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Diese Erfindung betrifft Verbesserung von Fahrzeugsicherheitssystemen, insbesondere von Systemen, die einen Fahrer beim Beherrschen eines Fahrzeugs unterstützen können oder die als Teil des Steuerungssystems für ein autonomes Fahrzeug eingesetzt werden können.
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Es ist bekannt, für Fahrzeuge verschiedene Sicherheitssysteme vorzusehen, sowohl passive Sicherheitssysteme als auch aktive Sicherheitssysteme. Weil erkannt worden ist, dass solche Systeme dabei helfen können, die Anzahl von Todesopfern auf der Straße zu reduzieren, sind sie in Neufahrzeugen häufig eine vorgeschriebene Ausrüstung, da viele Länder eine Gesetzgebung haben, die verlangt, dass Fahrzeuge mit diesen Eigenschaften ausgestattet werden.
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Beispiele für passive Fahrzeugsicherheitsausstattungen sind Sicherheitsgurte, Airbags, Fußgängeraufprallknautschzonen und ähnliches. Der Zweck dieser Ausstattungen ist es, die Insassen des Fahrzeugs oder Fußgänger vor Schaden zu schützen, wenn es zu einem Unfall kommt. Mittlerweile sind Fahrzeuge seit einer Reihe von Jahren mit diesen Merkmalen ausgestattet.
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Aktive Sicherheitsausstattungen sind andererseits dazu in der Lage, das Verhalten des Fahrzeugs zusammen mit oder unabhängig vom Fahrer zu verändern, um zu versuchen, das Eintreten eines Unfalls zu vermeiden. Der verstärkte Einsatz elektronischer Systeme im Fahrzeug zum Steuern der Lenkung, der Bremsen und des Gaspedals haben es Sicherheitssystemen ermöglicht, die Bewegung des Fahrzeugs zu steuern. In Kombination mit an dem Fahrzeug angebrachten Sensoren ist es für ein Steuergerät am Fahrzeug möglich festzustellen, dass ein Unfall bevorsteht und eine Maßnahme zu ergreifen.
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Ein Beispiel eines aktiven Sicherheitssystems, mit dem derzeit eine Reihe von Fahrzeugen ausgerüstet wird, ist automatisches Abbremsen, bei dem die Bremsen unabhängig von der Aktion des Fahrers betätigt werden, falls ein in dem Fahrzeug angebrachtes Steuergerät ermittelt, dass eine Kollision wahrscheinlich ist. Das Steuergerät kann Eingänge einer Reihe von Sensoren erhalten, einschließlich Fahrzeuggeschwindigkeitssensoren und Radarsensoren, die Objekte in der Bahn des Fahrzeugs erfassen. Ein weiteres Beispiel eines aktiven Sicherheitssystems ist ein Fahrspurassistent, bei dem das Steuergerät die Lenkung des Fahrzeugs unabhängig vom Fahrer dazu einstellen kann, dass das Fahrzeug innerhalb einer Fahrspur der Straße bleibt.
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Noch weiterführende Ideen aktiver Systeme sind Vorschläge für fahrerlose (manchmal als autonom bezeichnete) Fahrzeuge, die einige oder alle der Funktionen des Fahrers einschließlich Lenken, Bremsen, Beschleunigen und Navigieren des Fahrzeugs ausführen können. Die vorliegende Erfindung ist auf Fahrzeuge anwendbar, die gefahren werden, und darüber hinaus auf vollständig oder teilweise fahrerlose Fahrzeuge.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein aktives Sicherheitssystem für ein Fahrzeug bereitzustellen, welches verglichen mit existierenden Systemen in einer Reihe von Fahrzuständen ein erhöhtes Maß an Sicherheit bietet.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Sicherheitssystem für ein Fahrzeug bereit, mit:
einer Erfassungseinrichtung, die dazu angeordnet ist, das Vorhandensein eines vorausfahrenden Fahrzeugs festzustellen und zutreffendenfalls zumindest ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, welches repräsentativ ist für eine oder mehrere Eigenschaften des vorausfahrenden Fahrzeugs, wobei die Erfassungseinrichtung ferner dazu angeordnet ist, das Vorhandensein eines entgegenkommenden Fahrzeugs festzustellen und zutreffendenfalls zumindest ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, welches repräsentativ ist für eine oder mehrere Eigenschaften des entgegenkommenden Fahrzeugs,
einem Steuergerät, das dazu angeordnet ist, die Ausgangssignale von der Erfassungseinrichtung zu empfangen und aus den Signalen ein Ergebnissignal zu erzeugen, welches angibt, dass es für das Fahrzeug möglich ist, das vorausfahrende Fahrzeug sicher zu überholen, bevor das entgegenkommende Fahrzeug die Bahn blockiert, längs derer sich das Fahrzeug zum Vollenden des Überholmanövers bewegen muss.
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Die eine oder die mehreren Eigenschaften des vorausfahrenden Fahrzeugs, die durch das eine oder mehrere erste Ausgangssignale repräsentiert sind, können die Distanz von dem Fahrzeug zu dem vorausfahrenden Fahrzeug, die Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs, die Bewegungsrichtung des vorausfahrenden Fahrzeugs und die Beschleunigungsrate des vorausfahrenden Fahrzeugs umfassen. Für jede Eigenschaft kann ein erstes Ausgangssignal erzeugt werden.
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Die eine oder die mehreren Eigenschaften des entgegenkommenden Fahrzeugs, die durch das eine oder mehrere zweite Ausgangssignale repräsentiert sind, können die Distanz von dem Fahrzeug zu dem entgegenkommenden Fahrzeug, die Geschwindigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs, die Bewegungsrichtung des entgegenkommenden Fahrzeugs und die Beschleunigungsrate des entgegenkommenden Fahrzeugs umfassen. Für jede Eigenschaft kann ein zweites Ausgangssignal erzeugt werden.
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Die Erfassungseinrichtung kann ein einzelner Sensor oder mehrere Sensoren sein. Sie kann eine Radarerfassungseinrichtung umfassen, welche einen Ablauf vor dem Fahrzeug sehen kann, während das Fahrzeug sich entlang einer Straße in einer vorwärtsrichtung bewegt. Der Detektor kann hinter dem Fahrzeuggrill oder oben an der Windschutzscheibe angebracht sein. Jegliches vorausfahrende Fahrzeug wird in dem von der Radardetektoreinrichtung gesehenen Bild erfasst. Das Bestimmen von Abstand, Entfernung und Beschleunigung eines Objekts mittels einer Radarerfassungseinrichtung ist bekanntes Wissen, welches der Fachmann zur Verfügung haben würde, weshalb eine genauere Erläuterung hier nicht gegeben wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Erfassungseinrichtung eine optische Kameraerfassungseinrichtung aufweisen, die Objekte in dem Ablauf identifiziert und aus Veränderungen des Aussehens des Objekts im Zeitverlauf die Entfernung und Bewegung der Objekte ermittelt. Beispielsweise wird, wenn das vorausfahrende Fahrzeug sich von dem Fahrzeug wegbewegt, es in von der Kamera eingefangenen, aufeinanderfolgenden Bildern kleiner werden.
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Die Detektoreinrichtung kann vorne am Fahrzeug, jedoch zur Mittellinie des Fahrzeugs in einer Richtung zur Fahrerseite des Fahrzeugs hin versetzt angeordnet sein. Dies erlaubt der Detektoreinrichtung, ein besseres Bild des Ablaufs um die Seite des vorausfahrenden Fahrzeugs zu erhalten, auf der ein entgegenkommendes Fahrzeug in dem erfassten Bild/der Radarreflektion vorhanden sein kann.
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Um es einem linksgesteuerten Fahrzeug zu ermöglichen, in einem Land gefahren zu werden, in dem die Fahrzeuge auf der linken Seite der Straße fahren, kann die Sensoreinrichtung eine zweite Erfassungseinrichtung aufweisen, die zu der anderen Seite (der Beifahrerseite) des Fahrzeugs hin angeordnet ist.
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Die oder jede Erfassungseinrichtung kann nahe der Seite des Fahrzeugs angeordnet sein, um die Sicht um die Seite des vorausfahrenden Fahrzeugs zu optimieren, womit näher an der Seite des Fahrzeugs als an der Mittellinie des Fahrzeugs gemeint ist. Sie können jeweils an der Ecke des Fahrzeugs angeordnet sein. Sie könnten unter Umständen an einem Außenspiegel des Fahrzeugs oder den Frontscheinwerfern angebracht sein.
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Wo zwei Erfassungseinrichtungen vorhanden sind, kann das System die von beiden Einrichtungen erfassten Bilder/Reflektionen verarbeiten um festzustellen, ob ein vorausfahrendes Fahrzeug und ein entgegenkommendes Fahrzeug vorhanden sind. Es kann ausreichend sein, dass ein entgegenkommendes Fahrzeug nur für eine Erfassungseinrichtung erkennbar ist, wie es der Fall wäre, wenn die Sicht durch das vorausfahrende Fahrzeug blockiert wäre.
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Das Steuergerät kann ferner dazu angeordnet sein, Fahrzeuginformationen über das Fahrzeug zu empfangen, dem das Sicherheitssystem zugeordnet ist, und diese Informationen mit den ersten und zweiten Ausgangssignalen beim Erzeugen des Ergebnissignals zu kombinieren. Das Steuergerät kann somit diese Fahrzeuginformation als ein Faktor verwenden bei der Ermittlung, ob ein sicheres Überholen möglich ist.
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Die Fahrzeuginformation kann in einem Speicher abgelegte statische Information sein, auf die durch das Steuergerät als der Einrichtung zum Erhalten der Information zugegriffen wird. Diese statische Information kann die Leistung des Fahrzeugantriebs, die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs, das Gewicht des Fahrzeugs, die Beschleunigung des Fahrzeugs bei maximaler Leistung und maximalem Drehmoment, die zum derzeitigen Zeitpunkt verfügbare, sofortige Beschleunigung unter Berücksichtigung der Motorlast, der Getriebestufe etc. umfassen.
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Die Fahrzeuginformation kann dynamische Information von einem oder mehreren Sensoren umfassen, wie etwa die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und die Beschleunigung des Fahrzeugs.
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Das Steuergerät kann ermitteln, ob es sicher ist zu überholen durch Erzeugen einer Ziellinie aus den Ausgangssignalen und optional der Fahrzeuginformation, welche eine fernliegenste Grenze eines Bereichs repräsentiert, innerhalb dessen das Fahrzeug nach Vollenden des Überholvorgangs in eine Fahrspur zurückkehren wird, und Ermitteln, ob das entgegenkommende Fahrzeug die Ziellinie überfahren haben wird, bevor das Überholen abgeschlossen werden konnte.
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Das Steuergerät kann auch ermitteln, ob die Ziellinie einen Sicherheitsabstand vor dem zu überholenden Fahrzeug am vorausgesagten Ende des Überholmanövers einhält, z. B. wenn das Fahrzeug vor dem überholten Fahrzeug wieder in die Fahrspur einschert. Dieser Sicherheitsabstand, der eine Pufferzone festlegt, kann einen festen Wert haben wie etwa 5 m oder 6 m oder kann ein Abstand abhängig von der bekannten Länge des Fahrzeugs sein, in welches das System eingebaut ist. Wenn die Ziellinie sich nicht zumindest den Sicherheitsabstand hinter dem überholten Fahrzeug befindet, kann das Steuergerät feststellen, dass es zum Überholen unsicher ist, da kein Raum zum sicheren Vollenden des Überholens vorhanden wäre.
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Das Steuergerät kann zusätzlich eine die Geschwindigkeitsbeschränkung der Straße betreffende Information erhalten, entlang derer sich das Fahrzeug bewegt. Dies kann eine Information über die Geschwindigkeitsbeschränkung an allen Punkten zwischen der derzeitigen Position des Fahrzeugs und der Position des entgegenkommenden Fahrzeugs beinhalten. Das ermöglicht es dem Steuergerät, Änderungen der Geschwindigkeitsbeschränkung wie etwa eine plötzliche Herabsetzung der Höchstgeschwindigkeit entlang der Straße zu berücksichtigen.
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Beim Ermitteln der Position der Ziellinie kann das Steuergerät ein Modell der Fahrzeugbewegung verwenden, welches eine Annahme enthält, dass das Fahrzeug während des Überholens die für die Straße geltende Geschwindigkeitsbeschränkung zu keiner Zeit überschreitet.
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Das Steuergerät kann beim Ermitteln, ob ein Überholen sicher ist, auch Umweltfaktoren betreffende Information berücksichtigen.
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Das Steuergerät kann ferner das SP (Straßenprofil) berücksichtigen, welches mittels des Steuergeräts in eine schematische Karte des herankommenden Straßenabschnitts umgewandelt werden kann. Dies kann Informationen über jegliche Steigung oder jegliches Gefälle der Straße einschließen, das die notwendige Überholdistanz beeinflussen würde.
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Das System kann auch eine Messung der Größe des zu überholenden Fahrzeugs erzeugen.
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Das Steuergerät kann Informationen von einem oder mehreren Transmittern erhalten, die entfernt von dem Fahrzeug angeordnet sind. Dies kann ein Signal von einem oder mehreren GPS-Satelliten einschließen, das von dem Fahrzeug zum Ermitteln der Fahrzeugposition verwendet werden kann. Dies kann auch Informationen über Geschwindigkeitsbeschränkungen entlang der Straße und das Wetter und andere Faktoren enthalten, wie im vorstehenden Absatz beschrieben.
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Die aus einer Entfernung vom Fahrzeug empfangenen Signale können Informationen über die Bewegung des vorausfahrenden Fahrzeugs und/oder des entgegenkommenden Fahrzeugs enthalten, die von dem vorausfahrenden Fahrzeug und/oder dem entgegenkommenden Fahrzeug übertragen worden ist. Diese Signale können unmittelbar von diesen Fahrzeugen oder mittelbar empfangen werden, beispielsweise durch eine Verbindung mit einem drahtlosen Netzwerk, das die Signale überträgt.
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Das Steuergerät des Sicherheitssystems kann dazu ausgeführt sein, ein Positionssignal von einer in das Fahrzeug eingebauten GPS-Einheit zu empfangen, oder das System kann eine integrale GPS-Einheit enthalten.
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Im Gebrauch kann das System ermitteln, ob ein Überholen sicher ist, indem eine Reihe von Bedingungen berechnet werden, jede repräsentiert durch eine Funktion, und jede gebildet unter Verwendung einer Kombination von zwei oder mehr der Signaleingänge in das Steuergerät. Das System kann feststellen, dass es nur dann sicher ist zu überholen, falls jede Bedingung erfüllt ist.
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Beispielsbedingungen umfassen den erforderlichen Sicherheitsabstand/Bereich vor dem vorhandenen vorausfahrenden Fahrzeug, repräsentiert durch die Distanz von der Vorderseite des vorausfahrenden Fahrzeugs bis zu dem Bereich, in den das Fahrzeug nach dem Überholvorgang wieder einscheren wird, die Zielentfernung des entgegenkommenden Fahrzeugs am Ende des Überholvorgangs, dass die zum Beenden des Überholvorgangs notwendige Zeit unterhalb eines Schwellenwertes liegt (es kann eine lange Zeit dauern, wenn das vorausfahrende Fahrzeug sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Geschwindigkeitsbegrenzung bewegt und die Geschwindigkeitsbegrenzung nicht überschritten werden soll).
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Das System kann eine Reihe verschiedener Bedingungen berechnen und die berechneten Bedingungen können in Abhängigkeit einer Reihe von Szenarien variieren. Beispielsweise können unterschiedliche Bedingungen berechnet worden sein für zwei Szenarien – Szenario a und Szenario b – (wobei V1 die Fahrzeuggeschwindigkeit, V2 die Fahrzeuggeschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs und V3 die Fahrzeuggeschwindigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs ist):
- a) V1/V2/V3 = konstant, mit V1 > V2
- b) V1 = V1' + a1·t/ V2 = V2' + a2·t/V3 = konstant,
wobei V1 die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, V2 die Fahrzeuggeschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs und V3 die Fahrzeuggeschwindigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs ist.
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Für das Szenario a kann das Steuergerät dazu ausgeführt sein, jegliche und vorzugsweise alle der folgenden Berechnungen auszuführen: D0 (Überholdistanz) = L2 + SZ t0 (für den Überholvorgang notwendige Zeit) = D0/((V1 – V2)·1000/3600)s t (Zeit für das überholende Fahrzeug bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs) = (D – c%·D)/((V1 + V3)·1000/3600)s
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c% – ist ein Sicherheitsprozentwert erhalten aus der erfassten Distanz zwischen dem entgegenkommenden Fahrzeug und dem den Überholvorgang ausführenden Fahrzeug. Der Zweck dieses Faktors ist es, eine sichere Zone auch vor dem entgegenkommenden Fahrzeug zu erzeugen. Der empfohlene Wert beträgt 10%, kann jedoch in Abhängigkeit der erfassten Distanz verändert werden. Di, i = 1..3 (von jedem Fahrzeug während des Überholvorgangs zurückgelegte Distanz) = t0·Vi·1000/3600(m) Dr (die verbleibende Distanz in Abhängigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs) = D – c%·D – D1 – D3 (m), wobei D1 die von dem überholenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz und D3 die des entgegenkommenden Fahrzeugs ist.
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Für die Variante b) kann das Steuergerät dazu ausgeführt sein, jegliche und höchst vorzugsweise alle der folgenden Berechnungen durchzuführen: D0 = L2 + SZ a1·t^2 + (V1' – V2')·t – D0 = 0(Gleichung zweiten Grades) Δ = (V1' – V2')^2 + 4·a1·D0 t0 (Überholzeit) = (–(V1' – V2') + sqrt(Δ))/(2·a1)(s) (a1 + a3)·t^2 + (V1' + V3') – (D – c%·D) = 0 Δ = (V1' + V3')^2 + 4·(a1 + a3)·(D – c%·D) t (Zeit für das überholende Fahrzeug bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs) = (–(V1' + V3') + sqrt(Δ))/(2·(a1 + a3))(s) Di, i = 1..3 (von jedem Fahrzeug zu t0 zurückgelegte Distanz) = t0·Vi·1000/3600 + ai·t0^2, mit a2 = 0 m/s^2. Dr (die verbleibende Distanz in Abhängigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs) = D – c%·D – D1 – D3 (m), wobei D1 die von dem überholenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz und D3 die von dem entgegenkommenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz ist.
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Nachdem das Steuergerät die Berechnungen durchgeführt hat, kann es prüfen, ob alle Bedingungen erfüllt sind und nur wenn dies der Fall ist wird das Steuergerät ein Ergebnissignal erzeugen, welches anzeigt, dass der Überholvorgang sicher durchgeführt werden kann.
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Ist beispielsweise die Sicherheitszone vorhanden und ist die Überholzeit kleiner als die Zeit bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs und ist die verbleibende Distanz zwischen dem überholenden Fahrzeug und dem entgegenkommenden größer als 0 m, dann ist es sicher zu überholen.
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Das Sicherheitssystem kann permanent aktiv sein, wenn das Fahrzeug sich in Bewegung befindet, oder kann mit Mitteln zum Deaktivieren des Systems versehen sein. Beispielsweise kann ein benutzerbetätigbarer Schalter in das Fahrzeug eingebaut sein, um es dem Fahrer zu ermöglichen, das System zu deaktivieren. Wo es sicher ist das zu tun, beispielsweise wenn das Fahrzeug auf einer Rennstrecke benutzt wird, kann es bevorzugt sein, das System zu deaktivieren.
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Das Sicherheitssystem kann in ein Fahrzeug eingebaut sein, welches von einem Fahrer bedient wird, oder in ein semiautonomes Fahrzeug, welches nur teilweise durch einen Fahrer bedient wird, oder in ein vollautonomes Fahrzeug. Ein Fahrzeug kann in verschiedenen Betriebsarten funktionieren, gefahren oder autonom, und das System kann eingebaut und in einer der Betriebsarten oder beiden Betriebsarten aktiv sein.
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Das System kann, wenn es ermittelt hat, dass es sicher ist zu überholen, ein Ergebnissignal ausgeben, welches angibt, dass ein Überholvorgang möglich oder nicht möglich ist.
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Das System kann wiederum das Ergebnissignal dazu verwenden, einen hörbaren, sichtbaren oder haptischen Alarm an den Fahrer auszugeben, um den Fahrer zu warnen, ob es sicher oder unsicher ist zu überholen.
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Das Steuergerät kann ein Fahrtrichtungsanzeigesignal von dem Fahrzeug empfangen, welches angibt, dass der Fahrer den Blinker des Fahrzeugs betätigt hat. Wo ein Fahrtrichtungsanzeigesignal empfangen wird kann das Warnsignal nicht ausgegeben werden, falls der Fahrer nicht angegeben hat, da es angenommen werden kann, dass der Fahrer nicht beabsichtigt zu überholen und durch das Warnsignal nicht abgelenkt werden wollen würde.
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Das System kann den Fahrer übersteuern, falls es feststellt, dass ein überholen unmöglich ist, unter Umständen durch Halten des Fahrers in Reihe hinter dem vorausfahrenden Fahrzeug durch übersteuern der Fahrerbewegung des Lenkrades oder des Gaspedals.
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Soweit das Fahrzeug ein autonomes Fahrzeug ist, kann das Fahrzeug beim Planen eines Überholmanövers auf der Basis des Ergebnissignals agieren und wenn das Ergebnis anzeigt, dass es sicher ist zu überholen, kann das System ein Überholmanöver ausführen.
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Das System kann entfernt von dem Fahrzeug vorgesehen sein und kann Informationen zu dem Fahrzeug über eine Drahtlosverbindung liefern. Dies kann es beispielsweise gestatten, eine erhöhte Rechenleistung außerhalb des Fahrzeugs mit dem Ergebnis zu benutzen, dass ein Signal zu dem Fahrzeug gesandt wird, welches angibt, ob es sicher ist zu überholen oder nicht. Dies würde erfordern, dass ein Informationsstrom einschließlich der ersten und zweiten Ausgangssignale drahtlos an das entfernt gelegene Sicherheitssystem übertragen wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein mit dem Sicherheitssystem des ersten Aspekts der Erfindung ausgestattetes Fahrzeug bereit.
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Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Steuerungssystem für ein Fahrzeug bereit, welches ein Sicherheitssystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthält, wobei das Steuerungssystem den Betrieb des Fahrzeugs in Antwort auf einen Ergebnissignalausgang des Sicherheitssystems steuert.
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Das Steuerungssystem und das Sicherheitssystem können als ein Computerprogramm implementiert sein, welches in einem in das Fahrzeug eingebauten Prozessor installiert ist und betrieben wird. Der Prozessor kann die Beschleunigung, das Bremsen und das Lenken des Fahrzeugs ganz oder teilweise steuern.
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Es werden nun lediglich beispielhaft zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf und wie in den beigefügten Figuren dargestellt beschrieben, in denen:
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1 eine Darstellung eines Fahrzeugs ist, das mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ausgestattet ist;
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2 eine Darstellung entsprechend der 1 ist, die die Bewegung des Fahrzeugs während eines Überholens eines vorausfahrenden Fahrzeugs zeigt;
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3 eine Darstellung entsprechend den 1 und 2 ist, in der das Fahrzeug sich einer Kurve in der Straße nähert;
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4 eine Darstellung entsprechend 1 für eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ist;
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5 eine Darstellung entsprechend 3 ist, in der das Fahrzeug sich einer Straßenbiegung nähert;
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6 ein Schema des Sicherheitssystems der ersten Ausführungsform ist, das die Signaleingänge in das Steuergerät und das erzeugte Ergebnissignal zeigt; und
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7 ein ähnliches Schema für das Sicherheitssystem der zweiten Ausführungsform ist.
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1 zeigt ein mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems ausgerüstetes Trägerfahrzeug 1, das sich entlang einer zweispurigen Straße bewegt, wobei die linken und rechten Grenzen der Straße durch Linien 4 dargestellt sind. Die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 1 ist bezogen auf das Figurenblatt nach oben, in der Richtung des auf dem Fahrzeug eingezeichneten, fetten Pfeils. Das Fahrzeug 1 befährt die rechte Fahrspur, wie in Kontinentaleuropa und den USA üblich, wobei entgegenkommender Verkehr die linke Fahrspur befährt und sich vom Kopf der Seite nach unten bewegt. Wie dargestellt ist die Fahrbahn durch eine unterbrochene Linie 7 geteilt, was zum Ausdruck bringt, dass es ein Bereich der Straße ist, in dem es für das Fahrzeug legal ist, auf die linke Fahrspur hinüberzuwechseln und zu überholen, vorausgesetzt dass es sicher ist, dies zu tun.
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In 1 sind ferner zwei weitere Fahrzeuge gezeigt. Ein Fahrzeug, hier als ein vorausfahrendes Fahrzeug 2 bezeichnet, befährt die rechte Fahrspur vor dem Trägerfahrzeug 1 und ein weiteres, entgegenkommendes Fahrzeug 9 fährt in der linken Fahrspur auf das Trägerfahrzeug zu.
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Das Trägerfahrzeug 1 ist mit einem Sicherheitssystem ausgestattet, wie es schematisch in 6 der Figuren wiedergegeben ist. Das Herz des Sicherheitssystems ist ein Steuergerät 10 oder eine ECU, das bzw. die in dem Schema durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Es wird in das Fahrzeug eingebaut und wird von der Fahrzeugbatterie (nicht dargestellt) mit Strom versorgt und ist mit dem Kommunikationsbus des Fahrzeugs verbunden, um es dem Steuergerät zu ermöglichen, mit diversen in das Fahrzeug eingebauten Sensoren und Aktuatoren zu kommunizieren, einschließlich des Gaspedals sowie des Brems- und Lenksystems.
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Das Steuergerät 10 ist dazu angeordnet, Ausgangssignale und andere Fahrzeuginformationen aus verschiedenen Quellen zu empfangen und aus diesen Signalen ein Steuersignal zu erzeugen, welches angibt, dass es für das Fahrzeug möglich ist, das vorausfahrende Fahrzeug sicher zu überholen, bevor ein entgegenkommendes Fahrzeug die Bahn blockiert, entlang der das Fahrzeug sich bewegen muss, um das Überholmanöver abzuschließen.
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Die Signale, die in das Steuergerät geleitet werden, umfassen:
Ein Fahrtrichtungsanzeigesignal 11, das erzeugt wird, wenn ein Fahrtrichtungsanzeiger durch den Fahrer in der Absicht zu überholen betätigt wird oder das automatisch betätigt wird, sowie das Fahrzeug sich der die Straßenmitte markierenden gestrichelten Linie nähert oder beginnt, sie zu überfahren;
Ein Tachometersignal 12, das die Geschwindigkeit V des Fahrzeugs repräsentiert;
Eine Erfassungseinrichtung, im vorliegenden Beispiel zwei radarbasierte Erfassungseinrichtungen 13, 14, die jeweils das Vorhandensein von Objekten vor dem Fahrzeug ermitteln. Jede Einrichtung ist an der Vorderseite des Fahrzeugs befestigt, etwa hinter Abschnitten eines Grills am vorderen Stoßfänger des Fahrzeugs, wobei eine sich nahe der dem Fahrer nächsten Fahrzeugecke befindet und die andere nahe der Ecke auf der Beifahrerseite des Fahrzeugs. Ein Anordnen derselben an oder nahe den Rändern ermöglicht ihnen einen Blick um jegliches vorausfahrende Fahrzeug herum, um entgegenkommende Fahrzeuge zu erkennen. Jede Einrichtung erfasst die Geschwindigkeiten und Beschleunigung des entgegenkommenden Fahrzeugs 9 und des vorausfahrenden Fahrzeugs 2, die Distanz (D) zum entgegenkommenden Fahrzeug, den SZ (Sicherheitszonen)-Bereich, der als eine freie Zone von 5 m vor dem vorausfahrenden Fahrzeug angenommen wird, und auch das SP (Straßenprofil), welches mittels der Software in eine schematische Karte des herannahenden Straßenabschnitts umgewandelt wird. Eine Messung der Größe (L2) des zu überholenden Fahrzeugs wird von der Einheit ebenfalls geliefert. Die 5 m Einstellung kann variiert werden, beispielsweise in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Ein Beschleunigungssignal 15 wird aus dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 12 abgeleitet.
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Die Erfassungseinrichtung 13, 14 ist dazu konfiguriert, das Vorhandensein des vorausfahrenden Fahrzeugs 2 festzustellen und zutreffendenfalls zumindest ein erstes Ausgangssignal 13a zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine oder mehrere Eigenschaften des vorausfahrenden Fahrzeugs, und ferner das Vorhandensein eines entgegenkommenden Fahrzeugs 9 festzustellen und zutreffendenfalls ein oder mehrere weitere Ausgangssignale 14a zu erzeugen, das bzw. die repräsentativ ist/sind für eine oder mehrere Eigenschaften des entgegenkommenden Fahrzeugs. Dies erlaubt dem System die Geschwindigkeit und Distanz des vorausfahrenden Fahrzeugs und entgegenkommender Fahrzeuge festzustellen und optional auch eine Straßenkartierung.
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Diese Signale werden in die ECU eingespeist. Ein fahrerbetätigbarer Schalter 16 ermöglicht es, die Signale abzuschalten und so, falls gewünscht, das Sicherheitssystem quasi auszuschalten. Gemäß einer Alternative kann das Sicherheitssystem wie in 2 dargestellt durch Weglassen des Schalters 16, der es dem Fahrer ermöglicht, das System nach Bedarf ein- oder auszuschalten, permanent aktiv sein, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist.
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Die ECU ist dafür verantwortlich, die erforderlichen Berechnungen durchzuführen um festzustellen, ob der Überholvorgang möglich ist oder nicht, und dies ist in 2 durch den Block 17 dargestellt. Berücksichtigt werden die folgenden Szenarien:
- a) V1/V2/V3 = konstant, wobei V1 > V2
- b) V1 = V1' + a1·t/ V2 = V2' + a2·t/V3 = konstant
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Für die Variante a) werden die folgenden Berechnungen ausgeführt: D0 (Überholdistanz) = L2 + SZ t0 (für den Überholvorgang benötigte Zeit) = D0/((V1 – V2)·1000/3600)s t (Zeit für das überholende Fahrzeug bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs) = (D – c%·D)/((V1 + V3)·1000/3600)s
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c% – ist ein Sicherheitsprozentwert erhalten aus der erfassten Distanz zwischen dem entgegenkommenden Fahrzeug und dem den Überholvorgang ausführenden Fahrzeug. Der Zweck dieses Faktors ist es, eine sichere Zone auch vor dem entgegenkommenden Fahrzeug zu erzeugen. Der empfohlene Wert beträgt 10%, kann jedoch in Abhängigkeit der erfassten Distanz verändert werden. Di, i = 1..3 (von jedem Fahrzeug während des Überholvorgangs zurückgelegte Distanz) = t0·Vi·1000/3600(m) Dr (die verbleibende Distanz in Abhängigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs) = D – c%·D – D1 – D3 (m), wobei D1 die von dem überholenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz und D3 die des entgegenkommenden Fahrzeugs ist.
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Für die Variante b) werden die folgenden Berechnungen durchgeführt: D0 = L2 + SZ a1·t^2 + (V1' – V2')·t – D0 = 0(Gleichung zweiten Grades) Δ = (V1' – V2')^2 + 4·a1·D0 t0 (Überholzeit) = (–(V1' – V2') + sqrt(Δ))/(2·a1)(s) (a1 + a3)·t^2 + (V1' + V3') – (D – c%·D) = 0 Δ = (V1' + V3')^2 + 4·(a1 + a3)·(D – c%·D) t (Zeit für das überholende Fahrzeug bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs) = (–(V1' + V3') + sqrt(Δ))/(2·(a1 + a3))(s) Di, i = 1..3 (von jedem Fahrzeug zu t0 zurückgelegte Distanz) = t0·Vi·1000/3600 + ai·t0^2, mit a2 = 0 m/s^2. Dr (die verbleibende Distanz in Abhängigkeit des entgegenkommenden Fahrzeugs) = D – c%·D – D1 – D3 (m), wobei D1 die von dem überholenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz und D3 die von dem entgegenkommenden Fahrzeug zurückgelegte Distanz ist.
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Damit das Steuergerät die Erlaubnis dazu gibt, den Überholvorgang stattfinden zu lassen, sollte das System eine Reihe von mehr oder weniger komplexen Bedingungen in Abhängigkeit der Art des verbauten Systems erfüllen. Falls eine der Bedingungen nicht beachtet wird, wird das System zunächst eine Warnung ausgeben oder anschließend in die Fahrzeugsteuerung eingreifen, um den Überholvorgang zu verhindern.
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In dieser ersten Ausführungsform wird das Steuergerät kontrollieren, dass der Sicherheitsbereich vorhanden ist, bevor es den Überholvorgang stattfinden lässt. Die Sicherheitszone wird dazu verwendet, um dem Zielfahrzeug ein sicheres Wiedereinscheren in die Fahrtrichtungsspur zu ermöglichen.
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Das Steuergerät benutzt ferner die aus den Bewegungsgleichungen (Abstand und Zeit für das Stattfinden des Überholvorgangs und die Zeit, bis das Fahrzeug das entgegenkommende Fahrzeug trifft) berechneten Ergebnisse und die aus den Radarerfassungseinheiten stammende Distanz zum entgegenkommenden Fahrzeug.
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Die Bedingungen, die in dieser Phase erreicht werden müssen, sind die folgenden:
- – Die Überholdistanz sollte kleiner sein als die Auftreffdistanz des Zielfahrzeugs auf das entgegenkommende Fahrzeug.
- – Die Überholzeit sollte geringer sein als die Zeit bis zum Auftreffen des Zielfahrzeugs auf das entgegenkommende Fahrzeug.
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Das Steuergerät enthält eine Bedingungsüberprüfungseinheit 18 und diese verifiziert, ob alle Bedingungen für ein sicheres Ausführen des Überholvorgangs erfüllt sind. Wenn die 5 m Sicherheitszone vorhanden ist und die Überholzeit kleiner ist als die Zeit bis zum Treffen des entgegenkommenden Fahrzeugs und die verbleibende Distanz zwischen dem überholenden Fahrzeug und dem entgegenkommenden Fahrzeug größer ist als 0 m, dann kann dem Fahrer ein das Überholen erlaubendes grünes Licht (20) angezeigt werden, ansonsten wird eine Warnleuchte (19) angezeigt.
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2 zeigt die Bewegung des Fahrzeugs 1 während eines Überholvorgangs, der sicher ist. Wie ersichtlich schert das Fahrzeug vor dem vorausfahrenden Fahrzeug (nun ein hinterherfahrendes Fahrzeug) wieder in die Sicherheitszone 6 ein, bevor die Ziellinie 8 von dem entgegenkommenden Fahrzeug 9 erreicht worden ist.
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3 zeigt einen ähnlichen Überholvorgang in einer Kurve der Straße. In diesem Fall kann zu Beginn des Überholvorgangs aufgrund der Kurve das entgegenkommende Fahrzeug nicht erkannt werden, was den Überholvorgang unsicher machen kann. Durch zur Kenntnisnehmen mittels eines GPS-Signals, dass die Straße gekrümmt ist, kann von der ECU eine Warnung ausgegeben werden.
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Eine zweite Ausführungsform ist in 7 gezeigt, die die Funktionalität des Sicherheitssystems steigern kann durch Verwenden zusätzlicher Informationen, die von außerhalb des Fahrzeugs 1 erhalten werden. Dieses System enthält alle Merkmale der ersten Ausführungsform, jedoch empfängt die ECU 10' zusätzliche Signale aus zusätzlichen Quellen und führt einige weitere Auswertungen unter Verwendung dieser Signale durch.
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Die von dem Steuergerät 10' in dieser zweiten Ausführungsform empfangenen und verarbeiteten zusätzlichen Signale werden von Folgendem geliefert:
Einer vorwärtsgewandten Kamera 23 mit einer Verkehrszeichen- und Straßenmarkierungserkennungsfähigkeit. Der Ausgang wird für den Bedingungspunkt 16 verwendet. Das System wird auch die Größe (L2) des vorausfahrenden Fahrzeugs liefern durch Identifizieren des Fahrzeugtyps.
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Einer bordeigenen GPS-Einheit 21, die Informationen über das Straßenprofil liefert.
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Einer Fahrzeuginternetverbindung 22. Diese erlaubt es dem Fahrzeug, sich mit Sende/Empfangstürmen 24 zu verbinden, um Informationen über die Position entgegenkommender Fahrzeuge zu erhalten, die dieselbe Verbindungsfähigkeit aufweisen müssten.
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Dem Sende/Empfangsturm 24, der die Positionsinformationen umgebender verbundener Fahrzeuge über die Internetverbindung 22 an die ECU überträgt.
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Unter Verwendung dieser zusätzlichen Signale führt das Steuergerät eine weitere Funktion aus, mit der die Distanz (D) zwischen dem aktuellen Fahrzeug und dem entgegenkommenden Fahrzeug 9 berechnet wird unter Einsatz einer Rückmeldung aus der eingebetteten GPS-Einheit und der durch die Internetverbindung gelieferten Informationen.
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Mit den zusätzlichen Sensoren dieser zweiten Ausführungsform kann das System mehr Bedingungen kontrollieren, bis das System eine Erlaubnis erteilt. Diese Überprüfungen können mit unterschiedlichen Komplexitätsniveaus durch zwei Steuereinheiten ausgeführt werden, die einen Teil der Steuereinrichtung bilden.
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Ein erstes Steuergerät wird die Information aus der vorwärtsschauenden Kamera heranziehen, sobald die Überholabsicht signalisiert wird, und wird eine Warnung ausgeben, falls die Straßenmarkierungen oder Verkehrszeichen einen Überholvorgang verbieten. Ebenfalls mit der Hilfe der nach vorne schauenden Kamera oder dem Wasserdetektionssensor können die Wetterbedingungen berücksichtigt werden und im Falle eines starken Niederschlages (Regen oder Schnee) kann das System eine Warnung ausgeben, bevor es die nächste Steuerphase durchläuft.
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Sobald die erste Bedingung erfüllt ist, sollte das System dann all die Berechnungen durchlaufen, die erforderlich sind, um Daten in die zweite Steuereinheit einzugeben, welches abgesehen von den in der ersten Systemvariante enthaltenen Überprüfungen zusätzliche Regelschleifen umfasst wie folgt:
Wenn das Fahrzeug mit einer Internetverbindung ausgestattet ist und wenn es über diese Verbindung Daten empfängt, gemäß denen es ein entgegenkommendes Fahrzeug gibt, das näher ist als die zum Durchführen des Überholvorgangs notwendige Distanz, dann wird es eine Warnung ausgeben.
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Ferner kann das System, wenn es die über die Internetverbindung übermittelten Einschränkungen berücksichtigt (Geschwindigkeitsbegrenzungen, Straßenverkehrseinschränkungen wie etwa eine sich nähernde Baustelle oder eine Änderung der Straßenmarkierung) und mit den Überholvorgangsbedingungen vergleicht, eine Warnung ausgeben, falls eine hohe Risikowahrscheinlichkeit besteht, dass das Manöver fehlschlägt.
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Wenn das Fahrzeug eine bordeigene GPS-Einheit aufweist, kann das System, durch Berücksichtigen der unterschiedlichen Geschwindigkeitsbeschränkung, die auf dem Straßenabschnitt auftreten kann, auf dem der Überholvorgang stattfinden soll, und Vergleichen mit der Position und Geschwindigkeit, die zum Durchführen des Manövers erforderlich sind, eine Warnung ausgeben, falls die erforderliche Geschwindigkeit höher ist als ein berechneter Wert, der die auf diesem Abschnitt geltende Geschwindigkeitsbegrenzung plus eine Konstante enthält (die Konstante wird dazu benutzt, eine geringe Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit über das gesetzliche Limit zu gestatten). Ferner kann das System, durch Berücksichtigen der Änderungen des Straßenprofils für den herannahenden Abschnitt (wie etwa enge Kurven, Rampen, starke Gefälle etc.), der zum Durchführen des Manövers erforderlichen Geschwindigkeit und der Positionen, welche das überholende Fahrzeug während dieses Vorgangs einnimmt, eine Warnung auslösen, wenn es zum Schluss kommt, dass beim Durchführen des Manövers ein Risiko besteht.
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Ferner sollte das System dazu in der Lage sein, eine Warnung auszugeben, wenn die erforderliche Geschwindigkeit zum Durchführen des Überholvorgangs deutlich über der auf diesem Straßenabschnitt geltenden Begrenzung liegt.
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Falls abgesehen von den zusätzlichen Bedingungen die Distanz und Zeit zum Durchführen des Überholvorgangs kleiner ist als die bis zum Aufeinandertreffen der zwei Fahrzeuge und falls die erforderliche Geschwindigkeit die unter Berücksichtigung der gesetzlichen Begrenzung und einer Konstante berechnete Geschwindigkeit nicht übersteigt, kann der Überholvorgang unter sicheren Bedingungen stattfinden.
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Die 4 und 5 illustrieren, wie die zusätzlichen Signale bei einem Überholvorgang nutzbringend eingesetzt werden können. Wie in 4 gezeigt ändert sich die Geschwindigkeitsbegrenzung auf der Straße innerhalb der Überholvorgangszone und dies kann mittels der Kamera erfasst werden. Die Geschwindigkeitsbegrenzung wird dann bei der Berechnung der erforderlichen Überholdistanz und der Ziellinienposition 8 verwendet werden.
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Wie in 5 gezeigt wird dem Steuergerät über die von dem Sende/Empfangsturm gesandten Signale das Vorhandensein des entgegenkommenden Fahrzeugs zur Kenntnis gebracht, obwohl das entgegenkommende Fahrzeug für die Erfassungseinrichtung nicht sichtbar ist. Zusätzlich wird das GPS-Signal dazu benutzt dem Fahrzeug mitzuteilen, dass eine Kurve herannaht und die Ziellinie an der korrekten Position hinter der Kurve liegt. Ein sicherer Überholvorgang kann durchgeführt werden, wenn das entgegenkommende Fahrzeug weit genug entfernt ist. Natürlich hängt dieses System davon ab, dass alle Fahrzeuge mit einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation ausgestattet sind, und bis dies der Fall ist kann das System lediglich angeben, dass ein Überholvorgang unsicher ist, wenn bekannt ist, dass ein Fahrzeug entgegenkommt, und kann in allen anderen Fällen die Entscheidung über den Überholvorgang dem Fahrer des Fahrzeugs überlassen.
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Das System kann in jeder Ausführungsform eine Warnung an den Fahrer ausgeben, z. B. ein grünes Licht oder ein Warnsignal. Bei einem autonomen Fahrzeug, wenn kein Fahrer vorhanden ist, kann das System das Ergebnissignal einem Steuersystem für den Fahrzeugantrieb zuführen, welches das Ergebnissignal beim Planen der Geschwindigkeit und Richtung verwendet, mit der das Fahrzeug gefahren wird.