CN101970274B - 用于车辆安全的传感器系统、车辆控制系统和司机信息系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种传感器系统，其使用自混合激光传感器(10)和分析电路(30)以便确定诸如汽车之类的车辆的速度以及汽车车轮(20)的旋转速度。车辆的速度与车轮(20)的旋转速度之间的偏差可以用来确定车轮(20)的滑动，并且最终确定车轮(20)与汽车行驶的表面之间的牵引力，或者更精确地说，驱动摩擦系数。此外，描述了一种车辆控制系统，其借助于控制电路(50)和控制装置(300，400)启动车轮(20)的测试加速度以便确定驾驶期间的驱动摩擦系数。该测试加速度启动车轮(20)滑动的短时段，并且借助于传感器系统检测滑动。
Description
技术领域
本发明涉及传感器系统、包括该传感器系统的车辆控制系统以及耦合到车辆控制系统和/或传感器系统的司机信息系统。
本发明还涉及确定车辆的车轮与车辆所行驶的表面之间的牵引力的方法。
背景技术
WO2007/149934A2描述了一种用于测量旅游车辆或者车辆行驶的行驶表面的特性的光学方法和设备，所述方法包括向行驶表面提供来自光源的入射光，收集从行驶表面反射的光，根据入射光和收集的光确定表面引起的多普勒频移并且基于确定的表面引起的多普勒频移确定行驶车辆的运动特性和行驶表面的表面特性中的至少一个。该设备体积大并且对于许多旅游车辆是不实际的。
X.Raoul et al.，Double laser diode speed sensor for contactiessmeasures of moving targets，Fifth International Conference on VibrationMeasurements by Laser Techniques：Advances and Applications，18-21June 2002，Proceedings of the SPIE，Vol.4827，p.363-373，Databaseaccession no.7708863公开了一种可以在汽车中使用的利用自混合干涉术的速度传感器。
DE102004044788A1公开了一种借助于独立测量车轮的速度和车辆的绝对速度而检测车辆车轮与道路之间的摩擦系数的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的传感器系统，其允许测量与车辆运动有关的至少一个参数。
本发明的另外的目的是提供一种包括所述传感器系统的控制系统、耦合到该车辆控制系统和/或传感器系统的司机信息系统，并且提供改进的测量与车辆运动有关的至少一个参数的方法。
依照本发明的第一方面，提供了一种传感器系统，该传感器系统包括至少一个利用自混合干涉工作的包括适于在基本上相同的方向上发射激光辐射的两个、三个、四个或一阵列垂直腔表面发射激光器二极管的激光传感器、至少一个旋转传感器以及分析电路，所述至少一个激光传感器适于产生从车辆的第一速度分量得到的测量数据，所述旋转传感器适于产生从车辆第一车轮的第一旋转速度得到的测量数据，所述分析电路适于接收由所述至少一个激光传感器产生的测量数据，所述旋转传感器和分析电路还适于确定车辆的第一速度分量以及车辆第一车轮的第一旋转速度。旋转传感器可以耦合到轮毂以便产生关于车轮的角速度的测量数据，其中第一车轮的第一旋转速度或者更精确地说，与车辆行驶的表面接触的车轮的表面元件的速度可以借助于分析电路来确定，所述分析电路包括计算单元和其中存储了车轮的半径的存储器件。可替换地，旋转传感器可以是激光传感器，其利用自混合干涉工作并且允许产生与第一车轮的第一旋转速度直接相关的测量数据。激光传感器包括激光源和检测器。取决于激光源的电驱动方案，可以检测目标的距离和/或速度。检测器可以是光电二极管并且激光源可以是激光二极管，例如侧面发射激光二极管、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或者垂直扩展腔表面发射激光器(VECSEL)。有关借助于自混合干涉检测速度的细节可以见诸例如WO02/37410A1图2-图7以及相关描述。一个激光传感器可以用来通过移动该激光传感器或者通过添加诸如可活动镜之类的光学器件随后测量第一速度分量和第一旋转速度。车辆可以是例如汽车、摩托车或者火车。
激光传感器包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)二极管或者垂直扩展腔表面发射激光器(VECSEL)二极管以及耦合到垂直腔表面发射激光器二极管的光电二极管。VCSEL或VECSEL允许借助于半导体工艺将光电二极管和激光二极管集成到一个器件中。这允许简单且成本有效地产生激光传感器。此外，激光传感器具有小的尺寸，这允许实现两个、三个、四个VCSEL或VECSEL或者VCSEL或VECSEL阵列。VCSEL或VECSEL可以容易地以阵列制造，其中每个激光器基本上在相同的方向上发射激光辐射。两个或更多激光传感器提供了借助于至少一个附加的激光传感器控制每个单个激光传感器的测量结果的机会。与上面描述的现有技术相比，依照该实施例，借助于至少一个附加的激光传感器的结果控制一个激光传感器的测量数据可以提高激光传感器的精度。此外，可以在激光传感器中实现控制元件以便以不同的方式改变垂直腔表面发射激光器二极管发射的激光辐射的焦点和/或激光辐射的强度和/或激光辐射的方向。使激光源适于在基本上相同的方向上发射激光辐射意味着这些激光源是平行排列的以便在相同的方向上发射激光辐射。在发射之后，可以例如借助于控制元件操纵不同激光源发射的激光辐射，从而造成与激光辐射的发射方向的偏离，其中与激光辐射的发射方向的偏离可以对于不同的激光源是不同的。每个激光源可以具有专用的检测器，该检测器仅检测相关激光源发射的激光辐射的调制。这些激光源和检测器可以是例如借助于半导体工艺制造的集成自混合干涉(SMI)传感器。至少两个不同的激光源的激光辐射可以借助于控制元件在激光辐射的焦点和/或激光辐射的强度和/或激光辐射的方向方面以不同的方式改变。这可以例如借助于为集成到传感器系统中的至少两个或所有激光源而提供的可变光学衰减器、可变焦透镜或者可活动镜来完成。可替换地，可以使用无源光学元件以便以不同的方式改变或操纵激光源发射的激光辐射。这可以例如借助于弯曲镜来完成，该弯曲镜根据其中发射的激光辐射撞击到该镜上的点反射一个激光源发射的激光辐射。激光源和检测器阵列的使用可以允许在没有移动部件的情况下改变相对于参考轴的倾斜角。此外，可以使用具有不同焦距的透镜以便改变激光源阵列中的激光源的焦点。可替换地或者与透镜和/或镜相结合地，无源光学元件可以是光学衰减器。例如具有第一光学衰减的第一光学衰减器与第一激光源和第一检测器结合以及具有与第一光学衰减不同的第二光学衰减的第二光学衰减器与第二激光源和第二检测器结合的使用可以简化传感器模块。这些不同的激光源可以并行地驱动，或者它们可以通过使用适当的电驱动电路顺序地驱动。顺序地(一个接一个地)驱动这些不同的激光源可以降低电子电路的复杂性。无源光学元件与激光源和检测器阵列(三个、四个、五个或者更多激光源和检测器)结合的使用可以得到灵活的、成本有效的且可靠的传感器系统。
在依照本发明的传感器系统的另一实施例中，该传感器系统还适于产生从与第一速度分量不同的第二速度分量得到的测量数据，并且分析电路还适于确定车辆的第二速度分量。如果例如在摩托车或汽车的情况下，车辆的运动不限于一维，那么第二速度分量可以特别地但非排他性地令人感兴趣。组合由例如随后测量车辆的第一速度分量和第二速度分量的一个激光传感器提供的测量数据提供了借助于分析电路确定汽车、摩托车等等的速度方向和总速度的机会。此外，与第一和第二速度分量不同的第三速度分量(例如垂直于车辆行驶的表面的车辆速度)的确定可以用来提高传感器系统的精度。与现有技术相比，两个、三个、四个或更多激光传感器的使用可以提高传感器系统的精度。可以使用一个激光传感器，以便通过使用诸如可活动镜之类的控制元件顺序地测量所有速度分量和第一旋转速度。可替换地，两个、三个、阵列或者甚至多个阵列可以用来测量车辆的一个、两个和/或三个速度分量以及旋转速度。
在依照本发明的传感器系统的另一个实施例中，所述至少一个激光传感器还适于产生从激光传感器的安装位置与车辆行驶的表面之间的第一距离以及激光传感器的安装位置与车辆行驶的表面之间、或者激光传感器的安装位置与车辆第一车轮的表面之间的至少第二距离得到的测量数据，所述第一距离与第二距离不同，并且分析电路适于确定该第一距离和第二距离。利用自混合干涉工作的激光传感器与分析电路的结合具有以下优点：可以通过如通过引用合并于此的Francois Vogel and Bruno Toulouse，“A Low-Cost Medium-ResolutionRangefinder Based on the Self-Mixing Effect in a VCSEL”，IEEETransactions on Instrumentation and Measurement，Vol.54，No.1，February2005中所描述的改变激光传感器的驱动方案以及通过相应地适应性调节分析电路，可以确定到车轮的距离以及车轮的旋转速度。随后或者并行地确定(通过使用例如两个激光传感器)车轮的旋转速度以及激光传感器的安装位置与车轮之间的距离提供了考虑由于车轮的磨损而引起的车轮半径的变化、填充有空气的车轮的不充分气压或者车辆的载荷的机会。测量的精度可以通过利用该激光传感器或者附加的激光传感器测量到参考点的距离来提高，所述参考点可以设置在车轮轴上，具有到与车辆行驶的表面接触的车轮表面的固定距离。激光传感器与所述车轮表面或者可以设置在车轮轴上的参考点之间的距离可以用来确定通过车辆行驶的表面施加到车轮上的法向力。法向力通过车轮的悬挂载荷与该距离相关。同样地，车轮表面的扫描可以用来通过确定诸如例如车轮的磨损或者轮胎气压之类的状态而提高精度。此外，可以通过由于车辆的装载和/或由车辆行驶的表面造成的振动而引起的激光传感器发射的激光束的入射角变化来影响第一速度分量和/或第一旋转速度的测量。激光传感器的安装位置与车轮之间和/或激光传感器的安装位置与车辆行驶的表面之间的距离的测量可以用来校正相对于入射角的该变化的第一速度分量和/或第一旋转速度的确定。当然，借助于激光传感器的距离测量也可以与耦合到轮毂的旋转传感器结合以便基于旋转传感器测量的角速度以及借助于激光传感器确定的车轮半径计算车轮表面的速度。
在依照本发明的又一个实施例中，分析电路还适于通过与车辆的第一速度分量和/或第二速度分量和/或车辆的第三速度分量有关地分析第一旋转速度而确定至少第一车轮与车辆行驶的表面之间的牵引力。第一速度分量和第一旋转速度或者更精确地说，与车辆行驶的表面接触的第一车轮的表面元件的速度的可靠确定可以允许可靠地确定第一车轮与车辆行驶的表面之间的牵引力。如果车辆是例如火车，那么测量束可以定向到铁轨上，并且只要第一车轮与铁轨之间没有滑动，那么第一速度分量和第一旋转速度的绝对值相等。驱动摩擦系数(drving frictioncoefficient)确定最大力，或者更精确地说，可以由第一车轮传递给铁轨的最大转矩，反之亦然。可以由第一车轮传递给铁轨的最大力可以由传感器系统在第一车轮开始滑动的那些时刻确定。如果通过车辆行驶的表面施加到车轮上的法向力被确定或者已知，那么可以计算驱动摩擦系数。相同的原理可以用于汽车或摩托车。在这些情况下，确定车体相对于车辆行驶的表面的相对位置可能是有利的。车体的相对位置受车辆载荷和/或任何种类的加速度影响。取决于车体的位置，借助于激光传感器对车辆的一个或多个速度分量的测量可以受相对于车辆行驶的表面的不同入射角影响。车体沿着某线的位置可以通过至少两个借助于激光传感器的测量来确定，这些测量确定车辆行驶的表面与车体之间在两个不同方向上的距离。车体平面的确定需要借助于所述激光传感器或者附加的激光传感器对车辆行驶的表面与车体之间在第三独立方向上的距离的至少第三测量。在一个可替换的或补充的距离测量方法中，与第一速度分量不同的车辆第二和/或第三速度分量可以借助于所述一个或多个激光传感器确定。第二和/或第三速度分量可以用来通过比较可能由车体的倾斜和/或振动造成第一、第二和/或第三速度分量的变化而提高第一速度分量的精度。车辆的总速度可以以很高的精度确定。第一、第二和/或第三速度分量的变化的该比较的结果可以用来提高确定第一旋转速度的精度。此外，可以直接改善测量数据和确定的第一旋转速度的精度以便允许牵引力和/或驱动摩擦系数的可靠确定。所述传感器系统可以确定车体与车轮之间的距离，和/或可以随后借助于一个激光传感器或者并行地借助于两个、三个、四个或更多激光传感器在车轮的不同位置处测量第一旋转速度，以便提高传感器系统在车体相对于车轮的运动方面的精度，所述运动可以由例如车辆的振荡或转向造成。可替换地或者此外，可以在基本上恒定的速度的时间段处在第一速度分量方面校准耦合到轮毂的旋转传感器。激光传感器可以用来通过考虑例如如上所述的磨损、载荷或气压造成的车轮状态确定第一速度分量。
在依照本发明的另一实施例中，所述传感器系统适于产生从至少第二车轮的第二旋转速度得到的测量数据，并且分析电路还适于通过与第一速度分量有关地分析第二旋转速度确定第二车轮与车辆行驶的表面之间的牵引力，所述分析电路适于确定第一旋转速度与第二旋转速度之间的差值。测量和确定车辆的一个、两个、三个、四个或者所有车轮的旋转速度与测量和确定车辆的至少一个速度分量的结合可以允许可靠地确定车辆或者更精确地说，车辆的车轮与车辆行驶的表面之间的相互作用。第一车轮与之相互作用的表面部分和第二车轮与之相互作用的表面部分之间的另外的差异可以通过确定第一和第二旋转速度以及相应的牵引力来检测。
在依照本发明的另一个实施例中，分析电路适于通过确定车辆的至少一个速度分量和/或车轮的至少一个第一旋转速度的时间相关差值来确定至少一个第一加速度分量。可以独立地确定超过一个车轮的加速度。加速度数据可以用来提高驾驶期间车辆的稳定性。可替换地，依照本发明的传感器系统提供的速度数据可以与电子稳定程序(ESP)系统的加速度传感器测量的加速度数据相结合。ESP系统的加速度传感器确定整个车辆的加速度，其中依照本发明的该实施例的传感器系统可以确定例如车辆一个车轮的加速度。此外，借助于ESP系统和传感器系统的传感器对加速度数据的独立确定以及两个数据集合的组合和/或比较可以用来增强车辆的稳定性和安全性。
依照本发明的另一方面，可以将依照本发明的传感器系统集成到车辆控制系统中。除了传感器系统之外，车辆控制系统还可以包括控制电路，该控制电路适于接收来自分析电路的数据并且还适于通过考虑从分析电路接收的数据激活控制装置。借助于控制电路接收的数据可以是由分析电路确定的速度数据、距离数据、牵引力数据和/或加速度数据。此外，车辆控制系统可以接收由车辆中的其他系统(例如汽车中的ESP系统)提供的其他数据。所述控制装置可以是火车的转向系统、汽车的方向盘、制动系统或者电机控制器。分析电路可以是控制电路的一部分。车辆控制系统可以耦合到诸如防锁制动系统(ABS)之类的车辆安全系统。牵引力数据可以用来通过提供有关造成一个或多个车轮锁定的制动力的更精确的信息而提高ABS的有效性。结果，可以减小制动距离。在另一种方法中，控制装置可以包括车辆的方向盘。控制电路可以检测车辆的打滑并且激活机械和/或声学信号。机械和/或声学信号可以引导车辆的司机以便保持对车辆的控制。机械和/或声学信号可以包括方向盘的振动或者指示车辆的超速传动的声音。在主动方法中，机械信号可以由在相反方向上引导转向以便防止超速传动的方向盘的阻力给出。
在依照本发明的另一个实施例中，车辆控制系统的控制电路适于激活控制装置以便与从分析电路接收的数据无关地启动车辆的至少一个第一车轮的测试加速度，所述控制电路还适于通过分析从分析电路接收的数据确定至少第一车轮与车辆行驶的表面之间的最大摩擦力。测试加速度可以是短制动力矩或者优选地不同强度的后续制动力矩序列或者通过向一个或多个车轮提供更多动力而产生的车辆的一个或多个正加速度。在这种情况下，最大摩擦力可以由制动系统中的定义的压力表征。制动的绝对强度或者绝对制动力可以借助于传感器系统独立地确定。在车轮失去与车辆行驶的表面的牵引力之后，车轮迅速地减速(由绝对制动力和车轮惯性转矩决定)。车轮的加速度借助于传感器系统而确定。与车轮的已知惯性转矩相结合，这可以给出提供给车轮的绝对制动力的指示。此外，可以使用不同车轮的制动和加速的组合(例如向汽车前轮提供更多的动力以及向汽车后轮提供短制动力矩)，以便确定第一或另外的车轮与车辆行驶的表面之间的最大摩擦力。车辆控制系统的控制电路可以进一步适于确定第一车轮与车辆行驶的表面之间的法向力并且它可以适于确定第一车轮与车辆行驶的表面之间的驱动摩擦系数。驱动摩擦系数可以借助于最大摩擦力与法向力之间的比值来确定。该法向力是车辆行驶的表面施加到第一车轮上的力。该法向力可以例如通过测量第一车轮或第一车轮的轴上的参考点与车体之间的距离并且通过确定第一车轮的有关悬挂压缩来确定。车轮的悬挂压缩与可以用来计算法向力的特定弹性力相关。可替换地，该法向力可以借助于测量悬挂压缩的传感器(例如悬挂中实现的压力传感器)来确定。
如上所述，最大摩擦力的动态和直接检测或者驱动摩擦系数可以用来提高车辆的制动效率(例如ABS)或者车辆转向安全性。车辆控制系统优选地在车辆司机未察觉的情况下工作。
依照本发明的传感器系统或者包括这种传感器系统的车辆控制系统可以耦合到司机信息系统。司机信息系统适于接收来自传感器系统和/或车辆控制系统的数据并且还适于基于从传感器系统接收的数据向车辆司机提供光学和/或声学信息。司机信息系统可以由于危险驾驶而向车辆司机提供警告。可替换地或者此外，司机信息系统可以向司机通告有关应急准备金。
依照本发明的另一方面，提供了一种确定车辆车轮与车辆行驶的表面之间的牵引力的方法，该方法包括步骤：
-借助于至少一个利用自混合干涉工作的激光传感器测量车辆的第一速度分量，所述激光传感器包括适于在基本上相同的方向上发射激光辐射的两个、三个、四个或一阵列垂直腔表面发射激光器二极管，
-借助于旋转传感器测量车辆第一车轮的至少第一旋转速度，
-测量车辆与车辆行驶的表面之间的第一距离，
-测量车辆与车辆行驶的表面之间或者车辆与第一车轮之间的至少第二距离，以及
-通过借助于分析电路、考虑第一距离和第二距离、与第一速度分量有关地分析第一旋转速度，确定至少第一车轮与车辆行驶的表面之间的牵引力。车辆的平面可以通过添加确定车辆与车辆行驶的表面之间的第三距离的步骤来确定。
可替换地或者除了测量第一距离和第二距离的步骤之外，所述方法可以包括步骤：
-借助于自混合干涉测量车辆的第二和第三速度分量。
此外，可以在第一车轮的不同位置测量第一旋转速度。
所述方法还可以包括步骤：
-如上面所描述的引起车辆的测试加速度，和/或
-确定驱动摩擦系数。该方法可以用来提高车辆的稳定性。
下面将描述附加的特征，其可以与任何一个所述方面联合或结合。特别是相对于其他现有技术的其他优点对于本领域技术人员应当是显而易见的。可以在不脱离本发明权利要求书的情况下做出许多变化和修改。因此，应当清楚理解的是，本发明的形式仅仅是说明性的，并非意在限制本发明的范围。
附图说明
下面将参照附图更详细地解释本发明，在附图中，相同的附图标记表示相似的部分，并且其中：
图1为包括VCSEL和集成的光电二极管的激光传感器的示意图。
图2示出了依照本发明的传感器系统的第一实施例。
图3示出了依照本发明的传感器系统的第二实施例。
图4示出了存在于斜坡上的块处的力。
图5示意性地示出了与滚轮静摩擦有关的力。
图6示出了静摩擦与动摩擦之间的转变。
图7为车辆控制系统的示意图。
图8-10为示出车辆相对于车辆行驶的表面的相对位置的影响的示意图。
图11示出了两个激光传感器测量的汽车的前向和侧向速度。
图12示出了三个激光传感器测量的汽车的前向和侧向速度。
图13为具有激光源阵列的依照本发明的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了在依照本发明的激光传感器10中可以用作激光源100的VCSEL以及可以用作检测器200的集成光电二极管。VCSEL包括层结构并且通过电泵浦增益介质3(嵌入到GaAs中的InGaAs量子阱)嵌入到形成激光器内腔的两个分布式布拉格反射器(DBR)2、4之间而形成。所述DBR之一掺杂了p，并且另一个掺杂了n，以便允许电流高效地馈送到增益区中。在该实例中，下面的DBR 4掺杂了n，并且上面的DBR 2掺杂了p。然而，原则上，以相反的顺序掺杂也是可能的。用于电流注入到增益介质3中的工作电流由连接到控制单元(未示出)的适当电源(未示出)提供以便及时地调制注入电流。用于获得希望的距离或速度信息的发射的激光辐射7的频移利用该电流调制来实现。适当的电流形状经由n-DBR和p-DBR电接触(图中未示出)馈送到增益区中。检测器200，附接到下面的DBR 4的背侧的光电二极管，测量从镜4泄漏的少量辐射，并且从而监视来自目标(图中未示出)的后向散射光8对激光器的影响，从该信息可以提取目标物体的距离或速度。光电二极管生长在适当的衬底1上。VCSEL结构的另外的层随后生长在光电二极管上。对于VCSEL芯片而言，该衬底上的这种层结构可以以低成本制造工艺来产生。在可替换的方法中，开始于上面的DBR 2的VCSEL结构可以生长在光学透明衬底上(取决于发射的激光辐射7的波长)。光电二极管生长在下面的DBR 4上并且因而附接到这种芯片的背侧。在这种情况下，激光辐射穿过衬底发射。
作为VCSEL的可替换方案，可以使用VECSEL(垂直扩展腔表面发射激光器)。在这种情况下，在上面的DBR 2之上的适当距离处放置且调节的外部激光镜(未示出)形成外部腔。与VCSEL相比，上面的DBR 2的反射率降低以便允许来自外部腔的反馈。具有适当IR反射特性的窄带体布拉格光栅(VBG)可以例如借助于金属或电介质涂覆的镜形成该外部激光镜。与VCSEL形成对照的是，增益介质在一定水平下电泵浦，该水平不允许内激光腔系统(夹在DBR 2和4之间的增益介质3)超过激光阈值，但是需要外部腔(即外部镜)的反馈以便实现激光产生。通过这种方式，发射的激光辐射7的特性由外部激光腔而不是由VCSEL芯片上的短内腔确定。因此，与纯粹的基于VCSEL的传感器相比，发射的激光辐射7的发散角也可以减小并且模式质量可以增强。激光可以更好地聚焦到诸如道路或车轮之类的目标物体上，并且可以改进感测应用所需的进入激光腔中的反馈8(来自目标物体的后向散射的辐射)。
图2示出了依照本发明的传感器系统的第一实施例。两个激光传感器10集成到车体中。每个激光传感器10可以包括连接到电源(未示出)的驱动电路(未示出)。第一激光传感器10被设置成使得由该第一激光传感器发射的激光辐射11撞击到车辆的车轮上，并且第二激光传感器10被设置成使得由该第二激光传感器发射的激光辐射11撞击到车辆行驶的表面上。此外，示出了分析电路30，其接收由第一和第二激光传感器提供的测量数据(经由有线或无线连接)。分析电路确定车轮的第一旋转速度(由第一激光传感器发射的激光辐射碰撞的车轮表面的速度)以及车辆的第一速度分量。可以将该第一旋转速度和第一速度分量发送到车辆控制系统(未示出)或者司机信息系统(未示出)。可替换地，在分析电路30中进一步处理第一旋转速度和第一速度分量，并且可以将处理的数据发送到车辆控制系统或者司机信息系统。此外，分析电路可以适于触发激光传感器的驱动电路，使得同样地可以检测第一激光传感器的安装位置与车轮表面之间的距离和/或第二激光传感器的安装位置与车辆行驶的表面之间的距离。
图3示出了依照本发明的传感器系统的第二实施例，其包括在三个不同的方向上发射激光辐射11的激光传感器10。第一激光束撞击到第一车轮20上，第二和第三激光束在不同的位置且以不同的入射角撞击到车辆行驶的表面上。与图2中所示第一实施例相比，第三激光束可以用来通过向分析电路(未示出)提供附加的测量而提高传感器系统的精度。可选地，可以如下所述测量车辆的第二速度分量以便确定车辆的总速度矢量，从而提高传感器系统的精度。可选地，可以添加撞击到车辆行驶的表面上的另一第四激光束以便确定垂直于车辆行驶的表面的车辆速度。可替换地或者此外，所述三个(或四个)激光束可以用来通过测量到第一车轮和车辆行驶的表面的距离而与车辆行驶的表面有关地确定车体的平面。如上所述，分析电路可以触发激光传感器的一个或多个驱动电路以便测量速度分量和距离，从而提高传感器系统的精度。激光传感器可以包括一个激光源，并且该一个激光源的激光辐射11可以例如随后借助于可活动镜重定向。在另一种方法中，激光传感器包括三个激光传感器，每个激光传感器发射不同方向的激光辐射11或者具有附加的光学装置以便重定向激光辐射。将三个(或更多个)激光源与检测器一起使用可以提供并行地测量不同的速度、旋转速度和/或距离的机会，从而提高传感器系统的精度。
如果车辆车轮20和车辆行驶的表面的两个表面彼此接触但不彼此相对运动并且对它们施加净力，那么这两个表面之间存在静摩擦。例如，正是静摩擦力Ff防止了物体沿着斜坡下滑，平衡重力，如图4所示。摩擦力被定向成平行于接触表面并且具有使得所有力保持平衡的幅度。让我们假设斜度增大。于是摩擦力也增大，直到静摩擦力达到其最大值的时刻。从那以后，摩擦力将突然下降并且物体将沿着斜坡下滑。
如果考虑道路上旋转的车轮，在车轮不滑动的情况下，与道路接触的车轮表面不相对于道路表面运动。因此，静摩擦力将由道路施加到车轮上，如图5所示。最大静摩擦力与由道路施加到车轮上的法向力成比例，并且为
Ff＝μFN
其中μ为静摩擦力的系数，其也可以称为驱动摩擦系数。它取决于道路和车轮表面并且取决于诸如温度或湿度之类的环境影响。
图6示出了由不同材料A和B组成的两个车轮的摩擦力Ff与提供给车轮的动力P之间的依赖关系。静摩擦力SF具有限制可以由车轮提供给道路(或者相反的情况)的最大转矩的物理最大值。一旦超过该最大值，那么净力不能再保持平衡，结果，所述两个接触表面将相对于彼此运动。如果车轮在道路上旋转，那么这意味着车轮滑动。然而，一旦两个接触表面相对于彼此运动，那么仍然存在这两个表面之间的摩擦力Ff、动摩擦力KF，但是它小于最大静摩擦力SF。在车辆的正常操作期间预测最大摩擦力是非常复杂的。如果车轮工作于静摩擦力SF状况下，那么与车辆行驶的表面接触的车轮表面的旋转速度和车辆的速度将是相同的，因为这两个表面不相对于彼此运动。但是，不可能预见静摩擦力SF是接近其最大值(像在图6中所示的材料A的情况下一样)还是不接近(例如材料B)。依照本发明的传感器系统可以用来通过将车辆的一个或多个车轮的旋转速度与车辆的一个或多个速度分量进行比较来估计静摩擦的极限。车辆可能由于司机的驾驶风格、车辆行驶的表面的条件和/或车轮的状态而短暂地滑动。该短的滑动间隔以及得到的车辆的一个或多个旋转速度与所述一个或多个速度分量之间的偏差可以用来确定车轮与车辆行驶的表面之间的最大摩擦力。此外，如果同时确定车轮与车辆行驶的表面之间的法向力，那么可以如上所述容易地计算驱动摩擦系数。法向力可以例如通过测量车轮与车体之间的距离以及车轮的相关悬挂压缩来确定。车轮的悬挂压缩与特定弹性力相关。此外，可以与传感器系统无关地测量悬挂压缩。
在图7所示的更高级的方法中，可以在诸如汽车(未示出)之类的车辆中实现的车辆控制系统包括控制电路50，该控制电路接收来自依照本发明的传感器系统的数据。该传感器系统可以包括如例如图3中所示的激光传感器10以及在控制电路50中实现的分析电路30。控制电路50适于激活控制装置，例如制动系统300或电机控制器400。传感器系统能够测量所述一个或多个车轮的旋转速度与车辆的速度之间的(瞬时)差值。车辆控制系统执行非严格驾驶情形下(例如在从停止开始的加速期间或者在制动时)的动态测试。在这些驾驶情形下，车辆控制系统可以通过控制装置主动地控制各车轮的制动和/或加速动力，使得车辆仍然具有司机预期的总体动态性，但是单个车轮由车辆控制系统不同地控制。这为了确定静摩擦力的最大值(以及根据有关法向力的知识，驱动摩擦系数)的目的而进行。从静摩擦力到动态摩擦力的改变与如图6所示的摩擦力的下降联合地进行，结果是受控制的车轮将滑动。通过借助于激光传感器10和分析电路30监视车轮的旋转速度和车辆的速度，可以即时地检测到该下降，其后可以停止测试。若干选项是可能的，以便启动短滑动。这些选项包括：
-制动一个车轮，
-制动后或前车轴的两个车轮，
-加速一个车轮，
-加速后或前车轴的两个车轮，
-制动一个车轮并且加速另一个车轮，或者
-制动一个车轴的两个车轮并且加速另一个车轴的两个车轮。在确定的时间段之后，可以重复确定驱动摩擦系数的过程，或者例如通过车辆的振荡或者通过对于驾驶安全重要的其他参数指示车辆行驶的表面的结构中的触发的变化。
为了确定车轮20的旋转速度与车辆的速度之间的小的差值，需要以高精度测量这两个速度。与借助于依照本发明的激光传感器10的多普勒干涉术速度测量关联的一个问题在于，必须精确地知道激光束与目标物体(车轮或轴、车辆行驶的表面)之间的入射角，因为只有与激光传感器10发射的激光束共线的速度分量被测量。遗憾的是，如图8-10中所表示的，该角度在诸如汽车之类的车辆的正常操作期间不是恒定的。
图8示出了包括激光传感器10和分析电路(未示出)的依照本发明的传感器系统的草图。激光传感器10安装到汽车主体。汽车主体用实线12表示。耦合到汽车主体的车轮20在汽车以速度Vcomp 1行驶的表面13上滚动，该速度等于车轮20的旋转速度Vrot(没有滑动)。激光传感器10发射激光辐射11，该激光辐射包括撞击到车轮上的第一激光束以及撞击到汽车行驶的表面上的第二激光束。第一激光束在该激光束撞击到车轮上的点处与车轮的切线倾斜角度β，因而得到速度矢量Vrot。第二激光束与汽车行驶的表面倾斜角度γ，因而得到速度矢量Vcomp1。借助于多普勒干涉术测量的速度Vwheel和Vstreet因此由下式给出：
Vwheel＝Vrot*abs(cos(β))以及Vstreet＝Vcomp1*abs(cos(γ))Vrot和Vcomp1可以相应地确定。汽车主体与汽车行驶的表面之间的距离由D 1给出，并且汽车主体与车轮之间的距离为D1′。图9示出了在均匀地装载了汽车之后的相同情形。汽车主体与汽车行驶的表面之间的距离减小至D2，并且汽车主体与车轮之间的距离减小至D2′。D1与D1′之间的差值以及D2与D2′之间的差值保持恒定。汽车主体平行于汽车行驶的表面而移动。如果汽车行驶的表面基本上是平坦的，则角度γ保持恒定，角度β变化到β′，因为车轮是弯曲表面。因此，旋转速度的测量受到汽车均匀装载的影响。图10示出了另一种情形。汽车不均匀地装载，或者它被加速(正的或负的)。汽车主体相对于汽车行驶的表面稍微倾斜。结果，图8中所示的角度β和γ变为图10中的β″和γ′。因此，很可能以不同的方式影响了车轮的旋转速度和汽车的速度分量的测量。此外，图8和图9中绘出的情形可以表示汽车悬挂振动的快照，并且安装到汽车主体的传感器系统的取向不断地改变。
图11和图12示出了汽车底盘振动期间SMI测量的仿真。由于这些振动的原因，激光束撞击道路的角度以无控制的方式变化。如果该效应未加考虑，那么不能抵消振动。如图11中所示，由于激光束入射角的周期性变化的原因，如上所述借助于测量的第一速度分量确定的前向速度II(其是汽车前进方向的所述速度的大分量)围绕车体的“真实”前向速度I周期性地变化。该“真实”前向速度I是与车轮的旋转速度的直接比较所需的。图12示出了使用至少三个激光传感器的仿真结果，这些激光传感器之间的角度固定。它们之间的恒定和已知的角度关系可以用来抵消造成图11中所示的不精确性的这些振动。由图12可见，前向速度II不受无控制的振动的影响，因为它不再显示周期性行为。同样地，作为在例如弯曲处或者在滑动时车辆的侧面速度的侧向速度IV，即车辆的第二速度分量——其由激光传感器系统附加地测量，是车体的希望的“真实”侧向速度III。
图13为依照本发明的传感器系统的另一实施例的示意图。该传感器系统安装到车辆(未示出)上。在该实施例中，结合了激光源100(VCSEL)阵列。微透镜41以及弯曲镜42添加到每个激光源。激光源100发射的激光辐射11由微透镜41准直并且进一步由镜42聚焦到相对于车辆行驶的表面(即道路)的不同方向。弯曲镜42的曲率被选择成使得它覆盖撞击到道路上的激光束和/或撞击到车轮20上的一个或多个激光束之间的若干入射角。此外，二维激光源100阵列可以与在二维上弯曲的镜42结合使用以便增加具有不同入射角的激光束的数量。各微透镜41的焦距和/或位置被选择成使得它们对于不同的入射角具有相似的聚焦条件。微透镜41的不同位置产生到焦点的不同距离。各微透镜41的不同焦距同样如此。道路和车轮20向后散射一定的光量，其借助于弯曲镜42和微透镜41聚焦到激光源100的激光腔中。反馈的量确定激光功率，该功率在VCSEL背面利用检测器200监视，该检测器是与激光源100集成在一起的光电二极管。各信号被放大并且频谱借助于与光电二极管连接的分析电路30进行分析。知道信号来自的激光传感器并且比较这些不同的结果，有可能计算车辆的速度分量和车轮20的旋转速度。该结果经由接口31传送到车辆控制系统或司机信息系统的例如控制电路(未示出)。所述阵列的一些激光源可以用来通过确定车体相对于道路的相对位置连续地测量到道路和/或车轮的距离以便提高传感器系统的精度。可替换地，可以随后通过借助于激光源100(未示出)的一个或多个驱动电路改变驱动方案来在速度与距离测量之间切换整个阵列。
已经参照特定实施例和特定附图描述了本发明，但是这不应当在限制意义上进行解释，因为本发明仅由所附权利要求书限制。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对其范围的限制。所描述的附图仅仅是示意性和非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中动词“包括”及其变体的使用并没有排除其他的元件或步骤。除非另有特定说明，在引用单数名词时不定冠词或定冠词(例如“一”、“该”)的使用包括多个该名词。
此外，说明书和权利要求书中的措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件并且不一定用于描述连续的或者按时间先后的顺序。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且此前描述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的顺序操作。
而且，说明书和权利要求书中的措词顶部、底部、第一、第二等等用于描述的目的而不一定用于描述相对位置。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且此前描述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的取向操作。
本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，能够理解并实施所公开实施例的其他变型。
Claims (16)
1.一种传感器系统，该传感器系统包括至少一个利用自混合干涉工作的包括适于在相同的方向上发射激光辐射(11)的垂直腔表面发射激光器二极管的阵列的激光传感器(10)、至少一个旋转传感器以及分析电路(30)，所述至少一个激光传感器(10)适于产生从车辆的第一速度分量得到的测量数据，所述旋转传感器适于产生从车辆第一车轮(20)的第一旋转速度得到的测量数据，所述分析电路(30)适于接收由所述至少一个激光传感器(10)产生的测量数据，所述旋转传感器和分析电路(30)还适于确定车辆的第一速度分量以及车辆第一车轮(20)的第一旋转速度。
2.依照权利要求1的传感器系统，其中所述至少一个激光传感器(10)包括适于在相同的方向上发射激光辐射(11)的两个、三个或四个垂直腔表面发射激光器二极管。
3.依照权利要求1的传感器系统，其中所述旋转传感器是利用自混合干涉工作的激光传感器(10)。
4.依照权利要求1的传感器系统，还包括控制元件，该控制元件适于以不同的方式改变垂直腔表面发射激光器二极管发射的激光辐射(11)的焦点和/或激光辐射(11)的强度和/或激光辐射(11)的方向。
5.依照前面的权利要求中任何一项的传感器系统，其中所述至少一个激光传感器(10)还适于产生从与第一速度分量不同的车辆的第二速度分量得到的测量数据，并且分析电路(30)还适于确定车辆的第二速度分量。
6.依照权利要求5的传感器系统，其中所述至少一个激光传感器(10)还适于产生从与第一速度分量和第二速度分量不同的车辆的第三速度分量得到的测量数据，并且分析电路(30)还适于确定车辆的第三速度分量。
7.依照权利要求1、2、3或4的传感器系统，其中所述至少一个激光传感器(10)还适于产生从激光传感器(10)的安装位置与车辆行驶的表面之间的第一距离以及激光传感器(10)的安装位置与车辆行驶的表面之间或者激光传感器(10)的安装位置与车辆第一车轮的表面之间的至少第二距离得到的测量数据，所述第一距离与第二距离不同，并且分析电路(30)适于确定该第一距离和第二距离。
8.依照权利要求6的传感器系统，其中分析电路(30)还适于通过与车辆的第一速度分量和/或第二速度分量和/或第三速度分量有关地分析第一旋转速度而确定至少第一车轮(20)与车辆行驶的表面之间的牵引力。
9.一种车辆控制系统，包括依照前面的权利要求中任何一项的传感器系统以及控制电路(50)，其中该控制电路(50)适于接收来自分析电路(30)的数据并且还适于通过考虑从分析电路(30)接收的数据激活控制装置(300，400)。
10.依照权利要求9的车辆控制系统，包括控制装置(300，400)。
11.依照权利要求10的车辆控制系统，其中控制电路(50)适于激活控制装置(300，400)以便与从分析电路(30)接收的数据无关地启动车辆的至少一个第一车轮(20)的测试加速度，所述控制电路(50)还适于通过分析从分析电路(30)接收的数据确定至少第一车轮(20)与车辆行驶的表面之间的最大摩擦力。
12.依照权利要求11的车辆控制系统，其中控制电路(50)适于确定第一车轮(20)与车辆行驶的表面之间的法向力并且进一步适于确定第一车轮(20)与车辆行驶的表面之间的驱动摩擦系数。
13.一种司机信息系统，耦合到依照权利要求1-8中任何一项的传感器系统，其中该司机信息系统适于接收来自传感器系统的数据并且还适于基于从传感器系统接收的数据向车辆司机提供光学和/或声学信息。
14.依照权利要求13的司机信息系统，还包括控制电路(50)，其中该控制电路(50)适于接收来自分析电路(30)的数据并且还适于通过考虑从分析电路(30)接收的数据激活控制装置(300，400)。
15.一种确定车辆车轮(20)与车辆行驶的表面之间的牵引力的方法，该方法包括步骤：
-借助于至少一个利用自混合干涉工作的激光传感器(10)测量车辆的第一速度分量，所述激光传感器包括适于在相同的方向上发射激光辐射(11)的垂直腔表面发射激光器二极管的阵列，
-借助于旋转传感器测量车辆第一车轮(20)的至少第一旋转速度，
-测量激光传感器(10)的安装位置与车辆行驶的表面之间的第一距离，
-测量激光传感器(10)的安装位置与车辆行驶的表面之间或者激光传感器(10)的安装位置与第一车轮(20)之间的至少第二距离，以及
-通过借助于分析电路(30)、考虑第一距离和第二距离、与第一速度分量有关地分析第一旋转速度，确定至少第一车轮(20)与车辆行驶的表面之间的牵引力。
16.依照权利要求15的方法，所述至少一个激光传感器包括适于在相同的方向上发射激光辐射(11)的两个、三个或四个垂直腔表面发射激光器二极管。
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