CN102481935B - 用于在机动车中进行摩擦系数分类的基于激光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于检测路面摩擦系数的传感器阵列，其中所述传感器阵列设置在机动车中并且包括至少一个辐射发射器单元和至少一个电子评估电路，其中所述辐射发射器单元朝路面发射电磁辐射，并且所述辐射至少部分地由路面进行反射和/或散射，并且所述反射和/或散射的辐射至少部分地在所述辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元中进行检测，其中所述电子评估电路被设计为根据所述反射和/或散射的辐射强度或依赖他的变量判定路面的摩擦系数信息。

Description

用于在机动车中进行摩擦系数分类的基于激光的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1中前序的传感器装置以及根据权利要求11中前序的方法。
背景技术
现代电子驾驶员辅助和行驶动力学系统通常依赖于对信息片段的访问或至少做出有关路面和轮胎之间粘着系数的假设。可提及的实例包括用于避免事故的驾驶员辅助系统。在此类系统情况下，非常重要的一点是了解粘着系数并在计算警告和干预时间时考虑此系数。如果假设粘着系数过低，系统会过早地做出警告或干预，并以这种方式对驾驶员进行指示。驾驶员将很难接受具有相应设计的系统。如果假设粘着系数过高，系统做出警告或干预的时间会太晚，这意味着例如不可能防止撞车事故。
除了所述实例之外，还具有许多其他驾驶员辅助和行驶动力学系统，这些系统的系统响应可以通过有关粘着系数的信息片段得以改善。此外，可以告知驾驶员道路/轮胎接触状况不良，以使其能够相应地调整驾驶方式。
目前在电子制动系统中使用以下方法来指定或确定粘着系数：
-针对粘着系数假设一个固定值
-根据车辆中(直接)测量的其他变量，使用数学方法间接判定粘着系数。为了估计粘着系数，可以例如使用非线性状态估值器或卡尔曼滤波器。
在包括用于避免事故的驾驶员辅助系统的一些系统中，使用所述的第一操作过程，即假设固定粘着系数。通常，假设轮胎和道路之间的理想粘着性，以便例如计算警告和/或干预时间。如果粘着系数低，则可能导致警告/干预出现过迟-无法避免撞车事故。
所述第二种方法例如用于行驶动力学控制器。在该实例中，根据直接测量的车辆变量估计所用的粘着系数。当车辆正在行驶时，可以获得相对好的结果。但是，如果车辆稍微加速，这些方法便不一定实现预期的目的，因为这种情况下所用的粘着系数大大低于实际粘着系数。
发明内容
本发明的目标是提出一种传感器装置以及一种方法，所述传感器装置和方法用于允许相对准确地确定路面摩擦系数信息的段，具体来说，是在机动车处于匀速行驶状态时。
本发明通过根据权利要求1的传感器装置以及通过根据权利要求11的方法实现此目标。
摩擦系数信息优选地被理解为表示粘着系数。
电子评估电路优选地被设计为在分类器单元中对捕获反射和/或散射的辐射时由至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个其他传感器单元提供的强度值或依赖于它的变量进行分类，其中所述分类器单元将摩擦系数信息计算为摩擦系数或摩擦系数类型或摩擦系数范围，并且提供至少一段质量信息，特别地，所述质量信息包括一段有关摩擦系数信息的有效性和/或可靠性的信息。
所述电子评估电路中的分类器单元有利地被设计为对所述至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个其他传感器单元的辐射捕获输出信号执行频率分析，以及特别地，在所述频率分析之后，根据一个或多个定义的频率范围和/或根据定义的频带中的能级识别和/或捕获能量分配模式并在考虑参考标准和/或参考能量分配模式的情况下将所述摩擦系数信息与所述能量分配模式进行关联。
所述辐射捕获输出信号优选地被理解为表示所述至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元的输出信号，所述输出信号依赖于已捕获的反射和/或散射的辐射或对辐射进行编码或对相应捕获的所述辐射的强度进行编码。具体来说，所述辐射捕获输出信号是数字信号或系列值。
所述电子评估电路中的分类器单元有利地被设计为根据所述至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元的辐射捕获输出信号的特别地使用模糊逻辑加权的方差和/或标准差判定质量信息。
所述电子评估电路中的分类器单元优选地被设计为通过考虑用于检查摩擦系数信息的真实性的进一步参数，诸如以下参数的至少一个：一段温度信息和/或一段雨传感器信息和/或一段时间/日期信息，来判定质量信息。
所述传感器装置优选地多个以定义的彼此间的距离并平行于路面设置在车辆中的具有辐射发射器单元，其中所述辐射发射器单元基本上全部朝向路面上的公共点或公共目标区域。
作为备选的优先项，所述传感器装置具有集成在公共群集单元中的多个辐射发射器单元，其中每个所述辐射发射器单元朝向路面上的不同点。
所述一个或多个辐射发射器单元优选地包括一个或多个发射辐射的激光器元件，具体来说，包括捕获反射和/或散射的辐射的光电元件。
所述光电元件有利地采用光电二极管的形式，以及特别地，所述一个或多个辐射发射器单元或每个辐射发射器单元采用带有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器的形式。
作为备选的优先项，所述一个或多个辐射发射器单元包括一个或多个发射和感应或捕获辐射的激光器元件，具体来说，借助激光器中的叠加。对于特定的优选项，所述辐射发射器单元没有用于此目的的附加传感器元件。
所述传感器装置优选地被设计为根据路面反射的辐射额外地确定机动车相对于路面的至少一个速度(具体来说，是指车辆纵向速度)和/或确定车辆底盘与路面的距离，具体来说，优选地使用相同的辐射发射器单元和相同的电子评估电路来实现此操作。对于非常特定的优先项，所述传感器装置被设计为同时捕获车辆速度和车辆底盘与路面的距离，每种情况下都会在这些捕获操作之间进行切换。
所述电子评估电路优选地连接到中央电子控制单元，具体来说，连接到机动车控制系统或机动车制动系统，以便判定摩擦系数信息和/或质量信息。
所述分类器单元优选地在输入侧包括低通滤波器。
所述传感器装置优选地基本上在单独的单元中(具体来说，在辐射发射器单元和附加传感器单元中)捕获反射和散射的辐射，为此，所述辐射反射器单元和其他传感器单元平行于路面相互错位设置或相互隔一定的距离设置。
所述分类器单元有利地被设计为基本上针对来自主要捕获反射的辐射的单元(在这种情况下，具体优选地为发射辐射的一个/多个单元或紧挨着发射单元装置的单元)以及来自主要捕获散射的辐射的单元(在这种情况下，具体优选地为与一个或多个发射单元相距定义的距离设置)的辐射捕获输出信号执行单独处理，至少单独处理，之后共同确定摩擦系数信息和/或质量信息。
所述至少一个辐射发射器单元优选地采用激光器的形式，所述激光器发射单色、连续的红外线激光。
本发明优选地描述一种示例性传感器装置和一种示例性方法，所述传感器装置和方法用于改进粘着系数的估计，以便即使在非动态行驶状况下，也可以对道路和轮胎之间的粘着性执行可靠和稳定的分类。所述方法可用于根据路面以及中间介质(例如水)的特性的反射和吸收特性来判定轮胎和道理之间的粘着系数或估计粘着系数类型。为了提高鲁棒性(robustness)，可以通过所述输入信息加强已有的估计和/或测量方法。
作为一个特定实施例，优选地设计所述传感器装置，或者设置和定向至少一个辐射发射器单元以扫描车辆前面的路面，从而预览即将到来的粘着系数。这样允许对不断变化的粘着系数做出更快的反应。
有利地，所述至少一个辐射发射器单元同时为发射器和接收器或传感器。在这种情况下，所述发射器和路面之间沿光束方向的相对移动导致反射光中的频移，这也称为“多普勒效应”。这种测量方法的特别之处在于激光发射器同时用作测量单元并且发射和接收的光子在此位置发生干涉(“自混频”)。通过举例，使用频率分析确定来自干扰信号的发射光子和反射光子之间的差频。可以使用频谱中存在的频率振幅获得有关地面反射性的说明。此类“自混频”激光系统例如是垂直腔面发射激光器。
与例如其他光学方法相比，通过实例提出的方法以及示例性传感器装置的优点如下：
-使用的红外光对人类是不可见的，因此不会妨碍其他道路使用者。
-发射光子和反射光子相互具有准确的相位关系(相干激光)，这意味着测量单元不会捕获其他光源，即使这些光源处于相同的频率内。
-所述技术现在以大规模集成的形式提供，这允许在车辆中实现低成本实施和简单集成。
-发射单元和测量单元集成在一个组件中，可降低成本并提高准确性。-采用这种技术，可以将激光器的发射功率选择为即使直接射入人眼(例如技师)也不会造成伤害的低水平。
-聚焦激光的小光束直径仅需要很小的“出口”，这意味着可以轻松地防止弄脏系统。
-廉价、微型化的VCSEL设计允许将多个激光器集成在一个组件中，这意味着可以捕获多个测量方向和/或冗余地捕获测量方向。
可以使用多个激光器的优选、适当的几何设置捕获不同入射角的反向散射或反射。这样便可根据入射角生成反向散射图，所述图形是任何路面特性的特征。然而例如在不平路面的情况下，预计可能出现几乎均匀的反射图(所有角度具有类似的反向散射)，平整路面上入射角为锐角时出现的反向散射少于为钝角时出现的反向散射(理想的镜：仅当激光束垂直射到道路时发生反向散射或反射)。
根据用于测量的入射角上的不同反向散射水平，可以判定地面以及例如道路上中间介质的普遍的反射性/粗糙度组合。可以使用此信息推断道路和轮胎之间的粘着性，当使用普通的充气橡胶轮胎时，这种粘着性普遍存在。
用于信号评估的进一步可能性/优选方法为：
-振幅信号的频率分析：预计不同的地面显示出不同的反射模式，所述反射模式在频谱中显示。
-振幅信号的标准差：预计不同的地面显示出不同的标准差。
-使用具有特定频率分布的滤波器：预计可获得与特定频率范围中的摩擦系数相关的特性信息，此信息特别地从振幅信号中提取。
-来自传感器的范围信号提供有关道路粗糙度的信息。粗糙道路具有不同的摩擦系数，或者所述摩擦系数可能是松散积雪或成片积雪的指示。
-还可以相对地使用振幅信号：如果通过用于估计摩擦系数的另一个系统知道当前摩擦系数，并且振幅信号出现阶跃(step)，则可以推断摩擦系数中的快速阶跃。
所述传感器装置有利地具有至少一个用于路面捕获的CV传感器(接近速度(closingvelocity)传感器)。具体来说，CV传感器被理解为表示当安装在车辆中时，另外用于测量车辆之间距离的传感器。
通过后面参考附图进行的示例性实施例描述，会产生进一步的优选实施例。
附图说明
在示例性示意图中，
图1示出包括三个激光传感器，激光器1-3，作为辐射发射器单元的传感器装置，
图2示出包括群集单元或激光传感器群集的传感器阵列，
图3示出用于通过光传感器对摩擦系数进行分类的信号处理或方法流程图，
图4示出通过CV传感器(接近速度传感器)对不同路面的分类，以及
图5示出根据CV传感器实例，通过示例性传感器装置对摩擦系数进行分类的示例性信号图。
具体实施方式
根据实例，来自激光器1-3的的所有激光束或激光束应该在聚集在路面上的一点，如图1所示，以便获取恰好在该点上的反向散射图。在备选示例性实施例中，使用具有多个激光发射器和传感器的激光传感器群集(外壳)，其中不同的激光束(大约)从一个点发射，如图2所示，但是由于角度不同，因此不会击中路面上的同一点。假设路面的本质是同质的，因此可以忽略对应的效果。
在图3中通过举例示出系统通过评估信号估计摩擦系数，功能块“真实性检查”和“强度分类器”属于电子评估电路中的分类器单元或作为该电路的一部分。首先，执行真实性检查。这样确保仅使用涉及实际被测量路面的测量值。如果传感器捕获例如速度，则例如有必要检验所测量的速度与轮速传感器测量的速度处于同一范围内。如果传感器捕获例如距离，则有必要检验所测量的距离处于一般传感器/道路距离范围内。
在第二步，使用经过真实性检查的信号对道路情况进行分类，从而间接地对摩擦系数进行分类。该实例的主要特征是振幅。如图4所示，振幅范围可以与不同的道路特性进行关联。此关联例如可以通过模糊逻辑模块实现。每个振幅范围都具有关联的摩擦系数，所述摩擦系数在范围转换中按比例加权。
为了描述效果，首先测量图4中指示的路面。每个点表示平均值，以及误差线表示测量的标准差，其中测量1-4和测量13示出20分钟的较长行程。可以看到不同道路的显著区别。
图5示出信号或CV传感器输出信号的时间图。在该实例中，也可以看到很明显道路区别且也可以非常快地识别这些道路。具体来说，甚至可能看到上图中的多个μ阶跃，柏油路面仅有大约5m长。

Claims (16)

1.一种捕获路面摩擦系数的传感器装置，其中所述传感器装置设置在机动车中并且具有至少一个辐射发射器单元和至少一个电子评估电路，其中所述辐射发射器单元朝路面发射电磁辐射并且所述辐射至少在某种程度上由路面进行反射和/或散射并且所述反射和/散射的辐射至少在某种程度上在所述辐射发射器单元和/或在一个或多个附加传感器单元中捕获，其特征在于：所述电子评估电路被设计为根据所述反射和/或散射的辐射的强度或依赖于它的变量确定所述路面的摩擦系数信息段，
其中所述传感器装置具有以定义的彼此间的距离并平行于所述路面设置在车辆中的多个辐射发射器单元，其中所述辐射发射器单元全部朝向所述路面上的公共点或公共目标区域；
以及其中捕获不同入射角的反向散射和/或反射。
2.如权利要求1中所述的传感器装置，其特征在于：所述电子评估电路被设计为在分类器单元中对捕获所述反射和/或散射的辐射时由至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元提供的强度值或依赖于它的变量进行分类，其中所述分类器单元将摩擦系数信息计算为摩擦系数或摩擦系数类型或摩擦系数范围，并且提供至少一段质量信息。
3.如权利要求2中所述的传感器装置，其特征在于：所述质量信息包括有关摩擦系数信息的有效性和/或可靠性的信息段。
4.如权利要求1中所述的传感器装置，其特征在于：所述电子评估电路的分类器单元被设计为对至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元的辐射捕获输出信号执行频率分析，以及在所述频率分析之后，根据定义的频率范围和/或根据定义的频带中的能级识别和/或捕获能量分配模式并在考虑参考标准和/或参考能量分配模式的情况下将所述摩擦系数信息与所述能量分配模式进行关联。
5.如权利要求2至4中任一权利要求中所述的传感器装置，其特征在于：所述电子评估电路的分类器单元被设计为根据所述至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元的辐射捕获输出信号的方差和/或标准差判定质量信息。
6.如权利要求5中所述的传感器装置，其特征在于：所述方差和/或标准差被使用模糊逻辑加权。
7.如权利要求2至4中任一权利要求中所述的传感器装置，其特征在于：所述电子评估电路的分类器单元被设计为通过考虑用于检查摩擦系数信息的真实性的进一步的参数来判定质量信息。
8.如权利要求7中所述的传感器装置，其特征在于：所述用于检查摩擦系数信息的真实性的进一步的参数包括温度信息的段和/或雨传感器信息的段和/或时间/日期信息的段。
9.如权利要求1至4中任一权利要求中所述的传感器装置，其特征在于：所述传感器装置具有集成在公共群集单元中的多个辐射发射器单元，其中每个所述辐射发射器单元朝向所述路面上的不同点。
10.如权利要求1至4中任一权利要求中所述的传感器装置，其特征在于：一个或多个辐射发射器单元包括发射辐射的激光器元件以及包括捕获反射和/或散射的辐射的光电元件。
11.如权利要求10中所述的传感器装置，其特征在于：所述光电元件采用光电二极管的形式，以及所述一个或多个辐射发射器单元或每个辐射发射器单元采用带有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器的形式。
12.如权利要求1至4中任一权利要求中所述的传感器装置，其特征在于：所述传感器装置被设计为根据所述路面反射的辐射额外地确定机动车相对于路面的至少一个速度，通过使用相同的辐射发射器单元和相同的电子评估电路来实现此操作。
13.一种用于在具有传感器装置的机动车中对摩擦系数进行分类的方法，其中所述传感器装置设置在机动车中并且包括至少一个辐射发射器单元和至少一个电子评估电路，其中所述辐射发射器单元朝路面发射电磁辐射并且所述辐射至少在某种程度上由路面反射和/或散射并且所述反射和/或散射的辐射至少在某种程度上在所述辐射发射器单元和/或在一个或多个附加传感器单元中捕获，其特征在于：接下来所述电子评估电路根据所述反射和/或散射的辐射强度或依赖于它的变量确定所述路面的摩擦系数信息段，
其中所述传感器装置具有以定义的彼此间的距离并平行于所述路面设置在车辆中的多个辐射发射器单元，其中所述辐射发射器单元全部朝向所述路面上的公共点或公共目标区域；
以及其中捕获不同入射角的反向散射和/或反射。
14.如权利要求13中所述的方法，其特征在于：在所述电子评估电路中的分类器单元中对捕获所述反射和/或散射的辐射时由至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元提供的强度值或依赖于它的变量进行分类，其中所述分类器单元将摩擦系数信息计算为摩擦系数或摩擦系数类型或摩擦系数范围，并且提供至少一段质量信息。
15.如权利要求14中所述的方法，其特征在于：所述质量信息包括有关摩擦系数信息的有效性和/或可靠性的信息段。
16.如权利要求14或15中所述的方法，其特征在于：所述电子评估电路中的分类器单元对至少一个辐射发射器单元和/或一个或多个附加传感器单元的辐射捕获输出信号执行频率分析，以及在所述频率分析之后，根据定义的频率范围和/或根据定义的频带中的能级识别和/或捕获能量分配模式并在考虑参考标准和/或参考能量分配模式的情况下将所述摩擦系数信息与所述能量分配模式进行关联。
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