DE4124192A1

DE4124192A1 - Abstandsmessgeraet oder abstandswarngeraet

Info

Publication number: DE4124192A1
Application number: DE4124192A
Authority: DE
Inventors: Max Dr Rer Nat Eibert; Peter Dr Rer Nat Lux; Harald Dipl Phys Hopfmueller; Christoph Dr Rer Nat Schaefer
Original assignee: Dornier Luftfahrt GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1991-07-20
Filing date: 1991-07-20
Publication date: 1993-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Abstandsmeßgerät oder ein Abstandswarngerät für Kraftfahrzeuge.

Gesetzliche Vorschriften regeln den Mindestabstand von Kraftfahrzeugen. So müssen z. B. Lastkraftwagen auf Autobahnen mindestens 50 m Abstand halten. Sinnvoll ist ein Gerät, das den Fahrer dahingehend informiert, ob er zu dicht auffährt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gerät vorzuschlagen, das dem Kfz- Fahrer den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug anzeigt oder ihn warnt, falls der Abstand zu gering ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird die Laufzeit von Lichtpulsen (bevorzugt Infrarotpulsen) gemessen und daraus der Abstand berechnet. Gegenstände der Unteran sprüche sind Details der Auswertung, wie die Validierung der Entfernungs werte, die Darstellung eines Szenenmodells oder die Berechnung der Nebel wahrscheinlichkeit. In einer bevorzugten Ausführung wird parallel dazu eine Sichtweitenauswertung durchgeführt, die sich im wesentlichen auf die Intensi tät des rückgestreuten Lichtes stützt.

Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sichtweiten- und Abstandsmessung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Sensorfrontends einer solchen Vor richtung,

Fig. 3, 4 und 5 die Sendekeulen und die Detektionsbereiche der ver schiedenen Kanäle,

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Auswertung,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorverarbeitung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Geräts für die Abstandsmessung und für die Sichtweitenmessung. Das Gerät ist in die drei funktionalen Hauptgruppen unterteilt:

- Sensorfrontend SF, das die Optik, die optoelektronischen Komponen ten (GaAs-Laserdioden, Empfängerdioden) sowie die analogen Schalt kreise für die Abstands- und Sichtweitenmessung enthält und die A/D- Wandlung durchführt.
- Die Auswerteeinheit AE, die vom Sensorfrontend SF die digitalisierten Entfernungs- und Sichtweitenrohdaten empfängt und weiterverarbeitet.
- Die Ausgabeeinheit (Display D).

Sensorfrontend SF und Auswerteeinheit AE sind z. B. durch je eine 8-Bit-Pa rallelschnittstelle für die Sichtweiten- und Abstandsmeßfunktion miteinander verbunden. Die dort übergehenden Entfernungsdaten liegen z. B. zwischen 20 und 100 m, die Auflösung bei 30 cm, der Takt bei 6 kHz. Die Sichtweiten daten liegen z. B. zwischen 20 und 300 m, die Auflösung bei einem Meter, der Takt bei 6 kHz.

In der Auswerteeinheit AE wird die "Auswertung Abstand" aus den Entfer nungsdaten durchgeführt, die im wesentlichen aus den Punkten Vorverarbei tung, Nebelerkennung und Abstandsberechnung besteht. Für die Abstands berechnung ist die Information über die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs nötig. Sie wird dem Gerät über eine geeignete elektrische Schnittstelle zur Verfügung gestellt. In der Auswerteeinheit AE ist dann noch eine "Auswertung Sichtweite" installiert, die aus den Sichtweitendaten und der Nebelerken nungsinformation durch Plausibilifizierung und Mittelung die Ausgabe der Sichtweite durchführt. Auf den Display D können dann z. B. ständig der Abstand zum vorausfahren den Fahrzeug und die Sichtweite angezeigt werden. Möglich ist ebenso, bei einer gewissen Sichtweitenstufe oder beim Unterschreiten eines bestimmten Abstandes eine Warnung auszugeben. Bei reduzierter Reichweite des Gerä tes, z. B. bei Nebel, kann ebenfalls eine entsprechende Warnung ausgege ben werden. Die Sichtweite und der Abstand können in Symbolen oder in Stufen angezeigt werden, die Stufenweite kann z. B. bei 20, 30, 50, 70, 100, 150 und 200 m liegen.

Als Einbauort für das Frontend empfiehlt sich bei z. B. PkW′s ein Platz hinter der Frontscheibe, möglichst im Bereich der Wischerblätter, um ein eigenes Reinigungssystem einzusparen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung eines Sensorfrontends. Das Sensorfrontend SF enthält die optischen Komponenten Sendeoptik SO, Empfangsoptik EO, die Infrarotsendeelemente (Sendedioden SD, ein Laserdiodenarray von sechs Stück sowie eine PIN-Diode, eine Empfangsdiode, die die Amplitude des aus gesandten Lichts mißt und so eine Referenzinformation für die Normierung bereitstellt), Empfangselemente (Empfangsdioden ED, angeordnet zu einem Empfangsarray, hier z. B. sechs Avalanche-Dioden). In der Ausführung mit Sichtweitenanzeige ist eine zusätzliche PIN-Diode (SWD) vorgesehen, die Senderansteuerung SA sowie die analogen Schaltkreise für die Entfernungs messung und für die Sichtweitenmessung.

Die Entfernungsmessung geschieht nach dem TOF (time-of-flight, Laufzeit messung) Prinzip. Es werden hier Galliumarsenid-Laserdioden von 0,9 µm Wellenlänge (IR-Bereich) zur Emission sehr kurzer Pulse (40 ns) verwendet. Die Laufzeit eines Pulses zwischen Sendung und Empfang wird gemessen und in eine Entfernung umgerechnet. Als Empfänger dienen hier Silizium- Avalanche-Dioden. Die Genauigkeit einer Einzelmessung liegt bei ca. Δr ≈ ± 0.5 m. Durch Mittelung vieler Einzelmessungen wird diese Auflösung auf ca. 0.3 m gesenkt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Sendeoptik SO und der Empfangsoptik EO. Es ist in diesem Beispiel eine lineare Zeile von je sechs Sendedioden SD und sechs Empfangsdioden ED verwendet. Die Zeilen der Sendedioden SD und der Empfangsdioden ED sind horizontal ausgerichtet. Die Figur zeigt die von den Dioden überstrichenen Bereiche und eine beispielhafte Bemaßung. Dabei sind als Diodenabstände 1.2 mm, als Diodendurchmesser 0.14 mm und als Abstand der Objektive 10 mm gewählt. Die Apertur beträgt 30 mm, die Brennweite der beiden Linsen, die dem Sender und dem Empfänger zugeord net sind, je 70 mm. Nicht gezeigt ist eine Alternative zu der Senderdiodenreihe oder der Empfän gerdiodenreihe, nämlich je eine Sende- und eine Empfangsdiode, die mit einem mechanischen Scanner mit oder ohne Glasfasern verbunden sind.

In Fig. 3 ist erkennbar, daß zu jeder Senderdiode SD ein bestimmter beleuch teter Bereich (Sendekeule) gehört. Ebenso entspricht jeder Empfängerdiode ein bestimmter Bereich. Für zwei der Dioden sind diese Bereiche in Fig. 3 ein gezeichnet.

Fig. 4 zeigt die für die Entfernungsmessung relevanten Detektionsbereiche von drei verschiedenen Kanälen. Die in Fig. 3 angedeuteten verschiedenen Sende- und Empfangskeulen ergeben zusammen sechs zugehörige Scan- Richtungen, die hier einen (ebenen) Fächer mit einem Öffnungswinkel von 5° bilden. Die horizontalen Ablenkwinkel der einzelnen Scan-Richtungen betra gen beispielshaft (auf die Fahrzeuglängsachse bezogen):

-2,5°, -1,5°, -0,5°, 0,5°, 1,5°, 2,5°.

Bei einer Meßentfernung von 80 m entspricht dies zwar theoretisch einer late ralen Auflösung von nur 1.40 m. Durch die beim Fahren unvermeidliche Gier bewegung des Fahrzeugs ist die tatsächliche Auflösung wegen des hohen Sensortaktes jedoch im Dezimeterbereich, auch bei verschwindender Strahl divergenz.

Die erfaßte Szenenbreite ist bei 80 m Entfernung ca. 7 m. Folglich ist ein Nachführen des Sensors in Autobahnkurven mit Radien ρ < 1100 m nicht nötig. Die sechs Scan-Richtungen definieren einen nahezu horizontalen, ebenen Fächer, dessen exakter Depressionswinkel gegenüber der Fahrzeuglängs achse von der Justierung des Sensors im Fahrzeug abhängt. Durch die bei der Fahrt unvermeidliche Nickbewegung des Fahrzeugs wird nicht aus schließlich das vorausfahrende Fahrzeug erfaßt, sondern der Sensor blickt zeitweise auf die Straße hinter das vorausfahrende Fahrzeug und zeitweise über das Fahrzeug hinweg. Dieser Tatsache wird bei der Signalverarbeitung Rechnung getragen. Bei unbeschleunigter Bewegung ist der Fahrzeugnick winkel im Mittel derselbe wie im Stand, so daß der interessierende Höhenbe reich vom Sensor hinreichend oft erfaßt wird (hoher Sensortakt). Es kann vorteilhaft sein, den Sensor mit festem Drepressionswinkel ϑ ≈ -1° in die Fahrzeugkabine einzubauen. Da mit Nickwinkelschwankungen bei der Fahrt von ± 4° gerechnet wird, sollte dieser Einbau ausreichen. Sollte der Nickwinkel im Stand stark von der Fahrzeugbeladung abhängen, kann zu sätzlich eine Nachführung der Sensorachse vorgesehen sein. Diese Nachfüh rung kann bei Fahrtantritt manuell oder automatisch stattfinden.

Eine hohe Zeilenfrequenz des Sensors (Sensortakt) ist für eine gute Signal verarbeitung vorteilhaft. Es ist z. B. eine Zeilenfrequenz von 1000 Hz vorge sehen. Bei sechs Sendedioden bedeutet dies eine mittlere Pulsfrequenz von 6 kHz. Der zulässige Wertebereich für die gemessene Entfernung beträgt zwischen 20 und 100 m. Die Übertragung der einzelnen Entfernungsmeßwerte an den Signalverarbeitungsprozessor geschieht im 8-Bit-Format. Dies entspricht einer Entfernungsauflösung von ca. 0.3 m.

Fig. 5 zeigt schematisch eine zusätzlich mögliche Sichtweitenmessung. Die Sichtweite wird aus der Intensität von rückgestreutem IR-Laserlicht ermittelt. Als Lasersender werden die sechs Laserdioden SD verwendet, die für die Abstandsmessung vorgesehen sind, sowie eine siebte Laserdiode, die aus schließlich für die Sichtweitenmessung benutzt wird. Als Empfänger ist eine (einzige) PIN-Diode vorgesehen, die am Rand der Empfangsdioden ED für die Entfernungsmessung plaziert ist. Das Gesichtsfeld der Sichtweiten-PIN- Diode (SWD) schneidet alle sieben Sendekeulen in einem Abstand zwischen 1 m und 20 m vor dem Fahrzeug. Dieser Schnittbereich definiert für alle Kanäle ein Meßvolumen V_i (i = 1 bis 7) für die Sichtweitenmessung, wobei V_i unterschiedlich groß ist für die einzel nen Kanäle. Das aus dem Meßvolumen gestreute Signal wird mit Hilfe eines entsprechenden Zeittors separiert und mit einem Ladungsverstärker aufinte griert. Um Schwankungen in der Sendeleistung zu berücksichtigen, wird die Ladung mit dem zeitlich integrierten Referenzsignal normiert. Der Quotient wird mit Hilfe von kanalspezifischen Eichtabellen in eine Sichtweite umge rechnet.

Ein mögliche erfindungsgemäße Auswertung in der Auswerteeinheit AE wird anhand der Fig. 6 und 7 dargestellt. Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild für die Sichtweiten- und die Abstandsmessung. Wesentliche Komponenten sind die sechs "Vorverarbeitungen Einzelkanal", die "Nebelerkennung", die eigentliche "Sichtweitenauswertung" und die "Ab standsberechnung".

Inputdaten sind:

- Entfernungsdaten (für jeden der sechs Kanäle)
- Sichtweitendaten (für jedes der sieben Meßvolumen)
- Fahrzeugeigengeschwindigkeit.

Outputdaten sind:

- Sichtweite in z. B. sieben Stufen
- Abstandswarnung (ja/nein) oder Anzeige des Abstandes in verschiedenen Stufen.

Die Entfernungsdaten der einzelnen Kanäle werden separat vorverarbeitet. Mit reduzierter Datenrate werden danach eine Wahrscheinlichkeit für Nebel sowie validierte Entfernungsdaten weitergegeben. "Validierte Entfernungsdaten" sind solche Entfernungsdaten, die mit großer Wahrscheinlichkeit von vorausfahrenden Fahrzeugen stammen. Die validier ten Entfernungsdaten aller sechs Kanäle werden in einem Modul "Abstands berechnung" zusammengeführt und dienen dort zur Aktualisierung eines Szenenmodells. Aus dem Szenenmodell wird der Abstand zum vorausfah renden Fahrzeug abgeleitet. Unter Berücksichtigung der aktuellen Eigen geschwindigkeit des Fahrzeugs kann damit die Variable für die Abstands warnung auf "ja" oder "nein" gesetzt werden. Die "Wahrscheinlichkeit für Nebel" bei den einzelnen Kanälen ist das Ergeb nis einer statistischen Analyse bei der Vorverarbeitung. Die Wahrscheinlich keiten für Nebel werden im Modul "Nebelerkennung" zusammengeführt und verglichen. Daraus folgt eine Bewertung, ob Nebel vorhanden ist oder nicht. Diese Information wird an das Modul "Sichtweitenauswertung" weitergereicht, welches dann aus den Sichtweitendaten die gültige Sichtweite ermittelt.

Die einzelnen Verfahrensmodule sind in den folgenden Unterabschnitten be schrieben.

Die Vorverarbeitung ist anhand der Fig. 7 näher erläutert. Fig. 7 zeigt schematisch das Modul "Vorverarbeitung Einzelkanal" mit dem Input "Entfernungsdaten" und dem Output "Wahrscheinlichkeit für Nebel" und "validierte Entfernungsdaten zu vorausfahrendem Fahrzeug". Der Modul be steht aus den Bauteilen "Bereichsüberprüfung", "Nebelstatistik" und "Objekt filter", die nachfolgend beschrieben werden.

Bereichsüberprüfung

Jeder in das Modul Vorverarbeitung eingehende Entfernungsmeßwert wird daraufhin überprüft, ob er die zulässige Mindestentfernung (z. B. 20 m) über schreitet. Andernfalls wird er nicht weiterverarbeitet. Die auf dieser Bereichs überprüfung hervorgehenden Werte werden in den zwei unabhängigen Mo dulen Nebelstatistik und Objektfilter weiterverarbeitet.

Nebelstatistik

Dieses Modul führt eine Nebelstatistik durch. Nebel oder andere Sichtbehin derungen werden daran erkannt, daß sich ein hoher Prozentsatz aller Meß werte statistisch über einen bestimmten Meßbereich verteilt. Diese Statistik wird über eine längere Zeitdauer durchgeführt (ca. 10 s). Die Analyse der Sta tistik führt zu einem Wahrscheinlichkeitswert für Nebel auf diesem Kanal. Die ser Wert wird mit entsprechend niedriger Datenrate ausgegeben.

Objektfilter

Das zweite Modul, Objektfilter, extrahiert Entfernungswerte, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zu vorausfahrenden Fahrzeugen gehören.

Solche Meßwerte werden über längere Zeiträume (z. B. Δt = 0.2 s) den gering sten Schwankungen unterliegen. Stationäre Objekte - also Objekte mit hoher Relativgeschwindigkeit - verursachen eine große Standardabweichung eben so wie nahezu tangential zur Strahlrichtung verlaufende Strukturen (Straße, Leitplanken). Letzteres ist erstens durch die Physik der Rückstreuung des La serlichts und zweitens durch die Gier- und Nickbewegung des Fahrzeugs be dingt.

Es werden daher der Mittelwert µ und die Standardabweichung σ von ca. 200 Meßwerten bestimmt, die im Zeitraum Δt anfallen. Ein kleiner Prozentsatz von "Ausreißern" kann bei der Berechnung von µ und σ ausgelassen werden, Prinzip des sogenannten "sliding average". µ ist nur dann validierter Entfer nungswert, wenn σ einen Höchstwert σ_max nicht überschreitet. Ein validierter Entfernungswert µ hat einen Fehler von z. B. Δµ≈0,3 m.

Das Ergebnis der Objektfilterung sind validierte Entfernungsdaten, die vor wiegend von vorausfahrenden Fahrzeugen stammen. Eine weiter Validierung dieser Meßwerte kann im Modul "Abstandsberechnung" stattfinden, durch Ver gleich mit einem aktuellen Szenenmodel.

Im folgenden werden beispielhaft die weiteren Komponenten der Fig. 6 näher beschrieben:

Nebelerkennung

Wenn z. B. vier der sechs Kanäle eine hohe oder niedrige Wahrscheinlichkeit für Nebel ausgeben, entscheidet sich das Modul "Nebelerkennung" für den Tatbestand "Nebel" bzw. "Sicht". Um im Grenzbereich zwischen Sicht und Nebel Oszillationen bei der Zustandsbestimmung zu vermeiden, werden die Entscheidungsparameter nach einem Zustandswechsel von Nebel nach Sicht oder von Sicht nach Nebel jeweils geringfügig variiert. Das Ergebnis des Mo duls "Nebelerkennung" wird dann das Modul "Sichtweitenauswertung" weiter gegeben. Dieses Modul führt seine Sichtweitenbestimmung aus den Sicht weitendaten nur beim Input "Nebel" durch.

Sichtweitenauswertung

In dem Auswertemodul für die Sichtweite werden zunächst die Sichtweiten werte für jeden Kanal getrennt statistisch analysiert. Unterschreitet die Stan dardabweichung einen gewissen Wert, so gilt der entsprechende Mittelwert als validiert. Durch Vergleich der validierten Mittelwerte aller Kanäle findet eine weitere Plausibilitätsüberprüfung statt. Nur wenn deren Streuung inner halb der Standardabweichung der Einzelkanalstatistik liegt, wird ein gemein samer Mittelwert gebildet. Dieser Wert wird noch zeitlich gemittelt und ergibt so den Anzeigewert, der alle ca. 5 bis 20 s erneuert wird. Die Nebelerkennungsfunktion in der Auswertung der Entfernungsdaten unter drückt Fehlmessungen, die durch Reflexionen der Lichtstrahlung an festen Objekten im Meßvolumen verursacht werden könnten, zuverlässig. Eine Sicht weitenmessung wird in diesem Fall nicht durchgeführt.

Abstandsberechnung

Die gefilterten Meßwerte aller Kanäle (validierte Entfernungsdaten) werden hier mit einem einfachen, zweiparametrigen Szenenmodell korreliert. Das Modell beinhaltet ein kastenförmiges Objekt konstanter Breite auf ebenem Untergrund. Die Modellparameter (Zustandsvariablen) sind die zweidimen sionalen Positionskoordinaten dieses Objekts relativ zum Sensor. Die Korre lation wird z. B. alle 0.2 s durchgeführt. Dabei sind zwei Fälle zu unterschei den, die sich auf die zuletzt vorgenommene Korrelation beziehen:

1. Es ist ein Objekt im Bild;
2. Es ist kein Objekt im Bild.

Im ersten Fall wird ein Modellansatz für die Dynamik des Objekts gemacht, die jeweils letzte Position des Objekts wird durch Korrelation mit neuerlichen Ent fernungsmeßwerten diesem Ansatz entsprechend aktualisiert. Im zweiten Fall wird anhand der jeweiligen Entfernungsdaten eine Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein des Objekts ermittelt. Die Umschaltung von Zustand 2 in Zu stand 1 wird erst dann vorgenommen, wenn diese Wahrscheinlichkeit über längere Zeit hoch war und die jeweils ermittelten Objektpositionen überein stimmen. Die Umschaltung von Zustand 1 in Zustand 2 geschieht dann, wenn eine modellkonsistente Aufdatung der Objektposition über längere Zeit nicht möglich war. Das Szenenverständnis wird also nicht aus einer einzelnen Da tenzeile abgeleitet. Vielmehr wird der dynamische Prozeß unter ständiger Korrektur durch eingehende Daten modelliert. Aus der Kenntnis der Zustandsvariablen des Systems ergibt sich sofort der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug. Durch Vergleich mit dem Mindest abstand, der der eingegebenen aktuellen Fahrzeugeigengeschwindigkeit ent spricht, kann über die Notwendigkeit der Ausgabe einer Abstandswarnung entschieden werden. Eine Einbeziehung der Straße in die Modellierung ist deshalb nicht möglich, weil bei nassem Straßenbelag vom Sensor keine endlichen Entfernungswerte gemessen werden. Um die Abstandsberechnung vom Straßenzustand unab hängig zu machen, werden die Entfernungswerte zur Straße im Objektfilter eliminiert.

Claims

1. Abstandsmeßgerät oder Abstandswarngerät für Fahrzeuge, mit einem Sensorfrontend (SF), mit einem oder mehreren Lichtsendern, insbe sondere Infrarotsendern, die nach vorne weisende Keulen haben, mit einem oder mehreren Lichtempfängern, wobei aus den Laufzeiten der reflektierten Pulse Entfernungsdaten gewonnen werden, und mit einer Auswerteeinheit (AE), die die Abstände berechnet und anzeigt oder eine Abstandswarnung gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer mechanischen Ablenkeinheit eine Zeile oder ein zweidimensio nales Abtastmuster erzeugt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorverarbeitung und eine Auswertung, die die Entfer nungsdaten nach statistischen Methoden validiert.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine Auswertung mit einem Szenenmodell, anhand dessen aus den Daten eines gewissen Zeitraumes auf das Vorhan densein eines sich bewegenden Objekts und dessen Abstand ge schlossen wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine Vorverarbeitung in der Auswertung, die aus den Entfernungsdaten die Wahrscheinlichkeit für Nebel berechnet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Sicht weitenauswertung, wobei im Sensorfrontend (SF) eine zusätzliche Empfangsdiode vorgesehen ist, deren Gesichtsfeld die Sendekeulen der Lichtsender (SD) schneidet, und einer Auswertung, die aus der Intensität des rückgestreuten Lichts die Sichtweite ermittelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Sichtweitenauswertung eine Mittelung oder eine Plausibilifizie rung durchgeführt werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch eine zusätzliche Empfangsdiode, die Zeitpunkt und Amplitude des von den Lichtsendern ausgesandten Lichts mißt (Refe renzinformation für die Normierung).