DE102011103349B4

DE102011103349B4 - Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem

Info

Publication number: DE102011103349B4
Application number: DE102011103349.5A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies; Carsten Klinkert
Original assignee: Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenw; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart); Audi AG
Current assignee: Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenw; Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart); Audi AG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2031-05-28
Also published as: DE102011103349A1

Abstract

Pulslaufzeitsensorsystem, bei dem Einzelsensoren jeweils eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen vorbestimmten Azimutbereich und einen vorbestimmten Elevationsbereich ein Entfernungsbild zu liefern ausgebildet ist, aufweisen, wobei die Anzahl der Einzelsensoren in einem Bereich von 2 bis 4 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulslaufzeitsensorsystem dazu ausgelegt ist, die Einzelsensoren beim Fahrbetrieb aus einer Kontur des Fahrzeugs herauszufahren, um damit einen so großen Azimutabtastbereich zu erreichen, dass die Einzelsensoren für die komplette Rundumabtastung ausreichen und zugleich in vorbestimmten kritischen Bereichen eine redundante Abtastung der Hindernisse durch zwei unterschiedliche Einzelsensoren gleicher Bauart erfolgt.

Description

Stand der Technik
Für zukünftige Fahrzeuge sind eine Reihe von Sensorsystemen bekannt, die mit einer Kombination von Nah- und Fernbereichssensoren verschiedener Arten eine Hinderniserfassung rund um das Fahrzeug gewährleisten sollen. Hierzu sind Testfahrzeuge aufgebaut worden, die z. B. verschiedene Radarsensoren mit 24 GHz und 76 GHz nutzen, aber die Anforderungen auch aufgrund von stilistischen Forderungen an die Fahrzeugaußenkonturen und wegen mangelnder Winkelauflösung nicht ausreichend erfüllen. Es wurden auch Lasersensoren eingesetzt, um eine Rundumerfassung von Hindernissen zu demonstrieren. Einige dieser Sensorsysteme sind in den folgenden Beispielen beschrieben:

– DE 10 2005 055 572 B4
– DE 10 2006 045 799 A1
– DE 10 2008 013 906 B4
– Raßhofer, R., Gresser, K.: ”Multifunktionale Fahrumgebungserfassung durch lidarbasierte Rundumsensorik”, 4. Workshop Fahrerassistenzsysteme FAS 2006, Löwenstein/Hößlinsülz, 4.–6. Oktober 2006
– Spies, H., Spies, M.: ”New Sensor Systems – Virtual Bumpers Around The Car”, 9th International Symposium and Exhibition on Sophisticated Car Occupant Safety Systems, Karlsruhe, 1.–3. Dezember 2008

In der DE 10 2009 035 984 A1 ist ein multifunktionaler Laufzeitsensor zur Raumabtastung durch elektrisches Scannen mittels Laser- und Empfängerzeilen und/oder mechanischem Scannen beschrieben. Durch Anbringen von vier der Laufzeitsensoren kann eine Rundumabtastung bei einem Lastkraftwagen erreicht werden.
In der DE 10 2009 028 300 A1 ist eine Sensoreinrichtung für ein Fahrerassistenzsystem eines Fahrzeugs mit zwei Sensoren beschrieben, die derart in einem Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich Detektionsbereiche der beiden Sensoren zumindest teilweise überlagern.
In der WO 2009/101044 A2 ist ein Kamerasystem für ein Fahrzeug beschrieben, welches eine drehbar gelagerte Kamera aufweist, die über einen Motor in eine Ruheposition und in eine aktive Position bringbar ist. Zur Reinigung eines optischen Elements der Kameraeinheit ist eine Reinigungseinheit vorgesehen, die in einem Schutzelement zum Abdecken der Kameraeinheit integriert sein kann.
In der EP 1 529 688 B1 ist eine Kameraanordnung für ein Fahrzeug beschrieben, bei welchem ein Schutzdeckel der Kameraeinheit in der die Kameraeinheit verdeckenden Stellung im Wesentlichen bündig mit der Fahrzeugaußenhaut abschließt, wodurch der Schutzdeckel unauffällig in der Fahrzeugaußenhaut integriert ist. Das Ausfahren der Kamera geschieht durch Rotieren derselben um eine Schwenkachse.
In der DE 102 04 764 A1 ist eine Einpark- und Rangierhilfeeinrichtung für einen Pkw oder Lkw beschrieben, welche eine Bilderfassungseinheit aufweist, beispielsweise eine Videokamera, und die in einer Ruheposition von außen im Wesentlichen unzugänglich hinter dem Fahrzeugblech gelagert ist. Eine Durchgriffsöffnung im Fahrzeugblech ist durch einen Deckel abgedeckt, der zum Ausfahren der Kamera verschwenkt werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabenstellung der Erfindung ist ein Sensorsystem zu erstellen, das rund um das Fahrzeug Hindernisse mit einer guten Winkelauflösung sicher erfasst. Um mit wenigen Sensoren die ganze Umgebung des Fahrzeuges zu erfassen, werden diese über die Kontur des Fahrzeuges hinausgestellt. Besonders für kritische Anwendungen wie Pretrigger- und Precrashfunktionen, sowie für automatischen Brems- oder Lenkeingriff werden die Signale mehrerer Sensoren korreliert. Die Sensoren werden im Stand des Fahrzeuges innerhalb der Außenkontur untergebracht, damit die Designmerkmale der Außenkonturen durch das Sensorsystem nicht gestört werden.
Beschreibung der Erfindung
Es werden bekannte Pulslaufzeitsensoren mit mehreren vertikalen Ebenen verwendet, deren Azimut Scanbereich bis zu z. B. 220° reicht. Durch die vertikal trennbaren Ebenen liefern die Sensoren ein Entfernungsbild.
Um die gesamte Fahrzeugkontur nahezu lückenlos abzudecken, werden die einzelnen Sensoren entsprechend 1 z. B. im Fahrbetrieb über die Fahrzeugkontur des Fahrzeuges 101 hinaus gestellt z. B. in die Positionen 102, 105, 106 und 109. Der Sensor in Position 102 deckt den Winkelbereich 103 mit voller Reichweite von z. B. 200 m und den Winkelbereich 104 mit reduzierter Reichweite von z. B. 75 m ab. Die gleichen Winkelbereiche 107 mit voller Reichweite und 108 mit reduzierter Reichweite deckt der Sensor in der Position 106 am Heck ab. Bringt man an den Positionen 103, 105, 106 und 109 gleichartige Sensoren wie bei 102 und 106 beschrieben an, so wird das Fahrzeug 101 bis auf zwei kleine Bereiche 112 vor und 113 hinter dem Fahrzeug rundum abgedeckt. Da hier die maximalen Entfernungen der Dreieckscheitel vor den Stoßfängern jeweils im Bereich kleiner 1 m liegen, wird mit dieser Anordnung die Umgebung gut erfasst. Da sich alle horizontalen Sensorbereiche jeweils überlappen, ist die notwendige Redundanz gewährleistet. Werden nur zwei Sensoren z. B. an den Positionen 102 und 106 eingebaut, erweitert sich der unabgetastete Bereich auf 112a an der Front und 113a am Heck des Fahrzeugs 101. Allerdings ist hier die Redundanz nur teilweise für den Front- und Heckbereich gewährleistet. Es sind entsprechend 2 auch andere Anbringungsmöglichkeiten machbar, z. B. ein Sensor an der Position 201 mit dem Winkelbereich 202 und weitere zwei Sensoren an den Positionen 105 und 106 mit einem Winkelbereich wie in 1 darstellt. Gemäß einem weiteren Beispiel, das nicht zu der Erfindung gehört, können dann auch Sensoren an der Position 203 mit dem Winkelbereich 204 und an der Position 205 mit dem Winkelbereich 206 angebracht werden. Die Sensoren sind entsprechend 3 aufgebaut. Basis ist ein Scansystem mit mehreren vertikalen Ebenen in einem Rotor 301. Die Impulssender z. B. Halbleiterlaser laufen im Rotor um die Achse 301a und werden über eine Optik im Bereich 303 auf die Szene abgebildet. Die aus der Szene rückgestreute z. B. Lichtimpulsleistung wird im Bereich 302 über eine umlaufende Optik auf mehrere umlaufende Empfänger abgebildet. Die rückgestreute Lichtleistung kann auch im Bereich 302 über ein umlaufendes Optik-Spiegelsystem auf einen stehenden Empfänger abgebildet werden.
Das Sensorsystem 316 enthält den Rotor 301 der mit der Elektronik 319 im Gehäuse bestehend aus der transparenten Abdeckung 306 und der Abdeckung 307, die mit der Kontur und Farbe 308 des Fahrzeugs identisch ist, untergebracht ist. Das Sensorsystem 316 ist am Fahrzeug 101 am Drehpunkt 315 gelagert und wird über die Feder 310 über den einseitig oder zweiseitig angebrachten Haltebügel 311 über z. B. die Nase 313 gegen den am Fahrzeug 101 befestigten Anschlag 312 in Position gehalten. Die Feder 310 ist über die Halterung 312 am Fahrzeug 101 befestigt und über die Befestigung 314 am Haltebügel 311. Das Sensorsystem 316 enthält im Teil 306 auf der Höhe 304 des Rotors 301 hinter der keine Sende- oder Empfangsoptik liegt, einen Zahnkranz 306a über den durch einen Motor 318 über dessen Ritzel 317 das ganze Sensorsystem 316 um die Drehachse 309 so gedreht werden kann, dass entsprechend 3a der Sensorrotor 301 außerhalb der Fahrzeugkontur 308 liegt. Die Szene wird über die transparente Abdeckung 306 in dem Winkelbereich 319 z. B. mit voller Empfängeröffnung für eine Reichweite von z. B. 200 m und 320 mit z. B. geringerer Empfängeröffnung für eine Reichweite von z. B. 75 m abgetastet. Da im Nahbereich des Fahrzeuges eine höhere vertikale Aufweitung der Abtastung nötig oder gewünscht ist, kann die Abdeckung 306 im Bereich 321, die sonst in vertikaler Richtung entsprechend 322 plan ist, als Streulinse ausgebildet werden. Dies wird erreicht, indem im Bereich 321 jeweils für Sender und Empfänger gleich oder unterschiedlich die Struktur z. B. wie 323 für den Empfängerbereich und 324 für den Sendebereich konkav ausgebildet wird. Die Strukturen können wie gezeichnet als Zylinderlinsen im Azimut- und/oder Elevationsbereich wirkend ausgeführt werden, als auch als sonstige Einzellinsenbereiche die auch die gesamte Abtaststrahlform verändern.
Die Drehung um die Achse 309 kann auch, wenn entsprechender Raum vorhanden ist, durch ein Getriebe oder durch eine Kette oder durch einen Zahnriemen über oder unter dem Sensorsystem 316 erfolgen. Die Vorderaussicht des entsprechend 3a ausgefahrenen Sensorsystems ist in 4 gezeigt. Dabei ist die Abdeckung an den Flächen 306 für die Sende- und Empfangseinheiten transparent. Die Flächen sind durch z. B. eine Metallkonstruktion 306a getrennt, die zugleich den Zahnkranz 306b für den Antrieb enthalten kann. Im eingefahrenen Zustand entsprechend 3 ist die Abdeckung 307 formschlüssig und z. B. gleichfarbig mit den Fahrzeugkonturen ausgebildet.
Entsprechend 5 kann der Ausfahrmechanismus zugleich zur Reinigung der transparenten Flächen 306 benützt werden. Wird z. B. an der Position neben dem Antrieb 317, 318 eine Reinigungseinrichtung 501 angebracht, die ähnlich einem Scheibenwischer eine Gummilippe 506 mit der Kontur der zu reinigenden Fläche 306 und eine oder mehrere Spritzdüsen 507a bis 507d enthält, kann mit dem Antrieb 318 zugleich die Reinigung der Abdeckung 306 des Sensorsystems 316 erfolgen. Die Verschmutzung der Abdeckung kann z. B. entsprechend der Schrift DE 197 17 399 detektiert werden.
Wirkt auf das Sensorsystem im ausgefahrenen Zustand entsprechend 6 eine Kraft 601, die größer als die Rückstellkraft der Feder 310 ist, so wird der Sensor um z. B. den Winkel 603 ausgelenkt um eine Beschädigung des Sensorsystems 316 zu vermeiden. Die Auslenkung kann über eine am Fahrzeug angebrachten Anschlag 605 mit einer Gummiauflage 604 am Haltebügel 311 begrenzt werden. Wird die Kraft 601 reduziert, bringt die Feder 310 das Sensorsystem 316 wieder über die Nase 313 und den Anschlag 312 in die Funktionsposition zurück. Um eine sanfte Landung am Anschlag 312 zu erreichen, kann das Lager 315 z. B. durch eine hochviskose Masse gedämpft sein.
Das Sensorsystem kann auch entsprechend 7 ausgebildet werden. Der Sensor 701 mit dem Rotor 301 ist über die Hülse 705 um die Achse 702 so drehbar gelagert, dass diese Hülse mit z. B. einer Schraubenfeder 704 mit dem Zahnrad 703 verbunden ist. Der Sensor kann damit über den Motor 707 und dessen Ritzel 706 durch die Abdeckung 308 durch aufklappen der gefedert gelagerten Abdeckklappe 710 soweit ausgefahren werden, bis er mit seiner Nase 313 an der Position 708 am Anschlag 312 ansteht. Der Schnitt zeigt den Sensor 701 im ausgefahrenen Zustand; wobei die Abdeckklappe 710 um die Achse 711 federnd drehbar gelagert ist und vom Sensor 701 über eine Hilfsanordnung 712 aufgeklappt wird. Diese Abdeckklappe 710 kann zugleich eine oder mehrere Düsen 713 enthalten, die mit entsprechenden Wasserstrahlen 714 die Oberfläche des Sensors reinigen.
Im eingefahrenen Zustand hat der Sensor 701 die Position 709 und geht über die Schraubenfeder 704 mit seiner Nase 312 über den Puffer 604 an den Anschlag 605. Die Schraubenfeder 704 kann auch als Spiral- oder Torsionsfeder ausgeführt werden und verhindert bei mechanischer Belastung des Sensors 701 im ausgefahrenen Zustand dessen Zerstörung, da sie das Eindrücken des Sensors bis zur Position 709 erlaubt. Die Vorspannung der Schraubenfeder kann über den Motor 707 eingestellt werden z. B. für schnelle Autobahnfahrten sehr hoch und für den Stadtverkehr und beim Einparken sehr niedrig. Die in 3 gezeigte Feder 310 kann auch wie in 5 gezeigt und beschrieben aufgeführt werden.
Das Blockschaltbild eines Sensorsystems ist in 8 gezeigt. Der Scanrotor 301 enthält den Antriebsmotor 304, die Sendegruppe 303 und die Empfangsgruppe 302 und dreht sich um die Achse 301a. Der Motor 304 wird über die Schnittstelle 802 angesteuert und liefert zugleich die Winkelposition und Rotationsinformation über diese Schnittstelle an die Elektronik 804. Die Empfangsgruppe 302 ist über die berührungslose Schnittstelle 803, die Sendegruppe ist über die berührungslose Schnittstelle 803a mit der Elektronik 804 verbunden. Zum Positionieren für Betrieb und Stand der Einheit 316 wird diese entsprechend 3 und 7 um die Achse 309 mit dem Motor 318 und 707 über das Getriebe 812 gedreht. Mit dem Schnittstellenbaustein 811 ist die Elektronik 804 entweder mit flexiblen Leitungen oder wie gezeichnet mit einer berührungslosen Anordnung aus induktiver Energieübertragung 805, 806 und 807 und 808 und einer optischen oder HF-Schnittstelle 809 und 810 verbunden. Die Elektronik enthält die Ansteuerung des Motors 304 die Ansteuerung der Lasergruppe 303 die Versorgung und Auswertung der Signale der Empfängergruppe oder des Empfängers 303, die Zeitsteuerung, Signalauswertung, Objektbildung, Verschmutzungsdetektion und Stromversorgung sowie die Synchronisation mit weiteren gleichartigen oder andersartigen Sensoren. Der Schnittstellenbaustein 811 ist über die Schnittstellen 815 und 816 mit der Auswerte-Korrelation und Steuereinheit 103 und dem Fahrzeug 101 sowie dessen Stromversorgung verbunden. Der Baustein 811 steuert zugleich den Positionsmotor 812 und die Reinigungseinrichtung 813.
Das Blockschaltbild des Gesamtsystems ist in 9 gezeigt. Die vier Sensorsysteme 801a und 801b im Frontbereich 901 und 801c und 801d im Heckbereich sind über die bidirektionalen Schnittstellen 904, 905, 906 und 907 mit der Auswerte-Korrelation und Steuereinheit 903 verbunden. In dieser Einheit 903 werden die Sensordaten auf korrekte Redundanz der einzelnen Objektdaten überprüft und daraus ein Tracking der Umgebung errechnet. Für die zusätzliche Absicherung der Trackingdaten werden auch über die Schnittstelle 910 andere Sensoren 911 des Fahrzeugs wie z. B. Kamera, Raddrehzahlgeber, Beschleunigungsgeber für Lateral- und Drehbeschleunigungen einbezogen.
Der Baustein 903 wird über die Schnittstelle 909 mit Spannung versorgt und ist mit dem Sicherheits- und Komfortmanagement des Fahrzeugs über die Schnittstelle 908 verbunden.
Wie durch mehrere Sensoren durch die Korrelation der Daten die höhere Sicherheit erreicht wird, ist in 10 gezeigt. Im Fahrzeug 101 scannen die Sensoren 102 mit dem Winkelbereich 1001 und 109 mit dem Winkelbereich 1002 die Front des Fahrzeugs ab. Tritt dort das Hindernis 1005 auf, so wird die Kontur des Hindernisses mit Winkel und Kontur vom Sensor 102 im Aspektwinkel 1006 detektiert und vom Sensor 109 im Aspektwinkel 1007. Genau so wird ein Hindernis im Seitenbereich 1008 vom Sensor 109 unter den Aspektwinkel 1010 und vom Sensor 106 im Aspektwinkel 1009 detektiert. Da alle Entfernungen und Winkel bekannt sind und außerdem die Sensoren synchronisiert sind, können die Daten und Trajektoren einfach verglichen werden. Damit können auch Sicherheitsfunktionen im Fahrzeug zur Auslösung gebracht werden.
Für multifunktionale Anwendungen wie ACC in Kombination mit sonstigen Sicherheitsanwendungen im Nahbereich des Fahrzeugs 101 können die Sensoren 102, 105, 106 und 109 entsprechend einem weiteren Beispiel mit geringerer Reichweite z. B. 30 m und ein Frontsensor 201 mit dem Abtastbereich 202 mit hoher Reichweite von z. B. 200 ausgeführt werden. Damit können bei Eindringen eines Hindernisses 1101 die Aspektwinkel 1102 vom Sensor 102, 1103 vom Sensor 201 und 1104 vom Sensor 109 verglichen werden und in einer Dreifachredundanz ausgewertet werden. Sollte bei zwei oder drei Sensoren durch Beschädigung des Fahrzeuges eine Veränderung der Position der Sensoren eintreten, kann mit dem System sogar während der Fahrt durch Vergleich der Konturen in der Auswerte-Korrelations- und Steuereinheit 903 die Auswertesoftware auf diese neue Situation adaptiert werden.

Claims

Pulslaufzeitsensorsystem, bei dem Einzelsensoren jeweils eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen vorbestimmten Azimutbereich und einen vorbestimmten Elevationsbereich ein Entfernungsbild zu liefern ausgebildet ist, aufweisen, wobei die Anzahl der Einzelsensoren in einem Bereich von 2 bis 4 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulslaufzeitsensorsystem dazu ausgelegt ist, die Einzelsensoren beim Fahrbetrieb aus einer Kontur des Fahrzeugs herauszufahren, um damit einen so großen Azimutabtastbereich zu erreichen, dass die Einzelsensoren für die komplette Rundumabtastung ausreichen und zugleich in vorbestimmten kritischen Bereichen eine redundante Abtastung der Hindernisse durch zwei unterschiedliche Einzelsensoren gleicher Bauart erfolgt.
Pulslaufzeitsensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulslaufzeitsensorsystem dazu ausgelegt ist, durch einen Überlappungsbereich der Einzelsensoren nicht nur die Sicherheit der Detektion zu steigern, sondern bei etwaigen Verstellungen der Einzelsensoren durch Korrelation von Objektkonturen im Fahrbetrieb trotzdem funktionsfähig zu bleiben.
Pulslaufzeitsensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Gestaltung einer Abdeckung (306) in definierten Winkelbereichen (319, 320) eine unterschiedliche Abbildung der Abtastungen sowohl im Azimutbereich als auch im Elevationsbereich gewählt ist.
Pulslaufzeitsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulslaufzeitsensorsystem dazu ausgelegt ist, die Erkennung und Zuordnung von Objekten sowohl durch zwei der Einzelsensoren als auch durch zumindest einen anderen Sensor, insbesondere eine Kamera oder beschleunigungs- und streckenbeschreibende Sensoren, durchzuführen und die Justage der Einzelsensoren durch Korrelation bekannter Objekte im Fahrbetrieb zu kontrollieren und zu verbessern.
Einzelsensor für ein Pulslaufzeitsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen vorbestimmten Azimutbereich und einen vorbestimmten Elevationsbereich ein Entfernungsbild zu liefern ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelsensor derart ausgebildet ist, dass mit einer Ausfahreinheit des Einzelsensors zugleich beim Stand des Fahrzeugs die Außenkontur und Farbe gewährleistet ist und der Einzelsensor im ausgefahrenen Zustand durch eine Lagerung mittels einer Feder (310) und eines Haltebügels (311) gegen Stoß oder sonstige mechanische Einwirkungen (601) gesichert ist und Teile der Ausfahrvorrichtung zugleich für die Reinigung der Sensoroberfläche genützt sind.
Einzelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Gestaltung einer Abdeckung (306) in definierten Winkelbereichen (319, 320) eine unterschiedliche Abbildung der Abtastungen sowohl im Azimutbereich als auch im Elevationsbereich gewählt ist.