DE102008029808B4 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines Objektes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines außerhalb eines Fahrzeugs (10) befindlichen Objektes (O),wobei mit Hilfe einer Sensoreinrichtung (4) des Fahrzeugs (10) dreimal eine Abstandsmessung eines Abstands (R-R) zu dem Objekt (O) ausgeführt wird, undwobei mittels einer Auswertevorrichtung (5) abhängig von den drei Abständen (R-R) und drei Messorten (S1-S3), von welchen jeweils eine der drei Abstandsmessungen durchgeführt wird, die Position des Objektes (O) bestimmt wird,dadurch gekennzeichnet, dassjeweils zwischen den drei Abstandsmessungen eine vorbestimmte Positionsänderung des Messortes (S1-S3) vorgenommen wird, von welchem die jeweilige Abstandsmessung durchgeführt wird..

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um eine Position eines Objektes, welches sich außerhalb eines Fahrzeugs befindet, hinsichtlich aller drei Dimensionen zu bestimmen, um dadurch insbesondere einen Abstand zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug genau zu bestimmen.
• Nach dem Stand der Technik existieren für eine Hinderniserkennung außerhalb eines Fahrzeugs diverse Verfahren, welche auf unterschiedlichen Techniken basieren. Bei den so genannten aktiven Methoden wird ein Objekt mit vordefinierten Signalen bestrahlt und daraufhin vom Objekt reflektierte Signale bzw. Reflexionen erfasst und analysiert. Durch eine Analyse der Reflexionen lassen sich dadurch Informationen über eine Beschaffenheit des Objekts, aber auch über eine Position des Objekts ermitteln. Bei den so genannten passiven Methoden, welche in der Praxis selten angewandt werden, ist das Objekt selbst eine Signalquelle, deren Signale analysiert werden, um dadurch die Position des Objektes zu bestimmen.
• In der Fahrzeugtechnik werden heutzutage meist Ultraschallsensoren eingesetzt, um zum Beispiel bei einem System zur Einparkhilfe einen Abstand zu einem Hindernis zu erfassen. Dabei wird nach dem Stand der Technik ein Abstand zwischen dem entsprechenden Ultraschallsensor und dem Objekt gleich dem kürzesten Abstand zwischen diesem Objekt und dem Fahrzeug gesetzt, was beispielsweise für den Fall, dass sich das Objekt nur über dem Ultraschallsensor befindet, nachteiligerweise zu einer Bestimmung eines zu großen Abstands führt.
• Aus der EP 1 002 920 A2 ist ein automatisches Türöffnungssystem mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Objekten in einem vorgegebenen Bereich um das Fahrzeug und einer zumindest einer Tür zugeordneten Vorrichtung, die das Eindringen des Objekts in den vorgegebenen Bereich anzeigt, bekannt.
• Aus der DE 10 2006 032 125 A1 ist ein Ultraschallsensor zur Abstandsmessung von Gegenständen, ein Fahrzeug mit einem Ultraschallsensor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ultraschallsensors bekannt.
• Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe die Position eines Objektes möglichst genau, d.h. bezüglich aller drei Dimensionen, erfasst wird, um dadurch einen Abstand zu einem Fahrzeug genauer bestimmen zu können, als dies heutzutage nach dem Stand der Technik möglich ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Positionsbestimmung nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung nach Anspruch 7 und ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines außerhalb eines Fahrzeugs befindlichen Objektes bereitgestellt. Dabei wird mittels einer Sensoreinrichtung des Fahrzeugs dreimal ein Abstand zu dem Objekt gemessen. Mit Hilfe einer Auswertevorrichtung wird abhängig von den drei gemessenen Abständen und abhängig von drei Messorten, an welchen jeweils eine der drei Abstandsmessungen durchgeführt wurde, die Position des Objektes hinsichtlich ihrer drei Dimensionen bestimmt. Zwischen den drei Abstandsmessungen wird dabei eine vorbestimmte Positionsänderung des Messorts vorgenommen, von welchem die jeweilige Abstandsmessung durchgeführt wird.
• Mittels eines sich bewegenden Sensors kann dabei an drei verschiedenen Messorten, zu denen der Sensor jeweils bewegt wird, jeweils eine der drei Abstandsmessungen durchgeführt werden.
• Indem erfindungsgemäß die Position des außerhalb des Fahrzeugs befindlichen Objektes im dreidimensionalen Raum bestimmt wird, kann bei gleichzeitiger Kenntnis der Position des Fahrzeugs in diesem dreidimensionalen Raum der kürzeste Abstand zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug vorteilhafterweise genau bestimmt werden.
• Dabei ist es aus verfahrenstechnischen Gründen wichtig, dass die drei Messorte nicht zu weit auseinander liegen. Der Abstand der Messorte von zwei zeitlich aufeinander folgenden Messungen ist abhängig von der Anwendung. Erfindungsgemäß kann das Verfahren beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass dieser Abstand nicht größer als 5 cm ist.
• Die Abstandsmessung kann dabei mittels elektromagnetischer, radioaktiver oder akustischer Signale erfolgen. Ein dazu eingesetzten Sensor kann beispielsweise ein Ultraschallsensor, aber auch ein Lasersensor sein.
• Dabei wird die Position des Objektes insbesondere dadurch bestimmt, dass eine Schnittmenge von drei Kugelflächen bzw. Kugeloberflächen gebildet wird. Dabei wird jede Kugelfläche durch einen der drei Messorte als ihren Kugelmittelpunkt und durch einen Radius definiert, welcher demjenigen Abstand entspricht, der bei der an dem jeweiligen Messort durchgeführten Abstandsmessung gemessen wurde. Mit anderen Worten wird um jeden der drei Messorte herum eine Kugelfläche konstruiert, deren Mittelpunkt dem jeweiligen Messort entspricht und deren Radius demjenigen Abstand entspricht, welcher bezüglich des jeweiligen Messorts gemessen wurde. Die Schnittmenge dieser drei Kugeloberflächen liefert dann die gesuchte Position des Objektes.
• Wie bereits vorab bei der Diskussion der möglichen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt ist, kann zwischen den drei Abstandsmessungen jeweils eine vorbestimmte Positionsänderung des Messorts vorgenommen werden, von welchem die entsprechende Abstandsmessung durchgeführt wird. Wenn die drei Abstandsmessungen mit nur einem Sensor durchgeführt werden, bewegt sich dieser Sensor nach der Abstandsmessung an einem ersten Messort zu einem zweiten Messort, an welchem die zweite Abstandsmessung durchgeführt wird, und von dort zu einem dritten Messort, an welchem die dritte Abstandsmessung durchgeführt wird.
• Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine xy-Ebene bestimmt, in welcher die drei Messorte angeordnet sind. Da für drei beliebige Punkte immer eine Ebene definiert werden kann, in welcher sich diese drei Punkte befinden, bedeutet die Bestimmung der xy-Ebene keine Einschränkung. Diese xy-Ebene wird durch eine x-Achse und eine dazu senkrechte y-Achse aufgespannt, wobei darüber hinaus eine z-Achse vorhanden ist, welche senkrecht auf der xy-Ebene steht. Ein erster Messort, an welchem die erste der drei Abstandsmessungen durchgeführt wird, sei der Ursprung eines durch die xy-Ebene und die z-Achse definierten Koordinatensystems. Die Position O des Objektes wird nun parallel zu der z-Achse in die xy-Ebene verschoben. Ein Abstand A zwischen der Position des Objektes, welche in die xy-Ebene verschoben ist, und der x-Achse wird durch folgende Gleichung (1) bestimmt: $$A=\Vert \overrightarrow{S_{1}O}-\frac{\langle \overrightarrow{S_{1}O},\overrightarrow{S_1{S}_3}\rangle }{{\Vert \overrightarrow{S_1{S}_3}\Vert }^2}\times \overrightarrow{S_1{S}_3}\Vert$$

  
• Dabei entspricht S₂ der Position der Messortes, von welchem die zweite der Abstandsmessungen durchgeführt wurde und S₃ entspricht der Position des Messortes, von welchem die dritte der Abstandsmessungen durchgeführt wurde.
• Wird die x-Achse derart angeordnet, dass sie einer senkrecht nach unten auf die Fahrbahn projizierten Umfangskante des Fahrzeugs entspricht, beispielsweise dem hinteren Rand oder der hinteren Kante des Fahrzeugs, beschreibt der mit der oben stehenden Gleichung (1) bestimmte Abstand A den kürzesten Abstand zwischen der Position des Objektes im Raum und einer Ebene, welche von der x-Achse und der z-Achse aufgespannt wird. Wenn es sich bei der auf die Fahrbahn projizierten Umfangskante des Fahrzeugs beispielsweise um einen Türabschnitt des Fahrzeugs handelt, entspricht dieser Abstand A dem kürzesten Abstand zwischen der Position des Objektes im Raum und der Tür, sofern das Objekt nicht über oder unter oder in Fahrtrichtung vor oder hinter der Tür angeordnet ist.
• Bei der Gleichung (1) bezeichnet „||V||“ die 2-Norm, also die Länge des Vektors V und $\text{'}\text{'}\langle \overrightarrow{V_1},\overrightarrow{V_2}\rangle \text{'}\text{'}$

  

  bezeichnet das Skalarprodukt der Vektoren V₁ und V₂.
• Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die vorbestimmten Positionsänderungen der Messorte dadurch vorgenommen, dass die Abstandsmessungen von einer Seite einer Tür des Fahrzeugs vorgenommen werden, welche einem Scharnier der Tür gegenüberliegt. Dabei wird die Tür zwischen zwei Abstandsmessungen bewegt, so dass sich der Messeort abhängig von einem Öffnungswinkel der Tür ändert, welcher durch einen Winkel zwischen einer geschlossenen Stellung der Tür und einer aktuellen Stellung der Tür definiert ist. Eine Beziehung zwischen einer lateralen Auflösung δ bei der Positionsbestimmung des Objektes und den beiden Öffnungswinkeln der Tür bei zwei aufeinander folgenden Abstandsmessungen erfüllt dabei erfindungsgemäß folgende Gleichung bzw. Ungleichung (2): $$\delta >L\times \left(\text{cos}{\alpha }_1-\text{cos}{\alpha }_2\right)$$

  

  dabei ist L ein Abstand von einem Messort senkrecht zu dem Scharnier bzw. der Drehachse der Tür, während α₁ der Öffnungswinkel bei der ersten der zwei aufeinanderfolgenden Abstandsmessungen und α₂ der Öffnungswinkel bei der zweiten der zwei aufeinanderfolgenden Abstandsmessungen ist.
• Mit anderen Worten wird durch die Gleichung (2) eine Beziehung zwischen dem Öffnungswinkel und der lateralen Auflösung, d.h. der Auflösung senkrecht zu einer Abstrahlungsrichtung von Messsignalen von dem jeweiligen Messort zur Bestimmung des Abstandes, definiert. Wenn die Gleichung (2) eingehalten wird, kann mittels dieser Ausführungsform auch ein flaches Hindernis mit einer lateralen Auflösung mittels eines an einer Fahrzeugtür angeordneten Sensors erfasst werden.
• Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform werden ein erster und ein zweiter Sensor zur Durchführung der Abstandsmessungen eingesetzt. Dabei werden jeweils drei Abstandsmessungen an jeweils drei unterschiedlichen Messorten mit dem ersten Sensor und jeweils drei Abstandsmessungen an jeweils drei unterschiedlichen Messorten mit dem zweiten Sensor durchgeführt. Der erste Sensor ist bei dieser Ausführungsform direkt neben dem zweiten Sensor angeordnet. Während mittels des ersten Sensors ein erster Raumbereich erfasst wird, wird mittels des zweiten Sensors ein zweiter Raumbereich erfasst, wobei der erste und der zweite Raumbereich im Wesentlichen keine Schnittmenge ausbilden. Die beiden Sensoren werden dabei derart eingestellt, dass der erste und der zweite Raumbereich möglichst dicht an einer Ebene ausgebildet werden, welche somit die beiden Raumbereiche trennt. Beispielsweise können die beiden Sensoren derart eingestellt werden, dass der erste Sensor einen oberen Raumbereich (positive z-Werte) und der zweite Sensor den entsprechenden unteren Raumbereich (negative z-Werte) erfasst. Aus messtechnischen Gründen sollten die jeweiligen Abstandsmessungen der beiden Sensoren nicht zeitgleich erfolgen.
• Die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher die Position des Objektes durch die Schnittmenge von drei Kugelnoberflächen bestimmt wird, ergibt zwei Positionen (d.h. zwei Schnittpunkte), welche im Bezug auf eine Ebene symmetrisch sind, wobei diese Ebene in der Regel parallel zu der Fahrbahn des Fahrzeugs angeordnet ist. Zur Bestimmung eines kürzesten Abstands zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug liefern diese beiden Objekte dieselben Ergebnisse, d.h. der kürzeste Abstand zwischen dem einen Schnittpunkt und dem Fahrzeug ist gleich dem kürzesten Abstand zwischen dem andern Schnittpunkt und dem Fahrzeug. Wenn allerdings eine Unterscheidung zwischen diesen beiden Positionen notwendig ist, kann diese Unterscheidung vorteilhafterweise mittels der vorab ausgeführten Ausführungsform vorgenommen werden, bei welcher zwei Sensoren jeweils drei Abstandsmessungen ausführen.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines außerhalb eines Fahrzeugs befindlichen Objektes bereitgestellt. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung und eine Auswertevorrichtung. Mittels der Sensoreinrichtung wird an drei verschiedenen Messorten jeweils eine Abstandsmessung durchgeführt. Die Auswertevorrichtung bestimmt dann außer den drei Abständen, welche bei den drei Abstandsmessungen gemessen werden, und den drei Messorten, an welchen die jeweilige Abstandsmessung durchgeführt wird, die Position des Objektes im dreidimensionalen Raum. Die Sensoreinrichtung ist dabei ein sich bewegender Ultraschallsensor, welcher an drei unterschiedlichen Messorten eine Signalwellenpulsfolge aussendet und eine Reflexion der jeweils ausgewählten Signalwellenpulsfolge aufnimmt. Dabei bestimmt die Auswertevorrichtung anhand einer Auswertung der jeweiligen Reflexion für die drei verschiedenen Messorte den Abstand zwischen dem Objekt und dem jeweiligen Messort.
• Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
• Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung um einen Türöffnungsassistent eines Fahrzeugs. Dabei ist die Sensoreinrichtung ein Sensor, insbesondere ein Ultraschallsensor, welcher an derjenigen Seite einer Tür des Fahrzeugs angeordnet ist, welche einem Scharnier bzw. einer Drehachse der Tür gegenüberliegt. Der Türöffnungsassistent umfasst eine Erfassungsvorrichtung, mit welcher der Öffnungswinkel der Tür gemessen wird. Der Türöffnungsassistent ist derart ausgestaltet, dass die Auswertevorrichtung anhand des Öffnungswinkels und eines Abstands zwischen dem Sensor und dem Scharnier den jeweiligen Ort des Sensors bestimmt. Es ist allerdings auch möglich, dass bei anderen Ausführungsformen, beispielsweise bei einer Einparkhilfe, die jeweils aktuelle Sensorposition über einen vom Fahrzeug zurückgelegten Fahrweg z.B. unter Berücksichtigung des Lenkwinkels bestimmt wird.
• Damit ist der Türöffnungsassistent vorteilhafterweise in der Lage, einen Abstand zwischen der Tür und einem Hindernis, gegen welches die Tür zu stoßen droht, erfindungsgemäß exakt zu erfassen. Indem der Sensor auf der Seite der Tür angeordnet ist, welcher dem Türscharnier oder Türgelenk gegenüberliegt, bewegt sich der Sensor beim Öffnen der Tür stärker, als beispielsweise ein Punkt in der Mitte der Tür, wodurch die Entfernung zwischen zwei verschiedenen Messorten vorteilhafterweise größer ist. Darüber hinaus ist der Sensor dadurch vorteilhafterweise an einem Abschnitt der Tür angeordnet, welcher sich beim Öffnen der Tür am weitesten von dem Fahrzeug entfernt und damit in der Regel einem etwaigen Hindernis am nächsten kommt.
• Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dazu geeignet, eine Position eines außerhalb eines Fahrzeugs befindlichen Objektes bezüglich aller drei Dimensionen zu bestimmen, um dadurch den kürzesten Abstand zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug zu berechnen. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, sondern die vorliegende Erfindung kann auch außerhalb der Fahrzeugtechnik eingesetzt werden, um die Position eines beliebigen Objektes zu bestimmen.
• Dabei kann für die vorliegende Erfindung zur Abstandsbestimmung jedes Verfahren eingesetzt werden, welches mit Ausstrahlung und Reflexion von kegel- und kugelförmigen Wellen arbeitet. Eine Bedingung ist, dass die relative Bewegung des Sensors im Bezug auf das zu erfassende Objekt vordefiniert und/oder bekannt ist. Mit anderen Worten lässt sich die vorliegende Erfindung auch anwenden, wenn die Bewegung des Objektes bekannt ist, und der Sensor fest steht.
• Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung im Detail erläutert.
• In 1 ist in der Vogelperspektive dargestellt, wie bei einem erfindungsgemäßen Türöffnungsassistent die Position eines Objektes bestimmt wird.
• In 2 ist die der 1 entsprechende Positionsbestimmung aus der vorderen Perspektive zur Tür dargestellt.
• In 3 ist der erfindungsgemäße Türöffnungsassistent gegenüber einem flachen Hindernis dargestellt.
• 4 stellt eine laterale Auflösung abhängig von einem Öffnungswinkel des in 1 dargestellten Türöffnungsassistent dar.
• In 5 wird die erfindungsgemäße Abstandsbestimmung mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik verglichen.
• 6 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Türöffnungsassistent dar.
• In 7 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Türöffnungsassistent dargestellt.
• In 1 ist schematisch eine Tür 1 von oben betrachtet dargestellt, welche um eine Drehachse bzw. Türscharnierachse H herum geöffnet wird. Auf der der Drehachse H gegenüberliegenden Seite der Tür 1 ist ein Sensor 4 angeordnet. Wenn die Tür 1 geschlossen ist, befindet sich der Sensor 4 im Ursprung des x₁ y₁ z₁ -Koordinatensystems, wobei sich die zugehörige z-Achse von der Figurebene senkrecht nach oben erstreckt, so dass die Tür 1 in der x₁ z₁ -Ebene angeordnet ist. Bei der geschlossenen Tür 1 ist der Öffnungswinkel α=0°. Ein Abstand L zwischen der Drehachse H und dem Sensor 4 ist ein bekannter Systemparameter. Bei Kenntnis des Öffnungswinkels α, welcher beispielsweise über eine Erfassungsvorrichtung im Türscharnier gemessen werden kann, und des Abstands L lässt die x₁ -Koordinate der Sensorposition mittels cos(α) × L und die y₁ -Koordinate der Sensorposition mittels sin(α) × L berechnen, wobei z1 = 0 ist, da sich der Sensor 4 in der Höhe nicht bewegt.
• Zur Messung des Abstands von dem Sensor 4 zu dem Objekt O werden von dem Sensor 4 kugelförmige Schallwellen ausgesendet, welche von dem Objekt O reflektiert werden. Aus dieser Messung wird der Abstand oder Radius R₁ bestimmt, so dass feststeht, dass sich auf einer Kugeloberfläche K₁ , welche durch folgende Gleichung (3) definiert wird, ein Objekt befindet. $$x_1^2+y_1^2+z_1^2=R_1^2$$

  
• Im nächsten Schritt wird die Tür 1 aus dem geschlossenen Zustand um einen Winkel α₁ geschwenkt, so dass der Sensor die Position S2 einnimmt. Nach dieser Drehung entsteht aus dem x₁ y₁ z₁ -Koordinatensystem ein neues x₂ y₂ z₂ -Koordinatensystem, wobei die z₂ -Achse und die z₁ -Achse parallel zueinander angeordnet sind. Da sowohl der Abstand L als auch der Winkel α₁ bekannt sind, lassen sich die neuen Koordinaten (S_x2 , S_y2 , 0) des Sensors 4 in der Position S₂ in Bezug auf das x₁ y₁ z₁ -Koordinatensystem berechnen. Der Mittelpunkt bzw. die Position S₂ und der Radius R₂ werden entsprechend bestimmt. Das Objekt O befindet sich nun auch auf einer Kugeloberfläche K₂ , welche durch folgende Gleichung (4) definiert wird: $${\left(x_1-S_{x_2}\right)}^2+{\left(y_1-S_{y_2}\right)}^2+z_1^2=R_2^2$$

  
• Da das Objekt O auf beiden Kugeloberflächen, welche durch die Gleichungen (3) und (4) definiert sind, liegt, liegt das Objekt O auf einer Schnittkurve B, welche durch folgende Gleichung (5) definiert ist, die sich aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt: $$S_{x_2}{x}_1-S_{y_2}{y}_1=R_1^2-R_2^2+S_{x_2}^2+S_{y_2}^2$$

  
• Aus der in 1 dargestellten Vogelperspektive wird von der Schnittkurve B nur die Strecke MN gesehen, da die Fläche der Schnittkurve B parallel zur z₁ -Achse liegt.
• Nach einer weiteren Drehung der Tür 1 ist die Tür 1 mit einem Öffnungswinkel α₂ geöffnet und aus dem x₂ y₂ z₂ -Koordinatensystem entsteht das neue x₃ y₃ z₃ -Koordinatensystem, wobei die z₃ -Achse wiederum parallel zu der z₂ -Achse angeordnet ist. Aus der Kenntnis der neuen Koordinaten (S_x3 , S_y3 , 0) des Sensors 4 in der Position S3 in Bezug auf das x₁ y₁ z₁ -Koordinatensystem und den von dem Sensor 4 in der Position S₃ bestimmten Abstand R₃ ergibt sich eine Kugeloberfläche K₃ , welche durchfolgende Gleichung (6) definiert ist. $${\left(x_1-S_{x_3}\right)}^2+{\left(y_1-S_{y_3}\right)}^2+z_1^2=R_2^2$$

  
• Da das Objekt O auf beiden durch die Gleichungen (3) und (6) definierten Kugeloberflächen liegt, liegt das Objekt O auch auf einer Schnittkurve B', welche durch folgende Gleichung (7) definiert ist, die sich aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt. $$S_{x_3}{x}_1-S_{y_3}{y}_1=R_1^2-R_3^2+S_{x_3}^2+S_{y_3}^2$$

  
• Aus der Vogelperspektive der 1 ist von der Schnittkurve B' nur die Strecke M'N' zu sehen, da die Fläche des Kreises B' parallel zu der z₁ -Achse liegt.
• In 1 ist dargestellt, dass sich die beiden Strecken MN und M'N', welche die beiden Schnittkurven B und B' in der Zeichnungsebene der 1 darstellen, genau in der Position des Objektes O schneiden.
• Zeichnet man die beiden Schnittkurven B und B' allerdings in eine Zeichnungsebene parallel zur x₁z₁-Ebene, wie es in 2 dargestellt ist, erkennt man, dass die beiden Schnittkurven B und B' zwei symmetrisch zur x₁ y₁ -Ebene angeordnete Schnittpunkte O und O' aufweisen. Zur Orientierung sei noch erwähnt, dass die y₁ -Achse bei der 2 senkrecht auf der Zeichenebene steht und nach oben gerichtet ist.
• Bei der Bestimmung eines kürzesten Abstands zu der Tür 1 ist die Unterscheidung zwischen dem Objekt O und dem Objekt O' unerheblich, da der kürzeste Abstand von dem Objekt O zu der Tür 1, nämlich der x₁ z₁ -Ebene, gleich dem kürzesten Abstand von dem Objekt O' zu der Tür 1 ist. Um trotzdem zwischen der Objektposition O und der Objektposition O' unterscheiden zu können, kann man beispielsweise mit zwei eng beieinander angeordneten Sensoren arbeiten, wie es oben bereits ausgeführt wurde.
• Für die oben ausgeführten Überlegungen zur Ermittlung der Objektposition wurde zur Vereinfachung angenommen, dass der Öffnungswinkel des Sensors 4 gleich 360° ist, so dass jeweils eine vollständige Kugeloberfläche konstruiert wurde. In der Praxis reicht aber ein Öffnungswinkel von 90° für das erfindungsgemäße Verfahren aus, so dass in der Praxis ein Schnittpunkt von drei Viertelkugeloberflächen bestimmt wird.
• Gewöhnlicherweise werden Ultraschallwellen durch piezoelektrische Umwandler erzeugt und in Form von schmalen Pulsfolgen ausgesendet. Eine Pulsfolge umfasst dabei in der Regel 10 Perioden. Bei einer in der Fahrzeugtechnik üblichen Frequenz von 40 kHz ist die Pulsfolge dann 8,5 cm lang, so dass eine axiale Auflösung, d.h. eine Auflösung in einer Richtung, in welcher die Pulsfolgen abgestrahlt werden, 8,5 cm beträgt.
• Zur Erfassung von flachen Hindernissen ist eine laterale Auflösung, d.h. eine Auflösung in einer Richtung senkrecht zu derjenigen Richtung, in welcher die Pulsfolgen abgestrahlt werden, von Interesse. Die laterale Auflösung ist jedoch unabhängig von der Anzahl der Pulse der Pulsfolge und liegt in der Größenordnung eines Durchmessers des Ultraschallsensors. Dieser Durchmesser liegt bei Ultraschallsensoren in der Fahrzeugtechnik bei circa 1,5 cm, weshalb die laterale Auflösung auch circa 1,5 cm beträgt. Diese laterale Auflösung von 1,5 cm ist in der Praxis bei automotiven Anwendungen völlig ausreichend, da es hierbei ausreicht Hindernisse in einer Größenordnung von 5 cm zu erkennen.
• In 3 ist von oben (in Vogelperspektive) ein flaches Hindernis 3 dargestellt, welches parallel zu einer Tür 1 angeordnet ist, wenn diese Tür 1 geschlossen ist. Ähnlich wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die Tür 1 einen Sensor 4, welcher einen Durchmesser d besitzt, auf und ist um das Scharnier H herum schwenkbar. Der Sensor 1 in der Position S detektiert auf dem Hindernis 3 einen Flächenbereich um den Punkt A in der Größenordnung von δ × δ. In anderen Worten sind alle Punkte im erwähnten Bereich bzw. der Überlagerungsfläche δ × δ voneinander nicht auflös- oder unterscheidbar.
• Wenn die Tür 1 in 3 um den Winkel α geöffnet wird, erreicht der Sensor 4 die Position S'. Dabei verschiebt sich der von dem Sensor 4 detektierte Flächenbereich auf dem Hindernis 3 von einer Fläche δ × δ um den Punkt A zu einer Fläche δ × δ um den Punkt A', d.h. in diesem Fall wird eine Überlagerungsfläche δ × δ um Punkt A' erfasst.
• Das Ziel der folgenden Überlegung ist, eine Beziehung zwischen α und δ zu finden, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob ein flaches Hindernis mit einer Auflösung δ von dem Sensor 4, welcher um den Winkel α gedreht wurde, erfasst wird. Ausgehend von 3 lässt sich nach einigen algebraischen Operationen folgende Gleichung (8) herleiten: $$\mathrm{\delta }=\text{L}\times \left(1-\text{cos}\left(\mathrm{\alpha }\right)\right)$$

  
• In 4 ist die Auflösung δ als Funktion des Öffnungswinkels α für einen typischen Sensor-Scharnier-Abstand L von 100 cm dargestellt. Bei kleinen Öffnungswinkeln α und/oder einem kurzen Sensor-Scharnier-Abstand L (also kürzer als 100 cm) ist die Auflösung δ sehr klein. Mit zunehmendem Öffnungswinkel α nimmt die Auflösung δ und deren Steigung langsam zu. Ab einem Öffnungswinkel α von 50° und größer zeigt die Auflösung δ ein fast lineares Verhalten als Funktion von α.
• Der Zusammenhang zwischen einem Öffnungswinkel α₁ bei einer ersten Messung und einem Öffnungswinkel α₂ bei einer zweiten Messung und der lateralen Auflösung lässt sich ausgehend von der Gleichung (8) auch durch die bereits oben ausgeführte Gleichung (2) ausdrücken, wenn cos(α₁ ) > cos(α₂ ) gilt, was in einem Winkelbereich von 0° bis 90° bedeutet, dass α₂ > α₁ ist bzw. die Tür nach der ersten Messung bei α₁ weiter (nämlich bis zu α₂ ) geöffnet wird.
• Bei einem Sensor-Scharnier-Abstand L von 100 cm bedeutet dies beispielsweise, dass, wenn die erste Messung bei einer geschlossenen Tür 1 (Öffnungswinkel 0°) durchgeführt wird, die zweite Messung spätestens bei einem Winkel von 18° durchgeführt werden muss, um eine laterale Auflösung δ von 5 cm zu gewährleisten und spätestens bei einem Winkel von 10° durchgeführt werden muss, um eine laterale Auflösung von 1,5 cm zu gewährleisten.
• In 5 ist das Prinzip einer Abstandsbestimmung für ein Objekt O nach dem Stand der Technik im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Bei der Abstandsbestimmung nach dem Stand der Technik wird mittels eines Sensors 4 an der Position S ein Abstand R zu einem Objekt O gemessen. Bei der Abstandsbestimmung nach dem Stand der Technik wird angenommen, dass sich das Objekt O in einem 2D-Kartendiagramm 2 befindet, welches in der Höhe der Position S parallel zur Fahrbahn liegt, was in 5 durch die Objektposition O_k auf dem Kartendiagramm 2 abgebildet ist.
• Mit anderen Worten wird nach dem Stand der Technik angenommen, dass es sich bei dem von dem Sensor 4 gemessenen Abstand R um den kürzesten Abstand zwischen dem Objekt O und dem Fahrzeug 10 handelt, wodurch der tatsächliche kürzeste Abstand zwischen dem Fahrzeug 10 und dem Objekt O überschätzt wird. Dagegen bestimmt das erfindungsgemäße Verfahren die Position des Objektes O korrekt im Raum und kann dann abhängig von der derart bestimmten Position des Objektes O den tatsächlich kürzesten Abstand D zwischen dem Objekt O und dem Fahrzeug 10 richtig bestimmen, welcher deutlich kleiner als R ist.
• In 6 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches einen Türöffnungsassistenten für die Fahrertür 1 umfasst. Dieser Türöffnungsassistent weist an der Fahrertür 1 des Kraftfahrzeugs 10 einen Ultraschallsensor 4 auf, welcher gegenüber einem Türscharnier H angeordnet ist. Bei einem Öffnen der Tür 1 misst der Türöffnungsassistent mittels des Ultraschallsensors 4 den Abstand von dem Sensor 4 zu einem Hindernis, um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die genaue Position dieses Hindernisses im Raum zu erfassen und daraus den kürzesten Abstand von dem Hindernis zu der Tür 1 abzuleiten. Wenn dieser kürzeste Abstand unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, wird eine Warnung ausgegeben, um beispielsweise den Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 davor zu warnen, mit der Tür 1 gegen dieses Hindernis zu stoßen. Es ist auch möglich, die Tür 1 automatisch zu bremsen, also eine automatische Türbremsung einzuleiten, wenn der Türöffnungsassistent erfasst, dass der kürzeste Abstand zwischen der Tür 1 und dem Hindernis unter dem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
• In 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Fahrzeugs 10 mit einem Türöffnungsassistent 6 dargestellt. Dabei umfasst der Türöffnungsassistent 6 einen Ultraschallsensor 4, eine Auswertevorrichtung 5 und eine Erfassungsvorrichtung 7, mit welcher ein Öffnungswinkel der Tür 1, an welcher der Ultraschallsensoren 4 angeordnet ist, gemessen wird. Über den Öffnungswinkel und den Abstand L zwischen dem Ultraschallsensor 4 und dem Türscharnier H kann die Auswertevorrichtung 5 die aktuelle Position des Ultraschallsensors 4 berechnen.
• Bezugszeichenliste

1

Tür

2

2D-Kartendiagramm

3

flache Wand

4

Ultraschallsensor

5

Auswertevorrichtung

6

Türöffnungsassistent

7

Erfassungsvorrichtung

10

Kraftfahrzeug

α₁, α₂

Öffnungswinkel

δ

laterale Auflösung

A, A'

Punkt

B, B'

Schnittkurve

D

kürzester Abstand

H

Türscharnierachse

K₁, K₂, K₃

Kugel

L

Sensor-Scharnier-Abstand

MN, M'N'

Gerade

O

Objekt

O'

Schattenobjekt

O_k

projiziertes Objekt

R, R₁, R₂, R₃

Radius bzw. Abstand

S₁, S₂, S₃

Ort der Messung

S, S'

Ort der Messung

x₁, y₁, z₁

Koordinatensystem der ersten Messung

x₂, y₂, z₂

Koordinatensystem der zweiten Messung

x₃, y₃, z₃

Koordinatensystem der dritten Messung

Claims (10)

1. Verfahren zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines außerhalb eines Fahrzeugs (10) befindlichen Objektes (O), wobei mit Hilfe einer Sensoreinrichtung (4) des Fahrzeugs (10) dreimal eine Abstandsmessung eines Abstands (R₁-R₃) zu dem Objekt (O) ausgeführt wird, und wobei mittels einer Auswertevorrichtung (5) abhängig von den drei Abständen (R₁-R₃) und drei Messorten (S1-S3), von welchen jeweils eine der drei Abstandsmessungen durchgeführt wird, die Position des Objektes (O) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den drei Abstandsmessungen eine vorbestimmte Positionsänderung des Messortes (S1-S3) vorgenommen wird, von welchem die jeweilige Abstandsmessung durchgeführt wird..
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objektes (O) bestimmt wird, indem eine Schnittmenge von drei Kugelflächen (K₁-K₃) gebildet wird, und dass jede Kugelfläche (K₁-K₃) durch einen der drei Messorte (S₁-S₃) als Kugelmittelpunkt und durch einen Radius (R₁-R₃), welcher einem an dem entsprechenden Messort (S₁-S₃) bestimmten Abstand (R₁-R₃) entspricht, definiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer x-Achse (x₁) und einer dazu senkrechten y-Achse (y₁) eine xy-Ebene (x₁y₁) bestimmt wird, in welcher die drei Messorte (S₁-S₃) liegen, dass eine z-Achse (z₁) senkrecht auf der xy-Ebene (x₁y₁) vorhanden ist, dass ein erster Messort S₁, an welchem eine erste der Abstandsmessungen durchgeführt wird, als Ursprung eines aus der xy-Ebene (x₁y₁) und der z-Achse (z₁) definierten Koordinatensystems definiert wird, dass die Position O des Objektes parallel zur z-Achse (z₁) in die xy-Ebene (x₁y₁) verschoben wird, dass ein kürzester Abstand A zwischen der in die xy-Ebene (x₁y₁) verschobenen Position des Objektes (O) und der x-Achse (x₁) durch folgende Gleichung bestimmt wird $$A=\Vert \overrightarrow{S_{1}O}-\frac{\langle \overrightarrow{S_{1}O},\overrightarrow{S_1{S}_3}\rangle }{{\Vert \overrightarrow{S_1{S}_3}\Vert }^2}\times \overrightarrow{S_1{S}_3}\Vert ,$$

   

   wobei S₂ eine Position eines Messortes, von welchem eine zweite der Abstandsmessungen durchgeführt wird, ist, und wobei S₃ eine Position eines Messortes, von welchem eine dritte der Abstandsmessungen durchgeführt wird, ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Positionsänderung vorgenommen wird, indem die Abstandsmessungen von einer Seite einer Tür (1) vorgenommen werden, welche einem Scharnier (H) der Tür (1) gegenüberliegt, dass die Tür (1) zwischen zwei Abstandsmessungen abhängig von einem Öffnungswinkel (α; α₁; α₂), welcher einen Winkel zwischen einer geschlossenen Stellung der Tür (1) und einer aktuellen Stellung der Tür (1) definiert, bewegt wird, und dass folgende Bedingung erfüllt wird: $$\delta >L\times \left(\text{cos}{\alpha }_1-\text{cos}{\alpha }_2\right),$$

   

   wobei δ eine laterale Auflösung bei der Positionsbestimmung des Objektes (O) ist, wobei L ein Abstand von einem Messort (S₁-S₃), an welchem die Abstandsmessungen durchgeführt werden, senkrecht zu dem Scharnier (H) der Tür (1) ist, und wobei α₁ bzw. α₂ der Öffnungswinkel der ersten bzw. zweiten der zwei Abstandsmessungen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessungen mittels einem ersten und einem zweiten Sensor durchgeführt werden, dass der erste Sensor dreimal die Abstandsmessung durchführt, dass der zweite Sensor dreimal die Abstandsmessung durchführt, dass der erste Sensor direkt neben dem zweiten Sensor angeordnet ist, dass mittels des ersten Sensors ein erster Raumbereich (x₁, y₁, +z₁)erfasst wird, dass mittels des zweiten Sensors ein zweiter Raumbereich (x₁, y₁, -z₁) erfasst wird, und dass der erste Raumbereich (x₁, y₁, +z₁) und der zweite Raumbereich (x₁, y₁, -z₁) keine Schnittmenge aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessungen mittels Ultraschall durchgeführt werden.
7. Vorrichtung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines außerhalb eines Fahrzeugs (10) befindlichen Objektes (O), wobei die Vorrichtung (6) eine Sensoreinrichtung (4) und eine Auswertevorrichtung (5) umfasst, wobei die Vorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, dass die Sensoreinrichtung (4) an drei verschiedenen Messorten (S₁-S₃) jeweils eine Abstandsmessung zur Bestimmung jeweils eines Abstands (R₁-R₃) durchführt und dass die Auswertevorrichtung (5) abhängig von den drei Abständen (R₁-R₃) und den drei Messorten (S₁-S₃) die Position des Objektes (O) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung ein sich bewegender Ultraschallsensor (4) ist, dass der Ultraschallsensor (4) an drei verschiedenen Messorten (S1-S3) eine Signalwellenpulsfolge aussendet und eine Reflexion der jeweils ausgesendeten Signalwellenpulsfolge empfängt, und dass die Auswertevorrichtung (5) mittels einer Auswertung der jeweiligen Reflexion für die drei verschiedenen Messorte (S1-S3) den Abstand (R1-R3) zwischen dem Objekt (O) und dem jeweiligen Messort (S1-S3) bestimmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Türöffnungsassistent (6) eines Fahrzeugs (10) ist, dass die Sensoreinrichtung ein Sensor (4) ist, welcher an einer einem Scharnier (H) einer Tür (1) des Fahrzeugs (10) entgegengesetzten Seite der Tür (1) angeordnet ist, dass die Vorrichtung (6) eine Erfassungsvorrichtung (7) umfasst, welche einen Öffnungswinkel (α) der Tür (1) erfasst, welcher einen Winkel zwischen einer geschlossenen Stellung der Tür (1) und einer aktuellen Stellung (1) definiert, und dass die Vorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, dass die Auswertevorrichtung (5) abhängig von dem Öffnungswinkel (α) und einem Abstand (L) zwischen dem Sensor (4) und dem Scharnier (H) den jeweiligen Messort (S₁-S₃) des Sensors (4) bestimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6 ausgestaltet ist.
10. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9.

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