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Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen eines Knickwinkels zwischen einem Zugfahrzeug und einem Anhänger und/oder zum Bestimmen der Abmessungen des Anhängers.
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Das Fahren mit Anhänger stellt eine besondere Herausforderung dar, unabhängig davon, ob es sich bei dem Zugfahrzeug um einen Personenkraftwagen (PKW) oder einen großen Lastkraftwagen (LKW) handelt, und ob an das Zugfahrzeug ein relativ kleiner und leichter Anhänger, zum Beispiel ein Wohnwagen, angehängt ist oder ob es sich bei dem Anhänger um einen LKW-Anhänger, beispielsweise in Form eines Sattelaufliegers, handelt.
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Kleinere Anhänger haben zumeist eine starre Deichsel, die durch eine Anhängerkupplung mit dem Heck des Zugfahrzeugs verbunden wird. Der Drehpunkt, um den der Anhänger gegenüber dem Zugfahrzeug ausschwenken kann, liegt dann wenige Zentimeter hinter dem Heck des Zugfahrzeugs. Handelt es sich bei dem Anhänger um einen Sattelauflieger, so hat die zugehörige Sattelzugmaschine eine Sattelkupplung, die auf dem Fahrgestell angeordnet ist; der Drehpunkt liegt dann innerhalb der Umrisse des Zugfahrzeugs.
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Kleine Anhänger haben nur eine einzige Achse ungefähr in der Mitte. Größere Anhänger wie zum Beispiel Wohnwagen oder Pferdeanhänger haben oft eine Tandemachse. Noch größere Anhänger wie zum Beispiel LKW-Anhänger und Sattelauflieger haben zwei oder mehrere Achsen hinten und teilweise auch vorne, wobei eine oder mehrere vordere Achsen lenkbar sein können. Entsprechend unterschiedlich sind die Abmessungen von Anhängern; deren Länge beginnt bei ca. 1 m und kann bis über 20 m betragen.
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Bei Geradeausfahrt folgt der Anhänger der Spur des Zugfahrzeugs. In Kurven oder beim Rangieren knickt der Anhänger ab. Der Winkel zwischen der Längsachse des Zugfahrzeugs und der Längsachse des Anhängers wird Knickwinkel genannt. Bei gerade gestelltem Anhänger ist der Knickwinkel Null. Beim Fahren von engen Kurven und beim Rangieren, insbesondere beim Rückwärtssetzen eines Gespanns, kann der aktuelle Knickwinkel 45° und mehr betragen, abhängig von der Art der Kupplung.
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Zugfahrzeug und Anhänger sind in der Regel nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch miteinander verbunden. Über eine genormte Steckbuchse am Zugfahrzeug und ein flexibles Kabel mit korrespondierendem Stecker wird der Anhänger mit Strom versorgt, beispielsweise für die vorgeschriebene Beleuchtung. Je nach Ausführung der elektrischen Verbindung erhält die Steuerungselektronik des Zugfahrzeugs auch eine Information darüber, ob ein Anhänger (elektrisch) angekoppelt ist oder nicht. Bei modernen PKWs wird das Fahrstabilitätsprogramm in einen Anhängermodus versetzt, wenn ein angekoppelter Anhänger erkannt wird.
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Das Fahrverhalten des Zugfahrzeugs ändert sich durch einen Anhänger stark. Je größer und schwerer der Anhänger ist, desto problematischer wird das Fahrverhalten.
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Moderne Fahrzeuge verfügen über mehr oder weniger komplexe elektronische Fahrer-Asistenzsysteme (FAS, engl.: Advanced Driver Assistance Systems, ADAS). Diese unterstützen den Fahrer in bestimmten Fahrsituationen, indem sie z.B. drohende Kollisionen mit Hindernissen oder Personen auf der Fahrbahn erkennen, automatisch die Geschwindigkeit reduzieren, bremsen oder sogar eine Notbremsung herbeiführen. Fortgeschrittene elektronische Stabilitätsprogramme (ESP) bremsen nicht nur gezielt einzelne Räder ab und greifen in die Motorsteuerung ein, um einem drohenden Ausbrechen und Schleudern des Wagens entgegenzuwirken, sondern unterstützen gegebenenfalls den Fahrer auch durch gezielte Lenkeingriffe. Neuere Systeme integrieren zudem eine Gespannstabilisierung im Anhängerbetrieb. Die bisher verfügbaren Systeme reagieren aber lediglich auf die vom Anhänger über die Anhängerkupplung auf das Zugfahrzeug übertragenen Kräfte, die von Sensoren des Zugfahrzeugs erfasst werden.
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Für weiterentwickelte Fahrer-Assistenzsysteme (ADAS) wäre es wünschenswert, wenn dem System automatisch aktuelle Informationen über den Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger und/oder über die Abmessungen des Anhängers, insbesondere Länge und Breite, zur Verfügung stünden, und zwar möglichst unabhängig von der obligatorischen Verbindung zwischen Anhänger und Zugfahrzeug.
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Aus
DE 10 2014 114 812 A bekannt ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Knickwinkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger, bei welcher eine Rechnereinrichtung Messsignale von zwei Anhängerradsensoren empfängt und zur Ermittlung des Knickwinkels auswertet, sowie Zeitsignale erfasst werden, um Zeitspannen zwischen den einzelnen Messsignalen des Anhängerradsensors zu ermitteln. Dieses System erfordert also eine Ausrüstung des Anhängers mit aktiven Sensoren und das aktive Senden von Messsignalen dieser Sensoren an einen Empfänger des Zugfahrzeugs.
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DE 199 64 045 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Knickwinkels zwischen Zugfahrzeug und Anhänger mittels eines an einem Kupplungsglied des Zugfahrzeugs angebrachten Magnetfeldsensors und eines an einem Kupplungsglied des Anhängers angebrachten Magnetfeldgenerators sowie einer Auswerteeinheit, die das Messsignal des Magnetfeldsensors empfängt. Auch bei diesem System muss sowohl das Zugfahrzeug als auch der Anhänger mit zusätzlichen elektrischen bzw. elektromagnetischen Komponenten, die aufeinander abgestimmt sind, ausgerüstet werden.
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DE 10 2018 209 789 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der relativen Orientierung eines Anhängers, der über eine Anhängerkupplung mit einem Zugfahrzeug verbunden ist, während der Fahrt. Hierzu wird eine durch einen Hebel zwischen Anhängerkupplung und Radaufstandsfläche des Zugfahrzeugs resultierende Kraftdifferenz bestimmt, welche bei der Fahrt an zwei voneinander beabstandeten Fahrwerkskomponenten des Zugfahrzeugs einwirkt, und aus der bestimmten Kraftdifferenz die relative Orientierung des Anhängers abgeleitet.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein einfach nachrüstbares und betriebssicheres System zu schaffen, welches der Steuerungselektronik des Zugfahrzeugs im Anhängerbetrieb Informationen über den aktuellen Knickwinkel und/oder die Abmessungen des Anhängers zur Verfügung stellt. Insbesondere soll der Aufwand für die Nachrüstung des Anhängers möglichst gering sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System gemäß dem ersten Patentanspruch. Das erfindungsgemäße System umfasst einen an dem Zugfahrzeug angeordneten Sensor zum Abtasten der Umgebung hinter dem Zugfahrzeug, wobei der Sichtbereich des Sensors mindestens bis zum hinteren Ende des Anhängers reicht. Das System umfasst ferner ein am Heck des Anhängers angeordnetes Richtziel (Target) zum Detektieren durch den Sensor. Eine Ausgangsschnittstelle stellt ein Ausgangssignal des Sensors bereit, wobei dieses Ausgangssignal Informationen über die Distanz zwischen dem Sensor und dem Richtziel und/oder über die Lage des Richtziels relativ zum Sensor enthält. Das diese Informationen enthaltende Ausgangssignal kann dann von einer Auswerteeinheit, zum Beispiel der Steuerungselektronik des Zugfahrzeugs, vorzugsweise einem leistungsfähigen Fahrer-Assistenzsystem, weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise wird es möglich, dass das ADAS die voraussichtliche Fahrspur des Anhängers in Abhängigkeit vom aktuellen oder vorhersehbaren Knickwinkel berücksichtigen kann und darüber hinaus stets die Abmessungen des Anhängers kennt, selbst wenn der Anhänger vorher noch nie an das Zugfahrzeug angekuppelt war. Da der Sensor zum Zugfahrzeug gehört und der Anhänger lediglich mit einem stationären Richtziel ausgerüstet werden muss, lässt sich das erfindungsgemäße System leicht und kostengünstig nachrüsten.
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Vorzugsweise liegen der Sensor und das Richtziel bei gerade gestelltem Anhänger, also bei einem Knickwinkel von Null, auf der gemeinsamen Längsachse von Zugfahrzeug und Anhänger. Dadurch wird gewährleistet, dass beim Abknicken des Anhängers sowohl nach rechts als auch nach links spiegelbildliche geometrische Verhältnisse zwischen Sensor und Richtziel vorliegen. Aus der relativen Lage des Richtziels zum Sensor bzw. der gemessenen Distanz zwischen Sensor und Richtziel lassen sich mittels einfacher Trigonometrie sowohl der aktuelle Knickwinkel als auch die Länge des Anhängers bestimmen. Die Breite des Anhängers lässt sich bestimmen durch Beobachtung der Lageveränderung des Richtziels mit anwachsendem Knickwinkel.
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Im einfachsten Fall kann der Sensor eine gewöhnliche Kamera sein, welche das Bild des Richtziels am Anhänger aufnimmt. Mittels eines Bildverarbeitungsprogramms kann die Lage des Richtziels im Raum nach Winkel und Entfernung bestimmt werden, sobald der Anhänger abknickt.
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Bevorzugt findet als Sensor jedoch ein Radar-Messsystem oder ein Lidar-Messsystem Verwendung. Dabei wird das Sichtfeld des Sensors über Radar- oder Lidarsignale abgetastet. Basierend auf den Reflexionen dieser Signale am Richtziel (Target) des Anhängers kann eine Zieleliste (auch als Punktewolke bezeichnet) erzeugt werden, die für das erfasste Ziel insbesondere den Abstand zum Sensor, den Azimut- und Elevationswinkel sowie gegebenenfalls auch Radial- bzw. Dopplergeschwindigkeit umfasst. Die Zieleliste umfasst dabei auch Tiefeninformationen und bildet somit die Grundlage für die Erkennung von räumlicher Lage und Abstand des Richtziels relativ zu dem Sensor, der ja fest mit dem Zugfahrzeug verbunden ist.
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Von großem Vorteil ist, dass das Richtziel am Heck des Anhängers als einfacher passiver Reflektor ausgebildet sein kann. Dieser Reflektor muss lediglich in der Lage sein, entweder von einer Kamera erfasst zu werden oder Radarstrahlen bzw. Lidarsignale zurück zum Sensor zu reflektieren. Das erfindungsgemäße System funktioniert so auch ohne elektrische Verbindung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger.
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Um sicherzustellen, dass der Sensor das richtige Ziel erfasst und verfolgt, kann das Richtziel auf dem Anhänger in vorteilhafter Weise einen Identifizierungscode tragen, welcher von dem Sensor identifizierbar ist. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Systems beträchtlich und vermindert die Gefahr von Messfehlern signifikant.
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In bevorzugter und zweckmäßiger Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Systems trägt der Anhänger zwei Richtziele, die mit horizontalem Abstand voneinander an den beiden hinteren Ecken des Anhängers angeordnet sind. Beide Richtziele werden von dem Sensor des Zugfahrzeugs detektiert. Dadurch enthält das Ausgangssignal des Sensors an der Ausgangsschnittstelle sofort unmittelbare Informationen über den Abstand zwischen den beiden Richtzielen und damit, bei sinngemäßer Anordnung, über die Breite des Anhängers. Sollten die beiden Richtziele nicht genau an den Ecken des Anhängers angeordnet sein, sondern etwas zur Längsachse hin nach innen versetzt montiert sein, so könnte sich das System im Betrieb selbst kalibrieren, indem der Verlauf der Distanz zwischen Sensor und Richtziel bei größer werdendem Knickwinkel ausgewertet wird.
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Anstelle der mittigen Anordnung des Sensors auf dem Zugfahrzeug, beispielsweise auf dessen Dach, können vorteilhaft auch zwei Sensoren eingesetzt werden, wobei an der rechten und der linken Außenseite des Zugfahrzeugs jeweils ein Sensor angeordnet ist. Insbesondere dann, wenn auch der Anhänger an jeder Seite mit je einem Richtziel ausgerüstet ist, haben die dann möglichen Sichtverbindungen zwischen Sensor und Richtziel auf der linken Seite und zwischen Sensor und Richtziel auf der rechten Seite messtechnische Vorteile. Unabhängig vom Material kann der Aufbau des Anhängers den Signalweg zwischen Sensor und Richtziel nicht beeinträchtigen. Ferner werden die vom Knickwinkel abhängigen Unterschiede der Distanzen zwischen Sensor und Richtziel größer als bei einer mittigen Anordnung von Sensor und/oder Richtziel.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 10 angegebenen Schritten: Ein an dem Zugfahrzeug angeordneter Sensor tastet die Umgebung hinter dem Zugfahrzeug ab, wobei der Sichtbereich des Sensors bis über das hintere Ende des Anhängers hinausreicht. Ein am Heck des Anhängers angeordnetes Richtziel wird von dem Sensor detektiert. Das von dem Sensor ausgegebene Ausgangssignal enthält Informationen über die Distanz zwischen Sensor und Richtziel und/oder die Lage des Richtziels relativ zum Sensor. Auf diese Weise kann der aktuelle Knickwinkel zwischen dem Zugfahrzeug und dem Anhänger und/oder die Abmessungen des Anhängers bestimmt werden.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird, sowie ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des beschriebenen Verfahrens bewirkt.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend den für das System in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Gespann aus Zugfahrzeug und Anhänger mit einem ersten System zum Bestimmen des Knickwinkels und der Abmessungen des Anhängers, schematisch;
- 2 das Gespann von 1 mit einem zweiten System zum Bestimmen des Knickwinkels und/oder der Abmessungen des Anhängers, schematisch.
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Das in 1 in einer vereinfachten Draufsicht dargestellte Gespann besteht aus einem Zugfahrzeug 1, hier beispielhaft ein Personenkraftwagen (PKW), mit einer am Heck angebauten Anhängerkupplung 2 mit Kugelkopf.
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Ein Anhänger 3, hier beispielhaft mit Tandem-Achse, ist über seine starre Deichsel 4 an die Anhängerkupplung 2 angekuppelt. Dabei bildet die Kugel der Anhängerkupplung 2 einen Drehpunkt, um den der Anhänger 3 gegenüber dem Zugfahrzeug verschwenken kann. Bei Geradeausfahrt, also bei gerade gestelltem Anhänger 3, bilden die Längsachse 5 des Zugfahrzeugs und die Längsachse 6 des Anhängers eine gemeinsame Achse, die parallel zur Fahrtrichtung verläuft. Fährt das Zugfahrzeug eine Kurve, knickt der Anhänger 3 ab. Zwischen der Längsachse 5 des Zugfahrzeugs und der Längsachse 6 des Anhängers bildet sich ein Knickwinkel 7. Im dargestellten Beispiel beträgt der Knickwinkel 7 ungefähr 45°. Bei Geradeausfahrt ist der Knickwinkel Null. Würde das Zugfahrzeug in der dargestellten Situation rückwärts fahren, würde sich der Knickwinkel 7 noch weiter vergrößern.
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Auf dem Dach des Zugfahrzeugs 1 sitzt ein Sensor 8, der hier beispielhaft als Radar-Messsystem ausgebildet ist, ebenso gut aber auch ein Lidar-Messsystem sein kann oder eine einfache Kamera. Der Sensor 8 ist mittig auf dem Zugfahrzeug 1 angeordnet.
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Am Heck des Anhängers 3 sitzt ein Richtziel 9, das hier als passiver planer Reflektor ausgebildet ist. Das Richtziel 9 ist gleichfalls mittig angeordnet, sodass der Sensor 8 und das Richtziel 9 bei gerade gestelltem Anhänger auf der gemeinsamen Längsachse 5, 6 von Zugfahrzeug 1 und Anhänger 3 liegen.
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Der Sensor 8 des Zugfahrzeugs 1 tastet die Umgebung hinter dem Zugfahrzeug ab. Der Sichtbereich 10 des Sensors 8 reicht bis hinter das Heck des Anhängers 3. Der Bewegungsbereich des Richtziels 9 liegt innerhalb des Sichtbereichs 10.
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Das Radarsystem des Sensors 8 umfasst mehrere Sende- und Empfangselemente, welche ein Array virtueller Empfangskanäle bilden. Durch Bearbeitung der vom Sensor 8 reflektierten Radarsignale für jeden Empfangskanal kann eine Detektion und Lokalisierung des Richtziels 9 erfolgen. Gleichzeitig kann der Sensor 8 auch die Distanz 12 zwischen Sensor 8 und Richtziel 9 bestimmen. Während der Abstand 13 zwischen Sensor 8 und Kugelkopf der Anhängerkupplung 2, die den Drehpunkt bildet, ebenso konstant ist wie die tatsächliche Länge 14 des Anhängers, ändert sich die Distanz 12 etwas in Abhängigkeit des Knickwinkels 7. In der dargestellten Konfiguration wird die Distanz 12 mit zunehmendem Knickwinkel 7 geringer. Würde der Drehpunkt nicht hinter, sondern vor dem Heck des Zugfahrzeugs 1 liegen, so würde die Distanz 12 etwas zunehmen mit größer werdendem Knickwinkel 7.
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Das Ausgangssignal des Sensors 8 enthält Informationen über die Distanz 12 zwischen Sensor 8 und Richtziel 9 und über die Lage des Richtziels 9 relativ zum Sensor 8. Über eine Ausgangsschnittstelle 15 wird das diese Informationen enthaltende Ausgangssignal des Sensors 8 einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit des Zugfahrzeugs 1, die hier beispielhaft Teil des Fahrer-Assistenzsystem (ADAS) ist, zur Verfügung gestellt. Dadurch wird das Fahrerassistenzsystem in die Lage versetzt, auf Antrieb, Lenkung und Bremsen des Zugfahrzeugs 1 in Abhängigkeit vom aktuellen Knickwinkel 7 und der erfassten Länge 14 des Anhängers 3 einzuwirken. Zum Beispiel kann der Fahrer optisch und/oder akustisch gewarnt werden, wenn der weit hinter dem Zugfahrzeug 1 rollende Anhänger 3 mit einem Hindernis zu kollidieren droht oder die Gefahr besteht, dass der Anhänger 3 aus der Spur gerät.
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In 2 ist im Wesentlichen dasselbe Gespann aus Zugfahrzeug 1 und Anhänger 3 zu sehen. Im Unterschied zu der Konfiguration von 1 ist an der linken und der rechten Außenseite des Zugfahrzeugs 1 jeweils ein Sensor 8a bzw. 8b angeordnet. Beispielhaft können die Sensoren 8a, 8b in den Außenspiegeln sitzen, welche in modernen Fahrzeugen ohnehin schon mit dem Fahrer-Assistenzsystem verbunden sind, beispielsweise zur Totwinkel-Warnung.
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Aus den Informationen des Ausgangssignals des Sensors 8 lassen sich der momentane Knickwinkel 7 und optional die Abmessungen des Anhängers 3, insbesondere dessen Länge 14, ableiten.
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Am Heck des Anhängers 3 ist nicht, wie in 1, nur ein Richtziel angeordnet, sondern sitzen zwei Richtziele 9a und 9b an der linken bzw. rechten hinteren Ecke des Anhängers 3. Dadurch ergibt sich eine Sichtverbindung zwischen dem linken Sensor 8a und dem linken Richtziel 9a und in gleicher Weise zwischen dem rechten Sensor 8b und dem rechten Richtziel 9b, wenn der Anhänger 3 nach rechts abknickt. Der horizontale Abstand zwischen den Richtzielen 9a, 9b kann von den Sensoren 8a, 8b unmittelbar erfasst werden; dieser Abstand entspricht der Breite des Anhängers 3.
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Die Richtziele 9a, 9b, die hier wiederum als passive Reflektoren ausgebildet sind, tragen jeweils einen Identifizierungscode, welcher von dem zugehörigen Sensor 8a, 8b eindeutig identifizierbar ist.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zugfahrzeug
- 2
- Anhängerkupplung (Drehpunkt)
- 3
- Anhänger
- 4
- Deichsel
- 5
- Längsachse (Zugfahrzeug)
- 6
- Längsachse (Anhänger)
- 7
- Knickwinkel
- 8; 8a, 8b
- Sensor
- 9; 9a, 9b
- Richtziel
- 10
- Sichtbereich (Sensor)
- 11
- Bewegungsbereich (Richtziel)
- 12, 12a
- Distanz (Sensor, Richtziel)
- 13
- Abstand (Anhängerkupplung/Sensor)
- 14
- Länge (Anhänger)
- 15
- Ausgangsschnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014114812 A [0010]
- DE 19964045 A1 [0011]
- DE 102018209789 A1 [0012]
