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EP4158379A1 - Method for determining a speed of an object by means of an ultrasonic pulse - Google Patents

Method for determining a speed of an object by means of an ultrasonic pulse

Info

Publication number
EP4158379A1
EP4158379A1 EP21721071.5A EP21721071A EP4158379A1 EP 4158379 A1 EP4158379 A1 EP 4158379A1 EP 21721071 A EP21721071 A EP 21721071A EP 4158379 A1 EP4158379 A1 EP 4158379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
signal
frequency
correlation
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21721071.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Katharina Maria NERZ
Wilhelm Christopher Von Rosenberg
Andrea Kirsch
Ulf Rueegg
Timo WINTERLING
Sebastian Olbrich
Kathrin Klee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4158379A1 publication Critical patent/EP4158379A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W60/00—Drive control systems specially adapted for autonomous road vehicles
    • B60W60/001—Planning or execution of driving tasks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S15/582—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of interrupted pulse-modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/02—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to ambient conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08—Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/14—Means for informing the driver, warning the driver or prompting a driver intervention
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/003—Bistatic sonar systems; Multistatic sonar systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2554/00—Input parameters relating to objects
    • B60W2554/40—Dynamic objects, e.g. animals, windblown objects
    • B60W2554/404—Characteristics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • Realizing the perception or representation of the environment is of great importance for the implementation of at least partially automated driving.
  • the surroundings are recorded using sensors.
  • the transit times or ultrasonic echoes of ultrasonic pulses between the transmitter, the point of reflection and the receiver are measured for this close range.
  • An ultrasonic sensor can be both transmitter and receiver in one and the same measurement cycle.
  • the spatial coordinates of reflex points of the reflecting object can be determined by means of a suitable combination or tri or multilateration of several such ultrasonic echoes. If the transmitting or receiving ultrasonic sensors are not only arranged in a horizontal sensor array but also vertically with respect to one another, in addition to x and y positions, z coordinates, i.e. height information, can also be determined. Disclosure of the invention
  • the ultrasonic sensors or ultrasonic transducers are typically installed horizontally to each other and the resulting x and y position data have so far only been used to either detect possible obstacles or to calculate a parking maneuver based on the vehicle environment. In addition to this position data, the system does not have any further information, e.g. on the speed of the detected objects.
  • a static environment is thus typically assumed or a potential intrinsic movement of the reflecting objects is neglected, i.e. all detected objects are assumed to be motionless due to the lack of alternatives.
  • the invention is based on the knowledge that a Doppler shift in the frequency of the ultrasound pulse is brought about by an object that is moved towards or away from an ultrasound transducer and reflects an ultrasound pulse.
  • the Doppler effect results in an increase in frequency in the case of a positive relative speed and a decrease in the frequency of the received ultrasonic signals in the case of a negative relative speed. This effect can can be used to determine the speed of the object in question relative to the receiving sensor.
  • a method for determining a speed of an object with an ultrasound pulse is proposed with the following steps.
  • the ultrasonic pulse is transmitted with a first ultrasonic transducer, the ultrasonic pulse having a defined signal course.
  • an ultrasonic signal is received with a second ultrasonic transducer.
  • a frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with a filter signal is calculated, which at least partially correlates with the defined signal profile.
  • a frequency shift between the filter signal and the received ultrasonic signal is determined by means of a result of the calculated cross-correlation.
  • the speed of the object that reflected the transmitted ultrasonic pulse is determined by means of the determined frequency shift.
  • the ultrasonic pulse with the defined signal course is a sound signal emitted by the ultrasonic transducer in the direction of objects that may reflect ultrasound, with a frequency in the range of the ultrasound, the signal course being defined in relation to a temporal and frequency-related course.
  • the signal course of the ultrasonic pulse is matched to the course of the filter signal in order to be able to determine a clear result with regard to a frequency shift of the transmitted ultrasonic pulse in relation to the receiving ultrasonic signal by means of the frequency-related cross-correlation.
  • the defined signal profile can in particular have such a change over time and / or such a change in frequency over time that the calculation of the cross-correlation over time and frequency of the Ultrasonic signal with the filter signal results in a clear maximum in terms of the temporal and frequency-wise cross-correlation.
  • the first ultrasound transducer can be the same as the second ultrasound transducer, since typically the ultrasound transducer is suitable both as a transmitter and as a receiver of ultrasound and can convert a received ultrasound signal into electrical signals, which can then be further evaluated.
  • the ultrasonic pulse can, however, also be transmitted simultaneously by one or more ultrasonic transducers and detected or received by a large number of identical or additional ultrasonic transducers.
  • the relative speed of the reflected object can also be recorded as a direct measured variable by means of the frequency shift Af for each individual echo and does not have to be via a complex tracking method or an echo pair grouping analysis and the associated delay times and ambiguities and / or misallocations.
  • ultrasonic systems measure the transit times of a transmitted ultrasonic pulse from a transmitting ultrasonic transducer to the reflecting object and back to a receiving ultrasonic transducer.
  • the relative speed of the detected object in addition to the data measured by ultrasound systems such as echo distances, backscatter values, trace probability, etc., the relative speed of the detected object can be determined.
  • This information gain is particularly advantageous for a possible area of application in at least partially automated driving, especially since it also enables the vehicle surroundings to be perceived in a significantly more differentiated manner, since there is also a distinction between static objects and dynamic objects constant speed or or with constant acceleration and / or "constant heading", etc. is made possible.
  • the direct vehicle surroundings can be comprehensively recorded with ultrasound systems and possible obstacles or other road users can be reliably detected and localized.
  • the speed of a reflecting object is already available in the first or the same measuring step, i.e. in real time. In this way, it is advantageously possible to differentiate between the measured ultrasound objects in relation to a static or dynamic behavior.
  • two ultrasound signals or ultrasound echoes which previously could not be resolved in time, can also be separated via the local maximum of the cross-correlation in the frequency range.
  • a “constant heading” can be inferred by means of two ultrasonic signals that are generated in succession by the same transmitter / receiver pair of ultrasonic transducers, at a known speed and a known change in the distance of the reflex points over time.
  • a determination of the point in time and thus the distance of the received ultrasound signal that is independent of the frequency shift leads to an improved determination of the reflex points.
  • An echo selection can also be improved by the additional information about the speed of the reflecting object. Because for the determination of a position of (multi) objects, the individual received ultrasonic signals have to be combined with one another or laterally. To save computing resources and to reduce complexity, physically unrealistic ultrasonic signal combinations are initially excluded. In addition to the previous geometrical consideration based on distance values, the speed value can now also be used. This also makes it possible to meaningfully separate two ultrasonic signals with different speeds that are close together in time. In addition, it is possible to assign relative speeds to the reflex points on the basis of the information about the ultrasonic signals.
  • a time and frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal is calculated.
  • Such a two-dimensional correlation i.e. H. a cross-correlation between a defined signal course of the ultrasonic pulse g and a filter signal a, which is carried out both in the time and in the frequency domain, can be calculated mathematically in the following way:
  • the defined signal curve can in particular have such a temporal change and / or such a temporal change in the frequency that when calculating the temporal and frequency-wise cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal, a clear maximum with regard to the temporal and frequency-wise cross-correlation can be determined.
  • the filter signal is selected according to a "matched filter" in order to achieve unambiguous results of the cross-correlation, or to achieve that the filter signal and the ultrasonic signal can be precisely superimposed in terms of time and frequency.
  • the filter signal does not have to have the same shape of the transmitted ultrasonic pulse.
  • Examples of such defined signal curves of the ultrasonic pulse are a simple frequency ramp over time; a signal curve in which the frequency increases linearly over time (up-chirp) and decreases again (down-chirp); or the reverse form, in that the frequency decreases linearly over time in a first time interval, for example, and then increases linearly again.
  • a time-defined ultrasound pulse with a constant frequency over a certain period of time can also be used, since the correlation is determined both in time and in frequency.
  • a two-dimensional plot of the values of the correlation over time and frequency can be created, which can have a multiplicity of maxima. From this plot, both the transit time of an ultrasonic pulse and a frequency shift of the received ultrasonic signal compared to the transmitted ultrasonic pulse can be read.
  • cs is the speed of sound and t ü is the time at which the ultrasonic signal is received and to is the time at which the ultrasonic pulse is transmitted.
  • a frequency of the defined signal curve changes over time.
  • the received ultrasonic signal can be assigned to a transmitted ultrasonic pulse in a defined manner.
  • the defined signal curve has such a change over time and / or such a change in frequency over time that when calculating the cross-correlation of the ultrasound signal with respect to time and frequency with the filter signal, there is a clear maximum in terms of time and frequency Cross correlation results.
  • an ultrasonic signal with a signal curve that has a change in frequency over time can be clearly assigned to a transmitted ultrasonic pulse.
  • the first ultrasonic transducer is the same as the second ultrasonic transducer.
  • a transit time of the ultrasonic pulse is determined by means of an amplitude of a temporal component of the calculated temporal and frequency-related cross-correlation for localizing the object that reflected the emitted ultrasonic pulse.
  • the described two-dimensional cross-correlation which is carried out both in terms of time and frequency, can be used to determine the transit time of an emitted ultrasonic pulse based on the received ultrasonic signal, and the additional cross-correlation in terms of frequency can discriminate against ultrasonic signals that have been reflected by objects at different speeds will.
  • the frequency shift of the ultrasonic signal is used in order to assign an object to the ultrasonic signal.
  • the frequency shift can be traced back to a speed difference via the Doppler effect and thus it is possible to discriminate objects with different speeds. This also makes it possible to exclude physically unrealistic combinations of ultrasonic signals for determining reflex points due to the additional information about the speed.
  • the speed of an object is determined by means of the respective frequency shift of a respective ultrasonic signal of an ultrasonic pulse that is received by a plurality of ultrasonic transducers.
  • reflex points are determined by lateration from a large number of ultrasonic pulses and a large number of ultrasonic signals and the large number of ultrasonic signals are grouped for determining reflex points by means of the frequency shift of the respective ultrasonic signals.
  • Ultrasonic signals are recorded via sensor arrays or arrays of ultrasonic transducers, which can be mounted either at the front and / or at the rear and / or at the side of a vehicle.
  • the sensors of ultrasonic Systems determine the transit times of a transmitted ultrasonic pulse from a transmitting ultrasonic transducer to the reflecting object and back to a receiving ultrasonic transducer.
  • the receiving ultrasonic transducer can be identical to or different from the transmitting ultrasonic transducer.
  • the position of the reflecting object can be determined by laterating the paths (“echoes”) determined from the transit times.
  • the sensor array can be positioned either in one or two rows in an upper row and a row below, which has the advantage that, in addition to determining an x and y position, also determining a z position, i.e. height information the reflection points is possible.
  • ultrasonic signals can be received via the reception of ultrasonic signals, which are received in particular by a large number of ultrasonic transducers and the ultrasonic transducers are spatially separated from one another, ultrasonic Reflecting points of the reflecting object can be determined spatially. If the ultrasonic transducers that receive the ultrasonic signals are arranged both horizontally and vertically, a three-dimensional determination of the reflex points can also be carried out.
  • a method which, in accordance with the method for determining a speed of an object, determines a frequency shift and, based on the determined frequency shift, provides a control signal for controlling an at least partially automated vehicle.
  • a frequency shift is determined in accordance with the method for determining a speed of an object, and a warning signal for warning a vehicle occupant is provided on the basis of the determined frequency shift.
  • control signal is provided based on a specific frequency shift. It is to be understood that the specific frequency shift is used for any determination or calculation of a control signal, this not excluding the fact that other input variables are also used for this determination of the control signal. This also applies analogously to the warning signal.
  • a device is specified which is set up to carry out a method as described above. With such a device, the method can easily be integrated into different systems.
  • a computer program is specified which comprises instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out one of the methods described above.
  • Such a computer program enables the described method to be used in different systems.
  • a machine-readable storage medium is specified on which the computer program described above is stored.
  • FIG. 1 shows a defined signal profile of an ultrasonic pulse and an ultrasonic signal which is shifted in frequency
  • FIG. 2 shows a plot of a two-dimensional cross-correlation and projections.
  • FIG. 1 shows a time profile of an emitted ultrasonic pulse 120, i.e. a defined signal profile in which the frequency f of the ultrasonic pulse 120 increases linearly from a value fMIN to a value fMAX and then the frequency starting at time ti with time t up to time to linearly until the time ti decreases again to the value fMIN.
  • this ultrasound pulse 120 can result in an ultrasound signal 110 shifted in frequency, which is additionally shown in diagram 100 in FIG. Since in this example the course of the frequency of the ultrasonic pulse 120 is shifted in the direction of higher frequencies, the object moves towards the receiving ultrasonic transducer.
  • a possible filter signal 135 is shown in diagram 130, which has a frequency curve over time that corresponds to the ultrasonic pulse, which is indicated in diagram 130 by a shape of frequency curve 135 over time that corresponds to the curve of the signal of the ultrasonic pulse.
  • a temporal cross-correlation of the ultrasonic signal 110 with the filter signal 135 enables an unambiguous assignment of the ultrasonic signal 110 over time with this defined signal profile of the ultrasonic signal. From this image it can be seen that a temporal cross-correlation of the ultrasonic signal 110 with the filter signal 135 would show a maximum at the time to.
  • FIG. 2 outlines a possible result of a two-dimensional cross-correlation in time and in frequency.
  • the diagram 210 is the result, i. H. the value of such a cross-correlation is plotted against time t and frequency f.
  • Five ultrasonic signals 211, 212, 213, 214, 215 can be seen, each of which has a maximum 211m, 212m, 213m, 214m,
  • This frequency shift Df is plotted for the ultrasound signal 212 in the diagram 230 in FIG. 2 for clarity over the value KF of the frequency-related cross-correlation as a projection on the frequency axis.
  • Diagram 220 in FIG. 2 accordingly outlines the course of a value KT of a correlation of ultrasonic signals with the filter signal, with the transit times ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, ts, ⁇ b of the different ultrasonic signals 211, 212, 213, 214, 215 at a distance from the object can be converted by the respective receiving ultrasonic transducer. That is, the diagram 220 shows a projection of the result of the two-dimensional cross-correlation onto the time domain and the diagram 230 shows the projection onto the frequency domain.
  • an ultrasound pulse with a first Ultrasonic transducer is emitted, which has a defined signal course.
  • the ultrasonic signal reflected by an object is received with a second ultrasonic transducer, which can be identical to the first ultrasonic transducer.
  • a frequency shift between the filter signal and the received ultrasonic signal can be determined as described by a frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal, which at least partially correlates with the defined signal curve.
  • the speed of the object that reflected the ultrasonic pulse can then be calculated according to the Doppler effect.

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Abstract

The invention relates to a method for determining a speed of an object by means of an ultrasonic pulse, the method comprising the following steps: emitting the ultrasonic pulse by means of a first ultrasonic transducer, the ultrasonic pulse having a defined signal profile; receiving an ultrasonic signal by means of a second ultrasonic transducer; calculating a cross-correlation, with respect to frequency, of the ultrasonic signal with a filter signal which at least partially correlates with the defined signal profile; determining a frequency shift between the filter signal and the received ultrasonic signal by means of a result of the calculated cross-correlation; determining the speed of the object which reflected the emitted ultrasonic pulse by means of the determined frequency shift.

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes mit einem Ultraschallpuls Method for determining the speed of an object with an ultrasonic pulse
Stand der Technik State of the art
Eine hohe Bedeutung für eine Umsetzung eines zumindest teilautomatisierten Fahrens hat die Realisierung der Wahrnehmung bzw. Repräsentation der Umgebung (Perception). Dabei wird die Umgebung mittels Sensoren erfasst. Realizing the perception or representation of the environment is of great importance for the implementation of at least partially automated driving. The surroundings are recorded using sensors.
Sowohl für Fahrassistenz-Systeme, aber auch insbesondere im Bereich des zumindest teilautomatisierten Fahrens, ist es wichtig im Nahbereich eines Fahrzeugs relevante Objekte, wie z.B. andere Verkehrsteilnehmer nämlich Fußgänger, Fahrradfahrer, PKW, LKW etc. oder mögliche Hindernisse wie einen Zaun, Pfeiler, Wand etc. zu erkennen, um Kollisionen zu vermeiden. Darüber hinaus muss das System eingerichtet sein, stets gemäß der Gesetzgebung reagieren zu können. For driver assistance systems, but also especially in the area of at least partially automated driving, it is important in the vicinity of a vehicle to have relevant objects, such as other road users, namely pedestrians, cyclists, cars, trucks etc. or possible obstacles such as a fence, pillar, wall etc. to avoid collisions. In addition, the system must be set up to always be able to react in accordance with the law.
Für diesen Nahbereich werden in aktuellen Ultraschall-Systemen die Laufzeiten bzw. Ultraschall- Echos von Ultraschallpulsen zwischen Sender, Reflexionsort und Empfänger gemessen. Ein Ultraschallsensor kann dabei in ein und demselben Messzyklus gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Mittels einer geeigneten Kombination bzw. Tri- oder Multilateration mehrerer solcher Ultraschall- Echos lassen sich die räumlichen Koordinaten von Reflexpunkten des reflektierenden Objektes bestimmen. Sind die sendenden bzw. empfangenden Ultraschall-Sensoren nicht nur in einem horizontalen Sensor-Array sondern zusätzlich vertikal zueinander angeordnet, können neben x- und y-Positionen auch z- Koordinaten, also eine Höheninformation, bestimmt werden. Offenbarung der Erfindung In current ultrasonic systems, the transit times or ultrasonic echoes of ultrasonic pulses between the transmitter, the point of reflection and the receiver are measured for this close range. An ultrasonic sensor can be both transmitter and receiver in one and the same measurement cycle. The spatial coordinates of reflex points of the reflecting object can be determined by means of a suitable combination or tri or multilateration of several such ultrasonic echoes. If the transmitting or receiving ultrasonic sensors are not only arranged in a horizontal sensor array but also vertically with respect to one another, in addition to x and y positions, z coordinates, i.e. height information, can also be determined. Disclosure of the invention
Typischerweise werden in heutigen Fahrassistenz- und Einpark-Systemen die Ultraschallsensoren bzw. Ultraschallwandler vornehmlich horizontal zueinander verbaut und die resultierenden x- und y- Positionsdaten bislang nur verwendet, um entweder mögliche Hindernisse zu detektieren oder aber anhand des Fahrzeugumfeldes ein Parkmanöver zu berechnen. Neben diesen Positionsdaten stehen dem System aber keine weiteren Informationen z.B. zur Geschwindigkeit der detektierten Objekte zur Verfügung. In today's driver assistance and parking systems, the ultrasonic sensors or ultrasonic transducers are typically installed horizontally to each other and the resulting x and y position data have so far only been used to either detect possible obstacles or to calculate a parking maneuver based on the vehicle environment. In addition to this position data, the system does not have any further information, e.g. on the speed of the detected objects.
Somit wird typischerweise eine statische Umgebung vorausgesetzt bzw. eine potentielle Eigenbewegung der reflektierenden Objekte vernachlässigt, d.h. alle detektierten Objekte werden mangels Alternativen als bewegungslos angenommen. A static environment is thus typically assumed or a potential intrinsic movement of the reflecting objects is neglected, i.e. all detected objects are assumed to be motionless due to the lack of alternatives.
Zur Geschwindigkeitsbestimmung mittels Ultraschall-Signalen wäre es möglich, Ultraschall-Signale mittels einer zeitlichen Analyse, basierend auf zwei zusammengehörigen, zeitlich aufeinanderfolgenden Ultraschallsignalen zu einem Ultraschallsignal-Paar zu kombinieren, um so auf eine Relativgeschwindigkeit schließen zu können. Aufgrund von häufig bei diesem Analyse-Verfahren auftretenden Mehrdeutigkeiten bzw. Falschberechnungen, ist dieser Ansatz aber nicht praktikabel und verlässlich genug um im Straßenverkehr eingesetzt zu werden. To determine the speed by means of ultrasonic signals, it would be possible to combine ultrasonic signals by means of a time analysis, based on two related, temporally successive ultrasonic signals to form an ultrasonic signal pair in order to be able to infer a relative speed. However, due to the ambiguities or incorrect calculations that often occur with this analysis method, this approach is not practical and reliable enough to be used in road traffic.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes mit einem Ultraschallpuls, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Steuersignals, eine Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a method for determining a speed of an object with an ultrasonic pulse, a method for providing a control signal, a device, a computer program and a machine-readable storage medium according to the features of the independent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch ein auf einen Ultraschallwandler hin- bzw. davon wegbewegtes Objekt, das einen Ultraschallpuls reflektiert, eine Dopplerverschiebung der Frequenz des Ultraschallpulses bewirkt wird. Insbesondere ergibt sich aufgrund des Dopplereffektes bei einer positiven Relativgeschwindigkeit eine Frequenzerhöhung und bei einer negativen Relativgeschwindigkeit eine Frequenzerniedrigung der empfangenden Ultraschall-Signale. Dieser Effekt kann genutzt werden, um die Geschwindigkeit des betreffenden Objektes relativ zum empfangenden Sensor zu bestimmen. The invention is based on the knowledge that a Doppler shift in the frequency of the ultrasound pulse is brought about by an object that is moved towards or away from an ultrasound transducer and reflects an ultrasound pulse. In particular, the Doppler effect results in an increase in frequency in the case of a positive relative speed and a decrease in the frequency of the received ultrasonic signals in the case of a negative relative speed. This effect can can be used to determine the speed of the object in question relative to the receiving sensor.
In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung ist die Abfolge von Verfahrensschritten so dargestellt, dass das Verfahren leicht nachvollziehbar ist.In this entire description of the invention, the sequence of method steps is shown in such a way that the method is easy to understand.
Der Fachmann wird aber erkennen, dass viele der Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchlaufen werden können und zu dem gleichen Ergebnis führen. In diesem Sinne kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte entsprechend geändert werden und ist somit auch offenbart. However, the person skilled in the art will recognize that many of the method steps can also be carried out in a different order and lead to the same result. In this sense, the sequence of the method steps can be changed accordingly and is thus also disclosed.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes mit einem Ultraschallpuls mit den folgenden Schritten vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird der Ultraschallpuls mit einem ersten Ultraschallwandler ausgesendet, wobei der Ultraschallpuls einen definierten Signalverlauf aufweist. In einem weiteren Schritt wird ein Ultraschallsignal mit einem zweiten Ultraschallwandler empfangen. In einem weiteren Schritt wird eine frequenzmäßige Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit einem Filtersignal berechnet, das mit dem definierten Signalverlauf zumindest teilweise korreliert. In einem weiteren Schritt wird eine Frequenzverschiebung zwischen dem Filtersignal und dem empfangenen Ultraschallsignal mittels eines Ergebnisses der berechneten Kreuzkorrelation bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die Geschwindigkeit des Objektes, das den ausgesendeten Ultraschallpuls reflektiert hat, mittels der bestimmten Frequenzverschiebung bestimmt. According to one aspect, a method for determining a speed of an object with an ultrasound pulse is proposed with the following steps. In a first step, the ultrasonic pulse is transmitted with a first ultrasonic transducer, the ultrasonic pulse having a defined signal course. In a further step, an ultrasonic signal is received with a second ultrasonic transducer. In a further step, a frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with a filter signal is calculated, which at least partially correlates with the defined signal profile. In a further step, a frequency shift between the filter signal and the received ultrasonic signal is determined by means of a result of the calculated cross-correlation. In a further step, the speed of the object that reflected the transmitted ultrasonic pulse is determined by means of the determined frequency shift.
Dabei ist der Ultraschallpuls mit dem definierten Signalverlauf ein von dem Ultraschallwandler in Richtung auf möglicherweise Ultraschall reflektierende Objekte ausgesendetes Schallsignal mit einer Frequenz im Bereich des Ultraschalls, wobei der Signalverlauf in Bezug auf einen zeitlichen und frequenzmäßigen Verlauf definiert ist. The ultrasonic pulse with the defined signal course is a sound signal emitted by the ultrasonic transducer in the direction of objects that may reflect ultrasound, with a frequency in the range of the ultrasound, the signal course being defined in relation to a temporal and frequency-related course.
Der Signalverlauf des Ultraschallpulses ist auf den Verlauf des Filtersignals abgestimmt, um mittels der frequenzmäßigen Kreuzkorrelation ein eindeutiges Ergebnis in Bezug auf eine Frequenzverschiebung des ausgesendeten Ultraschallpulses im Verhältnis zum empfangenden Ultraschallsignal bestimmen zu können. The signal course of the ultrasonic pulse is matched to the course of the filter signal in order to be able to determine a clear result with regard to a frequency shift of the transmitted ultrasonic pulse in relation to the receiving ultrasonic signal by means of the frequency-related cross-correlation.
Der definierte Signalverlauf kann dabei insbesondere eine solche zeitliche Änderung und/oder eine solche zeitliche Änderung der Frequenz aufweisen, dass sich bei der Berechnung der zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal ein eindeutiges Maximum in Bezug auf die zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation ergibt. The defined signal profile can in particular have such a change over time and / or such a change in frequency over time that the calculation of the cross-correlation over time and frequency of the Ultrasonic signal with the filter signal results in a clear maximum in terms of the temporal and frequency-wise cross-correlation.
Insbesondere kann der erste Ultraschallwandler gleich dem zweiten Ultraschallwandler sein, da typischerweise die Ultraschallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger von Ultraschall geeignet ist und ein empfangenes Ultraschall-Signal in elektrische Signale umsetzen kann, die dann weiter ausgewertet werden können. Der Ultraschallpuls kann aber auch von einem oder mehreren Ultraschallwandlern gleichzeitig ausgesendet werden und von einer Vielzahl von identischen oder zusätzlichen Ultraschallwandlern detektiert bzw. empfangen werden. In particular, the first ultrasound transducer can be the same as the second ultrasound transducer, since typically the ultrasound transducer is suitable both as a transmitter and as a receiver of ultrasound and can convert a received ultrasound signal into electrical signals, which can then be further evaluated. The ultrasonic pulse can, however, also be transmitted simultaneously by one or more ultrasonic transducers and detected or received by a large number of identical or additional ultrasonic transducers.
Eine relative Geschwindigkeit vrei des Objektes, das den ausgesendeten Ultraschallpuls mit der Frequenz fusp reflektiert hat, zu dem empfangenen Ultraschallwandler, der das Ultraschallsignal mit der Frequenz fusE empfängt, kann auf Grund der Dopplerverschiebung entsprechend dem mathematisch physikalischen Zusammenhang folgendermaßen berechnet werden: fusE = fusp * (cs + Vrel)/(cs - Vre|) dabei ist cs die Schallgeschwindigkeit. A relative speed v rei of the object, which has reflected the transmitted ultrasonic pulse with the frequency fusp, to the received ultrasonic transducer, which receives the ultrasonic signal with the frequency fus E , can be calculated based on the Doppler shift according to the mathematical physical relationship as follows: fusE = fusp * (c s + Vrel) / (c s - V re | ) where c s is the speed of sound.
Vorteilhafterweise kann mit diesem Verfahren die Relativ-Geschwindigkeit des reflektierten Objektes als direkte Messgröße mittels der Frequenzverschiebung Af für jedes Einzel- Echo zusätzlich erfasst werden und muss nicht über ein aufwendiges Tracking- Verfahren oder eine Echopaar-Gruppierungs-Analyse und den damit verbundenen Verzögerungszeiten, Mehrdeutigkeiten und/oder Fehlzuordnungen, hergeleitet werden. Advantageously, with this method, the relative speed of the reflected object can also be recorded as a direct measured variable by means of the frequency shift Af for each individual echo and does not have to be via a complex tracking method or an echo pair grouping analysis and the associated delay times and ambiguities and / or misallocations.
Generell messen Ultraschall-Systeme Laufzeiten eines gesendeten Ultraschallpulses von einem aussendenden Ultraschallwandler zum reflektierenden Objekt und zurück zu einem empfangenden Ultraschallwandler. In general, ultrasonic systems measure the transit times of a transmitted ultrasonic pulse from a transmitting ultrasonic transducer to the reflecting object and back to a receiving ultrasonic transducer.
Mit dem Verfahren kann also, zusätzlich zu den von Ultraschallsystemen gemessenen Daten wie z.B. Echodistanzen, Rückstreuwerte, Trace probability, etc., die Relativgeschwindigkeit des detektierten Objektes bestimmt werden. With the method, in addition to the data measured by ultrasound systems such as echo distances, backscatter values, trace probability, etc., the relative speed of the detected object can be determined.
Insbesondere für ein mögliches Anwendungsgebiet im zumindest teilautomatisierten Fahren ist dieser Informationsgewinn von Vorteil, zumal dies auch ermöglicht das Fahrzeugumfeld deutlich differenzierter wahrzunehmen, da eine Unterscheidung zwischen statischem Objekt oder dynamischem Objekt mit konstanter Geschwindigkeit oder bzw. mit konstanter Beschleunigung und /oder „constant heading“, etc. ermöglicht wird. Somit kann mit Ultraschallsystemen mit diesem Verfahren das direkte Fahrzeugumfeld umfänglich erfasst werden und mögliche Hindernisse bzw. weitere Verkehrsteilnehmer sicher detektiert und lokalisiert werden. This information gain is particularly advantageous for a possible area of application in at least partially automated driving, especially since it also enables the vehicle surroundings to be perceived in a significantly more differentiated manner, since there is also a distinction between static objects and dynamic objects constant speed or or with constant acceleration and / or "constant heading", etc. is made possible. Thus, with this method, the direct vehicle surroundings can be comprehensively recorded with ultrasound systems and possible obstacles or other road users can be reliably detected and localized.
Somit ist die Geschwindigkeit eines reflektierenden Objektes bereits im ersten bzw. demselben Messschritt, also in Echtzeit vorhanden. Vorteilhafterweise ist so eine Unterscheidung der gemessenen Ultraschall-Objekte in Bezug auf ein statisches bzw. dynamisches Verhalten möglich. Thus, the speed of a reflecting object is already available in the first or the same measuring step, i.e. in real time. In this way, it is advantageously possible to differentiate between the measured ultrasound objects in relation to a static or dynamic behavior.
Darüber hinaus können zwei Ultraschallsignale bzw. Ultraschallechos, die zeitlich bisher nicht auflösbar waren, zusätzlich über das lokale Maximum der Kreuzkorrelation im Frequenz-Bereich separiert werden. D. h. durch die Frequenzverschiebung eines Ultraschallsignals gegenüber dem ausgesendeten Ultraschallpuls können zwei gleichzeitig empfangene Ultraschallsignale, wie beispielsweise von zwei Hindernissen in einer gleichen Entfernung, durch eine evtl, unterschiedliche Frequenzverschiebung aufgrund von ggf. unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten zum Ultraschallsystem getrennt werden. In addition, two ultrasound signals or ultrasound echoes, which previously could not be resolved in time, can also be separated via the local maximum of the cross-correlation in the frequency range. I. E. Due to the frequency shift of an ultrasonic signal compared to the emitted ultrasonic pulse, two simultaneously received ultrasonic signals, such as from two obstacles at the same distance, can be separated by a possibly different frequency shift due to possibly different speeds relative to the ultrasonic system.
Mit diesem Informationsgewinn ist ein Fahrzeugumfeld deutlich differenzierter wahrzunehmen, da die identifizierten Objekte, die den Ultraschallpuls reflektieren, in Bezug auf statisches oder dynamisches Verhalten wie: konstante Geschwindigkeit; konstante Beschleunigung; „constant heading“; Bestimmung von Trajektorien, etc. unterschieden werden können. With this gain in information, a vehicle environment can be perceived in a much more differentiated manner, since the identified objects that reflect the ultrasonic pulse have a static or dynamic behavior such as: constant speed; constant acceleration; "Constant heading"; Determination of trajectories, etc. can be distinguished.
Insbesondere kann mittels zwei vom gleichen Sender/Empfänger-Paar von Ultraschallwandlern erzeugten, zeitlich aufeinanderfolgenden Ultraschallsignalen, bei bekannter Geschwindigkeit und bekannter Veränderung der Reflexpunkt-Distanz mit der Zeit, auf ein „constant heading“ geschlossen werden. In particular, a “constant heading” can be inferred by means of two ultrasonic signals that are generated in succession by the same transmitter / receiver pair of ultrasonic transducers, at a known speed and a known change in the distance of the reflex points over time.
Durch die bessere Zuordnung von empfangenen Ultraschallsignalen, die mit der Geschwindigkeitsinformation möglich ist, ergibt sich auch eine verbesserte Bestimmung der Reflexpunkte. The better assignment of received ultrasonic signals, which is possible with the speed information, also results in an improved determination of the reflex points.
Insbesondere führt eine von der Frequenzverschiebung unabhängige Ermittlung des Zeitpunkts und damit der Distanz des empfangenen Ultraschallsignals zu einer verbesserten Bestimmung der Reflexpunkte. Auch eine Echo-Auswahl kann durch die zusätzliche Information über die Geschwindigkeit des reflektierenden Objektes verbessert werden. Denn für die Bestimmung einer Position von (Multi-)Objekten, müssen die einzelnen empfangenen Ultraschallsignale miteinander kombiniert bzw. lateriert werden. Zur Einsparung von Rechenressourcen und zur Reduzierung der Komplexität werden zunächst physikalisch unrealistische Ultraschallsignal- Kombinationen ausgeschlossen. Zusätzlich zu der bisherigen geometrischen Betrachtung aufgrund von Entfernungswerten kann jetzt zusätzlich der Geschwindigkeitswert herangezogen werden. Dies ermöglicht es auch zwei zeitlich nahe beieinanderliegende Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten sinnvoll zu separieren. Zusätzlich wird ermöglicht, den Reflexpunkten, aufgrund der Information über die Ultraschallsignale, Relativgeschwindigkeiten zuzuordnen. In particular, a determination of the point in time and thus the distance of the received ultrasound signal that is independent of the frequency shift leads to an improved determination of the reflex points. An echo selection can also be improved by the additional information about the speed of the reflecting object. Because for the determination of a position of (multi) objects, the individual received ultrasonic signals have to be combined with one another or laterally. To save computing resources and to reduce complexity, physically unrealistic ultrasonic signal combinations are initially excluded. In addition to the previous geometrical consideration based on distance values, the speed value can now also be used. This also makes it possible to meaningfully separate two ultrasonic signals with different speeds that are close together in time. In addition, it is possible to assign relative speeds to the reflex points on the basis of the information about the ultrasonic signals.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal berechnet wird. According to one aspect, it is proposed that a time and frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal is calculated.
Eine solche zweidimensionale Korrelation, d. h. eine Kreuzkorrelation zwischen einem definierten Signalverlauf des Ultraschallpulses g und einem Filtersignal a, die sowohl im Zeit als auch im Frequenzbereich durchgeführt wird, kann mathematisch in folgender Weise berechnet werden: Such a two-dimensional correlation, i.e. H. a cross-correlation between a defined signal course of the ultrasonic pulse g and a filter signal a, which is carried out both in the time and in the frequency domain, can be calculated mathematically in the following way:
(, g * h)(t0,f0 ) = JJ g(t, f)h(t + t0,f + /o) dtdf = JJ g(t + t0,f + f0)h(t,f) dtdf ( , g * h) (t 0 , f 0 ) = JJ g (t, f) h (t + t 0 , f + / o) dtdf = JJ g (t + t 0 , f + f 0 ) h ( t, f) dtdf
Entsprechend ergibt sich für eine Berechnung in diskreten Zeitschritten: Correspondingly, a calculation in discrete time steps results in:
(, 9 * h)(t0,fo ) = y g(t,f)h(t + t0,f + /o) = g(t + t0,f + f0)h(t,f) (, 9 * h) (t 0 , fo) = yg (t, f) h (t + t 0 , f + / o) = g (t + t 0 , f + f 0 ) h (t, f)
Der definierte Signalverlauf kann dabei insbesondere eine solche zeitliche Änderung und/oder eine solche zeitliche Änderung der Frequenz aufweisen, dass bei der Berechnung der zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal ein eindeutiges Maximum in Bezug auf die zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation bestimmt werden kann. The defined signal curve can in particular have such a temporal change and / or such a temporal change in the frequency that when calculating the temporal and frequency-wise cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal, a clear maximum with regard to the temporal and frequency-wise cross-correlation can be determined.
Mit anderen Worten wird das Filtersignal entsprechend einem ,matched filter“ ausgesucht um eineindeutige Ergebnisse der Kreuzkorrelation zu erzielen, bzw. zu erreichen, dass Filtersignal und Ultraschallsignal zeitlich und in Frequenz genau Übereinanderliegen können. Dazu muss das Filtersignal aber nicht die identische Form des ausgesendeten Ultraschallpulses aufweisen. Beispiele für solche definierte Signalverläufe des Ultraschallpulses sind eine einfache Frequenzrampe über der Zeit; ein Signalverlauf bei dem die Frequenz linear in der Zeit zunimmt (Up-Chirp) und wieder abnimmt (Down-Chirp); oder die umgekehrte Form, indem die Frequenz über der Zeit in einem ersten Zeitintervall beispielsweise linear abnimmt und dann linear wieder zunimmt. Auch ein zeitlich definierter Ultraschallpuls mit einer konstanten Frequenz über einen bestimmten Zeitraum kann verwendet werden, da die Korrelation sowohl in der Zeit als auch in der Frequenz bestimmt wird. In other words, the filter signal is selected according to a "matched filter" in order to achieve unambiguous results of the cross-correlation, or to achieve that the filter signal and the ultrasonic signal can be precisely superimposed in terms of time and frequency. For this, the filter signal does not have to have the same shape of the transmitted ultrasonic pulse. Examples of such defined signal curves of the ultrasonic pulse are a simple frequency ramp over time; a signal curve in which the frequency increases linearly over time (up-chirp) and decreases again (down-chirp); or the reverse form, in that the frequency decreases linearly over time in a first time interval, for example, and then increases linearly again. A time-defined ultrasound pulse with a constant frequency over a certain period of time can also be used, since the correlation is determined both in time and in frequency.
Aus einer solchen zweidimensionalen Korrelation in der Zeit und in der Frequenz kann ein zweidimensionaler Plot der Werte der Korrelation über der Zeit und der Frequenz erstellt werden, der eine Vielzahl von Maxima aufweisen kann. Aus diesem Plot kann dann sowohl die Laufzeit eines Ultraschallpulses als auch eine Frequenzverschiebung des empfangenen Ultraschallsignals gegenüber dem ausgesendeten Ultraschallpuls abgelesen werden. From such a two-dimensional correlation in time and in frequency, a two-dimensional plot of the values of the correlation over time and frequency can be created, which can have a multiplicity of maxima. From this plot, both the transit time of an ultrasonic pulse and a frequency shift of the received ultrasonic signal compared to the transmitted ultrasonic pulse can be read.
Aus der Korrelation in der Zeit kann eine Entfernung ds eines reflektierenden Objektes vom Ultraschallwandler berechnet werden: ds = cs * (tD - 10)/2 A distance ds of a reflecting object from the ultrasonic transducer can be calculated from the correlation in time: d s = c s * (t D - 1 0 ) / 2
Wobei cs die Schallgeschwindigkeit ist und tü der Zeitpunkt des Empfangens des Ultraschallsignals und to der Zeitpunkt des Aussendens des Ultraschallpulses. Where cs is the speed of sound and t ü is the time at which the ultrasonic signal is received and to is the time at which the ultrasonic pulse is transmitted.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass sich eine Frequenz des definierten Signalverlaufs zeitlich ändert. According to one aspect, it is proposed that a frequency of the defined signal curve changes over time.
Durch diese zeitliche Änderung des Signalverlaufs kann das empfangene Ultraschallsignal definiert einem ausgesendeten Ultraschallpuls zugeordnet werden. As a result of this change in the signal curve over time, the received ultrasonic signal can be assigned to a transmitted ultrasonic pulse in a defined manner.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der definierte Signalverlauf eine solche zeitliche Änderung und/oder eine solche zeitliche Änderung der Frequenz aufweist, dass sich bei der Berechnung der zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal ein eindeutiges Maximum in Bezug auf die zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation ergibt. According to one aspect, it is proposed that the defined signal curve has such a change over time and / or such a change in frequency over time that when calculating the cross-correlation of the ultrasound signal with respect to time and frequency with the filter signal, there is a clear maximum in terms of time and frequency Cross correlation results.
Dadurch kann ein Ultraschallsignal mit einem Signalverlauf, der eine Veränderung der Frequenz über der Zeit aufweist, eindeutig einem ausgesendeten Ultraschallpuls zugeordnet werden. As a result, an ultrasonic signal with a signal curve that has a change in frequency over time can be clearly assigned to a transmitted ultrasonic pulse.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der erste Ultraschallwandler gleich dem zweiten Ultraschallwandler ist. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine Laufzeit des Ultraschallpulses mittels einer Amplitude eines zeitlichen Anteils der berechneten zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation zur Lokalisierung des Objektes, das den ausgesendeten Ultraschallpuls reflektiert hat, bestimmt wird. According to one aspect, it is proposed that the first ultrasonic transducer is the same as the second ultrasonic transducer. According to one aspect, it is proposed that a transit time of the ultrasonic pulse is determined by means of an amplitude of a temporal component of the calculated temporal and frequency-related cross-correlation for localizing the object that reflected the emitted ultrasonic pulse.
Durch die beschriebene zweidimensionale Kreuzkorrelation, die sowohl in der Zeit als auch in der Frequenz vorgenommen wird, kann die Laufzeit eines ausgesendeten Ultraschallpulses anhand des empfangenen Ultraschallsignals bestimmt werden und durch die zusätzliche frequenzmäßige Kreuzkorrelation können Ultraschallsignale, die von Objekten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit reflektiert wurden, diskriminiert werden. The described two-dimensional cross-correlation, which is carried out both in terms of time and frequency, can be used to determine the transit time of an emitted ultrasonic pulse based on the received ultrasonic signal, and the additional cross-correlation in terms of frequency can discriminate against ultrasonic signals that have been reflected by objects at different speeds will.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Frequenzverschiebung des Ultraschallsignals verwendet wird, um dem Ultraschallsignal ein Objekt zuzuordnen. Wie schon oben beschrieben wurde, kann über den Dopplereffekt die Frequenzverschiebung auf einen Geschwindigkeitsunterschied zurückgeführt werden und somit ist es möglich Objekte mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu diskriminieren. Dies ermöglicht auch physikalisch unrealistische Kombinationen von Ultraschallsignalen zur Bestimmung von Reflexpunkten aufgrund der zusätzlichen Information über die Geschwindigkeit auszuschließen. According to one aspect, it is proposed that the frequency shift of the ultrasonic signal is used in order to assign an object to the ultrasonic signal. As already described above, the frequency shift can be traced back to a speed difference via the Doppler effect and thus it is possible to discriminate objects with different speeds. This also makes it possible to exclude physically unrealistic combinations of ultrasonic signals for determining reflex points due to the additional information about the speed.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass mittels der jeweiligen Frequenzverschiebung eines jeweiligen Ultraschallsignals eines Ultraschallpulses, das von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen wird, die Geschwindigkeit eines Objektes bestimmt wird. According to one aspect, it is proposed that the speed of an object is determined by means of the respective frequency shift of a respective ultrasonic signal of an ultrasonic pulse that is received by a plurality of ultrasonic transducers.
Mittels der Information über die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals von einem reflektierenden Objekt ist es somit möglich aus den laterierten Reflexpunkten, die einem Objekt zugeordnet werden können, die relative Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung einem Objekt zuzuordnen. By means of the information about the speed of the ultrasonic signal from a reflecting object, it is thus possible to assign the relative speed and direction of movement to an object from the laterally reflective points that can be assigned to an object.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass Reflexpunkte mittels Lateration aus einer Vielzahl von Ultraschallpulsen und einer Vielzahl von Ultraschallsignalen bestimmt werden und mittels der Frequenzverschiebung der jeweiligen Ultraschallsignale die Vielzahl von Ultraschallsignalen zur Bestimmung von Reflexpunkten gruppiert werden. According to one aspect, it is proposed that reflex points are determined by lateration from a large number of ultrasonic pulses and a large number of ultrasonic signals and the large number of ultrasonic signals are grouped for determining reflex points by means of the frequency shift of the respective ultrasonic signals.
Ultraschallsignale werden über Sensor-Arrays bzw. Arrays aus Ultraschallwandlern aufgezeichnet, die entweder vorne und/oder hinten und/oder seitlich an einem Fahrzeug montiert sein können. Generell messen die Sensoren von Ultraschall- Systemen die Laufzeiten eines ausgesendeten Ultraschallpulses von einem aussendenden Ultraschallwandler zum reflektierenden Objekt und zurück zu einem empfangenden Ultraschallwandler. Dabei kann der empfangende Ultraschallwandler identisch oder unterschiedlich zu dem aussendenden Ultraschallwandler sein. Ultrasonic signals are recorded via sensor arrays or arrays of ultrasonic transducers, which can be mounted either at the front and / or at the rear and / or at the side of a vehicle. In general, the sensors of ultrasonic Systems determine the transit times of a transmitted ultrasonic pulse from a transmitting ultrasonic transducer to the reflecting object and back to a receiving ultrasonic transducer. The receiving ultrasonic transducer can be identical to or different from the transmitting ultrasonic transducer.
Wird ein reflektierter Ultraschallpuls von mehreren Ultraschallwandlern empfangen, kann durch Lateration der aus den Laufzeiten bestimmten Laufwege („Echos“) die Position des reflektierenden Objektes bestimmt werden. Darüber hinaus kann das Sensor-Array entweder ein- oder zweireihig in einer oberen und einer darunter angeordneten Reihe positioniert werden, woraus der Vorteil resultiert, dass neben einer Bestimmung einer x- und y-Position auch eine Bestimmung einer z-Position, also eine Höheninformation der Reflexionspunkte möglich ist. If a reflected ultrasonic pulse is received by several ultrasonic transducers, the position of the reflecting object can be determined by laterating the paths (“echoes”) determined from the transit times. In addition, the sensor array can be positioned either in one or two rows in an upper row and a row below, which has the advantage that, in addition to determining an x and y position, also determining a z position, i.e. height information the reflection points is possible.
Wenn eine Vielzahl von Ultraschallpulsen ausgesendet wird und die einzelnen definierten Signalverläufe so gewählt sind, dass sie voneinander unterschieden werden können, können über den Empfang von Ultraschallsignalen, die insbesondere von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen werden, und die Ultraschallwandler räumlich voneinander getrennt sind, Ultraschall-Reflexpunkte des reflektierenden Objektes räumlich bestimmt werden. Wenn dabei die Ultraschallwandler, die die Ultraschallsignale empfangen, sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet sind, kann auch eine dreidimensionale Bestimmung der Reflexpunkte durchgeführt werden. If a large number of ultrasonic pulses are transmitted and the individual defined signal curves are selected so that they can be differentiated from one another, ultrasonic signals can be received via the reception of ultrasonic signals, which are received in particular by a large number of ultrasonic transducers and the ultrasonic transducers are spatially separated from one another, ultrasonic Reflecting points of the reflecting object can be determined spatially. If the ultrasonic transducers that receive the ultrasonic signals are arranged both horizontally and vertically, a three-dimensional determination of the reflex points can also be carried out.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, das entsprechend dem Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes eine Frequenzverschiebung bestimmt, und basierend auf der bestimmten Frequenzverschiebung ein Steuersignal zur Ansteuerung eines zumindest teilautomatisierten Fahrzeugs bereitgestellt wird. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass entsprechend dem Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes eine Frequenzverschiebung bestimmt wird, und basierend auf der bestimmten Frequenzverschiebung ein Warnsignal zur Warnung eines Fahrzeuginsassen bereitgestellt wird. A method is proposed which, in accordance with the method for determining a speed of an object, determines a frequency shift and, based on the determined frequency shift, provides a control signal for controlling an at least partially automated vehicle. Alternatively or additionally, it is proposed that a frequency shift is determined in accordance with the method for determining a speed of an object, and a warning signal for warning a vehicle occupant is provided on the basis of the determined frequency shift.
Der Begriff „basierend auf“ ist in Bezug auf das Merkmal, dass ein Steuersignal basierend auf einer bestimmten Frequenzverschiebung bereitgestellt wird, breit zu verstehen. Es ist so zu verstehen, dass die bestimmte Frequenzverschiebung für jedwede Bestimmung oder Berechnung eines Steuersignals herangezogen wird, wobei das nicht ausschließt, dass auch noch andere Eingangsgrößen für diese Bestimmung des Steuersignals herangezogen werden. Sinngemäß gilt das ebenso für das Warnsignal. Es wird eine Vorrichtung angegeben, die eingerichtet ist, ein Verfahren wie es oben beschrieben ist, durchzuführen. Mit einer solchen Vorrichtung kann das Verfahren leicht in unterschiedliche Systeme integriert werden. The term “based on” is to be understood broadly in relation to the feature that a control signal is provided based on a specific frequency shift. It is to be understood that the specific frequency shift is used for any determination or calculation of a control signal, this not excluding the fact that other input variables are also used for this determination of the control signal. This also applies analogously to the warning signal. A device is specified which is set up to carry out a method as described above. With such a device, the method can easily be integrated into different systems.
Es wird ein Computerprogramm angegeben, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Ein solches Computerprogramm ermöglicht den Einsatz des beschriebenen Verfahrens in unterschiedlichen Systemen. A computer program is specified which comprises instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out one of the methods described above. Such a computer program enables the described method to be used in different systems.
Es wird ein maschinenlesbares Speichermedium angegeben, auf dem das oben beschriebene Computerprogramm gespeichert ist. A machine-readable storage medium is specified on which the computer program described above is stored.
Ausführungsbeispiele Working examples
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are illustrated with reference to Figures 1 and 2 and explained in more detail below. Show it:
Figur 1 einen definierten Signalverlauf eines Ultraschallpulses und eines Ultraschallsignals, das in der Frequenz verschoben ist; FIG. 1 shows a defined signal profile of an ultrasonic pulse and an ultrasonic signal which is shifted in frequency;
Figur 2 einen Plot einer zweidimensionalen Kreuzkorrelation und Projektionen. FIG. 2 shows a plot of a two-dimensional cross-correlation and projections.
Figur 1 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines ausgesendeten Ultraschallpulses 120, also einen definierten Signalverlauf, bei dem die Frequenz f des Ultraschallpulses 120 beginnend zum Zeitpunkt t-i linear von einem Wert fMIN mit der Zeit t bis zum Zeitpunkt to auf einen Wert fMAX zunimmt und dann die Frequenz linear bis zum Zeitpunkt ti wieder auf den Wert fMIN abnimmt. FIG. 1 shows a time profile of an emitted ultrasonic pulse 120, i.e. a defined signal profile in which the frequency f of the ultrasonic pulse 120 increases linearly from a value fMIN to a value fMAX and then the frequency starting at time ti with time t up to time to linearly until the time ti decreases again to the value fMIN.
In Folge des Dopplereffektes kann aus diesem Ultraschallpuls 120 ein in der Frequenz verschobenes Ultraschallsignal 110 resultieren, das in dem Diagramm 100 der Figur 1 zusätzlich eingezeichnet ist. Da in diesem Beispiel der Verlauf der Frequenz des Ultraschallpulses 120 in Richtung auf höhere Frequenzen verschoben ist, bewegt sich das Objekt auf den empfangenden Ultraschallwandler zu. As a result of the Doppler effect, this ultrasound pulse 120 can result in an ultrasound signal 110 shifted in frequency, which is additionally shown in diagram 100 in FIG. Since in this example the course of the frequency of the ultrasonic pulse 120 is shifted in the direction of higher frequencies, the object moves towards the receiving ultrasonic transducer.
Ein mögliches Filtersignal 135 ist in dem Diagramm 130 gezeigt, das einen dem Ultraschallpuls entsprechenden Frequenzverlauf über der Zeit hat, was in dem Diagramm 130 durch eine Form des Frequenzverlaufs 135 über der Zeit, der dem Verlauf des Signals des Ultraschallpulses entspricht, angedeutet ist. In der Figur 1 ist dadurch zu erkennen, dass eine zeitliche Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals 110 mit dem Filtersignal 135 eine eindeutige Zuordnung des Ultraschallsignals 110 in der Zeit mit diesem definierten Signalverlauf des Ultraschallsignals ermöglicht. Aus diesem Bild ist abzulesen, dass eine zeitliche Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals 110 mit dem Filtersignal 135 zum Zeitpunkt to ein Maximum ausweisen würde. A possible filter signal 135 is shown in diagram 130, which has a frequency curve over time that corresponds to the ultrasonic pulse, which is indicated in diagram 130 by a shape of frequency curve 135 over time that corresponds to the curve of the signal of the ultrasonic pulse. In FIG. 1 it can be seen that a temporal cross-correlation of the ultrasonic signal 110 with the filter signal 135 enables an unambiguous assignment of the ultrasonic signal 110 over time with this defined signal profile of the ultrasonic signal. From this image it can be seen that a temporal cross-correlation of the ultrasonic signal 110 with the filter signal 135 would show a maximum at the time to.
Die Figur 2 skizziert ein mögliches Ergebnis einer zweidimensionalen Kreuzkorrelation in der Zeit und in der Frequenz. In dem Diagramm 210 ist das Ergebnis, d. h. der Wert, einer solchen Kreuzkorrelation über der Zeit t und über der Frequenz f aufgetragen. Dabei sind fünf Ultraschallsignale 211, 212, 213, 214, 215 zu erkennen, die jeweils ein Maximum 211m, 212m, 213m, 214m,FIG. 2 outlines a possible result of a two-dimensional cross-correlation in time and in frequency. In the diagram 210 is the result, i. H. the value of such a cross-correlation is plotted against time t and frequency f. Five ultrasonic signals 211, 212, 213, 214, 215 can be seen, each of which has a maximum 211m, 212m, 213m, 214m,
215m aufweisen, das für die Ultraschallsignale 212, 213, 214, 215 gegenüber einem Ultraschallsignal 211 von einem nicht bewegten statischen Objekte mit dem Maximum 211m bei der Frequenz fo verschoben ist. Das Maximum des Ultraschallsignals 211 von einem statischen Objekt liegt also hier bei einer Frequenz fs, die der des ausgesendeten Ultraschallpulses fo entspricht. Die zwei nächsten Echo-Signale 212, 213 in der Mitte wurden von einem Objekt mit negativer Relativgeschwindigkeit reflektiert, woraus eine Frequenzabnahme resultiert. Die zwei rechten Echo-Signale 214, 215 rechts im Plot, wurden von einem Objekt mit positiver Relativgeschwindigkeit reflektiert und zeigen daher eine Frequenzerhöhung. 215m, which for the ultrasonic signals 212, 213, 214, 215 is shifted with respect to an ultrasonic signal 211 from a static object that is not moving with the maximum 211m at the frequency fo. The maximum of the ultrasonic signal 211 from a static object is therefore here at a frequency fs which corresponds to that of the transmitted ultrasonic pulse fo. The two next echo signals 212, 213 in the middle were reflected by an object with a negative relative speed, which results in a decrease in frequency. The two right echo signals 214, 215 on the right in the plot were reflected by an object with a positive relative speed and therefore show an increase in frequency.
Diese Frequenzverschiebung Df ist für das Ultraschallsignal 212 in dem Diagramm 230 der Figur 2 zur Verdeutlichung über dem Wert KF der frequenzmäßigen Kreuzkorrelation als Projektion auf die Frequenzachse aufgetragen. This frequency shift Df is plotted for the ultrasound signal 212 in the diagram 230 in FIG. 2 for clarity over the value KF of the frequency-related cross-correlation as a projection on the frequency axis.
Das Diagramm 220 der Figur 2 skizziert entsprechend den Verlauf eines Wertes KT einer Korrelation von Ultraschallsignalen mit dem Filtersignal, wobei die Laufzeiten Ϊ2, Ϊ3, Ϊ4, ts, ΐb der unterschiedlichen Ultraschallsignale 211, 212, 213, 214, 215 in eine Entfernung des Objektes von dem jeweiligen empfangenden Ultraschallwandler umgerechnet werden können. D.h. das Diagramm 220 zeigt eine Projektion des Ergebnisses der zweidimensionalen Kreuzkorrelation auf den Zeit-Bereich und das Diagramm 230 die Projektion auf den Frequenz-Bereich. Diagram 220 in FIG. 2 accordingly outlines the course of a value KT of a correlation of ultrasonic signals with the filter signal, with the transit times Ϊ2, Ϊ3, Ϊ4, ts, ΐb of the different ultrasonic signals 211, 212, 213, 214, 215 at a distance from the object can be converted by the respective receiving ultrasonic transducer. That is, the diagram 220 shows a projection of the result of the two-dimensional cross-correlation onto the time domain and the diagram 230 shows the projection onto the frequency domain.
Das bedeutet, dass mit diesem Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes mit einem Ultraschallpuls ein Ultraschallpuls mit einem ersten Ultraschallwandler ausgesendet wird, der einen definierten Signalverlauf aufweist. Das von einem Objekt reflektierte Ultraschallsignal wird mit einem zweiten Ultraschallwandler, der identisch zu dem ersten Ultraschallwandler sein kann, empfangen. Durch eine frequenzmäßige Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal, das mit dem definierten Signalverlauf zumindest teilweise korreliert, kann eine Frequenzverschiebung zwischen dem Filtersignal und dem empfangenen Ultraschallsignal wie beschrieben bestimmt werden. Die Geschwindigkeit des Objektes, das den Ultraschallpuls reflektiert hat kann dann entsprechend dem Dopplereffekt berechnet werden. This means that with this method for determining a speed of an object with an ultrasound pulse, an ultrasound pulse with a first Ultrasonic transducer is emitted, which has a defined signal course. The ultrasonic signal reflected by an object is received with a second ultrasonic transducer, which can be identical to the first ultrasonic transducer. A frequency shift between the filter signal and the received ultrasonic signal can be determined as described by a frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal, which at least partially correlates with the defined signal curve. The speed of the object that reflected the ultrasonic pulse can then be calculated according to the Doppler effect.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objektes mit einem Ultraschallpuls mit den Schritten: 1. Method for determining the speed of an object with an ultrasonic pulse with the following steps:
Aussenden des Ultraschallpulses mit einem ersten Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallpuls einen definierten Signalverlauf aufweist; Emitting the ultrasonic pulse with a first ultrasonic transducer, the ultrasonic pulse having a defined signal course;
Empfangen eines Ultraschallsignals mit einem zweiten Ultraschallwandler; Receiving an ultrasonic signal with a second ultrasonic transducer;
Berechnen einer frequenzmäßigen Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit einem Filtersignal, das mit dem definierten Signalverlauf zumindest teilweise korreliert; Calculating a frequency cross-correlation of the ultrasonic signal with a filter signal which at least partially correlates with the defined signal profile;
Bestimmen einer Frequenzverschiebung zwischen dem Filtersignal und dem empfangenen Ultraschallsignal mittels eines Ergebnisses der berechneten Kreuzkorrelation; Determining a frequency shift between the filter signal and the received ultrasound signal by means of a result of the calculated cross-correlation;
Bestimmen der Geschwindigkeit des Objektes, das den ausgesendeten Ultraschallpuls reflektiert hat, mittels der bestimmten Frequenzverschiebung. Determining the speed of the object that reflected the emitted ultrasonic pulse by means of the determined frequency shift.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal berechnet wird. 2. The method according to claim 1, wherein a temporal and frequency-wise cross-correlation of the ultrasonic signal with the filter signal is calculated.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Frequenz des definierten Signalverlaufs zeitlich ändert. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein a frequency of the defined signal curve changes over time.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der definierte Signalverlauf eine solche zeitliche Änderung und/oder eine solche zeitliche Änderung der Frequenz aufweist, dass sich bei der Berechnung der zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation des Ultraschallsignals mit dem Filtersignal ein eindeutiges Maximum (211m, 212m, 213m, 214m) in Bezug auf die zeitliche und frequenzmäßige Kreuzkorrelation ergibt. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the defined signal curve has such a change over time and / or such a change in frequency over time that a clear maximum (211m, 212m , 213m, 214m) in terms of time and frequency cross-correlation.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ultraschallwandler gleich dem zweiten Ultraschallwandler ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the first ultrasonic transducer is the same as the second ultrasonic transducer.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Laufzeit des Ultraschallpulses mittels einer Amplitude eines zeitlichen Anteils der berechneten zeitlichen und frequenzmäßigen Kreuzkorrelation zur Lokalisierung des Objektes, das den ausgesendeten Ultraschallpuls reflektiert hat, bestimmt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a transit time of the ultrasonic pulse is determined by means of an amplitude of a temporal component of the calculated temporal and frequency-wise cross-correlation for localizing the object that reflected the emitted ultrasonic pulse.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzverschiebung des Ultraschallsignals verwendet wird, um dem Ultraschallsignal ein Objekt zuzuordnen. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the frequency shift of the ultrasonic signal is used to assign an object to the ultrasonic signal.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der jeweiligen Frequenzverschiebung eines jeweiligen Ultraschallsignals eines Ultraschallpulses, das von einer Vielzahl von Ultraschallwandlern empfangen wird, die Geschwindigkeit eines Objektes bestimmt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the speed of an object is determined by means of the respective frequency shift of a respective ultrasonic signal of an ultrasonic pulse that is received by a plurality of ultrasonic transducers.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Reflex- Punkte mittels Lateration aus einer Vielzahl von Ultraschallpulsen und einer Vielzahl von Ultraschallsignalen bestimmt werden, und mittels der Frequenzverschiebung der jeweiligen Ultraschallsignale die Vielzahl von Ultraschallsignalen zur Bestimmung von Reflexpunkten gruppiert werden. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein reflex points are determined by lateration from a plurality of ultrasonic pulses and a plurality of ultrasonic signals, and the plurality of ultrasonic signals are grouped to determine reflex points by means of the frequency shift of the respective ultrasonic signals.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei basierend auf der bestimmten Frequenzverschiebung ein Steuersignal zur Ansteuerung eines zumindest teilautomatisierten Fahrzeugs bereitgestellt wird; und/oder basierend auf der bestimmten Frequenzverschiebung ein Warnsignal zur Warnung eines Fahrzeuginsassen bereitgestellt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein a control signal for controlling an at least partially automated vehicle is provided based on the determined frequency shift; and / or a warning signal for warning a vehicle occupant is provided based on the determined frequency shift.
11. Vorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen. 11. Device which is set up to carry out a method according to one of claims 1 to 10.
12. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen. 12. A computer program comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method according to any one of claims 1 to 10.
13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist. 13. Machine-readable storage medium on which the computer program according to claim 12 is stored.
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