DE4429419A1

DE4429419A1 - Verfahren zur Ermittlung des Straßenzustandes einer Fahrbahn und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4429419A1
Application number: DE4429419A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Lindner
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 1996-02-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Straßenzustandes einer Fahrbahn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Allgemein bekannt ist, daß zur Erkennung der Oberflächen beschaffenheit von Straßen, Pisten und Rollfeldern ein Millimeterwellenradar verwendet werden kann. Dabei sind zumindest Aussagen über den Nässegrad sowie die Struktur der Oberfläche möglich.

Aus G. Käs "Radartechnik", ISBN 3-88508-685-9, Aufl. 1981, Seiten 76 bis 79, ist ein vsb-Radar bekannt, welches an einem Fahrzeug montiert ist und aus einer Antenne sowie einem Dopplerradar, einem Verstärker und einem Filter eines Hochfrequenzumsetzers besteht. Der Hochfrequenzum setzer weist zusätzlich einen Pulsformer und einen Lückenfüller auf. Ferner ist der Hochfrequenzumsetzer mit einer Auswerteeinheit verbunden.

Mittels dieses vsb-Radars ist der Straßenzustand einer Fahrbahn zwar sehr grob zu erkennen, die Fehlerrate ist jedoch hoch.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein gat tungsgemäßes Verfahren anzugeben, mittels dem der Straßen zustand einer Fahrbahn sehr genau - also mit einer niedri gen Fehlerrate - bestimmt werden kann, so daß Fahrparame ter, insbesondere Geschwindigkeit sowie ein davon abhängi ger möglicher Bremsvorgang, des Fahrzeugs steuer- oder re gelbar werden. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des zu schaffenden Verfahrens wird durch die kennzeichnen den Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die wei teren Ansprüche 1 bis 4 enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich der zu schaffenden Anordnung wird durch die kennzeichnen den Merkmale des Patentanspruchs 5 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche 6 bis 11 enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des zu schaffenden Verfahrens dadurch gelöst, daß die Antenne einen breiten Abstrahlwinkel a besitzt, daß die Haupt richtung der Sende-/Empfangskeule der Antenne auf die Fahrbahn gerichtet wird und in die Vorwärts-Fahrrichtung des Fahrzeugs weist, daß aus von der Fahrbahn reflek tierten Signalanteilen unter Berücksichtigung der Ge schwindigkeit des Fahrzeugs ein von der Dopplerfrequenz abhängiges Leistungsdichtespektrum gebildet wird, daß in dem Leistungsdichtespektrum eine statische Verteilung des Spektralanteile ermittelt wird, daß die Verteilung vergli chen wird mit entsprechenden Verteilungen bekannter Stra ßenzustände, daß bei dem Vergleich der bekannte Straßenzu stand mit der besten Übereinstimmung der Verteilungen er mittelt wird und daß dieser bekannte Straßenzustand als tatsächlicher Straßenzustand festgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Hinblick auf die zu schaffende Anordnung dadurch gelöst, daß die Antenne unter einem Abstrahlwinkel α gegenüber der Lotrechten zur Fahr bahn angeordnet ist und daß die Antenne mit einer steuer baren Auswertelogik über den Hochfrequenzumsetzer verbun den ist.

Anhand der Zeichnungen wird nachfolgend die Erfindung exemplarisch verdeutlicht, wobei gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren gleiche Bezugselemente bezeichnen.

Es zeigen:

Fig. 1 die Ausbildung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Perso nenkraftwagen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Funktionsschaubild von Meßergebnissen, die mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1 und 2 erzielt werden.

Die Grundidee des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ver fahrens sowie der zugehörigen Anordnung geht von unter schiedlichen spektralen Verteilungsdichten unterschiedli cher Fahrbahnoberflächen über einem Abstrahlwinkel α einer Radarkeule aus.

Fig. 1 zeigt nun die Ausbildung einer bevorzugten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Perso nenkraftwagen 1.

Zu erkennen ist ein Dopplerradarsensor 2, der in einem Fahrzeug 1 eingebaut ist. Der Dopplerradarsensor 2, dessen Funktionsweise anhand der Fig. 2 und 3 noch näher erläu tert wird, ist vorzugsweise als FMCW-Radarsensor ausgebil det, arbeitet im oberen Millimeterwellenlängenbereich, d. h. bei einer Wellenlänge von ungefähr 4 mm, und besitzt eine Reichweite von ungefähr 0,7 m. Die Antenne 21 ist als Sende-/Empfangsantenne mit einem breiten Abstrahlwinkel α, z. B. α ≈ 60°, ausgebildet. Dabei ist die gestrichelt dar gestellte Hauptrichtung der Sende-/Empfangskeule bezüglich der zur Fahrbahn 4 gehörenden Lotrechten 3 geneigt, und zwar mit einem Neigungswinkel β von ungefähr 35°.

Dies bedeutet also, daß die Sende-/Empfangskeule des Dopp lerradarsensors 2 mit dem Abstrahlwinkel α schräg gegen die Fahrbahn 4 gerichtet ist und in die Vorwärts-Fahr richtung (Pfeil) des Fahrzeugs 1 weist. Die Dopplerfre quenz ist dabei proportional zum Geschwindigkeitsvektor, den die Straßenoberfläche zum Dopplerradarsensor 2 bildet. Bei steilem Einfall geht die Dopplerverschiebung gegen Null, bei sehr flachem Einfall ergibt sich die höchste Dopplerfrequenz.

Das Rückstrahlverhalten einer Straßenoberfläche ist dabei von der Radarfrequenz, dem Einfallswinkel, der Struktur und dem Nässezustand abhangig. Bei sehr steilem Einfall wird energiemäßig am meisten zurückreflektiert, insbeson dere bei Nässe. Flach auftreffende Radarwellen greifen an rauher Struktur besser als bei glatt wegspiegelnden Ober flächen.

Insgesamt läßt sich das Leistungsdichtespektrum des Dopp lerradarsensors 2 mit breit öffnender Antenne 21 (Fig. 2) als Merkmalsstruktur für den Straßenzustand verwenden. Nässe wird vor allem durch die tiefen Frequenzanteile cha rakterisiert, die Rauhigkeit ist dabei sekundär. Dagegen ist die Struktur besonders in der Amplitude der hohen Fre quenzen sichtbar. Rauhe Oberflächen geben größere Amplitu den als glatte, Auswaschungen und Pflasterbeläge verursa chen Welligkeiten des Dopplerspektrums. Aus dem Hüllkur venverlauf der Dopplerfrequenzen und der Relation der spektralen Anteile können durch Beurteilungsalgorithmen Straßenzustände gefolgert werden.

All dies ergibt sich aus Überlegungen und Messungen, die sich unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 2 ergeben und in Fig. 3 grafisch dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt dabei ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1. Zu erkennen ist die Antenne 21. Sie ist über einen Hochfrequenzumsetzer 22 mit einer steuerbaren Auswertelo gik 26 verbunden.

Die Auswertelogik 26 ist direkt mit einem Spektrengenera tor 25 des Hochfrequenzumsetzers 22 verbunden. Der Spek trengenerator 25 führt beispielsweise eine schnelle Fouriertransformation mittels eines z. B. im Spektrengene rator integrierten Mikroprozessors 251 durch. Vor den Spektrengenerator 25 ist ein Analog-/Digitalwandler 24 vorgeschaltet. Zwischen der Antenne 21 und dem Analog-/ Digitalwandler 24 sind im Dopplerradarsensor 2 ein Radar 20 und ein ihm folgender Verstärker 23 mit integriertem Filter ausgebildet.

Prinzipiell funktioniert die Anordnung nach Fig. 1 und 2 wie folgt.

Nach Vorverstärkung und Filterung erfolgt eine Wandlung in Digitalsignale. Ein FFT-Prozessor setzt die Dopplersignale in ein Leistungsdichtespektrum um. In der Auswertelogik 26 werden charakteristische Merkmale gewichtet und mit der Fahrzeug-Eigengeschwindigkeit über einem Steuereingang 27 der Auswertelogik 26 normiert. Zusätzlich kann ein Ver gleich des ermittelten Leistungsdichtespektrums mit be kannten Leistungsdichtespektren in der Auswertelogik 25 durchgeführt werden.

Im Ausgang der Auswertelogik 26 können Straßenzustände als Tabelle, analog oder digital zur weiteren Aufbereitung z. B. für ein Bremssystem ausgegeben werden, welches bei Überschreiten von zulässigen Fahrparametern einen Brems vorgang einleitet.

Alternativ hierzu wird bei Überschreiten der Fahrparameter ein optisches und/oder akustisches Signal im Fahrzeug 1 ausgelöst.

Der Dopplerradarsensor 2 arbeitet vorzugsweise im oberen Millimeterwellenbereich. Die Betriebsfrequenz liegt zwi schen in etwa 30 GHz bis 90 GHz, vorzugsweise bei in etwa 35 GHz oder 60 GHz oder 90 GHz.

Dieser Millimeterwellenbereich ist gewählt, um genügende Auflösung der Straßenfeinstruktur zu erreichen und das Eindringen in die Oberfläche zu verhindern.

Durch zusätzliche Modulation (z. B. Pulsmodulation oder FM- CW) kann die Reichweite des Radars begrenzt werden, um Meßfehler durch Mehrfachreflexionen bzw. gegenseitige Stö rungen durch andere Geräte zu unterdrücken.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Straßenzustandes einer Fahrbahn mittels eines an einem Fahrzeug montierten Ra dars, bestehend aus einer Antenne sowie einem Dopplerra dar, einem Verstärker, einem Filter eines Hochfrequenz umsetzers und aus einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Antenne (21) einen breiten Abstrahlwinkel α be sitzt,
- daß die Hauptrichtung der Sende-/Empfangskeule der An tenne (21) auf die Fahrbahn (4) gerichtet wird und in die Vorwärts-Fahrrichtung des Fahrzeugs (1) weist,
- daß aus von der Fahrbahn (4) reflektierten Signalantei len unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (1) ein von der Dopplerfrequenz (f_D) abhängi ges Leistungsdichtespektrum gebildet wird,
- daß in dem Leistungsdichtespektrum eine statische Ver teilung des Spektralanteile ermittelt wird,
- daß die Verteilung verglichen wird mit entsprechenden Verteilungen bekannter Straßenzustände,
- daß bei dem Vergleich der bekannte Straßenzustand mit der besten Übereinstimmung der Verteilungen ermittelt wird und
- daß dieser bekannte Straßenzustand als tatsächlicher Straßenzustand festgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Straßenzustand die für das Fahrzeug zulässigen Fahrparameter ermittelt wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der Fahrparameter ein Bremsvorgang des Fahrzeugs (1) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß ein Überschreiten der Fahrparameter optisch und/oder akustisch im Fahrzeug (1) signalisiert wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermitt lung des Straßenzustands einer Fahrbahn mittels eines an einem Fahrzeug montierten Radars, bestehend aus einer An tenne sowie einem Dopplerradar, einem Verstärker, einem Filter eines Hochfrequenzumsetzers und aus einer Auswerte einheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Antenne (21) unter einem Abstrahlwinkel α ge genüber der Lotrechten zur Fahrbahn (4) angeordnet ist,
- daß die Antenne (21) mit einer steuerbaren Auswertelo gik (26) über den Hochfrequenzumsetzer (22) verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstrahlwinkel α einen Wert in etwa zwischen 1° und 89°, vorzugsweise zwischen 30° und 50°, insbesondere jedoch bei 60°, aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertelogik (26) direkt mit einem Spektrengenerator (25) des Hochfrequenzumsetzers (22) verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektrengenerator (25) eine schnelle Fouriertransfor mation mittels eines Mikroprozessors (251) durchführt.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, daß vor den Spektrengenerator (25) ein Analog-/Digi talwandler (24) vorgeschaltet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfrequenz des Radars (20) zwischen in etwa 30 bis 90 GHz, vorzugsweise bei in etwa 30 GHz oder 60 GHz oder 90 GHz, insbesondere jedoch bei 90 GHz, liegt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Radar (20) zur Begrenzung seiner Reichweite und/oder Unterdrückung von gegenseitigen Stö rungen mehrerer Geräte moduliert ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Radar (20) pulsmoduliert ist oder als FMCW-Radar sensor ausgebildet ist.