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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zum Überwachen der Umgebung des Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor zur dreidimensionalen Erfassung und Erzeugung eines Datenstroms der Umgebung im Fernfeld und/oder im Mittelfeld des Kraftfahrzeugs, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist, aus dem Datenstrom ein dreidimensionales Abbild der von ihm erfassten Umgebung zu ermitteln und als Umgebungsdaten bereitzustellen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, die Umgebungsdaten für eine autonome oder hoch automatisierte Fahrfunktion des Fahrzeugs zu verarbeiten.
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In der vorliegenden Beschreibung werden unter einem Kraftfahrzeug insbesondere Personenkraftwagen (PKW) und Lastkraftwagen (LKW) verstanden. Derartige Kraftfahrzeuge werden zukünftig mit immer leistungsfähigerer Sensorik ausgestattet, um ein hochautomatisiertes oder autonomes Fahren zu ermöglichen. Beim hochautomatisierten Fahren werden Teilaufgaben einer Fahrfunktionalität vom Kraftfahrzeug selbst übernommen. Dies kann, je nach Fahrfunktionalität, ein Lenken und/oder Bremsen bzw. Gasgeben sein. Dadurch kann beispielsweise ein assistiertes Ein- oder Ausparken eines Kraftfahrzeugs realisiert werden. Beim autonomen Fahren erfolgt eine Fahrbewegung des Kraftfahrzeugs ohne jeglichen Eingriff des Fahrers.
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Voraussetzung für ein hochautomatisiertes oder autonomes Fahren sind einerseits das Vorliegen präziser Kartendaten und andererseits eine dreidimensionale Erfassung der Umgebung, um das Verkehrsgeschehen um das Kraftfahrzeug herum einschätzen zu können. Dazu werden insbesondere die bereits in einem Kraftfahrzeug verbauten Sensoren genutzt, wie z.B. Annäherungssensoren von Park-Distanz-Systemen, Kamerasysteme oder Radarsysteme, welche zum Einhalten eines vorgegebenen Abstandes vorgesehen sind. Um möglichst umfassende Informationen über die Umgebung zu erhalten, werden die von solchen Sensorsystemen erhaltenen Daten durch eine Recheneinheit in dem Kraftfahrzeug miteinander fusioniert. Ergebnis der Fusionierung ist dann ein mehr oder weniger genaues dreidimensionales Abbild der Umgebung zu einem gegebenen Zeitpunkt.
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Von Prototypen-Kraftfahrzeugen sind darüber hinaus Sensorsysteme bekannt, die in der Regel auf dem Dach sehr weit über dem Kraftfahrzeug angebracht sind, um den Sichtbereich um das Kraftfahrzeug herum zu optimieren. Dadurch ist es möglich, einen sehr weiten bzw. großen Bereich der Umgebung zu erfassen, ohne weitere Sensoren der vorgenannten Art des Kraftfahrzeugs für die Erzeugung eines dreidimensionalen Abbilds der Umgebung heranziehen zu müssen. Für den Serieneinsatz sind solche auf dem Dach montierten Sensoren jedoch nicht tauglich, da die Erhöhung des Fahrzeugs dessen Flexibilität beeinflusst. Insbesondere wird die Durchfahrtshöhe des Kraftfahrzeugs verringert und der Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs ungünstig erhöht. Ferner ergibt sich eine ungünstige Aerodynamik des gesamten Fahrzeugs.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem die Erfassung der Umgebung für eine autonome oder hochautomatisierte Fahrfunktion des Fahrzeugs mit lediglich einem Sensor ermöglicht wird und welche die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zum Überwachen der Umgebung des Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Sensor zur dreidimensionalen Erfassung und Erzeugung eines Datenstroms der Umgebung im Fernfeld und/oder im Mittelfeld des Kraftfahrzeugs, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist, aus dem Datenstrom ein dreidimensionales Abbild der von ihm erfassten Umgebung zu ermitteln und als Umgebungsdaten bereitzustellen; und eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, die Umgebungsdaten für eine autonome oder hochautomatisierte Fahrfunktion des Fahrzeugs zu verarbeiten. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der Sensor im Inneren einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs derart angeordnet ist, dass er die Umgebung in etwa aus Sicht eines Insassen, insbesondere des Fahrers, des Kraftfahrzeugs, insbesondere in Richtung der Bewegung des Kraftfahrzeugs, erfassen kann.
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Die Anordnung des Sensors ermöglicht einen sehr guten Sichtbereich des Sensors, welcher im Wesentlichen dem Sichtbereich des Fahrers des Kraftfahrzeugs entspricht. Das Kraftfahrzeug eignet sich insbesondere für das hochautomatisierte oder autonome Fahren in Bereichen mit hoher benötigter Sichtweite. Die hohe benötigte Sichtweite entspricht dem im Umfeld von Kraftfahrzeugen üblichen Mittelfeld (d.h. einem Bereich zwischen 2 m und 25 m vor bzw. hinter dem Kraftfahrzeug) und/oder dem Fernfeld (d.h. einem Bereich von mehr als 25 m vor oder hinter dem Kraftfahrzeug). Dies ermöglicht die Erzeugung eines dreidimensionalen Abbilds der Umgebung, welches in etwa dem eines Fahrzeugführers entspricht. Dieses Abbild ist für eine autonome oder hochautomatisierte Fahrfunktion ausreichend und daher gut nutzbar.
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Dadurch, dass der Sensor in der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, wirken auf den Sensor keine Witterungseinflüsse ein. Die minimale Durchfahrtshöhe des Kraftfahrzeugs bleibt konstant, da keine zusätzlichen Aufbauten auf dem Dach oder an sonstigen Stellen des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind. Insbesondere wird dadurch auch die Optik des Kraftfahrzeugs nicht in nachteiliger Weise beeinträchtigt.
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Der Sensor der Vorrichtung stellt einen 3D-Sensor dar. Gemäß einer Ausgestaltung kann der Sensor einen Laserscanner umfassen. In bekannter Weise tastet ein Laserscanner die Umgebung ab, wobei bei ausreichend hoher Abtastfrequenz (z.B. im MHz-Bereich) das dreidimensionale Abbild der Umgebung gewinnbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor ein Stereokamerasystem umfassen, wobei der Datenstrom dann ein Bildstrom ist. Bei einem solchen Stereokamerasystem werden Bilder von zwei unterschiedlichen, bekannten Positionen des Sensors aufgenommen, wobei durch Überlagerung bzw. Verrechnung der Bilder ein dreidimensionales Abbild der Umgebung gewonnen werden kann.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Sensor in der Nähe des Kopfes des Insassen des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Zum Beispiel kann der Sensor am Fahrzeughimmel angeordnet sein. Der Sensor kann alternativ an der zur Fahrzeugkarosserie gewandten Außenseite eines Sitzes, insbesondere dessen Kopfstütze, angeordnet sein. Durch die erhöhte Position des Sensors im Inneren der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs wird ein guter Erfassungsbereich des Sensors gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Sensor, bezogen auf eine Längsrichtung des Fahrzeugs, auf Höhe der B-Säule der Fahrgastzelle angeordnet werden. Insbesondere kann der Sensor direkt an der B-Säule angeordnet sein. Er ist bevorzugt auf Höhe der B-Säule am Fahrzeughimmel angebracht. Bei Kraftfahrzeugen ohne B-Säule, wie z.B. Coupés oder Cabrios, finden die oben angegebenen Geometrien sinngemäß Anwendung.
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Die B-Säule ist eine von mehreren tragenden Fahrzeugsäulen, die den Dachbereich (Dach und innere Seitenteile) mit dem Karosserieunterbau verbinden. Diese werden in einer dem Fachmann bekannten Weise mit von vorne nach hinten fortlaufenden Buchstaben bezeichnet, unabhängig von der Fahrzeugseite. Dabei stellt die B-Säule die Verbindung zwischen Fahrzeugboden und Fahrzeugdach in der Mitte der Fahrgastzelle dar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Sensor, bezogen auf eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs, in der Hälfte der Fahrgastzelle angeordnet sein, in welcher der Fahrer des Fahrzeugs sitzt. Dadurch wird eine Sicht, die der Sicht eines Fahrers des Kraftfahrzeugs entspricht, erzielt. Bei bei einem links gelenkten Fahrzeug ist der Sensor, bezogen auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs, in der linken Hälfte der Fahrgastzelle angeordnet. Bei bei einem rechts gelenkten Fahrzeug ist der Sensor, bezogen auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs, in der rechten Hälfte der Fahrgastzelle angeordnet.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Sensor durch eine Steuereinheit um die Hochachse des Fahrzeugs drehbar ist. Die Steuereinheit kann dabei die oben genannte Recheneinheit oder eine davon unterschiedliche Steuereinheit sein. Durch die Drehbarkeit des Sensors wird es ermöglicht, dass der Sensor in seiner Ausgangsposition die Umgebung nicht nur durch die Frontscheibe hindurch erfassen kann, sondern abhängig von seiner Drehung relativ zu der Ausgangsposition auch die Umgebung zur linken Seite oder zur rechten Seite oder nach hinten erfassen kann. Die Ausgangsposition des Sensors ermöglicht dabei eine Erfassung der Umgebung nach vorne, d.h. in üblicher Bewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs. Der Sensor kann sich permanent, z.B. mit einer hohen Frequenz, um die Hochachse drehen. Der Sensor kann sich alternativ je nach Bedarf, z.B. nur bei bestimmten Fahrzuständen, um die Hochachse drehen.
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Gemäß einer weiteren Abwandlung kann die Position des Sensors entlang der Hochsachse des Fahrzeugs verändert werden. Dies kann aktiv, z. B. über einen steuerbaren Motor, erfolgen, der gezielt auf gewisse Parameter wie Spiegeleinstellung oder Kopfhöhe des Fahrers reagiert. Dies kann auch passiv durch eine Bedienung des Insassen realisiert werden. Die Position des Sensors wird zweckmäßigerweise bei der sog. Auto-Kalibrierung berücksichtigt, welche nachfolgend erläutert wird. Die Position des Sensors kann zudem nach jeder Veränderung im Rahmen einer erneuten Kalibrierung verarbeitet werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst der Datenstrom zumindest einen Umgebungsbereich, der einen rückwärtigen Teil des Kraftfahrzeugs repräsentiert, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, aus dem Datenstrom den zumindest einen Umgebungsbereich zu extrahieren. Der zumindest eine Umgebungsbereich kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung in einem Innen- und/oder Außenspiegel gespiegelt sein. Durch die Nutzung der Innen- und/oder Außenspiegel des Kraftfahrzeugs kann mit Hilfe des Sensors auch ein rückwärtiger Bereich sowie ein teilweise seitlicher Bereich des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Der dabei erzielbare Sichtwinkel entspricht dabei in etwa dem Sichtwinkel, den ein Fahrer des Kraftfahrzeugs bei einem Blick in den Innen- und/oder Außenspiegel hat. Der sich hieraus ergebende Vorteil besteht darin, dass ohne aufwändige mechanische Vorrichtungen mit Hilfe des im Inneren der Fahrgastzelle angebrachten Sensors nicht nur der Umgebungsbereich im vorderen und vorderen seitlichen Bereich, sondern auch im rückwärtigen und rückwärtig seitlichen Bereich erfasst werden kann.
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Die Recheneinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, eine Spiegelneigung und/oder -ausrichtung des Innen- und/oder Außenspiegels zu verarbeiten. Eine Positionserfassung eines jeweiligen Spiegels kann beispielsweise anhand von Sensoren erfolgen, die die Drehung des Spiegels um eine jeweilige Drehachse erfassen. Ausgehend von einer der Recheneinheit bekannten Ausgangsposition des Innenspiegels und/oder Außenspiegels kann dann die aktuelle Position der betreffenden Spiegel bestimmt und bei der Verarbeitung des zumindest einen Umgebungsbereichs berücksichtigt werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, eine Lichtbrechung zu verarbeiten, wenn der Sensor die Umgebung durch eine Fensterscheibe des Kraftfahrzeugs und/oder über den Innen- und/oder Außenspiegel erfasst. Dies ist dann zweckmäßig, wenn der Sensor einen Laserscanner umfasst, da hier die Lichtbrechung beim Auftreffen des Laserstrahls auf Glasflächen berücksichtigt werden muss, um ein korrektes Abbild der Umgebung zu erhalten.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Überwachen der Umgebung des Kraftfahrzeugs; und
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2 einen vergrößerten Ausschnitt des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs, aus dem die Anbringung des Sensors der Vorrichtung zum Überwachen der Umgebung des Kraftfahrzeugs schematisch ersichtlich ist.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 in Gestalt eines Personenkraftwagens in einer seitlichen Darstellung. Das unterhalb des Kraftfahrzeugs 1 dargestellte Koordinatensystem entspricht den üblicherweise verwendeten Achsen, wobei x Fahrzeuglängsachse, y die Fahrzeugquerachse und z die Fahrzeughochachse angibt. Die übliche Bewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs erfolgt in Pfeilrichtung der x-Achse.
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Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Vorrichtung zum Überwachen der Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 auf. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor 2, beispielsweise in Gestalt eines Laserscanners oder eines Stereokamerasystems, durch den die Umgebung im Fernfeld (d.h. weiter als 25 m von dem Kraftfahrzeug entfernt) und/oder im Mittelfeld (d.h. zwischen 2 m und 25 m von dem Kraftfahrzeug entfernt) des Kraftfahrzeugs dreidimensional erfasst werden kann. Ergebnis der Erfassung ist ein Datenstrom, aus dem ein dreidimensionales Abbild der von dem Sensor erfassten Umgebung ermittelbar ist und als Umgebungsdaten bereitgestellt wird. Da 3D-Sensoren, die Art der Datenerfassung und die Art der Datenaufbereitung aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind, wird an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung der Ermittlung des dreidimensionalen Abbilds und der Bereitstellung als Umgebungsdaten verzichtet.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Recheneinheit 13, welche dazu ausgebildet ist, die Umgebungsdaten zu verarbeiten. Die Verarbeitung erfolgt durch die Recheneinheit 13 vorzugsweise der Gestalt, dass dem Kraftfahrzeug eine autonome oder hochautomatisierte Fahrfunktion ermöglicht wird. Die Recheneinheit 13 kann Bestandteil des Sensors 2 sein oder eine davon getrennte Recheneinheit.
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Wie besser aus der vergrößerten Darstellung der 2 hervorgeht, ist der Sensor 2 im Bereich der B-Säule 4 am Dachhimmel 6 der Fahrgastzelle 10 angeordnet. Dies bedeutet, der Sensor 2 wird in die Lage versetzt, die Umgebung in etwa aus Sicht eines Insassen des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Die Anbringung des Sensors 2 kann form-, stoff- und/oder kraftschlüssig, z.B. an dem bereits erwähnten Dachhimmel 6, erfolgen.
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Allgemein wird der Sensor in der Nähe des Kopfes des Insassen, insbesondere des Fahrers, des Kraftfahrzeugs angeordnet. Bezogen auf eine Fahrtrichtung (d.h. eine Bewegung in Richtung der x-Achse des dargestellten Koordinatensystems) ist der Sensor 2 bevorzugt in der linken Hälfte der Fahrgastzelle 10 angeordnet. Die Anordnung im Bereich der B-Säule umschließt jedoch grundsätzlich den Bereich der B-Säulen an beiden Seiten des Kraftfahrzeugs 1 als auch die Verlängerung bis über den Dachbereich.
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Bei Kraftfahrzeugen ohne B-Säule finden die oben genannten bevorzugten Anbringungsorte sinngemäß Anwendung. So kann beispielsweise der Sensor bei einem Cabriolet an der Innenseite des faltbaren Dachs angeordnet sein, so dass der Sensor lediglich bei geschlossenem Dach eine Erfassung der Umgebung vornehmen kann oder vornimmt.
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Der Sensor 2 erfasst in seiner Ausgangsposition, in der er die Umgebung in Pfeilrichtung der x-Achse erfasst, primär den in Fahrtrichtung liegenden Umgebungsbereich. Dieser Erfassungsbereich der Umgebung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Hierzu „blickt“ der Sensor 2 durch die Frontscheibe 7 des Fahrzeugs hindurch.
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Bevorzugt ist der Sensor 2 um die Hochachse (z-Achse) des Kraftfahrzeugs drehbar angeordnet. Die Drehung kann mittels eines durch die Recheneinheit 13 steuerbaren Motors erfolgen. Dadurch wird der Sensor in die Lage versetzt, seinen Erfassungsbereich auch durch die linke oder rechte Seitenscheibe zu erweitern. Eine Drehung des Sensors 2 um die Hochachse kann auch derart erfolgen, dass eine Erfassung der Umgebung durch die Heckscheibe des Kraftfahrzeugs 1 erfolgt, wie z.B. bei einer Rückwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs zweckmäßig ist. Der Sensor kann sich permanent, z.B. mit einer hohen Frequenz, um die Hochachse drehen. Der Sensor kann sich alternativ je nach Bedarf, z.B. nur bei bestimmten Fahrzuständen, um die Hochachse drehen.
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Zudem kann die Position des Sensors optional entlang der Hochsachse des Fahrzeugs verändert werden. Dies kann aktiv, z. B. über einen steuerbaren Motor, erfolgen, der gezielt auf gewisse Parameter wie Spiegeleinstellung oder Kopfhöhe des Fahrers reagiert. Dies kann auch passiv durch eine Bedienung des Insassen realisiert werden.
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Darüber hinaus kann der Sensor 2 in den Innen- und/oder Außenspiegeln gespiegelte Umgebungsdaten erfassen. In der Darstellung gemäß 1 ist lediglich der linke Außenspiegel 9 erkennbar. Bei einer Erfassung des vorderen linken Umgebungsbereichs umfasst der Datenstrom auch den Erfassungsbereich 12, der einen rückwärtigen bzw. seitlich rückwärtigen Teil des Kraftfahrzeugs repräsentiert. Die Recheneinheit 13 ist dazu ausgebildet, aus dem Datenstrom den Umgebungsbereich, der durch den Außenspiegel 9 gespiegelt ist, zu extrahieren. In entsprechender Weise erfolgt dies auch für den rechten, nicht dargestellten Außenspiegel sowie den ebenfalls nicht ersichtlichen Innenspiegel.
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Durch die Nutzung von Innen- und/oder Außenspiegeln des Kraftfahrzeugs 1 kann der Erfassungsbereich des Sensors erweitert werden. Der durch den Sensor erfassbare Umgebungsbereich entspricht dabei in etwa dem Erfassungsbereich, den ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 in entsprechender Weise bei Nutzung von Innen- und/oder Außenspiegeln hätte.
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In der Recheneinheit 13 kann dabei ein Modell über die Lichtbrechung, insbesondere für den als Laserscanner ausgebildeten Sensor, hinterlegt sein, welches berücksichtigt, wenn ein auf die Frontscheibe 7 (entsprechend auf eine der anderen Scheiben) treffender Laserstrahl gebrochen wird. Entsprechende Brechungsinformationen können auch für den Innen- und/oder Außenspiegel hinterlegt sein.
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Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht neben einer Überwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs die Realisierung einer Überwachungsfunktion von in der Fahrgastzelle befindlichen Objekten. Beispielsweise kann der Sensor dazu genutzt werden, eine Gestenerkennung im Innenraum zur Bedienung von Elementen durch einen Insassen zu realisieren. Hierzu kann in der Recheneinheit ein Kinematikmodell der menschlichen Hand und/oder ein Gestenmodell für verschiedene Mimiken der Insassen hinterlegt sein.
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Die Vorrichtung kann auch dazu genutzt werden, Objekte in der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs auf ihre Vollständigkeit oder ihren bestimmungsgemäßen Zustand zu überwachen. Beispielsweise kann mit Hilfe des Sensors überprüft werden, ob eine Zierleiste im Rahmen des Herstellungsprozesses richtig befestigt wurde oder ob – beispielsweise bei einem Mietwagen – Teile wie Aschenbecher und dergleichen nach dessen Rückgabe vollständig vorhanden sind.
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Zur Kalibrierung des Sensors im Rahmen der Fertigung des Kraftfahrzeugs können fixe Punkte des Kraftfahrzeugs für eine selbständige Kalibrierung als Referenzen genutzt werden. Dies können beispielsweise markante Punkte und/oder Linien im Inneren der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs sein. Dadurch wird die Recheneinheit in die Lage versetzt, die Position des Sensors ausfindig zu machen. Dadurch wird sichergestellt, dass alle nachfolgend durchgeführten Kalkulationen korrekt durchgeführt werden können. Beispielsweise kann ein korrekter Abstand zu einer Scheibe ermittelt werden, was für die Berücksichtigung von Brechungsindizes von Bedeutung ist. Ebenso ist die Position relativ zu den Innen- und/oder Außenspiegeln bekannt, so dass deren veränderliche Positionen korrekt verarbeitet werden können. Die Position des Sensors bezüglich seiner Hochachse wird bei der sog. Auto-Kalibrierung zweckmäßig berücksichtigt werden. Die Position des Sensors bezüglich seiner Hochachse kann zudem nach jeder Veränderung im Rahmen einer erneuten Kalibrierung verarbeitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Sensor
- 4
- B-Säule
- 6
- Dachhimmel
- 7
- Fronscheibe
- 8
- Seitenscheibe auf der Fahrerseite
- 9
- linker Außenspiegel
- 10
- Fahrgastzelle
- 11
- Erfassungsbereich des Sensors
- 12
- rückwärtiger Erfassungsbereich
