DE102007040042B4 - System zum Erzeugen eines Lichtbündels im Vorfeld eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

System zum Erzeugen eines Lichtbündels im Vorfeld eines Kraftfahrzeuges Download PDF

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Abstract

System zum Erzeugen eines Lichtbündels im Vorfeld eines Kraftfahrzeuges bestehend aus- einem Scheinwerfer, der mindestens ein LED-Array aus mehreren, separat elektrisch ansteuerbaren Leuchtdioden (LEDs) umfasst,- einer Objektdetektionseinrichtung zum Detektieren von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs,- einer Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position eines erkannten Objekts relativ zum Kraftfahrzeug, wobei- das von dem LED-Array in Verbindung mit einem optischen Abbildungssystem erzeugte Lichtbündel durch zumindest eine horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung charakterisierbar ist, wobei die Beleuchtungsstärke jeweils füra) verschiedene Positionen vor dem Kraftfahrzeug undb) verschiedene horizontale Winkel relativ zu einer Referenzrichtung definierbar ist,- wobei die Beiträge von mindestens zwei LEDs zur Beleuchtungsstärke-Verteilung zumindest teilweise horizontalwinkelmäßig überlappen,- wobei jeweils für ein detektiertes Objekt in Abhängigkeit von der Position des Objekts zum Kraftfahrzeug und in Abhängigkeit einer angenommenen oder ermittelten Objektbreite ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich ermittelbar ist,- dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen LEDs unter Berücksichtigung der horizontalwinkelmäßigen Überlappung ihrer Beiträge zur Beleuchtungsstärke-Verteilung derart ansteuerbar sind, dass im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich und bezogen auf die Position des detektierten Objekts ein Beleuchtungsstärkegrenzwert nicht überschritten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen eines Lichtbündels, insbesondere eines blendfreien Fernlichts, im Vorfeld eines Kraftfahrzeuges. Das gattungsgemäße System besteht aus einem Scheinwerfer, der mindestens ein LED-Array aus mehreren, separat elektrisch ansteuerbaren Leuchtdioden (LEDs) umfasst, einer Objektdetektionseinrichtung zum Detektieren von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs und einer Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position eines detektierten Objekts relativ zum Kraftfahrzeug.
  • Ein derartiges System zur Erzeugung eines blendfreien Fernlichts ist aus der DE 10 2005 014 953 A1 bekannt. Beim System gemäß DE 10 2005 014 953 A1 ist das gesamte Ausleuchtvolumen (Lichtbündel) in bestimmte, sich einander ergänzende und nicht überlappende Ausleuchtbereiche unterteilt, wobei jedem Ausleuchtbereich genau eine LED zugeordnet ist. Dabei werden nun der/die Ausleuchtbereich(e), in denen sich andere Verkehrsteilnehmer (Objekte) befinden, durch Ansteuerung der diesem/diesen Ausleuchtbereich(en) zugeordneten LEDs zur Entblendung der Verkehrsteilnehmer abgedunkelt. Wie Versuche gezeigt haben, ist eine derartige Aufteilung des Ausleuchtvolumens in einzelne, exakt gegeneinander abgegrenzte Ausleuchtbereiche technisch nur schwer oder gar nicht zu realisieren.
  • Wenn das von dem LED-Array in Verbindung mit einem optischen Abbildungssystem erzeugte Lichtbündel jedoch dergestalt ist, dass in den Ausleuchtbereichen die Einzelbeiträge von zwei oder mehr LEDs zumindest teilweise überlappen, ist die gezielte selektive Abdunkelung einzelner Ausleuchtbereiche durch separate Ansteuerung einer einzigen LED - wie in DE 10 2005 014 953 A1 - nicht mehr möglich.
  • Ferner offenbart die EP 17 80 462 A1 ein moduliertes Fahrzeugbeleuchtungsverfahren und ein dieses Verfahren umsetzenden Scheinwerfer. Aus US 2003/0107323 A1 ist ein System bekannt zum Steuern mindestens eines Fahrzeugaußenlichts eines gesteuerten Fahrzeugs, umfassend eine Anordnung von Sensoren und eine Steuereinheit
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße System dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine gezielte Entblendung von Objekten auch dann ermöglicht wird, wenn in den Ausleuchtbereichen des Lichtbündels die Einzelbeiträge von zwei oder mehr LEDs zumindest teilweise überlappen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die sich daran anschließenden Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen.
  • Erfindungsgemäß ist das von dem LED-Array in Verbindung mit einem optischen Abbildungssystem erzeugte Lichtbündel durch zumindest eine horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung charakterisierbar, wobei die Beleuchtungsstärke jeweils
    1. a) für verschiedene Positionen vor dem Kraftfahrzeug und
    2. b) für verschiedene horizontale Winkel (φ) relativ zu einer Referenzrichtung definierbar ist.
    Als Referenzrichtung wird vorzugsweise eine parallel zur Fahrzeuglängsrichtung und durch die Mitte des LED-Arrays verlaufende Richtung ausgewählt.
  • Dabei wird in dieser horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung die zumindest teilweise horizontalwinkelmäßige Überlappung der Beiträge von zwei oder mehr LEDs berücksichtigt.
  • Für jedes detektierte Objekt ist nun in Abhängigkeit von der Position des Objekts zum Kraftfahrzeug und in Abhängigkeit einer angenommenen oder ermittelten Objektbreite ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich ermittelbar.
  • Da in dem erfindungsgemäßen System die Beiträge der einzelnen LEDs zur horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung sowie deren Überlappung bekannt ist und sich daraus die resultierende horizontale Beleuchtungsstärke als Summe der Einzelbeiträge unter Berücksichtigung der Überlappung ableiten lässt, sind die einzelnen LEDs derart ansteuerbar, dass im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich und bezogen auf die Position des detektierten Objekts ein Beleuchtungsstärkegrenzwert nicht überschritten wird.
  • Unter Position eines detektierten Objekts wird insbesondere der Abstand des Objekts zum Kraftfahrzeug (Systemfahrzeug) in Fahrtrichtung und/oder der seitliche Versatz des Objekts gegenüber dem Systemfahrzeug verstanden. Dabei wird als Bezugspunkt am Systemfahrzeug für die Positionsbestimmung vorzugsweise jeweils der Scheinwerfereinbauort gewählt, so dass die Position eines Objektes bezogen auf den linken und rechten Scheinwerfer etwas unterschiedlich ist.
  • Da die Beleuchtungsstärke (Einheit: Lux; Lumen/m2) nach dem fotometrischen Entfernungsgesetz mit dem Quadrat der Entfernung von der Lichtquelle (Scheinwerfer mit LED-Array) abnimmt, ist die Beleuchtungsstärke am Auge des Fahrers eines entgegenkommenden oder vorausfahrenden Fahrzeuges, dass sich in einem Abstand von einigen hundert Metern befindet, um ein Vielfaches kleiner als in unmittelbarer Nähe. Empirische Untersuchungen mit Testpersonen haben ergeben, dass erst Beleuchtungsstärken von größer als 0,25 Lux als Blendung empfunden werden. Ein vollständige Abdunkelung/Entblendung ist daher bei großen Abständen zum entgegenkommenden oder vorausfahrenden Fahrzeug nicht notwendig. Es ist vielmehr ausreichend, wenn ein Beleuchtungsstärkegrenzwert von vorzugsweise 0,25 Lux am Ort eines detektierten Objekts nicht überschritten wird. Bei zwei Scheinwerfern, die gemeinsam zur Erzeugung des Lichtbündels beitragen, entfällt auf jeden Scheinwerfer ein Beleuchtungsstärkegrenzwert von ca. 0, 125 Lux.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem Systemfahrzeug, einem vorausfahrenden und einem entgegenkommenden Fahrzeug,
    • 2 eine schematische Darstellung eines LED-Arrays bezogen auf die eigene Fahrbahn und die Gegenfahrbahn,
    • 3A die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung des rechten Scheinwer- - fers als Reaktion auf ein entgegenkommendes Fahrzeug bei unter-Fig.3F schiedlichen Abständen,
    • 4 die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung des linken Scheinwerfers - als Reaktion auf ein entgegenkommendes Fahrzeug bei unterschiedli-Fig. 4F chen Abständen,
    • 5 eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem Systemfahrzeug und einem entgegenkommenden Fahrzeug bei zwei unterschiedlichen Abständen,
    • 6 die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung bei einem entgegenkommenden Fahrzeug im Abstand von 500m,
    • 7 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems,
    • 8 eine Schaltungsanordnung zur PWM-Ansteuerung der einzelnen LEDsim LED-Array,
    • 9 die Veranschaulichung einer Variante zur Bestimmung der Dimmwerte für die LEDs anhand der horziontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fahrsituation mit einem Systemfahrzeug, einem vorausfahrenden und einem entgegenkommenden Fahrzeug. Unter Systemfahrzeug wird dabei ein Kraftfahrzeug verstanden, bei dem das erfindungsgemäße System installiert ist. Die Systemkomponenten des Systems sind in 7 schematisch dargestellt, und zwar: Scheinwerfer umfassend ein LED-Array mit optischem Abbildungssystem, Objektdetektionseinrichtung, Positionsbestimmungseinrichtung sowie eine Auswerte- und Ansteuereinrichtung. In der Auswerte- und Ansteuereinrichtung wird anhand der Daten der Objektdetektions- und Positionsbestimmungseinrichtung ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich ermittelt. Anschließend werden dann in der Auswerte- und Ansteuereinrichtung anhand der Information über die Beiträge der einzelnen LEDs zur horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung sowie deren Überlappung die Ansteuersignale für die einzelnen LEDs ermittelt. Die Korrelation zwischen einer jeweils situationsabhängig einzustellenden horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung und den Ansteuersignalen für die einzelnen LEDs wird dann durch einen Algorithmus in der Auswerte- und Ansteuereinrichtung unter Berücksichtigung der bekannten Einzelbeiträge und deren Überlappung berechnet. Alternativ dazu kann diese Korrelation zwischen der jeweils situationsabhängig einzustellenden horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung und den Ansteuersignalen für die einzelnen LEDs auch in einer Ansteuerdatenbank gespeichert sein.
  • Als Objektdetektionseinrichtung wird vorzugsweise eine digitale Kamera mit nachfolgender Bildverarbeitung verwendet. Diese Kamera kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig auch als Positionsbestimmungseinrichtung verwendet werden, wobei zur Positionsbestimmung die Lage und/oder Größe von zumindest Teilen des Objekts in aufeinanderfolgenden Kamerabildern analysierabr ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist als Objektdetektionseinrichtung eine Kamera und als Positionsbestimmungseinrichtung ein RADAR-Sensor oder ein sogenannter LIDAR-Sensor vorgesehen.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird ein RADAR-Sensor oder LIDAR-Sensor sowohl als Objektdetektions- als auch Positionsbestimmungseinrichtung eingesetzt.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird als Objektdetektionseinrichtung ein RADAR-Sensor oder LIDAR-Sensor und als Positionsbestimmungseinrichtung eine Kamera verwendet.
  • Die Doppel-Verwendung einer Sensoreinrichtung (Kamera, RADAR-/LIDAR-Sensor) sowohl als Objektdetektionseinrichtung als auch als Positionsbestimmungseinrichtung ist insbesondere unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft.
  • 1 zeigt ein Systemfahrzeug mit einem linken und einem rechten Scheinwerfer, in dem jeweils ein LED-Array angeordnet ist. Die Abstände zum entgegenkommenden und vorausfahrenden Fahrzeug gemessen in Fahrtrichtung sind jeweils mit A bezeichnet. Die Fahrzeugbreite (Objektbreite) ist mit B bezeichnet. Außerdem sind die blendungskritischen Horizontalwinkelbereiche zur Entblendung des entgegenkommenden und des vorausfahrenden Fahrzeug eingezeichnet, und zwar in Bezug auf den linken und den rechten Scheinwerfer: ΔφL , ΔφR .
  • Bei Verwendung einer Kamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinrichtung als Objektdetekionseinrichtung sind Fahrzeuge als Objekte vorzugsweise anhand ihrer Lichtquellen (Scheinwerfer, Heckleuchten, Seitenmarkierungsleuchten etc.) detektierbar.
  • In einer Variante ist dabei jede Lichtquelle als ein Fahrzeug erkennbar, wobei zur Bestimmung einer zu entblendenden Objektbreite ein lateraler Bereich mit einem Wert von B/2 zu beiden Seiten der Lichtquelle angenommen wird, wobei die Objektbreite insgesamt dem Wert B entspricht. Für B/2 wird beispielsweise ein Wert von 2,5m verwendet. Die Objektbreite wird in Verbindung mit der Objektposition, insbesondere dem Objektabstand, zur Ermittlung des blendungskritischen Horizontalwinkelbereichs herangezogen. Diese Art der Objektdetektion und Objektbreitenbestimmung hat den Vorteil, dass Fahrzeuge, bei denen ein Scheinwerfer oder eine Heckleuchte ausgefallen ist, sicher erkannt werden und ihnen eine zu entblendende Objektbreite zugeordnet wird, die sicherstellt, dass der Fahrer sich innerhalb der Objektbreite (genauer gesagt innerhalb des blendungskritischen Horizontalwinkelbereichs) befindet, die entblendet wird. Darüber hinaus lassen sich mit dieser Art der Objektdetektion und Objektbreitenbestimmung Zweiradfahrer anhand ihres Scheinwerfers oder ihrer Rückleuchte sicher erkennen und entblenden. Bei vorausfahrenden Fahrzeugen mit zwei intakten Heckleuchten oder bei entgegenkommenden Fahrzeugen mit zwei intakten Scheinwerfern würde dann eine Objektbreite von 2x(B/2) + Lichtquellenabstand angenommen.
    In einer alternativen Variante ist bei einer möglichen Zuordnung von zwei oder mehr Lichtquellen zu einem Fahrzeug anhand der relativen Position der jeweiligen Lichtquellen zueinander die zu entblendende Objektbreite bestimmbar. Dabei entspricht die Objektbreite dann dem Abstand der Lichtquellen, wobei vorzugsweise aus Sicherheitsgründen noch ein bestimmter Betrag addiert wird.
  • Bei den detektierten Lichtquellen kann es sich auch bspw. um den linken und rechten Scheinwerfer zweier entgegenkommender Fahrzeuge handeln, die dann als ein gemeinsames Objekt entblendet werden. Für die Berechung des Beleuchtungsstärkegrenzwertes wird das Fahrzeug mit dem kleinsten Abstand herangezogen.
  • Erfindungsgemäß ist es ebenfalls vorgesehen, bei zwei oder mehr detektierten Objekten diese Objekte in Untergruppen (z.B. vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge) einteilbar sind, wobei für jede Untergruppe jeweils ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich und ein Beleuchtungsstärkegrenzwert bestimmbar ist.
  • Ferner ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass anhand der Objektdetektionseinrichtung und/oder anhand der Positionsbestimmungseinrichtung ermittelbar ist, ob es sich bei einem detektierten Objekt um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt. Dabei ist der Beleuchtungsstärkegrenzwert im Fall des vorausfahrenden Fahrzeugs höher ist als im Fall des entgegenkommenden Fahrzeugs bei ansonsten gleichem Abstand. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass im Fall des vorausfahrenden Fahrzeugs, die Blendung nur indirekt über den Innenspiegel erfolgt, dessen Reflexionsgrad kleiner als 100% ist.
  • Um festzustellen, ob es sich bei einem Objekt um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt sind erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten vorgesehen:
  • In einer Ausführungsform wird eine Kamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitung verwendet, die in der Lage ist, die spektrale Lichtverteilung von Fahrzeuglichtquellen derart zu analysieren, dass Scheinwerfer (mit im wesentlichen weißen Licht) von Heckleuchten (mit im wesentlichen rotem Licht) unterschieden werden können.
  • Ferner ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, dass anhand einer Zuordnung eines detektierten Objekts zu einer Fahrbahn feststellbar ist, ob es sich um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass anhand der Änderung der Position eines detektierten Objekts und/oder anhand der Änderungsgeschwindigkeit der Position eines detektierten Objekts feststellbar ist, ob es sich um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines LED-Arrays bezogen auf die eigene Fahrbahn und die Gegenfahrbahn. Das beispielhaft dargestellte LED-Array besteht aus zwei übereinander angeordneten Zeilen von jeweils 16 separat ansteuerbaren LEDs (LED-Chips). Zur Einstellung des Lichtstroms zum Zwecke der Dimmung sind die LEDs jeweils einzeln über ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal ansteuerbar, wobei der Lichtstrom über das Verhältnis der Pulseinschaltdauer zur Pulsauschaltdauer eingestellt wird. Zur elektrischen Ansteuerung der LEDs wird in Verbindung mit 8 näheres ausgeführt.
  • Nachfolgend wird in Verbindung mit 9 eine erste Variante zur Ermittlung der Dimmwerte für die LEDs beschrieben. Im oberen Bild der 9 sind die Einzelbeiträge der LEDs zur horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung aufgetragen. Wie zu erkennen ist, überlappen diese teilweise. Der erfindungsgemäß ermittelte blendungskritische Horizontalwinkelbereich ist ebenfalls eingezeichnet.
  • Zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels ist das System derart ausgebildet, dass, nun in einem ersten Schritt die LEDs ermittelbar sind, die für sich allein betrachtet einen Beitrag zur Beleuchtungsstärke-Verteilung im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich aufweisen, der bezogen auf die jeweilige Position des detektierten Objekts oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt (siehe 9, 2. Bild von oben). Diese LEDs sollen nun gedimmt werden, wobei das Ausmaß der Dimmung in zwei Stufen bestimmt wird. In einer ersten Stufe ist für jede dieser LEDs bestimmbar, um welchen Wert diese gedimmt werden muss, damit das Maximum ihres Beitrags im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich unterhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt. In einer zweiten Stufe wird dann anhand eines vorbestimmten Überlappungskorrekturwertes festgelegt, um wieviel die LEDs über den in der ersten Stufe bestimmten Wert hinaus gedimmt werden, wobei der Überlappungskorrekturwert unter Berücksichtigung der horizontalwinkelmäßigen Überlappung der LED-Beiträge zur Beleuchtungsstärke-Verteilung bestimmt wurde. Aus den so ermittelten Dimmwerten werden dann PWM-Ansteuersignale für die jeweiligen LEDs generiert.
  • Nachfolgend soll nun noch eine zweite Variante zur Ermittlung der Dimmwerte für die LEDs beschrieben werden. Zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels ist das System derart ausgebildet, dass auch bei dieser Variante in einem ersten Schritt die LEDs ermittelbar sind, die für sich allein betrachtet einen Beitrag zur Beleuchtungsstärke-Verteilung im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich aufweisen, der bezogen auf die jeweilige Position des detektierten Objekts oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt. In einem zweiten Schritt ist dann für jede dieser LEDs bestimmbar, um wieviel diese gedimmt werden muss, damit das Maximums ihres Beitrags unterhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt. In einem dritten Schritt ist dann ausgehend von den im zweiten Schritt ermittelten Einzelbeiträgen der LEDs die Summe der Einzelbeiträge berechenbar.
    In einem anschließenden vierten Schritt ist dann überprüfbar, ob die Summe der Einzelbeiträge im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt. Zum Schluß ist dann in einem fünften Schritt (falls die Summe der Einzelbeiträge im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich oberhalb der maximalen Beleuchtungsstärke liegt) das Maximum der Summe der Einzelbeiträge ermittelbart, wobei aus dem Verhältnis dieses Maximums zum Beleuchtungsstärkegrenzwert ermittelbar ist, um wieviel jede LED im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich letztendlich gedimmt werden muss, damit der Beleuchtungsstärkegrenzwert mit Blick auf das detektierte Objekt nicht überschritten wird.
  • Die erfindungsgemäße horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung stellt einen horizontalen Schnitt durch eine dreidimensionale Beleuchtungsstärke-Verteilung dar, der vorzugsweise durch die Maxima der vertikalen Beleuchtungsstärke-Verteilung verläuft. Damit ist sichergestellt, dass es bei Verwendung dieser horizontalen Beleuchtungsstärke-Verteilung in vertikaler Richtung keine unvorhergesehenen Blendungen gibt, da sicherheitshalber auf das Maximum abgestellt wurde.
  • In 3A bis 3F ist die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung des rechten Scheinwerfers als Reaktion auf ein entgegenkommendes Fahrzeug in unterschiedlichen Abständen gezeigt. Dargestellt sind dabei sowohl die Einzelbeiträge der LEDs als auch die resultierende Verteilung als Summe der Einzelbeiträge. Wie zu erkennen ist, wird die Absenkung der Beleuchtungsstärke und der Winkelbereich, in dem abgesenkt wird, mit abnehmenden Abstand immer größer. Außerdem verschiebt sich der Winkelbereich, in dem gedimmt wird, mit zunehmenden Abstand hin zu negativeren Winkeln. In den 3A bis 3F sind relative Beleuchtungsstärken dargestellt. Ausgelegt ist das erfindungsgemäße System vorzugsweise darauf, mit zwei LED-Arrays im ungedimmten Zustand in einem Abstand von 25m eine Beleuchtungsstärke von ca. 100 Lux zu erzeugen. Bei einem Objektabstand von 1000m ist dabei aufgrund der quadratischen Abnahme der Beleuchtungsstärke mit dem Abstand noch keine Dimmung erforderlich, da die Beleuchtungsstärke am Ort des Objekts unter dem für eine Blendung kritischen Wert liegt.
  • In 4A bis 4F sind die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung des linken Scheinwerfers als Reaktion auf ein entgegenkommendes Fahrzeug in unterschiedlichen Abständen gezeigt. Aufgrund des Abstandes zwischen den beiden Scheinwerfern sind die gedimmten Winkelbereiche gegenüber den 3A bis 3F geringfügig nach rechts verschoben.
  • In 6 ist eine Beleuchtungsstärke-Verteilung bei einem Abstand von 500m vergrößert dargestellt. Anhand der markierten Punkte ist nachvollziehbar, wie sich jeweils die resultierende Beleuchtungsstärke als Summe aus den Einzelbeiträgen zusammensetzt.
  • Da die Objektdetektion, die Positionsbestimmung und auch die Einstellung einer neuen Beleuchtungsstärke-Verteilung nicht beliebig schnell erfolgt, sondern hierfür jeweils eine endliche Zeitdauer benötigt wird, ist es in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels eine Retadierungszeit zu berücksichtigen. Dabei wird die Retadierungszeit durch
    • - die Bearbeitungsdauer für die Objektdetektion,
    • - die Bearbeitungsdauer für die Positionsbestimmung,
    • - und/oder die Dauer für die Einstellung einer Beleuchtungsstärkeverteilung
    bestimmt.
  • Dabei sind in Abhängigkeit
    • - der relativen Geschwindigkeit zwischen Kraftfahrzeug und Objekt,
    • - der relativen Beschleunigung zwischen Kraftfahrzeug und Objekt,
    • - der relativen Bewegungsrichtung zwischen Kraftfahrzeug und Objekt,
    Änderungen der relativen Position des Objektes zum Kraftfahrzeug innerhalb der Retardierungszeit vorherbestimmbar, wobei die so vorherbestimmten Änderungen bei der Ansteuerung der einzelnen LEDs berücksichtigt werden.
  • Auf diese Weise ist es möglich, die „Trägheit“ des Systems gegenüber der Dynamik der Fahrsituation durch eine vorausschauende Anpassung zu kompensieren.
  • In Verbindung mit 8 soll nun näher auf eine Schaltungsanordnung zur PWM-Ansteuerung des LEDs eingegangen werden. Dargestellt ist eine Schaltungsanordung für einen LED-Scheinwerfer, bei der die LEDs aus spannungstechnischen Gründen auf zwei Reihenschaltungen aufgeteilt sind, wobei jede Reihenschaltung vorzugsweise die gleiche Anzahl von LEDs umfasst. Allerdings sind auch Reihenschaltungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von LEDs vorgesehen. Dabei ist jeder LED eine aktiv steuerbare Bypass-Schaltung zur Steuerung der Lichtintensität dieser LED parallel geschaltet. Die Ansteuerung der Bypass-Schaltung erfolgt jeweils verlustarm und schnell über einen Halbleiterschalter (HS), vorzugsweise ein Feldeffekttransistor. Die Halbleiterschalter selbst werden nun wiederum von einer Steuereinheit angesteuert. Bei der Steuereinheit kann es sich um einen Mikroprozessor oder eine programmierbare Logikeinheit handeln.
  • In einer Ausführungsform wird mittels der Halbleiterschalter der Bypass digital ein bzw. ausgeschaltet, d.h. der Halbleiterschalter bewirkt in einer ersten Schaltposition eine vollständige Umleitung des Stromes um die zugehörige Leuchtdiode über den Bypass und in der anderen zweiten Schaltposition eine Sperrung des Bypasses. In der ersten Schaltposition wird die LED also mit der maximal möglichen Lichtintensität betrieben, während sie in der zweiten Schaltposition ausgeschaltet und damit dunkel ist.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird der Halbleiterschalter in dieser Ausführungsform über ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal (PWM-Steuersignal) angesteuert. Auf diese Weise kann die Lichtintensität der zugehörigen Leuchtdiode über das Verhältnis der Pulseinschaltdauer zur Pulsausschaltdauer stufenlos eingestellt werden. Die Grundfrequenz des PWM-Steuersignals wird dabei so hoch gewählt, dass die einzelnen Ein- und Ausschaltpulse vom Auge nicht mehr aufgelöst werden können, sondern nur eine Dimmung wahrgenommen wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird über den Halbleiterschalter nur eine teilweise Umleitung des Stromes um die zugehörige LED bewirkt.
  • Die Reihenschaltungen mit den LEDs und den zugehörigen Bypass-Schaltungen sind mit der Steuereinheit in einer Baueinheit integriert, welche im oder am Scheinwerfer angeordnet ist.
  • Die elektrische Versorgung der LED-Reiheinschaltungen und die Ansteuerung der Steuereinheit erfolgt über ein von dieser Baueinheit räumlich entferntes zentrales Lichtsteuergerät, in dem die Konstantstromquelle zur Stromversorgung der Reihenschaltungen sowie eine Lichtsteuereinheit zur Ansteuerung der Steuereinheit in der LED-Baueinheit untergebracht ist. Zur Stromversorgung von N LEDs sind nur 2 hochstromtragfähige Versorgungsleitungen für die beiden LED-Reihenschaltungen und eine Masseleitung erforderlich. Zur Ansteuerung der Steuereinheit sind zwischen der zentralen Lichtsteuereinheit und der Steuereinheit der LED-Baueinheit nur wenige nicht hochstromtragfähige Steuersignalleitungen (DataIn, DataOut, Clock, Strobe) einschließlich einer TTL-Versorgungsleitung (5 Volt, 10 mA) notwendig. Insgesamt sind in dem dargestellten Beispiel zur Versorgung und Ansteuerung von N LEDs nur 8 Leitungen zwischen dem zentralen Lichtsteuergerät und der LED-Baueinheit im Scheinwerfer erforderlich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Bypass-Schaltungen mit den Halbleiterschaltern gemeinsam mit den LEDs auf einem Träger, z.B. einer Leiterplatte, angeordnet. Dieser Träger entspricht dann der LED-Baueinheit im Scheinwerfer oder zumindest einem Teil davon. Da die vorzugsweise im PWM-Betrieb angesteuerten Halbleiterschalter in dieser integrierten Ausführungsform räumlich sehr benachbart zu den LEDs angeordnet sind und die Bypassleitungen entsprechend kurz sind, ist die elektromagnetische Störabstrahlung der gesamten Schaltungsanordnung insgesamt gering. Hinsichtlich der Integration ist es besonders vorteilhaft, wenn auch noch die Steuereinheit auf dem Träger angeordnet ist.
  • In einem zentralen Lichtsteuergerät, das die erfindungsgemäße Auswerte- und Ansteuereinheit (siehe 7) umfasst, wird festgelegt, welche LED bzw. welche Gruppen/Teilmengen von LEDs mit welcher Lichtintensität (oder relativen Lichtintensität) eingeschaltet werden sollen, um für eine bestimmte Situation die optimale Lichtverteilung und Reichweite zu erzielen. Diese Informationen werden dann über die Steuersignalleitungen an die Steuereinheit der LED-Baueinheit übertragen, die dann die den LEDs zugeordneten Halbleiterschalter (HS) mit einem der gewünschten Lichtintensität entsprechenden PWM-Signal beaufschlagt.

Claims (20)

  1. System zum Erzeugen eines Lichtbündels im Vorfeld eines Kraftfahrzeuges bestehend aus - einem Scheinwerfer, der mindestens ein LED-Array aus mehreren, separat elektrisch ansteuerbaren Leuchtdioden (LEDs) umfasst, - einer Objektdetektionseinrichtung zum Detektieren von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs, - einer Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Position eines erkannten Objekts relativ zum Kraftfahrzeug, wobei - das von dem LED-Array in Verbindung mit einem optischen Abbildungssystem erzeugte Lichtbündel durch zumindest eine horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung charakterisierbar ist, wobei die Beleuchtungsstärke jeweils für a) verschiedene Positionen vor dem Kraftfahrzeug und b) verschiedene horizontale Winkel relativ zu einer Referenzrichtung definierbar ist, - wobei die Beiträge von mindestens zwei LEDs zur Beleuchtungsstärke-Verteilung zumindest teilweise horizontalwinkelmäßig überlappen, - wobei jeweils für ein detektiertes Objekt in Abhängigkeit von der Position des Objekts zum Kraftfahrzeug und in Abhängigkeit einer angenommenen oder ermittelten Objektbreite ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich ermittelbar ist, - dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen LEDs unter Berücksichtigung der horizontalwinkelmäßigen Überlappung ihrer Beiträge zur Beleuchtungsstärke-Verteilung derart ansteuerbar sind, dass im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich und bezogen auf die Position des detektierten Objekts ein Beleuchtungsstärkegrenzwert nicht überschritten wird.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Beleuchtungsstärke-Verteilung einen horizontalen Schnitt durch eine dreidimensionale Beleuchtungsstärke-Verteilung darstellt, der durch die Maxima der vertikalen Beleuchtungsstärke-Verteilung verläuft.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs jeweils über ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal ansteuerbar sind, wobei der Lichtstrom über das Verhältnis der Pulseinschaltdauer zur Pulsausschaltdauer eingestellt wird.
  4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels das System derart ausgebildet ist, dass - in einem ersten Schritt die LEDs ermittelbar sind, die für sich allein betrachtet einen Beitrag zur Beleuchtungsstärke-Verteilung im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich aufweisen, der bezogen auf die jeweilige Position des detektierten Objekts oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt, - in einem zweiten Schritt für jede dieser LEDs bestimmbar ist, um wieviel diese gedimmt werden muss, damit das Maximum ihres Beitrags unterhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt, - in einem dritten Schritt ausgehend von den im zweiten Schritt ermittelten Einzelbeiträgen der LEDs die Summe der Einzelbeiträge berechenbar ist, - in einem vierten Schritt überprüfbar ist, ob die Summe der Einzelbeiträge im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt, - in einem fünften Schritt, falls die Summe der Einzelbeiträge im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich oberhalb der maximalen Beleuchtungsstärke liegt, das Maximum der Summe der Einzelbeiträge ermittelbar ist, wobei aus dem Verhältnis dieses Maximums zum Beleuchtungsstärkegrenzwert ermittelbar ist, um wieviel jede LED im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich letztendlich gedimmt werden muss, damit der Beleuchtungsstärkegrenzwert mit Blick auf das detektierte Objekt nicht überschritten wird.
  5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels das System derart ausgebildet ist, dass - die LEDs ermittelbar sind, die für sich allein betrachtet einen Beitrag zur Beleuchtungsstärke-Verteilung im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich aufweisen, der bezogen auf die jeweilige Position des detektierten Objekts oberhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt, - eine Dimmung dieser LEDs ausführbar ist, wobei das Ausmaß der Dimmung in zwei Stufen bestimmbar ist, wobei o in einer ersten Stufe für jede dieser LEDs bestimmbar ist, um welchen Wert diese gedimmt werden muss, damit das Maximum ihres Beitrags im blendungskritischen Horizontalwinkelbereich unterhalb des Beleuchtungsstärkegrenzwertes liegt, o in einer zweiten Stufe anhand eines vorbestimmten Überlappungskorrekturwertes festgelegt wird, um wieviel die LEDs über den in der ersten Stufe bestimmten Wert hinaus gedimmt werden, wobei der Überlappungskorrekturwert unter Berücksichtigung der horizontalwinkelmäßigen Überlappung der LED-Beiträge zur Beleuchtungsstärke-Verteilung bestimmt wurde.
  6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Objektdetektionseinrichtung eine Kamera mit nachfolgender Bildverarbeitungseinrichtung verwendet wird.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Kamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinrichtung Fahrzeuge als Objekte anhand ihrer Lichtquellen detektierbar sind.
  8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtquelle als ein Fahrzeug erkennbar ist, wobei zur Bestimmung einer zu entblendenden Objektbreite ein lateraler Bereich mit einem Wert von B/2 zu beiden Seiten der Lichtquelle angenommen wird, wobei die Objektbreite insgesamt dem Wert B entspricht.
  9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer möglichen Zuordnung von zwei oder mehr Lichtquellen zu einem Fahrzeug anhand der relativen Position der jeweiligen Lichtquellen zueinander die zu entblendende Objektbreite ermittelbar ist.
  10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei oder mehr detektierten Objekten diese Objekte in Untergruppen einteilbar sind, wobei für jede Untergruppe ein blendungskritischer Horizontalwinkelbereich und ein Beleuchtungsstärkegrenzwert ermittelbar ist.
  11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Objektdetektionseinrichtung und/oder anhand der Positionsbestimmungseinrichtung ermittelbar ist, ob es sich bei einem detektierten Objekt um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt, wobei der Beleuchtungsstärkegrenzwert im Fall des vorausfahrenden Fahrzeugs höher ist als im Fall des entgegenkommenden Fahrzeugs.
  12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinrichtung in der Lage ist, die spektrale Lichtverteilung von Fahrzeuglichtquellen derart zu analysieren, dass Scheinwerfer von Heckleuchten unterschieden werden können, wobei auf diese Weise feststellbar ist, ob es sich um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt.
  13. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Zuordnung eines detektierten Objekts zu einer Fahrbahn feststellbar ist, ob es sich um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt.
  14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Änderung der Position eines detektierten Objekts und/oder anhand der Änderungsgeschwindigkeit der Position eines detektierten Objekts feststellbar ist, ob es sich um ein entgegenkommendes oder ein vorausfahrendes Fahrzeug handelt.
  15. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Positionsbestimmungseinrichtung ein RADAR-Sensor oder ein LIDAR-Sensor verwendet wird.
  16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera mit nachgeschalteter Bildverarbeitungseinrichtung als Positionsbestimmungseinrichtung verwendet wird, wobei zur Positionsbestimmung die Lage und/oder Größe von zumindest Teilen des Objekts in aufeinanderfolgenden Kamerabildern analysierbar ist.
  17. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Objektdetektionseinrichtung ein RADAR-Sensor oder ein LIDAR-Sensor verwendet wird.
  18. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das System zwei Scheinwerfer aufweist, die jeweils ein LED-Array aus mehreren, separat elektrisch ansteuerbaren Leuchtdioden (LEDs) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass - für jeden der beiden Scheinwerfer derselbe Beleuchtungsstärkegrenzwert festgelegt ist, - die Summe der beiden Beleuchtungsstärkegrenzwerte einem Blendungswert entspricht, wobei Beleuchtungsstärken bis zum diesem Blendungswert nicht als Blendung empfunden werden.
  19. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines blendungsfreien Lichtbündels eine Retadierungszeit berücksichtigt wird, wobei die Retadierungszeit durch - die Bearbeitungsdauer für die Objektdetektion, - die Bearbeitungsdauer für die Positionsbestimmung, - und/oder die Dauer für die Einstellung einer Beleuchtungsstärkeverteilung bestimmt wird.
  20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit - der relativen Geschwindigkeit zwischen Kraftfahrzeug und Objekt, - der relativen Beschleunigung zwischen Kraftfahrzeug und Objekt, - der relativen Bewegungsrichtung zwischen Kraftfahrzeug und Objekt, Änderungen der relativen Position des Objektes zum Kraftfahrzeug innerhalb der Retardierungszeit vorherbestimmbar sind, wobei dieser vorherbestimmten Änderungen bei der Ansteuerung der einzelnen LEDs berücksichtigt werden.
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