DE19705834A1 - Mit Mikrowellen arbeitende Abstandsmeßeinrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstandsmeßeinrichtung für Kraftfahrzeuge. Aufgrund der hohen Verkehrsdichte und des geringen für das einzelne Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bewegungsraums werden Abstandsmeßeinrichtungen für Kraft­ fahrzeuge immer wichtiger. Dementsprechend ist die Umfeld­ wahrnehmung und Abstandsmessung um das Kraftfahrzeug sowie die Ermittlung der Relativgeschwindigkeiten anderer Ver­ kehrsteilnehmer gegenüber dem eigene Fahrzeug von zunehmen­ der Bedeutung. Auf diesem Gebiet werden u. a. Lichtwellen, Laserwellen, Ultraschallwellen und Funkwellen eingesetzt. Dabei dienen die bekannten Abstandsmeßeinrichtungen insbe­ sondere im Nahbereich des Automobils als Totwinkelüberwa­ chung hinsichtlich des Totwinkels im Rückspiegel, als Park- und Rückfahrhilfe bei Rangiervorgängen und als Kollisions­ warnung gegenüber anderen stehenden oder fahrenden Fahrzeu­ gen. Schließlich werden die bekannten Abstandswarneinrich­ tungen auch zur Hinderniserkennung vorstehender Hindernisse oder zum Erkennen von Untiefen oder Löchern auf dem Fahr­ bahngrund angewendet. Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einer Abstandsmeßeinrichtung der sich aus dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.

Aufgabe der Er­ findung ist es, eine Abstandsmeßeinrichtung anzugeben, die besonders in der näheren Umgebung des Fahrzeugs wirksam ar­ beitet und eine gute Auflösung möglicher Hindernisse in dem überwachten Bereich gestattet.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, ausschließlich oder in Ergänzung zu anderen Überwachungssignalen wie Ultraschall eine Strahlungsform anzugeben, welche sich besonders gut für in Kraftfahrzeugen angeordnete Abstandsmeßeinrichtungen eig­ net.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung haben sich insbesondere Wellen gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 2 bewährt. Dabei liegen die verwendeten Wel­ len, die für das nach dem Echoprinzip arbeitende Abstands­ meßverfahren verwendet werden, in dem Millimeterbereich und dort insbesondere zwischen 3 mm und 60 mm. Betrachtet man die vorzugsweise zu verwendende Frequenz, so liegt diese zwischen 5 und 100 Gigahertz (GHz). Abgesehen von der Tatsa­ che, daß diese Wellenform hinsichtlich der notwendigen Aus­ wertung der Echosignale gut beherrscht wird, haben diese Wellen insbesondere den Vorteil, daß ihre Eindringtiefe bzw. Durchdringungstiefe von Materialien recht hoch ist. Das gilt insbesondere bei der Verwendung von Kunststoff, der von dem geschilderten Wellenbereich ohne Schwierigkeiten durchdrun­ gen wird, so daß Folien, Schichten und Platten aus Kunst­ stoff für Impulszüge des genannten Wellenbereichs weder in Senderichtung noch in Empfangsrichtung ein größeres Hinder­ nis darstellen. Dementsprechend empfiehlt sich in Weiter­ bildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 3. Dementsprechend sind die sendenden Antennen bzw. Dipole leicht vor Schmutz und Beschädigung zu schützen. Vorteil ist dabei insbesondere, daß Kunststoffplatten und Kunststoff­ körper, die ohnedies am Fahrzeug vorgesehen werden müssen, wie Stoßfänger, Spoiler, Seitenstoßleisten und ähnliches unschwer als Blende für die sendenden und empfangenden Di­ pole verwendet werden können.

Hinsichtlich der Sendeimpulszüge und der durch Hindernisse reflektierten Empfangsimpulszüge kann in der üblichen Weise die Laufzeitmessung vorgenommen werden, indem die zwischen dem sendenden und dem empfangenden Signal dienende Laufzeit als Maß für den Abstand des Hindernisses dient. Hinsichtlich der verwendeten Mikrowellen in dem oben genannten Bereich kann es sich in Weiterbildung der Erfindung aber empfehlen, die Merkmalskombination nach Anspruch 4 anzuwenden. Danach wird der Sendewellenzug mit einer geeigneten Frequenz (bei­ spielsweise zwischen 1 und 10 Megahertz liegend) moduliert, wobei der Frequenzhub möglichst groß sein soll. So ist bei einer Sendefrequenz von 76 GHz ein Hub von 1 GHz und bei 24 GHz ein Hub von 0,25 GHz zulässig. Vergleicht man nun den Sendewellenzug mit dem zurückgeworfenen Empfangswellenzug, so wird man aufgrund des Laufzeitunterschiedes eine Fre­ quenzverschiebung feststellen. Diese Frequenzverschiebung kann als Maß für die Entfernung des reflektierenden Hinder­ nisses ausgewertet werden. Vorteilhaft ist, daß die Phasen­ verschiebung sich vielfach leichter auswerten läßt als die bei dem vorgeschlagenen Wellenbereich sehr kurzen Laufzeit­ unterschiede.

Aufgrund der sehr schnellen Ausbreitungsgeschwindigkeit der verwendeten Strahlung können die Wellenzäge (Pulse) zeitlich sehr viel dichter gesendet werden, als dies beispielsweise bei Ultraschallmessung möglich ist. Infolge dessen empfiehlt sich in Weiterbildung die Merkmalskombination nach Anspruch 5. Im Prinzip beruht diese Merkmalskombination darauf, die einzelnen Sender im Zeitmultiplex zu betreiben oder doch zumindest den Informationsaustausch zwischen Sender bzw. Empfänger sowie der Zentraleinheit im Zeitmultiplex durch­ zuführen, wobei durchaus zulässig ist, daß der Empfang eines Empfangswellenzuges durch mehrere Empfänger gleichzeitig erfolgt.

Die Erfindung schafft weiterhin die Möglichkeit, die Sende­ wellenzüge über Hochfrequenzleitungen, ausgehend von einem gemeinsamen Generator, den einzelnen Sendern nacheinander zuzuführen, was nicht ausschließt, daß der reflektierte Emp­ fangswellenzug jeweils durch alle Empfänger empfangen und die entsprechenden Informationen von den Empfängern zu der Zentraleinheit zur Auswertung übertragen werden. Vorteilhaft dabei ist, daß hierdurch eine sehr viel größere Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des Hindernisses nach Lage, Aus­ dehnung bzw. Relativgeschwindigkeit zum eigenen Kraftfahr­ zeug gewinnen läßt. Dies kommt daher, daß die gleiche Welle von mehreren Empfängern empfangen wird, wodurch sich die Lage des Hindernisses präzisieren läßt. Bekanntlich haben ja alle auf einem Teilkreis um einen Sender befindlichen Hin­ dernisse die gleiche Laufzeit, wobei über die Richtung des Hindernisses nur aufgrund der Unsymmetrie der Strahlungs­ keule eine Aussage gemacht werden kann. Man sucht daher die größte Empfindlichkeit des Systems in die Richtung zu legen, aus der für das eigene Kraftfahrzeug gefährliche Hindernisse mit größter Wahrscheinlichkeit erscheinen können.

Die Möglichkeit einer hohen Dichte von Sendewellenzügen und Empfangswellenzügen sowie die hohe mögliche Übertragungs­ dichte von Informationen zwischen Sendern bzw. Empfängern und der zentralen Verarbeitungseinheit schafft die Möglich­ keit einer erhöhten Redundanz der zu bewertenden Ergebnisse und die Einführung von Sicherungscodes auf der Übertragungs­ strecke, um Fremdeinflüsse auf den Übertragungsleitungen weitgehend auszuschalten. Weiterhin kann durch Mehrfachaus­ wertung mittels unterschiedlicher Empfangsschwellen in den einzelnen Empfängern eine größere Richtungsgenauigkeit er­ reicht werden, wobei die Auswertung nicht nur in den Empfän­ gern selbst sondern auch in der zentralen Verarbeitungsein­ heit mit unterschiedlichen Empfangsschwellen vorgenommen werden kann.

Zur Verbesserung der Richtungsbestimmung kann sich somit auch die Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 6 empfehlen. Da das Hindernis durch den Schnittpunkt mehrerer um die einzelnen Empfänger gelegte Kreise örtlich bestimmt werden kann, wobei der Radius der Kreise sich wieder durch die gemessene Laufzeit bestimmt, kann sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 7 emp­ fehlen, da hierdurch die Mittelpunkte der miteinander zu schneidenden Kreise weiter auseinanderrücken. Hierdurch wird letztendlich auch die Bestimmung des Abstandes und der Win­ kellage des festgestellten Hindernisses erleichtert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 die Ansteuerung der einzelnen Sender und Empfänger durch die zentrale Verarbeitungseinheit

Fig. 2 in schematischer Form die Auswertung eines Empfangs­ wellenzuges bei Frequenzmodulation und

Fig. 3 in symbolischer Darstellung die Anordnung der zen­ tralen Verarbeitungseinheit.

Fig. 1 zeigt beispielhaft für eine Kunststoffblende einen am vorderen oder hinteren Ende eines Fahrzeugs befindlichen Stoßfänger 1 aus Kunststoff. Bei der Blende gemäß Fig. 1 kann es sich aber auch um eine seitliche Stoßleiste oder um eine andere Kunststoffplatte handeln, die für den Betrieb des Fahrzeugs ohnedies benutzt wird, wie beispielsweise den Deckel einer Kraftfahrzeuglampe, den Fuß eines Rückspiegels an der Windschutzscheibe, die Fläche eines Außenspiegels, ein Kühlergrill, ein Nummernschild oder ähnliches. Wesent­ lich ist nur, daß das den Sender bzw. den Empfänger abdec­ kende Teil für Mikrowellen durchlässig sein muß.

In Fig. 1 sind die Sender 1 bis 4 angedeutet, die die Form von Dipolen aufweisen. Die genaue Ausgestaltung eines der­ artigen Dipols ist hier nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Wesentlich aber ist, daß aufgrund der kurzen Laufzeit der verwendeten Wellen alle Sender 1 bis 4 durch einen gemeinsamen Generator zeitlich nacheinander mit dem Sendewellenzug versorgt werden können. Dies geschieht da­ durch, daß ein Sendeschalter SS schrittweise durch die zen­ trale Verarbeitungseinheit ZVE fortgeschaltet wird und so die einzelnen Sender 1 bis 4 nach einander mit dem Generator G verbindet. Selbstverständlich sind auch für den Schalter SS Zwischenstellungen möglich, in denen alle Sender von dem Generator abgetrennt sind, während die Empfänger die reflek­ tierten Empfangsimpulszüge aufnehmen. Das System kann aber auch derart arbeiten, daß immer ein Sender sendet, während alle oder eine Mehrzahl von Empfängern 6 bis 9 empfängt. Die empfangenen Wellenzüge werden von den Empfängern 6 bis 9 über einen Empfangsschalter SE, welcher ebenfalls von der zentralen Verarbeitungseinheit ZVE gesteuert wird, dieser Verarbeitungseinheit über eine Leitung 10 zeitmultiplex zu­ geführt. Weiterhin wird der Generator die Sendefrequenz ste­ tig dem ortsfesten Kontakt des Schalters SS über die Leitung 11 zuführen. Da eine große Anzahl von Sendern und Empfängern vorgesehen sein können, wird man versuchen, die Schalter SS bzw. SE in die Nähe der Sender bzw. Empfänger zu legen, um den Aufwand an Verkabelung zu verringern. Es ist aber auch denkbar, daß die Schalter SS und SE innerhalb der ZVE inte­ griert sind, so daß die einzelnen zwischen Sendern bzw. Emp­ fängern und den Schaltern SS bzw. SE geführten Leitungen bis in die ZVE hineinreichen, wobei zusätzlich noch eine Verbin­ dung zwischen dem Generator G und der ZVE besteht.

Fig. 2 zeigt einen denkbaren Verlauf der Frequenz des Mikro­ wellensignals über die Zeit. Dabei wird angenommen, daß sich die Frequenz des Signals zwischen 10 und 11 GHz mit einer im MHz-Bereich liegenden Periode stetig ändert. Dabei hängt die Empfangswelle 20 der Sendewelle 21 um die Zeit Z nach. Dies kommt daher, daß die Empfangswelle durch den Lauf bis zum Hindernis und zurück einen längeren Weg als die Sendewelle zurückgelegt hat. Vergleicht man also die beiden Wellen zum Zeitpunkt T, so hat die Empfangswelle eine Frequenz, die die Sendewelle in einen um Z zurückliegenden Zeitraum eingenom­ men hatte. Dieser Frequenzunterschied äußert sich in einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen, die ein Maß für die Laufzeit ist. Fig. 2 zeigt allerdings auch, daß es eine Meßzeit N gibt, bei der die Frequenz- bzw. Phasenver­ schiebung zu 0 wird. In den an N angrenzenden Meßzeiten weicht die genannte Verschiebung von ihrem größten Wert ab. Es empfiehlt sich daher, in dem Bereich zu messen, in dem sowohl die Sendewelle als auch die Empfangswelle ihre Fre­ quenz in gleicher Richtung ändern. Es ist daher zu beachten, daß die Genauigkeit des Meßergebnisses von dem Zeitpunkt der Messung (T, N) abhängt. Die Aussendung des Sendewellenzuges und die Messung des Empfangswellenzuges sollte also zu Zei­ ten vorgenommen werden, in denen beide Wellenzüge ihre Fre­ quenz in gleicher Richtung ändern.

Fig. 3 zeigt noch eine schematische Darstellung des Einsat­ zes der zentralen Verarbeitungseinheit ZVE. Dabei ist nicht nur die Verwendung der einzelnen Sender bzw. Empfänger a bis n mit der ZVE angedeutet, sondern auch die Abgabe der in der ZVE gewonnenen autovisuellen Fahrerinformationen. Weiterhin können über einen Bus zusätzliche Informationen bi-direk­ tional in dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Bremssystem des eigenen Fahrzeugs aufgrund eines zu geringen Abstands und einer zu großen Relativgeschwindigkeit der beiden Fahr­ zeuge zueinander durch die ZVE angesteuert werden soll. Über den Bus kann auch die Eigengeschwindigkeit der ZVE mitge­ teilt werden, was wiederum einen Einfluß auf die abgegebenen autovisuellen Fahrerinformationen haben kann. Zusammenfas­ send läßt sich also die Erfindung wie folgt beschreiben:

Die Umfeldwahrnehmung und Abstandsmessung rund um das Kfz sowie die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit anderer Ver­ kehrsteilnehmer ist von zunehmender Bedeutung. Auf diesem Gebiet werden u. a. kapazitive, optische, Ultraschall-, Mikrowellen-, Infrarot-Verfahren als Einzelsysteme einge­ setzt.

Besonders im Nahbereich des Automobils als Totwinkelüberwa­ chung, Park- und Rückfahrhilfe und Kollisionswarnung dringen Abstandsmeßsysteme und Systeme zur Hinderniserkennung in zunehmendem Maße vor.

Ultraschall und Infrarotverfahren verlangen eine offen lie­ gende bzw. transparente Abstrahlfläche. Die Anforderungen beeinflussen das Design und die Gestaltung von außen sicht­ barer Fahrzeugflächen. Im Gegensatz zu Ultraschall oder Op­ tischen Abstandsmeßsystemen werden Mikro- bzw. Millimeter­ wellen fast ohne Absorption von Polymermaterialien trans­ mittiert, so daß die entsprechende Sende- bzw. Empfangsan­ tennen hinter nichtmetallischen Flächen wie dem Stoßfänger, Leuchtengläsern etc. von außen unsichtbar plaziert werden können.

Die Abstandsmessung mit Mikrowellenverfahren kann zum einen mit der Laufzeitmessung sequentiell ausgestrahlter Pulse über Koinzidenz und/oder Korrelationsverfahren ermittelt werden. Zum anderen erlaubt eine Frequenzmodulierung die Messung des Abstandes über die Ermittlung der Differenzfre­ quenz eines empfangenen Wellenzuges und eines internen Refe­ renzwellenzuges. Eine kostengünstige Systemlösung wird mit einer Zentralen Kontroll- und Recheneinheit realisiert, die mehrere Kanäle im Multiplexverfahren steuert und auswertet. Dabei ist nicht entscheidend, ob ein Puls- oder Frequenzmo­ dulationsverfahren genutzt wird.

Die Erfindung beansprucht gemäß Abbildung ein System mit mehreren Mikrowellensendern/Empfangseinheiten zur Nah­ bereichs Umfeldüberwachung, das die Entfernung von Hinder­ nissen zum Fahrzeug detektiert und bewertet. Das System ist dadurch gekennzeichnet, daß es die verschiedenen Sen­ der/Empfängereinheiten sequentiell oder parallel ansteuert und abfragt. Die Zentraleinheit filtert und digitalisiert die Signale der Einzelsensoren. Die aufgearbeiteten Signale werden von der zentralen Kontrolleinheit bezüglich Abstand und/oder Relativgeschwindigkeit eines oder mehrerer Hinder­ nisse bewertet. Durch die Querverrechnung der Abstandsinfor­ mationen von den Einzelsensoren wird eine zweidimensionale horizontale Auflösung erreicht mit der eine Systemgenauig­ keit einhergeht, die die Genauigkeit der Einzelsensoren übertrifft. Die Zentraleinheit (ECU) nutzt gegebenenfalls zusätzliche externe Informationen wie die Fahrzeuggeschwin­ digkeit, Wegmessung, Lenkwinkel, Aktivierung des Rückwärts­ ganges etc.

In einer weiteren Ausführungsform stellt der Sensor die Ab­ standsinformation z. B. über den Datenbus anderen Systemen zur Verfügung.

Der Abstandsinforation des nächstliegenden Hindernisses wird dem Fahrer über eine Mensch/Maschine Schnittstelle ange­ zeigt. Diese Schnittstelle ist vorzugsweise ein optisches Display und/oder eine akustische Tonfolge, deren Wiederhol­ rate sich proportional zum Abstand ändert.

Claims (7)

1. Abstandsmeßeinrichtung, bei der von mindestens einem Sender (1, 2, 3, 4) ein Sendewellenzug ausgesandt wird und von mindestens einem Empfänger (6, 7, 8, 9) Reflexionswel­ lenzüge des Sendewellenzugs empfangen werden und daß eine Auswerteeinrichtung (ZVE) Parameter der Reflexions­ wellenzüge in Abhängigkeit von den entsprechenden Para­ metern des Sendewellenzuges bewertet und daraus Eigen­ schaften der reflektierenden Hindernisse bestimmt, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von für ein Kraftfahrzeug bestehenden Hindernissen von dem Kraft­ fahrzeug im Mikrowellenbereich liegende Sendewellenzüge abgestrahlt werden.

2. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrowellen im Millimeterwellen­ bereich, insbesondere im Bereich zwischen 3 mm und 60 mm liegen.

3. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender (1, 2, 3, 4) und/oder Emp­ fänger (6, 7, 8, 9) hinter einer geschlossenen Blende vor­ zugsweise aus Kunststoff angeordnet sind, insbesondere einen Stoßfänger einer Seitenleiste, einem Spoiler, ei­ nem Lampendeckel, einem Nummernschild.

4. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendewellen­ züge frequenzmoduliert sind und die Auswerteeinrichtung (ZVE) die Entfernung eines Hindernisses aus der Fre­ quenzverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssi­ gnal bestimmt.

5. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteein­ richtung mit einer zentralen Verarbeitungseinrichtung (ZVE) versehen ist, welche Sender (1, 2, 3, 4) und/oder Empfänger (6, 7, 8, 9) sequentiell oder parallel ansteuert und die ankommenden Signale filtert und digitalisiert.

6. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Aussen­ dung eines Sendewellenzugs durch einen Sender (1, 2, 3, 4) die hierdurch bedingten Empfangswellenzüge von minde­ stens zwei Empfängern (6, 7, 8, 9) durch die zentrale Ver­ arbeitungseinheit (ZVE) ausgewertet werden.

7. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Empfänger (6, 7, 8, 9) quer zur bevor­ zugten Überwachungsrichtung in einem möglichst großen Abstand zueinander angeordnet sind.