WO2001004659A1 - Multisensorielle, vorausschauende strassenzustandserkennung - Google Patents

Multisensorielle, vorausschauende strassenzustandserkennung Download PDF

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WO2001004659A1
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radar
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Rolf Finkele
Andreas Schreck
Gerd Wanielik
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Daimlerchrysler Ag
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    • G01S7/4091—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes using externally generated reference signals, e.g. via remote reflector or transponder during normal radar operation

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for recognizing road conditions according to the preambles of claims 1 and 8.
  • the condition of the road surface can significantly influence the driving behavior of a vehicle on the road and thus represents an essential aspect of safety in road traffic.
  • the automated detection of the condition of the road surface in terms of a classification of the road condition e.g. Dry, damp, pools of water, frost, snow, ice and the like can be of considerable importance as information for the driver and / or automatic vehicle control.
  • a radar arrangement suitable for road condition detection is known for example from the document DE 42 00 299 AI.
  • the so-called Müller matrix is determined by polarization-selective, incoherent transmission and reception and evaluated to classify the road condition.
  • the document DE 197 15 999 AI calls a similar method, but it uses a coherent measuring principle.
  • the device lights up a road section between 10m and 100m in the direction of travel in front of the vehicle and assigns the road condition to given road condition categories based on the backscattered electromagnetic waves.
  • the relatively low installation height of the radar sensor in the motor vehicle and the large distance at which the road condition is to be recognized results in a very flat angle of incidence of the transmission pulse. The result of this is that a considerable part of the transmitted energy reflected from the road surface is reflected in the direction of travel, counter to the direction of reception of the system. Due to the low signal energy at the receiver, it is difficult to operate a finely differentiating road condition detection.
  • the devices and methods known from the documents DE 40 40 842 AI and DE 197 18 632 AI adopt the respective strengths of the above-mentioned millimeter wave and infrared measuring systems by combining measurements from the millimeter wave range and the infrared range.
  • This combination of the ambiguous wet-dry / ice distinction (millimeter wave) and the dry-wet / ice distinction (infrared) enables the system to clearly decide on the existing road conditions.
  • the disadvantage lies above all in the considerable production costs which result from the need to integrate sensors operating in different frequency ranges.
  • the object of the invention is to provide an apparatus and a method which allows the road condition to be recognized in a cost-effective manner in advance in approximately 2 m to 200 m in front of the vehicle.
  • the solution to the problem consists in the combination of a narrow-beam millimeter wave radar MW with an infrared laser radar ER and a signal processing coupled to it.
  • the device illuminates a road section within a distance range between 2 m and 200 m in the direction of travel in front of the vehicle.
  • the receiving devices receive the echo signals from the illuminated section of the lane and an evaluation unit derives from this an classification of the state of the lane in this section of the road into predetermined categories of road conditions.
  • the millimeter wave radar M ⁇ V has an antenna diagram that is closely bundled in the horizontal or vertical direction.
  • the millimeter wave radar MW and the infrared laser radar ER are aligned to the same lane section and connected to a common evaluation unit. Due to the strong beam bundling of the signal emitted by LR, this illuminates a much smaller area of the road surface than the MW.
  • LR1 is aligned with the center of the roadway area illuminated by the MW, since the area with the largest proportion of backscattered energy in relation to the MW comes from this area.
  • the millimeter wave radar MW sends and receives vertically polarized waves.
  • linear polarizations such as horizontal polarization, being preferred for reasons of simple implementation.
  • the ER works excellently at a frequency at which the absorption spectrum of hydrogen has a maximum in the infrared range (absorption channel).
  • an additional infrared laser radar IR2 is integrated, which operates at a frequency which is not significantly influenced in terms of the effects of the absorption spectrum of hydrogen in the infrared range.
  • the ER and ER2 In order to facilitate a correlation between the two infrared laser radars ER and ER2, it is advantageous to align both radars at the same point. If, for example, this can only be achieved through increased mechanical effort, it is also conceivable to align the ER and ER2 in such a way that they illuminate the same place on the road with a time offset and the corresponding signals in the evaluation unit, knowing the device geometry and driving dynamics, can be combined with each other. From the knowledge of the device geometry and driving dynamics (e.g. speed, acceleration, pitch and tilt angle of the vehicle), the time offset with which the ER and ER2 illuminate the same area of the road can be easily determined.
  • the device geometry and driving dynamics e.g. speed, acceleration, pitch and tilt angle of the vehicle
  • At least one of the infrared laser radars is aligned with the center of the road area illuminated by the millimeter wave radar.
  • a millimeter-wave radar that is already present in the vehicle is used as millimeter-wave radar MW for road condition detection, for example an obstacle warning radar or a distance control cruise control (Distronic).
  • the method according to the invention for road condition detection combines the signals of the millimeter-wave radar MW and at least one infrared laser radar and combines them into a classifier integrated in the evaluation unit that is jointly assigned to the radars.
  • the task of this classifier is essentially to classify the road condition.
  • the classifier integrated in the central evaluation unit uses conventional classification algorithms known from pattern recognition (e.g. neural networks, polynomial classifiers).
  • pattern recognition e.g. neural networks, polynomial classifiers
  • the main features of this set of rules are listed below:
  • the increase in the signals from the infrared sensor ER, or the ratio of the signals from ER to ER2, are an indication of a drying out or deicing of the road.
  • a closed layer of water or ice in the illuminated lane area is signaled by the loss of a measurable signal in the infrared receiver.
  • the method is based on a dry road surface in the event that the signals at the millimeter wave sensor MW and the infrared sensor ER, or the ratio of the signals from ER to ER2, are high.
  • the measured values of the individual radar sensors are advantageously averaged over time before the classification.
  • the millimeter-wave and infrared sensors are used for the method and the device, which are also used in the vehicle for other tasks, it is advantageous if the sensors illuminate the road at regular times in time-division multiplex operation. However, it is desirable that both sensors illuminate the road at the same time.
  • the combination of the sensors according to the invention can significantly support early adaptation of the driving behavior to the roadway condition to be expected and thus increase safety.
  • the subdivision into distance sections allows a good differentiation of different surface types present side by side, e.g. complex vertical angular resolution, e.g. Ice sheets on otherwise dry roads or individual pools of water.
  • the set of road conditions to be classified is expanded by additional classes which describe the intrinsic noise of the radar sensors in an advantageous embodiment of the invention. If the classification refers to such a class, it can be assumed that the corresponding radar sensor has a defect. In a similarly advantageous manner, it is also possible to design the classifier with additional classes in such a way that it recognizes typical objects from the vehicle environment (e.g. vehicles in front). In the event that such objects cover part of the roadway to be illuminated by the radars, the classifier can evaluate other distance cells.
  • FIG. 1 shows a lane monitoring in a side view and a top view.
  • a transceiver antenna arrangement of a millimeter-wave radar MW is arranged on the upper edge of the windshield on a motor vehicle K traveling in the x direction, the remaining components of which are not shown for the sake of clarity, but are familiar to the person skilled in the art.
  • the antenna arrangement has an antenna diagram directed in the direction of travel, sharply bundled in the horizontal and vertical directions, the width of which in is usually defined by the full width at half maximum.
  • the full width at half maximum is typically 1-2 degrees in the horizontal (angle c) and 2-4 degrees in the vertical (angle b).
  • the diagram is inclined towards the roadway parallel to the plane H by an angle a to the roadway, which is determined by the height of the antenna arrangement above the roadway and the desired distance of the roadway illumination section P in the direction of travel.
  • the antenna diagram of the millimeter-wave radar MW illuminates within its half-value width at a distance L from the vehicle a road section P of length Px in the direction of travel and width Py transverse to the direction of travel (y direction).
  • the echo signals are received in the radar arrangement, they are selected in a manner known per se according to distance sections dr, for a pulse radar e.g. by means of time gates.
  • the polarization of the millimeter wave radar MW is preferably oriented vertically, since for this polarization the backscattering of the emitted energy into the receiver is greatest.
  • the transmit / receive arrangement of the infrared laser radar IR1 is arranged in one of the headlights.
  • the rays S of the infrared laser radar ER1 are preferably aligned in the direction of travel to the center M of the road area illuminated by the millimeter wave radar MW. It is of course conceivable to arrange the millimeter wave radar MW and / or the infrared laser radar ER1 at another location on the front of the vehicle K. It is also conceivable to use millimeter wave and infrared measuring systems already present in the vehicle for the purpose of predictive road condition detection, for example systems for distance control and determination of the range of vision. These systems could possibly be switched in time division between the tasks assigned to them.
  • Mechanical beam swiveling can be avoided by using suitable electronic controls and antenna geometries or optics, which allow some of the measuring beams to be directed onto the road at times.
  • the echo signals are subsequently combined in the evaluation unit with knowledge of the device geometry and the driving dynamics (including speed, acceleration).
  • the intensities of the backscattered signals in relation to the individual distance sections dr, a curved course of the road and / or pitching movements of the vehicle can also be recognized and taken into account. For this purpose, it is advantageous to normalize the intensity values before their processing with regard to the distance of the associated distance sections dr from the vehicle F.
  • the distance section dr which has the highest intensity is then evaluated as the distance section dr which is located in the middle of the road area illuminated by the millimeter wave radar MW.
  • the distance to this center point can then be determined from the signal transit time using known methods.

Abstract

Ein Millimeterwellen-Radar und mindestens ein Infrarot-Laser-Radar werden kombiniert, um vorausschauend, in Fahrtrichtung eines Fahrzeuges den Zustand der Fahrbahn zu erkennen. Dabei werden die Echosignale der Radarsensoren miteinander kombiniert und eine Einordnung des Fahrbahnzustandes in vorgegebene Zustandskategorien abgeleitet. Durch Hinzunahme zusätzlicher Klassen ist eine automatische Funktionskontrolle einzelner Sensoren der Vorrichtung realisierbar. Zudem läßt sich durch geeignete Auswertung der Nickwinkel des Fahrzeuges bezüglich der Fahrbahn bestimmen.

Description

Beschreibung
Multisensorielle. vorausschauende Straßenzustandserkennun 2g
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Straßenzustandserkennung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 8.
Der Zustand der Fahrbahnoberfläche kann das Fahrverhalten eines Fahrzeuges auf der Straße maßgeblich beeinflussen und stellt somit einen wesentlichen Aspekt der Sicherheit im Straßenverkehr dar. Die automatisierte Erkennung des Zustands der Fahrbahnoberfläche im Sinne einer Klassifizierung des Fahrbahnzustands z.B. trocken, feucht, Wasserlachen, Reif, Schnee, Eis und dergleichen kann als Information für den Fahrer und/oder eine automatische Fahrzeugsteuerung von erheblicher Bedeutung sein.
Eine zur Straßenzustandserkennung geeignete Radaranordnung ist beispielsweise aus der Schrift DE 42 00 299 AI bekannt. Bei dieser Anordnung wird durch polarisationsselektives, inkohärentes Senden und Empfangen die sogenannte Müller- Matrix bestimmt und zur Klassifizierung des Straßenzustands ausgewertet.
Ein ähnliches Verfahren nennt die Schrift DE 197 15 999 AI welche jedoch ein kohärentes Meßprinzip einsetzt. Die Vorrichtung leuchtet einen Fahrbahnausschnitt zwischen 10m und 100m in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug aus und ordnet den Straßenzustand anhand der zurückgestreuten elektromagnetischen Wellen vorgegebenen Straßenzustandskategorien zu. Die relativ geringe Einbauhöhe des Radarsensors im Kraftfahrzeug und die große Entfernung, in welcher der Straßenzustand erkannt werden soll, resultiert in einem sehr flachen Einstrahlwinkel des Sendepulses. Dies hat zur Folge, daß ein beträchtlicher Teil der von der Straßenoberfläche reflektierten Sendeenergie in Fahrtrichtung, entgegen der Empfangsrichtung des Systems, gespiegelt wird. Aufgrund der geringen Signalenergie am Empfänger ist es schwierig, eine fein differenzierende Straßenzustandserkennung zu betreiben. Zudem ist es auf Grund ähnlicher Materialkonstanten für ein System, das rein auf Millimeterwellen Messungen basiert, schwierig zwischen trockener und vereister Straße zu differenzieren. Genügend Differenzierungspotential ist nur durch eine kostspielige, voll-polarimetrische Messung des Reflexionsverhaltens der Straßenoberfläche zu erzielen.
Neben den vorgenannten Möglichkeiten der Erkennung von Straßenzuständen mit Hilfe eines Millimeterwellen-Radars ist es auch möglich, auf Grund von Infrarot- Absorptionsmessungen den Straßenzustand zu ermitteln. Vorrichtungen und Verfahren hierzu sind aus den Anmeldungen WO 91 14 170 und WO 96 26 430 bekannt. Die Erkennungssysteme nutzen bei ihren Messungen das Vorhandensein von signifikanten Maxima innerhalb des Absorptionsspektrums von Wasserstoff im Infrarotbereich aus. Da sich jedoch die Maxima dieser Absorptionsspektren für Wasser und Eis nur geringfügig unterscheiden, ist es für ein System das rein auf Infrarot-Messungen basiert, schwierig zwischen nasser und vereister Straße zu unterscheiden.
Die aus den Schriften DE 40 40 842 AI und DE 197 18 632 AI bekannten Vorrichtungen und Verfahren machen sich die jeweiligen Stärken vorgenannter Millimeterwellen- und Infrarot-Meßsysteme zu eigen, indem sie Messungen aus dem Millimeterwellenbereich und dem Infrarotbereich kombinieren. Durch diese Kombination der mehrdeutigen naß-trocken/Eis-Unterscheidung (Millimeterwelle) und der trocken-naß/Eis-Unterscheidung (Infrarot) kann das System eindeutig auf den vorhandenen Straßenzustand entscheiden. Der Nachteil liegt neben dem erhöhten Verarbeitungsaufwand vor allem aus den beträchtlichen Produktionskosten, welche aus der Notwendigkeit der Integration von in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeitenden Sensoren herrührt. Da die bekannten Systeme als Sender leistungsschwache Infrarot-Dioden verwenden, stellt sich auch hier das Problem, daß beim Einsatz für eine vorausschauende Straßenzustandserkennung nur geringe Anteile der von der Straßenoberfläche reflektierten Energie zu den Empfängern gelangen und von dort einer Auswertung zugeführt werden können. Eine Ausweichen auf einen breitbandigen, intensiven Beleuchter (z.B. Halogenlampe) in Bereiche vor dem Fahrzeug ist aus Gründen der Verkehrssicherheit ausgeschlossen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt auf kostengünstige Weise den Straßenzustand vorausschauend in ca. 2m bis 200m vor dem Fahrzeug zu erkennen. Die Lösung der Aufgabe besteht in der Kombination einer schmalbündelnden Millimeterwellen-Radars MW mit einem Infrarot -Laser-Radar ER sowie einer daran gekoppelten Signalverarbeitung. Dabei leuchtet die Vorrichtung einen Fahrbahnausschnitt innerhalb eines Entfernungsbereichs zwischen 2m und 200m in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug aus. Die Empfangseinrichtungen nehmen die Echosignale aus dem ausgeleuchteten Fahrbahnabschnitt auf und eine Auswerteeinheit leitet daraus eine Einordnung des Fahrbahnzustands dieses Fahrbahnabschnittes in vorgegebene Straßenzustandskategorien ab. Dabei weist das Millimeterwellen- Radar MΛV ein in horizontaler oder vertikaler Richtung eng gebündeltes Antennendiagramm auf. Die Millimeterwellen-Radar MW und das Infrarot-Laser-Radar ER werden auf den gleichen Fahrbahnabschnitt ausgerichtet und mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden. Durch die starke Strahlbündelung des von LR ausgesendeten Signals, leuchtet dieses einen wesentlich kleineren Bereich der Straßenoberfläche als das MW aus. Bei der Ausrichtung der Sensoren ist es vorteilhaft, wenn LR1 auf die Mitte des vom MW ausgeleuchteten Fahrbahnbereich ausgerichtet ist, da aus diesem Bereich der im Bezug auf des MW der verhältnismäßig größte Anteil an rückgestreuter Energie stammt.
In vorteilhafter Weise, sendet und empfängt das Millimeterwellen-Radar MW vertikal polarisierte Wellen. Es ist jedoch auch denkbar jede andere Polarisationsausrichtung für das MW zu wählen, wobei aus Gründen der einfacher Realisierung lineare Polarisationen, wie z.B. horizontale Polarisation, bevorzugt eingesetzt werden. Das ER arbeitet vorzüglich bei einer Frequenz, bei welcher das Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich ein Maximum aufweist (Absoptionskanal).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung, wird ein zusätzliches Infrarot- Laser-Radar IR2 integriert, welches bei einer Frequenz arbeitet die bezüglich der Auswirkungen des Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich nicht signifikant beeinflußt wird.
Um einen Korrelation zwischen den beiden Infrarot-Laser-Radaren ER und ER2 zu erleichtern, ist es von Vorteil beide Radare auf den selben Punkt auszurichten. Ist dies zum Beispiel nur durch erhöhten mechanischen Aufwand zu realisieren, ist es auch denkbar, die ER und ER2 so auszurichten, das sie mit zeitlichem Versatz die selbe Stelle der Straße ausleuchten und die entsprechenden Signale in der Auswerteeinheit, in Kenntnis der Vorrichtungsgeometrie und Fahrdynamik, miteinander kombiniert werden. Aus der Kenntnis der Vorrichtungsgeometrie und Fahrdynamik (z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Nick- und Kippwinkel des Fahrzeugs) läßt sich auf einfache Weise der Zeitversatz bestimmen mit welchem die ER und ER2 den selben Bereich der Straße ausleuchten. Es ist jedoch, bezüglich der Vereinfachung der Datenauswertung und der Zuverlässigkeit der Klassifikation, von Vorteil, daß wenigstens eines der Infrarot-Laser- Radare auf die Mitte des vom Millimeterwellen-Radar ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs ausgerichtet ist. In einer denkbaren Ausführungsform wird als Millimeterwellen-Radar MW zur Straßenzustandserkennung ein bereits im Fahrzeug vorhandenes Millimeterwellen- Radar verwendet, so zum Beispiel ein Hinderniswarnradar oder ein Abstandsregeltempomat (Distronic).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Straßenzustandserkennung kombiniert die Signale des Millimeterwellen-Radars MW und mindestens eines Infrarot-Laser-Radars und sie einem in der den Radaren gemeinsam zugeordneten Auswerteeinheit integrierten Klassifikator zu. Die Aufgabe dieses Klassifikators ist es im wesentlichen den Fahrbahnzustand zu klassifizieren.
Um Fluktuationen des Empfangssignals von des Infrarot-Laser-Radars ER1 (sendet vorzüglich bei einer Frequenz, bei welcher das Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich ein Maximum aufweist) auszugleichen, welche u.a. auf Umwelteinfüsse (z.B.: starke Sonneneinstrahlung) und unterschiedliche Straßenbeläge zurückzuführen sind, ist es von Vorteil das Empfangssignal eines zweiten Infrarot- Laser-Radars IR2 auszuwerten, dessen ausgesendetes Signal nicht signifikant vom Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich beeinflußt wird. Bei der gemeinsamen Auswertung der Signale von ER1 und ER2 wird davon ausgegangen, daß die Signale von ER1 und ER2 von der Rahmenbedingungen der Messung, mit Ausnahme des Straßenzustandes, auf gleiche Weise beeinflußt werden.
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bedient sich der in der zentralen Auswerteeinheit integrierte Klassifikator herkömmlicher, aus der Mustererkennung bekannter Klassifikationsalgorithmen (z.B.: Neuronale Netze, Polynomklassifikatoren). Andererseits ist es auch möglich eine Tabelle von zu klassifizierenden Straßenzuständen innerhalb der Auswerteeinheit anzulegen, auf deren Einträge nach Auswertung der von den Radarsensoren empfangenen Signalen, unter Verwendung eines Regelwerkes verwiesen wird. Der entsprechende Eintrag wird sodann als Klassifikationsergebnis gewertet. Nachfolgend werden die Grundzüge dieses Regelwerkes aufgeführt:
- Die Abnahme der Intensität des Empfangssignals am Millimeterwellensensors MW als ein Indiz für die Zuname der Oberflächenfeuchtigkeit im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich. Entsprechend wird das Abhandenkommen eines meßbaren Signals am Millimeterwellenempfänger als ein Indiz für das Vorhandensein einer geschlossenen Wasserschicht im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich gedeutet.
- Die Zunahme der Signale des Infrarotsensors ER, beziehungsweise des Verhältnisses der Signale von ER zu ER2, sind ein Indiz für eine Abtrocknung oder Enteisung der Fahrbahn. Eine geschlossene Wasserschicht oder Eisschicht im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich wird durch das Abhandenkommen eines meßbaren Signals im Infrarotempfänger signalisiert.
- Das Verfahren geht von einer trockenen Fahrbahn für den Fall aus, daß die Signale am Millimeterwellensensors MW und des Infrarotsensors ER, beziehungsweise des Verhältnisses der Signale von ER zu ER2, hoch sind. In vorteilhafter weise, werden die Meßwerte der einzelnen Radarsensoren vor der Klassifikation zeitlich gemittelt. - o -
Werden die Millimeterwellen- und Infrarot-Sensoren für das Verfahren und die Vorrichtung verwendet, welche im Fahrzeug auch für andere Aufgaben eingesetzt werden, so ist es vorteilhaft wenn die Sensoren im Zeitmultiplex-Betrieb zu regelmäßigen Zeitpunkten die Fahrbahn ausleuchten. Dabei ist es jedoch wünschenswert, daß beide Sensoren zum selben Zeitpunkt die Fahrbahn ausleuchten.
Durch die vorausschauende Fahrbahnüberwachung kann die erfindungsgemäße Kombination der Sensoren eine frühzeitige Anpassung des Fahrverhaltens an den zu erwartenden Fahrbahnzustand maßgeblich unterstützen und so die Sicherheit erhöhen. Durch die Unterteilung in Entfernungsabschnitte kann ohne eine aufwendige vertikale Winkelauflösung eine gute Differenzierung verschiedener nebeneinander vorliegender Oberflächentypen, z.B. Eisplatten auf sonst trockener Fahrbahn oder einzelne Wasserlachen erfolgen.
Um mittels der Klassifikation auch die ordnungsgemäße Funktion der Radarsensoren zu überprüfen, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Menge der zu klassifizierenden Fahrbahnzustände durch zusätzliche Klassen erweitert, welche das Eigenrauschen der Radarsensoren beschreiben. Verweist die Klassifikation auf eine solche Klasse, so kann davon ausgegangen werden, das der entsprechende Radarsensor einen Defekt aufweist. In ähnlich vorteilhafter Weise ist es auch Möglich den Klassifikator dahingehend mit zusätzlichen Klassen auszubilden, daß er typische Objekte aus dem Fahrzeugumfeld (z.B. vorausfahrende Fahrzeuge) erkennt. So kann der Klassifikator für den Fall, daß solche Objekte einen Teil der von den Radaren auszuleuchtenden Fahrbahn abdecken, andere Entfernungszellen auswerten.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die nicht maßstäblichen Abbildungen in Figur 1, die eine Fahrbahnüberwachung in Seitenansicht und Draufsicht zeigt, noch eingehend veranschaulicht.
An einem einer Fahrbahnoberfläche in x-Richtung fahrenden Kraftfahrzeug K ist am oberen Rand der Windschutzscheibe eine Sende-Empfangs-Antennenanordnung eines Millimeterwellen-Radars MW angeordnet, deren übrige Komponenten der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt, dem Fachmann aber geläufig sind. Die Antennenanordnung weise ein in Fahrtrichtung gerichtetes, in horizontaler und vertikaler Richtung scharf gebündeltes Antennendiagramm auf, dessen Breite in üblicher Weise durch die Halbwertsbreite definiert sei. Die Halbwertsbreite betrage typischerweise 1-2 Grad in der Horizontalen (Winkel c) und 2-4 Grad in der Vertikalen (Winkel b). Das Diagramm ist gegen die fahrbahnparallele Ebene H um einen Winkel a zur Fahrbahn hin geneigt, der bestimmt ist durch die Höhe der Antennenanordnung über der Fahrbahn und die gewünschte Entfernung des Fahrbahnausleuchtungsausschnitts P in Fahrtrichtung.
Das Antennendiagramm des Millimeterwellen-Radars MW leuchtet innerhalb seiner Halbwertsbreite im Abstand L vom Fahrzeug einen Fahrbahnausschnitt P der Länge Px in Fahrtrichtung und der Breite Py quer zur Fahrtrichtung (y-Richtung) aus. Beim Empfang der Echosignale in der Radaranordnung werden diese in an sich bekannter Weise nach Entfernungsabschnitten dr selektiert, bei einem Pulsradar z.B. mittels Zeittoren. Die Zielentfernungsabschnitte der entsprechen Abschnitten der Länge dx im ausgeleuchteten Fahrbahnausschnitt P. Vorzugsweise ist die Polarisation des Millimeterwellen-Radars MW vertikal ausgerichtet, da für diese Polarisation die Rückstreuung der ausgestrahlten Energie in den Empfänger am größten ist.
Zusätzlich zu dem Millimeterwellen-Radar MW ist in einem der Scheinwerfer die Sende-Empfangs-Anordnung des Infrarot-Laser-Radars IR1 angeordnet. Die Strahlen S des Infrarot-Laser-Radars ER1 ist vorzugsweise in Fahrtrichtung auf die Mitte M des vom Millimeterwellen-Radar MW ausgeleuchteten Straßenbereiches ausgerichtet. Es ist selbstverständlich denkbar das Millimeterwellen-Radar MW und/oder das Infrarot-Laser-Radar ER1 an einer anderen Stelle an der Front des Fahrzeuges K anzuordnen. Auch ist es vorstellbar bereits im Fahrzeug vorhandene Millimeterwellen- und Infrarot-Meß Systeme für den Zweck einer vorausschauenden Straßenzustandserkennung mit zu benutzen, so zum Beispiel Systeme zur Abstandsregelung und Sichtweitenbestimmung. Dabei könnten diese Systeme möglicherweise im Zeit-Multiplex zwischen den ihnen zugeordneten Aufgaben umgeschaltet werden. Durch Einsatz von geeigneten elektronischen Ansteuerungen und Antennengeometrien bzw. Optiken, die es erlauben einen Teil der Meßstrahlen zeitweise auf die Straße zu lenken, kann eine mechanische Strahlschwenkung vermieden werden. Für den Fall, daß die Radare nicht zum selben Zeitpunkt nicht die gleiche Stelle der Fahrbahnoberfläche ausleuchten, werden die Echosignale in der Auswerteeinheit unter Kenntnis der Vorrichtungsgeometrie und der Fahrdynamik (u.a. Geschwindigkeit, Beschleunigung) nachträglich miteinander kombiniert. Über die Auswertung der Intensitäten der zurückgestreuten Signale im bezug auf die einzelnen Entfernungsabschnitte dr können zusätzlich auch ein gewölbter Fahrbahnverlauf und/oder Nickbewegungen des Fahrzeugs erkannt und berücksichtigt werden. Hierzu ist es von Vorteil, die Intensitätswerte vor ihrer Verarbeitung bezüglich der Distanz der zugehörigen Entfernungsabschnitte dr vom Fahrzeug F zu normieren. Der Entfernungsabschnitt dr, welcher die höchste Intensität aufweist, wird dann als der Entfernungsabschnitt dr gewertet der sich in der Mitte des vom Millimeterwellen- Radar MW ausgeleuchteten Straßenbereich befindet. Aus der Signallaufzeit kann dann nach bekannten Methoden die Entfernung zu diesem Mittenpunkt bestimmt werden. Andererseits ist es auch möglich durch Bestimmung der Signallaufzeit beim Infrarot- Laser-Radar ER1 die Entfernung zwischen dem Fahrzeug F und dem Meßpunkt M direkt zu bestimmen. Aus der ermittelten Entfernung zwischen dem Fahrzeug F und dem Meßpunkt M und den bekannten Winkelparametern unter welchem die Radarsensoren IR1 und MW senden und empfangen kann der augenblickliche Nickwinkel des Fahrzeugs F im Bezug auf die fahrbahnparallele Ebene H bestimmt werden. Wenn der aktuelle Nickwinkel des Fahrzeuges bereits bekannt ist, so kann aus der ermittelten Entfernung zwischen dem Fahrzeug F und dem Meßpunkt M und den bekannten Winkelparametern unter welchem die Radarsensoren ER1 und MW senden und empfangen die Wölbung des Straßenverlaufs bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Fahrbahnzustandserkennung in einem Kraftfahrzeug, welche einen Fahrbahnabschnitt innerhalb eines Entfernungsbereichs zwischen 2m und 200m in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug ausleuchtet und welche Empfangseinrichtungen Echosignale aus dem ausgeleuchteten Fahrbahnausschnitt aufnimmt um daraus eine Einordnung des Fahrbahnzustands im Fahrbahnabschnitt in vorgegebene Zustandskategorien abzuleiten,
dadurch gekennzeichnet,
- daß ein Millimeterwellen-Radar MW welches ein in horizontaler und vertikaler Richtung eng gebündeltes Antennendiagramm aufweist mit einem Infrarot-Laser-Radar ER kombiniert wird,
- daß das Millimeterwellen-Radar MW und das Infrarot-Laser-Radar ER auf den gleichen Fahrbahnabschnitt ausgerichtet sind,
- daß das Millimeterwellen-Radar MW und das Infrarot-Laser-Radar ER mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen- Radar MW linear polarisierte Wellen sendet und empfängt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen- Radar MW vertikal polarisierte Wellen sendet und empfängt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarot-Laser-Radar ER bei einer Frequenz arbeitet, bei welcher das Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich ein Maximum aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Infrarot-Laser-Radar ER2 integriert ist, welches bei einer Frequenz arbeitet die bezüglich der Auswirkungen des Absorptionsspektrum von Wasserstoff im Infrarotbereich nicht signifikant beeinflußt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Laser- Radare ER und ER2 auf den selben Punkt ausgerichtet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Infrarot-Laser-Radare ER und ER2 so ausgerichtet sind, daß sie mit zeitlichem Versatz die selbe Stelle der
Straße ausleuchten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Infrarot-Laser-Radare auf die Mitte des vom Millimeterwellen- Radar ausgeleuchteten Fahrbahnbereich ausgerichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen-Radar MW ein bereits im Fahrzeug vorhandenes Millimeterwellen- Radar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Infrarot-Laser-Radare ER1 und ER2 ein bereits im Fahrzeug vorhandenes Infrarot-Laser-Radar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Radaren gemeinsam zugeordneten Auswerteeinheit ein Klassifikator zur Klassifikation der Fahrbahnzustände integriert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikator einem aus Mustererkennung allgemein bekannter Klassifikationsalgorithmus, wie ein
Neuronale Netz oder ein Polynomklassifikator ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikator als Tabelle realisiert ist, aufweiche auf Grundlage eines Regelwerkes zugegriffen wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funktionserkennung eines oder mehrerer der verwendeten Radare dadurch herbeigeführt wird, daß der Klassifikator um weitere Klassen, zusätzlich zu den zu klassifizierenden Fahrbahnzuständen, ergänzt wird, welche das Eigenrauschen der einzelnen Radargeräte beschreiben, so daß bei der Klassifikation Gerätefehler erkannt werden können.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Klassifikator um weitere Klassen, zusätzlich zu den zu klassifizierenden Fahrbahnzuständen, ergänzt wird, welche mögliche im Fahrzeugumfeld befindliche Objekte beschreiben, so daß bei der Klassifikation erkannt werden kann, daß das empfangene Signal von einem anderen Objekt als der Fahrbahnoberfläche stammt.
16. Verfahren zur Straßenzustandserkennung in einem Kraftfahrzeug, bei welchem eine Fahrbahnabschnitt mittels eines Millimeterwellen-Radars und mindestens eines Infrarot- Laser-Radars innerhalb eines Entfernungsbereichs zwischen 2m und 200m in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug ausgeleuchtet wird und bei welchem Empfangseinrichtungen Echosignale aus dem ausgeleuchteten Fahrbahnausschnitt aufnehmen um daraus eine Einordnung des Fahrbahnzustands im Fahrbahnabschnitt in vorgegebene Zustandskategorien abzuleiten, dadurch gekennzeichnet,
- daß zur Einordnung des Fahrbahnzustands die Echosignale der Radare einer Klassifikation zur Klassifizierung des Fahrbahnzustandes zugeführt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Klassifikation der Fahrbahnzustände herkömmlicher, aus der Mustererkennung allgemein bekannter
Klassifikationsalgorithmen, wie Neuronale Netze oder Polynomklassifikatoren bedient.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Klassifikation der Fahrbahnzustände einer Tabelle von zu klassifizierenden Fahrbahnzuständen bedient, welche innerhalb der Auswerteeinheit angelegt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Einträge der Tabelle mit den zu klassifizierenden Fahrbahnzuständen, nach der Auswertung der von den Radarsensoren empfangenen Signalen und unter Verwendung eines Regelwerkes, verwiesen wird, und daß der entsprechende Eintrag sodann als Klassifikationsergebnis gewertet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen verwendeten des Regelwerkes
- die Abnahme der Intensität der Signale des Millimeterwellensensors als ein Indiz für die Zunahme der Oberflächenfeuchtigkeit im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich gedeutet wird, - das Abhandenkommen eines meßbaren Signals am Millimeterwellenempfänger als ein Indiz für das Vorhandenseins einer geschlossenen Wasserschicht im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich gedeutet wird,
- die Zunahme der Intensität der Signale des Infrarotsensors als ein Indiz für eine Abtrocknung oder Enteisung im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich gedeutet wird, - das Abhandenkommen eines meßbaren Signals am Infrarotempfänger als ein Indiz für das Vorhandenseins einer geschlossenen Wasserschicht oder Eisschicht im ausgeleuchteten Fahrbahnbereich gedeutet wird. - bei hohen Signalen von Millimeterwellensensor und Infrarotsensor auf eine trockene geschlossen wird
- bei ausbleiben eines Signals am Millimeterwellenempfänger und bei geringer Intensität am Infrarotempfänger geschlossen wird auf eine geschlossene Wasserfläche geschlossen wird
- das gleichzeitige Abnehmen der Signale am Millimeterwellen- und Infrarotempfänger auftretender Fahrbahnnässe entspricht.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funktionserkennung eines oder mehrerer der verwendeten Radare dadurch herbeigeführt wird, daß bei der Klassifikation zur Gruppe der zu identifizierenden Klassen als weitere Klassen das Eigenrauschen der einzelnen Radargeräte auf "-oge*nommen wird, so daß bei der Klassifikation Gerätefehler erkannt werden können.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Klassifikation zur Gruppe der zu identifizierenden Klassen als weitere Klassen andere Objekten als Fahrbahnoberflächen aufgenommen wird, so daß bei der Klassifikation erkannt werden kann, daß das empfangene Signal von einem anderen Objekt als der Fahrbahnoberfläche zurückgespiegelt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß falls erkannt wird, daß das empfangene Signal von einem anderen Objekt als der Fahrbahnoberfläche zurückgespiegelt wird, andere Entfernungszellen, innerhalb des auf der Fahrbahn von den Radaren ausgeleuchteten Bereichs, ausgewertet werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der Radarsensoren vor der Auswertung zeitlich gemittelt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen- Radar zur Abstandsregelung in regelmäßigen Zeitpunkten im Zeit-Mulitplex-Betrieb die
Fahrbahn ausleuchtet.
26. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Infrarot-Laser-Radare zur Abstandsregelung zu regelmäßigen Zeitpunkten im Zeit- Mulitplex-Betrieb die Fahrbahn ausleuchtet.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Millimeterwellen-Radar und das Infrarot-Laser-Radar zum selben Zeitpunkt die
Fahrbahn ausleuchten.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Entfernungsabschnitte der Millimeterwellen-Messung vor der Verarbeitung im Bezug auf ihre Entfernung vom Fahrzeug normiert werden, und daß anschließend der Entfernungsabschnitt der die höchste Intensität aufweist, als der Entfernungsabschnitt gewertet wird, welcher sich in der Mitte des vom Millimeterwellen-Radar ausgeleuchteten Straßenbereichs befindet.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Entfernung zu der Mitte des ausgeleuchteten Straßenbereichs und den bekannten Winkelparametern unter welchem einer oder beide der Radarsensoren am Fahrzeug senden und empfangen, der augenblickliche Nickwinkel des Fahrzeugs bestimmt wird.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der aktuelle Nickwinkel des Fahrzeuges bekannt ist, aus der Entfernung zu der Mitte des ausgeleuchteten Straßenbereichs und den bekannten Winkelparametern unter welchem einer oder beide der Radarsensoren am Fahrzeug senden und empfangen, die Wölbung des Straßenverlaufs bestimmt wird.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß die Radare nicht auf die selbe Stelle der Fahrbahnoberfläche ausgerichtet sind, die Echosignale in der Auswerteeinheit, in Kenntnis der Vorrichtungsgeometrie und Fahrdynamik, miteinander kombiniert werden.
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