DE10248416B4

DE10248416B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10248416B4
Application number: DE10248416A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Grünleitner; Boris Buschardt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: DE10248416A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs in mindestens einer Bewegungsrichtung i mit einer Sensoranordnung (14) und einer Auswerteeinheit (16), wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (12) zur Ausleuchtung eines Beobachtungsfelds (20) auf der Fahrbahn (22) aufweist, das mindestens eine Achse in der mindestens einen Bewegungsrichtung i (24) aufweist, wobei die Sensoranordnung (14) mindestens eine erste Pixelzeile (26, 28) umfasst, die derart zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Achse des Beobachtungsfelds (20) in einer Bewegungsrichtung i (24) parallel zu einer Längsachse der mindestens einen ersten Pixelzeile (26, 28) auf der Sensoranordnung (14) abgebildet werden kann,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensoranordnung mindestens eine zeitlich versetzt angesteuerte zweite Pixelzeile (26, 28) umfasst, die ebenfalls zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet und angeordnet ist,
wobei die Auswerteeinheit (16) derart ausgebildet ist, dass durch eine Analyse der in einem zeitlichen Abstand durch die mindestens eine erste Pixelzeile...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs in mindestens einer Bewegungsrichtung i mit einer Sensoranordnung und einer Auswerteeinheit sowie ein entsprechendes Verfahren und ein Fahrzeug mit der aufgeführten Vorrichtung.
Heutige Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Relativbewegung bzw. einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs beruhen in der Regel auf einer Messung einer Raddrehzahl oder anderer Drehzahlen im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, die von der Raddrehzahl abhängig sind. Die Relativbewegung oder die Geschwindigkeit, die auf diese Weise ermittelt wird, stimmt jedoch häufig nicht mit der tatsächlichen Relativbewegung bzw. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn überein. Ein Grund dafür ist vor allem der Schlupf der Reifen.

Diesen Nachteil vermeidet ein Geschwindigkeitsmesssystem, das in der Offenlegungsschrift DE 197 20 846 A1 beschrieben ist. Mit Hilfe dieses Geschwindigkeitsmesssystems für ein Kraftfahrzeug wird die Fahrzeuggeschwindigkeit mittels Mikrowellen unter Ausnutzung des Doppler-Prinzips erfasst. Nachteilig daran ist jedoch, dass lediglich relativ hohe Geschwindigkeiten gemessen werden können, während niedrige Geschwindigkeiten kaum exakt zu erfassen sind.

Außerdem sind Systeme bekannt, die eine Messung der Geschwindigkeit mit Hilfe eines Ortsfrequenzfilters realisieren. So wird jeweils ein Bereich der Fahrbahnoberfläche auf einen aus einem Amplitudengitter oder einem Phasengitter bestehenden Ortsfrequenzfilter abgebildet, so dass bestimmte photoelektrische Messsignale erzeugt werden. Diese photoelektrischen Messsignale werden von einer Sensoranordnung erfasst und mit Hilfe einer Auswerteeinheit derart analysiert, dass die Geschwindigkeit eines über die bahnoberfläche bewegten Fahrzeugs bestimmt werden kann. Ein solches System ist in der Offenlegungsschrift DE 198 52 665 A1 beschrieben. Nachteilig ist jedoch, dass ein Ortsfrequenzfilter eine aufwändige optische Komponente darstellt, die sehr teuer ist und sich nicht mühelos auf einem Halbleiterchip integrieren lässt.

Aus der JP 9-33 546 A ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle zur Ausleuchtung eines Beobachtungsfelds auf einer Fahrbahn und einen Bildsensor mit einer Pixelzeile. Durch den Bildsensor werden in zeitlichem Abstand Bilder des Beobachtungsfelds aufgenommen, die dann mit Hilfe einer Auswerteeinheit verglichen werden können, um schließlich die Verschiebung des aufgenommenen Bilds auszuwerten. Bei der bekannten Vorrichtung wird lediglich ein Bildsensor verwendet.

Aus der FR 2 583 882 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs bekannt, bei der eine zur Bilderfassung vorgesehene Sensoranordnung eine Pixelzeile oder auch eine Pixelmatrix aufweisen kann. Durch die Pixelzeile oder die Pixelmatrix werden nacheinander Bilder aufgenommen, die verglichen werden können, um durch eine Auswerteeinheit die Geschwindigkeit zu ermitteln.

Des Weiteren ist in der DE 699 00 126 T2 eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Fahrtrichtung und wahlweise die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs bestimmt werden kann. Dazu können beispielsweise zwei aufeinanderfolgende Bilder analysiert werden, um die Ortsänderung einzelner Bildmerkmale zu bestimmen. Die Aufnahme der Bilder kann einerseits getrennt erfolgen und andererseits durch zwei hintereinander ausgelöste Stroboskopblitze überlagert werden. Es werden jedoch immer nur Bilder einer einzigen Kamera miteinander verglichen bzw. für die Analyse herangezogen.

Darüber hinaus offenbart die DE 197 46 895 A1 in Gerät zum Erfassen des Betrags einer Fahrzeugbewegung. Zu diesem Zweck werden Markierungen auf einer Straßenoberfläche vorgenommen, die durch eine Abbildungsvorrichtung in Form von Bildern in vorgegebenen Zeitabständen erfasst werden können. Durch die Änderungen der Markierungspositionen während des vorgegebenen Zeitabstands wird ein Betrag der Fahrzeugbewegung berechnet.

Darüber hinaus ist in der DE 43 42 609 A1 eine optische Geschwindigkeitsmesseinrichtung beschrieben, die ein Sensorelement aufweist, das wenigstens aus einem Paar von Pixelzeilen besteht. Durch die beiden Pixelzeilen kann das gleiche Beobachtungsfeld erfasst werden. Jedoch sind die Pixelzeilen dazu ausgelegt, gleichzeitig angesteuert bzw. ausgelesen zu werden, wobei die eine in Vorwärts- und die andere in Rückwärtsrichtung ausgelesen wird. Ist die optische Geschwindigkeitsmesseinrichtung an einem Fahrzeug angebracht und bewegt sich dieses Fahrzeug, so wird beim Auslesen in Vorwärtsrichtung eine größere Anzahl von Impulsen pro Auslesevorgang, also in Rückwärtsrichtung erfasst, wenn das Sensorelement entsprechend der Fahrtrichtung positioniert ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ergibt sich schließlich aus einer Funktion der Impulsanzahl bei der Vorwärtsabtastung und der Impulsanzahl bei der Rückwärtsabtastung.

Des Weiteren ist in Dietmayer, K.: „Modellgestützte Bildfolgenanalyse zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung", in: tm-Technisches Messen 63 (1996) 1, S. 22 bis 29 eine Vorgehensweise zur allgemeinen Bilderfassung beschrieben, um eine Geschwindigkeitsmessung durchführen zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit bereitzustellen, die eine exakte Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs gewährleistet, ohne aufwändige optische Komponenten verwenden zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Patentansprüche 1 und 18 gelöst.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein mit Hilfe einer Lichtquelle ausgeleuchtetes Beobachtungsfeld auf einer Fahrbahn durch eine Sensoranordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden kann, so dass mit Hilfe einer Auswerteeinheit durch Analyse der erfassten Bilder ein Streckenwert ermittelt werden kann, der eine Strecke charakterisiert, die das Fahrzeug zwischen den Zeitpunkten der Bilderfassung zurückgelegt hat. Die Sensoranordnung muss zu diesem Zweck mindestens eine Pixelzeile umfassen, deren Längsachse so ausgerichtet ist, dass eine definierte Achse des Beobachtungsfelds in einer Bewegungsrichtung i parallel zu der Längsachse der mindestens einen Pixelzeile auf der Sensoranordnung abgebildet werden kann. Eine Pixelzeile umfasst im Sinne der Erfindung mindestens zwei Pixel die entlang einer Geraden und optional beabstandet angeordnet sind. Eine solche Pixelzeile stellt eine einfache Ausführung der Sensoranordnung dar, die neben geringen Kosten schnell auslesbar ist und eine geringe Leistungsfähigkeit einer Auswerteelektronik der Auswerteeinheit erfordert. Darüber hinaus umfasst die Sensoranordnung mindestens eine zeitlich versetzt angesteuerte zweite Pixelzeile, die ebenfalls zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds ausgebildet und angeordnet ist. Die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch eine Analyse der in einem zeitlichen Abstand durch die mindestens eine erste Pixelzeile und durch die mindestens eine zweite Pixelzeile erfassten Bilder ein Streckenwert n_i ermittelt werden kann, der eine Strecke vermittelt, die das Fahrzeug in der Bewegungsrichtung i zwischen der Erfassung der Bilder zurückgelegt hat.

Die Lichtquelle gewährleistet auch ohne Tageslicht eine optimale Ausleuchtung des zu erfassenden Beobachtungsfelds. Ihr emittierter Spektralbereich ist auf die Sensoranordnung abgestimmt, so dass diese eine hohe Photoresponsivität in diesem Spektralbereich aufweist. Die Lichtquelle, die typischer Weise im nahen infraroten Spektralbereich emittiert, kann mindestens eine Glühlampe und/oder mindestens eine Halogenlampe und/oder mindestens eine Gasentladungslampe und/oder mindestens eine Leuchtdiode und/oder mindestens eine Laserdiode umfassen.

Die Auswerteeinheit analysiert die Verschiebung aufeinanderfolgender Bilder, die von der Sensoranordnung erfasst wurden, und ermittelt daraus die Relativbewegung, so dass ein Streckenwert n_i angegeben werden kann, der die Strecke vermittelt, die das Fahrzeug in der Bewegungsrichtung i zurückgelegt hat. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, ein aufgenommenes Bild nicht nur mit dem danach aufgenommenen Bild, sondern auch mit späteren Bildern zu überlagern bzw. zu vergleichen. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, können zu diesem Zweck bekannte Algorithmen zur Texturanalyse verwendet werden wie beispielsweise Korrelationsverfahren, Fourieranalyse etc.. Zur Speicherung der einzelnen Bilder kann ein Zwischenspeicher vorgesehen sein, in dem die einzelnen Bilder abgelegt werden. Bei entsprechend kurzem zeitlichen Abstand zwischen den Bilderfassungen können so Streckenwerte bei sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs ermittelt werden. Während bei einer hohen Geschwindigkeit Bilder zur Bestimmung des Streckenwerts herangezogen werden, die kurz nacheinander aufgenommen wurden, dienen bei niedrigeren Geschwindigkeiten Bilder, die mit einem größeren zeitlichen Abstand aufgenommen wurden, der Bestimmung des Streckenwerts. Unter einem Bildvergleich ist auch ein Vergleich nachbearbeiteter Aufnahmen des Beobachtungsfelds zu verstehen. Den einzelnen durch die Pixel aufgenommenen Signalen können beispielsweise Graustufen zugeordnet werden, so dass schließlich ein Graustufen-Bild mit einem anderen Graustufen-Bild verglichen werden kann. Alternativ können auch die Graustufen einzelner Pixel mit denen einer neuen Aufnahme verglichen werden. Außerdem kann zur Nachbearbeitung ein Filter vorgesehen sein, durch das bestimmte von den Pixel erfasste Signale herausgefiltert werden, so dass beispielsweise besonders helle und/oder besonders dunkle Bildwerte mit ihren Positionen ermittelt werden, um diese dann mit den Positionen entsprechender Bildwerte einer oder mehrerer anderer Aufnahmen zu vergleichen. Außerdem kann die Sensoranordnung Sensoren mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten umfassen, so dass insbesondere bei Verwendung eines Mikrolinsenarrays beispielsweise ein RGB-Farbsensor realisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat auf Grund ihrer Bestandteile den Vorteil, dass sie mit wenigen relativ einfach aufgebauten Elementen realisierbar ist und trotzdem eine sehr exakte Bestimmung der Relativbewegung eines Fahrzeugs gewährleistet. Außerdem kann die Relativbewegung gleichermaßen bei schnellen und niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs bestimmt werden, indem der zeitliche Abstand der Bilderfassungen variiert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Optik zur Abbildung des Beobachtungsfelds auf die Sensoranordnung auf. Auf diese Weise kann die Fläche des Beobachtungsfelds, die auf die Sensoranordnung abgebildet wird, unabhängig von der Position der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Fahrzeug und unabhängig von der räumlichen Ausdehnung der Sensoranordnung gewählt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Optik zur homogenen Ausleuchtung des Beobachtungsfelds aufweisen. Auf diese Weise kann ein durch die Lichtquelle erzeugter Lichtpegel den Bedürfnissen der erfindungsgemäßen Vorrichtung exakt angepasst werden. Um eine Verschmutzung der Lichtquelle zu verhindern, kann eine Spiegelanordnung vorgesehen sein, die das Licht der Lichtquelle auf die Fahrbahn reflektiert.

Die Lichtquelle kann vorteilhafterweise zur kontinuierlichen Ausleuchtung oder zur gepulsten Ausleuchtung des Beobachtungsfelds ausgebildet sein. Während die integrale Ausleuchtungsintensität pro Bilderfassung bei der kontinuierlichen Ausleuchtung und der gepulsten Ausleuchtung nahezu identisch ist, wird die Ausleuchtungsintensität bei der gepulsten Ausleuchtung erhöht, während gleichzeitig die Ausleuchtungszeit reduziert wird. Bei einer so realisierten gepulsten Ausleuchtung kann der Einfluß von Hintergrundlicht vernachlässigt werden und eine Unschärfe des Bildes kann durch die kurze Ausleuchtungszeit vermieden werden. Für die gepulste Ausleuchtung eignen sich insbesondere Leuchtdioden oder Laserdioden als Lichtquelle. Eine kontinuierliche Ausleuchtung ist dagegen leichter zu realisieren und erfordert keine zeitliche Steuerung.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Sensoranordnung zur gepulsten Bilderfassung ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Lichtquelle derartig mit der Sensoranordnung gekoppelt sein, dass die Bilderfassung synchron zu einer gepulsten Ausleuchtung des Beobachtungs felds erfolgt. Mit einer synchron gepulsten Ausleuchtung und Bilderfassung sowie einer sehr kurzen Pulsdauer wird die größte Bildschärfe erzielt. Dies bietet vor allem bei hohen Geschwindigkeiten wesentliche Vorteile gegenüber ungepulsten Systemen.

Der zeitliche Abstand, in dem die Bilder erfasst werden, die der Ermittlung des Streckenwerts n_i dienen, kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem Speicherelement der Auswerteeinheit abgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zeitliche Abstand der Auswerteeinheit über einen Eingang von einem Pulsgeber der Lichtquelle und/oder der Sensoranordnung übermittelt werden kann. Auch ein anderer Träger dieser zeitlichen Information kann derart mit der Auswerteeinheit gekoppelt sein, dass diese an die Auswerteeinheit übermittelbar ist. Die Auswerteeinheit kann dann derart ausgebildet sein, dass aus dem Streckenwert n_i und dem zeitlichen Abstand eine Bewegungsgeschwindigkeit v_i in der Bewegungsrichtung i ermittelt wird. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs geeignet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Längsachse mindestens einer Pixelzeile der Sensoranordnung parallel zu einer Längsachse des Fahrzeugs angeordnet. Wird keine Spiegelanordnung zur Abbildung des Beobachtungsfeld auf der Sensoreinheit verwendet, kann auf diese Weise die Relativbewegung und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in eine Richtung parallel zur Längsachse optimal bestimmt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Längsachse mindestens einer Pixelzeile der Sensoranordnung senkrecht zu der Längsachse des Fahrzeugs angeordnet ist, wodurch die Relativbewegung bzw. die Geschwindigkeit des Fahrzeugs senkrecht zur Fahrtrichtung bestimmbar ist, wenn keine Spiegelanordnung verwendet wird.

Vorteilhafterweise kann die Sensoranordnung mindestens zwei Pixelzeilen umfassen, die eine Pixelmatrix bilden. Gemäß der oben aufgeführten Definition einer Pixelzeile umfasst die Pixelmatrix folglich mindestens zwei mal zwei Pixel. Mit Hilfe einer Vier-Pixelmatrix lassen sich Relativbewegungen eines Fahrzeugs in vier verschiedene Bewegungsrichtungen bestimmen, da die Pixelmatrix durch bestimmte Winkel beabstandet vier Pixelzeilen mit jeweils zwei Pixel aufweist. Auch Drehbewegungen sind erfassbar, da mit Hilfe einer Pixelzeile ein Streckenwert n_i ermittelt werden kann, während an ande rer Stelle keine Bewegung detektiert werden kann. Je mehr Pixel die Pixelmatrix aufweist, desto detaillierter können die Fahrzeugbewegungen bestimmt werden. Die Auswerteeinheit kann dann derart ausgebildet sein, dass die in zeitlichem Abstand mit Hilfe der Pixelmatrix erfassten Bilder derart durch die Auswerteeinheit analysiert werden können, dass ein Relativwinkel und/oder ein Gierwinkel und/oder ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs ermittelbar ist. Auf diese Weise kann nahezu jede denkbare Fahrzeugbewegung genau analysiert werden.

Die Auswerteeinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, dass aus dem Gierwinkel und dem zeitlichen Abstand eine Giergeschwindigkeit ermittelt werden kann. Als Ableitung des Schwimmwinkels nach der Zeit kann auf ähnliche Weise auch ein Schwimmwinkelgradient bestimmt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung mindestens zwei Pixelzeilen aufweist, die derart positioniert sind, dass durch die mindestens zwei Pixelzeilen zumindest teilweise übereinstimmende Beobachtungsfelder erfasst werden können. Die mindestens zwei Pixelzeilen können zeitlich versetzt angesteuert werden, so dass die Erfassung zweier mindestens teilweise übereinstimmender Beobachtungsfelder innerhalb sehr kurzer Zeit möglich ist. Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger Pixelzeilen können zeitlich kürzere Abstände zwischen den Bilderfassungen realisiert werden als dies durch eine einzige Pixelzeile möglich wäre. Soll innerhalb sehr kurzer Zeit mindestens ein Teil eines Beobachtungsfeldes mehrmals erfasst werden, so ist eine entsprechende Anzahl an Pixelzeilen notwendig. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoranordnung auch mindestens zwei Pixelmatrizes aufweisen, die derart positioniert sind bzw. deren Optik derart ausgelegt ist, dass durch die mindestens zwei Pixelmatrizes zumindest teilweise übereinstimmende Beobachtungsfelder erfasst werden können. Auf diese Weise lassen sich zahlreiche Bewegungsformen detailliert erfassen, da durch die Verkürzung der Abstände zwischen den Bildaufnahmen die Genauigkeit der Bewegungsbestimmung erhöht bzw. bei hohen Geschwindigkeiten erst ermöglicht wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoranordnung eine Pixelmatrix aufweisen, deren Pixel in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, sie unabhängig voneinander gesteuert werden können. Die Anordnung der Pixel kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass immer Pixel der verschiedenen, mindestens zwei Gruppen von Pixel benachbart liegen. Benachbarte Pixel verschiedener Gruppen bilden somit Sensorzellen, die dazu dienen, das gleiche Beobachtungsfeld zu erfassen, was durch die Verwendung von Mikrolinsen gewährleistet werden kann.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine Schnittstelle zur Ausgabe des Streckenwertes n_i und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit v_i und/oder des Relativwinkels und/oder des Gierwinkels und/oder des Schwimmwinkels und/oder der Giergeschwindigkeit und/oder des Schwimmwinkelgradienten auf. Auf diese Weise können diese Informationen an Steuerungssysteme des Fahrzeugs wie beispielsweise ESP oder ABS übermittelt werden, durch die aktive Maßnahmen zur Stabilisierung der dynamischen Bewegungen eingeleitet werden können. Die Schnittstelle kann beispielsweise durch einen CAN-Bus realisiert werden.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Schnittstelle auf, über die Informationen von Systemen des Fahrzeugs an die Vorrichtung übermittelt werden. Diese Informationen dienen der erfindungsgemäßen Vorrichtung u.a. zur Auswahl des zeitlichen Abstands zwischen den Bilderfassungen.

Dabei kann die Sensoranordnung der Vorrichtung an mindestens einem Außenspiegelelement des Fahrzeugs und/oder an einem Unterbodenelement des Fahrzeugs angeordnet sein. Generell sind Einbauorte vorzuziehen, die eine geringe Verschmutzung der optischen Aus- und Eintrittsöffnung der Sensoranordnung gewährleisten. Außerdem ist die Sensoranordnung so positioniert, dass das Beobachtungsfeld entweder direkt und/oder über eine Spiegelanordnung auf die Sensoranordnung projizierbar ist. Die Verwendung der genannten Spiegelanordnung kann auch verhindern, dass die Sensoranordnung einer Verschmutzung ausgesetzt ist. Neben der Integration der Sensoranordnung in mindestens ein Außenspiegelelement und/oder in ein Unterbodenelement des Fahrzeugs sind folglich auch andere Positionen möglich, die die genannten Voraussetzungen erfüllen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs in mindestens einer Bewegungsrichtung können auch Verfahrensmerkmale realisiert werden, die den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannten Vorrichtungsmerkmalen entsprechen.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus den im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor. Es stellen dar:
1 eine schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs;
2 eine schematisch in Aufsicht dargestellte Sensoranordnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs;
3 eine schematisch in Aufsicht dargestellte Sensoranordnung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs; und
4 eine schematisch in Aufsicht dargestellte Sensoranordnung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs.
1 zeigt eine schematisch dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs. Diese Ausführungsform weist eine Lichtquelle 12, eine Sensoranordnung 14 und eine Auswerteeinheit 16 auf, die über eine Schnittstelle 18 mit mindestens einem nicht dargestellten Steuergerät des Fahrzeugs verbunden ist.
Die Lichtquelle 12 ist derart positioniert, dass ein Beobachtungsfeld 20 auf der Fahrbahn 22 optimal ausgeleuchtet werden kann. Vorzugsweise emittiert die Lichtquelle 12 Licht im nahen infraroten Spektralbereich. Das Emissionsspektrum kann durch die Wahl der Lichterzeugung und/oder durch eine entsprechende Filterung bestimmt werden. Zur Lichterzeugung kommen Glühlampen, Halogenlampen, Gasentladungslampen, Leuchtdioden und/oder Laserdioden in Betracht. Leuchtdioden und Laserdioden eignen sich insbe sondere für die gepulste Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes 20. Zur homogenen Ausleuchtung des Beobachtungsfelds 20 kann außerdem eine Optik 13 vorgesehen sein, die in einem Lichtstrahl der Lichtquelle 12 angeordnet ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Optik eine Spiegelanordnung, durch die der Lichtstrahl der Lichtquelle 12 auf die Fahrbahn umgelenkt wird. Auf diese Weise wird eine Positionierung der Lichtquelle 12 ermöglicht, bei der der Lichtstrahl nicht direkt auf die Fahrbahn 22 gerichtet ist.
Das Beobachtungsfeld 20 ist in der dargestellten Ausführungsform auch bei einer Bewegung des Fahrzeugs in eine Bewegungsrichtung 24 in einem gleichbleibenden Abstand von der Lichtquelle 12 angeordnet, die sich mit dem Fahrzeug in der Bewegungsrichtung 24 bewegt. Der Fahrbahnbereich, der durch das Beobachtungsfeld 20 eingegrenzt wird, ändert sich jedoch mit der Bewegung des Fahrzeugs kontinuierlich. Die Sensoranordnung 14 erfasst das Beobachtungsfeld 20 mit den unterschiedlichen Fahrbahnbereichen mit Hilfe einer Optik 27. Die Sensoranordnung 14 ist zu diesem Zweck so angeordnet und ausgebildet, dass mindestens eine Pixelzeile der Sensoranordnung 14 derart positioniert ist, dass eine gedankliche Achse des Beobachtungsfelds 20 parallel zu einer Längsachse der mindestens einen Pixelzeile auf der Sensoranordnung 14 abgebildet werden kann. Die gedankliche Achse ist dabei parallel der Bewegungsrichtung 24 des Fahrzeugs angeordnet. Durch eine einzige Pixelzeile kann auf diese Weise eine Relativbewegung des Fahrzeugs in der Bewegungsrichtung 24 erfasst werden. Unter einer Pixelzeile sind mindestens zwei Pixel zu verstehen, die entlang einer Geraden angeordnet sind.
Weist die Sensoranordnung 14 beispielsweise wie in 2 gezeigt zwei Pixelzeilen 26 und 28 auf, die senkrecht zueinander angeordnet sind, so ist die Relativbewegung eines Fahrzeugs in zwei senkrecht ausgerichteten Bewegungsrichtungen erfaßbar, wenn mindestens zwei Bilder des Beobachtungsfelds 20 in einem kurzen zeitlichen Abstand mit Hilfe der Sensoranordnung 14 aufgenommen werden. Die erfassten Bilder können schließlich von der Auswerteeinheit 16 analysiert werden, so dass im Ergebnis ein Streckenwert n_i ermittelt werden kann, der eine Strecke vermittelt, die das Fahrzeug beispielsweise in der Bewegungsrichtung 24 zwischen der Bilderfassung zurückgelegt hat.
Neben einer einzelnen Pixelzeile oder der in 2 dargestellten Ausführungsform kann die Sensoranordnung 14 auch eine Pixelmatrix umfassen, die mindestens zwei mal zwei Pixel aufweist. Mit Hilfe einer solchen Pixelmatrix lassen sich bei entsprechender Pixelzahl zahlreiche Bewegungsformen detektieren, die auch Drehbewegungen umfassen. Auf diese Weise kann ein Relativwinkel und/oder ein Gierwinkel und/oder ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs ermittelt werden. Als Pixelmatrix eignet sich dabei beispielsweise ein CMOS-Bildaufnehmer. Der zeitliche Abstand zwischen der Erfassung zweier Bilder ist insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten zu minimieren. Auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten wirkt sich ein kurzer zeitlicher Abstand dahingehend aus, dass die Relativbewegung detaillierter erfasst werden kann. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist der zeitliche Abstand durch die Auslesegeschwindigkeit der Pixelzeile bzw. der Pixelmatrix begrenzt. Der zeitliche Abstand kann jedoch dadurch verkürzt werden, dass, wie in 3 dargestellt, zwei Pixelmatrizes 30 und 32 derart angeordnet sind, dass durch sie ein nahezu übereinstimmendes Beobachtungsfeld 20 erfasst werden kann. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, ein erstes Bild durch die erste Pixelmatrix 30 zu erfassen und kurz danach ein zweites Bild durch die Pixelmatrix 32 zu erfassen. Alternativ zu der in 3 dargestellten Ausführungsform können mehrere Pixelmatrizes oder mehrere Pixelzeilen dafür vorgesehen sein, gleiche oder überlappende Beobachtungsfelder zu detektieren. Die Pixelzeilen bzw. Pixelmatrizes können zu diesem Zweck unterschiedlich zur Fahrbahn 22 ausgerichtet sein bzw. in unterschiedlichen Winkeln zu dieser angeordnet sein. Wird das Beobachtungsfeld 20 über eine Spiegelanordnung auf der Sensoranordnung 14 abgebildet, sind die Pixelzeilen bzw. Pixelmatrizes entsprechend der Spiegelanordnung ausgerichtet. Außerdem kann die Sensoranordnung wie in 4 dargestellt eine Pixelmatrix 34 umfassen, deren Pixel in mindestens zwei Gruppen 36 und 38 aufgeteilt sind, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Jeweils benachbarte Pixel der verschiedener Gruppen 36 und 38 bilden dabei Sensorzellen 40, wobei durch eine Sensorzelle 40 jeweils ein Teil des Beobachtungsfelds erfasst wird. Um auf die Pixel der verschiedenen Gruppen 36 und 38 innerhalb einer Sensorzelle 40 jeweils den gleichen Teil des Beobachtungsfelds abzubilden, sind in 4 nicht dargestellte Mikrolinsen vorgesehen, die zu einem Mikrolinsenarray zusammengefasst sind. Die Bilderfassung der Sensoranordnung 14 ist vorteilhafterweise mit der Ausleuchtung durch die Lichtquelle 12 abgestimmt. Erfolgt die Ausleuchtung gepulst, werden die Bilder synchron erfasst. Zu diesem Zweck kann eine Verbindung bzw. Synchronisationsleitung zwischen der Lichtquelle 12 und der Sensoranordnung 14 vorgesehen sein, durch die eine Pulsfrequenzinformation übertragen werden kann. Alternativ können Lichtquelle 12 und Sensoranordnung 14 auch durch einen separaten Pulsgeber gesteuert werden. Bei Verwendung von Leuchtdioden und/oder Laserdioden können auf Grund einer gepulsten Ausleuchtung und einer entsprechenden Synchronisation der Sensoranordnung 14 im Vergleich zu einer Dauerausleuchtung höhere Spitzenleistungen bei gleicher mittlerer Leistung erreicht werden, was u.a. in einem besseren Signalrauschverhältnis resultiert.
Die Auswerteeinheit 16 analysiert, wie bereits erörtert, die aufgenommenen Bilder und berechnet zu jeweils einer Bewegungsrichtung i einen Streckenwert n_i, der die Strecke beschreibt, die das Fahrzeug in der Bewegungsrichtung i zwischen der Erfassung der Bilder zurückgelegt hat. Bei entsprechender Ausbildung der Pixelmatrix der Sensoranordnung 14 kann auch ein Relativwinkel und/oder ein Gierwinkel und/oder ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs bestimmt werden. Liegen der Auswerteeinheit 16 Daten bezüglich des zeitlichen Abstands jeweils zweier Bilderfassungsprozesse vor, können Geschwindigkeiten der berechenbaren Relativbewegungen bestimmt werden. Diese zeitlichen Daten können einerseits in der Auswerteeinheit 16 abgelegt sein, der Auswerteeinheit 16 durch die Lichtquelle 12 oder die Sensoranordnung 14 übermittelbar sein oder der Auswerteeinheit 16 durch ein separates System übertragen werden. Die Schnittstelle 18 dient der Ausgabe der durch die Auswerteeinheit 16 ermittelten Größen an andere Systeme im Fahrzeug. Beispielsweise können durch ein Steuersystem aktive Maßnahmen zur Stabilisierung der Bewegung des Fahrzeugs eingeleitet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einer Ausführungsform der Erfindung mittig an einer Fahrzeugunterseite angebracht, so dass die mindestens eine Pixelzeile und/oder die mindestens eine Pixelmatrix direkt zur Fahrbahn hin angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform sind jeweils zwei Sensoranordnungen vorgesehen, wobei jeweils eine in einen Außenspiegel integriert ist. Die Sensoranordnungen sind dabei beispielsweise jeweils an einer Außenspiegelunterseite, die geringfügig der Fahrtrichtung abgewandt ist, angeordnet und nach unten zur Fahrbahn hin ausgerichtet.
Alternativ kann die Positionierung aber auch an einer beliebigen anderen Stelle innerhalb des Fahrzeugs oder am Fahrzeug erfolgen, sie muss jedoch ermöglichen, dass das Beobachtungsfeld auf die Sensoranordnung abgebildet werden kann. Dies kann entweder direkt oder durch eine Spiegelanord nung erfolgen. Außerdem sind Einbauorte vorzusehen, die eine geringe Verschmutzung von optischen Aus- und Eintrittsöffnungen der Sensoranordnung gewährleisten.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs in mindestens einer Bewegungsrichtung i mit einer Sensoranordnung (14) und einer Auswerteeinheit (16), wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle (12) zur Ausleuchtung eines Beobachtungsfelds (20) auf der Fahrbahn (22) aufweist, das mindestens eine Achse in der mindestens einen Bewegungsrichtung i (24) aufweist, wobei die Sensoranordnung (14) mindestens eine erste Pixelzeile (26, 28) umfasst, die derart zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Achse des Beobachtungsfelds (20) in einer Bewegungsrichtung i (24) parallel zu einer Längsachse der mindestens einen ersten Pixelzeile (26, 28) auf der Sensoranordnung (14) abgebildet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung mindestens eine zeitlich versetzt angesteuerte zweite Pixelzeile (26, 28) umfasst, die ebenfalls zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet und angeordnet ist, wobei die Auswerteeinheit (16) derart ausgebildet ist, dass durch eine Analyse der in einem zeitlichen Abstand durch die mindestens eine erste Pixelzeile (26, 28) und durch die mindestens eine zweite Pixelzeile erfassten Bilder ein Streckenwert n_i ermittelt werden kann, der eine Strecke vermittelt, die das Fahrzeug in der Bewegungsrichtung i (24) zwischen der Erfassung der Bilder zurückgelegt hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Optik (27), insbesondere eine Spiegelanordnung und/oder mindestens eine Mikrolinse, zur Abbildung des Beobachtungsfelds (20) auf die Sensoranordnung (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Optik (13), insbesondere eine Spiegelanordnung, zur homogenen Ausleuchtung des Beobachtungsfelds (20) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) zur kontinuierlichen Ausleuchtung und/oder zur gepulsten Ausleuchtung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (14) zur gepulsten Bilderfassung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) derartig mit der Sensoranordnung (14) gekoppelt ist, dass die Bilderfassung synchron zu einer gepulsten Ausleuchtung des Beobachtungsfelds (20) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand, in dem die Bilder erfasst werden, in einem Speicherelement der Auswerteeinheit (16) abgelegt ist und/oder der Auswerteeinheit (16) über einen Eingang von einem Pulsgeber der Lichtquelle (12) und/oder der Sensoranordnung (14) übermittelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) derart ausgebildet ist, dass aus dem Streckenwert n_i und dem zeitlichen Abstand eine Bewegungsgeschwindigkeit v_i in der Bewegungsrichtung i ermittelt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse mindestens einer Pixelzeile (26, 28) der Sensoranordnung (14) parallel zu einer Längsachse des Fahrzeugs angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse mindestens einer Pixelzeile (26, 28) der Sensoranordnung (14) senkrecht zu einer Längsachse des Fahrzeugs angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (14) zumindest eine Pixelmatrix (30, 32) aufweist, die zumindest zwei Pixelzeilen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelmatrizes (30; 32) und die Auswerteeinheit (16) derart ausgebildet sind, dass die in zeitlichem Abstand mit Hilfe der Pixelmatrizes (30; 32) erfassten Bilder derart durch die Auswerteeinheit (16) analysiert werden können, dass ein Relativwinkel und/oder ein Gierwinkel und/oder ein Schwimmwinkel des Fahrzeugs ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (16) derart ausgebildet ist, dass aus dem Gierwinkel und dem zeitlichen Abstand eine Giergeschwindigkeit und/oder aus dem Schwimmwinkel und dem zeitlichen Abstand ein Schwimmwinkelgradient ermittelt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Pixelzeilen mindestens zwei Gruppen von Pixeln einer Pixelmatrix bilden, die unabhängig voneinander angesteuert werden können, wobei durch die mindestens zwei Gruppen zumindest teilweise übereinstimmende Beobachtungsfelder erfasst werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Schnittstelle (18) zur Ausgabe des Streckenwerts n_i und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit v_i und/oder des Relativwinkels und/oder des Gierwinkels und/oder des Schwimmwinkels und/oder der Giergeschwindigkeit und/oder des Schwimmwinkelgradienten umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Schnittstelle aufweist, über die Informationen, insbesondere Informationen zum Ermitteln des zeitlichen Abstands, von mindestens einem System des Fahrzeugs an die Vorrichtung, insbesondere die Lichtquelle (12) und/oder die Sensoranordnung (14) und/oder die Auswerteeinheit (16), übermittelt werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (14) an mindestens einem Außenspiegelelement des Fahrzeugs oder an einem Unterbodenelement des Fahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs in mindestens einer Bewegungsrichtung i, folgende Schritte umfassend: a) Ausleuchten eines Beobachtungsfelds (20) auf einer Fahrbahn (22), das mindestens eine Achse in der mindestens einen Bewegungsrichtung i (24) aufweist; b) Erfassen eines Bilds des ausgeleuchteten Beobachtungsfelds (20) durch eine Sensoranordnung (14) mit mindestens einer ersten Pixelzeile (26, 28), die derart zur Bilderfassung des Beobachtungsfelds (20) ausgebildet und angeordnet ist, dass eine Achse des Beobachtungsfelds (20) in einer Bewegungsrichtung i (26) parallel zu einer Längsachse der mindestens einen ersten Pixelzeile (26, 28) auf der Sensoranordnung (14) abgebildet werden kann; c) in einem zeitlichen Abstand von Schritt b) Erfassen eines weiteren Bilds des ausgeleuchteten Beobachtungsfelds (20) durch mindestens eine zweite Pixelzeile (26, 28) der Sensoranordnung (14); und d) Ermitteln eines Streckenwerts n_i, der eine Strecke vermittelt, die das Fahrzeug in der Bewegungsrichtung i (24) zwischen der Erfassung der Bilder zurückgelegt hat, durch Analysieren der in dem zeitlichen Abstand durch die mindestens zwei Pixelzeilen (26, 28) aufgenommenen Bilder.