DE19824625A1

DE19824625A1 - Vorrichtung zur Detektion des Zustandes von Oberflächen

Info

Publication number: DE19824625A1
Application number: DE19824625A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Bischoff; Cornelius Dr Schilling
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-04-01

Description

Die vorgeschlagene Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion des Zustandes von Ober flächen mittels optischer Antastung. Sie ist besonders geeignet, den meteorologisch bedingten Zustand von Oberflächen bezüglich Vereisung, Glätte und Feuchtigkeit zu ermitteln. Diese Oberfläche kann beispielsweise eine Asphaltdecke (Straßenoberfläche) oder eine Metalloberfläche sein. Die Vorrichtung ist z. B. einsetzbar als Vereisungs- bzw. Glättesensor in Kraftfahrzeugen oder in der Luft- bzw. Raumfahrt.

Trotz moderner Fahrzeugtechnik wie z. B. ABS und Bordcomputer stellt plötzlich auftretende Fahrbahnglätte nach wie vor ein hohes Unfallrisiko dar. Insbesondere in der Übergangszeit im zeitigen Frühjahr bzw. Spätherbst mit Temperaturen um den Gefrierpunkt kann plötzliche Fahr bahnglätte durch Überfrieren regennasser Straße auftreten. Auch bei ansonsten trockenem Fahr bahnzustand kann es z. B. auf Brücken oder am Waldrand lokal zu Überfrierungen kommen. Daher wird mit zunehmender Motorisierung die Überwachung des Straßenzustandes zu einem dringenden Erfordernis. Als Ergebnis einer Kurzrecherche wurden 2 Offenlegungsschriften zu dieser Problema tik gefunden.

Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Ermittlung des Straßenzustandes bekannt. In DE 44 29 419 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Straßenzustandes einer Fahrbahn und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Diese Lösung basiert auf der Verwen dung eines mobilen, am Fahrzeug montierten Radargerätes. Hierbei überstreicht die Abstrahlanten ne einen breiten Bereich der vor dem Fahrzeug liegenden Fahrbahn. Aus den von der Fahrbahn reflektierten Signalanteilen wird unter der Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ein von der Dopplerfrequenz abhängiges Leistungsdichtespektrum gebildet. Die Klassifizierung des Straßenzustandes erfolgt über den Vergleich der Verteilung der Spektralanteile des Leistungs dichtespektrums mit den Verteilungen bekannter Straßenzustände. Als Nachteil dieses Verfahrens muß der Aufwand an Radartechnik genannt werden, wodurch dieses sowohl aus Kosten- als auch aus Platzgründen für einen mobilen Einsatz weniger geeignet erscheint als ein lichtoptisches Verfahren.

Ein in DE 42 35 104 A1 angegebener Straßenzustandsdetektor beruht auf einem lichtoptischen Prinzip unter Verwendung zweier Lichtsende- und Empfangssysteme. Diese bestehen jeweils aus einem Lichtsender und Lichtempfänger, wobei dasselbe Straßenstück gleichzeitig unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln beleuchtet und das reflektierte Licht vom jeweils zugeordnetem Empfänger detektiert wird. Durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit wird eine Korrelation der beiden Signale vorgenommen, wobei die Korrelationsspitzenwerte mit abgespeicherten Erfahrungs werten für jeweilige Oberflächenrauheiten verglichen und zugeordnet werden. Wenn das Ergebnis auf einen Zustand geringer Rauhigkeit der Straßenoberfläche hinweist (z. B. Glätte) wird eine Folgereaktion ausgelöst. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, daß sie keine multiparametrischen Ergebnisse liefert und bedingt durch die zwei Sende-Empfangssysteme einen höheren gerätetech nischen Aufwand erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung des meteorologischen Zustandes einer Oberfläche anzugeben, die bei geringem gerätetechnischen Aufwand eine hohe Genauigkeit und eine multiparametrische Messung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Probe gerichtet. Hierzu kann beispielsweise in der Vorderfront eines Fahrzeugs eine Halbleiterlaserdiode montiert sein deren Licht auf die Fahrbahn vor dem Fahrzeug gerichtet wird.

Das an der Probe (Fahrbahn) gestreute Licht trifft auf einen winkelauflösenden Streulichtdetektor (z. B. ein bogenförmig angeordnetes Array aus Fotodioden). Dieser kann ebenfalls im vorderen Bereich des Fahrzeugs befestigt sein.

Abhängig vom meteorologisch bedingten Oberflächenzustand wird das einfallende Laserlicht unterschiedlich gestreut.

Eine Auswerteelektronik auf der Basis eines statistischen Klassifizierungsverfahrens bzw. eines neuronalen Netzes, welches zuvor kalibriert bzw. angelernt wird, ermöglicht die Auswertung der Meßdaten und die Bestimmung des aktuellen Oberflächenzustandes.

Die Inhomogenität der Oberfläche bzw. Fahrbahn (Welligkeit, Rauheit, Verschmutzung usw.) wird durch Mittelung über mehrere Messungen kompensiert.

Eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der erzielten Aussagen kann durch die logische Verknüpfung mit anderen Meßwerten (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit) über den Bordcomputer erfolgen.

Der einfallende Strahl und der Streulichtsensor müssen nicht notwendigerweise in einer Ebene liegen. Dadurch kann eine gewisse Vorhalte bei der Messung realisiert werden.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren ist beim streulichtbasierten Verfahren gemäß Patent anspruch bedingt durch die winkelaufgelöste Messung des gestreuten Lichtes mehr Eingangs information für die nachfolgende Klassifizierung bei gleichem gerätetechnischen Aufwand verfüg bar, wodurch insgesamt eine geringere Fehlerquote realisiert werden kann. Dadurch ist es ins besondere möglich, nicht nur die Rauhigkeit der Straßenoberfläche sondern insbesondere auch witterungsbedingte Zustände wie Glatteis, Überfrieren, Reif etc. eindeutig zu detektieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Versuchsanordnung zur winkel aufgelösten Messung des an der Oberfläche gestreuten Lichtes,

Fig. 2 eine entsprechende Anordnung eines Vereisungssensors am Fahrzeug und

Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Versuchsanordnung erläutert die prinzipielle Funktionsweise. Die Anordnung ist folgendermaßen aufgebaut: Die Probe 7 ist auf einem Peltierelement 9 befestigt, mit dessen Hilfe eine Abkühlung derselben realisiert werden kann. Die Kontrolle der Probentemperatur erfolgt mit einem digitalen Kontaktthermometer 10. Die Probe 7 wird mit einem kollimierten Laserstrahl unter einem bestimmten Einfallswinkel bestrahlt, welcher durch einen Halbleiterlaser 1 in Kombination mit einer entsprechenden Strahlformungsoptik 2 erzeugt wird. Das an der Probe 7 gestreute Licht wird mittels eines, im Kreisbogen um die Probe herum angeordneten Fotodioden arrays 4 detektiert und über eine Auswerteelektronik 5 einem PC 6 zur Weiterverarbeitung zu geführt, welcher auch den Meßablauf steuert. Schwankungen der Laserleistung werden mittels eines Teilerspiegels 11 und einer Referenzfotodiode 3 kompensiert.

Das Prinzip der oben beschriebenen Anordnung ist im Aufbau des Vereisungssensors gemäß Fig. 2 wiederzufinden. Der Laser 1 ist zusammen mit der Strahlformungsoptik 2 als kompakte Einheit in der Vorderfront 12 des Fahrzeugs untergebracht und auf die Straßenoberfläche 8 gerichtet. Hierbei kann mittels einer Kreisbogenführung 13 eine bestimmte Vorhalte des Laserflecks in Relation zum Fahrzeug eingestellt werden. Durch die Einstellung eines Vorhaltewinkels ist es möglich, den Fahrbahnzustand in einem gewissen Abstand vor dem Fahrzeug zu detektieren. Es muß jedoch sichergestellt werden, daß ausreichende Bestrahlungsstärken auf den Detektoren vorhanden sind. Das an der Straßenoberfläche rückgestreute Licht trifft auf ein lichtempfindliches Detektorarray 4, welches sich ebenfalls in der Vorderfront des Fahrzeugs befindet. Über eine Vorverarbeitungselektronik 5 wird die gemessene Streulichtverteilung dem Bordcomputer 6 zugeführt, welcher mittels spezieller Software eine Klassifizierung des Straßenzustandes vornimmt. Hierbei können zusätzliche Informationen, die über andere Sensoren gewonnen werden (z. B. Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit) hinzugezogen werden.

Messungen an einer mit Ruß geschwärzten, rauhen Metalloberfläche, an einer Bitumenschicht sowie an einer Asphaltprobe auf einem Metallträger zeigen, daß beispielsweise eine ziemlich ein deutige Klassifizierung nach Grundklassen wie z. B.:

- warm (T < 0°C) und trocken,
- wann (T < 0°C) und naß,
- kalt (T < 0°C) und naß (durch das Gefrieren entsteht eine geschlossene Eisschicht auf der Probenoberfläche),
- kalt (T < 0°C) und bereift (die Reifbildung entsteht auf der ursprünglich trocke nen Oberfläche durch die in der Umgebung vorhandene Luftfeuchtigkeit),

möglich ist. Dabei bezieht sich die angegebene Temperatur natürlich nicht auf die Umgebung sondern auf die Probenoberfläche. Die notwendige Kühlung wurde hierbei durch das Peltierelement realisiert.

Bezugszeichenliste

1

HL-Laserdiode mit Beschaltung

2

Strahlformungsoptik

3

Referenzdiode

4

Empfängerarray

5

Vorverarbeitung

6

Computer

7

Probe

8

Straßenoberfläche

9

Peltier-Element

10

Kontaktthermometer

11

Teilerspiegel

12

Vorderfront des Fahrzeugs

13

Verstelleinheit

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion des Zustandes von Oberflächen mit optischer Antastung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen

- die Oberfläche mit einem schräg auftreffenden Lichtbündel bestrahlt wird und das rückgestreute Licht mittels Streulichtanalyse ausgewertet wird,
- der meteorologisch bedingte Zustand der Oberfläche, insbesondere Vereisung, Glätte und Feuchtigkeit bestimmt wird und
- dieser Zustand bestimmten Klassen zugeordnet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Klassifizierung des Oberflächenzustandes mit einem Klassifizierungsverfahren der multi variaten Statistik vorgenommen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Klassifizierung des Oberflächenzustandes mit einem Klassifizierungsverfahren auf der Basis eines neuronalen Netzwerkes vorgenommen wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Verfahren als Straßenzustandssensor oder Vereisungssensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Verfahren als Sensor für den meteorologischen Zustand von Oberflächen in der Luft- und Raumfährt eingesetzt wird.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, und 4 dadurch gekennzeichnet, daß

- die Anordnung eine Halbleiterlaserdiode (1) mit Strahlformungsoptik (2) und ein Detektorarray zur winkelaufgelösten Streulichtmessung (4) enthält,
- die Laserdiode drehbar und justierbar (z. B. in der Vorderfront eines Fahrzeugs) befestigt und unter bestimmten Winkel auf die Probe (z. B. nach vorn und unten auf die Fahrbahn) gerichtet ist,
- das an der Probe (z. B. Fahrbahn) gestreute Licht auf ein Empfängerarray (4) trifft (dieses kann ebenfalls in der Vorderfront des Fahrzeugs angeordnet sein),
- die detektierten Meßsignale des Empfängerarrays einer Auswerteelektronik zugeführt werden, die auf multivariater Klassifizierung oder einem neuronalen Netz basiert und
- der entsprechende Auswertealgorithmus mittels eines Satzes von Trainingsdaten angelernt wird.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die unter 6 beschriebene Anordnung mit den Möglichkeiten der Mikrotechnik miniaturisiert wird.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Empfängerarray aus einer regelmäßigen, ein- oder zwei-dimensionalen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen besteht, die in ihrer Empfindlichkeit auf die Laserwellenlänge abgestimmt sind und
- die Geometrie und Orientierung des Empfängerarrays so ausgelegt werden, daß der Bereich höchster Unterscheidbarkeit der verschiedenen Straßenzustände aus der Streulichtverteilung selektiert wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswahl der Lichtquelle unter den Gesichtspunkten eines optimalen Meßsignals unter Berücksichtigung der Bestimmungen des Strahlenschutzes erfolgt.