DE19838818A1 - Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Ein Kraftfahrzeug wird im Stop-and-Go-Verkehr ursächlich durch die gezielte Blickzuwendung des Fahrers auf die Fahrbahn voraus ohne die Zuhilfenahme von Händen und Füßen gesteuert. Die komplexen Sensoren und Stelleinheiten des Bordsystems ermöglichen über die zentrale Steuereinheit (5) einen semiautomatischen Kriechgang, wenn die Stop-and-Go-Taste (1) bewußt aktiviert wurde, die Kamera (4) des optischen Erfassungssystems den Blick des Fahrers (21) auf die Fahrbahn voraus gerichtet sieht und alle anderen Rahmenbedingungen sicher erfüllt sind. Die Verantwortung bleibt bei dieser komfortablen semiautomatischen Fahrzeugführung allein beim Fahrer, der die Verweilzeit im Verkehrsstau zwischen den Phasen des schrittweisen Nachrückens anderweitig sinnvoll nutzen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fahr­ zeugs im Stop-and-Go-Verkehr durch gezielte Blickzuwendung auf die Fahrbahn.

Im Berufs- und Urlaubsverkehr treten auf Hauptrouten und in Ballungsräumen häu­ fig langanhaltende Stau-Situationen auf, in denen ein Autofahrer sein Fahrzeug oft­ mals über Stunden nur schrittweise und im Kriechgang vorwärts bewegen kann. Bei Fahrzeugen mit manuellem Schaltgetriebe und Kupplungsbetätigung, aber selbst bei Automatikgetrieben ist dies ein belastender Vorgang. Ein erheblicher Zeitverlust entsteht zwangsweise durch die notwendige Aufmerksamkeit für das Nachrücken in der Kolonne, um die nachfolgenden oftmals ungeduldigen Verkehrsteilnehmer nicht unnötig zu provozieren und den minimalen Verkehrsfluß zu ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Nutzung bereits bekannter technischer Einrich­ tungen an Bord eines Fahrzeugs in Verbindung mit einer neuen zentralen Steuer­ einheit eine nahezu bedienfreie semiautomatische Fahrzeugführung im Stop-and- Go-Verkehr nach höchsten Sicherheitskriterien zu erreichen.

Zur automatischen Fahrzeugführung sind verschiedenartige Lösungswege bekannt. So spricht das US-Patent 4,361,202 von eingebetteten metallischen Führungsschie­ nen in der Fahrbahn, die vom Fahrzeug sensiert werden und die Lenkung steuern.

Im US-Patent 5,420,794 erfolgt die automatische Fahrzeugsteuerung durch die Übertragung von Funksignalen von einem straßenseitigen Kontrollsystem, das Gas­ geben, Bremsen und Lenken des Fahrzeugs vornimmt. In einem weiteren US-Pa­ tent 5,295,551 wird die Technik des kooperativen Fahrens von zwei elektronisch verkoppelten Fahrzeugen dargestellt.

Nachteilig an diesen Vorschlägen ist die grundsätzliche Notwendigkeit von Einrich­ tungen außerhalb des eigenen Fahrzeugs. Damit ist ein autarkes automatisches Fahren nicht möglich, denn man ist entweder auf Infrastruktur oder mindestens auf ein entsprechend ausgestattetes zweites Fahrzeug angewiesen.

In einer weiteren Ausführung zum Stand der Technik sind Fahrzeuge zu nennen, die mit einer höchstwertigen Elektronikausstattung mit mehr als zehn Videokameras zur Umgebungserfassung sowie zugehöriger Datenauswertung in der Lage sind, eine Teilstrecke bevorzugt auf einer klar strukturierten Straße bei Tag in einer voll­ automatischen autarken Fahrweise zu bewerkstelligen.

Auch hier ist der Nachteil einer unzureichenden Systemsicherheit signifikant, die letztlich das vollautomatische Fahren selbst bei Kriechfahrt auf unseren heutigen Straßen ohne Mitwirkung des Fahrers als letzte Kontrollinstanz aus verkehrs­ technischen und verkehrsrechtlichen Gründen verhindern wird.

Gemäß Anspruch 1 wird hier nun eine Ausführungsform der semiautomatischen Fahrzeugsteuerung aufgezeigt, die den Fahrer mit seinen sensorischen Fähigkei­ ten in das Geschehen ein bindet. Hierbei wird die konsequente Blickzuwendung des Fahrers durch die Windschutzscheibe auf die Fahrbahn voraus innerhalb eines se­ quentiellen Verfahrens sensiert. Dies geschieht durch ein optisches Erfassungssy­ stem mit einer Kamera auf dem Armaturenbrett, welches - neben anderen Aufga­ ben - permanent die Blickrichtung des Fahrers ermittelt. Eine Folgefahrt im Stop- and-Go-Betrieb wird also durch die bewußte Blickzuwendung des Fahrers ausge­ löst und aufrechterhalten, wenn die komplexen elektronischen Sensoren des Bord­ systems bei aktivierter Stop-and-Go-Taste alle relevanten Parameter, wie Abstand zum Vordermann, Spurhaltung, keine Hindernisse etc. als schlüssig erkannt haben.

Gemäß Anspruch 2 ermöglicht die zentrale Steuereinheit für die blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik neben der Längs- und Querführung des Fahrzeugs auch eine automatische Motorabschaltung bei zu langem Stillstand und ein automati­ sches Hochstarten des Motors zur Einsparung von Kraftstoff und Emissionen, wie auch aus der G 93 09 617.B bekannt. Dies ist jedoch erfindungsgemäß von der Blickrichtung des Fahrers - und der Einhaltung der übrigen Parameter - abhängig. Der Motor erlischt also nur bei abgewandtem Blick und startet erst neu bei Blickzu­ wendung auf die Fahrbahn voraus.

Gemäß Anspruch 3 kann durch den Einsatz des beschriebenen Verfahrens die Zeit im Stau anderweitig vorteilhaft genutzt werden, ohne Abstriche an der Verkehrssi­ cherheit machen zu müssen oder den minimalen Verkehrsfluß noch weiter zu ver­ langsamen, da Hände und Füße des Fahrers für die Fahrzeugbedienung nicht ge­ braucht werden. An möglichen geschäftlichen Aktivitäten sind beispielhaft Telefo­ nieren oder Diktieren denkbar, im privaten Bereich das Lesen oder die Unterhaltung mit der Familie. Auch entspanntes Hören von Musik oder einfach Dehnen der Glie­ der zur besseren Durchblutung nach langem Sitzen bringt weitere Nutzeffekte.

Im Unterschied zu bereits bekannten Einrichtungen zum vollautomatischen Fahren, die sich auf ähnliche Sensoren und Stelleinheiten für die Längs- und Querführung eines Fahrzeugs stützen,verbleibt bei der blickgesteuerten Stop-and-Go-Automatik die gesamte Verantwortung beim Fahrer.

Bei der Blickzuwendung in Form eines gezielten Vorausschauens ist die Wahrschein­ lichkeit sehr hoch, daß durch direktes oder auch peripheres Sehen Hindernisse oder nachteilige Sondersituationen auch tatsächlich wahrgenommen werden. Dies ist dann entscheidend, wenn der Abstandssensor zum Fahrzeug voraus oder der Bildsensor für die Erfassung der vorausliegenden Fahrbahn aus physikalischen Grün­ den nicht in der Lage waren, die Situation richtig zu erfassen. Der Fahrer wird für einen solchen Fall auf herkömmliche Weise reagieren und einen Bremseingriff vor­ nehmen oder auch die Lenkung betätigen. Die Stop-and-Go-Automatik wird damit automatisch deaktiviert und muß durch erneutes Drücken der Stop-and-Go-Taste wieder eingeschaltet werden.

Ein sogenannter leerer Blick, der über die Kamera des optischen Erfassungssy­ stems auf dem Armaturenbrett irrtümlich als gezieltes Vorausschauen und somit als Kriechbefehl zum Nachrücken interpretiert werden könnte, wird im Gegenzug per­ manent durch die komplexen elektronischen Sensoren des Bordsystems auf Plau­ sibilität geprüft. Durch diese Interaktion zwischen dem Fahrer einerseits und den komplexen elektronischen Sensoren und Stelleinheiten des Bordsystems anderer­ seits wird eine hochwertige gegenseitige Funktionsabsicherung Mensch/Maschine erreicht, die einen blickgesteuerten Stop-and-Go-Betrieb ohne Nachteile für alle Verkehrsteilnehmer ermöglicht.

Gemäß Anspruch 4 erkennt die zentrale Steuereinheit zuverlässig, wenn der Ab­ stand zum Vordermann zugenommen hat, der Fahrer andererseits noch keine Blick­ zuwendung auf die vorausliegende Fahrbahn für die gezielte Auslösung der semi­ automatischen Kriechfahrt in der Kolonne getätigt hat.

In diesem Fall wird die zentrale Steuereinheit nach einer aktionslosen Zeit von z. B. zehn Sekunden ein akustisches und/oder optisches Signal für den Fahrer erzeu­ gen, das ihn auffordert, den Blick beispielsweise von seiner Lektüre zu heben und das blickgesteuerte und durch seine Beobachtung abgesicherte Nachrücken in der Kolonne zu generieren. Dies wird dann sehr sicher ein Blick mit bewußter Wahrneh­ mung sein und die Sicherheit des blickgesteuerten Stop-and-Go-Betriebs auf min­ destens ein vergleichbares Niveau wie bei der konventionellen Fahrzeugführung heben.

Gemäß Anspruch 5 wird nun das Längsverhalten des Fahrzeugs also Anfahren mit optischer Vorankündigung sowie Bremsen mit einer differenzierten Bremsstärken­ anzeige, beim blickgesteuerten Stop-and-Go-Betrieb über ein neues Heckleuchten­ system in besonderer Weise dem nachfolgenden Fahrzeug signalisiert. Aus der Kom­ bination einer Bremsstärkenanzeige am Fahrzeugheck, wie sie in der Patentan­ meldung 196 24 046 DE vom 17.06.96 dargestellt ist, und einer Beschleunigungsan­ zeige am Fahrzeugheck, wie in der Patentanmeldung 197 38 767 DE vom 04.09.97 beschrieben, entstehen weitere Nutzeffekte für ein sichereres Verkehrsgeschehen.

Weitere Vorteile und Merkmale werden an den Ausführungsbeispielen deutlich, welche anhand der beiliegenden Zeichnungen im Gesamtzusammenhang beschrie­ ben sind.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit der zentralen Steuereinheit und allen erforderli­ chen Sensor- und Stelleinheiten an Bord eines Fahrzeugs für einen autarken blickgesteuerten Stop-and-Go-Betrieb eines Fahrzeugs

Fig. 2 ein Zeitverlaufsdiagramm zur Darstellung der Parameterverknüpfungen bei der sequentiellen Interaktion Fahrer/Fahrzeug für einen autarken blickgesteuerten Stop-and-Go-Betrieb eines Fahrzeugs.

In der vorliegenden Ausführung gemäß Blockdiagramm Fig. 1 und Zeitverlaufs­ diagramm Fig. 2 wird der blickgesteuerte Stop-and-Go-Betrieb mit dem Drücken der Stop-and-Go-Taste (1) zum Zeitpunkt t₀ durch den Fahrer bewußt aktiviert.

Die Taste kann dabei im aktivierten Zustand leuchten, oder es wird eine weitere optische Anzeige für den aktivierten Stop-and-Go-Betrieb im Instrumentenkombi oder auf andere Weise dargestellt.

Über ein optisches Erfassungssystem mit einer Kamera (4) am Armaturenbrett und deren zugehöriger Auswerteschaltung in der zentralen Steuereinheit (5) wird fest­ gestellt, daß der Blick des Fahrers (21) bei t₃ durch die Windschutzscheibe auf die vorausliegende Fahrbahn gerichtet wird. Über die Geschwindigkeitsmessung (9) ist der Stillstand des Fahrzeugs seit t₀ bekannt.

Von den beiden Vorfeld-Sensoren (16)+(17) meldet der Abstandssensor (16) seit t₂ eine Distanz zum Vordermann in der Fahrzeugkolonne von < 5 Meter, was ein auto­ matisches Nachrücken im Kriechgang empfehlenswert machen würde. Der Bild­ sensor (17) für die Erfassung der vorausliegenden Fahrbahn bestätigt die Einhal­ tung der Fahrspur unverändert seit t₀.

Der Lenkwinkel (10) wird seit t₀ hinsichtlich seiner Plausibilität geprüft und würde bei einem willkürlichen und extremen Lenkeinschlag ein automatisches Anfahren verhindern.

Nach den vorgenannten Hauptparametern erkennt nun die zentrale Steuereinheit (5) alle Bedingungen für eine Kriechfahrt als erfüllt und veranlaßt in einem zeitlichen Ablauf nach der Blickzuwendung des Fahrers auf die Fahrbahn seit t₃ zum nachfol­ genden Zeitpunkt t₅ - also zwei Sekunden später - zunächst ein kurzes akustisches Quittiersignal über den Lautsprecher (7).

Gleichzeitig mit dem akustischen Signal bei t₅ wird nun am Heck des Fahrzeugs als optische Information für den nachfolgenden Fahrer das Beschleunigungslicht (18) ersatzweise für das erlöschende konventionelle Rückleuchtenpaar (19) eingeschal­ tet. Es handelt es sich beim Beschleunigungslicht (18) um ein kleineres Rückleuchten­ paar direkt zwischen dem Heckkennzeichen (22) und dem konventionellen Rück­ leuchtenpaar (19). Das Beschleunigungslicht (18) leuchtet also ab dem akustischen Quittiersignal bei t₅, weiterhin während der Kriechfahrt ab t₆ und endet bei t₈. Der Zeitpunkt t₈ ist der über den Abstandssensor (16) und Geschwindigkeitssensor (9) hochgerechnete Zeitpunkt, der eine Sekunde vor dem errechneten Beginn des Bremsvorgangs bei t₉ liegt und auch die optische Vorwarnung für den nachfolgen­ den Fahrer einleitet. Mit dem Erlöschen des Beschleunigungslichts (18) bei t₈ wird nämlich das konventionelle Rückleuchtenpaar (19) wieder aktiviert, gleichzeitig leuch­ tet auch bei t₈ zur Verstärkung der Vorwarnung für das nachfolgende Fahrzeug das Bremslicht (20) eine Sekunde vor dem Beginn des Bremsvorgangs auf.

Das konventionelle Rückleuchtenpaar (19) ist zumindest während eines blick­ gesteuerten Stop-and-Go-Betriebs als Tagfahr-Rückleuchtenpaar ausgewiesen, es wird also grundsätzlich auch tagsüber eingeschaltet bleiben. Das variable Erschei­ nungsbild der Heckbeleuchtung des Fahrzeugs mit dem jeweiligen Wechsel des konventionellen Rückleuchtenpaars (19) auf das Beschleunigungslicht (18) und umgekehrt bewirkt über die Stimulusfaktoren "kleiner" und "enger" - oder umge­ kehrt - "größer" und "weiter" eine intuitive optische Information für den nachfolgen­ den Fahrer.

Dieses vorgetäuschte Signalbild eines "nahen" oder "fernen" Fahrzeugs voraus si­ gnalisiert für den nachfolgenden Fahrer deutlich den Unterschied zwischen Stehen und Fahren eines blickgesteuerten Fahrzeugs und eilt in der zeitlichen Erscheinung sehr vorteilhaft den jeweiligen Ereignissen "Anfahren" oder "Bremsen" voraus.

Zum Zeitpunkt t₆ wurde durch die zentrale Steuereinheit (5) die Fahrstufe (15) ohne Zutun des Fahrers eingelegt und über die Gas-Stelleinheit (2) die automati­ sche kontrollierte Kriechfahrt eingeleitet. Die Stelleinheit der Lenkung (6) wird per­ manent durch die Auswerteschaltung des Bildsensors (17) informiert und notwendi­ ge Stellvorgänge zur Einhaltung der Fahrspur vorgenommen.

Über die permanente Abstandsmessung zum Vordermann mittels des Abstands­ sensors (16) und die Daten der Geschwindigkeitsmessung (9) wird in der zentralen Steuereinheit (5) derjenige Zeitpunkt t₁₀ hoch gerechnet, zu dem der Abstand zum Vordermann die Schwelle von fünf Meter wieder unterschreiten würde. Rechtzeitig wird über die Stelleinheit der Bremse (3) der Bremsvorgang bei t₉ eingeleitet und moderat bis t₁₀ durchgeführt, sofern sich das vorausfahrende Fahrzeug in der Zwi­ schenzeit nicht weiterbewegt hat. Hat der Abstandssensor (16) während der eige­ nen Vorwärtsbewegung eine Weiterfahrt des Vordermanns erkannt, dauert die Kriech­ fahrt solange an, bis die Grenze von fünf Metern erreicht wird. Die zeitlich zugeord­ nete Steuerung der Heckleuchten zur Information des nachfolgenden Fahrzeugs wurde vorstehend bereits beschrieben.

Zum Zeitpunkt t₁₀ wird nun das Ende des Bremsvorgangs in einem Soll-Abstand von fünf Metern zum Vordermann erreicht. Über den Lautsprecher (7) ertönt ein kurzes Quittiersignal, die Fahrstufe (15) wird durch ihre Stelleinheit automatisch auf Neutralstellung geschaltet, und der Fahrer kann seinen Blick beispielsweise zum Zeitpunkt t₁₂ wieder von der vorausliegenden Fahrbahn wenden.

Die Zeit im Stop-and-Go-Verkehr kann durch den Fahrer nun wieder abseits der Fahrzeugführung genutzt werden.

Da für eine so weitreichende Automatisierung der Fahrzeugführung höchste Sicher­ heitsstandards erreicht werden müssen, bedarf es der Nutzung weiterer technischer Einrichtungen an Bord eines Fahrzeugs zur Erzeugung zusätzlicher Redundanzen im Bereich der Sicherheit.

Für den blickgesteuerten Stop-and-Go-Betrieb wird der Bildsensor (17) auch durch die Ortung/Navigation (13) gestützt. Diese arbeitet künftig mit Positionsgenauigkeiten unter einem Meter und ist deshalb in der Lage, Fehlinterpretationen bei der Auswer­ tung des Bildsensors (17) hinsichtlich der Spurhaltung über die Stelleinheit der Len­ kung (6) zu beeinflussen. Dies geschieht durch den Vergleich des georteten tat­ sächlichen Spurverlaufs mit den gespeicherten digitalen Weginformationen im Navigationssystem. Eine falsche Spurführung würde bei Abweichungen der Daten­ quellen durch die zentrale Steuereinheit (5) verhindert. Liegt eine anhaltende System­ störung vor, würde der Stop-and-Go-Betrieb automatisch deaktiviert und der Fahrer über den Lautsprecher (7) per Sprachausgabe informiert.

Als weitere sensible Stelle im Gesamtsystem darf auch der Abstandssensor (16) gelten, der beispielsweise in Radartechnik beim intelligenten Geschwindigkeitsregler den Abstand zum Vordermann sensiert. Manchmal können Objekte durch Absorpti­ on der Radarsignale oder andere physikalische Nebeneffekte nicht eindeutig be­ stimmt werden. Bei Nichterkennung des Abstands zum Vordermann oder auch dem spontanen Durchqueren des Fahrweges durch Fußgänger könnte dies zu Auffahr­ unfällen führen. Hier nutzt man zur Absicherung nun zusätzlich die frontseitigen Parkdistanz-Sensoren (12), die Abstände im Nahbereich bis 1,5 Meter sensieren. Beim Versagen der Hauptmesseinrichtung Abstandssensor (16) und einer langen Reaktionszeit des Fahrers wird der Kriechgang des Fahrzeugs im Stop-and-Go- Betrieb durch die Stelleinheit der Bremse (3) schlagartig unterbrochen, wenn durch die Parkdistanz-Sensoren (12) ein Hindernis innerhalb 1,5 Meter erkannt wurde.

Die übrige Absicherung des blickgesteuerten Stop-and-Go-Betriebs erfolgt durch den Fahrer selbst, der bei Wahrnehmung kritischer Situationen durch seinen Brems­ eingriff den Bremskontakt (11) aktiviert. Dabei würde der Stop-and-Go-Betrieb au­ tomatisch deaktiviert. Durch die Stop-and-Go-Taste (1) kann er reaktiviert werden.

Durch eine weitere Maßnahme, die hier nicht näher beschrieben ist, wird über eine Fahrer-Identifizierung (14) das typische Steuerverhalten von Personen mittels der Blickzuwendung personengebunden registriert, in einem lernenden System über die wiederkehrende Nutzung immer weiter verbessert und in der zentralen Steuer­ einheit bei der Blickerfassung berücksichtigt.

Zur Stützung des optischen Erfassungssystems mit der Kamera (4) auf dem Arma­ turenbrett ist bei mangelhafter Detektion des Fahrerblicks beispielsweise bei nicht­ entspiegelten Brillengläsern auch ein Spracheingabekanal über das Mikrofon (8) vorgesehen. Mit dieser bekannten Technik könnte ein "Go"-Befehl eine Kriechfahrt ebenfalls auslösen und bis zu einem "Stop"-Befehl bei aktivierter Stop-and-Go- Taste (1) und Einhaltung der genannten Rahmenbedingungen beibehalten. Dies ist aber hinreichend bekannt und nicht Gegenstand dieser Erfindung.

Claims (5)

1. Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik in Kraftfahrzeugen umfassend eine zentrale Steuereinheit, die mittels komplexer Sensoren und Stelleinheiten eines Bordsystems eine sichere semiautomatische Vorwärtsbewegung eines Fahrzeugs ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärtsbewegung ursächlich und allein durch eine bewußte, über einen definierten Zeitraum von z. B. drei Sekunden andauernde Blickzuwendung des Fahrers auf das dem Fahrzeug vorgelager­ te Teilstück der Straße ausgelöst und für die Dauer der weiter fortgesetzten Blickzuwendung aufrechterhalten wird.

2. Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuereinheit die Blickabwendung von der Fahrbahn als das ausschlaggebende Kriterium für eine automatische Motorabschaltung bei Stillstand und die Blickzuwendung dito für ein automa­ tisches Hochstarten des Motors zur Aufnahme der Folgefahrt im Stop-and- Go-Verkehr zugrunde legt.

3. Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachrücken in der Fahrzeugkolonne aus­ schließlich von der zentralen Steuereinheit an die Stelleinheiten veranlaßt wird.

4. Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuereinheit über die Auswertung der Sensoren des Bordsystems ein notwendiges Nachrücken des Fahrzeugs im Stop-and-Go-Verkehr selbsttätig erkennt und den Fahrer durch einen aku­ stisches und/oder optischen Hinweis zur Blickzuwendung auf das dem Fahr­ zeug vorgelagerte Teilstücke der Straße auffordert.

5. Blickgesteuerte Stop-and-Go-Automatik nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Aktivitäten des blick­ gesteuerten Fahrzeugs für den nachfolgenden Fahrer über ein Heckleuchten­ system deutlich gemacht werden, wobei das Anfahren und Abbremsen des blickgesteuerten Fahrzeugs unter Einhaltung einer angemessenen Vorwarn­ zeit durch intuitive optische Lichtsignalbilder angezeigt wird.