-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Umfeldinformationen eines Kraftfahrzeuges, umfassend mindestens einen Umfeldsensor und eine Auswerteeinheit für die Daten des mindestens einen Umfeldsensors.
-
Für den Betrieb eines Kraftfahrzeuges sind Umfeldinformationen sehr nützlich. Umfeldinformationen können beispielsweise Witterungsbedingungen, Straßenzustände oder Verkehrsinformationen wie beispielsweise Geschwindigkeitsbeschränkungen sein. Dabei sind bereits verschiedene Sensoren als Umfeldsensoren vorgeschlagen worden, wie beispielsweise Kameras oder Temperatursensoren.
-
Die Befahrbarkeit der Straße und die Gewährleistung der Verkehrssicherheit im Kontext einer wirtschaftlichen Erhaltung des Straßenbestandes sind die Maxime des Straßenbetriebsdienstes bei der Streckenwartung. Die Leistungen bei der Streckenwartung umfassen neben der visuellen Kontrolle der Straßenbestandteile auch die unmittelbare Absicherung und Beseitigung von Schäden und Mängeln. Die visuelle Kontrolle erfolgt vorrangig von einem Kontrollfahrzeug aus. Die Häufigkeit der Kontrollen orientiert sich dabei am Ausmaß des Gefahrenpotenzials einer Straße und ihre Umfelds. Kriterien dafür sind die Verkehrsbedeutung, die Verkehrsbelastung, besondere Ereignis- und Schadenshäufigkeit und der Straßenzustand. So sollen Kontrollfahrten auf Bundesautobahnen mindestens einmal wöchentlich und auf Bundes-, Landes- und Kreisstraßen mindestens einmal 14-tägig durchgeführt werden. Nach Unfällen, Umwettern und Überschwemmungen oder bei kurzfristig veränderten Gefahrenpotenzialen werden zusätzliche Kontrollfahrten vorgenommen. Die regelmäßigen Kontrollfahrten dienen vorrangig dazu, Schlaglöcher, Ecken- und Kantenabbrüche, Verdrückungen, Verwerfungen, Risse, Bindemittelanreicherungen und Wildschäden festzustellen. Bei allen Kontrollen müssen die verantwortlichen Personen, der Ort, der Zeitpunkt sowie die festgestellten Mängel dokumentiert werden. Dabei erfolgt die Dokumentation in einem Beschäftigungsbericht oder in einem Dienstbuch in unterschiedlicher Intensität.
-
Zur Verbesserung ist bereits vorgeschlagen worden, Kontrollfahrzeuge mit Kameras auszustatten, die die Farbahn optisch aufzeichnen. Das regelmäßige Abfahren der Straßen mit einer begrenzten Anzahl derartiger Kontrollfahrzeuge ist jedoch relativ schwierig.
-
Ein weiteres Problem bekannter Umfeldsensoren ist die Erfassung von Blitzeis. Blitzeis tritt immer dann auf, wenn die Lufttemperatur über > 0°C, die der Fahrbahn jedoch unter dem Gefrierpunkt liegt und Regen auf die Fahrbahn trifft. Verkehrsteilnehmer rechnen bei einsetzendem Regen nicht damit, dass sich auf der Fahrbahn sofort Eis bilden kann, zudem wenn die Temperaturanzeige im Fahrzeug Temperaturen über dem Gefrierpunkt anzeigt und die Fahrbahn vor dem einsetzenden Regen trocken und gut befahrbar war.
-
Auch dieses Problem wird von bekannten Umfeldsensoren nur unbefriedigend gelöst.
-
Benutzer öffentlicher und privater Verkehrswege werden durch ortsfeste Verkehrszeichen informiert und geführt. Eingeteilt werden Verkehrszeichen in Gefahr-, Vorschrift- und Richtzeichen. Einem sicheren und flüssigen Verkehrsablauf bei hohem Verkehrsaufkommen dienen Verkehrsbeeinflussungsanlagen. Über Wechselverkehrszeichen werden die Fahrer über die zulässige Höchstgeschwindigkeit, über Verkehrs- und Witterungsverhältnisse informiert. Die Anzeigen von Wechselverkehrszeichen können Ge- und Verbotszeichen, Fahrstreifensperre, Spurlenkung und Zusatzzeichen darstellen. Fahrbahnmarkierungen haben im Straßenverkehr mehrere Funktionen zu erfüllen. Sie stellen das Element zur visuellen Führung auf Straßen dar, indem sie dem Kraftfahrer Informationen über den weiteren Streckenverlauf (Kurven, Kuppen, Senken) vermitteln und somit einen wichtigen Beitrag zur Verkehrssicherheit leisten. Immer mehr finden Randmarkierungen mit einer starken Profilierung an der Oberfläche Verwendung. Die Stege der Profilierung heben sich besonders weit von der Fahrbahn ab und erzeugen eine haptische und akustische Warnwirkung, wenn sie überfahren werden, um den Fahrzeugführer auf eine Spuruntreue hinzuweisen.
-
Zur weiteren Steigerung der Fahreraufmerksamkeit existiert für viele Verkehrszeichen eine Vielzahl unterschiedlicher Reflexfolien mit entsprechender Albedo. So gibt es auch fluoreszierende Folien, die bei Tageslicht besonders auffällig und sichtbar sind. Da die Aufmerksamkeit des Fahrers sehr wichtig für einen sicheren Verkehrsablauf ist, wird frühzeitig und besonders auffällig durch den Einsatz möglichst großer Vorwarn- und Absperrtafeln – z. B. mit LED-Leuchtkreuz oder Leuchtpfeil – vor Gefahrenstellen gewarnt. Zur Absicherung von Gefahrenstellen (z. B. Wanderbaustellen) finden auch immer öfter mobile Warnschwellen oder auch Blitzleuchten Anwendung. Jedoch ist die beste Beschilderung wirkungslos, wenn nicht die Anforderungen an die Rückstrahlqualität dieser erfüllt werden. So müssen ein hoher Abnutzungsgrad und Verschmutzung einer gehäuften Wartung bzw. Überprüfung der Schilder entgegenstehen. Demnach kommt aufgrund der begrenzten finanziellen Mittel der Städte und Regionen der Inventarisierung und Qualitätssicherung von Verkehrszeichen, insbesondere in Regionen und kleinen Städten, eine größere Bedeutung zu.
-
Dabei sind bereits videobasierte Lösungen vorgeschlagen worden, die Verkehrszeichen optisch erfassen und bei Nichtbeachtung durch den Kraftfahrzeugführer eine Warnung erzeugen. Nachteilig an videobasierten Lösungen ist die beschränkte Erfassung bei schlechten Sichtbedingungen oder die Verdeckung z. B. durch parkende Fahrzeuge oder Bäume.
-
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung von Umfeldinformationen eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, mittels derer einfach und zuverlässig mindestens eine Umfeldinformation, nämlich Witterungsbedingungen und/oder Straßenzustand ermittelbar bzw. erfassbar sind.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Erfassung von Umfeldinformationen eines Kraftfahrzeuges mindestens einen Umfeldsensor und eine Auswerteeinheit für die Daten des mindestens einen Umfeldsensors, wobei der Umfeldsensor als Reifentemperatursensor ausgebildet ist, wobei anhand der Temperaturdaten mindestens eine Umfeldinformation ermittelt wird. Der Vorteil von Reifentemperatursensoren ist, dass diese zukünftig gesetzlich vorgeschrieben sind und somit bereits in Kraftfahrzeugen serienmäßig vorhanden sind. Die Reifentemperatursensoren sind dabei üblicherweise als kombinierte Reifendruck- und Reifentemperatursensoren ausgebildet. Diese Reifendrucksensoren weisen eine relativ hohe Messgeschwindigkeit im kPa-Bereich in einem Messbereich von beispielsweise 100 kPa bis 1.600 kPa auf. Vorzugsweise erfolgt dabei die Übertragung der Druck- und Temperaturwerte drahtlos an die Auswerteeinheit, wobei die Energieerzeugung über Batterien, Piezo- oder Schüttelgeneratoren erfolgt. Die Reifendruck- und/oder Reifentemperatursensoren sind dabei nicht abhängig von äußeren Sichtbedingungen und erfassen nahezu kontinuierlich (Abtastrate beispielsweise 40 Hz) Messdaten, aus denen Umfeldinformationen ermittelt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass üblicherweise jeder Reifen einen solchen Sensor aufweist, so dass entweder gleichzeitig mehrere Informationen ermittelt werden können oder eine hohe Redundanz vorhanden ist. Dabei sei nachfolgend angenommen, dass der Reifensensor ein kombinierter Druck- und Temperatursensor ist, wobei erfindungsgemäß jeweils auch ein einziger Druck- oder Temperatursensor zur Anwendung kommen kann.
-
Weiter wird anhand des Temperaturverlaufs des Reifentemperatursensors eine Fahrbahntemperatur ermittelt. Dabei ist anzumerken, dass im Regelfall die Reifentemperatur ungleich der Fahrbahntemperatur ist. Jedoch ist es möglich, aufgrund der Veränderung der Temperatur mittels Modellen und/oder empirisch ermittelten Kennlinien bzw. Kennfeldern die Fahrbahntemperatur zu ermitteln bzw. zu schätzen.
-
In einer Ausführungsform wird in Abhängigkeit der ermittelten Fahrbahntemperatur eine Glatteiswarnung generiert, die optisch und/oder akustisch und/oder haptisch ausgegeben wird, beispielsweise über eine geeignete Anzeigeeinheit.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird die ermittelte Fahrbahntemperatur mit den Daten eines Regensensors verknüpft. Somit kann örtlich sehr genau eine Glatteis- bzw. Blitzeiswarnung ermittelt werden, wenn die Bedingungen für Blitzeis erfüllt sind (Fahrbahntemperatur ≤ 0°C und Regen). Alternativ oder kumulativ zu dem fahrzeugseitigen Regensensor können auch andere Daten wie die eines ABS-Sensors oder beispielsweise lokale Verkehrsnachrichten und/oder Verkehrsinfrastrukturdaten berücksichtigt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird bei der Ermittlung der Fahrbahntemperatur aus der Reifenlufttemperatur der Reifendruck zusammen mit der Fahrtlänge berücksichtigt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die von einem Reifen verrichtete Walgarbeit zu einer Wärmeentwicklung führt, so dass sich die Reifenlufttemperatur und die Fahrbahntemperatur unterscheiden. Die verrichtete Walgarbeit ist dabei vom Reifendruck abhängig. Des Weiteren ist die Walgarbeit abhängig von der Fahrtlänge. Einfach ausgedrückt, je länger das Fahrzeug fährt, desto mehr Walgarbeit wird verrichtet, was einen entsprechenden Temperaturanstieg zur Folge hat. Weiter zusätzlich können die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge berücksichtigt werden, um aus der Reifentemperatur auf die Fahrbahntemperatur zu schließen.
-
Wie bereits ausgeführt, werden vorzugsweise alle Reifendruck- und/oder Reifentemperatursensoren zur Auswertung herangezogen, um beispielsweise Redundanzen zu schaffen, oder aber um die Informationsdichte bzw. -anzahl zu erhöhen.
-
In einer Ausführungsform wird mindestens anhand des Druckverlaufs ein Fahrbahnzustand ermittelt. Die so ermittelte Umfeldinformation kann dabei einem Fahrerassistenzsystem zur Verfügung gestellt werden und/oder als Dateninformationen zur Bestimmung des Fahrbahnzustandes für Reparaturzwecke. Bei einem Fahrzeug tritt während des Fahrverlaufs eine Druckveränderung auf. Eine kurze Druckveränderung lässt auf eine kurzzeitige Kompression der Luft im Reifen schließen, hervorgerufen beispielsweise durch Auftreffen des Reifens auf den Rand eines Schlagloches. Bei Verwerfungen von Betonplatten können ebenfalls Kanten entstehen, die bei Auftreffen des Reifens ebenfalls zu einer kurzzeitigen Druckerhöhung führen. Im Extremfall kann es sogar zu einem Druckverlust kommen, genau dann, wenn der Stall auf den Reifen so stark ist, dass sich die Reifenflanke an einer Stelle kurzzeitig von der Felge löst und Luft austreten kann. Somit kann aufgrund der Druckänderungen auf einen Fahrbahnzustand geschlossen werden, wobei klarzustellen ist, dass eine Druckänderung nicht nur aufgrund von Straßenschäden auftreten kann. Jedoch kann zumindest aber eine Wahrscheinlichkeit für Straßenschäden angenommen werden. Die ermittelten Druck- und/oder Temperaturwerte bzw. -verläufe können auch klassifiziert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Positionsbestimmungseinheit, wobei den ermittelten Umfeldsensordaten und/oder den ermittelten Umfeldinformationen eine Positionsinformation zugeordnet wird. Die Positionsbestimmungseinheit ist dabei beispielsweise als satellitengestützte Positionsbestimmungseinheit ausgebildet. Durch diese Georeferenzierung ist es möglich, automatisch Straßenkarten über den Fahrbahnzustand zu ermitteln. Übermittelt nun ein Fahrzeug seine Daten an eine zentrale Verarbeitungseinheit, so kann diese in einer Prozessierungseinheit die Daten auf ein digitales Straßennetz projizieren (Mapmatching). Weiter vorzugsweise wertet anschließend eine weitere Prozessierungseinheit die Daten aus und ermittelt auf Basis von verschiedenen Verfahren (wie beispielsweise statischen Methoden) Häufungspunkte identifizierter Ereignisse, vergleicht diese neuen Daten mit bereits aufgezeichneten Datensätzen, ergänzt Qualitätsangaben aufgrund der Wiedererkennungsrate und führt eine Kategorisierung der Ereignisse durch. Schließlich können in einer weiteren Prozessierungseinheit Daten mit Hilfe statistischer Methoden ausgewertet und durch qualifizierte, georeferenzierte Maßnahmen zur Beseitigung möglicher Mängel (z. B. Schlaglöcher durch Frostsprengung im Winter) ergänzt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform werden den Umfeldsensordaten (Reifendruck- und/oder Reifentemperaturwert bzw. -verlauf) und/oder den ermittelten Umfeldinformationen mindestens die Daten einer weiteren fahrzeugseitigen Sensorik zugeordnet. Dies können insbesondere Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswerte sein. Weiter können Zeitinformationen und/oder Daten von infrastrukturseitigen Sensoren zugeordnet werden, wie beispielsweise Kommunikationseinheiten von Wetterstationen. Dabei werden vorzugsweise die Daten im Kraftfahrzeug vorverarbeitet und dann an die zentrale Verarbeitungseinheit gesendet oder anderweitig zur Verfügung gestellt.
-
Dabei sei angemerkt, dass das Kraftfahrzeug sowohl ein straßengeführtes als auch ein luftgeführtes Fahrzeug sein kann. In einer weiteren Ausführungsform sind somit luftgeführte Fahrzeuge mit Reifendruckkontrollsystemen ausgebildet. Die mit den oben beschriebenen Verfahren ermittelten Umfeldinformationen ermöglichen eine Zustandsanalyse der Verkehrswege von Flughäfen (Lande- und Startbahnen, Rollgassen, Vorfeld).
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Fahrbahnzustandes,
-
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Fahrbahntemperatur und
-
3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Warnung vor Glatteis.
-
In 1 ist schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Fahrbahnzustandes dargestellt. Die Vorrichtung umfasst vier Reifendrucksensoren 1, die in nicht dargestellten Reifen eines Kraftfahrzeuges 10 integriert sind. Den Reifendrucksensoren 1 ist dabei jeweils eine Antenne 2 zugeordnet. Über die Antenne 2 können die Reifendrucksensoren 1 periodisch und/oder auf Abfrage Reifendruck- und Reifentemperaturwerte an eine Auswerteeinheit 3 übertragen. Der Auswerteeinheit 3 ist dabei ebenfalls mindestens eine Antenne 4 zugeordnet, über die die Reifendrucksensordaten empfangen bzw. Abfragen an die Reifendrucksensoren 1 gesendet werden können. Dabei ist zusätzlich jedem Reifendrucksensor 1 eine Kennung zugeordnet, die mit Daten an die Auswerteeinheit 3 übertragen wird, so dass die Auswerteeinheit 3 die empfangenen Daten eindeutig einem Reifendrucksensor 1 zuordnen kann. Des Weiteren werden der Auswerteeinheit 3 Positionsdaten P und Zeitinformationen t von einer satellitengestützten Positionsbestimmungseinheit übermittelt, die beispielsweise Bestandteil eines Navigationssystems ist. Weiter erhält die Auswerteeinheit 3 Daten von weiteren fahrzeuginternen Sensoren wie beispielsweise die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit V. Neben der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit V können beispielsweise auch Brems- und Beschleunigungssignale oder die Daten eines Stoßdämpfers übermittelt werden.
-
Die Auswerteeinheit 3 ermittelt nun aus den übermittelten Daten einen Straßenzustand. Der Grundgedanke besteht nun darin, dass sich Schlaglöcher und ähnliche Straßenschäden in einer aperiodischen kurzzeitigen Veränderung des Reifendrucks bemerkbar machen und so beispielsweise von den Signalen, die beim Überfahren von Kopfsteinpflaster auftreten, unterscheidbar sind. Dabei können Schwellwerte für den Gradienten des Reifendrucks und/oder den Absolutwerten der Druckänderung zugeordnet werden, wobei erst bei Überschreitung der Schwellwerte auf einen Straßenschaden geschlossen wird. Die Schwellwerte können dabei beispielsweise von der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit V abhängig sein. Die vier Reifendrucksensoren 1 können je nach gewünschter Auflösung einzeln oder zusammen ausgewertet werden. Dabei können die Daten der verschiedenen Reifendrucksensoren 1 auch zur Plausibilisierung herangezogen werden. Beispielsweise haben Schlaglöcher bestimmte Größen, so dass in der Regel nur ein Reifen das Schlagloch durchfährt. Sind aber beispielsweise die Reifendruckänderungen am linken und rechten Vorderreifen gleich, spricht dies gegen eine Einordnung als Schlagloch. Die durch die Positionsdaten P georeferenzierten ermittelten Fahrbahnzustände werden dann über die Antenne 4 oder eine weitere Antenne an eine zentrale Verarbeitungseinheit 5 übermittelt, wo diese in verschiedenen Prozessierungseinheiten 6, 7 weiter aufbereitet werden. Dabei erfolgt zunächst anhand der Positionsdaten P ein Mapmatching auf eine digitale Straßenkarte. Die Daten können dann mit bereits vorliegenden Daten anderer Fahrzeuge verglichen und plausibilisiert werden. Die so gewonnenen Daten können dann von der zentralen Verarbeitungseinheit 5 automatisch so ausgewertet werden, dass selbständig Gegenmaßnahmen vorgeschlagen werden, wie beispielsweise das Auslösen von Fahrbahnreparaturmaßnahmen.
-
In der 2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Fahrbahntemperatur und zur Warnung vor Glatteis dargestellt, wobei gleiche Elemente wie in 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Vorrichtung umfasst wieder vier Reifendrucksensoren 1 mit Antennen 2, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Anzahl der Reifendrucksensoren 1 nicht beschränkend ist. Die Auswerteeinheit 3 ist wieder mit einer Antenne 4 ausgebildet. Zusätzlich ist die Auswerteeinheit 3 mit einem Regensensor 8 und einer Anzeigeeinheit 9 verbunden.
-
Anhand der von den Reifendrucksensoren 1 übermittelten Reifendruckwerte und Reifenlufttemperaturwerte ermittelt die Auswerteeinheit 3 die aktuelle Fahrbahntemperatur. Hierbei handelt es sich um ein indirektes Verfahren zur Abschätzung der Straßentemperatur, dass zusätzlich die Veränderung der Reifenlufttemperatur über die Zeit, die Wärmeentwicklung aufgrund von der verrichteten Walgarbeit berücksichtigt. Ermittelt die Auswerteeinheit 3 bei Start des Fahrzeugs (Betätigung der Zündung) eine Reifenlufttemperatur unter 0°C (Reifenlufttemperatur = Straßentemperatur), so wird über die Anzeigeeinheit 9 und/oder über eine akustische Warnvorrichtung eine Glatteiswarnung ausgegeben. Während der Fahrt wird von Auswerteeinheit 3 auf die Straßentemperatur auf der Grundlage der Reifenlufttemperatur und ihrer Veränderung unter der Berücksichtigung von Wärmeleitmodellen ermittelt. Die einzelnen Wärmeleitmodelle approximieren dabei sowohl die Wärmeentwicklung, die aufgrund von Walgarbeit des Reifens entsteht, als auch Temperaturveränderungen, die durch die Wärmeleiteigenschaften von Reifen (Gummi hat in der Regel sehr schlechte Wärmeleiteigenschaften) als auch die Wärmeleiteigenschaften der Felge verlangsamt oder beschleunigt werden. Ermittelt die Auswerteeinheit eine Temperatur unter Null Grad und wird zusätzlich noch Regen durch den Regensensor 8 erfasst, so wird eine akute Glatteiswarnung ausgegeben. Diese Glatteiswarnung kann darüber hinaus mit Positionsdaten P (siehe 1) an eine Zentrale übermittelt werden, um die Glatteiswarnung auch anderen Verkehrsteilnehmern zur Verfügung zu stellen.
-
In der 3 ist ein möglicher Verfahrensablauf dargestellt. Jeder Reifendrucksensor 1 liefert in Abhängigkeit von Messintervallen Temperaturwerte T1–T4 an die Auswerteeinheit 3. Die von einem Reifen verrichtete Walgarbeit und die damit verbundene Wärmeentwicklung werden bei der Auswertung berücksichtigt, wobei die Walgarbeit vom Reifenluftdruck und der Dauer der Fahrt abhängt. Wie lange sich ein Fahrzeug bewegt, ist mit dem Start des Fahrzeugs bekannt, denn mit dem Drehen der Zündung werden auch die Reifendrucksensoren aktiviert. Von der Auswerteeinheit 3 werden darauf die relativen Änderungen der Reifenlufttemperatur für jeden Reifen anhand der übermittelten Reifenlufttemperaturen bestimmt. Fällt die Temperatur rapide ab (d. h. ΔT > Schwellwert), wird auch die absolute Temperatur überprüft. Liegt diese unter einem Schwellwert, so wird eine Warmeldung generiert, da dann eine Fahrbahntemperatur < 0°C vorliegt. Bei der Überprüfung von ΔT werden dabei vorzugsweise Wärmeleitmodelle wie oben beschrieben berücksichtigt. Abhängig von den Daten des Regensensors 8 wird bei Regen eine ”akute Glatteiswarnung” und ansonsten eine einfache Glatteiswarnung generiert.
-
Abschließend sei noch angemerkt, dass selbstverständlich mit einer Vorrichtung sowohl der Fahrbahnzustand und eine Glatteiswarnung ermittelt werden können, d. h. die Auswerteeinheit umfasst verschiedene Auswerteprogramme, die nacheinander oder parallel ablaufen.
