CN101842719A - 用于检测车辆运动的指向道路表面的激光传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测机动车辆(101)的运动状态的传感器装置。该传感器装置包括至少一个激光单元(108a)，该激光单元具有用于发射朝向车道表面(104)的方向发送的相干光的光源，该传感器装置包括被设计成检测表征在车道表面上散射的光与来自光源的光之间的干涉的至少一个测量变量的干涉检测器。该测量变量表示传感器装置的速度分量和/或传感器装置与车道表面(104)之间的距离。激光单元(108a)与一分析单元(110)相连接，该分析单元被设计成由所述测量变量来确定至少一个表征车辆(101)的运动状态的变量，该运动状态特别是车辆重心的速度分量、车辆的转角或角速度。

Description

用于检测车辆运动的指向道路表面的激光传感器

技术领域

本发明涉及对机动车辆运动的检测。本发明的主题特别是用于检测机动车辆运动状态的传感器装置。另外，本发明涉及一种用于检测机动车辆运动状态的方法。

背景技术

在汽车技术中，对机动车辆运动的检测尤其重要。诸如车辆纵向速度的运动变量是对于车辆驾驶员很重要的信息。另外，运动变量用作行驶动力学控制系统(行驶动态控制系统，Fahrdynamikregelsystem)的输入信号，利用其来改进车辆的安全性和舒适性。常规行驶动力学控制系统通常包括轮速传感器、用于检测车辆的横摆率的传感器、和用于检测横向加速度以及可能的纵向加速度的传感器，从该轮速传感器的测量值求得车辆的纵向速度。

DE 10 2004 060 667A1公开了一种用于获得车辆速度的光学装置，在该装置中依次记录车辆下的表面(untergrund)的图像。基于图像内的对象或结构特征的移得到车辆的速度。除了纵向速度之外，还可在此得到机动车辆的横向速度，该横向速度常常是不能通过车辆传感器系统测量得到的并且是行驶动力学控制系统的有用输入变量。

这种装置通常需要额外的车道表面照明装置，结果增加了结合到机动车辆中的成本。另外，该装置比较容易使照相机或照明装置受到污染，这主要是由于其在机动车辆底板上的安装位置。结果，该装置的可用性受到不利影响。此外，装置仅能检测在车道平面中的速度分量，而不能检测与其垂直的速度分量。

发明内容

因此，本发明的目的是实现对机动车辆运动检测的改进，特别是实现更可靠的运动检测。

此目的通过具有权利要求1的特征的传感器单元以及具有权利要求15的特征的方法实现。该传感器单元和方法的实施方式在从属权利要求中给出。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于检测机动车辆的运动状态的传感器装置。所述传感器装置包括至少一个激光单元，所述激光单元具有用于当传感器装置被布置在机动车辆上时发射朝向车道表面的方向发送的相干光的光源，具有干涉检测器，所述干涉检测器被设计成检测至少一个表征在所述车道表面上散射的光与光源的光之间的干涉的测量变量。所述测量变量代表所述传感器装置的速度分量和/或在所述传感器装置与所述车道表面之间的距离。所述激光单元与分析单元(Auswerteeinrichtung)相连接，所述分析单元被设计成由所述测量变量来确定至少一个表征车辆的运动状态的变量。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于检测具有传感器装置的机动车辆的运动状态的方法。该方法包括：

-从所述传感器装置的光源朝向车道表面的方向发送相干光，

-利用所述传感器装置的干涉检测器来检测至少一个表征在车道表面上散射的光与光源的光之间的干涉的测量变量，其中所述测量变量代表所述传感器装置的速度分量和/或在所述传感器装置与所述车道表面之间的距离，以及

-根据所述测量变量来获得至少一个表征车辆的运动状态的变量。

本发明实现了对机动车辆运动状态的非接触式确定。由此可以可靠地、不受干扰影响地确定车辆的运动状态。另外，通过光学测量方法实现了非常精确地获得表征车辆运动状态的变量。

表征车辆运动状态的变量可以尤其是车辆的一个或多个速度分量和/或车辆的一个或多个转角。它们可根据在传感器装置与车道表面之间的距离确定，所述距离是沿着由传感器装置测量的光束的距离。此外，可确定车辆的转动角速度(Drehwinkelgeschwindigkeit)、尤其是横摆率、侧倾率和/或俯仰率。这一点可通过使用检测到的速度分量和/或通过对相应转角进行时间微分来实现。

由光源朝向车道表面的方向发送的光被至少部分地散射回光源。

为了实现传感器装置的紧凑、不复杂的结构，干涉的位置优选在光源处、尤其是光源的激光谐振结构(Resonator)处。这种干涉使激光的运行状态改变，该改变可利用一检测器来检测。这也被称为自混合效应(Self-Mixing-Effekt)。

在该传感器装置和方法的一种实施方式中，所述传感器装置包括至少一个具有多个激光单元的传感器组，所述多个激光单元与分析单元相连接，其中所述多个激光单元沿不同方向发射光。该传感器组优选包括三个激光单元。

利用这三个分别沿特定方向发送光的激光单元，可以有利地确定传感器装置的三个速度分量和/或该传感器装置与车道表面之间的三个距离。基于这三个速度分量能够特别是确定传感器装置在三个空间方向上相对于车道的平移速度。如果利用激光单元分别获得距车道表面的距离，则可以由该距离确定传感器装置相对于车道表面的位置。

在该传感器装置和方法的另一种实施方式中，传感器组的激光单元被布置在一公共的壳体内，所述壳体能被安装在车辆车身的底侧上，该底侧在机动车辆运行时面对车道表面。

该实施方式的一个优点是传感器组的各激光单元被布置在一公共的壳体内从而实现了传感器组的紧凑、经济的结构。另外，在该构型中传感器组可被简单地安装在车辆上，原因是无需单独地对每个激光单元进行安装和定向。

该传感器装置和方法的一种扩展方案在于：分析单元被设计成，由利用传感器组的激光单元检测到的测量变量分别得到传感器组的速度分量并基于所述得到的速度分量来确定机动车辆的至少一个速度分量。

机动车辆的速度分量可以是车辆重心的速度分量，其尤其适合于表征机动车辆的行驶动力学状态。特别地，可以根据车辆重心来确定车辆纵向速度和/或车辆横向速度。

在机动车辆的一个点处的运动、尤其是传感器装置的运动可被分解成车辆重心的平移速度和该点相对于车辆重心的转动运动，该转动运动可描述为车辆和/或车身的角速度。车辆的角速度包括：表征围绕车辆的高度轴线的转动速度的横摆率、表征围绕车辆的纵向轴线的转动速度的侧倾率和表征围绕车辆的横向轴线的转动速度的俯仰率。优选使用至少一个角速度从而基于所得到的传感器组速度分量来确定车辆重心的速度。

由此，该传感器装置和方法的一种构型提出，分析单元被设计成在机动车辆的速度分量的确定中使用机动车辆的至少一个角速度。

本发明的一种特别是能够获得机动车辆的至少一个速度分量的构型包含：分析单元被设计成，由在传感器组中检测到的测量变量以及利用器件检测到的第一角速度来确定机动车辆的至少一个速度分量和/或第二角速度。

在此有利地，除使用两个传感器组外还使用一用于确定角速度的器件以获得车辆速度的分量和/或另外的车辆角速度。因此，可通过相对简单的传感器配置来确定机动车辆的运动状态，包括一个或多个速度分量以及至少两个角速度。

该传感器装置和方法的一种相关构型的特征在于：用于确定角速度的器件是角速度传感器、尤其是横摆率传感器。

角速度传感器例如被构造成微机械式(mikromechanischer)角速度传感器。对于表征机动车辆的行驶动力学状态、特别是在行驶状态的稳定性方面，横摆率是特别重要的变量。因此，在此构型中直接测量横摆率，同时特别地可由所得到的测量变量计算出另外的角速度、例如侧倾率。

在该传感器装置和方法的另一种实施方式中，省去了根据不同的测量原理来检测测量变量的附加传感器。在此实施方式中，所述传感器装置包括三个与分析单元相连接的传感器组，其中所述分析单元被设计成，由利用所述三个传感器组得到的测量变量来确定机动车辆的至少一个速度分量和/或车辆的至少一个角速度。

另外，该传感器装置和方法的一种构型提出：传感器装置包括具有多个、尤其是三个激光单元的第一传感器组，其中能根据调制方案对由激光单元发射的光的频率进行调制从而能够在分析单元中由所检测到的测量变量分别得到距离，其中分析单元被设计成，由所述得到的距离来确定车辆的至少一个转角和/或至少一个角速度。

此构型有利地利用了如下的可能性，即由利用第一传感器组的激光单元得到的距离来确定传感器组相对于车道的位置和/或车辆车身相对于车道的转角。另外，由该转角可计算出相应的角速度，该角速度在此构型中同样能够被确定。角速度的计算特别是通过对转角进行时间微分来实现。

传感器装置和方法的一种相关构型提出：能根据一调制方案对由所述激光单元发射的光的频率进行调制从而能够由检测到的测量变量分别得到距离、并且得到第一传感器组的速度分量。

此构型的一个优点是，能够得到在传感器组与车道表面之间的距离，而且能得到传感器装置相对于车道表面的速度分量。这一点可利用合适的调制方案来实现。

传感器装置和方法的另一种相关构型提出：分析单元被设计成，由利用第一传感器组得到的速度分量和角速度来确定机动车辆的至少一个速度分量。

通过考虑至少一个另外的角速度可改进在确定重心速度时的精度。因此，在传感器装置和方法的一种实施方式中提出，分析单元被设计成使用另一利用角速度传感器得到的角速度来获得机动车辆的速度分量。

有利地，该角速度可以特别是车辆的横摆率。角速度传感器在此情况下被构造成横摆率传感器。

在一种可选构型中，不使用附加的角速度传感器，该附加的角速度传感器根据与传感器装置的激光单元不同的原理工作。此构型包括一与分析单元相连接的第二传感器组，由在所述第二传感器组中检测到的测量变量能获得第二传感器组的速度分量，其中所述分析单元被设计成，由所得到的第一、第二传感器组的速度分量来获得车辆的至少一个另外的角速度，使用所述至少一个另外的角速度来获得机动车辆的速度分量。

上文中对传感器装置的描述表明其尤其适用于机动车辆。除了传感器装置之外，本发明还提出一种包括前述类型的传感器装置的机动车辆。

参照本发明的具体实施方式，本发明的、前述和其它的优点、特性、以及合理扩展方案将显而易见，所述具体实施方式在下文中参照附图进行描述。

附图说明

在附图中：

图1示出具有根据本发明的传感器装置的车辆的示意性垂直截面图，

图2示出具有根据本发明的传感器装置的车辆的示意性水平截面图，

图3示出用于图解根据本发明的传感器装置的功能原理的示意图，

图4示出不同坐标系相对于车辆的位置的示意图，

图5示出具有三个传感器组的机动车辆的示意性水平截面图，

图6示出具有二个传感器组的机动车辆的示意性水平截面图，

图6a示出具有一个传感器组的机动车辆的示意性水平截面图，

图7示出具有允许距离测量的构型的传感器组的示意图，

图8示出由激光单元发出的光的调制频率的时间曲线的原理图，

图9示出具有传感器组和角速度传感器的机动车辆的示意图，

图10示出具有另一构型的、包含两个传感器组的机动车辆的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出配备有传感器组102的机动车辆101，该传感器组102连接到布置在车辆101中的分析单元110。机动车辆101包括车身105和车轮106。机动车辆101可以是例如具有任何数量的车轴和车轮106的乘用车或商用车。对此，附图中的图示应被理解为仅是示例性的。分析单元110是具有用于执行计算的微处理器和存储用于执行计算的算法和参数的非易失性存储器的电子计算单元。传感器组102被布置在车身105的底板上，并包括三个激光单元108a、108b、108c，图1中仅示出其中一个激光单元108a。每个激光单元108a、108b、108c朝向车道表面104的方向发射测量光束103a、103b、103c，该发射测量光束103a、103b、103c相对于车辆101的底板成一角度α_i(i＝a，b，c)。通过一光学元件107a、107b、107c，使测量光束103a、103b、103c会聚并聚焦在车道表面104的一点上或聚焦在车道表面104附近的一点上。激光单元108a、108b、108c的测量光束103a、103b、103c由相干光形成，例如在半导体激光器中生成，该半导体激光器可被构造成一种例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的构型。所述光优选地位于一不可见光谱范围内，尤其在红外光谱范围内，从而测量光束103a、103b、103c不可见并且不会打扰道路使用者。但是，替代地也可以在其它的光谱范围内产生光。传感器组102的激光单元108a、108b、108c被布置成使得它们的测量光束103a、103b、103c具有不同的方向。在一个示例性构造中，测量光束103a、103b、103c与车辆底板围成的角度α_i相同，但是如图2中示意性示出的，各测量光束在车辆底板上的投影却与车辆纵向方向成不同的角度δ_i。当然其他构造也是可行的。

例如根据图3针对激光单元108i来说明激光单元108a、108b、108c的基本功能性，该激光单元108i用作传感器组102的所有激光单元108a、108b、108c的示例。激光单元108i包括由前半透明镜302和后半透明镜303界定的、具有长度L的谐振结构301。测量光束103i由穿过前镜302从谐振结构301朝向车道表面104的方向发出的光形成。测量光束103在谐振结构301或前镜302与车道表面104之间经过的路径的长度在这里由L₀表示。测量光束103在车道表面104上被散射。散射光的一部分作为散射光束305沿与测量光束103i相反的方向被反射回。通过光学装置107i使散射光束305进入谐振结构301并在其中与在谐振结构301中放大的光进行干涉。

如果由于车辆101的运动而使谐振结构301与车道表面104在测量光束103的方向上以速度分量v_Li相对运动，则散射光束305发生多普勒频移(Doppler-Verschiebung)。在此涉及光的频率或波长根据所谓的速度分量v_Li的改变。由于散射光束305被反馈回谐振结构301，在谐振结构301中发生自混合效应。这意味着，其致使对激光放大(量)

的调制，该调制的频率与散射光束305的多普勒频移相关、从而与所述的速度分量相关。与谐振结构301与车道表面104之间的相对运动在测量光束103i的方向上的速度分量v_Li相关的、激光放大(量)随时间的变化Δg，通过以下等式来描述：

$\mathrm{\Δg}=-\frac{\mathrm{\κ}}{L}\·\cos (4\·\mathrm{\π}\·f_0\·v_{\mathrm{Li}}\·t/c+4\·\mathrm{\π}\·L_0\·f_0/c)---\left(1\right)$

其中，κ代表激光特有的耦合系数(Kopplungskoeffizienten)，其具有在0和1之间的值，f₀代表从激光单元108i发出的光的频率，c代表光速，t代表时间。等式(1)例如是由文献：M.H.Koelink et al.“Laser Dopplervelocimeter based on the self-mixing effect in a fibre-coupledsemiconductor laser：theory”，Applied Optics，Vol.31，1992，Seiten3401-3408中的自混合效应的理论得到的。

激光放大(量)的周期性调制导致由谐振结构301发出的光的强度的相应周期性调制。从所测量的强度的周期性改变的频率可求得速度分量v_Li。为了测量谐振结构301发出的光的强度而设有光电二极管306，所述光电二极管306检测穿过后镜303从谐振结构301发出的光。这种二极管306通常被用于保持激光器的光的强度恒定或者控制该强度，从而通常是市场上可买到的激光二极管结构的部件。在本应用中，光电二极管306连接到分析单元110，该分析单元110由测得强度的时间曲线求得强度改变的频率，并基于该频率确定速度分量v_Li。

因此，利用传感器组102的三个激光单元108a、108b、108c可求得由分析单元110估算的三个速度分量v_Li(i＝a，b，c)。对于将被执行的估算有利的是，考虑图4中所示的传感器坐标系401。传感器坐标系401是一直角坐标系，该坐标系的原点在一测量时刻与传感器组102的安装位置重合。因此，该传感器坐标系401是空间固定的坐标系，其在所述测量时被初始固定在车辆上。例如，传感器坐标系的x_s轴沿车辆纵向方向指向前，y_s轴沿车辆横向方向指向左，z_s轴沿车辆高度方向指向上。而传感器坐标系401的其它取向同样是可能的。除了传感器坐标系401之外，图4还示出车辆101的重心系统402，重心系统402的原点在所述测量时刻被初始化在车辆重心CM。如传感器坐标系401中的情况一样，重心系统402的x_v轴沿车辆的纵向方向指向前，y_v轴沿车辆的横向方向指向左，z_v轴沿车辆高度方向指向上。因此，重心系统402相对于传感器坐标系401沿传感器组102与车辆重心CM之间的连接线移动和转动。

在传感器坐标系401中，传感器组102的测量光束103a、103b、103c的方向

通过角度α_i和δ_i给出，所述角度α_i和δ_i由传感器组102的固定安装位置得到、可作为参数被存储在分析单元110的非易失性存储器中并在图1和2中示出。各方向满足：

${\stackrel{\→}{n}}_i=\left(\begin{array}{c}\sin {\mathrm{\α}}_i\·\cos {\mathrm{\δ}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i\·\sin {\mathrm{\δ}}_i\\ \cos {\mathrm{\δ}}_i\end{array}\right)$ (i＝a，b，c)                    (2)

利用传感器组102测量的速度分量对应于传感器组102的速度沿所述方向的分量，即，在使用内积/标量积的情况下满足：

$v_{\mathrm{Li}}=\stackrel{\→}{v}\·{\stackrel{\→}{n}}_i$ (i＝a，b，c)                    (3)

由针对三个速度分量v_La、v_Lb、v_Lc的相应等式得到一线性方程系统，这三个速度分量可通过传感器组102的激光单元108a、108b、108c获得，在分析单元110中可由该线性方程系统求得速度向量

沿传感器坐标系401的三个轴的分量。所述分量对应于传感器组102的速度在重心系统402中的分量，这是因为重心系统402仅相对于传感器坐标系401移位和转动。分析单元110从速度获得车辆重心CM相对于传感器坐标系401和/或相对于重心系统402的平移速度

这一点在使用已知的关系的情况下实现：

$\stackrel{\→}{v}={\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}-\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\×\stackrel{\→}{x}---\left(4\right)$

这里，

代表从传感器组102到车辆重心CM的连接向量。为了使分析单元110能够计算重心速度在一实施例中，首先针对车辆101的典型负载状态确定在传感器组102与车辆重心CM之间的连接向量的分量，然后将该分量作为参数存储在分析单元110的非易失性存储器中。在此构型中忽略由于负载的改变而引起的重心CM位置的改变。在等式(4)中获得的变量

代表车辆101的角速度，它们的分量分别是车辆101的侧倾率

车辆101的俯仰率dθ/dt和车辆101的横摆率dψ/dt。

由于传感器坐标系401和重心系统402被初始固定在车辆上，所以这些系统的xy平面由于车辆车身105相对于车道表面104的侧倾运动和俯仰运动而转动当前的俯仰角和侧倾角。但是，车辆101的行驶动力学状态通常由在水平系统中的速度分量、尤其是车辆纵向速度v_CM，x ^h和车辆横向速度v_CM，y ^h来表征。该水平系统在此是一x-y平面平行于车道平面延伸或位于车道平面中的坐标系。通常使用这样的水平系统，其原点在考虑时刻被初始化在车道平面内竖直地位于车辆101重心CM的下方。x轴在车道平面中沿车辆纵向方向向前延伸，y轴在车道平面104中沿车辆横向方向向左延伸，z轴垂直于车道平面104沿车辆高度方向向上延伸。在参照重心系统402的重心速度

与参照水平系统的重心速度

之间存在以下关系：

${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}=S_y\left(\mathrm{\θ}\right)S_x\left(\mathrm{\φ}\right){\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}^h$ 或 ${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}^h=S_y(-\mathrm{\θ})S_x(-\mathrm{\φ}){\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}---\left(5\right)$

这里，矩阵S_y(θ)描述了围绕瞬态y轴转过俯仰角θ，矩阵S_x(φ)描述了围绕瞬态x轴转过侧倾角φ，它们满足：

$S_x\left(\mathrm{\φ}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ 0& -\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right)$ $S_y\left(\mathrm{\θ}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)---\left(6\right)$

因此，为了确定在重心系统402中的重心速度

需要知道车辆101的角速度，即横摆率、侧倾率和俯仰率；而为得到在水平系统中的重心速度

则需要知道车辆101的侧倾角和俯仰角。

为了确定车辆的对应于三个车辆平移自由度和三个车辆转动自由度的运动，在图5以框图示意性示出的实施例中，使用连接到分析单元110的三个上述类型的传感器组102a、102b、102c。传感器组102a、102b、102c被布置在车辆101的底板上。为此该布置结构选择成使传感器组102a、102b、102c不在一条直线上、优选不在一个平面内。对于传感器组102a、102b、102c中的每一个，可以如上所述地在分析单元110中求得传感器组102的根据重心系统402的速度

(i＝a，b，c)。通过将各个速度

相互比较，分析单元110然后确定车辆101的侧倾率、俯仰率和横摆率。两个速度的比较满足以下等式，该等式用于进行估算并且可例如从方程式(4)得到：

${\stackrel{\→}{v}}_i-{\stackrel{\→}{v}}_j=\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\×{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}$ (i，j＝a，b，c)                                        (7)

这里，表示传感器组i与传感器组j之间的连接向量。对于(常量)对(i，j)＝(a，b)，(a，c)，(b，c)，由等式(7)得到三个向量等式。这些向量等式对应于具有9个等式的方程系统，从中选出三个等式，根据这三个等式由分析单元110求得车辆101的角速度。该角速度然后被分析单元110用于确定车辆101在重心系统402中的重心速度

这一点是基于等式(4)、在使用为各传感器组102a、102b、102c获得的速度(i＝a，b，c)的情况下实现的。替代地，也可以首先在使用为另外的传感器组102a、102b、102c获得的速度

的情况下确定用于重心速度

的两个或三个值，而重心速度

可由各个值得到。这提高了速度确定的精度，并且允许进行真实性检查，在真实性检查中将三个获得的值相互比较从而在距离过大时确定测量错误。

此外，通过对侧倾率和俯仰率的时间积分可获得侧倾角和俯仰角。该积分可例如在分析单元110被告知点火起动时开始，并且可在侧倾角和俯仰角在点火起动时具有零值的前提下进行。在此构型中，在使用侧倾角和俯仰角的情况下，分析单元110基于等式(5)确定车辆纵向速度v_CM，x ^h、车辆横向速度v_CM，y ^h，以及必要时还有车辆重心CM在水平系统中的竖直速度v_CM，z ^h。

连接到三个传感器组102a、102b、102c的分析单元110的输出信号例如包括车辆重心在重心系统402中的平移速度

的分量，其在车辆101的侧倾运动和俯仰运动很小时形成对水平系统中的平移速度

的良好近似值。如果规定通过对角速度的积分来确定车辆101的转角，则分析单元110还可以将在水平系统中的速度

作为输出变量输出。另外的输出变量包括所获得的车辆101的三个角速度。

图6示意性示出的另一个实施例与前述构型的不同之处在于，仅使用两个传感器组102a、102b，而不是三个传感器组102a、102b、102c，所述两个传感器组102a、102b相互分离地安装在车辆车身105的底板上。而附加地设有一角速度传感器601以便直接测量车辆101的角速度，该角速度传感器601的测量信号与传感器组102a、102b的测量信号一样、也被提供给分析单元110。在此构型中，未被直接测量的角速度由为传感器组102a、102b获得的、在分析单元110中以前述方式确定的速度

和

以及由所测量的角速度来确定。在此，根据等式(5)，关系式

被用于根据重心系统402的速度

和

之间的差。此向量等式包括三个等式，从其中(选出)两个等式用于确定没有利用角速度传感器601测量的角速度。在已计算其余的角速度之后，分析单元110基于为一个传感器组102a、102b或两个传感器组102a、102b求得的速度和

以与上文参照图5描述的构型类似的方式来确定车辆重心CM根据重心系统402的平移速度

如该构型，还可以通过对侧倾率和俯仰率的时间积分来确定车辆101的侧倾角和俯仰角。

角速度传感器601优选为横摆率传感器，其原因是横摆率对行驶动力学的影响最大，因此，与其他变量无关地直接测量横摆率是有利的。另外，横摆率通常用作行驶动力学控制系统的输入变量，因而就此而言直接测量该变量是有利的。同样也可以使用侧倾率传感器或俯仰率传感器而不是横摆率传感器。所使用的角速度传感器可以具有本领域技术人员已知形式的构型，尤其被构造为已知的微机械式角速度传感器。

在此构型中，分析单元110的输出信号例如包括车辆重心在重心系统402中的平移速度

的分量；或者如果规定通过对角速度的积分来确定车辆101的转角、则该输出信号包括(车辆重心)在水平系统中的平移速度

另外的输出变量包括没有利用角速度传感器601直接测量的、车辆101的两个角速度。当使用横摆率传感器时，所述两个角速度为车辆101的侧倾率和俯仰率。

在忽略车辆101的侧倾运动和俯仰运动的情况下，还可以使用包括速度传感器组102和角速度传感器601的传感器配置，以便近似地确定前文提及的变量。此传感器配置在图6a中示意性地示出。出于上文所述的原因，角速度传感器601优选为横摆率传感器。

只要车辆101至多具有很小的纵向加速度和横向加速度，车辆101的侧倾运动和俯仰运动就会很小。因此在另一种构型中可规定，忽略车辆车身105的由于弹性变形(Einfedern)引起的侧倾运动和俯仰运动，从而可将车辆101的侧倾角和俯仰角以及侧倾率和俯仰率设定为零值。在此构型中，机动车辆101配备有一个传感器组102和一个横摆率传感器，传感器组102的测量信号和该横摆率传感器的测量信号都被作为输入信号输入分析单元。这里，分析单元110由传感器组102的测量信号确定传感器组的速度然后，在使用横摆率dψ/dt的情况下得到车辆重心CM的平移速度

的近似值。这根据以下关系式实现：

${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{CM}}=\stackrel{\→}{v}+\left(\begin{array}{c}\mathrm{d\ψ}/\mathrm{dt}\·y\\ -\mathrm{d\ψ}/\mathrm{dt}\·x\\ 0\end{array}\right)---\left(8\right)$

该关系式是在忽略车辆101的侧倾率和俯仰率的情况下由等式(4)导出的。变量x这里表示向量

在传感器坐标系401中的x分量、即在车辆纵向方向上测量的、车辆重心CM距传感器组102的距离，变量y这里表示向量

在传感器坐标系401中的y分量、即在车辆横向方向上测量的、车辆重心CM距传感器组102的距离。在此构型中，分析单元110的输出信号包括车辆重心CM在重心系统402中的近似平移速度

的各分量，其可同时用作在水平系统中的重心速度

的各分量的近似值。

在一种构型中，传感器组102还可以被安装在车辆101的重心CM处，或安装在车辆101的重心CM的竖直下方。在此情况下，可通过忽略车辆101的侧倾运动和俯仰运动直接测量平移速度，而无需考虑任何转动分量。

同样，附加于横摆率传感器，车辆101还可配备有侧倾率传感器和/或俯仰率传感器，从而能附加于横摆率地测量并在对车辆重心CM的平移速度

的计算中考虑其它的角速度。另外，通过对所测得的角速度的时间积分还可获得对应的转角，所述转角被用于由在重心系统402中的(车辆)速度

来确定水平系统中的车辆速度

从而能由分析单元110给出在水平系统中的车辆速度

的分量。

在另外的实施形式中，同样使用前文描述类型的传感器组102。另外还设有用于确定车辆车身105的侧倾角和俯仰角的器件。为了获得侧倾角和俯仰角，这里可特别地在车辆101的底盘的弹性元件上设置位移传感器，该弹性元件将车辆车身105支承在车轮106上。在这里位移传感器被分别分配给一个弹性元件并测量车身105在相应的弹性元件上弹性变形的位移。在四轮车辆101中，将至少三个位移传感器分别设置在(不同的)车轮106上，以便以本领域技术人员已知的方式确定所述的变量。第四位移传感器实现了对变量的冗余求取，从而可实现更精确的确定。被输入以位移传感器的测量信号的分析单元110由位移传感器所测量的弹簧位移来求得车辆101的侧倾角和俯仰角。另外，可在分析单元110中通过对侧倾角和俯仰角进行时间微分来得到车辆101的侧倾率和俯仰率。所述侧倾率和俯仰率然后被用于在使用关系式(4)的情况下、由所获得的传感器组102的速度确定车辆重心CM的平移速度基于所获得的侧倾角和所获得的俯仰角，可计算出在水平系统中的车辆速度

因此，在此构型中，分析单元110的输出信号包括在水平系统中的车辆速度

的分量、车辆101的角速度以及必要时还有车辆101的转角。

本发明的另一构型提出，使用在图7中示意性示出的传感器组701，该传感器组701相对于上述传感器组被修改，从而除了在测量光束703a、703b、703c的方向上的速度分量之外，还确定测量光束703a、703b、703c在传感器组701与车道表面104之间经过的距离。修改后的传感器组701在下文中被称为距离组，而上述的用于测量速度的传感器组102在下文中被称为速度组以便与距离组区别开。类似于速度组102，距离组701安装在车辆车身105的底板上。该距离组701同样包括三个激光单元702a、702b、702c，所述激光单元连接到一分析单元704并且沿不同方向发射出测量光束703a、703b、703c，这些测量光束在车道表面104上被反射。距离组701的激光单元702a、702b、702c原则上可以以与速度组的激光单元108a、108b、108c相同的方式设计。但是，与速度组102不同，由激光单元702a、702b、702c发射的光的频率可被改变。该改变在这里优选通过改变流经激光二极管的电流来实现，所述电流改变利用控制单元705来实现。

如同速度组102的情况一样，在距离组701中，由激光单元702i发出的光在车道表面104上散射，并且部分地被反射回激光单元702i。反射的光被反馈入相应的激光单元702i的谐振结构中并在激光单元702i的谐振结构中与那里产生的光发生干涉。这使得在谐振结构中产生自混合效应，该效应引起对由激光二极管发射的光的强度的调制，所述强度由一光电二极管检测。光电二极管的电流的调制在这里具有这样的频率，该频率对应于反射激光与谐振结构中的激光之间的频率差，只要该频率差可被光电二极管解析。

为了借助于距离组701的激光单元702i不仅确定速度分量v_Li、还确定相应的测量光束703i在激光单元702i或所包含的谐振结构与车道表面之间经过的距离d_Li，所发射的激光的频率根据已知的FMCW(频率调制连续波)原理被调制。利用控制单元705、通过相应地改变流经激光二极管的电流来执行频率调制。在一构型中，如在图8的图表中用实线示意性示出的，提供根据三角形函数(Dreiecksfunktion)的线性调制。在该图表中，相对于时间t绘出频率f。反射信号的频率相对于测量光束703i的瞬时频率偏移，该反射信号的时间曲线在图8中用虚线示出。在反射光的频率f_R与发射光的频率f_T之间的频移δf＝f_R-f_T包括一由于反射光的运行时间产生的第一分量f_τ和一由于反射光的多普勒频移导致的第二分量f_D。当测量光束703i的频率升高时，频移δf₁由多普勒分量f_D与第一分量f_τ之间的差形成，从而满足：

δf₁＝f_D-f_τ                              (9)

当频率降低时，频移δf₂由这两个分量之和形成，即满足：

δf₂＝f_D+f_τ                     (10)

结果，频移的这两个分量可通过估算在频率升高和频率降低期间的频率差来求得。在此满足：

$f_D=\frac{1}{2}(\mathrm{\δ}{f}_2+\mathrm{\δ}{f}_1)---\left(11\right)$

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{2}(d{f}_2-\mathrm{\δ}{f}_1)---\left(12\right)$

利用激光单元702i，可由等式(11)和(12)求出速度分量v_Li和距离d_Li。速度分量v_Li满足：

$v_{\mathrm{Li}}=-\frac{f_D\·\mathrm{\λ}}{2}---\left(13\right)$

其中λ表示发射的激光的波长，而长度d_Li满足：

$d_{\mathrm{Li}}=\frac{f_{\mathrm{\τ}}\·c\·T}{4\·f_{\mathrm{Hub}}}---\left(14\right)$

其中，f_Hub表示频率偏移(Frequenzhub)，即调制频率的最小值与最大值之差，T表示频率调制的周期长度。

利用距离组701可如上所述地不仅确定距离d_Li，而且还确定速度v_Li。利用距离组701得到的速度分量v_Li(i＝a，b，c)对应于也可利用速度组102确定的那些速度分量。因此，可使用单个传感器组701来确定速度v_Li和距离d_Li。

同样也可以提出：为确定这些变量不是使用单个的传感器组，而是使用一个用于检测距离d_Li的距离组701并且为确定速度v_Li而使用先前描述类型的单独的速度组102。在此构型中，距离组701和速度组102可被内置在一公共壳体中。另外，这两个传感器组701、702可具有一公共的分析单元704。

利用距离组701的激光单元702i获得的距离对应于在距离组701与相应的测量光束703a、703b、703c在车道表面104上的入射点之间的连接向量

的大小。连接向量由

给出，其中在用于测量光束103a、103b、103c的等式(2)中给出的向量

表示测量光束703a、703b、703c的方向。这三个连接向量

和

张成一对应于车道平面的平面。因此，分析单元704可由所得到的距离d_La、d_Lb和d_Lc特别地确定传感器坐标系401的x-y平面与车道平面之间的转角。这些转角对应于车辆车身105的侧倾角和俯仰角，这是因为车道平面的取向平行于水平坐标系的x-y平面。

在一种构型中，为了确定所述转角，可以例如确定由测量光束703a、703b、703c张成的平面的单位法向量。这种单位法向量可在使用向量积的情况下例如通过下式得到：

$\stackrel{\→}{H}=\frac{({\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{Lb}}-{\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{La}})\×({\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{Lc}}-{\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{La}})}{\left|\right|({\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{Lb}}-{\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{La}})\×({\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{Lc}}-{\stackrel{\→}{d}}_{\mathrm{La}})\left|\right|}---\left(15\right)$

其中，||·||表示向量大小。假设在传感器坐标系401中，单位法向量对应于水平系统的在z方向上的单位向量。因此，满足：

${\stackrel{\→}{e}}_z=S_y(-\mathrm{\θ})S_x(-\mathrm{\φ})\stackrel{\→}{H}---\left(16\right)$

在此等式中，

表示在传感器坐标系401中、在z方向上的单位向量。向量等式(16)包括用于确定车辆车身105的侧倾角φ和俯仰角θ的等式系统。通过使用

可获得如下的解：

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{h_2}{h_3}---\left(17\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{h_1}{\sqrt{1-h_1^2}}---\left(18\right)$

在等式(18)中，可以以物理上统一的方式使用

的x分量，在该统一中对

进行归一化/标准化，该归一化例如以厘米或米(为单位)进行。

在分析单元704基于距离组701的测量信号确定了车辆101的侧倾角和俯仰角之后，通过对侧倾角和俯仰角进行时间微分来计算出车辆101的侧倾率和俯仰率。为了确定在重心系统402中或在水平系统中的重心速度，除侧倾率和俯仰率外还需要知道车辆101的横摆率。在一种在图9中以框图示意性示出的构型中，该横摆率借助一横摆率传感器901来检测。在另一种在图10中以框图示意性示出的构型中，附加于距离组701还使用另外的传感器组，该另外的传感器组与该距离组相距一定距离地设置在车辆车身105的底板上。附加使用的传感器组可以是一另外的距离组701b或者是一速度组102。利用附加的传感器组得到该附加的传感器组的速度，从而存在两个速度：距离组701的速度

和附加的传感器组的速度

在使用车辆101的侧倾率和/或俯仰率的情况下，可利用如下的关系式以前文已经描述的方式从这两个等式计算出横摆率：

${\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{La}}-{\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{Lb}}=\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}\×{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ab}}---\left(19\right)$

其中，

表示从距离组701到该附加传感器组的连接向量。

基于侧倾率、俯仰率和横摆率，分析单元704然后通过使用关系式(4)、由利用距离组701确定的速度

和/或利用附加传感器组得到的速度

计算出车辆重心CM的速度

基于利用距离组701得到的侧倾角以及所得到的俯仰角，可以在另一步骤中、在分析单元704中从速度

计算出在水平系统中的车辆速度

因此，分析单元704的输出信号在此构型中包括在水平系统中的车辆速度

的分量、车辆101的角速度、以及必要时还有车辆101的转角。

上述传感器配置的共同点在于，由分析单元110、704或者能够确定在中心系统中的车辆速度

或者获得在重心系统402中的车辆101的速度

该速度

近似对应于在水平坐标系中的速度

所得到的速度分量可直接用于车辆101的其它系统、例如驾驶员信息系统或控制系统例如行驶动力学控制系统。此外，从所得到的变量可导出另外的、可用于另外的车辆系统的行驶动力学变量。特别地，可通过进行时间微分由车辆横向速度v_CM，y ^h得到车辆101的横向加速度，因此不需要附加的横向加速度传感器，而横向加速度传感器是常规行驶动力学控制系统的惯用部件。此外，可从车辆纵向速度v_CM，x ^h和车辆横向速度v_CM，y ^h得到车辆101的侧偏角(Schwimmwinkel)β，其满足：

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{v_{\mathrm{CM},y}}{v_{\mathrm{CM},x}}---\left(20\right)$

侧偏角尤其好地适合于表征尤其是在危急行驶条件下的行驶状态，因此可例如被行驶动力学控制装置使用以稳定车辆101。而常规的传感器系统不能可靠地获得侧偏角，因此由于提供侧偏角可使基于本发明的行驶动力学控制过程的执行得到显著改进。

此外，在几个上述构型中可得到车辆101的横摆率、侧倾率和俯仰率。这些变量同样可用于车辆101的其它系统。这些系统的示例包括可执行包括这些变量的控制算法的行驶动力学控制系统、或例如控制(ausregeln)车辆车身105的侧倾运动和/或俯仰运动的底盘控制系统以及另外的驾驶员辅助系统和被动安全系统。

尽管已经在附图和前文说明中详细描述了本发明，但是该说明应被理解为仅是说明性的或示例性的，而非限制性的；特别地，本发明不局限于所述的示例性实施例。由上述公开内容、附图和专利申请权利要求书，本领域技术人员能得出本发明的其它变型和它们的实施方式。专利申请权利要求书所使用的术语例如“包括”、“具有”、“包含”等不排除另外的元件或步骤。不定冠词的使用并不排除复数。专利申请权利要求书中指定的多个单元或装置的功能可由单个装置执行。专利权利要求书中给出的附图标记不应被认为是对所使用的装置和步骤的限制。

Claims (15)

1.一种用于检测机动车辆(101)的运动状态的传感器装置，所述传感器装置包括至少一个激光单元(108i；702i)，所述激光单元具有用于当传感器装置被布置在机动车辆(101)上时发射朝向车道表面(104)的方向发送的相干光的光源，具有干涉检测器(306)，所述干涉检测器被设计成检测至少一个表征在所述车道表面上散射的光与光源的光之间的干涉的测量变量，其中所述测量变量代表所述传感器装置的速度分量和/或在所述传感器装置与所述车道表面(104)之间的距离，其中所述激光单元(108i；702i)与分析单元(110；704)相连接，所述分析单元(110；704)被设计成由所述测量变量来确定至少一个表征车辆(101)的运动状态的变量。

2.根据权利要求1的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括至少一个具有多个激光单元(108i；702i)的传感器组(102；102i；701)，所述多个激光单元(108i；702i)与分析单元(110；704)相连接，其中所述多个激光单元(108i；702i)沿不同方向发射光。

3.根据权利要求2的传感器装置，其特征在于，传感器组(102；102i；701)的激光单元(108i；702i)被布置在一公共的壳体内，所述壳体能被安装在车辆车身(105)的底侧上，该底侧在机动车辆(101)运行时面对车道表面(104)。

4.根据权利要求2或3的传感器装置，其特征在于，分析单元(110，704)被设计成，由利用传感器组(102；102i；701)的激光单元(108i；702i)检测到的测量变量分别得到传感器组(102；102i；701)的速度分量并基于所述得到的速度分量来确定机动车辆(101)的至少一个速度分量。

5.根据权利要求4的传感器装置，其特征在于，分析单元(110，704)被设计成，在机动车辆(101)的速度分量的确定中使用机动车辆(101)的至少一个角速度。

6.根据前述任一项权利要求的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括两个与分析单元(110)相连接的传感器组(102a，102b)以及至少一个与所述传感器装置相连接的、用于确定角速度的器件(601)，其中，所述分析单元(110)被设计成，由在传感器组(102a，102b)中检测到的测量变量以及利用所述器件(601)检测到的第一角速度来确定机动车辆(101)的至少一个速度分量和/或第二角速度。

7.根据权利要求6的传感器装置，其特征在于，所述用于确定角速度的器件(601)是角速度传感器、尤其是横摆率传感器。

8.根据前述任一项权利要求的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括三个与分析单元(110)相连接的传感器组(102a，102b，102c)，其中所述分析单元(110)被设计成，由利用所述三个传感器组(102a，102b，102c)得到的测量变量来确定机动车辆(101)的至少一个速度分量和/或车辆(101)的至少一个角速度。

9.根据前述任一项权利要求的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括具有多个、尤其是三个激光单元(702a，702b，702c)的第一传感器组(701)，其中能根据调制方案对由激光单元发射的光的频率进行调制从而能够在分析单元(704)中由所检测到的测量变量分别得到距离，其中分析单元(704)被设计成，由所述得到的距离来确定车辆(101)的至少一个转角和/或至少一个角速度。

10.根据权利要求9的传感器装置，其特征在于，能根据一调制方案对由所述激光单元(702a，702b，702c)发射的光的频率进行调制从而能够由检测到的测量变量分别得到距离、并且得到第一传感器组(701)的速度分量。

11.根据权利要求10的传感器装置，其特征在于，分析单元(704)被设计成，由利用第一传感器组(701)得到的速度分量和角速度来确定机动车辆(101)的至少一个速度分量。

12.根据权利要求11的传感器装置，其特征在于，分析单元(704)被设计成，使用另一利用角速度传感器(901)得到的角速度来获得机动车辆(101)的速度分量。

13.根据权利要求11的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置还包括与分析单元(704)相连接的第二传感器组(102；701b)，由在所述第二传感器组(102；701b)中检测到的测量变量能获得第二传感器组的速度分量，其中所述分析单元被设计成，由所得到的第一、第二传感器组(701；702；701b)的速度分量来获得车辆(101)的至少一个另外的角速度，使用所述至少一个另外的角速度来获得机动车辆(101)的速度分量。

14.一种包括根据前述任一项权利要求的传感器装置的机动车辆(101)。

15.一种用于检测具有传感器装置的机动车辆(101)的运动状态的方法，在所述方法中

-从所述传感器装置的光源朝向车道表面(104)的方向发送相干光，

-利用所述传感器装置的干涉检测器(106)来检测至少一个表征在车道表面(104)上散射的光与光源的光之间的干涉的测量变量，其中所述测量变量代表所述传感器装置的速度分量和/或在所述传感器装置与所述车道表面(104)之间的距离，以及

-根据所述测量变量来获得至少一个表征车辆(101)的运动状态的变量。

Images