DE4115747C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Situations- und Hinderniserkennung bei der Führung von Fahrzeugen aller Art.

Fahrzeuge, vorzugsweise PKW oder LKW, werden z. Zt. grundsätzlich von einem Fahrer bedient. Der Fahrer ist in der Lage, den Straßenbereich, in den er das Fahrzeug hineinbewegt, zu überblicken. Dazu benötigt er Licht und klare Sicht. Seine Fahrweise paßt er automatisch der Situation an. Es gibt allerdings Situationen, in denen eine automatische Überwachung des Fahrbereiches wünschenswert und darüber hinaus Situationen, in denen sie erforderlich ist.

In diesem Zusammenhang betrifft z. B. die DE 34 15 572 A1 eine optische Radareinrichtung für ein Fahrzeug. Bei der bekannten optischen Radareinrichtung tastet ein Entfernungsmesser mit einem Lichtstrahl die Straßenfläche wiederholt ab. Weiterhin ist eine Winkelmeßeinrichtung vorgesehen.

Die Entfernung zu einem Hindernis wird über die Laufzeitdifferenz zwischen einem gesendeten und einem empfangenen Impuls gemessen.

Eine weitere Vorrichtung zur Hinderniserkennung betrifft die EP 0 494 027 A1. Auch hier erfolgt die Hindernisbestimmung mittels eines Laserradars, der einen bestimmten Winkelbereich abtastet.

Bei beiden gattungsgemäßen Vorrichtungen ist allerdings die Vorrichtung, mit der die Winkelablenkung erfolgt, im konvagenten Strahlengang angeordnet. Beide Vorrichtungen sind daher relativ groß im Aufbau und lassen sich ohne aufwendige konstruktive Änderungen nicht im Motorraum installieren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend vom genannten Stand der Technik, eine Vorrichtung bereitzustellen, die auf kleinstem Raum innerhalb eines Fahrzeuges installiert werden kann und die mit hoher Genauigkeit und großer Geschwindigkeit arbeiten kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Danach ist vorgesehen, daß

• 1. der optische Scanner in dem divergenten Strahlengang des Laserentfernungsmessers angeordnet ist und daß
• 2. als optischer Scanner eine lichtdurchlässige, kippbare planparallele Glasplatte eingesetzt wird.

Konkret bedeutet das erste Merkmal, daß der optische Scanner zwischen der Laserquelle und einer optischen Linse angeordnet wird, die die zunächst divergente Laserstrahlung in parallele Strahlen umwandelt. Durch Anordnung des Scanners im divergenten Strahlengang kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so klein gebaut werden, daß sie sich problemlos im Inneren des Motorraumes anordnen läßt.

Als Scanner muß dabei eine Einrichtung eingesetzt werden, die mit höchster Präzision arbeitet. Erfindungsgemäß wird in diesem Zusammenhang eine lichtdurchlässige planparallele Glasplatte, insbesondere ein (Würfel) Prisma eingesetzt. Gegenüber den auch z. B. im Stand der Technik verwendeten Spiegeln haben solche Prismen eine ganze Reihe von Vorteilen. Beim Durchtritt durch ein Prisma werden die Strahlen parallel versetzt. Eine Änderung der Prismastellung führt damit lediglich zu einer verhältnismäßig geringen Änderung des Ablenkwinkels. Ein Spiegel arbeitet dagegen mit einem doppelten Strahlablenkungswinkel, so daß hier Positionsänderungen relativ große Ablenkungen bewirken. Bezogen auf die Erfindung, bedeutet dies, daß man während des Scanvorganges das eingesetzte Prisma relativ schnell drehen kann, während die Spiegelbewegung in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Gewährleistung einer ausreichenden Genauigkeit deutlich lansamer erfolgen muß. Dies führt dazu, daß der Spiegel nicht kontinuierlich gedreht werden kann, sondern vielmehr zwischen den Scanvorgängen beschleunigt wieder in eine Scanposition gedreht werden muß. Der Spiegel wird also diskontinuierlich angetrieben, was zu beschleunigungsbedingten Abweichungen führen kann. Das erfindungsgemäß eingesetzte Prisma kann dagegen mit kontinuierlicher Geschwindigkeit gedreht werden, wobei bei Eintritt jeder Prismenfläche in den Strahlengang ein neuer Scanvorgang beginnt.

Nur eine derart kontinuierliche Bewegung eines optischen Scanners (wie erfindungsgemäß möglich) erlaubt einen hochauflösenden Scan. Die während des Scans gemessenen Winkel und Entfernungswerte werden einem Rechner zugeführt, der aus diesen Werten die relativen Koordinaten von Hindernissen berechnet und z. B. unter Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu Hindernissen den Zeitpunkt einer möglichen Kollision errechnet und den errechneten Wert für ein Steuersignal nutzt.

Die Software muß in der Lage sein, die Vermessung eines Raumwinkelsegmentes in Fahrtrichtung in 3-D-Dimensionen bei gleichzeitiger Vermessung und Identifizierung von ortsfesten Objekten sowohl auf der Straße als auch am Straßenrand im Sichtweitenbereich durchzuführen.

Aus den gewonnenen Entfernungsdaten kann die Berechnung des Straßenverlaufes, die Identifizierung von bewegten Objekten, entgegenkommenden und mitfahrenden Fahrzeugen sowie der erforderliche Abstand zu vorausfahrenden Fahrzeugen unter Berücksichtigung der Eigengeschwindigkeit der jeweilig beteiligten Fahrzeuge erfolgen. Aus diesen Daten läßt sich wiederum die Berechnung von Kollisionsmöglichkeiten und Gefahrenzuständen durchführen und gegebenenfalls in akustische und optische Warnsignale umsetzen.

In Verbindung mit der Auswertung werden verschiedene Eingangsgrößen verarbeitet. Hierzu zählen:

• 1. Meßwerte:
  Entfernungsangaben
  Vertikalwinkel
  Horizontalwinkel
• 2. Lenkwinkel
• 3. Geschwindigkeit
• 4. Schrägstellungswinkel:
  horizontal
  vertikal

Die erforderlichen Meßwerte werden durch unterschiedliche Sensoren ermittelt. Für die Entfernungsmessung und die Winkelbestimmung wird ein aktiver gepulster Laserstrahl ausgesendet. Aus Kosten- und Baugrößegründen werden Laserdioden verwendet. Das Licht von einer oder mehreren Laserdioden wird über ein Objektiv in Fahrtrichtung des Fahrzeuges ausgesendet. Parallel wird ein zweiter optischer Kanal mit einem eigenen Objektiv neben dem Sendeobjekti angeordnet, der das reflektierte Licht sammelt und auf eine oder mehrere Fotodioden abbildet.

Die Laserdioden werden gepulst betrieben. Die dabei erzeugten Lichtpulse treffen auf Objekte in Fahrtrichtung und werden re­ flektiert. Die reflektierten Signale werden vom Empfänger detek­ tiert. Die Laufzeit zum reflektierenden Objekt und zurück wird gemessen und in eine Entfernung umgerechnet.

Dieser Meßstrahl ist entlang der optischen Achsen gerichtet. Vor den Laser- und Photodioden innerhalb des divergenten Strahlengan­ ges wird ein optischer Scanner angeordnet, mit dem die optischen Achsen abgelenkt werden können. Dies sind planparallele transparente Platten (Gläser), die vom ausgesendeten und reflek­ tierten Laserstrahl durchleuchtet werden. Kippt man die planpa­ rallelen Platten im divergenten Strahlengang, so wird eine Bild­ versetzung hervorgerufen, die hinter den Objektiven eine Strahl­ ablenkung zur Folge hat.

Der Ablenkwinkel ist eine Funktion des Kippwinkels. Wird die Kip­ pung durch eine kontinuierliche Rotation erzeugt, so wird eine Scanbewegung des Laserstrahles und des Empfängersehfeldes hervor­ gerufen.

Um eine 3 D Messung auf ein Objekt mit einem Laserpuls zu erzeu­ gen, muß die Entfernung und die Richtung des Strahles gemessen werden. Das geschieht dadurch, daß die Laufzeit des Pulses und die Kippstellung der Planplatte im Moment der Pulsaussendung festgestellt wird. Erfolgt dieser Vorgang automatisch, so kann innerhalb eines Bereiches, der durch die maximalen Ablenkwinkel der Planplatten vorgegeben ist, eine 3 dimensionale Vermessung aller Objekte erfolgen.

Dieser erfindungsgemäße Scanner ist deshalb besonders geeignet, weil seine

• - bewegten Teile sehr klein sind
• - Scangeschwindigkeit sehr groß sein kann
• - Baugröße des Sensors durch den Scanner nicht vergrößert wird
• - Meßwerte des Ablenkwinkel auf eine sehr einfache Weise gewonnen werden können.

Das Verfahren der Ablenkung mittels Kippung planparalleler Gläser im divergenten Strahlengang hat wegen der auftretenden Strahlverzeichnungen bei größeren Einfallwinkel einen einge­ schränkten Arbeitsbereich. Genau dieser wird wegen der hohen Ge­ schwindigkeiten der Fahrzeuge gefordert. Das Scanverfahren ist sehr flexibel, weil durch die Verwendung von mehreren nebeneinan­ der liegenden Dioden die Geschwindigkeit und der Arbeitsbereich der Aufgabe in weiten Bereichen angepaßt werden.

Der Hauptvorteil gegenüber bekannten Siegelscanner ist neben der Baugröße und der Scangeschwindigkeit der zeitliche Scanner Wir­ kungsgrad. Bei kleinen Ablenkwinkelbereichen ist der Wirkungsgrad von Spiegelscannern extrem schlecht, weil der Ablenkwinkel gleich dem halben Drehwinkel des Spiegels ist. Um also eine Ablenkung von ca. 8° zu erzeugen, rotiert der Spiegel nur 4°. Dies hat un­ mittelbare Folgen für die erforderliche Pulsrate zum Entfernungs­ messer, weil innerhalb der Zeit in der der Spiegel nur 4° rotiert alle Pulse eines Scans abgesetzt werden müssen. Das Laserpuls Entfernungsmeßverfahren benötigt jedoch Pulse in möglichst großen Abständen, um die jeweilige Messung auswerten zu können.

Dies kann dann erfolgen, wenn der Wirkungsgrad des Scanners mög­ lichst hoch liegt. Beim erfindungsgemäßen Scanner beträgt der Wirkungsgrad etwa 60%, d. h. es können in diesen 60% der Zeit Entfernungsmessungen vorgenommen werden. Um z. B. eine Ablenkung von 8° zu erzeugen, kann ein Drehwinkel von ca. 100° erforder­ lich sein. Alle 180° wiederholt sich der Vorgang. Die Meßdaten werden on-line verarbeitet, um ohne Zeitverlust gefährliche Zu­ stände melden zu können und Tempomatregelung und Kolonnenfahrt vornehmen zu können.

Die lineare Abtastung der Objekte horizontal und vertikal eignet sich zur Bildverarbeitung, weil Konturen erkennbar werden. Des­ halb ist ein scannendes System einem System mit festen Meßstrah­ len überlegen. Gegenüber einer CCD Kamera ist als besonderer Vor­ teil die Unabhängigkeit von der Umgebungsbeleuchtung und vom Um­ licht zu nennen.

Die Entfernungsprofile (Scans) können auf erkennbare Objekte un­ tersucht und untereinander verglichen werden. Die relative Ände­ rung der Objekte innerhalb des Fahrzeugkoordinatensystems wird berechnet. Aus diesen Werten wird die Gefahr für Kollision berech­ net und gemeldet. Dabei wird der Wert der Eigengeschwindigkeit dem Sensor gemeldet. Die Eigengeschwindigkeit und der daraus re­ sultierende Bremsweg wird bei der Gefahrenberechnung berücksich­ tigt.

Liegen die aktuellen Informationen über Lenkwinkel, Fahrgeschwin­ digkeit und Kippwinkel vor, so können die Koordinaten der Objekt punkte in ein ortsfestes Koordinatensystem umgerechnet werden. In diesem Koordinatensystem kann durch Vergleich der nachfolgenden Profile die absolute Geschwindigkeit jedes Objektes berechnet werden. Daraus können die verschiedenen Gefahrenwerte für Kolli­ sionen berechnet und gemeldet werden.

Bei Kolonnenfahrt kann das jeweils führende Fahrzeug per Software erkannt und wiedererkannt und verfolgt werden. Auch bei Kurven­ fahrten kann das Führungsfahrzeug weiterverfolgt werden. Die Meß­ daten ermöglichen die Bestimmung der Hindernisgrößen und damit in Grenzen die Unterscheidung von PKW, LKW etc.

Die Gefahrenmeldung erfolgt, ohne daß der Fahrer ein Signal anse­ hen muß, weil es vornehmlich im Moment der Gefahr entsteht und alle Aufmerksamkeit erforderlich ist. Aus diesem Grund wird der Gefahrenwert durch eine akustische Meldung dargestellt, deren Höhe und Lautstärke proportional zur Gefahr ist.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird ein Gerät, daß nach dem erfindungsgemäßen Ge­ danken arbeitet anhand verschiedener Zeichnungen beispielhaft er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild des in der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung verwendeten Laserentfernungs­ messers

Fig. 2 das Blockschaltbild der gesamten erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.

Das Blockschaltbild (Fig. 1) stellt den Laserentfernungsmesser mit einem Scanner für die vertikale und einem Scanner für die hori­ zontale Richtung dar.

Die Lichtquelle (1) wird im Fernfeld mit einem Projektionsobjek­ tiv (7) abgebildet. In gleicherweise erfolgt die Abildung des Empfängers (10) über das Projektionsobjektiv (8).

Im divergenten Strahlengang, nahe der Lichtquelle (1), wird ein für den Wellenbereich der Lichtquelle transparentes Polygonal­ prisma, vorzugsweise ein Würfel (2) senkrecht auf der Strahlungs­ richtung (9) gedreht. Dadurch entsteht eine Strahlversetzung, die eine Änderung des Abstrahlwinkels hinter dem Projektionsobjektiv (7) der Lichtquelle (1) und des Empfängers (10) verursacht. Wird der Würfel um sich selbst gedreht, so wird das Sender- Empfängerfeld viermal abgelenkt.

Zur Messung des Ablenkwinkels des Lichtbündels wird die Messung des Drehwinkels des Würfel benutzt. Hierzu wird ein Winkelgeber (3) herangezogen. Der Antrieb des Würfels erfolgt vorzugsweise mittels einer Motorsteuerung (13) auf einen Elektromotor (4) über Zahnräder (5, 6).

Durch eine weitere, um 90° gedrehte Scaneinrichtung, die in den Bezeichnungen jeweils durch -a- kenntlich gemacht (1a, 2a, 3a, 4a, 5a) ist, ist man in der Lage die zweite Winkel- Dimension zu vermessen indem die Meßstrahlen in der um 90° gedreh­ ten Richtung verschwenkt werden. Auf baulichen Gründen, um insbe­ sondere das Gerät klein zu halten, ist dabei die Scanneinrichtung jeweils im Sender und Empfängerkanal einzeln eingefügt. Über zwei Zahnräder (21, 22) und einen Zahnriemen (23) erfolgt der Antrieb. Mittels der Entfernungsmeßelektronik (11) und der Winkelmeßelek­ tronik (12) können genau zu dem Zeitpunkt, zu dem Reflexionssi­ gnale empfangen werden, Winkelauslesungen erfolgen. Wird die Laufzeit des Lichtes zur reflektierenden Oberfläche und zurück mit der Entfernungsmeßelektronik gemessen, so ist die Position der Oberfläche, auf die die Messung erfolgte, in allen Polarkoor­ dinaten bekannt.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die vom Sensor (14) gewonnenen Entfernungs- und Win­ kelwerte werden dem Rechner (15) zugeführt. Der Rechner erhält zusätzlich über einen Winkelgeber den Lenkwinkel (16) sowie über Neigungssensoren (17) die Neigungswinkel des Fahrzeuges und die gemessene Geschwindigkeit des Fahrzeuges (18). Über eine Eingabe- Tastatur (19) können verschiedene Betriebsarten angewählt wer­ den. Die Warnung erfolgt über einen Akustikmelder (20).

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Situations- und Hinderniserkennung für Fahrzeuge aller Art, mit einem Laserentfernungsmesser, der mit mindestens einem Meßstrahl arbeitet, einem optischen Scanner, der den Meßstrahl und den daraus resultierenden Empfangsstrahl um jeweils gleiche Winkel ablenkt, einer mit dem optischen Sensor verbundenen Winkelmeßvorrichtung (3, 3a), und mit einem Rechner (15), der aus den gemessenen Entfernungswerten und den dazugehörigen Ablenkwinkeln Hindernisse errechnet, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor als lichtdurchlässige kippbare, rotierende planparallele Platte (2; 2a, 2a), insbesondere als Prisma, ausgebildet und im divergenten Strahlengang des Laserentfernungsmessers angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserentfernungsmesser aus der Laufzeit des ausgesendeten Puls die Entfernung bestimmt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zweier Scaneinrichtungen (2, 3, 4, 5; 2a, 2a, 3a, 4a, 5a) sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung die Entfernungsmeßstrahlen abgelenkt werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sender (1) und Empfängerdioden (10) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderstrahl linienförmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (15) Mikro-Prozessoren aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (15) als Transputerrechner ausgebildet ist.

8. Verfahren zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung bei der Führung von Fahrzeugen mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Vorrichtung (14) gemessenen Winkel- und Entfernungswerte einem Rechner (15) zugeführt werden, der Rechner (15) aus diesen Werten die relativen Koordinaten von Hindernissen berechnet und unter Einbeziehung der Relativgeschwindigkeit des Fahrzeuges zu den Hindernisen der Zeitpunkt einer möglichen Kollision errechnet und der errechnete Wert zur Erzeugung eines Steuersignals genutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (15) der Lenkwinkel des Fahrzeuges zugeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Rechner (15) die Geschwindigkeit des Fahrzeuges zugeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (15) die horizontale und vertikale Position des Fahrzeuges zugeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte in ein ortsfestes Koordinatensystem umgerechnet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte zur Bestimmung und Verfolgung eines Führungsfahrzeuges verwendet werden.