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Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Erkennung von Objekten. Verschiedene
Objekterkennungssysteme werden aktuell für Kraftfahrzeuge entwickelt,
um im Verkehr eine kritische Annäherung
an Hindernisse, andere Fahrzeuge und insbesondere ungeschützte Verkehrsteilnehmer
(Fußgänger, Radfahrer
etc.) möglichst
frühzeitig
zu erkennen. Dazu muss das im System integrierte Auswerteverfahren die
von verschiedenen Sensoren des Erkennungssystems gelieferten Daten
effektiv analysieren, um vorhandene Objekte im Nahbereich des Fahrzeugs einerseits
schnell zu erfassen zu können
und dabei Personen von anderen Objekten sicher zu unterscheiden.
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Bekannte
Systeme zur Lokalisierung von Objekten und Personen sind beispielsweise
Einrichtungen, die auf der Auswertung von reflektiertem Ultraschall,
Radar oder Infrarotstrahlung beruhen. Bei diesen Einrichtungen werden
mittels eines Sendeteils vom Fahrzeug aus die Ultraschallwellen,
Radarsignale oder Infrarotlicht in den relevanten Umgebungsbereich
ausgesendet und die von im Nahbereich befindlichen Objekten reflektierten
Anteile dieser Signale über
einen oder mehrere Empfänger
aufgenommen. Zur Bestimmung von Position bzw. Entfernung der Objekte
werden dann die empfangenen Signalanteile z.B. bezüglich Zeitdifferenzen,
Intensität
oder Phase analysiert.
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Nachteilig
ist bei solchen aktiv Signale aussendenden Systemen, dass die Übertragung
der Signale durch die Luft je nach Witterungslage (Nebel, Regen,
Laubblätter,
Schnee) mit unterschiedlichen Störungen
behaftet ist, die eine Auswertung erschweren und bei der Objekterfassung
zu falschen Ergebnissen führen
können.
Auch können
die verschiedenen im Straßenverkehr
vorkommenden Objektarten, wie PKW, Motorrad, Fahrradfahrer Fußgänger usw.,
nur sehr grob, beispielsweise bzgl. Größe, und im ungünstigsten
Fall gar nicht unterschieden werden.
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In
der
EP 0546928 B1 wird
eine erweiterte Anordnung zur Erfassung und besseren Identifizierung
von Hindernissen für
Fahrzeuge vorgeschlagen, die zwei verschiedene Sondierungsarten
miteinander kombiniert. Zur räumlichen
Erfassung von Objekten werden über
eine oder mehrere Reihen von Leuchtdioden Pulse (Mikrosekunden)
von Infrarotlicht mit unterschiedlichem Abstrahlwinkel ausgesendet
und die von Hindernissen reflektierten Infrarotanteile durch eine
Matrix aus Photodioden aufgenommen. Durch Auswertung wird aus diesen
Daten zunächst ein
gewisses Abbild der räumlichen
Verteilung von vorhandenen Objekten beispielsweise im Frontbereich
des Fahrzeugs erstellt. Zur Unterscheidung der Objekte untereinander
wird über
einen in die Anordnung integrierten pyroelektrischen Detektor die
von (wärmeren)
Objekten selbst ausgesandte Thermostrahlung erfasst. Ziel dieser
Anordnung ist es, durch Auswertung der verschiedenen Signalanteile über eine
Rechnereinheit insbesondere Fahrzeuge aufgrund ihrer Wärmeentwicklung
gegenüber
anderen Hindernissen zu identifizieren. Für eine zuverlässige Identifizierung
gerade der besonders gefährdeten ungeschützten Verkehrsteilnehmer
wie Radfahrer und Fußgänger ist
diese Anordnung nicht konzipiert und auch ungeeignet, da Personen – verglichen
mit Fahrzeugen – nur
eine relativ schwache Körperwärme abgeben.
Die bei diesem System eingesetzten pyroelektrischen Detektoren reagieren
zudem nur sprunghaft auf relativ abrupt auftretende Unterschiede
der von Objekten abgegebenen Wärmestrahlung, d.h.
die Absolutwerte werden nicht erfasst. Mehrere unterschiedlich warme
Quellen (Fahrzeughaube, Motorradauspuff, Passant) im „Sichtfeld" des Detektors werden
damit qualitativ nicht unterschieden.
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Ein
alternatives Verfahren zur Erfassung und Identifizierung von Objekten
nutzt daher die Tatsache, dass alle Objekte in Abhängigkeit
von ihrer Temperatur ein unterschiedliches Spektrum elektromagnetischer
Wellen ausstrahlen. Das spektrale Maximum der Strahlung eines Fußgängers mit
ca. 37°C Körpertemperatur
liegt beispielsweise bei einer Wellenlänge von etwa 10 Mikrometern.
Da diese Körpertemperatur
eines Menschen in engen Grenzen konstant ist, ist es möglich, mittels
geeigneter wellenlängensensitiver
Sensoren, einen Radfahrer oder Fußgänger im Straßenverkehr
von anderen Objekten zu unterscheiden, sofern deren Temperaturen
niedriger oder höher
sind. Als Sensoren für
den Infrarot-Bereich zwischen 8–14 μm werden
vorzugsweise Thermopile-Detektoren verwendet, da sie für dieses
Einsatzfeld ohne Kühlung
betrieben werden können,
ein gutes Einschwingverhalten besitzen und kommerziell relativ günstig erhältlich sind.
Sie können
(im Gegensatz zu Pyrodetektoren) sowohl dynamische als auch statische
Objekte erfassen. Die im Vergleich zu Pyrodetektoren etwas geringere
Entfernungsempfindlichkeit kann mit geeigneter Optik kompensiert
werden. So kann durch Reduktion des Öffnungswinkels (Field of View,
FOV) auf 10° oder
weniger die Empfindlichkeit so angepasst werden, dass ein Fußgänger auch bei
Entfernungen von bis zu 10 m noch sicher erfasst wird. Um den lateralen
Erfassungsbereich des Objekterfassungssystems zu erhöhen, können mehrere Thermopiles
zusammengeschaltet werden.
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Die
vorliegende Erfindung geht aus von diesem System als nächstliegendem
Stand der Technik. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das
Auswerteverfahren für
ein derartiges Objekterfassungssystem für einen Einsatz in Fahrzeugen
weiter zu entwickeln und die Erfassungsgenauigkeit insbesondere
für ungeschützte Verkehrsteilnehmer,
wie Radfahrer und Fußgänger etc.
zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren zur Objekterfassung mit den charakterisierenden Merkmalen
des Hauptanspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren und
die darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.
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Es zeigt
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1 Spannungsverlauf
bei variierendem Abstand zwischen Objekt und Thermopile-Detektor
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2 Erfassungsfeld
eines Arrays aus Thermopile-Detektoren
mit zwei Personen in Positionen P1 und P2
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3 Kombination
zweier Arrays aus Thermopile-Detektoren zur Erfassung der Personen
in Positionen P1 und P2
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Das
Prinzip eines Thermopile-Detektors beruht darauf, dass zwischen
der kalten (Referenz-) Seite und der warmen Seite (die zum Objekt
ausgerichtete Seite) eine Spannung entsteht, die proportional zur
Temperaturdifferenz zwischen Objekt und Detektorumgebung ist. Die
Temperatur der kalten Seite ist in der Regel die Umgebungstemperatur
des Detektors und wird üblicherweise
durch eine temperaturabhängige
Diode (oder Widerstand), die im gleichen Gehäuse des Detektors eingebaut
ist, erfasst.
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Im
Idealfall ist die Spannung am Ausgang eines Thermopile-Sensors (bestehend
aus dem Detektor und einem rauscharmen Verstärker) proportional zur Temperaturdifferenz
zwischen dem erfassten Objekt und der Umgebung. Dabei spielt es
im Allgemeinen keine Rolle, wie weit der Abstand zwischen Sensor
und Objekt ist. Unter bestimmten Voraussetzungen ist diese Aussage
jedoch nur bedingt korrekt. Je nach Öffnungswinkel des Thermopiles
wird nämlich das
Gesichtsfeld des Detektors vom Objekt ab einer gewissen Entfernung
nicht mehr in seiner ganzen Ausdehnung bedeckt. Damit ändert sich
bei zu großer
Entfernung die vom Thermopile abgegebene Spannung.
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In 1 ist
für eine
solche Situation der Zusammenhang zwischen Objektentfernung und
abgegebener Thermopile-Spannung schematisch dargestellt. Ein Objekt
(1) mit bestimmter Temperatur wird von einem Thermopile
(2) unter einem vorgegebenen Öffnungswinkel (FOV) erfasst
(oberer Teil der Darstellung). Die vom Thermopile bei Annäherung an das
Objekt abgegebene Spannung ist im unteren Teil der 1 dargestellt.
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Solange
der Abstand A zwischen Detektor 1 und Objekt 2 klein
genug ist, dass das gesamte Gesichtsfeld des Thermopiles vom Objekt überdeckt
ist, ist die Spannung nur abhängig
von der (konstant angenommenen) Objekttemperatur und damit ebenfalls konstant
(für alle
Abstände ≤ A2 in 1).
Für Entfernungen
größer als
der Abstand A2 bedeckt das Objekt nur noch einen Ausschnitt des
Gesichtsfeldes des Sensors, was dazu führt, dass ab dieser Distanz bei
weiterer Entfernung die gemessene Spannung kontinuierlich mit dem
Abstand abnimmt (Verlauf Spannung U2 bis Abstand A1 in 1).
Für eine
sichere Objekterfassung müssen
diese entfernungsabhängigen
Signaländerungen
der Thermopiles in der Signalauswertung mit berücksichtigt werden.
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Um
trotz des relativ kleinen Öffnungswinkels FOV
eines einzelnen Thermopile-Detektors den gesamten Bereich in Front
eines Fahrzeugs bezüglich vorhandener
Personen zu sondieren, werden Detektoren zur Arrays zusammengeschaltet,
bei denen die einzelnen Thermopiles mit jeweils leicht versetztem Erfassungswinkel
angeordnet sind. Ein solches Array ist mit einem Bild-Sensor einer
CMOS-Kamera vergleichbar, die eine niedrige Auflösung hat. Der Unterschied ist,
dass hier kein sichtbares Licht mit einem Photodioden-Array, sondern
IR-Strahlung im
Bereich 8 μm
bis 12 μm
erfasst wird. Ähnlich
wie bei einer CMOS-Kamera, wird eine Optik vor den Detektoren angebracht,
die den gesamten Erfassungsbereich definiert und den Erfassungsraum
auf die einzelnen Thermopiles abbildet.
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2 gibt
schematisch ein solches eindimensionales Array 3 mit sieben
Elementen wieder. Im Erfassungsbereich sind hier zwei Positionen
P1 und P2 dargestellt. Eine Person, die sich entweder in Position
P1 oder Position P2 befindet, ist für das Array ununterscheidbar,
da in beiden Fällen
derselbe Thermopile-Detektor in gleicher Weise ansprechen würde. Dieses
Beispiel zeigt die Beschränkungen des
Arrays auf: zum einen kann die Entfernung eines Passanten nicht
detektiert werden. Dadurch ist die für ein Sicherheitssystem ganz
wesentliche Bestimmung der korrekten x, y-Position des Passanten
zum Fahrzeug nur aus dem gemessenen Winkel bei fehlender radialer
Entfernung nicht möglich.
Zum anderen können
zwei tatsächlich
vorhandene Personen, die sich zufällig gerade so im Frontbereich
eines Fahrzeugs aufhalten, dass sie nur im Gesichtsfeld eines der Thermopiles
liegen (entsprechend P1 und P2) nicht erkannt werden. Scheinbar
ist dann nur ein Objekt in einem bestimmten Winkel vor der Front
des Fahrzeugs vorhanden.
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Durch
eine Anordnung von zwei oder mehr Arrays können diese Beschränkungen
aufgehoben werden. 3 zeigt in Aufsicht eine solche
Anordnung, bei der zwei Arrays 3a, 3b in Front
eines Fahrzeugs 4 angebracht sind. Mit dieser Anordnung
ist die Lokalisierung von Personen im Frontbereich des Fahrzeugs
auch bei der ungünstigen
Konstellation in P1 und P2 eindeutig möglich.
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Jedes
Array liefert einen der Anzahl der Thermopiles entsprechenden Satz
von Messwerten. Im realen Fall wird dabei ein wärmeabgebendes Objekt z.B. in
Position P1 nicht nur von exakt einem Thermopile des Arrays 3a erfasst,
sondern es befindet sich zumindest teilweise auch im Erfassungsbereich
FOV der benachbarten Thermopiles auf dem Array. Diese Thermopiles
registrieren damit einen „verfälschen" Temperaturwert,
der vom Erwartungswert für
37°C bei
einer Person abweicht. Diese Abweichung kann positiv oder negativ
sein und hängt von
der Oberfläche,
Abstand zwischen Detektor und Objekt, Öffnungswinkel FOV der Thermopiles
und der jeweiligen Hintergrundstrahlung ab. Damit entsteht pro Array 3a und 3b eine
Signalverteilung über die
lineare Anordnung der Thermopiles.
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Für eine Signalauswertung
können
die Wertesätze
beider Arrays als ein linearer Vektor aus Temperaturdaten zusammengefasst
werden. Bestehen beispielsweise beide Arrays aus je acht Thermopiles, so
ergeben sich insgesamt 16 einzelne Temperaturwerte. Bei einer Umgebungstemperatur
von 20°C könnte demnach
ein Vektor M aller Messdaten folgendermaßen aussehen:
M = {20,20,20,20,28,26,20,20,20,20,20,29,25,20,20,20}
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Dieser
Datensatz ist repräsentativ
für eine bestimmte
Objektposition, Objekttemperatur und Umgebungstemperatur. Der Messdatenvektor
entspricht also einer Signatur, anhand derer die Lokalisierung beispielsweise
einer Person im Frontbereich eines Fahrzeugs eindeutig erfolgen
kann. Hierzu können
die bekannten Verfahren der Mustererkennung eingesetzt werden.
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Für eine sehr
schnelle Analyse der Messdaten können
vorzugsweise Mikroprozessorsysteme eingesetzt werden. Dies bietet
auch die Möglichkeit eines
Vergleichs der aktuell aufgenommenen Signale mit gespeicherten Daten.
Diese Referenzdaten können
vorab durch Eichmessungen unter realistischen Bedingungen generiert
werden. Mit einem solchen Datensatz kann dann beispielsweise ein
Fußgänger anhand
der Übereinstimmung
einer gespeicherten charakteristischen Signalkonstellation mit der
des aktuell aufgenommenen Messdatenvektors in sehr kurzer Zeit lokalisiert
werden, was insbesondere bei hoher Fahrtgeschwindigkeit ein ganz
entscheidendes Kriterium für
Sicherheitssysteme darstellt. Alternativ zum Vergleich mit den gespeicherten
Signalkonstellationen, kann auch ein Fußgängermodel eingesetzt werden,
mit dessen Hilfe die Temperatur-Vektoren geschätzt werden
können.
Dabei handelt es sich um eine Schätzung der Kleidungsoberfläche des
Fußgängers in
Abhängigkeit
von den Umgebungsparameter.
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Um
die Genauigkeit der Erfassung zu steigern, können mehrere Messzyklen der
Thermopile-Arrays zusammengefasst werden und durch Überlagerung
und Mittelung Artefakte und Rauschanteile reduziert werden. Für eine zusätzliche Steigerung
der Erfassungsgenauigkeit können
auch Daten weiterer Detektionsysteme wie z.B. Radar oder Ultraschall
assistierend hinzugezogen werden. Beispielsweise liefern Radardaten
sehr präzise
Entfernungsangaben, die zur Überprüfung bzw.
Verfeinerung der Thermopile-Daten dienen können.