Beschreibung
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ANSTEUERN ZUMINDEST EINER FAHRZEUGSCHUTZEINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern zumindest einer Fahrzeug-Schutzeinrichtung.
Um eine situations- und bedarfsgerechte Aktivierung von Fahrzeug-Schutzeinrichtungen für Insassen und/oder Fußgänger, wie beispielsweise Airbag-Einrichtungen, Gurtstraffer, aktive Kopfstützen, eine automatische Sitzkonditionierung, Anheben/Absenken des Fahrwerks und/oder Aufstellen der Motorhaube, vornehmen zu können, werden in Kraftfahrzeugen Crasherkennungssysteme eingesetzt. Diese Systeme erfassen kontinuierlich! physikalische Größen des Kraftfahrzeuges und bewerten diese Größen bezüglich einer ablaufenden Kollision. Häufig werden hierbei „intelligente" Sensoren eingesetzt. Das Ausmaß der Aktivierung von Fahrzeug-Schutzeinrichtungen für Insassen und/oder Fußgänger ist sowohl von der Unfallschwere und dem Unfallverlauf als beispielsweise auch von der Sitzbelegung abhängig.
Die bekannte Steuerung von Schutzeinrichtungen ist mit zentralen bzw. im Fahrzeug verteilten Beschleunigungssensoren verknüpft, die zum Zeitpunkt des Crashs bzw. Aufpralls Informationen liefern. Für eine verbesserte Auslösestrategie werden jedoch Informationen aus der Precrash-Phase, also aus dem Zeitraum kurz vor dem Aufprall, benötigt. Mittels vorbeugender (präventiver) Sicherheitsverfahren können Unfälle vermieden bzw. deren Folgen gemildert werden. Beim Erkennen einer kritischen Situation durch Sensoren, wie beispielsweise Radarsensoren, Lasersensoren oder Kameras, können geeignete Schutzeinrichtungen, wie beispielsweise Gurtstraffer oder eine automatische Notbremsung, eher ausgelöst werden.
In der DE10223363 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Rückhaltemittels beschrieben. Hierbei wird ein reversibler Gurtstraffer über die Informationen von Radarsensoren elektronisch angesteuert.
Darüber hinaus ist in der Druckschrift DE 69433 113 ein Monopuls-Azimutradarsystem zur Kraftfahrzeugortung bekannt. Das Monopuls-Radarsystem ist in der Lage, sowohl den Abstand und die Relativbewegung als auch die Winkelabweichung von einen Referenzazimut für ein im Erfassungsbereich befindliches Zielobjekt zu ermitteln. Das System verwendet eine Monopulsantenne, die ein Beschränken und Steuern der Abmessung einer
Verfolgungsstrahlbreite ermöglicht. Auf diese Weise können Fahrzeuge, die sich auf derselben Spur befinden, wie das Fahrzeug, das mit dem System ausgerüstet ist, oder auch solche, die sich in einer benachbarten Spur befinden, identifiziert, unterschieden und verfolgt werden. Dabei wird ein Sendesignal von dem System ausgesandt, von einem Zielobjekt reflektiert und an zwei räumlich getrennten Orten empfangen. Die an den zwei räumlich unterschiedlichen Orten empfangenen Signale werden verknüpft, um sowohl ein Summen- als auch ein Differenzsignal zu erzeugen. Das Verhältnis zwischen dem Summen- und dem Differenzsignal wird anschließend verwendet, um die Abweichung des Zielobjekts von dem Referenzazimut zu ermitteln. Weiterhin kann durch Mischen der Summen- und Differenzsignale die Entfern ung zu einem Zielobjekt ermittelt werden.
In der Druckschrift DE 100 50 278 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit eines entfernten Objekts beschrieben. Dabei erfolgt die lineare Frequenzmodulation des Sendesignals nach dem Prinzip des Frequency Shift Keyings. Das vorgestellte Verfahren wird zur adaptiven Zielführung im Automobilbereich verwendet.
Ein weiteres Radarverfahren zur Messung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Fahrzeug und einem oder mehreren Hindernissen ist aus der Patentschrift DE 195 38 309 bekannt. Dabei werden kontinuierliche Sendesignale ausgesandt und die an Hindernissen reflektierten Empfangssignale mit den in frequenzcodierte Bursts zerlegten Sendesignale gemischt. Daraus werden Abstände und Relativgeschwindigkeiten zwischen Fahrzeug und Hindernissen ermittelt.
Bei bekannten Fahrzeugsteuerungs-Systemen werden ferner Radarsensoren mit einer Frequenz von 77 GHz verwendet, wie dies in Bosch „Sensoren im Kraftfahrzeug", Ausgabe 2001 beschrieben ist. Die Radarsensoren messen den Abstand, die Relativgeschwindig keit und die seitliche Lage von vorausfahrenden Fahrzeugen. Dazu sendet das Radar (Radio Detection and Ranging) Wellenpakete von mm-Wellen aus. Die ausgesendeten Wellenpakete reflektieren an Oberflächen aus Metall oder anderem Material und werden vom Empfangsteil des Radars wieder aufgenommen. Die empfangenen Signale werden bezüglich Zeit und/oder Freq enz mit den ausgesendeten Signalen verglichen. Damit der Vergleich für die gewünschten Interpretationen verwendbar ist, wird das auszusendende Wellenpaket im Frequenz-Zeit-Verlauf geformt (Modulation). Radarsensoren mit einer Frequenz von 77 GHz zeichnen sich durch einen schmalen Öffnungswinkel und eine große Reichweite aus. Aus diesem Grund weisen die bekannten Precrash-Systeme eine große Anzahl von Radarsensoren, beispielsweise 4 bis 6, auf. Jeder dieser Sensoren für sich ist nur in der Lage einen kleinen Winkelbereich zu sensieren. Die Objektwinkel werden durch die Verwendung mehrerer Sensoren und
Trilaterations- bzw. Multilaterationstechniken ermittelt. Dies ist ein sehr aufwendiges und fehleranfälliges Verfahren. Zudem sind die Systemkosten, aufgrund des Einsatzes vieler Sensoren, Verkabelung und Fusion der Sensordaten sehr hoch. Ein derartiges System ist auch aus der Druckschrift DE 101 52 078 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern zumindest einer Fahrzeug-Schutzeinrichtung für zumindest einen Insassen und/oder zumindest einen Fußgänger in der Precrash-Phase, also im Zeitraum kurz vor dem Aufprall, mit mindestens einem Precrash-Sensor zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Ansteuern einer Fahrzeug-Schutzeinrichtung mit einer Radareinrichtung zur Messung einer Entfernung, einer Geschwindigkeit und/oder eines Winkels und zur Ausgabe eines Messsignals, wobei die Radareinrichtung mindestens ein Radarsendeelement aufweist, und dieses einzige Radarsendeelement zur Entfemungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung im Dauerstrichmodus betreibbar ist.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Ansteuern einer Fahrzeug- Schutzeinrichtung durch Messen einer Entfernung, einer Geschwindigkeit und/oder eines Winkels mit Radartechnik unter Ausgabe von Messsignalen sowie Ausgeben eines Ansteuersignais auf der Grundlage der bewerteten Messsignale, wobei das Messen mit mindestens einem Radarsendeelement erfolgt, und dieses Radarsendeelement zur Entfemungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung im Dauerstrichmodus betrieben wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass für das Ansteuern der Fahrzeug-Schutzeinrichtung ein Radar im Dauerstrichmodus verwendet wird, für den im Allgemeinen eine Funkzulassung besteht. Ein Dauerstrich-Radarsensor sendet ständig, wobei sich die Frequenz linear ändert und die empfangenen Signale ins Basisband abgemischt werden und dort detektiert werden.
Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Monopulsantenne zur Winkelmessung. Diese Monopulsantenne besteht günstigerweise aus einer einzigen Sendeantenne und zwei Empfangsantennen. Mit der Monopulstechnik kann somit erreicht werden, dass lediglich ein Radarsensor, vorzugsweise ein Nahbereichsradarsensor im 2-4 GHz- Bereich, im Fahrzeug untergebracht werden muss. Dies ist hinsichtlich des zur Verfügung zu stellenden Einbauraums besonders vorteilhaft. Gegenüber bekannten Systemen, bei denen Objektwinkel nur durch Ausnutzung mehrerer Sensoren und Trilaterations- bzw.
Multilaterationstechniken ermittelt werden können, reicht mit der Monopulstechnik ein Einzelsensor für die Winkelmessung.
Die Radareinrichtung kann für eine Frequenzmodulation ausgerichtet sein. Speziell kann die Frequenzmodulation nach dem Prinzip der Linear Frequency Modulated Shift Keying erfolgen. Mit diesem Verfahren ist sehr einfach und zuverlässig der Abstand und die Relativgeschwindigkeit bei kurzer Reaktionszeit zu messen, so dass sich ein Minimum an Falschalarmen ergibt. Mit der Radareinrichtung kann ferner ein Kollisionsort des Fahrzeugs mit einem Fremdobjekt ermittelt werden. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Vorhersage getroffen werden, an welchem Ort und zu welcher Zeit eine Kollision stattfindet, so dass entsprechende Sicherungsmaßnahmen eingeleitet werden können.
Wie bereits angedeutet wurde, kann ein Insassenschutzsystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Schutzeinrichtung, die mit der Vorrichtung auslösbar ist, ausgestattet sein. Dabei kann die Schutzeinrichtung einen Gurtstraffer, eine Airbag-Einrichtung, aktive Kopfstützen, eine Einrichtung zur Anhebung/Absenkung des Fahrwerks und/oder eine Sitzeinstelleinrichtung oder andere umfassen. Selbstverständlich können auch beliebig andere Systeme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird über eine Auswerteeinrichtung beispielsweise ein reversibler Gurtstraffer ausgelöst. Die Auslösung erfolgt jedoch nur, wenn die Analyse der Sensordaten durch die Auswerteeinrichtung ergibt, dass eine Kollision zwischen dem Fahrzeug und einem Objekt, wie beispielsweise einem Fußgänger, einem Radfahrer, einem Motorradfahrer, einem andern Fahrzeug (PKW; LKW), einem Baum oder Straßenbegrenzungseinrichtungen, eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit aufweist oder unvermeidbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 : Darstellung eines Blockdiagramms zur Signalauswertung
Fig. 2: Darstellung eines Stoßfängers mit einem Radarsensor
Fig. 3: Darstellung des Überwachungsbereiches
Fig. 4: Darstellung eines reversiblen Gurtstraffers
Fig. 5: Darstellung einer Frequenzmodulation des Sendesignals
Fig. 6: Darstellung der Geschwindigkeits- und Entfernungsmesswerte zur Kollisionsermittlung
In Fig. 1 ist der Ablauf der Signalauswertung eines Precrash-Systems schematisch dargestellt.
Das Precrash-System verfügt über einen Radarsensor 1 , der Objektdaten an eine Auswerteeinrichtung 2 liefert. Dort werden die Sensordaten verarbeitet und analysiert. Anschließend werden die ausgewerteten Daten einer Prüfung 3 unterzogen, bei der ermittelt wird, ob ein Aufprall unvermeidbar ist oder eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit aufweist. Falls dies der Fall ist, wird eine Sicherheitseinrichtung aktiviert 4. Wenn die Prüfung hingegen ergibt, dass der Aufprall vermeidbar ist, wird zum jetzigen Zeitpunkt die Sicherheitseinrichtung nicht aktiviert 5. Gegebenenfalls könnte die reine binäre Entscheidung durch eine dreifach gestufte Entscheidung ersetzt werden, die darin besteht, dass zusätzlich ein Warnsystem aktiviert wird, wenn beispielsweise eine Kollision mit hoher Wahrscheinlichkeit bevorsteht.
Ein Precrash-System sollte die folgenden Eigenschaften haben:
• Robustheit: Das System muss bei allen Wetterbedingungen mit einer minimalen Fehlerrate arbeiten, da jeder Fehlalarm einen Komfortverlust für die Insassen bedeutet.
• Wiederverwendbarkeit: Das System kann über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges genutzt werden.
• Einfacher Aufbau: Es können unkompliziert neue Sensoren oder Aktuatoren in das System integriert werden.
• Geringe Berechnungskomplexität des Systems
• Geringe Kosten für das System
• Kleines Bauvolumen der Komponenten
Um diese Anforderungen zu erfüllen, benötigt das Precrash-System folgende Komponenten: zumindest eine Sensoreinrichtung, zumindest einen Auslösealgorithmus und zumindest einen Aktuator. Die Sensoreinrichtung sensiert die Umgebung um das Fahrzeug und stellt dynamische Objektdaten, wie beispielsweise Position, Relativgeschwindigkeit, Beschleunigung, oder geometrische Objektdaten, wie beispielsweise Länge, Breite, Höhe zur Verfügung. Die dynamischen Daten werden benötigt, um die Zeit bis zum Unfall bzw. bis zur Kollision zu ermitteln. Zusätzlich bietet es sich an, Fahrzeugdynamikdaten (wie z. B. Eigengeschwindigkeit, Eigengierrate) mit für die Berechnung heranzuziehen. Mittels der geometrischen Daten kann beispielsweise der Ort des Aufschlages am Fahrzeug ermittelt werden. Eine Auswerteeinrichtung verarbeitet und analysiert die Sensordaten und führt beispielsweise eine Plausibilitätsprüfung der Sensordaten durch. Die Auswerteeinrichtung analysiert die aktuellen
Verkehrsszenarien und entscheidet, ob ein Aufprall vermeidbar ist oder nicht. In dem Fall, dass der Aufprall unvermeidbar ist, sendet die Auswerteeinrichtung ein Auslösesignal an den zumindest einen Aktuator zum Aktivieren zumindest einer Sicherheitseinrichtung bevor der Aufprall stattfindet, also in der Precrash-Phase. Beispielsweise wird zumindest ein reversibler Gurtstraffer elektronisch angesteuert, der dazu beiträgt, dass sich der zumindest eine Insasse in einer optimale Sitzposition beispielsweise im Hinblick auf zumindest einen auszulösenden Airbag befindet. (Vermeidung out-of-position des Insassen bezüglich des Airbags)
Erst nach einer erfolgreichen Objektklassifikation kann die Kollisionswahrscheinlichkeit, die Z*it bis zum Aufprall (TTC) und die Zeit (TEXIT), die nötig ist, um eine Unfallvermeidung durch den Fahrer einzuleiten, genau ermittelt werden. Mittels dieser Informationen gilt ein Unfall als unvermeidbar, wenn die Kollisionswahrscheinlichkeit sehr hoch und TTC gegenüber TEXIT sehr klein ist.
Die wichtigsten Eigenschaften eines solchen Precrash-Systems sind die Robustheit mit einer minimalen Fehlerrate und eine sehr kurze Verarbeitungs- bzw. Auswertezeit der Sensorsignale für eine sehr schnelle Auslösung von Schutzeinrichtungen.
Das Precrash-System weist zumindest einen Radarsensor 6 auf, der z. B. mit einer Frequenz von 24 GHz arbeitet. Dieser zumindest eine Sensor 6 wird als Short-Range-Radar (SRR) Sensor bezeichnet und ist beispielsweise in einem Stoßfänger 7 des Fahrzeuges integriert, wie in Fig. 2 dargestellt.
Das in Fig. 3 dargestellte Fahrzeug 10 weist einen Sensor auf, der einen Bereich 11 von circa 40 Metern um das Fahrzeug mit einem Öffnungswinkel von circa 60° überwacht. Alle Objekte in diesem Bereich, wie beispielsweise Fahrzeuge, Fußgänger, Motorradfahrer, Radfahrer, Bäume oder Straßenbegrenzungen, können mit einer hohen Objektklassifikationswahrscheinlichkeit erkannt werden. Der Radarsensor ermittelt die Objektentfernung, die Relativgeschwindigkeit und den Winkel an sich in simultaner Art und Weise.
Für die Signalverarbeitung und Entscheidungsfällung hinsichtlich des Auslösens von Schutzeinrichtungen ist ein spezieller Auslösealgorithmus nötig. Hierbei werden die aktuellen Objektdaten analysiert und deren zukünftige Bewegungsabläufe vorausberechnet. Basierend auf diesen Analysen wird die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt berechnet. Der Auslösealgorithmus trifft die Entscheidung, ob die Schutzsysteme in den aktiven Zustand versetzt werden müssen, da eine Kollision unvermeidbar ist. Beispielsweise wird zumindest ein reversibler Gurtstraffer 13 (vgl. Fig. 4) ausgelöst, um mindestens einen Insassen durch den Gurt 14 in eine optimale Position im Hinblick auf eine
mögliche Airbagauslösung zu bringen. Somit ist die Gefahr der Verletzung des Insassen durch out-of-position bezüglich des Airbags minimiert.
Der Objektbewegungsablauf muss exakt bestimmt werden, damit der reversible Gurtstraffer nur in gefährlichen Situationen ausgelöst wird, d.h. die Sensoren müssen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit und Genauigkeit auszeichnen. Die Qualität der gemessenen Daten steht dabei in direktem Zusammenhang mit der verwendeten Wellenform. Die Auflösung der Entfemungs- und Geschwindigkeitsdaten, die Genauigkeit der Objektposition wie auch die Funktionssicherheit kann aus der Wellenformcharakteristik abgeleitet werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an das Precrash-System wurde die Frequenzmodulationswellenform (LFMSK) gewählt, wie sie in der DE 100 50 278 A1 näher beschrieben ist (vgl. Fig. 5). Dieses Messverfahren hat viele Vorteile, wie beispielsweise kurze Messzeit, gleichzeitige Messung von Entfernung und Geschwindigkeit, geringe Anzahl von Fehlern, gutes Verhalten beim Vorhandensein von vielen Objekten, geringe Berechnungskomplexität und vieles mehr. Die empfangenen Daten werden entsprechend vorgegebenen Schritten A, B in die In-phase- (Realteil) und Quadraturphase- (Imaginärteil) Komponente zerlegt. Die beiden Zeitsequenzen A, B werden fouriertransformiert. In den resultierenden komplexen Spektren von A und B können Objekte bei Peak-Positionen detektiert werden. Die gemessenen Frequenzen dieser lokalen Maxima sind abhängig von der Objektentfemung und -geschwindigkeit. Unter Verwendung der Frequenzmessungen und der Informationen über die Signalphasen können die Entfernung und die Geschwindigkeit des Objektes einfach kalkuliert werden. Die Frequenz- und die Phasenmessungen sind jeweils abhängig von der Entfernung und der Geschwindigkeit des Objektes.
In Fig. 6 ist die Ermittlung von Entfernung und Geschwindigkeit in Form einer graphischen Lösung dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Phasenmessung und die Frequenzmessung an sich mehrdeutig sind, aber die Kombination der beiden Messungen zu einem Schnittpunkt der Geraden führt, der die gewünschten Werte für Entfernung R0 und Geschwindigkeit v0 ermitteln lässt. Dieser Schnittpunkt stellt den Kollisionsort dar. Durch Variation von fsnift und fsweep (vergleiche Figur 5) verändern sich die Steigungen der Geraden. Die zuverlässigsten Ergebnisse werden erzielt, wenn die beiden Geraden annähernd senkrecht zueinander verlaufen.
In jeden Sensor, der als Monopulsantenne ausgestaltet ist, sind eine TX-Antenne und zwei RX- Antennen integriert. Basierend auf der Monopulstechnik kann mit dem Radar im Dauerstrichmodus der genaue Azimutwinkel (Der Azimutwinkel beschreibt die horizontale
Richtung) der Objekte bestimmt werden. Ein spezielle Eigenschaft der verwendeten Radarsensoren ist die Fähigkeit kleine Objekte mit einem geringen Querschnitt (RCS), wie beispielsweise Fußgänger in einer Entfernung von bis zu 40 Metern, zu erfassen. Somit ist eine Objektklassifikation hoher Qualität bei gleichzeitig geringen Systemkosten mittels dieser Radarsensoren möglich.
Auf Basis des Messmodus und der daraus resultierenden Messwerte für ein einzelnes Objekt erfolgt die Auslösung der Schutzmechanismen. Das Auslösesignal besitzt eine hohe Zuverlässigkeit (geringe Falschalarmrate). Dies resultiert aus den speziell für dieses System verwendeten Auslösekriterien:
1. Kollisionsort am eigenen Fahrzeug 2. statistische Wahrscheinlichkeit der Kollision am Kollisionsort 3. Zeit bis zur Kollision 4. maximale Ausweichradien 5. Historie des beobachteten Zieles (Objektes)
Der Kollisionsort ergibt sich aus der bekannten Dynamik des eigenen Fahrzeuges und der gemessenen Bewegung des potentiellen Kollisionspartners. Die statistische Wahrscheinlichkeit der Kollision am Kollisionsort resultiert aus der Unsicherheit der gemessenen Größen, welche hier bedingt durch das Messprinzip als sehr gering anzusetzen sind. Die Zeit bis zur Kollision ergibt sich aus dem berechneten Kollisionsort und der Dynamik der beteiligten Objekte. Auf Basis einer in diesem System durchgeführten Klassifikation der Objekte (handelt es sich um einen LKW, PKW, Zweirad [Motorrad, Fahrrad], Fußgänger, Baum oder ein anderes Objekt) lassen sich die maximalen Ausweichradien des Kollisionspartners berechnen. Auf Basis der Ausweichradien lässt sich feststellen, ob die Kollision unvermeidbar ist. Die Historie des beobachteten Objektes beinhaltet die Detektionsgüte (Messfrequenz, Rauschpegel), die Bewegungsänderungen und verschiedene Messprinzip-bedingte Eigenschaften über den gesamten Beobachtungszeitraum. Durch die Auswertung der Historie ist man nicht auf eine Einzelmessung angewiesen, die unter Umständen sehr verrauscht ist. Vielmehr kann das Objekt über längere Zeit auf dem Kollisionskurs beobachtet werden, so dass eine zuverlässige Entscheidung hinsichtlich des Auslösens eines Sicherheitsmechanismus getroffen werden kann.
Bezugszeichenliste
Radarsensor
Auswerteeinrichtung
Prüfung
Aktivierung keine Aktivierung
Stoßfänger
Fahrzeug
Sensorbereich
Gurtstraffer
Gurt