DE19507956A1 - Einrichtung zur Bestimmung des Fahrzeugabstandes von einer seitlichen Fahrbahnmarkierung - Google Patents
Einrichtung zur Bestimmung des Fahrzeugabstandes von einer seitlichen FahrbahnmarkierungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung
des Fahrzeugabstandes von wenigstens einer seitlichen Fahrbahn
markierung, die eine am Fahrzeug angebrachte Anordnung lichtemp
findlicher Sensorelemente zur optischen Abtastung eines vor dem
Fahrzeug liegenden Fahrbahnbereichs und eine der Sensorelement
anordnung nachgeschaltete Auswerteeinheit beeinhaltet. Eine sol
che Einrichtung läßt sich insbesondere als sogenanntes Ein
schlafwarnsystem verwenden, d. h. als ein System, das eine aku
stische oder haptische Warnung abgibt, wenn das Fahrzeug z. B.
wegen fehlender Lenkreaktion eines ermüdeten oder abgelenkten
Fahrers von der Fahrbahn abzukommen und daher über eine seitli
che Fahrbahnmarkierung hinauszufahren droht.
Derartige Einrichtungen werden beispielsweise in den Offenle
gungsschriften EP 0 586 857 A1 und EP 0 361 914 A2 sowie in der
Patenschrift US 4.970.653 beschrieben. Die Sensorelementanord
nung besteht bei den dortigen Einrichtungen jeweils aus einem
zweidimensionalen Sensorelement-Array einer Bildaufnahmekamera,
die im Frontbereich des zugehörigen Fahrzeugs nach vorne weisend
angeordnet ist, um einen bestimmten Fahrbahnflächenbereich vor
dem Fahrzeug optisch abzutasten. Die von der Kamera gewonnenen
Bildinformationen werden beispielsweise mittels nichtlinearer
Widerstandsnetzwerke analog weiterverarbeitet, um ein binäres
Bildmuster der Fahrbahnmarkierungen zu generieren. Mittels be
kannter Techniken, wie Hough-Transformation und Kalman-
Filterung, werden daraus von einem Mikroprozessor die zur Ab
standsbestimmung relevanten Parameter extrahiert.
Die herkömmliche Verwendung von Bildaufnahmekameras mit zweidi
mensionalem Sensorelement-Array in Form eines CCD-Arrays erfor
dert für den Einsatz in einem Fahrzeug eine analoge Weiterverar
beitung der Sensordaten, da eine digitale Echtzeit-Daten
verarbeitung der hohen Datenraten eines solchen zweidimensiona
len Sensorelement-Arrays mittels heute üblicherweise im Kraft
fahrzeug verwendeten Mikroprozessoren nicht in zufriedenstellen
der Weise bewerkstelligt werden kann.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
einer Einrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, die ei
nerseits eine zuverlässige Bestimmung des Fahrzeugabstands von
seitlichen Fahrbahnmarkierungen ermöglicht und andererseits nur
einen vergleichsweise geringen Datenverarbeitungsaufwand erfor
dert, der insbesondere auch ohne weiteres eine digitale Verar
beitung der Sensordaten in einem fahrzeugseitigen Mikroprozessor
in Echtzeit zuläßt.
Dieses Problem wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Charakteristischerweise besteht hierbei die
Sensorelementanordnung nur aus einer oder einigen wenigen Sen
sorelementzeilen und nicht aus einem üblichen zweidimensionalen
Sensorelement-Array. Dies reduziert die von der nachgeschalteten
Auswerteeinheit in Echt zeit zu verarbeitende Datenmenge be
trächtlich, so daß diese Sensordatenverarbeitung mittels eines
im Fahrzeug problemlos unterzubringenden, konventionellen Mikro
prozessorsystems digital erfolgen kann. Selbstverständlich ist
weiterhin alternativ auch eine analoge Verarbeitung der Sensor
daten möglich. Die Plazierung der Sensorelementzeilen derart,
daß sie jeweils einen zur Fahrzeuglängsachse nichtparallelen
Fahrbahnstreifen abtasten, der vor dem Fahrzeug verläuft und
sich lateral bis zu der oder den Fahrbahnmarkierungen erstreckt,
gewährleistet, daß die Fahrbahnmarkierungen zuverlässig optisch
erfaßt und von der Auswerteeinheit erkannt werden können, so daß
letztere die lateralen Abstände des Fahrzeugs von den Fahrbahn
markierungen bestimmen kann.
Besonders vorteilhaft ist in Weiterbildung der Erfindung nach
Anspruch 2 die digitale Weiterverarbeitung der empfangenen Sen
sorsignale in der Auswerteeinheit.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 be
inhaltet die Einrichtung eine Zeilenkamera, die derart hinter
der Windschutzscheibe des Fahrzeugs angebracht ist, daß sie ei
nen Fahrbahnstreifen senkrecht zur Fahrzeuglängsachse abtastet,
der sich etwa zwischen 4m und 10m vor dem Fahrzeug befindet.
Dieser Abstand zwischen abgetastetem Fahrbahnstreifen und Fahr
zeug reicht bei Verwendung der Einrichtung als Einschlafwarnsy
stem oder als "Spurwächter" aus, um einen gegebenenfalls einge
schlafenen oder abgelenkten Fahrer rechtzeitig warnen zu können.
Eine gemäß Anspruch 4 ausgestaltete Einrichtung ermöglicht die
zusätzliche Ermittlung des Gierwinkelfehlers und/oder der Fahr
bahnbreite zwischen den Fahrbahnmarkierungen, wozu der Auswerte
einheit die hierfür erforderlichen Eingangsgrößen zugeführt wer
den können.
Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 erlaubt durch
die Verwendung einer zweiten Sensorelementzeile, die einen zwei
ten Fahrbahnstreifen abtastet, der in vorgegebenem Abstand par
allel vor dem von der ersten Sensorelementzeile abgetasteten er
sten Fahrbahnstreifen liegt, eine Verifikation der Meßergebnisse
der einen durch die jeweils andere Sensorelementzeile sowie eine
automatische Kalibrierung des Gesamtsystems hinsichtlich Messung
des Winkelfehlers zwischen der Fahrzeuglängsachse und der opti
schen Achse.
Eine gemäß Anspruch 6 weitergebildete Einrichtung warnt vor ei
nem drohenden Überfahren einer seitlichen Fahrbahnmarkierung be
reits relativ frühzeitig vor Erreichen derselben durch die soge
nannte TLC(Time to Line Crossing)-Methode, bei der laufend die
Zeitdauer ermittelt wird, nach der das Fahrzeug eine seitliche
Fahrbahnmarkierung erreichen würde, wenn es gemäß dem momentanen
Fahrzustand weiterfährt. Eine Warnung erfolgt bei Unterschreiten
einer vorgebbaren TLC-Mindestschwelle, die beispielsweise in der
Größenordnung von 0,5s liegt.
Eine komfortable Einschlafwarn- bzw. Spurwächterfunktion wird in
Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 dadurch realisiert,
daß eine akustische Warnung in Form eines sogenannten Nagel
bandrattergeräuschs seitenspezifisch jeweils auf derjenigen
Fahrzeugseite abgegeben wird, auf der das Fahrzeug von der Fahr
spur abzukommen droht, wobei das Nagelbandrattergeräusch dem
Fahrer akustisch suggeriert, eine mit Nägeln oder einem Profil
versehene Fahrbahnmarkierung zu überfahren. Da dem Fahrer die
Bedeutung dieses Geräuschs bekannt ist, wird er meist sehr rasch
eine geeignete, intuitive Lenkkorrektur vornehmen und das Fahr
zeug wieder Richtung Fahrspurmitte zu führen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich
nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines fahrenden,
mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Fahrzeugabstands
von seitlichen Fahrbahnmarkierungen ausgerüsteten Nutz
fahrzeugs und
Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf die Fahrsituation von Fig.
1.
In der in den Figuren gezeigten Fahrsituation bewegt sich ein
mit einer Zeilenkamera (2) ausgerüstetes Nutzfahrzeug (1) mit
einer gegebenen Geschwindigkeit (v) entlang einer Fahrspur (3)
einer Autostraße. Die Fahrspur (3) ist beidseitig von durchge
henden Fahrspurmarkierungen (7, 8) begrenzt, wobei alternativ
unterbrochene Markierungen oder eine Markierung nur auf einer
Fahrspurseite vorgesehen sein können. Die Zeilenkamera (2) be
sitzt eine Zeile von lichtempfindlichen Sensorelementen, deren
Anzahl typischerweise zwischen 128 und 1024 liegt. Die Zeilenka
mera (2) ist von üblicher Bauart und braucht daher hier nicht
näher beschrieben zu werden. Sie ist im Fahrzeuginnenraum hinter
einer Windschutzscheibe (5) im Bereich eines Rückspiegels fahr
zeugmittig, d. h. in der Fahrzeuglängsachse (L) liegend, ange
bracht. Dabei ist die Zeilenkamera (2) dergestalt nach vorne un
ten geneigt, daß die lichtsensitive Sensorelementzeile mit ihrem
zugehörigen Abtastkegel (6) einen sehr schmalen Fahrbahnstreifen
(4) abtastet, der in einem Abstand von je nach Anwendungsfall
ca. 4m bis 8m vor dem Fahrzeug (1) senkrecht zur Fahrzeug
längsachse (L) verläuft.
Der Sensorelementzeile der Zeilenkamera (2) ist eine nicht näher
gezeigte Auswerteeinheit nachgeschaltet, welche die Daten se
quentiell aus der Sensorelementzeile ausliest und zur Bestimmung
der lateralen Abstände (aL, aR) des Fahrzeugs (1) von der linken
(8) bzw. der rechten Fahrspurmarkierung (7) analysiert. Voraus
setzung hierfür ist, daß sich der auf die Fahrspur (3) proji
zierte Abtastkegel (6) der Sensorelementzeile und damit der ab
getastete, schmale Fahrbahnstreifen (4) seitlich, wie in Fig. 2
dargestellt, über die beiden Fahrspurmarkierungen (7, 8) hinaus
erstreckt. Dazu ist der obengenannte Abstand des abgetasteten
Fahrbahnstreifens (4) vom Fahrzeug (1) und damit der demgegen
über etwas größere horizontale Abstand (A) des abgetasteten
Fahrbahnstreifens (4) von der Zeilenkamera (2) ausreichend groß
gewählt, was durch entsprechende Neigung der Zeilenkamera (2)
bei gegebener Höhe (H) der Zeilenkamera (2) über der Fahrbahn
(3) und geeigneter Brennweite des Objektivs gewährleistet werden
kann. Die Einrichtung läßt sich damit als Einschlafwarnsystem
einsetzen, wozu die Auswerteeinheit ein zugehöriges akustisches
und/oder haptisches Warnanzeigeelement ansteuert. Als ein beson
ders eingängiges akustisches Warnsignal kann ein sogenanntes Na
gelbandrattergeräusch dienen, wie es beim Überfahren einer durch
gehenden Reihe von Fahrbahnmarkierungsnägeln entsteht. Es wird
künstlich erzeugt und über seitlich im Fahrzeuginnenraum ange
brachte Lautsprecher seitenspezifisch abgestrahlt, d. h. auf der
jenigen Seite, auf der das Fahrzeug die Fahrbahnmarkierung zu
überfahren droht. Der Fahrer wird wegen der ihm bekannten Bedeu
tung dieses Geräuschs intuitiv und damit vergleichsweise rasch
eine passende Lenkkorrektur vornehmen, die das Fahrzeug wieder
Richtung Fahrspurmitte zurückbringt. Zum Erkennen des drohenden
Überschreitens einer seitlichen Fahrbahnmarkierung dient bevor
zugt die sogenannte TLC-Methode, bei der die Auswerteeinheit an
hand der ermittelten lateralen Abstände (aL, aR) des Fahrzeugs zu
den seitlichen Fahrbahnmarkierungen, dem ermittelten Gierwinkel
fehler und der erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit diejenige Zeit
dauer ableitet, nach der das Fahrzeug die seitliche Fahrbahnmar
kierung erreichen würde, wenn der gegenwärtige Fahrzustand bei
behalten würde. Die Warnung erfolgt immer dann, wenn die so er
mittelte Zeitdauer eine vorgegebene TLC-Mindestschwelle von ty
pischerweise ca. 0,5s unterschreitet.
Ebenso besitzt die Auswerteeinheit, die das von der Sensorele
mentzeile ankommende, helligkeitsproportionale Signal des abge
tasteten Fahrbahnstreifens (4) weiterverarbeitet, einen im we
sentlichen herkömmlichen Aufbau, wie er bekanntermaßen für die
Auswertung der Signale einer Bild-Sensorelementanordnung verwen
det wird. Dabei werden die Bildpositionen der rechten Fahrbahn
markierung (7) und der linken Fahrbahnmarkierung (8) innerhalb
des von der Sensorelementzeile gelieferten Bildes mittels eines
differenzierenden Operators und einer nichtlinear arbeitenden
Logikeinheit ermittelt. Verglichen mit den ein zweidimensionales
Sensorelement-Array benutzenden herkömmlichen Systemen ist vor
liegend die anfallende Datenmenge aufgrund der Verwendung nur
einer einzigen Sensorelementzeile beträchtlich reduziert, was es
ermöglicht, die Weiterverarbeitung der Daten in der Auswerteein
heit ebenso wie die genannte differenzierende Operatorfunktion
und die nichtlineare Logikfunktion zur Datenvorverarbeitung
durch ein konventionelles Mikroprozessorsystem zu bewerkstelli
gen.
Dies hält zum einen den Raumbedarf und den Rechenaufwand für
diese Anwendung in einem Kraftfahrzeug vertretbar gering und er
laubt zum anderen alternativ zu einer analogen eine digitale
Verarbeitung der Sensorsignalinformationen. Durch die reduzierte
Datenmenge ist der konventionelle Mikroprozessor in der Lage,
die Daten in Echtzeit zu verarbeiten, was Voraussetzung für den
Einsatz der Einrichtung als Einschlafwarnsystem ist. Alternativ
können der differenzierende Operator und die nichtlineare Logik
einheit mittels einer geeigneten diskreten elektrischen Schal
tung, wie sie in der genannten Offenlegungsschrift EP 0 586 857
A1 beschrieben ist, oder mittels einer einfachen analogen oder
diskreten Differenzierschaltung mit nachgeschalteter Nichtlinea
rität realisiert werden, wobei die Schaltung mit dem analogen
Signal der sequentiell ausgelesenen Sensorelementzeile gespeist
wird. Die genaue schaltungstechnische Ausführung kann ohne wei
teres vom Fachmann vorgenommen werden.
Der Auswerteeinheit werden als weitere Eingangsgrößen die inter
nen Kameraparameter, die Fahrzeugbreite, die Höhe (H) der Zei
lenkamera (2) über der Fahrbahn (3), der horizontale Abstand (A)
zwischen Sensorelementzeile und abgetastetem Fahrbahnstreifen
(4) sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) zugeführt. Unter Ver
wendung dieser zusätzlichen Eingangsgrößen vermag die Auswerte
einheit aus den durch die Datenvorverarbeitung erkannten Bildpo
sitionen der seitlichen Fahrbahnmarkierungen (7, 8) innerhalb
des von der Sensorelementzeile gelieferten Bildes durch ein
nachgeschaltetes Kalman-Filter neben den lateralen Abständen (aL,
aR) des Fahrzeugs zu den beiden Fahrbahnmarkierungen (7, 8) au
ßerdem noch den Gierwinkelfehler und die Breite der Fahrspur (3)
zwischen den seitlichen Fahrbahnmarkierungen (7, 8) zu erfassen.
Diese Informationen können zur Durchführung der oben angegebenen
TLC-Bestimmung mitgenutzt werden. Mit Hilfe des Kalman-Filters
kann die Bildposition der Fahrbahnmarkierungen (7, 8) im Signal
der Sensorelementzeile für den jeweils nächsten Meßschritt prä
diziert werden. Vorteilhafterweise erfolgen dabei die aufeinan
derfolgenden Messungen in einem Zyklus von ca. 40ms. Ein Ver
gleich der prädizierten mit den anschließend gemessenen Markie
rungsbildpositionen ergibt ein störunanfälliges Verhalten des
Systems.
Vorteilhaft kann außerdem die optionale Verwendung einer zweiten
Sensorelementzeile sein, die einen zweiten schmalen Fahrbahn
streifen (9), wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet, abtastet,
der in einem vorgegebenen Abstand vor dem von der ersten Sen
sorelementzeile abgetasteten Fahrbahnstreifen (4) ebenfalls
senkrecht zur Fahrzeuglängsachse (L) verläuft. Dies ermöglicht
sowohl eine Verifikation der Messungen vom zuerst abgetasteten
Fahrbahnstreifen als auch eine automatische Systemkalibrierung
durch Messung des Winkelfehlers zwischen Fahrzeuglängsachse (L)
und optischer Achse der Zeilenkameraanordnung.
Die vorstehende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei
spiels zeigt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung ein System
zur Abstandsbestimmung eines Fahrzeugs von einer oder mehreren
seitlichen Fahrbahnmarkierungen realisiert, das vergleichsweise
geringen technischen Aufwand erfordert und dennoch eine ausrei
chend zuverlässige Fährspurerkennung in Echtzeit ermöglicht, so
daß sich die Einrichtung als Einschlafwarnsystem verwenden läßt.
Hervorzuheben sind dabei der geringe Datenverarbeitungsaufwand
durch die Verwendung von lediglich einer oder einigen wenigen
lichtempfindlichen Sensorelementzeilen, die Anordnung der Senso
relementzeilen etwa auf Höhe der Längsmittelebene des Fahrzeugs,
so daß ein einziges Objektiv für das optische System ausreicht,
sowie die Möglichkeit, die Daten auch digital in Echtzeit durch
einen konvenzionellen Mikroprozessor verarbeiten zu können.
Claims (8)
1. Einrichtung zur Bestimmung des Fahrzeugabstandes von wenig
stens einer seitlichen Fahrbahnmarkierung, mit
- - einer am Fahrzeug (1) angebrachten Anordnung lichtempfindlicher Sensorelemente zur optischen Abtastung eines vor dem Fahrzeug liegenden Fahrbahnbereichs und
- - einer der Sensorelementanordnung nachgeschalteten Auswerteein heit,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Sensorelementanordnung aus einer oder einigen wenigen Sen sorelementzeilen besteht, die jeweils einen Fahrbahnstreifen (4, 9) abtasten, der nichtparallel zur Fahrzeuglängsachse (L) vor dem Fahrzeug (1) verläuft und sich lateral bis zur seitli chen Fahrbahnmarkierung (7, 8) erstreckt, und
- - die Auswerteeinheit jede Sensorelementzeile sequentiell aus liest und die empfangenen Signale zur Bestimmung des lateralen Abstandes (aL, aR) des Fahrzeugs von der Fahrbahnmarkierung weiterverarbeitet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit die empfangenen Signale digital weiterverar
beitet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensorelementanordnung Teil einer Zeilenkamera (2) ist, die
hinter einer Windschutzscheibe (5) derart nach vorne unten ge
neigt angebracht ist, daß eine Sensorelementzeile einen senk
recht zur Fahrzeuglängsachse (L) verlaufenden Fahrbahnstreifen
(4) abtastet, der sich etwa zwischen 4m und 10m vor dem Fahrzeug
(1) befindet.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
als weitere Eingangsgrößen für die Auswerteeinheit die Höhe (H)
der Sensorelementzeile über der Fahrbahn, der horizontale Ab
stand (A) der Sensorelementzeile von dem von ihr abgetasteten
Fahrbahnstreifen (4) und die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) dienen
und die Auswerteeinheit daraus zusätzlich den Gierwinkelfehler
und/oder die Fahrbahnbreite zwischen den Fahrbahnmarkierungen
(7, 8) ermittelt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensorelementanordnung aus zwei Sensorelementzeilen besteht,
die zwei Fahrbahnstreifen (4, 9) abtasten, welche in vorgegebe
nem Abstand voneinander senkrecht zur Fahrzeuglängsachse (L) vor
dem Fahrzeug (1) verlaufen.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswerteeinheit aus den ermittelten lateralen Abständen (aL,
aR) des Fahrzeugs von seitlichen Fahrbahnmarkierungen, dem erfaß
ten Gierwinkelfehler und der erfaßten Fahrzeuggeschwindigkeit
die Zeitdauer bis zum Erreichen einer seitlichen Fahrbahnmarkie
rung unter der Voraussetzung der Beibehaltung des momentanen
Fahrzustands bestimmt und ein Warnsignal abgibt, wenn diese
Zeitdauer (TLC) eine vorgegebene Mindestdauer unterschreitet.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter
gekennzeichnet durch
eine Warnsignalerzeugungseinrichtung mit seitlich im Fahrzeugin
nenraum angebrachten Lautsprechern, über die sie bei von der
Auswerteeinheit erkanntem, drohendem Überfahren einer Fahrbahn
markierung seitenspezifisch ein künstlich erzeugtes Nagel
bandrattergeräusch auf derjenigen Seite abgibt, auf der das
Fahrzeug die Fahrbahnmarkierung zu überfahren droht.
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