DE19626292A1 - System zur Fahrspurerkennung mit Hilfe von Lichtstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Fahrspurerkennung, bei dem mit Hilfe auf die Fahrbahn gerichteten Infrarotlichts die relative Lage des Fahrzeugs gegenüber dem die Fahrspuren trennenden Trennstreifen erkannt wird.

Es ist bekannt, daß mit wachsender Erschöpfung des Fahrers dessen Fähigkeit, das Fahrzeug auf einer geraden Fahrspur zu halten, sinkt. Dem Fahrer ist dies in der Regel gar nicht bewußt. Mit weiter wachsender Erschöpfung kann es dann zu gefährlichen Fahrsituationen kommen etwa bei Eintreten des Sekundenschlafs oder ähnliches.

Es ist daher vorgeschlagen worden, den Abstand des Fahrzeugs vom Trennstreifen der Fahrspuren, vom Randstreifen oder ei­ ner anderen parallel zur Fahrspur verlaufenden deutlich er­ kennbaren Linie zu messen. Der so vermessene Abstand wird überwacht, so daß hier größere Schwankungen des Abstands selbsttätig festgestellt werden können und eine entsprechen­ de Warnung an den Fahrer herausgegeben werden kann. Insbe­ sondere läßt sich mit einem solchen System aber erreichen, daß der Fahrer gewarnt wird, wenn er versucht, ohne Setzen des entsprechenden Blinkers die Fahrbahnlinie zu überschrei­ ten, da hier die Gefahr besteht, daß ein auf der Überholspur herankommendes Fahrzeug mit dem nicht durch ein Blinkzeichen angegebenen Richtungswechsel rechnet und es so leicht zu einem Unfall kommen kann. Andererseits ist eine Warnung mög­ lich, falls der Fahrer seinen Blinker gesetzt hält, aber nach hinreichend langer Zeit immer noch nicht die Fahrspur durch Überschreiten des Trennstreifens gewechselt hat.

Die Erfindung geht daher aus von einem System der Fahrspur­ erkennung, wie es sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergibt. Nachteilig bei der Verwendung von Licht, also auch von Infrarotlicht ist es, daß die reflektierte Strahlung nicht nur von dem ausgesendeten Infrarotlicht abhängt, son­ dern auch von dem sogenannten Restlicht, also dem Anteil des Lichtes, welches auch ohne die gezielte Aussendung von Lichtstrahlung (IR-Strahlung) in den Empfänger des Erken­ nungssystems eingespeist wird. Hierzu kommt noch ein be­ stimmter Offset des Empfängers, also diejenige Spannung am Ausgang des Empfängers, die auch dann auftritt, wenn die ge­ messene Beleuchtungsstärke 0 ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei dem vorgeschlagenen System zur Fahrspurerkennung die Empfindlichkeit des Systems zu verbessern und die das Meßergebnis beeinflussenden Störgrö­ ßen wie Offset und Restlicht herabzusetzen.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, die Infrarotstrah­ lung impulsweise auszusenden. Hierdurch ist es möglich, kurzzeitig erhebliche Sendeleistungen aufzubringen ohne die zulässige durchschnittliche Sendeleistung des Empfängers zu überschreiten. Aufgrund der stark vergrößerten pulsweisen Sendeleistung und damit der entsprechend vermehrten Licht­ strahlung am Eingang des Empfängers wird der prozentuale Anteil der störenden Lichtstrahlung stark vermindert, so daß eine erhöhte Genauigkeit des Erkennungssystems erreicht wird.

Die vorgeschlagene Lösung schafft aber auch die Möglichkeit zu einer weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Erken­ nungssystems, indem sich die Merkmale nach Anspruch 2 anwen­ den lassen. Die Verbesserung besteht im Prinzip darin, nur zu Zeiten, in denen der Empfänger der phasenweise auftreten­ den reflektierten Strahlung ausgesetzt ist, an den Ausgang des Empfängers durchzuschalten, so daß dort nur dann ein Signal abgegeben wird, wenn das von der Fahrbahn kommende reflektierte Lichtsignal auftritt. In der verbleibenden Zeit trennt der Umschalter den Ausgang des Empfängers ab. Gleich­ zeitig wird aber während dieser Abschaltzeit, in der von dem Empfänger nur ein Abbild des Restlichts und der Offsetspan­ nung abgegeben wird, dessen Ausgang mit seinem Eingang in einer Art Gegenkopplung zurückgekoppelt. Damit wird das Hal­ teglied auf einen Wert aufgeladen, welcher in etwa den un­ erwünschten Störspannungen am Ausgang entspricht. Für die Erfindung wesentlich ist nun, daß diese rückgekoppelte Stör­ spannung beim Auftreten des nächsten von der Straße kommen­ den Infrarot-Reflexionssignals weiterhin am Eingang noch anliegt, obwohl der Umschalter inzwischen seinen ersten Schaltzustand erreicht hat, indem der Empfängerausgang mit der Auswerteeinrichtung Empfänger verbunden ist und das Hal­ teglied von dem Empfängerausgang abgetrennt ist. Das Prinzip dieser Verbesserung besteht somit darin, eine dem Restlicht und der Offsetspannung entsprechende Korrekturspannung am Eingang zu erzeugen, welche von der Eingangsspannung des Empfängers subtrahiert wird. Die Korrekturspannung am Halte­ glied sorgt also dafür, daß das ankommende Eingangssignal um die Störspannungen vermindert wird.

Eine besonders genaue Korrekturgröße erhält man durch Anwen­ dung der Merkmale nach Anspruch 3. Durch die Wahl des Reg­ lers lassen sich die Einflüsse des Restlichts und des Off­ sets ziemlich genau auf die Korrekturspannung projizieren. Dabei kann sich die Verwendung eines PID-Reglers empfehlen. Eine besonders einfache Lösung erhält man aber unter Umstän­ den dadurch, daß ein einfacher P-Regler verwendet wird.

Um eine saubere Trennung zwischen rückgeführter Korrektur­ größe und Eingangsgröße zu erreichen, empfiehlt sich in Wei­ terbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach An­ spruch 5. Dabei wird ein Differenzverstärker angewendet, der in üblicher Weise als Operationsverstärker aufgebaut ist (siehe beispielsweise Klaus Beuth;, Bauelemente der Elek­ tronik, Band 11, Seite 226-231, Vogel-Verlag, 6. Auflage). Dabei wird man vorzugsweise den Ausgang einer Fotodiode an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers und das Ausgangssignal des Haltegliedes an den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers legen. Es wird somit durch den Differenzverstärker die Differenz aus der Ausgangsspan­ nung der Fotodiode und der Korrekturspannung des Halteglie­ des verstärkt, wobei das so gebildete Eingangssignal die um die Störspannungen berichtigte Ausgangsspannung der Fotodio­ de darstellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung ist der erste Anschluß einer Fotodiode D über einen Widerstand R1 an eine positive Vorspannung V ge­ legt. Der zweite Anschluß der Fotodiode ist über eine erste Leitung L1 zu dem invertierenden Eingang I eines Differenz­ verstärkers DV geführt. Der Ausgang A des Differenzverstär­ kers DV ist über einen mitkoppelnden, also die Eingangsspan­ nung an I verstärkenden Mitkopplungswiderstand zu dem in­ vertierenden Eingang I des Operationsverstärkers zurückge­ führt. An den Ausgang A des Differenzverstärkers ist weiter­ hin noch ein Umschalter U angeschlossen, wobei der Eingang E des Umschalters U über den beweglichen Kontakt B mit der Pulsfrequenz des Sendesignals zwischen einer zweiten Schalt­ stellung und einer ersten Schaltstellung wechselt. Dabei ist in der ersten Schaltstellung der Eingang E mit einem Kontakt K1 verbunden, während beim zweiten Schaltzustand der beweg­ liche Kontakt mit dem ortsfesten Kontakt K2 verbunden ist. Der Kontakt K1 ist zu dem Ausgang AG der in der Zeichnung dargestellten Schaltung geführt, die man sich gleichzeitig als Ausgang des Empfängers vorstellen kann. Die zwischen AG und der Masse M liegende Spannung U_a bildet die Eingangsspan­ nung für eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung.

In der zweiten Schaltstellung ist der Ausgang A des Diffe­ renzverstärkers über den Eingang E und den ortsfesten Kon­ takt K2 mit dem Eingang ER eines Reglers RG verbunden, des­ sen Ausgang AR über ein Halteglied H zu dem nicht invertie­ renden Eingang N des Differenzverstärkers DV zurückgeführt ist.

Das erfindungsgemäße System arbeitet nun wie folgt: Von ei­ nem in der Zeichnung nicht dargestellten Sender werden mit einem Taktabstand T durch Infrarotlicht gebildete Pulse aus­ gesendet, die von der Fahrbahn reflektiert werden. Durch die Aussendung von Pulsen kann die Sendeamplitude sehr viel hö­ her gehalten werden als bei Sendung eines Dauersignals, da die hohe Leistung hier nur kurzzeitig aufgebracht wird und somit die über die gesamte Zeit betrachtete Durchschnitts­ leistung immer noch in dem zulässigen Rahmen liegt. Nach einer sehr kurzen Zeitverschiebung werden von der Fotodiode von dem Fahrbahnbelag zurückgeworfene Infrarotstrahlungen aufgenommen, die zu dem invertierenden Eingang I gelangen, wobei diese Eingangsspannung durch den mitkoppelnden Wider­ stand R2 noch verstärkt wird. Infolge dessen wird die der Eingangsspannungen I entsprechende verstärkte Ausgangsspan­ nungen A abgegriffen und zu dem Eingang E des Umschalters U geführt, der sich während des Infrarot-(IR)-Empfangsimpulses in seinem ersten Schaltzustand befindet. In diesem Zustand ist der Eingang E mit dem ortsfesten Kontakt K1 verbunden, so daß ein dem reflektierten IR-Empfangsimpuls entsprechen­ des Ausgangssignal U_a an dem Ausgang AG gegenüber Masse abge­ griffen werden kann.

Gegenüber dem tatsächlichen Infrarot-Sendeimpuls des Senders ist nun die Spannung an dem Ausgang AG insofern verfälscht, als die geschilderten elektronischen Teile für eine Offset­ spannung sorgen, also eine Spannung, die auch dann auftritt, wenn kein Licht von der Fahrbahn zur Fotodiode gestrahlt wird. Hinzu kommt noch ein Restlicht, welches unabhängig von dem Sendepuls von der Fahrbahn zur Fotodiode hin gestrahlt wird. Eine wichtige Verbesserung der Erfindung besteht nun darin, die Spannung an A während des zweiten Schaltzustandes des Umschalters U, in der also keine Reflexion des gesende­ ten IR-Lichts stattfindet, zu messen und als Korrekturspan­ nung zu dem nicht invertierenden Eingang N des Differenzver­ stärkers DV zurückzuführen. Dabei gelangt während des zwei­ ten Schaltzustandes die dann noch vorhandene Ausgangsspan­ nung A über den Eingang E und den Kontakt K2 zu dem Regler RG, der beispielsweise ein PID-Regler aber auch ein P-Regler sein kann. Vom Ausgang AR gelangt die Ausgangsspannung des Reglers RG zu einem Halteglied, welches die durchschnitt­ liche Ausgangsspannung des Reglers RG festhält und damit den nicht invertierenden Eingang N beaufschlagt. Es wird somit die Eingangsspannung an I des Verstärkers DV um die Spannung an N korrigiert und zwar insbesondere in der Zeit, in der durch den Umschalter U erneut in den ersten Schaltzustand geschaltet wurde und der von der Fahrbahn reflektierte IR-Puls auf die Diode einwirkt. Somit ist die Ausgangsspannung U_a um die Störspannungen korrigiert.

Die Erfindung läßt sich somit wie folgt zusammenfassen:

Mit Systemen zur Fahrspurerkennung werden Gefahrensituatio­ nen, die aufgrund von Ermüdungserscheinungen des Fahrers auftreten können, verhindert. Die Position der Fahrspur re­ lativ zum Auto kann z. B. mit Infrarot-Reflexlichttastern, die auf die Fahrbahn gerichtet sind, detektiert werden.

In der Regel kommen dabei Fotodioden zum Einsatz, bei denen die Meßgröße in ein entsprechendes Strom- oder Ladungssignal umgeformt wird. Dieser Strom ist dann ein Maß für die auf den Empfänger einfallende Strahlungsleistung bzw. Bestrah­ lungsstärke. Für die Minimierung von Störeinflüssen aufgrund von Fremdlicht sowie unterschiedlichen Kontrastverhältnissen werden die Sendedioden im Pulsbetrieb gefahren. Durch eine entsprechende Wahl des Tastverhältnisses kann der Sender mit einem vielfachen des Nennstroms betrieben werden, so daß die Einflüsse des Umgebungslichts verringert werden.

Die Empfängerdioden werden in der Regel mit konstanter Vor­ spannung in Sperrichtung betrieben. Zur Auswertung des Foto­ stroms kann zum Beispiel eine sogenannte Saugschaltung mit Operationsverstärker eingesetzt werden.

Ein Problem stellt jedoch die Unterdrückung des im Empfangs­ signal der Fotodiode vorhandenen Gleichanteils dar. Dazu kommt, daß aufgrund des relativ kleinen Fotostroms hohe Ver­ stärkungen erforderlich sind, die zu einer entsprechenden Verstärkung des internen Offset′s des Operationsverstärkers führen.

Weiter oben wurde ein Schaltungsprinzip ausgeführt, das eine dynamische Kompensation des Offsets erlaubt. Das Prinzip wurde am Beispiel einer Auswerteschaltung für einen Fotodio­ denstrom erläutert.

Die vorgeschlagene Schaltung nach Bild 1 kompensiert den Gleichanteil in der Weise, daß während der Pulspausen das am Ausgang des Verstärkers (z. B. Operationsverstärker) liegende Signal (entsprechend dem unerwünschten Gleichanteil) mittels eines Analogschalters über ein Netzwerk auf den positiven Eingang des Verstärkers rückgekoppelt wird. Das Rückkopp­ lungsnetzwerk kann beispielsweise als PID-Regler ausgeführt werden. Dadurch lassen sich sowohl dynamische als auch lang­ same Änderungen im Gleichanteil des rückgekoppelten Signals erfassen und ausregeln.

Claims (5)

1. System zur Fahrspurerkennung, bei dem mit Hilfe einer auf die Fahrbahn gerichteten Infrarotstrahlung die rela­ tive Lage eines Fahrzeugs gegenüber dem die Fahrspuren trennenden Trennsteifen erkannt wird, wobei ein vorzugs­ weise im Außenspiegel angeordneter Infrarotsender In­ frarotlicht auf die Fahrbahn strahlt, wobei eine Emp­ fangseinrichtung vorgesehen ist, welche eine von der Fahrbahn reflektierte Infrarotstrahlung mißt, wobei eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, welche die Ausgangs­ signale des Empfängers auf eine Abstandsänderung des Fahrzeugs gegenüber dem Trennstreifen hin auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender die Infrarot­ strahlung im Pulsbetrieb aussendet und im Empfänger die gemessene reflektierte Infrarotstrahlung ggf. phasenver­ schoben auf den Empfängerausgang (AG) gegeben wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Empfänger ein getakteter Umschalter U vorgesehen ist, welcher sich in den die reflektierte IR-Strahlung empfangenden Phasen in seinem ersten Schaltzustand be­ findet (E, B, K1), indem der Eingang des Empfängers (I) mit seinem Ausgang (AG) verbunden ist und welcher in den von reflektiertem IR-lichtfreien Phasen das sich in sei­ nem zweiten Schaltzustand (E, B, K2) befindet, indem das vorzugsweise verstärkte Eingangssignal über ein Halte­ glied (H) zu dem Eingang (N) des Empfängers zurückge­ führt wird.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schaltzustand der Ausgang des Schalters (U) über einen Regler (RG) und das Halteglied (H) mit dem Eingang (N) des Empfängers verbunden ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein PID-Regler ist.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Empfängers ein Differenzverstärker (DV) vorgesehen ist, daß der erste Eingang (I) des Dif­ ferenzverstärkers mit dem Ausgang einer Fotodiode ver­ bunden ist, daß der Ausgang (A) des Differenzverstärkers mit dem Eingang (E) des Umschalters (U) und der Ausgang des Umschalters im zweiten Schaltzustand über den Regler (RG) und das Halteglied (H) mit dem zweiten Eingang (N) des Differenzverstärkers (DV) verbunden ist.