DE102017124161A1

DE102017124161A1 - Zustandserkennung der Fahrbahn mittels Laserabtastung

Info

Publication number: DE102017124161A1
Application number: DE102017124161.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Schmidt
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrbahnzustandes mittels einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik, die mindestens einen Teil der einem Kraftfahrzeug vorausgehenden Fahrbahn erfasst, wobei die Fahrbahnzustandserkennungssensorik einen als Laser ausgebildeten Fahrbahnerkennungssensor (11) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines von dem Laser ausgesendeten Laserstrahls (110), der auf die Fahrbahnoberfläche (12) unter einem Winkel (γ) kleiner als 80° trifft, so dass bei nasser oder eisiger Fahrbahn ein überwiegender Teil des von der Fahrbahnoberfläche (12) reflektierten Laserlichtes aus dem Messbereich des Fahrbahnerkennungssensor (11) heraus reflektiert wird; Detektieren des reflektierten Laserlichtes; Abgleichen der detektierten Signalstärke mit gespeicherten Tabellenwerten; und Bestimmen des Fahrbahnzustandes anhand des Abgleiches.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrbahnzustandes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einem Kraftfahrzeug mit einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Nasse oder vereiste Straßen können für Kraftfahrzeuge eine Gefahr darstellen. Bekannte Fahrzeugassistenzsysteme sind dazu ausgelegt, einen durch Nässe oder Eis verminderten Reibungskoeffizienten zwischen einem Fahrzeugrad und der Straßenoberfläche zu erkennen, wenn Schlupf entsteht. Unter dem Begriff „Schlupf“ wird der Zustand verstanden, wenn sich beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugrades die Oberflächengeschwindigkeit des Rades von der Fahrzeuggeschwindigkeit unterscheidet. Dies ist jedoch nachteilig, da Schlupf vermieden werden sollte. Es ist daher wünschenswert, bereits vorzeitig zu erkennen, ob sich Wasser oder Eis auf der Straße befindet.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 207 147 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung der Fahrbahnoberfläche mit einer Lichtlaufzeitkamera bekannt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht nur eine Abmessung der Fahrbahn möglich ist, sondern zugleich auch ein Abstand und durch Aufnahme von aufeinander folgenden Bilder auch eine Geschwindigkeit der Unebenheiten der Fahrbahn detektierbar sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Erkennung eines Fahrbahnzustandes anzugeben, die besonders einfach sind und ohne aufwändige zusätzliche Sensorik oder aufwändige Software auskommen.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Bestimmung eines Fahrbahnzustandes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Kraftfahrzeug mit einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Demnach ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Fahrbahnzustandes mittels einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik, die mindestens einen Teil der einem Kraftfahrzeug vorausgehenden Fahrbahn erfasst, wobei die Fahrbahnzustandserkennungssensorik einen als Laser ausgebildeten Fahrbahnerkennungssensor aufweist, vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

• Bereitstellen eines von dem Laser ausgesendeten Laserstrahls, der auf die Fahrbahnoberfläche unter einem Winkel kleiner als 85° trifft, so dass bei nasser oder eisiger Fahrbahn ein Teil des von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Laserlichtes aus dem Messbereich des Fahrbahnerkennungssensor heraus reflektiert wird;
• Detektieren des reflektierten Laserlichtes;
• Abgleichen der detektierten Signalstärke mit gespeicherten Tabellenwerten; und
• Bestimmen des Fahrbahnzustandes anhand des Abgleiches.

Dieses Verfahren erlaubt den Fahrbahnzustand ohne zusätzliche Mittel und auf einfache Art und Weise zu erkennen.
Bevorzugt wird zwischen den Fahrbahnzuständen trocken, nass und vereist unterschieden. Dabei ist prinzipiell davon auszugehen, dass die reflektierte Lichtmenge, auf nasser oder vereister Fahrbahn größer ist im Vergleich zur reflektierten Lichtmenge auf trockener Fahrbahn. Es hängt jedoch vom Winkel ab, ob die detektierte Lichtmenge größer oder kleiner ist.
Vorzugsweise sind die gespeicherten Tabellenwerte Signalstärken, die dem jeweiligen Fahrbahnzustand zugeordnet sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Frequenzverschiebung des Laserlichtes von der Fahrbahnzustandserkennungssensorik erfasst wird. Dadurch können noch genauere Informationen über den Zustand gewonnen werden.
Bevorzugt ermittelt der Fahrbahnerkennungssensor mittels Triangulation zusätzlich zum Zustand der Fahrbahnoberfläche die Distanzen zur Fahrbahnoberfläche und/oder das Fahrbahnprofil.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Fahrbahnerkennungssensor ein Laserscanner, dessen Laserlicht zu einer Laserlinie aufgeweitet ist, die einen Beobachtungssektor der Fahrbahn abtastet. Vom Begriff „aufgeweitet“ sollen hier zwei verschiedene Methoden umfasst sein. Entweder wird der Strahl selbst mit einer Optik über einen Winkelbereich in horizontaler und/oder vertikaler Richtung aufgeweitet oder der Strahl wird mit einer Modulation entlang eines Winkelbereiches in horizontaler und/oder vertikaler Richtung über die Oberfläche der Straße bewegt. Es ist auch denkbar, die Aufweitung mittels Überlagerung beider Methoden gleichzeitig oder abwechselnd auszuführen. Es müssen nur für die jeweils angewendete Methode entsprechende Kalibrierwerte als Tabellenwerte abgespeichert sein, damit daraus der Staßenzustand erkannt werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn zu Beginn jeder Fahrt eine Kalibration der Tabellenwerte durchgeführt wird. Es ist aber auch denkbar und möglich, eine feste Kalibrierung für eine Vielzahl von Straßenzuständen vorzusehen.
Vorzugsweise wird das Laserlicht mit einer Trägerfrequenz in einem Bereich von 10kHz bis 30kHz moduliert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Laserlicht mit einer eindeutigen Signalkennung ausgesendet. Dabei kann neben der Modulationsfrequenz im höherfrequenten Bereich von 10kHz bis 30kHz noch mit einer weiteren niedrigeren Frequenz überlagert moduliert werden. Als Niederfrequenzen kommen hier beispielsweise Bereiche von 1000Hz bis 10kHz in Frage, wobei ein Bereich von 1kHz bis 5 kHz zu bevorzugen ist. Die Signalkennung kann aber auch mit einer charakteristischen Taktung erfolgen.
Weiterhin ist ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik, die mindestens einen Teil der dem Kraftfahrzeug vorausgehenden Fahrbahn erfasst, vorgesehen, wobei die Fahrbahnzustandserkennungssensorik einen als Laser ausgebildeten Fahrbahnerkennungssensor umfasst, und wobei ein von dem Laser ausgesendeter Laserstrahl unter einem Winkel kleiner als 85° zu einer durch die Kraftfahrzeuglängsachse und die Kraftfahrzeugquerachse aufgespannten Horizontalebene orientiert ist, so dass bei nasser oder eisiger Fahrbahn ein Teil des von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Laserlichtes aus dem Messbereich des Fahrbahnerkennungssensor heraus reflektiert wird.
Es ist vorteilhaft, wenn der Fahrbahnerkennungssensor ein Laserscanner ist, dessen Laserlicht zu einer Laserlinie aufgeweitet ist, die einen Beobachtungssektor der Fahrbahn abtastet. Vorzugsweise erfasst der Laser das Fahrbahnprofil mittels Triangulation.
Bevorzugt ist der Fahrbahnerkennungssensor mit seiner Sensoroberfläche unter einem Winkel kleiner als 85° und größer als 20° zur Horizontalebene ausgerichtet.
Das Laserlicht weist vorzugsweise eine Trägerfrequenz in einem Bereich von 10kHz bis 30kHz auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Laserlicht eine eindeutige Signalkennung auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Lenkung eines Kraftfahrzeuges in Draufsicht,
2: eine vereinfachte Ansicht der Anordnung eines Sensors im vorderen Bereich des Kraftfahrzeuges,
3: eine schematische Darstellung der Ausrichtung der Laserstrahlen,
4: eine schematische Darstellung der Signalfolge des ausgesendeten Lasersignals,
5: eine alternative Anordnung eines Sensors, sowie
6 eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Anordnung des Sensors, wie in 5 gezeigt.

In 1 ist schematisch das Kraftfahrzeug 1 mit einer Vorderachse 2 und einer Hinterachse 3 dargestellt, wobei die der Vorderachse 2 zugeordneten Räder 4 lenkbar sind. Die Vorderachse 2 umfasst bezogen auf eine Fahrtrichtung 5 ein linkes lenkbares Rad 40 und ein rechtes lenkbares Rad 41, die über eine Zahnstange 6 eines Zahnstangenlenkgetriebes 7 miteinander verbunden sind. Der Fahrer leitet an einem Lenkrad 8 ein Drehmoment 9 ein, dass zu einer Verlagerung der Zahnstange 6 quer zur Fahrtrichtung 5 nach rechts oder links führt, wodurch die Räder 40,41 verschwenkt werden. Das Fahrzeug weist eine Fahrzeuglängsachse 50, eine Fahrzeugquerachse 51 und eine Hochachse 10 auf, die senkrecht zur Fahrzeuglängsachse 50 orientiert ist, und um die sich das Fahrzeug mit einer Gierrate dreht.
Ein Laserscanner 11 ist in einem vorderen Bereich des Kraftfahrzeuges 1 vorgesehen, der eine Fahrbahnoberfläche 12 in einem vorgegeben Sektor 13 zwischen dem linken Rad 40 und dem rechten Rad 41 mit einem Laserstrahl 110 abtastet. Gescannt wird somit die Fahrbahnoberfläche 12, die sich in Fahrtrichtung 5 vor dem Kraftfahrzeug 1 befindet. Die Fahrbahnoberfläche 12 weist Unebenheiten auf. Insbesondere kann die Fahrbahnoberfläche nasse oder vereiste Oberflächenstellen 121 aufweisen. Der Laserscanner 11 wird zur Erkennung des Fahrbahnzustandes eingesetzt. Er führt bevorzugt eine kontinuierliche Schwenkbewegung im interessierenden horizontalen Beobachtungssektor 13 und im Beispiel im interessierenden vertikalen Beobachtungssektor 131 durch.
Der Laserscanner 11 dazu eingesetzt den Fahrbahnzustand zu ermitteln. Dabei wird zwischen einer trocken, vereisten und nassen Fahrbahn unterschieden.
Der Laserscanner 11 kann zusätzlich mittels Triangulation die Distanzen zur Fahrbahnoberfläche 12 ermitteln und somit das Straßenprofil zu erfassen. Eine nicht dargestellte Empfangsoptik, die in den Laserscanner 1 integriert sein kann oder als separater Empfänger 113 (vgl. 5) ausgebildet sein kann, bildet das diffus reflektierte Licht dieser Lasersignale auf einer hochempfindlichen Sensormatrix ab. Eine Auswerteeinheit kann aus diesem Matrixbild neben den Abstandsinformationen entlang der Hochachse auch die Position entlang der Laserlinie berechnen.
Mit einem GPS-Sensor 210 (GPS - Global Position Sensor) kann anhand von Karteninformationen der allgemeine Straßenzustand bestimmt werden und als Hilfe zur Kalibrierung oder Optimierung der Signalauswertung verwendet werden, beispielsweise ein bekannter Straßenbelag.
Die 2 und 3 zeigen schematisch die Ermittlung des Fahrbahnzustandes. Die Laserstrahlen 110 des Laserscanners 11 bilden mit einer durch die Fahrzeuglängsachse 50 und die Fahrzeugquerachse 51 aufgespannt Horizontalebene 52 in Projektion auf den Normalenvektor der Ebene einen Winkel α aus, der kleiner als 85°, insbesondere kleiner als 70° ist. Das Licht trifft somit auf die Fahrbahnoberfläche unter einem Winkel γ kleiner als 85°. Bei Nässe oder Eis wird durch den spiegelnden Effekt die Intensität des reflektierten Lichts, das vom Sensor empfangen wird verändert.
3 zeigt die Anordnung des leicht schräg zur Horizontalebene 52 angeordneten Laserscanners, dessen Laserlicht in einem Winkel α zur Horizontalebene 52 auf die Fahrbahnoberfläche ausgesendet wird. Der Laserscanner ist dabei in einem Winkel β zur Horizontalebene ausgerichtet. Das Laserlicht 110 wird auf einer nassen Stelle 14 der Fahrbahnoberfläche 12 nur zum Teil auf die Sensoroberfläche reflektiert. Ein Großteil des reflektierten Lichtes 111 wird nicht detektiert. Dadurch kann auf einfache Art ermittelt werden, ob eine nasse oder vereiste Fahrbahnoberfläche dem Kraftfahrzeug vorausliegt.
Zur Erhöhung der Signalqualität kann das Laserlicht mit einer Trägerfrequenz von bevorzugt 10kHz - 30kHz moduliert werden. Die Modulation wird bei der Abtastung der Fahrbahnoberfläche mit ausgewertet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Laserlicht mit einer eindeutigen Signalkennung ausgesendet, wodurch das Signal-RauschVerhältnis verbessert werden kann.
4 zeigt schematisch eine Modulationsfrequenz Fm, mit der die Laserintensität moduliert werden kann. Diese Frequenz kann wie bereits ausgeführt im Bereich von 10kHz bis 30kHz liegen.
Weiterhin ist in 4 eine eindeutige Signalfolge als Signalkennung dargestellt. Hier im Beispiel ist die Signalfolge mit Lasersignal an während der Zeitabschnitte A und C und Lasersignal aus während der Zeitabschnitte B und D als Signalfolge gewählt.
Der Sensor kann direkt auf die Modulationsfrequenz und bevorzugt auf die Signalfolge eingestellt sein, so dass Störsignale einen viel geringeren Einfluss auf das Messergebnis haben.
Die verschiedenen Intensitäten und/oder Frequenzverschiebungen, gegebenenfalls auch der Modulationsfrequenz, des gemessenen reflektierten Laserlichtes werden in Versuchen für unterschiedliche Straßenzustände (trocken, vereist, nass) bestimmt und in Tabellen in Relation zum Straßenzustand abgespeichert. Im Fahrbetrieb werden dann die gemessenen Werte mit den Tabellenwerten verglichen, um den Straßenzustand zu bestimmen.
Es kann ein Kalibriervorgang vorgesehen sein, der zu Beginn jeder Fahrt durchgeführt wird. Bei diesem Kalibriervorgang wird die reflektierte Lichtintensität gemessen und als Ausgangswert für eine trockene Straße gespeichert. Die Tabellenwerte der anderen Zustände werden entsprechend proportional dazu angepasst.
Es kann vorgesehen sein, den Laserscanner 11 leicht schräg zur Kraftfahrzeuglängsachse, in einem Winkel nach vorne schauend, zu montieren (vgl. 3), oder eine entsprechende Optik zur Ausrichtung des Laserstrahls zu verwenden.
Zur Reduktion der Verunreinigung des Laserscanners kann er, wie es in 5 und 6 veranschaulicht ist, versenkt in die Oberfläche des Fahrzeuges eingelassen sein. Hierzu ist die Vertiefung 200 vorgesehen, deren Oberflächen 201 bevorzugt nicht oder wenig reflektierend ausgebildet sind.
Die Ausstrahlung und/oder das Detektieren des Laserlichtes kann abwechselnd in verschiedene Richtungen erfolgen, um einen größeren Bereich der Straße abzudecken und somit mehr vorausschauende Informationen zu gewinnen.
Es kann Laserlicht in verschiedenen Frequenzbereichen, beispielsweise Infrarot, Ultraviolett oder im sichtbaren Bereich verwendet werden.
Die Erfindung ist allgemein in Kraftfahrzeugen einsetzbar und kann insbesondere in elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkungen mit Hilfskraftunterstützung oder Steer-by-Wire-Lenkungen Anwendung finden.
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

DE 102013207147 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Fahrbahnzustandes mittels einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik, die mindestens einen Teil der einem Kraftfahrzeug vorausgehenden Fahrbahn erfasst, wobei die Fahrbahnzustandserkennungssensorik einen als Laser ausgebildeten Fahrbahnerkennungssensor (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Bereitstellen eines von dem Laser ausgesendeten Laserstrahls (110), der auf die Fahrbahnoberfläche (12) unter einem Winkel (γ) kleiner als 85° trifft, so dass bei nasser oder eisiger Fahrbahn ein Teil des von der Fahrbahnoberfläche (12) reflektierten Laserlichtes aus dem Messbereich des Fahrbahnerkennungssensor (11) heraus reflektiert wird; • Detektieren des reflektierten Laserlichtes; • Abgleichen der detektierten Signalstärke mit gespeicherten Tabellenwerten; und • Bestimmen des Fahrbahnzustandes anhand des Abgleiches.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fahrbahnzuständen trocken, nass und vereist unterschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Tabellenwerte Signalstärken sind, die dem jeweiligen Fahrbahnzustand zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenzverschiebung des Laserlichtes von der Fahrbahnzustandserkennungssensorik erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrbahnerkennungssensor (11) mittels Triangulation die Distanzen zur Fahrbahnoberfläche und/oder das Fahrbahnprofil ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrbahnerkennungssensor (11) ein Laserscanner ist, dessen Laserlicht zu einer Laserlinie aufgeweitet ist, die einen Beobachtungssektor der Fahrbahn abtastet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn jeder Fahrt eine Kalibration der Tabellenwerte durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht mit einer Trägerfrequenz in einem Bereich von 10kHz bis 30kHz moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht mit einer eindeutigen Signalkennung ausgesendet wird.
Kraftfahrzeug (1) mit einer Fahrbahnzustandserkennungssensorik, die mindestens einen Teil der dem Kraftfahrzeug vorausgehenden Fahrbahn erfasst, wobei die Fahrbahnzustandserkennungssensorik einen als Laser ausgebildeten Fahrbahnerkennungssensor (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Laser ausgesendeter Laserstrahl (110) unter einem Winkel (α) kleiner als 85° zu einer durch die Kraftfahrzeuglängsachse (50) und die Kraftfahrzeugquerachse (51) aufgespannten Horizontalebene (52) orientiert ist, so dass bei nasser oder eisiger Fahrbahn ein Teil des von der Fahrbahnoberfläche (12) reflektierten Laserlichtes aus dem Messbereich des Fahrbahnerkennungssensor (11) heraus reflektiert wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrbahnerkennungssensor (11) ein Laserscanner ist, dessen Laserlicht zu einer Laserlinie aufgeweitet ist, die einen Beobachtungssektor der Fahrbahn abtastet.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (11) das Fahrbahnprofil mittels Triangulation erfasst.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrbahnerkennungssensor (11) mit seiner Sensoroberfläche unter einem Winkel (β) kleiner als 85° und größer als 20° zur Horizontalebene (52) ausgerichtet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht eine Trägerfrequenz in einem Bereich von 10kHz bis 30kHz aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht eine eindeutige Signalkennung aufweist.