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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Umgebungsdaten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Zur Erhöhung der Sicherheit und des Komforts in einem Kraftwagen ist gemäß des Stands der Technik die Integration von Fahrassistenzsystemen in einen Fahrbetrieb des Kraftwagens vorgesehen. Beispiele für Fahrerassistenzsysteme sind Abstandshaltetempomaten, welche eine Geschwindigkeit und einen Abstand zu einem vorrausfahrenden Kraftwagen regeln, Spurhalteassistenten, welche einen Fahrer beim Verlassen einer Fahrspur warnen und/oder selbsttätig in die Spur zurücklenken können, sowie autonome Fahrsysteme, welche ein autonomes Fahren des Kraftwagen ermöglichen.
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Für eine ordnungsgemäße und sichere Funktion der Fahrassistenzsysteme ist eine präzise und zuverlässige Ermittlung von Umgebungsdaten nötig. Beispielweise in Frage kommen optische Sensoren, beispielsweise Lidar, zur Vermessung einer fahrzeugexternen Umgebung. Lidar bezeichnet auch im Deutschen eine dem Radar ähnliche Technik insbesondere zur Abstandsmessung und Geschwindigkeitsmessung, wobei statt Radarwellen Laserstrahlen zum Einsatz kommen. Optische Sensoren in Fahrzeugen haben jedoch oft das Problem, dass intensive Reflexionen beispielsweise von Wasserfilmen auf der Straße und/oder Schneedecken diese zumindest partiell erblinden lassen, also einen ordnungsgemäßen Betrieb unmöglich machen. Daher ist der Einsatz, beispielsweise eines angeschlossenen Fahrerassistenzsystems, nur eingeschränkt möglich. Essentiell für insbesondere hochautomatisierte Fahrerassistenzsysteme ist jedoch die Verfügbarkeit und Verlässlichkeit der zugrunde liegenden Sensoren.
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Die
DE°10°2013°220°250°A1 offenbart einen optischen Sensor mit einer Polarisationskamera zum Erfassen polarisierten Lichtes, welches von einer Fahrbahnoberfläche reflektiert wird. Anhand der Polarisierung des Lichtes kann auf eine Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche geschlossen werden und insbesondere Art und Menge eines Niederschlages bestimmt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen besonders universellen und störungsunempfindlichen Betrieb eines optischen Sensors zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und nicht triviale Weiterbildungen sind Teil der Unteransprüche.
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Um nun ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein besonders universeller und störungsunempfindlicher Betrieb eines optischen Sensors zu ermöglicht wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein der Sensoreinheit vorgelagerter Polarisationsfilter zur Unterdrückung von Störreflexionen dynamisch ausgerichtet wird. Störreflexionen hoher Intensität, beispielsweise hervorgerufen durch einen nassen Fahrbahnbelag oder Schnee und/oder Eis, senden polarisiertes Licht aus. Im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Polarisationsfilter insbesondere dahingehend ausgerichtet, dass derartige Störreflexionen herausgefiltert werden. Der Polarisationsfilter dient demnach nicht der Messung unterschiedlicher Polarisationsrichtungen, sondern der Filterung intensiver Störreflexionen, die insbesondere das Reflexionssignal so stark überlagern würden, dass der Sensor partiell erblindet. Dadurch ist ein störungsfreier Betrieb des optischen Sensors insbesondere bei nasser Fahrbahn und schwierigen Lichtverhältnissen gewährleistet.
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Der optische Sensor kann Teil eines beliebigen optischen Erfassungssystems sein. Beispiele für optische Erfassungssysteme sind ein Lidar-System oder ein kamerabasiertes System, insbesondere mit einer in Normalfahrtrichtung ausgerichteten Kameraanordnung (Mono-Kamera oder Stereo-Kamera), einer Rückfahrkamera oder einer Kameraanordnung zur Umgebungserkennung, für das sich der englische Fachbegriff Surroundview durchgesetzt hat.
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Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. in einer schematischen Seitenansicht einen Kraftwagen mit einem Lidar-System, welches einen optischen Sensor umfasst, dem ein Polarisationsfilter mit einem Flüssigkristall vorgelagert ist, wobei mittels des Lidar-Systems eine Entfernung zu einem vorrausfahrenden Kraftwagen gemessen wird.
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In der 1 ist in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftwagen 1 gezeigt, dem ein vorrausfahrender Kraftwagen 3 in einem Abstand D vorrausfährt. Der Kraftwagen 1 weist hierzu einen Abstandshaltetempomat 18 als Fahrerassistenzsystem auf. Der Abstandshaltetempomat 18 hält eine Geschwindigkeit des Kraftwagens 1 auf einem, insbesondere durch einen Fahrer, vordefinierten Wert, falls sich der vorrausfahre Kraftwagen 3 in einem Abstand D von dem Kraftwagen 1 befindet, der größer ist als ein vordefinierter, insbesondere geschwindigkeitsabhängiger, Abstandsgrenzwert. Befindet sich der vorrausfahren Kraftwagen 3 in einem Abstand D von dem Kraftwagen 1, der geringer ist als der Abstandsgrenzwert, so kann der Abstandshaltetempomat 18 den Kraftwagen abbremsen. Der Abstandshaltetempomat 18 regelt die Geschwindigkeit des Kraftwagens 1 dann derart, dass der Abstand D dem im Wesentlichen dem Abstandsgrenzwert entspricht. Diese Art der Regelung durch den Abstandshaltetempomat 18 ist beispielhaft zu betrachten, es sind auch andere Regelungen möglich. Auch die Nutzung eines Abstandshaltetempomats 18 ist beispielhaft gemeint, ein optischer Sensor 14 kann für die Bereitstellung von Umgebungsdaten für jedes denkbare Fahrerassistenzsystem ausgebildet sein, beispielsweise eine Abstandsanzeige, eine Erkennung der Fahrbahnbeschaffenheit, eine Einparkhilfe und/oder ein System zum autonomen Fahren.
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In dem in der Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Kraftwagen 1 ein Lidar-System 12, welches der Bereitstellung von Umgebungsdaten zum Betreiben der Fahrerassistenzeinrichtung beziehungsweise des Abstandshaltetempomaten dient. Das Lidar-System 12 umfasst eine als optischen Sensor 14 ausgebildete Sensoreinheit, die eine Reflexion 30 eines optischen Signals, beispielsweise eines Laserstrahls 10, empfängt. Der optische Sensor 14 ermittelt ein Reflexionssignal, welches die Reflexion 30 betrifft, beispielsweise eine Intensität, eine Wellenlänge, ein Richtung, eine Phasenlage und/oder eine Intensitätsverteilung über die Wellenlänge. Der optische Sensor 14 kann hierzu in verschiedene Raumrichtungen ausgerichtet werden. Außerdem kann eine ein gezielte Messung einer Reflexion 30 aus einer bestimmten Raumrichtung und/oder einer bestimmten Wellenlänge durch ein Fokussierungseinheit, beispielsweise eine Anordnung aus Spiegeln, ein optisches Gitter, ein Prisma und/oder ein Linse, ermöglicht werden.
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Das Lidar-System 12 umfasst außerdem eine Auswerteeinheit 15, mittels welcher das durch den optischen Sensor 14 bereitgestellte Reflexionssignal zur Bereitstellung von Umgebungsdaten analysiert wird. Die Umgebungsdaten betreffen beispielsweise räumliche Zustandsdaten einer Umgebung des Kraftwagens 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel analysiert die Auswerteeinheit 15 das Reflexionssignal insbesondere zur Bereitstellung des Abstandes D sowie einer Geschwindigkeit, insbesondere Differenzgeschwindigkeit. Im Rahmen der Analyse des Reflexionssignals kann beispielsweise ein Laufzeitunterschied zwischen Lichtanteilen unterschiedlicher und/oder gleicher Wellenlänge, eine Intensität des Reflexionssignals und/oder eine Differenz der Intensitäten zwischen Lichtanteilen unterschiedlicher und/oder gleicher Wellenlänge ausgewertet werden. Der optische Sensor 14 sowie die Auswerteeinheit 15 sind bevorzugt derart aufeinander abgestimmt, dass der optische Sensor 14 ein an die Auswerteeinheit 15 angepasstes Reflexionssignal ermittelt und bereitstellt.
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Das Lidar-System 12 umfasst vorliegend außerdem eine als Lasereinheit 13 ausgebildete optische Signaleinheit zum Emittieren eines optischen Signals, insbesondere eines Laserstrahls 10. Der Laserstrahl 10 ist insbesondere gekennzeichnet durch monochromatisches Licht hoher Bündelung und damit Intensität. Die Strahlaufweitung ist sehr gering. Zudem ist der Laserstrahl 10 linear polarisiert. Es können auf mehrere Lasereinheiten 13 vorgesehen sein, welche insbesondere Laserstahlen unterschiedlicher Lichtfarbe beziehungsweise Wellenlänge emittieren. Die Lasereinheit 13 emittiert demnach einen Laserstrahl 10, welcher von dem vorrausfahrenden Kraftwagen 3 und/oder einem beliebigen Gegenstand in der Umgebung des Kraftwagens 1 reflektiert wird. Mittels einer Laufzeit des Laserstrahls 10 und der Reflexion 30 zwischen Aussendung durch Lasereinheit 13 und Detektion durch den optischen Sensor 14 kann durch die Auswerteeinheit 15 auf besonders einfache Art und Weise auf den Abstand D zu dem vorrausfahrenden Kraftwagen 3 geschlossen werden. Beispielsweise gibt die Lasereinheit 13 hierzu bei Beginn der Emittierung des Laserstrahls 10, beispielsweise durch Öffnen einer Blende, ein Signal an die Auswerteeinheit 15 aus. Sobald das Reflexionssignal auf eine auftreffende Reflexion 30 des Laserstrahls 10 hindeutet, kann der Abstand D mittels der Lichtgeschwindigkeit und der Laufzeit über eine einfache Formel berechnet werden. Insbesondere wird der Abstand D zum vorrausfahrenden Kraftwagen 3 in periodischen Abständen, beispielsweise alle zehn Millisekunden, gemessen. Dann kann durch Bilden einer zeitlichen Ableitung des Abstands D auch die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Kraftwagen 1 und dem vorrausfahrenden Kraftwagen 3 bestimmt werden.
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In der Fig. ist außerdem ein Schneehaufen 4 gezeigt. Der Schneehaufen 4 ist von der Sonne 2 beschienen und reflektiert einfallendes Sonnenlicht 20 mit hoher Intensität. Auf diese Weise ist durch den Schneehaufen 4 eine Störreflexion 40 erzeugt, welche dazu in Lage ist, den optischen Sensor 14 aufgrund ihrer hohen Intensität zu blenden. In diesem Fall wäre der optische Sensor 14 nicht mehr in der Lage ein Reflexionssignal zu ermitteln, welches die Reflexion 30 des Laserstrahls 10 betrifft. Beispielsweise weist die Störreflexion 40 eine im Vergleich zur Reflexion 30 so hohe Intensität auf, dass die Reflexion 30 nicht mehr messbar ist.
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Dem Lidar-System 12 vorgelagert ist ein Polarisationsfilter 17, welcher einen Flüssigkristall beziehungsweise eine Menge an Flüssigkristallen umfasst. Die Flüssigkristalle können durch Anlegen einer elektrischen Spannung in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden. Insbesondere ist der Polarisationsfilter 17 ein flacher Körper, sodass die Flüssigkristalle im Wesentlichen bezüglich einer Ebene zweidimensional ausgerichtet werden können. Durch Ausrichten der Flüssigkristalle kann dem Polarisationsfilter 17 eine Filterpolarisationsrichtung vorgegeben werden. Daraufhin können nur diejenigen Lichtanteile, die senkrecht zur Filterpolarisationsrichtung beziehungsweise parallel zu einer Durchlasspolarisationsrichtung polarisiert sind, den Polarisationsfilter 17 transmittieren. Die Filterpolarisationsrichtung und die Durchlasspolarisationsrichtung stehen senkrecht aufeinander. Diejenigen Lichtanteile, die senkrecht zur Durchlasspolarisationsrichtung beziehungsweise parallel zur Filterpolarisationsrichtung einer polarisiert sind, werden durch den Polarisationsfilter 17 gefiltert.
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Da die Störreflexion 40 zumindest im Wesentlichen eine definierte Polarisationsrichtung aufweist, ist die Störreflexion 40 durch eine geeignete Ausrichtung des Polarisationsfilters 17 filterbar. Der Polarisationsfilter 17 kann beispielweise durch den optischen Sensor 14 anhand der einfallenden Strahlung oder durch die Auswerteeinheit 15 anhand des Reflexionssignals gesteuert werden. Beispielweise weist der Polarisationsfilter 17 zwei senkrecht zueinander stehende Kondensatoren mit jeweils zwei Kondensatorplatten auf, wobei die jeweiligen Kondensatorplatten eines Kondensators jeweils zwei gegenüberliegende Seiten des Polarisationsfilters 17 ausbilden. Dann können durch Anlegen jeweils einer Spannung an die jeweiligen Kondensatoren die Filterpolarisationsrichtung beziehungsweise die Durchlasspolarisationsrichtung ausgerichtet werden. Durch den Polarisationsfilter 17 mit Flüssigkristallen ist eine besonders dynamische Anpassung der Durchlasspolarisationsrichtung ermöglicht.
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Die Filterpolarisationsrichtung kann beispielsweise eingestellt werden, während kein Reflex 30 den optischen Sensor 14 erreicht. Vorzugsweise ist die Filterpolarisationsrichtung dann so zu wählen, dass die durch den optischen Sensor 14 ermittelte Störreflexion 40 minimiert ist. Dazu kann beispielsweise die Filterpolarisationsrichtung über einen Bereich von 180° hinweg verändert werden und eine Intensität der Störreflexion 40 abhängig vom Winkel der Filterpolarisationsrichtung gemessen werden.
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Die hier beschriebene Nutzung eines Polarisationsfilters 17 mit Flüssigkristallen ist beispielhaft zu verstehen. Der Polarisationsfilter 17 kann dabei beliebig ausgeführt sein, beispielsweise mittels Folien. Die dynamische Anpassung kann auch im Rahmen einer Kalibrierung erfolgen. Diese Kalibrierung wird beispielsweise bei Antritt einer Fahrt durchgeführt und dann über die gesamte Fahrt beibehalten. Die Kalibrierung kann jedoch auch Teil eines Herstellungsprozesses des Kraftwagens 3, des optischen Sensors 14 oder der Polarisationsfilters 17 sein. Im Rahmen der Kalibrierung kann die Filterpolarisationsrichtung des Polarisationsfilters 17 so eingestellt, dass eine übliche Polarisationsrichtung der Störreflexion 40 gefiltert wird. Damit ist der Regelaufwand zum dynamischen Anpassen der Filterpolarisationsrichtung bei dennoch hoher Filterwirkung minimiert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel deckt der Polarisationsfilter 17 das Lidar-System 12 ausschließlich den optischen Sensor 14 des Lidar-System 12 ab. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, beispielsweise um eine besonders kompakte Bauform zu erzielen, bei denen der Polarisationsfilter 17 die gesamte Stirnfläche des Lidar-Systems 12 abdeckt. Dann ist die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 10 vorzugsweise so zu wählen, dass diese der Durchlasspolarisationsrichtung des Polarisationsfilters 17 entspricht.
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Ein Polarisationsfilter 17 vor dem optischen Sensor 14 filtert die Polarisationsrichtung beziehungsweise Polarisationsebene, die primär von Niederschlage, wie Wasserfilmen, Schnee und Eis, reflektiert wird. In diesem Kontext ist der in der Fig. dargestellte Schneehaufen 4 als exemplarisch zu betrachten. Hierdurch werden Blendeffekte, welche eine ordnungsgemäße Funktion des optischen Sensors 14 stören könnten deutlich reduziert. Wahlweise kann die Gesamtreflexion gemessen werden, um so einen Rückschluss auf die Wetterbedingungen und/oder ein Oberflächenbeschaffenheit einer Fahrbahn zu ermöglichen. Beispielsweise können die Zustände „nass”, „feucht”, „trocken” und „vereist” unterschieden werden.
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Durch den der Sensoreinheit vorgelagerter Polarisationsfilter 17 können Blendeffekte, beispielweise durch feuchte, eisige und/oder verschneite Wetterbedingungen reduziert werden. Dadurch können Fahrerassistenzsysteme, insbesondere hochautomatisierte Fahrfunktionen, welche nur bei Bereitstellung von Umgebungsdaten einsetzbar sind, in mehr Situationen und besonders zuverlässig bereitgestellt werden. Die zusätzliche Detektion der Gesamtreflexion ermöglicht Rückschlüsse auf die Wetterbedingungen und/oder ein Oberflächenbeschaffenheit einer Fahrbahn.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftwagen
- 2
- Sonne
- 3
- vorrausfahrender Kraftwagen
- 4
- Schneehaufen
- 10
- Laserstrahl
- 12
- Lidar-System
- 13
- Lasereinheit
- 14
- optischer Sensor
- 15
- Auswerteeinheit
- 17
- Polarisationsfilter
- 18
- Abstandshaltetempomats
- 20
- Sonnenlicht
- 30
- Reflexion
- 40
- Störreflexionen
- D
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220250 A1 [0004]
