DE19717399A1 - Einrichtung zur Bestimmung von Abstand und Art von Objekten sowie der Sichtweite - Google Patents

Description

Stand der Technik

Zur Bestimmung des Abstandes von Fahrzeugen oder Objekten mit optischen Pulslaufzeit­ sensoren sind eine Reihe von Verfahren bekannt. So wird die Ermittlung von Abstand oder auch Sichtweite im Nebel durch verschiedene Signalverarbeitungsverfahren wie z. B.
DE 30 20 996 C2
DE 36 40 449 C1
DE 41 27 168 C2
beschrieben. Mit allen diesen Verfahren oder deren Kombination ist es nicht möglich die gesamte optische Strecke der Lichtimpulse zu beurteilen sowie die objekttypische Rückstrahlung auszunützen. Damit sind selbst die z. B. angegebenen Sichtweiteneinschränkungen nur bedingt brauchbar.

Beschreibung der Erfindung

Vorliegende Erfindung ist eine Einrichtung zur Abstandsmessung und Objekterkennung sowie Sichtweitenermittlung nach dem optischen Pulslaufzeitverfahren und soll anhand der Fig. 1 bis 9 beschrieben werden. Mit Hilfe dieser Erfindung ist es möglich aus der Form des rückgestreuten Signales sowohl Sichtweiteneinschränkungen richtig zu definieren, als auch verschiedene Objekte oder Verkehrsteilnehmer zu identifizieren oder untereinander zu unterscheiden sowie ihren Abstand zum Sensor zu ermitteln.

Fig. 1 zeigt einen IR-Abstands-Sensor 101 bestehend aus einem Lichtimpulssender mit der Optik 102 und einem Lichtimpulsempfänger mit der Optik 103. Der Strahlengang der beiden Optiken (102,103) 104 und 105 wird sich abhängig vom Abstand zwischen Sender und Empfänger sowie der Strahlgeometrie im Bereich 106 anfangen zu überlappen.

Zum Schutz des Sensors 101 gegen Umwelteinflüsse kann dieser hinter einer Schutzscheibe 107 (Windschutzscheibe oder Scheinwerferabdeckscheibe) untergebracht sein. Diese Scheibe erzeugt durch Mehrfachstreuung ein Rückstreusignal 111 im Nahbereich des Sensors, obwohl die direkte Überlappung der Strahlengänge erst im entfernteren Bereich 106 stattfindet, wobei 110 die Zeit- oder Entfernungsachse und 109 die Amplitudenachse darstellt. Ist die Scheibe durch Partikel 108 verschmutzt verstärkt sich die Rückstreuung auf den Wert 112. Durch die Auswertung dieser Rückstreuung kann auf den Grad der Verschmutzung geschlossen werden. Dadurch ist es möglich nachfolgende Signale, die durch diese Verschmutzung gedämpft werden zu bewerten oder die Ausgangsleistung des Lichtimpulssenders entsprechend zu erhöhen.

Das Blockschaltbild eines entsprechenden Gerätes ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Mehrkanalimpulsgenerator 203 steuert z. B. 5 Laserdioden 202 an die z. B. je einen Lichtimpuls von ca. 10 ns Halbwertsbreite und einer Leistung von z. B. 50 W über die Optik 201 auf je einen Winkelbereich von z. B. 0,6° horizontal und 1,8° vertikal abgeben. Auf die gleichen Winkelbereiche ist eine Anordnung von z. B. 5 Empfangsdioden 206 über ein Filter 205 und die Optik 204 abgebildet. Die Signale der Empfangsdioden werden einem Mehrkanalverstärker 207 zugeführt und dessen Ausgangssignal einem Multiplexer 209, der diese zeitgesteuert einem oder mehreren ND-Wandlern weitergibt.

Der Mehrkanalimpulsgenerator 203 wird über einen Multiplexer 211 und die Zeitsteuerung 212 angesteuert. Die einzelnen Subsysteme sind über die Verdrahtung 216 miteinander verbunden. Abhängig von der geforderten Systemlaufzeit kann die digitale Kommunikation und die Zeitsteuerung über einen Bus oder mit separaten Leitungen erfolgen. Alle zeitlich zu koordinierenden Baugruppen, wie Multiplexer 209 und 211 sowie A/D-Wandler, werden über den Mikroprozessor 215 und über die Zeitsteuerung 212 angesteuert. Im Mikroprozessor 215 sind damit die digitalisierten Rückstreusignale von allen Empfangskanälen in einem festen Zeittakt von z. B. 50 ms vorhanden. Die Signalakquisition geschieht mit einem direkten oder äquivalenten Zeittakt, der der gewünschten Entfernungsauflösung entspricht, von z. B. 150 MHz für 1 m Auflösung.

Dem Mikroprozessor ist eine Speichereinheit 217 zugeordnet in der typische Signalformen abgelegt sind. Außerdem kann durch den Mikroprozessor über die Leitung 221 die Ausgangsleistung der Pulslaser und über die Leitung 222 die Verstärkung des Mehrkanalverstarkers gesteuert werden.

Das gesamte Sensorsystem wird durch eine Einheit 218, die zur Stromversorgung und als Schnittstelle für die Eingangs- und Ausgangsdaten dient, mit dem Gesamtsystem, z. B. einer Fahrzeuglängsregelung, über den Bus 219 verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über den Eingang 220.

Die Auswertung der Signale im Mikroprozessor 215 wird in Fig. 3 beschrieben. Der gesamte betrachtete Zeitbereich auf der Abszisse 301 und erstreckt sich je nach Einstellung von z. B. 0 bis 100 m oder 0 bis 200 m und wird in mehrere Bereiche unterteilt, wie in Fig. 3 gezeigt in z. B. 4 Bereiche, wobei die Bereiche zeitlich abgegrenzt und oder überlappend sein können und oder zugleich Amplitudenbereiche mit oder ohne zeitlicher Zuordnung darstellen können.

Die Amplituden sind auf der Ordinate 302 dargestellt. Im Zeitbereich 310 liegt die Scheibenrückstreuung und wird hier bewertet. Im Zeitbereich 320 sind je nach Auslegung der Optik die sichtweiteneinschränkenden Signale durch Nebel 321 und 322, Gischt 323 und Schneefall 324 zu erwarten. Im Bereich 330 sind allen Objekten zuzuordnende Signale wie 331 und 332 für Reflektoren und 333, 334 und 335 für schwach reflektierende Objekte zu erwarten. Im Bereich 340 sind alle Signale, bei denen der Strahl je Kanal streifend auf die Objekte trifft, wie z. B. Böschungen (341, 342), Leitplanken, Längsseiten von Gebäuden, Längsseiten von Lastzügen oder Rückstreuung von der Fahrbahnoberfläche zu erwarten. Natürlich können die Signale im Bereich 320 oder 330 auch von Objektsignalen z. B. 325 oder 326 überlagert sein. Die hier aufgezeigten Zeitbereiche sind Beispiele, es können auch andere erfindungsgemäß definiert werden, z. B. unterschiedliche Abtastzeiten als Funktion des Abstandes und Bewertungsschemen die sehr kleine Signale herausfiltern die im großen Abstand auftreten.

Die Auswertung der Signale und ihrer Zeiten bzw. die Abstandslage erfolgt durch Vergleich in den jeweiligen Bereichen mit entsprechend in Regeln beschriebenen und oder gespeicherten Signalen, mittels einer unscharfen Logik. Diese Signale sind aus der Rückstreuung wie gezeigt und aus der Konstruktion des Sensors und mechanischen Zuordnung der Abdeckscheibe ermittelt worden und in der Speichereinheit 217 abgelegt. Da die Pulsform und Frequenzbandbreite sowohl des Sendeimpulses als auch der Signalverarbeitungselektronik in die Kurvenform eingeht sind diese Werte des Gesamtsystems entsprechend zu berücksichtigen.

Als Beispiel für die Sichtweiteneinschränkung werden in Fig. 4 die Signale in einem Kanal bei z. B. Nebel gezeigt. Die Zeitachse ist 402 während die Amplitudenachse 401 ist. Das Signal 403 zeigt eine nicht verschmutzte Scheibe an, damit ist die Nebelrückstreuung z. B. bei 100 m Sichtweite ein Signal entsprechend 404 haben. Wird die Scheibe verschmutzt oder betaut, ergibt sich das Signal 403 a für die Scheibenrückstreuung und das Signal 404a für 100 m Sichtweite. Auch das Signal eines Schneeschauers kann entsprechend Fig. 5 erkannt werden und ist von anderen Signalen zu unterscheiden. Die Amplitude ist in 401 gezeigt, während die Zeitachse wieder 402 ist. Die Scheibenrückstreuung ergibt ein Signal 403 während das Rückstreusignal des Schneeschauers im Bereich 501 bis 502 über eine Zeit von z. B. 50 ms schwankt und durch die Schneeflocken im Zeitbereich stark verrauscht ist.

Natürlich kann durch den Vergleich der Signalen von mehreren Kanälen entsprechend Fig. 6 sofort durch die unterschiedlichen Signale auf z. B. in diesem Fall Schneefall geschlossen werden. Die Signale der fünf Kanäle sind in den Feldern 601 bis 605 dargestellt, 611 bis 615 stellen Zielsignale dar, 621 bis 625 sind Signale die durch Schneefall entstehen und einzeln oder gemeinsam bewertet werden können.

In Weiterbildung der Erfindung soll anhand Fig. 7 die Unterscheidung verschiedener Objekte mit mehreren Kanälen z. B. 5 gezeigt werden. Zur Darstellung der Unterscheidung verschiedener Objekte ist die schematische Abbildung der verschiedenen Kanäle 701 bis 705 in Fig. 7 gezeigt. Der Kanal 701 ist auf die Böschung links 706 abgebildet. Im Kanal 702 ist ein Pkw 707 mit seinen Reflektoren 707a, im Kanal 703 und 704 ist die Rückwand eines verschmutzten Lkws 708 während in Kanal 705 wieder die Böschung rechts 709 abgebildet ist. Die am jeweiligen Empfänger gemessenen Signale sind in Fig. 8 dargestellt. Dabei stellt 812 die Zeit- oder Entfernungsachse dar, während 801 bis 805 die Amplituden in den verschiedenen Kanälen zeigen. Die Amplitude in Kanal 701 (Fig. 7) ist in 801 dargestellt und zeigt beispielhaft die Rückstreuung an der Abdeckscheibe des Sensors mit 811a unverschmutzt und 811b in verschmutztem Zustand. Durch die Rückstreuung über einen größeren Entfernungsbereich der Böschung ist das Signal entsprechend flach und über einen weiten Entfernungsbereich 806a verteilt.

Selbstverständlich wird dieses Signal auf einen Wert von 806b bei verschmutzter Abdeckscheibe absinken. Das Absinken wird beim Vergleich entweder entsprechend berücksichtigt oder der Mikroprozessor 215 erhöht über die Steuerleitung 221 die Ausgangsleistung entsprechend oder und erhöht über die Steuerleitung 222 die Verstärkung des Mehrkanalverstärkers 208.

Die Amplitude in Kanal 702 (Fig. 7) ist in 802 gezeigt. Trotz großer Entfernung ergibt sich ein übersteuertes Signal 807a, das bei Verschmutzung der Scheibe auf den Wert 807b absinkt. Auf den Kanälen 703 und 704 (Fig. 7) ist ein verschmutzter Lkw 708 abgebildet der die Signale 808a und 809a liefert die bei Verschmutzung der Scheibe auf den Wert 808a und 808b reduziert werden. Im Kanal 705 (Fig. 7) ist die Böschung mit den Signalen 810a und 810b abgebildet. Durch Signalformen werden mit dem System die hier als Beispiel gezeigten Objekte klar unterschieden. Natürlich unterscheiden sie sich auch in ihrem Abstand. Verfolgt man das gezeigte Beispiel über einen Zeitabschnitt weiter, so ergibt sich eine noch klarere Zuordnung. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Fahrzeuges das den Sensor mit den Kanälen 701 bis 705 trägt sowie gleichbleibender Geschwindigkeit des Lkws 708 und gleichbleibende Straßenform und Krümmung 706 und 709 werden sich nach z. B. einer Zeit von 1 s folgende Signale einstellen: bei Kanal 701 bleibt die Signalform mit 806c erhalten. Der Pkw hat eine niedrigere Geschwindigkeit gegenüber dem Sensorfahrzeug und damit stellt sich in Kanal 702 das Signal 807c ein. Der Lkw 708 bleibt gleich in seiner Lage und Signalform mit 808c und 809c. Auch die gerade Böschung 709 bleibt mit dem Signal 810c gleich.

Die in Fig. 1, 3, 4, 5, 6 und 8 gezeigten Signalformen sind in ihrer Art und oder Form im Speicher 217 des Mikroprozessors 215 (Fig. 2) abgelegt und werden mit den durch das System abgetasteten Signalen verglichen. Ein Beispiel eines solchen Vergleichs ist in Fig. 9 gezeigt. Fig. 9a zeigt dabei das Signal 907 aus einem Kanal. Die Entfernung entsprechend der Laufzeit ist mit 0 bis 150 m auf der Achse 901, die Amplitude auf der Achse 902 dargestellt.

Das Signal mit den Amplitudenwerten 903 entspricht einem Signal einer Sichtweiteneinschrän­ kung während die Signale 905 und 906 Objekten in großer Entfernung mit geringer Reflektivität entsprechen. Die Signale sind im Speicher 217 (Fig. 2) in zeitabhängigen Amplitudenwerten oder in Regeln für eine unscharfe Logik gespeichert und sind je nach Entfernungsbereich oder Signalzuordnung in verschiedenen Wertetabellen abgelegt. Der Mikroprozessor vergleicht nun mittels einer unscharfen Logik (Fuzzy Logik) und ermittelt damit die Zugehörigkeitswahrschein­ lichkeit zu den als Beispiel gezeigten Signalgruppen und ermittelt an der Stelle 903 die Sicht­ weiteneinschränkung und an der Stelle 904 die beiden Signale 905 und 906 als entfernte Ziele. Dabei kann die abgelegte Kurve für den Vergleich aus einer unterschiedlichen Zahl von Ampli­ tudenwerten über einem entweder äquivalenten Zeitraster oder einem Zeitraster das direkt oder einem vielfachen des zur Abtastung verwendeten Zeitrasters entspricht, bestehen. Eine gespeicherte Regel für ein Signal das eine Sichtweiteneinschränkung wie z. B. Nebel zeigt, ist in Fig. 9b dargestellt. Dabei sind auf der Ordinate 910 die Einteilungen z. B. sehr klein 911, klein 912, mittel 913 und groß 914 für die Amplituden dargestellt, während auf der Abszisse 920 die Zeitschritte gezeigt sind. Die Ausgefüllten Felder entsprechen den Bedingungen des Kurvenverlaufes der Sichtweiteneinschränkung. Fig. 9c zeigt als Beispiel ein Rückstreusignal eines Objektes. Ordinate 910 und Abszisse 911 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 9b, die Zeitschritte sind kürzer als bei der Sichtweiteneinschränkung in Fig. 9b. Die markierten Felder entsprechen einer Regel eines Objektes.

Sehr kleine nur unwesentlich aus dem Rauschen herausragende Signale wie in Fig. 9 905, können ebensogut erkannt und zugeordnet werden wie Signale die das System übersteuern wie z. B. in Fig. 3 322. Natürlich können in Weiterausbildung der Erfindung bei mehrkanaligen Systemen für die Ermittlung der Scheibenverschmutzung und der Sichtweiteneinschränkung die Signale der verschiedenen Kanäle bewertet und ein gemeinsames sicheres Ergebnis daraus ermittelt werden. Siehe hierzu Fig. 6.

Der Vergleich der gespeicherten Signalverlaufsregeln mit dem akquirierten Signal kann dabei auf folgende Weise erfolgen: Der Mikroprozessor ermittelt mit bekannten Verfahren alle Maxima und vergleicht diese mit den Signalverlaufsregeln oder das akquirierte Signal wird sequentiell in den in Fig. 3 skizzierten Zeitbereichen mit den dort definierten Signalverlaufs­ regeln der unscharfen Logik verglichen. Das Vergleichsergebnis ist die Zugehörigkeitswahr­ scheinlichkeit zur jeweiligen Regel. Die größte Zugehörigkeitswahrscheinlichkeit klassifiziert das Objekt.

Die Regelsätze müssen sich nicht auf den Signalverlauf beziehen, sondern können auch Kenngrößen des Signalverlaufs wie zum Beispiel Anstiegs-, Abfallzeit und Amplitude bewerten.

Natürlich können durch unterschiedliche Signale unterscheidbare Objekte auch innerhalb von mehreren Kanälen wieder identifiziert und damit in der Beurteilung verfolgt werden.

Der Mikroprozessor mit der Speichereinheit 217 kann in Weiterbildung der Erfindung so ausgeführt werden, daß er nicht nur Signale der verschiedenen Art mit zeitlicher und objektbezogener Zuordnung für den Vergleich mit einer unscharfen Logik bereithält, sondern daß neue Regeln durch das System selbsttätig definiert werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß bei laufendem Betrieb des Systems im Straßenverkehr die Objekte sich annähern und wieder entfernen. Extrem kleine Signale die durch den Vergleich im ersten Anlauf noch nicht erkannt werden, können durch den durch die selbsttätige Definition von Signalen entstehenden "Lerneffekt" detektiert und zugeordnet werden.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite mit mindestens einem Lichtimpulssender und mindestens einem Lichtimpulsempfänger, wobei das Signal des Lichtimpulsempfängers digitalisiert und einem Mikroprozessor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstreusignale mittels einer unscharfen Logik mit aus typischen Rückstreusignalen gewonnenen Regeln von Objekten und Sichteinschränkungen verglichen werden und daraus der Abstand der Objekte sowie die Sichtweiteneinschränkung ermittelt wird.

2. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite mit mindestens einem Lichtimpulssender und mindestens einem Lichtimpulsempfänger, wobei das Signal des Lichtimpulsempfängers digitalisiert und einem Mikroprozessor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei typische Entfernungsbereiche gebildet werden, in denen die digitalisierten Rückstreusignale mit unterschiedlichen gespeicherten Signalen in einer unscharfen Logik verglichen werden und daraus Sichtweiten oder andere Funktionseinschränkungen des Systems ermittelt werden und daraus die zu vergleichenden Kurvenformen an die Verhältnisse angeglichen werden.

3. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Sichtweiteneinschränkungen die Auswertung der Ergebnisse von mindestens zwei Kanälen herangezogen wird.

4. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ermittlung der Sichtweiteneinschränkung z. B. durch die Abdeckscheibe die folgenden Signale mit entsprechend niedrigerem Pegel erwartet und mit einer unscharfen Logik entsprechend mit gespeicherten Regeln verglichen werden.

5. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Signale und deren Vergleich mit gespeicherten unterschiedlichen Objekten nicht nur in ihrer Entfernung sondern auch in ihrer Art ermittelt werden.

6. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Scheibenrückstreuung und der Sichtweiteneinschränkung und oder der Objekte genützt werden um die Pulsleistung und/oder die Empfängerverstärkung entsprechend einzustellen.

7. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Scheibenrückstreuung und der Sichtweiteneinschränkung und oder der Objekte genützt werden um Reinigungsmaßnahmen an der Abdeckscheibe vorzunehmen.

8. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Scheibenrückstreuung und der Sichtweiteneinschränkung und oder der Objekte genützt werden um die Wirksamkeit einer Reinigung der Abdeckscheibe zu beurteilen.

9. Einrichtung zur Bestimmung von Art und Lage von Objekten und der Sichtweite nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das System selbsttätig Regeln von bereits detektierten Objekten für neue Entfernungsbereiche ermittelt und abspeichert.