-
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs, die mehrere Sensoren umfasst, sowie ein entsprechend ausgerüstetes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, und ein entsprechendes Verfahren.
-
In heutigen Kraftfahrzeugen wie z.B. Personenkraftwagen, Motorrädern, Bussen und Lastkraftwagen sind eine Vielzahl von Sensoren vorgesehen, die Zustände am und um das Fahrzeug für unterschiedlichste Zwecke wie Steuerungsaufgaben, Anzeigen usw. erfassen. Beispielsweise kann von einem Fahrzeug mittels Ultraschallsensoren, die in Front- und Heckstoßfängern integriert sind, das Fahrzeugumfeld im Nahbereich bis zu einigen Dezimetern oder Metern hinsichtlich Hindernissen automatisch erfasst werden um dem Fahrzeugführer Einparkvorgänge zu erleichtern. Ein solcher Parksensor besteht typischerweise aus einem Sender, der Ultraschall vom Fahrzeug weg abstrahlt und einem Empfänger, der die von etwaigen Gegenständen im Umfeld des Fahrzeugs zurück reflektierte Ultraschall-Strahlung empfängt, so dass der Abstand zwischen Fahrzeug und Hindernis ermittelbar ist. Bezüglich des Abstands des Fahrzeugs zum Hindernis kann damit eine optische und/oder akustische Signalisierung erfolgen, insbesondere, wenn dieser einen oder mehrere vorgegebene Mindestwerte unterschreitet.
-
Mit einem Fahrerassistenzsystem, das auf Basis von vom Fahrzeug abgestrahlter und aus dem Fahrzeugumfeld zurück reflektierter Radarstrahlung arbeitet, können auch weiter weg befindliche Gegenstände erfasst werden. Mit derartigen Systemen kann beispielsweise während der Fahrt der Abstand und/oder die Geschwindigkeitsdifferenz zu einem vorausfahrenden Fahrzeug gemessen werden. Mittels des Abstands- und/oder Geschwindigkeitsdifferenzwertes kann dann beispielsweise eine geschwindigkeitsgesteuerte Abstandsregelung (engl. Automatic Cruise Control, ACC) erfolgen, durch die das Fahrzeug automatisch einen geschwindigkeitsabhängigen Soll-Abstand einhält.
-
Optische Kameras, insbesondere auf Basis von CCD-Sensoren, werden beispielsweise für Fernlichtassistenten eingesetzt, mittels derer bei Nacht entgegenkommende Fahrzeuge erkannt werden und auf dieser Basis automatisch zwischen Abblend- und Fernlicht umgeschaltet wird. Kameras können auch für Spurhalte-Einrichtungen oder Spurwechsel-Warneinrichtungen verwendet werden. Zur besseren Erkennung von z.B. Fußgängern und Wild insbesondere nachts werden beispielsweise infrarotempfindliche Kameras eingesetzt.
-
Aus der
DE 10 2009 002 626 A1 und der
WO 2010/042483 A1 sind Sensorvorrichtungen für Fahrzeuge bekannt, bei denen mehrere Sensoren, die jeweils Strahlen unterschiedlicher Art detektieren, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
-
Aus der
DE 10 2014 219 567 A1 ist es bekannt, Strahlengänge von mehreren Projektoren mittels Strahlteiler zusammen zu führen um durch Bild-Überlagerung ein 3D-Bild in einem Headup-Display anzuzeigen.
-
Aus der
US 2014/0176350 A1 ist eine Sensorvorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs bekannt, die einen Videosensor, einen Video-Range-Sensor, einen Radarsensor und einen Ultraschallsensor umfasst.
-
Aus der
US 2015/0156479 A1 ist eine 3D-Kamera bekannt, bei dem sichtbares Licht und Nah-Infrarotlicht einander überlagert werden um ein 3D-Bild zu erzeugen.
-
Aus der
US 2017/0356997 A1 ist ein Eisdetektor für Flugzeuge bekannt, der einen Radarsensor, einen optischen Sensor und einen Splitter umfasst.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, Mittel vorzusehen, mit denen an einem Fahrzeug mehrere Sensoren zur Umfelderfassung auf relativ engem Bauraum untergebracht werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen angegeben, ebenso ein Fahrzeug mit Sensorvorrichtung und ein Verfahren, das mittels Sensorvorrichtung arbeitet.Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeug umfasst einen ersten Sensor, der Sensorsignale auf Basis empfangener Strahlen einer ersten Strahlungsart erzeugt und einen zweiten Sensor, der Sensorsignale auf Basis empfangener Strahlen einer zweiten Strahlungsart erzeugt.
-
Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin eine Reflexionseinrichtung, mittels derer Strahlengänge der empfangenen Strahlen der ersten und zweiten Art zumindest teilweise und insbesondere ganz einander überlagert werden. Für die Erfassung des Fahrzeugumfelds kann ein Erfassungs- bzw. Sichtfenster des ersten Sensors mit dem Erfassungs- bzw. Sichtfenster des zweiten Sensors entsprechend ganz oder teilweise überlappen.
-
Die Reflexionseinrichtung ist bezüglich der sensorseitigen Strahlengänge, insbesondere der sensorseitigen Strahlungsebenen der ersten und/oder zweiten Strahlen insbesondere an einer Stelle angeordnet, an der sich deren Normalen und insbesondere die Strahlengänge bzw. Strahlungsebenen selbst schneiden. Dadurch können die beiden Sensoren platzsparend in einem 90 Grad Winkel zueinander angeordnet werden. Die Reflexionseinrichtung ist weiterhin insbesondere gegenüber den beiden Strahlengängen bzw. Strahlungsebenen der ersten und/oder zweiten Strahlen in einem Neigungswinkel von mehr als 0 Grad und weniger als 90 Grad geneigt. Der jeweilige Neigungswinkel liegt insbesondere im Bereich von 40 bis 50 Grad und insbesondere bei 45 Grad.
-
Eine Strahlungsart im Sinne der vorliegenden Erfindung kann z.B. elektromagnetische Radar-Strahlung sein, insbesondere im Millimeter- oder Zentimeter-Wellenlängenbereich. Sie kann auch Infrarot-Strahlung oder sichtbares Licht sein. Die elektromagnetische Strahlung kann insbesondere durch einen Laser erzeugt werden.
-
Eine Strahlungsart im Sinne der vorliegenden Erfindung ist Ultraschall-Strahlung. Sofern im Folgenden Angaben zu Sensorvorrichtungen gemacht sind, deren erste und zweite Strahlungsart elektromagnetisch ist, betreffen diese die Erfindung, deren zweite Strahlungsart Ultraschall ist, nur insoweit, als deren erste Strahlungsart elektromagnetisch ist.
-
Die Reflexionseinrichtung kann dergestalt halbdurchlässig sein, dass sie Strahlen einer ersten Art, z.B. elektromagnetische Lichtwellen, zu einem ersten (hohen) Grad reflektiert und Strahlen einer zweiten Art, z.B. Radarwellen, zu einem niedrigeren zweiten Grad.
-
Die erste und/oder zweite Strahlung ist insbesondere Lichtstrahlung. Die Reflexionseinrichtung ist insbesondere ein Spiegel. Der Spiegel kann insbesondere ganz oder teilweise aus Kunststoff bestehen. Er kann aber auch frei von Kohlenstoff sein. Er kann ein Grundelement, beispielsweise eine dünne Platte z.B. aus Kunststoff oder Glas aufweisen, das mittels einer darauf angebrachten, insbesondere aufgedampften lichtreflektierenden Schicht verspiegelt ist. Die Schicht kann ein für Verspiegelungen übliches metallisches Material aufweisen, beispielsweise Chrom, Aluminium oder Silber. Die Spiegelfläche kann auch eine geeignete nichtmetallische, dielektrische Schicht aufweisen wie sie von dichroitischen Spiegeln bekannt sind. Die Dicke der Schicht kann je nach Material und Herstellungsverfahren im Bereich von einem Nanometer bis zu 100 Mikrometern liegen, beispielsweise im Bereich von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer. Der Spiegel ist insbesondere ein halbdurchlässiger Spiegel (auch Strahlteiler genannt), der Strahlen einer erste Wellenlänge bzw. eines ersten Wellenlängenbereichs zu einem relativ hohen, ersten Grad von z.B. > 50%, insbesondere mindestens zu 90%, reflektiert und Strahlen einer zweiten Wellenlänge bzw. eines zweiten Wellenlängenbereichs zu einem geringeren, zweiten Grad von z.B. < 50%, insbesondere zu höchstens 10% reflektiert. Ein halbdurchlässiger Spiegel mit einem Kunststoff-Trägermaterial und einer darauf angebrachten, dünnen Metallbeschichtung (von z.B. weniger als einem Mikrometer Dicke) kann beispielsweise Licht zu einem hohen Anteil reflektieren und von Radarstrahlung zu einem hohen Anteil durchdrungen werden. Bei einer Anordnung des Spiegels in einem Bereich, in dem sich die Strahlengänge von Lichtstrahlen und Radarstrahlen ganz oder teilweise überlappen, kann das Licht per Reflexion aus dem gemeinsamen Strahlengang ausgekoppelt werden und einer Lichtsensor-Einheit wie z.B. einer Kamera zugeführt werden. Wenn der Neigungswinkel des Spiegels etwa 45 Grad zum Strahlengang beträgt, dann können die ausgekoppelten Lichtstrahlen in einen Kamerasensor fallen, der etwa in einem 90 Grad Winkel zu dem gemeinsamen Strahlengang steht.
-
Die Sensorvorrichtung umfasst insbesondere ein Gehäuse, das den ersten und den zweiten Sensor zumindest teilweise, insbesondere ganz umschließt. Das Gehäuse kann insbesondere einen ersten Bereich mit einem ersten Element aufweisen, das für die erste und/oder zweite Strahlung undurchdringlich ist, und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Element, das für die erste und die zweite Strahlung durchdringlich ist. Der zweite Bereich kann dadurch insbesondere als Strahlungsschnittstelle zur Fahrzeugumgebung wirken, wenn die Sensorvorrichtung am Fahrzeug angebracht und insbesondere in oder hinter einem Karosserieteil des Fahrzeugs angeordnet ist. Das zweite Element kann am Fahrzeug im eingebauten Zustand insbesondere auch eine mechanische Schnittstelle der Sensorvorrichtung zum Fahrzeugumfeld bilden.
-
Die Erfindung ist vorteilhaft einsetzbar für so genanntes autonomes Fahren, bei dem das Fahrzeug vollautomatisch seine Längs- und Querführung ausführt. Dabei wird die Fahrzeugumgebung mittels mehrerer Sensoren möglichst vollständig erfasst. Die Sensoren können mittels der Erfindung so platzsparend in das Fahrzeug integriert werden, dass die Umgebung redundant durch möglichst verschiedene Sensorprinzipien (z.B. optisch, elektromagnetisch und akustisch) detektiert werden kann.
-
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass Sensoren (bspw. Parksensoren) mitunter nicht in allen Fahrsituationen benötigt werden bzw. nur spezifisch in einer Fahrsituation (z.B. Einparkvorgang) und dass diese Sensoren deshalb so miteinander in eine gemeinsame Vorrichtung integrierbar sind, dass sie wechselweise einsetzbar sind bzw. zwei bestimmte Sensoren nicht gleichzeitig messbereit sind.
-
Mit der Erfindung wurde zudem erkannt, dass aufgrund einer hohen Anzahl von Sensoren eine hohe Anzahl an Schnittstellen zur Umgebung entsteht bzw. benötigt wird, an denen Strahlen, die von Fahrzeugsensoren ausgesandt und/oder empfangen werden. Die Schnittstellen sind dabei insbesondere an Fahrzeugteilen angebracht, in Karosserieteile integriert und/oder in der Fahrzeugaußenfläche integriert. Die jeweiligen Sensorstrahlen treten typischerweise durch die Schnittstelle hindurch, beispielsweise durch ein Radom für elektromagnetische Radarstrahlen oder durch eine lichttransparente Schnittstelle. Die Schnittstelle ist dabei z.B. aus Kunststoff, insbesondere aus Acrylglas, so dass sie beispielsweise sowohl für Radarstrahlen als auch für Lichtstrahlen eine hohe Durchlässigkeit aufweist. Die kann z.B. auch aus geeignetem Glas bestehen um für Lichtstrahlen und Infrarot-Strahlung durchlässig zu sein. Mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist eine hohe Integrationsdichte von Sensoren erreichbar, so dass auf engem Raum des Fahrzeugs bzw. auf einem kleinen Bereich der Fahrzeug-Außenfläche eine gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen große Anzahl von Sensoren zur Fahrzeug-Umfelderfassung vorgesehen werden kann. Durch die Nutzung einer Schnittstelle an der Außenfläche des Fahrzeugs gemeinsam für mehrere Sensoren wird auch die Integration von einer Vielzahl von Sensoren in das Fahrzeugdesign vorteilhaft erleichtert.
-
Um die Verfügbarkeit der Sensoren sicher zu stellen, müssen deren zum Fahrzeugumfeld weisende mechanische Schnittstellen (z.B. eine Radom-Oberfläche oder eine Glasoberfläche) bei Verschmutzung gereinigt werden. Dies kann mittels Wasser, das mit Hochdruckdüsen an die Schnittstelle gesprüht wird und/oder oder mit einer Wischvorrichtung erfolgen. Durch eine erfindungsgemäße Integration mehrerer Sensoren dahin gehend, dass diese eine gemeinsame solche Schnittstelle nutzen, kann erreicht werden, dass entsprechendes Reinigungsmaterial eingespart wird, weil nur die eine Schnittstelle statt mehrere Schnittstellen zu reinigen ist. Infolgedessen kann im Fahrzeug beispielsweise der Vorratsbehälter für Reinigungswasser kleiner ausgebildet werden und damit Platz (Bauraum) und Gewicht für Lagerung und Transport eingespart werden. Zudem kann mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, in die mehrere Sensorelemente integriert sind, vorteilhaft erreicht werden, dass die Zahl der elektrischen Anschlüsse und ggf. Steckverbindungen für die Stromversorgung und/oder Datenverbindungen zwischen den Sensorelementen und elektronischen Steuereinheiten (engl. Electronic Control Unit, ECU) des Fahrzeugs verringert werden. Dadurch können auch die Zahl und/oder die Gesamtlänge elektrischer Leitungen im Fahrzeug und damit Gewicht und Energieverbrauch des Fahrzeugs vorteilhaft reduziert werden. Auch kann mit der Erfindung für den Fall einer notwendigen Beheizung von Sensor-Schnittstellen um diese beispielsweise von Schnee oder Eis zu befreien, ein Synergie-Effekt erreicht werden, weil nur eine Heizeinrichtung für mehrere Sensoren benötigt wird. Dadurch kann zudem Heizenergie eingespart und damit der Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs gering gehalten werden.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung ein optisches System, das mindestens einen Spiegel und mindestens eine Linse aufweist. Mittels der Linse können Gegenstände der Fahrzeugumgebung auf eine Kamera abgebildet werden. Die Linse befindet sich dabei vorzugsweise im Strahlengang zwischen Spiegel und Kamera, aber nicht im zweiten Strahlengang, beispielsweise dem Radarstrahlengang der Sensorvorrichtung um diese Strahlung nicht zu dämpfen bzw. zu modulieren. Mit Hilfe einer entsprechend angepassten Linsenanordnung (Weitwinkel-Linsenanordnung) können Blickwinkel von bis zu 180 Grad erreicht werden.
-
Es können Strahlengänge zweier optischer Sensorelemente ganz oder teilweise einander überlagert werden, beispielsweise der Strahlengang von einfallendem Licht der Fahrzeugumgebung zu einer lichtempfindlichen Kamera mit dem Strahlengang der Strahlung einer Lidar (Abkürzung für light detection and ranging) Einrichtung oder einer Ladar (Abkürzung für laser detection and ranging) Einrichtung. Die Wellenlängen der Lidar- bzw. der Ladar- Strahlung unterscheiden sich dabei insbesondere von den Licht-Wellenlängen, die von der lichtempfindlichen Kamera detektiert werden.
-
Für die Lidar- bzw. Ladar-Strahlen ist insbesondere vorgesehen, dass diese im Infrarot-Wellenlängenbereich liegen, also im Bereich von etwa 780 Nanometer bis 1 Millimeter, während die Kamera übliche visuelle Bilder der Fahrzeugumgebung aufnimmt, d.h. im Wellenlängenbereich von etwa 380 bis 780 nm Nanometer. Um in einem solchen Sensorsystem das sichtbare Licht und die IR-Strahlen voneinander aus dem gemeinsamen Strahlengang zu entkoppeln, kann ein so genannter Wärme- bzw. Kältelichtspiegel verwendet werden, der reflektierend auf die IR-Strahlung bzw. auf die sichtbare Lichtstrahlung wirkt und durchlässig für die jeweils andere Strahlung ist.
-
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung verwendet. Die Sensoren erfassen dabei Zustände um das Fahrzeug für unterschiedliche Zwecke.
-
Im Folgenden werden Sensorvorrichtungen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Sensorvorrichtung, die einen optischen Sensor und einen Radarsensor aufweist,
- 2 eine Radom-Platte und
- 3 eine Sensorvorrichtung, die eine Kamera und ein Lidar aufweist.
-
Die in 1 dargestellte Sensorvorrichtung 1 zur Erfassung des Umfelds 6 eines Fahrzeugs weist ein Gehäuse 2 mit einer Radomplatte 3 auf. Die Sensorvorrichtung 1 ist zur Montage an oder in einem Fahrzeug vorgesehen. In dem Gehäuse 2 ist als erster, optischer Sensor eine CCD-Kamera 4 vorgesehen und als zweiter Sensor eine Radareinrichtung 5, die Radarstrahlen empfängt und weitere übliche, hier nicht näher gezeigte Einrichtungen wie z.B. Strahlerzeugungseinrichtung, Antenne usw. aufweist. Im eingebauten Zustand ist die Radomplatte 3 beispielsweise an der Fahrzeugfront am oder unterhalb des Stoßfängers angebracht, so dass die Radarstrahlung das Umfeld 6 vor dem Fahrzeug erfassen kann.
-
In der Kamera 4 sind ein übliches optisches System mit mindestens einer Linse sowie ein CCD-Sensorelement integriert.
-
Das Gehäuse 2 und insbesondere die Radomplatte 3 schützt das innere der Sensorvorrichtung 1 und insbesondere die Radareinrichtung 5 vor mechanischer und insbesondere witterungsbedingter Beschädigung z.B. durch Nässe, Hagel, Schnee usw. Für die Radomplatte 3 eignet sich ein Material, das für die elektromagnetischen Radarwellen bzw. Radarstrahlen besonders gut durchlässig ist und das diese Strahlung nicht bzw. kaum reflektiert, absorbiert, bricht, streut und deren Polarisation nicht bzw. kaum ändert. Geeignete Materialien, die sowohl die erforderlichen mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften erfüllen, sind beispielsweise Kunststoffe wie Acrylglas (Plexiglas) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe mit organischen Harzen, wie z. B. Epoxy-Harzen, Polycarbonate oder Polyethylenterephthalate.
-
Die Radomplatte 3 weist eine jeweils für die Geometrie am zu bestückenden Fahrzeug geeignete rechteckige, abgerundete oder runde Form auf und beispielsweise eine Breite oder einen Durchmesser von ca. 10 Zentimeter, sowie z.B. eine Höhe von ca. 5 Zentimeter.
-
In dem Gehäuse 2 ist weiterhin ein Spiegel 7 vorgesehen, der eine Trägerplatte 8 aus Kunststoff aufweist, die einseitig mit einer z.B. 0,2 Mikrometer dünnen, lichtreflektierenden Aluminium-Metallschicht 8a beschichtet ist. Sie ist für die Radarstrahlung zu einem hohen Grad durchlässig.
-
Im vorderen, zwischen der durchsichtigen Radomplatte 3 und dem Spiegel 7 gelegenen Bereich 9 sind der Strahlengang 10 zur Kamera 4 und der Strahlengang 11 zur Radareinrichtung 5 einander überlagert, so dass die Radomplatte 3 im eingebauten Zustand eine gemeinsame Schnittstelle beider Sensoreinrichtungen 4, 5 zum Fahrzeugumfeld 6 bildet. Der im Winkel α von 45 Grad zum Strahlengang 11 liegende Spiegel 7 reflektiert die Lichtstrahlung mittels der Metallschicht 8a und lenkt sie dadurch um 90 Grad zur Kamera 4 um, während die Radarstrahlung den Spiegel 7 im Wesentlichen ungehindert zum hinteren Bereich 12, der zwischen Spiegel 7 und Radareinrichtung 5 liegt, durchdringt, dann in die Radareinrichtung 5 eintritt und dort detektiert wird.
-
Die Kamera 4 und die Radareinrichtung 5 können in der gegebenen Konfiguration in einem 90 Grad Winkel zueinander angeordnet werden und somit platzsparend in dem Gehäuse 2 untergebracht werden, weil sie nicht direkt nebeneinander angeordnet werden müssen.
-
Die in 2 in Draufsicht gezeigte, rechteckige Radomplatte 15, die in einer Anordnung gemäß 1 statt der voll transparenten Radomplatte 3 verwendet werden kann, ist mit Ausnahme eines zentrisch angeordneten, runden, transparenten Sichtfensters 16 intransparent, so dass nur durch das Sichtfenster 16 Lichtstrahlung hindurchtreten kann. Dadurch kann erreicht werden, dass einerseits das Innere des Gehäuses 2 von außen kaum einsehbar ist und die Sensorvorrichtung 1 optisch für den Betrachter im Wesentlichen lediglich wie ein Radom aussieht und trotzdem auch die optische Sensorwirkung besteht.
-
Die in 3 gezeigte Sensorvorrichtung 27 zur Erfassung des Umfelds 24 eines Fahrzeugs weist ein Gehäuse 28 auf, in dem als erster, optischer Sensor eine CCD-Kamera 17 vorgesehen und als zweiter Sensor eine Lidareinrichtung 18, die Lidarstrahlen empfängt und weitere, typische Lidar-Funktionselemente wie z.B. eine nicht näher gezeigte Strahlerzeugungseinrichtung für die Lidarstrahlung aufweist.
-
Der Strahlengang 19 der Lichtstrahlung und der Strahlengang 20 Lidarstrahlung überlagern sich im äußeren, vom Spiegel 21 zum Fahrzeugumfeld 24 hin gelegenen Bereich 22 in derselben Ebene 26 und durchtreten ein für die Licht- und die Lidarstrahlen transparentes Fenster 25 aus bruchsicherem Glas oder Acrylglas, das damit als Schnittstelle zum Fahrzeugumfeld 24 wirkt. Durch den zum Strahlengang 20 im Winkel β von 45 Grad stehenden Spiegel 21 wird die Lichtstrahlung aus der gemeinsamen Strahlungsebene 26 im Wesentlichen vollständig nach oben in die Kamera 17 abgelenkt (ausgekoppelt). Im vom Spiegel 21 zur Fahrzeuginnenseite hin gelegenen inneren Bereich 23 befindet sich deshalb im Wesentlichen nur noch Lidarstrahlung, die in die Lidareinrichtung 18 eintritt und dort detektiert wird.
-
Die Lidarstrahlung weist z.B. eine Wellenlänge von 905 Nanometer auf. Der Spiegel 21 ist als Kältelichtspiegel ausgebildet, so dass die Lichtstrahlung aus dem gemeinsamen Strahlengang vertikal nach oben ausgekoppelt, in die Kamera 17 geworfen und dort detektiert wird.
