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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray zum Emittieren von Schallechos in einen Erfassungsbereich. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray zum Empfangen von aus einem Erfassungsbereich reflektierten Schallechos, ein Steuergerät, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Ultraschallsensoren zur Fahrzeugumfelderfassung können aufgrund ihres vertikalen Abstrahlverhaltens nicht mit beliebigen Neigungswinkeln in einen Stoßfänger integriert werden, sondern müssen zu einer bestimmten Einbauhöhe auch einen entsprechenden Neigungswinkel unter Berücksichtigung der Toleranzen aufweisen. Die Hauptkeule von Ultraschallsensoren liegt typischerweise innerhalb eines Raumwinkelbereichs von +-30° bezogen auf die Membrannormale bzw. Flächennormale. Insbesondere muss je nach Einbauhöhe gegenüber einem Untergrund der Neigungswinkel des Ultraschallsensors derart angepasst werden, dass Bodenechoamplituden reduziert werden und nicht überfahrbare Objekte mit geringer Höhe weiterhin vom Ultraschallsensor erfassbar sind. Dabei sind insbesondere negative Anstellwinkel problematisch, da diese zu erhöhten Bodenechoamplituden und damit zu einer Reduktion der Sensitivität des Ultraschallsensors führen.
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Die Integration der Ultraschallsensoren ist weiterhin an verschiedene Designanforderungen geknüpft. Insbesondere sollen Ultraschallsensoren flächenbündig und unauffällig angeordnet sein, um nicht störend aufzufallen. Eine derartige Integration von Ultraschallsensoren ist jedoch abhängig vom Fahrzeugdesign nur bedingt möglich und erfordert oftmals den Einsatz von mechanischen Trichtern, um den vorgeschriebenen Neigungswinkel zu gewährleisten. Derartige Trichter weisen einen erhöhten Montageaufwand und Nachteile hinsichtlich der Optik auf.
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In der
DE 10 2018 100 567 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts in einem Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs offenbart.
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Die
US 2020/0196527 A1 beschreibt ein System mit einem radargestützten Strahlformungssensor, der konfiguriert ist, um Sensordaten zu erfassen, die einen Mähschwaden in einem landwirtschaftlichen Bereich betreffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Verfahren zum Betreiben von Ultraschallsensoren vorzuschlagen, durch welches der Einsatz von Trichtern auch bei ungünstigen Einbaupositionen vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray zum Emittieren von Schallechos in einen Erfassungsbereich bereitgestellt. Das Ultraschallsensorarray weist mindestens zwei in Vertikalrichtung und/oder in Horizontalrichtung voneinander beabstandete Wandlerelemente auf, wobei die Wandlerelemente phasenversetzt durch ein mit den Wandlerelementen elektrisch verbundenes Steuergerät angesteuert werden, um eine Hauptachse der emittierten Schallechos gegenüber einer Flächennormalen des Ultraschallsensorarrays zu kippen.
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Die jeweiligen Wandlerelemente sind als Teilsensoren des Ultraschallsensorarrays ausgestaltet und können vom Steuergerät unabhängig voneinander angesteuert und ausgewertet werden. Insbesondere können die erzeugten Schallwellen der Wandlerelemente miteinander interferieren, wodurch die Hauptachse der emittierten Schallechos gekippt bzw. gegenüber der Flächennormalen abgelenkt wird.
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Insbesondere kann durch ein phasenversetztes Ansteuern der Wandlerelemente, beispielsweise zwischen der vertikal versetzen Elementreihen, die Hauptachse der vertikalen Schallabstrahlung gegenüber der Sensormembranhauptachse gekippt werden.
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Die Flächennormale steht vorzugsweise senkrecht auf einem Gehäuse bzw. einer äußeren in Abstrahlrichtung ausgerichteten Oberfläche des Ultraschallsensorarrays. Vorzugsweise sind die Wandlerelemente, die durch Membranschwingungen und/oder Zylinderschwingungen zum Erzeugen und Empfangen von Schallwellen angeregt werden, auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet, anhand welcher die Flächennormale definiert ist.
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Durch das Verfahren kann die mechanische Schallfeldkorrektur mittels Trichter durch ein sogenanntes digitales Beamforming der Richtcharakteristik bei einem Sendebetrieb bzw. Sendezustand und bei einem Empfangsbetrieb bzw. Empfangszustand ersetzt werden. Die Richtung der vertikalen Schallkeule wird über ein als eine dedizierte Ansteuerlogik ausgestaltetes Steuergerät eingestellt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät bereitgestellt, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Das Steuergerät kann beispielsweise ein fahrzeugseitiges Steuergerät, ein fahrzeugexternes Steuergerät oder eine fahrzeugexterne Servereinheit, wie beispielsweise ein Cloud-System, sein. Das Steuergerät kann vorzugsweise Messdaten der mindestens einen Messantenne und/oder Messdaten von Sensoren der mindestens einen mobilen Einheit empfangen und verarbeiten können.
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Darüber hinaus wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Computerprogramm bereitgestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder ein Steuergerät diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein maschinenlesbares Speichermedium bereitgestellt, auf dem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist.
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Das Steuergerät und das mindestens eine Ultraschallsensorarray können in einer mobilen Einheit angeordnet sein, welche gemäß der BASt Norm assistiert, teilautomatisiert, hochautomatisiert und/oder vollautomatisiert bzw. fahrerlos betreibbar sein kann. Beispielsweise kann die mobile Einheit als ein Fahrzeug, ein Roboter, eine Drohne, ein Wasserfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Robotaxi, ein Industrieroboter, ein Nutzfahrzeug, ein Bus, ein Flugzeug, ein Helikopter und dergleichen ausgestaltet sein
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Phasenversatz der mindestens zwei Wandlerelemente des Ultraschallsensorarrays in Abhängigkeit von einer Einbauhöhe des Ultraschallsensorarrays über einem Untergrund eingestellt und/oder variiert.
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Typischerweise werden Ultraschallsensoren zwischen 30 cm und 70 cm Einbauhöhe verbaut. Bei einer Einbauhöhe von 30 cm sollte die Flächennormale einem Anstellwinkel von ca. 10° gegenüber einem Untergrund betragen, um Bodenechos aufgrund der geringeren Einbauhöhe zu reduzieren. Bei einer Einbauhöhe größer als 48cm sind Anstellwinkel von ca. 2° bevorzugt, um Detektionsverluste von niedrigen aber crashrelevanten Objekten, wie beispielsweise Mauern mit geringer Höhe, zu vermeiden. Zwischen der Einbauhöhe von 30 cm und 48 cm gibt es einen linearen Zusammenhang zwischen Einbauhöhe und dem präferierten Anstellwinkel zwischen 10° und 2°.
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Diese unterschiedlichen Anstellwinkel kann das Steuergerät entsprechend der Einstellung des Phasenversatzes zwischen den jeweiligen Wandlerelementen durch ein Kippen der Hauptachse der emittierten Schallechos gegenüber einer Flächennormalen des Ultraschallsensorarrays realisieren. Durch diese Maßnahme kann das Ultraschallsensorarray dynamisch an unterschiedliche Höhen gegenüber dem Untergrund, beispielsweise bei Fahrzeugen mit einer Luftfederung, adaptiert werden.
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Darüber hinaus kann das Ultraschallsensorarray in unterschiedlichen Fahrzeugen an unterschiedlichen Einbaupositionen bzw. unabhängig von der Einbauposition zuverlässig betrieben werden, da die Einbauhöhe durch das Verfahren automatisch kompensiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray zum Empfangen von aus einem Erfassungsbereich reflektierten Schallechos bereitgestellt. Diese Ansteuerung des Ultraschallsensorarrays kann ebenfalls durch ein Steuergerät erfolgen. Es können für den Sendebetrieb und für den Empfangsbetrieb unterschiedliche Steuergeräte oder ein Steuergerät verwendet werden.
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Das Ultraschallsensorarray weist mindestens zwei in Vertikalrichtung und/oder in Horizontalrichtung voneinander beabstandete Wandlerelemente auf. Die Wandlerelemente werden relativ zu einem Sendezustand phasenversetzt in einen Empfangszustand geschaltet. Durch das phasenversetzte „Auslesen“ der Wandlerelemente durch das Steuergerät können gezielt Schallechos aus definierten Raumwinkeln oder Raumwinkelbereichen empfangen werden. Durch diese Maßnahme kann das mindestens eine Ultraschallsensorarray als eine Richtantenne für Schallechos betrieben werden, wodurch auch am Untergrund reflektierte Schallechos beim Empfang der Messdaten unterdrückt werden können.
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Diese Richtcharakteristik im Empfangsbetrieb des Ultraschallsensorarrays kann einer Richtcharakteristik im Sendebetrieb gleichen oder von der Richtcharakteristik im Sendebetrieb abweichen.
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Die Empfangssensitivität kann unabhängig von der Schallabstrahlung für definierte Raumwinkelbereiche eingestellt werden. Hierzu werden die Empfangssignale phasenverzögert aufaddiert.
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Insbesondere kann ein derartiges phasenverzögertes Aufaddieren von Empfangssignalen zur Einstellung der Empfangssensitivität unabhängig von der Schallabstrahlung im Sendebetrieb erfolgen.
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Nach einer Ausführungsform werden die Wandlerelemente derart phasenversetzt in einem Empfangszustand betrieben, dass reflektierte Schallwellen aus mindestens einem Raumwinkelbereich empfangen und zu Messdaten konvertiert werden. Hierdurch kann die Richtcharakteristik im Empfang durch einen zur Richtcharakteristik im Sendebetrieb verschiedenen Phasenversatz angepasst werden. Dabei können beliebig viele Richtcharakteristiken und insbesondere Raumwinkel parallel (also gleichzeitig) im Empfangsbetrieb empfangen und ausgewertet werden. Dieses digitale Beamforming erfordert jedoch einen hohen Rechenaufwand. Eine an eine Fahrsituation gekoppelte Auswertung von wenigen Raumwinkeln oder Raumwinkelbereichen kann den Rechenaufwand reduzieren und eine gezielte auf die Fahrsituation angepasste Auswertung ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Fahrsituation ermittelt. Bevorzugterweise wird basierend auf der ermittelten Fahrsituation der mindestens eine Raumwinkel oder mindestens eine Raumwinkelbereich eingestellt. Durch diese Maßnahme kann eine Auswertung verschiedener Richtcharakteristiken an die Fahrsituation gekoppelt werden.
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Zum Ermitteln der Fahrsituation können Messdaten von mindestens einem Sensor durch das Steuergerät empfangen und ausgewertet werden. Beispielsweise kann die Fahrsituation basierend auf Messdaten eines GNSS-Sensors, eines LIDAR-Sensors, eines Geschwindigkeitssensors, eines Kamerasensors und dergleichen ermittelt werden.
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Bei statischen Fahrsituationen, wie beispielsweise bei einem Startvorgang des Fahrzeugs, können beispielsweise Raumwinkel von 90°, 45° und 0° oder 60°, 0° und - 60° (nach oben gerichtet), gleichzeitig empfangen und ausgewertet werden.
Hierbei entspricht ein Winkel von 0° einer Abstrahlrichtung oder Empfangsrichtung parallel zu einem Untergrund des Fahrzeugs. Durch diese Maßnahme können niedrigen, aber kollisionsrelevanten Objekte unterhalb der Sensoreinbauhöhe, wie beispielsweise niedrige Poller, Granitblöcke, niedrige Mauern, Steine und dergleichen, detektiert werden. Bei einem abgetasteten Raumwinkel von -60° können auch unterfahrbare Objekten, wie beispielsweise Schranken, durch das Ultraschallsensorarray erfasst werden.
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Bei Fahrsituationen mit langsamen Fahrgeschwindigkeiten von beispielsweise weniger als 3 km/h können in Fahrtrichtung gerichtete Ultraschallsensorarrays und am Fahrzeugheck entgegen der Fahrtrichtung gerichtete Ultraschallsensorarrays oder seitlich angeordnete Ultraschallsensorarrays zur Entfernungsmessung in einem vertikalen Raumwinkelbereich bei 0° und bei 45° eingesetzt werden.
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Die seitlich angeordneten Ultraschallsensorarrays zur Detektion von Bordsteinen können vorzugsweise unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit betrieben werden.
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Bei Fahrsituationen mit höheren Fahrgeschwindigkeiten von beispielsweise mehr als 3 km/h kann beispielsweise die Registrierung und Auswertung des Raumwinkels von 0° durch die frontseitigen und heckseitigen Ultraschallsensorarrays durchgeführt werden.
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Somit werden nach einer weiteren Ausführungsform die Wandlerelemente derart gegenüber dem Sendezustand phasenversetzt in einen Empfangszustand geschaltet, dass reflektierte Schallwellen aus drei voneinander beabstandeten Raumwinkelbereichen, insbesondere um 45° oder 60° und/oder einem Vielfachen von 45° oder 60° voneinander beabstandeten Raumwinkelbereichen, empfangen und zu Messdaten konvertiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die mindestens zwei Wandlerelemente mit einem Phasenversatz in dem Empfangszustand zueinander betrieben, welcher einem Phasenversatz in dem Sendezustand gleicht. Wenn die Phasenverzögerung bzw. der Phasenversatz der Wandlerelemente im Empfangszustand gleich dem Phasenversatz der Wandlerelemente beim Aussenden gewählt wird, kann analog zu der mechanischen Lösung die Richtcharakteristik im Empfangszustand und im Sendezustand aneinander angepasst werden.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine Schnittdarstellung eines heckseitig an einem Fahrzeug angeordneten Ultraschallsensorarrays zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine Schnittdarstellung eines heckseitig an einem Fahrzeug angeordneten Ultraschallsensorarrays zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform und
- 5 eine Draufsicht auf ein Ultraschallsensorarray.
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In der 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens 1 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren 1 dient zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray 4 zum Emittieren von Schallechos in einen Erfassungsbereich E. Das Ultraschallsensorarray 4 ist in der 5 im Detail dargestellt und weist mindestens zwei in Vertikalrichtung Z und/oder in Horizontalrichtung Y voneinander beabstandete Wandlerelemente 5, 5', 5'', 5''' auf.
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Die Wandlerelemente 5, 5', 5'', 5''' können phasenversetzt durch ein mit den Wandlerelementen 5, 5', 5'', 5''' elektrisch verbundenes Steuergerät 6 angesteuert 10 werden. Durch diese Ansteuerung wird eine Hauptachse H der emittierten Schallechos gegenüber einer Flächennormalen N des Ultraschallsensorarrays 4 gekippt 12.
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Darüber hinaus kann beispielsweise eine Fahrsituation durch das Steuergerät 6 ermittelt werden 14, durch welche die genauen Raumwinkel oder Raumwinkelbereiche vorgegeben werden, um die die Hauptachse H der emittierten Schallechos gegenüber einer Flächennormalen N oder gegenüber einem Verlauf eines Untergrunds U gekippt 12 wird.
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Die 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Verfahren 2 dient zum Ansteuern von mindestens einem Ultraschallsensorarray 4 zum Empfangen von aus einem Erfassungsbereich E reflektierten Schallechos durch ein Steuergerät 6.
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Wie bereits oben beschrieben wird mindestens ein Ultraschallsensorarray 4 verwendet, welches eine Vielzahl von Wandlerelementen 5 aufweist. Die Wandlerelemente 5 sind als Teilsensoren ausgestaltet, sodass jedes Wandlerelement 5 separat zum Erzeugen bzw. Emittieren und zum Empfangen von Schallwellen in Form von Schallechos nutzbar ist. Vorzugsweise können die Wandlerelemente 5 des Ultraschallsensorarrays 4 derart vom Steuergerät 6 angesteuert werden 16, dass die empfangenen Schallechos, die aus dem Erfassungsbereich E zurück reflektiert werden, phasenversetzt von den Wandlerelementen 5 empfangen 18 werden.
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Durch das phasenversetzte Aktivieren des Empfangszustands der Wandlerelemente 5 kann abhängig vom Phasenversatz ein Raumwinkelbereich ausgewählt werden, aus welchem die Schallechos empfangen werden. Durch diese Maßnahme wird dem Ultraschallsensorarray 4 eine Richtcharakteristik zugewiesen. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens 2 kann die Richtcharakteristik verändert 20 werden. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Position des Ultraschallsensorarrays 4 vom Untergrund U und/oder in Abhängigkeit von einer Verkehrssituation bzw. Fahrsituation erfolgen.
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In der 3 ist eine Schnittdarstellung eines heckseitig an einem Fahrzeug 8 angeordneten Ultraschallsensorarrays 4 zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 gezeigt.
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Das Ultraschallsensorarray 4 ist in einem unteren Abschnitt einer heckseitigen Stoßstange des Fahrzeugs 8 angeordnet. Eine derartige Einbauposition ist für Ultraschallsensoren grundsätzlich nachteilig, da vermehrt vom Untergrund U reflektierte Schallechos empfangen werden. Durch den Einsatz des Ultraschallsensorarrays 4 mit zwei in Vertikalrichtung Z übereinander angeordneten Wandlerelementen 5, 5" kann die Abstrahlrichtung bzw. die Hauptachse H der erzeugten Schallechos gedreht werden. Dies wird durch den Pfeil veranschaulicht. Durch diese Ansteuerung des Steuergeräts 6 wird die Hauptachse H der emittierten Schallechos gegenüber der Flächennormalen N des Ultraschallsensorarrays 4 gekippt 12, wodurch die erzeugten Schallechos parallel zum Untergrund U bzw. in einem Raumwinkel von 0° erzeugt werden. Hierdurch erfolgt eine Kompensation einer ungünstigen Einbauposition des Ultraschallsensorarrays 4.
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Das Steuergerät 6 kann im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine dedizierte Ansteuerungslogik des mindestens einen Ultraschallsensorarrays 4 ausgestaltet sein. Das Steuergerät 6 kann ein oder mehrere Ultraschallsensorarrays 4 zeitgleich ansteuern.
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Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines heckseitig an einem Fahrzeug 8 angeordneten Ultraschallsensorarrays 4 zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Hierbei wird insbesondere der letzte Schritt 20 aus 2 verdeutlicht.
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Das Steuergerät 6 kann vorzugsweise die Fahrsituation ermitteln oder entsprechende Daten zur Fahrsituation empfangen. Beispielsweise kann die Fahrsituation anhand einer Fahrzeuggeschwindigkeit klassifiziert werden. Die entsprechenden Messdaten zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeit und damit auch der Fahrsituation können beispielsweise von einem GNSS-Sensor 7 empfangen werden.
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Des Weiteren ist in der 4 der gegenüber der Ausrichtung des Untergrunds U negativer Einbauwinkel β des Ultraschallsensorarrays 4 dargestellt. Insbesondere bei einem Start des Fahrzeugs 8 können vordefinierte Raumwinkel durch digitales Beamforming durch das Ultraschallsensorarray 4 ausgelesen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Raumwinkel 0°, 45° und 90° relativ zum Untergrund U für den Empfang von Schallechos durch entsprechende Phasenunterschiede zwischen den Wandlerelementen 5 eingestellt. Durch diese Maßnahme kann eine vertikale Richtcharakteristik für den Empfang bei einem Fahrzeugstart zur verbesserten Detektion von kollisionsrelevanten niedrigen Objekten bereitgestellt werden. Die entsprechenden Wandlerelemente 5 des Ultraschallsensorarrays 4 sind der Übersicht halber nicht dargestellt.
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In der 5 ist beispielhaft ein Ultraschallsensorarray 4 in einer Draufdicht dargestellt. Derartige Ultraschallsensorarrays 4 bestehen aus mehreren Ultraschallsensoren bzw. Wandlerelementen 5, die beispielsweise in einem konventionellen Gehäuse 9 verbaut sind.
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Derartige Wandlerelemente 5 können vom Steuergerät 6 unabhängig voneinander zum Erzeugen von Schallechos und/oder zum Empfangen reflektierten Schallechos angesteuert werden.
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Das Steuergerät 6 kann die Wandlerelemente 5 derart ansteuern, dass beispielsweise Objekte auch im Nahbereich des Fahrzeugs 8 zuverlässig und ohne Überlagerung mit Reflektionen eines Untergrunds U interferieren. Hierzu können die unteren beiden Wandlerelemente 5'',5''' allein vom Steuergerät 6 zum Erzeugen von Schallechos und die oberen beiden Wandlerelemente 5, 5' und/oder die unteren beiden Wandlerelemente 5'', 5''' zum Empfangen von reflektierten Schallechos genutzt werden.
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Die Schallechos werden in Form von Schallwellen erzeugt und können kontinuierlich oder in gepulster Form erzeugt werden. Insbesondere kann eine konstante Pulsbreite oder eine veränderliche Pulsbreite der erzeugten Schallechos durch das Steuergerät 6 eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018100567 A1 [0004]
- US 2020/0196527 A1 [0005]
