DE102004037426A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Fußgängern im Straßenverkehr - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Fußgängern im Straßenverkehr mittels mindestens eines berührungslosen Temperatursensors, wobei in mehreren Messzyklen Messwerte für die Temperatur eines Objektes erfasst werden, wobei die Änderung der über mehrere Messzyklen hinweg erfassten Messwerte zur Entscheidung herangezogen wird, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Fußgängern nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 15 sowie ein mit der genannten Vorrichtung ausgestattetes Fahrzeug.
  • Bekanntermaßen zählen Fußgänger zu den im Straßenverkehr mit Abstand am meisten gefährdeten Teilnehmern. Sie verfügen i. d. R. über keinerlei passiven oder aktiven Schutz gegen Kollisionen beispielsweise mit Fahrzeugen. Hieraus ergibt sich unmittelbar, dass der Detektion von Fußgängern durch andere Verkehrsteilnehmer besondere Bedeutung zukommt. In der Vergangenheit wurden eine Reihe von Ansätzen zu dieser Problematik vorgestellt, die jedoch noch keine befriedigenden Lösungen darstellen.
  • Im Konferenzbeitrag F2004I057 „Occupant and Pedestrian Protection using low-cost Passive Infrared Array based Sensors", FISITA 2004, wird die Verwendung von IR-Sensor-Prototypen im Automotive-Bereich und insbesondere ein System zum Fußgängerschutz beschrieben, das auf mehreren Radarsensoren und einem pyroelektrischen Infrarot Sensor Array basiert. Nachteilig bei der beschriebenen Lösung ist, dass keine Abstandsmessungen möglich sind sowie dynamische Effekte nicht adressiert sind. Die Verwendung pyroelektrischer Sensoren impliziert darüber hinaus, dass lediglich bewegte Objekte detektiert werden können, oder dass aufwendige Chopper eingesetzt werden müssen. Außerdem besitzen pyroelektrische Sensoren die Eigenschaft, auch bei Erschütterungen ein Signal zu liefern, was insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen ausgesprochen nachteilig ist.
  • Das US-Patent Nr. 5 369 269 beschreibt die Verwendung eines Infrarotdetektors zur Personendetektion, wobei jedoch die Detektion auf Szenen mit statischem Hintergrund beschränkt ist, was das in der genannten Schrift beschriebene System ungeeignet für eine Verwendung im Automotive-Bereich macht.
  • Die Internationale Patentanmeldung WO 97/43741 beschreibt die Kombination eines passiven Infrarotsensors mit einem Sensor zur Abstandsmessung (Laser), wodurch eine bessere Interpretation der Messwerte des Infrarotsensors möglich wird. Aus dieses System ist lediglich für den Einsatz in einem statischen Umfeld geeignet.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, robuste und kostengünstige Erkennung von Fußgängern im Straßenverkehr zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Vorrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 15 und 19 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von Fußgängern im Straßenverkehr werden in einem ersten Schritt mittels mindestens eines berührungslosen Temperatursensors in mehreren Messzyklen Messwerte für die Temperatur eines Objektes im Fahrzeugumfeld erfasst und die Messwerte aus diesen Messzyklen werden gespeichert. Nachfolgend werden die gespeicherten Werte mit einander verglichen und die Änderung der Messwerte über die einzelnen Messzyklen hinweg wird ermittelt. In einem weiteren Schritt wird die so ermittelte Änderung der über mehrere Messzyklen hinweg erfassten Messwerte zur Entscheidung herangezogen, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.
  • Besonders vorteilhaft bei dem beschriebenen Verfahren ist es, dass keine Absolutwerte zu der Entscheidung herangezogen werden, ob es sich bei einem erfassten Objekt um einen Fußgänger handelt. So wird es möglich, auch in einem dynamischen Umfeld, wie es im Falle eines im Straßenverkehr bewegten Fahrzeuges gegeben ist, zu einer zuverlässigen Erkennung von Fußgängern zu kommen.
  • Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die Änderung der Messwerte in Abhängigkeit der Entfernungsänderung der Temperatursensoren zu dem detektierten Objekt ausgewertet wird.
  • Hierbei macht man sich zu Nutze, dass sich die gemessene Temperatur bzw. die von den Temperatursensoren gelieferte Spannung mit der Annäherung an das Objekt ändert, was auf die sich ändernde teilweise Überdeckung des Objektes mit dem Sensorgesichtsfeld zurückgeht.
  • Üblicherweise wird die gemessene Temperatur bzw. Spannung mit Annäherung an das Objekt einen näherungsweise linearen Verlauf aufweisen. Trägt man also eine bestimmte Anzahl gemessener Spannungs- bzw. Temperaturwerte über die während der Messzeit zurückgelegte Entfernungsänderung auf, so ergibt sich eine Gerade mit einer Steigung, sie sich beispielsweise mit linearer Regression bestimmen lässt.
  • Typischerweise werden 6 aufeinander folgende Messwerte im Abstand von ca. 20 ms erfasst und aufgetragen. Für Fußgänger liefert diese Auftragung eine Gerade mit einer charakteristischen Steigung. Der Wert der Steigung der Gerade stellt somit ein einfaches Kriterium dafür da, ob es sich ein Fußgänger im Erfassungsbereich des Sensors/der Sensoren befindet.
  • Zur Bestimmung der Entfernungsänderung der Temperatursensoren zu dem detektierten Objekt bestehen verschiedene Möglichkeiten. Einerseits kann die Entfernungsänderung unter Verwendung von abstandsmessender Sensorik bestimmt werden. Als Abstandssensoren kommen beispielsweise Radar- oder Lidarsensoren in Betracht, die sich im automobilen Einsatz bereits vielfach bewährt haben und kostengünstig am Markt erhältlich sind. Auch die Verwendung von bereits im Fahrzeug integrierten Sensoren wie beispielsweise der bereits für die Einparkhilfe vorgesehenen Ultraschallsensoren oder auch von Radarsensoren beispielsweise für Pre-Crash-Applikationen ist denkbar.
  • Die Entfernungsänderung der Temperatursensoren zu dem detektierten Objekt kann ebenso auch aus der Eigengeschwindigkeit der Temperatursensoren bestimmt werden. Hierfür sind außer dem ohnehin in einem Fahrzeug vorhandenen Geschwindigkeitssensor keine weiteren Sensoren notwendig, so dass der notwendige apparative Aufwand gering bleibt. Die Eigengeschwindigkeit des Fußgängers ist üblicherweise klein gegenüber der Fahrzeug- und damit der Sensorgeschwindigkeit und kann somit vernachlässigt werden.
  • Eine besonders vorteilhafte Wahl für die verwendeten Temperatursensoren stellen die so genannten Thermopiles dar. Sie gehören zur Gruppe der thermischen Strahlungssensoren, d.h. eine einfallende Strahlung führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen einer Empfängerfläche und einem Referenzbereich (Wärmesenke). Diese Temperaturdifferenz wird mit Thermoelementen unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes in eine elektrische Spannung gewandelt. Die Ausgangsspannung der Thermoelemente ist dabei unabhängig von den geometrischen Eigenschaften lediglich von der gewählten Materialkombination abhängig. Durch Reihenschaltung mehrerer gleich bestrahlter Thermoelemente wird die Ausgangsspannung eines so realisierten Thermopile (=Stapel von Thermoelementen) erhöht. Thermopiles zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit sowie ihre kompakte Bauweise aus. Sie benötigen weder eine Versorgungsspannung noch eine besondere Kühlung; damit sind sie nicht zuletzt auch wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit sowie ihrer Robustheit für den automobilen Einsatz nahezu ideal.
  • Um die Zuverlässigkeit des Detektionsverfahrens zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn zusätzlich Referenzmessungen in räumlichen Bereichen vorgenommen werden, in denen kein Fußgänger zu erwarten ist.
  • Im dynamischen Umfeld eines bewegten Fahrzeuges ändert sich der Bereich, der von einem Sensor erfasst wird, ständig auch hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften. Die daraus resultierenden zeitlichen Änderungen der von dem Sensor aufgenommenen Wärmestrahlung verfälschen das Messergebnis in der Weise, dass nicht nur die Änderungen des Sensorsignals ausgewertet werden, die von einem Fußgänger herrühren. Dieser Problematik kann dadurch begegnet werden, dass ein Referenzsensor einen Bereich abdeckt, in dem kein Fußgänger zu erwarten ist, beispielsweise die Fahrbahnoberfläche unmittelbar vor dem Fahrzeug. Durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitung können dann die Einflüsse der sich dynamisch ändernden Umgebung aus dem Sensorsignal herausgerechnet werden und die Zuverlässigkeit der Messung wird weiter erhöht.
  • Es ist darüber hinaus von Vorteil, als Korrektur- bzw. Kalibrationsgröße zusätzlich die Außentemperatur, die bspw. durch handelsübliche Thermopiles zusätzlich erfasst wird, zu erfassen, was sich ebenfalls auf die Zuverlässigkeit der Messung positiv auswirkt.
  • Die Qualität der Fußgängererkennung kann dadurch weiter erhöht werden, dass die Zuverlässigkeit der Messung der Geradensteigung anhand einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung beurteilt wird. Eine mögliche Wahrscheinlichkeitsverteilung ist in 1 dargestellt. In 1 ist für eine exemplarische Sensoranordnung der so genannte Verdacht P über der Geradensteigung G aufgetragen. Er ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass sich im Erfassungsbereich des Sensors ein Fußgänger befindet. P ist minimal für 0 > G > 0,2. Gemessene Steigungen in diesem Bereich deuten lediglich mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. 0,1 darauf hin, dass ein Fußgänger erfasst wurde. Hingegen ist der Verdacht P für einen Wertebereich 0,07 < G < 0,13 maximal; falls die gemessene Steigung in diesem Bereich liegt, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 0,75, dass sich im erfassten Bereich ein Fußgänger befindet.
  • Somit ermöglicht es das beschriebene Vorgehen, abzuschätzen, mit welcher Sicherheit davon ausgegangen werden kann, dass es sich bei einem erfassten Objekt um einen Fußgänger handelt. Dies kann in der weiteren Beurteilung der Situation vorteilhaft verwendet werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zusätzlich die Temperatur erfasster Objekte bestimmt und zur Entscheidung herangezogen wird, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.
  • Dabei wird die gemessene Temperatur beispielsweise aus der an den einzelnen Thermopiles anliegenden Spannung bestimmt. Dabei ist ein Temperaturwert von ca. 26°C ein Indiz dafür, dass ein Fußgänger von dem Sensor erfasst wurde. Durch die Verwertung dieser zusätzlichen Information kann die Zuverlässigkeit der Fußgängerdetektion weiter gesteigert werden.
  • Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei einem gemessenen Objekt einer bestimmten Temperatur um einen Fußgänger handelt, folgt ebenfalls einer bestimmten Verteilung, die in 2 dargestellt ist. In der Figur ist der Verdacht P in analoger Weise zu 1 über der Temperatur aufgetragen. 2 ist zu entnehmen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei einem erkannten Objekt um einen Fußgänger handelt, für eine gemessene Temperatur zwischen 18°C und 32°C maximal ist. Allerdings kann die Verteilung entlang der Temperaturachse verschoben werden. Diese Verschiebung hängt im Wesentlichen von der aktuell herrschenden Außen- oder Fahrbahntemperatur ab, die beispielsweise durch einen auf die Fahrbahnoberfläche gerichteten Referenzsensor bestimmt werden kann.
  • Aus der bekannten Wahrscheinlichkeitsverteilung kann eine bestimmte Zuverlässigkeit der Entscheidung, ob es sich bei einem erkannten Objekt um einen Fußgänger handelt oder nicht, abgeleitet werden, was die Qualität des Messergebnisses weiter erhöht.
  • Die Kombination der Temperaturmessung und der Messung der Änderung der Messwerte zeigt insbesondere dann erhebliche Vorteile, wenn auch die Zuverlässigkeit der einzelnen Messungen berücksichtigt wird. Durch die Kombination der Zuverlässigkeiten der beiden Messungen kann die Zuverlässigkeit der kombinierten Messung bestimmt werden.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die genannte Kombination unter Verwendung der Dempster-Kombinationsregel, die eine Verallgemeinerung des Satzes von Bayes darstellt, erfolgt.
  • Nachfolgend soll das angesprochene Vorgehen an einem Beispiel verdeutlicht werden: Die Temperaturmessung ergab einen Wert von 24°C. Aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung aus 2 ergibt sich damit für den Verdacht mTemp(Fuss) ein Wert von 0,6. Die Steigungsmessung liefert einen Wert von 0,08, woraus sich für den Verdacht mSteig(Fuss) ein Wert von 0,75 aus 1 ableiten lässt. Die Kombination der beiden Verdachte ergibt damit nach der Dempster-Kombinationsregel:
    Figure 00080001
  • Fuss steht für das Zufallsereignis, dass sich im Erfassungsbereich der Sensoren ein Fußgänger befindet. m(A) und m(B) sind die Massefunktionen zweier Ereignisse (Fußgänger/kein Fußgänger). Im Zähler werden die Produkte der Massenfunktionen aufsummiert, in denen das Ereignis „Fußgänger" in der Schnittmenge enthalten ist.
  • Im Nenner werden die Produkte der Massenfunktionen aufsummiert, in denen die Schnittmenge gleich der leeren Menge ist.
  • In Bezug auf das Beispiel werden im Zähler die Wahrscheinlichkeiten betrachtet, die für eine Fußgängerdetektion sprechen und im Nenner die sich gegenseitig ausschließenden Ereignisse (Widerspruch).
  • Einsetzen der Beispielwerte liefert:
    Figure 00080002
  • Die Verwendung der Dempster-Kombinationsregel liefert damit eine gute Abschätzung der Zuverlässigkeit der Kombination der Steigungs- und der Temperaturmessung. Vor allem jedoch erhöht sich durch die Kombination der beiden Zuverlässigkeiten insgesamt die Zuverlässigkeit der Messung.
  • Die vorstehenden Überlegungen sind auf eine Messung lediglich mit einem einzigen Sensor bezogen. Um jedoch eine genaue Positionsinformation zu erhalten, ist es erforderlich, mehrere Sensoren zu verwenden.
  • Jeder dieser Sensoren hat einen bestimmten Öffnungswinkel und damit einen definierten Erfassungsbereich, der sich mit den Erfassungsbereichen anderer Sensoren überlappen kann. So ergeben sich einzelne Zonen vor dem Fahrzeug, die von einem, zwei oder mehr Sensoren erfasst werden können. Für jede dieser Zonen ist bekannt, welche Sensoren sie erfassen können. Ebenso kann für jeden Sensor die Zuverlässigkeit der Detektion nach dem vorstehend beschriebenen verfahren bestimmt werden.
  • Damit wird es möglich, für jede einzelne Zone durch eine erneute Anwendung der Dempster-Kombinationsregel auf die Wahrscheinlichkeiten der relevanten Sensoren, die Zuverlässigkeit der Detektion eines Fußgängers zu bestimmen und insbesondere zu erhöhen.
  • Dies geschieht dadurch, dass die Integration mehrer Sensoren, die nur einen schwachen Beweis für die Existenz eines Fußgängers liefern, zu einem Beweis mit hoher Zuverlässigkeit führt.
  • Andererseits werden Sensoren, die unzuverlässige Beweise liefern, von einem Sensor, der einen zuverlässigen Beweis abgibt, überstimmt.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft mit einer Vorrichtung realisieren, die mindestens einen berührungslosen Temperatursensor und eine Speichereinheit zur Speicherung der von dem Temperatursensor gemessenen Messwerte aus mehreren Messzyklen zeigt.
  • Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die es gestattet, aus der Änderung der Messwerte über mehrere Messzyklen hinweg eine Entscheidung vorzunehmen, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt. Die Auswerteeinheit lässt sich beispielsweise vorteilhaft als Mikroprozessor mit der entsprechenden Software realisieren.
  • Durch die Verwendung von abstandsmessenden Sensoren oder Geschwindigkeitssensoren zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Temperatursensoren kann die relative Entfernungsänderung zwischen den erfassten Objekten und den Temperatursensoren dabei in einfacher Weise bestimmt werden.
  • Wie bereits ausgeführt, stellen Thermopiles eine vorteilhafte Wahl für die Temperatursensoren dar.
  • Von einem mit der beschriebenen Vorrichtung ausgestatteten Fahrzeug geht im Straßenverkehr eine deutlich verminderte Gefahr für Fußgänger aus, da die Erkennung der Fußgänger durch die vorstehend beschriebene intelligente Sensorik erheblich verbessert ist. Schutzmaßnahmen wie beispielsweise automatisierte Notbremsungen oder die Aktivierung eines Außenairbags lassen sich mit der beschriebenen Erfindung wesentlich effizienter einsetzen, als es bisher möglich war.
    •

Claims (19)

  1. Verfahren zur Detektion von Fußgängern im Straßenverkehr mittels mindestens eines berührungslosen Temperatursensors, wobei in mehreren Messzyklen Messwerte für die Temperatur eines Objektes erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der über mehrere Messzyklen hinweg erfassten Messwerte zur Entscheidung herangezogen wird, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Messwerte in Abhängigkeit der Entfernungsänderung der Temperatursensoren zu dem detektierten Objekt ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungsänderung der Temperatursensoren zu dem detektierten Objekt unter Verwendung von abstandsmessender Sensorik oder aus der Eigengeschwindigkeit der Temperatursensoren bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Änderung der Messwerte in Abhängigkeit der Entfernungsänderung eine Geradensteigung bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Temperatursensoren um Thermopiles handelt.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Referenzmessungen in räumlichen Bereichen vorgenommen werden, in denen kein Fußgänger zu erwarten ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Außentemperatur bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuverlässigkeit der Messung anhand einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung beurteilt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperatur erfasster Objekte bestimmt und zur Entscheidung herangezogen wird, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuverlässigkeit der Temperaturmessung anhand einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung beurteilt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entscheidung, ob es sich bei einem erfassten Objekt um einen Fußgänger handelt, eine Kombination der Temperaturmessung und der Messung der Änderung der Messwerte verwendet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination unter Verwendung der Dempster-Kombinationsregel erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entscheidung, ob es sich bei einem erfassten Objekt um einen Fußgänger handelt, die von mehreren insbesondere unterschiedlichen Sensoren aufgenommenen Messwerte kombiniert werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Messwerte der Sensoren unter Verwendung der Dempster-Kombinationsregel erfolgt.
  15. Vorrichtung zur Erkennung von Fußgängern im Straßenverkehr mit mindestens einem berührungslosen Temperatursensor und einer Speichereinheit zur Speicherung der von dem Temperatursensor gemessenen Messwerte aus mehreren Messzyklen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die geeignet ist, aus der Änderung der Messwerte über mehrere Messzyklen hinweg eine Entscheidung vorzunehmen, ob es sich bei einem detektierten Objekt um einen Fußgänger handelt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich abstandsmessende Sensoren oder Geschwindigkeitssensoren zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Temperatursensoren vorhanden sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem der Temperatursensoren um einen Thermopile handelt.
  18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren vorhanden sind, deren Erfassungsbereiche sich teilweise überlappen.
  19. Fahrzeug, das mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15-18 ausgestattet ist.
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