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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges.
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Kraftfahrzeuge weisen unterschiedliche Vorrichtungen auf, um die Bewegung des Kraftfahrzeuges zu messen. Sie besitzen ein Tachometer, um die Geschwindigkeit zu messen. Die Messung der Geschwindigkeit erfolgt über die Messung der Drehzahl eines oder mehrerer Räder. Da die Räder einen konstanten Durchmesser besitzen, kann die Drehzahl unmittelbar in einen Geschwindigkeitswert umgesetzt und angezeigt werden.
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Die Bewegung eines Kraftfahrzeuges wird auch oftmals mittels eines Satellitennavigationssystems erfasst. Hiermit soll der Ort des Kraftfahrzeuges in einem bestimmten Gebiet erfasst werden, so dass einem Fahrzeuglenker Anweisungen erteilt werden können, in welche Richtung er sein Kraftfahrzeug zu lenken hat, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Der Ort wird hierbei durch Empfangen von Satellitensignalen von unterschiedlichen Satelliten bestimmt. Da diese Signale unter gewissen Bedingungen, beispielsweise in Tunnels oder in einem Satellitenschatten von Bergen nicht oder nicht vollständig empfangen werden können, verwenden Navigationssysteme auch oftmals zusätzlich Sensoren, welche die Drehzahl der Räder und/oder den Lenkwinkel der Lenkung des Kraftfahrzeuges messen. Anhand dieser Signale kann eine Positionsveränderung des Kraftfahrzeuges detektiert werden, auch wenn die Satellitensignale nicht korrekt empfangen werden.
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Die Messung der Bewegung des Kraftfahrzeuges durch Erfassen der Raddrehzahlen ist für kurze Strecken sehr exakt. Würde man ausschließlich die Position des Kraftfahrzeuges mittels der Raddrehzahlen bestimmen, dann würden sich über längere Strecken die Messtoleranzen zu einem erheblichen Fehler summieren.
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Die Ortsbestimmung über Satellitensignale weist eine erhebliche Unschärfe auf. Da die Ortsmessung mittels der Satellitensignale jedoch immer wieder von Neuem in einem zumindest einen Großteil der Erdoberfläche überspannenden Bezugssystem erfolgt, kann auch bei langen Strecken der Ort des Kraftfahrzeuges immer wieder zuverlässig bestimmt werden, ohne dass sich die Unschärfe der Satellitenmessung aufsummiert. Mittels der Satellitensignale kann auch eine Geschwindigkeitsmessung durch kurzzeitiges, wiederholtes Bestimmen des Ortes des Kraftfahrzeuges und der entsprechenden Zeitpunkte erfolgen. Die absolute Messung des Ortes mittels der Satellitensignale ist relativ ungenau. Jedoch ist die relative Messung des Ortes mittels der Satellitensignale sehr präzise, so dass die Geschwindigkeitsmessung sehr zuverlässig ist, sofern die Satellitensignale korrekt empfangen werden.
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Es gibt auch Fahrstabilitätssysteme, welche auf den Antrieb, die Bremseinrichtungen und/oder die Lenkeinrichtung Einfluss nehmen, um ein Schleudern des Kraftfahrzeuges zu vermeiden. Hierzu wird die Bewegung des Kraftfahrzeuges erfasst. Dies erfolgt meistens über Sensoren, welche an allen Rädern des Kraftfahrzeuges angeordnet sind, um deren Drehzahl zu bestimmen. Weiterhin wird der Lenkwinkel der Lenkeinrichtung erfasst. Wird ein Zustand festgestellt, dass die Gefahr besteht, dass das Kraftfahrzeug in eine unkontrollierte Schleuderbewegung übergeht, wird diesem entgegengewirkt. Hierzu gibt es unterschiedlichste Ansätze. In der Regel wird die Antriebsleistung reduziert und die Bremsen derart angesteuert, dass ein Blockieren der Räder auf dem Untergrund möglichst vermieden wird und das Kraftfahrzeug sowohl durch einen Eingriff in die Lenkung als auch in das Bremsverhalten möglichst in einer gleichmäßigen Bewegung gesteuert wird.
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Die Messung der Bewegung des Kraftfahrzeuges mittels der Raddrehzahlen der einzelnen Räder ist sehr zuverlässig, wenn eine hohe Raftreibung zwischen den Rädern und dem Untergrund besteht. Auf einer nassen, eis- oder schneebedeckten Fahrbahn sind die Signale der Radsensoren jedoch nicht immer zuverlässig. Dies gilt insbesondere, wenn die Fahrbahnoberfläche mit lokal stark unterschiedlicher Beschaffenheit ausgebildet ist. Befindet sich zum Beispiel auf einem Bereich einer vereisten Fahrbahn viel Splitt, dann herrscht hier lokal eine hohe Haftreibung, wohingegen in den angrenzenden Bereichen, in welchen sich kein Splitt auf der vereisten Fahrbahn befindet, die Haftreibung sehr gering ist. In solchen Situationen ist es besonders schwierig, das Kraftfahrzeug gleichmäßig zu steuern. Zudem kann die Bewegung anhand der Raddrehzahlen gegenüber dem Untergrund nicht immer eindeutig bestimmt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, mit dem die Bewegung des Kraftfahrzeuges präzise und zuverlässig bestimmt werden kann, ohne dass Satellitendaten empfangen werden müssen und/oder ohne dass eine hohe Haftreibung zwischen den Rädern des Kraftfahrzeuges und dem Untergrund besteht.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, umfasst folgende Schritte:
- - Abtasten der Umgebung des Kraftfahrzeuges mit zumindest einer am Kraftfahrzeug angeordneten Kamera, wobei eine Vielzahl von Bildern der Umgebung erzeugt werden, und
- - optische Analyse der Bilder, wobei
- - zunächst zumindest ein charakteristisches Objekt der Umgebung des Kraftfahrzeuges bestimmt wird, wobei das charakteristische Objekt in zumindest zwei unterschiedlichen Bildern enthalten ist, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Umgebung aufgenommen worden sind, und
- - anhand des Ortes des charakteristischen Objektes in den zumindest zwei unterschiedlichen Bildern die Bewegung des Kraftfahrzeuges bestimmt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer Kamera Objekte außerhalb des Kraftfahrzeuges erfasst und bestimmt werden können, welche in zeitlich versetzt aufgenommenen Bildern enthalten und eindeutig einander zugeordnet werden können. Diese Objekte, welche in unterschiedlichen Bildern eindeutig identifizierbar sind, werden als charakteristische Objekte bezeichnet.
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Die charakteristischen Objekte können grundsätzlich beliebige Mustern in den Bildern sein. Beispielsweise können es zwei sich kreuzende Linien sein, welche zum Beispiel durch die Sprossen eines Sprossenfensters am Fahrbahnrand oder durch Mauerkanten eines Gemäuers dargestellt werden. Bei zwei sich kreuzenden Linien kann ein Punkt im Bild jeweils sehr präzise definiert werden, weshalb ein solches Muster bevorzugt ist. Eine solche Kreuzung kann auch beispielsweise in der Form eines „T“ ausgebildet sein, bei welcher eine Linie an der anderen Linie lediglich anstößt, aber diese nicht quert. Weitere charakteristische Objekte sind vor allem Objekte, welche üblicherweise entlang von Straßen angeordnet sind und insbesondere standardisiert sind. Solche charakteristischen Objekte können durch Verkehrsschilder und Begrenzungspfosten von Straßen gebildet werden. Bei diesen Objekten ist vorteilhaft, dass deren Größe standardisiert ist und die Größe bekannt ist und im Kraftfahrzeug gespeichert sein kann. Aufgrund der bekannten Größe standardisierter Objekte ist es möglich, mit einer Kamera und einem einzigen Bild die Entfernung dieses charakteristischen Objektes von der Kamera bzw. von einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges, an dem die Kamera angeordnet ist, zum Zeitpunkt der Aufnahme des Bildes zu berechnen. In eine solche Berechnung geht der Abbildungsmaßstab bzw. die Brennweite der Kamera ein, welche üblicherweise bekannt ist. Bei Begrenzungspfosten von Straßen sind zudem in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet. Dieser Abstand kann bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Wenn der Abstand zwischen dem charakteristischen Objekt und der Kamera bzw. eines Bezugspunktes des Kraftfahrzeuges bekannt ist, dann können bestimmte Parameter der Bewegung eines Kraftfahrzeuges, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit oder auch eine zu einer geradlinigen Bewegung überlagernde Drehbewegung um eine vertikale Achse des Kraftfahrzeuges lediglich mittels einer einzigen Kamera bestimmt werden, welche zumindest zwei und vorzugsweise zeitlich versetzte Bilder aufnimmt, in welchen jeweils zumindest paarweise ein charakteristisches Objekt enthalten ist.
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Der Abstand zwischen einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges und dem charakteristischen Objekt kann auch durch Abtasten des charakteristischen Objektes mit zumindest einer weiteren, am Kraftfahrzeug angeordneten Kamera bestimmt werden.
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Die beiden Kameras bilden eine Stereokamera. Stereokameras können den Abstand zum jeweiligen Objekt mittels Triangulation bestimmen.
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Der Abstand zu dem im Bild gezeigten charakteristischen Objekt kann auch mittels einer Entfernungsmesseinrichtung gemessen werden. Eine solche Entfernungsmesseinrichtung kann beispielsweise ein Radar oder ein Laserscanner sein.
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Der Ort der Abbildung des charakteristischen Objektes in den Bildern, welcher im Folgenden als Ort des charakteristischen Objektes in den Bildern bezeichnet wird, beschreibt die Position des realen Objektes relativ zu der Ausrichtung des Kraftfahrzeuges. Dadurch wird ein örtlicher Bezug zwischen dem Kraftfahrzeug und dem realem Objekt beschrieben, welcher zur Bestimmung einer Beschreibung der Bewegung des Kraftfahrzeuges verwendet wird. Dieser örtliche Bezug kann eine Entfernung zwischen einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges und des realen charakteristischen Objektes und/oder eine Winkelbeziehung zwischen einer Achse des Kraftfahrzeuges und einer Verbindungslinie zwischen dem Kraftfahrzeuges und dem realen charakteristischen Objektes sein. Da der Zeitpunkt der Aufnahme der Bilder bekannt ist, können diese örtlichen Beziehungen mit dem entsprechenden Zeitpunkt verknüpft werden. Hierdurch können unterschiedliche Bewegungen dargestellt werden.
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Anhand des Ortes des charakteristischen Objektes in den Bildern kann der Weg, welchen das Kraftfahrzeug zwischen den Zeitpunkten, an welchen die zwei unterschiedlichen Bilder aufgenommen sind, zurückgelegt hat, berechnet werden. Da die Weg- und Zeitdifferenzen bekannt sind, kann die Geschwindigkeit bestimmt werden.
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Anhand des Ortes des charakteristischen Objektes in zumindest zwei unterschiedlichen, zeitlich versetzten Bildern kann auch eine Drehbewegung des Kraftfahrzeuges um eine vertikale Achse berechnet werden.
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Vorzugsweise werden mehr als zwei Bilder zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Umgebung des Kraftfahrzeuges aufgenommen, in welchen zumindest jeweils ein bestimmtes charakteristisches Objekt enthalten ist, um mehrere Raum-/Zeitkoordinaten des Kraftfahrzeuges zu erfassen. Die Raumkoordinaten können eindimensional sein, wenn sie den Ort entlang einer eindimensionalen Strecke beschreiben. Diese eindimensionale Strecke kann, aber muss nicht geradlinig sein. Die Raumkoordinaten können auch zweidimensional sein, wenn sie die Position des Kraftfahrzeuges in einer Ebene beschreiben. Grundsätzlich können die Raumkoordinaten auch dreidimensional sein. Eine dreidimensionale räumliche Beschreibung des Kraftfahrzeuges ist jedoch nur in wenigen Anwendungen notwendig. Die Zeitkoordinate ist jeweils der Zeitpunkt, wann das jeweilige Bild aufgenommen worden ist, anhand dem der Ort des Kraftfahrzeuges bzw. eines Bezugspunktes des Kraftfahrzeuges im Raum berechnet worden ist. Durch eine Folge solcher durch Raum-/Zeitkoordinaten beschriebener Punkte kann auch eine nicht-geradlinige Bewegung des Kraftfahrzeuges eindeutig beschrieben werden. Durch Ableiten einer solchen Bewegungsfunktion nach der Zeit kann die Geschwindigkeit durch ein erneutes Ableiten nach der Zeit kann die Beschleunigung des Kraftfahrzeuges bestimmt werden. Hierbei können Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungskomponenten in unterschiedlichen Richtungen bestimmt werden.
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Das Erfassen einer solchen gegebenenfalls mehrdimensionalen Bewegungsfunktion des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise sehr vorteilhaft in einem Fahrstabilitätssystem eingesetzt werden. Hiermit kann auch eine exakte Bewegungsfunktion des Kraftfahrzeuges erfasst werden, wenn die Haftreibung zwischen den Rädern und der Fahrbahn gering ist, so dass die Drehzahl der einzelnen Räder nur bedingt zur Beschreibung der Bewegung des Kraftfahrzeuges geeignet ist. Auf einem glatten Untergrund kann somit die Bewegung des Kraftfahrzeuges exakt erfasst werden, so dass die Aktionen eines Fahrstabilitätssystems eindeutig gesteuert und deren Wirkung entsprechend bewertet werden kann.
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Aus einzelnen oder mehreren Bildern können auch jeweils mehr als zwei unterschiedliche charakteristische Objekte extrahiert werden. Hierdurch kann einerseits eine gewisse Redundanz hergestellt werden, so dass die aufgrund unterschiedlicher Objekte berechneten Parameter verglichen werden können und bei Abweichungen entsprechende Schlüsse getroffen werden können. Weicht die Berechnung der Geschwindigkeit anhand zwei unterschiedlicher charakteristischer Objekte voneinander um einen vorbestimmten Schwellenwert ab, so kann dies als Fehler beurteilt werden und ein oder beide Parameterwerte werden verworfen. Weiterhin kann bei Bilderserien das Problem bestehen, dass bestimmte charakteristische Objekte nur während eines bestimmten Abschnittes der Bilderserie in den Bildern enthalten sind. Überlappen sich die Abschnitte der Bilderserien von zwei unterschiedlichen charakteristischen Objekten, dann können über beide Abschnitte hinweg die Bewegungsparameter kontinuierlich bestimmt werden, wenn im Überlappungsbereich die entsprechenden Bewegungsparameter anhand beider charakteristischen Objekte ermittelt werden. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, gleichzeitig charakteristische Objekte bei der Bestimmung der Bewegungsparameter zu verwenden, welche im erheblich unterschiedlichen Abstand zum Kraftfahrzeug bzw. einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges angeordnet sind. Ein charakteristisches Objekt kann zum Beispiel ein in weiter Ferne am Horizont angeordneter Turm oder einzelner Baum sein. Dieses weit entfernte charakteristische Objekt wird über einen längeren Zeitraum in vielen Bildern sichtbar sein und erlaubt eine entsprechend lang anhaltende grobe Bestimmung der Raumkoordinaten des Kraftfahrzeuges. Durch in der Nähe des Kraftfahrzeuges angeordnete charakteristische Objekte kann dann jeweils über einen kürzeren Zeitraum eine sehr präzise Bestimmung der Raumkoordinaten des Kraftfahrzeuges erfolgen. Mit der Bestimmung der Raumkoordinaten anhand des in großer Entfernung angeordneten charakteristischen Objektes können somit die Abschnitte, in welchen kein in der Nähe vorhandenes charakteristisches Objekt in den Bildern enthalten ist, überbrückt werden. Weiterhin kann ein mittels einem in großer Entfernung angeordneten charakteristischen Objektes eine Drehbewegung des Kraftfahrzeuges um eine vertikale Achse sehr präzise bestimmt werden. Die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges kann mit in der Nähe des Kraftfahrzeuges angeordneten charakteristischen Objekten präzise bestimmt werden.
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Mit der optischen Analyse können ein oder mehrere der folgenden Parameter bestimmt werden:
- - Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges an einem bestimmten Ort oder zu einem bestimmten Zeitpunkt,
- - Verlauf der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges,
- - Verzögerung und/oder Beschleunigung des Kraftfahrzeuges an einem bestimmten Ort oder zu einem bestimmten Zeitpunkt,
- - Verlauf der Verzögerung und/oder Beschleunigung des Kraftfahrzeuges,
- - eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bzw. Verzögerung einer nichtlinearen Bewegung des Kraftfahrzeuges an einem bestimmten Ort oder zu einem bestimmten Zeitpunkt, und/oder
- - einem Verlauf einer Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bzw. Verzögerung einer nicht-linearen Bewegung des Kraftfahrzeuges.
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Die optische Analyse kann in Echtzeit ausgeführt werden. Echtzeit bedeutet vor allem, dass das Ergebnis der optischen Analyse innerhalb von nicht mehr als 10 ms, insbesondere nicht mehr als 6 ms und vorzugsweise nicht mehr als 4 ms vorliegt.
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Die optische Analyse ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bzw. Verzögerung mit einer Messgenauigkeit von nicht mehr als 1 % gemessen werden.
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Bei der optischen Analyse werden die Bilder vorzugsweise mit einer Abtastfrequenz von zumindest 10 Hz ausgewertet. Vorzugsweise beträgt die Abtastfrequenz zumindest 20 Hz, zumindest 50 Hz und insbesondere zumindest 100 Hz.
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Als Kamera kann eine handelsübliche Filmkamera verwendet werden. Diese kann eine höhere Abtastfrequenz aufweisen, d.h., dass sie innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls mehr Bilder erzeugt, als bei der optischen Analyse ausgewertet werden. Als Abtastfrequenz wird die Frequenz der Bilder bezeichnet, welche mit der optischen Analyse ausgewertet werden. Die Abtastfrequenz der optischen Analyse muss somit nicht mit der Bilderzeugungsfrequenz der Kamera übereinstimmen.
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Das oben erläuterte Verfahren kann auch zum Messen des Bremsweges eines Kraftfahrzeuges und/oder zum Kalibrieren einer Kraftfahrzeugs-eigenen Geschwindigkeitsmesseinrichtung verwendet werden. Hierzu kann es zweckmäßig sein, entlang einer Messstrecke vorbestimmte Marker vorzusehen, welche von der bzw. den Kameras erfasst werden. Diese Markierungen sind beispielsweise dunkle, kreisförmige Punkte mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern mit einem hellen Kreuz, das sich im Mittelpunkt dieser kreisförmigen Punkte schneidet. Dieser Mittelpunkt des hellen Kreuzes stellt einen Bezugspunkt des charakteristischen Objektes „Markierung“ dar, bezüglich dem die Berechnungen der Bewegungsparameter ausgeführt werden. Die relativen großen, scheibenförmigen dunklen Markierungen können mit einer automatischen Objektanalyse bei der optischen Bildverarbeitung schnell erkannt werden. Bei einem dunklen Hintergrund kann es hingegen auch zweckmäßig sein, eine Markierung aus hellen, kreisförmigen Punkten mit einem dunklen Kreuz vorzusehen, das zentral zu dem kreisförmigen Punkt angeordnet ist.
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Weitere geeignete charakteristische Objekte sind beispielsweise Pylonen, welche oftmals Signalfarben aufweisen und so mit hohem Kontrast in den Bildern erkennbar sind. So können die charakteristische Objekte einfache kugelförmige Objekte sein, die entweder aktiv, z.B. durch eingebaute Lichtdioden, leuchten, oder passiv ausgebildet sind, d.h. mit einer reflektieren Schicht, versehen sind.
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Wird dieses Verfahren in einer Messstrecke angewendet, dann kann ein Datensatz bereitgestellt werden, welcher den Ort und die Art der charakteristischen Objekte (Markierungen, Pylonen, etc.) beschreibt. Dieser Datensatz wird eingelesen und bei der Berechnung der Bewegungsparameter berücksichtigt. Hierbei ist es vorzugsweise zweckmäßig, wenn an beiden Seiten einer Messstrecke charakteristische Objekte angeordnet sind.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges, umfasst:
- - zumindest eine Kamera, welche am Kraftfahrzeug angeordnet ist, um die Umgebung des Kraftfahrzeuges abzutasten, wobei eine Vielzahl von Bildern der Umgebung erzeugt werden, und
- - eine Einrichtung zur optischen Analyse der Bilder, die derart ausgebildet ist, dass
- - zunächst zumindest ein charakteristisches Objekt der Umgebung des Kraftfahrzeuges bestimmt wird, wobei das charakteristische Objekt in zumindest zwei unterschiedlichen Bildern enthalten ist, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Umgebung aufgenommen worden sind, und
- - anhand der Orte des charakteristischen Objektes in den zumindest zwei unterschiedlichen Bildern die Bewegung des Kraftfahrzeuges bestimmt wird.
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Das System kann eine Steuereinrichtung aufweisen, wie sie zum Ausführen eines oder mehrerer der oben erläuterten Verfahren ausgebildet ist.
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Das System kann mehrere Kameras aufweisen, mit welchen die Umgebung des Kraftfahrzeuges mit unterschiedlichen Blickrichtungen abgetastet wird, wobei Abtastbereiche der mehreren Kameras sich einander überlappen, so dass ein charakteristisches Objekt gleichzeitig mit zumindest zwei Kameras abgetastet werden kann.
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Bei Verwendung von mehreren Kameras können die Kameras paarweise als Stereokamera eingesetzt werden, so dass die Entfernung des charakteristischen Objektes schnell und zuverlässig bestimmt werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System zur Bestimmung der Bewegung des Kraftfahrzeuges,
- 2A, 2B jeweils ein Bild, welches zu Zeitpunkten t1, t2 mit einer Frontkamera des Kraftfahrzeuges von einer vorausliegenden Straße gemacht worden ist,
- 3 schematisch ein System zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges in einem Blockschaltbild, und
- 4 das erfindungsgemäße Verfahren in einem Flussdiagramm.
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Das erfindungsgemäße System 1 zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges 2 weist zumindest eine Kamera 3 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Kraftfahrzeug 2 mit zwei Kameras 3 (3) ausgebildet, welche beide am Kraftfahrzeug 2 mit Blickrichtung in Fahrtrichtung 4 nach vorne ausgerichtet sind.
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Die Kameras 3 sind am Kraftfahrzeug 2 fest angeordnet, d.h., dass sie nicht schwenkbar befestigt sind. Vorzugsweise weisen sie ein Objektiv mit einer festen Brennweite auf, so dass der Abbildungsmaßstab der beiden Kameras 3 festgelegt ist. Die Kameras 3 sind mit ihren optischen Achsen 5 so ausgerichtet, dass die optischen Achsen in einer Ebene heben. Die optischen Achsen (5) der beiden Kameras 3 verlaufen etwa parallel oder begrenzen einen spitzen Winkel. Abtastbereiche 6 der Kameras 3 überlappen sich zumindest etwas, so dass beide Kameras 3 gleichzeitig dasselbe Objekt erfassen können, wenn es sich in den überlappenden Abtastbereichen 6 befindet.
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Die Kameras 3 sind mit einer zentralen Steuereinrichtung 7 verbunden. Diese zentrale Steuereinrichtung 7 ist mit einer Reihe von Sensoren 8 zum Erfassen von Fahrdaten oder sonstigen Zuständen im Kraftfahrzeug 2 verbunden, ist die zentrale Steuereinrichtung 7 mit einigen Stellelementen 12 verbunden, um im Kraftfahrzeug 2 bestimmte Einstellungen vorzunehmen.
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Nachfolgend wird das Verfahren zur Bestimmung der Bewegung eines Kraftfahrzeuges 2 erläutert.
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Das Verfahren beginnt mit dem Schritt S1 (4).
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Im Schritt S2 wird die Umgebung des Kraftfahrzeuges 2 mit den Kameras 3 abgetastet. Hierbei werden Bilder 9 der Umgebung erzeugt (2A, 2B). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel (1) sind die Kameras 3 in Fahrtrichtung 4 nach vorne ausgerichtet, so dass mit den Kameras 3 die Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug 2 erfasst wird. Dem entsprechend zeigen die Bilder 9 (2A, 2B) einen Abschnitt einer Straße 10. Am Rand der Straße 10 befindet sich ein Verkehrsschild 11, das auch in den Bildern 9 (2A, 2B) dargestellt ist.
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Im nächsten Schritt (Schritt S3) wird ein charakteristisches Objekt bestimmt. Verkehrsschilder 11 eignen sich als charakteristische Objekte, da diese standardisiert sind. Sowohl die Größe, als auch die farbliche Gestaltung ist von Verkehrsschildern 11 eindeutig vorgeschrieben. Hierdurch lassen sich Verkehrsschilder einfach mittels einer automatischen Objektanalyse durch Vergleichen mit entsprechenden, in der zentralen Steuereinrichtung 7 vorgehaltenen Mustern erkennen. Verfahren zum automatischen Erkennen von Verkehrsschildern 11 werden bereits umfangreich in Serienfahrzeugen eingesetzt. Auch wenn Verkehrsschilder 11 sehr geeignete charakteristische Objekte aufgrund ihrer Standardisierung sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, lediglich Verkehrsschilder 11 als charakteristische Objekte zu identifizieren. Als charakteristische Objekte können auch andere standardisierte Objekte als auch nicht-standardisierte Objekte verwendet werden.
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Ist das charakteristische Objekt einmal erkannt, dann wird der Ort des Kraftfahrzeuges 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt bezüglich des charakteristischen Objektes bestimmt (Schritt S4).
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Zur Bestimmung des Ortes des Kraftfahrzeuges 2 bezüglich des charakteristischen Objektes sind unterschiedliche Verfahren möglich.
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Ist das charakteristische Objekt standardisiert und dessen Größe bekannt, dann kann bei bekanntem Abbildungsmaßstab der Kamera 3, mit welcher das Bild 9 erzeugt worden ist, aus der Größe der Abbildung des charakteristischen Objektes die Entfernung der Kamera 3 zum charakteristischen Objekt und damit der Abstand eines Bezugspunktes des Kraftfahrzeuges 2 zum charakteristischen Objekt berechnet werden. Dies ist eine eindimensionale Ortsangabe. Aus zwei solchen Abständen, welche mit zwei unterschiedlichen Bildern 9 (2A, 2B) bestimmt werden und den entsprechenden Zeitpunkten t1, t2 kann sowohl die Wegdifferenz und die Zeitdifferenz zwischen den beiden Bildern 9 und damit die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges 2 berechnet werden. Die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges 2 ist ein Parameter, der die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 beschreibt.
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Die beiden Kameras 3 können auch als Stereokamera verwendet werden, wobei mittels der Stereokamera der Abstand des charakteristischen Objektes von einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges 2 bestimmt werden kann. Bei Stereokameras gibt es unterschiedliche Verfahren, mit welchen die Entfernung eines bestimmten Gegenstandes von der Stereokamera bestimmt werden kann. Die meisten dieser Verfahren beruhen auf einer Triangulation. Mit einer Stereokamera, bei welcher die beiden Kameras 3 ein Stück, vorzugsweise mehr als 10 cm, insbesondere mehr als 50 cm voneinander beabstandet sind, kann die Entfernung von Objekten in der näheren Umgebung des Kraftfahrzeuges 2 (bis ca. 100 m) sehr präzise bestimmt werden.
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Hierzu sind jeweils gleichzeitig Bilder 9 von beiden Kameras 3 aufzunehmen, so dass anhand eines solchen Bildpaares die Entfernung bestimmt werden kann. Die jeweilige Entfernung wird der Zeitpunkt, zu welchen die Bilder 9 aufgenommen worden sind, als Zeitinformation zugeordnet. Mit einer Stereokamera kann nicht nur die Entfernung des charakteristischen Objektes zur Stereokamera bzw. zu einem Bezugspunkt des Kraftfahrzeuges 2 bestimmt werden, sondern auch die Richtung, in welcher das charakteristische Objekt bezüglich der Kameras 3 angeordnet ist. Daher kann der Ort des charakteristischen Objektes bezüglich des Kraftfahrzeuges 2 im dreidimensionalen Raum beschrieben werden. Umgekehrt kann der Ort des Kraftfahrzeuges 2 bezüglich des charakteristischen Objektes auch im dreidimensionalen Raum angegeben werden. Für viele Anwendungen genügt es jedoch, lediglich den Ort des Kraftfahrzeuges 2 durch einen Abstand zum charakteristischen Objekt und einer Richtung in einer horizontalen Ebene bezüglich des Fahrbahnbelages, auf dem sich das Kraftfahrzeug 2 gerade befindet, anzugeben. Eine solche zweidimensionale Ortsbestimmung wird vorzugsweise in Polarkoordinaten dargestellt. Diesen Polarkoordinaten wird jeweils die Zeitinformation zugeordnet, an welchen die Bilder 9 aufgenommen worden sind, aus welchen die Polarkoordinaten berechnet worden sind. Mit einer Folge von solchen Raum-/Zeitkoordinaten kann die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 in einer Ebene beschrieben werden, wobei diese Informationen auch eine nicht-lineare Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 korrekt wiedergeben. Vorzugsweise wird eine Näherungsfunktion durch die Orts-/Zeitkoordinaten gelegt. Eine solche Näherungsfunktion kann beispielsweise eine Polymonfunktion- oder eine Spline-Funktion sein. Durch Ableiten dieser Funktion kann die Geschwindigkeit bestimmt werden. Hierbei ist es auch möglich, die Geschwindigkeitskomponenten beispielsweise in Längsrichtung einer Messstrecke bzw. einer Straße 10 und in Querrichtung hierzu separat zu bestimmen. Durch eine weitere Ableitung nach der Zeit können die Beschleunigung des Kraftfahrzeuges 2 bzw. die entsprechenden Komponenten in Längs- und Querrichtung bestimmt werden (Schritt S5).
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Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Fahrparameter lediglich in einer Ebene bestimmt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Ort des Kraftfahrzeuges 2 im dreidimensionalen Raum und dem entsprechend auch die Fahrparameter im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Dies ist beispielsweise zweckmäßig, wenn man Kraftfahrzeuge 2 in einem unebenen Gelände testen möchte.
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Sind alle Fahrparameter bestimmt, dann wird das Verfahren mit dem Schritt S6 beendet.
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Mit diesem Verfahren können Fahrparameter, welche die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 beschreiben, unabhängig vom Schlupf der Räder erzeugt werden. Zudem können die Fahrparameter auch in Bereichen erzeugt werden, in welchen keine Satellitensignale empfangen werden können. Die Fahrparameter können mit hoher Präzision erzeugt werden. Dies gilt insbesondere bei Teststrecken, an welchen kontrastreiche Markierungen installiert sind, die als charakteristische Objekte verwendet werden und deren Orte exakt bekannt sind.
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Das Verfahren kann in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Einerseits kann es zum Testen eines Kraftfahrzeuges 2 und zum Kalibrieren entsprechender Messeinrichtungen, wie zum Beispiel Tachometer, verwendet werden. Bei einem solchen Testverfahren ist es zweckmäßig, wenn mit den Sensoren 8 Zustände des Kraftfahrzeuges 2, wie zum Beispiel die Betätigung des Bremspedals, bestimmte Zustände des Bremssystems (z.B. Notbremsung) detektiert werden, so dass beim Umschalten eines solchen Zustandes das Verfahren zur Bestimmung der Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 getriggert wird. Hierbei kann die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 hochpräzise erfasst werden. Eine weitere Anwendung liegt darin, ein Navigationssystem mit Ortsinformationen des Kraftfahrzeuges 2 zu versorgen, vor allem dann, wenn keine Satellitensignale empfangen werden können. Zudem können an komplexen Verkehrssituationen und Kreuzungen hochpräzise Ortsinformationen geliefert werden, um auch hier eine präzise Steuerung durch das Navigationssystem zu ermöglichen.
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Eine weitere Anwendung des Verfahrens liegt in der Unterstützung von Fahrstabilitätssystemen, welche in schwierigen Fahrsituationen automatisch die Bremsen betätigen als auch die Antriebsleistung steuern und in der Regel vermindern. Da die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 unabhängig vom Schlupf der Räder mit dem Untergrund erfasst werden kann, kann mit dem Verfahren die Bewegung des Kraftfahrzeuges 2 auf beliebigem Untergrund zuverlässig und präzise beschrieben werden.
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Eine absolute Geschwindigkeit kann dann ermittelt werden, wenn das zum charakteristischen Objekt zugehörige reale Objekt ortsfest ist, sich also selber nicht bewegt. Zu einem sich bewegenden realem Objekt kann eine relative Geschwindigkeit ermittelt werden.
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Vorzugsweise können mehrere relative und absolute Geschwindigkeiten gleichzeitig ermittelt werden. So kann zum Beispiel die reale Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges 2 ermittelt werden und die relative Geschwindigkeit zu einem vorausfahrenden Kraftfahrzeug. Hierdurch kann auch indirekt die Geschwindigkeit des vorrausfahrenden Kraftfahrzeuges ermittelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Kamera
- 4
- Fahrtrichtung
- 5
- optische Achse
- 6
- Abtastbereich
- 7
- zentrale Steuereinrichtung
- 8
- Sensor
- 9
- Bild
- 10
- Straße
- 11
- Verkehrsschild
- 12
- Stellelement
