DE10339696B4

DE10339696B4 - Vorrichtung zur Erfassung von Objekten auf einer transparenten Wand, insbesondere von Regentropfen auf einer Windschutzscheibe

Info

Publication number: DE10339696B4
Application number: DE10339696A
Authority: DE
Inventors: Michael Maryschka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: DE10339696A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung von Objekten auf einer lichtdurchlässigen Wand, insbesondere des Niederschlags von Regentropfen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, umfassend:
– eine lichtaussendende Einheit (9), die am Rand (17) der Wand (1) angeordnet ist und eine Lichtstrahlung im wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Wand einspeist, wobei der Strahlengang (14) durch die Stirnfläche (3) der Wand (1) geführt ist und sich in der Wand (1) durch mehrfache Reflexion an den Grenzflächen (15, 16) ausbreitet,
– ein auf den Strahlengang (14) in der Wand (1) gerichtetes optisches System (10), das Veränderungen der Reflexion detektiert, dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtaussendende Einheit (9) lichtaussendende Halbleiterdioden (LED) enthält, die in einer am äußeren Rand (17) der Wand (1) umlaufenden Dichtung eingebettet sind und dass das optische System (10) durch eine von der Wand (1) beabstandete und dachseitig im mittleren Bereich des Fahrgastraums angebrachte Kameraeinrichtung (20) gebildet ist, die durch die Wand (1) ein...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Objekten auf einer lichtdurchlässigen Wand, insbesondere des Niederschlags von Regentropfen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, mit einer lichtaussendenden Einheit, die am Rand der Wand angeordnet ist und eine Lichtstrahlung im wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Wand einspeist, wobei der Strahlengang durch die Stirnfläche der Wand geführt ist, wobei der Strahlengang sich in der Wand durch mehrfache Reflexionen an den Grenzflächen ausbreitet, und mit einem auf den Strahlengang in der Wand gerichtetes optisches System, das Veränderungen der Reflexionen detektiert.
Stand der Technik
Aus der Fahrzeugtechnik sind Einrichtungen bekannt, welche den Niederschlag von Regentropfen auf der Windschutzscheibe eines KfZ messtechnisch erfassen und automatisch einen Wischvorgang der Scheibenwischervorrichtung auslösen. Der Lenker des Kraftfahrzeugs, der den Wischerhebel nicht mehr manuell bedienen muss, kann sich dadurch besser auf das augenblickliche Fahrgeschehen konzentrieren, was die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht. Derartige Einrichtungen, kurz auch als Regensensoren bezeichnet, arbeiten nach unterschiedlichen Messprinzipien. Sie erfassen beispielsweise eine Widerstandsänderung, eine Kapazitätsänderung oder arbeiten optoelektronisch.
Serienmäßig eingesetzt werden bei Kraftfahrzeugen optoelektronisch arbeitende Regensensoren, die meist nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten: Es wird durch die Scheibenoberfläche eine definierte Lichtstrahlung eingekoppelt, die dann auf Grund des Einkopplungswinkels mehrmals in der Scheibe total reflektiert und schließlich an einer bestimmten Stelle wieder und von einer Empfangseinrichtung des Regensensors empfangen wird. Die Einkopplung und die Auskopplung der Lichtstrahlung erfolgt durch Koppelelemente, welche an der Innenfläche der Frontscheibe im Fahrgastraum angeordnet sind. Im ungestörten Fall, das heißt bei einer trockenen und unverschmutzten Scheibenoberfläche, erreicht das ausgesandte Licht nahezu in voller Intensität die optische Empfangseinrichtung. Ist die Oberfläche hingegen verschmutzt oder durch Flüssigkeitstropfen benetzt, so ist die Totalreflexion an diesen Stellen der äußeren Scheibenoberfläche gestört. Es kommt zu Lichtbrechung. Durch die Lichtbrechung verringert sich die Intensität der in der Wand weitergeleiteten Lichtstrahlung, was am Ende des Freigangs von der Empfangseinrichtung detektiert wird.
Um einen an die tatsächlichen Sichtverhältnisse angepassten Wischvorgang auszuführen, muss das Sensorfeld, das heißt der Erfassungsbereich des optischen Sensors im Wischbereich des Scheibenwischers liegen. Da der Regensensor aber aus einem undurchsichtigen Material gefertigt ist, muss der Sensor außerhalb des Sichtfeldes des Fahrers angeordnet sein. Ein bevorzugter Ort für den Einbau ist deshalb der vom Rückspiegel verdeckte Bereich der Windschutzscheibe. Bei Kraftfahrzeugen mit zwei Wischerblättern wird dieser Bereich der Windschutzscheibe aber nur teilweise überstrichen. Es ist deshalb erforderlich, dass der Regensensor zumindest in den Randbereich des Sichtfeldes des Fahrzeuglenkers gerückt wird. Dies kann vom Fahrzeuglenker als störend empfunden werden. Auch die mechanische Befestigung der Koppelelemente auf der Windschutzscheibe, die meist durch eine Klebeverbindung hergestellt wird, kann über die Betriebszeit gesehen auf Grund der vorherrschenden rauen Betriebsbedingungen problematisch sein.
Aus der DE 32 35 590 A1 ist eine Vorrichtung zum optischen erfassen von Fremdkörpern auf einer Windschutzscheibe bekannt, bei der der Lichtsender und der Lichtempfänger jeweils an einem gegenüberliegenden Rand der Scheibe angeordnet sind. Die Intensität des empfangenen Lichts dient als Maß für die Verunreinigung der Scheibe. Von Nachteil ist hierbei, dass Kratzer und Verunreinigungen der Scheibe die Erfassung von Fremdkörpern stark beeinträchtigen können.
Bei dem aus der DE 198 58 316 C2 bekannten Verfahren zum Detektieren von Belägen auf einer lichtdurchlässigen Scheibe wird die Verwendung einer Lichtquelle und einer optische Aufnahmeeinheit vorgeschlagen, welche an eine zur Scheibeninnenseite hin zugewandten Seite angeordnet sind.
Durch die WO 87/07023 ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Objekten auf einer lichtdurchlässigen Wand bekannt, bei dem die Lichtstrahlung an einer Stirnseite der Wand mittels eines Glasfaserkabels eingeleitet wird.
Aus der DE 198 15 748 C2 ist ferner eine optische Sensoreinrichtung bekannt, bei der eine lichtaussendende Einheit in Verbindung mit einem Lichtleitkörper die Sendestrahlung an einer Eintrittsstelle unter einem Neigungswinkel in die Scheibe einkoppelt und an einer Austrittsstelle der Scheibe auskoppelt, um sie einer Empfangseinrichtung zuzuführen. Der Lichtleitkörper weist eine Struktur auf, mit der die vom Sender ausgestrahlte Strahlung in zwei unterschiedliche Richtungen gesammelt und parallelisiert werden kann. Die Sensoreinrichtung wird auf die innere Scheibenfläche der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges montiert. Die Beeinträchtigung des Sichtfeldes ist von Nachteil.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine eingangs genannte Vorrichtung so weiter zu bilden, dass die Erfassungsgenauigkeit besser ist ohne dass dabei die Sicht des Fahrers beeinträchtigt wird und die den rauen Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeuges gut Stand hält.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Objekten auf einer lichtdurchlässigen Wand, insbesondere des Niederschlags von Regentropfen auf einer Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, ist gekennzeichnet durch eine lichtaussendende Einheit, welche Halbleiter-Leuchtdioden enthält, die in einer am äußeren Rand der Wand umlaufende Dichtung eingebettet sind und ein optisches System aufweist, das durch eine von der Wand beanstandete und dachseitig im mittleren Bereich des Fahrgastraums angebrachte Kameraeinrichtung gebildet ist, welche durch die Wand ein Bild des Niederschlags erfasst. Dadurch ist das Sichtfeld des Fahrzeuglenkers durch Baugruppen der Sende- und/oder der Erfassungseinrichtung nicht beeinträchtigt. Durch die Einbettung der Halbleiter-Leuchtdioden in einer am äußeren Rand der Scheibe umlaufenden Gummidichtung sind diese sehr gut vor Feuchte, Nässe und mechanischer Beanspruchung geschützt.
Unter fertigungstechnischen Geschichtspunkten besonders bevorzugt ist hierbei eine lineare Anordnung der Halbleiterdioden, bei der handelsübliche Diodenzeilen, so genannte Dioden-Arrays, eingesetzt werden können.
Um störende Einflüsse von Fremdlicht weitgehend zu unterdrücken erscheint es ferner vorteilhaft, wenn die Lichtstrahlung der Leuchtdioden im Infrarotbereich, das heißt in einem Wellenlängenbereich um ein Mikrometer, ausgestrahlt wird.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn zur Unterdrückung von Störlicht der Kameraeinrichtung ein Infrarottransmissionsfilter vorgeschaltet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraeinrichtung durch eine CCD-Kamera gebildet ist.
Zwecks Optimierung der Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn der Kameraeinrichtung eine Auswerteeinheit nachgeschaltet ist. Diese Auswerteeinheit ist so ausgeführt, dass sie in einem Bildspeicher Daten eines Grundbildes gespeichert hat, das frei von Objekten ist. Die Erfassung von Fremdmaterial auf der äußeren Scheibenoberfläche erfolgt durch Vergleich dieses Referenzbildes mit Daten eines ermittelten Messbildes.
Hinsichtlich eines optimalen Betriebes der Vorrichtung erscheint es günstig, wenn die lichtaussendende Einheit und das optische System durch eine Kommunikationsverbindung mit einer Steuereinheit verbunden sind. Durch diese Verbindung ist es möglich, das Aussenden der Lichtstrahlung mit der Erfassung eines Bildes zu koppeln; mit anderen Worten, die lichtaussendende Einheit und das optische Erfassungssystem werden nur in vorgegebenen Messintervallen aktiviert.
Insbesondere kann von Vorteil sein, wenn der Vergleich zwischen dem Referenzbild und dem Messbild durch Vorgabe eines Schwellwertes vom Bedienfeld des Kraftfahrzeugs beeinflussbar ist. Damit kann die Empfindlichkeit des Ansprechverhaltens vom Fahrer individuell vorgegeben werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Schemazeichnung eines bekannten Regensensors, der in einem Kfz installiert ist;
2 die prinzipielle Wirkungsweise des Regensensors der 1;
3 eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Regensensors, der in einem Kraftfahrzeug installiert ist;
4 die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Regensensors.
Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine Schemazeichnung eines Regensensors 24, wie er bei Kraftfahrzeugen häufig eingesetzt wird. Der Regensensor 24 ist im Fahrgastraum auf der Innenseite der Windschutzscheibe im Bereich des Rückspiegels angebracht. Die prinzipielle Wirkungsweise dieses bekannten Regensensors ist in 2 skizziert. Von einer lichtaussendenden Einheit 9 wird eine Lichtstrahlung ausgesendet, die mittels eines Koppelelementes 25, beispielsweise einem Prisma, in die Windschutzscheibe 1 eingekoppelt wird. Solange sich an der äußeren Scheibenfläche 15 kein Fremdmaterial befindet, wird der jeweils in den Reflexionspunkten 8 der Grenzfläche 15 einfallende Lichtstrahl 4 vollständig reflektiert. Ist die äußere Scheibenfläche 15 benetzt, beispielsweise durch einen Regentropfen 2, verringert sich die Intensität der von der Empfangseinrichtung 11 erfasst Lichtstrahlung. Die Intensitätsverringerung wird in ein entsprechendes Steuersignal umgesetzt und der Scheibenwischersteuerung zugeführt.
Die 3 zeigt in einer Schemazeichnung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Regensensors, wie er in einem Kfz installiert ist. Die lichtaussendende Einheit 9, z.B. ein Leuchtdioden-Array, befindet sich am äußeren Rand 17 der Windschutzscheibe 1. Zur Erfassung von Objekten auf der äußeren Scheibenfläche 15 wird stirnseitig ein Lichtstrom eingekoppelt und das Reflexionsverhalten im Strahlengang 14 von einer Kameraeinrichtung beobachtet. Die Kameraeinrichtung 20 ist im Fahrgastraum im Bereich des Daches montiert.
Die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Regensensors ist besser aus der vergrößerten Darstellung der 4 erkennbar. Die Lichtstrahlung wird in einem Leuchtdioden-Array 19 erzeugt. Die Einkopplung der Lichtstrahlung erfolgt erfindungsgemäß durch die Stirnfläche 3 der transparenten Wand 1. Eventuell erforderliche Koppelelemente an der Stirnfläche der Wand sind der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt. Der Grenzwinkel des einfallenden Lichtstrahls bzw. der einfallenden Lichtstrahlen 4 ist dabei so gewählt, dass es in den Reflexionspunkten 8 im ungestörten Fall an der äußeren Scheibenfläche 15 bzw. inneren Scheibenfläche 16 jeweils zu Totalreflexion kommt. Befindet sich auf der äußeren Scheibenoberfläche 15 im Bereich der Reflexionspunkte 8 Fremdmaterial, – in 4 ist dies durch einen Regentropfen 2 angedeutet – so verändert dieses Fremdmaterial die Lichtreflexion in diesem Punkt. Im Falle des Regentropfens findet an diesem benetzten Reflexionspunkt 8 nur eine teilweise Reflexion statt. Ein Teil des Lichtes wird zum "wassererfüllten" Raum hin gebrochen; und nur ein Teil wird wieder im Glas reflektiert. Der gebrochene Lichtstrahl 6 tritt in einem spitzen Winkel zur Senkrechten 7 in den "wassererfüllten" Raum ein. Die Intensität des gebrochenen Lichtstrahls 6 hellt zumindest teilweise den Wassertropfen 2 auf. Das optische System 10, das zur Erfassung der Objekte 2 auf die äußere Scheibenfläche 15 fokussiert ist, erfasst diese Aufhellung.
Im Gegensatz zu bekannten Regensensoren, entfallen durch die Erfindung Koppelelemente auf der Innenfläche 16 der Scheibe 1. Daher kommt es auch nicht zu Sichtfeldbeeinträchtigung des Fahrzeuglenkers.
Das optische System besteht aus einer CCD-Kameraeinrichtung 20, der eine Auswerteeinheit 12 nachgeschaltet ist. Die Kameraeinrichtung 20 erkennt durch Vergleich mit einem ungestörten Referenzbild die auf der Außenfläche 15 der Windschutzscheibe auftreffenden Regentropfen. Dies hat zur Folge, dass an einem Steuerausgang 26 ein Signal erzeugt wird, das automatisch die Wischereinrichtung des Fahrzeuges aktiviert. Scheibenwischeransteuerungen und Einrichtungen zur Bildverarbeitung bzw. Mustererkennung sind dem Fachmann bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung darauf nicht näher eingegangen wird.
Hinsichtlich einer effizienten Betriebsweise ist es von Vorteil, wenn die lichtaussendende Einheit 9 und die Auswerteeinheit 12 über Kommunikationsverbindungen 21 mit einer Steuereinheit 22 verbunden sind. Der erfindungsgemäße Regensensor kann dadurch so gesteuert werden, dass die Messeinrichtung nur in bestimmten Messintervallen aktiv ist.
Die Halbleiter-Leuchtdioden (LED) sind bevorzugt in Form einer Zeile zu einem Leuchtdioden-Array 19 zusammengefasst. Um Störeinflüsse weitgehend auszublenden, wird die Lichtstrahlung im Infrarotbereich ausgestrahlt. Der Kameraeinrichtung 20 ist ein Infrarottransmissionsfilter 23 vorgeschaltet.
Die Kameraeinrichtung 20 kann, wie im Ausführungsbeispiel der 3 dargestellt, dachseitig im mittleren Bereich des Fahrgastraums angebracht sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Kamera in das Armaturenbrett des Fahrzeugs integriert ist.
Der Erfassungsbereich 13 des optischen Systems 10 kann auf eine beliebige Stelle innerhalb des Wischerbereichs des Scheibenwischers gerichtet sein.
Die Vorrichtung wird vom Lenkstockhebel des KfZ aktiviert. Die Empfindlichkeit des Ansprechverhaltens kann durch Vorgabe eines Schwellwertes eingestellt werden.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von Objekten auf einer lichtdurchlässigen Wand, insbesondere des Niederschlags von Regentropfen auf der Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges, umfassend: – eine lichtaussendende Einheit (9), die am Rand (17) der Wand (1) angeordnet ist und eine Lichtstrahlung im wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Wand einspeist, wobei der Strahlengang (14) durch die Stirnfläche (3) der Wand (1) geführt ist und sich in der Wand (1) durch mehrfache Reflexion an den Grenzflächen (15, 16) ausbreitet, – ein auf den Strahlengang (14) in der Wand (1) gerichtetes optisches System (10), das Veränderungen der Reflexion detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaussendende Einheit (9) lichtaussendende Halbleiterdioden (LED) enthält, die in einer am äußeren Rand (17) der Wand (1) umlaufenden Dichtung eingebettet sind und dass das optische System (10) durch eine von der Wand (1) beabstandete und dachseitig im mittleren Bereich des Fahrgastraums angebrachte Kameraeinrichtung (20) gebildet ist, die durch die Wand (1) ein Bild des Niederschlags erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaussendenden Halbleiterdioden (LED) zeilenförmig angeordnet und in zumindest einem Array (19) zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaussendenden Halbleiterdioden die Lichtstrahlung im Infrarotbereich ausstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kameraeinrichtung (20) ein Infrarottransmissionsfilter (23) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraeinrichtung (20) durch eine CCD-Kamera gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kameraeinrichtung (20) eine Auswerteeinheit (12) nachgeschaltet ist, die so ausgeführt ist, dass in einem Bildspeicher Daten eines Grundbildes der Wand, die frei von Objekten ist, gespeichert ist, und dass das Erfassen der Objekte (2) durch Vergleich zwischen Daten des Grundbildes mit Daten eines Messbildes erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtaussendende Einheit (9) und das optische System (10) durch eine Kommunikationsverbindung (21) mit einer Steuereinheit (22) verbunden ist, die die Erfassung der Objekte (2) in Intervallen aktiv schaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich durch Vorgabe eines Schwellwertes von einem Bedienfeld beeinflussbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung als umlaufende Gummidichtung ausgebildet ist.