DE4115747A1 - Verfahren und vorrichtung zur situations-, hindernis- und objekterkennung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur situations-, hindernis- und objekterkennung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Situations- und Hinderniserkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art. Fahrzeuge, vorzugsweise PKWs oder LKWs werden z. Zt. grundsätzlich von einem Fahrer bedient. Der Mensch ist in der Lage, den Straßenbereich in den er das Fahrzeug hineinbewegt zu überblicken. Dazu benötigt er Licht und klare Sicht. Seine Fahr­ weise paßt er automatisch der Situation an. Es gibt Situationen, in denen eine automatische Überwachung des Fahrbereiches wün­ schenswert und darüber hinaus Situationen in denen sie erforder­ lich ist.
Vorrichtungen und/oder Verfahren, die die vorstehenden vom Menschen ausgeführten Funktionen in dieser Komplexität erfüllen sind nicht bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen zu schaffen, die in der Lage ist die menschlichen Aufgaben bei der Führung eines Fahrzeuges durch technische Vorrichtungen zu unterstützen und zu ersetzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vor­ richtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung mitte­ ls eines Laserentfernungsmessers mit einem oder mehreren Meß­ strahlen und einem Rechner geschaffen wird, wobei innerhalb der divergenten Strahlengänge des Laserentfernungsmessers mindestens ein optischer Scanner eingefügt ist, mit dem Scanner eine Winkel­ meßeinrichtung starr verbunden ist, die gemessenen Winkel und Entfernungswerte einem Rechner zugeführt werden und der Rechner aus diesen Werten Hindernisse errechnet.
Die von der Vorrichtung gemessenen Winkel und Entfernungswerte werden verfahrensgemäß einem Rechner zugeführt, der aus diesen Werten die relativen Koordinaten von Hindernisse berechnet und unter Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit des Fahrzeuges zu den Hindernissen den Zeitpunkt einer möglichen Kollision errech­ net und den errechneten Wert für ein Steuersignal nutzt.
Dazu ist eine Vorrichtung notwendig, die über eine Sensor ver­ fügt, der in seiner Leistungsfähigkeit der Qualität der menschli­ chen Augen gleichkommt. Wenn ein derartiger Sensor vorhanden ist, kann er auch für andere Aufgaben über die Hindernisvermeidung hinaus verwendet werden. Weiter bedarf es einer großen Rechner­ leistung und einer entsprechenden Software, die die Beurteilung der gemessenen Daten übernimmt.
Die Software muß in der Lage sein die Vermessung eines Raumwin­ kelsegmentes in Fahrtrichtung in 3-Dimensionen bei Tag und bei bei Nacht im Sichtweitenbereich durchzuführen bei gleichzeitiger Vermessung und Identifizierung von ortsfesten Objekten sowohl auf der Straße als auch am Straßenrand.
Aus diesen gewonnen Entfernungsdaten muß die Berechnung des Stra­ ßenverlaufes, die Identifizierung von bewegten Objekten, entge­ genkommenden und mitfahrenden Fahrzeugen der erforderliche Ab­ stand zu vorausfahrenden Fahrzeugen unter Berücksichtigung der Eigengeschwindigkeit der entgegenkommenden und mitfahrenden Fahr­ zeuge erfolgen. Woraus sich wiederum die Berechnung von Kolli­ sionsmöglichkeiten und Gefahrenzuständen durchführen läßt.
Ergebnis ist die Umsetzung der Kollisionsmöglichkeiten in akusti­ sche und optische Warnsignale.
Die vorstehenden Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung und das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt. Diese sind in idealer Weise für die Aufgabe eines Hinderniswarnsensors im PKW und LKW geeignet. Sie können in ihrer Funktion der Aufgaben­ stellung sehr gut angepaßt werden.
Um diese Aufgabe zu erfüllen bedarf es verschiedener Eingangsgrö­ ßen für die Meßwertverarbeitung. Hierzu zählen:
  • 1. Meßwerte
    • *Entfernung
    • *Vertikalwinkel
    • *Horizontalwinkel
  • 2. Lenkwinkel
  • 3. Geschwindigkeit
  • 4. Schrägstellungswinkel
    • *Horizontal
    • *Vertikal
Die erforderlichen Meßwerte werden durch unterschiedliche Senso­ ren ermittelt.
Es wird für die Entfernungsmessung ein aktiver gepulster Laser­ strahl ausgesendet. Aus Kosten- und Baugrößengründen werden Laser­ dioden verwendet. Das Licht von ein oder mehr Laserdioden wird über ein Objektiv in Fahrtrichtung des Fahrzeuges ausgesendet. Parallel wird ein zweiter optischer Kanal mit einem eigenen Ob­ jektiv neben dem Sendeobjektiv angeordnet, der das reflektierte Licht sammelt und auf eine oder mehr Photodioden abbildet.
Die Laserdioden werden gepulst betrieben. Die dabei erzeugten Lichtpulse treffen auf Objekte in Fahrtrichtung und werden re­ flektiert. Die reflektierten Signale werden vom Empfänger detek­ tiert. Die Laufzeit zum reflektierenden Objekt und zurück wird gemessen und in eine Entfernung umgerechnet.
Dieser Meßstrahl ist entlang der optischen Achsen gerichtet. Vor den Laser- und Photodioden innerhalb des divergenten Strahlengan­ ges wird ein optischer Scanner angeordnet, mit dem die optischen Achsen abgelenkt werden können. Dies sind planparallele Strahlen­ ganges wird ein optischer Scanner angeordnet, mit dem die op­ tischen Achsen abgelenkt werden können. Dies sind planparallele transparente Platten (Gläser), die vom ausgesendeten und reflek­ tierten Laserstrahl durchleuchtet werden. Kippt man die planpa­ rallelen Platten im divergenten Strahlengang, so wird eine Bild­ versetzung hervorgerufen, die hinter den Objektiven eine Strahl­ ablenkung zur Folge hat.
Der Ablenkwinkel ist eine Funktion des Kippwinkels. Wird die Kip­ pung durch eine kontinuierliche Rotation erzeugt, so wird eine Scanbewegung des Laserstrahles und des Empfängersehfeldes hervor­ gerufen.
Um eine 3-D-Messung auf ein Objekt mit einem Laserpuls zu erzeu­ gen, muß die Entfernung und die Richtung des Strahles gemessen werden. Das geschieht dadurch, daß die Laufzeit des Pulses und die Kippstellung der Planplatte im Moment der Pulsaussendung festgestellt wird. Erfolgt dieser Vorgang automatisch, so kann innerhalb eines Bereiches, der durch die maximalen Ablenkwinkel der Planplatten vorgegeben ist, eine 3 dimensionale Vermessung aller Objekte erfolgen.
Dieser erfindungsgemäße Scanner ist deshalb besonders geeignet, weil seine
  • *bewegten Teile sehr klein sind
  • *Scangeschwindigkeit sehr groß sein kann
  • *Baugröße des Sensors durch den Scanner nicht vergrößert wird
  • *Meßwerte des Ablenkwinkels auf eine sehr einfache Weise gewonnen werden können.
Das Verfahren der Ablenkung mittels Kippung planparalleler Gläser im divergenten Strahlengang hat wegen der auftretenden Strahlverzeichnungen bei größeren Einfallwinkel einen einge­ schränkten Arbeitsbereich. Genau dieser wird wegen der hohen Ge­ schwindigkeiten der Fahrzeuge gefordert. Das Scanverfahren ist sehr flexibel, weil durch die Verwendung von mehreren nebeneinan­ derliegenden Dioden die Geschwindigkeit und der Arbeitsbereich der Aufgabe in weiten Bereichen angepaßt werden.
Der Hauptvorteil gegenüber bekannten Siegelscanner ist neben der Baugröße und der Scangeschwindigkeit der zeitliche Scanner Wir­ kungsgrad. Bei kleinen Ablenkwinkelbereichen ist der Wirkungsgrad von Spiegelscannern extrem schlecht, weil der Ablenkwinkel gleich dem halben Drehwinkel des Spiegels ist. Um also eine Ablenkung von ca. 8° zu erzeugen, rotiert der Spiegel nur 40. Dies hat un­ mittelbare Folgen für die erforderliche Pulsrate zum Entfernungs­ messer, weil innerhalb der Zeit in der der Spiegel nur 40 rotiert, alle Pulse eines Scans abgesetzt werden müssen. Das Laserpuls- Entfernungsmeßverfahren benötigt jedoch Pulse in möglichst großen Abständen, um die jeweilige Messung auswerten zu können.
Dies kann dann erfolgen, wenn der Wirkungsgrad des Scanners mög­ lichst hoch liegt. Beim erfindungsgemäßen Scanner beträgt der Wirkungsgrad etwa 60%, d. h. es können in diesen 60% der Zeit Entfernungsmessungen vorgenommen werden. Um z. B. eine Ablenkung von 8° zu erzeugen, kann ein Drehwinkel von ca. 100° erforder­ lich sein. Alle 180° wiederholt sich der Vorgang. Die Meßdaten werden on-line verarbeitet, um ohne Zeitverlust gefährliche Zu­ stände melden zu können und Tempomatregelung und Kolonnenfahrt vornehmen zu können.
Die lineare Abtastung der Objekte horizontal und vertikal eignet sich zur Bildverarbeitung, weil Konturen erkennbar werden. Des­ halb ist ein scannendes System einem System mit festen Meßstrah­ len überlegen. Gegenüber einer CCD Kamera ist als besonderer Vor­ teil die Unabhängigkeit von der Umgebungsbeleuchtung und vom Um­ licht zu nennen.
Die Entfernungsprofile (Scans) können auf erkennbare Objekte un­ tersucht und untereinander verglichen werden. Die relative Ände­ rung der Objekte innerhalb des Fahrzeugkoordinatensystems wird berechnet. Aus diesen Werten wir die Gefahr für Kollision berech­ net und gemeldet. Dabei wird der Wert der Eigengeschwindigkeit dem Sensor gemeldet. Die Eigengeschwindigkeit und der daraus re­ sultierende Bremsweg wird bei der Gefahrenberechnung berücksich­ tigt.
Liegen die aktuellen Informationen über Lenkwinkel, Fahrgeschwin­ digkeit und Kippwinkel vor, so können die Koordinaten der Objekt­ punkte in ein ortsfestes Koordinatensystem umgerechnet werden. In diesem Koordinatensystem kann durch Vergleich der nachfolgenden Profile die absolute Geschwindigkeit jedes Objektes berechnet werden. Daraus können die verschiedenen Gefahrenwerte für Kolli­ sionen berechnet und gemeldet werden.
Bei Kolonnenfahrt kann das jeweils führende Fahrzeug per Software erkannt und wiedererkannt und verfolgt werden. Auch bei Kurven­ fahrten kann das Führungsfahrzeug weiterverfolgt werden. Die Meß­ daten ermöglichen die Bestimmung der Hindernisgrößen und damit in Grenzen die Unterscheidung von PKW, LKW etc.
Die Gefahrenmeldung erfolgt, ohne daß der Fahrer ein Signal anse­ hen muß, weil es vornehmlich im Moment der Gefahr entsteht und alle Aufmerksamkeit erforderlich ist. Aus diesem Grund wird der Gefahrenwert durch eine akustische Meldung dargestellt, deren Höhe und Lautstärke proportional zur Gefahr ist.
Ausführungsbeispiel
Im folgenden wird ein Gerät, daß nach dem erfindungsgemäßen Ge­ danken arbeitet anhand verschiedener Zeichnungen beispielhaft er­ läutert. Es zeigt
Fig. 1 das Blockschaltbild des in der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung verwendeten Laserentfernungs­ messers,
Fig. 2 das Blockschaltbild der gesamten erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.
Das Blockschaltbild (Fig. 1) stellt den Laserentfernungsmesser mit einem Scanner für die vertikale und einem Scanner für die hori­ zontale Richtung dar.
Die Lichtquelle (1) wird im Fernfeld mit einem Projektionsobjek­ tiv (7) abgebildet. In gleicherweise erfolgt die Abbildung des Empfangers (10) über das Projektionsobjektiv (8).
Im divergenten Strahlengang, nahe der Lichtquelle (1), wird ein für den Wellenbereich der Lichtquelle transparentes Polygonal­ prisma, vorzugsweise ein Würfel (2) senkrecht auf der Strahlungs­ richtung (9) gedreht. Dadurch entsteht eine Strahlversetzung, die eine Änderung des Abstrahlwinkels hinter dem Projektionsobjektiv (7) der Lichtquelle (1) und des Empfängers (10) verursacht. Wird der Würfel um sich selbst gedreht, so wird das Sender- Empfängerfeld viermal abgelenkt.
Zur Messung des Ablenkwinkels des Lichtbündels wird die Messung des Drehwinkels des Würfels benutzt. Hierzu wird ein Winkelgeber (3) herangezogen. Der Antrieb des Würfels erfolgt vorzugsweise mittels einer Motorsteuerung (13) auf einen Elektromotor (4) über Zahnräder (5, 6).
Durch eine weitere, um 90° gedrehte Scaneinrichtung, die in den Bezeichnungen jeweils durch - a - kenntlich gemacht (1a, 2a, 3a, 4a, 5a) ist, ist man in der Lage die zweite Winkel- Dimension zu vermessen indem die Meßstrahlen in der um 90° gedreh­ ten Richtung verschwenkt werden. Aus baulichen Gründen, um insbe­ sondere das Gerät klein zu halten, ist dabei die Scanneinrichtung jeweils im Sender und Empfängerkanal einzeln eingefügt. Über zwei Zahnräder (21, 22) und einen Zahnriemen (23) erfolgt der Antrieb. Mittels der Entfernungsmeßelektronik (11) und der Winkelmeßelek­ tronik (12) können genau zu dem Zeitpunkt, zu dem Reflektionssi­ gnale empfangen werden, Winkelauslesungen erfolgen. Wird die Laufzeit des Lichtes zur reflektierenden Oberfläche und zurück mit der Entfernungsmeßelektronik gemessen, so ist die Position der Oberfläche, auf die die Messung erfolgte, in allen Polarkoor­ dinaten bekannt.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die vom Sensor (14) gewonnenen Entfernungs- und Win­ kelwerte werden dem Rechner (15) zugeführt. Der Rechner erhält zusätzlich über einen Winkelgeber den Lenkwinkel (16) sowie über Neigungssensoren (17) die Neigungswinkel des Fahrzeuges und die gemessene Geschwindigkeit des Fahrzeuges (18). Über eine Eingabe- Tastatur (19) können verschiedene Betriebsarten angewählt wer­ den. Die Warnung erfolgt über einen Akustikmelder (20).

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Situations- und Hinderniserkennung bei der Füh­ rung von Fahrzeugen aller Art mittels eines eines Laserentfer­ nungsmessers mit einem oder mehreren Meßstrahlen und einem Rech­ ner, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der divergenten Strah­ lengänge des Laserentfernungsmessers mindestens ein optischer Scanner eingefügt ist, mit dem Scanner eine Winkelmeßeinrichtung starr verbunden ist, die gemessenen Winkel und Entfernungswerte einem Rechner zugeführt werden und der Rechner aus diesen Werten Hindernisse errechnet.
2. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserentfernungsmesser aus der Laufzeit des ausgesendeten Puls die Entfernung bestimmt.
3. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zweier Scanneinrichtungen so­ wohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung die Entfer­ nungsmeßstrahlen abgelenkt werden.
4. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit mehreren Sender- und Empfängerdioden ausgerüstet ist.
5. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der senderstrahllinienförmig ausge­ bildet ist.
6. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, der Scanner als kippbare planparallele Glasplatte ausgebildet ist und den Sende- und Empfangsstrahl um jeweils gleiche Winkel ablenkt.
7. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das der Scanner als kippbares rechtecki­ ges, transparentes, planparalleles Prisma ausgebildet ist und den Sende- und Empfangsstrahl um jeweils gleiche Winkel ablenkt.
8. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner durch Mikro-Prozessoren ausgebildet ist.
9. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner als Transputerrechner ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art mittels eines Laserentfer­ nungsmessers mit einem oder mehreren Meßstrahlen und einem Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Vorrichtung ge­ messenen Winkel und Entfernungswerte einem Rechner zugeführt wer­ den, der Rechner aus diesen Werten die relativen Koordinaten von Hindernisse berechnet und unter Einbeziehung der Relativgeschwin­ digkeit des Fahrzeuges zu den Hindernissen der Zeitpunkt einer möglichen Kollision errechnet und der errechnete Wert für ein Steuersignal genutzt wird.
11. Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner der Lenkwinkel des Fahrzeuges zu­ geführt wird.
12. Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 10 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Rechner die Gewindigkeit des Fahr­ zeuges zugeführt wird.
13. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner die horizontale und ver­ tikale Lage des Fahrzeuges zugeführt ist.
14. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte in ein Ortsfestes Koor­ dinatensystem umgerechnet werden.
15. Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte zur Bestimmung und Ver­ folgung eines Führungsfahrzeuges verwendet werden.
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