DE4342609A1 - Optische Geschwindigkeitsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Geschwindigkeits­ meßeinrichtung für Bewegungen über einer helligkeitsstruktu­ rierten Fläche, insbesondere zur Verwendung in einem Straßen­ fahrzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, eine berührungsfreie, optische Geschwindig­ keitsmessung nach dem sogenannten Ortsfilterprinzip durchzufüh­ ren, wobei als Sensorelement beispielsweise ein CCD-Zeilensen­ sor oder ein optisches Gitter, dessen Gitterlinien senkrecht zur Richtung der zu erfassenden Geschwindigkeitskomponente ver­ laufen, verwendbar ist, siehe z. B. die Offenlegungsschriften DE 32 29 343 A1, DE 40 18 189 A1 und DE 40 34 846 A1 sowie den Aufsatz von O. Fiedler et al., Geschwindigkeitsmessung mit CCD- Zeilenkamera nach dem Ortsfilterprinzip, msr, Berlin 31, 1988, 5, Seite 205. Bei einem ähnlichen Meßsystem nach der Offenle­ gungsschrift DE 40 09 737 A1 ist einem CCD-Zeilensensor eine Auswerteelektronik nachgeschaltet, die aus dem durch den Zei­ lensensor bei einer Objektbewegung mit einem entsprechend sta­ tistisch variierten Ortsfrequenzspektrum gebildeten Bildsignal in einer Phasenbeziehung zueinander stehende, einem Drehfeld entsprechende Auswertesignale erzeugt, aus denen durch Erfas­ sung der Nulldurchgänge Betrag und Richtung der Relativbewegung des Objekts parallel über die strukturierte Fläche bestimmbar sind.

Aus der Offenlegungsschrift DE 33 40 924 A1 ist eine Vorrich­ tung zum berührungslosen Erfassen der Bewegung eines Objekts mit optisch differenzierter Struktur bekannt, bei der als Sen­ sorelement eine parallel zu der zu erfassenden Richtung liegen­ de Diodenreihe verwendbar ist. Dabei sind die Dioden in Gruppen von je vier aufeinanderfolgenden Dioden verschaltet, wobei gruppengleiche Dioden jeweils parallel geschaltet sind. Die vier Ausgangssignale werden dann in näher spezifizierter Weise Additions- und Subtraktionsvorgängen unterzogen, um letzlich die Bewegungsgeschwindigkeit zu bestimmen.

In Soviet Inventions Illustrated, Abschnitt R1: Measuring; Testing, X28, 18. 08. 1976, Seite 12, ist unter Nummer SU-484-462 eine optische Geschwindigkeitsmeßeinrichtung mit einer Licht­ quelle, einem Sensor, einem Abtastgenerator und einem Umschal­ ter angegeben. Bei dieser Einrichtung wird das von der Licht­ quelle erzeugte und vom Objekt reflektierte Licht durch den Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt und entlang der Koordinaten parallel zur Objektbewegung periodisch von dem Ab­ tastgenerator abgetastet. Dabei wird das vom Sensor kommende Signal durch den Umschalter in zwei Komponenten aufgesplittet, nämlich einerseits in und andererseits entgegen der Objektbewe­ gungsrichtung. Von den daraus erhaltenen beiden Impulsanzahlen ist die eine proportional zur Summe und die andere proportional zur Differenz der Abtastgeschwindigkeit und der Objektgeschwin­ digkeit. Aus der Bildung des Verhältnisses von Differenz zur Summe der Frequenzen dieser Impulssignale wird die Objektge­ schwindigkeit ermittelt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird folglich die Objektstruktur in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zeitlich nacheinander abgetastet, so daß sich die Signale der beiden Abtastrichtungen bei von Null verschiedener Relativge­ schwindigkeit zwangsläufig auf unterschiedliche Objektflächen­ abschnitte beziehen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer optischen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung der eingangs ge­ nannten Art zugrunde, mit der sich bei geringem Aufwand eine zuverlässige Geschwindigkeitsmessung erzielen läßt.

Dieses Problem wird durch eine optische Geschwindigkeitsmeßein­ richtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Das Vorsehen wenigstens eines Paares von gleichartigen Einzelele­ mentzeilen innerhalb des Sensorelementes, die beide gleichzei­ tig seriell ausgelesen werden, die eine in Vorwärts- und die andere in Rückwärtsrichtung, macht es möglich, für die beiden Abtastrichtungen jeweils zeitgleich denselben oder aber zwei eng benachbarte Flächenstreifen abzutasten. Insbesondere bei stark inhomogener Objektstruktur vermeidet diese zeitgleiche und damit auf im wesentlichen denselben Flächenabschnitt bezo­ gene Abtastung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung fehlerhafte Impulsfolgen und damit fehlerhafte Geschwindigkeitsmessungen, die sich bei Verwendung nur einer Einzelelementzeile und deren im Wechsel zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführten Vorwärts- und Rückwärtsabtastung insbesondere dann ergeben können, wenn sich die Objektstruktur zwischen einer Vorwärts- und einer Rückwärtsabtastung merklich ändert. Zudem sind bei Verwendung eines Paares von Einzelelementzeilen bezogen auf die gleiche Meßstrecke unter sonst gleichen Bedingungen doppelt so viele Einzelmessungen möglich wie bei Verwendung nur einer Einzelele­ mentzeile, wodurch sich die Meßwertstreuung entsprechend ver­ mindern läßt.

In konstruktiv optisch vorteilhafter Ausgestaltung der Erfin­ dung erfolgt die Abtastung gemäß Anspruch 2 mittels Verwendung einer den oder die abzutastenden Flächenstreifen beleuchtenden Lichtquelle sowie einer den oder die abzutastenden Flächen­ streifen auf die Einzelelementzeilen abbildenden Optik.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 realisiert eine Meßeinrichtung, mit der sich nicht nur eine Geschwindig­ keitskomponente, sondern Betrag und Richtung der Geschwindig­ keit einer beliebigen Bewegung parallel über der strukturierten Fläche erfassen läßt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer in einem Kraft­ fahrzeug eingebauten optischen Geschwindigkeitsmeß­ einrichtung in einer schematischen Seitenansicht und

Fig. 2 eine in einem Kraftfahrzeug eingebaute optische Ge­ schwindigkeitsmeßeinrichtung zur Ermittlung der Längs- und Quergeschwindigkeit in einer schematischen Draufsicht.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst die prinzipielle Funktionsweise erläutert. Als Sensorelement ist in dieser optischen Geschwin­ digkeitsmeßeinrichtung ein Paar von Einzelelementzeilen (1) im Fahrzeug eng benachbart parallel nebeneinander liegend angeord­ net, von denen in der Seitenansicht nur die vordere explizit in Fig. 1 zu erkennen ist. Jede Einzelelementzeile (1) enthält ei­ ne vorgegebene Anzahl hintereinanderliegender, lichtsensitiver Einzelelemente (1′), deren Lichteinlaßseite nach unten zu einer helligkeitsstrukturierten Straßenfläche (5) hin gerichtet ist. Beide Einzelelementzeilen (1) bestehen aus jeweils einer CCD- Zeile, alternativ aus einer Fotodiodenzeile, und sind von glei­ chem Aufbau, insbesondere besitzen beide dieselbe Anzahl von Einzelelementen (1′). Mittels einer Abbildungsoptik, von der stellvertretend nur eine Linse (3) explizit dargestellt ist, wird ein Fahrbahnstreifen (11) auf jede der beiden Einzelelement­ zeilen (1) abgebildet. Alternativ ist es auch möglich, zwei eng benachbarte Fahrbahnstreifen (11) auf die Einzelelementzeilen (1) abzubilden, wodurch sich die Abbildungsoptik konstruktiv einfach gestalten läßt. Um in jedem Fall eine ausreichende Lichtintensität sicherzustellen, ist am Fahrzeug des weiteren eine Lichtquelle (2) in Form einer Halogenlampe angeordnet. Die Halogenlampe (2) erzeugt einen gerichteten Lichtkegel (4), der als Abtastlichtstrahl dient, indem er wenigstens den abzuta­ stenden Fahrbahnstreifen (11) auf der Straße (5) beleuchtet. Alternativ ist als Lichtquelle auch eine Infrarot-Laserdiode verwendbar.

Die Einzelelementzeilen (1) sind parallel zur Fahrzeuglängs­ richtung ausgerichtet und ermöglichen in folgender Weise die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit (v) des Fahrzeugs in Längsrichtung gegenüber der Straße (5).

Die beiden Einzelelementzeilen (1) werden in getakteten zeitli­ chen Abständen gleichzeitig seriell ausgelesen, und zwar die eine in Vorwärtsrichtung und die andere in Rückwärtsrichtung. Dazu dient eine in Fig. 1 nicht gezeigte Auswerteeinrichtung. Aufgrund der dem Straßenbelag inherenten Eigenschaft einer stochastischen Helligkeitsstruktur ergibt sich für jede Einzel­ elementzeile (1) ein intensitätsmoduliertes Signal, das in der Auswerteeinrichtung gefiltert und anschließend mittels eines Komparators in eine rechteckförmige Impuls folge umgewandelt wird. Die Impulsfolgen für die beiden Einzelelementzeilen wer­ den getrennt gezählt. Liegt keine Relativbewegung zwischen Ob­ jekt und Sensor, d. h. zwischen Straße (5) und dem die optische. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung beinhaltenden Fahrzeug, vor, so entsteht beim Auslesen beider Einzelelementzeilen (1), also so­ wohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung, jeweils die gleiche Impulsanzahl, da stets derselbe Straßenflächenabschnitt beim Auslesen der Einzelelementzeilen (1) abgetastet wird. Be­ wegt sich hingegen das Fahrzeug mit einer von Null verschieden­ en Längsgeschwindigkeit (v) gegenüber der Straße (5), so über­ lagert sich diese Relativgeschwindigkeit (v) mit derjenigen Ge­ schwindigkeit, mit der beim Auslesen der Einzelelementzeilen (1) der jeweilige Fahrbahnstreifen (11) abgetastet wird. Auf diese Weise entstehen geschwindigkeitsproportional beim Ausle­ sen in Vorwärtsrichtung eine größere Anzahl von Impulsen pro Auslesevorgang als in Rückwärtsrichtung. Für die resultierende Längsgeschwindigkeit (v) parallel zu den Einzelelementzeilen (1) ergibt sich die Beziehung

v=(N_v-N_r)/(N_v+N_r)·l·M·f ,

wobei N_v die Impulsanzahl bei Vorwärtsabtastung, N_r die Impuls­ anzahl bei Rückwärtsabtastung, 1 die Zeilenlänge, M der Abbil­ dungsmaßstab sowie f die Auslesefrequenz für eine Abtastung be­ deuten. Die Information über die Geschwindigkeitsrichtung, d. h. ob sich das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts bewegt, ergibt sich aus dem Vorzeichen. Bei Vorwärtsbewegung ist N_v größer als Nrw bei Rückwärtsbewegung ist es umgekehrt. Voraussetzung ist jeweils, daß die auf die Straße (5) projizierte Auslesege­ schwindigkeit einer Einzelelementzeile (1) immer größer als die Geschwindigkeit zwischen Fahrzeug, d. h. Meßeinrichtung (1 bis 4), und Straße (5) bleibt, da es andernfalls zu mehrdeutigen Signalen kommt. Zwar wäre es zur Durchführung dieses Meßprin­ zips auch möglich, nur eine Einzelelementzeile (1) vorzusehen und diese alternierend in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung seriell auszulesen, jedoch hat die Verwendung zweier gleichzei­ tig in entgegengesetzten Richtungen auszulesender Zeilen der Vorteil, daß kein Meßfehler bei sich zwischen zwei Auslesevor­ gängen ändernder Fahrbahnstruktur auftritt und im gleichen Zeitraum doppelt so viele Messungen durchführbar sind.

Bei der in Fig. 2 gezeigten optischen Geschwindigkeitsmeßein­ richtung sind zwei Paare (1a, 1b; 1c, 1d) von Einzelelementzei­ len der oben beschriebenen Art angeordnet. Jedes Einzelelement­ zeilenpaar (1a, 1b; 1c, 1d) besteht aus zwei eng benachbart, parallel nebeneinander angeordneten Einzelelementzeilen. Ein erstes Paar (1a, 1b) ist mit seiner Zeilenlängsachse um einen Winkel von 45° im Gegenuhrzeigersinn und das zweite Paar (1c, 1d) mit seiner Zeilenlängsachse ebenfalls um einen Winkel von 45° jedoch im Uhrzeigersinn gegenüber der Fahrzeuglängsachse gekippt angeordnet, so daß folglich die beiden Zeilenlängsach­ sen einen Winkel (a) von a=90° einschließen.

Jede Einzelelementzeile (1a, 1b, 1c, 1d) ist über eine entspre­ chende Signalleitung (6, 7, 8, 9) mit einer Auswerteeinrichtung (10) verbunden, welche die Zeilen (1a bis 1d) gesteuert seriell ausliest. Dabei erfolgt in jedem Abtastvorgang ein gleichzeiti­ ges Auslesen aller vier Einzelelementzeilen (1a bis 1d), wobei in der zu Fig. 1 erläuterten Weise jeweils eine Zeile eines Zeilenpaares in Vorwärts- und die andere Zeile in Rückwärts­ richtung seriell ausgelesen wird. Selbstverständlich sind zur Gewährleistung einer ausreichenden Lichtintensität auch bei diesem Ausführungsbeispiel in nicht gezeigter Weise eine Licht­ quelle und eine Abbildungsoptik zusätzlich zu den Einzelele­ mentzeilen (1a bis 1d) und der Auswerteeinrichtung (10) am Fahrzeug angeordnet. Für jedes Zeilenpaar (1a, 1b; 1c, 1d) wird hierbei ein eigener, beleuchteter, in Fig. 2 der Einfachheit halber nicht gezeigter Flächenstreifen auf der Straßenfläche zur Abtastung von dem zugehörigen Zeilenpaar herangezogen. Zur Vereinfachung der Abbildungsoptik ist es jedoch auch möglich, bei eng nebeneinanderliegenden Einzelelementzeilen eines Zei­ lenpaares zwei entsprechend eng parallel benachbarte Flächen­ streifen auf der Straßenfläche zur jeweiligen Abtastung durch eine zugeordnete Zeile heranzuziehen.

Durch den dergestalt gewählten Abtastvorgang vermag die Auswer­ teeinrichtung (10) mittels entsprechender Signalaufbereitung analog zu dem zu Fig. 1 beschriebenen Vorgehen durch das eine Zeilenpaar (1a, 1b) die Fahrzeuggeschwindigkeitskomponente (v₁) in der Längsrichtung dieses Zeilenpaares (1a, 1b) sowie durch das andere Zeilenpaar (1c, 1d) die Fahrzeuggeschwindigkeitskom­ ponente (v₂) bezüglich der Längsachse dieses anderen Zeilenpaa­ res (1c, 1d) zu bestimmen. Aus diesen beiden Geschwindigkeits­ komponenten (v₁, v₂) lassen sich dann die Fahrzeuglängsge­ schwindigkeit (v₁) und die Fahrzeugquergeschwindigkeit (v_q) be­ stimmen, indem die Beziehungen v₁=(v₁+v₂)/√ und v_q=(v₁-v₂)/√ verwendet werden, die aus den oben angegebenen Winkelbeziehun­ gen zwischen den Längsachsen der Einzelelementzeilenpaare (1a, 1b; 1c, 1d) und der Fahrzeuglängsrichtung folgen. Auf diese Weise läßt sich die Fahrzeugbewegung über der Straße sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung zuverlässig erfassen, im Gegen­ satz zu raddrehzahlabtastenden Geschwindigkeitsmeßsystemen ins­ besondere auch unabhängig vom jeweils vorliegenden Radschlupf.

Es versteht sich, daß der Fachmann naheliegende Modifikationen der oben beschriebenen Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen im Rah­ men der Erfindung vorzunehmen vermag, insbesondere können bei einer Meßeinrichtung nach Art von Fig. 2 die Längsachsen der beiden Einzelelementzeilenpaare jeden beliebigen Winkel von mehr als 0° und weniger als 180° einschließen, um eine voll­ ständige Information über Betrag und Richtung der Geschwindig­ keit der Fahrzeugbewegung über der Straßenfläche zu erhalten. Außerdem ist die optische Geschwindigkeitseinrichtung für ande­ re Anwendungsfälle geeignet, bei denen eine Relativgeschwindig­ keit eines Objektes parallel zu einer helligkeitsstrukturierten Fläche erfaßt werden soll.

Claims (4)

1. Optische Geschwindigkeitsmeßeinrichtung für Bewegungen über einer helligkeitsstrukturierten Fläche, insbesondere zur Ver­ wendung in einem Straßenfahrzeug, mit

• - einem Sensorelement (1), das aus wenigstens einer Zeile (1a) von hintereinanderliegenden, lichtempfindlichen, se­ riell auslesbaren Einzelelementen (1′) besteht, mittels der ein jeweiliger Flächenstreifen (11) optisch abtastbar ist, und
• - einer mit dem Sensorelement (1) verbundenen Auswerteein­ richtung (10), welche die Einzelelemente jeder Zeile seri­ ell in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ausliest und dar­ aus die zur Einzelelementzeile parallele Komponente (v) der Geschwindigkeit des Sensorelementes relativ zur Fläche (5) bestimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Sensorelement (1) wenigstens ein Paar von gleicharti­ gen Einzelelementzeilen (1a, 1b) beinhaltet, durch die ein gemeinsamer oder zwei zueinander parallele Flächenstreifen (11) optisch abtastbar sind, und
• - die Auswerteeinrichtung (10) die eine Einzelelementzeile (1a) eines Paares jeweils gleichzeitig mit der anderen Einzelelementzeile (1b) dieses Paares und in umgekehrter Richtung seriell ausliest.

2. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch

• - eine Lichtquelle (2) zur Erzeugung eines Abtastlicht­ strahls (4) zwecks Beleuchtung des oder der optisch abzu­ tastenden Flächenstreifen (11) sowie
• - eine Abbildungsoptik (3) zur Abbildung des oder der op­ tisch abzutastenden Flächenstreifen auf die Einzelelement­ zeilen (1a, 1b).

3. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (1) aus zwei Paaren (1a, 1b; 1c, 1d) von gleichartigen Einzelelementzeilen besteht, wobei durch die Zei­ len eines jeweiligen Paares zueinander parallele Flächenstrei­ fen optisch abtastbar sind und die von Zeilen unterschiedlicher Paare abgetasteten Flächenstreifen einen Winkel (a) größer als 0° und kleiner als 180° einschließen.