DE102011103349A1 - Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem - Google Patents
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Abstract
In einem multifunktionalem Pulslaufzeitsensorsystem weist ein Einzelsensor jeweils ein Scaneinrichtung auf.
Description
- Stand der Technik
- Für zukünftige Fahrzeuge sind eine Reihe von Sensorsystemen bekannt, die mit einer Kombination von Nah- und Fernbereichssensoren verschiedener Arten eine Hinderniserfassung rund um das Fahrzeug gewährleisten sollen. Hierzu sind Testfahrzeuge aufgebaut worden, die z. B. verschiedene Radarsensoren mit 24 GHz und 76 GHz nutzen, aber die Anforderungen auch aufgrund von stilistischen Forderungen an die Fahrzeugaußenkonturen und wegen mangelnder Winkelauflösung nicht ausreichend erfüllen. Es wurden auch Lasersensoren eingesetzt um eine Rundumerfassung von Hindernissen zu demonstrieren. Einige dieser Sensorsysteme sind in den folgenden Beispielen beschrieben:
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DE 10 2005 055 572 B4 - –
DE 10 2006 045 799 A1 - –
DE 10 2008 013 906 B4 - – Dr. Ralph H. Raßhofer, ZT-3, BMW-Group Multifunktionale Fahrumgebungserfassung durch lidarbasierte Rundumsensorik Workshop FAS 2006 06. Oktober 2006
- – H. Spies, M. Spies New Sensor Systems – Virtual Bumpers Around The Car 9th International Symposium and Exhibition on Sophisticated Car Occupant Safety Systems 03. Dezember 2008
- Aufgabe der Erfindung
- Aufgabenstellung der Erfindung ist ein Sensorsystem zu erstellen, das rund um das Fahrzeug Hindernisse mit einer guten Winkelauflösung sicher erfasst. Um mit wenigen Sensoren die ganze Umgebung des Fahrzeuges zu erfassen, werden diese über die Kontur des Fahrzeuges hinausgestellt. Besonders für kritische Anwendungen wie Pretrigger- und Precrashfunktionen, sowie für automatischen Brems- oder Lenkeingriff werden die Signale mehrerer Sensoren korreliert. Die Sensoren werden im Stand des Fahrzeuges innerhalb der Außenkontur untergebracht, damit die Designmerkmale der Außenkonturen durch das Sensorsystem nicht gestört werden.
- Beschreibung der Erfindung
- Es werden bekannte Pulslaufzeitsensoren mit mehreren vertikalen Ebenen verwendet, deren Azimut Scanbereich bis zu z. B. 220° reicht. Durch die vertikal trennbaren Ebenen liefern die Sensoren ein Entfernungsbild.
- Um die gesamte Fahrzeugkontur nahezu lückenlos abzudecken, werden die einzelnen Sensoren entsprechend
1 z. B. im Fahrbetrieb über die Fahrzeugkontur des Fahrzeuges101 hinaus gestellt z. B. in die Positionen102 ,105 ,106 und109 . Der Sensor in Position102 deckt den Winkelbereich103 mit voller Reichweite von z. B. 200 m und den Winkelbereich104 mit reduzierter Reichweite von z. B. 75 m ab. Die gleichen Winkelbereiche107 mit voller Reichweite und108 mit reduzierter Reichweite deckt der Sensor in der Position106 am Heck ab. Bringt man an den Positionen103 ,105 ,106 und109 gleichartige Sensoren wie bei102 und106 beschrieben an, so wird das Fahrzeug101 bis auf zwei kleine Bereiche112 vor und113 hinter dem Fahrzeug rundum abgedeckt. Da hier die maximalen Entfernungen der Dreieckscheitel vor den Stoßfängern jeweils im Bereich kleiner 1 m liegen, wird mit dieser Anordnung die Umgebung gut erfasst. Da sich alle horizontalen Sensorbereiche jeweils überlappen, ist die notwendige Redundanz gewährleistet. Werden nur zwei Sensoren z. B. an den Positionen102 und106 eingebaut, erweitert sich der unabgetastete Bereich auf112a an der Front und113a am Heck des Fahrzeugs101 . Allerdings ist hier die Redundanz nur teilweise für den Front- und Heckbereich gewährleistet. Es sind entsprechend2 auch andere Anbringungsmöglichkeiten machbar, z. B. ein Sensor an der Position201 mit dem Winkelbereich202 und weitere zwei Sensoren an den Positionen105 und106 mit einem Winkelbereich wie in1 darstellt. Es können auch Sensoren an der Position203 mit dem Winkelbereich204 und an der Position205 mit dem Winkelbereich206 angebracht werden. - Die Sensoren sind entsprechend
3 aufgebaut. Basis ist ein Scansystem mit mehreren vertikalen Ebenen in einem Rotor301 . Die Impulssender z. B. Halbleiterlaser laufen im Rotor um die Achse301a und werden über eine Optik im Bereich303 auf die Szene abgebildet. Die aus der Szene rückgestreute z. B. Lichtimpulsleistung wird im Bereich302 über eine umlaufende Optik auf mehrere umlaufende Empfänger abgebildet. Die rückgestreute Lichtleistung kann auch im Bereich302 über ein umlaufendes Optik-Spiegelsystem auf einen stehenden Empfänger abgebildet werden. - Das Sensorsystem
316 enthält den Rotor301 der mit der Elektronik319 im Gehäuse bestehend aus der transparenten Abdeckung306 und der Abdeckung307 , die mit der Kontur und Farbe308 des Fahrzeugs identisch ist, untergebracht ist. Das Sensorsystem316 ist am Fahrzeug101 am Drehpunkt315 gelagert und wird über die Feder310 über den einseitig oder zweiseitig angebrachten Haltebügel311 über z. B. die Nase313 gegen den am Fahrzeug101 befestigten Anschlag312 in Position gehalten. Die Feder310 ist über die Halterung312 am Fahrzeug101 befestigt und über die Befestigung214 am Haltebügel311 . Das Sensorsystem316 enthält im Teil306 auf der Höhe304 des Rotors301 hinter der keine Sende- oder Empfangsoptik liegt, einen Zahnkranz306a über den durch einen Motor318 über dessen Ritzel317 das ganze Sensorsystem316 um die Drehachse309 so gedreht werden kann, dass entsprechend3a der Sensorrotor301 außerhalb der Fahrzeugkontur308 liegt. Die Szene wird über die transparente Abdeckung306 in dem Winkelbereich319 z. B. mit voller Empfängeröffnung für eine Reichweite von z. B. 200 m und320 mit z. B. geringerer Empfängeröffnung für eine Reichweite von z. B. 75 m abgetastet. Da im Nahbereich des Fahrzeuges eine höhere vertikale Aufweitung der Abtastung nötig oder gewünscht ist, kann die Abdeckung306 im Bereich321 , die sonst in vertikaler Richtung entsprechend322 plan ist, als Streulinse ausgebildet werden. Dies wird erreicht, indem im Bereich321 jeweils für Sender und Empfänger gleich oder unterschiedlich die Struktur z. B. wie323 für den Empfängerbereich und324 für den Sendebereich konkav ausgebildet wird. Die Strukturen können wie gezeichnet als Zylinderlinsen im Azimut- und/oder Elevationsbereich wirkend ausgeführt werden, als auch als sonstige Einzellinsenbereiche die auch die gesamte Abtaststrahlform verändern. - Die Drehung um die Achse
309 kann auch, wenn entsprechender Raum vorhanden ist, durch ein Getriebe oder durch eine Kette oder durch einen Zahnriemen über oder unter dem Sensorsystem316 erfolgen. Die Vorderaussicht des entsprechend3a ausgefahrenen Sensorsystems ist in4 gezeigt. Dabei ist die Abdeckung an den Flächen306 für die Sende- und Empfangseinheiten transparent. Die Flächen sind durch z. B. eine Metallkonstruktion306a getrennt, die zugleich den Zahnkranz306b für den Antrieb enthalten kann. Im eingefahrenen Zustand entsprechend3 ist die Abdeckung307 formschlüssig und z. B. gleichfarbig mit den Fahrzeugkonturen ausgebildet. - Entsprechend
5 kann der Ausfahrmechanismus zugleich zur Reinigung der transparenten Flächen306 benützt werden. Wird z. B. an der Position neben dem Antrieb317 ,318 eine Reinigungseinrichtung501 angebracht, die ähnlich einem Scheibenwischer eine Gummilippe506 mit der Kontur der zu reinigenden Fläche306 und eine oder mehrere Spritzdüsen507a bis507d enthält, kann mit dem Antrieb318 zugleich die Reinigung der Abdeckung306 des Sensorsystems316 erfolgen. Die Verschmutzung der Abdeckung kann z. B. entsprechend der SchriftDE 197 17 399 detektiert werden. - Wirkt auf das Sensorsystem im ausgefahrenen Zustand entsprechend
6 eine Kraft601 , die größer als die Rückstellkraft der Feder310 ist, so wird der Sensor um z. B. den Winkel603 ausgelenkt um eine Beschädigung des Sensorsystems316 zu vermeiden. Die Auslenkung kann über eine am Fahrzeug angebrachten Anschlag605 mit einer Gummiauflage604 am Haltebügel311 begrenzt werden. Wird die Kraft601 reduziert, bringt die Feder310 das Sensorsystem316 wieder über die Nase313 und den Anschlag312 in die Funktionsposition zurück. Um eine sanfte Landung am Anschlag312 zu erreichen, kann das Lager315 z. B. durch eine hochviskose Masse gedämpft sein. - Das Sensorsystem kann auch entsprechend
7 ausgebildet werden. Der Sensor701 mit dem Rotor301 ist über die Hülse705 um die Achse702 so drehbar gelagert, dass diese Hülse mit z. B. einer Schraubenfeder704 mit dem Zahnrad703 verbunden ist. Der Sensor kann damit über den Motor707 und dessen Ritzel706 durch die Abdeckung308 durch aufklappen der gefedert gelagerten Abdeckklappe710 soweit ausgefahren werden, bis er mit seiner Nase313 an der Position708 am Anschlag312 ansteht. Der Schnitt zeigt den Sensor701 im ausgefahrenen Zustand; wobei die Abdeckklappe710 um die Achse711 federnd drehbar gelagert ist und vom Sensor701 über eine Hilfsanordnung712 aufgeklappt wird. Diese Abdeckklappe710 kann zugleich eine oder mehrere Düsen713 enthalten, die mit entsprechenden Wasserstrahlen714 die Oberfläche des Sensors reinigen. - Im eingefahrenen Zustand hat der Sensor
701 die Position709 und geht über die Schraubenfeder704 mit seiner Nase312 über den Puffer604 an den Anschlag605 . Die Schraubenfeder704 kann auch als Spiral- oder Torsionsfeder ausgeführt werden und verhindert bei mechanischer Belastung des Sensors701 im ausgefahrenen Zustand dessen Zerstörung, da sie das Eindrücken des Sensors bis zur Position709 erlaubt. Die Vorspannung der Schraubenfeder kann über den Motor707 eingestellt werden z. B. für schnelle Autobahnfahrten sehr hoch und für den Stadtverkehr und beim Einparken sehr niedrig. Die in3 gezeigte Feder310 kann auch wie in8 gezeigt und beschrieben aufgeführt werden. - Das Blockschaltbild eines Sensorsystems ist in
7 gezeigt. Der Scanrotor301 enthält den Antriebsmotor304 , die Sendegruppe303 und die Empfangsgruppe302 und dreht sich um die Achse301a . Der Motor304 wird über die Schnittstelle802 angesteuert und liefert zugleich die Winkelposition und Rotationsinformation über diese Schnittstelle an die Elektronik804 . Die Empfangsgruppe302 ist über die berührungslose Schnittstelle803 , die Sendegruppe ist über die berührungslose Schnittstelle803a mit der Elektronik804 verbunden. Zum Positionieren für Betrieb und Stand der Einheit316 wird diese entsprechend3 und7 um die Achse309 mit dem Motor318 und707 über das Getriebe812 gedreht. Mit dem Schnittstellenbaustein811 ist die Elektronik804 entweder mit flexiblen Leitungen oder wie gezeichnet mit einer berührungslosen Anordnung aus induktiver Energieübertragung805 ,806 und807 und808 und einer optischen oder HF-Schnittstelle809 und810 verbunden. Die Elektronik enthält die Ansteuerung des Motors304 die Ansteuerung der Lasergruppe303 die Versorgung und Auswertung der Signale der Empfängergruppe oder des Empfängers303 , die Zeitsteuerung, Signalauswertung, Objektbildung, Verschmutzungsdetektion und Stromversorgung sowie die Synchronisation mit weiteren gleichartigen oder andersartigen Sensoren. Der Schnittstellenbaustein811 ist über die Schnittstellen815 und816 mit der Auswerte-Korrelation und Steuereinheit103 und dem Fahrzeug101 sowie dessen Stromversorgung verbunden. Der Baustein811 steuert zugleich den Positionsmotor812 und die Reinigungseinrichtung813 . - Das Blockschaltbild des Gesamtsystems ist in
9 gezeigt. Die vier Sensorsysteme801a und801b im Frontbereich901 und801c und801d im Heckbereich sind über die bidirektionalen Schnittstellen904 ,905 ,906 und907 mit der Auswerte-Korrelation und Steuereinheit903 verbunden. In dieser Einheit903 werden die Sensordaten auf korrekte Redundanz der einzelnen Objektdaten überprüft und daraus ein Tracking der Umgebung errechnet. Für die zusätzliche Absicherung der Trackingdaten werden auch über die Schnittstelle910 andere Sensoren911 des Fahrzeugs wie z. B. Kamera, Raddrehzahlgeber, Beschleunigungsgeber für Lateral- und Drehbeschleunigungen einbezogen. - Der Baustein
903 wird über die Schnittstelle909 mit Spannung versorgt und ist mit dem Sicherheits- und Komfortmanagement des Fahrzeugs über die Schnittstelle908 verbunden. - Wie durch mehrere Sensoren durch die Korrelation der Daten die höhere Sicherheit erreicht wird, ist in
10 gezeigt. Im Fahrzeug101 scannen die Sensoren102 mit dem Winkelbereich1001 und109 mit dem Winkelbereich1002 die Front des Fahrzeugs ab. Tritt dort das Hindernis1005 auf, so wird die Kontur des Hindernisses mit Winkel und Kontur vom Sensor102 im Aspektwinkel1006 detektiert und vom Sensor109 im Aspektwinkel1007 . Genau so wird ein Hindernis im Seitenbereich1008 vom Sensor109 unter den Aspektwinkel1010 und vom Sensor106 im Aspektwinkel1009 detektiert. Da alle Entfernungen und Winkel bekannt sind und außerdem die Sensoren synchronisiert sind, können die Daten und Trajektoren einfach verglichen werden. Damit können auch Sicherheitsfunktionen im Fahrzeug zur Auslösung gebracht werden. - Für multifunktionale Anwendungen wie ACC in Kombination mit sonstigen Sicherheitsanwendungen im Nahbereich des Fahrzeugs
101 können die Sensoren102 ,105 ,106 und109 entsprechend11 mit geringerer Reichweite z. B. 30 m und ein Frontsensor201 mit dem Abtastbereich202 mit hoher Reichweite von z. B. 200 ausgeführt werden. Damit können bei Eindringen eines Hindernisses1101 die Aspektwinkel1102 vom Sensor102 ,1103 vom Sensor201 und1104 vom Sensor109 verglichen werden und in einer Dreifachredundanz ausgewertet werden. Sollte bei zwei oder drei Sensoren durch Beschädigung des Fahrzeuges eine Veränderung der Position der Sensoren eintreten, kann mit dem System sogar während der Fahrt durch Vergleich der Konturen in der Auswerte-Korrelations- und Steuereinheit903 die Auswertesoftware auf diese neue Situation adaptiert werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055572 B4 [0001]
- DE 102006045799 A1 [0001]
- DE 102008013906 B4 [0001]
- DE 19717399 [0008]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dr. Ralph H. Raßhofer, ZT-3, BMW-Group Multifunktionale Fahrumgebungserfassung durch lidarbasierte Rundumsensorik Workshop FAS 2006 06. Oktober 2006 [0001]
- H. Spies, M. Spies New Sensor Systems – Virtual Bumpers Around The Car 9th International Symposium and Exhibition on Sophisticated Car Occupant Safety Systems 03. Dezember 2008 [0001]
Claims (5)
- Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem bei dem jeder Einzelsensor eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen großen Azimutbereich und einen Elevationsbereich ein Entfernungsbild liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelsensoren beim Fahrbetrieb aus der Kontur des Fahrzeugs herausgefahren werden um damit einen so großen Azimutabtastbereich zu erreichen, dass für die komplette Rundumabtastung nur 2 bis 4 Sensorsysteme ausreichen und zugleich in den kritischen Bereichen eine redundante Abtastung der Hindernisse durch zwei unterschiedliche Sensorsysteme gleicher Bauart erfolgt.
- Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem bei dem jeder Einzelsensor eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen großen Azimutbereich und einen Elevationsbereich ein Entfernungsbild liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelsensoren des Sensorsystems so ausgebildet sind, dass mit einer Ausfahreinheit zugleich beim Stand des Fahrzeugs die Außenkontur und Farbe gewährleistet ist und die Sensoren im ausgefahrenen Zustand gegen Stoß oder sonstige mechanische Einwirkungen gesichert sind und Teile der Ausfahrvorrichtung zugleich für die Reinigung der Sensoroberfläche genützt werden können.
- Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem bei dem jeder Einzelsensor eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen großen Azimutbereich und einen Elevationsbereich ein Entfernungsbild liefert, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Überlappungsbereich der Sensorsysteme nicht nur die Sicherheit der Detektion gesteigert wird, sondern bei etwaigen Verstellungen der Sensorsysteme durch Korrelation von Objektkonturen im Fahrbetrieb das Gesamtsystem trotzdem funktionsfähig bleibt.
- Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem bei dem jeder Einzelsensor eine Scaneinrichtung der eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen großen Azimutbereich und einen Elevationsbereich ein Entfernungsbild liefert nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch Gestaltung der Abdeckung in definierten Winkelbereichen eine unterschiedliche Abbildung der Abtastungen sowohl im Azimutbereich als auch im Elevationsbereich gewählt werden kann.
- Multifunktionales Pulslaufzeitsensorsystem bei dem jeder Einzelsensor eine Scaneinrichtung, die eine Sendebaugruppe und eine Empfangsbaugruppe enthält und über einen großen Azimutbereich und einen Elevationsbereich ein Entfernungsbild liefert, nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung und Zuordnung der Objekte sowohl durch zwei Sensoren als auch durch andere Sensoren wie Kamera und beschleunigungs- und streckenbeschreibende Sensoren erfolgt und die Justage der Sensoren durch Korrelation bekannter Objekte im Fahrbetrieb kontrolliert und verbessert wird.
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