimmung ausgeschlossen werden.
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Als Luftparameter kann eine durch Luft innerhalb der Luftstrecke bewirkte Dämpfung eines Signals bestimmt werden. Als Signalparameter kann eine Amplitudendifferenz zwischen einer Sendeamplitude des Sendesignals und einer Empfangsamplitude des Empfangssignals ausgewertet werden. Die Dämpfung kann unter Verwendung der Amplitudendifferenz und der Länge der Luftstrecke bestimmt werden. Unter Verwendung der aktuellen Dämpfung können Erwartungswerte für die Empfangsamplitude für verschiedene Laufzeiten bestimmt werden. Echos mit Empfangsamplituden, die im Wesentlichen den Erwartungswerten für ihre jeweilige Laufzeit entsprechen, sind mit einer hohen Sicherheit echte Echos. Entsprechend kann solchen Echos ein Sicherheitswert zugeordnet werden. Wenn eine Empfangsamplitude um mehr als eine Toleranz von dem Erwartungswert abweicht, kann dem Echo ein Unsicherheitswert zugeordnet werden. So können unsichere Echos verworfen werden und echte Echos weiterverarbeitet werden.
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Weiterhin kann eine Luftfeuchtigkeit von Luft innerhalb der Luftstrecke bestimmt werden. Die Luftfeuchtigkeit kann unter Verwendung der Dämpfung und einer Temperatur bestimmt werden. Dabei kann die Temperatur durch einen Sensor des Fahrzeugs erfasst werden oder auch insbesondere unter Verwendung des hier vorgestellten Ansatzes erfasst werden. Die Luftfeuchtigkeit kann so ohne zusätzlichen Feuchtigkeitssensor des Fahrzeugs bestimmt werden. Unter Verwendung der Luftfeuchtigkeit kann auf aktuelle Straßenbedingungen und/oder Wetterbedingungen geschlossen werden. Beispielsweise kann die Straße bei einer hohen Luftfeuchtigkeit mit einer hohen Wahrscheinlichkeit feucht oder nass sein. Eine hohe Luftfeuchtigkeit in Kombination mit einer niedrigen Temperatur kann ein Anzeichen für aufkommenden Nebel sein.
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Die Luftstrecke kann von dem Sender zu einem Referenzobjekt am Fahrzeug und von dem Referenzobjekt zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein am Referenzobjekt reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Das Referenzobjekt kann beispielsweise ein Außenspiegel des Fahrzeugs und/oder ein Nummernschild des Fahrzeugs sein. Allgemein kann ein Referenzobjekt am Fahrzeug zumindest eine Teilfläche mit einer im Wesentlichen quer zu auftreffenden Schallwellen des Sendesignals ausgerichtete Oberfläche aufweisen. Dann resultiert ein deutliches Echo als Empfangssignal. Ein Referenzobjekt am Fahrzeug weist den Vorteil auf, dass seine Position relativ zu den Sensoren des Ultraschallsensorsystems eindeutig bekannt ist und sich über die Zeit nicht wesentlich verändert. Dadurch kann für wiederkehrende Bestimmungen des Luftparameters immer wieder dasselbe Referenzobjekt verwendet werden. Durch das Referenzobjekt am Fahrzeug können auch Referenzmessungen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt werden.
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Die Luftstrecke kann von dem Sender zu einer Aufstandsfläche des Fahrzeugs und von der Aufstandsfläche zu dem Empfänger verlaufen. Am Empfänger kann als Empfangssignal ein an der Aufstandsfläche reflektiertes Echo des Sendesignals empfangen werden. Die Aufstandsfläche erzeugt durch eine sehr große Reflexionsfläche ein massives Echo. Das Echo von der Aufstandsfläche ist meist einfach zu identifizieren und kann sicher von anderen Echos unterschieden werden. Herkömmlicherweise kann das Echo der Aufstandsfläche verworfen werden. Durch eine Auswertung von Niveausensoren des Fahrzeugs kann die Länge der Luftstrecke mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Dynamische Änderungen der Luftstrecke, beispielsweise aufgrund von Karosseriebewegungen des Fahrzeugs können über mehrere Messungen gemittelt werden. Das Ultraschallsensorsystem kann auch zumindest einen Referenzsensor aufweisen, der auf die Aufstandsfläche beziehungsweise das Referenzobjekt ausgerichtet ist. Der Referenzsensor kann damit im Wesentlichen an der Luftstrecke ausgerichtet sein und somit ein eindeutig zuordenbares Empfangssignal empfangen. Zusätzlich kann über eine Karte die Oberflächenart und -struktur der Aufstandsfläche ausgelesen werden. Das erhöht die Genauigkeit des Ergebnisses.
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Der Luftparameter kann für zumindest zwei unterschiedliche Luftstrecken bestimmt werden. Ein abgesicherter Luftparameter kann unter Verwendung der mehreren Luftparameter bestimmt werden. Beispielsweise können die Luftstrecken auf unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugs angeordnet sein. Ebenso können sich die Luftstrecken von einem Sender aus in unterschiedliche Richtungen erstrecken und/oder aus unterschiedlichen Richtungen an einem Empfänger enden. Durch mehrere Luftstrecken können Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Luftbewegungen innerhalb der Luftstrecken kompensiert werden. Insbesondere wenn die Luftstrecken zwischen dem jeweiligen Sender, der Aufstandsfläche und dem jeweiligen Empfänger liegen, kann bezogen auf das Fahrzeug eine rechte Luftstrecke und eine linke Luftstrecke verwendet werden, um eine Schräglage des Fahrzeugs relativ zur Aufstandsfläche und/oder einen Höhensprung der Aufstandsfläche beispielsweise an einem Randstein erkennen zu können.
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Das Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Ultraschallsensorsystem, das dazu ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.
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Das Ultraschallsensorsystem kann ein elektrisches Gerät mit zumindest einer Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest einer Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, und zumindest einer Schnittstelle und/oder einer Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind, umfassen. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein sogenannter System-ASIC oder ein Mikrocontroller zum Verarbeiten von Sensorsignalen und Ausgeben von Datensignalen in Abhängigkeit von den Sensorsignalen sein. Die Speichereinheit kann beispielsweise ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein. Die Schnittstelle kann als Sensorschnittstelle zum Einlesen der Sensorsignale von einem Sensor und/oder als Aktorschnittstelle zum Ausgeben der Datensignale und/oder Steuersignale an einen Aktor ausgebildet sein. Die Kommunikationsschnittstelle kann dazu ausgebildet sein, die Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Die Schnittstellen können auch Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Steuergeräts und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 zeigt eine Darstellung einer Messung mit einem Ultraschallsensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 4 zeigt eine Darstellung einer Messung ohne eine gemäß einem Ausführungsbeispiel bestimmte Schallgeschwindigkeit.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 weist mehrere über das Fahrzeug 100 verteilt angeordnete Ultraschallsensoren 104 auf. Die Ultraschallsensoren 104 sind über ein Steuergerät 106 des Ultraschallsensorsystems 102 miteinander vernetzt.
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Das Ultraschallsensorsystem 102 ist dazu ausgebildet, zumindest einen Luftparameter 108 innerhalb zumindest einer bekannten Luftstrecke 110 zwischen einem Sender 112 und einem Empfänger 114 des Ultraschallsensorsystems 102 zu bestimmen. Der Luftparameter 108 wird dabei unter Verwendung einer bekannten Länge der Luftstrecke 110 und zumindest einem in einem von dem Empfänger 114 empfangenen Empfangssignal 116 enthaltenen Signalparameter 118 bestimmt. Die Luftstrecke 110 ist dabei durch eine Geometrie des Fahrzeugs 100 vorgegeben.
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Wenn der Empfänger 114 ein anderer Ultraschallsensor 104 ist als der Sender 112, kann das Empfangssignal 116 ein auf direktem Weg über die Luftstrecke 110 empfangenes Sendesignal 120 des Senders 112 sein. Ebenso kann das Empfangssignal ein an einem Referenzobjekt 122 reflektiertes Echo des Sendesignals 120 sein. Wenn der gleiche Ultraschallsensor 104 zum Senden und Empfangen verwendet wird, ist das Empfangssignal 116 immer ein Echo des zuvor ausgesendeten, am Referenzobjekt 122 reflektierten Sendesignals 120. Bei dem direkten Empfang des Sendesignals 120 entspricht die Luftstrecke 110 einer Entfernung zwischen dem Sender 112 und dem Empfänger 114. Bei dem Empfang des Echos von dem Referenzobjekt 122 entspricht die Luftstrecke 110 einer Entfernung von dem Sender 112 zu dem Referenzobjekt 122 und von dem Referenzobjekt 122 zu dem Empfänger 114.
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Das Referenzobjekt 122 ist hier ein Außenspiegel 124 des Fahrzeugs. Alternativ oder ergänzend für eine weitere Luftstrecke 110 kann das Referenzobjekt 122 auch ein Nummernschild 126 beziehungsweise ein Halter des Nummernschilds 126 sein.
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Um den Luftparameter 108 zu bestimmen wird der Sender 112 von dem Steuergerät 106 über ein elektrisches Ansteuerungssignal dazu angesteuert, das Sendesignal 120 zu emittieren. Das Sendesignal 120 besteht dabei aus zumindest einem Ultraschallimpuls. Das Sendesignal 120 kann auch codiert emittiert werden und mehrere Ultraschallimpulse umfassen. Dabei können die Ultraschallimpulse unterschiedliche Frequenzen, Amplituden, Längen und Abstände zueinander aufweisen.
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Das Sendesignal 120 breitet sich von dem Sender 112 im Wesentlichen als Kugelwelle beziehungsweise Teilbereich einer Kugelwelle durch die Luft aus. Das Sendesignal 120 durchquert dabei auch zumindest einen Teilbereich der Luftstrecke 110. Während das Sendesignal 120 die Luft der Luftstrecke durchquert, beeinflusst die Luft das Sendesignal 120. Der Signalparameter 118 repräsentiert diese Beeinflussung.
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Wenn das Sendesignal 120 auf das Referenzobjekt 122 trifft, wird es an einer Oberfläche des Referenzobjekts 122 reflektiert und als Echo des Sendesignals 120 ebenfalls kugelförmig vom Referenzobjekt 122 abgestrahlt. Das Echo oder das direkt empfangene Sendesignal 120 wird am Empfänger 114 als Empfangssignal 116 empfangen und wieder in einem elektrischen Signal abgebildet. Beim Abbilden wird auch der Signalparameter 118 zumindest implizit im elektrischen Signal abgebildet. Das Steuergerät 106 wertet das Empfangssignal 116 aus und extrahiert den Signalparameter 118. Zum Extrahieren kann das Steuergerät 106 auch das Ansteuerungssignal mit auswerten.
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Die Reflexion am Referenzobjekt 122 erfolgt gerichtet. Wenn der gleiche Ultraschallsensor 104 zum Senden und Empfangen verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Referenzobjekts 122 näherungsweise in einem rechten Winkel zu einem Einfallswinkel des Sendesignals 120 ausgerichtet ist. Wenn ein anderer Ultraschallsensor als Empfänger 114 verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Referenzobjekts 122 näherungsweise tangential zu einem Rotationsellipsoid ausgerichtet ist, der Sender 112 und Empfänger 114 als Brennpunkte aufweist.
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Hier wird der gleiche Ultraschallsensor 104 als Sender 112 und Empfänger 114 verwendet. Eine Unterseite des Außenspiegels 124 ist näherungsweise senkrecht zu dem Einfallswinkel des Sendesignals 120 ausgerichtet.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Luftparameter 108 eine Schallgeschwindigkeit 128 in der Luftstrecke 110 bestimmt. Dazu wird als Signalparameter 118 eine Laufzeit 130 des Sendesignals 120 und/oder des Echos verwendet bis das Empfangssignal 116 am Empfänger empfangen wird. Die Schallgeschwindigkeit 128 kann direkt aus der Länge 132 der Luftstrecke 110 und der Laufzeit 130 berechnet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Schallgeschwindigkeit 128 in eine Lufttemperatur 134 der Luftstrecke 110 umgerechnet. Die Schallgeschwindigkeit 128 in einem Übertragungsmedium ist abhängig von einer Dichte und einem Druck des Übertragungsmediums. Bei Luft ist die Dichte stark temperaturabhängig. Der Druck kann durch einen Drucksensor gemessen werden oder ein Druckwert aus beispielsweise einem Wetterbericht eingelesen werden. Der Luftdruck unter Normalbedingungen hat jedoch keinen großen Einfluss. Daher kann über eine Abschätzung in der Praxis eine genügende Genauigkeit erreicht werden. Aufgrund dieser Zusammenhänge kann aus der Schallgeschwindigkeit 128 die Lufttemperatur 134 berechnet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Luftparameter 108 eine Dämpfung 136 der Luftstrecke 110 bestimmt. Dazu wird als Signalparameter 118 eine Intensitätsdifferenz 138 zwischen dem Sendesignal 120 und dem Empfangssignal 116 verwendet. Die Intensitätsdifferenz 138 kennzeichnet dabei, wie stark sich das Sendesignal 120 auf dem Weg über die Luftstrecke 110 abschwächt. Ein Teil der Abschwächung ist dabei aufgrund der Streuung des Sendesignals 120 und des Echos geometrisch durch die Länge 132 der Luftstrecke 110 bedingt, ein anderer Teil ist durch zumindest eine Eigenschaft der Luft bedingt. Die Dämpfung 136 kann direkt aus der Länge 132 der Luftstrecke 110 und der Intensitätsdifferenz 138 berechnet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der geometrieunabhängige Anteil der Dämpfung 136 in eine Luftfeuchtigkeit 140 der Luftstrecke 110 umgerechnet. Beim Umrechnen wird eine Temperatur berücksichtigt. Als Temperatur kann beispielsweise die zuvor bestimmte Lufttemperatur 134 verwendet werden.
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Ebenso kann ein Messwert eines Temperaturfühlers des Fahrzeugs 100 verwendet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Steuergerät 106 ein abgesicherter Luftparameter 142 berechnet. Dazu kann beispielsweise ein Glättungsalgorithmus auf einen Verlauf des Luftparameters 108 angewendet werden. Durch den Glättungsalgorithmus können Ausreißer ausgefiltert werden und kurzfristige Störungen bei der Bestimmung des Luftparameters 108 kompensiert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der abgesicherte Luftparameter 142 unter Verwendung von zumindest zwei Luftstrecken 110 am Fahrzeug 100 bestimmt. Hier werden eine rechts am Fahrzeug 100 angeordnete rechte Luftstrecke 110 und eine symmetrisch dazu links am Fahrzeug 100 angeordnete linke Luftstrecke 110 verwendet. Bei der rechten Luftstrecke 110 wird der rechte Außenspiegel 124 als Referenzobjekt 122 verwendet. Bei der linken Luftstrecke 110 wird der linke Außenspiegel 124 als Referenzobjekt 122 verwendet. Alternativ können die Luftstrecken 110 auch zwischen je zwei Ultraschallsensoren 104 pro Seite des Fahrzeugs 100 angeordnet sein.
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Unter Verwendung des an der rechten Luftstrecke 110 gemessenen rechten Signalparameters 118 wird der rechte Luftparameter 108 bestimmt. Unter Verwendung des an der linken Luftstrecke 110 gemessenen linken Signalparameters 118 wird der linke Luftparameter 108 bestimmt. Im Steuergerät 106 werden der rechte Luftparameter 108 und der linke Luftparameter 108 fusioniert und der abgesicherte Luftparameter 142 berechnet. Beispielsweise kann der abgesicherte Luftparameter 142 ein Mittelwert der beiden Luftparameter 108 sein. Ebenso können die Verläufe der beiden Luftparameter 108 unter Verwendung des Glättungsalgorithmus geglättet werden und Ausreißer verbessert kompensiert werden.
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2 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Ultraschallsensorsystem in 1. Zusätzlich dazu weist das Ultraschallsensorsystem 102 einen Referenzsensor 200 auf.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Referenzsensor 200 auf eine Aufstandsfläche 202 des Fahrzeugs 100 gerichtet und wird insbesondere nur für die Bestimmung des Luftparameters 108 verwendet. Ein Abstand des Referenzsensors 200 von der Aufstandsfläche 202 entspricht der halben Luftstrecke 110. Um bei verschiedenen Beladungssituationen des Fahrzeugs 100 die genaue Länge 132 der Luftstrecke 110 zu kennen, wird ein Niveausignal 204 von zumindest einem Niveausensor 206 des Fahrzeugs 100 beim Bestimmen des Luftparameters 108 verwendet.
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Dynamische Veränderungen der Luftstrecke 110 während der Fahrt des Fahrzeugs 100 können auch durch einen Glättungsalgorithmus des Luftparameters 108 über einen Mittelungszeitraum ausgeglichen werden.
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Hier ist der Referenzsensor 200 am Außenspiegel 124 angeordnet und strahlt das Sendesignal 120 nach unten in Richtung der Aufstandsfläche 202 beziehungsweise Straße ab. An der Aufstandsfläche 202 wird das Sendesignal 120 als Echo reflektiert und wieder zurück zu dem Referenzsensor 200 geworfen. Am Referenzsensor 200 wird das Echo als Empfangssignal 116 empfangen und in dem elektrischen Signal abgebildet.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Ultraschallsensorsystem 102 zwei Referenzsensoren 200 auf. Die Referenzsensoren 200 sind an entgegengesetzten Seiten des Fahrzeugs 100 angeordnet. Durch zwei Referenzsensoren 200 können die Luftparameter 108 verwendet werden, um den abgesicherten Luftparameter 142 zu erhalten. Insbesondere kann durch den rechten Referenzsensor 200 und linken Referenzsensor 200 erkannt werden, ob die Aufstandsfläche 202 durch das Sendesignal 120 getroffen wird. Beispielsweise kann so ein Randstein oder Schlagloch neben dem Fahrzeug 100 einfach erkannt werden und die Bestimmung des Luftparameters 108 auf dieser Seite abgebrochen werden oder der auf dieser Seite bestimmte Luftparameter 108 verworfen werden.
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3 zeigt eine Darstellung einer Messung mit einem Ultraschallsensorsystem 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ultraschallsensorsystem 102 ist wie in den 1 und 2 Bestandteil eines Fahrzeugs 100. Das Ultraschallsensorsystem 102 weist hier drei entlang einer Front, einer Seite oder einem Heck des Fahrzeugs verteilte Ultraschallsensoren 104 auf. Einer der Ultraschallsensoren 104 wird durch das Steuergerät 106 dazu angesteuert, das Sendesignal 120 zu senden. Das Sendesignal 120 breitet sich im Wesentlichen kugelförmig von dem Sender 112 aus. Das Sendesignal 120 trifft auf ein Objekt 300. Am Objekt 300 wird das Sendesignal 120 als Echo reflektiert. Das Echo breitet sich von dem Objekt 300 wieder kugelförmig aus. Der Sender 112 ist nach dem Senden als Empfänger 114 konfiguriert worden. Die anderen Ultraschallsensoren 104 sind bereits am Anfang des dargestellten Messzyklus als Empfänger 114 konfiguriert worden. Das Echo wird an allen drei Ultraschallsensoren 104 als Empfangssignal 116 empfangen und jeweils im elektrischen Signal für das Steuergerät 106 abgebildet.
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Bevor das Echo den am nächsten am Sender 112 gelegenen Empfänger 114 erreicht, hat das Sendesignal 120 diesen Empfänger 114 bereits erreicht und wird von dem Empfänger 114 als Empfangssignal 116 empfangen und in dem elektrischen Signal für das Steuergerät abgebildet. Da eine Entfernung zwischen dem Sender 112 und dem Empfänger 114 bekannt ist, ist auch die Länge 132 der Luftstrecke 110 bekannt. Aus einem Zeitversatz zwischen dem Senden und dem Empfangen und der Länge 132 der Luftstrecke 110 berechnet das Steuergerät 106 die Schallgeschwindigkeit 128 auf der Luftstrecke 110 und verwendet die Schallgeschwindigkeit 128 für seine weiteren Berechnungen.
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Aus dem Zeitversatz zwischen dem Senden des Sendesignals 120 und dem Empfangen der Echos und der bestimmten Schallgeschwindigkeit 128 berechnet das Steuergerät 106 jeweils einen Laufweg 302 des Sendesignals 120 zum Objekt 300 und des Echos zum jeweiligen Empfänger 114.
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Aus dem Laufweg 302 kann noch keine Richtungsinformation beziehungsweise Position des Objekts 300 abgeleitet werden. Das Objekt 300 befindet sich auf einer Kugel um den Sender mit dem halben Laufweg 302 als Radius. Bei den anderen Ultraschallsensoren 104 liegt das Objekt 300 jeweils auf einem Rotationsellipsoiden, der den Sender 112 und den Empfänger 114 jeweils in den Brennpunkten angeordnet hat.
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Da die Schallgeschwindigkeit 128 hier richtig bestimmt worden ist, schneiden sich die Ellipsoiden und die Kugel an einem einzelnen Punkt 304. Der Punkt 304 entspricht dabei dem Punkt auf einer Oberfläche des Objekts, an dem das Sendesignal 120 reflektiert worden ist. Eine Position des Objekts 300 kann so sehr exakt bestimmt werden.
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4 zeigt eine Darstellung einer Messung ohne eine gemäß einem Ausführungsbeispiel bestimmte Schallgeschwindigkeit. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Im Gegensatz dazu wird hier ein falscher Wert der Schallgeschwindigkeit verwendet, um die Laufwege 302 zu berechnen. Die verwendete Schallgeschwindigkeit ist zu hoch, weshalb die Laufwege 302 zu lang berechnet werden. Hier schneiden sich die Rotationsellipsoiden und die Kugel nicht in einem Punkt. Es ergeben sich mehrere Schnittpunkte 400, die jedoch mehr oder weniger weit von dem Objekt 300 entfernt liegen. Die Position des Objekts 300 kann so nur mit einer großen Unsicherheit bestimmt werden.
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Mit anderen Worten wird eine Messung von beispielsweise Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit mit Ultraschallechos von bekannten Objekten vorgestellt.
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In Ultraschallsystemen werden Laufzeiten von Ultraschallpulsen gemessen. Diese Ultraschallsysteme werden auch für Fahrerassistenzsysteme und (teil)automatisiertes Fahren verwendet. Ein oder mehrere Sender eines Ultraschallsensorsystems emittieren einen wohldefinierten Puls, der von einem oder mehreren Objekten reflektiert und anschließend von einem oder mehreren Sensoren empfangen wird. Ein Sensor kann in einem Zyklus gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Die Laufzeit wird unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit in einen Laufweg umgerechnet. Da der Laufweg keine Winkelinformation enthält, ist nur bekannt, dass der Ort der Ultraschallpulsreflektion an einer Stelle auf der Oberfläche eines Rotationsellipsoids liegt, der durch die beiden Sensorpositionen als Brennpunkte und die Hälfte des Echolaufwegs als große Halbachse definiert ist. Wenn der Sender dem Empfänger entspricht, handelt es sich bei der Oberfläche um eine Kugeloberfläche.
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Durch weitere empfangene Echos, die von dem gleichen oder einem anderen Sender emittiert wurden und von anderen oder dem gleichen Empfänger empfangen wurden, lassen sich weitere Rotationsellipsoide erstellen. Je nach Modellannahme kann das Reflektionsobjekt durch z.B. den Schnittpunkt der Rotationsellipsoide oder eine Tangentialebene an die Rotationsellipsoide bestimmt werden. Durch geeignete Kombination mehrerer Echos, teilweise über mehrere Sendezyklen hinweg, können Parameter (z.B. für Punkte die Koordinaten) des reflektierenden Objekts extrahiert werden.
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Die erwähnte Schallgeschwindigkeit hängt von der Lufttemperatur zwischen den Sensoren und dem reflektierenden Objekt ab. Für eine korrekte Laufwegmessung ist es daher essentiell diese Temperatur zu kennen. Außerdem hat die Dämpfung, die neben der Temperatur von der Luftfeuchtigkeit abhängt, einen Einfluss auf die Amplitude der empfangenen Echos. Die Amplitude wiederum ist relevant, um relevante Reflektionen von Rausch- oder Untergrundreflektionen zu unterscheiden.
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Das Messprinzip lässt sich im dreidimensionalen Raum anwenden, indem Sensoren in unterschiedlichen Höhen verbaut werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in den Figuren eine zweidimensionale Geometrie angenommen.
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In den 3 und 4 sind drei Ultraschallsensoren und ein Objekt vor dem Fahrzeug gezeigt. In 3 ist die genaue Temperatur bekannt und die berechneten Echodistanzen entsprechen den tatsächlichen Echolaufwegen. Daher schneiden sich der Kreis und die beiden Ellipsen dort, wo das reflektierende Objekt steht. Dessen Position kann daher korrekt und zuverlässig bestimmt werden. In 4 wurde eine falsche Temperatur angenommen, weshalb die Echodistanzen inkorrekt berechnet wurden - in diesem Fall sind alle zu groß. Das führt dazu, dass es nicht mehr einen Schnittpunkt aller drei Rotationsellipsoiden, sondern drei Schnittpunkte von jeweils zwei der Rotationsellipsoide gibt, die alle nicht an der eigentlichen Objektposition liegen, sondern weiter weg vom Fahrzeug. (In einer dreidimensionalen Welt wird der gleiche Effekt beobachtet, wobei eine Verschiebung immer stattfindet und die mehrfachen Schnittpunkte bei mindestens vier Echos entstehen.)
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Zusätzlich haben Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine Auswirkung auf die Dämpfung. Wenn diese falsch eingeschätzt wird, ist es schwieriger zu erkennen, ob ein empfangenes Echo von einem echten, relevanten Objekt oder dem Boden reflektiert wurde. Weiterhin hängt auch die Blindheitserkennung von der Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab. Ohne Kenntnis der Temperatur wird - bei einer Sicherheits-optimierten Einstellung der Sensoren - zu häufig eine Blindheit gemeldet, was zu einer Leistungsreduktion des Ultraschallsystems führt.
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Die Sicherheitseinstufung des Ultraschallsystems kann immer nur so gut sein wie die der Temperaturmessung. In typischen Fahrerassistenzsystemen wird die vom Fahrzeug gemessene - und potentiell gefilterte - Außentemperatur an das Ultraschallsteuergerät weitergegeben. Diese erfüllt üblicherweise nicht die Sicherheitsanforderungen, welche für vollautonomes Fahren notwendig sind. Mit der hier vorgestellten Idee ist es möglich mithilfe der Ultraschallsensoren selbst die Temperatur zu messen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass dabei die Lufttemperatur vor den Sensoren und nicht die Temperatur der Fahrzeugkarosserie erfasst wird.
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Durch den breiten Öffnungswinkel von Ultraschallsensoren kommt es vor, dass hervorstehende Teile der Karosserie manche Ultraschallpulse an die Sensoren zurückreflektieren. Normalerweise werden diese als ungewollte Echos herausgefiltert. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ausgenutzt, dass die Distanz von Sender zu Karosserieteil zu Empfänger bekannt ist. Über die bekannte Strecke und die gemessene Zeit kann die Schallgeschwindigkeit und damit die Lufttemperatur gemessen werden. Beispiele für nutzbare Karosserieteile sind die Außenspiegel und das Fahrzeugkennzeichen.
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Alternativ oder zusätzlich können weitere Ultraschallsensoren im Fahrzeug verbaut werden und den direkten Abstand zur Straße messen. Wenn das auf beiden Seiten passiert, kann verhindert werden, dass fälschlicherweise der Abstand zu einer Bordsteinoberfläche oder anderen Objekten gemessen wird.
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Nachdem die Temperatur berechnet oder von einem anderen Sensor gemessen wurde, kann die Dämpfung mithilfe von bekannten Echoamplituden von bekannten Reflektoren bestimmt werden. Als Reflektoren können wieder Fahrzeugteile oder auch die Umgebung verwendet werden, wobei bei letzterem der Untergrund bekannt sein sollte. Die Reflektivität des Untergrunds kann aus einer Karte eingelesen werden. Die Karte kann dabei entweder separat erstellt oder mit dem Ultraschallsystem eingelesen worden sein. Die Erstellung kann z.B. am Heimatstandort des Fahrzeugs vorgenommen werden.
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Da die Dämpfung von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, kann mit dem Wissen der Dämpfung und der Temperatur die Luftfeuchtigkeit berechnet werden.
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Es ist zu beachten, dass die Berechnung der Dämpfung und Luftfeuchtigkeit unabhängig von der Messung der Temperatur ist. Das heißt, dass die Temperatur mit dem dargestellten Verfahren alleine bestimmt werden kann und Dämpfung und Luftfeuchtigkeit auch dann gemessen werden können, wenn die Temperatur von einer anderen Quelle als diesem Ansatz bestimmt wurde.
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In 2 sind am Fahrzeug zusätzliche Sensoren so verbaut, dass sie auf die Straße abstrahlen. Der Abstand von den Sensoren zur Straße ist bekannt und über die Höhe des Fahrzeugs über der Straße und die gemessene Echolaufzeit vom Sensor zur Straßenoberfläche und zurück wird die Schallgeschwindigkeit und Temperatur berechnet.
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In 1 werden die bereits am Fahrzeug verbauten Sensoren verwendet und der Abstand zu Karosserieteilen wie Außenspiegel oder Fahrzeugkennzeichen wird zur Berechnung von Schallgeschwindigkeit und Temperatur benutzt.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
