DE19824625A1 - Device to detect condition of surfaces, e.g. road surfaces - Google Patents
Device to detect condition of surfaces, e.g. road surfacesInfo
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Abstract
Description
Die vorgeschlagene Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion des Zustandes von Ober flächen mittels optischer Antastung. Sie ist besonders geeignet, den meteorologisch bedingten Zustand von Oberflächen bezüglich Vereisung, Glätte und Feuchtigkeit zu ermitteln. Diese Oberfläche kann beispielsweise eine Asphaltdecke (Straßenoberfläche) oder eine Metalloberfläche sein. Die Vorrichtung ist z. B. einsetzbar als Vereisungs- bzw. Glättesensor in Kraftfahrzeugen oder in der Luft- bzw. Raumfahrt.The proposed invention relates to a device for detecting the state of Ober surfaces by means of optical probing. It is particularly suitable, the meteorological one Determine the condition of surfaces with regard to icing, smoothness and moisture. This The surface can be, for example, an asphalt surface (road surface) or a metal surface be. The device is e.g. B. can be used as an icing or smoothing sensor in motor vehicles or in the aerospace industry.
Trotz moderner Fahrzeugtechnik wie z. B. ABS und Bordcomputer stellt plötzlich auftretende Fahrbahnglätte nach wie vor ein hohes Unfallrisiko dar. Insbesondere in der Übergangszeit im zeitigen Frühjahr bzw. Spätherbst mit Temperaturen um den Gefrierpunkt kann plötzliche Fahr bahnglätte durch Überfrieren regennasser Straße auftreten. Auch bei ansonsten trockenem Fahr bahnzustand kann es z. B. auf Brücken oder am Waldrand lokal zu Überfrierungen kommen. Daher wird mit zunehmender Motorisierung die Überwachung des Straßenzustandes zu einem dringenden Erfordernis. Als Ergebnis einer Kurzrecherche wurden 2 Offenlegungsschriften zu dieser Problema tik gefunden.Despite modern vehicle technology such. B. ABS and on-board computer suddenly occurs Road slickness still poses a high risk of accidents. Especially in the transition period in Early spring or late autumn with temperatures around freezing can cause sudden driving slippery road surface due to freezing rain-soaked road. Even when driving otherwise dry track condition it can z. B. on bridges or at the edge of the forest come to freezing locally. Therefore With increasing motorization, the monitoring of the road condition becomes an urgent Requirement. As a result of a short search, two publications on this problema tik found.
Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Ermittlung des Straßenzustandes bekannt. In DE 44 29 419 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Straßenzustandes einer Fahrbahn und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Diese Lösung basiert auf der Verwen dung eines mobilen, am Fahrzeug montierten Radargerätes. Hierbei überstreicht die Abstrahlanten ne einen breiten Bereich der vor dem Fahrzeug liegenden Fahrbahn. Aus den von der Fahrbahn reflektierten Signalanteilen wird unter der Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ein von der Dopplerfrequenz abhängiges Leistungsdichtespektrum gebildet. Die Klassifizierung des Straßenzustandes erfolgt über den Vergleich der Verteilung der Spektralanteile des Leistungs dichtespektrums mit den Verteilungen bekannter Straßenzustände. Als Nachteil dieses Verfahrens muß der Aufwand an Radartechnik genannt werden, wodurch dieses sowohl aus Kosten- als auch aus Platzgründen für einen mobilen Einsatz weniger geeignet erscheint als ein lichtoptisches Verfahren.Various solutions for determining the road condition are known in the prior art. DE 44 29 419 A1 describes a method for determining the road condition of a road and one Arrangement for performing the method described. This solution is based on the use a mobile radar device mounted on the vehicle. This sweeps over the radiating edges ne a wide area of the road ahead of the vehicle. From the road reflected signal components is taking into account the speed of the vehicle power density spectrum dependent on the Doppler frequency. The classification of the Road condition is done by comparing the distribution of the spectral components of the power density spectrum with the distributions of known road conditions. As a disadvantage of this procedure The effort in radar technology must be mentioned, which means this from both cost and For reasons of space, it seems less suitable for mobile use than a light-optical one Method.
Ein in DE 42 35 104 A1 angegebener Straßenzustandsdetektor beruht auf einem lichtoptischen Prinzip unter Verwendung zweier Lichtsende- und Empfangssysteme. Diese bestehen jeweils aus einem Lichtsender und Lichtempfänger, wobei dasselbe Straßenstück gleichzeitig unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln beleuchtet und das reflektierte Licht vom jeweils zugeordnetem Empfänger detektiert wird. Durch eine nachgeschaltete Auswerteeinheit wird eine Korrelation der beiden Signale vorgenommen, wobei die Korrelationsspitzenwerte mit abgespeicherten Erfahrungs werten für jeweilige Oberflächenrauheiten verglichen und zugeordnet werden. Wenn das Ergebnis auf einen Zustand geringer Rauhigkeit der Straßenoberfläche hinweist (z. B. Glätte) wird eine Folgereaktion ausgelöst. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, daß sie keine multiparametrischen Ergebnisse liefert und bedingt durch die zwei Sende-Empfangssysteme einen höheren gerätetech nischen Aufwand erfordert. A road condition detector specified in DE 42 35 104 A1 is based on a light-optical one Principle using two light transmission and reception systems. These consist of a light transmitter and light receiver, the same street section under two at the same time different angles of incidence and the reflected light from the respectively assigned Receiver is detected. A correlation of the made two signals, the correlation peak values with stored experiences values for the respective surface roughness are compared and assigned. If the result indicates a condition of low roughness of the road surface (e.g. smoothness) Follow-up reaction triggered. The disadvantage of this arrangement is that it is not multiparametric Results deliver and due to the two transceiver systems a higher device technology African effort required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung des meteorologischen Zustandes einer Oberfläche anzugeben, die bei geringem gerätetechnischen Aufwand eine hohe Genauigkeit und eine multiparametrische Messung ermöglicht.The invention has for its object an arrangement for the contactless determination of Specify the meteorological state of a surface, which is low with a low technical High accuracy and multi-parametric measurement are possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention the object with the features specified in the claims solved.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Probe gerichtet. Hierzu kann beispielsweise in der Vorderfront eines Fahrzeugs eine Halbleiterlaserdiode montiert sein deren Licht auf die Fahrbahn vor dem Fahrzeug gerichtet wird.In the arrangement according to the invention, a laser beam is slanted onto the sample to be examined directed. For this purpose, a semiconductor laser diode can be used, for example, in the front of a vehicle be mounted whose light is directed onto the road ahead of the vehicle.
Das an der Probe (Fahrbahn) gestreute Licht trifft auf einen winkelauflösenden Streulichtdetektor (z. B. ein bogenförmig angeordnetes Array aus Fotodioden). Dieser kann ebenfalls im vorderen Bereich des Fahrzeugs befestigt sein.The light scattered on the sample (roadway) strikes an angle-resolving scattered light detector (e.g. an arc-shaped array of photodiodes). This can also be in the front Area of the vehicle.
Abhängig vom meteorologisch bedingten Oberflächenzustand wird das einfallende Laserlicht unterschiedlich gestreut.The incident laser light is dependent on the meteorological surface condition scattered differently.
Eine Auswerteelektronik auf der Basis eines statistischen Klassifizierungsverfahrens bzw. eines neuronalen Netzes, welches zuvor kalibriert bzw. angelernt wird, ermöglicht die Auswertung der Meßdaten und die Bestimmung des aktuellen Oberflächenzustandes.An electronic evaluation system based on a statistical classification method or neural network, which is previously calibrated or taught, enables the evaluation of the Measurement data and the determination of the current surface condition.
Die Inhomogenität der Oberfläche bzw. Fahrbahn (Welligkeit, Rauheit, Verschmutzung usw.) wird durch Mittelung über mehrere Messungen kompensiert.The inhomogeneity of the surface or road surface (ripple, roughness, dirt, etc.) compensated by averaging over several measurements.
Eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der erzielten Aussagen kann durch die logische Verknüpfung mit anderen Meßwerten (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit) über den Bordcomputer erfolgen. The logical combination can increase the reliability of the statements made with other measured values (e.g. temperature, humidity) via the on-board computer.
Der einfallende Strahl und der Streulichtsensor müssen nicht notwendigerweise in einer Ebene liegen. Dadurch kann eine gewisse Vorhalte bei der Messung realisiert werden.The incident beam and the scattered light sensor do not necessarily have to be in one plane lie. This allows a certain amount of provision to be made during the measurement.
Im Vergleich zu den bekannten Verfahren ist beim streulichtbasierten Verfahren gemäß Patent anspruch bedingt durch die winkelaufgelöste Messung des gestreuten Lichtes mehr Eingangs information für die nachfolgende Klassifizierung bei gleichem gerätetechnischen Aufwand verfüg bar, wodurch insgesamt eine geringere Fehlerquote realisiert werden kann. Dadurch ist es ins besondere möglich, nicht nur die Rauhigkeit der Straßenoberfläche sondern insbesondere auch witterungsbedingte Zustände wie Glatteis, Überfrieren, Reif etc. eindeutig zu detektieren.In comparison to the known methods, the scattered light-based method according to the patent claim due to the angle-resolved measurement of the scattered light more input information for the following classification with the same equipment expenditure bar, which means that a lower error rate can be achieved overall. This makes it ins particularly possible, not only the roughness of the road surface but in particular also to clearly detect weather-related conditions such as black ice, freezing over, frost, etc.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
In der zugehörigen Zeichnung zeigt:In the accompanying drawing:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Versuchsanordnung zur winkel aufgelösten Messung des an der Oberfläche gestreuten Lichtes, Fig. 1 is a schematic representation of an experimental arrangement for angle-resolved measurement of the scattered light at the surface,
Fig. 2 eine entsprechende Anordnung eines Vereisungssensors am Fahrzeug und Fig. 2 shows a corresponding arrangement of an icing sensor on the vehicle and
Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2. Fig. 3 shows a detail from FIG. 2.
Die in Fig. 1 dargestellte Versuchsanordnung erläutert die prinzipielle Funktionsweise. Die Anordnung ist folgendermaßen aufgebaut: Die Probe 7 ist auf einem Peltierelement 9 befestigt, mit dessen Hilfe eine Abkühlung derselben realisiert werden kann. Die Kontrolle der Probentemperatur erfolgt mit einem digitalen Kontaktthermometer 10. Die Probe 7 wird mit einem kollimierten Laserstrahl unter einem bestimmten Einfallswinkel bestrahlt, welcher durch einen Halbleiterlaser 1 in Kombination mit einer entsprechenden Strahlformungsoptik 2 erzeugt wird. Das an der Probe 7 gestreute Licht wird mittels eines, im Kreisbogen um die Probe herum angeordneten Fotodioden arrays 4 detektiert und über eine Auswerteelektronik 5 einem PC 6 zur Weiterverarbeitung zu geführt, welcher auch den Meßablauf steuert. Schwankungen der Laserleistung werden mittels eines Teilerspiegels 11 und einer Referenzfotodiode 3 kompensiert.The experimental arrangement shown in Fig. 1 explains the principle of operation. The arrangement is structured as follows: The sample 7 is fastened on a Peltier element 9 , with the aid of which it can be cooled. The sample temperature is checked with a digital contact thermometer 10 . The sample 7 is irradiated with a collimated laser beam at a certain angle of incidence, which is generated by a semiconductor laser 1 in combination with a corresponding beam shaping optics 2 . The light scattered on the sample 7 is detected by means of a photodiode array 4 arranged in a circular arc around the sample and fed to a PC 6 for further processing via evaluation electronics 5 , which also controls the measurement sequence. Fluctuations in the laser power are compensated for by means of a splitter mirror 11 and a reference photodiode 3 .
Das Prinzip der oben beschriebenen Anordnung ist im Aufbau des Vereisungssensors gemäß Fig. 2 wiederzufinden. Der Laser 1 ist zusammen mit der Strahlformungsoptik 2 als kompakte Einheit in der Vorderfront 12 des Fahrzeugs untergebracht und auf die Straßenoberfläche 8 gerichtet. Hierbei kann mittels einer Kreisbogenführung 13 eine bestimmte Vorhalte des Laserflecks in Relation zum Fahrzeug eingestellt werden. Durch die Einstellung eines Vorhaltewinkels ist es möglich, den Fahrbahnzustand in einem gewissen Abstand vor dem Fahrzeug zu detektieren. Es muß jedoch sichergestellt werden, daß ausreichende Bestrahlungsstärken auf den Detektoren vorhanden sind. Das an der Straßenoberfläche rückgestreute Licht trifft auf ein lichtempfindliches Detektorarray 4, welches sich ebenfalls in der Vorderfront des Fahrzeugs befindet. Über eine Vorverarbeitungselektronik 5 wird die gemessene Streulichtverteilung dem Bordcomputer 6 zugeführt, welcher mittels spezieller Software eine Klassifizierung des Straßenzustandes vornimmt. Hierbei können zusätzliche Informationen, die über andere Sensoren gewonnen werden (z. B. Außentemperatur, Luftfeuchtigkeit) hinzugezogen werden.The principle of the arrangement described above can be found in the structure of the icing sensor according to FIG. 2. The laser 1 , together with the beam shaping optics 2, is accommodated as a compact unit in the front 12 of the vehicle and is directed onto the road surface 8 . In this case, a specific provision of the laser spot in relation to the vehicle can be set by means of a circular arc guide 13 . By setting a lead angle, it is possible to detect the road condition at a certain distance in front of the vehicle. However, it must be ensured that there are sufficient irradiations on the detectors. The light scattered back on the road surface strikes a light-sensitive detector array 4 , which is also located in the front of the vehicle. The measured scattered light distribution is fed to the on-board computer 6 via preprocessing electronics 5 , which uses special software to classify the road condition. Additional information that is obtained via other sensors (e.g. outside temperature, air humidity) can be consulted.
Messungen an einer mit Ruß geschwärzten, rauhen Metalloberfläche, an einer Bitumenschicht
sowie an einer Asphaltprobe auf einem Metallträger zeigen, daß beispielsweise eine ziemlich ein
deutige Klassifizierung nach Grundklassen wie z. B.:
Measurements on a soot-blackened, rough metal surface, on a bitumen layer and on an asphalt sample on a metal carrier show that, for example, a fairly clear classification according to basic classes such as e.g. B .:
- - warm (T < 0°C) und trocken,- warm (T <0 ° C) and dry,
- - wann (T < 0°C) und naß,- when (T <0 ° C) and wet,
- - kalt (T < 0°C) und naß (durch das Gefrieren entsteht eine geschlossene Eisschicht auf der Probenoberfläche),- cold (T <0 ° C) and wet (freezing creates a closed layer of ice on the sample surface),
- - kalt (T < 0°C) und bereift (die Reifbildung entsteht auf der ursprünglich trocke nen Oberfläche durch die in der Umgebung vorhandene Luftfeuchtigkeit),- cold (T <0 ° C) and frosted (the ripening occurs on the originally dry surface due to the humidity in the area),
möglich ist. Dabei bezieht sich die angegebene Temperatur natürlich nicht auf die Umgebung sondern auf die Probenoberfläche. Die notwendige Kühlung wurde hierbei durch das Peltierelement realisiert. is possible. Of course, the temperature given does not relate to the environment but on the sample surface. The necessary cooling was achieved through the Peltier element realized.
11
HL-Laserdiode mit Beschaltung
HL laser diode with circuit
22nd
Strahlformungsoptik
Beam shaping optics
33rd
Referenzdiode
Reference diode
44th
Empfängerarray
Receiver array
55
Vorverarbeitung
Preprocessing
66
Computer
computer
77
Probe
sample
88th
Straßenoberfläche
Road surface
99
Peltier-Element
Peltier element
1010th
Kontaktthermometer
Contact thermometer
1111
Teilerspiegel
Divider mirror
1212th
Vorderfront des Fahrzeugs
Front of the vehicle
1313
Verstelleinheit
Adjustment unit
Claims (9)
- - die Oberfläche mit einem schräg auftreffenden Lichtbündel bestrahlt wird und das rückgestreute Licht mittels Streulichtanalyse ausgewertet wird,
- - der meteorologisch bedingte Zustand der Oberfläche, insbesondere Vereisung, Glätte und Feuchtigkeit bestimmt wird und
- - dieser Zustand bestimmten Klassen zugeordnet wird.
- the surface is irradiated with an obliquely incident light beam and the backscattered light is evaluated by means of scattered light analysis,
- - The meteorological condition of the surface, in particular icing, smoothness and moisture is determined and
- - This state is assigned to certain classes.
- - die Klassifizierung des Oberflächenzustandes mit einem Klassifizierungsverfahren der multi variaten Statistik vorgenommen wird.
- - The classification of the surface condition is carried out using a classification method of multi-variable statistics.
- - die Klassifizierung des Oberflächenzustandes mit einem Klassifizierungsverfahren auf der Basis eines neuronalen Netzwerkes vorgenommen wird.
- - The classification of the surface condition is carried out using a classification method based on a neural network.
- - das Verfahren als Straßenzustandssensor oder Vereisungssensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.
- - The method is used as a road condition sensor or icing sensor in a motor vehicle.
- - das Verfahren als Sensor für den meteorologischen Zustand von Oberflächen in der Luft- und Raumfährt eingesetzt wird.
- - The method is used as a sensor for the meteorological condition of surfaces in the aerospace industry.
- - die Anordnung eine Halbleiterlaserdiode (1) mit Strahlformungsoptik (2) und ein Detektorarray zur winkelaufgelösten Streulichtmessung (4) enthält,
- - die Laserdiode drehbar und justierbar (z. B. in der Vorderfront eines Fahrzeugs) befestigt und unter bestimmten Winkel auf die Probe (z. B. nach vorn und unten auf die Fahrbahn) gerichtet ist,
- - das an der Probe (z. B. Fahrbahn) gestreute Licht auf ein Empfängerarray (4) trifft (dieses kann ebenfalls in der Vorderfront des Fahrzeugs angeordnet sein),
- - die detektierten Meßsignale des Empfängerarrays einer Auswerteelektronik zugeführt werden, die auf multivariater Klassifizierung oder einem neuronalen Netz basiert und
- - der entsprechende Auswertealgorithmus mittels eines Satzes von Trainingsdaten angelernt wird.
- the arrangement contains a semiconductor laser diode ( 1 ) with beam shaping optics ( 2 ) and a detector array for angle-resolved scattered light measurement ( 4 ),
- - The laser diode is rotatable and adjustable (e.g. in the front of a vehicle) and is directed at the sample at a certain angle (e.g. forward and downward on the road),
- - The light scattered on the sample (e.g. roadway) strikes a receiver array ( 4 ) (this can also be arranged in the front of the vehicle),
- - The detected measurement signals of the receiver array are fed to an electronic evaluation system which is based on multivariate classification or a neural network and
- - The corresponding evaluation algorithm is taught using a set of training data.
- - die unter 6 beschriebene Anordnung mit den Möglichkeiten der Mikrotechnik miniaturisiert wird.
- - The arrangement described under 6 is miniaturized with the possibilities of microtechnology.
- - das Empfängerarray aus einer regelmäßigen, ein- oder zwei-dimensionalen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen besteht, die in ihrer Empfindlichkeit auf die Laserwellenlänge abgestimmt sind und
- - die Geometrie und Orientierung des Empfängerarrays so ausgelegt werden, daß der Bereich höchster Unterscheidbarkeit der verschiedenen Straßenzustände aus der Streulichtverteilung selektiert wird.
- - The receiver array consists of a regular, one or two-dimensional arrangement of light-sensitive elements, which are matched in their sensitivity to the laser wavelength and
- - The geometry and orientation of the receiver array are designed so that the area of greatest differentiability of the different road conditions is selected from the scattered light distribution.
- - die Auswahl der Lichtquelle unter den Gesichtspunkten eines optimalen Meßsignals unter Berücksichtigung der Bestimmungen des Strahlenschutzes erfolgt.
- - The selection of the light source from the point of view of an optimal measurement signal takes into account the provisions of radiation protection.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19824625A DE19824625A1 (en) | 1997-09-30 | 1998-06-02 | Device to detect condition of surfaces, e.g. road surfaces |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19743114 | 1997-09-30 | ||
| DE19824625A DE19824625A1 (en) | 1997-09-30 | 1998-06-02 | Device to detect condition of surfaces, e.g. road surfaces |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19824625A1 true DE19824625A1 (en) | 1999-04-01 |
Family
ID=7844093
Family Applications (1)
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| DE19824625A Withdrawn DE19824625A1 (en) | 1997-09-30 | 1998-06-02 | Device to detect condition of surfaces, e.g. road surfaces |
Country Status (1)
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