DE19507956A1 - Einrichtung zur Bestimmung des Fahrzeugabstandes von einer seitlichen Fahrbahnmarkierung - Google Patents

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 (a_L, a_R) 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 (a_L, a_R) 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 (a_L, a_R) 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 (a_L, a_R) 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 (a_L, a_R) 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.