DE102013002333A1

DE102013002333A1 - Verfahren und Strahlensensormodul zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013002333A1
Application number: DE102013002333.5A
Authority: DE
Inventors: Singhard Schräbler; Bernd Hartmann; Marc Menzel; Hans Magnusson
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-08-14
Also published as: KR20150119136A; US20150375753A1; JP2016507750A; CN104995070A; WO2014124895A1; EP2956340A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug bei welchem eine Straßenoberfläche (113) mit Sensorstrahlen (106, 106') beleuchtet wird, wobei die Sensorstrahlen (106, 106') nach Maßgabe eines Straßenzustands der Straßenoberfläche (113) reflektiert und absorbiert werden und wobei die Straßenzustandsbestimmung anhand der reflektierten Sensorstrahlen (115) erfolgt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Straßenoberfläche (113) in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug beleuchtet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Strahlensensormodul.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Strahlensensormodul zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug gemäß Oberbegriff von Anspruch 7.
Im Stand der Technik sind für den Kraftfahrzeugbereich bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorsysteme zur Umfelderfassung bekannt. Mittels dieser Sensorsysteme ist es beispielsweise möglich, andere Fahrzeuge, Straßenbeschilderungen oder auch Spurbegrenzungen zu erkennen. Als Sensoren werden dabei oftmals Kamerasensoren, Lidarsensoren, Lasersensoren oder Radarsensoren verwendet. Die so erfassten Umfeldinformationen können unter anderem für sicherheitsrelevante Eingriffe, wie etwa autonome Brems- oder Lenkeingriffe, verwendet werden. Weiterhin sind Fahrzeugsensoren bekannt, die in erster Linie einen Fahrzeugzustand bestimmen, jedoch auch Rückschlüsse auf Umweltgegebenheiten ermöglichen, wie etwa Neigungssensoren.
In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2007 062 203 A1 ein Verfahren zum Ermitteln eines Reibwerts zwischen einem Kraftfahrzeugreifen und der Oberfläche einer Fahrbahn während einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs. Dabei wird ein erster Reibwertparameter unter Verwendung eines Modells ermittelt, wobei ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem ersten Reibwertparameter und einem antriebsabhängig bestimmten Schlupf des Kraftfahrzeugreifens vorgegeben ist. Weiterhin wird ein zweiter Reibwertparameter aus dem Quotienten zwischen einer Längskraft und einer Aufstandskraft des Kraftfahrzeugreifens bestimmt und schließlich der Reibwert mittels eines rekursiven Schätzalgorithmus aus dem ersten und dem zweiten Reibwertparameter ermittelt. Der Schlupf wird dabei aus den rotatorischen Radgeschwindigkeiten bestimmt, die Längskraft aus einem bestimmten Motormoment und die Aufstandskraft aus einer Längsbeschleunigung und einer Querbeschleunigung. Die rotatorischen Radgeschwindigkeiten wiederum werden üblicherweise mittels einer ABS-Sensorik bestimmt.
In der DE 10 2009 008 959 wird ein Fahrzeugsystem zur Navigation und/oder Fahrerassistenz offenbart. Das Fahrzeugsystem stellt dem Fahrer über einen sogenannten virtuellen Horizont Umgebungsinformationen zur Verfügung, in welchen auch mittels eines Sensors erfasste Umweltinformationen, die Rückschlüsse auf den Straßenzustand erlauben, einfließen. Dazu kann beispielsweise bei einem Bremsvorgang mittels eines elektronischen Bremssystems ein niedriger Reibwert erkannt werden. Über einen Regensensor oder über eine Betätigung der Scheibenwischer kann Nässe erkannt werden. Eine potentielle Vereisung der Straße kann z. B. aus der Kombination von Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt und dem Passieren einer Brücke erkannt werden.
Die DE 10 2012 203 187 A1 beschreibt ein Verfahren zur Prädiktion und Adaption von Bewegungstrajektorien eines Kraftfahrzeugs zur Unterstützung des Fahrers in seiner Fahraufgabe und/oder zur Verhinderung einer Kollision oder Minderung von Unfallfolgen. Dabei sind Brems- und/oder Lenkeingriffe vorgesehen, die in Abhängigkeit einer berechneten Bewegungstrajektorie in die Brems- und/oder Lenkanlage vorgenommen werden. Um zu gewährleisten, dass die sich aus den Bewegungstrajektorien durch kombinierte Brems- und/oder Lenkeingriffe ergebenden Radkräfte jederzeit unterhalb des maximal verfügbaren Reibbeiwerts liegen, wird dieser mittels optischer Fahrbahnsensoren, wie Laser- und/oder Kamerasensoren, bestimmt. Ebenfalls beschrieben wird eine Bestimmung des maximal verfügbaren Reibbeiwerts mittels Fahrdynamikregelsystemen, Fahrstabilitätsregelsystemen, Schlupfregelsystemen und die Einbeziehung von Informationen aus Regen-, Temperatur-, oder Reifensensoren sowie von mittels Car-to-X-Kommunikation empfangenen Informationen.
Aus der DE 10 2011 015 527 A1 ist Sensor zur Ermittlung einer Beschaffenheit einer Fahrbahnoberfläche für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Beschaffenheit kann dabei ein Zustand wie nass, trocken, vereist, schneebedeckt oder eine Kombination daraus sein. Der Sensor umfasst eine Lichtquelleneinheit, welche Licht in mindestens zwei voneinander verschiedenen Wellenlängen aussendet und mindestens zwei Detektoren zum Erfassen des reflektierten Lichts der Lichtquelleneinheit. Da je nach Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche die unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich stark reflektiert werden, kann aus dem reflektierten Licht ein Rückschluss auf den Zustand der Fahrbahnoberfläche gezogen werden. Der beschriebene Sensor eignet sich dazu, die Beschaffenheit einer im Abstand von 10 cm bis 100 cm im Wesentlichen senkrecht angestrahlten Fahrbahnoberfläche zu erkennen.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es jedoch, dass ein Straßenzustand in vielen Fällen nicht direkt bestimmbar ist, sondern lediglich aus anderen Parametern, wie z. B. Temperatur und Nässe, abgeleitet wird. Sofern der Straßenzustand gemäß dem Stand der Technik direkt erfasst werden soll, so ist dies im Wesentlichen erst unmittelbar beim Überfahren des zu untersuchenden Straßenabschnitts möglich. Insbesondere bei Verwendung von optischen Sensoren zur Straßenzustandserfassung sind diese gemäß dem Stand der Technik an der Fahrzeugunterseite angebracht und auf die Straßenoberfläche unterhalb des Fahrzeugs gerichtet. Dies schränkt Fahrdynamikregelsysteme jedoch in ihrer Wirksamkeit ein, da diese nicht über direkt gemessene und vorausschauende Informationen über den Straßenzustand verfügen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, welches eine vorausschauende Bestimmung eines Straßenzustands ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug, bei welchem eine Straßenoberfläche mit Sensorstrahlen beleuchtet wird, wobei die Sensorstrahlen nach Maßgabe eines Straßenzustands der Straßenoberfläche reflektiert und absorbiert werden und wobei die Straßenzustandsbestimmung anhand der reflektierten Sensorstrahlen erfolgt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Straßenoberfläche in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug beleuchtet wird.
Unter dem Begriff Straßenzustand werden im Sinne der Erfindung unterschiedliche Zustände der Straßenoberfläche hinsichtlich ihres Reibwerts verstanden, insbesondere werden die Zustände „nass”, „trocken”, „eisbedeckt” und „schneebedeckt” unterschieden, wobei auch Kombinationen der genannten Straßenzustände möglich sind. Z. B. kann eine Wasserpfütze eine Eisschicht bedecken, so dass eine Kombination der Straßenzustände „nass” und „eisbedeckt” vorliegen und entsprechend erkannt werden würde.
Erfindungsgemäß wird der Straßenzustand also nicht erst unmittelbar unter dem Fahrzeug, sondern vorausschauend vor dem Fahrzeug bestimmt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der bestimmte Straßenzustand z. B. einem Fahrstabilitätsregelsystem frühzeitig zur Verfügung gestellt werden kann. Das Fahrstabilitätsregelsystem kann somit rechtzeitig und situationsindividuell vor dem Eintreten einer kritischen Situation auf diese vorbereitet werden. Unter Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der eingestellten Reichweite der Sensorstrahlen kann zudem der Zeitpunkt bis zum Überfahren der jeweils beleuchteten Straßenoberfläche bestimmt werden, so dass eine weitestgehend optimal angepasste Einstellung eines Fahrstabilitätsregelsystems an alle erkannten Straßenzustände möglich wird.
Ebenso kann vorausschauend eine Warnung an den Fahrer ausgegeben werden, um diesen z. B. darauf hinzuweisen, dass er in Kürze eine eisbedeckte Straßenoberfläche überfahren wird und entsprechend heftige Lenkbewegungen oder Brems- bzw. Beschleunigungsvorgänge vermeiden sollte.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Beleuchten der Straßenoberfläche und ein Erfassen der reflektierten Sensorstrahlen synchronisiert-gepulst erfolgt. Zum Einen kann somit eine mittlere abgegebene Strahlungsleistung reduziert werden, was zur Erhöhung der Lebensdauer des genutzten Strahlelements beiträgt. Zudem verringert sich das Risiko, bei in die Sensorstrahlen blickenden Menschen oder Tieren eine Augenschädigung zu verursachen. Gleichzeitig kann die Energie eines einzelnen Lichtpulses deutlich größer sein als eine im kontinuierlichen Betrieb im gleichen Zeitraum abgegebene Energiemenge, wodurch sich der Störabstand der Informationen in den reflektierten Sensorstrahlen bei der Straßenzustandsbestimmung stark verbessert. Insbesondere für die Verbesserung des Störabstands ist es dabei wichtig, dass das Erfassen synchronisiert zum Beleuchten erfolgt.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die Sensorstrahlen unterschiedliche Wellenlängen umfassen, insbesondere Laserstrahlen mit Intensitätsmaxima bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Dies vereinfacht das Bestimmen und insbesondere das Unterscheiden von unterschiedlichen Straßenzuständen. Bei Verwendung von Laserstrahlen mit Intensitätsmaxima bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen werden diese Vorteile durch die vergleichsweise hohe Lichtintensität der Laserstrahlen in einem vergleichsweise schmalen Wellenlängenband weiter verstärkt.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Straßenzustandsbestimmung anhand von Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen in den reflektierten Sensorstrahlen erfolgt. Da die unterschiedlichen Straßenzustände der Straßenoberfläche unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und entsprechend für bestimmte Wellenlängen absorbierend und für andere reflektierend wirken, kann aus den reflektierten Sensorstrahlen auf den jeweiligen Straßenzustand der beleuchteten Straßenoberfläche geschlossen werden. Ein Beispiel hierfür ist etwa die Wellenlänge 1550 nm, die von Eis vergleichsweise stark absorbiert wird.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass die unterschiedlichen Wellenlängen in den reflektierten Sensorstrahlen (115) mittels stochastischer Zuordnungsverfahren, insbesondere mittels eines Stützvektorverfahrens und/oder eines k-Means-Algorithmus, dem Straßenzustand zugeordnet werden. Dies führt zu einem vergleichsweise zuverlässigeren Erkennen der unterschiedlichen Straßenzustände als dies mit starr vorgegebenen Grenzwerten für die Erkennung möglich ist. Vor allen Dingen hat sich gezeigt, dass dies im Hinblick auf das Erkennen von Kombinationen von gleichzeitig vorliegenden Straßenzuständen, wie z. B. einer Schneeschicht, die sich über einer Wasserschicht befindet, deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Erkennung mit sich bringt. Das Erkennen einer derartigen Kombination von Straßenzuständen ist insofern von hervorgehobener Bedeutung, als dass eine unter der Schneeschicht liegende Eisschicht ein deutlich größeres Risiko für die Fahrstabilität des Fahrzeugs darstellt als dieses von der oben liegenden Schneeschicht ausgeht. Dem Fachmann sind dabei unterschiedliche geeignete stochastische Zuordnungsverfahren bekannt, welche unter Berücksichtigung von Eigenschaften der reflektierten Sensorstrahlen wie Varianzen, Standardabweichungen und Mittelwerten eine Zuordnung zum jeweiligen Straßenzustand erlauben. Insbesondere sind dem Fachmann die sogenannten Stützvektorverfahren bekannt, welche die Informationen in den reflektierten Sensorstrahlen in einem mehrdimensionalen Raum darstellen und deren räumliche Verteilung eine zuverlässige Bestimmung des Straßenzustands erlaubt. Diese Stützvektorverfahren sind dabei auch als sogenannte „Support-Vektorverfahren” bekannt. Sie ermöglichen allgemein das effiziente Auffinden von globalen Minima ohne dabei durch auftretende lokale Minima gestört zu werden. Dies wird insbesondere durch das Ausnutzen eines vieldimensionalen Vektorraums erreicht. Ein weiterer Vorteil der Stützvektorverfahren ist es, dass diese vergleichsweise wenig elektronische Rechenleistung benötigen. Dem Fachmann ebenfalls bekannt sind die sogenannten k-Means-Algorithmen, welche Elemente aus einer Menge von ähnlichen Objekten einer vorgegebenen Anzahl unterschiedlicher Gruppen zuordnen. Die k-Means-Algorithmen werden daher auch oftmals zur sogenannten Clusteranalyse verwendet. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die unterschiedlichen Straßenzustände zunächst mittels eines Lernverfahrens eingelernt werden. Auch dies verbessert die Zuverlässigkeit bei der Erkennung der unterschiedlichen Straßenzustände.
Außerdem ist es vorgesehen, dass ein bestimmter Straßenzustand an mindestens ein Fahrstabilitätsregelungssystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem weitergeführt wird, insbesondere an ein Antiblockiersystem und/oder ein Elektronisches Stabilitätsprogramm und/oder Fahrwerksregelungssystem, wobei das mindestens eine Fahrstabilitätsregelungssystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem mittels des bestimmten Straßenzustands eine ortssynchron angepasste Regelung ausführt. Somit verbessert sich die Regelung eines derartigen Fahrstabilitätsregelungssystems bzw. Fahrdynamikregelungssystems, da es wie bereits beschrieben schon im Voraus den zu erwartenden Reibwert der Straßenoberfläche kennt und eine entsprechende Voreinstellung als Ausgangspunkt für eine folgende Regelung einnehmen kann. Unter ortssynchron angepasster Regelung wird erfindungsgemäß verstanden, dass unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit der Zeitpunkt des Überfahrens der jeweiligen Stelle der Straßenoberfläche, deren Straßenzustand bestimmt wurde, ermittelt wird und somit die entsprechende Voreinstellung jeweils synchron mit dem Überfahren dieser Stelle erfolgen kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Strahlensensormodul zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug, welches mindestens zwei Strahlelemente, mindestens ein Detektorelement, ein Analysemodul und eine Sensoreinhausung umfasst, wobei die mindestens zwei Strahlelemente eine Straßenoberfläche mit Sensorstrahlen beleuchten, wobei die Sensorstrahlen nach Maßgabe eines Straßenzustands der Straßenoberfläche reflektiert und absorbiert werden, wobei das mindestens eine Detektorelement die reflektierten Sensorstrahlen erfasst und wobei das Analysemodul die Straßenzustandsbestimmung anhand der vom mindestens einen Detektorelement erfassten reflektierten Sensorstrahlen vornimmt. Das Strahlensensormodul zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinhausung zur Anbringung an einer Innenseite einer Fahrzeugwindschutzscheibe ausgebildet ist.
Die Sensoreinhausung umfasst dabei die Strahlelemente, das Detektorelement und ggf. das Analysemodul, wobei das Analysemodul auch außerhalb der Sensoreinhausung angeordnet sein kann. Die Sensoreinhausung ist bevorzugt nach einer Seite hin offen. Erst durch die Anbringung der Sensoreinhausung an der Windschutzscheibe wird die offene Seite durch die Fahrzeugwindschutzscheibe geschlossen.
Bevorzugt wird das Strahlensensormodul an der Innenseite der Fahrzeugwindschutzscheibe auf der Höhe des Rückspiegelfußes angebracht. In dieser Position schränkt es die Sicht des Fahrers nach vorne nicht ein und verfügt über gute Beleuchtungsbedingungen für die vor dem Fahrzeug liegende Straßenoberfläche. Ein weiterer Vorteil dieser Anbringungsposition liegt darin, dass die offene Seite der Sensoreinhausung, durch welche die Sensorstrahlen abgegeben und erfasst werden, durch den bzw. die Scheibenwischer des Fahrzeugs regelmäßig gereinigt wird. Somit ist gewährleistet, dass das Strahlensensormodul in seiner Funktionsweise nicht durch Verunreinigungen im Strahlengang der Sensorstrahlen beeinträchtigt wird. Bei den üblicherweise unter dem Fahrzeug angebrachten optischen Sensoren aus dem Stand der Technik ist dies hingegen nicht der Fall.
Da das Strahlensensormodul aufgrund seiner Anbringung die Straßenoberfläche in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug beleuchtet, ergeben sich hieraus weiterhin die schon in diesem Zusammenhang genannten Vorteile.
Es ist bevorzugt, dass die Strahlelemente Halbleiterlaser unterschiedlicher Wellenlängen im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1700 nm sind, insbesondere mit Intensitätsmaxima bei den Wellenlängen 980 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm. Diese Wellenlängen liegen alle im sogenannten infraroten Spektralbereich und sind somit für das menschliche Auge nicht sichtbar, stellen allerdings dennoch eine Gefährdung dar, da sie nichtsdestotrotz das menschliche Auge schädigen können. Somit werden Irritationen anderer Verkehrsteilnehmer vermieden. Die genannten Wellenlängen bieten außerdem den Vorteil, dass sie mittels Halbleiterlasern erzeugt werden können, wobei sich insbesondere Gallium-Arsenid-basierte Halbleiterlaser und Indium-Phosphit-basierte Halbleiterlaser hierfür eignen. Auch Germanium-basierte Halbleiterlaser sind geeignet. Halbleiterlaser sind vergleichsweise kostengünstige und sehr kompakte Bauelemente mit einer hohen Strahlungsleistung.
Sofern nur ein einzelnes Detektorelement zum Erfassen der reflektierten Sensorstrahlen verwendet wird, ist es bevorzugt vorgesehen, die Strahlelemente zeitlich versetzt zu betreiben, so dass jeweils nur ein Strahlelement in Betrieb ist und entsprechend nur eine Wellenlänge emittiert bzw. reflektiert wird. Das Analysemodul kennt dabei die jeweiligen Betriebszeitpunkte der einzelnen Strahlelemente. Somit können die unterschiedlichen Wellenlängen zeitlich abfolgend ausgewertet werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Strahlungsleistung der mindestens zwei Strahlelemente jeweils 1 mW nicht übersteigt, wobei die Strahlungsleistung insbesondere an einer Außenseite der Windschutzscheibe bestimmt wird. Somit ist sichergestellt, dass Schädigungen von menschlichen und tierischen Augen aufgrund der Strahlungsleistung vermieden werden. Indem die Strahlungsleistung erst an der Außenseite der Windschutzscheibe bestimmt wird und auf 1 mW eingestellt wird, wird zudem keine ungefährlich nutzbare Strahlungsleistung durch Rückreflektionseffekte durch die Windschutzscheibe ungenutzt gelassen. Da mit reduzierter Strahlungsleistung auch eine Reduzierung der möglichen Sensorreichweite einhergeht, wird die Strahlungsleistung bevorzugt an der Außenseite der Windschutzscheibe bestimmt und auf 1 mW eingestellt. Es wird also die maximal mögliche Strahlungsleistung, welche ungefährlich für das menschliche Auge ist, genutzt. Üblicherweise werden 40% bis 60% der Strahlungsleistung durch die Windschutzscheibe unmittelbar zurück in das Strahlensensormodul reflektiert.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Strahlungsleistung gepulst abgegeben wird. Da für eine Schädigung des menschlichen oder tierischen Auges die im Mittel abgegebene Strahlungsleistung ausschlaggebend ist, kann somit während der „An-Phasen” der Strahlelemente kurzfristig eine sehr viel höhere Energie abgegeben werden als dies im kontinuierlichen Betrieb in der gleichen Zeitspanne möglich wäre, ohne die Strahlungsleistung von 1 mW zu überschreiten. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bestimmung eines Straßenzustand lässt sich somit außerdem eine deutliche Verbesserung erzielen, da sich der Störabstand der Informationen in den reflektierten Sensorstrahlen bei der Straßenzustandsbestimmung vergrößert. Dadurch vergrößert sich wiederum die Reichweite der Strahlensensormoduls, innerhalb der eine zuverlässige Bestimmung des Straßenzustands möglich ist.
Es ist vorteilhaft, dass das Detektorelement einen von der Windschutzscheibe in das Strahlensensormodul rückreflektierten Anteil der Strahlungsleistung bestimmt und das Strahlensensormodul anhand des rückreflektierten Anteils die Strahlungsleistung an der Außenseite der Fahrzeugwindschutzscheibe regelt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass stets die maximal mögliche, für das menschliche Auge noch unbedenkliche Strahlungsleistung zur Straßenzustandsbestimmung zur Verfügung steht. Beispielsweise können somit Alterungseffekte der Strahlelemente ausgeglichen werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Strahlelemente abgeschaltet werden, wenn keine Rückreflektionen mehr festgestellt werden. In diesem Fall muss davon ausgegangen werden, dass die Fahrzeugwindschutzscheibe sich nicht länger vor dem Strahlensensormodul befindet, beispielsweise aufgrund eines Fahrzeugunfalls oder einer Reparatur in einer Werkstatt. Um Augenverletzungen zu vermeiden, werden die Strahlelemente in dieser Situation abgeschaltet.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass das Strahlensensormodul für jedes Strahlelement ein eigenes Detektorelement umfasst, dessen jeweiliges Sensitivitätsmaximum der Wellenlänge des Intensitätsmaximums des jeweiligen Strahlelements entspricht. Somit kann eine gleichzeitige Analyse der reflektierten Sensorstrahlen erfolgen, die daher auch gleichzeitig emittiert werden können. Ein zeitlich versetztes Ansteuern der Strahlelemente und eine Synchronisation des Detektorelements sind somit nicht notwendig. Zudem können in diesem Fall Detektorelemente verwendet werden, die ihr jeweiliges Sensitivitätsmaximum der Wellenlänge bei der Wellenlänge des Intensitätsmaximums des jeweiligen Strahlelements haben, was eine vergleichsweise zuverlässigere Bestimmung des Straßenzustands und eine höhere Reichweite des Strahlensensormoduls ermöglicht. Da das Detektorelement jedoch einen vergleichsweise teuren Bestandteil des Strahlensensormoduls darstellt, kann ebenso ein einzelnes Detektorelement verwendet werden, das einen ausreichend weiten Sensitivitätsbereich aufweist, um die unterschiedlichen Wellenlängen der unterschiedlichen Strahlelemente zu detektieren. In letzterem Fall kann die Verwendung von wellenlängenabhängigen Korrekturfaktoren sinnvoll sein.
Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass das Detektorelement eine Photodiode ist, insbesondere eine Indium-Gallium-Arsenid-basierte Photodiode oder eine Germanium-basierte Photodiode. Photodioden erzeugen einen elektrischen Strom, der abhängig von der Lichtwellenlänge und der Lichtintensität ist, welche auf sie auftrifft. Somit eignen sich Photodioden sehr gut als Detektorelemente im Sinne der Erfindung. Der erzeugte Strom ist dabei eine Maßgröße für die reflektierten bzw. absorbierten Sensorstrahlen. Bei Verwendung einer Germanium-basierte Photodiode als Detektorelement wird diese vorzugsweise gekühlt, z. B. mittels eines Peltier-Elements.
Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass das Strahlensensormodul weiterhin ein Sperrfilter für sichtbares Licht umfasst, welches das Detektorelement schirmt. Dies reduziert Störeinflüsse und verhindert Fehlerkennungen. Somit kann die Reichweite, innerhalb der eine zuverlässige Bestimmung des Straßenzustands möglich ist, vergrößert werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Strahlensensormodul weiterhin mindestens eine Sammellinse umfasst, welche die reflektierten Sensorstrahlen auf das mindestens eine Detektorelement bündelt. Somit wird die auf den Detektor geführte Intensität der reflektierten Sensorstrahlen erhöht. Auch dies führt zu einer zuverlässigeren Bestimmung des Straßenzustands und einer Erhöhung der wirksamen Sensorreichweite des Strahlensensormoduls. Zu beachten ist, dass geeignete Materialien für die mindestens eine Sammellinse gewählt werden müssen, welche die infraroten Sensorstrahlen nicht absorbieren.
Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass das Strahlensensormodul eine Anbindung an einen Fahrzeugbus umfasst und insbesondere Informationen über einen erkannten Straßenzustand an mindestens ein weiteres Fahrzeugsystem weiterführt. Somit können die Informationen über den erkannten Straßenzustand einem weiteren Fahrzeugsystem zur Verfügung gestellt werden, z. B. einem Fahrstabilitätsregelsystem. Da dieses bereits vorausschauend mit Informationen über die jeweils unmittelbar folgenden Straßenzuständen versorgt wird, kann es ebenfalls vorausschauend den zwischen Straßenoberfläche und Reifen zu erwartenden Reibwert bestimmen und sich auf diesen einstellen. Somit vereinfacht sich die Fahrstabilitätsregelung und es ergibt sich ein Zugewinn an Fahrstabilität und Fahrsicherheit gegenüber Systemen, die den Reibwert erst unmittelbar beim Überfahren der jeweiligen Straßenoberfläche bestimmen können und sich nicht vorausschauend auf diesen einstellen können.
Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Strahlelemente in einem Fahrzeugstillstand keine Strahlungsleistung abgeben. Gerade im Fahrzeugstillstand besteht das Risiko, dass ein Mensch, z. B. ein Fußgänger, aus kurzer Distanz direkt in die Strahlelemente blickt und sich somit einer erhöhten Augenschädigungsgefahr aussetzt. Diese Gefahr kann somit vermieden werden.
Außerdem ist es bevorzugt, dass das Strahlensensormodul ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführt. Daraus ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 schematisch ein erfindungsgemäßes Strahlensensormodul während einer Straßenzustandsbestimmung,
2 ein Flussdiagramm mit einem möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 Absorptionsfähigkeiten von Nasser und Eis bei drei unterschiedlichen Wellenlängen.
1 zeigt Strahlensensormodul 101 mit Einhausung 103, die derart ausgebildet ist, dass Strahlensensormodul 101 an der Innenseite von Fahrzeugwindschutzscheibe 102 auf der Höhe des Rückspiegelfußes angeordnet werden kann. Windschutzscheibe 102 schließt die offene Vorderseite von Einhausung 103. Der Anschaulichkeit wegen ist Strahlensensormodul 101 in 1 im Querschnitt gezeigt, so dass die die Seitenflächen schließenden Wände von Einhausung 103 nicht dargestellt sind und den Blick ins Innere von Einhausung 103 freigeben. Strahlensensormodul 101 umfasst weiterhin Detektorelement 104, welches beispielsgemäß als Indium-Gallium-Arsenid-Photodiode ausgebildet ist, Sperrfilter 105, um den Einfall von durch Tageslicht verursachten Störeinflüssen auf Detektorelement 104 zu reduzieren, Sammellinse 111, die reflektierte Sensorstrahlen 106, 106' und alle zwischen Sensorstrahlen 106 und 106' laufenden Sensorstrahlen (nicht dargestellt) zur Erzeugung einer höheren Lichtintensität auf Detektorelement 104 bündelt, Analysemodul 107 zur Analyse der reflektierten Sensorstrahlen und zur Bestimmung des Straßenzustands und drei als Halbleiterlaser mit den Wellenlängen 980 nm, 1310 nm und 1550 nm ausgebildete Strahlelemente 108, 108' und 108''. Vor jedem von Halbleiterlasern 980 nm, 1310 nm und 1550 nm sind zudem weitere Kollimatorlinsen 109, 109' und 109'' angeordnet, welche das von Halbleiterlasern 108, 108' und 108'' erzeugte und emittierte Licht, also Sensorstrahlen 115, zu einem weitestgehend parallelen Strahlenbündel bündeln. Strahlelemente 108, 108' und 108'' sind durch Trennblende 119 von Detektorelement 104 getrennt, um zu vermeiden, dass Streustrahlung von Strahlelementen 108, 108' und 108'' auf Detektorelement 104 gelangt und so die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Straßenzustandsbestimmung beeinträchtigt. Ebenfalls von Strahlensensormodul 101 umfasst ist Platine 110, die die zur elektrischen Verbindung von Detektorelement 104, Analysemodul 107 und Strahlelementen 108, 108' und 108'' notwendigen Leiterbahnen aufweist. Um eine flexible Ausrichtung von Strahlelementen 108, 108' und 108'' zu gewährleisten, sind diese im Gegensatz zu Detektorelement 104 nicht starr an Platine 110 gekoppelt, sondern mittels flexibler Drahtanbindungen 112, 112' und 112'' bei der Anbringung von Strahlensensormodul 101 an Fahrzeugwindschutzscheibe 102 derart ausrichtbar, dass Straßenoberfläche 113 an Punkt 114 7 m vor der Windschutzscheibe – und somit in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug – mittels Sensorstrahlen 115 beleuchtet wird. Beispielsgemäß beträgt der Auftreffwinkel von Sensorstrahlen 115 auf Straßenoberfläche 113 an Punkt 114 12°. Die unterschiedlichen Wellenlängen (980 nm, 1310 nm und 1550 nm), die von Strahlelementen 108, 108' und 108'' erzeugt werden und als Sensorstrahlen 115 auf Punkt 114 treffen, werden dort gemäß diesem Ausführungsbeispiel teilweise diffus reflektiert und teilweise absorbiert. An Punkt 114 befindet sich Eisschicht 115, die von Wasserschicht 116 bedeckt ist. Da Wasser Wellenlängen von 1310 nm vergleichsweise stark absorbiert, wird diese Wellenlänge an der Oberfläche von Wasserschicht 116 nur schwach reflektiert. Dementsprechend erfasst Detektorelement 104 die Wellenlänge bei 1310 nm nur schwach in reflektierten Sensorstrahlen 106 und 106'. Die verbleibenden Wellenlängen bei 980 nm und 1310 nm durchdringen Wasserschicht 116 vergleichsweise gut und stoßen auf Eisschicht 115. Eisschicht 115 wiederum wirkt auf die Wellenlänge bei 1550 nm vergleichsweise stark absorbierend, so dass Detektorelement 104 auch die Wellenlänge bei 13550 nm nur schwach in reflektierten Sensorstrahlen 106 und 106' erfassen kann. Die Wellenlänge bei 980 nm hingegen durchdringt auch Eisschicht 116 vergleichsweise gut und wird schließlich von unter Eisschicht 116 liegender Straßenoberfläche 113 reflektiert. Da Detektorelement 104 somit die Wellenlänge bei 980 nm vergleichsweise stark erfasst, die Wellenlängen bei 1310 nm und 1550 nm hingegen nur vergleichsweise schwach, bestimmt Analysemodul 107 für den Straßenzustand an Punkt 114, dass dieser von Eisschicht 115 und Wasserschicht 116 bedeckt ist. Aufgrund des geringen Reibwerts von Eisschicht 115, die für einen Fahrer zudem nicht sichtbar ist, da sie unter Wasserschicht 116 verborgen ist, geht von Punkt 114 eine Gefahr für das Fahrzeug aus. Über Anbindung 117 an den Fahrzeug-CAN-Bus werden die Informationen über den Straßenzustand und die damit verbundenen niedrigen Reibwerte an ein Fahrstabilitätssystem weitergeführt, welches somit die entsprechenden Regelwerte bereits vorausschauend bestimmen kann und diese nicht erst beim Überfahren von Punkt 114 bestimmen muss. Weiterhin weist Strahlensensormodul 101 Anbindung 118 an eine Fahrzeugenergieversorgung zur Energieversorgung auf.
In 2 ist ein Flussdiagramm mit einem möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug dargestellt. In Verfahrensschritt 21 wird die Straßenoberfläche mit Sensorstrahlen beleuchtet, wobei die Sensorstrahlen gepulst abgegeben werden und eine mittlere Strahlungsleistung von 1 mW nicht übersteigen. Im folgenden Verfahrensschritt 22 wird ein erster Teil der auf die Straßenoberfläche auftreffenden Sensorstrahlen von der Straßenoberfläche absorbiert, in Schritt 23 wird ein zweiter Teil der auf die Straßenoberfläche auftreffenden Sensorstrahlen von der Straßenoberfläche reflektiert. Die reflektierten Sensorstrahlen werden in Schritt 24 schließlich mittels eines Detektorelements erfasst und in Schritt 25 wird mittels eines Analysemoduls anhand von Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen in den reflektierten Sensorstrahlen der Straßenzustand vor dem Fahrzeug bestimmt. Die Bestimmung erfolgt dabei mittels eines sogenannten Stützvektorverfahrens.
3 zeigt die Absorptionsfähigkeiten von Wasser und Eis für drei unterschiedliche Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung. Auf der Y-Achse ist dabei die Absorptionsfähigkeit aufgetragen, auf der X-Achse sind die Wellenlängen 980 nm, 1310 nm und 1550 nm dargestellt. Die Darstellung der Absorptionsfähigkeiten ist nicht maßstabsgetreu. Wie zu sehen ist, wird die Wellenlänge bei 980 nm insgesamt am schwächsten absorbiert, wobei Absorptionsfähigkeit von Wasser 31 hier etwas stärker ausgeprägt ist als Absorptionsfähigkeit von Eis 32. Die Wellenlänge bei 1310 nm sowohl von Wasser 33 als auch von Eis 34 stärker absorbiert als die Wellenlänge bei 980 nm. Zudem ist Absorptionsfähigkeit von Wasser 33 bei 1310 nm deutlich stärker als die von Eis 34. Nochmals stärker ist Absorptionsfähigkeit von Wasser 35 und Eis 36 bei der Wellenlänge bei 1550 nm. Im Gegensatz zu den vorgenannten Wellenlängen wird die Wellenlänge bei 1550 nm von Eis 35 jedoch stärker absorbiert als von Wasser 36.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007062203 A1 [0003]
DE 102009008959 [0004]
DE 102012203187 A1 [0005]
DE 102011015527 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug bei welchem eine Straßenoberfläche (113) mit Sensorstrahlen (106, 106') beleuchtet wird, wobei die Sensorstrahlen (106, 106') nach Maßgabe eines Straßenzustands der Straßenoberfläche (113) reflektiert und absorbiert werden und wobei die Straßenzustandsbestimmung anhand der reflektierten Sensorstrahlen (115) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Straßenoberfläche (113) in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beleuchten der Straßenoberfläche (113) und ein Erfassen der reflektierten Sensorstrahlen (115) synchronisiert-gepulst erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstrahlen (106, 106') unterschiedliche Wellenlängen umfassen, insbesondere Laserstrahlen (106, 106') mit Intensitätsmaxima bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Straßenzustandsbestimmung anhand von Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen in den reflektierten Sensorstrahlen (115) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Wellenlängen in den reflektierten Sensorstrahlen (115) mittels stochastischer Zuordnungsverfahren, insbesondere mittels eines Stützvektorverfahrens und/oder eines k-Means-Algorithmus, dem Straßenzustand zugeordnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Straßenzustand an mindestens ein Fahrstabilitätsregelungssystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem weitergeführt wird, insbesondere an ein Antiblockiersystem und/oder ein Elektronisches Stabilitätsprogramm und/oder Fahrwerksregelungssystem, wobei das mindestens eine Fahrstabilitätsregelungssystem und/oder Fahrdynamikregelungssystem mittels des bestimmten Straßenzustands eine ortssynchron angepasste Regelung ausführt.
Strahlensensormodul (101) zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug, umfassend mindestens zwei Strahlelemente (108, 108', 108''), mindestens ein Detektorelement (104), ein Analysemodul (107) und eine Sensoreinhausung (103), wobei die mindestens zwei Strahlelemente (108, 108', 108'') eine Straßenoberfläche (113) mit Sensorstrahlen (106, 106') beleuchten, wobei die Sensorstrahlen (106, 106') nach Maßgabe eines Straßenzustands der Straßenoberfläche (113) reflektiert und absorbiert werden, wobei das mindestens eine Detektorelement (104) die reflektierten Sensorstrahlen (115) erfasst und wobei das Analysemodul (107) die Straßenzustandsbestimmung anhand der vom mindestens einen Detektorelement (104) erfassten reflektierten Sensorstrahlen (115) vornimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinhausung (103) zur Anbringung an einer Innenseite einer Fahrzeugwindschutzscheibe (102) ausgebildet ist.
Strahlensensormodul (101) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlelemente (108, 108', 108'') Halbleiterlaser (108, 108', 108'') unterschiedlicher Wellenlängen im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1700 nm sind, insbesondere mit Intensitätsmaxima bei den Wellenlängen 980 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsleistung der mindestens zwei Strahlelemente (108, 108', 108'') jeweils 1 mW nicht übersteigt, wobei die Strahlungsleistung insbesondere an einer Außenseite der Windschutzscheibe (102) bestimmt wird.
Strahlensensormodul (101) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsleistung gepulst abgegeben wird.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement (104) einen von der Windschutzscheibe (102) in das Strahlensensormodul (101) rückreflektierten Anteil der Strahlungsleistung bestimmt und das Strahlensensormodul (101) anhand des rückreflektierten Anteils die Strahlungsleistung an der Außenseite der Windschutzscheibe (102) regelt.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlensensormodul (101) für jedes Strahlelement (108, 108', 108'') ein eigenes Detektorelement (104) umfasst, dessen jeweiliges Sensitivitätsmaximum der Wellenlänge des Intensitätsmaximums des jeweiligen Strahlelements (108, 108', 108'') entspricht.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement (104) eine (104) Photodiode ist, insbesondere eine Indium-Gallium-Arsenid-basierte Photodiode (104) oder eine Germanium-basierte Photodiode (104).
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlensensormodul (101) weiterhin ein Sperrfilter (105) für sichtbares Licht umfasst, welches das Detektorelement (104) schirmt.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlensensormodul (101) weiterhin mindestens eine Sammellinse (111) umfasst, welche die reflektierten Sensorstrahlen (115) auf das mindestens eine Detektorelement (104) bündelt.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlensensormodul (101) eine Anbindung (117) an einen Fahrzeugbus umfasst und insbesondere Informationen über einen erkannten Straßenzustand an mindestens ein weiteres Fahrzeugsystem weiterführt.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Strahlelemente (108, 108', 108'') in einem Fahrzeugstillstand keine Strahlungsleistung abgeben.
Strahlensensormodul (101) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlensensormodul (101) ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.