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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche.
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Aus dem Stand der Technik sind Systeme für einen automatisierten bzw. hochautomatisierten Fahrbetrieb von Fortbewegungsmitteln bekannt, welche für eine zuverlässige bzw. sichere Steuerung der Fortbewegungsmittel u.a. Informationen über aktuell vorliegende Umweltbedingungen verwenden. Um ein sicheres hochautomatisiertes Fahren zu gewährleisten, ist es beispielsweise von Vorteil den Reibwert einer zu befahrenden Straße so genau wie möglich zu ermitteln. Der Reibwert wird insbesondere durch auf der Straße vorkommende „Zwischenmedien“ (d. h., Medien zwischen einer Fahrbahnoberfläche und Reifen des Fortbewegungsmittels) wie beispielsweise Wasser, Schnee, Eis, Laub oder Öl beeinflusst. Ein Erfassen solcher Medien kann durch verschiedene Sensoren (z. B. Kameras, Schall-, Ultraschall-, oder im Infrarotbereich arbeitende optische Sensoren) erfolgen. Im nahinfraroten Bereich (ca. 800 nm - 3000 nm) arbeitende optische Sensoren können eine diffuse und/oder gerichtete Reflexion von aktiv ausgesendetem Licht mehrerer Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche in geeigneter Weise auswerten. Diese detektierten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche unterscheiden sich dadurch, dass in ihnen unterschiedlich stark ausgeprägte Absorptionslinien im optischen Spektrum von Wasser in allen Aggregatszuständen (flüssig, Eis, Schnee, oder Mischzustände) liegen. Dadurch können trockene Straßen von nichttrockenen unterschieden, einzelne Zwischenmedien als Zustandsformen des Wassers kategorisiert und sogar Schichtdicken eines jeweiligen Zwischenmediums bestimmt werden. Hierzu werden insbesondere Intensitäten und Intensitätsverhältnisse ausgewertet, entweder über Vergleiche, Schwellenwerte oder maschinelle Lernverfahren. Eine für den automatisierten Fahrbetrieb vorteilhaft nutzbare und zuverlässige Unterscheidung zwischen einer schneebedeckten und einer eisbedeckten Fahrbahnoberfläche führt auf Basis dieses optischen Erfassungsprinzips aufgrund der Ähnlichkeiten der Schnee- und Eisspektren allerdings leicht zu Fehlklassifizierungen.
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DE 000002712199 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Warnen eines Führers eines Kraftfahrzeuges vor Straßenglätte, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, durch welche Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Fahrbahnoberfläche gestrahlt wird, einen Empfänger, durch welchen das von der Fahrbahn zurückgeworfene Licht in ein entsprechendes elektrisches Signal umformbar ist, sowie durch eine Warneinrichtung, durch welche das bei Eisbildung auf der Fahrbahn entstehende elektrische Signal dem Kraftfahrzeugführer erkennbar ist.
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DE 000004133359 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Dicke einer auf einer Fahrbahn vorhandenen Wasserschicht. Hierfür wird mittels einer Lichtquelle ein Lichtstrahl mit einem infraroten Spektralanteil auf die Fahrbahn ausgesendet. Das von der Fahrbahn zurückgestreute Licht, das bei einer vorhandenen Wasserschicht diese durchdrungen hat, wird auf wenigstens zwei im nahen Infrarotbereich liegenden Wellenlängen selektiv abgetastet. Aus den Amplituden der selektiv abgetasteten zurückgestreuten Lichtströme wird die Dicke der Wasserschicht bestimmt und mittels einer Anzeigeeinheit angezeigt.
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DE 000019506550 A1 beschreibt Verfahren und eine Vorrichtung zur Warnung vor durch Glättebildung, wie überfrierende Nässe und/oder unterfrorene Oberflächen bedingte Gefahren auf Verkehrswegen, aber auch an frostungeschützten Bauteilen von Flugzeugen und Maschinen aller Art durch spektralanalytische Messung und computergestützte chemometrische Auswertung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften von Wasser bzw. einer sich wie Wasser verhaltenden erstarrungsfähigen protischen Flüssigkeit oder Lösung in Abhängigkeit vom Kristallisationsgrad, der im flüssigen und/oder festen Aggregatzustand vorliegenden Molekülstruktur.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche vorgeschlagen, welches insbesondere eingesetzt werden kann, um Eis und Schnee auf einer Fahrbahnoberfläche zu unterscheiden. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche ausgesendet.
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Die Lichtquelle ist eingerichtet, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen auszusenden. Im Sinne einer vereinfachten Beschreibung wird der Begriff vordefinierter Wellenlängenbereich nachfolgend auch stellvertretend für die vordefinierte Wellenlänge verwendet. Die Lichtquelle kann ein einzelnes Leuchtmittel oder eine Mehrzahl von Leuchtmitteln umfassen. D. h., dass das Licht für die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche entweder durch ein breitbandiges Leuchtmittel (welches die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche umfasst) oder durch mehrere schmalbandige Leuchtmittel erzeugt werden kann, wobei jedes Leuchtmittel eingerichtet ist, Licht in jeweils einem der vordefinierten Wellenlängenbereiche auszusenden.
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Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Die Lichtquelle des optischen Sensors kann beispielsweise eine Laserlichtquelle oder eine LED-Lichtquelle sein, welche insbesondere dazu ausgebildet ist, nahinfrarotes Licht auszusenden, dessen Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich bevorzugt im Bereich zwischen 800 nm und 3000 nm liegt. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell auch mit weiteren Arten von Lichtquellen und/oder weiteren Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen durchgeführt werden. Der optische Sensor kann grundsätzlich an beliebigen Positionen des Fortbewegungsmittels angeordnet sein, solange das durch den Sensor ausgesendete Licht im oben genannten vordefinierten Winkel auf die Fahrbahnoberfläche trifft und das durch die Fahrbahnoberfläche gestreute Licht der Lichtquelle des optischen Sensors zumindest anteilig im optischen Sensor empfangen werden kann. Eine geeignete Position zur Anordnung des optischen Sensors kann beispielsweise eine Position in oder an einer Frontschürze; oder im Unterbodenbereich des Fortbewegungsmittels sein, an welchem der optische Sensor befestigt und nach unten in Richtung der Fahrbahnoberfläche ausgerichtet sein kann. Darüber hinaus kann der optische Sensor beispielsweise auch in einem unteren Bereich einer Frontschürze und/oder im Bereich eines Radkastens des Fortbewegungsmittels angeordnet sein. Der vordefinierte Winkel des optischen Sensors (d. h. der Winkel, unter dem das durch den optischen Sensor ausgesendete Licht auf die Fahrbahnoberfläche trifft) bezüglich der Fahrbahnoberfläche kann ein Winkel zwischen 10° und 54°, insbesondere ein Winkel zwischen 15° und 35° und bevorzugt ein Winkel von 20° sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier genannten Werte für den vordefinierten Winkel des optischen Sensors im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft einsetzbare Werte sind, dass diese im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens aber nicht auf die hier genannten beschränkt sind. Insbesondere durch ein Verwenden eines Winkels von größer bzw. gleich 10° kann ein für das erfindungsgemäße Verfahren ggf. zu hoher Anteil direkter Reflexionen des ausgesendeten Lichtes auf der Fahrbahnoberfläche vermieden werden, welcher das Erfassen der Fahrbahnoberfläche bzw. des Zwischenmediums auf der Fahrbahnoberfläche stören kann. Des Weiteren kann der optische Sensor über ein Bordnetz des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit des Fortbewegungsmittels verbunden sein, um durch die Auswerteeinheit angesteuert zu werden und/oder durch den optischen Sensor erfasste Signale mittels der Auswerteeinheit im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verarbeiten. D. h., dass dieser und nachfolgend beschriebene Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Auswerteeinheit durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit kann Bestandteil eines eigenständigen Steuergerätes oder Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes des Fortbewegungsmittels sein. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit auch ein Bestandteil des optischen Sensors selbst sein. D. h., dass die durch den Sensor erzeugten Signale in Form (vorverarbeiteter) Rohwerte an eine abseits des Sensors angerordnete Auswerteeinheit oder an eine innerhalb des Sensors angeordnete Auswerteeinheit übertragen werden können.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität des durch die Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts empfangen. Das durch den optischen Sensor erzeugte Signal kann in Form eines digitalen oder analogen Signals durch den Sensor ausgegeben werden. Die Auswerteeinheit kann das Signal über eine geeignete digitale oder analoge Signalschnittstelle empfangen und ein digitales Signal auf direktem Wege und ein analoges Signal nach einer A/D-Wandlung in einer intern und/oder extern an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit für eine nachgelagerte Verarbeitung ablegen. Der Lichtdetektor kann einen einzelnen Detektor oder eine Mehrzahl von Detektoren umfassen, wobei der einzelne Detektor ein breitbandiger Detektor sein kann, welcher eingerichtet ist, die mindestens zwei vordefinierten Wellenlängenbereiche zu empfangen, während die Mehrzahl von Detektoren eingerichtet sein kann, jeweils einen der vordefinierten Wellenlängenbereiche pro Detektor zu empfangen.
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Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass durch eine geeignete Kombination aus Lichtquelle und Lichtdetektor jeweilige Intensitäten des zurückgestreuten Lichts in den jeweiligen Wellenlängenbereichen unabhängig voneinander empfangen werden können. Dies lässt sich beispielsweise durch die Kombination einer Mehrzahl von Leuchtmitteln und einer korrespondierenden Mehrzahl von Detektoren erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Leuchtmitteln mit einem breitbandigen Detektor kombiniert werden, indem die Messungen in den jeweiligen Wellenlängenbereichen nacheinander erfolgen, so dass die durch den Detektor empfangenen Lichtintensitäten dem jeweiligen Leuchtmittel zugeordnet werden können. Weiter alternativ oder zusätzlich kann auch ein breitbandiges Leuchtmittel mit einem breitbandigen Detektor kombiniert werden, indem das durch den Detektor erzeugte Signal einer Filterung in den jeweiligen Wellenlängenbereichen unterzogen wird.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine feste Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals ermittelt. Mit anderen Worten findet in diesem Verfahrensschritt eine Auswertung von Relativwerten, also Verhältnissen von Absolutwerten unterschiedlicher vordefinierter Wellenlängen bzw. vordefinierter Wellenlängenbereiche der durch den Lichtdetektor erfassten Intensität des gestreuten Lichtes statt. Die vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche repräsentieren bevorzugt charakteristische Absorptionslinien bzw. Absorptionslinienbereiche von Eis und/oder Schnee. Die vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche können weiterhin auch charakteristische Absorptionslinien bzw. Absorptionslinienbereiche von flüssigem Wasser repräsentieren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Absorptionslinien zwischen Eis und Schnee im Wesentlichen identisch sind, während die Absorptionslinien zwischen Wasser und Eis und dementsprechend auch zwischen Wasser und Schnee im Spektrum zueinander verschoben sind. Das Betrachten der Verhältnisse der Absolutwerte unterschiedlicher vordefinierter Wellenlängen bzw. vordefinierter Wellenlängenbereiche hat den Hintergrund, dass es bei einer reinen Betrachtung von Absolutwerten der durch den optischen Sensor erfassten Lichtintensitäten aufgrund von Intensitätsschwankungen durch Störeinflüsse zu Fehlklassifizierungen kommen kann. Solche Fehlklassifizierungen können beispielsweise auftreten, wenn ein Fahrwerk des Fortbewegungsmittels einfedert und sich dadurch der Abstand des optischen Sensors zur Fahrbahnoberfläche verändert. Ein weiteres Beispiel für eine Ursache von Fehlklassifizierungen bei einer reinen Betrachtung von Absolutwerten können Fahrbahnmarkierungen sein, welche ähnlich wie auf der Fahrbahn vorhandener Schnee stark zurückstreuen können, woraus sich jeweils große Absolutwerte ergeben können. Demzufolge können solche Fahrbahnmarkierungen auf Basis einer reinen Absolutwertbetrachtung der Lichtintensitäten nicht eindeutig von vorhandenem Schnee unterschieden werden. Aus diesem Grund sieht das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, zunächst ein Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche vor, was auf Basis von Relativwerten mit einer hohen Zuverlässigkeit erfolgen kann. Unter Absolutwerten und Relativwerten sollen hier insbesondere Absolutwerte und Relativwerte von Amplitudenwerten und/oder Energien des Signals im optischen Spektrum, bzw. (Teile) der Hüllkurve des optischen Spektrums verstanden werden. D. h. durch die Kenntnis über die ausgesendete Wellenlänge bzw. den ausgesendeten Wellenlängenbereich des Lichts und ein anschließendes Auswerten der Intensität des empfangenen Lichts lässt sich rückschließen, ob eine Absorption in einem jeweiligen vordefinierten Wellenlängenbereich vorhanden ist oder nicht. Für den Fall, dass in diesem Verfahrensschritt keine charakteristischen Absorptionslinien für Eis und/oder Schnee ermittelt werden können, kann keine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt werden. Eine Information darüber, dass keine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt werden kann, kann durch die Auswerteeinheit in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden. Für den Fall, dass auf Basis des Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals weiterhin auch keine charakteristischen Absorptionslinien für flüssiges Wasser ermittelt werden können, kann die Fahrbahnoberfläche durch die Auswerteeinheit als trocken eingestuft werden. Auch eine Information über einen solchen trockenen Fahrbahnzustand kann durch die Auswerteeinheit in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt werden.
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Für den Fall, dass durch die Auswerteeinheit im vorangegangenen Verfahrensschritt eine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt wurde, wird im vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die feste Zustandsform von Wasser (Eis oder Schnee) auf der Fahrbahnoberfläche klassifiziert. Das Klassifizieren erfolgt durch Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert und/oder durch Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, eine Mehrzahl vordefinierter erster Schwellenwerte und/oder eine Mehrzahl vordefinierter zweiter Schwellenwerte zu verwenden, welche jeweils an ihre korrespondierenden Wellenlängenbereiche angepasst sind. Ein wellenlängenabhängiger Schwellwert kann über geeignete Verfahren, beispielweise über eine gewichtete Mittelwertbildung des Signals aller im Sensor vorhandenen Wellenlängen ermittelt werden. Der erste und/oder zweite vordefinierte Schwellenwert können bevorzugt in der an die Auswerteeinheit angebundenen Speichereinheit abgelegt sein und durch die Auswerteeinheit aus der Speichereinheit zum gegebenen Zeitpunkt ausgelesen und verwendet werden. Durch das Klassifizieren der Zustandsform des Wassers auf Basis der Absolutwerte des Signals kann Eis von Schnee insbesondere dadurch unterschieden werden, dass hohe Absolutwerte des Signals i.d.R. einen hohen prozentualen Anteil an vorhandenem Schnee indizieren, während niedrige Absolutwerte des Signals i.d.R. einen hohen prozentualen Anteil an vorhandenem Eis indizieren. Da das auf der Fahrbahnoberfläche vorhandene Wasser auch Mischzustände aus den Zustandsformen Eis, Schnee oder flüssig repräsentieren kann, kann aus der Höhe jeweiliger Absolutwerte des Signals auch ein entsprechender Mischzustand des Wassers ermittelt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Klassifizierung der flüssigen Zustandsform des Wassers insbesondere durch die oben beschriebene Betrachtung der Lage der Absorptionslinien im Spektrum des Signals des optischen Sensors erfolgen kann. Dies kann im Zuge des hier beschriebenen vierten Verfahrensschrittes und/oder bereits im dritten Verfahrensschritt durchgeführt werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren eine Klassifizierung des aktuellen Zustandes der Fahrbahnoberfläche in die Zustände trocken, nass und Wasser in fester Form ermöglichen, wobei das Wasser in fester Form hinsichtlich einer aktuellen Zustandsform des Wassers in die Zustandsformen Schnee oder Eis, bzw. darauf basierende Mischformen eingestuft werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Unterscheidung zwischen Eis und Schnee, wie oben beschrieben, auf Basis des Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals des optischen Sensors durchgeführt werden. Für den Fall, dass die Auswerteeinheit ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (d. h., ein geringer Rauschanteil im Verhältnis zum Nutzsignal) im Signal des optischen Sensors ermittelt, kann eine aktuelle Zustandsform des Wassers als „Schnee“ eingestuft werden. Für den Fall, dass die Auswerteeinheit dagegen ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis (d. h., ein hoher Rauschanteil im Verhältnis zum Nutzsignal) im Signal ermittelt, kann eine aktuelle Zustandsform des Wassers als „Eis“ eingestuft werden. Der Rauschanteil im Signal ist für Schnee zum einen aufgrund höherer Absolutwerte geringer. Zum anderen ist das Signal von Eis stärker ortsabhängig. Letzteres liegt zum einen daran, dass das Signal einer mit Eis bedeckten Fahrbahnoberfläche von einer Anzahl im Eis eingeschlossener Luftbläschen beeinflusst wird. Zum anderen liefert bei einer eisbedeckten Fahrbahn die Fahrbahnoberfläche selbst einen größeren Beitrag zum Signal, als bei einer schneebedeckten Fahrbahn, da das nahinfrarote Licht bei Schnee stark gestreut wird und bei Eis die Streuprozesse des Lichtes überwiegend an den im Eis eingeschlossenen Luftbläschen stattfinden. Dadurch erreicht das durch den optischen Sensor ausgesendete Licht bei einer eisbedeckten Fahrbahnoberfläche im Vergleich zu einer schneebedeckten Fahrbahnoberfläche bei gleicher Schichtdicke den Untergrund mit einer signifikant höheren Intensität. Da es sich bei der Fahrbahnoberfläche in den meisten Fällen um eine Asphaltoberfläche handelt, welche eine deutliche Makrostruktur aufweist, führt diese i.d.R. zu einem stärker ortsabhängigen Signal und somit zu einem entsprechend höheren Rauschanteil im Signal. Es sei darauf hingewiesen, dass im Zuge der Auswertung des Signal-Rausch-Verhältnisses auch der Einfluss unterschiedlicher Geschwindigkeiten des Fortbewegungsmittels berücksichtigt werden kann, indem der Rauschanteil des Signals beispielsweise auf eine jeweilige Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels normiert wird.
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Darüber hinaus können durch die Auswerteeinheit auf Basis einer jeweiligen Höhe des Signal-Rausch-Verhältnisses auch entsprechende Mischformen zwischen Eis und Schnee festgestellt werden. Zur Bestimmung jeweiliger Mischformen kann eine Mehrzahl erster und/oder zweiter Schwellenwerte in der Speichereinheit abgelegt sein, welche jeweils eine konkrete Mischform von Zustandsformen des Wassers repräsentieren. Jeweilige Ergebnisse des Klassifizierens auf Basis der Absolutwerte und/oder des Signal-Rausch-Verhältnisses können anschließend einzelnen im Fortbewegungsmittel verwendet, oder vor einer weiteren Verwendung in geeigneter Weise zu einem einzigen Ergebnis zusammengeführt werden.
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In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die ermittelte Information über die feste Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel verwendet. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Auswerteeinheit die jeweils ermittelte Information über das Bordnetz des Fortbewegungsmittels an ein oder mehrere Empfängersteuergeräte für diese Information übertragen. Als Empfängersteuergeräte kommen beispielsweise ein Steuergerät für einen hochautomatisierten Fahrbetrieb zur Anpassung einer aktuellen Steuerung des Fortbewegungsmittels oder ein Bordcomputersystem zur Ausgabe einer Information über die feste Zustandsform des Wassers an einen Fahrer des Fortbewegungsmittels in Frage. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die ermittelte Information in weiteren Steuergeräten des Fortbewegungsmittels (z.B. in Fahrerassistenzsystemen) verwendet werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Abgleichen der Absolutwerte des Signals mit dem ersten vordefinierten Schwellenwert zusätzlich eine Information über einen aktuellen Einfederungsgrad eines Fahrwerks des Fortbewegungsmittels berücksichtigt. Auf diese Weise kann eine Zuverlässigkeit des Ergebnisses der Bewertung der Absolutwerte des Signals verbessert werden. Ein jeweils aktuell vorliegender Einfederungsgrad des Fahrwerks kann beispielsweise durch einen Beschleunigungssensor und/oder einen Höhenstandssensor und/oder einen Inertialsensor des Fortbewegungsmittels erfasst und in jeweils korrespondierenden Steuergeräten (z.B. durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit) ermittelt werden. Auf Basis des ermittelten Einfederungsgrades des Fortbewegungsmittels können dadurch verursachte unerwünschte Veränderungen des Signals des optischen Sensors durch die Auswerteeinheit entsprechend kompensiert werden. Im Zuge des Kompensierens können durch die Auswerteeinheit jeweilige Werte des Signals des optischen Sensors und/oder die ersten und/oder zweiten Schwellenwerte in geeigneter Weise angepasst werden. Alternativ kann das durch den optischen Sensor erzeugte Signal in Phasen einer für das erfindungsgemäße Verfahren ungünstigen Einfederung des Fahrwerks des Fortbewegungsmittels auch verworfen werden, oder bei einer eventuellen Mittelwertbildung über mehrere Messwerte entsprechend geringer gewichtet werden. D. h., dass in solchen Phasen keine aktuellen Informationen über die feste Zustandsform des Wassers ermittelt werden. Stattdessen können die vor dem Eintreten einer solchen Phase ermittelten Informationen während einer solchen Phase unverändert weiterverwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Klassifizieren der festen Zustandsform des Wassers auf der Fahrbahnoberfläche zusätzlich auf Basis weiterer Sensoren des Fortbewegungsmittels durchgeführt. Hierfür können beispielsweise Signale einer die Fahrbahn erfassenden Kamera und/oder eines Schallwandlers und/oder eines Temperatursensors und/oder eines Ultraschallsensors des Fortbewegungsmittels verwendet werden, die durch die erfindungsgemäße Auswerteeinheit über das Bordnetz empfangen werden können. So kann eine Unterscheidung zwischen Eis und Schnee auf Basis des Signals der Kamera beispielswiese dadurch erfolgen, dass durch Eis und Schnee erzeugte, unterschiedliche Lichtreflexionen auf der Fahrbahnoberfläche in der Auswerteeinheit ermittelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich eine Schichtdicke des Wassers in dessen jeweiliger fester Zustandsform auf Basis des Signals ermittelt. Hierzu kann bevorzugt ein logarithmisches Intensitätsverhältnis zweier Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche des Signals des optischen Sensors des Fortbewegungsmittels mittels der Auswerteeinheit bewertet werden. Auf Basis eines Ergebnisses dieser Bewertung kann eine entsprechende Schichtdicke des Wassers in dessen jeweiliger fester Zustandsform bestimmt werden. Die ermittelte Information über die Schichtdicke kann beispielsweise vorteilhaft im Zusammenhang mit der Klassifikation der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche eingesetzt werden, da sich in Abhängigkeit einer jeweiligen Schichtdicke unterschiedliche Spektren für das Signal ergeben können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Ermitteln der festen Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verfahrens zum maschinellen Lernen erfolgen. Zu diesem Zweck können bevorzugt aus dem Stand der Technik bekannte Algorithmen (z.B. Support Vector Machine, Random Forest, oder ein Deep-Learning Verfahren eines künstlichen neuronalen Netzes) für ein überwachtes oder teilüberwachtes Lernen eingesetzt werden, welche als Bestandteil des oben beschriebenen Computerprogramms realisiert sein können. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Zustandsformen des Wassers im Zuge der Auswertung von Labor-Referenzmessungen (breitbandig oder mit verschiedenen schmalbandigen Wellenlängen- bzw. Wellenlängenbereichen), Simulationen und/oder einer oder mehrerer Trainingsfahrten des Fortbewegungsmittels und/oder eines dedizierten Trainingsfortbewegungsmittels durch das Verfahren zum maschinellen Lernen mittels der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit trainiert werden. Anschließend kann eine auf diese Weise trainierte Konfiguration des Algorithmus im Fortbewegungsmittel selbst angewendet und/oder auf weitere Fortbewegungsmittel übertragen (z.B. Im Zuge eines Herstellungsprozesses der Fortbewegungsmittel) und dort angewendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich ein Konfidenzwert für die feste Zustandsform des Wassers ermittelt. Der Konfidenzwert kann z.B. im Zusammenhang mit dem maschinellen Lernen zum Beispiel einem Abstand zu einer Trennebene verschiedener Klassen entsprechen.
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Auch das Rauschen der Messwerte bzw. die Höhe des Messwertes kann in dem Konfidenzwert berücksichtigt werden.
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Anschließend wird der Konfidenzwert im Fortbewegungsmittel verwendet, indem dieser beispielsweise im oben beschriebenen Steuergerät für einen hochautomatisierten Fahrbetrieb und/oder in einem oder mehreren Fahrerassistenzsystem(en) eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Konfidenzwert auch im Zuge der Ausgabe der Information über die feste Zustandsform des Wassers auf der Fahrbahnoberfläche an den Nutzer des Fortbewegungsmittels zu Anwendung kommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird beim Klassifizieren der festen Zustandsform des Wassers eine Mehrzahl von Signalen des optischen Sensors berücksichtigt, welche jeweils an unterschiedlichen Positionen des Fortbewegungsmittels empfangen wurden. Auf diese Weise lässt sich die stärkere Ortsabhängigkeit des Signals im Zusammenhang mit einer eisbedeckten Fahrbahn im Vergleich zu einer schneebedeckten Fahrbahn nicht nur im oben beschriebenen Signal-Rausch-Verhältnis eines einzelnen Messsignals des optischen Sensors feststellen, sondern auch durch eine stärkere Variation von Signalwerten zwischen unterschiedlichen Messsignalen des optischen Sensors.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer festen Zustandsform von Wasser auf einer Fahrbahnoberfläche vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit mit einem Dateneingang und einem Datenausgang und kann Bestandteil eines bestehenden Steuergerätes oder ein eigenständiges Steuergerät des Fortbewegungsmittels sein. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o.ä., ausgestaltet und informationstechnisch an eine interne und/oder externe Speichereinheit angebunden sein, in welcher durch die Auswerteeinheit empfangene und/oder berechnete Daten für eine nachfolgende Verarbeitung abgelegt werden können. Ferner kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahrensschritte auf Basis eines die Verfahrensschritte implementierenden Computerprogramms auszuführen. Die Auswerteeinheit ist in Verbindung mit dem Datenausgang weiter eingerichtet, Licht einer Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel auf eine Fahrbahnoberfläche auszusenden, wobei die Lichtquelle eingerichtet ist, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit über ein (Teil-) Bordnetz des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit dem optischen Sensor verbunden sein. Das die beiden Komponenten verbindende (Teil-) Bordnetz kann beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekanntes Fahrzeugbussystem einsetzen (z.B. CAN, MOST, FlexRay, Ethernet, usw.). In Verbindung mit dem Dateneingang ist die Auswerteeinheit ferner eingerichtet, ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität des durch eine Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts zu empfangen. Die Auswerteeinheit ist außerdem eingerichtet, eine feste Zustandsform von Wasser auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals zu ermitteln. Die Auswerteeinheit ist zusätzlich eingerichtet, eine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche durch Abgleichen von Absolutwerten des Signals mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert und/oder Abgleichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses des Signals mit einem zweiten vordefinierten Schwellenwert zu klassifizieren. Wiederum in Verbindung mit dem Datenausgang ist die Auswerteeinheit eingerichtet, die ermittelte Information über die feste Zustandsform des Wassers im Fortbewegungsmittel zu verwenden. Hierfür kann die Auswerteeinheit die ermittelte Information über das (Teil-) Bordnetz des Fortbewegungsmittels an ein oder mehrere Empfängersteuergeräte übertragen, welche auf Basis der Information beispielsweise eine hochautomatisierte Steuerung des Fortbewegungsmittels an die ermittelten Umweltbedingungen anpassen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise bei vorhandener Schnee- und/oder Eisglätte eine Geschwindigkeit des Fortbewegungsmittels automatisch reduziert werden, so dass u.a. ein Unfallrisiko für das Fortbewegungsmittel gesenkt werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel;
- 3a ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines ersten Signals und eines zweiten Signals eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels; und
- 3b ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines dritten Signals und eines vierten Signals eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fahrbahnzustands. Im Schritt 100 wird Licht einer LED-Lichtquelle eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels in einem vordefinierten Winkel von 20° auf eine durch das Fortbewegungsmittel befahrene Fahrbahnoberfläche ausgesendet. Die LED-Lichtquelle ist eingerichtet, Licht mit mindestens zwei voneinander abweichenden, vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereichen auszusenden. Der optische Sensor wird mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit angesteuert, welche hier ein Mikrocontroller ist. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit über einen FlexRay-Bus des Fortbewegungsmittels informationstechnisch mit dem optischen Sensor verbunden. Im Schritt 200 empfängt die Auswerteeinheit ein Signal eines Lichtdetektors des optischen Sensors repräsentierend eine Intensität eines durch die Fahrbahnoberfläche zum optischen Sensor zurückgestreuten Anteils des ausgesendeten Lichts. Das Signal wird in Form digitaler Daten in der Auswerteeinheit empfangen und durch die Auswerteeinheit in einer internen Speichereinheit der Auswerteeinheit abgelegt. Im Schritt 300 wird durch die Auswerteeinheit eine feste Zustandsform von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche auf Basis eines Verhältnisses empfangener Werte für Lichtintensitäten der jeweiligen vordefinierten Wellenlängen bzw. vordefinierten Wellenlängenbereiche innerhalb des Signals zu ermitteln. Im Schritt 400 wird mittels der Auswerteeinheit die feste Zustandsform des Wassers auf der Fahrbahnoberfläche klassifiziert. Zu diesem Zweck werden Absolutwerte des Signals mit einem in der Speichereinheit abgelegten, ersten vordefinierten Schwellenwert abgeglichen. Das Abgleichen ergibt aufgrund niedriger Absolutwerte des Signals in diesem Ausführungsbeispiel, dass die Fahrbahn eisbedeckt ist. Im Schritt 600 wird die Schichtdicke des Eises auf der Fahrbahnoberfläche ermittelt. Im nachfolgenden Schritt 700 wird ein Konfidenzwert für eine Zuverlässigkeit der Klassifizierung der festen Zustandsform des Wassers ermittelt. Im Schritt 500 und Schritt 800 wird der Konfidenzwert mit dem Ergebnis für die feste Zustandsform des Wassers kombiniert und in Form eines Bussignals an ein Steuergerät für einen hochautomatisierten Fahrbetrieb übertragen. In diesem Steuergerät wird das Ergebnis unter Berücksichtigung des Konfidenzwertes anschließend für eine Anpassung der Steuerung des Fortbewegungsmittels eingesetzt.
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2 zeigt eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Fortbewegungsmittel 80. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit 10, die hier ein Mikrocontroller ist. Die Auswerteeinheit 10 ist mit einer externen Speichereinheit 20 informationstechnisch verbunden und eingerichtet, oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahrensschritte auf Basis eines Computerprogramms auszuführen. Des Weiteren ist die Auswerteeinheit 10 über einen Dateneingang 12 und einen Datenausgang 14 informationstechnisch über ein Teilbordnetz des Fortbewegungsmittels 80 mit einem optischen Sensor 30 verbunden, welcher in einem Winkel von 20° bezüglich der Fahrbahnoberfläche 70 ausgerichtet und im Unterbodenbereich des Fortbewegungsmittels 80 angeordnet ist. Das Teilbordnetz ist hier auf Ethernet-Basis realisiert. Eine die Fahrbahnoberfläche 70 erfassende, im Frontbereich des Fortbewegungsmittels 80 angeordnete Kamera 40 ist ebenfalls informationstechnisch über das genannte Teilbordnetz mit der Auswerteeinheit 10 verbunden. Auf Basis eines Signals der Kamera 40 ist die Auswerteeinheit 10 in der Lage, einen durch das erfindungsgemäße Verfahren zu ermittelnden Fahrbahnzustand zu plausibilisieren. Ferner ist die Auswerteeinheit 10 über den Datenausgang 14 informationstechnisch über das Teilbordnetz mit einem Steuergerät 50 für einen hochautomatisierten Fahrbetrieb verbunden. Ein durch die Auswerteeinheit 10 auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ermitteltes Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über den Datenausgang 14 in Form eines digitalen Signals an das Steuergerät 50 für den hochautomatisierten Fahrbetrieb übertragen. Das Steuergerät 50 für den hochautomatisierten Fahrbetrieb verwendet das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Anpassen einer aktuellen Steuerung für das Fortbewegungsmittel 80.
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3a zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines ersten breitbandig erfassten Signals 60 und eines zweiten breitbandig erfassten Signals 62 eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels. Das erste Signal 60 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn eine Fahrbahnoberfläche derart mit Schnee bedeckt ist, dass dieser überwiegend nur in Poren der Fahrbahnoberfläche vorliegt und die Fahrbahnoberfläche somit nicht vollständig mit Schnee bedeckt ist. Das zweite Signal 62 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn die Fahrbahnoberfläche mit einer dünnen Eisschicht bedeckt ist. Aus dem Vergleichsbeispiel geht hervor, dass sich Werte von Reflexionsfaktoren des ersten und zweiten Signals hinreichend stark unterscheiden, um auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Klassifizierung des jeweiligen Signals hinsichtlich einer schneebedeckten oder einer eisbedeckten Fahrbahn durchführen zu können.
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3b zeigt ein Vergleichsbeispiel eines Spektrums eines dritten breitbandig erfassten Signals 64 und eines vierten breitbandig erfassten Signals 66 eines optischen Sensors eines Fortbewegungsmittels. Das dritte Signal 64 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn eine Fahrbahnoberfläche vollständig mit einer durchgehenden Schneeschicht bedeckt ist. Das vierte Signal 66 repräsentiert ein Signal, welches durch den optischen Sensor erfasst wird, wenn die Fahrbahnoberfläche mit einer dicken Eisschicht bedeckt ist. Aus dem Vergleichsbeispiel geht hervor, dass sich Werte von Reflexionsfaktoren des dritten und vierten Signals hinreichend stark unterscheiden, um auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Klassifizierung des jeweiligen Signals hinsichtlich einer schneebedeckten oder einer eisbedeckten Fahrbahn durchführen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000002712199 C2 [0003]
- DE 000004133359 C2 [0004]
- DE 000019506550 A1 [0005]
