DE69132189T2

DE69132189T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermeiden von Fahrzeug-Zusammenstössen

Info

Publication number: DE69132189T2
Application number: DE69132189T
Authority: DE
Inventors: William H Taylor
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2011-01-25
Also published as: EP0473866A3; JP2598347B2; AU658779B2; AU8162791A; US5249157A; IL97339A0; DE69132189D1; CA2049578A1; AU645105B2; ZA916227B; EP0473866B1; GB2248003A; AU5234293A; GB9500386D0; GB2248003B; JPH0612598A; CA2049578C; EP0473866A2; GB9101786D0; IL97339A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen zwischen Fahrzeugen, insbesondere solche zwischen Kraftfahrzeugen.
Kraftfahrzeugunfälle verursachen Jahr für Jahr Tausende von Toten und Verletzten und Millionen an Sachschäden. Zusammenstöße sind die Folge von Unaufmerksamkeit des Fahrers, dessen Unvermögen, Fehlbeurteilungen der Situation durch ihn usw. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Fahrers spielt ebenfalls eine Rolle bei der Feststellung, ob eine Kollision hätte vermieden werden können. Zusammenstöße erfolgen auf unterschiedliche Weise, entweder durch Auffahren auf das Fahrzeugheck, frontal, seitlich und bei einer Vielzahl von Straßen- und Fahrbahnzuständen, wenn beispielsweise zwei Fahrzeuge auf parallelen Fahrbahnen in entgegengesetzter Richtung fahren, wenn zwei Fahrzeuge in der gleichen Richtung auf der gleichen Fahrbahn fahren, um eine Kurve, durch eine Senke oder über eine Kuppe, sowie an Kreuzungen im rechten oder im spitzen Winkel. Zusammenstöße ereignen sich auf wenig befahrenen Landstraßen, stark befahrenen Schnellstraßen oder innerstädtischen Straßen, und bei allen Wetter- und Sichtbedingungen, von gut beleuchteten Schnellstraßen bei klarem Wetter bis zu unbeleuchteten Nebenstraßen bei schlechter Sicht.
Um tatsächlich effektiv zu sein, muß eine Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugzusammenstößen unter allen oben genannten Bedingungen wirksam und zuverlässig arbeiten. Die Vorrichtung muß in der Lage sein, den Ort, die Fahrtrichtung und die Geschwindigkeit jedes anderen am Verkehr teilnehmenden Fahrzeugs zu erkennen und dem Fahrzeugführer oder dem Steuersystem zu signalisieren, falls ein Zusammenstoß droht. Die Vorrichtung sollte außerdem klein und leicht sein und das Äußere des Fahrzeugs nicht beeinträchtigen. Sie sollte selbst bei hoher Verkehrsdichte keine falschen Signale erzeugen, sollte in Gegenwart ähnlich ausgerüsteter Fahrzeuge funktionieren, und sollte nicht die Sicherheit und die Rechte der anderen Fahrzeugführer, der Fußgänger oder der Bewohner der Gegend, in denen ein so ausgerüstetes Fahrzeug fährt, beeinträchtigen.
In US-A-4833468 wird eine Vorrichtung zum Vermeiden von Auffahrunfällen beschrieben, mit der der Abstand zwischen dem Hindernis und dem Fahrzeug festgestellt wird und die mit einem Sensor ausgerüstet ist, der nur auf ein Hindernis vor dem genannten Fahrzeug anspricht und den Abstand als sicher einstuft, wenn das Fahrzeug angehalten werden kann, bevor es das Hindernis berührt. Diese Vorrichtung ist bei Frontalzusammenstößen weder sinnvoll noch für solche geeignet.
Vorrichtungen zur Verkehrskontrolle und zum Vermeiden von Fahrzeug-Zusammenstößen wurden vielfach vorgeschlagen. S. "Taking The Crush Out Of Rush Hour", High Technology Business, März 1989, S. 26-30; und "Laser Ranging Device Keeps Cars Apart", Winfried Arndt, Photonics Spectra, Juli 1990, S. 133.134. In den dort vorgeschlagenen Vorrichtungen werden hauptsächlich Radarsysteme verwendet, die Abstandsinformationen durch Bestimmen des zeitlichen Abstands zwischen dem Aussenden eines Radiofrequenzimpulses und dessen Reflexion von einem entfernten Gegenstand liefern. Einige Radarsysteme können auch die Fahrzeuggeschwindigkeit mit Hilfe des Doppler-Effekts messen. Radarsysteme leiden jedoch unter unzureichendem räumlichen Auflösungsvermögen und erfordern eine hohe Antenne für hohe Auflösung.
So ist zum Beispiel bei 35 GHz eine Antenne von 1188 mm Länge erforderlich, um eine Ein-Grad-Strahlauflösung zu erzielen. Die Verwendung eines Millimeterwellen- Radars von 94 GHz verringert zwar die Antennengröße; 372 mm sind aber immer noch erforderlich. In beiden Fällen ist die Antennengröße für die Verwendung in Kraftfahrzeugen ungeeignet, weil sie deren Äußeres und die Aerodynamik negativ beeinflussen würde.
Während ein Auflösungsvermögen von einem Grad für aeronautische Anwendungen ausreichend sein mag, ist es für eine universelle, effektive und zuverlässige Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugzusammenstößen nicht ausreichend. Solche Vorrichtungen erfordern, wie noch zu sehen sein wird, eine enge Strahlauflösung von etwa ¹/&sub4; eines Grades mit einer hohen Überstreich-Geschwindigkeit von mehr als 300.000/Sekunde über ein Feld von 60º · 6º. Diese Anforderungen können herkömmliche Radarvorrichtungen nicht erfüllen, weshalb sie für diese Anwendung ungeeignet sind.
Es sind auch Laser-Radar-Vorrichtungen bekannt, die das Problem großer Strahlbreite nicht aufweisen, weil sie einen Strahl viel geringerer Wellenlänge erzeugen, in der Größenordung von ca. 1 um. Strahlstreuungen von einigen wenigen Milliradians sind möglich, aber bisher bekannte Laser-Entfernungsmesser weisen sehr hohe, im Bereich von 10 Megawatt oder mehr liegende Spitzenwerte der übertragenen Impulsen auf. Wiederholungsraten von 1-20 Hz können mit Lasern erzielt werden, aber solche Laser müssen in der Regel wassergekühlt werden, um Überhitzung zu vermeiden. Der Energie- und Kühlungsbedarf dieser Laser macht sie für den Einsatz in Fahrzeugen ungeeignet. Darüberhinaus sind Wiederholungsraten im Bereich von mehreren Hunderttausend erforderlich beim Einsatz zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen, das sehr viel höhere Anfor derungen stellt, wie sehr hohe Wiederholungsraten, eine weites Gesichtsfeld und hohe räumliche Auflösung. Ein weiteres Problem bei einigen Laser-Entfernungsmessern besteht darin, daß Laserstrahlen in der Regel für das menschliche Auge nicht ungefährlich sind und zu Verletzungen bei Fußgängern und anderen Verkehrsteilnehmern führen können.
Aus der Luftfahrt sind Vorrichtungen zum Vermeiden von Zusammenstößen auf der Basis von Peilstrahlung bekannt, die mit am Flugzeug angebrachten Sendern und Empfängern arbeiten. Der Sender eines Flugzeugs sendet Daten über Position, Richtung und Geschwindigkeit des Flugzeugs. Ein in der Nähe befindliches Flugzeug empfängt die gesendeten Daten und wertet sie aus, wobei es sie in Bezug zu den eigenen Daten setzt, um so festzustellen, ob Kollisionskurs besteht. Hierbei wird davon ausgegangen, daß bei diesem Peilstrahl-Verfahren beide Flugzeuge mit einem Sender, einem Empfänger und anderen elektronischen Meßgeräten ausgerüstet sind und so Position, Richtung und Geschwindigkeit relativ zu einem in allen Flugzeugen vorhandenen Bezugssystem bestimmen und auswerten können. Die Genauigkeit des Systems hängt ab von der Genauigkeit der übertragenen und auszuwertenden Daten. Für die Anwendung in Kraftfahrzeugen sind Peilstrahl- Systeme aus folgenden Gründen nicht geeignet: (i) das Fehlen des gemeinsamen Bezugssystems; (ii) die Kosten für die Ausrüstung aller Kraftfahrzeuge mit den erforderlichen Geräten; (iii) allgemein negativer Wirkungsgrad im Bezug auf Kraftfahrzeuge, die nicht mit dem Peilstrahl-System ausgerüstet sind.
Zusammenfassend leiden die bekannten Systeme an verschiedenen Nachteilen einschließlich Größe, niedriger Abtastgeschwindigkeit, Gefahr für die Augen, Kosten, usw.
Im Hinblick auf Kraftfahrzeuge wurde auch diskutiert, Steuerungssysteme in Schnellstraßen zu integrieren. Das erfordert die Ausrüstung der Straßen mit elektronischen Leitsystemen, supraleitenden Magneten usw. Es ist überflüssig, zu erwähnen, daß dies mit extrem hohen Entwicklungs- und Baukosten verbunden ist und nur dort realisiert werden könnte, wo beträchtliches Kapital in die Ausstattung des Straßennetzes und der Fahrzeuge investiert wurde.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher eine kompakte Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugzusammenstößen, mit der ein Kraftfahrzeug problemlos ausgestattet werden kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ein Abtast-Entfernungsmesser, der u. a. für die Verwendung in einer Vorrichtung zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugzusammenstößen, die in der Lage ist, zwischen zahlreichen möglichen Kollisionszielen zu unterscheiden und deren Spur zu verfolgen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen, die bei einer Vielzahl unterschiedlicher Straßenzustands- und Wetterbedingungen einsetzbar ist.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Rechner in einer Vorrichtung zur Vermeidung von Fahrzeugzusammenstößen, der unabhängig von der potentiellen Kollisionsgeometrie eine Einzelziel-Analyse durchführt.
Diese und andere Aufgaben werden mit der Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen nach der Erfindung gelöst, die einen auf einem ersten Fahrzeug angebrachten Abtast-Entfernungsmesser zum Bestimmen von Entfernung und Winkel mindestens eines Zielobjekts enthält, wobei der Abtast-Entfernungsmesser einen Übertragungskanal aufweist zum Übertragen eines Abstandsimpulses einschließlich einer gepulsten Strahlungsquelle und Übertragungsspiegeln, wobei die gepulste Strahlungsquelle einen Lichtimpuls auf die Übertragungsspiegel leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsspiegel den genannten Lichtimpuls auf mindestens einen Teil mindestens einer der auf einer rotierenden Abtastscheibe angebrachten Abtastreflektoren richten und der genannte Lichtimpuls von dem genannten Abtastreflektor über einen Streifenspiegel, einen Primärspiegel und einen Bildfeldspiegel auf einen Bildpunkt des abzutastenden Zielobjekts reflektiert wird; und einen Empfangskanal zum Abtasten mindestens eines Entfernungsintervals im Anschluß an die Übertragung des genannten Abstandsimpulses, um so den vom genannten Zielobjekt (Fahrzeug) reflektierten Abstandsimpuls zu erfassen und die Entfernung des Zielobjekts aufgrund der zwischen dem Aussenden des Abstandsimpulses und dem Erfassen des reflektierten Abstandsimpulses verstrichenen Zeit zu bestimmen, wobei der Empfangskanal einen Bildfeldspiegel zum Abtasten einer Szene, einen Primärspiegel zum Fokussieren der Abtastung, einen Streifenspiegel zum Aufnehmen der Abtastung, eine rotierende Abtastscheibe zum Abtasten von Abbildern vom Streifenspiegel mit einer Vielzahl von Abtastreflektoren, eine Sammeloptik zum Aufnehmen des von der rotierenden Abtastscheibe reflektierten Bildes und zum Fokussieren von Abbildern auf eine Detektoreinrichtung aufweist; und einen Rechner zum Verfolgen von Entfernung und Winkel zum Zielobjekt und zum Vorhersagen der Zeit bis zur Kollision mit demselben, und zum Bestimmen der Annäherungsgeschwindigkeit sowie des Abstandes zwischen dem Zielobjekt und dem genannten ersten Fahrzeug; und Vorhersagen des Abstandes zwischen dem Zielobjekt und dem genannten ersten Fahrzeug zum Zeitpunkt der Kollision, wenn sich das erste Fahrzeug dem Zielobjekt auf verschiedenen geometrisch definierten Wegen einschließlich Kurven, Neigungen oder Geraden nähert; und eine Alarmvorrichtung zum Erzeugen eines Wamsignals für den Fall, daß der vorhergesagte Abstand unter einem festgelegten Minimalwert liegt.
Das Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen nach der Erfindung enthält die Zurverfügungstellung eines einem Fahrzeug zugeordneten Abtast-Entfernungsmessers zum Abtasten einer Szene, wobei der genannte Abtast-Entfernungsmesser Bildfeldspiegel, Primärspiegel, Sammeloptiken, eine Detektoreinrichtung und eine Vorrichtung zum Übertragen von Lichtimpulsen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Streifenspiegel und eine rotierende Abtastscheibe mit einer Vielzahl von darauf angebrachten konkaven Reflektoren vorgesehen sind, wobei der Bildfeldspiegel eine lineare Abtastung einer Szene in einer ersten Richtung ausführt, der Primärspiegel die genannte lineare Abtastung auf den Streifenspiegel fokussiert, die Abtastscheiben-Reflektoren das vom Streifenspiegel erhaltene lineare Bild in einer zweiten Richtung abtasten, und die Sammeloptik das abgetastete Bild auf den genannten Detektor fokussiert; daß ein Lichtimpuls auf einen Bildpunkt der Szene gerichtet wird; daß an den genannten Detektor eine Abfrage gerichtet wird in Bezug auf mindestens ein Abstandsinterval im Anschluß an die Übertragung des genannten Impulses, um so den genannten, von einem Zielobjekt in der Szene reflektierten Lichtimpuls zu erfassen; daß die optische Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt Null der Übertragung des Impulses und dem Erfassen des reflektierten Lichtimpulses bestimmt wird; daß der Abstand des Zielobjekts aufgrund der optischen Verschiebung und der Umdrehungsgeschwindigkeit der Abtastscheibe bestimmt wird; daß der Winkel des Zielobjekts anhand der Position des in der Szene abgetasteten Bildpunktes bestimmt wird; daß der Trennungsabstand und der vorhergesagte Trennungsabstand zum Zeitpunkt des Zusammenstoßes des Fahrzeugs mit dem Zielobjekt anhand der Entfernungs- und Winkeldaten bestimmt werden; und daß ein Warnsignal erzeugt wird für den Fall, daß der vorhergesagte Abstand unter einem festgelegten Minimalwert liegt.
Die kompakte Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen nach der Erfindung kann an einem Kraftfahrzeug angebracht werden, ohne dessen Äußeres zu beeinträchtigen, und ist in der Lage, mögliche Kollisionsziele elektro-optisch unter den unterschiedlichsten Straßenzustands- und Wetterbedingungen zu orten und zu verfolgen. Während die vorliegende Erfindung hier insbesondere im Zusammenhang mit der Vermeidung von Kollisionen im Kraftfahrzeugbereich beschrieben wird, kann das elektro-optische System zur Vermeidung von Kollisionen nach der Erfindung auch in anderen Bereichen, gegebenenfalls mit veränderten Werten für das Bildfeld, das Auflösungsvermögen usw. eingesetzt werden.
Entsprechen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen einen elektro-optischen Entfernungsmesser auf, der mit einer hohen Abtastgeschwindigkeit in der Größenordung von 300.000 Pixel/Sek. arbeitet und einer Bildrahmenzahl in der Größenordung von 60 Hz, mit einem weiten Gesichtsfeld zur Identifizierung möglicher Kollisionsziele und der Entfernungs- und Winkeldaten für jedes dieser Ziele liefert. Die Entfernungs- und Winkeldaten werden von einem Computer unter Bezugnahme auf frühere Daten ausgewertet, um potentielle Kollisionsziele zu verfolgen und Geschwindigkeit und Beschleunigung dieser anderen Fahrzeuge zu bestimmen und zu überwachen. Als wichtigstes Merkmal errechnet die Vorrichtung nach der Erfindung die Zeit bis zur Kollision und sagt den seitlichen Abstand oder "Nicht-Kollisions-Abstand" zwischen dem Fahrzeug und jedem potentiellen Kollisionsziel für den jeweiligen Kollisionszeitpunkt voraus. Die Entfernungs- und Winkeldaten werden fortlaufend auf den neuesten Stand gebracht und der daraus errechnete bzw. vorhergesagte Abstandswert ständig neu bestimmt, um so klare Ergebnisse, großer Vorhersagegenauigkeit und wenig falsche Alarme zur garantieren.
Der Entfernungsmesser enthält ein elektro-optisches Abtastsystem, das Lichtimpulse auf alle Bildpunkte im Gesichtsfeld leitet und die zurückkommenden Signale empfängt, um daraus die Entfernungs- und Winkeldaten zu erhalten. Das bevorzugte System enthält einen Bildfeldspiegel, einen Primär- oder Fokussierspiegel, einen Streifenspiegel, eine rotierende Abtastscheibe mit konkaven Reflektoren auf einer ihrer Oberflächen, eine Sammel- und eine Übertragungsoptik zum Fokussieren des abgetasteten Bildes auf eine Detektoreinrichtung. Die Vorrichtung enthält des weiteren eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laser diode, die Lichtimpulse aussendet. Allgemein gesagt empfängt der Scanner Licht von der abzutastenden Szene, und der Bildfeldspiegel tastet die Szene Zeile für Zeile in vertikaler Richtung ab. Das Bild vom Bildfeldspiegel wird vom Primärspiegel auf einen Streifenspiegel fokussiert, von dem mindestens eine Zeile des Bildes gleichzeitig auf die konkaven Reflektoren auf der Abtastscheibe reflektiert wird. Der Streifenspiegel ist kreisbogenförmig angeordnet, wobei der Kreisbogen durch die Brennpunkte der Reflektoren auf der Abtastscheibe definiert ist, so daß die rotierende Abtastscheibe Bildpunkt für Bildpunkt in horizontaler Richtung jede vom Bildfeldspiegel gelieferte Zeile abtastet. Es ist unnötig zu sagen, daß die Abtastscheibe mit hoher Geschwindigkeit rotiert, die beträchtlich höher ist als die Oszillationsgeschwindigkeit des Bildfeldspiegels. Die Abtastgeschwindigkeiten des Bildfeldspiegels und der Abtastscheibe werden vorzugsweise so kombiniert, daß eine Abtastgeschwindigkeit von 60 Zyklen pro Sekunde erreicht wird. Weil der Streifenspiegel im Fokusabstand der konkaven Reflektoren auf der Abtastscheibe angeordnet ist, wird das von den Reflektoren reflektierte Abbild kollimiert. Das kollimierte Abbild wird über einen Relaisspiegel auf eine Detektoranordnung fokussiert, Der Relaisspiegel verlängert die Brennweite des optischen Systems beträchtlich und schafft damit eine definierte, meßbare Ortsveränderung des zurückgeworfenen Lichtpunktes auf der fokalen Ebene des Detektors als Funktion der Drehung der Abtastscheibe während des Zeitintervalls zwischen Senden und Empfangen des Lichtimpulses.
Im Entfernungsmesser der Erfindung sendet die Laserdiode einen Lichtimpuls von kurzer Dauer, beispielsweise 20 Nanosekunden, aus, der von einem Übertragungsspiegel, mindestens einem konkaven Reflektor auf der Abtastscheibe, dem Streifenspiegel, dem Primärspiegel und dem Bildfeldspiegel reflektiert wird, um auf einen Bildpunkt im Gesichtsfeld gelenkt zu werden. Der Abstandsimpuls wird von einem Fahrzeug zurück auf das aussendende Fahrzeug reflektiert. Nach Rückkehr des reflektierten Signals wird der reflektierte Impuls auf die Detektoreinrichtung fokussiert und von dieser erfaßt. Da die Abtastscheibe mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, ist der von der Scheibe zurückgelegte Weg während der Zeit, die der Impuls benötigt, um das Zielfahrzeug zu erreichen, von diesem reflektiert zu werden, und zum Ausgangspunkt zurückzukehren, direkt proportional der Entfernung des Zielfahrzeugs. Der Winkel des Zielfahrzeugs ist bekannt aus der Position des entsprechenden Bildpunktes im abgetasteten Gesichtsfeld, beispielsweise der Zeit spanne zwischen dem Beginn der Rahmenabtastung und dem Abtasten des bestimmten Bildpunktes.
Der optische Entfernungsmesser gibt die Entfernungs- und Winkeldaten in einen Rechner. Dieser verfolgt Entfernung und Winkel aller potentiellen Zielfahrzeuge im Gesichtsfeld und berechnet, basierend auf sequentieller Rahmenabtastung, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Verzögerung jedes Fahrzeugs in Bezug auf Entfernung, Seitenabstand und Höhe. Als wichtigstes Merkmal berechnet der Rechner die Zeit bis zum Zusammenstoß, und sagt anschließend, basierend auf einer Vielzahl von Rahmendaten und der relativen Richtung, Geschwindigkeit und gegebenenfalls Beschleunigung des mit dem Abtaster ausgestatteten Fahrzeugs im Bezug auf das Zielfahrzeug, den Abstand oder "Nicht-Kollisions"-Abstand eines jeden Zielfahrzeugs zum Zeitpunkt des Zusammenstoßes voraus. Vorteilhafterweise und besonders wichtig weist die Vorrichtung Retroreflektoren an allen Zielfahrzeugen auf, die es erlauben, zwischen Zielen und einer Unzahl am Verkehr unbeteiligter Gegenstände oder "Störfaktoren" zu unterscheiden. Das Ausschalten der Störfaktoren durch diese Technik erleichtert die Signalverarbeitung und das Problem von Fehlalarmen ganz außerordentlich. Dieser Bestandteil bedeutet einen weiteren Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung gegenüber herkömmlichen Radareinrichtungen. Ungenauigkeiten werden mit versetzter Überabtastung jeder Bildpunktreihe vermieden, um längere Zeitspannen zum Erfassen eines Rücksignals zu ermöglichen, sowie durch Schwellenfilter und Detektorkompensation. Um die großen, von der Entfernung des Ziels abhängigen Unterschiede in der Stärke der reflektierten Signale zu reduzieren, können Ausgleichsfilter verwendet werden.
Der elektro-optische Entfernungsmesser hat den Vorteil, daß er leicht und kompakt ist und keine sperrigen Antennen bestimmter Form nötig hat. Aus diesem Grund ist der Entfernungsmesser bestens für die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet. Ähnlich kompakt ist auch der Rechner der Vorrichtung, der fahrzeugseitig eingebaut werden kann. Wegen des hohen Reflexionsvermögens der Retroreflektoren nach der Erfindung und des kleinen Operationsfeldes kann eine Laserdiode relativ geringer Energie verwendet werden, um so die Größe und den Energiebedarf der Vorrichtung weiter zu reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit für Fußgänger und Autofahrer zu garantieren. Weiterhin wird die Wellenlänge des Laserstrahls des Entfernungsmesssers so gewählt, daß Funktion oder Genauigkeit der Vorrichtung nicht durch schlechtes Wetter beeinträchtigt werden, und daß keine Gefahr für die Augen von Fußgängern und Autofahrern besteht. Nur als Beispiel, kann die Vorrichtung im sichtbaren, Infrarot- oder nahe dem Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten.
Die Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen nach der Erfindung liefert sehr genaue Informationen über Entfernung und Winkel, welche in sehr genaue Vorhersagen über den Abstand zwischen den Fahrzeuge zum Zeitpunkt der Begegnung übertragen werden können.
Deshalb kann davon ausgegangen werden, daß die Aufgaben der Erfindung gelöst worden sind. Danach wird eine leichte, kompakte Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen zur Verfügung gestellt, die einen elektro-optischen Entfernungsmesser enthält, der einfach in Kraftfahrzeuge eingebaut werden kann ohne Kompromisse in Bezug auf deren Formgebung oder Sicherheit. Tatsächlich kann der Entfernungsmesser unsichtbar unter der Motorhaube hinter dem Frontgrill eines Fahrzeugs eingebaut werden, und der Rechnerteil in der Nähe oder irgendwo anders im Fahrzeug. Weil die gesamte Datenverarbeitung mit kompakter Mikroelektronik abgewickelt werden kann, kann der Rechner auch ohne Schwierigkeiten im Fahrzeug untergebracht werden.
Der in der Beschreibung verwendete Ausdruck "Licht" soll nicht als Beschränkung auf Wellenlängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums verstanden werden, sondern schließt jede geeignete Wellenlänge und/oder Frequenz innerhalb des elektromagnetischen Spektrum ein, die die erforderliche Auflösung liefert. Wellenlängen von 1,5 mm liegen im bevorzugte Bereich: sie gewährleisten die Sicherheit der Augen, während gleichzeitig die Verwendung von Laserdioden in den vom Transmitter geforderten hohen Frequenzen möglich ist. Diese haben ihren Höhepunkt in der Datenübertragung via Faseroptiken, wo noch höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten gefunden werden.
Die Art, wie die Erfindung umgesetzt wird, ist am besten zusammen mit den beigefügten Abbildungen zu verstehen.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen, insbesondere des Abtast-Entfernungmessers;
Fig. 3A ist eine Draufsicht der Geometrie von zwei Fahrzeugen in einer Kurve;
Fig. 3B ist ein Aufriß von zwei Fahrzeugen auf einer hügeligen Straße;
Fig. 4A ist eine Draufsicht der Geometrie von zwei Fahrzeugen, die sich auf einer geraden Straße entgegenkommen;
Fig. 4B ist ein Aufriß der Geometrie von zwei Fahrzeugen, die sich auf einer geraden Straße entgegenkommen;
Fig. 4C ist eine perspektivische Darstellung eines Würfelecken-Retroreflektors.
Fig. 5 ist eine Draufsicht eines möglichen Feldes von Zielfahrzeugen auf einer Schnellstraße.
Fig. 6 ist eine Draufsicht der Geometrie einer Kollisions-gefährdeten Situation auf einer kurvigen Straße;
Fig. 7A-7C sind graphische Darstellungen einer möglichen Ablauffolge der in Fig. 6 dargestellten Situation;
Fig. 8 ist eine Draufsicht einer rotierenden Abtastscheibe;
Fig. 9A ist eine Teilansicht des Entfernungsmessers nach der Erfindung, die die optische Konfiguration des Empfangskanals zeigt;
Fig. 9B ist eine Querschnitt-Teilansicht der in Fig. 9A gezeigten Abtastoptik entlang der Linie 9B-9B;
Fig. 9C ist ein Aufriß des Entfernungsmessers nach der Erfindung, der die bevorzugte Ausführungsform der optischen Konfiguration des Übertragungs- und Empfangskanals zeigt;
Fig. 9D ist eine Querschnitt-Teilansicht der in Fig. 9C gezeigten Abtastoptik entlang der Linie 9D-9D;
Fig. 9E ist eine Teildraufsicht der linearen Detektor-Anordnung;
Fig. 1 OA-10C sind Aufrisse zu verschiedenen Zeitpunkten, die die Arbeitsweise des Entfernungsmessers nach der Erfindung illustrieren;
Fig. 11 ist eine Draufsicht einer Detektor-Schaltungsanordnung;
Fig. 12A ist eine Draufsicht einer ersten Entfernungsmesser-Anordnung;
Fig. 12B und 12C sind Draufsichten einer zweiten Entfernungsmesser-Anordnung mit versetzter Überabtastung, die das erste und zweite Überstreichen einer Reihe während der versetzten Überabtastung illustrieren;
Fig. 12D ist eine graphische Darstellung des Bildfeldspiegel-Musters im ersten und zweiten Abtastmuster;
Fig. 13 ist eine Teilansicht einer linearen Detektor-Anordnung, die das Ingangsetzen der Anordnung durch die Zeit Null und reflektierte Lichtimpulse darstellt;
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung, die die relative Intensität des reflektierten Lichtimpulses als Funktion der Entfernung des Ziels darstellt;
Fig. 15 ist eine Draufsicht, die zwei auf geraden Straßen im stumpfen Winkel aufeinander zufahrende Fahrzeuge zeigt.
Die Vorrichtung zum Vermeiden von Fahrzeugkollisionen 10 enthält einen Abtast- Entfernungsmesser 12, einen Entfernungs-Decoder 14 und einen System-Rechner 16, verbunden mit einer Fahrzeug-Kontrolleinheit 18, die ihrerseits mit einem Stellglied für die Bremse 20 und die Steuerung 22 verbunden ist bzw. diese steuern kann, und einem Display 24 auf dem Armaturenbrett. Von einem Geschwindigkeits-Sensor 26 erhält der Rechner 16 auch Daten über die Geschwindigkeit des zweiten Fahrzeugs. Der Abtast-Entfernungsmesser 12 hat einen Empfangskanal mit einem Bildfeldspiegel 28, einem Primärspiegel 30, einem Streifenspiegel 32, einer Abtastscheibe 34, einer Sammeloptik 36, einem Relaisspiegel 38 und einer Detektor-Anordnung 40. Der Entfernungsmesser weist ebenfalls einen Übertragungskanal auf, der das zuvor beschriebene optische System auch benutzt, der aber zusätzlich einen Impuls-Transmitter 42 enthält und einen Übertragungsspiegel 44, der das vom Transmitter ausgesandte Licht kollimiert.
Der Abtaster arbeitet wie folgt: Die Szene wird in einer Richtung vom Bildfeldspiegel 28 abgetastet, wobei der Primärspiegel 30 jeweils eine abgetastete Zeile auf den Streifenspiegel fokussiert. Die rotierende Abtastscheibe 34 weist eine Vielzahl von konkaven Reflektoren 46 auf, die im Kreis angeordnet sind, um das lineare Bild vom Streifenspiegel Pixel für Pixel abzutasten. Die Sammeloptik 36 fokussiert das abgetastete Bild über die Relaisoptik 38 auf die lineare Detektor-Anordung 40. Die vom Transmitter 42 übertragenen Abtast-Lichtimpulse werden vom Übertragungsspiegel 44 auf die konkaven Reflektoren auf der Abtastscheibe, den Streifenspiegel, der Primärspiegel und den Bildfeldspiegel und schließlich auf die abzutastende Szene reflektiert. Die Entfernungsmessung erfolgt durch Aktivieren des Strahlungsquelle, so daß diese einen Lichtimpuls kurzer Dauer über das optische System auf den entsprechenden Bildpunkt innerhalb des Bildfeldes sendet. Die Zeitspanne von Zeitpunkt Null, dem Aussenden des Impulses, bis zum Erfassen des reflektierten Signals wird bestimmt von dem auf der linearen Detektoranordnung aktivierten Element - je länger die Zeitspanne, desto weiter entlang der Detektor-Anordnung wird der Lichtpunkt auftreffen. Der Entfernungs-Decoder identifiziert das Ziel und bestimmt dessen Entfernung und Winkel sowohl in seitlicher als auch in vertikale Richtung und überträgt die Daten auf den Rechner 16 der Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen. Der Rechner identifiziert und verfolgt eine Anzahl von Zielen und errechnet die Veränderung der Entfernung und des Winkels jedes Zielobjekts, d. h. dessen Geschwindigkeit, sowie die Veränderung der Veränderungen, d. h. Beschleunigung und Verzögerung, und die Zeit bis zur Begegnung. Aufgrund dieser Informationen sagt der Rechner 16 den Trennungsabstand zum Zeitpunkt der Begegnung voraus und sendet, falls erforderlich, ein Warnsignal und/oder Anweisungen zum Vermeiden einer Kollision an die Fahrzeugkontrollvorrichtung, so daß entsprechende Manöver eingeleitet werden können.
In Abb. 1, in der ein Block-Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen dargestellt ist, tastet der Abtast-Entfernungsmesser 12 eine Szene ab, vorzugsweise im Gesichtsfeld von 60º · 6º, und liefert Entfernungs- und Winkeldaten für jeden 0.25º · 0.25º Bildpunkt innerhalb der Szene. Der Entfernungs-Decoder 14 formatiert die Daten neu, wählt geeignete Ziele für deren Verfolgung, und gibt die Ziele in den Zielverfolger ein. Der Rechner 16 verfolgt bis zu N Ziele gleichzeitig, berechnet Winkel- und Entfernungsveränderungen und die Geschwindigkeiten dieser Veränderungen, und berechnet den zum Zeitpunkt der Begegnung zu erwartenden Trennungsabstand. Der Rechner liefert auch Befehle an die Fahrzeug-Kontrolleinrichtung 18, um Kollisionswarnung und- /oder -vermeidung auszulösen.
Der Aufbau einer vorzugsweisen Ausführung nach der Erfindung basiert auf einer Anzahl vernünftiger Annahmen und Schätzungen, deren Erklärung es erleichtert, die Erfindung zu verstehen.
Wie bereits gesagt, muß die Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen so arbeiten, daß mit ihrer Hilfe eine Vielzahl unterschiedlicher Zusammenstöße vermieden wird, wie beispielsweise Auffahr- und Frontalzusammenstöße auf geraden, kurvenreichen und hügeligen Straßen. In den Abb. 3A-3B und 4A und 4B sind solche Situationen dargestellt.
Abb. 3A zeigt zwei Fahrzeuge auf einer kurvigen Straße und Abb. 3B zeigt zwei Fahrzeuge auf einer hügeligen Straße. Abb. 4A zeigt zwei Fahrzeuge, die auf einer geraden Straße in entgegengesetzter Richtung fahren, und Abb. 4B zeigt die vertikale Ansicht von zwei Fahrzeugen, die sich aufeinander zu bewegen, einmal in entfernter und einmal in naher Position.
Allgemein gesagt, muß in einer Auffahr-Situation auf einer geraden, ebenen Straße der Sensorstrahl nur gerade nach vorne, entlang einer parallel zur Längsachse des Fahrzeugs gerichteten Linie ausgerichtet sein und die Entfernung zum anderen Fahrzeug messen. Wie in den Abb. 3A und 3B dargestellt, ist jedoch ein solch einfaches System auf einer kurvigen oder hügeligen Straße ungeeignet. Um die Situationen auf solchen kurvenreichen Straßen zu beherrschen, ist es erforderlich, den vom Abtaststrahl erfaßten Bereich zu verbreitern. Nach den Abb. 3A und 3B wird vorgeschlagen, daß für die Situation auf einer kurvigen Straße ein breiter horizontaler Abtaststrahl erforderlich ist, während für die Situation auf einer hügeligen Straße ein viel schmalerer Abtaststrahl in vertikaler Richtung ausreicht. Die Reduzierung der Breite des Abtaststrahls in mindestens einer Richtung ist wünschenswert, um Störfaktoren und Probleme bei der Signalverarbeitung zu vermeiden. In der Situation auf einer kurvigen Straße wird das horizontale Gesichtsfeld vom Kurvenradius rc und vom geringsten Zielabstand bestimmt. In der in Abb. 4A dargestellten Situation auf einer geraden Straße und kurzem Abstand, beispielsweise Fahrzeug B in Position 2, ist der horizontale Winkel α&sub2; bei der Entfernung d&sub2; größer als der horizontale Winkel α&sub2; bei einer größeren Entfernung d&sub1;. In ähnlicher Weise wird das durch den Winkel β&sub2; definierte vertikale Gesichtsfeld durch die Neigung der Straße bestimmt, wie in Abb. 3B gezeigt, sowie den geringsten Abstand in vertikaler Richtung. Wie in Abb. 4B gezeigt, ist in der entfernten Position 1 der Winkel β&sub1; relativ groß und Fahrzeug B wird voll vom Abtaststrahl erfaßt, während in Position 2 der Winkel β&sub2; viel kleiner ist und Fahrzeug B nur teilweise vom Abtaststrahl erfaßt wird. Eine vollständigere Erfassung in Position 2 wird durch Verbreitern des Abtaststrahls in vertikaler Richtung erreicht.
Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Vorrichtung im kurzen Entfernungsbereich zuverlässig arbeitet, da sich Kollisionen plötzlich in Bruchteilen von Sekunden ergeben können. So kann beispielsweise ein Fahrzeug aus seiner Fahrbahn ausscheren und auf die Gegenfahrbahn und in den Weg des Fahrzeugs auf der Gegenfahrbahn geraten. Bewegen sich die Fahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung, bleibt wenig Zeit zum Reagieren. Wie aus dem oben beschriebenen ersichtlich, kann die Wirksamkeit im sehr nahen Bereich gleichgesetzt werden mit einem breiten Gesichtsfeld des Sensors.
Für die gegenständliche Besprechung kann ein typisches Gesichtsfeld basierend auf den oben beschriebenen Parametern und Betrachtungen definiert werden. Befindet sich, wie zum Beispiel in der in Abb. 3A beschriebenen Situation auf einer Schnellstraße, Fahrzeug B im Stillstand und Fahrzeug A fährt mit 24,5 m/Sek., was 90 Km/h entspricht, um eine Kurve mit einem Radius, rc, von 76,25 m, so wird die zurückgelegte Strecke, S. definiert durch die Gleichung 1:
S - Vt (1)
wobei V = Geschwindigkeit und t = Zeit ist. Der Winkel im Zentrum der Kurve wird durch die Gleichung 2 definiert:
= S/rc = Vt/rc (2)
Der Halbwinkel α des Sensor-Gewichtsfeldes ist
α = /2 (3)
Ersetzt man aus Gleichung 2 durch
α = 1/2 Vt/rc (4)
Die zeitbezogene Veränderung von α, mit α' bezeichnet, ist
α' = 1/2 V/r (5)
Unter den beschriebenen Bedingungen beträgt die Zeit zum Anhalten des Fahrzeugs ca. 3 Sekunden gerechnet vom Betätigen der Bremsen. Deshalb ist die maximale Vorgabezeitänderung von α, als α' bezeichnet,
α'm = Δa/t = 1/2 80/250 = 0.16 rad/Sek. (6)
und der gemittelte Wert für α', α'ave, ist die Hälfte von α'm, oder 1/2 · 0.16 = 0.08 rad/Sek., und
Δα = α'ave · Δt (7)
=(0.08 rad/Sek.) · 3 Sek.
=0.24 rad/Sek.
= 13.75º
Das ist der Halbfeld-Winkel des Sensors, der erforderlich ist, um das auf der Fahrbahn stillstehende Fahrzeug B früh genug zu erkennen und die zum Vermeiden einer Kollision erforderlichen Schritte einzuleiten.
Fahren zwei Fahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise 27,5 m/sec. oder 96 Km/h, aufeinander zu (s. Abb. 4A), beträgt die Annäherungsgeschwindigkeit 55 m/Sek. Nimmt man eine kurze, akzeptable Reaktionszeit von 0.2 Sekunden an, um auszuweichen, und ferner, den Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Fahrzeuge, W, mit 3 m, ergibt sich
α&sub2; = W/d&sub2; = 10/(180 · 0.2) = 0.28 (8)
Ist eine Reaktionszeit von 0.1 Sek. ausreichend, dann ist α gleich 0.56 rad oder 32º. Aufgrund des oben beschriebenen scheint ein annehmbarer Wert für den Sensor-Halbwinkel in der Größenordnung von 0.25-0.50 rad oder 15º-30º zu liegen, mit einem vollen Gesichtsfeld in der Größenordnung von 30º bis 60º. In vertikalenr Richtung ergibt eine ähnliche Auswertung ein Gesichtsfeld von zwischen 5º und 10º. Für die weitere Beschreibung wird ein Gesichtsfeld von 60º · 6º angenommen, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Feldabdeckung und Datenrate zu erzielen. Es muß gesagt werden, daß diese Werte nur der Darstellung und Erklärung dienen, und daß ein anderes Gesichtsfeld ausreichend oder besser geeignet sein kann, je nach den gegebenen Umständen.
Beide Fahrzeuge, die wichtigstens Objekte der Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen, befinden sich im Gesichtsfeld des Sensors, ebenso wie viele "falsche" Zielobjekte, wie z. B. Landschaft usw. Ein geeigneter Weg, um zwischen diesen beiden zu unterscheiden, besteht darin, alle Fahrzeuge mit einer Vorrichtung zu versehen, die sie als mögliche Objekte zur Vermeidung von Kollisionen kennzeichnen. Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt dies durch den Einbau von Retroreflektoren in die Front-, Heck, Park- und Seitenmarkierungsbeleuchtungssysteme aller Fahrzeuge. Diese Retroreflektoren reflektieren ausgesandte Strahlen mit hohem Reflexions-Wirkungsgrad auf den Sensor, so daß der am Fahrzeug angebrachte Reflektor sehr hell erscheint. Im Vergleich dazu erscheinen Hintergrund-Reflexionen von der Umgebung sehr schwach, d. h., als schwach beleuchtete Ziele, und solche falschen Signale können einfach ausgegrenzt werden durch Einstellen des Schwellenwertes am Empfänger auf einen entsprechenden Wert, der über diesen schwachen Reflexionswerten liegt, aber deutlich unter den hellen Reflexionen vom Zielobjekt, was nachstehend noch genau erklärt wird. Es wird erwogen, ob an Kraftfahrzeugen bereits existierende Reflektoren nicht ein ausreichendes Reflexionsvermögen aufweisen, um als Retroreflektoren im Sinne der vorliegenden Erfindung zu gelten. Es wird allerdings auch erwogen, daß es erforderlich bzw. wünschenswert wäre, die Fahrzeuge mit Retroreflektoren mit höherem Reflexionsvermögen auszustatten, wie beispielsweise einem Würfelecken-Reflektor oder einer Serie von kleinen Würfelecken-Reflektoren. In Abb. 4C ist ein Würfelecken-Reflektor 48 dargestellt mit drei senkrechten ebenen Flächen 50, die so angeordnet sind, daß sie eine Ecke 52 bilden und so ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Es können auch eine Vielzahl von Mini-Würfelecken-Reflektoren des in Fig. 4C dargestellten Typs nebeneinander angeordnet werden, um einen hochwirksamen 180º- Retroreflektor zu bilden. Es wird ebenfalls erwogen, ob nicht auch mit retroreflektierender Farbe versehene Streifen ausreichend wären.
Eine weitere Anforderung an die Vorrichtung ist, daß sie in der Lage sein muß, zwischen allen im Gesichtsfeld erscheinenden Zielen zu unterscheiden. Dieser Parameter ist eine Funktion des räumlichen Auflösungsvermögens der Sensorvorrichtung. In Abb. 5 ist ein typisches Zielfeld einer mehrspurigen Schnellstraße dargestellt. Die Unterscheidung zwischen den Zielfahrzeugen ist eine Funktion der Winkelauflösung, die ihrerseits abhängig ist von den Entfernungen, die von der Vorrichtung erfaßt werden können. Wie schon ausgeführt, ist die Entfernung, die von der Vorrichtung erfaßt werden kann, eine Funktion der Zeit, die erforderlich ist, um die Geschwindigkeit, die auf Fernstraßen gefahren wird, zu verringern, z. B. 3 Sekunden. Addiert man einige Sekunden zu dieser minimalen Reaktionszeit für die Zeit, die notwendig ist, Ziele zu erkennen und zu verfolgen, und nimmt man eine Annäherungsgeschwindigkeit von 55 m/Sek. an, so ist die Strecke bis zum Erreichen des Zieles etwa 6 Sekunden · 55 m, oder 330 m. Für ein Fahrzeug von 1,70 Breite beträgt die zur Unterscheidung zwischen Fahrzeugen in einer Entfernung, R, von 330 m erforderliche Winkelauflösung
D = W/R (9)
= 1.70/330
= 5.2 mrad
Das sind ungefährt 30º. Zur weiteren Sicherheit und um eine klare Trennung zu erlauben, sind 25º ein sinnvoller, hypothetischer Wert für die Winkelauflösung Δ bei den weiteren Berechnungen.
Aufgrund der vorangehenden sinnvollen Annahmen und Schätzungen sollte die Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen einen Gesichtsfeld-Halbwinkel von etwa 30º in horizontaler Richtung mit einer Winkelauflösung von 0.25º aufweisen.
Um eine dreidimensionale Karte des Zielraumes herzustellen, muß man die Entfernungsdaten jedes in Betracht kommenden Zielobjekts innerhalb des Gesichtsfeldes relativ zum Sensor kennen. Die Zahl der Auflösungszellen innerhalb des Halbfeldes beträgt
(30º · 6º)/0.25º = 2880
Für jede Auflösungszelle gibt es eine potentielle Entfernung, und alle Entfernungswerte ergeben einen Informations-Rahmen. Die Genauigkeit der Entfernung wird wie folgt ermittelt. Bezugnehmend auf Abb. 4A entspricht die Entfernung, W, zwischen den Fahrzeugen "A" und "B"
W = R sinα (10)
Die Lösung der Entfernung bestimmt die Lösung des Abstands. D. h. die Unsicherheit im Bezug auf die Entfernung, ausgedrückt als ΔR, bestimmt die Unsicherheit im Bezug auf den Trennungsabstand, ΔW, wie folgt:
ΔW = ΔR sinα (11)
ΔR α
Beträgt die maximal annehmbare Unsicherheit im Bezug auf den Trennungsabstand 0.75 m, wie unter den meisten Bedingungen, dann ist
ΔRmax = ΔWmax/α (12)
= 0.75 m/0.25 rad
= 3.05 m
3.05 m wären so die maximal zulässige Unsicherheit in Bezug auf den Trennungsabstand. Unter den meisten Bedingungen wäre die tatsächliche Unsicherheit wesentlich geringer. Zum Beispiel ist bei einer Entfernung von 30,5 m und einem nominalen Trennungsabstand W von 3.05 m, α = 0.1 und ΔW = 3.05 m · 0.1 = 0,305 m. In der weiteren Beschreibung wird von einer Entfernungsauflösung von 3.05 m ausgegangen.
Der Trennungsabstand und insbesondere der vorhergesagte Trennungsabstand zum Zeitpunkt der Begegnung ist der kritische Parameter zum Vermeiden von Kollisionen. Der Trennungsabstand wird bestimmt durch Entfernungs- und Winkelinformationen. Wie nachstehend gezeigt, ändern sich Entfernung und Trennungsabstand unter bestimmten Bedingungen sehr schnell, weshalb es wichtig ist, daß die Vorrichtung ständig Informationen zu diesen Variablen erhält und sie auf den neuesten Stand bringt.
In Abb. 6 sind die Veränderungen der Entfernung und des Winkels dargestellt im Bezug auf zwei Positionen der beiden Fahrzeuge A und B, die in entgegengesetzter Richtung auf ihnen zugeordneten Fahrbahnen durch eine Kurve fahren. Wendet man das Cosinus-Gesetz auf die in Abb. 6 dargestellte Geometrie an, so ergibt sich der Abstand zwischen den Fahrzeugen aus
worin ra und rb die Radien der Straßenkurve für die Fahrzeuge A und B sind, o ist der Winkel, der die beiden Fahrzeuge in der Position 1 voneinander trennt, Va und Vb sind die Geschwindigkeiten der Fahrzeuge A und B und t ist die Zeit, die zwischen einer Position 1 und einer neuen Position, beispielsweise Position 2, verstrichen ist. Der Winkel α ist gegeben durch
α = sin&supmin;¹[(rb² - R² - ra²)/(-2ra R)] (14)
worin R zunächst aus Gleichung (13) ermittelt wird. Der Trennungsabstand kann dann nach der Gleichung (10) errechnet werden, z. B. W = R sinct. Angenommen ra = 79,5 m, rb = 73,5 m, Va und Vb 27,5 m/Sek., und o = 1.5 rad oder ca. 90º, dann sind die typischen Werte für die Entfernung R, den Winkel α und den Trennungsabstand W als Funktion der Zeit t in der Tabelle I aufgelistet und in den Abb. 7A bis 7C dargestellt. Die Fahrzeuge fahren in einem Abstand von 6.10 m aneinander vorbei. TABELLE I
Die vorstehenden Daten und graphischen Darstellungen zeigen, daß ein komplettes Szenario zum Vermeiden einer Kollision sehr kurz sein kann und sich in einem Zeitraum von weniger als 2 Sekunden abspielt. Bei der vorstehenden Darstellung wird von einem Gesichtsfeld von 60º für den Sensor ausgegangen. Das oben genannte Beispiel ist eine ernster, gleichzeitig jedoch häufiger Fall und ein starkes Argument für ein volles Gesichtsfeld von 60º. Tatsächlich wäre in diesem Ernstfall der erste Wert mit einer Vorrichtung mit einem Gesichtsfeld von nur 30º nicht ermittelt worden.
Des weiteren ergibt sich aus dem oben beschriebenen Beispiel, daß die Vorrichtung im Zeitraum von weniger als 2 Sekunden die Daten des Zielobjekts sammeln und verarbeiten und ein Warn- oder Kontrollsignal an den Fahrzeugführer und/oder die Steuer- und Bremsanlage geben muß, um ein Ausweichmanöver auszuführen. In der Tat muß so schnell wie möglich, und noch bevor die kurze Zeitspanne verstrichen ist, ein Warnsignal ausgegeben oder ein Ausweichmanöver eingeleitet werden.
Daher muß in der Zeitspanne von der Erfassung des Zielobjekts bis zur Begegnung die Vorrichtung ständig das Gesichtsfeld prüfen und alle Zielobjekte verfolgen, bis sie entweder aus dem Gesichtsfeld verschwinden oder vom Rechner als mögliche Kollisionsziele ausgesondert werden. Nähert sich ein vorbeifahrendes Zielfahrzeug dem für eine Begegnung errechneten Zeitpunkt, so muß die Vorrichtung dessen Entfernungs- und Winkeldaten auswerten, um entscheiden zu können, ob ein Zusammenstoß droht. Diese gleichzeitigen Anforderungen machen es notwendig, daß die von den entgegenkommenden Fahrzeugen erfaßten Entfernungs- und Winkeldaten mit hoher Geschwindigkeit erfaßt und schnell auf den neuesten Stand gebracht werden. Schnelles Erfassen und auf den neuesten Stand bringen ist besonders wichtig, wenn sich ein Zielfahrzeug von vorne nähert. In einem solchen Fall weicht der Weg des Zielfahrzeugs nur unwesentlich vom normalen Weg ab und diese leichte Abweichung, die zu einem Zusammenstoß führen könnte, kann nur wenige Zehntelsekunden vor dem Zeitpunkt der kollisionsfreien Begegnung erfolgen.
Daher ist die Notwendigkeit, den Trennungsabstand zum Zeitpunkt der Begegnung vorhersagen zu können, kritisch, weil ausreichnd Zeit bleiben muß, damit das automatische System reagieren und den Zusammenstoß vermeiden kann. Um vorhersagen zu können, ob ein ausreichender Abstand zum Zeitpunkt der Begegnung gewährleistet ist, müssen sowohl die Daten in Bezug auf Position und Entfernung des Zielfahrzeugs als auch deren zeitbezogene Veränderungen gesammelt werden. Weiterhin werden auch wieder die zeitbezogenen Veränderungen der Veränderungen benötigt, um die Beschleunigung zu bestimmen. Das bedeutet, daß mindestens zwei Datenrahmen benötigt werden; um die Daten der Veränderungen im Bezug auf den Winkel α und die Entfernung R zu sammeln, und mindestens drei Datenrahmen zum Bestimmen der Veränderung der Veränderung. Eine Vielzahl von Datensätzen wird bevorzugt, um die Fehlalarmquote niedrig zu halten und die Genauigkeit durch Mittelung der Daten zu vergrößern.
Mit den oben beschriebenen Anforderungen könnte eine Rahmengeschwindigkeit von etwa 10 Rahmen pro Sekunde ausreichen, aber tatsächlich sind höhere Rahmengeschwindigkeiten wünschenswert, wie die folgende Diskussion zeigt. Angenommen, zwei Fahrzeuge nähern sich mit einer Geschwindigkeit von 55 m/Sek., d. h. jedes Auto fährt mit 96 Km/h auf das andere zu, so beträgt der Abstand zwischen den Fahrzeugen bei 0.3 Sekunden bis zur Begegnung 15 m. Diese Abstand entspricht etwa drei Fahrzeuglängen. Danach besteht für Fahrzeuge, die auf einer relativ schmalen Straße mit einem nominellen Abstand von weniger als 1 m fahren, immer noch die Möglichkeit eines Frontalzusammenstoßes 0.3 Sekunden vor der Begegnung. Rechnet man 0.1 Sekunde für ein Ausweichmanöver, beispielsweise einen Steuerimpuls zum Ausweichen, bleiben nur 0.2 Sekunden zum Sammeln und Auswerten der Daten. Geht man ferner davon aus, daß für einen Mittelwert zwei Datensätze erforderlich sind, und jeder Satz drei Teilsätze von Entfernungs- und Winkeldaten enthält zum Bestimmen der Veränderungen der Entfernung und des Winkels und deren Veränderung, dann müssen sechs Datensätze in 0.2 Sekunden gesammelt und ausgewertet werden, was einer Rahmengeschwindigkeit von 30 Rahmen pro Sekunde entspricht. Es wäre weiterhin sehr wünschenswert, über einen Bestätigungsrahmen zu verfügen zum Aussondern von falschen Signalen, was eine Rahmengeschwindigkeit von 60 Rahmen pro Sekunde ergeben würde.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß eine nahezu ideale Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen die in Tabelle II aufgeführten Parameter haben sollte: TABELLE II
Die in Tabelle II angegebenen Vorrichtungs-Parameter ergeben einen Bildfeldrahmen mit 240 Elementen in der Horizontalen, z. B. 60 : 0.25, und 24 Elementen in der Vertikalen, z. B. 6 : 0.25. Die Gesamtzahl der Elemente oder "Pixel" pro Rahmen beträgt 5760, d. h.. 24 · 240, und die Abtastgeschwindigkeit beträgt 5760 : 1/60 oder 345.000 Pixel pro Sekunde. Geht man für den Augenblick von einem 100%igen Abtast-Wirkungsgrad aus, so beträgt die Zeitspanne zwischen Beginn und Ende der Abtastung 1/345.000 oder 2.8 · 10&supmin;&sup6; Sekunden.
Die Anforderungen an das Gesichtsfeld, die Winkelauflösung und den Bildfeldwechsel können mit dem optischen Hochgeschwindigkeits-Abtaster, wie er in US-A- 4538181 beschrieben ist und beansprucht wird, erfüllt werden. Ein solcher Abtaster wird in der Regel zum Auffangen der von einer Szene ausgehenden Strahlung, wie beispielsweise Infrarotstrahlung zum Liefern eines Wärmebildes, auch bekannt als "Forward Looking Infrared" (FLIR), verwendet, oder in einem Schreibmodus unter Verwendung eines Laserstrahls. Die vorliegenden Anforderungen sind jedoch für einen Hochgeschwindigkeits-Entfernungsmesser.
Der in US-A-4538181 beschriebene Abtaster weist eine mit hoher Geschwindigkeit rotierende Abtastscheibe mit darin eingebetteten Reflektoren auf, um ein horizontales Bildsegment abzutasten. Bei den Reflektoren handelt es sich vorzugsweise um sphärische Reflektoren, die kreisförmig und in einem bestimmten Abstand vom Mittelpunkt der Abtastscheibe angeordnet sind. Jeder Reflektor hat einen Brennpunkt auf einer Linie senkrecht zur Scheibenoberfläche in einem Abstand, der der Brennweite des Reflektors entspricht.
In den Abb. 2, 9A-9D und 10 ist die optische Abtast-Konfiguration eines mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden, elektro-optischen Abtast-Entfernungsmessers entsprechend der Erfindung dargestellt. Zu jedem Zeitpunkt wird das horizontale Segment des Gesichtsfeldes über den Rahmenspiegel 28 und den Primärspiegel 30 auf dem Bandspiegel 32 abgebildet. Das horizontale Segment wird Pixel für Pixel in vertikaler Richtung von der rotierenden Scheibe 34, deren Konkav-Reflektoren 46 in einem bestimmten Abstand vom Bandspiegel angeordnet sind, abgetastet. Die Konkav-Reflektoren 46 auf der Abtastscheibe sind sphärische oder asphärische Reflektoren, die in einem ihrer Brennweite entsprechenden Abstand vom Bandspiegel angeordnet sind, um so einen, jedem einzelnen der von den Reflektoren abgetasteten Pixels entsprechenden kollimierten Lichtstrahl zu liefern. Der vom Konkav-Reflektor ausgehende, kollimierte Strahl wird auf einen stationären Sammelspiegel 36 mit großer Öffnung gerichtet, der den kollimierten Strahl in einem einzigen Brennpunkt fokussiert. Die Abmessung des Detektors definiert die Abmessung des Pixels. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird der optische Relaisspiegel 38 zusätzlich in die Vorrichtung eingebaut, um deren Brennweite zu vergrößern. Der Relaisspiegel 38 reflektiert und fokussiert ein vergrößertes Abbild auf die in einiger Entfernung angebrachte lineare Detektor-Anordnung 40. Abb. 9B ist eine Querschnitt-Teilansicht des Abtasters entsprechend Abb. 9A entlang der Linie 9B-9B und zeigt die relative Position von Abtastscheibe, Bandspiegel und Fokussier-Spiegel.
Die Abb. 9C und 9D zeigen den optischen Übertragungskanal als integralen Bestandteil der gleichen Baueinheit. Wie in Abb. 9C gezeigt, sendet die Strahlungsquelle 42, beispielsweise eine Laserdiode, Strahlung unter einem konstanten Winkel θβ auf die Übertragungsoptik 44. Die Laserdiode ist in einem Abstand von der Übertragungsoptik angebracht, der der Brennweite ft der Übertragungsoptik 44 entspricht, so daß das von der Diode ausgehende Licht von der Sammel-/Übertragungsoptik als kollimierter Strahl auf einen Bereich von Reflektor 46 auf der Abtastscheibe reflektiert wird. In umgekehrter Folge wird anschließend der Impuls von der Laserdiode auf den Bandspiegel 32 fokussiert, der das Abbild auf den Primärspiegel 30 und den Bildrahmenspiegel 28 reflektiert, um so einen Entfernungsmeßstrahl zu liefern, der in das Gesichtsfeld übertragen wird. Der übertragene ebenso wie der empfangene Strahl sind in kollimierter Form dargestellt, weil Licht von einem entfernten Objekt, z. B. mehr als ein paar Meter, richtig nur in kollimierter Form dargestellt werden kann. Abb. 9D ist eine Querschnitt-Teilansicht der Übertragungsoptik entsprechend Abb. 9C entlang der Linie 9D-9D und zeigt die Laserdiode-Strahlungsquelle 42, die Übertragungs- und Empfangsoptiken 44 und 36, die Abtastscheibe 34, den Bandspiegel 32 und den Primärspiegel 30. Wie zu sehen, sind die in Abb. 9D dargestellten Reflektoren auf der Abtastscheibe als Sektoren, nicht als Kreise dargestellt (vgl. Abb. 9B). Die Reflektoren weisen die gleichen optischen Charakeristiken auf, aber die Sektor-Konfiguration ermöglicht eine gleichmäßigere Pixel-Ausleuchtung. Im Betrieb wird das Licht von der Scheibe auf den Bandspiegel, den Primärspiegel und den Abtastspiegel reflektiert während der Zeitspanne des Abtastvorgangs mittels der Abtastscheibe, während der die Laserdiode 42 aktiviert ist und so einen Lichtimpuls liefert. In den Abb. 9C und 9D wird jedes Pixel in Synchronisation mit der Bogen- oder Pixelgröße gelesen und geschrieben, wie sie zu jedem beliebigen Zeitpunkt beleuchtet wird, und durch die aktive Phase der Strahlungsquelle und die Brennweite der Optiken im Übertragungskanal definiert wird. Das kann wie folgt dargestellt werden.
ΔX = dx/fs,t (15)
und ΔY = dy/fs,t (16)
worin ΔX und ΔY die Pixel-Abmessungen in rad sind und dx und dy die Abmessungen des aktiven Bereichs der Strahlungsquelle, und fs,t die Brennweite der Vorrichtung im Übertragungskanal. Die Brennweite der Vorrichtung ist wie folgt definiert:
fs,t = fpft/fd (17)
worin ft die Brennweite der Übertragungsoptik 44 ist, und fp und fd die Brennweiten des Primärspiegels 30 und der Abtastscheiben-Reflektoren 46.
Um sicherzustellen, daß alle Pixel der Szene beleuchtet werden, wird durch die ausgesandte Strahlung eine besondere Lichtstrahl-Form definiert. Die Strahlformen in den Abb. 9C und 9D sind mit θβ und Aa bezeichnet, was dem Strahl in den horizontalen und vertikalen Abmessungen entspricht. Im dargestellten Fall ist θα etwa 50º und θβ etwa 5º. Alle Pixel in einer Zeile werden in dem Augenblick beleuchtet, in dem die Lichtquelle aktiviert wird. Die in den Abb. 9C und 9D dargestellte Übertragung wird bevorzugt, aber andere optische Übertragungs-Konfigurationen können ebenfalls verwendet werden, und es besteht kein Zweifel, daß sie von einem Fachmann hergestellt werden können, nachdem dieser sich mit der Erfindung vertraut gemacht und diese in der Praxis erprobt hat. Abb. 9E zeigt die Draufsicht einer für die vorliegende Erfindung geeigneten linearen DetektorAnordnung 40, die vorzugsweise mindestens 120 Detektorelemente 54 aufweisen sollte.
Wird in einem typischen Abtastvorgang eine lineare Detektor-Anordnung mit N Detektorelementen verwendet, dann werden N in der Szene nebeneinander liegende Pixel gleichzeitig angesprochen. Bei dem Entfernungsmesser nach der vorliegenden Erfindung wird eine linare Detektor-Anordnung nicht dazu benutzt, um gleichzeitig mehrere horizontal angeordnete Pixel abzubilden, sondern vielmehr um die Zeit zu messen, die ein Lichtimpuls für den Weg zum Zielobjekt und zurück zum Scanner benötigt.
Das Prinzip der Entfernungsmessung nach der Erfindung wird anhand der Abb. 1 OA bis 1ºC erklärt, die den optischen Weg in einer aufgefalteten gerade Linie darstellen. Optische Elemente werden als Linsenelemente nur zur Illustration dargestellt, während reflektierende Elemente bevorzugt werden. Wie in Abb. 10A gezeigt, wird ein Laserimpuls zum Zeitpunkt t = to auf ein Zielfahrzeug B gerichtet, wobei die Position der Abtastscheibe und insbesondere die des Abtastspiegels 46 bekannt ist. In Abb. 10B ist dargestellt, wie der Impuls, nach Verstreichen der Zeit Δt, das Zielfahrzeug B erreicht und reflektiert wird. Zu diesem Zeitpunkt hat der Abtastspiegel sich um die Distanz Δd/2 bewegt, was einer Distanz D/2 auf der linearen Detektor-Anordnung entspricht. In Abb. 10C ist ein noch späterer Zeitpunkt dargestellt, nämlich t = 2Δt, zu dem der Impuls zum Brennpunkt der Vorrichtung zurückgekehrt ist. Zu diesem Zeitpunkt hat der Abtastspiegel sich um die Distanz Δd bewegt, und dieser Zuwachs wird durch die Relaisoptik vergrößert, so daß der zurückkehrende Impuls im Punkt 56 auf der linearen Anordnung gemessen wird, der um den Abstand D von der Position auf der Anordnung liegt, die der Position des Abtastscheiben-Reflektors zum Zeitpunkt to entspricht. Die Verschiebung D entlang der Anordnung beträgt
D = fsΔσ (18)
worin Au der Winkel ist, durch den sich die Scheibe während der Hin- und Rückführung des Impulses bewegt hat, und worin fs definiert wird durch
fs = fpfc/fd M (19)
worin fp, fc, und fd die Brennweites des Primär-, des Sammel- und des Scheibenspiegels sind und M die Vergrößerung durch den Relaisspiegel.
Der Winkel Δσ ist proportional der Entfernung wie folgt:
Δσ = 2ω Δt (20)
worin ω die Winkelgeschwindigkeit der Umdrehung der Scheibe ist und Δt die Zeit für die Hinführung des Impulses. Des weiteren ist die Hinführungszeit Δt abhängig von der Entfernung R wie folgt:
Δt = R/c (21)
worin c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Damit ist
Δσ = 2ω R/c (22)
und, D = 2fsω R/c (23)
wodurch die direkte Abhängigkeit zwischen der Entfernung R und der Position des empfangenen Impulses auf der Detektor-Anordnung hergestellt wird. Die Gleichung (23) kann dargestellt werden als Scheibenmotor-Geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute:
D = 2fsωrpm 2π/60 R/c (24)
= π/15 fsωrpm R/c
oder D = π/45 fsωrpm R · 10&supmin;&sup8; Meter (25)
worin fs und R in Metern ausgedrückt werden.
Ist beispielsweise fs = 0.75 m, wrpm = 15.000, und R = 100 m, dann ist D = 0.785 mm. Und wenn weiterhin R = 500 m sind, dann ist D = 3.92 mm, was der maximal erfor derlichen Länge der Detektor-Anordnung sehr nahe kommt. Beträgt die Winkelauflösung 3.0 m, dann ist der Abstand ΔD zwischen den Detektor-Elementen
ΔD/D = ΔR/R (26)
und wenn ΔR = 3 m ist, R = 100 m und D = 0.785 mm, dann ist ΔD = 0.0235 mm.
Die ideale Brennweite der Vorrichtung von etwa 0.75 m kann mit Hilfe der Brennweiten und der Vergrößerung aus Tabelle III erreicht werden.

TABELLE III

fp 18 mm
fd 12 mm
fc 33.33 mm
M 15
Die vorstehenden Maßangaben der Vorrichtung ergeben in vorteilhafter Weise eine sehr lange Brennweite bei relativ geringen Abmessungen. Die Anmessungen, in der geeignete optische Bauelemente mit diesen Brennweiten untergebracht werden können, liegen bei 6 · 6 · 10.
Der Laserdioden-Impuls wird ganz zu Beginn des Abtastvorgangs des entsprechenden Pixels ausgesandt und füllt den gesamten 0.25º · 0.25º Objektraum. Jedes sich in diesem Bereich befindliche Ziel wird beleuchtet und kann den Strahl reflektieren. Im allgemeinen erhält man einen Rückstrahl pro Pixel. Im Anschluß an die Impulsübertragung werden die vom einzelnen Pixel reflektierten Entfernungsimpulse von der DetektorAnordnung aufgefangen und die resultierenden Detektorsignale werden vom Entfernungsbereichs-Decoder ausgewertet und die Informationen über Entfernung und Winkel auf den Rechner gegeben.
Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 3 · 10&sup8; m/Sek., das Licht legt also 30.5 m in einer Nanosekunde (10&supmin;&sup9; Sek.) zurück. Daher kann ein zu Beginn der Abtastung eines Pixels ausgesandter Lichtimpuls 854 m zurücklegen, ehe der Abtastvorgang für das nächste Pixel beginnt. Wird der Impuls von einem voranfahrenden Fahrzeug reflektiert und kehrt zum Sensor innerhalb des gleichen Pixel-Abtastvorgangs zurück, dann beträgt der Abstand zum Fahrzeug bis zu 427 m und der gesamte Vorgang läuft während eines Abtastvorgangs ab. Ist allerdings der Abstand zum Fahrzeug größer als 427 m, z. B. 430 m, kommt der reflektierte Impuls erst beim folgenden Abtastvorgang zurück und kann nicht vom nachfolgenden Impuls unterschieden werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch gestaffeltes Abtasten und Festsetzen eines Schwellenwertes gelöst.
Während der Hin- und Rückführung eines Impulses legt die mit hoher Geschwindigkeit rotierende Abtastscheibe des Abtast-Entfernungsmessers eine begrenzte Entfernung zurück. Dreht sich die Scheibe mit 15000 U/Min., ergibt das 250 Umdrehungen/Sekunde. In 20 · 10&supmin;&sup9; Sekunden, die Zeit, die ein Lichtimpuls für 3.05 m für den Hinweg und, nach der Reflexion, für den Rückweg benötigt, hat die Scheibe 5 · 10&supmin;&sup6; Umdrehungen gemacht. Wie in Abb. 8 gezeigt, und ausgedrückt durch den Winkel Δσ, der von der Scheibe zurückgelegt wurde, sind dies (5 · 10&supmin;&sup6;) 2π oder 31.415 · 10&supmin;&sup6; rad. Die lineare Verschiebung, die ein Punkt auf der Scheibenoberfläche erfährt, kann bestimmt werden aus
Δd = rdΔσ (27)
worin Δd = die Verschiebung des Punktes auf der Scheibe in tangentialer Richtung;
rd = die radiale Entfernung des Punktes von der Rotationsachse der S cheibe;
und Δσ = die Winkelverschiebung auf der Scheibe ist.
Wenn rd = 20 mm ist, dann ist Δσ = 31.415 · 10&supmin;&sup6; rad., Δd = 20 · 31.415 oder 0.628 · 10&supmin;³ mm. Ein solcher Abstand ist groß genug, um mit Hochpräzisions-Meßgeräten exakt bestimmt zu werden. Wie offensichtlich, rotieren die Brennpunkte der Konkav-Reflektoren zusammen mit der Scheibe, und die vorstehenden Überlegungen im Bezug auf die Bewegung eines Punktes auf der Scheibe gilt gleichfalls für die Brennpunkte der Reflektoren. Entsprechend der Erfindung wird der Abstand optisch vergrößert, um so die Verschiebung der reflektierten Lichtimpulses auf einer Anordnung herkömmlicher lichtempfindlicher Dioden, beispielsweise Silizium-Photodioden, sichtbar zu machen.
Abhängig von der Entfernung des Zielfahrzeugs wird ein bestimmtes Detektor-Element auf der linearen Detektor-Anordnung aktiviert. Um eine möglichst genaue Angabe der Null-Zeit-Angabe beim Aussenden des Impulses zu erhalten, kann es wünschenswert sein, eine kleine Lichtmenge des ausgesandten Impulses durch die Optik zurück auf den Detektor zu streuen. Dieser Weg zum Bestimmen der Null-Zeit-Angabe ist besonders gut geeignet, da er unabhängig ist von Ungenauigkeiten, die eingeführt werden könnten, falls die Impulse gegenüber der zeitlichen Vorgabe zu früh oder zu spät ausgesandt werden, hervorgerufen durch thermische Einflüsse in der den Impuls erzeugenden Schaltung. Die Bestimmung der Entfernung erfolgt duch Zählen der Detektor-Elemente zwischen dem Null- Zeit-Bezugssignal und dem als nächstem aktivierten Detektorelement. Die Entfernung zum Zielobjekt ist proportional der Entfernung zwischen den aktivierten Detektor-Elementen. Der Winkel des Zielobjekts ist direkt abhängig vom jeweils abgetasteten Pixel, und wird bestimmt aus den Positionen von Rahmenspiegel und Abtastscheibe zum Zeitpunkt des Aussendens des Impulses, d. h., der seit dem Beginn des Abtastvorgangs verstrichenen Zeit. Alle Daten werden ständig vom der Elektronik der Vorrichtung überwacht und gesteuert.
Abb. 2 ist eine perspektivische Darstellung des Abtast-Entfernungsmessers. Wie dargestellt, überträgt die gepulste Lichtquelle 42 einen Strahlenimpuls auf den Übertragungsspiegel 44, der den Impuls auf die Abtastscheibe 34 reflektiert. Der Reflektor 46 auf der Abtastscheibe fokussiert den Impuls auf den Streifenspiegel 32. Der Primärspiegel 30 und der Bildrahmenspiegel 28 übertragen jeden Impuls in Richtung aller Pixel der abzutastenden Zeile. Weil jedes Pixel 0.25º · 0.25º beträgt, definiert der Rahmen 240 Elemente in 24 Zeilen. Die Lichtquelle 42 kann eine Laserdiode sein, die von einem Impulsgenerator 72 angetrieben wird, beispielsweise einem 192 KHz Impulsgenerator, der alle 5.2 Mikrosekunden einen Impuls von jeweils etwa 20 Nanosekunden Dauer aussendet. Da die möglichen Zielfahrzeuge mit hochwirksamen Retroreflektoren ausgestattet sind, wie beispielsweise einem oder einer Serie von Würfelecken-Reflektoren, und weil der Entfernungsbereich der Vorrichtung kürzer ist als der von militärischen Lasersystemen, kann eine Laserdiode mit relativ geringer Energie verwendet werden, die in einem für die Augen ungefährlichen Spektralbereich arbeitet.
Der Rückstrahl wird vom Bildrahmenspiegel 28 erfaßt und vom Primärspiegel 30 auf den Streifenspiegel 32 fokussiert, der das Abbild auf den Abtastscheiben-Reflektor 46 reflektiert. Der kollimierte Strahl vom Reflektor wird von der Sammeloptik 36 über die Relaisoptik 38 auf eine lineare Detektoranordnung 40 fokussiert. Wie dargelegt, entspricht die relative Position des Rückstrahls auf der Detektoranordnung der Entfernung des Zielpixels. Der Bildrahmenspiegel wird mit 30 Hz unter Verwendung eines Phasendetektors 60 und Positions-Encoders angetrieben, die mit einem Servoantrieb verbunden sind. Die Abtastscheibe 34 wird von einem 1600 Hz Geschwindigkeits-Servoantrieb angetrieben, der einen Zeilen-Synchronisier-Generator 62 und mit diesem verbundenen Phasendetektor 60 aufweist. Der Zeilen-Synchronisier-Generator 62 kann auch eine Lichtquelle 64 und einen Detektor 66 enthalten, mit geeigneten Schlitzöffnungen 68, 70, um ein Zeilensignal auf die Abtastscheibe zu projizieren und das reflektierte Signal zu empfangen. Alle oben beschriebenen Vorgänge werden mittels eines Leittaktgebers synchronisiert. Wie nachstehend be schrieben, wird die Geschwindigkeit des Taktgebers bestimmt durch die Arbeitsgeschwindigkeit des Entfernungs-Decoders, mit einer Taktgeber-Frequenz von mindestens etwa 23 Megahertz.
Die Synchronisierung jeder Zeile mit den anderen wird mit einer geschlossenen Steuerkreis-Schleife des Abtastscheiben-Antriebs durchgeführt. Die aktuelle Position jedes Scheibenspiegels ist zu jedem Zeitpunkt bekannt aus dem Phasenverhältnis zwischen einer Referenztaktgeber-Impulsfolge bei 1600 Hz und einer vom elektro-optischen Synchron- Generator 62 in Verbindung mit der Abtastscheibe erzeugten Impulsfolge. Mittels der Lichtquelle 64, beispielsweise einer Licht emittierenden Diode wie einer Silizium PIN Diode, erzeugt der Synchron-Generator 62 einen Impuls. Auf der Scheibe sind ein oder mehrere Scheiben-Synchronisier-Reflektoren angebracht, z. B. radial einwärts oder auswärts im Bezug auf jeden Reflektor 46 oder auf der entgegengesetzten Seite der Scheibe. Vorzugsweise sind sechs, nicht versetzt angeordnete Synchronisier-Reflektoren in der Nähe der Hauptreflektoren angeordnet. Die Schlitze 68 und 70 sind vor der Synchronisationsquelle und dem Detektor angebracht, um eine ausreichend scharf abgegrenzte Synchronisations-Impulsfolge zu erzielen. Die vom elektro-optischen Zeilen-Synchron-Generator 62 erzeugte Impulsfolge weist nominell 1600 Hz auf und wird zusammen mit dem 1600 Hz-Signal vom Rechner auf den Phasendetektor 60 gegeben. 1600 Hz entsprechen 1/0.625 Millisekunden. Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen erzeugt ein Fehlersignal für den Servoantrieb mit geschlossener Steuerkreis-Schleife, das dazu dient, den Fehler gegen Null zu korrigieren, indem die Scheibengeschwindigkeit, je nach Bedarf, erhöht oder reduziert wird.
Die Bildfelder werden in ähnlicher Weise synchronisiert. Eine Impulsfolge von einem Positionsencoder auf der Drehachse des Bildfeldspiegels 28 wird auf den Phasendetektor 58 gegeben, der gleichzeitig eine Referenz-Impulsfolge vom Taktgeber erhält. Die Geschwindigkeit des Antriebsmotors wird entsprechend korrigiert, entweder nach oben oder nach unten, um die Synchronisierung aufrecht zu erhalten. Nur zu Diskussionszwecken wird angenommen, daß der Bildrahmenspiegel im gewünschten Sägezahnmuster von einem Motor mit mechanischem Nockenantrieb angetrieben wird. Für höhere Präzision kann ein bidirektionaler Drehmoment-Motor oder eine Galvanometer-Konfiguration verwendet werden.
Die aktive Bildrahmenspiegel-Abtastung wird auf 30 Millisekunden eingestellt. Das ergibt eine Zeitspanne von 33.3 Millisenkunden zum Zurückstellen des Spiegels und eine Zeilenabtastzeit, tL, wie folgt:
tL = Bildrahmenzeit/(Anzahl d. Zeilen) (Überabtastung) (28)
= 30 Millisek./(240) (2)
= 0.625 Millisekunden
Die Pixel-Verweilzeit, tp, beträgt
tp = Zeit pro Zeile/Pixel pro Zeile (29)
= 625 Millisek./240
= 2.604 Millisekunden
Da die Abtastzeit pro Zeile und die Anzahl der Reflektoren auf der Scheibe bekannt sind, kann die Rotationsgeschwindigkeit, td, der Scheibe wie folgt bestimmt werden:
td = Anzahl der Reflektoren · tL
= 6 · 0.625 Millisekunden
= 3.75 Millisekunden/Umdrehung
Die Umdrehungsgeschwindigkeit beträgt:
1/td = 266.67 U/Sekunde = 16000 U/Minute
was durchaus im Bereich der Möglichkeiten von bekannten Scannern dieser Art ist.
Die Art, wie die Information von der Detektor-Anordnung in Entfernungsdaten umgewandelt werden kann, zeigt der in Fig. 11 dargestellte Schaltkreis. Wie dort gezeigt, weist die lineare Detektor-Anordnung eine Vielzahl von Detektor-Elementen 54 auf mit einem Abstand ΔD, wobei jeder Detektorelement-Anschluß über einen Belastungswiderstand RL mit einem Komparator 76 verbunden ist. Der Komparator fragt die Spannung am Detektor ab und vergleicht diese mit einem zuvor auf die geringste zu ermittelnde Spannung eingestellten Spannungs-Schwellenwert Vt. Das Ausgangsignal jedes Komparators betätigt eine Flip-Flop-Schaltung 78. Der Entfernungs-Decoder 14 fragt die Flip-Flops während def Zeitspanne, in der das Pixel abgetastet wird und wandelt die Ausgangssignale - in Entfernungswerte um. Die Flip-Flops werden beim Übertragen des nächsten Entfernungs-Lichtimpulses wieder zurückgesetzt.
Wie angegeben, beträgt bei einer endlichen Bildzeit und unter Berücksichtigung der Rückführungszeit des Abtastspiegels, z. B. 15 Millisekunden aktive Bildzeit und 1.67 Millisekunden für die Rückführung, die Verweilzeit pro Pixel 2.6 Milisekunden. Das entspricht einer Einweg-Entfernung von etwa 396,5 m. Befindet sich das Zielfahrzeug jedoch in einer Entfernung von 399,5 m, würde der reflektierte Impuls erst nach dem Aussenden des nächsten Impulses eintreffen und fälschlicherweise als Rücksignal für den nächsten Impuls erkannt. Dieses Problem führt zu einer Unsicherheit im Bezug auf die Entfernung und kann weitgegend durch die Verwendung eines gestaffelten Überabtastverfahrens vermieden werden.
Das Prinzip der gestaffelten Überabtastung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann am besten anhand der Abb. 12A bis 12D erläutert und verstanden werden. In den Abb. 12A bis 12C ist ein Pixelrahmen gezeigt, in dem die Pixel in 24 Zeilen und 240 Spalten entsprechend der abzutastenden Szene angeordnet sind. Jedes Pixel mißt 0.25º · 0.25º. In Abb. 12A wird eine erste Art der Abtastung, in der ein Impuls 80 in einem zeilenweise von links nach rechts verlaufenden Abtastvorgang übertragen wird. Würde diese Art der Abtastung im Abtast-Entfernungsmesser nach der Erfindung eingesetzt, wäre die Impulsfrequenz 2.6 Microsekunden und der Bildfeldspiegel würde mit einer Geschwindigkeit oszillieren, die einer aktiven Bildzeit von 15 Millisekunden entspricht (vgl. Abb. 12D).
Die vorzugsweise verwendete gestaffelte Überabtastung wird nun anhand der Abb. 12B uns 12C erklärt, die erste und zweite Abtastvorgänge einer einzelnen Zeile darstellen. Hier bewegt sich der Bildfeldspiegel mit der halben Geschwindigkeit eines herkömmlichen Abtastvorgangs, so daß jede Zeile zweimal überstrichen werden kann, bevor der Bildfeldspiegel zur nächsten Zeile vorrückt. Wie aus Abb. 12B ersichtlich, wird während der ersten Abtastung der Zeile 1 ein Impuls zu Beginn der Abtastung jedes ungeraden Pixels 1, 3, 5, 7 usw. oder alle 5.2 Mikrosekunden, ausgesandt. Während des ersten Abtastens von Zeile 1 wird ein Impuls unmittelbar vor Erreichen des ersten Pixels ausgesandt und die Ausgänge der Detektor-Anordnung werden während der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Impulses vor Pixel 1 und dem Aussenden des Impulses für Pixel 3, dem nächsten nach dem ersten Impuls auszusendenden Impuls, abgefragt. Des gleichen wird ein Impuls unmittelbar vor dem Abtasten von Pixel 3 ausgesandt und die Detektor-Anordnung in ähnlicher Weise abgefragt. Während des ersten Abtastens von Zeile 1 wird dieses Schema des Aussendens eines Impulses vor jedem Pixel mit ungerader Zahl und dem anschließenden Abfragen des Detektors nach einem Rücksignal laufend wiederholt. Wie in Abb. 12C dargestellt, wird während des zweiten Abtastens von Zeile 1 ein Impuls vor jedem Pixel mit gerader Num mer ausgesandt und, wie beim ersten Abtasten, der Detektor während der Zeit von zwei Abstandsintervallen und vor dem Aussenden des nächsten Impulses abgefragt. Nach dem zweimaligen Überstreichen der Zeile rückt der Bildfeldspiegel zur nächsten Zeile vor und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise wird jede Zeile abgetastet, bis das gesamte Feld erfaßt ist.
In Abb. 12D ist das Sägezahnmuster des Bildfeldspiegel dargestellt, einmal beim herkömmlichen und einmal beim gestaffelten Überabtastvorgang. Wie gezeigt, wird beim ersten Abtastvorgang jede Zeile nur einmal überstrichen und der Bildfeldspiegel osziliert mit großer Geschwindigkeit, um eine Bildrahmenzeit von etwa 15 Millisekunden zu liefern. Beim gestaffelten Überabtasten nach der Erfindung oszilliert der Bildfeldspiegel nur mit der halben Geschwindigkeit, um so Zeit für zwei Überstreichungen pro Zeile zu haben. Das ergibt eine Bildfeldzeit von 30 Millisekunden mit einer geringfügig längeren Rückführungszeit, die in etwa so lang ist wie die beiden Rückführungszeiten des ersten Abtastvorgangs zusammen im gleichen Zeitraum.
Im Prinzip könnte man durch Verlängern des Abtastintervalls zwischen den Impulsen die Unklarheitsrate bis ins Unendliche verschieben, aber nur auf Kosten einer verlängerten Bildfeldzeit. Nach der vorliegenden Erfindung genügt es aber, die Unklarheiten erster Ordnung auszuschalten, da Unklarheiten zweiter und höherer Ordnung durch die Verwendung eines Signal-Schwellenwertes, wie nachstehend erklärt, eliminiert werden können.
Nach der Erfindung kann die gestaffelte Überabtastung optisch ohne Unterbrechung der gleichmäßigen Abfolge von Lichtimpulsen erreicht werden. Bei dem Abstands-Entfernungsmesser nach der Erfindung kann die Staffelung durch Verändern der Position jedes zweiten Scheibenspiegels auf der Abtastscheibe erfolgen. Jeder zweite Scheibenspiegel wird entlang des Bogens, oder Kreises, der die Lage der Scheibenspiegel in radialer Richtung bestimmt, verschoben. Die Größe der erforderlichen Verschiebung ist genau gleich der Länge eines einzelnen Pixels auf dem Streifenspiegel. Die Bogenlänge eines solchen einzelnen Pixels, Δs, bträgt
Δs = rdΔσ (30)
worin rd der radiale Abstand vom Mittelpunkt der Abtastscheibe zum Mittelpunkt des Reflektors ist. Setzt man für Δσ = 0.25º oder 0.00436 rad, dann ist Δs = 0.8725 mm. Die vorzugsweise verwendeten Abtastscheiben weisen sechs Reflektoren auf, so daß ihre Symmetrie gewährleistet ist.
In der bevorzugten Ausführungsform mit 120 Detektor-Elementen pro linearer Detektor-Anordnung kontrolliert der Abstands-Decoder zwischen den Impulsen, d. h. alle 5.2 Mikrosekunden, die Ausgangssignalstärke von 120 Flip-Flops und stellt die Nullzeit- Referenz und den korrekten Zielimpuls fest, falls vorhanden. Das heißt, daß eine Vielzahl von Detektor-Elementen aktiviert sein kann als Folge von Rücksignalen einer Vielzahl von Zielobjekten im selben Pixel oder wegen der Ausdehnung des Lichtpunktes, verursacht durch Streuung oder Verzerrungen. Das ist in Abb. 13 dargestellt, in der Teile der Detektor-Anordnung 40 zunächst vom Nullzeit-Referenzsignal 82, dann von einem ersten Rücksignal 84 und dann von einem zweiten Rücksignal 86 beleuchtet werden. Der Abstands- Decoder identifiziert jedes aktivierte Detektor-Element oder jede Gruppe und akzeptiert nur das Nullzeit-Referenz- und das erste Ziel-Rücksignal, nicht aber das zweite Rücksignal. Zusätzlich identifiziert und benutzt der Abstands-Decoder nur ein aktiviertes Detektor-Element aus jeder aktivierten Gruppe zum Bestimmen von Abstand und Winkel. Zum Beispiel kann der Abstands-Decoder so programmiert werden, daß er das vorletzte aktivierte Detektor-Element in jeder Nullzeit oder aus der akzeptierten Ziel-Referenzgruppe aktivierter Zellen zum Zweck der Abstandsberechnung identifiziert und auswählt. Durch eine solche Maßnahme können Probleme, die sich aus der Beleuchtung einer Vielzahl von Detektor-Elementen, etwa aufgrund der Ausdehnung des Lichtpunktes, usw., ergeben, ausgeschaltet werden.
Damit der Abstands-Decoder diese Aufgaben erfüllen kann, muß er mit einer Geschwindigkeit arbeiten, die ausreicht, um alle Zellen in der vorgegebenen Abtastzeit, hier 5.2 Mikrosekunden, zu erreichen. Bei einer linearen Detektor-Anordnung mit 120 Elementen bedeutet das eine Mindest-Taktzahl in der Größenordnung von etwa 23 Megahertz. Eine solche Taktzahl kann mit im Handel erhältlichen, hoch entwickelten Mikrochips erzielt werden. Langsamere Takt-Geschwindigkeiten können benutzt werden, wenn der maximale Zielabstand reduziert wird. Höhere Takt-Geschwindigkeiten von beispielsweise über 50 bis 100 Megahertz, wie sie mit bekannten und zukünftigen Generationen von Mikrochips erzielt werden können, können benutzt werden, um den Wirkungsbereich zu erweitern und die Vorrichtung in anderen, nicht mit Kraftfahrzeugen in Verbindung stehenden Bereichen einzusetzen. Zusammengefaßt ergeben sich für den Abtast-Entfernungsmesser nach der Erfindung folgende relative Zeiten:
Impulsdauer 20 Nanosekunden
Pixel-Abtastzeit 2.6 Mikrosekunden
Zeilen-Abtastzeit 625 Miktosekunden
Bild-Abtastzeit 30 Millisekunden
Bildrahmen-Rückstellzeit 3.3 Millisekunden
Ein anderer, die Entfernungsauflösung beeinflussender Faktor ist die Dauer des ausgesandten Impulses. Ideal wäre eine momentane Impulsdauer, aber je kürzer der Impuls, desto geringer die einer bestimmten Leistungsstufe entsprechende Energie. Mit einem Impuls von 10 Mikrosekunden Dauer würde die gewünschte Entfernungsauflösung von 3,05 m ergeben. Die Impulsdauer kann jedoch ein wenig erhöht werden, bis auf 20 bis 30 Mikrosekunden. In diesem Fall wäre der Abstands-Decoder so programmiert, daß er den vorletzten erfaßten Impuls als den richtigen erkennen würde, anstatt den letzten Rückstrahl, wohl als Folge der erhöhten Impulsdauer. Mit der gleichen Maßnahme kann man einen übergroßen Lichtpunkt auf dem Detektor kompensieren, wie er aufgrund von Streuung oder Verzerrungen vorkommen kann. Wie bereits erwähnt, kann auch die Einführung eines Schwellenwertes hilfreich sein, um falsche Rücksignale zu eliminieren. Eine Form der Schwellenwert-Begrenzung nach der Erfindung ist das Anbringen von Retroreflektoren auf allen Fahrzeugen. Diese liefern starke Rücksignale von Zielfahrzeugen, im Unterschied zu solchen der natürlichen Umgebung. Jedes Objekt, wie z. B. ein Brückenpfeiler, kann durch Anbringen von einem oder mehreren Reflektoren in ein Zielobjekt en verwandelt werden. Weiters kann Schwellenwert-Begrenzung durch die Verwendung eines oder mehrerer optischer Filter vor der Detektor-Anordnung, durch Einstellen ihres Last-Widerstandes RL, und/oder durch Einstellen der Komparator-Schwellenspannung, Vt, erfolgen. Da von weiter entfernten Zielen zurückkommende Signale viel schwächer sind als die von näher liegenden, die von größter Bedeutung sind, kann die Schwellenwert-Begrenzung dazu dienen, weitere Unstimmigkeiten bei der Entfernungsmessung zu eliminieren.
Darüberhinaus gibt es einen großen Bereich von Rücksignalen unterschiedlicher Stärke, je nach Entfernung des Zielobjekts, beispielsweise mit einem Faktor von bis zu 14000 zwischen einem Ziel in 3.05 m Entfernung und einem Ziel von 366 m Entfernung. Das liegt daran, daß die Stärke des ausgesendeten Signals mit zunehmender Entfernung viel stärker abnimmt als die Stärke des vom Retroreflektor reflektierten Abbildes. Mit anderen Worten, das auf den Retroreflektor gesandte Signal wird relativ zur Entfernung schwächer, während der Retreoreflektor das Signal mit hohem Wirkungsgrad reflektiert.
Ohne Ausgleich würde dieses Phänomen zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Signalstärken am Detektor führen, weshalb es wünschenswert ist, die sich aus den unterschiedlichen Entfernungen ergebenden Signalstärken mit einem vor jeden Detektor geschalteten Ausgleichsfilter auszugleichen. Nur als Beispiel: Dieser Signalausgleich kann durch Variieren der Schwellenspannung, Vt, als Funktion der zur erwartenden Intensität des reflektierten Signals erfolgen. In Abb. 14 ist die relative Stärke des Rücksignals als Funktion der Entfernung des Zielobjekts graphisch dargestellt. Da die Entfernung der Position des Detektor-Elements entspricht, wird eine zweite Koordinate in die X-Achse eingeführt, um die Entfernung mit der Position des Signals auf der Detektor-Anordnung auszudrücken. Der Schwellenwert-Ausgleichsfilter soll dann in seiner Stärke mit der Position des betreffenden Detektor-Elements relativ zur Impulsübertragung variieren. Deshalb weist das nahe des Nullzeit-Detektor-Elements liegende Detektor-Element Nr. 10 einen hohen Schwellenwert auf, um dem starken Rücksignal von einem sich in der Nähe befindlichen Zielobjekt Rechnung zu tragen, während die nachfolgenden Detektor-Elemente fortschreitend niedrigere Schwellenwerte aufweisen, um so schwächere Signale von weiter entfernten Zielobjekten zu identifizieren. Proportionale Schwellenwert-Begrenzung kann entlang der Detektorelement-Anordnung durchgeführt werden, wie beispielsweise durch Verwendung eines optischen Filters oder durch Variieren des Lastwiderstandes, RL, und/oder der Komparator- Schwellenspannung für jedes Detektor-Element.
Die Abstands- und Winkeldaten werden in den Rechner gespeist, der entsprechende Signale an die Fahrzeug-Kontrollvorrichtung gibt. Der Rechner empfängt Abstands- und Winkeldaten von einer Anzahl von Zielen im Gesichtsfeld und berechnet die Annäherungsgeschwindigkeit (oder Entfernungsgeschwindigkeit, falls sich die Fahrzeuge voneinander weg bewegen) durch Abgleich mit Daten nachfolgender Bildfelder. Der Rechner verfolgt Zielobjekte durch Vergleichen der Position des Zielobjekts zwischen diesem und dem nächsten Bildfeld und, was ganz besonders wichtig ist, er sagt voraus, wo sich das Zielobjekt zum Zeitpunkt der Begegnung befinden wird. Erstaunlicherweise ist dieser Vorhersage-Algorithmus einfach die Gleichung einer Bewegung mit konstanter Beschleunigung und reicht für alle Szenarien aus: Fahrzeuge, die in gleicher Richtung oder aufeinder zu fahren; auf geraden oder kurvigen Strecken; auf rechtwinkelige Kreuzungen zu; sich entgegen kommen, sich voneinander entfernen, oder auf Kreuzungen im stumpfen oder spitzen Winkel.
worin
Wp = der vorhergesagte Abstand zwischen den beiden Fahrzeugen zum Zeitpunkt der Begegnung;
ti = die Zeit bis zur Begegnung;
Wo = der Abstand der Fahrzeuge zum Zeitpunkt der Erfassung der Winkel- und Abstandsdaten;
= die berechnete Geschwindigkeit des Abstandes zwischen den Fahrzeugen; und
= die berechnete Beschleunigung des Trennungsabstands ist.
Von den oben stehenden Parametern können ti, und aus den Gleichtungen (32) bis (34) ermittelt werden, in denen tiefgestellte Zahlen Daten von aufeinanderfolgenden Bildrahmen bezeichnen.
Ti = R/ (32)
= R/R&sub1;-R&sub2;Δt
worin Δt eine Bildrahmenzeit ist.
= ΔW/Δt (33)
= W&sub1;-W&sub2;/Δt (33)
= R&sub1;α&sub1; - R&sub2;α&sub2;/Δt
= Δ /Δt (34)
= &sub1;- &sub2;/Δt
Die Wirksamkeit von Gleichung (31) als geeigneter Algorithmus für alle Szenarien kann demonstriert werden, wenn man einander sich nähernde Fahrzeuge auf geraden und kurvigen Straßen betrachtet. Betrachtet man Abb. 6 und das Cosinus-Gesetz im Bezug auf die Entfernung R und die Kurvenradien ra und rb der Wege der Fahrzeuge A und B zum Fahrzeugabstand W:
W = Rsinα (10)
= rb²-R²-ra²/-2ra
Setzt man die Gleichung (13) für R in die vorstehende Gleichung ein, ergibt sich der Trennungsabstand der Fahrzeuge zu jedem beliebigen Zeitpunkt t, ausgedrückt in ihren Wegeradien, Geschwindigkeiten und Ausgangspositionen:
W = ra - rbcos[φo-ωt] (35)
worin φo = der Winkel, der die Fahrzeuge zu Beginn trennt; und
ω = die Winkel-Annäherungsgeschwindigkeit der Fahrzeuge ist.
ω kann ausgedrückt werden als:
ω = Va/ra + Vb/rb (36)
Für die Werte von φo - ωt kurz vor der Begegnung ist ein guter Annäherungswert des Ausdrucks cos[φo-ωt]²:
1 - 1/2[φo-ωt]2 (37)
Setzt man die Gleichung (36) in die Gleichung (37), so ergibt sich:
Die in Klammern gesetzten Ausdrücke stehen in genauer Wechselbeziehung mit Gleichung (31) und die Gleichungen sind identisch.
Der Trennungsabstand W kann ausgedrückt werden als Zeit bis zur Begegnung, ti, wenn man die folgende Beziehung in Gleichung (38) einsetzt:
φo = ωti
Die Trennungsabstands-Gleichung lautet dann wie folgt:
W = ra-rb + rb/2 ω²ti² - rbω²tit + rb/2 ω² (40)
Wenn eine Anfangszeit ti bis zur Begegnung in Sekunden angenommen wird, kann der Trennungsabstand als eine Funktion der Anfangszeit bis zum Zeitpunkt der Begegnung berechnet werden. Erfolgt die Begegnung bei t = ti, dann ist W(ti) = ra - rb (41)
Das bedeutet, das der Abstand zwischen den Fahrzeugen zum Zeitpunkt der Begegnung einfach nur der Differenz ihrer radialen Weglängen entspricht.
Die Vorrichtung nach der Erfindung benötigt jedoch weder Informationen über Geschwindigkeit oder radiale Weglänge der Fahrzeuge, sondern nur Entfernungs- und Winkeldaten der sich nähernden Fahrzeuge. Der vorhergesagte Trennungsabstand muß ausschließlich aus diesen Daten bestimmt werden, weil Daten über den Kurvenverlauf der Straße oder die Geschwindigkeit des anderen Fahrzeugs nicht bekannt sein können. Als Beispiel dient der in Tabelle I dargestellte Fall.
φo = 1.5
ω = Va/ra+Vb/rb = 90/260 + 90/240 = 0.721
Dann ist die Zeit bis zur Begegnung
ti = φo/ω = 1.5/0.721 = 2.08
Nach Erhalt der Entfernungs- und Winkeldaten der nachfolgenden Bildrahmen und dem Berechnen des Anfangs-Trennungsabstands, Wo, ergeben die Trennungsgeschwindigkeit, , und die Trennungsbeschleunigung, ,
Wo = ra-rb + rb/2w²t²
= 260 - 240 + 240/2 (0.721)² (2.08)² = 88.5 m
= -rb w²ti = -79.18 m/ Sek.
= rb/2 ω²t = 19.03 m/Sek./Sek.
Der Rechner kann die Trennungsabstände für spätere Zeitpunkte wie folgt bestimmen:
Aufeinanderfolgende Abstandsmessungen über einen bekannten Zeitraum dienen dazu, den Entfernungsbereich zu berechnen, so daß die Zeit bis zur Begegnung bestimmt werden kann aus der Gleichung
ti = R/ (43)
Der Zeitpunkt der Begegnung wird im gleichen Maß ungenau sein, in dem die Entfernungsmessung ungenau ist. Durch Mittelwertbildung aufeinanderfolgender Bildrahmen ist der Wert für ti mit brauchbarer Genauigkeit bekannt. Im oben beschriebenen Beispiel ergibt sich für ti ein Wert von 2.08 Sekunden. Setzt man 2.08 Sekunden für t in die Gleichung (42), so ergibt sich, daß der Trennungsabstand zum Zeitpunkt der Begegnung 6,10 beträgt. So weiß man 2 Sekunden vorher, daß die Fahrzeuge sicher aneinander vorbeifahren werden, wenn sie auf ihrer Spur bleiben. Das Sammeln und Auswerten von Entfernungs- und Winkeldaten wird ständig wiederholt, solange die Fahrzeuge aufeinander zufahren und, sollte sich eine Trennungsabstandsvorhersage abzeichnen, die unter einem akzeptablen Grenzwert liegt, so wird ein Alarmsignal oder ein Signal zum Einleiten eines Ausweichmanövers auf die Fahrzeug-Steuerung gegeben. Wie gesagt, kann die Gleichung (31) bemerkenswerter Weise benutzt werden, um den Trennungsabstand auf kurvenreichen oder geraden Straßen vorherzusagen, einschließlich Situationen mit parallel verlaufenden Fahrspuren in der gleichen und entgegengesetzten Richtung, sowie Straßenkreuzungen im rechten, im stumpfen oder im spitzen Winkel.
In Abb. 15 wird die Geometrie von zwei Fahrzeugen dargestellt, deren gerade Wege sich auf einer Kreuzung treffen. Winkel γ bezeichnet den Winkel, unter dem sich die beiden Fahrzeuge nähern. Bei γ = 90º handelt es sich um eine rechtwinkelige Kreuzung, bei γ = > 90º (wie dargestellt), um eine Kreuzung im stumpfen Winkel, und bei γ = < 90º um eine spitzwinkelige Kreuzung. Wenn γ gegen Null geht, handelt es sich um parallele, in gleicher Richtung verlaufende Fahrbahnen, und geht γ gegen 180º, handelt es sich um parallele, in Gegenrichtung verlaufende Fahrbahnen. In jeder dieser Situationen befindet sich Fahrzeug B auf seinem Weg am Ort
db = dob - Vbt (44)
worin db = der Abstand des Fahrzeugs B vom Kreuzungspunkt der Fahrzeuge zum Zeitpunkt t;
dob = der Anfangsabstand des Fahrzeugs B vom Kreuzungspunkt; und
Vb = die Geschwindigkeit von Fahrzeug B ist.
Wie zuvor, beträgt der Trennungsabstand der Fahrzeuge zu jedem beliebigen Zeitpunkt
W = Rsinα (10)
Der Trennungsabstand, gesehen von Fahrzeug A, ist unabhängig von der Position von Fahrzeug A auf seinem Weg. Bei Anwendung des Sinus-Gesetzes auf das durch die Entfernung R und die Abstände da und db der Fahrzeuge vom Kreuzungspunkt gebildete Dreieck, ergibt sich
R/sinγ = db/sinα (45)
Davon kann der Trennungsabstand bestimmt werden als
W = Rsin
= db/sinγ
aus Gleichung 45 einsetzen ergibt
worin die in Klammern gesetzten Ausdrücke dem anfänglichen Trennungsabstand Wo der Fahrzeuge zum Zeitpunkt t sowie der Veränderungsgeschwindigkeit des Trennungsabstands W. Erstaunlich und wichtig ist, daß diese Gleichung identisch ist mit Gleichung (31) bis auf die Tatsache, daß es keine Angaben zur Beschleunigung gibt, weil angenommen wird, daß die Fahrzeuge mit konstanter Geschwindigkeit fahren. Wenn andererseits das Fahrzeug gleichmäßig um den Wert ab beschleunigt oder verzögert, dann gilt
db = Dob - Vbt - 1/2abt² (47)
und
Wie es häufig bei Fahrzeugen vorkommt, die in gleicher Richtung mit gleicher Geschwindigkeit fahren, gibt es keine Daten in Bezug auf Geschwindigkeit und Beschleunigung:
W = Rosinα
= Wo
Das bedeutet, daß sich der anfängliche Trennungsabstand nicht verändert.
In der oben beschriebene Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen werden Entfernung und Winkel mit Hilfe eines elektro-optischen Abtasters ermittelt. Der Rechner benutzt eine Vielzahl von Datenrahmen, um die Veränderungen von Entfernung und Winkel zu messen, d. h. die Geschwindigkeit, und die Veränderung der Geschwindigkeitsänderung, d. h. die Beschleunigung. Der Rechner berechnet die Zeit bis zur Begegnung und sagt den zum Zeitpunkt der Begegnung zu erwartenden Abstand zwischen den Fahrzeugen voraus. Sollte die Situation eintreten, daß der vorhergesagte Trennungsabstand bei der Begegnung nicht ausreichend ist, erhält die Fahrzeugkontrolleinrichtung ein entsprechendes Warnsignal, das so programmiert sein kann, daß es den Fahrer über eine Anzeige auf dem Armaturenbrett warnt und/oder direkt ein Ausweichmanöver einleitet durch Aktivieren der Fahrzeugbremse und/oder der Steuerung, um so die Richtung des Fahrzeugs zu verändern. Die Ausführung der Fahrzeug-Kontrollvorrichtung und des Brems- und Steuermechanismus kann mit bereits vorhandenen Computer- und elektro-mechanischen Kontrolleinrichtungen erfolgen. Sie kann auch durch Fachleute auf der Basis bekannter Technologien unter Verwendung herkömmlicher Fahrzeug-Computer und Steuerungseinheiten wie elektromechanische Stellglieder für Bremsen und Steuerung hergestellt werden. Natürlich müssen bei jedem Ausweichmanöver Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugs berücksichtigt werden, um noch zusätzliche Kollisionsrisiken zu vermeiden. Die Funktionen der Vorrichtung nach der Erfindung können mit im Handel erhältlichen Mikroprozessoren und anderen digitalen Bausteinen erzeugt werden. Es ist überflüssig, zu erwähnen, daß bei Fortschritten im Bereich der Mikroprozessoren die Tauglichkeit der vorliegenden erfindungs gemäßen Vorrichtung verbessert werden kann. So können beispielsweise bei höheren Dockgeschwindigkeiten verschiedene Über-Abtast-Techniken eingesetzt werden, die den Anwendungsbereich der Vorrichtung vergrößern und auch auf anderen Gebieten, beispielsweise in der Luftfahrt, eingesetzt werden können.
Die vorstehende Beschreibung enthält viele Einzelheiten, die zum leichteren Verständnis der grundsätzlichen Arbeitsweise der Erfindung dienen, aber nicht als Einschränkung des Schutzumfangs verstanden werden sollen. Tatsächlich werden Fachleute nach Kenntnis und praktischem Umgang mit den Erfindung in der Lage sein, viele Variationen der vorstehend beschriebenen spezifischen Anordnungen und Konstruktionen herzustellen, wobei diese Variationen im Rahmen der Erfindung liegen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht wird.
Während beispielhafte Ausführungen der Erfindung hier im Detail beschrieben wurden, um das Konzept der Erfindung zu veranschaulichen, ist der Fachmann in der Lage, zahlreiche Varianten im Rahmen der Erfindung entsprechend den beigefügten Ansprüchen herzustellen. Nur als Beispiel wird erwogen, daß anstelle der vorzugsweisen Ausführungsform, nach der der Zielabstand aufgrund der Lage des reflektierten Lichtimpulses auf einer linearen Detektor-Anordnung ermittelt wird, das gleiche Ergebnis auch mit einem einzelnen Detektor durch Bestimmen der Rotationsdistanz der Abtastscheibe erzielt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Vermeiden von Kollisionen (10) mit einem auf einem ersten Fahrzeug angebrachten Abtast-Entfernungsmesser (12) zum Bestimmen von Entfernung und Winkel mindestens eines Zielobjekts, wobei der Abtast-Entfernungsmesser einen Übertragungskanal aufweist zum Übertragen eines Abstandsimpulses einschließlich einer gepulsten Strahlungsquelle (42) und Übertragungsspiegeln (44), wobei die gepulste Strahlungsquelle (42) einen Lichtimpuls auf die Übertragungsspiegel (44) leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsspiegel (44) den genannten Lichtimpuls auf mindestens einen Teil mindestens einer der auf einer rotierenden Abtastscheibe (34) angebrachten Abtastreflektoren (46) richten und der genannte Lichtimpuls von dem genannten Abtastreflektor (46) über einen Streifenspiegel, einen Primärspiegel und einen Bildfeldspiegel auf einen Bildpunkt des abzutastenden Zielobjekts reflektiert wird; und einen Empfangskanal zum Abtasten mindestens eines Entfernungsintervals im Anschluß an die Übertragung des genannten Abstandsimpulses, um so den vom genannten Zielobjekt (Fahrzeug) reflektierten Abstandsimpuls zu erfassen und die Entfernung des Zielobjekts aufgrund der zwischen dem Aussenden des Abstandsimpulses und dem Erfassen des reflektierten Abstandsimpulses verstrichenen Zeit zu bestimmen, wobei der Empfangskanal einen Bildfeldspiegel (28) zum Abtasten einer Szene, einen Primärspiegel (30) zum Fokussieren der Abtastung, einen Streifenspiegel (32) zum Aufnehmen der Abtastung, eine rotierende Abtastscheibe (34) zum Abtasten von Abbildern vom Streifenspiegel mit einer Vielzahl von Abtastreflektoren (46), eine Sammeloptik (36) zum Aufnehmen des von der rotierenden Abtastscheibe reflektierten Bildes und zum Fokussieren von Abbildern auf eine Detektoreinrichtung (40) aufweist; und einen Rechner (16) zum Verfolgen von Entfernung und Winkel zum Zielobjekt und zum Vorhersagen der Zeit bis zur Kollision mit demselben, und zum Bestimmen der Annäherungsgeschwindigkeit sowie des Abstandes zwischen dem Zielobjekt und dem genannten ersten Fahrzeug; und Vorhersagen des Abstandes zwischen dem Zielobjekt und dem genannten ersten Fahrzeugs zum Zeitpunkt der Kollision, wenn sich das erste Fahrzeug dem Zielobjekt auf verschiedenen geometrisch definierten Wegen einschließlich Kurven, Neigungen oder Geraden nähert; und eine Alarmvorrichtung zum Erzeugen eines Warnsignals für den Fall, daß der vorhergesagte Abstand unter einem festgelegten Minimalwert liegt.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin eine Fahrzeug-Kontrollvorrichtung (18) enthält zum Durchführen von Manövern zur Vermeidung einer Kollision als Folge des Wamsignals.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bildfeldspiegel (28) so oszilliert, daß die Szene linear abgetastet wird, der Primärspiegel (30) die lineare Abtastung auf den Streifenspiegel (32) fokussiert, die Abtastscheiben-Reflektoren (46) das vom Streifenspiegel (32) erhaltene lineare Bild Bildpunkt für Bildpunkt abtasten und das Bildpunkt-Bild auf die Sammeloptik (36) und diese es auf den Detektor (40) lenkt.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Detektor (40) eine lineare Detektorvorrichtung (40) aufweist.

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser eine Abfrage an den Detektor richtet in Bezug auf mindestens ein Abstandsinterval im Anschluß an die Übertragung des Impulses, um so einen reflektierten Impuls zu erfassen, und die Entfernung zu einem Zielobjekt bestimmt aufgrund (i) der optischen Verschiebung zwischen Null zum Zeitpunkt der Übertragung des Impulses und dem Erfassen des reflektierten Impulses, und (ii) der Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Abtastscheibe.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser den Seiten- und Höhenwinkel eines Zielobjekts anhand der Position des Bildpunktes in der Szene bestimmt.

7. Die Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Rechner den vorhergesagten Trennungsabstand zwischen dem ersten Fahrzeug und dem Zielobjekt zum Zeitpunkt der Kollision, Wp, wie folgt definiert:

worin Wo = der Trennungsabstand vom genannten ersten Fahrzeug und dem Zielobjekt zum Zeitpunkt der Bestimmung der Abstands- und Winkeldaten; = die Geschwindigkeit der Abstandsänderung zwischen den Fahrzeugen; = die Veränderung von ; und ti = der Zeitpunkt der Kollision ist.

8. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser eine Abfrage an den Detektor richtet in Bezug auf mindestens zwei Abstandsintervalle im Anschluß an die Übertragung des Impulses und vor der Übertragung des nächsten Impulses.

9. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser den Abstand R definiert aus

D = π:45fs ωrpm R · 10&supmin;&sup8; Meter

worin D = der Verschiebungsabstand entlang der Detektorvorrichtung zwischen der Übertragung des Impulses und dem Erfassen des reflektierten Impulses; fs = die Brennweite des Empfangskanals; und ωrpm = die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Abtastscheibe ist.

10. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser mit einer Bildfeldfrequenz von etwa 60 Hertz arbeitet.

11. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Abtast-Entfernungsmesser ein Gesichtsfeld von mindestens etwa 60º in einer Richtung und von mindestens etwa 6º in einer anderen Richtung hat.

12. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin einen dem Zielobjekt zugeordneten Retroreflektor aufweist.

13. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin eine Abgleichvorrichtung aufweist zum wesentlichen Abgleichen der Ansprechzeit des Detektors unabhängig von der Entfernung zum Zielobjekt, oder eine Schwellenwert- Vorrichtung zum Vermeiden von falschen Ansprechzeiten.

14. Ein Verfahren zur Vermeidung von Zusammenstößen mit

- einem einem Fahrzeug zugeordneten Abtast-Entfernungsmesser (12) zum Abtasten einer Szene, wobei der genannte Abtast-Entfernungsmesser Bildfeldspiegel (28), Primärspiegel (30), Sammeloptiken (36), eine Detektoreinrichtung (40) und eine Vorrichtung zum Übertragen von Lichtimpulsen (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Streifenspiegel (32) und eine rotierende Abtastscheibe (34) mit einer Vielzahl von darauf angebrachten konkaven Reflektoren (46) vorgesehen sind, wobei der Bildfeldspiegel (28) eine lineare Abtastung einer Szene in einer ersten Richtung ausführt, der Primär spiegel (30) die genannte lineare Abtastung auf den Streifenspiegel (32) fokussiert, die Abtastscheiben-Reflektoren (46) das vom Streifenspiegel (32) erhaltene lineare Bild in einer zweiten Richtung abtasten, und die Sammeloptik (36) das abgetastete Bild auf den genannten Detektor (40) fokussiert;

- daß ein Lichtimpuls auf einen Bildpunkt der Szene gerichtet wird;

- daß an den genannten Detektor eine Abfrage gerichtet wird in Bezug auf mindestens ein Abstandsinterval im Anschluß an die Übertragung des genannten Impulses, um so den genannten, von einem Zielobjekt in der Szene reflektierten Lichtimpuls zu erfassen;

- daß die optische Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt Null der Übertragung des Impulses und dem Erfassen des reflektierten Lichtimpulses bestimmt wird;

- daß der Abstand des Zielobjekts aufgrund der optischen Verschiebung und der Umdrehungsgeschwindigkeit der Abtastscheibe bestimmt wird;

- daß der Winkel des Zielobjekts anhand der Position des in der Szene abgetasteten Bildpunktes bestimmt wird;

- daß der Trennungsabstand und der vorhergesagte Trennungsabstand zum Zeitpunkt des Zusammenstoßes des Fahrzeugs mit dem Zielobjekt anhand der Entfernungs- und Winkeldaten bestimmt werden;

- und daß ein Warnsignal erzeugt wird für den Fall, daß der vorhergesagte Abstand unter einem festgelegten Minimalwert liegt.

15. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt zur Durchführung von Manövern zum Vermeiden einer Kollision als Folge des Warnsignals enthält.

16. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Vielzahl von Entfernungs-Abtastungen der Szene durchgeführt werden.

17. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Bestimmen der Entfernung des Zielobjekts weiterhin eine versetzte Überabtastung der Szene aufweist.

18. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Bestimmen der Entfernung des Zielobjekts weiterhin die Bestimmung der Entfernung, R, aus der Gleichung

D = (π : 45) fs ωrpm R · 10&supmin;&sup8; Meter

aufweist, worin D = der Verschiebungsabstand entlang der Detektorvorrichtung zwischen der Übertragung des Impulses und dem Erfassen des reflektierten Impulses; fs = die Brennweite des Empfangskanals; und ωrpm = die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Abtastscheibe ist; und der Schritt zum Bestimmen des vorhergesagten Trennungsabstands durch Lösen der Gleichung

erfolgt, worin Wo = der Trennungsabstand vom genannten ersten Fahrzeug und dem Zielobjekt zum Zeitpunkt der Bestimmung der Abstands- und Winkeldaten; = die Geschwindigkeit der Abstandsänderung zwischen den Fahrzeugen; = die Veränderung von und ti = der Zeitpunkt der Kollision ist.

19. Das Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt zum Anbringen eines dem Zielobjekt zugeordneten Retroreflektors aufweist.